. REAKJE SUBSTYTUJI A. Kołodziejczyk 007.. W reakcji metanu z chlorem w obecności światła lub w podwyższonej temperaturze tworzą się produkty, w których atom (atomy) wodoru zostają zastąpione przez atom (atomy) chloru. Powstają chloroalkany i wydziela się przy tym chlorowodór: l /hν lub l + l + l + l + l nadmiar Sądząc po liczbie produktów reakcja jest skomplikowana. Pojawiają się pytania dlaczego powstaje mieszanina produktów, z ilu etapów składa się reakcja i jaka jest kolejność przemian prowadzących od substratów do produktów. Jakie znaczenie dla tej reakcji ma światło lub ciepło? Pytania te dotyczą mechanizmu reakcji. Odpowiedź na nie otrzymuje się na podstawie kojarzenia wniosków wynikających z obserwacji eksperymentów. Poznanie mechanizmów reakcji ułatwia zrozumienie chemii organicznej. Badając reakcję chlorowania metanu można zauważyć, że: - metan i chlor nie reagują z sobą w ciemności; - do reakcji w ciemności dochodzi, ale po ogrzaniu reagentów powyżej 50 o ; - reakcja biegnie również w temperaturze pokojowej pod wpływem światła UV; - obecność nawet małej ilości tlenu zmniejsza na chwilę szybkość reakcji, jednak po pewnym czasie wraca do poprzedniej szybkości; - czas spowolnienia szybkości reakcji (okres inhibicji) zależy od ilości dodanego tlenu. Obserwacje te ułatwiają zaproponowanie mechanizmu reakcji, a przyjęty mechanizm nie może być w sprzeczności z żadną z cech reakcji. Zarówno inicjowanie reakcji przez światło lub podwyższoną temperaturę oraz inhibitujące działanie tlenu sugerują, że jest to reakcja rodnikowa. Zaczyna się ona od homolitycznego rozpadu wiązania w jednym z reagentów: A B hν lub A. + B. W wyniku homolizy dochodzi do rozpadu wiązania, w wyniku którego powstają fragmenty (atomy lub grupy atomów) zawierające niesparowany elektron. Takie fragmenty nazywane są rodnikami. Jeżeli niesparowany elektron przypisany jest do atomu węgla to mamy do czynienia z karborodnikiem. Znana jest również heteroliza, czyli taki rozpad wiązania, w wyniku którego para elektronów tworząca wiązanie pozostaje przy jednym z fragmentów. Ten fragment nosi nazwę anionu (jest obdarzony ładunkiem ujemnym), a drugi fragment z ładunkiem dodatnim nazywany jest kationem. A B A + + :B - Fragmenty heterolizy, w których ładunki znajdują się przy atomach węgla nazywane są odpowiednio karboanionem i karbokationem.
Każde wiązanie ma określoną specyficzną siłę i do jego zerwania potrzebna jest energia. Im większa energia wiązania, tym większej potrzeba energii do jego rozerwania. Minimalna energia potrzebna do rozerwania wiązania nazywa się energią dysocjacji. Może ona być dostarczona w postaci ciepła (odpowiednio wysokiej temperatury reakcji), promieniowania (np. UV) lub w inny sposób. A B energia dysocjacji A. + B. Energia dysocjacji (homolizy) wybranych wiązań A B A. + B. Tabela.. wiązanie o [kcal/mol] wiązanie o [kcal/mol] wiązanie 0 ( ) I 50 88 F 6 = 08 85 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 86 o [kcal/mol] 7 0 O l 70 l 97 8 0 Et 98 i-pr 95 l 8 Et l 8 i-pr l 80 70 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 Mechanizm reakcji rodnikowych Reakcje rodnikowe zaczynają się od utworzenia rodnika. Rodniki powstają najczęściej pod wpływem podwyższonej temperatury, światła lub substancji rodnikotwórczych, np. nadtlenków. W obecności tych czynników najsłabsze wiązanie w jednym z reagentów ulega homolizie i tworzą się rodniki. Ten etap reakcji nazywa się inicjacją (rozpoczęciem). W reakcji chloru z metanem najsłabszym wiązaniem jest wiązanie l l (58 kcal/mol), podczas gdy w metanie wynosi 0 kcal/mol.
Powstające rodniki chloru reagują z drugim z substratów generując rodniki metylowe oraz chlorowodór. Rodniki metylowe łatwo reagują z chlorem tworząc chlorek metylu i kolejny rodnik chlorkowy. inicjacja hν l lub l. l. + propagacja. + l l +. l. + l rodnik metylowy chlorek metylu l. l. + l. terminacja +. etan l. +. + l l. +. l chlorek metylu l +. l. + l itd Rodnik chlorkowy może wejść w reakcję z następną cząsteczką metanu i tak krok po kroku w łańcuchu przemian tworzy się wiele cząsteczek chlorku metylu. Ten etap reakcji nazywa się propagacją (rozwijaniem reakcji), a cała reakcja określana jest łańcuchową, ponieważ z jednego rodnika wytworzonego na początku w etapie inicjacji powstaje łańcuch cząsteczek l. Takich pojedynczych łańcuchów w każdej reakcji jest wiele. Każdy łańcuch może rozwijać się aż do wyczerpania substratów lub zostaje przerwany na skutek zderzenia dwóch rodników, albo też przez wytracenie energii, np. poprzez zderzenie rodnika ze ścianką naczynia. Etap zakończenia łańcucha nazywany jest terminacją. Inne łańcuchy mogą być rozwijane dalej, są również inicjowane inne łańcuchy. Reakcja nie zatrzymuje się na etapie monochlorowania. W miarę wzrostu stężenia l również ten związek staje się konkurencyjnym substratem w wychwytywaniu rodników chlorkowych i następuje wymiana atomu wodoru na chlor. W ten sposób tworzy się chlorek metylenu ( l ), który z kolei po dalszym chlorowaniu ulega przekształceniu w chloroform (l ), a następnie powstaje tetrachlorek węgla. Tak więc produktem chlorowania metanu jest mieszanina chlorometanów, o różnym stopniu wysycenia chlorem, zależnym przede wszystkim od nadmiaru jednego z reagentów: l hν lub l l hν lub l l hν lub l l hν lub metan chlorek metylu chlorek metylenu chloroform tetrachlorek węgla Nadmiar użytego w reakcji metanu zapewnia dużą wydajność chlorku metylu, a nadmiar chloru prowadzi do tetrachlorku węgla. W reakcji, w której użyto mol chloru na mol metanu powstaje mieszanina składająca się z 7% l, % l, 9% l i % l. hloroform otrzymuje się w reakcji haloformowania acetonu. Reakcja halogenowania alkanów jest silnie egzotermiczna na każdym etapie wydziela się po około 00 kj/mol. Bez odprowadzania ciepła może dojść do przegrzania, prowadzącego do gwałtownego przebiegu reakcji z wydzieleniem węgla: + l + l Podczas chlorowania etanu tworzy się mieszanina zawierająca głównie monochloro-,,- dichloro- i,,-trichloroetan. l l + l + l +... 00 o etan chloroetan,-dichloroetan,,-trichloroetan l
