واکنش جانشینی نوکلئوفیلی (هسته دوستی) دومولکولی چیست؟

واکنش جانشینی هسته دوستی دو مولکولی را به اختصار با نام SN2 می شناسند. این واکنش ها گونه‌ای از واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی هستند که در واکنش‌های آلی بسیار استفاده می شوند. در این واکنش‌های استخلافی گروه ترک‌ کننده همزمان با حمله نوکلئوفیل مولکول را ترک می کند. به این نوع از واکنش‌ها، واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی (SN2) می گویند که درواقع به صورت تک مرحله ای انجام می ‌شوند. در این واکنش ها دو مولکول در مرحله تعیین‌ کننده سرعت به معادله سرعت وارد شده و سرعت واکنش به غلظت هر دو گونه وابسته است. در واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی، سرعت واکنش‌ تحت تأثیر نوع نوکلئوفیل، نوع آلکیل، ترک‌ کننده و حلال قرار دارد.

واکنش SN2 فقط در یک مرحله رخ داده و این واکنش‌ها باعث وارونگی آرایش فضایی کربن حامل گروه ترک ‌کننده خواهند شد. هسته‌دوست (نوکلئوفیل) در واکنش‌های SN2 همیشه از پشت به جزء مورد عمل حمله کرده و گروه ترک کننده از سمت مخالف خارج می‌شود. این وارونگی توسط ترکیب‌های فعال نوری قابل مشاهده است.

به دلیل اهمیت واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی در واکنش های شیمیایی مانند انواع سنتز های صنعتی و آزمایشگاهی در ادامه به نحوه انجام و بررسی آن ها خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید.

واکنش جانشینی چیست

واکنش جانشینی نوعی واکنش شیمیایی است که طی آن یک گروه عاملی در یک ترکیب شیمیایی با گروه عاملی دیگری جایگزین می‌شود. انواع واکنش جانشینی در شیمی از اهمیت بالایی برخوردار است. واکنش های جانشینی را بر اساس نوع واکنشگر می توان به دو نوع هسته‌دوست (نوکلئوفیلی) و الکترون ‌دوست (الکتروفیلی) تقسیم بندی نمود. اینکه واکنش جانشینی به صورت‌های مختلف هسته‌دوست یا الکترون دوست طبقه‌بندی شود توسط نوع مواد واسط فعال دخیل در واکنش جانشینی تعیین می گردد. این مواد کربوکاتیون، کربانیون یا رادیکال آزاد هستند. فهم دقیق نوع واکنش شیمیایی ضروری است، زیرا در پیش‌بینی فرآورده‌های نهایی کمک خواهد نمود. بعلاوه درک صحیح نوع واکنش جانشینی در بهینه‌سازی واکنش‌ها و نحوه کنترل دما یا حلال ضروری است.

واکنش جانشینی هسته دوستی (نوکلئوفیلی)

واکنش جانشینی هسته دوستی یا نوکلئوفیلی دسته مهمی از واکنش‌ها محسوب می شوند. در این واکنش ها یک هسته‌دوست یا نوکلئوفیل به طور انتخابی با یک اتم یا گروهی از اتم‌ها پیوند خواهد داد. در این واکنش گروه ترک کننده خارج شده (Leaving Group) و نوکلئوفیل جایگزین آن می شود. درواقع ذره‌ غنی از الکترون (هسته‌دوست) با ذره‌ فقیر از الکترون (الکترون‌دوست) برهم‌کنش داده و یک گروه ترک کننده را بر جای خواهند گذاشت. واکنش جانشینی هسته‌ دوستی به دو صورت تک مولکولی و دومولکولی رخ خواهد داد. این واکنش ها را به اختصار به صورت SN1 و  SN2 می شناسند.

واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی

مکانیسم واکنش جانشینی هسته‌ دوستی دو ‌مولکولی یا SN2 شامل یک مرحله است. در این واکنش ها، حمله نوکلئوفیل و خروج گروه ترک کننده به صورت همزمان رخ می دهد. واکنش ‌های جانشینی هسته دوستی دو مولکولی که با نام (bimolecular nucleophilic substitution)  نیز شناخته می شوند، نوع درجه دوم یا دو مولکولی هستند. بنابراین در مرحله تعیین‌ کننده سرعت واکنش، دو مولکول یعنی هسته ‌دوست و الکترون ‌دوست مداخله داشته و در معادله سرعت کلی واکنش وارد خواهند شد. سرعت واکنش در واکنش جانشینی هسته‌ دوستی دو ‌مولکولی به غلظت هر دو گونه سوبسترا و نوکلئوفیل وابسته است. بنابراین هرگونه افزایش غلظتی در هر یک از هسته ‌دوست و الکترون ‌دوست می تواند موجب افزایش سرعت واکنش ‌شود. این مکانیسم همواره به وارونگی پیکربندی منجر می شود.اگر بستری که تحت حمله نوکلئوفیل قرار گرفته، کایرال باشد، واکنش به وارونگی استرئوشیمی منجر می‌شود.

حلال های آپرتیک (بدون پروتون) قطبی مانند استون حلال های مناسبی برای این واکنش ها محسوب می شوند. این حلال ها قادر به حلال پوشی بهتر کاتیون بوده و در اینصورت، نوکلئوفیل بدون مزاحمت به سوبسترا حمله خواهد نمود. بنابراین واکنش راحت تر و سریع تر صورت می پذیرد.

نوکلئوفیل یا هسته دوست

با توجه به یک قانون کلی واکنش جانشینی نوکلئوفیلی هسته‌دوست‌های قوی توسط مکانیسم SN2 صورت می پذیرد. این درحالیست که هسته‌دوست‌های ضعیف واکنش را به صورت مکانیسم SN1 پیش می برند. در ادامه به بررسی نوکلئوفیل های ضعیف و قوی می پردازیم. گروه‌های عاملی هسته‌دوست دارای اتم‌هایی غنی از الکترون بوده و برای ایجاد یک پیوند کووالانسی جدید قادر به تامین یک جفت الکترون هستند. از معمول‌ترین هسته ‌دوست‌ها می توان به اکسیژن، نیتروژن و گوگرد اشاره نمود. از معمول‌ترین گروه‌های عاملی هسته ‌دوست می توان به آب، الکل، فنول، آمین، تیول و کربوکسیلات اشاره نمود.

کربن‌ها نیز می‌توانند به عنوان هسته ‌دوست عمل کنند. اگر اینطور نبود در سنتز مولکول‌های آلی بزرگ مانند DNA پیوندهای جدید کربن-کربن رخ نمی ‌داد. در خصوص هسته‌دوست‌ها باید توجه شود که در بیشتر موارد، غنای الکترونی موجب خاصیت بازی آن می شود. به عبارتی نوکلئوفیل ها می‌توانند باز و بازها هم می‌توانند به عنوان نوکلئوفیل شناخته شوند.

عوامل مؤثر بر واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی

قدرت نوکلئوفیل یا هسته‌ دوست

قدرت هسته‌دوست یکی از عوامل مهم در تعیین مسیر واکنش‌های استخلافی محسوب می شود. عوامل مختلف دیگر مانند حلال، قطبش پذیری و قدرت بازی نیز بر قدرت نوکلئوفیل موثرند. با افزایش قدرت بازی، قدرت هسته ‌دوستی افزایش خواهد یافت. عناصر با شعاع اتمی بیشتر دارای پراکندگی ابر الکترونی بیشتری بوده و بنابراین قطبش‌پذیرتر هستند. این امر امکان همپوشانی بهتر و مؤثرتر اوربیتال‌ها در حالت‌ گذار را فراهم خواهد نمود. بنابراین انرژی حالت گذار کاهش یافته و واکنش تسریع خواهد یافت.

حلال

برای واکنش SN2 حلال مناسب، آپرتیک (بدون پروتون) و قطبی است. حلال‌های آپرتیک قادر به حلال پوشی کاتیون ها بوده و از سرعت آن می‌ کاهند. حلال و میزان حلال‌پوشی هسته‌دوست بر قدرت و فعالیت نوکلئوفیل بسیار تأثیرگذار است. وقتی یک جامد حل ‌شود، ذرات سازنده آن توسط حلال احاطه خواهند شد. در این مواقع نیروهای بین ذرات جسم جامد با نیروهای جدیدی که حاصل برهمکنش حلال و ذرات سازنده جسم جامد هستند، جایگزین خواهند شد. این فرآیند حلال‌پوشی نام دارد. حلال‌پوشی قدرت هسته‌دوست را کاهش خواهد داد.

