5. Alkil-halogenidi. Nukleofilna supstitucija (SN). Eliminacija (E) Izv. prof. dr. sc. Lidija Barišić Nu X Nu X B: B X • Organski spojevi u kojima je elektronegativni atom ili skupina vezana za sp3 hibridizirani ugljikov atom δ C X δ podliježu reakcijama supstitucije i/ili eliminacije, • u supstitucijskim reakcijama alkil-halogenida, elektronegativni halogeni atom X (F, Cl, Br, I) zamjenjuje se (supstituira) drugim atomom ili skupinom (nukleofilom) ⇒ SN C C H X + SN Nu C C H Nu + X • u reakcijama eliminacije, molekulu alkil-halogenida osim atoma X napušta i vodikov atom sa susjednog ugljikova atoma (Cβ) uslijed akceptorskog utjecaja baze (dehidrohalogeniranje); nastaje nova π veza ⇒ E, β α C C H + B E C C + X + B H X • halogeni atom koji napušta molekulu odnoseći vezni elektronski par naziva se odlazećom (leaving) skupinom. • Nukleofil: neutralna ili negativno nabijena čestica sa slobodnim elektronskim parom koja napada elektrofilni ugljikov atom. • Nukleofilnost: brzina reakcije nukleofila s ugljikovim atomom u nevodenom mediju. Nu C + Nu C X X + Nu • Baza: neutralna ili negativno nabijena čestica sa slobodnim elektronskim parom koja napada (akceptira) proton. H A + B B H + A Odlazeće skupine • uloga u SN2 reakcijama: polariziraju C−X vezu čineći ugljikov atom elektrofilnim, te napuštaju molekulu odnoseći vezni elektronski par, • potrebna svojstva odlazećih skupina: o moraju biti elektron-odvlačeće da bi se stvorio parcijalni pozitivni naboj na C atomu (elektrofilnost). Elektronegativni halogeni, kisikovi, dušikovi i sumporovi atomi čine C X C O C N C S osnovu za dobre odlazeće skupine, o mora biti stabilna nakon preuzimanja veznog elektronskog para (nestabilna odlazeća skupina povisit će energiju prijelaznog stanja i usporiti reakciju), o mora biti polarizabilna, da bi ostala djelomično vezana u prijelaznom stanju. • dobre odlazeće skupine su konjugirane baze jakih kiselina (slabe baze): H Cl Br ioni I O R H H O R R neutralne molekule N R Nukleofilna supstitucija • Dva su moguća mehanizma odvijanja supstitucijske reakcije: 1) Jednostupanjski, bimolekulski: parcijalno pozitivno nabijeni ugljikov atom (elektrofil) privlači Nu, počinje tvorba C−Nu veze, a veza C−X cijepa se heterolitički (X odnosi oba vezna elektrona). C δ δ + C S N2 Nu C X C + X Nu 2) Dvostupanjski, monomolekulski: (1) C−X veza cijepa se heterolitički, bez sudjelovanja Nu, tvoreći karbokation; (2) karbokation (elektrofil) u reakciji s Nu daje supstitucijski produkt. (1) C δ (2) C δ S N1 C C X + C X C + Nu C C Nu • Mehanizam prema kojem će se odvijati supstitucijska reakcija određuju: o struktura alkil-halogenida, o reaktivnost Nu, o otapalo u kojem se reakcija odvija. SN2 (supstitucija, nukleofilna, bimolekulska) uspostavlja se nova veza postojeća veza puca ≠ Nu C X δ Nu C δ X Nu C + X • Nukleofil napada elektrofilni C atom sa suprotne strane u Nu odnosu na položaj odlazeće skupine; kako C atom može X smjestiti samo 8 e- u