Embed Size (px)
Citation preview
1
HHAALLOOGGEENNAALLKKAANNII ((aallkkiill--hhaallooggeenniiddii))
■ Nastaju supstitucijom (zamenom) jednog ili više H-atoma atomom halogena (X = F, Cl, Br, I). ■ Funkcionalna grupa – atom halogena. ■ Opšta formula:
R X R - bilo koja alkil- ili supstituisana alkil-grupa,X - bilo koji atom halogena.
■ Podela prema vrsti C-atoma na kome se nalazi atom halogena:
NOMENKLATURA HALOGENALKANA ■ IUPAC nomenklatura:
• halogen se označava kao supstituent u najdužem nizu C-atoma.
■ Trivijalni nazivi:
• nazivu alkil-grupe dodaje se sufiks: -fluorid, -hlorid, -bromid ili -jodod.
Cl CH3
CH2 CHCH2
1-brombutan
CH3CH2CH2CH2 CH3CHCH3Br
(n-butil-bromid)2-hlorpropan
(izopropil-hlorid)
CH3CHCH2Cl
1-hlor-2-metilpropan(izobutil-hlorid)
Cl
3-hlorpropen(alil-hlorid)
C
H
XR
H
C
R
XR
H
C
R
XR
R
primarni sekundarni tercijarni
1o 2o 3o
2
FIZIČKE OSOBINE HALOGENALKANA ■ Polarna jedinjenja. ■ Fizičke osobine im se veoma razlikuju od fizičkih osobina alkana što je rezultat: ���� veličine halogen supstituenta, ���� polarnosti veze C–X.
���� Veličina halogen supstituenta ■ Jačina C–X veze opada sa porastom veličine X. ■ p-orbitala halogena se preklapa sa sp3-orbitalom C-atoma. ■ Kako raste veličina p orbitale halogena (F < Cl < Br < I), one postaju difuznije, mogućnost preklapanja sa manjom sp3 orbitalom C-atoma je manji i jačina veze opada.
Dužina C–X veze i jačina veze kod CH3–X
CH3X Dužina veze
(Ǻ) Jačina veze (kcal mol–1)
CH3F 1,385 110 CH3Cl 1,784 85 CH3Br 1,929 70 CH3I 2,139 57
: XC
sp3 p
3
���� Polarnost veze C–X ■ Halogeni su elektronegativniji od C-atoma pa je C–X veza polarizovana.
■ Meñu molekulima (permanentni dopoli) vladaju dipol-dipol privlačne sile Coulomb-ovog tipa.
Temperature ključanja ■ Imaju više Tklj od odgovarajućih alkana – posledica dipol-dipol interakcija. ■ Tklj HALOGENALKANA rastu sa povećanjem veličine halogena (F ���� I):
• rastu London-ove sile izmeñu molekula alkil-halogenida (veći atomi su polarizabilniji i dolazi do jačih London-ovih interakcija i viših Tklj)
1 Tačke ključanja halogenalkana R–X Tklj (°C)
R X = H F Cl Br I CH3CH2 –88,6 –37,7 12,3 38,4 72,3
1 ■ London-ove sile zavise od meñusobne korelacije elektrona izmeñu molekula. ■ Kod većih atoma elektroni su slabije vezani oko jezgra.
C Xδδδδ δδδδ+
:....
-
C X C Xδδδδ δδδδ+ - δδδδ δδδδ+ -
.... .... . ..
4
DOBIJANJE HALOGENALKANA 1. Halogenovanje alkana (X2/hν ili ∆) 2. Adicija H–X na alkene i alkine ( tj. na C=C i C≡C vezu) 3. Iz alkohola: 3.1. Dejstvom halogenovodoničnih kiselina (H–X) na alkohole
OHR XH XR OHH+ +
ClHCH3 C
CH3
CH3
OH CH3 C
CH3
CH3
Cl OHH+ +
OHCH3CH2 BrH BrCH3CH2 OHH++
OHCH3CH2 BrCH3CH2 OHH++ NaHSO4
Na , H2SO4/∆Br
NaBr + H2SO4 HBr + NaHSO4
3.2. Dejstvom halogenida mineralnih kiselina na alkohole
OHR
ClR
ClR BrR
SOCl2
PX3
PX5
(X = Cl, Br)
(X = Cl, Br)
ili(1o ili 2o)
SN2
SOCl2 (tionil-hlorid)
(1o ili 2o)
(1o ili 2o)
5
4. Reakcija izmene halogena (sinteza jodalkana iz bromida i hlorida)
XR IR+ -
(X = Cl, Br)
Na I+ aceton+
-Na X+dobro rastvoran u acetonu
HEMIJSKE REAKCIJE HALOGENALKANA ■ Elektrofilni δ+ C-atom podleže napadu anjona i drugih nukleofila. ■ Katjoni i elektrofili napadaju nukleofilni δ– atom halogena.
