„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2019/2020

16 i 17. Substytucja nukleofilowa w halogenkach alkili

polarne wiązanie elektroujemny atom

sp³

Związki pojadające wiązanie C (sp³)-atom o większej elektroujemności od at. C

nukleofil (Nu)

wg mechanizmu S_N2 lub S_N1

1. Typowe reakcje halogenków alkili

Nu reaguje z at. C

X^-= grupa odchodząca

wg mechanizmu E2 lub E1 Nu pełni rolę zasady

i odrywa H+

Ustalenia eksperymentalne

1. Zależność szybkości reakcji od stężenia obu reagentów, szybkość reakcji = k [RX] [Nu]

2. Spadek szybkości reakcji wraz ze wzrostem rozmiaru grupy alkilowej w wyjściowym halogenku

2. Dwucząsteczkowa substytucja nukleofilowa (S

2)

3. Powstawanie jednego produktu z halogenku czynnego optycznie. W wyniku reakcji ułożenie przestrzenne wiązań wokół asymetrycznego atomu węgla ulega odwróceniu (tzw. inwersja Waldena; jak parasol na wietrze). W przeważającej części przypadków (ale nie zawsze) konfiguracja absolutna produktu jest odwrotna w stosunku do konfiguracji wyjściowego halogenku (Ostrzeżenie: uważać na hierarchię podstawników w produkcie, kiedy określa się jego konfigurację absolutną; nie zawsze jest w przeciwna do konfiguracji substratu)

ale

obydwa reagenty tworzą stan przejściowy

2.1. Mechanizm reakcji S

2

grupa odchodząca

Reguła

grupa odchodząca, tym łatwiej

2.2. Wpływ grupy odchodzącej na przebieg reakcji S

2

odchodzi, im słabszą jest zasadą

1. Wzrost nukleofilowości z prawa na lewo w okresie układu okresowego bo wzrost zasadowości.

2. Wzrost nukleofilowości z góry na dół w grupie układu okresowego (bo wzrost labilności elektronów walencyjnych wraz ze wzrostem rozmiaru atomu).

3. Zasada rozbudowana przestrzenie jest słabym nukleofilem, chętniej działa jako zasada. Rozbudowanie przestrzenne nie pozwala na zbliżenie się zasady do at. C na odległość wymaganą do utworzenia wiązania chemicznego.

2.3. Wpływ nukleofila na przebieg reakcji S

2

nukleofil

•Właściwości zasadowe nukleofila (zasadowość) – zdolność do wiązania protonu.

•Właściwości nukleofilowe nukleofila (nukleofilowość) – zdolność do związania się z elektrofilem.

Ad. 1 Ad. 2 Ad. 3

4. Zasada jest lepszym nukleofilem niż kwas z nią sprzężony.

rozpuszczalnik aprotonowy

• solwatuje kation – ułatwia działanie anionu w roli nukleofila

• dobrze rozpuszcza sole nieorganiczne

2.4. Wpływ rozpuszczalnika na przebieg reakcji S

2

K H₃C

S CH₃ O

H₃C S CH₃ O

CH₃ S

CH₃ H₃C O

S H₃C

O

• dobrze rozpuszcza sole nieorganiczne (np. NaHS, NaNH₂, NaN₃, KCN)

rozpuszczalnik protonowy (alkohol, woda, kwas karboksylowy)

• solwatuje anion, utrudnia jego działanie w roli nukleofila

I H₃C O

H

CH₃ O H

O CH₃ H

H₃C O H

2.5. Wykorzystanie reakcji S

2

* z wyjątkiem (CH₃)₃CO¯K⁺, kiedy powstaje alken

Ustalenia eksperymentalne

1. Zależność szybkości reakcji od stężenia halogenku, szybkość reakcji = k [RX]

2. Halogenki 3° reagują dobrze, a 1° nie reagują, a 2° reagują w zależności od budowy grupy alkilowej 3. Powstawanie racematu z halogenku czynnego optycznie

3. Jednocząsteczkowa substytucja nukleofilowa (S

1)

racemat

etap limitujący szybkość reakcji (jednocząsteczkowy, tzn. bierze w nim udział tylko jeden reagent, halogenek)

trwały (3°) karbokation

3.1. Mechanizm reakcji S

1

halogenek czynny optycznie daje racemiczny* produkt

Reguła (taka sama jak w S_N2) grupa odchodząca tym łatwiej

odchodzi, im słabszą jest zasadą najbardziej reaktywny

nie reaguje

3.2. Wpływ rodzaju halogenu i nukleofila na przebieg reakcji S

1

Wpływ rodzaju halogenu

słaby nukleofil (np. H₂O, ROH) – pełni też rolę rozpuszczalnika (reakcje solwolizy: np., hydroliza, kiedy Nu = H₂O)

