R-X X = halogen Nazewnictwo: podstawnik halogenowy w szkielecie alkanu lub halogenek alkilu/arylu. F Br H 3 C

Transkrypt

1 alogenoalkany (by Aleksandra Kołodziejczyk, UG) R-X X = halogen Nazewnictwo: podstawnik halogenowy w szkielecie alkanu lub halogenek alkilu/arylu 3 I jodometan (jodek metylu) F 3 3 fluorocykloheksan (fluorek cykloheksylu) 3 2-bromo-2-metylopropan (bromek tert- butylu) Rozpuszczalniki: l 3, l 4, 2 l 2 alotan:f 3 l Własności fizyczne: polarność wiązania -X wyższe t.wrz. F l I t wrz. ; M.W. ; polaryzowalność Dł. wiązania [Å] D[kcal/mol] 3 F l I REAKJE PDSTAWIENIA NUKLEFILWEG (S N ) +δ -δ R 2 X S N reakcja polarna/ jonowa Nu + R-X R-Nu + X Nu + R-X [R-Nu] + X pojęcia: nukleofil (Nu), elektrofil, grupa odchodząca (X - ) Nu: -, 3 -, I -, N -, 3 S -, N 3, P( 3 ) 3 Podstawienie nukleofilowe dwucząsteczkowe - S N 2 3 l + Na 3 + Nal Nu = - v = k [ 3 l][ - ] 1

2 Gdy substrat chiralny (S)-2-bromobutan: I 3 I I Inwersja konfiguracji S R S N 2 reakcja stereospecyficzna Reakcje stereospecyficzne stereoizomeryczne substraty prowadzą do stereoizomerycznych produktów, których budowa zależy od budowy przestrzennej substratów. S 3 S (S)-2-bromobutan (R)- butano-2-tiol + S R R S I S 3 I S (S)-2-bromooktan (R)-2-jodooktan (S)-2-oktanotiol Reaktywność w reakcji S N 2 zależy od: rodzaju grupy opuszczajacej; struktury substratu. reaktywności nukleofila; 2

3 Grupy opuszczające: I > > l > F 3 S 3 S F 3 S 3 S Słabe zasady = dobre grupy opuszczające (aniony mocnych kwasów) Nukleofilowość: 1. Wzrost ładunku ujemnego wzrost nukleofilowości: 3 l + szybko 3 + l 3 l + 2 b.wolno l 2. Nukleofilowość rośnie przy przechodzeniu w lewą stronę układu okresowego: N 3 szybko 3 2 N b.wolno N > > N 3 > F > 2 Zasadowość nie zawsze skorelowana z nukleofilowością. Zasadowość (powinowactwo do protonu) właściwość termodynamiczna: A + 2 K A + K = const Nukleofilowość (powinowactwo do dodatnio naładowanego atomu ) właściwość kinetyczna: Nu + R-X k Nu-R + X 3. Nukleofilowość rośnie przy przechodzeniu w dół kolumn ukł. okresowego (odwrotnie niż zasadowość): S 3 + I I + 3 S 3 szybko Nu 4. Nukleofilowość małych anionów zmniejszana przez solwatację: 2

4 Rozpuszczalniki protyczne: metanol, etanol, woda Rozpuszczalniki aprotyczne: aceton, acetonitryl, DMF, DMS, MPA v rel ( 3 I + l - 3 l + I - ) metanol 1 formamid 12.5 DMF Rozbudowane przestrzennie Nu są gorszymi reagentami: szybko 3 I I wolno 3 I + ( 3 ) 3 3 ( 3 ) 3 + I Struktura substratu: * Względna szybkość S N 2: 3 > 1 > 2 > 3 R- + J : 1 : : ok. 0 Rozgałęzienie na : v rel (R- + I - ) (gr. metylowa może ustawić się sc w stos. do L) ( 3 ) ( 3 )

5 Solwoliza (rozpad pod wpływem rozpuszczalnika) 3 i 2 halogenoalkanów: S N 2 mała szybkość reakcji dla 2 i wzgl. szybko wolniej (!): v rel. (+ 2 ) ( 3 ) 2 12 ( 3 ) inny mechanizm: Jednocząsteczkowa substytucja nukleofilowa S N 1 Solwoliza reakcja I rz., nie stereospecyficzna; odwrotny niż w S N 2 szereg reaktywności. v = k[( 3 ) 3 ] Etap 1: Dysocjacja Etap 2: Atak nukleofilowy szybko

6 elektrofil jon alkoksoniowy Etap 3: Deprotonowanie Wszystkie etapy odwracalne. Równowaga zależna od warunków reakcji nadmiar nukleofilowego rozpuszczalnika 100% solwolizy. Stereochemiczne aspekty S N 1: Achiralna cząstka przejściowa (karbokation) racemizacja zynniki wpływające na S N 1: Polarne rozpuszczalniki przyspieszają S N 1: eterolityczny rozpad wiązania ułatwia polarny rozpuszczalnik. 90%propanon/10%woda ( 3 ) 3 (3 ) 3 + v = 1 ( 3 ) 3 100% woda ( 3 ) 3 + v =