svoju zadnju ljusku, dolazi do kidanja veze C−X, te X atom izlazi odnoseći vezni elektronski par. R R H O + H C H I O C H + I R' R' planarne veze ≠ + + nukleofil elektrofil (supstrat) H HO produkt ≠ R H C R' prijelazno stanje I HO R R C R' I odlazeća skupina HO H C + R' I • brzina SN2 reakcije ovisi o koncentracijama obaju reaktanata ⇒ reakcija 2. reda v = k [supstrat] [nukleofil] • konstanta brzine k opisuje koliko je teško savladati energetsku barijeru, odnosno postići prijelazno stanje (uz višu konstantu brzine lakše se postiže prijelazno stanje) ≠ H HO R C I Energija R' 2 4 H 2 R R C 1 I 1 HO S 3 R' R C H 4 + R' 3 Reakcijska koordinata • egzergona reakcija; stereospecifična (inverzija konfiguracije) I SN2 reakcije alkil-halogenida R− −X + Nu → Nu R− −Nu + X Produkt R−X + I → R−I alkil-halogenid R−X + OH → R−OH alkohol R−X + OR’ → R−OR’ eter R−X + SH → R−SH tiol R−X + NH3 → R−NH3+X amin R−X + C≡C−R’ → R−C≡C−R’ alkin R−X + C≡N → R−C≡N nitril R−X + R’−COO → R’−COOR ester Faktori koji utječu na SN2 reakciju 1) Struktura alkil-halogenida: Nu napada supstrat sa stražnje strane (suprotno od C−X veze) ⇒ dostupnost elektrofilnog ugljikova atoma igra važnu ulogu! H 3C Nu X H3C C Nu X H 3C H 3C 3°alkil-halogenidi C H 3C < H 3C Nu X C H H 2°alkil-halogenidi < H Nu X H H 1°alkil-halogenidi C < H metil-halogenidi Dostupnost elektrofilnog ugljikova atoma za nukleofilni napad Brzina SN2 reakcije • tri alkilne grupe tercijarnog alkil-halogenida sprečavaju Nu da se približi tercijarnom C atomu (ne podliježu SN2 reakciji); ugljikov atom u 1°alkil-halogenidima dostupniji je Nu. X • brzina SN2 reakcija ne ovisi samo o broju alkilnih skupina vezanih za C atom, već i o njihovoj veličini: Utjecaj alkilnih supstituenata na brzinu SN2 reakcije Alkil Primjer Relativna brzina metil CH3−Br > 1000 etil (1°) CH3CH2−Br 50 izopropil (2°) (CH3)2CH−Br 1 tert-butil (3°) (CH3)3C−Br < 10-3 butil (1°) CH3CH2CH2CH2−Br 20 izobutil (2°) (CH3)2CHCH2−Br 2 2) Reaktivnost nukleofila o negativno nabijene čestice su, u usporedbi sa sličnim, neutralnim česticama, jači nukleofili: OH > H2O, hidroksid o SH > H2S, NH2 > NH3 hidrogensulfid sumporovodik amid amonijak elektronegativniji elementi jače vežu svoje nevezne elektrone (teže ih daju u novu vezu s elektrofilom) ⇒ nukleofilnost opada s porastom elektronegativnosti: OH > F, o NH3 > H2O nukleofilnost raste s porastom veličine i polarnosti: I > Br > Cl > F jodid bromid klorid fluorid - s porastom atoma elektroni vanjske ljuske udaljeniji su od jezgre (slabije su vezani za jezgru) ⇒ raste polarizabilnost, - valentni elektroni joda smješteni su u 5. ljusci, slabije se drže za jezgru, te se i s veće udaljenosti mogu preklopiti s orbitalom elektrofilnog C atoma ≠ H H C H X δ C H H X δ H I - valentni elektroni fluora nalaze se u 2. ljusci, jače su vezani uz svoju jezgru koja se mora više približiti C atomu supstrata da bi došlo do preklapanja ≠ H H C F H X H δ C H X H δ o sterički utjecaji na