REAKCJE SUBSTYTUCJI. + CHCl 3. Cl + CH 2. + HCl nadmiar

Transkrypt

1 REAKJE SUBSTYTUJI W reakcji metanu z chlorem w obecno ci wiat a lub w podwy szonej temperaturze tworz si produkty, w których atom (atomy) wodoru zostaj zast pione przez atom (atomy) chloru. Powstaj chloroalkany i wydziela si przy tym chlorowodór: l /hν lub l + l + l + l + l nadmiar dz c po liczbie produktów reakcja jest skomplikowana. Pojawiaj si pytania dlaczego powstaje mieszanina produktów, z ilu etapów sk ada si reakcja i jaka jest kolejno przemian prowadz cych od substratów do produktów. Jakie znaczenie dla tej reakcji ma wiat o lub ciep o? Pytania te dotycz mechanizmu reakcji. Odpowied na nie otrzymuje si na podstawie kojarzenia wniosków wynikaj cych z obserwacji eksperymentów. Poznanie mechanizmów reakcji u atwia zrozumienie chemii organicznej. Badaj c reakcj chlorowania metanu mo na zauwa, e: metan i chlor nie reaguj z sob w ciemno ci; do reakcji w ciemno ci dochodzi ale po ogrzaniu reagentów powy ej 50 o ; reakcja biegnie równie w temperaturze pokojowej pod wp ywem wiat a UV; obecno nawet ma ej ilo ci tlenu zmniejsza na chwil szybko reakcji, jednak po pewnym czasie wraca do poprzedniej szybko ci; czas spowolnienia szybko ci reakcji (okres inhibicji) zale y od ilo ci dodanego tlenu. Obserwacje te u atwiaj zaproponowanie mechanizmu reakcji, a przyj ty mechanizm nie mo e by w sprzeczno ci z adn z cech reakcji. Zarówno inicjowanie reakcji przez wiat o lub podwy szon temperatur oraz inhibituj ce dzia anie tlenu sugeruj, e jest to reakcja rodnikowa. Zaczyna si ona od homolitycznego rozpadu wi zania w jednym z reagentów: A B hν lub UV A. + B. W wyniku homolizy, czyli rozpadu wi zania powstaj fragmenty (atomy lub grupy atomów), przy czym ka dy z nich zawiera niesparowany elektron. Takie fragmenty nazywane s rodnikami. Je eli niesparowany elektron przypisany jest do atomu w gla to mamy do czynienia z karborodnikiem. Znana jest równie heteroliza, czyli taki rozpad wi zania w wyniku którego para elektronów tworz ca wi zanie pozostaje przy jednym z fragmentów. Ten fragment nosi nazw anionu (jest obdarzony adunkiem ujemnym), a drugi fragment z adunkiem dodatnim nazywany jest kationem. A B A + + :B -

2 Fragmenty heterolizy, w których adunki znajduj si przy atomach w gla nazywane s odpowiednio karboanionem i karbokationem. Ka de wi zanie ma okre lon specyficzn si i do jego zerwania potrzebna jest energia. Im wi ksza energia wi zania, tym wi kszej potrzeba energii do jego rozerwania. Minimalna energia potrzebna do rozerwania wi zania nazywa si energi dysocjacji. Mo e ona by dostarczona w postaci ciep a (odpowiednio wysokiej temperatury reakcji), promieniowania (np. UV) lub w inny sposób. A B energia A. + B. dysocjacji Energia dysocjacji (homolizy) wybranych wi za A B A. + B. Tabela.. wi zanie o [kcal/mol] wi zanie o [kcal/mol] wi zanie o [kcal/mol] 0 ( ) I F 6 = l 0 = l 88 ( ) 8 88 = 87 ( ) 8 I 7 = l 69 = 97 l l 58 6 I I 6 N 0 5 = 7 85 O O l 70 l Et 98 i-pr 95 l 8 Et l 8 i-pr l Et 68 i-pr 68 I 56 Et I 5 t-bu 9 O 9 Et O 9 t-bu l 79 N 80 t-bu 65 N 0 O 9 O O 5 O 0 S 88 EtO 0 O 8 O 77

3 Mechanizm reakcji rodnikowych Reakcje rodnikowe zaczynaj si od utworzenia rodnika. Rodniki powstaj najcz ciej pod wp ywem podwy szonej temperatury, wiat a lub substancji rodnikotwórczych, np. nadtlenków. W obecno ci tych czynników najs absze wi zanie w jednym z reagentów ulega homolizie, tworz si rodniki. Ten etap reakcji nazywa si inicjacj (rozpocz ciem). W reakcji chloru z metanem najs abszym wi zaniem jest wi zanie l l (58 kcal/mol), podczas gdy w metanie wynosi 0 kcal/mol. Powstaj ce rodniki chloru reaguj z drugim z substratów generuj c rodniki metylowe oraz chlorowodór. Rodniki metylowe atwo reaguj z chlorem tworz c chlorek metylu i kolejny rodnik chlorkowy. inicjacja hν l l. lub propagacja l l rodnik metylowy l +. l. + l chlorek metylu l l. terminacja l. l. + l +. etan l. +. l l +. l. + l itd Rodnik chlorkowy mo e wej w reakcj z nast pn cz steczk metylu i tak krok po kroku w cuchu przemian tworzy si wiele cz steczek chlorku metylu. Ten etap reakcji nazywa si propagacj (rozwijaniem reakcji), a ca a reakcja okre lana jest cuchow, poniewa z jednego rodnika wytworzonego na pocz tku w etapie inicjacji powstaje cuch cz steczek. Takich pojedynczych cuchów w ka dej reakcji jest wiele. Ka dy cuch mo e rozwija si do wyczerpania substratów lub zostaje przerwany na skutek zderzenia dwóch rodników, albo te przez wytracenie energii, np. poprzez zderzenie rodnika ze ciank naczynia. Etap zako czenia cucha nazywany jest terminacj. Inne cuchy mog by rozwijane dalej, s równie inicjowane inne cuchy. Reakcja nie zatrzymuje si na etapie monochlorowania. W miar wzrostu st enia l równie ten zwi zek staje si konkurencyjnym substratem w wychwytywaniu rodników chlorkowych i nast puje wymiana atomu wodoru na chlor. W ten sposób tworzy si chlorek metylenu ( l ), który z kolei po dalszym chlorowaniu ulega przekszta ceniu w chloroform (l ), a nast pnie powstaje tetrachlorek w gla. Tak wi c produktem chlorowania metanu jest mieszanina chlorometanów, o ró nym stopniu wysycenia chlorem, zale nym przede wszystkim od nadmiaru jednego z reagentów: l hν lub l l hν lub l l hν lub l l hν lub l metan chlorek metylu chlorek metylenu chloroform tetrachlorek w gla