Taki przebieg reakcji spowodowany jest osłabieniem wiązania po przyłączeniu atomu chloru. W propanie atomy wodoru są nierównocenne z powodu różnicy energii wiązania, dla atomów wodorów o wynosi ona 98 kcal/mol, podczas gdy dla o 95 kcal/mol. Ta niewielka zdawałoby się różnica znacząco zwiększa szybkość wymiany atomu o na atom l. Podczas chlorowania propanu -chloropropan powstaje z mniejszą wydajnością niż -chloropropan, pomimo tego, że stężenie atomów wodoru o jest razy większe (6 atomów o i atomy o. l l l + + l hν propan -chloropropan (5%) -chloropropan (55%) Podobnie wygląda chlorowanie butanu; wydajność -chlorobutanu jest jeszcze większa ponieważ udział drugorzędowych atomów wodoru jest większy niż w propanie: l l ( ) l + + l hν n-butan -chlorobutan (8%) -chlorobutan (7%) Różnica reaktywności atomów o i o jest jeszcze większa ( o odpowiednio 98 i 9 kcal/mol) i dlatego w mieszaninie produktów monochlorowania tert-butylu jest aż 6% -chloro-- metylopropanu, pomimo 9-krotnej przewagi o atomów wodoru w substracie: l l hν + + l tert-butan -chloro--metylopropan l -chloro--metylopropan (chlorek izobutylu) (6%) (chlorek tert-butylu) (6%) om jest znacznie mniej reaktywny niż chlor, dlatego też bromowanie alkanów biegnie z mniejsza szybkością, a przez to z większą selektywnością niż chlorowanie: hν + + propan -bromopropan (%) -bromopropan (97%) ( ) hν + + n-butan -bromobutan (%) -bromobutan (98%) + + tert-butan hν -bromo--metylopropan (bromek izobutylu) (0,%) -bromo--metylopropan (bromek tert-butylu) (99,9%) Jak wynika z zamieszczonych poniżej wykresów zmiany energii w reakcjach chlorowania i bromowania metanu, reakcja bromowania wymaga znacznie większej energii aktywacji, a więc będzie wolniejsza niż chlorowanie w tej samej temperaturze. Z tego powodu reakcja staje selektywniejsza, gdyż rodniki bromu będą statystycznie częściej wybierać najbardziej reaktywne miejsca, czyli w wzrastającej kolejności aktywności atomy wodoru przy atomach węgla o, o i o.
Zmiany energii w procesie halogenowania metanu Wykres.. chlorowanie bromowanie Rodnik chloru potrzebuje niewielkiej energii aktywacji do wyrwania atomu wodoru z cząsteczki węglowodoru, żeby utworzyć rodnik alkilowy; w przypadku metanu jest to jedynie kcal/mol. Natomiast energia aktywacji metanu do reakcji z rodnikiem bromu i utworzenie takiego samego rodnika metylowego jest kilkakrotnie większa, wynosi bowiem 8 kcal/mol. W reakcjach z węglowodorami, w których znajdują się atomy wodoru różnej rzędowości rodnik chloru obdarzony wysoką energią może oderwać prawie równie łatwo atom wodoru o czy o, natomiast dla mniej aktywnego rodnika. znacznie łatwiejsze jest oderwanie atom wodoru o wyższej rzędowości. Z rzędowością rodników związana jest także ich trwałość: wraz ze wzrostem rzędowości rodników rośnie ich trwałość. Prawie wszystkie rodniki obdarzone są wysoką energią, a przez to są bardzo reaktywne. Jednak reszty alkilowe związane z atomem węgla posiadającym niesparowany elektron stabilizują go poprzez rozłożenie tej energii w przestrzeni. Im więcej reszt alkilowych związanych z rodnikowym atomem węgla (wyższa jego rzędowość) tym rodnik jest stabilniejszy. Względna trwałość rodników węglowych: R. > R. > R. >. Szybkość wymiany wodoru na halogen w reakcjach substytucji rodnikowej zależy od trwałości tworzącego się przejściowo rodnika alkilowego. Im trwalszy rodnik, tym szybciej (łatwiej) się tworzy, po czym może ulegać dalszym przemianom. Z wykresu. widać, że rodnik izopropylowy ( o ) będzie się tworzył trudniej (wolniej) niż o tert-butylowy, ponieważ do jego utworzenia potrzebna jest większa energia aktywacji. Energia przemian bromowania propanu i tert-butanu Wykres.. alogenowanie cykloalkanów yklopropan w reakcji z chlorem także tworzy rodnik cyklopropylowy, który łatwo przekształca się w znacznie trwalszy (stabilizowany mezomerycznie) rodnik allilowy, a ten w dalszej reakcji z 5
chlorem zostaje przechodzi w chlorek -propylu. Równocześnie, chociaż z mniejszą wydajnością rodnik cyklopropylowy tworzy z chlorem chlorek cyklopropylu: + l. rodnik cyklopropylowy l. l =- -= rodnik allilowy l. chlorocyklopropan (-chloroprop--en) chlorek allilu l- -= yklopropan jest pod wpływem bromu w obecności Al przekształcany w,-dibromopropan, a katalityczne wodorowanie zarówno cyklopropanu, jak i cyklobutanu prowadzi do rozerwania pierścieni i utworzenia odpowiednich alkanów: /Ni + Al,-dibromopropan 80 o n-propan cyklobutan n-butan /Ni 00 o Wyższe cykloalkany reagują z halogenami podobnie jak alkany ulegają halogenowaniu w reakcji substytucji rodnikowej: l l hν lub hν lub cyklopentan chlorocyklopentan cykloheksan bromocykloheksan (nadmiar) (nadmiar) Mogą się tworzyć polihalogenoalkany. Nadmiar węglowodorów zmniejsza ich wydajność. Alkilocykloalkany tworzą z halogenami mieszaninę izomerycznych monopochodnych: l hν lub - l metylocyklopentan l l l + + + chlorometylocyklopentan -chloro--metylocyklopentan -chloro--metylocyklopentan -chloro--metylocyklopentan I Z O M E R I A izomery cis i trans l izomery cis i trans Izomerami nazywane są związki chemiczne posiadające taki sam wzór sumaryczny, różniące się jednak konstytucją (budową, tj. rozmieszczeniem atomów i wiązań w cząsteczce) lub ułożeniem atomów w przestrzeni. Rozróżniane są izomery konstytucyjne i stereoizomery. 6
