Substytucja nukleofilowa

Substytucja nukleofilowa

Katarzyna Ostrowska

Reakcja podstawienia nukleofilowego polega na wymianie grupy X związanej z atomem węgla na odczynnik nukleofilowy Nu. Podstawnikiem X jest przeważnie grupa elektronoakceptorowa, która polaryzuje wiązanie C-X a następnie odchodzi z parą elektronową.

.

+

X = -Cl, -Br, -I, -OSO

₃

H, -OH

₂

, -OHR, -NR

₃

+ + +

_

_ _ _

Nu : + R X R Nu + X

:

-

Odczynnikami nukleofilowymi są obojętne cząsteczki z wolnymi parami elektronowymi lub aniony, na przykład:

Nu = Cl , Br , I , HO , RO , ArO , HS , N=C ,

H-O-H, R-O-H, NH

₃

, NH

₂

R , NHR

₂

- - - - - - - -

I_ _ I _ _

_ _

_ _

_ _

_ _

_ _ _ _

_ _ _ _

_ _ _ _

_ _ _ _ _

_ _

_ _ _

_

_ _ _ _ _ _ _

I I I I I I I I I _ I

Przykłady reakcji substytucji nukleofilowej:

R X OH

^-

R OH + X

^- hydroliza alkaliczna

OR

₁^-

R O R

₁

+ X

^- synteza eterów Williamsona nadmiar NH₃

R NH

₂

_

synteza amin

HC C : - R C CH

synteza alkinów

R OH HX R X + H

₂

O

synteza halogenków

alkilowych

Ze względu na liczbę z cząsteczek biorących udział w stadium decydującym o szybkości reakcji można wyróżnić dwa skrajne mechanizmy reakcji:

a) jednocząsteczkowe podstawienie nukleofilowe SN1 b) dwucząsteczkowe podstawienie nukleofilowe SN2

W przypadku reakcji SN1 podstawienie przebiega dwuetapowo. W pierwszym odwracalnym i najwolniejszym etapie następuje rozerwanie wiązania C-X z wytworzeniem płaskiego karbokationu. Od jego stabilności zależy szereg reaktywności substratów. Trwałość karbokationów zależy od rzędowości atomu węgla. (3° > 2° > 1° >CH3X ).

__ X

powoli

R

R

R R

R R

1

2 1 2

3

3

+

Drugi etap polega na ataku odczynnika nukleofilowego Nu na atom węgla o hybrydyzacji sp2 i utworzeniu wiązania nukleofil-węgiel. Ze względu na jednakowe prawdopodobieństwo ataku wynikające z płaskiej budowy karbokationu, uzyskuje się mieszaninę racemiczną produktów reakcji.

R R R

1

3 2

+ I Nu

b

a

wolny orbital p R

R

R __

Nu R

R R __

Nu

1

1 2

2 3

3

Powstaje większa ilość produktu o konfiguracji odwróconej w stosunku do substratu

Powstaje mniejsza ilość produktu o konfiguracji substratu

Reakcja podstawienia dwucząsteczkowego SN2 przebiega jednoetapowo. Zrywanie i tworzenie wiązań zachodzi równocześnie w sposób ciągły. Odczynnik nukleofilowy zbliża się do spolaryzowanej cząsteczki RX od strony przeciwnej do tej, którą zajmuje podstawnik X. W trakcie zbliżania się reagenta Nu zostaje osiągnięty stan przejściowy, w którym nukleofil nie jest jeszcze w pełni związany z atomem węgla , a podstawnik X nie jest jeszcze całkowicie oderwany. Reakcja zachodzi z inwersją konfiguracji tzn. w wyniku podstawienia powstaje analogiczna cząsteczka będąca odbiciem lustrzanym związku wyjściowego.