4 Nadmiar u ytego w reakcji metanu zapewnia du wydajno chlorku metylu, a nadmiar chloru prowadzi do tetrachlorku w gla. W reakcji, w której u yto mol chloru na mol metanu powstaje mieszanina sk adaj ca si z 7% l, % l, 9% l i % l. hloroform otrzymuje si w reakcji haloformowania acetonu. Reakcja jest silnie egzotermiczna, na ka dym etapie wydziela si po oko o 00 kj/mol. Bez odprowadzania ciep a mo e doj do przegrzania, prowadz cego do gwa townego przebiegu reakcji z wydzieleniem w gla: + l + l Podczas chlorowania etanu tworzy si mieszanina zawieraj ca g ównie monochloro-,,- dichloro- i,,-trichloroetan. l l + l + l o etan chloroetan,-dichloroetan,,-trichloroetan Taki przebieg reakcji spowodowany jest os abieniem wi zania po przy czeniu atomu chloru. W propanie atomy wodoru s nierównocenne z powodu ró nicy energii wi zania, dla atomów wodorów o wynosi ona 98 kcal/mol, podczas gdy dla o 95 kcal/mol. Ta niewielka zdawa oby si ró nica znacz co zwi ksza szybko wymiany atomu o na atom l. Podczas chlorowania propanu -chloropropan powstaje z mniejsz wydajno ci ni -chloropropan, pomimo tego, e st enie atomów wodoru o jest razy wi ksze (6 atomów o i atomy o. l hν l l + + l propan -chloropropan (5%) -chloropropan (55%) Podobnie wygl da chlorowanie butanu; wydajno -chlorobutanu jest jeszcze wi ksza poniewa udzia drugorz dowych atomów wodoru jest wi kszy ni w propanie: ( ) l hν l l + + l n-butan -chlorobutan (8%) -chlorobutan (7%) Ró nica reaktywno ci atomów o i o rz dowych jest jeszcze wi ksza ( o odpowiednio 98 i 9 kcal/mol) i dlatego w mieszaninie produktów monochlorowania tert-butylu jest a 6% - chloro--metylopropanu, pomimo 9-krotnej przewagi o atomów wodoru w substracie: l l hν + + l tert-butan -chloro--metylopropan -chloro--metylopropan chlorek izobutylu (6%) chlorek tert-butylu (6%) l

5 om jest znacznie mniej reaktywny ni chlor, dlatego te bromowanie alkanów biegnie z mniejsza szybko ci, a przez to z jeszcze wi ksz selektywno ci ni chlorowanie: hν + + propan -bromopropan (%) -bromopropan (97%) ( ) hν + + n-butan -bromobutan (%) -bromobutan (98%) + + hν tert-butan -bromo--metylopropan -bromo--metylopropan bromek izobutylu (0,%) bromek tert-butylu (99,9%) Jak wynika z zamieszczonych poni ej wykresów zmiany energii w reakcjach chlorowania i bromowania metanu, reakcja bromowania wymaga znacznie wi kszej energii aktywacji, a wi c dzie wolniejsza ni chlorowanie w tej samej temperaturze. Z tego powodu reakcja staje selektywniejsza, gdy rodniki bromu b statystycznie cz ciej wybiera najbardziej reaktywne miejsca, czyli w wzrastaj cej kolejno ci aktywno ci atomy wodoru przy atomach w gla o, o i o. Zmiany energii w procesie halogenowania metanu Wykres.. chlorowanie bromowanie Rodnik chloru potrzebuje niewielkiej energii aktywacji do wyrwania atomu wodoru z cz steczki glowodoru, eby utworzy rodnik alkilowy; w przypadku metanu jest to jedynie kcal/mol. Natomiast energia aktywacja reakcji rodnika bromu z metanem potrzebna do utworzenia takiego samego rodnika metylowego jest kilkakrotnie wi ksza i wynosi 8 kcal/mol. W reakcjach z glowodorami, w których znajduj si atomy wodoru ró nej rz dowo ci rodnik chloru obdarzony wysok energi mo e wyrwa prawie równie atwo atom wodoru o czy o, natomiast dla mniej aktywnego rodnika. znacznie atwiejsze jest oderwanie atom wodoru o wy szej rz dowo ci. 5

6 Z rz dowo ci rodników zwi zana jest tak e ich trwa : wraz ze wzrostem rz dowo ci rodników ro nie ich trwa. Prawie wszystkie rodniki obdarzone s wysok energi, a przez to s bardzo reaktywne. Jednak reszty alkilowe zwi zane z atomem w gla posiadaj cym niesparowany elektron stabilizuj go poprzez roz enie tej energii w przestrzeni. Im wi cej reszt alkilowych jest zwi zanych z rodnikowym atomem w gla (wy sza jego rz dowo ) tym rodnik jest stabilniejszy. Wzgl dna trwa rodników w glowych: R. > R. > R. >. Szybko wymiany wodoru na halogen w reakcjach substytucji rodnikowej zale y od trwa ci tworz cego si przej ciowo rodnika alkilowego. Im trwalszy rodnik, tym szybciej (bo atwiej) si tworzy, po czym mo e ulega dalszym przemianom. Z wykresu. wida, e rodnik izopropylowy ( o ) b dzie si tworzy trudniej (wolniej) ni o tert-butylowy, poniewa do jego utworzenia potrzebna jest wi ksza energia aktywacji. Energia przemian bromowania propanu i tert-butanu Wykres.. alogenowanie cykloalkanów yklopropan w reakcji z chlorem tak e tworzy rodnik cyklopropylowy, który atwo przekszta ca si w znacznie trwalszy (stabilizowany mezomerycznie) rodnik propylowy, a ten w dalszej reakcji z chlorem zostaje przechodzi w chlorek -propylu. Równocze nie, chocia z mniejsz wydajno ci rodnik cyklopropylowy tworzy z chlorem chlorek cyklopropylu: rodnik cyklopropylowy + l. l l chlorocyklopropan =-.. -= rodnik propylowy l -chloropropan l- -- 6

7 yklopropan jest pod wp ywem bromu w obecno ci All przekszta cany w,-dibromopropan, a katalityczne wodorowanie zarówno cyklopropanu, jak i cyklobutanu prowadzi do rozerwania pier cieni i utworzenia odpowiednich alkanów: All + /Ni,-dibromopropan /Ni 00 o 80 o n-propan cyklobutan n-butan Wy sze cykloalkany reaguj z halogenami podobnie jak alkany ulegaj halogenowaniu w reakcji substytucji rodnikowej: l l hν lub hν lub cyklopentan chlorocyklopentan cykloheksan bromocykloheksan (nadmiar) (nadmiar) Mog si tworzy polihalogenoalkany. Nadmiar w glowodorów zmniejsza ich wydajno. Alkilocykloalkany tworz z halogenami mieszanin izomerycznych monopochodnych: l hν lub - l metylocyklopentan l l l chlorometylocyklopentan l -chloro--metylocyklopentan -chloro--metylocyklopentan izomery cis i trans -chloro--metylocyklopentan izomery cis i trans 7