nukleofilnost: nukleofil se mora približiti ugljikovom atomu; glomazne, velike skupine u molekuli nukloeofila ometaju njegov pristup elektrofilnom C atomu i usporavaju reakciju, CH3 CH2 O elektrofilni C atom nukleofili CH3 CH3 C O CH3 - sterička ometanja ne utječu na bazičnost (baza napada “otkriveni” proton), ali utječu na nukleofilnost, - većina baza ima nukleofilna svojstva; ukoliko želimo ostvariti učinak baze koristit ćemo voluminozniji reagens (t-butoksid), a nukleofilni učinak postižemo korištenjem sterički manje zahtjevnog reagensa (etoksid). 3) Utjecaj otapala na nukleofilnost o protična otapala (sadrže kiseli proton iz O OH ili NH skupine) smanjuju nukleofilnost H zato što tvore vodikove veze s nukleofilom za čije je cijepanje potrebna dodatna energija; pri tomu jače solvatiraju manje H H O H H H F H H O H C R X R' O anione (lakši pristup). o aprotična otapala (ne sadrže OH ili NH skupine) povećavaju nukleofilnost (anion je reaktivniji jer nije solvatiran, nema H veza). Uobičajeni nukleofili jaki (CH3CH2)3P, ¯SH, ¯I, (CH3CH2)2NH, ¯CN, (CH3CH2)3N, ¯OH, ¯OCH3 srednje jaki ¯Br, NH3, CH3SCH3, ¯Cl, CH3COO¯ slabi ¯F, H2O, CH3OH SN1 (supstitucija, nukleofilna, monomolekulska) C2H5 (1) H7C3 C C2H5 H7C3 Br CH3 C CH3 C2H5 (2) H7C3 C spora ionizacija ⇒ elektrofilni karbokation Br + C2H5 C2H5 + H O H7C3 H CH3 C O H7C3 H C2H5 O H H Br H deprotoniranje H O C H + H3O H nukleofilni napad na karbokationski međuprodukt C2H5 O CH3 CH3 H O H7C3 C H H7C3 C+ C H7C3 H3C H3C CH3 H 5C 2 C2H5 OH + HO C 3H 7 C CH3 disocijacija + + planarni (sp2), akiralni karbokationski međuprodukt retencija inverzija racemizacija 1. PS 2. PS energija C2H5 H7C3 C CH3 C2H5 H7C3 C C 2H 5 Br CH3 + H O H H7C3 C O H CH3 reakcijska koordinata SN1 • egzotermna, monomolekulska reakcija (u sporom 1. stupnju koji određuje brzinu reakcije sudjeluje samo supstrat) Faktori koji utječu na SN1 reakciju 1) Struktura alkil-halogenida: brzina SN1 reakcije ovisi o stabilnosti karbokationskog intermedijara; višesupstituirani karbokationi su stabilniji (hiperkonjugacija!) stabilnost karbokationa 3° > 2° > 1° > CH3+ reaktivnost alkil-halogenida u SN1 reakcijama o alkilne skupine ometaju pristup nukleofila u SN2 reakcijama (nepovoljan učinak); u SN1 reakcijama stabiliziraju karbokationski međuprodukt (povoljan utjecaj) SN1 supstrati: 3° > 2° SN2 supstrati: CH3X > 1° > 2° 2) Utjecaj nukleofila: nukleofil ulazi u reakciju tek nakon nastanka karbokationa, što znači da njegova reaktivnost nema utjecaja na SN1 reakciju; u većini SN1 reakcija ulogu nukleofila ima otapalo SN1: jakost nukleofila nevažna SN2: potreban je jaki nukleofi (koji će “istisnuti” odlazeću skupinu) 3) Utjecaj otapala: u sporom stupnju SN1 reakcije nastaju dva iona; solvatiranje je krucijalno za njihovu stabilizaciju i snižavanje energije aktivacije; vrlo polarna otapala (voda, alkohol); refluks H H O O H δ H δ O H H O + C H H O H H O HH O H H H H X O O H H O H H SN1: polarna otapala