SN2-Reaktion

Die Reaktion findet am häufigsten an einem aliphatischen sp3-Kohlenstoffzentrum mit einer daran gebundenen elektronegativen, stabilen Austrittsgruppe - 'X' - statt, häufig ein Halogenidatom. Das Brechen der C-X-Bindung und die Bildung der neuen C-Nu-Bindung erfolgen gleichzeitig, um einen Übergangszustand zu bilden, in dem der Kohlenstoff unter nukleophilem Angriff pentakoordiniert und ungefähr sp2-hybridisiert ist. Das Nucleophil greift den Kohlenstoff bei 180° zur austretenden Gruppe an, da dies die beste Überlappung zwischen dem einsamen Paar des Nucleophils und dem Orbital C-X σ* der Antibiotikabindung bietet. Die austretende Gruppe wird dann von der gegenüberliegenden Seite abgestoßen und das Produkt wird gebildet.

Wenn das Substrat, das nukleophil angegriffen wird, chiral ist, kann dies, wenn auch nicht notwendigerweise, zu einer Inversion der Stereochemie führen, die als Walden-Inversion bezeichnet wird.

In einem Beispiel der SN2-Reaktion führt der Angriff von OH- (das Nukleophil) auf ein Bromethan (das Elektrophil) zu Ethanol, wobei Bromid als Abgangsgruppe ausgestoßen wird:

Eine SN2-Reaktion tritt auf, wenn der rückseitige Angriffsweg nicht durch andere Atome im Molekül blockiert ist (sterisch behindert durch Substituenten auf dem Substrat). Dieser Mechanismus tritt also normalerweise an einem ungehinderten primären Kohlenstoffzentrum auf. Wenn es auf dem Substrat in der Nähe der Abgangsgruppe eine sterische Verdrängung gibt, wie z.B. an einem tertiären Kohlenstoffzentrum, wird bei der Substitution eher ein _{SN1- als ein} SN2-Mechanismus verwendet (ein _SN1 wäre auch bei blockierten Molekülen wahrscheinlicher, da ein ausreichend stabiles Carbokation-Intermediär gebildet werden könnte).

In der Koordinationschemie verläuft die assoziative Substitution nach einem ähnlichen Mechanismus wie _SN2.

Vier Faktoren beeinflussen die Geschwindigkeit der Reaktion:

• Bedruckstoff. Das Substrat spielt die wichtigste Rolle bei der Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit. Dies liegt daran, dass das Nukleophil von der Rückseite des Substrats angreift, wodurch die Bindung der Kohlenstoffabspaltgruppe aufgebrochen und die Kohlenstoff-Nukleophil-Bindung gebildet wird. Um die Geschwindigkeit der SN2-Reaktion zu maximieren, muss daher die Rückseite des Substrats so ungehindert wie möglich sein. Insgesamt bedeutet dies, dass Methyl- und Primärsubstrate am schnellsten reagieren, gefolgt von Sekundärsubstraten. Tertiäre Substrate nehmen aufgrund der sterischen Behinderung nicht an SN2-Reaktionen teil.

• Nukleophil. Wie das Substrat beeinflusst die sterische Behinderung die Stärke des Nukleophils. Das Methoxid-Anion zum Beispiel ist sowohl eine starke Base als auch ein Nukleophil, da es ein Methylnukleophil ist, und ist daher sehr ungehindert. Das Tert-Butoxid hingegen ist eine starke Base, aber ein schlechtes Nukleophil, weil seine drei Methylgruppen seine Annäherung an den Kohlenstoff behindern. Die Nukleophilstärke wird auch von der Ladung und Elektronegativität beeinflusst: Die Nukleophilie nimmt mit zunehmender negativer Ladung und abnehmender Elektronegativität zu. Zum Beispiel ist OH- ein besseres Nukleophil als Wasser, und I- ist ein besseres Nukleophil als Br- (in polaren protischen Lösungsmitteln). In einem polaren aprotischen Lösungsmittel nimmt die Nucleophilie um eine Spalte des Periodensystems zu, da keine Wasserstoffbindung zwischen dem Lösungsmittel und dem Nucleophil besteht. In diesem Fall spiegelt die Nukleophilie die Basizität wider. I- wäre daher ein schwächeres Nucleophil als Br-, da es eine schwächere Base ist.

• Lösungsmittel. Das Lösungsmittel wirkt sich auf die Reaktionsgeschwindigkeit aus, da Lösungsmittel ein Nukleophil umgeben können oder nicht, wodurch dessen Annäherung an das Kohlenstoffatom behindert oder nicht behindert wird. Polare aprotische Lösungsmittel, wie Tetrahydrofuran, sind bessere Lösungsmittel für diese Reaktion als polare protische Lösungsmittel, da polare protische Lösungsmittel durch die Wasserstoffbindung des Lösungsmittels an das Nucleophil solvatisiert werden. Dadurch wird es daran gehindert, den Kohlenstoff mit der Abgangsgruppe anzugreifen.