8 I Z O M E R I A Izomerami nazywane s zwi zki chemiczne posiadaj ce taki sam wzór sumaryczny, ró ni ce si jednak konstytucj (budow, tj. rozmieszczeniem atomów i wi za w cz steczce) lub eniem atomów w przestrzeni. Rozró niane s izomery konstytucyjne i stereoizomery. I Z O M E R Y zwi zki o takim samym wzorze sumarycznym I Z O M E R Y KONSTYTUYJNE S T E R E O I Z O M E R Y ró ni si rodzajem wi za i rozmieszczeniem atomów w cz steczce ENANANJOMERY maj si do siebie jak odbicia lustrzane DIASTEREOIZOMERY stereoizomery, które nie s odbiciami lustrzanymi Izomery konstytucyjne Ró nica w konstytucji cz steczki (jej budowie) wynikaj ca z innej kolejno ci atomów j tworz czy innych lub inaczej rozmieszczonych wi za jest przyczyn istnienia izomerów konstytucyjnych. Przyk adem mo e by prosty (normalny) i rozga ziony cuch w glowy lub usytuowanie wi za wielokrotnych. Istniej trzy izomery pentanu, wszystkie maj ten sam wzór sumaryczny 5 : ( ) pentan (n-pentan) izopentan (-metylobutan) neopentan (,-dimetylopropan) glowodór o wzorze sumarycznym 5 0 mo e by cyklicznym w glowodorem nasyconym: cyklopentanem, metylocyklobutanem lub dimetylocyklopropanem (we wzorach kreska oznacza grup: metylow : cyklopentan metylocyklobutan dimetylocyklopropan Mo e by równie jednym z wielu izomerów alkenowych (w glowodorem zawieraj cym podwójne wi zanie =): pent--en -metylobut--en -metylobut--en pent--en -metylopent--en 8

9 Równie dobrze znane s izomery konstytucyjne chlorowcopochodnych, alkoholi i innych zwi zków. Zadanie Narysuj i nazwij izomery zwi zku o wzorze sumarycznym 6. Stereoizomery Tego typu izomery maj nie tylko taki sam wzór sumaryczny, ale równie identyczn konstytucj, czyli rozmieszczenie atomów i wi za w cz steczce, ró ni si natomiast przestrzennym (sterycznym) u eniem atomów. Ró nice w przestrzennym u eniu atomów wyst puj w cz steczkach zawieraj cych cztery ró ne podstawniki przy tym samym atomie (np. atomie w gla) lub w innych przypadkach, kiedy cz steczka pozbawiona jest niektórych elementów symetrii. -bromo--chloroetan ma cztery ró ne podstawniki przy (brom, chlor, metyl i wodór) dlatego mo e wyst powa w postaci dwóch streoizomerów, które w typowych warunkach maj identyczne w ciwo ci fizyczne (np. tw., tt. czy g sto ), takie same w ciwo ci chemiczne (reaktywno ), identyczn warto bezwzgl dn skr calno ci w ciwej [α], ale o przeciwnych znakach, ró ni si równie reaktywno ci w stosunku do innych stereoizomerów. l stereoizomery -bromo--chloroetanu l Stereoizomeria jest wa cz ci chemii organicznej poniewa wiele zwi zków biologicznie jest stereoizomerami. W ciwo ci biologiczne stereoizomerów mog by ró ne, poniewa w organizmie oddzia uj z innymi stereoizomerami. Stereoizomerami s cukry, niektóre alkohole, aminy, aminokwasy oraz tworzone z nich peptydy czy bia ka. ia a czynne ywego organizmu (enzymy, hormony, receptory) s zbudowane z bia ek, a wi c jako stereoizomery inaczej b reagowa z stereoizomerycznymi substratami. Z tego powodu odczuwamy inny smak dwóch ró nych stereoizomerów tego samego aminokwasu (reakcja z bia kowymi kubkami smakowymi), inaczej te b oddzia ywa na organizm stereoizomeryczne substancje lecznicze. Dramatycznym przyk adem takich ró nic jest tragedia spowodowana thalidomidem, lekiem uspakajaj cym i przeciwbólowym wprowadzo-nym do u ytku w II po owie XX w. Kobiety ci arne przyjmuj ce ten lek rodzi y dzieci bez ko czyn lub z ko czynami bardzo zdeformowanymi. Lek okaza si czynnikiem teratogennym. Badania wykaza y, e by on mieszanin dwóch stereoizomerów, przy jeden z nich wykazywa oczekiwane w ciwo ci lecznicze a drugi, nieoczekiwany w otrzymywanym produkcie by teratogenem. O O N O N O N N O O O O (S)-(-)-thalidomid (R)-(+)-thalidomid teratogen lek 9

10 Do syntezy u yto w ciwego substratu, a podczas bada klinicznych i przedklinicznych nie stwierdzono adnych niepo danych dzia preparatu. Sk d si wzi drugi izomer w preparacie leczniczym? Otó drugi stereoizomer pojawi si w znacz cych ilo ciach dopiero podczas produkcji leku na du skal. Wi ksza skala wymaga a przed enia czasu reakcji, co spowodowa o, e drugi izomer tworz cy si w wyniku tzw. racemizacji pojawi si w wi kszym st eniu. W tym czasie nikt nie zna zale no ci stopnia racemizacji od czasu reakcji i nie spodziewano si takich komplikacji w wyniku zwi kszenia skali syntezy. ciwa konfiguracja substratów ma istotne znaczenie w reakcjach biochemicznych, poniewa hormony, enzymy i inne cia a czynne s stereoizomerami, i tylko odpowiednia konfiguracja substratów zapewnia powodzenie przemian. Substraty o innej konfiguracji nie bra y udzia u w reakcji, lub co gorsze mog wywo niepo dane, szkodliwe dzia anie. Prost ilustracj wymaganej konfiguracji (kszta tu) cz steczek jest zabawka dla ma ych dzieci, której elementy o ró nych kszta tach (kule, sze ciany, ostros upy itp.) nale y do pojemnika przez specjalne otwory. Tylko te przedmioty uda si w do pojemnika, które pasuj kszta tem do otworu. Podobnie, tylko ten zwi zek b dzie substratem enzymu, którego kszta ty pasuj do rozmieszczonych odpowiednio miejsc reaktywnych enzymu. Sposoby rozró niania stereoizomerów Zwi zki organiczne, w których atom w gla zwi zany jest z dwoma (lub wi cej) takimi samymi podstawnikami (atomami lub grupami atomów) b identyczne po ka dorazowej zamianie podstawników w przestrzeni. Ich odbicia lustrzane s te identycznymi zwi zkami. l l etan chloroetan W przypadku, kiedy atom w gla (lub inny) jest zwi zany z czteroma ró nymi podstawnikami, ka da pojedyncza zamiana dwóch podstawników w przestrzeni prowadzi do utworzenia drugiego steroizomeru, który jest odbiciem lustrzanym pierwszego stereoizomeru. lustro l l (R)--bromo--chloroetan (S)--bromo--chloroetan Te dwa stereoizomery (odbicia lustrzane) nie da si na na siebie, tzn. tak eby jedna cz steczka mia a pod sob te same podstawniki. 0