ubrzavaju reakciju SN2: polarna otapala smanjuju snagu nukleofila jer ga solvatiraju Usporedba faktora koji utječu na SN1 i SN2 reakcije S N1 S N2 Mehanizam dvostupanjski jednostupanjski Kinetika 1. red 2. red Molekularnost monomolekulska bimolekulska Stereokemija inverzija i racemizacija inverzija Nukleofil slabi jaki Supstrat 3° > 2° CH3X > 1° > 2° Odlazeća skupina dobra (slaba baza) dobra (slaba baza) Eliminacija • supstrat gubi proton i odlazeću skupinu, te dolazi do tvorbe π veze, • eliminacija se javlja uz supstituciju (kompeticijske reakcije), • mijenjanjem reagenasa ili reakcijskih uvjeta, moguće je usmjeriti reakciju prema eliminaciji ili prema supstituciji, • ovisno o reagensima i ostalim uvjetima, eliminacijske reakcije mogu biti mono- (E1) ili bimolekulske (E2). E1 (eliminacija, monomolekulska) CH3 (1) CH3 C CH3 CH3 CH3 C CH3 + spontana Br CH3 CH3 β CH2 H α C CH3 alkil- halogenida i tvorba karbokationa Br (2) disocijacija + H2O CH2 C CH3 + H2O H deprotoniranje (baza proton s Cβ atoma) akceptira • zašto baza “otkida” proton s Cβ atoma? B H preklapanje C β H + C α CH3 + B H CH3 H • hiperkonjugacija: σ elektronski oblak iz veze susjedne pozitivno nabijenom C atomu proširuje se na njegovu praznu p orbitalu; posljedica je stabilizacija karbokationa, ali i povećanje kiselosti Cβ−H veze. E2 (eliminacija, bimolekulska) • jaka baza brzo napada proton s Cβ atoma, istovremeno se počinje stvarati dvostruka veza i odlazeća skupina napušta molekulu; reakcija se odvija u jednom stupnju ≠ CH3 β CH2 H α C Br CH3 CH3 + CH3O CH3O CH2 C H Br CH3 CH3 CH2 C CH3 + CH3O H + Br Usporedba faktora koji utječu na E1 i E2 reakcije E1 E2 Mehanizam dvostupanjski jednostupanjski Kinetika 1. red 2. red Molekularnost monomolekulska bimolekulska Stereokemija bez posebne geometrije koplanarno prijelazno stanje Baza slaba jaka Supstrat 3° > 2° 3° > 2° > 1° Odlazeća skupina dobra (slaba baza) dobra (slaba baza) • za razliku od supstitucijskih reakcija, struktura supstrata ne igra ključnu ulogu u određivanju molekularnosti eliminacijskih reakcija (pretrpanost supstituentima ometa pristup nukleofila u SN reakcijama!), • jakost i koncentracija baze su presudni; E1 reakcija nastupa kod 3° i 2° supstrata kad je baza slaba ili niske koncentracije; E2 mehanizam se javlja u prisutnosti jače baze ili pri višim koncentracijama baze. Supstitucija ili eliminacija? Br E2 H H H O CH S N2 CH3 H H C H C CH2 # H CH3O C H3C OCH3 OCH3 Br CH3 CH3 CH CH3 + Br SN2 H H E2 C H Br C # Br CH2 H CH CH3 CH2 CH CH3 H H + OCH3 CH3OH + Br • SN2 / E2 reakcije: jak nukleofil / jaka baza, • negativno nabijena čestica može kao nukleofil napasti Cα tvoreći supstitucijski produkt ili može djelovati kao baza i akceptirati proton s Cβ atoma dovodeći do eliminacijskog produkta, • “pretrpaniji” supstrati skloniji su eliminaciji (nukleofil teže prilazi 3°supstratu) S N2 1° > 2° > 3° E2 3° > 2° > 1° CH3 CH3 CH CH3 (1) Br C β α H CH3 CH3 CH β αC + Br CH3 E1 (2) CH3 