1

REAKCJE SUBSTYTUCJI

W reakcji metanu z chlorem w obecno ci wiat a lub w podwy szonej temperaturze tworz siprodukty, w których atom (atomy) wodoru zostaj zast pione przez atom (atomy) chloru.Powstaj chloroalkany i wydziela si przy tym chlorowodór:

CH4

Cl2/hν lub ∆

nadmiarCH3Cl + CH2Cl2 + CHCl3 + CCl4 + HCl

dz c po liczbie produktów reakcja jest skomplikowana. Pojawiaj si pytania dlaczegopowstaje mieszanina produktów, z ilu etapów sk ada si reakcja i jaka jest kolejno przemianprowadz cych od substratów do produktów. Jakie znaczenie dla tej reakcji ma wiat o lub ciep o?Pytania te dotycz mechanizmu reakcji. Odpowied na nie otrzymuje si na podstawiekojarzenia wniosków wynikaj cych z obserwacji eksperymentów. Poznanie mechanizmówreakcji u atwia zrozumienie chemii organicznej.

Badaj c reakcj chlorowania metanu mo na zauwa , e:

metan i chlor nie reaguj z sob w ciemno ci;do reakcji w ciemno ci dochodzi ale po ogrzaniu reagentówpowy ej 250oC;reakcja biegnie równie w temperaturze pokojowej podwp ywem wiat a UV;obecno nawet ma ej ilo ci tlenu zmniejsza na chwil szybko reakcji,jednak po pewnym czasie wraca do poprzedniej szybko ci;czas spowolnienia szybko ci reakcji (okres inhibicji) zale y odilo ci dodanego tlenu.

Obserwacje te u atwiaj zaproponowanie mechanizmu reakcji, a przyj ty mechanizm nie mo eby w sprzeczno ci z adn z cech reakcji.Zarówno inicjowanie reakcji przez wiat o lub podwy szon temperatur oraz inhibituj cedzia anie tlenu sugeruj , e jest to reakcja rodnikowa. Zaczyna si ona od homolitycznegorozpadu wi zania w jednym z reagentów:

A Bhν

lub UVA. + B.

W wyniku homolizy, czyli rozpadu wi zania powstaj fragmenty (atomy lub grupy atomów),przy czym ka dy z nich zawiera niesparowany elektron. Takie fragmenty nazywane srodnikami. Je eli niesparowany elektron przypisany jest do atomu w gla to mamy do czynienia zkarborodnikiem.

Znana jest równie heteroliza, czyli taki rozpad wi zania w wyniku którego para elektronówtworz ca wi zanie pozostaje przy jednym z fragmentów. Ten fragment nosi nazw anionu (jestobdarzony adunkiem ujemnym), a drugi fragment z adunkiem dodatnim nazywany jestkationem.

A B A+ + :B-

2

Fragmenty heterolizy, w których adunki znajduj si przy atomach w gla nazywane sodpowiednio karboanionem i karbokationem.

Ka de wi zanie ma okre lon specyficzn si i do jego zerwania potrzebna jest energia. Imwi ksza energia wi zania, tym wi kszej potrzeba energii do jego rozerwania. Minimalnaenergia potrzebna do rozerwania wi zania nazywa si energi dysocjacji. Mo e ona bydostarczona w postaci ciep a (odpowiednio wysokiej temperatury reakcji), promieniowania (np.UV) lub w inny sposób.

A Benergia

dysocjacjiA. + B.

Energia dysocjacji (homolizy) wybranych wi za A−B → A. + B. Tabela 3.1.

wi zanie ∆Ho

[kcal/mol]wi zanie ∆Ho

[kcal/mol]wi zanie ∆Ho

[kcal/mol]H−H 104 (CH3) 3C−I 50 H3C−CH3 88H−F 136 H2C=CH−H 108 CH3H2C−CH3 85H−Cl 103 H2C=CH−Cl 88 (CH3)2HC−CH3 84H−Br 88 H2C=CHH2C−H 87 (CH3)3C−CH3 81H−I 71 H2C=CHH2C−Cl 69 H2C=CH−H 97Cl−Cl 58 Br−Br 46 I−I 36NC−H 130 HCC−H 125 H2C=CHH2C−CH3 74

H 112 HCH2

85 OHCH3C

86

CH3CH2 72 CH3

102 OH 112

CH2 Cl 70 Cl 97 Br 82

H3C−H 104 Et−H 98 i-Pr−H 95H3C−Cl 84 Et−Cl 81 i-Pr−Cl 80H3C−Br 70 Et−Br 68 i-Pr−Br 68H3C−I 56 Et−I 53 t-Bu−H 91H3C−OH 91 Et−OH 91 t-Bu−Cl 79H3C−NH2 80 t-Bu−Br 65H2N−H 103 HO−H 119 HO−OH 51H3CO−H 102 H3CS−H 88 EtO−H 103H3CH2CO−CH3 81 O

CH3CH3C77

3

Mechanizm reakcji rodnikowych

Reakcje rodnikowe zaczynaj si od utworzenia rodnika. Rodniki powstaj najcz ciej podwp ywem

podwy szonej temperatury, wiat a lub substancji rodnikotwórczych, np. nadtlenków.

W obecno ci tych czynników najs absze wi zanie w jednym z reagentów ulega homolizie, tworzsi rodniki. Ten etap reakcji nazywa si inicjacj (rozpocz ciem). W reakcji chloru z metanemnajs abszym wi zaniem jest wi zanie Cl−Cl (58 kcal/mol), podczas gdy C− H w metanie wynosi104 kcal/mol.

Powstaj ce rodniki chloru reaguj z drugim z substratów generuj c rodniki metylowe orazchlorowodór. Rodniki metylowe atwo reaguj z chlorem tworz c chlorek metylu i kolejnyrodnik chlorkowy.

+ CH4Cl. .CH3 + HCl

propagacja

Cl2 + .CH3 Cl. + ClCH3

Cl. + CH4.CH3 + HCl

Cl2 + .CH3 Cl. + ClCH3

itd

rodnik metylowy

chlorek metylu

.CH3

Cl. Cl.+ Cl2

terminacja

.CH3+ H3CCH3

etan

.CH3Cl. + ClCH3

Cl2 2 Cl.hν

lub ∆

inicjacja

Rodnik chlorkowy mo e wej w reakcj z nast pn cz steczk metylu i tak krok po kroku wcuchu przemian tworzy si wiele cz steczek chlorku metylu. Ten etap reakcji nazywa si

propagacj (rozwijaniem reakcji), a ca a reakcja okre lana jest cuchow , poniewa z jednegorodnika wytworzonego na pocz tku w etapie inicjacji powstaje cuch cz steczek CH4.

Takich pojedynczych cuchów w ka dej reakcji jest wiele. Ka dy cuch mo e rozwija si do wyczerpania substratów lub zostaje przerwany na skutek zderzenia dwóch rodników, albo

te przez wytracenie energii, np. poprzez zderzenie rodnika ze ciank naczynia. Etapzako czenia cucha nazywany jest terminacj . Inne cuchy mog by rozwijane dalej, srównie inicjowane inne cuchy.

Reakcja nie zatrzymuje si na etapie monochlorowania. W miar wzrostu st enia CH3Clrównie ten zwi zek staje si konkurencyjnym substratem w wychwytywaniu rodnikówchlorkowych i nast puje wymiana atomu wodoru na chlor. W ten sposób tworzy si chlorekmetylenu (CH2Cl2), który z kolei po dalszym chlorowaniu ulega przekszta ceniu w chloroform(CHCl3), a nast pnie powstaje tetrachlorek w gla. Tak wi c produktem chlorowania metanu jestmieszanina chlorometanów, o ró nym stopniu wysycenia chlorem, zale nym przede wszystkimod nadmiaru jednego z reagentów:

CH4

Cl2

hν lub ∆ClCH3

Cl2

hν lub ∆Cl2CH2

Cl2

hν lub ∆CHCl3

Cl2

hν lub ∆CCl4

metan chlorek metylu chlorek metylenu chloroform tetrachlorek w gla

4

Nadmiar u ytego w reakcji metanu zapewnia du wydajno chlorku metylu, a nadmiar chloruprowadzi do tetrachlorku w gla. W reakcji, w której u yto 1 mol chloru na 1 mol metanupowstaje mieszanina sk adaj ca si z 37% CH3Cl, 41% CH2Cl2, 19% CHCl3 i 3% CCl4.Chloroform otrzymuje si w reakcji haloformowania acetonu.

