Halogenoalkany 09

14 Pages • 1,746 Words • PDF • 232.3 KB
Uploaded at 2021-09-24 17:39

This document was submitted by our user and they confirm that they have the consent to share it. Assuming that you are writer or own the copyright of this document, report to us by using this DMCA report button.


Halogenoalkany R-X

X = halogen

Nazewnictwo: X w szkielecie alkanu CH3I

jodometan (jodek metylu) F Br H3C

CH3

CH3 2-bromo-2-metylopropan fluorocykloheksan (fluorek cykloheksylu) (bromek tert- butylu)

Rozpuszczalniki: CHCl3, CCl4, CH2Cl2 Halotan:CF3CHBrCl Własności fizyczne: polarność wiązania C-X ⇒ wyższe t.wrz. F→ Cl→ Br→ I

twrz.↑, M.W.↑, polaryzowalność ↑

Dł. wiązania

[Å]

D°[kcal/mol]

CH3F

1.38

110

CH3Cl

1.78

85

CH3Br

1.93

71

CH3I

2.14

57

Reakcje: podstawienie nukleofilowe (SN)

R





CH2

X

SN – reakcja polarna/ jonowa

Nu + R-X

R-Nu + X

Nu + R-X

[R-Nu] + X

nukleofil, elektrofil, grupa odchodząca

Nu: OH-, CH3O-, I-, CN-, CH3S-, NH3, P(CH3)3 Mechanizmy (podsumowanie):

SN OH

+

HC

Cl

C

OH

+ Cl

1

Dysocjacja: C

Cl

+ Cl

C

Addycja nukleofilowa: AN

+

HO

C

C

O

O

OH Addycja elektrofilowa: AE

E C

Eliminacja: E

C

E

+

C

C

X B C

+ HX

C

H

SN ∆ CH3Cl + NaOH → CH3OH + NaCl v = k [CH3Cl][OH-] Podstawienie nukleofilowe dwucząsteczkowe - SN2

Gdy substrat chiralny – (S)-2-bromobutan:

H

H I

H3C C2H5

Inwersja konfiguracji

C

Br

−δ

I

C

−δ

Br

H I

H3C C2H5

C

+ Br CH3 C2H5

S→R 2

SN2 – reakcja stereospecyficzna Reakcje stereospecyficzne – stereoizomeryczne substraty prowadzą do stereoizomerycznych produktów, których budowa zależy od budowy przestrzennej substratów.

H HS

H 3C C 2H 5

H C

Br

H3 C C6H13

C

Br

(R)- butano-2-tiol

H

I

HS

I CH3 C6H13

(S)-2-bromooktan

+ Br CH C 2H 5 3

(S)-2-bromobutan

H

HS

(R)-2-jodooktan

H H3 C C6H13

C

SH

(S)-2-oktanotiol

Reaktywność w reakcji SN2 zależy od: •

rodzaju grupy opuszczajacej;



reaktywności nukleofila;



struktury substratu.

Grupy opuszczające:

I > Br > Cl > F O H3CO

S O

O O

H 3C

S O

O

O O

F 3C

S

O

H 3C

O

S

O

O

Słabe zasady = dobre grupy opuszczajace Nukleofilowość: 1. Wzrost ładunku ujemnego – wzrost nukleofilowości:

3

szybko

CH3Cl + OH

CH3OH + Cl

b.wolno

CH3Cl + H2O

CH3OH2 + Cl

2. Nukleofilowość rośnie przy przechodzeniu w lewą stronę układu okresowego: szybko CH3CH 2Br + NH3 CH 3CH2NH3 + Br

CH3CH 2Br + H2O

b.wolno

H2N > HO > NH3 > F

CH3CH2OH2 + Br

> H 2O

Zasadowość nie zawsze skorelowana z nukleofilowością. Zasadowość – właściwość termodynamiczna:

K

AH + OH

A + H 2O

K = const

Nukleofilowość – właściwość kinetyczna:

Nu + R-X

k Nu-R + X

3. Nukleofilowość rośnie przy przechodzeniu w dół kolumn ukł. okresowego (odwrotnie niż zasadowość): O

CH3CH2CH2OSCH3

+ I

CH3OH szybko

CH3CH2CH2I + O3SCH3

O 4. Nukleofilowość małych anionów zmniejszana przez solwatację: Rozpuszczalniki

protyczne:

metanol,

etanol,

woda… Rozpuszczalniki aprotyczne: aceton, acetonitryl, DMF, DMSO, HMPA… vrel (CH3I + Cl- → CH3Cl + I-)

metanol formamid DMF

1 12.5 1 200 000

5. Rozbudowane przestrzennie Nu są gorszymi reagentami:

CH3I + CH3O

szybko

CH3I + (CH3)3CO

CH3OCH3 + I wolno CH3OC(CH3)3 + I 4

*

Struktura substratu:

Względna szybkość SN2: CH3 > 1° > 2° > 3° R-Br + J-

145 : 1 : 0.008 : ok. 0

Rozgałęzienie na C β: CH3CH2Br CH3CH2CH2Br (CH3)2CHCH2Br (CH3)3CCH2Br

vrel (R-Br + I-) 1 0.8 (gr. metylowa może ustawić się sc w stos. do L) 0.03 1.3 10-5

Solwoliza 3°° i 2°° halogenoalkanów:

SN2 - niskie v dla 2° i 3°

CH3 H3C

C

wzgl. szybko H 3C Br + H-OH

CH 3 C

OH

+ HBr

CH 3

CH3 wolniej:

CH3

CH 3 H 3C

C H

Br + H-OH

H 3C

C

OH

+ HBr

H 5

vrel. (+ H2O) 1 1 12 1.2 106

CH3Br CH3CH2Br (CH3)2CHBr (CH3)3CBr

→ inny mechanizm:

Jednocząsteczkowa substytucja nukleofilowa – SN1 Solwoliza – reakcja I rz., nie stereospecyficzna; odwrotny niż w SN2 szereg reaktywności. v = k[(CH3)3CBr]

Etap 1: Dysocjacja CH3 CH3 C

CH3 Br

+ Br

CH3 C

CH3

CH3

Etap 2: Atak nukleofilowy CH3 CH3

C

CH3

H

+

szybko

O

CH3

H

C O

H

H CH3

CH3

elektrofil

jon alkoksoniowy

Etap 3: Deprotonowanie CH3

+

CH3 C O H CH3

H

H O

CH3 CH3 C OH

H

+ H3 O

CH3

Wszystkie etapy odwracalne. Równowaga zależna od warunków reakcji – nadmiar nukleofilowego rozpuszczalnika → 100% solwolizy.

6

Stereochemiczne aspekty SN1:

Achiralna cząstka przejściowa ⇒ racemizacja Gdy słabsza grupa odchodząca – blokada dostępu nukleofila ⇒ niepełna racemizacja. Czynniki wpływające na SN1: •

Polarne rozpuszczalniki przyspieszają SN1:

Heterolityczny rozpad wiązania ułatwia polarny rozpuszczalnik.

(CH3)3CBr

90%propanon/10%woda

100% woda

(CH3)3CBr •

(CH3)3COH + HBr

v=1

(CH3)3COH + HBr

v = 400 000

Dobre grupy odchodzące ułatwiają SN1:

Względna szybkość solwolizy R-X: X = -OSO2R’ > -I > -Br > -Cl •

Nukleofilowość reagenta decyduje o rodzaju produktu, a nie szybkości reakcji:

(CH3)3CCl CH3OH

k2 k1

(CH3)3C

+ Cl

(CH3)3COCH3 + HCl A

k3

NaN3

(CH 3)3CN 3 + NaCl B

Gdy roztwór 2-chloro-2-metylopropanu w CH3OH – wyłącznie A, proporcjonalnie do k1; gdy 1 eq. azydku – mieszanina A i B (B > A, k3 > k2). •

O reaktywności decyduje stabilność karbokationu:

3° > 2° > 1°

7

Hiperkoniugacja – nakładanie się orbitala p z wiążącym orbitalem sp3-s

R-X + Nu

R-Nu + X

R=

SN 1

SN2

CH3

nie obserwowany w roztworze

częsta; szybka dla dobrych Nu i L



nie obserwowany w roztworze

częsta; szybka dla dobrych Nu i L; wolna gdy rozgałęzieniena C2



wolna, najlepsza gdy dobra grupa opuszczająca, polarny rozp. protyczny

względnie wolna; najefektywniejsza przy dużym c dobrego Nu, w polarnych, aprotycznych rozp.



