Halogenoalkany 09

SAVE OFFLINE

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

+δ

-δ

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

1°

nie obserwowany w roztworze

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

2°

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

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

3°

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

3°

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