Reakcja jest silnie egzotermiczna, na ka dym etapie wydziela si po oko o 100 kJ/mol. Bezodprowadzania ciep a mo e doj do przegrzania, prowadz cego do gwa townego przebiegureakcji z wydzieleniem w gla:

CH4 + 2 Cl2 → C + 4 HCl

Podczas chlorowania etanu tworzy si mieszanina zawieraj ca g ównie monochloro-, 1,1-dichloro- i 1,1,1-trichloroetan.

Cl2

CH3CH3 → CH3CH2Cl + CH3CHCl2 + CH3CCl3 + .... 300oC

etan chloroetan 1,1-dichloroetan 1,1,1-trichloroetan

Taki przebieg reakcji spowodowany jest os abieniem wi zania C−H po przy czeniu atomuchloru.

W propanie atomy wodoru s nierównocenne z powodu ró nicy energii wi zania C−H, dlaatomów wodorów 1o wynosi ona 98 kcal/mol, podczas gdy dla 2o 95 kcal/mol. Ta niewielkazdawa oby si ró nica znacz co zwi ksza szybko wymiany atomu H 2o na atom Cl. Podczaschlorowania propanu 1-chloropropan powstaje z mniejsz wydajno ci ni 2-chloropropan,pomimo tego, e st enie atomów wodoru 1o jest 3 razy wi ksze (6 atomów H 1o i 2 atomy 2o.

ClCH3CH2CH3

Cl2

hνCH3CH2CH2Cl + CH3CHCH3 + HCl

propan 1-chloropropan (45%) 2-chloropropan (55%)

Podobnie wygl da chlorowanie butanu; wydajno 2-chlorobutanu jest jeszcze wi ksza poniewaudzia drugorz dowych atomów wodoru jest wi kszy ni w propanie:

ClClCH3(CH2)2CH3

Cl2

hνCH3CH2CH2CH2 + CH3CHCH2CH3 + HCl

n-butan 1-chlorobutan (28%) 2-chlorobutan (72%)

Ró nica reaktywno ci atomów H 1o i 3o rz dowych jest jeszcze wi ksza (∆Ho odpowiednio 98 i91 kcal/mol) i dlatego w mieszaninie produktów monochlorowania tert-butylu jest a 36% 2-chloro-2-metylopropanu, pomimo 9-krotnej przewagi 1o atomów wodoru w substracie:

CH3 CH2Cl CH3

Cl

CH3CHCH3

Cl2

hν CH3CHCH3CH3CCH3 + HCl+

tert-butan 1-chloro-2-metylopropan 2-chloro-2-metylopropan chlorek izobutylu (64%) chlorek tert-butylu (36%)

5

Brom jest znacznie mniej reaktywny ni chlor, dlatego te bromowanie alkanów biegnie zmniejsza szybko ci , a przez to z jeszcze wi ksz selektywno ci ni chlorowanie:

CH3CH2CH3

Br2

hνCH3CH2CH2Br + CH3CHCH3 + HBr

Br

propan 1-bromopropan (3%) 2-bromopropan (97%)

BrBrCH3(CH2)2CH3

Br2

hν CH3CH2CH2CH2 + CH3CHCH2CH3 + HBr

n-butan 1-bromobutan (2%) 2-bromobutan (98%)

CH3 CH2Br CH3

Br

CH3CHCH3Br2

hν CH3CHCH3 CH3CCH3 + HBr+

tert-butan 1-bromo-2-metylopropan 2-bromo-2-metylopropan bromek izobutylu (0,1%) bromek tert-butylu (99,9%)

Jak wynika z zamieszczonych poni ej wykresów zmiany energii w reakcjach chlorowania ibromowania metanu, reakcja bromowania wymaga znacznie wi kszej energii aktywacji, a wi c

dzie wolniejsza ni chlorowanie w tej samej temperaturze. Z tego powodu reakcja stajeselektywniejsza, gdy rodniki bromu b statystycznie cz ciej wybiera najbardziej reaktywnemiejsca, czyli w wzrastaj cej kolejno ci aktywno ci atomy wodoru przy atomach w gla 1o,2o i3o.

Zmiany energii w procesie halogenowania metanu Wykres 3.1.

chlorowanie bromowanie

Rodnik chloru potrzebuje niewielkiej energii aktywacji do wyrwania atomu wodoru z cz steczkiglowodoru, eby utworzy rodnik alkilowy; w przypadku metanu jest to jedynie 4 kcal/mol.

Natomiast energia aktywacja reakcji rodnika bromu z metanem potrzebna do utworzenia takiegosamego rodnika metylowego jest kilkakrotnie wi ksza i wynosi 18 kcal/mol. W reakcjach z

glowodorami, w których znajduj si atomy wodoru ró nej rz dowo ci rodnik chloruobdarzony wysok energi mo e wyrwa prawie równie atwo atom wodoru 1o czy 2o, natomiastdla mniej aktywnego rodnika .Br znacznie atwiejsze jest oderwanie atom wodoru o wy szejrz dowo ci.

6

Z rz dowo ci rodników zwi zana jest tak e ich trwa : wraz ze wzrostem rz dowo cirodników ro nie ich trwa . Prawie wszystkie rodniki obdarzone s wysok energi , a przezto s bardzo reaktywne. Jednak reszty alkilowe zwi zane z atomem w gla posiadaj cymniesparowany elektron stabilizuj go poprzez roz enie tej energii w przestrzeni. Im wi cej resztalkilowych jest zwi zanych z rodnikowym atomem w gla (wy sza jego rz dowo ) tym rodnikjest stabilniejszy.

Wzgl dna trwa rodników w glowych:

R3C. > R2HC. > RH2C. > H3C.

Szybko wymiany wodoru na halogen w reakcjach substytucji rodnikowej zale y od trwa citworz cego si przej ciowo rodnika alkilowego. Im trwalszy rodnik, tym szybciej (bo atwiej) sitworzy, po czym mo e ulega dalszym przemianom. Z wykresu 1. wida , e rodnik izopropylowy(2o) b dzie si tworzy trudniej (wolniej) ni 3o tert-butylowy, poniewa do jego utworzeniapotrzebna jest wi ksza energia aktywacji.

Energia przemian bromowania propanu i tert-butanu Wykres 3.2.

Halogenowanie cykloalkanów

Cyklopropan w reakcji z chlorem tak e tworzy rodnik cyklopropylowy, który atwoprzekszta ca si w znacznie trwalszy (stabilizowany mezomerycznie) rodnik propylowy, a ten wdalszej reakcji z chlorem zostaje przechodzi w chlorek 1-propylu. Równocze nie, chocia zmniejsz wydajno ci rodnik cyklopropylowy tworzy z chlorem chlorek cyklopropylu:

H

HH

H

H

H

H

HH

H

H

H

HH

H

H

Cl+ Cl2.

Cl2

CH2=CH-CH2. .CH2-CH=CH2

Cl2

Cl-CH2-CH-CH3

rodnikcyklopropylowy

rodnikpropylowy

chlorocyklopropan

1-chloropropan

7

Cyklopropan jest pod wp ywem bromu w obecno ci AlCl3 przekszta cany w 1,3-dibromopropan,a katalityczne wodorowanie zarówno cyklopropanu, jak i cyklobutanu prowadzi do rozerwaniapier cieni i utworzenia odpowiednich alkanów:

H2/Ni

200oCCH3CH2CH2CH3

H

HH

H

H

H

+ Br2

AlCl3BrCH2CH2CH2Br

1,3-dibromopropanH2/Ni

80oC CH3CH2CH3 n-propan cyklobutan n-butan

Wy sze cykloalkany reaguj z halogenami podobnie jak alkany – ulegaj halogenowaniu wreakcji substytucji rodnikowej:

Cl BrCl2

hν lub ∆

Br2

hν lub ∆

cyklopentan chlorocyklopentan cykloheksan bromocykloheksan (nadmiar) (nadmiar)

Mog si tworzy polihalogenoalkany. Nadmiar w glowodorów zmniejsza ich wydajno .

