B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Budowa Fluorowcopochodne zawierające atom fluorowca związany z atomem węgla sp 3 mają budowę przestrzenną zbliżoną do budowy węglowodorów. Wiązanie węgiel - fluorowiec utworzone przez orbital 2sp 3 atomu węgla oraz orbital nsp 3 atomu fluorowca (n = 2,3,4,5 odpowiednio dla poszczególnych fluorowców poczynając od fluoru) różni się jednak dość istotnie od wiązania węgiel - wodór. Parametry tych wiązań podaje poniższe zestawienie: Wiązanie - - F - l - - I Długość [pm] 110 137 177 191 212 Energia [kj/mol] 435 453 352 293 235 Wiązania węgiel - fluorowiec są spolaryzowane, co powoduje pojawienie się na atomie fluorowca cząstkowego ładunku ujemnego. Ani ten fakt, ani znacznie większy (w porównaniu z atomem wodoru) promień atomowy fluorowca nie wpływają jednak znacząco na deformację kąta tetraedrycznego - - X. Natomiast w miarę wzrostu ilości atomów fluorowca przy tym samym atomie węgla, wzrastają kąty między wiązaniami -X, maleją zaś kąty --X. 108,28 o 110,64 o l 177 pm 106,35 o l 116,36 o l 110 pm Fluorowcopochodne zawierające atom fluorowca związany z atomem węgla sp 2 mają budowę rezonansową na skutek sprzężenia p - Sprzężenie to można zapisać następującymi strukturami granicznymi: X X X - atom fluorowca Konsekwencją tego sprzężenia w halogenku winylu jest: a) skrócenie długości wiązania węgiel - fluorowiec (rys. 2), co powoduje, że wiązanie to staje się mocniejsze, b) mniejsza polaryzacja wiązania węgiel - fluorowiec w stosunku do odpowiedniego halogenku etylu (patrz: następny rozdział - MMENT DIPLWY), c) mała reaktywność (np. cząsteczka halogenku winylu nie ulega reakcjom typowym dla fluorowcopochodnych alkilowych). Podobne własności mają fluorowcopochodne aromatyczne. 173 pm 2 l chlorek winylu 169 pm l chlorobenzen
B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Własności fizyczne TEMPERATURA WRZENIA: W temperaturze 25 fluorowcopochodne są na ogół cieczami. Gazami są jedynie fluoropochodne zawierające do 3 atomów węgla, monochloropochodne zawierające do 2 atomów węgla oraz bromometan. iałami stałymi są np. tri- lub tetrajodopochodne. bserwuje się tu następujące typowe prawidłowości: a. wzrost temperatury wrzenia wraz ze wzrostem masy molowej w obrębie szeregów homologicznych Tabela 1 X 3X 25X 322X 3222X F -78 o -38 o -3 o 32 o l -24 o 12 o 47 o 78 o 4 o 38 o 71 o 102 o I 42 o 72 o 102 o 130 o b. wzrost temperatury wrzenia ze wzrostem masy atomowej fluorowca w halogenkach zawierających tę samą grupę alkilową lub arylową (patrz - Tabela 1 i Tabela 2) c. zmniejszanie się temperatury wrzenia izomerycznych fluorowcopochodnych wraz ze wzrostem stopnia rozgałęzienia łańcucha węglowego Tabela 2 X n-butyl - X izo-butyl - X sec-butyl - X t-butyl - X F 32 o 23 o 24 o 12 o l 78 o 69 o 68 o 51 o 102 o 91 o 91 o 73 o I 130 o 120 o 119 o 100 o (rozkł.) iekawym zjawiskiem jest fakt, że większość perfluoropochodnych ma niższą temperaturę wrzenia od odpowiadających im węglowodorów (mimo, że ich masa molowa jest ok. 4-krotnie większa), a także od temperatury wrzenia monofluoropochodnej o tym samym łańcuchu węglowym np. butan - t.wrz. -1 ( M.cz.=58 g/mol ) perfluorobutan - t.wrz. -5, ( M.cz.=238 g/mol ) (podczas gdy t.wrz. 1-fluorobutanu wynosi 32) Przyczyną tego zjawiska mogą być znaczne siły odpychania elektrostatycznego między cząsteczkami perfluoropochodnych na skutek występowania dużych cząstkowych ładunków ujemnych na równomiernie rozmieszczonych w cząsteczce atomach fluoru. Podobne zjawisko nietypowej zmiany temperatury wrzenia ze wzrostem masy molowej podobnych chemicznie cząsteczek obserwuje się dla niektórych fluorozwiązków nieorganicznych (np. JF5 - t.wrz = 97 o, JF7 - t.wrz.= 4 o ). Dla perchloropochodnych nie obserwuje się już tego zjawiska (polaryzacja wiązań węgiel-fluor i węgielchlor jest co prawda podobna, jednakże promień kowalencyjny chloru jest znacznie większy od promienia fluoru i stąd w perchlorowcopochodnych mniejsza jest koncentracja cząstkowego ładunku ujemnego).
3l t.wrz. = -24 o perchlorometan: l4 t.wrz. = 77 o 25l t.wrz. = 12 o perchloroetan: 2l6 t.wrz. = 189 o 37l t.wrz. = 47 o perchloropeopan: 3l8 t.wrz. = 259 o MMENT DIPLWY: Ze względu na polarny charakter wiązań węgiel - fluorowiec, większość cząsteczek fluorowcopochodnych posiada stosunkowo duży moment dipolowy. Na uwagę zasługuje fakt małej różnicy momentów dipolowych wiązań -F i -I mimo, że dla wiązania -F różnica elektroujemności obu atomów wynosi 1,5, zaś dla wiązania -I różnica ta (w skali Paulinga) wynosi 0. Fakt ten wskazuje, że nie można interpretować polarności cząsteczki wyłącznie jako konsekwencji różnicy elektroujemności tworzących to wiązanie atomów. 3-F 3-l 3-3-I.=1,81D (6,02. 10-30 m).=1,86d (6,19. 10-30 m).=1,73d (5,92. 10-30 m).=1,64 D (5,46. 10-30 m) Fluorowcopochodne typu winylowego i aromatycznego (w których sprzężenie p- powoduje zmniejszenie polaryzacji wiązania -X ) posiadają znacznie mniejsze momenty dipolowe od odpowiednich nasyconych fluorowcopochodnych o tym samym szkielecie węglowym. Tabela 3 X 25X 2=-X F 2,02 D (6,73. 10-30 m) 1,44 D (4,8. 10-30 m) l 2,06 D (6,86. 10-30 m) 1,44 D (4,8. 10-30 m) 2,12 D (7,06. 10-30 m) 1,41 D (4,7. 10-30 m) I 1,78 D (5,93. 10-30 m) 1,26 D (4,2. 10-30 m) GĘSTŚĆ: Większość monofluoro- i monochloropochodnych ma gęstości mniejsze od gęstości wody natomiast monobromo- i monojodopochodne oraz fluorowcopochodne zawierające w cząsteczce więcej niż jeden atom fluorowca, są cieczami cięższymi od wody. Gęstość fluorowcopochodnych zawierających tą samą grupę alkilową bądź arylową wzrasta wraz ze wzrostem masy atomowej fluorowca osiągając dla jodopochodnych stosunkowo duże wartości (np. gęstość dijodometanu wynosi ok. 3,3 g/cm 3 ). RZPUSZZALNŚĆ: Fluorowcopochodne są bardzo słabo rozpuszczalne w wodzie z uwagi na brak grupy hydrofilowej. Dobrze natomiast rozpuszczają się w większości rozpuszczalnikach organicznych np. węglowodorach, alkoholach, acetonie, benzenie itp.