11 W yciu spotykamy si nie tylko ze stereoizomerycznymi substancjami, ale równie z przedmiotami o podobnych w ciwo ciach. Dwa buty czy dwie r kawiczki tej samej pary te nie mo na na na siebie (nie da si te na lewej r kawicy na praw r ). Podobnie jest ze stopami i d mi. W nie od greckiej nazwy d oni cheir pochodzi nazwa tego typu przedmiotów i zwi zków chemicznych chiralne. Rys... R ce s chiralne ; nie mo na na na siebie lewej i prawej r ki (czy te ich odbi lustrzanych) Stereoizomery, które s do siebie jak odbicia lustrzane nazywane s enancjomerami. (R)-- bromo--chloroetan i (S)--bromo--chloroetan enancjomerami zaliczanymi do stereoizomerów. Zwi zki tego typu okre lane s te przymiotnikiem chiralne. Atom w gla zwi zany z czteroma ró nymi podstawnikami jest nie tylko atomem chiralnym, ale równie centrum chiralnym, jako e dzi ki niemu cz steczka nabiera w ciwo ci zwi zanych z chiralno ci. Litery (R) i (L) w nawiasach, pisane kursywa to jeden ze sposobów ró nicowania enancjomerów na pi mie. Okre laj one konfiguracj absolutn enancjomerów. Ustala si j w oparciu o regu y pierwsze stwa wg ahna, Ingolda i Preloga. Regu y pierwsze stwa wg ahna, Ingolda i Preloga. W celu przypisania centrum chiralnemu odpowiedniej konfiguracji (literek R lub S) nale y podstawniki uszeregowa wg wa no ci (starsze stwa), tj wg warto ci liczby atomowej atomu zwi zanego z chiralnym atomem w gla od (dla atomu o najwy szej liczbie atomowej) poprzez i do (dla atomu o najni szej liczbie atomowej). Je eli atomy s izotopami tego samego pierwiastka o kolejno ci decyduje liczba masowa. l l T D. Je eli atomy zwi zane z centrum chiralnym s takie same o wa no ci podstawników decyduj atomy z drugiego szeregu, ewentualnie trzeciego lub dalszych; tak eby mo na by o wyznaczy starsze stwo dla ró nych podstawników musi ono zaistnie. Przyk ad: l -chloro--metylopentan ---l- l,-dichloro--metylopentan

12 Powy szym pochodnym pentanu atwo przypisa starsze stwo atomom wodoru i chloru, odpowiednio i. Natomiast pozycje pozosta ych podstawników (etylu i izopropylu) zale od tego jakie i ile jest atomów w drugim rz dzie. W -chloro--metylopentanie izopropyl ma atomy i dlatego otrzymuje drug pozycj () przed etylem (), który w drugim szeregu ma tylko jeden atom w gla. Natomiast w przypadku drugiego zwi zku kolejno na drugiej i trzeciej pozycji ulega odwróceniu poniewa w grupie etylowej w drugim rz dzie atomów w odniesieniu do centrum chiralnego znajduje si chlor. Jeden atom o wi kszej liczbie atomowej jest wa niejszy od dwóch, a nawet trzech atomów o mniejszych liczbach atomowych.. W zwi zkach zawieraj cych wi zania wielokrotne oba atomy powi zane w ten sposób liczy si podwójnie lub potrójnie: O jest równowa ne z O O N N jest równowa ne z N N Przyk ady: O O O pierwsze stwo podstawników O O równowa ne O O O aldehyd glicerynowy --= -bromo--metylo-pent--en pierwsze stwo podstawników O Po ustaleniu pierwsze stwa podstawników ustawia si cz steczk w ten sposób, eby najm odszy podstawnik (oznaczony liczb ) znalaz si najdalej od obserwatora. Bardzo cz sto tym podstawnikiem jest atom wodoru. Nast pnie zakre lamy kr g od podstawnika najstarszego do trzeciego z kolei poprzez podstawnik ; podstawnik jest ignorowany. Je eli ruch po zakre lanym kr gu jest zgodny z kierunkiem wskazówek zegara to ten enancjomer jest okre lany jako (R) rectus ( ac. prawy), a je eli przeciwnie do ruchu wskazówek zegara to mamy do czynienia z enancjomerem (S) sinister ( ac. lewy).

13 obserwator l l (R)--bromo--chloroetan (S)--bromo--chloroetan W literaturze mo na spotka ró ne sposoby (regu y) okre lania konfiguracji enancjomerów, ale wszystkie prowadz do tych samych ustale. Znana jest regu a kciuka (J. McMurry hemia organiczna), regu a kierownicy samochodu i inne. Konfiguracja okre lona za pomoc symboli (R) i (S) nazywana jest konfiguracja absolutn, poniewa odpowiada ona rzeczywistej konfiguracji zwi zków organicznych. Znana jest równie konfiguracja wzgl dna, gdy zosta a ona wyznaczona wzgl dem jakiego zwi zku przyj tego za wzorzec. Przyk ad: Okre li konfiguracj absolutn obu enancjomerów -bromobutanu w tak zapisanym wzorze nie mo na ustali konfiguracji,poniewa nie wiadomo jak podstawniki s u one przestrzennie Narysujmy wi c wzory enancjomerów -bromobutanu, tak eby wida by o przestrzenne enie podstawników, ponumerujmy podstawniki wg starsze stwa i umie my najm odsze najdalej od siebie: (R)--bromobutan (S)--bromobutan Powy szy sposób przedstawienia przestrzennej budowy zwi zków organicznych nazywa si projekcj Newmana. Wzór jest tak zapisywany, jakby obserwator patrzy na cz steczk wzd wi zania atomu z najm odszym podstawnikiem, tzn oznaczonym cyfr. Istniej jeszcze inne sposoby przestrzennego zapisu cz steczek chiralnych, po ród nich projekcja Fischera. z steczk ustawia si tak, eby najd szy cuch w glowy znalaz si w jednej aszczy nie. Nast pnie robi si jego pionowy (od góry kartki papieru w dó ) rzut na papier (tablic czy ekran). W ka dym centrum chiralnym wi zania pionowe oznaczaj wi zania znajduj ce si pod p aszczyzn kartki, a wi zania boczne nad p aszczyzn. Nawet je eli tego rozró nienia nie wida na przedstawionym wzorze (projekcji) to nale y o tym pami ta wi zania poziome s nad p aszczyzn, a pionowe pod p aszczyzn :