I Z O M E R Y związki 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 różnią się rodzajem wiązań i rozmieszczeniem atomów w cząsteczce ENANANJOMERY mają się do siebie jak odbicia lustrzane DIASTEREOIZOMERY stereoizomery, które nie są odbiciami lustrzanymi Izomery konstytucyjne Różnica w konstytucji cząsteczki (jej budowie) wynikająca z innej kolejności atomów ją tworzącą czy innych (inaczej rozmieszczonych wiązań) jest przyczyną istnienia izomerów konstytucyjnych. Przykładem może być prosty (normalny) i rozgałęziony łańcuch węglowy lub usytuowanie wiązań wielokrotnych. Istnieją trzy izomery pentanu, wszystkie mają ten sam wzór sumaryczny 5 : ( ) pentan (n-pentan) -metylobutan (izopentan),-dimetylopropan (neopentan) Węglowodór o wzorze sumarycznym 5 0 może być cyklicznym węglowodorem nasyconym: cyklopentanem, metylocyklobutanem lub dimetylocyklopropanem (we wzorach kreska oznacza grupę metylową). cyklopentan metylocyklobutan dimetylocyklopropan Może być również jednym z wielu izomerów alkenów (węglowodorów zawierających podwójne wiązanie =): pent--en -metylobut--en -metylobut--en pent--en -metylobut--en Równie dobrze znane są izomery konstytucyjne chlorowcopochodnych, alkoholi i innych związków. Zadanie: Narysuj i nazwij izomery związku o wzorze sumarycznym 6. Stereoizomery Tego typu izomery mają nie tylko taki sam wzór sumaryczny, ale również identyczną konstytucję, czyli rozmieszczenie atomów i wiązań w cząsteczce, różnią się natomiast przestrzennym (sterycznym) ułożeniem atomów. Różnice w przestrzennym ułożeniu atomów występują w cząsteczkach zawierających cztery różne podstawniki przy tym samym atomie (np. atomie węgla) lub w innych przypadkach, kiedy cząsteczka pozbawiona jest niektórych elementów symetrii. 7
-bromo--chloroetan ma cztery różne podstawniki przy (brom, chlor, metyl i wodór) dlatego może występować w postaci dwóch streoizomerów, które w typowych warunkach mają identyczne właściwości fizyczne (np. tw., tt. czy gęstość), takie same właściwości chemiczne (reaktywność), identyczną wartość bezwzględną skręcalności właściwej [α], ale o przeciwnych znakach, różnią się również reaktywnością w stosunku do innych stereoizomerów. l stereoizomery -bromo--chloroetanu Stereoizomeria jest ważną częścią chemii organicznej ponieważ wiele związków biologicznie czynnych jest stereoizomerami. Właściwości biologiczne stereoizomerów mogą być różne, ponieważ w organizmie oddziałują z innymi stereoizomerami. Stereoizomerami są cukry, niektóre alkohole, aminy, większość aminokwasów oraz tworzone z nich peptydy czy białka. iała czynne żywego organizmu (enzymy, hormony, receptory) są zbudowane z białek, a więc jako stereoizomery inaczej będą reagować ze stereoizomerycznymi substratami. Z tego powodu odczuwamy inny smak dwóch różnych stereoizomerów tego samego aminokwasu (reakcja z białkowymi kubkami smakowymi), inaczej też będą oddziaływać na organizm stereoizomeryczne substancje lecznicze. Dramatycznym przykładem takich różnic jest tragedia spowodowana thalidomidem, lekiem uspakajającym i przeciwbólowym wprowadzonym do użytku w II połowie XX w. Kobiety ciężarne przyjmujące ten lek rodziły dzieci bez kończyn lub z kończynami bardzo zdeformowanymi. Lek okazał się czynnikiem teratogennym. Badania wykazały, że był on mieszaniną dwóch stereoizomerów, przy jeden z nich wykazywał oczekiwane właściwości lecznicze a drugi, niespodziewany w otrzymywanym produkcie był teratogenem. l O O N O N O N N O O O O (S)-(-)-thalidomid (R)-(+)-thalidomid teratogen lek Do syntezy użyto właściwego substratu, a podczas badań klinicznych i przedklinicznych nie stwierdzono żadnych niepożądanych działań preparatu. Skąd się więc wziął drugi izomer w preparacie leczniczym? Otóż drugi stereoizomer pojawił się w znaczących ilościach dopiero podczas produkcji leku na dużą skalę. Większa skala wymagała przedłużenia czasu reakcji, co spowodowało, że drugi izomer tworzący się w wyniku tzw. racemizacji pojawił się w większym stężeniu. W tym czasie nikt nie znał zależności stopnia racemizacji od czasu reakcji i nie spodziewano się takich komplikacji w wyniku zwiększenia skali syntezy. Właściwa konfiguracja substratów ma istotne znaczenie w reakcjach biochemicznych, ponieważ hormony, enzymy i inne ciała czynne są stereoizomerami, i tylko odpowiednia konfiguracja substratów zapewnia powodzenie przemian. Substraty o innej konfiguracji nie będą brały udziału w reakcji, lub co gorsze mogą wywołać niepożądane, szkodliwe działanie. Prostą ilustracją wymaganej konfiguracji (kształtu) cząsteczek jest zabawka dla małych dzieci, której elementy o różnych kształtach (kule, sześciany, ostrosłupy itp.) należy 8
włożyć do pojemnika przez specjalne otwory (Rys..). Tylko te przedmioty uda się włożyć do pojemnika, które pasują kształtem do otworu. Podobnie, tylko ten związek będzie substratem enzymu, którego kształty pasują do rozmieszczonych odpowiednio miejsc reaktywnych enzymu. Rys.. Do reakcji pomiędzy receptorem, a substancją aktywną dochodzi w przypadku zgodności sterycznej Sposoby rozróżniania stereoizomerów Związki organiczne, w których atom węgla związany jest z dwoma (lub więcej) takimi samymi podstawnikami (atomami lub grupami atomów) będą identyczne po każdorazowej zamianie podstawników w przestrzeni. Ich odbicia lustrzane są też identycznymi związkami l l etan chloroetan W przypadku, kiedy atom węgla (lub inny) jest związany z czteroma różnymi podstawnikami, każda 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 Powyższe dwa stereoizomery (odbicia lustrzane) nie da się nałożyć na siebie, tzn. tak żeby jedna cząsteczka miała pod sobą te same podstawniki drugiej cząsteczki. W życiu spotykamy się nie tylko ze stereoizomerycznymi substancjami, ale również z przedmiotami o podobnych właściwościach. Dwa buty czy dwie rękawiczki tej samej pary też nie można nałożyć na siebie (nie da się też nałożyć lewej rękawicy na prawą rękę). Podobnie jest ze stopami i dłońmi. Właśnie od greckiej nazwy dłoni cheir pochodzi nazwa tego typu przedmiotów i związków chemicznych chiralne. 9
