SN1与SN2反应的区别

引言

亲核取代反应的两种类型是 SN1 和 SN2。SN2 涉及两个分子，而 SN1 只涉及一个。要理解 SN1 和 SN2，理解亲核取代反应至关重要。只有掌握了亲核取代过程的所有相关术语，才能理解 SN1 和 SN2 之间的区别。在本节中，我们将讨论亲核试剂、取代过程、亲核取代过程以及 SN1 和 SN2 之间的区别。

什么是亲核试剂？

亲核试剂是指具有可贡献电子对的原子或分子。换句话说，它带负电，因为它有过多未使用的电子。亲核试剂分为两类：

中性：中性亲核试剂是包含一个或多个孤对电子但整体电荷为中性的分子。

示例：让我们以 NH3 为例。该分子的八隅体是满足的。它整体电荷为中性。然而，由于它拥有一个孤对电子，氮原子本身带负电。因此，无论分子的整体电荷如何，N 原子仍会被吸引到分子的缺电子区域或缺电子原子。

阴离子：阴离子是带有负电荷的化学粒子。例如：OH^- 或氢氧根离子。

取代反应

任何化学过程都是用另一个官能团或原子替换分子中的官能团或原子。亲核取代反应或亲电取代反应也是可能的。本文将重点关注亲核取代反应。

取代反应的条件

取代反应的发生必须满足某些条件，如下所示：

• 保持低温，例如室温。
• 强碱，如 NaOH，必须稀释。如果碱的浓度较高，则可能发生脱卤化氢反应。
• 混合物必须处于水性环境，例如水。

取代反应的类型

取代反应有两种：亲核反应和亲电反应。这两种反应之间的主要区别在于连接到初始分子的原子的类型。在亲核反应中，原子被称为富电子物种，在亲电反应中，原子被称为缺电子物种。

亲核取代反应

任何一种取代过程，其中一个原子或官能团被一个具有单对电子的原子或带负电的离子或两者替换。为了取代已经连接到正区域的官能团或原子，带负电的离子或具有孤对电子的原子/分子将被吸引到原子或复合物的正电区域。

示例 - 溴甲烷，其化学式为 CH₃Br。溴带负电，而烷基 CH3 带正电。如果与氰化物阴离子相互作用，带负电的 Br 将被带正电的 CN^- 取代。反应如图所示：

CH₃CN + Br^- → CH₃Br + CN^-

类似地，如果我们考虑氯甲烷或 CH3Cl。在这种情况下，Cl 带负电，而 CH₃ 带正电。当氢氧根离子和 CH3Cl 相互作用时，带负电的氢氧根离子取代 Cl 原子。反应进行如下：

CH₃Cl + OH^- → CH₃OH + Cl^-

一个带负电的原子或分子被另一个带负电的原子或分子取代。

亲核取代反应：类型

亲核取代过程有两种类型：

1. SN1 反应
2. SN2 反应

SN1 涉及单分子反应，而 SN2 涉及双分子反应。

什么是 SN1 反应？

SN1 过程是亲核取代反应，其速率决定步骤是单分子反应。SN1 指的是亲核取代单分子反应。因此，当亲核试剂的量远大于碳正离子中间体的量时，速率方程——声称 SN1 反应取决于亲电试剂而不是亲核试剂——是有效的。

在此反应过程中会形成碳正离子中间体。通常，当仲烷基卤化物或叔烷基卤化物在极强的酸性或极强的碱性条件下与仲醇或叔醇反应时，会发生这种情况。在无机化学中，SN1 反应通常被称为解离机理。下面显示了 SN1 型亲核取代反应的示例。

SN1 反应机理是分步进行的，首先通过离去基团的消除形成碳正离子。然后，亲核试剂攻击碳正离子。最终，质子化的亲核试剂去质子化，得到目标产物。亲核试剂不影响此反应的速率决定步骤，该步骤仅取决于离去基团的亲电性。

SN1 的反应机理

以下步骤通过叔丁基溴的水解来解释 SN1 反应的机理。

步骤 1

• 碳与溴之间形成极性共价键。这个键可以断裂，使离去基团（溴离子）离去。
• 当溴离子从叔丁基溴上脱离时，会形成碳正离子中间体。
• 如前所述，这是 SN1 机理的速率决定阶段。
• 重要的是要注意，碳和溴之间的键断裂是吸热的。

步骤 2

• 在 SN1 反应过程的第二阶段，亲核试剂攻击碳正离子。
• 由于水用作溶剂，因此会形成一个称为鎓离子的中间体。
• 由于溶剂的电中性，需要第三步去质子化。

步骤 3

• 在前一阶段，碳正离子上的氧带正电。
• 由于水溶剂现在充当碱并去质子化鎓离子，因此生成了所需的醇和水合氢离子。
• 此反应的第 2 步和第 3 步发生得很快。