• Austrittsgruppe. Die austretende Gruppe beeinflusst die Reaktionsgeschwindigkeit. Je stabiler die Abgangsgruppe ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie die beiden Elektronen ihrer Kohlenstoff-Abgangsgruppenbindung mit sich nimmt, wenn das Nukleophil den Kohlenstoff angreift. Je schwächer also die Abgangsgruppe als konjugierte Base ist, desto besser ist die Abgangsgruppe. Ebenso ist die Abgangsgruppe umso besser, je stärker ihre entsprechende Säure ist. Beispiele für gute Abgangsgruppen sind die Halogenide (außer Fluorid) und Tosylat. HO- und H2N- sind jedoch keine guten Abgangsgruppen.

Die Rate einer SN2-Reaktion ist von zweiter Ordnung, da der ratenbestimmende Schritt sowohl von der Nukleophil-Konzentration [Nu-] als auch von der Konzentration des Substrats [RX] abhängt.

r = k[RX][Nu-]

Dies ist ein wesentlicher Unterschied zwischen den Mechanismen _SN1 und _SN2. Bei der SN1-Reaktion greift das Nukleophil an, nachdem der Schritt der Ratenbegrenzung beendet ist. Bei der SN2-Reaktion hingegen drängt das Nucleophil die austretende Gruppe im begrenzenden Schritt ab. Mit anderen Worten, die Rate der SN1-Reaktionen hängt nur von der Konzentration des Substrats ab, während die SN2-Reaktionsrate von der Konzentration sowohl des Substrats als auch des Nukleophils abhängt. In Fällen, in denen beide Mechanismen möglich sind (z.B. an einem sekundären Kohlenstoffzentrum), hängt der Mechanismus vom Lösungsmittel, der Temperatur, der Konzentration des Nukleophils oder von der Abgangsgruppe ab.

SN2-Reaktionen werden im Allgemeinen in primären Alkylhalogeniden oder sekundären Alkylhalogeniden mit einem aprotischen Lösungsmittel bevorzugt. In tertiären Alkylhalogeniden treten sie aufgrund der sterischen Behinderung mit einer vernachlässigbaren Geschwindigkeit auf.

_SN2 und _SN1 sind zwei Extreme einer gleitenden Skala von Reaktionen. Es ist möglich, viele Reaktionen zu finden, die in ihren Mechanismen sowohl _SN2 als auch _SN1 Charakter aufweisen. Zum Beispiel ist es möglich, aus einem Alkylhalogenid ein Kontakt-Ionenpaar zu erhalten, bei dem die Ionen nicht vollständig getrennt sind. Wenn diese substituiert werden, wird die Stereochemie für viele der reagierenden Moleküle umgekehrt (wie bei _SN2), aber einige wenige können eine Beibehaltung der Konfiguration aufweisen. SN2-Reaktionen sind häufiger als SN1-Reaktionen.

Eine häufige Nebenreaktion, die bei SN2-Reaktionen stattfindet, ist die E2-Eliminierung: Das ankommende Anion kann als Base statt als Nukleophil wirken, wobei ein Proton entfernt wird und zur Bildung des Alkens führt. Dieser Effekt kann in der Gasphasenreaktion zwischen einem Sulfonat und einem einfachen Alkylbromid nachgewiesen werden, die in einem Massenspektrometer stattfindet:

Bei Ethylbromid ist das Reaktionsprodukt überwiegend das Substitutionsprodukt. Da wie bei Isobutylbromid die sterische Behinderung um das elektrophile Zentrum zunimmt, wird die Substitution benachteiligt und die Eliminierung ist die vorherrschende Reaktion. Weitere Faktoren, die die Elimination begünstigen, sind die Stärke der Base. Mit dem weniger basischen Benzoatsubstrat reagiert Isopropylbromid mit einer 55%igen Substitution. Im Allgemeinen folgen solche Reaktionen in der Gasphase und in der Lösungsphase den gleichen Trends, auch wenn im ersten Fall die Lösungsmittelwirkung nachlässt.

Eine Entwicklung, die 2008 Aufmerksamkeit erregte, betrifft einen SN2-Kreiselmechanismus, der in einer Gasphasenreaktion zwischen Chloridionen und Methyliodid mit einer speziellen Technik namens Crossed Molecular Beam Imaging beobachtet wurde. Wenn die Chloridionen eine ausreichende Geschwindigkeit haben, ist die Energie der resultierenden Jodidionen nach der Kollision viel geringer als erwartet, und es wird angenommen, dass Energie durch eine vollständige Umrundung der Methylgruppe um das Jodatom verloren geht, bevor die eigentliche Verschiebung stattfindet.

• Substitutions-Reaktion
• SN1-Reaktion