B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Synteza Metody syntezy fluorowcopochodnych alkilowych 1. ALGENWANIE ALKANÓW ( reakcja substytucji rodnikowej, SR) Metoda ta pozwala na otrzymywanie bromo- i chloropochodnych w inicjowanej światłem wolnorodnikowej reakcji alkanów z bromem lub chlorem. W procesach tych powstaje na ogół mieszanina halogenopochodnych i stąd metoda ta ma ograniczone zastosowanie. Przykład: 3 3 3 2, hv 3 3 3 3 3 2 99% 1% 2. ADDYJA ELEKTRFILWA FLURWÓW D ALKENÓW I ALKINÓW W stereospecyficznej addycji (addycja trans ) chloru bromu lub jodu do alkenów tworzą się odpowiednie dihalogenopochodne wicynalne, zaś w przypadku addycji do alkinów - tetrahalogenopochodne zawierające po dwa atomy fluorowca przy sąsiednich atomach węgla. Przykłady: a) w reakcji cykloheksenu z chlorem tworzy się racemiczny trans - 1,2-dichlorocykloheksan l 2 l l l R A E M A T l b) w reakcji (E)-2-butenu z bromem tworzy się mezo-2,3-dibromobutan 3 3 (E)-2-buten 2 3 3 mezo -2,3-dibromobutan (2R,3S)-2,3-dibromobutan c) w reakcji (Z)-2-butenu z bromem tworzy się racemiczny 2,3-dibromobutan 3 3 (Z)-2-buten 3 3 2 3 3 (2R,3R)-2,3-dibromobutan (2S,3S)-2,3-dibromobutan R A E M A T
d) w reakcji 2-butynu z chlorem tworzy się 2,2,3,3-tetrachlorobutan 3 3 l 2 l 3 3 l l 2 3 l 2 l 2 3 3. ADDYJA ELEKTRFILWA FLURWWDRÓW D ALKENÓ I ALKINÓW W tej niestereospecyficznej reakcji addycji tworzą się monofluorowcopochodne (z alkenów) lub difluorowcopochodne (z alkinów). Addycję tę cechuje wysoka regioselektywność (określana tzw. Regułą Markownikowa) determinowana trwałością tworzącego się przejściowo karbokationu. przykłady: a) addycja elektrofilowachlorowodoru do 1-metylocykloheksenu daje achiralną monochloropochodną (reg. Markownikowa) 3 3 l l 3 achiralny b) addycja bromowodoru do achiralnego 4-metylocyklopentenu daje mieszaninę czterech stereoizomerów 3 3 3 3 3 cis - R A E M A T 3 3 trans - R A E M A T c) addycja jodowodoru do 1-butenu daje racemiczny jodek sec-butylu (reg. Markownikowa) 3 2 2 3 2 3 I 2 5 3 I I 2 5 3 R A E M A T d) addycja chlorowodoru zarówno do cis- jak i trans-2-pentenu prowadzi do mieszaniny tych samych trzech produktów: achiralnego 3-chloropentanu i racemicznego 2-chloropentanu 3 2 5 (E)-2-penten 2 5 3 2 5 2 3 2 5 2 3 l l 3 7 3 2 5 2 3 l l l achiralny 3 7 3 (Z)-2-penten R A E M A T
e) addycja chlorowodoru do propynu prowadzi do produktu podstawionego geminalnie (reg. Markownikowa) 3 l l 3 2 l 3 l 2 3 4. ADDYJA RDNIKWA BRMWDRU D ALKENÓW (reakcja Karasha) Alkeny ulegają addycji bromowodoru w obecności nadtlenków dając monobromopochodne. Reakcja ma charakter rodnikowy i nie jest stereospecyficzna. echuje ją natomiast regioselektywność (warunkowana trwałością tworzącego się przejściowo rodnika) przeciwna niż w przypadku addycji elektrofilowej (tworzy się w przewadze produkt niezgodny z reguła Markownikowa) a) w reakcji z izobutenem w przewadze tworzy się 1-bromo-2-metylopropan 3 3 2 RR 3 3 2 b) w reakcji z 1-metylocykloheksenem tworzy się mieszanina 4 stereoizomerów 3 3 RR RAEMAT trans- 3 3 RAEMAT cis- 3 5. REAKJA ALKLI Z KWASAMI FLURWWDRWYMI Alkohole reagują ze wszystkimi kwasami fluorowcowodorowymi dając odpowiednie halogenki. Szybkość tych reakcji zależy od rodzaju kwasu fluorowcowodorowego (szybkość wzrasta wraz z liczbą masową fluorowca) oraz od rzędowości alkoholu (szybkość reakcji wzrasta ze wzrostem rzędowośći) a) Alkohole I-rzędowe reagują łatwo jedynie z kwasami: bromowodorowym i jodowodorowym. Reakcja z kwasem chlorowodorowym jest powolna i wymaga katalizatora (stosuje się chlorek cynku). b) Alkohole II i III-rzędowe reagują z kwasem chlorowodorowym bez katalizatora. (Przykładowo: chlorek t-butylu otrzymuje się z bardzo dobrą wydajnością poprzez kilkunastominutowe wytrząsanie t-butanolu z kwasem chlorowodorowym w rozdzielaczu.) Reakcje te są dokładnie omówione w rozdziale dotyczącym alkoholi. Biegną one wg mechanizmu jednocząsteczkowego SN1 w przypadku alkoholi III-rzędowych, allilowych i benzylowych. Akohole I i II-rzędowe reagują wg mechanizmu SN2 lub SN1 (w zależności od warunków reakcji). R- X R-X 2 W reakcjach tych nie można otrzymać czystego optycznie halogenku z optycznie czynnego alkoholu (z uwagi na całkowity lub częściowy przebieg tych reakcji wg mechanizmu SN1). Pozwalają na to reakcje wymienione w punktach: 5 i 8. 6. REAKJA ALKLI Z LRKIEM TINYLU Alkohole reagują łatwo z chlorkiem tionylu w stereospecyficznej reakcji substytucji wewnątrzcząsteczkowej (połączonej z eliminacją dwutlenku siarki) w tworzącym się przejściowo estrze kwasu chlorosiarkowego(iv) (reakcja SNi). Reakcja przebiega z retencją konfiguracji. Etap I R- Sl2 R-Sl l
l S 2 Etap II l S sumarycznie: R- Sl2 R-l S2 l Reakcja ta przebiega szybko i jest bardzo dogodna z praktycznego punktu widzenia, gdyż oprócz halogenku tworzą się w niej jedynie produkty gazowe. Jej modyfikacją jest reakcja z dodatkiem pirydyny, która przebiega z inwersją konfiguracji (reakcja SN2 ). Jej mechanizm jest następujący: Etap I Etap II 55N l 55N l - Sl 2 Sl l Etap III l S l l S 2 R l 7. REAKJA ALKLI Z ALGENKAMI FSFRU (Pl3 i P3) Alkohole reagują z trichlorkiem i tribromkiem fosforu dając odpowiedni halogenek i kwas fosforowy. Jakkolwiek reakcja przebiega równie szybko jak reakcja z chlorkiem tionylu to jednak jest mniej dogodna z praktycznego punktu widzenia ze wzgledu na konieczność oddzielania tworzącego się w toku reakcji kwasu fosforowego. 3 R- PX3 3 R-X 3P3 8. REAKJA ALKLI Z JDEM LUB BRMEM W BENŚI FSFRU Modyfikacją powyższej reakcji jest zastosowanie - zamiast halogenku fosforu - jodu (lub bromu) i czerwonego fosforu. Przyjmuje się, że halogenek fosforu tworzy się in situ i reaguje z alkoholem wg. podanego w punkcie 6 równania reakcji. Reakcja z zastosowaniem jodu pozwala na otrzymywanie jodków alkilowych z bardzo wysokimi wydajnościami. 6 R- 2P 3I2 6 R-I 23P3 9. SUBSTYTUJA NUKLEFILWA W SULFNIANA I SILILKSYALKANA Sulfoniany alkilowe reagują bardzo wydajnie z halogenkami nieorganicznymi dając - w reakcji substytucji - odpowiednie halogenki alkilowe. Jest to typowa reakcja SN2 (rozdział 5.2) i przebiega z inwersją konfiguracji l S l 6 5 6 5 S 3
Podobnie reagują sililoksyalkany: 3 Si 3 3 3 Si 3 3 10. REAKJA ZWIĄZKÓW KARBNYLWY Z PENTALRKIEM FSFRU Reakcja aldehydów lub ketonów z pentachlorkiem fosforu pozwala na otrzymanie gem - dichloropochodnych: R1R2 Pl5 R1l2R2 Pl3 (Ri -, grupa alkilowa lub arylowa) Metody syntezy fluorowcopochodnych allilowych 1) hlorek allilu otrzymuje się w reakcji chloru z propynem w temp. 350 o. l 2 2 3 350 o 2 2 l 2) gólną metodą wprowadzania bromu w pozycję allilową (w pozycję sąsiadującą z podwójnym wiązaniem) jest reakcja alkenów z N-bromoimidem kwasu bursztynowego (Nbromosuccinimidem - NBS) 2 2 Kwas bursztynowy (Succinic acid ) 2 2 N Imid kwasu bursztynowego (Succinimide ) 2 2 N N-bromoimid kwasu bursztynowego (N-omsuccinimide ) Reakcję tę prowadzi się najczęściej w czterochlorku węgla w temperaturze wrzenia. 2 2 l 4 3 2 2 3 2 N 2 2 N