Rys... Ręce są chiralne ; nie można nałożyć na siebie lewej i prawej ręki (czy też ich odbić lustrzanych) Stereoizomery, które są do siebie jak odbicia lustrzane nazywane są enancjomerami. (R)-- bromo--chloroetan i (S)--bromo--chloroetan są enancjomerami. Enancjomery należą do stereoizomerów. Atom węgla związany z czteroma różnymi podstawnikami jest nie tylko atomem chiralnym, ale również centrum chiralnym, jako że dzięki niemu cząsteczka nabiera właściwości związanych z chiralnością. Litery (R) i (L) pisane w nawiasach, kursywą to jeden ze sposobów różnicowania enancjomerów na piśmie. Określają one konfigurację absolutną enancjomerów. Ustala się ją w oparciu o reguły pierwszeństwa wg ahna, Ingolda i Preloga. Reguły pierwszeństwa wg ahna, Ingolda i Preloga. W celu przypisania centrum chiralnemu odpowiedniej konfiguracji (literek R lub S) należy podstawniki uszeregować wg ważności (starszeństwa), tj wg wartości liczby atomowej atomu związanego z chiralnym atomem węgla od (dla atomu o najwyższej liczbie atomowej) poprzez i do (dla atomu o najniższej liczbie atomowej). Jeżeli atomy są izotopami tego samego pierwiastka o kolejności decyduje liczba masowa. l l T D. Jeżeli atomy związane z centrum chiralnym są takie same o ważności podstawników decydują atomy z drugiego szeregu, ewentualnie trzeciego lub dalszych; tak żeby można było wyznaczyć starszeństwo dla różnych podstawników musi ono zaistnieć. Przykład: --- - l -chloro--metylopentan ---l- l,-dichloro--metylopentan Powyższym pochodnym pentanu łatwo przypisać starszeństwo atomom wodoru i chloru, odpowiednio i. Natomiast pozycje pozostałych podstawników (etylu i izopropylu) zależą od tego jakie i ile jest atomów w drugim rzędzie. W -chloro--metylopentanie izopropyl ma atomy i dlatego otrzymuje drugą pozycję () przed etylem (), który w drugim szeregu ma tylko jeden atom węgla. Natomiast w przypadku drugiego związku kolejność na drugiej i trzeciej pozycji ulega odwróceniu ponieważ w grupie etylowej w drugim rzędzie atomów w odniesieniu do centrum chiralnego znajduje się chlor. Jeden atom o większej liczbie atomowej jest ważniejszy od dwóch, a nawet trzech atomów o mniejszych liczbach atomowych.. W związkach zawierających wiązania wielokrotne oba atomy powiązane w ten sposób liczy się odpowiednio podwójnie lub potrójnie: 0
O jest równoważne z O O N N jest równoważne z N N Przykłady: aldehyd glicerynowy O O O pierwszeństwo podstawników O O równoważne O O O -bromo--metylo-pent--en --= pierwszeństwo podstawników Po ustaleniu pierwszeństwa podstawników ustawia się cząsteczkę w ten sposób, żeby najmłodszy podstawnik (oznaczony liczbą ) znalazł się najdalej od obserwatora. Bardzo często tym podstawnikiem jest atom wodoru. Następnie zakreślamy krąg od podstawnika najstarszego do trzeciego poprzez podstawnik ; podstawnik jest ignorowany. Jeżeli ruch po zakreślanym kręgu jest zgodny z kierunkiem wskazówek zegara to ten enancjomer jest określany jako (R) rectus (łac. prawy), a jeżeli przeciwnie do ruchu wskazówek zegara to mamy do czynienia z enancjomerem (S) sinister (łac. lewy). (R)--bromo--chloroetan l obserwator l (S)--bromo--chloroetan W literaturze można spotkać różne sposoby (reguły) określania konfiguracji enancjomerów, ale wszystkie prowadzą do tych samych ustaleń. Znana jest reguła kciuka (J. McMurry hemia organiczna), reguła kierownicy samochodu i inne. Konfiguracja określona za pomocą symboli (R) i (S) nazywana jest konfiguracja absolutną, ponieważ odpowiada ona rzeczywistej konfiguracji związków organicznych. Znana jest również konfiguracja względna, gdyż została ona wyznaczona względem jakiegoś związku przyjętego za wzorzec. Przykład: określić konfigurację absolutną obu enancjomerów -bromobutanu. - -- w tak zapisanym wzorze nie można ustalić konfiguracji, ponieważ nie wiadomo jak podstawniki są ułożone przestrzennie Narysujmy więc wzory enancjomerów -bromobutanu, tak żeby widać było przestrzenne ułożenie podstawników, ponumerujmy podstawniki wg starszeństwa i umieśćmy najmłodsze najdalej od siebie:
(R)--bromobutan (S)--bromobutan Powyższy sposób przedstawienia przestrzennej budowy związków organicznych nazywa się projekcją Newmana. Wzór jest tak zapisywany, jakby obserwator patrzył na cząsteczkę wzdłuż wiązania atomu z najmłodszym podstawnikiem, tzn. oznaczonym cyfrą. Istnieją jeszcze inne sposoby przestrzennego zapisu cząsteczek chiralnych, pośród nich projekcja Fischera. ząsteczkę ustawia się tak, żeby najdłuższy łańcuch węglowy znalazł się w jednej płaszczyźnie. Następnie robi się jego pionowy (od góry kartki papieru w dół) rzut na papier (tablicę czy ekran). W każdym centrum chiralnym wiązania pionowe oznaczają wiązania znajdujące się pod płaszczyzną kartki, a wiązania boczne nad płaszczyzną. Nawet jeżeli tego rozróżnienia nie widać na przedstawionym wzorze (projekcji) to należy o tym pamiętać wiązania poziome są nad płaszczyzną, a pionowe pod płaszczyzną. 