Alkilocykloalkany tworz z halogenami mieszanin izomerycznych monopochodnych:

CH3Cl

CH3CH2Cl CH3

Cl

CH3ClCl2

hν lub ∆+ + +

- HCl

metylocyklopentan chlorometylocyklopentan

1-chloro-1-metylocyklopentan 1-chloro-2-metylocyklopentanizomery cis i trans

1-chloro-3-metylocyklopentan

izomery cis i trans

8

I Z O M E R I A

Izomerami nazywane s zwi zki chemiczne posiadaj ce taki sam wzór sumaryczny, ró ni ce sijednak konstytucj (budow , tj. rozmieszczeniem atomów i wi za w cz steczce) lub

eniem atomów w przestrzeni.

Rozró niane s izomery konstytucyjne i stereoizomery.

zwi zki o takim samym wzorze sumarycznym

I Z O M E R YKONSTYTUCYJNE

ró ni sirodzajem wi za irozmieszczeniematomów wcz steczce

S T E R E O I Z O M E R Y

ENANANCJOMERY DIASTEREOIZOMERY

maj si dosiebie jak odbicialustrzane

stereoizomery, którenie s odbiciamilustrzanymi

I Z O M E R Y

Izomery konstytucyjneRó nica w konstytucji cz steczki (jej budowie) wynikaj ca z innej kolejno ci atomów jtworz czy innych lub inaczej rozmieszczonych wi za jest przyczyn istnienia izomerówkonstytucyjnych. Przyk adem mo e by prosty (normalny) i rozga ziony cuch w glowy lubusytuowanie wi za wielokrotnych.

Istniej trzy izomery pentanu, wszystkie maj ten sam wzór sumaryczny C5H12:CH3

CH3CCH3

CH3

CH3CHCH2CH3

CH3

CH3(CH2)3CH3

pentan (n-pentan) izopentan (2-metylobutan) neopentan(2,2-dimetylopropan)

glowodór o wzorze sumarycznym C5H10 mo e by cyklicznym w glowodorem nasyconym:cyklopentanem, metylocyklobutanem lub dimetylocyklopropanem (we wzorach kreska oznaczagrup: metylow :

cyklopentan metylocyklobutan dimetylocyklopropan

Mo e by równie jednym z wielu izomerów alkenowych (w glowodorem zawieraj cym 1podwójne wi zanie C=C):

pent-1-en 2-metylobut-1-en 2-metylobut-2-en pent-2-en 3-metylopent-1-en

9

Równie dobrze znane s izomery konstytucyjne chlorowcopochodnych, alkoholi i innychzwi zków.

Zadanie Narysuj i nazwij izomery zwi zku o wzorze sumarycznym C6H13Br.

Stereoizomery

Tego typu izomery maj nie tylko taki sam wzór sumaryczny, ale równie identycznkonstytucj , czyli rozmieszczenie atomów i wi za w cz steczce, ró ni si natomiastprzestrzennym (sterycznym) u eniem atomów. Ró nice w przestrzennym u eniu atomówwyst puj w cz steczkach zawieraj cych cztery ró ne podstawniki przy tym samym atomie (np.atomie w gla) lub w innych przypadkach, kiedy cz steczka pozbawiona jest niektórychelementów symetrii.

1-bromo-1-chloroetan ma cztery ró ne podstawniki przy C1 (brom, chlor, metyl i wodór) dlategomo e wyst powa w postaci dwóch streoizomerów, które w typowych warunkach majidentyczne w ciwo ci fizyczne (np. tw., tt. czy g sto ), takie same w ciwo ci chemiczne(reaktywno ), identyczn warto bezwzgl dn skr calno ci w ciwej [α], ale o przeciwnychznakach, ró ni si równie reaktywno ci w stosunku do innych stereoizomerów.

Br

HCH3

Cl

Br

ClCH3

HC C

stereoizomery

1-bromo-1-chloroetanu

Stereoizomeria jest wa cz ci chemii organicznej poniewa wiele zwi zków biologiczniejest stereoizomerami. W ciwo ci biologiczne stereoizomerów mog by ró ne, poniewa worganizmie oddzia uj z innymi stereoizomerami. Stereoizomerami s cukry, niektóre alkohole,aminy, aminokwasy oraz tworzone z nich peptydy czy bia ka.

Cia a czynne ywego organizmu (enzymy, hormony, receptory) s zbudowane z bia ek, a wi cjako stereoizomery inaczej b reagowa z stereoizomerycznymi substratami. Z tego powoduodczuwamy inny smak dwóch ró nych stereoizomerów tego samego aminokwasu (reakcja zbia kowymi kubkami smakowymi), inaczej te b oddzia ywa na organizm stereoizomerycznesubstancje lecznicze.

Dramatycznym przyk adem takich ró nic jest tragedia spowodowana thalidomidem, lekiemuspakajaj cym i przeciwbólowym wprowadzo-nym do u ytku w II po owie XX w. Kobietyci arne przyjmuj ce ten lek rodzi y dzieci bez ko czyn lub z ko czynami bardzozdeformowanymi. Lek okaza si czynnikiem teratogennym. Badania wykaza y, e by onmieszanin dwóch stereoizomerów, przy jeden z nich wykazywa oczekiwane w ciwo cilecznicze a drugi, nieoczekiwany w otrzymywanym produkcie by teratogenem.

NN

O

O

H

O

O

HN

N

O

O

H

O

O

H

* *

(S)-(-)-thalidomid (R)-(+)-thalidomidteratogen lek

10

Do syntezy u yto w ciwego substratu, a podczas bada klinicznych i przedklinicznych niestwierdzono adnych niepo danych dzia preparatu. Sk d si wzi drugi izomer w preparacieleczniczym? Otó drugi stereoizomer pojawi si w znacz cych ilo ciach dopiero podczasprodukcji leku na du skal . Wi ksza skala wymaga a przed enia czasu reakcji, cospowodowa o, e drugi izomer tworz cy si w wyniku tzw. racemizacji pojawi si w wi kszymst eniu. W tym czasie nikt nie zna zale no ci stopnia racemizacji od czasu reakcji i niespodziewano si takich komplikacji w wyniku zwi kszenia skali syntezy.

ciwa konfiguracja substratów ma istotne znaczenie w reakcjach biochemicznych,poniewa hormony, enzymy i inne cia a czynne s stereoizomerami, i tylko odpowiedniakonfiguracja substratów zapewnia powodzenie przemian. Substraty o innej konfiguracji nie

bra y udzia u w reakcji, lub co gorsze mog wywo niepo dane, szkodliwedzia anie. Prost ilustracj wymaganej konfiguracji (kszta tu) cz steczek jest zabawka dlama ych dzieci, której elementy o ró nych kszta tach (kule, sze ciany, ostros upy itp.) nale y

do pojemnika przez specjalne otwory. Tylko te przedmioty uda si w do pojemnika,które pasuj kszta tem do otworu. Podobnie, tylko ten zwi zek b dzie substratem enzymu,którego kszta ty pasuj do rozmieszczonych odpowiednio miejsc reaktywnych enzymu.Sposoby rozró niania stereoizomerów

Zwi zki organiczne, w których atom w gla zwi zany jest z dwoma (lub wi cej) takimi samymipodstawnikami (atomami lub grupami atomów) b identyczne po ka dorazowej zamianiepodstawników w przestrzeni.

Ich odbicia lustrzane s te identycznymi zwi zkami.

H

HCH3

H

H

HCH3

H

H

HCH3

Cl

H

ClCH3

HC C C C

etan chloroetan

W przypadku, kiedy atom w gla (lub inny) jest zwi zany z czteroma ró nymipodstawnikami, ka da pojedyncza zamiana dwóch podstawników w przestrzeni prowadzido utworzenia drugiego steroizomeru, który jest odbiciem lustrzanym pierwszegostereoizomeru.

lustro↓

Br

HCH3

Cl

Br

ClCH3

HC C

(R)-1-bromo-1-chloroetan (S)-1-bromo-1-chloroetan

Te dwa stereoizomery (odbicia lustrzane) nie da si na na siebie, tzn. tak eby jednacz steczka mia a pod sob te same podstawniki.

11

W yciu spotykamy si nie tylko ze stereoizomerycznymi substancjami, ale równie zprzedmiotami o podobnych w ciwo ciach. Dwa buty czy dwie r kawiczki tej samej pary te niemo na na na siebie (nie da si te na lewej r kawicy na praw r ). Podobnie jest zestopami i d mi. W nie od greckiej nazwy d oni – cheir pochodzi nazwa tego typuprzedmiotów i zwi zków chemicznych – chiralne.

