SN2 : 치환(substitution), 이분자성(bimolecular), 친핵성(nucleophilic) 의 약자이다.
이분자성이란 반응 속도가 측정되는 단계에서 친핵체와 할로젠화 알킬 두 분자가 관여 하는 성질이다.
주어진 용매, 반응물의 농도에서 치환 반응은 일정 속도로 일어난다.
위 반응을 예로 들때, 수산화 이온의 농도를 두 배로 하면 반응 파트너 사이에서 만날 수 있는
횟 수는 두 배가 될 것이며, 반응 속도 역시 두 배가 될 것이다.
마찬가지로, 브로민화메틸의 농도를 두 배로 하면 또 다시 반응 속도는 두 배가 될 것이다.
이처럼, 반응 속도가 두 화학종의 농도에 선형 비례하는 반응을 이차 반응(second-order reaction)이라고 한다.
SN2 매커니즘의 중요한 특징은 친핵체가 치환되는 이탈기(leaving group)의 반대 방향으로부터 할로젠화 알킬 혹은 alkyl tosylate와 같은 기질(substrate)을 공격할 때 중간체가 생성되지 않고 한 단계만으로 반응이 일어난다는 것이다.
SN2 반응에서의 기질
SN2 반응의 전이 상태에서 들어오는 친핵체와 할로젠화 알킬의 탄소 원자 사이에 부분적 결합이 형성되기 때문에, 부피가 크고 입체 장애가 존재하는 기질은 친핵체의 접근을 방해하고 결합 형성을 어렵게 만든다.
쉽게 정리하면 입체 장애가 적은 기질 일수록 반응성이 높다
ex) 메틸>일차>이차>삼차
보통 삼차 기질에서는 반응이 잘 일어나지 않는다.
SN2 반응에서의 친핵체
중성이거나 음으로 하전된 어떤 화학종들이라도 비공유 전자쌍을 가지고 있다면 Lewis 염기, 곧 친핵체로 작용할 수 있다.
만일 친핵체가 음전하를 가질 경우 생성물은 중성일 것이며, 만일 친핵제가 중성이라면 생성물은 양전하를 가지게 된다.
친핵성도의 몇가지 경향성
1. 친핵성도는 보통 주기율표의 같은 족에서 위로부터 아래로 내려갈수록 증가한다.
할로젠 음이온의 반응성 순서는 I > Br > Cl > 로 구분할 수 있는데, 주기율표의 아래로 갈수록 원소들의 원자가 전자들은
바깥 쪽 껍질에 존재하게 되어 핵으로부터 더 멀리 떨어져 있어 느슨하게 붙들려 있고, 따라서 반응성이 커지게 된다.
2. 동일 반응 전자를 가지고 있는 친핵체를 비교할 때 친핵성도는 대체적으로 염기도에 비례한다.
3. 음전하를 친핵체는 중성인 친핵체에 비해 일반적으로 반응성이 크다.
SN2 반응에서의 이탈기
이탈기란 들어오는 친핵체에 의해 치환이 되는 부분이다.
대부분의 SN2반응에서 이탈기는 음전하를 가지고 떨어져 나가기 때문에, 가장 좋은 이탈기는 전이상태에서 음전하를 가장 잘 안정화시킬 수 있는 기이다. 이탈기가 전하를 안정시키는 정도가 클수록 전이 상태의 에너지는 낮아지고 반응은 빨라진다.
음전하를 가장 잘 안정시키는 이탈기는 가장 약한 염기이다.
이탈기 반응성이 큰 왼쪽 약염기들은 좋은 이탈기이며, 반대로 반응성이 작은 우측 강염기들은 나쁜염기로 취급한다.
ex) TosO > I > Br > Cl > F >> OH, NH2, OR
SN2 반응에서의 용매
SN2반응의 반응속도는 용매의 영향을 크게 받는다.
양성자성 용매(protic solvent)는 일반적으로 SN2 반응에 대해 나쁜 용매지만, 반대로 극성이면서 -OH 또는 -NH 기가 없는
극성 비양성자성 용매(polar apotic solvent)는 좋은 용매가 된다. 메탄올이나 에탄올 같은 양성자성 용매는 반응물인 친핵체를 용매화시켜 SN2의 반응을 느리게한다. 용매 분자들은 친핵체와 수소 결합을 형성해 친핵체 주위에서 테두리를 형성하여 에너지를 낮추고 반응성을 감소시킨다.
ex) HMPA> CH3CN > DMF > DMSO > H2O > CH3OH
SUMMRARY
기질:
메틸이나 일차 기질에서 가장 반응성이 높다. 이차 기질은 반응성이 느리며, 삼차 기질은 SN2 매커니즘에 의해 반응이 일어나지 않는다.
친핵체:
염기성이면서 음전하를 지닌 친핵체는 중성보다 불안정하며 높은 바닥 상태에너지를 가지며 전위 상태의 에너지 차이를 감소시켜 SN2 반응속도를 증가시킨다.
이탈기:
안정한 음이온(좋은 이탈기)일 수록 전이 상태의 에너지를 낮추고 에너지 차이를 감소시켜 SN2반응의 반응 속도를 증가시킨다.
용매: 극성 비양성자성 용매는 친핵성 음이온보단 양이온을 둘러싸며 친핵체의 바닥 상태 에너지를 높이며, 전이 상태의 에너지 차이를 감소시켜 SN2반응의 반응속도를 증가시킨다.