5 5 5 -bromobutan w projekcji Fischera 5 Pojedyncza (lub nieparzysta) zamiana podstawników w projekcji Fischera, np. atomu z atomem powoduje zmianę konfiguracji z (R) na (S) lub z (S) na (R). Parzysta zamiana podstawników w projekcji Fischera, np. atomu z atomem i następnie z zachowuje pierwotną konfigurację. W celu przypisania konfiguracji absolutnej należy przejść z projekcji Fischera do Newmana. W projekcji Newmana najmłodszy podstawnik (w tym przypadku ) powinien znajdować się za atomem, czyli pod płaszczyzną kartki. Jeżeli go zamienimy, np. z grupą metylową nastąpi zmiana konfiguracji. W celu zachowania konfiguracji należy dokonać jeszcze jednej zamiany podstawników, np. bromu z grupą etylową: pojedyncza zamiana podstawników powoduje zmianę konfiguracji 5 5 5 (S)--bromobutan parzysta zamiana podstawników zachowuje wyjściową konfigurację Ten sposób określania konfiguracji absolutnej na podstawie projekcji Fischera jest dość czasochłonny, wymaga bowiem dwukrotnej zamiany podstawników, jeżeli najmłodszy podstawnik znajduje się nad płaszczyzną kartki. Prościej jest oznaczyć konfiguracje bez zamian podstawników i tylko zamienić otrzymany wynik na przeciwny, tzn. (R) na (S) lub (S) na (R): 5 5 określoną niezgodnie z zasadami konfigurację (S), należy odwrócić otrzymuje się wówczas prawidłową konfigurację (R) (R)--bromobutan
Projekcję Fischera wprowadzono wcześniej niż Newmana i była przeznaczona głównie dla związków zawierających kilka grup funkcyjnych; dlatego obowiązywała w niej jeszcze jedna reguła: rzut cząsteczki na płaszczyznę należy tak wykonać, że najbardziej utleniony atom węgla znajdował się u góry. W cząsteczce kwasu mlekowego w projekcie Fischera grupę karboksylowę należy umieścić u góry. Dla oznaczenia konfiguracji absolutnej nie ma znaczenia, gdzie znajduje się grupa karboksylowa, byleby wszystkie podstawniki miały określone usytuowanie przestrzenne. Wymóg zapisania najbardziej utlenionej grupy u góry wzoru potrzebny jest do przypisania konfiguracji względnej D lub L. OO O O OO O OO OO O kwas: D-mlekowy kwas (R)-mlekowy L-mlekowy (S)-mlekowy Konfiguracja względna określana literami D lub L oznacza położenie grupy funkcyjnej (w kwasie mlekowym -O) po prawej (D) lub po lewej (L) stronie chiralnego atomu węgla, we wzorze prawidłowo zapisanym wg reguł projekcji Fischera. Konfiguracja nazywa się względną, ponieważ odnosi się do konfiguracji względem aldehydu glicerynowego (O)O przyjętego za związek modelowy. Konfiguracja cząsteczek zawierających dwa centra chiralne Określanie konfiguracji cząsteczek zawierających dwa lub więcej chiralnych atomów węgla polega na przypisaniu konfiguracji kolejno poszczególnym centrom chiralnym. Zadanie: Oznaczyć konfigurację względną,-dibromobutanu. Pierwszą czynnością jest zapisanie wzoru przestrzennie, np. za pomocą projekcji Fischera. Zgodnie z regułami otrzymujemy wzory czterech stereoizomerów: stereoizomery,-dibromobutanu a b c d W,-dibromobutanie są dwa centra chiralne: atomy i. We wszystkich wzorach najmłodsze podstawniki atomy są zapisane poziomo, czyli znajdują się nad płaszczyzną kartki, dlatego stosując uproszczoną procedurę należy po oznaczeniu konfiguracji kolejno dla i przyjąć konfigurację odwrotną jako rzeczywistą. konfiguracja dla konfiguracja a: (R) dla a: (R) (R,R)-,-dibromobutan konfiguracja dla b: (S) (S,S)-,-dibromobutan konfiguracja dla b: (S)
konfiguracja dla c : (R) (R,S)-,-dibromobutan konfiguracja dla c : (S) konfiguracja dla d: (S) (S,R)-,-dibromobutan konfiguracja dla d: (R) Stereoizomery a i b czyli (R,R)-,-dibromobutan oraz (S,S)-,-dibromobutan są enancjomerami (mają się 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 są diastereoizomerami (stereoizomerami nie będącymi do siebie jak odbicia lustrzane). Stereoizomery c i d pomimo, że posiadają po dwa centra chiralne, z uwagi na płaszczyznę symetrii przechodzącą pomiędzy i, są cząsteczkami achiralnymi, a w związku z tym optycznie nieczynnymi (nie skręcają płaszczyzny światła spolaryzowanego). Ich odbicia lustrzane da się na siebie nałożyć. Stereoizomery zawierające centra chiralne oraz płaszczyznę symetrii nazywane mezo. (R,S)-,-dibromobutan (S,R)-,-dibromobutan W rzeczywistości jest to jeden i ten sam związek mezo-dibromobutan. Płaszczyzna symetrii dzieli stereoizomer na pół jest, jak zwierciadło, w którym odbijają się obie połowy związku. Enancjomery. hiralność cząsteczki jest warunkiem koniecznym i wystarczającym do zaistnienia enancjomerów;. Obecność chiralnego atomu węgla nie jest warunkiem koniecznym ani wystarczającym do wystąpienia enancjomerów;. Liczba enencjomerów zależy od liczby centrów asymetrii w cząsteczce. Maksymalna liczba stereoizomerów LS = n, gdzie n oznacza liczbę chiralnych atomów. Stereochemia związków cyklicznych Stereoizomerię związków cyklicznych warto rozpatrywać na przykładzie cyklopentanu, którego pierścień uważa się za płaski. Stereoizomeria wystąpi w przypadku podstawienia cyklopentanu z
co najmniej dwoma podstawnikami.,-dimetylocykloheksan występuje w formie dwóch enancjomerów (R,R) i (S,S), które są zarazem izomerami trans, oraz w formie mezo (cis): 5 Me a b Me c trans Me trans Me cis Me Me enancjomery,-dimetylocyklopentanu mezo-dimetylocyklopentan Atomy węgla i są chiralne. Dla streoizomeru a konfigurację można oznaczyć w następujący sposób: Me Me konfiguracja konfiguracja dla izomeru a dla izomeru a (R) Me Me (R) (R,R)-,-dimetylocyklopentan Izomer b ma konfigurację (S,S), a c jest związkiem mezo (R,S) i (S,R), ponieważ ma płaszczyznę symetrii. Podobne zależności występują dla,-dipodstawionych pochodnych cyklopentanu. Identycznie postępuje się przy określaniu konfiguracji stereoizomerów pochodnych cyklopropanu i cyklobutanu. ząsteczka cykloheksanu nie jest co prawda płaska, ale dla oznaczania kofiguracji występujących w niej poszczególnych chiralnych atomów węgla można rysować ją w postaci płaskiej. Reaktywność halogenoalkanów Reaktywność