częsta; szcz. w rozp. polarnych, protycznych,przy dobrych L

krańcowo wolna

Los karbokationu: •

- atak nukleofila;



- przegrupowanie;



- deprotonowanie sąsiedniego at C → eliminacja

Przegrupowanie karbokationu (SN1):

H3C

Br

H

C

C

H

CH3

Br CH3

H3C 2°

H C

C

H

CH3 H

CH3CH2 H H3C

H3C

C

C

CH3

H

CH3

H

OCH2CH3

C

C

H

CH3

CH3CH2OH

H

O

C

C

H

CH3

CH3CH2OH H3C



CH3

CH3

CH3

+ CH3CH2OH2

8

SN w halogenkach allilowych Świetne zw. przejściowe w syntezie: •

Łatwe SN2 ← stabilizowany stan przejściowy



Łatwe SN1 - łatwa solwoliza

CH3CH CHCH2Cl CH3CH CHCH2

Cl CH3CH C H

HOH CH3CH C H

CH2

CH2 OH

HOH

CH3CH CHCH2OH + CH3CH C H A B

B produkt powstający pod kontrolą: kinetyczną

CH2

A

termodynamiczną

A – dominuje w wysokich temp. i po długich czasach r-cji (produkt termodynamicznie trwalszy) B – główny produkt w temp. pokojowej (produkt kinetycznie łatwiej osiągalny)

9

ELIMINACJA H C

B

C

C

+ HB + X

C

X Eliminacja jednocząsteczkowa, E1:

Solwoliza – SN1 + E1:

CH3OH

(CH3)3C-Br

(CH 3)2C

CH 3

+ Br

H 3C CH 2 + H

C

(CH3)3COCH3 + H

H 3C 20% 2-metylopropen

80% 2-metoxy-2-metylopropan

Mechanizm:

CH3

H CH3OH

H 3C

C

Br

H 3C C

H H 3C

C

H 3C

CH3

H-OCH3

C

C

H 3C

H

H H

+ CH3OH2

1. Utworzenie karbokationu; 2. Usunięcie protonu przez zasadę Lewisa (H2O, CH3OH…); 3. Atom C rehybrydyzuje do sp2, tworzy się podwójne wiązanie. Każdy atom H przy atomie C sąsiadującym z centrum obdarzonym grupą odchodzącą (L) może zostać oderwany ⇒ mieszaniny produktów. Preferencja powstawania wyżej podstawionych alkenów (reguła Zajcewa): CH3

CH3

(CH3CH2)2CH-C-CH(CH3)2

CH3OH

T

(CH3CH2)2CH-C-CH(CH3)2

Cl CH 2 C (H3CH2C)2HC

CH 3

H 3C + C (H3CH 2C)2HC

CH(CH3)2

C

+

OCH 3 H3CH 2C +

C CH3 H3CH 2C

CH3 C CH(CH3)2

10

Gdy Nu jest silną zasadą: Dwucząsteczkowa eliminacja – E 2

(CH3)3CCl + Na+OH- → CH2=C(CH3)2 + NaCl + H2O v = [(CH3)3CCl] [OH-]

Zmiana kinetyki:

H CH3O Na

CH3CH2CH2Br

Cl H3 C

CH3CH2CH2OCH3 + C C H3C 8% H 92% Cl

H H

C

C

δ

H C

H3C H3 C

H

H3 C

H

H

C H

δ

H3 C

H C

C H

H3 C

HO

HO

Jeden etap: deprotonowanie, odejście L, rehybrydyzacja i utworzenie C=C. stereochemia anti Eksperymentalne dowody E2: •

szybkość zgodna z kinetyką II rzędu;



lepsze grupy odchodzące → szybsza eliminacja;



eliminacja zachodzi szybko gdy C-H i C-X w układzie anti ⇐ eliminacja w cis 1-bromo-4(1,1-dimetyloetylo)cykloheksanie zachodzi łatwo, a w izomerze trans – b.trudno.