14 Rys... Zapis enancjomerów -bromobutanu w projekcji Fischera Pojedyncza (lub nieparzysta) zamiana podstawników w projekcji Fischera, np. atomu z atomem powoduje zmian konfiguracji z (R) na (S) lub z (S) na (R). Parzysta zamiana podstawników w projekcji Fischera, np. atomu z atomem i nast pnie z zachowuje pierwotn konfiguracj. W celu przypisania konfiguracji absolutnej nale y przej z konformacji Fischera do Newmana. W projekcji Newmana najm odszy podstawnik (w tym przypadku ) powinien znajdowa si za atomem, czyli pod p aszczyzn kartki. Je eli go zamienimy, np. z grup metylow nast pi zmiana konfiguracji. W celu zachowania konfiguracji nale y dokona jeszcze jednej zamiany podstawników, np. bromu z grup etylow : pojedyncza zamiana podstawników powoduje zmian konfiguracji parzysta zamiana podstawników przywraca wyj ciow konfiguracj (S)--bromobutan Ten sposób oznaczania konfiguracji absolutnej na podstawie projekcji Fischera jest do czasoch onny, wymaga bowiem dwukrotnej zamiany podstawników, je eli najm odszy podstawnik znajduje si nad p aszczyzn kartki. Pro ciej jest oznaczy konfiguracje bez zamian podstawników i tylko zamieni otrzymany wynik na przeciwny, tzn. (R) na (S) lub (S) na (R): 5 5 okre lon niezgodnie z zasadami (R)--bromobutan konfiguracj (S), nale y odwróci otrzymuje si (R) Projekcj Fischera wprowadzono wcze niej ni Newmana i by a przeznaczona g ównie dla zwi zków zawieraj cych kilka grup funkcyjnych; dlatego obowi zywa a w niej jeszcze jedna regu a: rzut cz steczki na p aszczyzn nale y tak wykona, e najbardziej utleniony atom gla znajdowa si u góry. W cz steczce kwasu mlekowego w projekcie Fischera grup karboksylow nale y umie ci u góry. Dla oznaczenia konfiguracji absolutnej nie ma znaczenia, gdzie znajduje si grupa karboksylowa, byleby wszystkie podstawniki mia y okre lone usytuowanie przestrzenne. Wymóg zapisania najbardziej utlenionej grupy u góry wzoru potrzebny jest do przypisania konfiguracji wzgl dnej D lub L.

15 OO O O OO kwas: D-mlekowy kwas (R)-mlekowy O OO O L-mlekowy (S)-mlekowy OO Konfiguracja wzgl dna okre lana literami D lub L oznacza po enie grupy funkcyjnej (w kwasie mlekowym O) po prawej (D) lub po lewej (L) stronie chiralnego atomu w gla, we wzorze prawid owo zapisanym wg regu projekcji Fischera. Konfiguracja nazywa si wzgl dn, poniewa odnosi si do konfiguracji aldehydu glicerynowego (O)O przyj tego za modelowy zwi zek. Konfiguracja cz steczek zawieraj cych dwa centra chiralne Okre lanie konfiguracji cz steczek zawieraj cych dwa lub wi cej chiralnych atomów w gla polega na przypisaniu konfiguracji kolejno poszczególnym centrom chiralnym. Zadanie Oznaczy konfiguracj,-dibromobutanu. Pierwsz czynno ci jest zapisanie wzoru przestrzennie, np. za pomoc projekcji Fischera. Zgodnie z tymi regu ami otrzymujemy wzory czterech stereoizomerów: a b c d stereoizomery,-dibromobutanu W,-dibromobutanie s dwa centra chiralne: atomy i. We wszystkich wzorach najm odsze podstawniki czyli atomy s zapisane poziomo, czyli znajduj si nad p aszczyzn kartki, dlatego stosuj c uproszczon procedur nale y po oznaczeniu konfiguracji kolejno dla i przyj konfiguracj odwrotn jako rzeczywist. konfiguracja dla a: (R) konfiguracja dla a: (R) konfiguracja dla b: (S) konfiguracja dla b: (S) (R,R)-,-dibromobutan (S,S)-,-dibromobutan 5

16 konfiguracja dla c: (R) konfiguracja dla c: (S) konfiguracja dla d: (S) konfiguracja dla d: (R) (R,S)-,-dibromobutan (S,R)-,-dibromobutan Stereoizomery a i b czyli (R,R)-,-dibromobutan oraz (S,S)-,-dibromobutan enancjomerami (maj si do siebie jak odbicia lustrzane): a b a c b d Stereoizomery parami a i c, a i d, b i c oraz b i d s diastereoizomerami (stereoizomery nie b ce do siebie jak odbicia lustrzane) Stereoizomery c i d pomimo, e posiadaj po dwa centra chiralne, z uwagi na p aszczyzn symetrii przechodz pomi dzy i, s cz steczkami achiralnymi, a w zwi zku z tym optycznie nieczynnymi (nie skr caj p aszczyzny wiat a spolaryzowanego). Ich odbicia lustrzane da si na siebie na. Stereoizomery zawieraj ce centra chiralne oraz p aszczyzn symetrii nazywane mezo. (R,S)-,-dibromobutan (S,R)-,-dibromobutan W rzeczywisto ci jest to jeden i ten sam zwi zek mezo-dibromobutan. aszczyzna symetrii dziel ca stereoizomer na pó jest jak zwierciad o w którym odbijaj si obie po owy zwi zku. Enancjomery. hiralno cz steczki jest warunkiem koniecznym i wystarczaj cym do zaistnienia enancjomerów;. Obecno chiralnego atomu w gla nie jest warunkiem koniecznym ani wystarczaj cym do wyst pienia enancjomerów;. Liczba enencjomerów zale y od liczby centrów asymetrii w cz steczce. Maksymalna liczba stereoizomerów LS = n gdzie n oznacza liczb chiralnych atomów. 6

17 Stereochemia zwi zków cyklicznych Stereoizomeri zwi zków cyklicznych warto rozpatrywa na przyk adzie cyklopentanu, którego pier cie uwa a si za p aski. Stereoizomeria wyst pi w przypadku podstawienia cyklopentanu co najmniej dwoma podstawnikami.,-dimetylocykloheksan wyst puje w formie dwóch enancjomerów (R,R) i (S,S), które s zarazem izomerami trans, oraz w formie mezo (cis) : 5 Me Me Me Me Me Me a b c trans trans cis enancjomery,-dimetylocyklopentanu mezo-dimetylocyklopentan Atomy w gla i s chiralne. Dla streoizomeru a konfiguracj mo na oznaczy w nast puj cy sposób: konfiguracja dla izomeru a: (S) Me Me Me Me (R,R)-,-dimetylocyklopentan konfiguracja dla izomeru a: (S) Izomer b ma konfiguracj (S,S), a c jest zwi zkiem mezo (R,S) i (S,R), poniewa ma p aszczyzn symetrii. Podobne zale no ci wyst puj dla,-dipodstawionych pochodnych cyklopentanu. Identycznie post puje si przy okre laniu konfiguracji stereoizomerów pochodnych cyklopropanu i cyklobutanu. z steczka cykloheksanu nie jest co prawda p aska, ale do oznaczania konformacji poszczególnych chiralnych atomów w gla w niej wyst puj cych mo na rysowa j w postaci askiej. Reaktywno halogenoalkanów Reaktywno halogenoalkanów wynika z rozk adu adunków elektrycznych w ich cz steczkach, czyli z polaryzacji i polaryzowalno ci wi za. X.. δ+ δ+.. δ- δ-.. X:.. : z steczka, w której s tak roz one adunki jest podatna na atak ró nych odczynników. Kwasy Lewisa A (All, Fe ) b atakowa miejsce obdarzone adunkiem ujemnym, czyli halogen (X), nukleofil Nu: ma powinowactwo do dodatnio na adowanego atomu w gla, za zasada B: dzie odrywa proton z. :B.. Nu.. M A 7

