Кратко и по существу.
Структура субстрата: ${\text{CH}}_3{\text{-CH(Br)-CH}}_2{\text{-CH}}_3$ (2‑бромбутан) — вторичный центр, поэтому возможны и SN1, и SN2.
Основные кинетические законы:
- SN1: $v_{\text{SN1}}=k[\text{R–Br}]$ (одномолекулярный, образование карбкатиона — ОЗП);
- SN2: $v_{\text{SN2}}=k[\text{R–Br}][{\text{Nu}}^{-}]$ (бимолекулярный, обратная атака нуклеофила — ОЗС).
1) В полярном протонном (протическом) растворителе (вода, спирты)
- Что происходит: растворитель стабилизирует ионы за счёт солвации/водородных связей; стабилизируется карбкатион и уходящая бромид‑анион → понижается энергия активации для SN1.
- Последствия для механизма и скорости: SN1 становится более вероятной (скорость растёт относительно аполярного); SN2 замедляется, потому что нуклеофил (особенно анионы) сильно сольватирован и «тупится».
- Условия, при которых преобладает SN1: слабые нуклеофилы/растворитель‑нуклеофил (водная/спиртовая среда), умеренно хорошая температура, хороший уходящий остаток (Br−). Для 2‑бромбутана SN1 возможен (вторичный карбкатион умеренно стабилен), особенно при низкой концентрации сильных нуклеофилов.
- Побочные процессы: солволиз (образование спирта/эфира — например, 2‑бутанол или алкиловый эфир), E1 (отщепление протона с образованием алкенов, преимущественно 2‑бутенов), частичная рацемизация при SN1 (планарный карбкатион), возможны ионные пары — неполная рацемизация. Резких перестроек карбкатиона (гидрид/метильный сдвиг) для 2‑бромбутана в общем случае мало, т.к. соседние центры не дают существенно более стабильного катиона.
2) В аполярном (неполярном) растворителе (гексан, бензол и т.п.)
- Что происходит: ионы плохо стабилизируются; формирование заряженных интермедиатов (карбкатион, свободный Br−) очень невыгодно; растворитель не сольватирует нуклеофилов эффективно.
- Последствия для механизма и скорости: SN1 резко подавляется (образование карбкатиона почти исключено) — скорость очень мала. SN2 также часто замедлен, потому что ионные нуклеофилы в аполярной среде агрегируют с контр-ионами и имеют низкую подвижность; однако относительная вероятность SN2 выше, чем SN1, т.к. в SN2 не требуется явный свободный карбкатион. В целом реакции с ионными механизмами в аполярной среде идут медленно.
- Условия, при которых преобладает SN2: наличие сильных, малостворяемых/нейтральных нуклеофилов или специализированных систем (фазовый перенос, высокие концентрации нуклеофила); при прочих равных SN2 более вероятна, чем SN1, но общая скорость низкая.
- Побочные процессы: при наличии сильных оснований — E2 (образование алкенов); в чисто аполярной среде чаще нежелательные побочные реакции маловыражены просто из‑за низкой реакционной способности.
Дополнительные замечания
- Стереохимия: SN2 даёт инверсию конфигурации (Уолденовское обращение); SN1 даёт (частичную) рацемизацию (планарный интермедиат, возможны ионные пары → неполная рацемизация).
- Практически: чтобы склонить 2‑бромбутан к SN2, используют сильный, несольватируемый нуклеофил и полярный апротический растворитель (DMSO, DMF, ацетон). Чтобы получить солволиз/ SN1 — водные или спиртовые среды, слабые нуклеофилы, тёплые условия.
- Конкуренция с отщеплением протона: при сильных основаниях и/или повышенной температуре элиминуются 2‑бутены (E2/E1), что часто является основной побочной реакцией.
Итог: в полярном протонном растворителе для 2‑бромбутана вероятнее SN1/солволиз с образованием спиртов/эфиров и сопутствующей рацемизации и E1; в аполярном растворителе оба пути сильно заторможены, но при наличии сильного нуклеофила/подходящих условий относительно предпочтителен SN2; при сильных основаниях — конкурентное E2.