Rys. 3.1. R ce s „chiralne”; nie mo na na na siebie lewej i prawej r ki (czy te ich odbi lustrzanych)

Stereoizomery, które s do siebie jak odbicia lustrzane nazywane s enancjomerami. (R)-1-bromo-1-chloroetan i (S)-1-bromo-1-chloroetan enancjomerami zaliczanymi dostereoizomerów. Zwi zki tego typu okre lane s te przymiotnikiem – chiralne.

Atom w gla zwi zany z czteroma ró nymi podstawnikami jest nie tylko atomem chiralnym, alerównie centrum chiralnym, jako e dzi ki niemu cz steczka nabiera w ciwo ci zwi zanych zchiralno ci . Litery (R) i (L) w nawiasach, pisane kursywa to jeden ze sposobów ró nicowaniaenancjomerów na pi mie. Okre laj one konfiguracj absolutn enancjomerów. Ustala si j woparciu o regu y pierwsze stwa wg Cahna, Ingolda i Preloga.

Regu y pierwsze stwa wg Cahna, Ingolda i Preloga

1. W celu przypisania centrum chiralnemu odpowiedniej konfiguracji (literek R lub S) nale ypodstawniki uszeregowa wg wa no ci (starsze stwa), tj wg warto ci liczby atomowej atomuzwi zanego z chiralnym atomem w gla od 1 (dla atomu o najwy szej liczbie atomowej) poprzez2 i 3 do 4 (dla atomu o najni szej liczbie atomowej). Je eli atomy s izotopami tego samegopierwiastka o kolejno ci decyduje liczba masowa.

Br

HCH3

Cl

Cl

HD

TC C

1

2

3

4

1

23

4* *

2. Je eli atomy zwi zane z centrum chiralnym s takie same o wa no ci podstawników decydujatomy z drugiego szeregu, ewentualnie trzeciego lub dalszych; tak eby mo na by o wyznaczystarsze stwo – dla ró nych podstawników musi ono zaistnie .

Przyk ad:

H

Cl

H

ClCH3-CH-C-CH2-CH3

H3CCH3-CH-C-CHCl-CH3

H3C

12

3

4

123

4

**

3-chloro-2-metylopentan 2,3-dichloro-4-metylopentan

12

Powy szym pochodnym pentanu atwo przypisa starsze stwo atomom wodoru i chloru,odpowiednio 1 i 4. Natomiast pozycje pozosta ych podstawników (etylu i izopropylu) zale odtego jakie i ile jest atomów w drugim rz dzie. W 3-chloro-2-metylopentanie izopropyl ma 2atomy C i dlatego otrzymuje drug pozycj (2) przed etylem (3), który w drugim szeregu matylko jeden atom w gla. Natomiast w przypadku drugiego zwi zku kolejno na drugiej i trzeciejpozycji ulega odwróceniu poniewa w grupie etylowej w drugim rz dzie atomów w odniesieniudo centrum chiralnego znajduje si chlor. Jeden atom o wi kszej liczbie atomowej jestwa niejszy od dwóch, a nawet trzech atomów o mniejszych liczbach atomowych.

3. W zwi zkach zawieraj cych wi zania wielokrotne oba atomy powi zane w ten sposób liczysi podwójnie lub potrójnie:

O O

O

N

NN

NC jest równowa ne z C

C

C jest równowa ne z CC

C

Przyk ady:

HO

OHH

HO

HO

O

HOH

HC

C

CH2OH1

2

3

4 *

pierwsze stwo podstawników

OH

1 2 3 4

HC równowa ne CC

C

aldehyd glicerynowy

Br

CH3 CH3

H H

H

HHH

H

H

H-C-CH=CH2

CH

1

2

3

4

pierwsze stwo podstawników

OH

1 2 3 4

HC C

C

CCH2 C C CH3C

3-bromo-4-metylo-pent-1-en

Po ustaleniu pierwsze stwa podstawników ustawia si cz steczk w ten sposób, eby najm odszypodstawnik (oznaczony liczb 4) znalaz si najdalej od obserwatora. Bardzo cz sto tympodstawnikiem jest atom wodoru. Nast pnie zakre lamy kr g od podstawnika najstarszego 1 dotrzeciego z kolei 3 poprzez podstawnik 2; podstawnik 4 jest ignorowany. Je eli ruch pozakre lanym kr gu jest zgodny z kierunkiem wskazówek zegara to ten enancjomer jest okre lanyjako (R) – rectus ( ac. prawy), a je eli przeciwnie do ruchu wskazówek zegara to mamy doczynienia z enancjomerem (S) – sinister ( ac. lewy).

13

Br

HCH3

Cl

Br

ClCH3

HC C

1

2

3

4

1

2

3

4

obserwator

(R)-1-bromo-1-chloroetan (S)-1-bromo-1-chloroetan

W literaturze mo na spotka ró ne sposoby (regu y) okre lania konfiguracji enancjomerów, alewszystkie prowadz do tych samych ustale . Znana jest regu a kciuka (J. McMurry Chemiaorganiczna), regu a kierownicy samochodu i inne.

Konfiguracja okre lona za pomoc symboli (R) i (S) nazywana jest konfiguracja absolutn ,poniewa odpowiada ona rzeczywistej konfiguracji zwi zków organicznych. Znana jest równiekonfiguracja wzgl dna, gdy zosta a ona wyznaczona wzgl dem jakiego zwi zku przyj tego zawzorzec.

Przyk ad:

Okre li konfiguracj absolutn obu enancjomerów 2-bromobutanu.

BrCH3-CH2-CH-CH3

w tak zapisanym wzorze nie mo naustali konfiguracji,poniewa nie wiadomojak podstawniki s u one przestrzennie

Narysujmy wi c wzory enancjomerów 2-bromobutanu, tak eby wida by o przestrzenneenie podstawników, ponumerujmy podstawniki wg starsze stwa i umie my najm odsze

najdalej od siebie:

BrCH3

CH2CH3

H CH3Br

CH2CH3

H

C C

1

2

34

1

2

34

(R)-2-bromobutan (S)-2-bromobutan

Powy szy sposób przedstawienia przestrzennej budowy zwi zków organicznych nazywa siprojekcj Newmana. Wzór jest tak zapisywany, jakby obserwator patrzy na cz steczk wzdwi zania atomu C z najm odszym podstawnikiem, tzn oznaczonym cyfr 4.

Istniej jeszcze inne sposoby przestrzennego zapisu cz steczek chiralnych, po ród nich projekcjaFischera. Cz steczk ustawia si tak, eby najd szy cuch w glowy znalaz si w jednej

aszczy nie. Nast pnie robi si jego pionowy (od góry kartki papieru w dó ) rzut na papier(tablic czy ekran). W ka dym centrum chiralnym wi zania pionowe oznaczaj wi zaniaznajduj ce si pod p aszczyzn kartki, a wi zania boczne nad p aszczyzn . Nawet je eli tegorozró nienia nie wida na przedstawionym wzorze (projekcji) to nale y o tym pami ta –wi zania poziome s nad p aszczyzn , a pionowe pod p aszczyzn :

14

BrH BrH HBr HBr

CH3

C

C2H5

CH3

C

C2H5

CH3

C

C2H5

CH3

C

C2H5

Rys. 3.2. Zapis enancjomerów 2-bromobutanu w projekcji Fischera

Pojedyncza (lub nieparzysta) zamiana podstawników w projekcji Fischera, np. atomu Br zatomem H powoduje zmian konfiguracji z (R) na (S) lub z (S) na (R).

Parzysta zamiana podstawników w projekcji Fischera, np. atomu Br z atomem H inast pnie Br z CH3 zachowuje pierwotn konfiguracj .