18 Metal (M) odda elektron dodatnio na adowanemu atomowi, tworz c z nim zwi zki metaloorganiczne M lub M X, o budowie zale nej od warto ciowo ci metalu. Z metalami grupy I (Li, Na, K) halogen zostanie od czony, a z metalami grupy II (Mg, Zn, d) metal zajmie po enie pomi dzy atomami i X. Substytucja nukleofilowa S N Substytucja nukleofilowa polega na reakcji nukleofilu (Nu) ze zwi zkiem organicznym zawieraj cym atwo odchodz elektroujemn grup (np. halogen) w wyniku, której nast puje podstawienie halogenu nukleofilem. Nukleofilami s atomy lub grupy atomów obdarzone adunkiem ujemnym lub dysponuj ce woln par elektronów; wykazuj powinowactwo do dodatnio na adowanego atomu. W tabeli. podane s najcz ciej spotykane nukleofile i ich produkty reakcji z bromkiem metylu. Reakcje bromku metylu z wybranymi nukleofilami Tabela.. + Nu: - Nu + - Nukleofil Produkt Wzór Nazwa Wzór Nazwa : - anion wodorkowy metan S - anion metylosulfidowy S sulfid dimetylowy S - anion hydrosulfidowy S metanotiol S - anion cyjankowy N acetonitryl I - anion jodkowy I jodek metylu O - anion wodorotlenkowy O metanol O - anion metanolanowy O eter dimetylowy N=N=N - anion azydkowy N=N=N azydometan l - anion chlorkowy l chlorek metylu OO - anion octanowy OO octan metylu N: amoniak N + - bromek metyloamoniowy ( ) N: trimetyloamina ( ) N + - bromek tetrametyloamoniowy Kinetyka reakcji substytucji nukleofilowej (S N ) Szybko reakcji S N zale y zarówno od warunków reakcji, jak i od w ciwo ci nukleofilu oraz budowy reagenta organicznego. Poni ej podany jest szereg reaktywno ci najpopularniejszych odczynników nukleofilowych w reakcji z bromkiem metylu: + Nu: - Nu + - wzgl dna szybko 700 0,6. 0, , Nu: O N l - O - O - I - N - S - mniej reaktywne bardziej reaktywne Zwykle odczynniki nukleofilowe, jako grupy obdarzone adunkiem ujemnym s zasadowe, czyli wykazuj powinowactwo do protonu. Nukleofilowo nie zawsze pokrywa si z zasadowo ci, np. jon O - jest siln zasad, ale s abym nukleofilem, natomiast S - jest silnym nukleofilem, za znacznie s absz zasad. 8

19 Na szybko reakcji S N du y wp yw maj w ciwo ci grupy odchodz cej. Najbardziej reaktywn grup odchodz jest anion tosylanowy (p-toluenosulfonowy), a bardzo trudno podstawi anion fluorkowy. Wzgl dna reaktywno grup odchodz cych w reakcjach S N : zasadowo (pk a zasady skoniugowanej) 5 6 5,7,8, ,5-6,5 wzgl dna szybko grupa odchodz ca N -, RO -, O - AcO - F - l - - I - TosO - mniej reaktywne bardziej reaktywne Aniony silnych kwasów (s abe zasady) s dobrymi grupami odchodz cym, aniony s abszych kwasów (silne zasady) s gorszymi grupami odchodz cymi. - p-toluenosulfonian SO (tosylan) Kinetyka hydrolizy halogenków alkilowych w rodowisku zasadowym zale y od rz dowo ci halogenku. alogenki metylu i o ulegaj hydrolizie i reakcji z innymi nukleofilami wg kinetyki drugiego rz du (S N ), podczas gdy halogenki o rz dowe wchodz w reakcj z tymi samymi odczynnikami zgodnie z kinetyk pierwszego rz du (S N ). + O - O + - szybko reakcji V = k[ ]. [ O - ] jest zale na od st enia obu reagentów. Reakcje substytucji nukleofilowej, których szybko jest zale na od st enia obu reagentów nazywana jest substytucj nukleofilow dwucz steczkow i oznacza si j symbolem S N. ( ) + O - ( ) O + - szybko reakcji V = k[( ) ] jest zale na jedynie od st enia halogenku alkilu. Reakcje substytucji nukleofilowej, których szybko jest zale na od st enia jednego z reagentów nazywana jest substytucj nukleofilow jednocz steczkow i oznacza si j symbolem S N. Inwersja konfiguracji R e a k c j e S N Zauwa ono, e w trakcie reakcji biegn cych mechanizmem konfiguracji, zjawisko to zosta o nazwane inwersj konfiguracji: S N dochodzi do zmiany 9

20 Me II etap S l N Me + :O - + :l - O I etap cis-(r,s)--chloro--metylocyklopentan trans-(s,s)--chloro--metylocyklopentan Przyczyn inwersji konfiguracji jest stan przej ciowy tworz cy si w pierwszym etapie reakcji. W wyniku ataku odczynnika nukleofilowego (I etap) od przeciwnej strony cz steczki w stosunku do grupy odchodz cej (z tej samej nie mo e ze wzgl dów zarówno obj to ciowych jak i elektrostatycznych) tworzy si przej ciowo addukt zawieraj cy pi ciokoordynacyjny atom w gla. Me δ+ δ- l O δ- grupa odchodz ca nukleofil przy cza si z przeciwnej strony grupy odchodz cej Rys... Stan przej ciowy reakcji S N W drugim etapie (II etap) zostaje zerwane wi zanie z grup odchodz, a nowy podstawnik zajmuje pozycj po przeciwnej stronie cz steczki ni grupa, która zosta a podstawiona. - - N Nu + X X Nu u + X - W stanie przej ciowy trzy podstawniki na atomie w gla w centrum reakcji zostaj st oczone w jednej p aszczy nie. Nie mog to by obj to ciowo du e. Naj atwiej st oczy atomy lub podstawniki przy o atomie w gla, dlatego tylko pochodne metylu i pierwszorz dowych grup alkilowych ulegaj atwo tej reakcji. S N dla pochodnych o zachodzi wolno, a o praktycznie tak nie reaguj. Wzgl dna szybko reakcji halogenków alkilowych w reakcji S N wzgl dna szybko ,0 0 reakcji S N dla R-X alkil (R) ( ) - ( ) - ( )- Et- Merz dowo o neopentyl ( o ) o o mniej reaktywne bardziej reaktywne W powy szym szeregu w tpliwo ci mo e budzi jedynie prawie zerowa szybko reakcji halogenku neopentylu, który jest przecie halogenkiem o. Otó du a obj to grupy tertbutylowej zwi zanej z atomem w gla stanowi cym centrum reakcji uniemo liwia atak odczynnika nukleofilowego od strony grupy tert-butylowej, a innej mo liwo ci nie ma. 0