X Nu

stan przejściowy

X Nu + X

^-

Nu +

Innym przykładem reakcji substytucji nukleofilowej jest reakcja zachodząca na atomie węgla o hybrydyzacji sp². Ulegają jej pochodne kwasów karboksylowych (kwasy, chlorki kwasowe, estry, bezwodniki) z zasadami. Przebiega ona przez dwa odwracalne etapy : addycję i eliminację. W pierwszym etapie odczynnik nukleofilowy atakuje atom węgla grupy karbonylowej. Następnie powstały tetraedryczny produkt pośredni ulega rozkładowi z wydzieleniem jonu X- ( X=

NH2,OH, OR, OH).

eliminacja _ -

addycja δ−

δ+ + +

C

R X

|O|

-|Nu R C X

Nu

|O|

C O

R Nu

|X-

Dodanie mocnych kwasów znacznie przyspiesza powyższe reakcje. Proton H⊕ zostaje przyłączony do atomu tlenu zwiększając tym samym polaryzację wiązania podwójnego i podatność atomu węgla grupy karbonylowej na atak nukleofilowy. Reakcja przebiega zgodnie z mechanizmem:

1) protonowanie

| +

+

|O|

C

R X

H+ C

O H

R X

2) addycja-eliminacja

+ +

+ |

| _

+

| _ +

+| C O

R X

H

|NuH R C X

O H

Nu H

R C XH

Nu O

H

C O

R Nu

H

XH

3) deprotonacja

+

| + |

| C O

H

R Nu

C O

R Nu H+

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

RC O

OR¹ + HO H

RC O

OR^{1 +} RCOO H

RC O

OR^{1 +} Cl H

RC O

OR^{1 +} R²O H R¹O H

RC O

OH, H

RC O

O CR O

RC O

Cl

RC O

OR²

Benzoesan 2-naftylu

+ COCl NaO

C O O

Odczynniki:

2-naftol 1,8 g (0,0125 m)

Wodorotlenek sodu 0,5 g rozpuszczony w 10 cm³ wody chlorek benzoilu 1,8 g (1,5 cm³,0,013 m)

etanol Aparatura:

zlewka o poj. 100 cm³

erlenmajerka z korkiem o poj. 50 cm³ zestaw do sączenia

zestaw do krystalizacji

Dokładnie rozdrobniony 2-naftol rozpuszcza się na zimno w przygotowanym wcześniej roztworze wodorotlenku sodu, jeśli potrzeba, dodaje się nieco więcej wody. Jeśli roztwór jest silnie zabarwiony, dodaje się 0,5 g węgla aktywnego i sączy zimny roztwór przez sączek z twardej bibuły. Roztwór wlewa się do kolby stożkowej o poj. 50 cm³ i dodaje się chlorek benzoilu. Szczelnie zakorkowaną kolbę wstrząsa się energicznie przez 20 min, do zaniku zapachu chlorku benzoilu. Stały produkt odsącza się na lejku Büchnera i przemywa niewielką ilością zimnej wody. Surowy ester krystalizuje się z etanolu. Wydzielony, krystaliczny osad suszy się na powietrzu.

Otrzymuje się 2,5 g produktu o tt. 110 oC.

Uwaga: Reakcję należy prowadzić pod wyciągiem. Operacje z silnie drażniącym chlorkiem benzoilu należy wykonywać w gumowych rękawiczkach ochronnych.

Kwas acetylosalicylowy (Aspiryna)

+ OH

COOH

(CH3CO)2O

OCOCH3

COOH

Odczynniki:

kwas salicylowy 2,5 g (0,018 m) bezwodnik octowy 4 g (3,7 cm³, 0,039 m) kwas siarkowy(VI) stęż. 5 kropli

etanol.

Aparatura:

erlenmajerka o poj. 50 cm³ łaźnia olejowa

mieszadło magnetyczne z temoregulacją termometr

zlewka o poj. 150 cm³ zestaw do sączenia zestaw do krystalizacji

Do erlenmajerki o poj. 50 cm³ umieszczonej w łaźni olejowej na mieszadle magnetycznym, wprowadza się kwas salicylowy, bezwodnik octowy i kwas siarkowy(VI). Zawartość kolby ogrzewa się ją do temp. 60 oC ciągle mieszając, do momentu pojawienia się kryształków produktu (około 20 min). Następnie mieszaninę pozostawia się do ostygnięcia . Po

ostudzeniu ciecz wylewa się do 40 cm³ wody, dobrze miesza i odsącza wydzielony produkt. Krystalizuje się z rozc.

etanolu (4 objętość wody : 1 objętości EtOH). Otrzymuje się 3 g (98% wydajności teoretycznej) o tt. 135 oC.