گروه ترک‌ کننده

هر چه ترک‌کننده متصل به کربن مرکزی از الکترونگاتیو یبیشتری برخوردار بوده و یا راحت تر الکترون را در اوربیتال‌های خود جای دهد، ترک ‌کننده بهتری است.

ممانعت فضایی

واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی یا SN2 به ممانعت فضایی بسیار حساس است. درواقع واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی SN2 به شدت فضا ویژه هستند. در این واکنش حمله از پشت به کربن صورت گرفته و واکنش با معکوس شدن صورتبندی مولکول همراه است. ساختار مولکول یا گروه‌های آلکیل در محل و اطراف جزء مورد عمل از دیگر عوامل مهم و تعیین ‌کننده در واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی SN2 محسوب می شوند. کربن‌هایی که قادر نیستند تا به‌راحتی به شکل کربوکاتیون درآیند (کربن‌های نوع اول، متیل و…) واکنش استخلافی SN2 را انجام خواهند داد. طولانی شدن زنجیر کربنی و شاخه‌ دار شدن کربن مجاور قادر است تا موجب کاهش سرعت واکنش SN2 گردد. درواقع جایگزینی گروه‌های آلکیل در کربن حامل گروه ترک ‌کننده، ممانعت فضایی ایجاد کرده و این امر به کاهش سرعت واکنش منجر خواهد شد.

اثرات حلال و روندهای تناوبی بر جانشینی نوکلئوفیلی

هسته‌دوستی در روندهای تناوبی قابل پیش‌بینی است. جالب است بدانید، اگر از چپ به راست در جدول تناوبی و به تناوب دوم توجه شود، روند هسته‌دوستی مشابه با روند بازی مشاهده خواهد شد. دلیل این روند هسته دوستی نیز مانند دلیل روند بازی است. هرچه الکترونگاتیوی اتمی بیشتر باشد، الکترون‌ها با قدرت بیشتری نگهداشته شده و توانایی دهندگی الکترون جهت تشکیل پیوند جدید وجود نخواهد داشت. این روند افقی است که بیان می‌ کند، آمین‌ها هسته دوست هایی قوی تر هستند. آمین ها و الکل‌ها هر دو در آزمایشگاه و واکنش‌‌ های آلی به عنوان هسته‌دوست عمل می کنند. اما آمین‌ها هسته‌ دوست ‌تر از الکل‌ها محسوب می شوند.

خاصیت بازی اتم‌ها در جدول تناوبی در هر گروه از بالا به پایین کاهش می یابد. برای مثال یون‌های تیولات از خاصیت بازی کمتری نسبت به یون ‌های آلکوکسید برخوردارند. یون برمید هم خاصیت بازی کمتری نسبت به یون کلرید داراست. این روند همچنین  به کمک افزایش اندازه ابر الکترونی اطراف یون نیز قابل توضیح است. چگالی الکترونی ذاتی در بار منفی در مساحت بیشتری پخش می گردد. این امر به افزایش پایداری و کاهش خاصیت بازی منجر خواهد شد.

اثر حلال در واکنش جانشینی دومولکولی و تک مولکولی SN1 و SN2

در واکنش های SN1 تفکیک پیوند C – X صورت می پذیرد. در این واکنش ها، حلال های پروتیک مانند آب و الکل استفاده می شود. درواقع این حلال ها یون های مثبت و منفی را حلال‌ پوشی کرده و موجب تفکیک پیوندها می گردند.

در واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی SN2 حلال های آپروتیک قطبی همچون استون می‌توانند کاتیون را حلال‌پوشی کنند. در نتیجه نوکلئوفیل با بار منفی بدون مزاحمتی و به‌راحتی به سوبسترا حمله خواهد نمود.

تفاوت واکنش نوکلئوفیلی دو مولکولی و یک مولکولی

واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی یا SN2 از طریق یک حالت گذار صورت می پذیرند. در این واکنش ها دو واکنش دهنده طی یک حالت گذار به یکدیگر متصل می گردند. واکنش‌های جانشینی SN2 از طریق وارونگی پیکربندی در اتم کربنی صورت می گیرد که تبادل در آن صورت پذیرفته است. واکنش های SN2 از طریق حمله پشتی جایگزین خواهند شد.