Metody syntezy fluorowcopochodnych winylowych Fluorowcopochodne tej grupy otrzymuje się zasadniczo dwoma metodami: 1) zęściowa addycja halogenowodoru do alkinów 3 3 2 2) zęściowa eliminacja halogenowodoru w geminalnych lub wicynalnych difluorowcopochodnych: 3 2 2 l 2 K alk. 3 2 l Metody syntezy fluorowcopochodnych arylowych 1. SUBSTYTUJA ELEKTRFILWA W ARENA W reakcji substytucji elektrofilowej otrzymuje się jedynie chloro- lub bromopochodne aromatyczne: Ar- X2 katalityczna ilość Fe Ar-X X ( X= l, ) Reakcjom tym ulega większość związków aromatycznych niezależnie od charakteru posiadanych grup funkcyjnych. 2. SUBSTYTUJA W SLA DIAZNIWY Ważną metodą syntezy fluorowcopochodnych aromatycznych, której zaletą jest wysoka wydajność oraz łatwość oddzielenia pożądanego produktu od pozostałych reagentów jest metoda wykorzystująca jako substraty aminy aromatyczne., które łatwo otrzymuje się z odpowiednich nitrozwiązków. Aminy aromatyczne przeprowadza się najpierw w stosunkowo trwałe w niskiej temperaturze sole diazoniowe. Substytucja grupy diazoniowej atomem fluorowca pozwala na otrzymanie dowolnego rodzaju halogenku aromatycznego: Ar N 2 NaN 0 o 2,l, Ar N N Ar N N Sól diazoniow a l NaBF 4 ul u KI Ar N 2 Ar l Ar Ar I BF 4 Ar F
Przykładem połączenia obu podanych wyżej metod syntezy może być następująca synteza 1- bromo-2-chloro-4-jodobenzenu: N 3 N 2 2 S 4 l 2 / Fe l N 2 Sn,l l N 2 1) NaN 2,l, 2) KI l I Metody syntezy fluorowcopochodnych benzylowych 1) Działając chlorem lub bromem w obecności światła na alkilopochodne arenów otrzymuje się w przewadze fluorowcopochodne z atomem chloru lub bromu w pozycji benzylowej (atom fluorowca znajduje się przy węglu związanym z pierścieniem aromatycznym) 2 3 X 3 X 2, hv 2) Atom chloru można wprowadzić w pozycję benzylową poprzez reakcję alkiloarenu z chlorkiem sulfurylu, zaś atom bromu - w reakcji z NBS 3 3 S 2 l 2 3 2 l NBS
B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Reaktywność Zastąpienie atomu wodoru w cząsteczce alkanu atomem fluorowca pociąga za sobą duże zmiany we własnościach chemicznych cząsteczki. Z biernej chemicznie staje się ona bardzo reaktywna, łatwo ulegając przemianom pod wpływem wielu czynników - szczególnie cząsteczek o charakterze nukleofilowym. Fluorowcopochodne mogą reagować z nukleofilami w dwojaki sposób: 1) kleofil wchodzi na miejsce fluorowca: mamy wówczas do czynienia z REAKJĄ SUBSTYTUJI (podstawienia), którą - w zależności od charakteru czynnika nukleofilowego - można przedstawić jednym z poniższych równań: X (nuklefil może być cząsteczką obojętną - np. N 3 lub anionem np. ) X X X - atom fluorowca 2) Atakujący nukleofil odrywa atom wodoru od węgla sąsiadującego z węglem związanym z fluorowcem (tzw. węgla ). W wyniku odejścia protonu oraz anionu halogenkowego, z wyjściowej cząsteczki tworzy się cząsteczka alkenu. Proces ten nazywamy REAKJĄ ELIMINAJI. X X X Są dwie zasadnicze przyczyny wspomnianej wyżej dużej reaktywności fluorowcopochodnych: 1. PIERWSZĄ PRZYZYNĄ jest względna łatwość oderwania anionów halogenkowych (X - ) od atomu węgla. Przykładowo: powyższe reakcje (substytucji i eliminacji) nie zachodzą dla amin (zawierających w grupę N2 zamiast halogenu) lub alkoholi (zawierających grupę ) gdyż aniony: N2 - i - trudno jest oderwać od atomu węgla mimo, że np. wiązanie węgiel-tlen jest także spolaryzowane. Mówi się, że aniony halogenkowe są grupami łatwo odchodzącymi w przeciwieństwie do anionów - i N2 -. ak jest przekonywującego wyjaśnienia tego zjawiska. Własność tę można uważać za jakościowo analogiczną do własności silnej kwasowości halogenowodorów (aniony halogenkowe łatwo jest oderwać od protonu) w zestawieniu z bardzo słabą kwasowością amoniaku i wody (aniony: - i N2 - trudno jest oderwać od protonu). W oparciu o analogiczne spostrzeżenia dla szeregu innych związków organicznych przyjmuje się, że opisane wyżej reakcje substytucji i eliminacji zachodzą tym łatwiej im niższa jest zasadowość grupy odchodzącej (a tym samym: im wyższa jest kwasowość sprzężonego z tą grupą kwasu). Niską zatem zasadowość anionów halogenkowych można uważać za ważny powód determinujący różnorodność przemian, jakim ulegają fluorowcopochodne.
Łatwość odchodzenia anionów halogenkowych (w porównaniu z innymi grupami) wiąże się m.in. z możliwością ETERLITYZNEJ dysocjacji wiązania węgiel-fluorowiec w środowisku polarnym, z wytworzeniem wysoce reaktywnego i nietrwałego KARBKATINU. R X R X KARBKATIN Jest to proces bardzo powolny a szybkość jego zależy między innymi od rzędowości atomu węgla związanego z fluorowcem. Wytworzony karbokation ulega szybkiej reakcji następczej, która może być jednym z trzech poniższych procesów: a) addycji innego nukleofila obecnego w ukłądzie reakcyjnym. Mówimy wówczas, że wyjściowa fluorowcopochodna ulega reakcji SUBSTYTUJI (SN) b) odszczepieniu protonu od sąsiedniego atomu węgla przez czynnik zasadowy i utworzeniu podwójnego wiązania. Mamy wówczas do czynienia z reakcją ELIMINAJI (E) c) przegrupowaniu do bardziej trwałego karbokationu, który następnie ulega reakcji a) lub b) 2) DRUGĄ PRZYZYNĄ reaktywności fluorowcopochodnych jest polarny charakter wiązania: węgiel fluorowiec (Rys. 1). Fakt ten implikuje ważną konsekwencję: pojawienie się w cząsteczce fluorowcopochodnej centrum elektrofilowego podatnego na atak czynników nukleofilowych X R X - atom fluorowca Rys. 1 entra z cząstkowym ładunkiem dodatnim wykazują powinowactwo do czynników nukleofilowych. entrum takie (zwane centrum elektrofilowym) może tworzyć nowe wiązanie z nukleofilem pozbywając się przy tym innej grupy zwanej grupą odchodzącą (patrz Rys. 2) - reakcja taka jest reakcją SUBSTYTUJI. W cząsteczkach fluorowcopochodnych może ona przebiegać na atomie węgla związanym z fluorowcem z uwagi na występujący na nim cząstkowy ładunek dodatni oraz na fakt, że pierwotnie związana z węglem grupa (atom fluorowca) może ulec oderwaniu (jest grupą łatwo odchodzącą). Atakujący cząsteczkę nukleofil ma jednak własności zasadowe i może w związku z tym atakować także protony w łańcuchu alkilowym, co może prowadzić do ich oderwania od cząsteczki. (inaczej: procesu kwasowo-zasadowej wymiany protonu). W wyniku oderwania protonu od łańcucha węglowego tworzy się jednak na ogół wysokoenergetyczny i bardzo nietrwały karboanion (Rys. 3), który może się stabilizować jedynie w procesie odwrotnym tzn. addycji protonu. Atak nukleofila na większość atomów wodoru jest zatem nieskuteczny i na ogół nie powoduje zmian w cząsteczce (z tego właśnie powodu węglowodory nasycone nie reagują z czynnikami nukleofilowymi). A Y A Y (nukleofil) (gr. odchodząca) Rys. 2
X X.. Rys. 3 Wyjątek stanowią tu atomy wodoru przy węglu. Na tych atomach węgla, reakcja oderwania protonu może przebiegać łatwiej niż na innych atomach węgla obecnych w cząsteczce. Jest to spowodowane specyficzną możliwością połączenia procesu oderwania protonu z eliminacją anionu fluorowca oraz jednoczesnego utworzenia wiązania między atomami węgla i. W zależności od budowy cząsteczki (przede wszystkim od rzędowości atomu węgla związanego z atomem fluorowca), oraz własności atakującego czynnika nukleofilowego, atom węgla związany z fluorowcem (atom ) oraz atomy wodoru przy węglach KNKURUJĄ ZE SBĄ w procesie wychwytu czynnika nukleofilowego prowadząc w efekcie do - wspomnianych wyżej - dwu ważnych w chemii organicznej procesów: REAKJI SUBSTYTUJI (SN) oraz REAKJI ELIMINAJI (E): X X Reakcja S N X X Reakcja E Podsumowanie rozważań: Reakcja SN jest reakcją substytucji na atomie węgla związanym z grupą odchodzącą (w przypadku fluorowcopochodnych jest to atom węgla związany z fluorowcem). Reakcja E przebiega z odszczepieniem protonu przy węglu połączonym z eliminacją anionu fluorowca. W zależności od warunków reakcji, procesy: SN oraz E mogą przebiegać: 1) poprzez stadium karbokationu, który stabilizuje się następnie bądź przez addycję nukleofila (SN) lub eliminację protonu (E). Reakcje te są zatem DWUETAPWE. 2) bez wstępnej jonowej dysocjacji wiązania -X, lecz poprzez atak nukleofila na jeden z dwu atomów: - atom węgla związany z fluorowcem (reakcja SN) lub atom wodoru przy węglu (reakcja E). Reakcje te są JEDNETAPWE.