NUKLEOFILNA SUPSTITUCIJA ■ Alkil-halogenidi imaju elektrofilni C-atom pa reaguju sa nukleofilima. ■ Nukleofili su reakcione čestice koje imaju slobodan elektronski par. ■ Nukleofilna supstitucija – nukleofil zamenjuje halogen.
C Xδδδδ δδδδ+
:....
-
..
..:OH-naelektrisani, anjoni (Nu: ) poput -
neutralani (Nu:) poput NH3, H2O.... ..
R X R Nu
R X R Nu
Nu:..
:..-
+ :+ X:....
-δδδδ δδδδ+ -
nukleofil
elektrofil
proizvod odlazecagrupa
(supstrat)
(neutralan molekul)
Nu:..
:..+ :+ X:....
-δδδδ δδδδ+ -
nukleofil
elektrofil
proizvod odlazecagrupa
(supstrat)(katjon)
+
6
Nukleofil Supstrat Proizvod Odlazeća grupa
HO:....
-
+ R X..:..
δδδδ δδδδ+ -
� R–OH + :X:
..
..-
hidroksilni
jon alkil-halogenid
alkohol halogenid
jon
R'O:....
-
+ R X..:..
δδδδ δδδδ+ -
� R–O–R' + :X:
..
..-
alkoksidni
jon etar
N C: -: + R X..:..
δδδδ δδδδ+ -
� R–C≡N + :X:
..
..-
cijanidni jon
nitril
(alkil-cijanid)
HS:....
-
+ R X..:..
δδδδ δδδδ+ -
� R–SH + :X:
..
..-
hidrogen-sulfidni jon
tiol
(merkaptan)
..H3N
+ R X..:..
δδδδ δδδδ+ -
� R NH3
+
+ :X:....
-
amonijak alkilamonijum-halogenid
:I:....
-
+ � R–I + :X:
..
..-
jodidni jon
R X..:..
δδδδ δδδδ+ -
X=Br, Cl
alkil-jodid
7
■ Sve pomenute reakcije su reakcije NUKLEOFILNE supstitucije. ■ U zavisnosti od prirode supstrata i reakcionih uslova, odvijaju se u dva mehanizma:
• SN2 (bimolekilska nukleofilna supstitucija) ili
• SN1 (monomolekulska nukleofilna supstitucija). BIMOLEKULSKA NUKLEOFILNA SUPSTITUCIJA Primer: Reakcija hlormetana sa natrijum-hidroksidom, pri čemu se dobija metanol:
CH3 Cl CH3 OH+ + Cl-NaOHH2O
∆Na+
CH3 Cl CH3 OHHO: ....-
+ :+ Cl:....
-δδδδ δδδδ+ -
..
......
:
■ Koncertovani proces:
• reakcija se vrši u jednom koraku – do stvaranja nove veze dolazi istovremeno sa raskidanjem stare veze.
■ Brzina reakcije zavisi od koncentracije halogenalkana i od koncentracije nukleofila tj. hidroksilnog jona – r-ja II reda.
SN2supstitucija
nukleofilna
bimolekulska
(dva molekula ucestvuju u fazi koja odredjuje brzinu reakcije)
v = k[CH3Cl][OH–]
8
Mehanizam reakcije
C Cl
H
HH
C
H
H H
ClOH
COH
H
H
H
=
prelazno stanje(PS)
..:..HO:
..
..-
+ :....
δδδδ δδδδ+ -
nukleofil
proizvodsupstrat
:+ Cl:....
-
odlazecagrupa
.... δδδδ -δδδδ -
....
sp2
■ Nukleofil napada halogenalkan uz istovremeno istiskivanje odlazeće grupe.2 ■ Zamena sa zadnje strane:
• nukleofil se približava C-atomu sa suprotne strane od odlazeće grupe.
■ SN2 reakcije se vrše uz INVERZIJU KONFIGURACIJE (inverzija prostornog rasporeda grupa vezanih za C*). ■ SN2 reakcije je STEREO SPECIFIČNA (r-ja u kojoj se jedan stereo izomer supstrata prevodi u odreñeni stereoizomer proizvoda).
