Substytucja nukleofilowa

Transkrypt

1 Substytucja nukleofilowa Katarzyna strowska eakcja podstawienia nukleofilowego polega na wymianie grupy X związanej z atomem węgla na odczynnik nukleofilowy. Podstawnikiem X jest przeważnie grupa elektronoakceptorowa, która polaryzuje wiązanie -X a następnie odchodzi z parą elektronową.. X = -l, -Br, -I, -S H, -H _, -H, _ -N : X X - : dczynnikami nukleofilowymi są obojętne cząsteczki z wolnymi parami elektronowymi lub aniony, na przykład: Przykłady reakcji substytucji nukleofilowej: = l, Br, I, H - -,, Ar - - I, HS, N= - I I I I I I _ I, _ H--H, --H, NH, NH, NH X H - H - hydroliza alkaliczna X - nadmiar NH _ NH X - synteza eterów Williamsona synteza amin H : - H H HX X H synteza alkinów synteza halogenków alkilowych Ze względu na liczbę z cząsteczek biorących udział w stadium decydującym o szybkości reakcji można wyróżnić dwa skrajne mechanizmy reakcji: a) jednocząsteczkowe podstawienie nukleofilowe S N b) dwucząsteczkowe podstawienie nukleofilowe S N W przypadku reakcji S N podstawienie przebiega dwuetapowo. W pierwszym odwracalnym i najwolniejszym etapie następuje rozerwanie wiązania -X z wytworzeniem płaskiego karbokationu. d jego stabilności zależy szereg reaktywności substratów. Trwałość karbokationów zależy od rzędowości atomu węgla. ( > > >H X ). X powoli 6

2 Drugi etap polega na ataku odczynnika nukleofilowego na atom węgla o hybrydyzacji sp i utworzeniu wiązania nukleofil-węgiel. Ze względu na jednakowe prawdopodobieństwo ataku wynikające z płaskiej budowy karbokationu, uzyskuje się mieszaninę racemiczną produktów reakcji. wolny orbital p a b I Powstaje większa ilość produktu o konfiguracji odwróconej w stosunku do substratu Powstaje mniejsza ilość produktu o konfiguracji substratu eakcja podstawienia dwucząsteczkowego S N przebiega jednoetapowo. Zrywanie i tworzenie wiązań zachodzi równocześnie w sposób ciągły. dczynnik nukleofilowy zbliża się do spolaryzowanej cząsteczki X od strony przeciwnej do tej, którą zajmuje podstawnik X. W trakcie zbliżania się reagenta zostaje osiągnięty stan przejściowy, w którym nukleofil nie jest jeszcze w pełni związany z atomem węgla, a podstawnik X nie jest jeszcze całkowicie oderwany. eakcja zachodzi z inwersją konfiguracji tzn. w wyniku podstawienia powstaje analogiczna cząsteczka będąca odbiciem lustrzanym związku wyjściowego. X X X - stan przejściowy Innym przykładem reakcji substytucji nukleofilowej jest reakcja zachodząca na atomie węgla o hybrydyzacji sp. Ulegają jej pochodne kwasów karboksylowych (kwasy, chlorki kwasowe, estry, bezwodniki) z zasadami. Przebiega ona przez dwa odwracalne etapy : addycję i eliminację. W pierwszym etapie odczynnik nukleofilowy atakuje atom węgla grupy karbonylowej. Następnie powstały tetraedryczny produkt pośredni ulega rozkładowi z wydzieleniem jonu X - ( X= NH,H,, H). δ _ - addycja eliminacja δ - X X X - Dodanie mocnych kwasów znacznie przyspiesza powyższe reakcje. Proton H zostaje przyłączony do atomu tlenu zwiększając tym samym polaryzację wiązania podwójnego i podatność atomu węgla grupy karbonylowej na atak nukleofilowy. eakcja przebiega zgodnie z mechanizmem: ) protonowanie X H H X ) addycja-eliminacja 7

3 H X _ H H X H _ H XH H XH ) deprotonacja H H Typowym przykładem powyższego mechanizmu jest synteza estrów katalizowana kwasami. eakcje kwasu z alkoholem oraz transestryfikacja są przemianami odwracalnymi, w czasie których wytwarza się stan równowagi chemicznej. Aby przesunąć stan równowagi w stronę tworzenia produktu używa się dużego nadmiaru alkoholu lub w sposób ciągły usuwa się z reagującej mieszaniny jeden z produktów. H, H H H H H l l H H 8