W celu przypisania konfiguracji absolutnej nale y przej z konformacji Fischera do Newmana.W projekcji Newmana najm odszy podstawnik (w tym przypadku H) powinien znajdowa si zaatomem C, czyli pod p aszczyzn kartki. Je eli go zamienimy, np. z grup metylow nast pizmiana konfiguracji. W celu zachowania konfiguracji nale y dokona jeszcze jednej zamianypodstawników, np. bromu z grup etylow :

CH3Br

CH2CH3

H

BrH BrCH3 CH3BrC

1

2

34CH3

C

C2H5

HC

C2H5

HC

C2H5

1

2

34

pojedyncza zamiana parzysta zamiana podstawników powoduje podstawników zmian konfiguracji przywraca wyj ciow konfiguracj

(S)-2-bromobutan

Ten sposób oznaczania konfiguracji absolutnej na podstawie projekcji Fischera jest doczasoch onny, wymaga bowiem dwukrotnej zamiany podstawników, je eli najm odszypodstawnik znajduje si nad p aszczyzn kartki. Pro ciej jest oznaczy konfiguracje bez zamianpodstawników i tylko zamieni otrzymany wynik na przeciwny, tzn. (R) na (S) lub (S) na (R):

HBrBrCH3

C2H5

HCH3

C

C2H5

C

1

2

31

2

3

4

4

okre lon niezgodnie z zasadami (R)-2-bromobutan konfiguracj (S), nale y odwróci – otrzymuje si (R)

Projekcj Fischera wprowadzono wcze niej ni Newmana i by a przeznaczona g ównie dlazwi zków zawieraj cych kilka grup funkcyjnych; dlatego obowi zywa a w niej jeszcze jednaregu a: rzut cz steczki na p aszczyzn nale y tak wykona , e najbardziej utleniony atom

gla znajdowa si u góry. W cz steczce kwasu mlekowego w projekcie Fischera grupkarboksylow nale y umie ci u góry. Dla oznaczenia konfiguracji absolutnej nie ma znaczenia,gdzie znajduje si grupa karboksylowa, byleby wszystkie podstawniki mia y okre loneusytuowanie przestrzenne. Wymóg zapisania najbardziej utlenionej grupy u góry wzorupotrzebny jest do przypisania konfiguracji wzgl dnej D lub L.

15

CH3

OHHCOOHOH

CH3

H

CH3

HOH COOHCH3

OH

HCOOHC C

1 2

3

4

COOHC C

1

2

3

4

kwas: D-mlekowy ≡ kwas (R)-mlekowy L-mlekowy ≡ (S)-mlekowy

Konfiguracja wzgl dna okre lana literami D lub L oznacza po enie grupy funkcyjnej (wkwasie mlekowym –OH) po prawej (D) lub po lewej (L) stronie chiralnego atomu w gla, wewzorze prawid owo zapisanym wg regu projekcji Fischera.Konfiguracja nazywa si wzgl dn , poniewa odnosi si do konfiguracji aldehydu glicerynowego– CH2CH(OH)CHO – przyj tego za modelowy zwi zek.

Konfiguracja cz steczek zawieraj cych dwa centra chiralne

Okre lanie konfiguracji cz steczek zawieraj cych dwa lub wi cej chiralnych atomów w glapolega na przypisaniu konfiguracji kolejno poszczególnym centrom chiralnym.

ZadanieOznaczy konfiguracj 2,3-dibromobutanu – CH3CHBrCHBrCH3.

Pierwsz czynno ci jest zapisanie wzoru przestrzennie, np. za pomoc projekcji Fischera.Zgodnie z tymi regu ami otrzymujemy wzory czterech stereoizomerów:

H

Br

Br

H

Br

H

H

Br

H

H

Br

Br

Br

Br

H

H

CH3

C

C

CH3

CH3

C

C

CH3

CH3

C

C

CH3

CH3

C

C

CH3

1

2

34

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

*

*

*

*

*

*

*

*

a b c d

stereoizomery 2,3-dibromobutanu

W 2,3-dibromobutanie s dwa centra chiralne: atomy C2 i C3. We wszystkich wzorachnajm odsze podstawniki czyli atomy H s zapisane poziomo, czyli znajduj si nad p aszczyznkartki, dlatego stosuj c uproszczon procedur nale y po oznaczeniu konfiguracji kolejno dla C2i C3 przyj konfiguracj odwrotn jako rzeczywist .

H

Br

Br

H

H

Br

Br

H

CH3

C

C

CH3

2*

CH3

C

C

CH3

3*

1

2

3

4

1

2

3

4

konfiguracjaC2 dla a: (R)

konfiguracjaC3 dla a: (R)

Br

H

H

Br

Br

H

H

Br

CH3

C

C

CH3

2*

CH3

C

C

CH3

3*

1

2

3

4

1 2

3

4

konfiguracjaC2 dla b: (S)

konfiguracjaC3 dla b: (S)

(2R,3R)-2,3-dibromobutan (2S,3S)-2,3-dibromobutan

16

H

H

Br

Br

H

H

Br

Br

CH3

C

C

CH3

2*

CH3

C

C

CH3

3*

1

2

3

4

1 2

3

4

konfiguracjaC2 dla c: (R)

konfiguracjaC3 dla c: (S)

Br

Br

H

H

Br

Br

H

H

CH3

C

C

CH3

2*

CH3

C

C

CH3

3*

1

2

3

4

12

3

4

konfiguracjaC2 dla d: (S)

konfiguracjaC3 dla d: (R)

(2R,3S)-2,3-dibromobutan (2S,3R)-2,3-dibromobutan

Stereoizomery a i b czyli (2R,3R)-2,3-dibromobutan oraz (2S,3S)-2,3-dibromobutanenancjomerami (maj si do siebie jak odbicia lustrzane):

a b a c b d

H

Br

Br

H

Br

H

H

Br

CH3

C

C

CH3

*

CH3

C

C

CH3

**

*H

H

Br

Br

Br

Br

H

H

H

Br

Br

HBr

H

H

Br

CH3

C

C

CH3

CH3

C

C

CH3

*

*

*

*

CH3

C

C

CH3

*

CH3

C

C

CH3

**

*

Stereoizomery parami a i c, a i d, b i c oraz b i d s diastereoizo-merami (stereoizomery nie b ce do siebie jak odbicia lustrzane)

Stereoizomery c i d pomimo, e posiadaj po dwa centra chiralne, z uwagi na p aszczyznsymetrii przechodz pomi dzy C2 i C3, s cz steczkami achiralnymi, a w zwi zku z tymoptycznie nieczynnymi (nie skr caj p aszczyzny wiat a spolaryzowanego). Ich odbicialustrzane da si na siebie na . Stereoizomery zawieraj ce centra chiralne oraz p aszczyznsymetrii nazywane mezo.

H

H

Br

Br

Br

Br

H

H

CH3

C

C

CH3

CH3

C

C

CH3

*

*

*

*

(2R,3S)-2,3-dibromobutan (2S,3R)-2,3-dibromobutan

W rzeczywisto ci jest to jeden i ten sam zwi zek mezo-dibromobutan.aszczyzna symetrii dziel ca stereoizomer na pó jest jak zwierciad o w którym odbijaj si obie

po owy zwi zku.

Enancjomery

1. Chiralno cz steczki jest warunkiem koniecznym i wystarczaj cym do zaistnieniaenancjomerów;

2. Obecno chiralnego atomu w gla nie jest warunkiem koniecznym ani wystarczaj cymdo wyst pienia enancjomerów;

3. Liczba enencjomerów zale y od liczby centrów asymetrii w cz steczce. Maksymalnaliczba stereoizomerów LS = 2n gdzie n oznacza liczb chiralnych atomów.

17

Stereochemia zwi zków cyklicznych

Stereoizomeri zwi zków cyklicznych warto rozpatrywa na przyk adzie cyklopentanu, któregopier cie uwa a si za p aski. Stereoizomeria wyst pi w przypadku podstawienia cyklopentanuco najmniej dwoma podstawnikami. 1,2-Dimetylocykloheksan wyst puje w formie dwóchenancjomerów (R,R) i (S,S), które s zarazem izomerami trans, oraz w formie mezo (cis) :

H H

Me Me

H Me

Me H

Me H

H Me

1 2

3

4

5

121 2

a b ctrans trans cis

enancjomery 1,2-dimetylocyklopentanu mezo-dimetylocyklopentan

Atomy w gla C1 i C2 s chiralne. Dla streoizomeru a konfiguracj mo na oznaczy wnast puj cy sposób:

H Me

Me H

H Me

Me H

1 21

23

4

1

2

3

4

konfiguracja C1dla izomeru a: (S)

konfiguracja C2dla izomeru a: (S)

(R,R)-1,2-dimetylocyklopentan

Izomer b ma konfiguracj (S,S), a c jest zwi zkiem mezo (R,S) i (S,R), poniewa ma p aszczyznsymetrii.