halogenoalkanów wynika z rozkładu ładunków elektrycznych w ich cząsteczkach, czyli efektu polaryzacji i polaryzowalności wiązań. δ+.. δ- X.. : :B δ+ ząsteczka, w której są tak rozłożone ładunki jest podatna na atak różnych odczynników. Kwasy Lewisa A (All, Fe ) będą atakować miejsce obdarzone ładunkiem ujemnym, czyli halogen (X), nukleofil Nu: ma powinowactwo do dodatnio naładowanego atomu węgla, zaś zasada B: będzie odrywać proton z. Metal (M) odda elektron dodatnio naładowanemu atomowi, tworząc z nim związki metaloorganiczne --M lub --M-X, o budowie zależnej od wartościowości metalu. Z metalami grupy I (Li, Na, K) halogen zostanie odłączony, a z metalami grupy II (Mg, Zn, d) metal zajmie położenie pomiędzy atomami i X... Nu M.. δ- X:.. A Substytucja nukleofilowa S N Substytucja nukleofilowa polega na reakcji nukleofilu (Nu) ze związkiem organicznym zawierającym łatwo odchodzącą elektroujemną grupę (np. halogen), w wyniku której następuje wymiana grupy odchodzącej na nukleofil. Nukleofilami są atomy lub grupy atomów obdarzone 5
ładunkiem ujemnym lub dysponujące wolną parą elektronów; wykazują one powinowactwo do dodatnio naładowanego atomu. W tabeli. podane są najczęściej 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 N - 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 ) Szybkość reakcji S N zależy zarówno od warunków reakcji, jak i od właściwości nukleofila oraz budowy reagenta organicznego. Poniżej podany jest szereg reaktywności najpopularniejszych odczynników nukleofilowych w reakcji z bromkiem metylu: + Nu: - Nu + - względna szybkość 700 0,6. 0,5. 0 0 5,5. 0 5 Nu: O N l - O - O - I - N - S - mniej reaktywne bardziej reaktywne Zwykle odczynniki nukleofilowe, jako grupy obdarzone ładunkiem ujemnym są zasadowe, czyli wykazują powinowactwo do protonu. Nukleofilowość nie zawsze pokrywa się z zasadowością, np. jon O - jest silną zasadą, ale średniej mocy nukleofilem, natomiast S - jest bardzo silnym nukleofilem, chociaż znacznie słabszą zasadą. Na szybkość reakcji S N duży wpływ mają właściwości grupy odchodzącej. Najbardziej reaktywną grupą odchodzącą jest anion tosylanowy (p-toluenosulfonowy), a bardzo trudno podstawić anion fluorkowy. 6
Względna reaktywność grup odchodzących w reakcjach S N : zasadowość (pk zasady a skoniugowanej) 5 6 5,7,8, -7-9 -9,5-6,5 względna szybkość 0. 0 0. 0 6. 0 678 grupa odchodząca - - - N, RO, O AcO - F - l - - I - TosO - mniej reaktywne bardziej reaktywne Aniony silnych kwasów (słabe zasady) są dobrymi grupami odchodzącym, aniony słabszych kwasów (silne zasady) są gorszymi grupami odchodzącymi. - p-toluenosulfonian SO (tosylan) Kinetyka hydrolizy halogenków alkilowych w środowisku zasadowym zależy od rzędowości halogenku. alogenki metylu i o ulegają hydrolizie i reakcji z innymi nukleofilami wg kinetyki drugiego rzędu (S N ), podczas gdy halogenki o wchodzą w reakcję z tymi samymi odczynnikami zgodnie z kinetyką pierwszego rzędu (S N ). + O - O + - szybkość reakcji V = k[ ]. [ O - ] jest zależna od stężenia obu reagentów. Reakcje substytucji nukleofilowej, których szybkość jest zależna od stężenia obu reagentów nazywana jest substytucją nukleofilową dwucząsteczkową i oznacza się ją symbolem S N. ( ) + O - ( ) O + - szybkość reakcji V = k[( ) ] jest zależna jedynie od stężenia halogenku alkilu. Reakcje substytucji nukleofilowej, których szybkość jest zależna od stężenia jednego z reagentów nazywana jest substytucją nukleofilową jednocząsteczkową i oznacza się ją symbolem S N. Inwersja konfiguracji R e a k c j e S N Zauważono, że w trakcie reakcji biegnących mechanizmem S N dochodzi do zmiany konfiguracji; zjawisko to zostało nazwane inwersją konfiguracji: Me II etap S l N Me + :O - + :l - O I etap cis-(r,s)--chloro--metylocyklopentan trans-(s,s)--hydroksy--metylocyklopentan Inwersji konfiguracji zaczyna się na etapie stanu przejściowego w pierwszym etapie reakcji. W wyniku ataku odczynnika nukleofilowego (I etap) od przeciwnej strony cząsteczki w stosunku do grupy odchodzącej (z tej samej strony nie może ze względów zarówno objętościowych jak i elektrostatycznych) tworzy się przejściowo addukt zawierający pięciokoordynacyjny atom węgla. 7
Me Rys... Stan przejściowy reakcji S N l δ- δ+ O δ- grupa odchodząca nukleofil przyłącza się z przeciwnej strony grupy odchodzącej Następnie (II etap) zostaje zerwane wiązanie z grupą odchodzącą, a nowy podstawnik zajmuje pozycję po przeciwnej stronie cząsteczki niż grupa, która została podstawiona. Nu - N + X X Nu + u - X - W stanie przejściowym trzy podstawniki na atomie węgla w centrum reakcji zostają stłoczone w jednej płaszczyźnie. Zatem nie mogą one być objętościowo duże. Najłatwiej stłoczyć atomy lub podstawniki przy o atomie węgla, dlatego tylko pochodne metanu i zawierające o grupy alkilowe ulegają łatwo tej reakcji. S N dla pochodnych o zachodzi wolno, a o praktycznie tak nie reagują. Względna szybkość reakcji halogenków alkilowych w reakcji S N względna szybkość 0 0-5 0,0 0 reakcji S N dla R-X alkil (R) ( ) - ( ) - ( )- Et- Merzędowość o neopentyl ( o ) o o mniej reaktywne bardziej reaktywne W powyższym szeregu wątpliwości może budzić jedynie prawie zerowa szybkość reakcji halogenku neopentylu, który jest przecież halogenkiem o. Otóż duża objętość grupy tertbutylowej związanej z atomem węgla stanowiącym centrum reakcji uniemożliwia atak odczynnika nukleofilowego od strony grupy tert-butylowej, a innej możliwości nie ma. Nu X Nu X Nu X metyl- etyl- izopropyl- neopentyl- tert-butyl X Rys..5. Wraz ze wzrostem zatłoczenia wokół centrum reakcji zmniejsza się możliwość dostępu cząsteczki nukleofilowej do atomu węgla związanego z grupą odchodzącą Nu Nu X 8