Reakcje SN i E nie dotyczą wyłącznie fluorowcopochodnych. Ulegają im również inne grupy związków organicznych jak: alkohole, etery, estry - szczególnie estry kwasów sulfonowych, sililoksyalkany itp. Przebieg tych reakcji, ich mechanizmy, kinetyka, stereochemia oraz wzajemna konkurencja były bardzo szczegółowo badane w pierwszej połowie obecnego stulecia. Ustalono szereg praw rządzących ich przebiegiem pozwalających ze stosunkowo dużym prawdopodobieństwem przewidywać kierunek reakcji oraz warunki jej przebiegu. Reakcje te można w sposób uproszczony zapisać następująco: SN : E : R-Y R- Y R-Y Alken Y gdzie: Y - grupa odchodząca (w substracie może być elektrycznie obojętna lub naładowana dodatnio, zaś po odejściu odpowiednio: anionem lub cząsteczką obojętną) - nukleofil (może być cząsteczką obojętną lub anionem zaś po związaniu z atomem węgla lub protonem odpowiednio: grupą naładowaną dodatnio lub elektrycznie obojętną) Przykłady: ( 3 ) 2 2 I ( 3 ) 2 I 2 S N 3 2 S 3 6 5 l 3 2 l 6 5 S 3 S N ( 3 ) 2 3 3 2 3 E Jak wspomniano wyżej, zarówno reakcje SN jak i reakcje E mogą być procesami jedno- lub dwuetapowymi. W oparciu o badania kinetyczne stwierdzono, że procesy te różnią się rzędem reakcji oraz jej cząsteczkowością. Ich charakterystykę przedstawia poniższa tabela: ząsteczkowość Rzędowość Wyrażenie na szybkość reakcji Proces JEDNETAPWY reakcja dwucząsteczkowa II rz v = k1. [R-X]. [] Proces DWUETAPWY Etap I - tworzenie karbokationu - etap wolny Etap II - reakcja karbokationu z czynnikiem nukleofilowym - etap szybki reakcja jednocząsteczkowa (w etapie decydującym o szybkości reakcji czyli w etapie powolnym bierze udział jedna cząsteczka) I rz v = k2. [R-X] (szybkość reakcji nie zależy od stężenia nukleofila)
B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Definicje i klasyfikacja Reakcja SUBSTYTUJI ( SN ) na atomie węgla sp 3 Grupa nukleofilowa (1) związana z atomem węgla sp 3 ulega wymianie (substytucji) na inną grupę nukleofilową (2). ENTRUM ATAKU nukleofila 2 jest ATM WĘGLA sp 3 związany z grupą odchodzącą ( atom grupa DDZĄA grupa ATAKUJĄA 1 2 2 1 ( ( 1 2 2 1 1 2 2 1 ) ) GRUPA ATAKUJĄA (nukleofil 2) tworzy wiązanie z atomem kosztem swojej pary elektronowej. GRUPA DDZĄA (1) odchodzi razem z parą elektronów, które wiązały ją z atomem węgla. PRZYKŁADY: grupa DDZĄA grupa ATAKUJĄA 1) 3 2 F 2 3 2 F 2) 3 3 (woda) 3) 3 2 N 3 3 2 3 3 N 3
Dwie możliwości przebiegu reakcji: Reakcja: JEDNZĄSTEZKWA, DWUETAPWA, I rzędu 1 1 KARBKATIN - prod. pośr. reakcji JEDNZĄSTEZKWY - decydujący o szybkości reakcji ETAP I - powolny S N 1 KARBKATIN 2 2 ETAP II - szybki DWUZĄSTEZKWY - nie wpływa na szybkość reakcji v = k S1 1 Reakcja: DWUZĄSTEZKWA, JEDNETAPWA, II rzędu 1 2 2 1 2 1 STAN PRZEJŚIWY - nie jest to produkt pośredni reakcji ("pięciowiązalny" atom węgla - wiązania narysowane linią przerywaną są wiązaniami słabymi) S N 2 v = k S2 1 2 Reakcja ELIMINAJI ( E ) na sąsiednich atomach węgla Związana z atomem węgla grupa nukleofilowa (1) oraz proton przy atomie węgla ulegają eliminacji pod wpływem czynnika zasadowego (2). ENTRUM ATAKU nukleofila 2 jest ATM WDRU przy atomie węgla grupa DDZĄA grupa ATAKUJĄA 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 GRUPA ATAKUJĄA (nukleofil 2) odrywa proton przy węglu i tworzy z nim wiązanie kosztem pary elektronowe. GRUPA DDZĄA (1) odchodzi razem z parą elektronów, które wiązały ją z atomem węgla. PATRA ELEKTRNÓW zaangażowana wcześniej w wiązanie z protonem tworzy wiązanie między atomami węgla i.