Podobne zale no ci wyst puj dla 1,3-dipodstawionych pochodnych cyklopentanu. Identyczniepost puje si przy okre laniu konfiguracji stereoizomerów pochodnych cyklopropanu icyklobutanu. Cz steczka cykloheksanu nie jest co prawda p aska, ale do oznaczania konformacjiposzczególnych chiralnych atomów w gla w niej wyst puj cych mo na rysowa j w postaci

askiej.

Reaktywno halogenoalkanów

Reaktywno halogenoalkanów wynika z rozk adu adunków elektrycznych w ich cz steczkach,czyli z polaryzacji i polaryzowalno ci wi za .

X

H

δ+C C ..

..:

δ- X

H

C C ....

..Nu:B

:

M

A

δ+ δ-

..

Cz steczka, w której s tak roz one adunki jest podatna na atak ró nych odczynników. KwasyLewisa A (AlCl3, FeBr3) b atakowa miejsce obdarzone adunkiem ujemnym, czyli halogen(X), nukleofil Nu: ma powinowactwo do dodatnio na adowanego atomu w gla, za zasada B:

dzie odrywa proton z C2.

18

Metal (M) odda elektron dodatnio na adowanemu atomowi C, tworz c z nim zwi zkimetaloorganiczne –C–M lub –C–M–X, o budowie zale nej od warto ciowo ci metalu. Zmetalami grupy I (Li, Na, K) halogen zostanie od czony, a z metalami grupy II (Mg, Zn, Cd)metal zajmie po enie pomi dzy atomami C i X.

Substytucja nukleofilowa SN

Substytucja nukleofilowa polega na reakcji nukleofilu (Nu) ze zwi zkiem organicznymzawieraj cym atwo odchodz elektroujemn grup (np. halogen) w wyniku, której nast pujepodstawienie halogenu nukleofilem. Nukleofilami s atomy lub grupy atomów obdarzoneadunkiem ujemnym lub dysponuj ce woln par elektronów; wykazuj powinowactwo do

dodatnio na adowanego atomu C. W tabeli 3. podane s najcz ciej spotykane nukleofile i ichprodukty reakcji z bromkiem metylu.

Reakcje bromku metylu z wybranymi nukleofilami Tabela 3.2.

CH3–Br + Nu:- → CH3–Nu + Br-

Nukleofil ProduktWzór Nazwa Wzór Nazwa

H:- anion wodorkowy CH4 metanCH3S- anion metylosulfidowy CH3SCH3 sulfid dimetylowyHS- anion hydrosulfidowy HSCH3 metanotiolHS- anion cyjankowy N≡CCH3 acetonitrylI- anion jodkowy ICH3 jodek metyluHO- anion wodorotlenkowy HOCH3 metanolHO- anion metanolanowy CH3OCH3 eter dimetylowyN=N=N- anion azydkowy N=N=NCH3 azydometanCl- anion chlorkowy ClCH3 chlorek metyluCH3COO- anion octanowy CH3COOCH3 octan metyluH3N: amoniak H3N+CH3 Br- bromek metyloamoniowy(CH3)3N: trimetyloamina (CH3)4N+Br- bromek tetrametyloamoniowy

Kinetyka reakcji substytucji nukleofilowej (SN)

Szybko reakcji SN zale y zarówno od warunków reakcji, jak i od w ciwo ci nukleofilu orazbudowy reagenta organicznego. Poni ej podany jest szereg reaktywno ci najpopularniejszychodczynników nukleofilowych w reakcji z bromkiem metylu:

CH3–Br + Nu:- → CH3–Nu + Br-

wzgl dna szybko 1 700 103 1,6.104 2,5.104 105 1,25.105

644474448 678Nu: HOH NH3 Cl- HO- CH3O- I - NC- HS-

→mniej reaktywne bardziej reaktywne

Zwykle odczynniki nukleofilowe, jako grupy obdarzone adunkiem ujemnym s zasadowe, czyliwykazuj powinowactwo do protonu. Nukleofilowo nie zawsze pokrywa si z zasadowo ci ,np. jon HO- jest siln zasad , ale s abym nukleofilem, natomiast HS- jest silnym nukleofilem, zaznacznie s absz zasad .

19

Na szybko reakcji SN du y wp yw maj w ciwo ci grupy odchodz cej. Najbardziejreaktywn grup odchodz jest anion tosylanowy (p-toluenosulfonowy), a bardzo trudnopodstawi anion fluorkowy.

Wzgl dna reaktywno grup odchodz cych w reakcjach SN:

zasadowo (pKa zasadyskoniugowanej) 35 16 15,7 4,8 3,2 -7 -9 -9,5 -6,5

wzgl dna szybko ∼0 1 2.102 104 3.104 6.104

6444474448

grupa odchodz ca NH2-, RO-, HO- AcO- F- Cl- Br- I - TosO-

→mniej reaktywne bardziej reaktywne

Aniony silnych kwasów (s abe zasady) s dobrymi grupami odchodz cym, aniony s abszychkwasów (silne zasady) s gorszymi grupami odchodz cymi.

CH3 SO3

- p-toluenosulfonian(tosylan)

Kinetyka hydrolizy halogenków alkilowych w rodowisku zasadowym zale y od rz dowo cihalogenku. Halogenki metylu i 1o ulegaj hydrolizie i reakcji z innymi nukleofilami wg kinetykidrugiego rz du (SN2), podczas gdy halogenki 3o rz dowe wchodz w reakcj z tymi samymiodczynnikami zgodnie z kinetyk pierwszego rz du (SN1).

CH3–Br + OH- → CH3–OH + Br-

szybko reakcji V = k[CH3Br].[ OH- ] jest zale na od st enia obu reagentów.

Reakcje substytucji nukleofilowej, których szybko jest zale na od st enia obu reagentównazywana jest substytucj nukleofilow dwucz steczkow i oznacza si j symbolem SN2.

(CH3)3C–Br + OH- → (CH3) 3C–OH + Br-

szybko reakcji V = k[(CH3)3C–Br] jest zale na jedynie od st enia halogenku alkilu.

Reakcje substytucji nukleofilowej, których szybko jest zale na od st enia jednego zreagentów nazywana jest substytucj nukleofilow jednocz steczkow i oznacza si jsymbolem SN1.

R e a k c j e SN2

Inwersja konfiguracji

Zauwa ono, e w trakcie reakcji biegn cych mechanizmem SN2 dochodzi do zmianykonfiguracji, zjawisko to zosta o nazwane inwersj konfiguracji:

20

Cl

H

Me

H

H

OH

Me

H+ :OH- + :Cl-

SN2

I etap

II etap

cis-(1R,3S)-1-chloro-3-metylocyklopentan trans-(1S,3S)-1-chloro-3-metylocyklopentan

Przyczyn inwersji konfiguracji jest stan przej ciowy tworz cy si w pierwszym etapie reakcji.W wyniku ataku odczynnika nukleofilowego (I etap) od przeciwnej strony cz steczki w stosunkudo grupy odchodz cej (z tej samej nie mo e ze wzgl dów zarówno obj to ciowych jak ielektrostatycznych) tworzy si przej ciowo addukt zawieraj cy pi ciokoordynacyjny atom w gla.

Me

HH

OH

Clδ-

δ-

δ+

grupa odchodz ca

nukleofil przy cza siz przeciwnej stronygrupy odchodz cej

Rys. 3.3. Stan przej ciowy reakcji SN2

W drugim etapie (II etap) zostaje zerwane wi zanie z grup odchodz , a nowy podstawnikzajmuje pozycj po przeciwnej stronie cz steczki ni grupa, która zosta a podstawiona.

XCNu

-C X+ + -

C XNu Nu

-

W stanie przej ciowy trzy podstawniki na atomie w gla w centrum reakcji zostaj st oczone wjednej p aszczy nie. Nie mog to by obj to ciowo du e. Naj atwiej st oczy atomy H lubpodstawniki przy 1o atomie w gla, dlatego tylko pochodne metylu i pierwszorz dowych grupalkilowych ulegaj atwo tej reakcji. SN2 dla pochodnych 2o zachodzi wolno, a 3o praktycznie taknie reaguj .