C Cl
H
C
H
CH3 CH2CH3
ClOH
COH
H
CH3
=
..:..HO:
..
..-
+ :.... :+ Cl:
..
..-
....
CH3CH2
CH3 CH2CH3
....
(S)-(+)-2-hlorbutan (R)-(-)-2-butanol
hiralan i opticki aktivanhiralan i opticki aktivan
INVERZIJA KONFIGURACIJE
**
STEREO centar STEREO centar
sp2
δδδδ -δδδδ -
2 ■ El. par sa negativno naelektrisanog kiseonika hidroksilnog jona kreće se
prema δ+ C-atomu, pri čemu nastaje C–O veza, dok el. par veze C–Cl prelazi na hlor eliminišući ga kao :Cl–.
9
R XNu:-
E
reakciona koordinata
Ea
R Nu + :X-
PS
+
Dijagram potencijalne energije SN2 reakcije
STRUKTURA I REAKTIVNOST SN2 REAKCIJE
■ Brzina SN2 reakcije zavisi od: ���� strukture alkil-grupe supstrata, ���� reaktivnosti nukleofila i ���� prirode odlazeće grupe.
���� STRUKTURA ALKIL-GRUPE SUPSTRATA ■ Struktura alkil-grupe supstrata, posebno u blizini α C-atoma (za koga je vezana odlazeća grupa), uslovljava brzinu SN2 reakcije. ■ Sterne smetnje koje otežavaju prilaz nukleofila i tako smanjuju
brzinu SN2 reakcije su: • račvanje na reaktivnom C-atmu (Cα), • račvanje u susedstvu reaktivnog C-atoma (Cα), • produženje niza (1º RX) za jedan ili 2 C-atoma.
Proces se odvija u jednom koraku, sa jednim prelaznim stanjem.
C Xδδδδ δδδδ+
:....
-
αααα
reaktivni C-atom
Nu:-
+nukleofil
10
Relativne brzine SN2 reakcije račvastih bromalkana sa jodidnim jonom
R Br R II:..
:..-
+ :+ Br:....
-δδδδ δδδδ+ -
nukleofilsupstrat
:....
R–Br CH3 Br CH2 BrCH3 CH BrCH3
CH3
C BrCH3
CH3
CH3 R-grupa metil 1º 2º 3º
Rel. brzina 145 1 0,0078 zanemarljivo
C BrH
HH αααα:
-Nu
Nu:– napada lako uz malu Ea (H-atomi svojom veličinom ne predstavljaju smetnju); reakcija je brza
C BrCH3
HH αααα
Nu:– napad je otežan prisustvom CH3-grupe (sterne smetnje) te je veća Ea; PS ima viši sadržaj E; reakcija je sporija
C BrCH3
HCH3
αααα
Nu:– napad je veoma otežan prisustvom dve CH3-grupe; Ea je veoma velika; PS ima visok sadržaj E; reakcija je vrlo spora
C BrCH3
CH3
CH3αααα
Cα je toliko zaklonjen da je prilaz Nu:– praktično onemogućen; nema SN2 reakcije
Reaktivnost alkil-halogenida u SN2 reakciji opada u nizu:
metil > 1o > 2o >> 3o 3º alkil-halogenidi uopšte ne reaguju po SN2 mehanizmu!!!
11
Relativne brzine SN2 reakcije račvastih bromalkana sa jodidnim jonom
R Br R II:..
:..-
+ :+ Br:....
-δδδδ δδδδ+ -
nukleofilsupstrat
:....
R–Br H CCH2
H
H
Brββββ
CH3 CCH2
H
H
Brββββ
CH3 CCH2
CH3
H
Brββββ
CH3 CCH2
CH3
CH3
Brββββ
Rel.
brzina 1 0,8 0,03 1,3 x 10–5
Račvanje u susedstvu reagujućeg C-atoma takoñe usporava SN2 reakcije (sterne smetnje)
Relativne brzine SN2 reakcije hloralkana ravnog niza sa jodidnim jonom
R Cl R II:..
:..-
+ :+ Cl:....
-δδδδ δδδδ+ -
nukleofilsupstrat
:....