Uwaga: Bezwodnik octowy jest cieczą o własnościach silnie parzących i łzawiących. Pracę należy wykonywać pod wyciągiem.

Chlorek tert-butylu

+ + H3C C OH

CH3 CH3

HCl H3C C

CH3 CH3

Cl H2O

Odczynniki:

tert-butanol 12,5 g (16,5 cm³, 0,17 m)) kwas chlorowodorowy stęż. 50 cm³ (0,6 m)

5 % roztw. wodorowęglanu sodu 10 cm³ bezw. chlorek wapnia

Aparatura:

rozdzielacz o poj. 150 cm³

erlenmajerka z korkiem o poj. 150 cm³ zlewka o poj. 150 cm³

W rozdzielaczu o poj. 150 cm³ umieszcza się tert-butanol i 40 cm³ stężonego kwasu solnego. Zawartość rozdzielacza wstrząsa się energicznie i pozostawia na kilka minut. Czynność tę powtarza się kilkakrotnie w ciągu około 20 min. Po każdym wstrząsaniu należy na chwilę otworzyć kurek rozdzielacza. Następnie oddziela się dolną warstwę, do rozdzielacza dodaje się 10 cm³ stężonego kwasu chlorowodorowego, kilkakrotnie wstrząsa i pozostawia do rozwarstwienia. Warstwę dolną ponownie oddziela się, a górną przemywa kolejno 10 cm³ wody, 10 cm³ 5% roztworu wodorowęglanu sodu i suszy bezw. chlorkiem wapnia. Po odsączeniu od czynnika suszącego produkt destyluje się z kolby okrągłodennej zaopatrzonej w deflegmator, zbierając frakcję wrzącą w temp. 49-51 oC.

Wydajność 14,5 g (90%)

Uwaga: Pracę należy wykonywać w gumowych rękawiczkach ochronnych pod wyciągiem.

Acetanilid

NH2 + (CH3CO)2O NHCOCH3

Odczynniki:

anilina 5,1 g (5 cm³, d = 1.022 g/cm³, 0,055 m) bezwodnik kwasu octowego 5,4 g (5 cm³, 0,053 m)

kwas octowy lodowaty 5,2 g (5 cm³, 0,087 m) pył cynkowy ok. 100 mg

Aparatura:

kolba okrągłodenna o poj. 100 cm³ chłodnica zwrotna

zlewka 250 cm³ łaźnia lodowa zestaw do sączenia zestaw do krystalizacji

W kolbie kulistej o poj. 100 cm³, zaopatrzonej w chłodnicę zwrotną, umieszcza się anilinę, bezwodnik octowy, lodowaty kwas octowy i szczyptę pyłu cynkowego. Mieszaninę ogrzewa się łagodnie do wrzenia w ciągu 30 min, a następnie gorącą ciecz wylewa się cienkim strumieniem do zlewki o poj. 250 cm³, zawierającej 150 cm³ zimnej wody,

przy czym zawartość zlewki należy stale mieszać. Po oziębieniu (korzystne jest chłodzenie w lodzie) surowy produkt odsącza się pod zmniejszonym ciśnieniem, przemywa niewielką ilością zimnej wody, dobrze odciska. Otrzymuje się 7,5 g acetanilidu o tt. 113 oC. Po krystalizacji z ok. 100 cm³ wody z dodatkiem 2,5 cm³ etanolu otrzymuje się 5 g czystego związku o tt. 114 oC.

Uwaga: Praca z substancjami toksycznymi. Praca pod wyciągiem w rękawicach ochronnych.