Użycie nukleofila anionowego skutkuje eliminacją halogenku Wpływ nukleofila

słaby nukleofil (solwoliza) – S_N1 mocny nukleofil (anion) – S_N2

słaby nukleofil (solwoliza) – S_N1 mocny nukleofil (anion) – eliminacja

1° 2° 1° 2° 3° 3°

Ar C H H

X Ar C

R H

X Ar C

R R

X

4. Reakcja S

z udziałem halogenków allilowych i benzylowych

halogenki allilowe halogenki benzylowe halogenki allilowe

halogenki benzylowe S_N2

S_N2 S_N1

5. Wewnątrzcząsteczkowa reakcja S

– otrzymywanie oksiranów

oksiran

nadkwas można generować in situ, stosując

Nazewnictwo oksiranów na stronie www KChO, „Nazewnictwo wybranych klas związków organicznych”, cz. 9 „Etery”, str.

12-13. Nazewnictwo dwufunkcyjnych oksiranów, p. slajd 26.

S_N1, 3° halogenek alkilu

S_N1, 3° halogenek alkilu

Me = -CH₃ Et = -CH₂CH₃

n-Pr = -CH₂CH₂CH₃

6. Typowanie przebiegu reakcji - przykłady

S_N2, 2° halogenek alkilu

S_N2, 2° halogenek benzylu, mocny nukleofil w dużym stężeniu

S_N1, 2° halogenek benzylu, słaby nukleofil

6.-cd. Typowanie przebiegu reakcji - przykłady

S_N2, 2° halogenek alilu, mocny nukleofil w dużym stężeniu

S_N1, 2° halogenek allilu, słaby nukleofil

Która reakcja zajdzie szybciej, jeśli zwiększymy stężenia nukleofila?

S_N2, 1° halogenek alkilu 1

7. Typowanie wpływu stężenia reagenta na przebieg reakcji - przykłady

S_N1, 3° halogenek alkilu, solwoliza 2

Wniosek

Wzrost stężenia nukleofila przyspieszy reakcję nr 1 Stężenie nukleofila na znaczenie w reakcji S_N2, jego wzrost powoduje wzrost szybkości reakcji

UZUPEŁNIENIE

Mnemotechniczne podejście do zagadnień chemii organicznej

Łatwiej zapamiętać, kiedy się skojarzy

Adres obrazka

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/thumb/d/df/Plastic_BMX_bicycle_wheel.JPG/800px-Plastic_BMX_bicycle_wheel.JPG

Przykłady reakcji S

2, w których nie następuje zmiana konfiguracji absolutnej produktu w stosunku do konfiguracji substratu

(ku przestrodze)

Odwrócenie ułożenia przestrzennego wiązań wokół asymetrycznego atomu węgla skutkujące odwróceniem konfiguracji absolutnej.

Odwrócenie ułożenia przestrzennego wiązań wokół asymetrycznego atomu węgla nie skutkujące Odwrócenie ułożenia przestrzennego wiązań wokół asymetrycznego atomu węgla nie skutkujące odwróceniem konfiguracji absolutnej.

Ważna cecha reakcji S_N2 S_N1

mechanizm jednoetapowy dwuetapowy

etap limitujący szybkość reakcji dwucząsteczkowy jednocząsteczkowy

szybkość reakcji kontrolowana przez zatłoczenie steryczne na at. C trwałość karbokationu konfiguracja produktu odwrotna względem konfiguracji substratu racemat

reaktywność halogenku ze względu na

rodzaj gr. odchodzącej RI > RBr > RCl > RF RI > RBr > RCl > RF moc nukleofila, a szybkość reakcji im mocniejszy nukleofil, tym reakcja zachodzi szybciej nie ma wpływu stężenie nukleofila, a szybkość reakcji im większe, tym reakcja zachodzi szybciej nie ma wpływu

Reakcja S

– podsumowanie informacji nt przebiegu reakcji

Informacje ogólne

stężenie nukleofila, a szybkość reakcji im większe, tym reakcja zachodzi szybciej nie ma wpływu

typ rozpuszczalnika aprotonowy protonowy

Czynniki sprzyjające reakcji S_N1 lub S_N2

Przykład kompletnej porażki syntetycznej

Halogenek Reakcja

S_N2 S_N1

metylu T

alkilu 1° T

2° T

alkilu

benzylu 3°

T T

Reakcja S

– podsumowanie informacji nt reaktywności halogenków alkili

benzylu allilu

3° T

T benzylu

allilu

1° T T

2° T T

T = reaguje

silny nukleofil w wysokim stężeniu;

RO ¯, OH ¯, RCO₂ ¯, CN ¯, N₃ ¯, RS ¯, SH¯

słaby nukleofil (solwoliza); ROH, H₂O, RCO₂H O przebiegu reakcji decyduje:

stężenie nukleofila reaktywność nukleofila rodzaj rozpuszczalnika