R–Cl CH3 Cl
hlormetan
CH2 ClCH3 hloretan
CH2 ClCH3CH2 1-hlorpropan
����hlormetan je oko dva reda veličine reaktivniji od hloretana
���� 1-hlorpropan reaguje dva puta sporije od hloretana
���� dalje produžavanje niza (1-hlorbutan, 1-hlorpentan) nije od značaja (ne povećavaju se sterne smetnje u blizini reaktivnog C-atoma)
12
���� Važno: Sterni faktor je od presudnog značaja za brzinu SN2 reakcije! ���� REAKTIVNOST NUKLEOFILA ■ Relativna snaga (jačina) nukleofila, nukleofilnost, zavisi od više faktora:
�������� šarže, �������� baznosti, �������� rastvarača, �������� polarizabilnosti, �������� prirode supstituenata.
■ I baze i nukleofili su (po definiciji) čestice koje imaju slobodan el. par. Baznost ���� termodinamička veličina koja je odreñena ravnotežnom konstantom:
B HB: + H2OKe- + :OH- Ke = konstanta ravnoteže
Nukleofilnost ���� kinetička veličina koja se kvantitativno odreñuje poreñenjem konstanti brzina reakcija:
R X R Nuk
Nu:..
:..-
+ :+ X:....
-k = konstanta brzine
■ Da li su baznost i nukleofilnost meñusobno povezane?
13
�������� Nukleofilnost raste sa povećanjem "–" šarže (naelektrisanja)
CH3 Cl CH3 OHHO:-
+ :+ Cl:....
-....
BRZO....
: ....
CH3 Cl CH3 OH2 SPORO..
H2O+
+ :+ Cl:....
-....
vrlo....
:
■ Od para nukleofila sa istim reaktivnim atomom, reakciona vrsta sa "–" šaržom je uvek bolji nukleofil. ■ Baza je uvek nukleofilnija od konjugovane kiseline.
�������� Nukleofilnost opada s leva u desno u periodi periodnog sistema.
CH3 Br CH3 NH3+ :+ Br:....
-....
:H3N+..
BRZO
CH3 Br CH3 OH2+ :+ Br:....
-....
: SPOROH2O+
..
..vrlo
..
■ NH3 je jači nukleofil od H2O (N je nukleofilniji od O).
■ NH3 je jača baza od H2O.
■ Fluor je najelektronegativniji (najjače drži svoje elektrone) pa je, shodno tome, F¯ najlošiji Nu:¯.
HO:-
..
..> H2O..
..
RO:-
..
..> ROH..
..
:-
>....
HS:-
..
..> H2S..
..H2N H3N
H2O....
>..
H3N
F:-
..
..RCH2
:- ....
> RO....
:- -
R2N > >
opada NUKLEOFILNOSTopada BAZNOST
C N O Fraste ELEKTRONEGATIVNOST
< <<
14
����Važno: Uprkos bitno različitim osobinama baznosti i nukleofilnosti, postoji dobro slaganje u slučajevima:
• naelektrisanih prema neutralnim nukleofilima i
• nukleofila duž periode periodnog sistema. odnosno, reakciona vrsta koja je baznija, jači je nukleofil.
�������� Nukleofilnost raste od gore na dole u grupi periodnog sistema.
CH3 OHCH3 BrHO..:.. - ..
.. BRZO+ :+ Br:....
-....
:
CH3 Br CH3 SH+ :+ Br:....
-....
: BRZOHS..:.. -
..
..veoma
■ Stepen nukleofilnosti se povećava od gore na dole u grupi periodnog sistema, kako za naelektrisane, tako i za neutralne nukleofile. :..
..F
Cl
Br
I
:
..
..
....
..
..
:
:
:
:
raste
BAZNOSTNUKLEOFILNOSTopada
::
-
-
-
-
■ Pomenuti porast nukleofilnosti je posledica:
���� interakcije nukleofila sa rastvaračem i
���� polarizabilnosti nukleofila.
HO:-
..
..
> H2O....
HS:-
..
..>
H2S....
15
���� Interakcija Nu:¯ sa rastvaračem – važan razlog za povećanje nukleofilnosti anjona (od gore na dole u grupi periodnog sistema). ■ U rastvoru su joni okruženi molekulima rastvarača – solvatizovani su.
O
H
R
OHRO
HR
OH
RO
H
RO
H
R
OHR
OHR
.F
-
. ..
...
...
.
..
.
..
.
..
.
..
...
I -
VELIKI jonMALI jon
....
.
...
...
.... .