4 Benzoesan -naftylu l Na dczynniki: -naftol,8 g (0,05 m) Wodorotlenek sodu 0,5 g rozpuszczony w 0 cm wody chlorek benzoilu,8 g (,5 cm,0,0 m ) etanol zlewka o poj. 00 cm erlenmajerka z korkiem o poj. 50 cm zestaw do sączenia zestaw do krystalizacji Dokładnie rozdrobniony -naftol rozpuszcza się na zimno w przygotowanym wcześniej roztworze wodorotlenku sodu, jeśli potrzeba, dodaje się nieco więcej wody. Jeśli roztwór jest silnie zabarwiony, dodaje się 0,5 g węgla aktywnego i sączy zimny roztwór przez sączek z twardej bibuły. oztwór wlewa się do kolby stożkowej o poj. 50 cm i dodaje się chlorek benzoilu. Szczelnie zakorkowaną kolbę wstrząsa się energicznie przez 0 min, do zaniku zapachu chlorku benzoilu. Stały produkt odsącza się na lejku Büchnera i przemywa niewielką ilością zimnej wody. Surowy ester krystalizuje się z etanolu. Wydzielony, krystaliczny osad suszy się na powietrzu. trzymuje się,5 g produktu o tt. 0 o. Uwaga: eakcję należy prowadzić pod wyciągiem. peracje z silnie drażniącym chlorkiem benzoilu należy wykonywać w gumowych rękawiczkach ochronnych. Kwas acetylosalicylowy (Aspiryna) H H (H ) H H dczynniki: kwas salicylowy,5 g (0,08 m) bezwodnik octowy 4 g (,7 cm, 0,09 m) kwas siarkowy(vi) stęż. 5 kropli etanol. erlenmajerka o poj. 50 cm łaźnia olejowa mieszadło magnetyczne z temoregulacją termometr zlewka o poj. 50 cm zestaw do sączenia zestaw do krystalizacji Do erlenmajerki o poj. 50 cm umieszczonej w łaźni olejowej na mieszadle magnetycznym, wprowadza się kwas salicylowy, bezwodnik octowy i kwas siarkowy(vi). Zawartość kolby ogrzewa się ją do temp. 60 o ciągle mieszając, do momentu pojawienia się kryształków produktu (około 0 min). Następnie mieszaninę pozostawia się do ostygnięcia. Po 9

5 ostudzeniu ciecz wylewa się do 40 cm wody, dobrze miesza i odsącza wydzielony produkt. Krystalizuje się z rozc. etanolu (4 objętość wody : objętości EtH). trzymuje się g (98% wydajności teoretycznej) o tt. 5 o. Uwaga: Bezwodnik octowy jest cieczą o własnościach silnie parzących i łzawiących. Pracę należy wykonywać pod wyciągiem. hlorek tert-butylu H H H H Hl H H H l H dczynniki: tert-butanol,5 g (6,5 cm, 0,7 m) ) kwas chlorowodorowy stęż. 50 cm (0,6 m) 5 % roztw. wodorowęglanu sodu 0 cm bezw. chlorek wapnia rozdzielacz o poj. 50 cm erlenmajerka z korkiem o poj. 50 cm zlewka o poj. 50 cm W rozdzielaczu o poj. 50 cm umieszcza się tert-butanol i 40 cm stężonego kwasu solnego. Zawartość rozdzielacza wstrząsa się energicznie i pozostawia na kilka minut. zynność tę powtarza się kilkakrotnie w ciągu około 0 min. Po każdym wstrząsaniu należy na chwilę otworzyć kurek rozdzielacza. Następnie oddziela się dolną warstwę, do rozdzielacza dodaje się 0 cm stężonego kwasu chlorowodorowego, kilkakrotnie wstrząsa i pozostawia do rozwarstwienia. Warstwę dolną ponownie oddziela się, a górną przemywa kolejno 0 cm wody, 0 cm 5% roztworu wodorowęglanu sodu i suszy bezw. chlorkiem wapnia. Po odsączeniu od czynnika suszącego produkt destyluje się z kolby okrągłodennej zaopatrzonej w deflegmator, zbierając frakcję wrzącą w temp o. Wydajność 4,5 g (90%) Uwaga: Pracę należy wykonywać w gumowych rękawiczkach ochronnych pod wyciągiem. Acetanilid NH (H ) NHH dczynniki: anilina 5, g (5 cm, d =.0 g/cm, 0,055 m) bezwodnik kwasu octowego 5,4 g (5 cm, 0,05 m) kwas octowy lodowaty 5, g (5 cm, 0,087 m) pył cynkowy ok. 00 mg kolba okrągłodenna o poj. 00 cm chłodnica zwrotna zlewka 50 cm łaźnia lodowa zestaw do sączenia zestaw do krystalizacji W kolbie kulistej o poj. 00 cm, zaopatrzonej w chłodnicę zwrotną, umieszcza się anilinę, bezwodnik octowy, lodowaty kwas octowy i szczyptę pyłu cynkowego. Mieszaninę ogrzewa się łagodnie do wrzenia w ciągu 0 min, a następnie gorącą ciecz wylewa się cienkim strumieniem do zlewki o poj. 50 cm, zawierającej 50 cm zimnej wody, 0

6 przy czym zawartość zlewki należy stale mieszać. Po oziębieniu (korzystne jest chłodzenie w lodzie) surowy produkt odsącza się pod zmniejszonym ciśnieniem, przemywa niewielką ilością zimnej wody, dobrze odciska. trzymuje się 7,5 g acetanilidu o tt. o. Po krystalizacji z ok. 00 cm wody z dodatkiem,5 cm etanolu otrzymuje się 5 g czystego związku o tt. 4 o. Uwaga: Praca z substancjami toksycznymi. Praca pod wyciągiem w rękawicach ochronnych.