4. Organiczne związki fluorowców

4. Organiczne związki fluorowców

Chlorowcopochodne - nazewnictwo

Ogólnie zapisywane jako R-X, nomenklatura – dwie możliwości: jako chlorowcoalkan (chlorowiec jako podstawnik) lub halogenek alkilu, np.:

Cl

F

F

F F

F

Cl Cl F

Nazwać związki:

dichlorometan

trans-1,4-dibromocykloheksan perfluorobenzen

Chlorowcopochodne – właściwości fizyczne

1. Tw rośnie ze wzrostem masy atomowej halogenowca oraz masy cząsteczkowej fragmentu organicznego.

2. Moment dipolowy jest niewielki (< 2) i nieregularnie maleje ze wzrostem masy atomowej halogenowca. Oddziaływania

międzycząsteczkowe są słabe i mają charakter dipol-dipol.

Uwaga: efekt indukcyjny może być dodatkowo wzmacniany lub osłabiany przez efekt mezomeryczny (inaczej rezonansowy) – spowodowany

delokalizacją elektronów, co jest opisywane więcej niż jedną strukturą (tylko formalnie !), np.:

Chlorowcopochodne – właściwości fizyczne

3. Gęstość często większa od wody (> 1 g/ml) ! 4. Nie rozpuszczają się w wodzie.

Halogenopochodne są dobrymi uniwersalnymi rozpuszczalnikami dla większości związków organicznych. Mają umiarkowane temperatury wrzenia.

Reakcje związków organicznych

1. Addycja (przyłączenie)

2. Eliminacja

3. Podstawienie (substytucja)

R-X + Y → R-Y + X 4. Przegrupowanie, izomeryzacja

Nukleofil – cząsteczka lub jon ujemny, która w procesie powstawania wiązania dostarcza parę elektronową tworzącą nowe wiązanie.

Elektrofil – cząsteczka lub jon dodatni, która w procesie powstawania wiązania wykorzystuje parę elektronową.

X Y X Y

+

X Y + X Y

Reaktywność

1. Podstawienie nukleofilowe (S_N)

Nu ( Nu) + R X

 

R Nu + X (X)

Nukleofile Produkty

OH^¯, H₂O alkohole

SH¯ tiole

CN¯ nitryle

NH₃ aminy

itd.

S

1, S

2

Br + CH₃COO

O + Br

O

H₃C Br + CH₃COO

O + Br O

S_N1 S_N2

Reakcja I rzędu (szybkość reakcji zależy od stężenie jednego składnika, najwolniejszy etap to reakcja jednocząsteczkowa)

Reakcja II rzędu (w stadium decydującym o szybkości biorą udział 2 cząsteczki)

R X ^powoli R + X

karbokation grupa

odchodząca

R + Nu ^szybko R-Nu

R X

 

Nu



Reakcja przebiega poprzez stan

przejściowy:

Podstawienie S

2

Postęp reakcji

S_N2

S_N1

Podstawienie S

2 względem S

1

Szybkość reakcji S_N2 zależy od następujących czynników:

- Struktura fragmentu alkilowego (przeszkoda steryczna)

Me >> I rz. >> II rz. >> III rz.

- Nukleofilowość grupy atakującej

CN¯, HS¯, RS¯, I¯, H¯ > OH¯, OR¯ > N₃¯, Br¯ > NH₃ > Cl¯, RCOO¯ > F¯ > H₂O > ROH > RCOOH

10⁸…………2 x 10⁶….6 x 10⁵..3 x 10⁵..2 x10⁴..500..100…1……0.01

Szybkość największa dla związków najmniej rozbudowanych sterycznie

Szybkość największa dla najlepszych nukleofili

Podstawienie S

2 względem S

1

Szybkość reakcji S_N2 zależy od następujących czynników:

- Rodzaj grupy opuszczającej (najsłabsze zasady, najlepiej stabilizują ładunek ujemny)

I¯ > Br¯ > Cl¯ > F¯ > OH¯ > OR¯ > NH₂¯ pK_b 23 22 21 11 -1,7 -2 -21

3 x 10⁴..10⁴…..200…….1………..0……….0………….0

- Rodzaj rozpuszczalnika

Rozpuszczalniki polarne ale nieprotonowe sprzyjają, natomiast protonowe nie sprzyjają reakcji S_N2.