21 Nu X Nu X Nu X X Nu Nu X metyl- etyl- izopropyl- neopentyl- tert-butyl Rys... Wraz ze wzrostem zat oczenia wokó centrum reakcji zmniejsza si mo liwo dost pu cz steczki nukleofilowej do atomu w gla zwi zanego z grup odchodz Inwersj konfiguracji towarzysz ca S N mo na obserwowa mierz c skr calno w ciw substratów i produktów. W trakcie reakcji hydrolizy (R)-(-)--bromooktanu powstaje -oktanol. Reakcja biegnie wg mechanizmu S N, co wynika z kinetyki: v = k[okt]. [O - ]. Enancjomery -oktanolu maj t sam tt. i tw., to samo widmo NMR i IR w rodowisku achiralnym, ró ni si natomiast znakiem skr calno ci w ciwej [α]. Warto [α] wynosi 9,9 o i 9,9 o odpowiednio dla (R) i (S) enancjomerów. 6 NaO S N 6 O (R)--bromooktan ([α] = -,6 o ) (S)--oktanol ([α] = 9,9 o ) Tworzenie si z (R)-(-)--bromooktanu enancjomeru (S)-(+)--oktanolu jest dowodem zjawiska inwersji konfiguracji. Zmiany energetyczne reakcji hydrolizy chlorku metylu w rodowisku zasadowym:

22 Wp yw rozpuszczalnika na reakcj S N rodowisko, najcz ciej rozpuszczalnik ma ogromny wp yw na wi kszo reakcji, równie na reakcj S N. Reakcj utrudniaj rozpuszczalniki protyczne, czyli takie, które posiadaj ruchliwe protony, np. woda, alkohole czy aminy. Solwatuj (os aniaj ) one cz steczki nukleofila, utrudniaj c mu tym samym zbli enie si miejsca reaktywnego w cz steczce R-X. OR RO :Nu OR OR Nukleofil solwatowany przez cz steczki protycznego rozpuszczalnika jest nie tylko mniej aktywny, ale i wi kszy, przez co trudniej mu podej do drugiego reagenta. Z tego samego powodu nukleofile o wi kszych rozmiarach (w parach S - i O - lub - i F - ) s aktywniejsze w reakcjach S N, poniewa im mniejszy promie jonu tym silniej jest on solwatowany przez cz steczki protycznego rozpuszczalnika. Natomiast polarne rozpuszczalniki aprotyczne u atwiaj reakcje S N zwi kszaj c jego aktywno, poniewa solwatuj one kation, a nie anion (nukleofil), przez co taki nagi anion jest bardziej ruchliwy (aktywny), ma mniejsze rozmiary, czyli atwiej mu dosta si do miejsca reaktywnego cz steczki organicznej. S O.. S O: : O K+ S O: O.. : O S S S Rys... z steczki aprotycznego rozpuszczalnika polarnego solwatuj kation przez co nagi nukleofil (towarzysz cy anion) jest bardziej reaktywny Do rozpuszczalników aprotycznych nale : acetonitryl ( N), dimetyloformamid [( ) NO, DMF], sulfotlenek dimetylowy [( ) SO, DMSO] czy heksametylofosforotriamid {[( ) N] PO, MPA}. Ten ostatni okaza si by kancerogenny i teratogenny, wi c nale y go stosowa z odpowiedni ostro no ci. Wysoka polarno rozpuszczalników jest potrzebna do rozpuszczenia polarnych reagentów.

23 Z poni szego diagramu wida jak zwi ksza si szybko reakcji S N w aprotycznych rozpuszczalnikach polarnych na przyk adzie reakcji: n-bu + N - rozpuszczalnik n-bun + - rozpuszczalnik: O O DMSO DMF N MPA wzgl dna reaktywno Warto ci sta ej dielektrycznej popularnych rozpuszczalników Tabela.. Rozpuszczalnik Wzór Sta a dielektryczna woda O 80 kwas mrówkowy OO 59 dimetylosulfotlenek (DMSO) SO 9 dimetyloformamid (DMF) ON( ) 7 acetonitryl N 6 metanol O heksametylofosforotriamid (MPT) [( ) N] PO 0 etanol O aceton O kwas octowy OO 6 Podsumowanie zale no ci w reakcjach S N Reakcj S N u atwia: brak zawady przestrzennej reagenta organicznego; du a reaktywno odczynnika nukleofilowego; podatno grupy opuszczaj cej na od czenie si od atomu ; du a polarno rozpuszczalników aprotycznych R e a k c j e S N Szybko reakcji typu S N nie zale y od st enia odczynnika nukleofilowego, biegnie zatem ona zgodnie z kinetyk pierwszego rz du: V = k. [RX] Przyk adem takiej reakcji jest hydroliza bromku t-butylu w wodzie: ( ) - + O ( ) -O + Ró nice w kinetyce reakcji hydrolizy bromku n-butylu i t-butylu wynikaj z odmiennego mechanizmu obu reakcji. Jak wiadomo halogenki t-butylowe z uwagi na du obj to o grupy alkilowej s odporne na atak nukleofilowy, natomiast znacznie atwiej ni halogenki o ulegaj dysocjacji z utworzeniem karbokationu. Karbokation w reakcji z cz steczk wody zostaje szybko przekszta cony w alkohol:

24 O ( ) - ( ) + ( ) -O wolno szybko Karbokationy o s trwalsze ni o, a te z kolei przewy szaj trwa ci kationy o. Z tego powodu karbokationy o tworz si naj atwiej. alogenki o nie ulegaj reakcjom S N, a o tylko cz ciowo. Poniewa jednak dysocjacja wi zania X nawet dla halogenków o wymaga du ej energii aktywacji (Rys..) oderwanie si jonu halogenkowego jest procesem wolnym i w reakcjach S N stanowi najwolniejszy etap reakcji; decyduje on o szybko ci ca ej reakcji! Szybko powstawanie kabokationu zale y w danych warunkach tylko od st enia halogenku alkilu, tym samym od jego st enia zale y szybko ca ej reakcji. Rys..5. Diagram zmiany energii w reakcji S N. Energia aktywacji pierwszego etapu reakcji, czyli tworzenia karbokationu jest znacznie wi ksza ni energia aktywacji reakcji pomi dzy karbokationem i wod Szybko reakcji wieloetapowej jest zale na od najwolniejszego etapu reakcji. Ten najwolniejszy etap reakcji decyduje o szybko ci ca ej reakcji, podobnie jak najw sza zw ka w wielokomorowej klepsydrze decyduje o szybko ci przesypuj cego si piasku : Mechanizm reakcji hydrolizy bromku t-butylu jest nast puj cy: wolno bromek t-butylu szybko O O t-butanol O....

