Нуклеофильное замещение представляет собой один из важнейших классов реакций в органической химии. Его суть заключается в том, что нуклеофильная частица (Nu⁻ или молекула с неподелённой электронной парой) атакует электрофильный атом углерода, связанный с уходящей группой (LG), в результате чего происходит замещение LG на нуклеофил. Ключевыми параметрами, определяющими ход реакции, являются строение субстрата, природа уходящей группы, сила нуклеофила и условия проведения реакции (растворитель, температура).
Стереохимический аспект этих процессов особенно важен, так как механизмы SN1 и SN2 радикально различаются по характеру пространственных изменений, происходящих в молекуле.
Одностадийность процесса Механизм SN2 (Substitution Nucleophilic Bimolecular) характеризуется протеканием реакции в одну стадию. Нуклеофил атакует электрофильный центр одновременно с уходом группы, и в переходном состоянии атом углерода оказывается связанным частично как с уходящей группой, так и с атакующим нуклеофилом.
Кинетика Скорость реакции зависит от концентрации как субстрата, так и нуклеофила: [ v = k[][^-] ]
Стереохимия Ключевым стереохимическим результатом является явление инверсии конфигурации (инверсия Вальдена). Поскольку атака нуклеофила осуществляется с тыльной стороны по отношению к уходящей группе, пространственная структура углеродного центра полностью «переворачивается», подобно зонтику, вывёрнутому ветром. Если в исходном соединении атом углерода является хиральным, то продукт будет его энантиомером (при условии, что нуклеофил и уходящая группа различны).
Факторы, влияющие на SN2
Многостадийность процесса Механизм SN1 (Substitution Nucleophilic Unimolecular) протекает в две стадии. Первая, лимитирующая, — образование карбкатиона при отщеплении уходящей группы. Вторая — атака нуклеофила по свободному карбкатиону.
Кинетика Скорость реакции зависит только от концентрации субстрата: [ v = k[] ]
Стереохимия Важнейшее отличие от SN2 — образование карбкатиона с плоской sp²-гибридизацией в переходном состоянии. Нуклеофил может атаковать с обеих сторон плоскости, что приводит к рацемизации продукта, если исходный субстрат был хиральным. На практике часто наблюдается частичная рацемизация: в продукте может сохраняться некоторое преимущество одной конфигурации из-за ионных пар «карбкатион – уходящая группа», ограничивающих свободный доступ нуклеофила с одной стороны.
Факторы, влияющие на SN1
В механизме SN2 атом углерода в переходном состоянии принимает форму тригональной бипирамиды: нуклеофил и уходящая группа занимают апикальные позиции, а три заместителя — экваториальные. Эта геометрия предопределяет инверсию конфигурации.
В механизме SN1 образуется плоский карбкатион с тремя заместителями в одной плоскости и пустой p-орбиталью, доступной для атаки нуклеофила сверху или снизу. Отсюда вытекает потеря стереоспецифичности и образование смеси энантиомеров.