PRZYKŁADY: grupa DDZĄA grupa ATAKUJĄA 3 3 R 1) 2 R 2 2) 2 2 S 2 2 S (woda) 3) 3 3 2 3 N 3 3 N 3 2 Dwie możliwości przebiegu reakcji: Reakcja: JEDNZĄSTEZKWA, DWUETAPWA, I rzędu 1 1 KARBKATIN - prod. pośr. reakcji ETAP I - powolny JEDNZĄSTEZKWY - decydujący o szybkości reakcji E1 KARBKATIN 2 ETAP II - szybki DWUZĄSTEZKWY - nie wpływa na szybkość reakcji 2 v = k E1 1 Reakcja: DWUZĄSTEZKWA, JEDNETAPWA, II rzędu 1 1 2 2 1 2 STAN PRZEJŚIWY- nie jest to produkt pośredni reakcji E2 v = k E2 1 2
B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Mechanizmy reakcji MEANIZM REAKJI SUBSTYTUJI NUKLEFILWEJ (reakcja stereospecyficzna ) SN2 kleofil 1 MEANIZM GÓLNY Y Uwaga: Jeżeli nukleofil ma ładunek ujemny to produkt jest cząsteczką obojętną a w stanie przejściowym na atomie X występuje cząstkowy ładunek ujemny płaszczyzna Y STAN PRZEJŚIWY reakcja JEDNETAPWA DWUZĄSTEZKWA v = k Y kleofil 2 zw.org. nukl reakcja 2-ego rzędu PRZYKŁADY: a) (R) -2-chlorobutan amoniak (z dwóch cząsteczek obojętnych elektrycznie tworzy się para jonów) 3 N kleofil 1 3 2 5 l (R) - 2-chlorobutan płaszczyzna 3 3 N 2 5 l 3 3 N l kleofil 2 2 5 kation (S) - sec-butyloamoniowy STAN PRZEJŚIWY b) benzenosulfonian (S)- sec-butylu jodek potasu 2 5 I kleofil 1 3 S 6 5 benzenosulfonian (S) - sec-butylu płaszczyzna 2 5 I S 6 5 3 I 2 5 3 (R) - 2-jodobutan S 6 5 kleofil 2 STAN PRZEJŚIWY
c) (S) butan-2-ol aq (z pary jonów tworzą się dwie cząsteczki obojętne elektrycznie) 2 5 2 5 2 5 2 3 3 3 kation (R) - 2-bromobutan (S) - sec-butylooksoniowy kleofil 1 płaszczyzna STAN PRZEJŚIWY kleofil 2 d) (R)-2-bromo-1metoksypropan KN (konfiguracja absolutna nie ulega zmianie) N 3 kleofil 1 3 2 (R) - 2-bromo-1-metoksypropan płaszczyzna 3 N 3 2 STAN PRZEJŚIWY N 3 kleofil 2 2 3 (R) - 3-metoksy-2-metylopropionitryl Komentarz: Atakujący nukleofil i grupa odchodząca muszą znajdować się po przeciwnych stronach płaszczyzny przechodzącej przez atom węgla i prostopadłej do osi wiązania węgiel grupa odchodząca. W stanie przejściowym tej JEDNETAPWEJ REAKJI: wytwarza się słabe wiązanie pomiędzy atakującym nukleofilem i atomem węgla (kosztem wolnej pary elektronowej tego nukleofila) wiązanie pomiędzy atomem węgla i grupą odchodzącą ulega osłabieniu i wzmożonej polaryzacji. pozostałe trzy wiązania sigma atomu węgla znajdują się w opisanej wyżej płaszczyźnie (przechodzącej przez atom węgla i prostopadłej od osi słabych wiązań tego atomu z obydwoma nukleofilami). W wyniku eliminacji grupy odchodzącej i wytworzenia wiązania z atakującym nukleofilem następuje przejście wspomnianych wyżej trzech wiązań sigma na drugą stronę rozpatrywanej płaszczyzny. Proces ten nazywa się INWERSJĄ KNFIGURAJI. KNSEKWENJE STEREEMIZNE: a) W każdej reakcji SN 2 zachodzi INWERSJA KNFIGURAJI. Z chiralnego substratu tworzy się chiralny produkt b) Inwersja konfiguracji NIE MUSI pociągać za sobą zmiany konfiguracji absolutnej (produktu w stosunku do substratu). Konfiguracja absolutna atomu węgla jest bowiem zdeterminowana szeregiem pierwszeństwa związanych z tym atomem podstawników. Szereg pierwszeństwa zaś, w trakcie reakcji substytucji, może ulegać zmianie. Przypadek taki występuje w podanym wyżej przykładzie d).
Uwaga: Zmiana szeregu pierwszeństwa podstawników NIE ZNAZA, że konfiguracja absolutna (tak, jak w przykładzie d) pozostaje bez zmiany. Jest to zależne od tego, o ile miejsc (w szeregu pierwszeństwa podstawników) różnią się: położenia grupy atakującej i odchodzącej. Jeżeli położenia te różnią się o dwa miejsca konfiguracja absolutna ulega zmianie, np. N 3 2 kleofil 1 2 5 2 (R) - 2-bromo-1-etoksy- -3-metoksypropan szereg pierwszeństwa:, 2 5 2, 3 2, płaszczyzna 3 2 N 2 5 2 STAN PRZEJŚIWY N szereg pierwszeństwa: 2 3 kleofil 2 2 2 5 (S) - 3-etoksy-2-(metoksymetylo)propionitryl 2 5 2, 3 2, N, c ) Jeżeli użyty do reakcji SN 2 substrat jest chiralny, zaś reakcja ta nie przebiega na centrum asymetrii, wówczas konfiguracja absolutna węgla asymetrycznego MŻE ULE ZMIANIE (mimo iż węgiel ten nie ulega inwersji) jeżeli zmieni się szereg pierwszeństwa grup. Przykładem może być następująca reakcja: 3 N kleofil 1 3 2 2 3 3 2 2 N kleofil 2 (R) - 1-bromo-3-metoksy-2-metylopropan (S) - 4-metoksy-3-metylobutyronitryl Uwaga: INWERSJA KNFIGURAJI zachodzi tu na węglu pierwszorzędowym (brak konsekwencji stereochemicznych).
B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Mechanizmy reakcji MEANIZM REAKJI SUBSTYTUJI NUKLEFILWEJ SN1 ( nie jest stereospecyficzna ) Etap I powolny płaszczy zna Y Y R 3 R 3 KARBKATIN (płaski) Uwaga: Grupa Y w substracie może posiadać ładunek dodatni, wówczas odrywa się obojętny elektrycznie związek Y R 3 Atak na karbokation jest Z BU STRN jednakowo prawdopodobny Etap II szybki R 3 MIESZANINA RAEMIZNA produkt z RETENJĄ konfiguracji R 3 produkt z INWERSJĄ konfiguracji PRZYKŁAD: (R) - 3-bromo-3-metyloheksan 3 7 3 7 2 5 2 5 3 3 3 MIESZANINA RAEMIZNQA MIESZANINA RAEMIZNQA 3 7 3 7 3 7 3 7 3 3 3 3 2 5 2 5 2 5 2 5 3 3 3 3 kationy oksoniowe (R) (S) 3-metylo-3-metoksyheksan Komentarz: W pierwszym etapie reakcji następuje heterolityczny rozpad wiązania węgiel - grupa odchodząca (Y) w wyniku czego tworzy się reaktywny i nietrwały karbokation, który stabilizuje się poprzez reakcję z nukleofilem. Z uwagi na płaską budowę karbokationu, atak nukleofila jest jednakowo prawdopodobny z obu stron płaszczyzny karbokationu. KNSEKWENJE STEREEMIZNE: W trakcie reakcji SN 1 z udziałem chiralnego (optycznie czynnego) substratu tworzy się racemiczny produkt i następuje zanik optycznej czynności mieszaniny reakcyjnej
B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Mechanizmy reakcji MEANIZM REAKJI ELIMINAJI E-1 ( nie jest stereospecyficzna ) Etap I powolny płaszczy zna R 3 R 4 Y R 3 R 4 Y KARBKATIN (płaski) Uwaga: Grupa Y w substracie może posiadać ładunek dodatni, wówczas odrywa się obojętny elektrycznie związek Y R 3 R 4 Etap II szybki Ponieważ istnieje możliwość rotacji wokół wiązania - więc atom wodoru może zostać oderwany zarówno po jednej jak i po drugiej stronie płaszczyzny R 3 R 4 R 4 R 3 MIESZANINA IZMERÓW (E) i (Z) Reakcja REGISELEKTYWNA (reguła ZAJEWA): Jeżeli w cząsteczce występują dwa lub więcej atomów węgla związanych z protonem, wówczas PRTN DRYWANY JEST D ATMU WĘGLA NAJWYŻSZEJ RZĘDWŚI. Komentarz: W pierwszym etapie reakcji następuje heterolityczny rozpad wiązania węgiel - grupa odchodząca (Y) w wyniku czego tworzy się reaktywny i nietrwały karbokation, który stabilizuje się poprzez odszczepienie protonu od atomu węgla. Tworzy się alken lub mieszanina stereoizomerycznych alkenów ( E i Z) PRZYKŁAD: 2 5 3 3 3 2 6 3 2 S 4 3 3 2 5 2 5 3 3