Inwersję konfiguracji towarzyszącą reakcji S N można obserwować mierząc skręcalność właściwą substratów i produktów. W trakcie hydrolizy (R)-(-)--bromooktanu powstaje - oktanol. Reakcja biegnie wg mechanizmu S N, co wynika z kinetyki: v = k[okt]. [O - ]. Enancjomery -oktanolu mają tę samą tt. i tw., to samo widmo NMR i IR w środowisku achiralnym, różnią się natomiast znakiem skręcalności właściwej [α]. Wartość [α] wynosi -9,9 o i 9,9 o, odpowiednio dla enancjomerów (R) i (S). 6 NaO S N 6 O (R)--bromooktan ([α] = -,6 o ) (S)-oktan--ol ([α] = 9,9 o ) Tworzenie się z (R)-(-)--bromooktanu enancjomeru (S)-(+)--oktanolu jest dowodem istnienia zjawiska inwersji konfiguracji. Wpływ rozpuszczalnika na reakcję S N Środowisko, najczęściej rozpuszczalnik, ma ogromny wpływ na większość reakcji, również na reakcję S N. Reakcję utrudniają rozpuszczalniki protyczne, czyli takie, które posiadają ruchliwe protony, np. woda, alkohole czy aminy. Solwatują (osłaniają) one cząsteczki nukleofila, utrudniając mu tym samym zbliżenie się miejsca reaktywnego w cząsteczce R-X. RO OR :Nu OR OR Nukleofil solwatowany przez cząsteczki protycznego rozpuszczalnika jest nie tylko mniej aktywny, ale i większy, przez co trudniej mu podejść do drugiego reagenta. Z tego samego powodu nukleofile o większych rozmiarach (w parach S - i O - lub - i F - ) są aktywniejsze w reakcjach S N, ponieważ im mniejszy promień jonu tym silniej jest on solwatowany przez cząsteczki protycznego rozpuszczalnika. Natomiast polarne rozpuszczalniki aprotyczne ułatwiają reakcje S N zwiększając jego aktywność, ponieważ solwatują one kation, a nie anion (nukleofil), przez co taki nagi anion jest bardziej ruchliwy (aktywny), ma mniejsze rozmiary, czyli łatwiej mu dostać się do miejsca reaktywnego cząsteczki organicznej. Rys..6. ząsteczki aprotycznego rozpuszczalnika polarnego solwatują kation przez co nagi nukleofil (towarzyszący anion) jest bardziej reaktywny S S O: S O.. : O K+ O:.. : O O S S S Do rozpuszczalników aprotycznych należą: acetonitryl ( N), dimetyloformamid [( ) NO, DMF], sulfotlenek dimetylu [( ) SO, DMSO] czy heksametylofosforotriamid {[( ) N] PO, MPA}. Ten ostatni okazał się być kancerogenny i teratogenny, więc należy go stosować z odpowiednią ostrożnością. Wysoka polarność rozpuszczalników jest potrzebna do rozpuszczenia polarnych reagentów. Z poniższego diagramu widać jak zwiększa się szybkość reakcji S N w aprotycznych rozpuszczalnikach polarnych na przykładzie reakcji. 9
rozpuszczalnik n-bu + N - n-bun + - rozpuszczalnik: O O DMSO DMF N MPA względna reaktywność 7 00 800 5000. 0 5 Wartości stałej dielektrycznej popularnych rozpuszczalników Tabela.. Rozpuszczalnik Wzór Stała 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 zależności w reakcjach S N Reakcję S N ułatwia: brak zawady przestrzennej reagenta organicznego; duża reaktywność odczynnika nukleofilowego; podatność grupy opuszczającej na odłączenie się od atomu ; wysoka polarność rozpuszczalników aprotycznych R e a k c j e S N Szybkość reakcji typu S N nie zależy od stężenia odczynnika nukleofilowego, biegnie zatem ona zgodnie z kinetyką pierwszego rzędu: V = k. [RX] Przykładem takiej reakcji jest hydroliza bromku t-butylu w wodzie: ( ) - + O ( ) -O + Różnice w kinetyce reakcji hydrolizy bromku n-butylu i t-butylu wynikają z odmiennego mechanizmu obu reakcji. Jak wiadomo halogenki t-butylowe z uwagi na dużą objętość o grupy alkilowej są odporne na atak nukleofilowy, natomiast znacznie łatwiej niż halogenki o ulegają dysocjacji z utworzeniem karbokationu. Karbokation w reakcji z cząsteczką wody zostaje szybko przekształcony w alkohol: - - O ( ) - ( ) + ( ) -O + + wolno szybko Karbokationy o są trwalsze niż o, a te z kolei przewyższają trwałością kationy o. Z tego powodu karbokationy o tworzą się najłatwiej. alogenki o nie ulegają reakcjom S N, a o tylko częściowo. Ponieważ jednak dysocjacja wiązania X nawet dla halogenków o wymaga 0
dużej energii aktywacji (Rys..6) oderwanie się jonu halogenkowego jest procesem wolnym i w reakcjach S N stanowi najwolniejszy etap reakcji; decyduje on o szybkości całej reakcji! Szybkość powstawanie kabokationu zależy w danych warunkach tylko od stężenia halogenku alkilu, tym samym od jego stężenia zależy szybkość całej reakcji. O t-bul t-buo energia potencjalna etap etap etap TS() TS() E akt () E akt () tert-bu + + l - + O TS() E akt () tert-bul + O tert-buo + + O tert-buo + + O + l - Rys..7. Diagram zmiany energii w reakcji S N. Energia aktywacji pierwszego etapu reakcji, czyli tworzenia karbokationu jest znacznie większa niż energia aktywacji reakcji pomiędzy karbokationem i wodą Szybkość reakcji wieloetapowej jest zależna od najwolniejszego etapu reakcji. Ten najwolniejszy etap reakcji decyduje o szybkości całej reakcji, podobnie jak najwęższa zwężka w wielokomorowej klepsydrze decyduje o szybkości przesypującego się piasku : Mechanizm reakcji hydrolizy bromku t-butylu jest następujący: + + - + wolno szybko - O O +.. bromek t-butylu O.. t-butanol Produktem pośrednim w procesie hydrolizy o halogenku alkilowego jest płaski karbokation hybrydyzacja atomu sp. ząsteczka wody może przyłączyć się do niego z jednej lub z drugiej strony. Wobec czego powstaje mieszanina enancjomerów (R) i (S), często w stosunku :, niezależnie od tego jaką konfigurację miał substrat. Zjawisko towarzyszące reakcji, w której z jednego enancjomeru tworzy się mieszanina enancjomerów (R) i (S) nazywa się racemizacją, a mieszanina 50% enancjomeru (R) i 50% (S) nazywa się racematem. Racemat jest optycznie nieczynny; zwykle różni się temperaturą topnienia i innymi właściwościami fizycznymi od enancjomerów.