25 Produktem po rednim w procesie hydrolizy o halogenku alkilowego jest aski karbokation hybrydyzacja atomu sp. z steczka wody mo e przy czy si do niego z jednej lub z drugiej strony. Wobec czego powstaje mieszanina enancjomerów (R) i (S), cz sto w stosunku :, niezale nie od tego jak konfiguracj mia substrat. Zjawisko towarzysz ce reakcji, w której z jednego enancjomeru tworzy si mieszanina enancjomerów (R) i (S) nazywa si racemizacj, a mieszanina 50% enancjomeru (R) i 50% (S) nazywa si racematem. Racemat jest optycznie nieczynny; zwykle ró ni si temperatur topnienia i innymi ciwo ciami fizycznymi od enancjomerów. chiralny substrat X + - Nu - X - dysocjacja Nu - Nu + - Nu Nu inwersja konfiguracji p aski karbokation retencja konfiguracji Rys.6. P aski karbokation powstaj cy w reakcji S N prowadzi do racemizacji Tylko te halogenki alkilowe, które s zdolne utworzy p aski karbokation mog reagowa wg mechanizmu S N. znane takie halogenki niepodatne reakcje S N ani na S N. Nale do nich o pochodne cykliczne, np. -bromobicyklo[,,]oktan, który jako o jest nieaktywny w reakcjach S N, a poniewa nie mo e utworzy p askiego karbokationu nie reaguje zgodnie z mechanizmem S N : Zdarza si jednak, e w reakcjach S N racemizacja nie jest ca kowita i dochodzi do cz ciowej inwersji konfiguracji. Jest ona spowodowana atakiem odczynnika nukleofilowego zanim nast pi ca kowite oddysocjowaniu anionu. Nukleofil w takim przypadku atakuje tworz cy si karbokation z przeciwnej strony do odchodz cego anionu, podobnie jak w trakcie reakcji S N. Opuszczaj cy anion utrudnia nukleofilowi zbli enie si do karbokationu z tej samej strony. W reakcji hydrolizy (R)-6-chloro-,6-dimetylooktanu obserwuje si 0% inwersj konfiguracji. 5

26 5 O 5 ( ) ( ) l O EtO ( ) ( ) 0% (R) + l (R)-6-chloro-,6-dimetylooktan O 5 ( ) ( ) 60% (S) 7,-dimetylootan--ol Rys..7. ydroliza (R)-6-chloro-,6-dimetylooktanu prowadzi do produktu cz ciowo zracemizowanego. Etanol atwia rozpuszczenie substratu R R' R'' O l EtO solwatowany para jonowa karbokation l R' R R R' O O O.. l R'' R'' O R R' R'' O R R R' R' + R'' R'' O produkty: inwersji konfiguracji retencji konfiguracji Wp yw rozpuszczalnika na reakcj S N Rozpuszczalnik ma du y wp yw na szybko reakcji S N. Mo e on u atwia dysocjacj halogenku alkilowego i stabilizowa karbokation. Wp ywa wi c na pierwszy etap reakcji, tj. stan przej ciowy. Rozpuszczalniki polarne, przede wszystkim protyczne solwatuj c jony sprzyjaj reakcjom S N. Do tego typu rozpuszczalników nale alkohole, kwas mrówkowy i woda. Najkorzystniejszym rozpuszczalnikiem dla S N jest woda, jednak wiele substratów organicznych nie rozpuszcza si w niej. Dodatek rozpuszczalników organicznych u atwia rozpuszczanie reagentów organicznych, ale zwykle obni a szybko reakcji. Ọ :.. Ȯ :.. O O : Ọ... : O Rys..8. z steczki polarnego rozpuszczalnika stabilizuj karboanion poprzez jego solwatacj 6

27 Wp yw grupy odchodz cej Podobnie jak w reakcjach S N reaktywno substratu zale y od w ciwo ci grupy odchodz cej. Podobny jest te szereg reaktywno ci, najbardziej aktywne s tosylany: Wp yw budowy substratu O l - < - < I - < < TosO - Struktury reszty organicznej stabilizuj ce karbokation u atwiaj reakcje S N. Wzrost rz dowo ci karbokationu wp ywa na jego trwa, dlatego trzeciorz dowe pochodne naj atwiej ulegaj reakcjom S N, o trudniej, a o s w tego typu reakcjach nieaktywne. Na stabilizacj karbokationu du y wp yw ma mezomeria, szczególnie obecno podwójnego wi zania w po eniu β, tzw. uk ad allilowy. U atwienie reakcji S N obserwuje si nie tylko dla halogenków allilowych ( o czy o ), ale równie dla benzylowych. + + stabilizacja kationu allilowego stabilizacja kationu benzylowego Wi zania -X w halogenkach allilowych i benzylowych s os abione w porównaniu do wi zania, np. w halogenku etylu: l = l l energia wi zania 8 kj/mol 89 kj/mol 9 kj/mol X (kcal/mol) (8) (69) (70) Obie grupy zwi zków s równie bardzo reaktywne w reakcjach biegn cych mechanizmem S N, tak wi c szybko reakcji substytucji nukleofilowej halogenków allilowych czy benzylowych jest sum szybko ci obu reakcji S N i S N. To jest przyczyn wysokiej reaktywno ci tych zwi zków. Wp yw nukleofilu Nukleofil ma niewielki wp yw na szybko reakcji S N, poniewa nie bierze udzia u w najwolniejszym etapie reakcji. Po utworzeniu karbokationu jego reakcja z nukleofilem biegnie szybko i nie wp ywa na sumaryczn szybko reakcji. alogenowodory (l, lub I) reaguj z tak sam szybko ci z t-butanolem: 7

28 ( ) -O + X ( ) -X + O t-butanol halogenek t-butylu (X: l, lub I) Porównanie reakcji biegn cych mechanizmem S N i S N Substratami reakcji S N s zwi zki organiczne tworz ce stabilne karbokationy, np. halogenki o, allilowe czy benzylowe; Reakcj S N u atwiaj protyczne rozpuszczalniki polarne (solwatuj aniony i kationy); Odczynniki nukleofilowe nie wp ywaj na szybko reakcji S N ; Solwoliza halogenków alkilowych jest przyk adem reakcji biegn cej mechanizmem S N. Nawet je eli substratem nie jest o halogenek to st enie rozpuszczalnika u ytego w du ym nadmiarze jest sta e w trakcie reakcji i jego wp yw na szybko reakcji zawiera si w sta ej szybko ci: v = k[rx] Substraty reakcji SN nie mog mie zawad sterycznych; Szybko reakcji maleje wraz ze wzrostem rz dowo ci: -X < R -X << R -X Reakcj S N u atwiaj polarne rozpuszczalniki aprotyczne. Podwy szenie st enia odczynnika nukleofilowego zwi ksza szybko reakcji; Efekt grupy odchodz cej jest taki sam w obu reakcjach: R-OTos > R-I > R- > R-l >> R-F 8