در واکنش های جانشینی SN1 مکانیسم واکنش جایگزینی است، اما در آن هسته دوست به الکتروفیل به طور مستقیم شروع کننده حمله نیست. از آنجایی که ممانعت فضایی از وقوع این امر ممانعت می کند، واکنش طی دو مرحله صورت می پذیرد. در مرحله اول گروه ترک کننده از الکتروفیل جدا گشته و کربوکاتیون ایجاد می‌گردد. این الکتروفیل جدید جهت حمله هسته دوست قابل دسترس تر بوده و توسط یک هسته دوست خارجی مورد حمله قرار خواهد گرفت.

این واسطه کاتیونی است، بنابراین بسیار الکتروفیل خواهد بود. این بدان معناست که ترکیب با هسته دوست بسیار سریع رخ خواهد داد. با توجه به این مطلب مشخص می شود که مرحله تشکیل واسطه کاتیونی (کربوکاتیون) محدود کننده سرعت واکنش است. این مرحله تنها شامل یکی از واکنش دهنده هاست و تک مولکولی (SN1) نامیده می شود. در ادامه خلاصه تفاوت آن ها آمده است.

• مکانیسم انجام واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی SN2 هماهنگ و مکانیسم SN1 به صورت گام به گام است.
• ممانعت فضایی برای SN2 مانع بزرگی است. اما مانع بزرگ برای SN1 میزان پایداری کربوکاتیون است.
• SN2 با هسته دوست های قوی پیش می رود، اما SN1 تمایل به هسته دوست های ضعیف دارد.
• در SN2 از حلال های قطبی آپروتیک استفاده شده، ولی در SN1 از حلال های قطبی پروتیک استفاده می گردد.

اثرات فضایی بر واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دو مولکولی

واکنش های جانشینی تبادل ساده گروه های عاملی است. مانع بزرگ در واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی SN2 ممانعت فضایی است. درواقع اگر اثرات فضایی اجازه دهند، واکنش های جانشینی از طریق مکانیسم هماهنگ دو مولکولی SN2 صورت می پذیرد. این واکنش منجر به وارونگی پیکربندی خواهد شد.

اگر ممانعت فضایی به قدری باشد که این رخ ندهد، واکنش های جایگزینی به صورت مرحله ای صورت می پذیرند. در این واکنش های جانشینی، ابتدا گروه ترک کننده از الکتروفیل جدا گشته و یک واسطه کاتیونی مسطح ایجاد می گردد. این از نظر فضایی بیشتر در دسترس بوده و توسط نوکلئوفیل و به طور مساوی از هر طرف مورد حمله قرار می گیرد.

همان طور که گفته شد، مانع بزرگ در SN2 ممانعت فضایی است. واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی از طریق حمله پشتی صورت می پذیرد، بنابراین واکنش تنها در صورتی ادامه خواهد یافت که اوربیتال خالی در دسترس باشد. هر چه در اطراف ترک کننده گروه های بیشتری حضور داشته باشند، واکنش کندتر پیش می رود.

مانع بزرگ در SN1 پایداری کربوکاتیون است. از دست دادن یک گروه ترک کننده برای ایجاد کربوکاتیون، اولین گام در واکنش SN1 محسوب می شود. سرعت واکنش با پایداری کربوکاتیون مناسب خواهد بود. پایداری کربوکاتیون با افزایش جایگزینی کربن و رزونانس افزایش خواهد یافت.

سخن آخر

در این مطلب از جهان شیمی فیزیک به بررسی واکنش جانشینی نوکلئوفیلی دومولکولی و عوامل موثر بر آن پرداختیم. این واکنش ها نقش مهمی در شیمی داشته و به همین دلیل مطالعات زیادی بر نحوه انجام آن ها صورت گرفته است. واکنش های SN2 تحت تاثیر قدرت Nu، نوع حلال، ممانعت فضایی، ترک کننده و… قرار دارد. با شناخت تاثیر هر یک از این عوامل می توان واکنش های جانشینی را کنترل نمود.