-- koncentrisanije "-" naelektrisanje-- jaca interakcija sa molekulima rastvaraca
solvatacija anjona molekulima alkohola (proticni rastvarac)solvatacija formiranjem vodonicnih veza
■ Manji anjoni su jače solvatizovani od velikih (naelektrisanje je rasporeñeno na manju površinu – koncentrisanije je). ■ Veći, slabije solvatisani anjoni su bolji nukleofili. ■ Zato je :I¯ jon znatno nukleofilniji od :F¯. ■ Polarni rastvarači:
• protični (H2O, ROH) – H-atom je vezan za elektronegativan atom, o grade vodonične veze, jače
solvatizuju jone
• aprotični, o ne grade vodonične veze, slabije solvatizuju
jone.
R O H-δδδδ +δδδδ
16
■ Neki polarni aprotični rastvarači:
CH3 C
O
CH3 CH3 C N CH3 S
O
CH3H C
O
NCH3
CH3aceton acetonitril
N,N-dimetilformamid(DMF)
dimetilsulfoksid
(DMSO)
■ Polarni aprotični rastvarači ubrzavaju SN2 reakciju jer nukleofili nisu snažno solvatizovani.
CH3 Br CH3 I
CH3 Br CH3 I
CH3OH+ :+ Br:
..
..-
..
..:
..
..: I:-
..
..:
+ :+ Br:....
-....
:....: I:
-....:aceton
Relativna brzina
1
500
���� Polarizabilnosti nukleofila – veliki elementi imaju veće, difuznije i polarizabilnije elektronske oblake – bolje je preklapanje orbitala u prelaznom stanju (PS niže energije, brža reakcija).
: XC-
δδδδ δδδδ+ -
:I
5p
polarizovna prema elektrofilnom centru C-atoma
: XC-
δδδδ δδδδ+ -
:F
2p
relativno nepolarizovna, kruta
17
�������� Sterno zaklonjeni nukleofili su slabiji reagensi – sporije reguju zbog sternih smetnji.
�������� Nukleofilnost se povećava: ���� sa povećanjem "–" šarže, ���� kod elemenata u levo i na dole u periodnom sistemu, i ���� u polarnim aprotičnim rastvaračima.
���� PRIRODA ODLAZEĆE GRUPE ■ Sposobnost odlaska grupe je mera lakoće susptitucije. ■ Reaktivnost alkil-halogenida opada u nizu:
R–I > R–Br > R–Cl > R–F ���� Važno: Što je halogenid jon slabija baza, bolja je odlazeća grupa!
:I¯ > :Br¯ > :Cl¯ > :F¯
■ Slabe baze najbolje prihvataju negativnu šaržu. ■ Konjugovane baze jakih kiselina su dobre odlazeće grupe.
■ Još neke dobre odlazeće grupe:
najslabija baza
najjača baza
O S
O
O
O CH3 S
O
O
OCH3-
metil-sulfatni jon metansulfonatni jon
-
C XC
CH3
CH3 O
CH3
OCH3C X
δδδδ δδδδ+
:....
-
:-..
......
δδδδ δδδδ+
:....
-
:-
sporijebrzo
18
CNu
C
H
C X
C
H
C C Nu H
a
b
Nu:-
a
b
δδδδ δδδδ+ -
αααα
nukleofil
..:
..
ααααββββ
alken
ββββ
ββββ
ααααSN2
E2
:+ X:....
-
+ :+ X:....
-
Relativna jačina nukleofila u protičnim rastvaračima
Rel. jačina nukleofila
Nukleofil
Odličan HS¯, RS¯, I¯
Br¯, CN¯, HO¯, RO¯ Dobar
(HO¯ i RO¯ su jake baze)
Umeren NH3, Cl¯, F¯, RCO2¯
Slab H2O, ROH
���� Važno: SN2 reakcija je praćena E2 eliminacijom!3
3 ■ Za mehanizam E2 eliminacije videti alkene (dehidrohalogenovanje
alkil-halogenida), fol. 12–17.
CH3X > 1° RX > 2° RX >> 3° RX
brzina SN2: v = k[RX][Nu:–]
brzina E2: v = k[RX][Nu:–]
3° RX > 2° RX > 1° RX
CNu
C
H
C X
C
H
C C Nu H
a
b
Nu:-
a
b
δδδδ δδδδ+ -
αααα
nukleofil
..:
..
ααααββββ
alken
ββββ
ββββ
ααααSN2
E2
:+ X:....
-
+ :+ X:....
-
CH3X > 1° RX > 2° RX >> 3° RX
brzina SN2: v = k[RX][Nu:–]
brzina E2: v = k[RX][Nu:–]
Obe reakcije favorizovane visokom koncentracijom jakog nukleofila ili baze!