Wzgl dna szybko reakcji halogenków alkilowych w reakcji SN2

wzgl dna szybko ∼0 10-5 0,02 1 30reakcji SN2 dla R-Xalkil (R) (CH3)3C- (CH3)3CCH2- (CH3)CH- Et- Me-rz dowo 3o neopentyl (1o) 2o 1o

→mniej reaktywne bardziej reaktywne

W powy szym szeregu w tpliwo ci mo e budzi jedynie prawie zerowa szybko reakcjihalogenku neopentylu, który jest przecie halogenkiem 1o. Otó du a obj to grupy tert-butylowej zwi zanej z atomem w gla stanowi cym centrum reakcji uniemo liwia atakodczynnika nukleofilowego od strony grupy tert-butylowej, a innej mo liwo ci nie ma.

21

H

H

HC

H HH

C H

H

HC

H HH

C

H HH C

H HH

C

H

HH

CH

HH

CH

H

HC

metyl- etyl- izopropyl- neopentyl- tert-butyl

C XC X

CC X

C XC XNu Nu Nu

Nu

Nu

Rys. 3.3. Wraz ze wzrostem zat oczenia wokó centrum reakcji zmniejsza si mo liwo dost pu cz steczkinukleofilowej do atomu w gla zwi zanego z grup odchodz

Inwersj konfiguracji towarzysz ca SN2 mo na obserwowa mierz c skr calno w ciwsubstratów i produktów. W trakcie reakcji hydrolizy (R)-(-)-2-bromooktanu powstaje 2-oktanol.Reakcja biegnie wg mechanizmu SN2, co wynika z kinetyki: v = k[OktBr].[HO-]. Enancjomery2-oktanolu maj t sam tt. i tw., to samo widmo NMR i IR w rodowisku achiralnym, ró ni sinatomiast znakiem skr calno ci w ciwej [α]. Warto [α] wynosi –9,9o i 9,9o odpowiednio dla(R) i (S) enancjomerów.

C6H13

CH3

BrHC6H13

CH3

HOHNaOH

SN2

(R)-2-bromooktan ([α] = -34,6o) (S)-2-oktanol ([α] = 9,9o)

Tworzenie si z (R)-(-)-2-bromooktanu enancjomeru (S)-(+)-2-oktanolu jest dowodem zjawiskainwersji konfiguracji.

Zmiany energetyczne reakcji hydrolizy chlorku metylu w rodowisku zasadowym:

22

Wp yw rozpuszczalnika na reakcj SN2

rodowisko, najcz ciej rozpuszczalnik ma ogromny wp yw na wi kszo reakcji, równie nareakcj SN2. Reakcj utrudniaj rozpuszczalniki protyczne, czyli takie, które posiadaj ruchliweprotony, np. woda, alkohole czy aminy. Solwatuj (os aniaj ) one cz steczki nukleofila,utrudniaj c mu tym samym zbli enie si miejsca reaktywnego w cz steczce R-X.

H ORHRO

HOR

HOR

:Nu

Nukleofil solwatowany przez cz steczki protycznego rozpuszczalnika jest nie tylko mniejaktywny, ale i wi kszy, przez co trudniej mu podej do drugiego reagenta. Z tego samegopowodu nukleofile o wi kszych rozmiarach (w parach HS- i HO- lub Br- i F-) s aktywniejsze wreakcjach SN2, poniewa im mniejszy promie jonu tym silniej jest on solwatowany przezcz steczki protycznego rozpuszczalnika.

Natomiast polarne rozpuszczalniki aprotyczne u atwiaj reakcje SN2 zwi kszaj c jego aktywno ,poniewa solwatuj one kation, a nie anion (nukleofil), przez co taki „nagi” anion jest bardziejruchliwy (aktywny), ma mniejsze rozmiary, czyli atwiej mu dosta si do miejsca reaktywnegocz steczki organicznej.

O

CH3 CH3

S

OCH3

CH3

S

OCH3

CH3

S OCH3

CH3

S

OCH3

CH3

S

CH3 CH3

O

S

..

K+:

:

:

:..

Rys. 3.4. Cz steczki aprotycznego rozpuszczalnika polarnego solwatuj kation przez co „nagi” nukleofil(towarzysz cy anion) jest bardziej reaktywny

Do rozpuszczalników aprotycznych nale : acetonitryl (CH3CN), dimetyloformamid[(CH3)2NCHO, DMF], sulfotlenek dimetylowy [(CH3)2SO, DMSO] czyheksametylofosforotriamid {[(CH3)2N]3PO, HMPA}. Ten ostatni okaza si by kancerogenny iteratogenny, wi c nale y go stosowa z odpowiedni ostro no ci . Wysoka polarnorozpuszczalników jest potrzebna do rozpuszczenia polarnych reagentów.

23

Z poni szego diagramu wida jak zwi ksza si szybko reakcji SN2 w aprotycznychrozpuszczalnikach polarnych na przyk adzie reakcji:

rozpuszczalnikn-Bu−Br + N3

- → n-BuN3 + Br-

rozpuszczalnik: CH3OH HOH DMSO DMF CH3CN HMPA

wzgl dna 1 7 1300 2800 5000 2.105

reaktywno

Warto ci sta ej dielektrycznej popularnych rozpuszczalników Tabela 3.3.

Rozpuszczalnik Wzór Sta adielektryczna

woda HOH 80kwas mrówkowy HCOOH 59dimetylosulfotlenek (DMSO) CH3SOCH3 49dimetyloformamid (DMF) HCON(CH3)2 37acetonitryl CH3CN 36metanol CH3OH 33heksametylofosforotriamid (HMPT) [(CH3)2N]3PO 30etanol CH3CH2OH 24aceton CH3COCH3 21kwas octowy CH3COOH 6

Podsumowanie zale no ci w reakcjach SN2

Reakcj SN2 u atwia:

• brak zawady przestrzennej reagenta organicznego;• du a reaktywno odczynnika nukleofilowego;• podatno grupy opuszczaj cej na od czenie si od atomu C;• du a polarno rozpuszczalników aprotycznych

R e a k c j e SN1

Szybko reakcji typu SN1 nie zale y od st enia odczynnika nukleofilowego, biegnie zatem onazgodnie z kinetyk pierwszego rz du:

V = k.[RX]

Przyk adem takiej reakcji jest hydroliza bromku t-butylu w wodzie:

(CH3)3C-Br + HOH → (CH3)3C-OH + HBr

Ró nice w kinetyce reakcji hydrolizy bromku n-butylu i t-butylu wynikaj z odmiennegomechanizmu obu reakcji. Jak wiadomo halogenki t-butylowe z uwagi na du obj to 3o grupyalkilowej s odporne na atak nukleofilowy, natomiast znacznie atwiej ni halogenki 1o ulegajdysocjacji z utworzeniem karbokationu. Karbokation w reakcji z cz steczk wody zostajeszybko przekszta cony w alkohol:

24

HOH

(CH3)3C-Br → (CH3)3C+ → (CH3)3C-OH + H+ + Br-

wolno szybko

Karbokationy 3o s trwalsze ni 2o, a te z kolei przewy szaj trwa ci kationy 1o. Z tegopowodu karbokationy 3o tworz si naj atwiej. Halogenki 1o nie ulegaj reakcjom SN1, a 2o tylkocz ciowo. Poniewa jednak dysocjacja wi zania C−X nawet dla halogenków 3o wymaga du ejenergii aktywacji (Rys. 3.) oderwanie si jonu halogenkowego jest procesem wolnym i wreakcjach SN1 stanowi najwolniejszy etap reakcji; decyduje on o szybko ci ca ej reakcji!Szybko powstawanie kabokationu zale y w danych warunkach tylko od st enia halogenkualkilu, tym samym od jego st enia zale y szybko ca ej reakcji.

