6.7 : Reazione S_N2: Cinetica

Studi cinetici e significato

In una reazione chimica esiste una relazione tra la concentrazione dei reagenti e la velocità con cui procede la reazione. Lo studio per misurare questa relazione è noto come cinetica di una reazione chimica. Gli studi cinetici vengono utilizzati per dedurre la legge sulla velocità di una reazione chimica, che fornisce informazioni sulle specie coinvolte durante lo stato di transizione della fase che determina la velocità. Pertanto, gli studi cinetici aiutano a derivare il meccanismo di una reazione.

Studi cinetici: come misurare la velocità?

Una reazione chimica procede ad una certa velocità ad una determinata temperatura, pressione e solvente. La velocità di una reazione può essere identificata solo sperimentalmente. Per fare ciò, viene misurata la velocità con cui i reagenti scompaiono o la velocità con cui i prodotti compaiono nella miscela di reazione. Ad intervalli di tempo specifici, dalla miscela di reazione vengono prelevati e analizzati campioni per calcolare la concentrazione dei reagenti o dei prodotti formati. Inoltre, mantenendo le stesse condizioni di temperatura e solvente, la concentrazione iniziale della reazione viene variata per osservare l'effetto sulla velocità di reazione.

Reazioni di sostituzione nucleofila e cinetica

Negli anni '30, i chimici britannici Sir Christopher Ingold e Edward D. Hughes studiarono la cinetica di varie reazioni di sostituzione per comprendere il probabile meccanismo delle reazioni di sostituzione nucleofila. Hanno osservato che una reazione di sostituzione nucleofila di un alogenuro alchilico procedeva mediante due possibili meccanismi: in un unico passaggio o in due passaggi.

Per reazioni specifiche, come il clorometano e l'idrossido di sodio, la velocità di reazione dipendeva dalla concentrazione sia del nucleofilo sia dell'alogenuro alchilico. Nello specifico, hanno osservato che quando la concentrazione di uno dei reagenti raddoppiava, la velocità di reazione raddoppiava. Inoltre, quando la concentrazione di entrambi i reagenti veniva raddoppiata, la velocità aumentava di quattro volte, come mostrato nella Tabella 1.

Tabella 1. Studio della velocità della reazione tra clorometano e ioni idrossido a 60 °C

Numero dell'esperimento	Iniziale      [CH3Cl]	Iniziale      [HO−]	velocità iniziale (mol L−1s−1)
1	0.0010	1.0	4.9 × 10⁻7
2	0.0020	1.0	9.8 × 10⁻7
3	0.0010	2.0	9.8 × 10⁻7
4	0.0020	2.0	19.6 × 10⁻7

Pertanto, l’equazione de la velocità è risultata essere:

Tasso ∝ [CH₃Cl][HO⁻]

Ciò mostra che la velocità è del primo ordine rispetto alla concentrazione di ciascun reagente e del secondo ordine in generale.

Reazioni e cinetica S_N2

• La cinetica della reazione di cui sopra suggerisce che, affinché avvenga la sostituzione, il nucleofilo e l'alogenuro alchilico si scontrano in un unico passaggio per formare il prodotto.
• Si dice che la molecolarità di tali reazioni sia bimolecolare poiché due specie sono coinvolte nella fase di limitazione della velocità.
• Pertanto, la reazione tra clorometano e idrossido di sodio è una reazione S_N2, dove S sta per sostituzione, N per nucleofila e 2 per reazione bimolecolare.