6.7 : Реакция S_N2: кинетика

Кинетические исследования и их значение

В химической реакции существует зависимость между концентрацией реагентов и скоростью протекания реакции. Исследование, позволяющее измерить эту взаимосвязь, известно как кинетика химической реакции. Кинетические исследования используются для вывода закона скорости химической реакции, который дает информацию о веществах, задействованных в переходном состоянии на этапе определения скорости. Таким образом, кинетические исследования помогают выяснить механизм реакции.

Кинетические исследования: как измерить скорость?

Химическая реакция протекает с определенной скоростью при заданной температуре, давлении и растворителе. Скорость реакции можно определить только экспериментально. Для этого измеряют скорость исчезновения реагентов или скорость появления продуктов в реакционной смеси. Через определенные промежутки времени аликвоты отбирают из реакционной смеси и анализируют на концентрацию реагентов или образующихся продуктов. Кроме того, сохраняя одинаковыми температуру и условия растворителя, варьируют начальную концентрацию реакции, чтобы наблюдать влияние на скорость реакции.

Реакции нуклеофильного замещения и кинетика.

В 1930-х годах британские химики сэр Кристофер Ингольд и Эдвард Д. Хьюз изучали кинетику скорости различных реакций замещения, чтобы понять вероятный механизм реакций нуклеофильного замещения. Они заметили, что реакция нуклеофильного замещения алкилгалогенида протекает по двум возможным механизмам - либо в одну стадию, либо в две стадии.

Для конкретных реакций, таких как реакция хлорметана и гидроксида натрия, скорость реакции зависела от концентрации как нуклеофила, так и алкилгалогенида. В частности, они заметили, что при удвоении концентрации любого из реагентов скорость реакции удваивалась. Более того, когда концентрация обоих реагентов была увеличена вдвое, скорость увеличилась в четыре раза, как показано в Таблице 1.

Таблица 1. Исследование скорости реакции хлорметана с гидроксид-ионами при 60 °С

Номер эксперимента	Исходный      [CH3Cl]	Исходный      [HO−]	Начальная скорость (моль 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

Таким образом, уравнение скорости оказалось следующим:

Скорость ∝ [CH3Cl][HO−]

Это показывает, что скорость имеет первый порядок по концентрации каждого реагента и второй порядок в целом.

Реакции и кинетика S_N2

• Кинетика вышеуказанной реакции предполагает, что для того, чтобы произошло замещение, нуклеофил и алкилгалогенид сталкиваются за одну стадию с образованием продукта.
• Молекулярность таких реакций называется бимолекулярной, поскольку на стадии ограничения скорости участвуют два вида.
• Таким образом, реакция между хлорметаном и гидроксидом натрия является реакцией S_N2, где S означает замещение, N - нуклеофильную реакцию, а 2 - бимолекулярную реакцию.