Br CH3ONa

t-Bu

CH 3ONa

t-Bu

b.wolno

szybko

Br

t-Bu

cis

trans

Reakcja eliminacji E2 (stereochemia anti) jest często stereospecyficzna: H H

CH 3

H3CH2C

CH 3 Br R,R

H3CH 2C

H

Br H3CH 2C H

CH3

CH3 S,S H 2-bromo-3-metylopentan

H 3C

CH3

(E)-3-metylopent-2-en

11

2-bromo-3-metylopentan H H

CH3

H 3C

CH2CH3 Br

H 3C

S,R

Br H3C

H3CH2C

CH 2CH3

H

CH3 H

H CH3

(Z)-3-metylopent-2-en

R, S

Regioselektywność reakcji eliminacji może zależeć od rodzaju użytej zasady

Reakcja E2 prowadząca do produktu termodynamicznie mniej korzystnego (użycie rozbudowanej B) zachodzi wg reguły Hofmanna (sprzecznie z regułą Zajcewa).

Konkurencja między podstawieniem (S) i eliminacją (E) - Nukleofile słabo zasadowe prowadzą do podstawienia:

slabsze od OH: I, Br, RS, N 3, RCOO, PR 3 CH 3 H3C

C

CH3 Br + CH3COONa

aceton H 3C

H

C

OCOCH 3

+ NaBr

H 100% główny produkt (SN1)

- Słabe nukleofile (H2O, CH3OH) reagują z zauważalnymi prędkościami tylko z halogenkami 2° i

3°, zdolnymi do reakcji wg mech. SN1 (E1 – uboczna).

Br CH3CH2CHCH2CH 3

° H2O, 80 C CH3OH

OH CH3CH 2CHCH2CH3 + CH3CH=CHCH2CH3

- Nukleofile silnie zasadowe prowadzą do wzrostu produktu eliminacji przy wzroście zatłoczenia

przestrzennego substratu: Halogenek 1°°: CH3CH2OH

CH3CH2CH2Br

CH3CH2O Na

CH3CH2CH2OCH3 91% (SN2)

H3C + H

H C

C

9%

H 12

Rozgałęziony halogenek 1°°:

CH3 H3C

C

CH3 CH3CH2OH

CH2Br

H3C

C

CH3CH2O Na

H

H

H3C CH2OCH2CH3 + H3C 40%

H C

C 60%

H

SN2 Halogenek 2°°

CH3 H 3C

C

CH3 Br

CH3CH2OH CH3CH2ONa

H 3C

H

H OCH2CH 3 +

C

H 3C

H 13%

H C

C H 87% (gl.E2)

Halogenek 3°° - SN1 lub E1 w warunkach neutralnych i słabo zasadowych, E2 – gdy duże stężenie silnej zasady.

Zasadowe rozgałęzione nukleofile faworyzują eliminację:

CH3CH 2CH2CH2Br

(CH3)3CO -K+ (CH3)3CO H

CH3CH 2CH=CH2 + CH3CH 2CH2CH 2OC(CH3)3 15% 85%

Czynniki decydujące o konkurencyjności SN i E: •

zasadowość nukleofila: - słabo zasadowe: - silnie zasadowe:



zatłoczenie wokół reagującego atomu węgla;



steryczne rozbudowanie zasadowego nukleofila;



temperatura – wzrost T faworyzuje E.

13

Prawdopodobne mechanizmy reakcji halogenoalkanów z Nu (B)

Typ halogenoalkanu (R-X) R=

metyl

Typ nukleofila/ zasady

silnie zasadowy, rozbudowany (t-BuO- K+)

słaby Nu (H2O)

sł.zasadowy, dobry nukleofil (I-)

silnie zasadowy, dobry Nu (RO-)

-----

SN 2

SN2

SN 2

SN2

E2

SN 2

E2

E2

1°° - bez zatłoczenia - rozgałęziony

2°°

wolno SN1, E1

SN 2

E2

E2

3°°

SN1, E1

SN1, E1

E2

E2

14
Halogenoalkany 09

Related documents

14 Pages • 1,746 Words • PDF • 232.3 KB

1 Pages • 1,138 Words • PDF • 634.9 KB

207 Pages • PDF • 39.3 MB

5 Pages • 1,243 Words • PDF • 393.3 KB

1 Pages • 745 Words • PDF • 49.7 KB

32 Pages • 1,165 Words • PDF • 2.1 MB

5 Pages • 951 Words • PDF • 174.6 KB

10 Pages • 634 Words • PDF • 1 MB

3 Pages • 2,344 Words • PDF • 103.2 KB

17 Pages • 5,897 Words • PDF • 539.8 KB

6 Pages • 1,955 Words • PDF • 676.8 KB

6 Pages • 1,833 Words • PDF • 123.2 KB