Rys. 3.5. Diagram zmiany energii w reakcji SN1. Energia aktywacji pierwszego etapu reakcji, czyli tworzeniakarbokationu jest znacznie wi ksza ni energia aktywacji reakcji pomi dzy karbokationem i wod

Szybko reakcji wieloetapowej jest zale na od najwolniejszego etapu reakcji. Ten najwolniejszyetap reakcji decyduje o szybko ci ca ej reakcji, podobnie jak najw sza zw ka wwielokomorowej klepsydrze decyduje o szybko ci przesypuj cego si piasku :

Mechanizm reakcji hydrolizy bromku t-butylu jest nast puj cy:

CH3

CH3

CH3

Br

CH3

CH3CH3

CH3

CH3CH3

OH

H

CH3

CH3CH3

OH

C C +Br- +wolno

szybko

CC +- H+

bromek t-butylu HOH....

t-butanol

25

Produktem po rednim w procesie hydrolizy 3o halogenku alkilowego jest aski karbokation –hybrydyzacja atomu C sp2. Cz steczka wody mo e przy czy si do niego z jednej lub z drugiejstrony. Wobec czego powstaje mieszanina enancjomerów (R) i (S), cz sto w stosunku 1:1,niezale nie od tego jak konfiguracj mia substrat. Zjawisko towarzysz ce reakcji, w której zjednego enancjomeru tworzy si mieszanina enancjomerów (R) i (S) nazywa si racemizacj , amieszanina 50% enancjomeru (R) i 50% (S) nazywa si racematem.

Racemat jest optycznie nieczynny; zwykle ró ni si temperatur topnienia i innymiciwo ciami fizycznymi od enancjomerów.

C X

C

X

+

-

Nu- -

dysocjacja-

Nu

CCNu

Nu

chiralnysubstrat

Nu-

+

inwersja konfiguracji p aski karbokation retencja konfiguracji

Rys 3.6. P aski karbokation powstaj cy w reakcji SN1 prowadzi do racemizacji

Tylko te halogenki alkilowe, które s zdolne utworzy p aski karbokation mog reagowa wgmechanizmu SN1.

znane takie halogenki niepodatne reakcje SN1 ani na SN2. Nale do nich 3o pochodnecykliczne, np. 1-bromobicyklo[2,2,2]oktan, który jako 3o jest nieaktywny w reakcjach SN2, aponiewa nie mo e utworzy p askiego karbokationu nie reaguje zgodnie z mechanizmem SN1:

Br

Br

Zdarza si jednak, e w reakcjach SN1 racemizacja nie jest ca kowita i dochodzi do cz ciowejinwersji konfiguracji. Jest ona spowodowana atakiem odczynnika nukleofilowego zanim nast pica kowite oddysocjowaniu anionu. Nukleofil w takim przypadku atakuje tworz cy sikarbokation z przeciwnej strony do odchodz cego anionu, podobnie jak w trakcie reakcji SN2.Opuszczaj cy anion utrudnia nukleofilowi zbli enie si do karbokationu z tej samej strony. Wreakcji hydrolizy (R)-6-chloro-2,6-dimetylooktanu obserwuje si 20% inwersj konfiguracji.

26

C2H5CH3

(CH2)3CH(CH3)2

Cl

C2H5CH3

(CH2)3CH(CH3)2

OH

C2H5CH3

(CH2)3CH(CH3)2

OH

CHOH

EtOH

C

C

+ HCl

40% (R)

60% (S)

(R)-6-chloro-2,6-dimetylooktan

7,3-dimetylootan-3-ol

Rys. 3.7. Hydroliza (R)-6-chloro-2,6-dimetylooktanu prowadzi do produktu cz ciowo zracemizowanego. Etanolatwia rozpuszczenie substratu

RR'

R''OH

R

R''

R'

HO

HHO

H

R

R''

R'HO

H.. ..

.... .. ..

RR'

R''OH

RR'

R''OH

RR'

R''ClC

C

HOH

EtOHC

+

C

+

CC

para jonowasolwatowanykarbokation

+

Cl-

Cl-

produkty: inwersji konfiguracji retencji konfiguracji

Wp yw rozpuszczalnika na reakcj SN1

Rozpuszczalnik ma du y wp yw na szybko reakcji SN1. Mo e on u atwia dysocjacjhalogenku alkilowego i stabilizowa karbokation. Wp ywa wi c na pierwszy etap reakcji, tj. stanprzej ciowy. Rozpuszczalniki polarne, przede wszystkim protyczne solwatuj c jony sprzyjajreakcjom SN1. Do tego typu rozpuszczalników nale alkohole, kwas mrówkowy i woda.Najkorzystniejszym rozpuszczalnikiem dla SN1 jest woda, jednak wiele substratów organicznychnie rozpuszcza si w niej.

Dodatek rozpuszczalników organicznych u atwia rozpuszczanie reagentów organicznych, alezwykle obni a szybko reakcji.

.. ..

H HO

....H H

O H

HO..:

H

HO..

:

H

HO.. :

H

HO..

:

C+

Rys. 3.8. Cz steczki polarnego rozpuszczalnika stabilizuj karboanion poprzez jego solwatacj

27

Wp yw grupy odchodz cej

Podobnie jak w reakcjach SN2 reaktywno substratu zale y od w ciwo ci grupy odchodz cej.Podobny jest te szereg reaktywno ci, najbardziej aktywne s tosylany:

HOH ≈ Cl-< Br- < I- < < TosO-

Wp yw budowy substratu

Struktury reszty organicznej stabilizuj ce karbokation u atwiaj reakcje SN1. Wzrost rz dowo cikarbokationu wp ywa na jego trwa , dlatego trzeciorz dowe pochodne naj atwiej ulegajreakcjom SN1, 2o trudniej, a 1o s w tego typu reakcjach nieaktywne. Na stabilizacjkarbokationu du y wp yw ma mezomeria, szczególnie obecno podwójnego wi zania wpo eniu β, tzw. uk ad allilowy. U atwienie reakcji SN1 obserwuje si nie tylko dla halogenkówallilowych (1o czy 2o), ale równie dla benzylowych.

CH2CC

CH2H2

H + CCH2H

+

stabilizacja kationu allilowego

H

H

H

H

H

H

H

HC ++ C

+

C

+

C

stabilizacja kationu benzylowego

Wi zania C-X w halogenkach allilowych i benzylowych s os abione w porównaniu do wi zania,np. w halogenku etylu:

CH3CH2−Cl CH2=CH−Cl CH2−Cl

energia wi zania 338 kJ/mol 289 kJ/mol 293 kJ/molC−X (kcal/mol) (81) (69) (70)Obie grupy zwi zków s równie bardzo reaktywne w reakcjach biegn cych mechanizmem SN2,tak wi c szybko reakcji substytucji nukleofilowej halogenków allilowych czy benzylowych jestsum szybko ci obu reakcji – SN1 i SN2. To jest przyczyn wysokiej reaktywno ci tychzwi zków.

Wp yw nukleofilu

Nukleofil ma niewielki wp yw na szybko reakcji SN1, poniewa nie bierze udzia u wnajwolniejszym etapie reakcji. Po utworzeniu karbokationu jego reakcja z nukleofilem biegnieszybko i nie wp ywa na sumaryczn szybko reakcji. Halogenowodory (HCl, HBr lub HI)reaguj z tak sam szybko ci z t-butanolem:

28

(CH3)3C-OH + HX (CH3)3C-X + HOH

t-butanol halogenek t-butylu (X: Cl, Br lub I)

Porównanie reakcji biegn cych mechanizmem SN1 i SN2

Substratami reakcji SN1 s zwi zki organiczne tworz ce stabilne karbokationy, np. halogenki3o, allilowe czy benzylowe;

Reakcj SN1 u atwiaj protyczne rozpuszczalniki polarne (solwatuj aniony i kationy);

Odczynniki nukleofilowe nie wp ywaj na szybko reakcji SN1;

Solwoliza halogenków alkilowych jest przyk adem reakcji biegn cej mechanizmem SN1. Nawetje eli substratem nie jest 3o halogenek to st enie rozpuszczalnika u ytego w du ym nadmiarzejest sta e w trakcie reakcji i jego wp yw na szybko reakcji zawiera si w sta ej szybko ci:

v = k[RX]

Substraty reakcji SN2 nie mog mie zawad sterycznych;Szybko reakcji maleje wraz ze wzrostem rz dowo ci: CH3-X < RCH2-X << R2CH-X

Reakcj SN2 u atwiaj polarne rozpuszczalniki aprotyczne.

Podwy szenie st enia odczynnika nukleofilowego zwi ksza szybko reakcji;

Efekt grupy odchodz cej jest taki sam w obu reakcjach: R-OTos > R-I > R-Br > R-Cl >> R-F