Szybkość największa dla najsłabiej zasadowych grup opuszczających

S

1, karbokationy

Karbokationy o wyższej rzędowości są trwalsze !!!

Karbokationy sprzężone są trwalsze !!!

(sprzężenie ma znacznie silniejszy efekt niż rzędowość)

Karbokationy, podobnie jak rodniki, mają budowę płaską.

(hipersprzężenie)

(delokalizacja)

Struktury rezonansowe

Struktury rezonansowe opisują zjawisko delokalizacji elektronów.

Nie są rzeczywiste, faktyczna struktura elektronowa cząsteczki jest ich wypadkową (kombinacją liniową).

Struktury rezonansowe różnią się między sobą jedynie

rozmieszczeniem elektronów p (obitale typu p) lub elektronów niewiążących.

Konsekwencje stereochemiczne

Reakcja S

2 zachodzi z inwersją konfiguracji !!!

Produktem reakcji S

1 jest mieszanina racemiczna !!!

enancjomer substratu

inwersja konfiguracji retencja konfiguracji

Eliminacja

Odczynniki nukleofilowe często są silnymi zasadami zdolnymi do

oderwania protonu z cząsteczki związki organicznego. Efektem jest nie podstawienie ale eliminacja HNu (HB) i utworzenie wiązania podwójnego.

Np.:

80%

Warunek: proton w pozycji a !!!

Eliminacja może zachodzić wg mechanizmu E1 lub E2.

E1

C C X

H wolno

C C H

+ X

B E1

+ BH

Konkurencją dla eliminacji może oczywiście być

produkt substytucji.

C C

B

H

E2

Eliminacja E2 jest typu „anti”

H H

X X

B B

Grupy odchodzące zajmują położenia maksymalnie oddalone od siebie – antiperiplanarne.

Ma to określone konsekwencje stereochemiczne.

Stereochemia E2

(2S,3S)-2-bromo-3-fenylobutan  (E)-2-fenylo-2-buten

(2S,3R)-2-bromo-3-fenylobutan  (Z)-2-fenylo-2-buten

Reakcja jest stereospecyficzna – z konkretnego stereoizomeru substratu powstaje konkretny stereoizomer produktu.

Reguła Zajcewa

W reakcjach eliminacji uprzywilejowane jest powstawanie alkenów zawierających więcej grup alkilowych przy podwójnym wiązaniu.

Występowanie w przyrodzie

Związki fluoroorganiczne praktycznie nie występują w przyrodzie.

Charakteryzują się znaczną odpornością metaboliczną, co spowodowane jest brakiem mechanizmów ewolucyjnych

dedykowanych zarówno ich syntezie, jak i transformacjom, a wyjątek stanowi fluorynaza (syntaza fluorku adenozylu), Streptomyces

cattleya.

Występowanie w przyrodzie

hormon tarczycy tyroksyna Rzadko…

Np. barwnik purpura tyryjska (6,6’-dibromoindygo)

Występowanie

Powszechnie otrzymywane i używane przez człowieka:

- chlorowcoalkany (chłodnictwo, rozpuszczalniki)

- polichlorowane bifenyle (płyny transformatorowe, hydrauliczne) - pestycydy chloroorganiczne

- farmaceutyki

W 2010 roku około 20% podawanych leków zawierało atomy fluoru lub grupy fluoroalkilowe, w ostatnich latach notowany jest trend wzrostu do około 30% wszystkich nowo zatwierdzonych leków.