SN1 反应的立体化学

在 SN1 反应过程的第一步中形成的碳正离子中间体是 sp2 杂化的碳。由于其三角平面分子结构，它有两个潜在的亲核攻击位点：左侧和右侧。

碳正离子随后从反应的两个侧面以相同的程度受到攻击，并在立体中心处发生。如果亲核攻击的这两个路径没有偏向，则会生成等比例的左旋和右旋对映异构体，如下所示。

什么是 SN2 反应？

SN2 反应过程需要亲核试剂从碳原子的背面进行攻击。因此，离去基团曾占据的位置现在在其立体化学结构中与之相对。这被称为构型翻转。立体选择性反应是指多个立体异构体反应生成不同立体异构体的结果。SN2 反应是此类反应的一个典型例子。此外，Walden 翻转最常见的例子涉及 SN2 反应，其中不对称碳原子会发生构型翻转。

SN2 反应是一种亲核取代过程，其中一个键断裂，同时形成一个新的键。确定速率的反应阶段涉及两个反应物种。“SN2”缩写表示双分子亲核取代。缔合取代、交换机理和双分子亲核取代是此类型反应的其他名称。

以下是一些 SN2 反应的例子。以下因素会影响此类反应的速率：

• 底物的背面如果畅通无阻，则有利于碳-亲核试剂键的形成。因此，甲基和伯底物的亲核取代很容易。
• 强阴离子亲核试剂可以加速反应速率。由于亲核性随负电荷的增大而增大，因此更强的亲核试剂可以轻松地形成碳-亲核试剂键。
• 虽然极性非质子溶剂不会阻碍亲核试剂，但它们会形成氢键。丙酮在此过程中可用作溶剂。
• 离去基团阴离子的稳定性和离去基团与碳之间的弱结合力有助于加速 SN2 反应。

由于 SN2 反应是二级反应，因此在速率决定步骤发生时，必须同时存在亲核试剂浓度和底物浓度。

SN2 的反应机理

为了使该反应继续进行，亲核试剂从背面攻击底物。亲核试剂相对于碳-离去基团键接近给定底物的角度为 180^o。通过一个过渡态，碳与亲核试剂之间形成键，同时碳与离去基团之间的键断裂。

离去基团现在从过渡态中被推出，位于碳-亲核试剂键的另一侧，形成所需的产物。重要的是要注意，产物是通过中心原子的四面体几何形状翻转而形成的。

以下图示显示了在氯乙烷的亲核取代中，当溴作为亲核试剂时 SN2 反应的发生。

SN2 反应的立体化学

亲核试剂可以通过以下两种方式之一攻击底物的立体中心：

产物的立体构型得以保留，这是由于前侧攻击，亲核试剂从离去基团的同一侧进行攻击。

由于后侧攻击，最终产物的立体构型发生翻转。亲核试剂从碳-离去基团键的另一侧攻击立体中心。

纯 SN2 反应的立体构型翻转为 100%，这表明后侧攻击是这些反应发生的方式。

因此，在所示底物中，亲核试剂取代了离去基团。应该强调的是，叔底物不能参与 SN2 反应，而伯底物和仲底物可以。

SN1 和 SN2 反应的区别

SN1 和 SN2 反应之间的一些主要区别如下：

现在让我们仔细研究一下区别。

→ 看一下前面溴甲烷的例子。CN^- 离子取代了从烷基上脱离的 Br。所以有两个步骤：

第一个是 Br 的分离：CH₃Br → CH₃⁺ + Br^-。

这被称为速率限制步骤或慢速步骤。当 Br 离子分离时，区域中的 CN^- 离子被 CH3 吸引，并攻击 CH3，形成 CH₃CN。此外，在 SN1 中，第一步被认为是关键阶段。这是一个单分子反应，因为第一步只涉及一种特定类型的分子。

因此，这是一个两阶段过程，其中阳离子形成是第一阶段。

在 SN2 反应中，当 Br 试图从 CH₃Br 化合物中脱离时，OH 阴离子攻击 CH₃Br 分子。这个过渡步骤以部分连接的 OH^- 和部分分离的 Br^- 结束。Br 的完全分离和 OH 阴离子的完全连接标志着过程的完成。

特别说明

你注意到我们在两种情况下都使用了 CH₃Br 的例子吗？这只是为了教育目的。事实上，CH₃Br 在 SN1 中会形成甲基碳正离子。SN1 的第二阶段不能由此进行，因为它不稳定。因此，CH₃Br 反应以 SN2 取代的形​​式进行，而不是 SN1。

结论

因此，我们可以说存在两种亲核取代反应：SN1 和 SN2。

• 亲核试剂是电子含量高的原子或分子。
• 亲电试剂是亲核试剂的对立面。带正电荷的化学物质称为亲电试剂。
• 一种用另一个带负电的官能团或原子替换一个官能团或原子的过程称为亲核取代反应。
• SN1 反应是单分子的，而 SN2 反应是双分子的。
• SN1 有两个阶段。SN2 需要一个步骤。

SN1 中有一个碳正离子形成阶段。然后碳正离子被阴离子或带负电的原子或分子吸引。SN2 中只有一个过渡步骤，没有中间体形成。