B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Mechanizmy reakcji MEANIZM REAKJI ELIMINAJI E-2 ( reakcja stereospecyficzna ) Y R 4 R 3 Y R 4 R 3 STAN PRZEJŚIWY R 3 R 4 Y Uwaga! Jeżeli nukleofil ma ładunek ujemny, wówczas w stanie przejściowym na atomie odrywającym proton występuje cząstkowy ładunek ujemny Reakcja jest REGISELEKTYWNA (reguła ZAJEWA): Jeżeli w cząsteczce występują dwa lub więcej atomów węgla związanych z protonem, wówczas PRTN DRYWANY JEST D ATMU WĘGLA NAJWYŻSZEJ RZĘDWŚI. Komentarz: ząsteczka musi mieć możliwość przyjęcia takiej konformacji, w której grupa odchodząca (Y) oraz proton odrywany przez atakujący nukleofil, przyjmują względem siebie położenie antyperiplanarne ( ELIMINAJA TRANS ). W stanie przejściowym tej JEDNETAPWEJ REAKJI: wytwarzają się słabe wiązania między : a) atakującym nukleofilem a protonem b) atomami węgla i słabe wiązanie ulegają osłabieniu wiązania między: a) atomem węgla i grupą odchodzącą b) atomem węgla i odrywanym protonem W wyniku jednoczesnej eliminacji grupy odchodzącej od atomu węgla oraz protonu od atomu węgla między obydwoma atomami węgla tworzy się wiązanie. KNSEKWENJE STEREEMIZNE: W trakcie reakcji E-2 z udziałem chiralnego (optycznie czynnego) substratu zawierającego asymetryczne atomy węgla i (oraz proton przy asymetrycznym atomie węgla ), tworzy się alken o konfiguracji ściśle zdeterminowanej konfiguracją obu atomów węgla oraz antyperiplanarną konfiguracją stanu przejściowego. PRZYKŁADY: A) (2S,3R)-2-fenylo-3-jodo-3-metylopentan amoniak 3 2 5 I 3 6 5 (2S,3R)-2-fenylo-3-j odo- -3-metylopentan N 3 I 3 2 5 3 6 5 N 3 STAN PRZEJŚIWY 3 2 5 3 6 5 N 4 (Z) - 2-fenylo-3-metylo-2-penten I Uwagi :1) W substracie występują 3 atomy węgla (I-rzędowy - w grupie metylowej, II-rzędowy - w grupie etylowej i III-rzędowy - asymetryczny). Zgodnie z regułą Zajcewa w przewadze powstaje
produkt eliminacji protonu od III-rzędowego atomu węgla. 2) Z enancjomeru powyższego substratu - czyli stereoizomeru (2R,3S) powstanie także alken o konfiguracji (Z), natomiast ze stereoizomerów: (2R,3R) i (2S,3S) powstanie alken o konfiguracji (E) B) (2R,3R)-2-bromo-3-metylopentan metanolan sodu 3 2 5 3 (2R,3R)-2-bromo- -3-metylopentan 2 5 3 3 3 3 STAN PRZEJŚIWY 2 5 3 3 3 (E) - 3-metylo-2-penten Uwagi :1) W substracie występują 2 atomy węgla (I-rzędowy - w grupie metylowej, i III-rzędowy - asymetryczny). Zgodnie z regułą Zajcewa w przewadze powstaje produkt eliminacji protonu od IIIrzędowego atomu węgla. 2) Z enancjomeru powyższego substratu - czyli stereoizomeru (2S,3S) powstanie także alken o konfiguracji (E), natomiast ze stereoizomerów: (2R,3S) i (2S,3R) powstanie alken o konfiguracji (Z) ) cis -1-bromo-2-metylocykloheksan alkoholowy roztwór K 3 3 1-metylocykloheksen Kierunek eliminacji ZGDNY z regułą Zajcewa D) trans -1-bromo-2-metylocykloheksan alkoholowy roztwór K 3 3 3-metylocykloheksen Kierunek eliminacji NIEZGDNY z regułą Zajcewa E) (Z) -1-bromopropen amidek sodu F) (E) -1-bromopropen amidek sodu 3 3 N 2 propyn N 2 REAKJA NIE ZADZI 3 G) (Z) -2-bromo-2-buten amidek sodu ) (E) -2-bromo-2-buten amidek sodu 3 N 2 3 3 3 2-butyn 3 3 N 2 2 3 1,2-butadien
B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Szybkość reakcji i konkurencja zynniki wpływające na szybkość reakcji SN i E: 1. Zasadowość grupy odchodzącej Reguła 1 Reakcje SN lub E przebiegają tym łatwiej im niższa jest zasadowość grupy odchodzącej PRZYKŁADY: A) 3 2 2 1-propoanol KI reakcja NIE PRZEBIEGA gdyż grupą odchodzącą musiałby być anion - który jest MNĄ zasadą alkohole NIE REAGUJĄ z halogenkami nieorganicznymi B) I 3 2 2 3 2 2 I 2 reakcja PRZEBIEGA ponieważ w pierwszym etap 1-propoanol następuje protonowanie cząsteczki alkoholu z wy tworzeniem kationu oksoniowego, w którym grupą odchodzącą jest już SŁABA ZASADA - cząsteczka wody (nukleofilem jest anion jodkowy) 3 2 2 3 2 2 kation oksoniowy I 3 2 2 I alkohole REAGUJĄ z halogenowodorami (reakcja SN) ) 3 2 2 S 6 5 benzenosulfonian propylu KI 3 2 2 I S 6 5 reakcja PRZEBIEGA ponieważ grupą odchodzącą jest anion benzenosulfonianowy - SŁABA ZASADA (nukleofilem jest anion jodkowy) sulfoniany alkilowe REAGUJĄ z halogenkami nieorganicznymi (reakcja SN) D) 3 3 2 2 I 3 2 2 3 I reakcja PRZEBIEGA ponieważ grupą odchodząc 1-jodopropan jest już SŁABA ZASADA - anion jodkowy (nukleofilem jest anion metoksylanowy) halogenopochodne alkilowe I-rzędowe REAGUJĄ z metanolanami litowców (reakcja SN) E) 3 3 3 2 l 3 3 l 2-chlorobutan 3 reakcja PRZEBIEGA ponieważ grupą odchodzą jest już SŁABA ZASADA - anion chlorkowy. Zachodzi tu reakcja ELIMINAJI.(nukleofilem jest anion metoksylanowy) halogenopochodne alkilowe II-rzędowe REAGUJĄ z metanolanami litowców (reakcja E) Uwaga! W przypadku, gdy trudno jest ocenić zasadowość grupy odchodzącej można rozpatrywać kwasowość sprzężonego z tą grupą kwasu a następnie wykorzystać regułę: im słabsza zasada tym mocniejszy kwas z nią sprzężony. Przykładowo: anion wodorosiarczkowy (S - ) jest mocną zasadą,
gdyż sprzężony z nim kwas - siarkowodór jest kwasem słabym. Z tego wynika, że tiole (o wzorze R- S ) nie ulegają reakcjom substytucji ani reakcjom eliminacji. Poniżej przedstawiony jest szereg zasadowości typowych grup występujących w związkach organicznych : Szereg zasadowości czynników nukleofilowych: Grupa I - - l - ArS3 - Ar R- 2 F - ArN2 R - S - N - R-N2 - R - R - pkb 24 23 21 20,5 20,4 16 15,7 11,8 10 9 7 5 4-1,7-2,5-11 2. kleofilowość czynnika atakującego z a s a d o w o ś ć Reakcje SN2 przebiegają z różną szybkością w zależności od rodzaju czynnika nukleofilowego. Różne czynniki nukleofilowe wykazują różną aktywność w reakcji substytucji co jest warunkowane m.in. rozmiarami nukleofila, koncentracją ładunku ujemnego oraz stopniem jego solwatacji przez cząsteczki rozpuszczalnika. Porównując stałe szybkości reakcji bromku metylu z różnymi nukleofilami w wodzie, w stosunku do stałej szybkości reakcji tego związku z wodą otrzymano następujące wielkości liczbowe charakteryzujące reaktywność poszczególnych nukleofili: n = log(k/ko) gdzie: k - stała szybkości reakcji bromku metylu z wybranym nukleofilem ko- stała szybkości reakcji bromku metylu z wodą kleofil woda F - 3 - l - - N3 - - ArN2 I - N - S - n 0 2 2,72 3,5 3,9 4 4,2 4,5 5 5,1 5,1 Wielkość n nazywa się NUKLEFILWŚIĄ czynnika nukleofilowego. Stanowi miarę jego skłonności do ulegania reakcji SN2. zynniki o dużej nukleofilowości nazywamy mocnymi nukleofilami. Do mocnych nukleofili - oprócz podanych w prawej części powyższej tabeli, zalicza się aniony R -, amoniak i aminy, karboaniony (np. anion acetylenkowy), anion N2 -. Do słabych nukleofili należą: m.in. woda i alkohole. Szybkość reakcji ze słabymi nukleofilami (woda, alkohole) jest tak mała, że praktycznie można przyjąć, że reakcja SN2 z tymi nukleofilami nie przebiega. Podsumowaniem powyższych rozważań może być następujące stwierdzenie: Reguła 2 Szybkość reakcji SN2 wzrasta ze wzrostem nukleofilowości czynnika atakującego. Ze słabymi nukleofilami reakcja ta praktycznie nie przebiega. W reakcjach SN1 tworzy się bardzo reaktywny wysokoenergetyczny karbokation, który łatwo reaguje z nukleofilami niezależnie od ich nukleofilowości. Dlatego drugi etap reakcji SN1 jest etapem szybkim. W etapie decydującym o szybkości reakcji SN1 (etap dysocjacji) nukleofilowość czynnika atakującego nie odgrywa roli ponieważ czynnik nukleofilowy nie bierze w nim udziału. W reakcjach eliminacji istotne jest powinowactwo czynnika atakującego do protonu (czyli jego zasadowość) zaś nukleofilowość nie odgrywa tu również żadnej roli (wynika to z definicji nukleofilowości) Reguła 3 Szybkość reakcji SN1 i E nie zależy od nukleofilowości czynnika atakującego.