chiralny substrat X + Nu - - X - dysocjacja - + - Nu Nu Nu Nu inwersja konfiguracji płaski karbokation retencja konfiguracji Rys.8. Powstawanie przejściowo płaskiego karbokationu w reakcji S N prowadzi do racemizacji Tylko te halogenki alkilowe, które są zdolne utworzyć płaski karbokation mogą reagować wg mechanizmu S N. Są znane halogenki niepodatne reakcje S N ani na S N. Należą do nich o pochodne cykliczne, np. -bromobicyklo[,,]oktan, który jako o jest nieaktywny w reakcjach S N, a ponieważ nie może utworzyć płaskiego karbokationu nie reaguje zgodnie z mechanizmem S N : Zdarza się jednak, że w reakcjach S N racemizacja nie jest całkowita, dochodzi tylko do częściowej inwersji konfiguracji. Jest ona spowodowana atakiem odczynnika nukleofilowego zanim nastąpi całkowite oddysocjowanie anionu. Nukleofil w takim przypadku atakuje tworzący się karbokation z przeciwnej strony do odchodzącego anionu, podobnie jak w trakcie reakcji S N. Opuszczający anion utrudnia nukleofilowi zbliżenie się do karbokationu z tej samej strony. W reakcji hydrolizy (R)-6-chloro-,6-dimetylooktanu obserwuje się 0% inwersję konfiguracji. 5 ( ) ( ) l - l EtO/O 5 ( ) ( ) O 0% (R),6-dimetylooktan-6-ol (R)-6-chloro-,6-dimetylooktan O 5 ( ) ( ) 60% (S) Rys..9. ydroliza (R)-6-chloro-,6-dimetylooktanu prowadzi do produktu częściowo zracemizowanego. Dodatek etanolu ułatwia rozpuszczenie substratu
R R' R'' l O EtO para jonowa solwatowany karbokation R' R + + R - R' l.. -.... O O O...... l R'' R'' produkt inwersji konfiguracji O R R' R'' O R R' R'' R R' + R'' O produkt retencji konfiguracji Wpływ rozpuszczalnika na reakcję S N Rozpuszczalnik ma duży wpływ na szybkość reakcji S N. Może on ułatwiać dysocjację halogenku alkilowego i stabilizować karbokation. Wpływa więc na pierwszy etap reakcji, tj. stan przejściowy. Rozpuszczalniki polarne, przede wszystkim protyczne solwatując jony sprzyjają reakcjom S N. Do tego typu rozpuszczalników należą alkohole, kwas mrówkowy i woda. Najkorzystniejszym rozpuszczalnikiem dla S N jest woda, jednak wiele substratów organicznych nie rozpuszcza się w niej. Dodatek rozpuszczalników organicznych ułatwia rozpuszczanie reagentów organicznych, ale zwykle obniża szybkość reakcji. Ọ :... O.. +.... O Rys..9. ząsteczki polarnego rozpuszczalnika stabilizują karbokation poprzez jego solwatację Ȯ. : Wpływ grupy odchodzącej Podobnie jak w reakcjach S N reaktywność substratu zależy od właściwości grupy odchodzącej. Podobny jest też szereg reaktywności, najbardziej aktywne są tosylany: O l - < - < I - < < TosO - Wpływ budowy substratu Struktury reszty organicznej stabilizujące karbokation ułatwiają reakcje S N. Wzrost rzędowości karbokationu wpływa na jego trwałość, dlatego trzeciorzędowe pochodne najłatwiej ulegają reakcjom S N, o trudniej, a o są w tego typu reakcjach nieaktywne. Duży wpływ na stabilizację karbokationu ma mezomeria, szczególnie obecność podwójnego wiązania w położeniu β, tzw. układ allilowy. Ułatwienie reakcji S N obserwuje się nie tylko dla halogenków allilowych ( o czy o ), ale również dla benzylowych. + + : Ọ... : O stabilizacja kationu allilowego
+ + + + stabilizacja kationu benzylowego Wiązania -X w halogenkach allilowych i benzylowych są osłabione w porównaniu do wiązania, np. w halogenku etylu: l = l l energia wiązania [kj/mol] 8 89 9 X [kcal/mol] 8 69 70 Obie grupy związków są również bardzo reaktywne w reakcjach biegnących mechanizmem S N, tak więc szybkość reakcji substytucji nukleofilowej halogenków allilowych czy benzylowych jest sumą szybkości obu reakcji S N i S N. Jest to przyczyną wysokiej reaktywności tych związków. Wpływ nukleofilu Nukleofil ma niewielki wpływ na szybkość reakcji S N, ponieważ nie bierze udziału w najwolniejszym etapie reakcji. Po utworzeniu karbokationu jego reakcja z nukleofilem biegnie szybko i nie wpływa na sumaryczną szybkość reakcji. alogenowodory (l, lub I) reagują z taką samą szybkością z t-butanolem: ( ) -O + X ( ) -X + O t-butanol halogenek t-butylu (X: l, lub I) Porównanie reakcji biegnących mechanizmem S N i S N Substratami reakcji S N są związki organiczne tworzące stabilne karbokationy, np. halogenki o, allilowe czy benzylowe; Reakcję S N ułatwiają protyczne rozpuszczalniki polarne (solwatują aniony i kationy); Odczynniki nukleofilowe nie wpływają na szybkość reakcji S N ; Solwoliza halogenków alkilowych jest przykładem reakcji biegnącej wg kinetyki S N. Nawet jeżeli substratem nie jest halogenek o to stężenie rozpuszczalnika użytego w dużym nadmiarze jest w trakcie reakcji stałe i jego wpływ na szybkość reakcji zawiera się w stałej szybkości: v = k[rx] Szybkość reakcji maleje wraz ze wzrostem rzędowości: -X < R -X << R -X Substraty reakcji S N nie mogą mieć zawad sterycznych; Reakcję S N ułatwiają polarne rozpuszczalniki aprotyczne, a podwyższenie stężenia odczynnika nukleofilowego zwiększa szybkość reakcji; Efekt grupy odchodzącej jest taki sam w obu reakcjach: R-OTos > R-I > R- > R-l >> R-F