H2O H2O S N1 (2) CH3 H H E1 H H C H CH3 H CH C H CH3 SN1 O + H3O C CH3 CH3 H C CH OH2 CH3 H H CH3 C H C C H H CH C H CH3 OH + H3O H H • SN1 / E1 reakcije: slabi nukleofil / slaba baza, • alkil-halogenid disocira stvarajući stabilni karbokation kojeg može napasti nukleofil tvoreći supstitucijski produkt ili mu baza može akceptirati proton s Cβ atoma vodeći k eliminacijskom produktu, • 3°supstrati su reaktivniji u SN1 / E1 reakcijama od 2° Očekivani produkti supstitucijskih i eliminacijskih reakcija Alkil-halogenid SN2 / E2 SN1 / E1 Uglavnom supstitucija (u prisutnosti jakog nukleofila); Primarni iznimno eliminacija (u prisutnosti jake baze te u slučaju Ne podliježu sterički ometanog reaktanta ili nukleofila) Sekundarni Obje reakcije; eliminacija prevladava u prisutnosti jače i Obje reakcije glomaznije baze Tercijarni Samo E2 CH3 CH3 O H C O Obje reakcije CH3 CH3 CH3 C O CH3 SN2 E2 • Eliminacija je favorizirana u prisutnosti baze kao i pri povišenoj O CH3 C O O SN2 jači nukleofil/ slabija baza CH3 CH2 C temperaturi. O • Supstitucija prevladava u prisutnosti E2 slabiji nukleofil/ jača baza nukleofilnijeg reagensa. Primarni alkil-halogenidi SN2 CH3 CH CH2 Br + CH3 OCH3 CH2 H E2 CH2 OCH3 + CH3 CH CH2 + CH3OH + Br 10% 90% dodatni supstituent na 1°alkil-halogenidu usmjerava k eliminaciji SN2 CH3 CH3 C CH2 CH3 Br + CH3 OCH3 CH3 CH H CH2 CH2 CH2 CH CH2 Br + + CH3 SN2 CH2 CH2 15% CH2 + CH3OH + 60% atomu; prevladava eliminacija CH3 E2 CH3 CH2 CH voluminozni nukleofil teže prilazi Cα OCCH3 H CH3 OCH3 40% CH3 CH3 E2 CH2 OCCH3 CH3 + CH3 CH2 CH2 85% CH3 CH CH2 + HOCCH3 CH3 + Br Br Sekundarni alkil-halogenidi SN2 CH3 CH CH2 Cl H + OCH2CH3 CH 3 CH CH3CH2O E2 CH3 + CH3 CH CH2 + CH 3CH2OH + Cl 75% 25% jaka baza favorizira eliminacijski produkt slaba baza favorizira supstitucijski produkt S N2 O CH3 CH CH2 Cl H + CH3 OCCH3 CH CH3CO O CH3 + Cl 100% Tercijarni alkil-halogenidi E2 CH3 CH3 C CH2 Cl H CH3 + OCH2CH3 CH3 C CH2 + CH3CH2OH + Cl 100% pretrpanost supstituentima onemogućava nukleofilni napad, nastaje eliminacijski produkt Usmjerenje eliminacije • eliminacijom asimetričnih reaktanata nastaje smjesa izomernih alkenskih produkata u različitim omjerima (regioselektivna reakcija). CH3CH2OH H CH3 H C C H CH3 H β CH3 Cβ H C C CH3 H CH3 CH3 + CH2 C CH2 + CH3CH2OH2 CH3 2-metilbut-2-en 2-metilbut-1-en trisupstituirani (90%) disupstituirani (10%) Zajcevljev produkt Hofmannov produkt • stabilnost alkena ovisi o broju alkilnih supstituenata vezanih za sp2 ugljikov atom; veći broj supstituenata ⇒ veća stabilnost R R C R C R tetrasupstituirani R > H C R ⇒ C R trisupstituirani E2 3° H > 2° R H C R > i C R disupstituirani 1° H C R > C H R > H C H C H monosupstituirani • alkilne skupine vezane na dvostruku vezu stabiliziraju alken: o elektronski utjecaj - alkilne skupine su elektron-donirajuće te doprinose elektronskoj gustoći π-veze, o sterički utjecaj – dvostruka veza povećava udaljenost između alkilnih skupina H 3C H 3C