6.7 : Reakcja S_N2: kinetyka

Badania kinetyczne i znaczenie

W reakcji chemicznej istnieje związek pomiędzy stężeniem reagentów a szybkością przebiegu reakcji. Badanie mające na celu pomiar tej zależności znane jest jako kinetyka reakcji chemicznej. Badania kinetyczne służą do wnioskowania prawa szybkości reakcji chemicznej, które dostarcza informacji o gatunkach biorących udział w stanie przejściowym etapu określającego szybkość. Zatem badania kinetyczne pomagają wyprowadzić mechanizm reakcji.

Badania kinetyczne: jak zmierzyć szybkość?

Reakcja chemiczna przebiega z określoną szybkością w danej temperaturze, ciśnieniu i rozpuszczalniku. Szybkość reakcji można określić jedynie eksperymentalnie. W tym celu mierzy się szybkość zanikania reagentów lub szybkość pojawiania się produktów w mieszaninie reakcyjnej. W określonych odstępach czasu porcje są pobierane z mieszaniny reakcyjnej i analizowane pod kątem stężenia reagentów lub powstałych produktów. Ponadto, utrzymując tę samą temperaturę i warunki rozpuszczalnika, początkowe stężenie reakcji zmienia się, aby obserwować wpływ na szybkość reakcji.

Reakcje i kinetyka podstawienia nukleofilowego

W latach trzydziestych XX wieku brytyjscy chemicy Sir Christopher Ingold i Edward D. Hughes badali kinetykę szybkości różnych reakcji podstawienia, aby zrozumieć prawdopodobny mechanizm reakcji podstawienia nukleofilowego. Zaobserwowali, że reakcja podstawienia nukleofilowego halogenku alkilu przebiega według dwóch możliwych mechanizmów – jednoetapowo, lub dwuetapowo.

W przypadku określonych reakcji, takich jak chlorometan i wodorotlenek sodu, szybkość reakcji zależała od stężenia zarówno nukleofila, jak i halogenku alkilu. W szczególności zaobserwowali, że gdy stężenie któregokolwiek z reagentów wzrosło dwukrotnie, szybkość reakcji wzrosła dwukrotnie. Ponadto, gdy stężenie obu reagentów zostało podwojone, szybkość wzrosła czterokrotnie, jak pokazano w tabeli 1.

Tabela 1. Badanie szybkości reakcji chlorometanu z jonami wodorotlenkowymi w temperaturze 60°C

Numer eksperymentu	Początkowy      [CH3Cl]	Początkowy      [HO−]	Początkowy (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

W ten sposób stwierdzono, że równanie ma postać:

Szybkość ∝ [CH_3Cl][HO^−]

To pokazuje, że szybkość jest pierwszego rzędu w odniesieniu do stężenia każdego reagenta i ogólnie drugiego rzędu.

Reakcje i kinetyka S_N2

• Kinetyka powyższej reakcji sugeruje, że aby nastąpiło podstawienie, nukleofil i halogenek alkilu zderzają się w jednym etapie, tworząc produkt.
• Molekularność takich reakcji jest określana jako dwucząsteczkowa, ponieważ w etapie ograniczającym szybkość biorą udział dwa rodzaje reakcji.
• Zatem reakcja między chlorometanem i wodorotlenkiem sodu jest reakcją S_N2, gdzie S oznacza podstawienie, N oznacza reakcję nukleofilową, a 2 oznacza reakcję dwucząsteczkową.