6.7 : S_N2 반응: 동역학

동역학 연구 및 의의

화학 반응에서는 반응물의 농도와 반응이 진행되는 속도 사이에 관계가 존재합니다. 이 관계를 측정하는 연구는 화학 반응의 동역학으로 알려져 있습니다. 동역학 연구는 속도 결정 단계의 전이 상태 동안 관련된 종에 대한 정보를 제공하는 화학 반응의 속도 법칙을 추론하는 데 사용됩니다. 따라서 동역학 연구는 반응 메커니즘을 도출하는 데 도움이 됩니다.

동역학 연구: 반응속도를 측정하는 방법은 무엇입니까?

화학반응은 주어진 온도, 압력, 용매에서 일정한 속도로 진행됩니다. 반응 속도는 실험적으로만 확인할 수 있습니다. 이를 위해 반응물이 사라지는 속도 또는 반응 혼합물에서 생성물이 나타나는 속도를 측정합니다. 특정 시간 간격으로 반응 혼합물에서 분취량을 빼내고 반응물 또는 형성된 생성물의 농도를 분석합니다. 또한, 온도와 용매 조건을 동일하게 유지하면서 반응 초기 농도를 변화시켜 반응 속도에 미치는 영향을 관찰합니다.

친핵성 치환 반응 및 동역학

1930년대 영국의 화학자 크리스토퍼 잉골드 경과 에드워드 D. 휴즈는 친핵성 치환 반응의 가능한 메커니즘을 이해하기 위해 다양한 치환 반응의 속도 역학을 연구했습니다. 이는 할로겐화 알킬의 친핵성 치환 반응이 단일 단계 또는 두 단계의 두 가지 가능한 메커니즘에 의해 진행된다는 것을 관찰했습니다.

클로로메탄 및 수산화나트륨과 같은 특정 반응의 경우 반응 속도는 친핵체와 할로겐화 알킬의 농도에 따라 달라집니다. 구체적으로 이는 반응물 중 하나의 농도가 두 배로 증가하면 반응 속도도 두 배로 증가한다는 것을 관찰했습니다. 또한, 두 반응물의 농도를 2배로 하면 표 1과 같이 속도가 4배로 증가하였습니다.

Table 1. 60°C에서 클로로메탄과 수산화물 이온 사이의 반응 속도 연구

실험 번호	초기      [CH3Cl]	초기      [HO−]	초기 비율 (몰 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

따라서 속도 방정식은 다음과 같은 것으로 나타났습니다.

비율 ∝ [CH3Cl][HO−]

이는 속도가 각 반응물의 농도에 대해 1차이고 전체적으로 2차임을 보여줍니다.

S_N2 반응 및 동역학

• 위 반응의 동역학에서 치환이 발생하려면 친핵체와 할로겐화 알킬이 단일 단계에서 충돌하여 생성물이 형성된다는 것을 암시합니다.
• 두 가지 종이 속도 제한 단계에 관여하므로 이러한 반응의 분자성은 이분자라고 합니다.
• 따라서 클로로메탄과 수산화나트륨 사이의 반응은 S_N2 반응입니다. 여기서 S는 치환, N은 친핵성, 2는 이분자 반응을 나타냅니다.