7 Dobre grupy odchodzące ułatwiają S N 1: Względna szybkość solwolizy R-X: X = -S 2 R > -I > - > -l reaktywności decyduje stabilność karbokationu: 3 > 2 > 1 iperkoniugacja nakładanie się orbitala p z wiążącym orbitalem sp 3 -s R-X + Nu R-Nu + X R = S N 1 S N 2 3 nie obserwowany w roztworze częsta; szybka dla dobrych Nu i L 1 nie obserwowany w roztworze częsta; szybka dla dobrych Nu i L; wolna gdy rozgałęzieniena 2 2 wolna, najlepsza gdy dobra grupa względnie wolna; najefektywniejsza przy opuszczająca, polarny rozp. protyczny dużym c dobrego Nu, w polarnych, aprotycznych rozp. 3 częsta; szcz. w rozp. polarnych, krańcowo wolna protycznych,przy dobrych L Los karbokationu: Atak nukleofila; Przegrupowanie; Deprotonowanie sąsiedniego at. Eliminacja 6

8 Przegrupowanie karbokationu (S N 1): S N w halogenkach allilowych Świetne zw. przejściowe w syntezie: Łatwe S N 2 stabilizowany stan przejściowy Łatwe S N 1 łatwa solwoliza (trwały karbokation) 3 2 l l A B 7

9 B produkt powstający pod kontrolą: kinetyczną A termodynamiczną A dominuje w wysokich temp. i po długich czasach r-cji (produkt termodynamicznie trwalszy) B główny produkt w temp. pokojowej (produkt kinetycznie łatwiej osiągalny) ELIMINAJA X B + B + X Eliminacja jednocząsteczkowa, E1: ( 3 ) 3-3 ( 3 ) Solwoliza S N 1 + E1: ( 3 ) % 2-metylopropen 80% 2-metoxy-2-metylopropan 8

10 Mechanizm E 1 : Etapy: 1. Utworzenie karbokationu; 2. Usunięcie protonu przez zasadę Lewisa ( 2, 3 ); 3. Atom rehybrydyzuje do sp 2, tworzy się podwójne wiązanie. 3 2 Każdy atom przy atomie sąsiadującym z centrum obdarzonym grupą odchodzącą (L) może zostać oderwany mieszaniny produktów. Preferencja powstawania wyżej podstawionych alkenów (reguła Zajcewa): Gdy Nu jest silną zasadą Dwucząsteczkowa eliminacja E 2 ( 3 ) 3 l + Na =( 3 ) 2 + Nal + 2 Zmiana kinetyki: v = [( 3 ) 3 l] [ - ] l Na l % 3 8% 3 3 stereochemia anti 9

11 Jeden etap: deprotonowanie, odejście grupy odchodzącej, rehybrydyzacja i utworzenie =. Eksperymentalne dowody E2: szybkość zgodna z kinetyką II rzędu; lepsze grupy odchodzące szybsza eliminacja; eliminacja zachodzi szybko gdy - i -X w układzie anti eliminacja w cis 1-bromo-4- (1,1-dimetyloetylo)cykloheksanie zachodzi łatwo, a w izomerze trans b.trudno. t-bu 3 Na szybko t-bu 3 Na b.wolno t-bu cis Reakcja eliminacji E2 (stereochemia anti) jest często stereospecyficzna: trans Konkurencja między podstawieniem (S) i eliminacją (E) - Nukleofile słabo zasadowe prowadzą do podstawienia (S N ): slabsze od : I,, RS, N 3, R, PR 3 - Słabe nukleofile ( 2, 3 ) reagują z zauważalnymi prędkościami tylko z halogenkami 2 i 3, zdolnymi do reakcji wg mech. S N 1 (E1 uboczna) , = Nukleofile silnie zasadowe prowadzą do wzrostu produktu eliminacji przy wzroście zatłoczenia przestrzennego substratu: alogenek 1: % 3 2 Na 91% (S N 2) Rozgałęziony halogenek 1: 10

12 3 alogenek Na 3 13% 87% (gl.e2) alogenek 3 - S N 1 lub E1 w warunkach neutralnych i słabo zasadowych, E2 gdy duże stężenie silnej zasady. Zasadowe rozgałęzione nukleofile faworyzują eliminację: ( 3 ) 3 - K + ( 3 ) 3 zynniki decydujące o konkurencyjności S N i E: zasadowość nukleofila: - słabo zasadowe (raczej S N ) - silnie zasadowe (raczej E) zatłoczenie wokół reagującego atomu węgla utrudnia S N ; 3 2 = ( 3 ) 3 85% 15% steryczne rozbudowanie zasadowego nukleofila utrudnia S N ; temperatura wzrost T faworyzuje E. Prawdopodobne mechanizmy reakcji halogenoalkanów z Nu (B) Typ halogenoalkanu (R-X) R = Typ nukleofila/ zasady słaby Nu ( 2 ) sł. zasadowy, dobry nukleofil (I - ) silnie zasadowy, dobry Nu (R - ) silnie zasadowy, rozbudowany (t-bu - K + ) metyl S N 2 S N bez zatłoczenia S N 2 S N 2 E2 - rozgałęziony S N 2 E 2 E2 2 wolno S N 1, E1 S N 2 E2 E2 3 S N 1, E1 S N 1, E1 E2 E2 11