CH CH CH2 H3 C CH CH CH3 H3 C više supstituiran manje supstituiran H H H3C 109,5 ° C H3C H C H C H H3C 120 ° C CH3 C CH3 Stereokemija eliminacijskih reakcija • E2 reakcija podrazumijeva istodobno uklanjanje dviju skupina sa susjednih C atoma ⇒ usklađeni mehanizam zahtijeva posebni koplanarni geometrijski raspored: elektroni iz σ veze na Cβ-atomu delokalizirat će se u praznu orbitalu karbokationa dajući dvostruku vezu. Nesmetan tok elektrona iz jedne veze u drugu omogućen je koplanarnošću σ-orbitala koje vode do π-veze. • Koplanarni raspored C−H i C−X veza ostvaruje se na dva načina: X HX H H H X X sin-periplanarna konformacija sin-eliminacija (s iste strane C C veze) antiperiplanarna konformacija • Sin-periplanarna konformacija je nepovoljna (zasjenjena!). anti-eliminacija (s suprotnih strana C C veze) ≠ H B H X X anti-PS anti-periplanarni reaktant alkenski produkt • U SN2 reakcijama nukleofil istiskuje odlazeću skupinu, dok u E2 reakcijama elektronski par iz susjedne C−H veze istiskuje odlazeću skupinu. C Nu C S N2 X C H E2 X • E2 reakcije: stereoselektivne (suvišak jednog stereoizomera), • ukoliko Cβ atom sadrži 2H atoma, nastat će dva konfiguracijska izomera Z (njem. zusammen, zajedno) i E (njem. entgegen, nasuprot) ⇒ moguće su dvije anti-periplanarne konformacije, • stabilniji biti će onaj alkenski produkt kod kojeg su voluminoznije skupine na suprotnim stranama dvostruke veze (E!). C CH3CH2CH2CH CH3CH2 C CHCH3 α C H pent-1-en Hofmannov produkt H Br β CH2 CH3CH2O (E)-pent-2-en + 41% β H 2-brompentan CH3CH2CH CH3 CHCH3 pent-2-en Zajcevljev produkt glavni produkt! CH2CH3 H C C H CH3 (Z)-pent-2-en 14% Z A J C E V LJ E V I P R O D U K T I CH3CH2 H • E1 reakcije: u 1. stupnju izlazi odlazeća skupina i nastaje planarni karbokation; u 2. stupnju izlazi proton s Cβ atoma, a elektroni se planarnom nabijenom C atomu mogu približiti s obje strane (sin- i anti-eliminacija) ⇒ nastaju oba konfiguracijska izomera Z i E, • prevladava produkt u kojem su voluminozne skupine na suprotnim stranama dvostruke veze. CH3CH2CHBr CH3CH2 C CH3CH2O H3C C + 2-brombutan Br CH3 CH3CH2CH C CH2CH3 CH3CH2CH C CH2CH3 Cl + Cl 3-klor-3,4-dimetilheksan CH3 CH3 C C H H CH3 (Z)-but-2-en (E)-but-2-en glavni produkti CH3 CH3 H3C + C H CH3 CH3 H H 3C CH2CH3 C C CH3 CH3CH2 (E)-3,4-dimetilheks-3-en CH3CH2O + H 3C CH3 C CH3CH2 C CH2CH3 (Z)-3,4-dimetilheks-3-en Z A J C E V LJ E V I P R O D U K T I H Stereokemija supstitucijskih i eliminacijskih reakcija Mehanizam Produkti SN1 Tvore se oba stereoizomera (R i S) E1 Nastaju oba stereoizomera (E i Z), prevladava onaj u kojem su voluminozne skupine na suprotnim stranama dvostruke veze SN2 Inverzija konfiguracije Nastaju oba stereoizomera (E i Z), prevladava onaj u kojem su E2 voluminozne skupine na suprotnim stranama dvostruke veze; iznimno ukoliko je na Cβ atom vezan samo jedan H atom nastaje samo jedan stereizomer čija konfiguracija ovisi o konfiguraciji reaktanta
© Copyright 2024 Paperzz