3. Budowa substratu organicznego Wpływ rzędowości związku organicznego na przebieg reakcji SN2 Wraz ze wzrostem rzędowości atomu węgla, na którym przebiega reakcja SN2 szybkość reakcji maleje ponieważ utrudniony jest dostęp nukleofila do atomu węgla. W przypadku atomów drugorzędowych reakcja SN2 przebiega jeszcze stosunkowo łatwo, jednakże dla związków trzeciorzędowych szybkość reakcji jest tak mała, że można przyjąć, iż reakcja praktycznie nie przebiega. W tym przypadku znacznie łatwiejszy jest dostęp do atomu wodoru przy węglu, co powoduje, że - o ile tylko zasadowość czynnika atakującego jest wystarczająco duża - przebiega głównie reakcja eliminacji. Gdy zasadowość i nukleofilowość czynnika atakującego jest mała, reakcją dominującą może być reakcja substytucji SN1. Reguła 4 Szybkość reakcji SN2 maleje wraz ze wzrostem rzędowości atomu węgla, na którym przebiega substytucja. Na trzeciorzędowym atomie węgla reakcja SN2 praktycznie NIE PRZEBIEGA. Wpływ rzędowości związku organicznego na przebieg reakcji SN1 Im wyższa jest rzędowość atomu węgla związanego z grupą odchodzącą tym większe jest wzajemne oddziaływanie grup związanych z tym atomem węgla, co prowadzi do występowania w cząsteczce pewnych naprężeń. W procesie tworzenia się karbokationu wzrastają kąty między wiązaniami (od wartości ok. 109 0 do wartości ok. 120 0 ) a tym samym wzrasta odległość i maleją oddziaływania między grupami co powoduje, że naprężenia wewnętrzne maleją. Zatem skłonność cząsteczki do dysocjacji wiązania: węgiel - grupa odchodząca, powinna wzrastać wraz ze wzrostem rzędowości atomu węgla. Drugim elementem, który należy wziąć tu pod uwagę jest trwałość karbokationów, która - jak wiadomo - wzrasta ze wzrostem ich rzędowości z uwagi na stabilizujący wpływ grup alkilowych. ba wymienione czynniki powodują że: Reguła 5 Szybkość reakcji SN1 wzrasta wraz ze wzrostem rzędowości atomu węgla, na którym przebiega substytucja. Wpływ rzędowości związku organicznego na przebieg reakcji E-2 Wraz ze wzrostem rzędowości atomu węgla, na którym przebiega reakcja SN2 szybkość reakcji maleje ponieważ utrudniony jest dostęp nukleofila do atomu węgla. W przypadku atomów drugorzędowych reakcja SN2 przebiega - trzeciorzędowych szybkość ta jest tak mała, że można przyjąć, że reakcja praktycznie nie przebiega. W tym przypadku znacznie łatwiejszy jest dostęp do atomu wodoru przy węglu, co powoduje, że - o ile tylko zasadowość czynnika atakującego jest wystarczająco duża - przebiega głównie reakcja eliminacji. Gdy zasadowość czynnika atakującego jest mała, reakcją dominującą może być reakcja substytucji SN1. Wpływ rzędowości związku organicznego na przebieg reakcji E-1 Wpływ rzędowości atomu węgla związanego z grupą odchodzącą jest tu taki sam jak w przypadku reakcji E-2 i SN1 (skłonność do ulegania reakcji E-1 wzrasta ze wzrostem rzędowości atomu węgla) Reguła 6 Wraz ze wzrostem rzędowości atomu węgla wzrasta skłonność do ulegania reakcjom ELIMINAJI.
4. Zasadowość czynnika atakującego Reakcja E-2 przebiega tym szybciej im większa jest zasadowość atakującego czynnika nukleofilowego, ponieważ większe powinowactwo czynnika nukleofilowego do protonu ułatwia jego oderwanie od węgla Bardzo mocne zasady - takie jak jon amidkowy (N2 - ) powodują np. przebieg reakcji eliminacji we wszystkich fluorowcopochodnych niezależnie od rzędowości. W przypadku słabych zasad reakcja eliminacji przebiega na ogół w niewielkim stopniu. Można tu sformułować kolejną ważną regułę rządzącą reakcją dwucząsteczkowej eliminacji: Reguła 7 Szybkość reakcji E-2 wzrasta wraz ze wzrostem zasadowości czynnika nukleofilowego Rozważanie wpływu zasadowości czynnika atakującego na szybkość reakcji E-1 nie ma sensu ponieważ w przypadku mocnych zasad szybciej od reakcji E-1 przebiega reakcja E-2. Szybkość reakcji eliminacji nie zależały od nukleofilowości czynnika atakującego i podobnie: Reguła 8 Szybkość reakcji SN NIE ZALEŻY od zasadowości czynnika atakującego. Konkurencja między reakcjami SN i E : W reakcji związku organicznego z czynnikiem nukleofilowym reakcje SN i E konkurują ze sobą. Względna zawartość obu produktów zależy od trzech czynników: rzędowości atomu węgla związanego z grupą odchodzącą oraz zasadowości i nukleofilowości czynnika atakującego. Wpływ tych czynników na poszczególne reakcje SN i E został dokładnie opisany wyżej. W odniesieniu do konkurencji reakcji SN i E wpływ ten można opisać następująco: WZGLĘDNA ZAWARTŚĆ PRDUKTU ELIMINAJI w mieszaninie poreakcyjnej WZRASTA ze wzrostem rzędowości atomu węgla związanego z grupą odchodzącą oraz ze wzrostem zasadowości czynnika nukleofilowego, MALEJE zaś ze wzrostem nukleofilowości reagującego nukleofila. Ilustracją wpływu rzędowości atomu węgla może być reakcja bromków butylowych z etanolanem sodu: a) w przypadku bromku n-butylu w reakcji powstaje 86% produktu substytucji (SN2) i 14% produktu eliminacji (E-2) b) w przypadku bromku sec-butylu w reakcji powstaje 17% produktu substytucji (SN2) i 83% produktu eliminacji (E-2) c) w przypadku bromku t-butylu w reakcji powstaje 100% produktu eliminacji (E-2) Ilustracją wpływu zasadowości czynnika nukleofilowego może być: 1) reakcja bromku t-pentylu z etanolanem sodu, w której tworzy się 100% produktu eliminacji 2) reakcja tego samego bromku z etanolem w której tworzy się 40% produktu eliminacji i 60% produktu substytucji
B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Konkurencja Mechanizm Rzędowość węgla 1 0 2 0 3 0 S N 2 S N 1 E-2 pozostałe (oprócz wymienionych w 4-ej kolumnie) mocne nukleofile -/etanol N2 - pozostałe (oprócz wymie- -/etanol nionych w 4-ej kolumnie) słabe nukleofile mocne nukleofile ( 2, R ) N2 - karboaniony R- słabe zasady: 2, R, X-, RS3 - wszystkie mocne zasady NUKLEFILE: Mocne: N2 -, N3, R-, -, N, N2 -, karboaniony, S-, -/alk. X- (aniony halogenkowe), N3 -, SN-, RS3 - Słabe: 2, R ZASADY: Mocne: N2 -, N3, R-, -, N, N2 -, karboaniony, S-, -/alk. N3 -, SN- Słabe: 2, R, X- (aniony halogenkowe), RS3 - Szereg nukleofilowości: kleofil woda F - 3 - l - - N3 - - ArN2 I - N - S - n 0 2 2,72 3,5 3,9 4 4,2 4,5 5 5,1 5,1 Szereg zasadowości: n u k l e o f i l o w o ś ć Grupa I - - l - ArS 3 - Ar R- 2 F - ArN 2 R - S - N - R-N 2 - R - R - pkb 24 23 21 20,5 20,4 16 15,7 11,8 10 9 7 5 4-1,7-2,5-11 z a s a d o w o ś ć
