La réaction SN2 (également connue sous le nom de substitution nucléophile bimoléculaire ou d’attaque en avant) est un type de substitution nucléophile, dans lequel une paire d’électrons libres d’un nucléophile attaque un centre électrophile et s’y lie, éjectant un autre groupe appelé groupe sortant. Par conséquent, le groupe entrant remplace le groupe sortant en une seule étape. Étant donné que les deux espèces réagissant sont impliquées dans cette étape de limitation lente de la réaction chimique, on parle de substitution nucléophile bimoléculaire, ou SN2. Chez les chimistes inorganiques, la réaction SN2 est souvent appelée mécanisme d’échange.
Mécanisme de la réaction
La réaction se produit le plus souvent au niveau d’un centre de carbone aliphatique hybridé sp3, avec un groupe sortant électronégatif stable – « L » – souvent un atome d’halogénure. La rupture de la liaison C-L et la formation de la nouvelle liaison C-Nu se produisent simultanément pour former un état de transition dans lequel le carbone soumis à l’attaque nucléophile est pentacoordonné, avec une hybridation sp2 approximative. Le nucléophile attaque le carbone à 180° par rapport au groupe partant, car cela permet le meilleur chevauchement entre la paire libre du nucléophile et l’orbitale C-L anti-liaison σ*. Le groupe partant est libéré du côté opposé et le produit est formé.
Si le substrat soumis à l’attaque nucléophile est chiral, la réaction entraîne une inversion de la stéréochimie, appelée inversion de Walden.
Dans un exemple de réaction SN2, l’attaque de OH- (le nucléophile) sur un bromoéthane (l’électrophile) produit de l’éthanol, le bromure étant libéré en tant que groupe partant.
L’attaque SN2 se produit si le chemin de retour de l’attaque n’est pas stériquement bloqué par des substituants sur le substrat. Par conséquent, ce mécanisme se produit généralement au niveau d’un centre de carbone primaire non couvert. S’il y a un encombrement stérique sur le substrat près du groupe partant, comme un centre de carbone tertiaire, la substitution impliquera un mécanisme SN1, plutôt que SN2 (un SN1 serait plus probable dans ce cas, parce qu’un intermédiaire carbocationique suffisamment stable pourrait être formé).
En chimie de coordination, la substitution associative se déroule selon un mécanisme similaire à la SN2.
Facteurs affectant la réaction sn2
La basicité du groupe partant. Lorsque l’on compare la vitesse de réaction SN2 de composés dont les atomes appartiennent au même groupe périodique (par exemple, les halogénures), les résultats montrent que la capacité d’un groupe partant lors d’une réaction SN2 dépend de sa basicité. En général, plus la basicité d’un groupe est faible, plus sa capacité en tant que groupe partant est élevée. Par exemple, l’ion iodure est une base très faible, ce qui en fait un excellent groupe partant. Les bases faibles ne partagent pas bien leurs électrons, car ils sont éloignés du noyau, ce qui rend leurs liaisons faciles à rompre. En revanche, l’ion fluorure est une base plus forte que les autres halogénures et, par conséquent, il lui est plus difficile de se comporter comme un groupe partant. En effet, l’ion fluorure est une base si forte que les composés qui le contiennent ne subissent pratiquement aucune réaction SN2. Le tableau périodique montre que la basicité relative diminue d’un groupe à l’autre.
La taille du nucléophile. La facilité avec laquelle un composé attaque un atome déficient en électrons affecte également une réaction SN2. En règle générale, les espèces chargées négativement (par exemple OH -) sont de meilleurs nucléophiles que les espèces neutres (par exemple H2O, eau). Il existe une relation directe entre la basicité et la nucléophilie : les bases plus fortes sont de meilleurs nucléophiles.
Solvant. Si une réaction est effectuée dans un solvant protique, dont les molécules ont un atome d’hydrogène lié à un oxygène ou à un azote, l’atome le plus grand est un meilleur nucléophile dans une réaction SN2. En d’autres termes, la base la plus faible est le meilleur nucléophile dans un solvant protique. Par exemple, l’ion iodure est un meilleur nucléophile que le fluorure. En revanche, si la réaction a lieu dans un solvant aprotique, dont les molécules n’ont pas d’oxygène ou d’azote lié à l’hydrogène, la base la plus forte est le meilleur nucléophile. Dans ce cas, l’ion fluorure est un meilleur nucléophile que l’ion iodure.
Effets stériques. L’entrave stérique est tout effet d’un composé dû à la taille ou à la position des groupes de substitution. Les effets stériques affectent la nucléophilie, mais n’affectent pas la force de la base. Un nucléophile volumineux, tel que l’ion tert-butoxyde avec son arrangement spécifique de groupes méthyle, est un moins bon nucléophile que l’ion éthoxyde avec une chaîne de carbone linéaire, même si le tert-butoxyde est une base plus forte.
Cinétique de la réaction
La vitesse d’une réaction SN2 est du second ordre, puisque l’étape limitante dépend de la concentration du nucléophile,
ainsi que de la concentration du substrat, .
Il s’agit là d’une différence essentielle entre les mécanismes SN1 et SN2. Dans la réaction SN1, le nucléophile attaque après la fin de l’étape limitante de la réaction, alors que dans la réaction SN2, le nucléophile force le groupe partant à sortir dès l’étape limitante. En d’autres termes, la vitesse des réactions SN1 ne dépend que de la concentration en substrat, alors que la réaction SN2 dépend de la concentration en substrat et en nucléophile. Dans les cas où les deux mécanismes sont possibles (par exemple, dans un centre de carbone secondaire), le mécanisme dépend du solvant, de la température, de la concentration du nucléophile ou des caractéristiques du groupe partant.
Les réactions SN2 sont généralement favorisées dans les halogénures d’alkyle primaires ou secondaires, avec un solvant aprotique. Elles se produisent à un taux négligeable dans les halogénures d’alkyle tertiaires, en raison de l’encombrement stérique.
Il est important de comprendre que les réactions SN2 et SN1 sont deux extrêmes sur le continuum des mécanismes de réaction pour les processus de substitution, il est possible de trouver de nombreuses réactions qui présentent à la fois un caractère SN2 et SN1 dans leurs mécanismes. Par exemple, il est possible de trouver une paire ionique formée à partir d’un halogénure d’alkyle dans laquelle les ions ne sont pas complètement séparés : lorsqu’ils subissent une substitution, la stéréochimie sera inversée (comme dans SN2) pour de nombreuses molécules réagissant, mais quelques-unes présenteront une rétention de configuration.
Concurrence avec E2
Une réaction secondaire courante dans les réactions SN2 est l’élimination de l’E2 : l’anion entrant peut agir comme une base plutôt que comme un nucléophile, soustrayant un proton et conduisant à la formation de l’alcène. Cet effet peut être démontré dans la réaction en phase gazeuse entre un sulfonate et un bromure d’alkyle se déroulant à l’intérieur d’un spectromètre de masse.
Avec le bromure d’éthyle, le produit de la réaction est principalement le produit de substitution. Associée à un encombrement stérique croissant autour du centre électrophile, comme dans le cas du bromure d’isobutyle, la substitution n’est pas favorisée et l’élimination est la réaction prédominante. D’autres facteurs favorisant l’élimination sont la force de la base, avec le substrat benzoate moins basique, le bromure d’isopropyle réagit avec une substitution de 55%. En général, les réactions en phase gazeuse et en phase de solution de ce type suivent la même tendance, bien que dans le premier cas, les effets du solvant soient éliminés.