B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Konkurencja Fluorowcopochodne typu ALLILWEG i BENZYLWEG Mechanizm Rzędowość węgla 1 0 2 0 3 0 S N 2 S N 1 E-2 pozostałe (oprócz wymienionych w 4-ej kolumnie) słabe nukleofile -/etanol mocne nukleofile ( 2, R ) N2 - pozostałe (oprócz wymie- -/etanol nionych w 4-ej kolumnie) słabe nukleofile mocne nukleofile ( 2, R ) N2 - karboaniony R- słabe zasady: 2, R, X-, RS3 - wszystkie mocne zasady NUKLEFILE: Mocne: N2 -, N3, R-, -, N, N2 -, karboaniony, S-, -/alk. X- (aniony halogenkowe), N3 -, SN-, RS3 - Słabe: 2, R ZASADY: Mocne: N2 -, N3, R-, -, N, N2 -, karboaniony, S-, -/alk. N3 -, SN- Słabe: 2, R, X- (aniony halogenkowe), RS3 -
B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Reakcje fluorowcopochodnych aromatycznych Fluorowcopochodne aromatyczne są niereaktywne (zawierają nieruchliwy atom fluorowca) i NIE ULEGAJĄ w typowych warunkach ani reakcjom substytucji ani reakcjom eliminacji. Reakcjami, które przebiegają w nietypowych warunkach lub dla wyjątkowych fluorowcopochodnych są: 1. Reakcja ELIMINAJI-ADDYJI. Przebiega ona w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. W reakcji tej tworzy się fenolan (a po zakwaszeniu fenol) l Na / 2 Na 340 o, 170 atm Reakcja ta NIE JEST REAKJĄ SUBSTYTUJI. l benzyn Potwierdzeniem tego mechanizmu jest np. reakcja p-chlorotoluenu w analogicznych warunkach 3 l Na / 2 340 o, 170 atm 3 Na 1 : 1 3 Na 2. Reakcja ADDYJI-ELIMINAJI. Przebiega ona we fluorowcopochodnych aromatycznych zawierających grupy elektronoakceptorowe (np. N2, F3). Jeżeli w pierścieniu aromatycznym związane są oprócz atomu fluorowca również grupy elektronoakceptorowe, wówczas atom fluorowca staje się ruchliwy. Fluorowcopochodne takie ULEGAJĄ reakcjom substytucji. Nie jest to ani reakcja SN1 ani reakcja SN2. Jest to reakcja SNAr l N 2 N 2 N 2 2 2 N 2 N 2 N 2 Mechanizm tej reakcji polega na oddycji nukleofila w pozycji ipso przy czym tworzy się rezonansowy anion o budowie analogicznej do budowy kompleksu sigma:
N 2 N 2 N 2... N 2 N 2 N 2 (anion taki powstaje, ponieważ ładunek jest tu zdelokalizowany na grupy nitrowe, co zwiększa jego trwałość oraz dlatego, że na atomie węgla ipso występuje duży deficyt elektronowy implikowany obecnością grup nitrowych w pozycji orto i para ). Z anionu tego eliminuje się następnie grupa łatwiej odchodząca (w tym wypadku anion bromkowy) w wyniku czego odtwarza się sekstet elektronowy. B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Zastosowanie w syntezie Łatwość ulegania fluorowcopochodnych reakcjom substytucji nukleofilowej ma duże znaczenie w syntezie organicznej, gdyż pozwala na uzyskanie wielu rodzajów innych związków organicznych, które trudno byłoby otrzymać na innej drodze. Fluorowcopochodne - łatwe do uzyskania z węglowodorów - stanowią więc bardzo wygodne i tanie substraty. Poniższy schemat ilustruje różnorodność zastosowań reakcji substytucji fluorowcopochodnych tiole sulfoniany alkilowe estry alkilowe azydki alkilowe tiocyjaniany alkilowe kationy oksoniowe R S R S 2 R R N 3 R SN R 2 R S S 3 N 3 SN 2 R X N N 2 N 3 N 2 R R R R N R N 2 R N 3 R N 2 etery alkohole alkiny terminalne nitryle nitrozwiązki kationy amoniowe
B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Fluorowcopochodne typu allilowego i benzylowego Fluorowcopochodne typu allilowego wykazują większą skłonność do ulegania reakcjom substytucji w stosunku do odpowiednich fluorowcopochodnych nasyconych. Przyczyny tego zjawiska są następujące: a) większa skłonność do ulegania reakcji dysocjacji wiązania - X spowodowana względną trwałością tworzącego się rezonansowego karbokationu: 3 2 3 2 3 2 Utworzony karbokation może być atakowany przez nukleofil w jednym z dwu centrów elektrofilowych zlokalizowanych zgodnie z powyższymi strukturami granicznymi. W reakcji tworzy się zatem mieszanina produktów: a) produktu substytucji na atomie węgla związanym z grupa odchodzącą b) produktu przegrupowanego. Zjawisko powstawania produktu przegrupowanego w reakcjach fluorowcopochodnych typu allilowego nazywa się PRZEGRUPWANIEM ALLILWYM. b) polaryzacja wiązania - X indukuje polaryzację wiązania i pojawienie się centrum elektrofilowego na węglu R 2 X kleofil może atakować jedno z dwu zaznaczonych centrów elektrofilowych. W przypadku ataku na węgiel związany z grupą odchodzącą mamy do czynienia z reakcją SN2. W przypadku ataku na węgiel tworzy się produkt PRZEGRUPWANY: R 2 X R 2 X Dla tego rodzaju substytucji stosuje się oznaczenie: SN2 W przypadku fluorowcopochodnych typu benzylowego tworzy się rezonansowy karbokation, w którym jednak struktury niearomatyczne mają - z uwagi na względnie wysoką energię - nieduży udział. W wyniku reakcji tworzy się zatem jedynie produkt substytucji w pozycji benzylowej, zaś produkty przegrupowania nie są obserwowane. 2 X 2 2 2 2 2 X 2 Zwiększona reaktywność fluorowcopochodnych typu allilowego i benzylowego ujawnia się m.in. w tym, że ze słabymi nukleofilami reagują nawet halogenki pierwszorzędowe (reakcja biegnie wówczas wg mechanizmu SN1.
B I T E N L EMIA G RGANIZNA I A Ruchliwość fluorowca Skłonność atomu fluorowca (w cząsteczce fluorowcopochodnej) do ulegania rekcjom substytucji lub eliminacji określa się terminem: ruchliwość fluorowca. Im łatwiej (szybciej) przebiegają wymienione reakcje tym ruchliwość ta jest większa. Przykładowo powiemy, że we fluorowcopochodnych allilowych, trzeciorzędowych i benzylowych atom fluorowca jest bardzo ruchliwy, podczas gdy fluorowcopochodne typu winylowego lub fluorowcopochodne aromatyczne zawierają nieruchliwy atom fluorowca. Za doświadczalne kryterium ruchliwości fluorowca można przyjąć szybkość wytrącania osadu halogenku srebra w reakcji fluorowcopochodnej z alkoholowo-wodnym roztworem azotanu srebra. R X AgN 3 AgX ( ) Fluorowcopochodne ARMATYZNE i WINYLWE nie strącają osadu halogenku srebra nawet na gorąco (po podgrzaniu). Fluorowcopochodne PIERWSZRZĘDWE strącają osadu halogenku srebra po podgrzaniu. Fluorowcopochodne DRUGRZĘDWE strącają osadu halogenku srebra na zimno po upływie pewnego czasu. Fluorowcopochodne TRZEIRZĘDWE, BENZYLWE i ALLILWE strącają osadu halogenku srebra na zimno natychmiast. Reakcja ta jest wykorzystywana w chemii analitycznej (jako tzw. reakcja probówkowa) do szybkiego określania ruchliwości fluorowca. Efektem wizualnym w tej reakcji jest wytrącanie się serowatego roztworu halogenku srebra (białego chlorku, kremowego bromku lub żółtego jodku). Przykładowo: dwa izomery: 3 2 różnią się tym, że pierwszy z nich nie wytrąca osadu w reakcji z alkoholowo-wodnym roztworem AgN3 nawet na gorąco, zaś drugi z nich strąca kremowy osad Ag na zimno natychmiast.