19
■ U zavisnosti od: ���� strukture alkil-grupe supstrata (struktura supstrata), ���� prirode nukleofilne čestice i njene baznosti, ���� temperature,
biće favorizovana SN2 ili E2 reakcija.
�������� & ���� �������� 1° R–X ■ Kada je supstrat 1° R–X, u slučaju svih nukleofila, osim jako baznih voluminoznih poput (CH3)3CO¯, jako je favorizovana SN2 reakcija (nukleofil može lako da priñe reaktivnom C-atomu).
CH3CH2CH2 Br CH3CH2CH2 OCH2CH3 CH3CH CH2+
92% 8%
SN2 E2
CH3CH2OH, ∆
-CH3CH2O Na+
■ Sa jako baznim voluminoznim nukleofilima, poput (CH3)3CO¯ (teško prilazi reaktivnom C-atomu), jako je favorizovana E2 eliminacije.
CH3CH2CH2 OC(CH3)3 CH3CH CH2CH3CH2CH2 Br
-(CH3)3CO Na+
(CH3)3COH, ∆+
15% 85%
SN2 E2
20
R C
H
X
H
R C
H
I
H
R C
H
H
CN
R C
H
SCH3
H
R C
H
SH
H
R C
H
OH
H
:CN
CH3S:
HS:
-
-
-
I:
-
GLAVNI proizvod
SN2
SN2
SN2
SN2
1o RX
HO:-
SN2
21
�������� 3° R–X
■ 3° R–X ne reaguju po SN2 mehanizmu!
■ 3° R–X sa jako baznim nukleofilima, daju E2 proizvode.
CH3 C
CH3
CH3
Br
CH2 C
CH3
CH3
E2
-CH3O Na+
CH3OH, ∆
■ Regioselektivnost E2 reakcije – Zajcevljevo (Zaytsev) pravilo.
CH3 C
CH3
CH2
Br
CH3 CH2 C
CH3
CH2 CH3 CH3 C
CH3
CH CH3
E2
-CH3CH2O Na+
CH3CH2OH, ∆+
20% 80%
E2VIŠE alkil-grupa na C=C atomima
ββββααααββββ1
■ Meñutim, upotrebom jako baznog voluminoznog nukleofila (CH3)3CO¯, regioselektivnost E2 reakcije se menja:
CH3 C
CH3
CH2
Br
CH3 CH2 C
CH3
CH2 CH3 CH3 C
CH3
CH CH3
-(CH3)3CO Na+
(CH3)3COH, ∆
E2
+
70% 30%
E2MANJE alkil-grupa na C=C atomima
ββββααααββββ1
■ Za E2 reakciju u kojoj iz sternih razloga nastaje termodinamički manje stabilan alken, kaže se da sledi Hofmanovo (Hofmann) pravilo.
22
�������� 2° R–X u zavisnosti od nukleofilne čestice daju i SN2 i E2 proizvode.
■ Sa jako baznim nukleofilima preovlañuju E2 proizvodi.
CH3 C
CH3
Cl
H
CH2 C
CH3
H CH3 C
CH3
O CH2CH3
H
E2
-CH3CH2O Na+
CH3CH2OH+
80% 20%SN2
■ Sa dobrim, slabo baznim, nukleofilima favorizovana je SN2 reakcija (preovlañuju SN2 proizvodi) npr.:
R C
R
X
H
R C
R
I
H
R C
R
H
CN
R C
R
SCH3
H
R C
R
SH
H
:CN
CH3S:
HS:
-
-
-
I:
-
SN2
2o RX
GLAVNI proizvod
SN2
SN2
SN2
�������� ■ Povišena temperatura (zagrevanje reakcione smeše) pogoduje E2 reakciji.
23
MONOMOLEKULSKA NUKLEOFILNA SUPSTITUCIJA
Primer: Reakcija SOLVOLIZE halogenalkana ■ Solvoliza – reakcija u kojoj je rastvarač nukleofil:
• HOH – hidroliza • ROH – alkoholiza.
CH3 C
CH3
Br
CH3
H OH CH3 C
CH3
OH
CH3
H Br
CH3 C
CH3
Br
H
H OH CH3 C
CH3
OH
H
H Br
H OH H BrCH3 CH2 Br
CH3 Br
CH3 CH2 OH
H OH CH3 OH H Br
CH3 C
CH3
Br
CH3
CH3 C
CH3
O
CH3
H Br
+.... +
..
.. :.... :
Rel. brzina
1,2 x 106
12+
..
.. +.... :
..
.. :
+.... +
..
.. :.... :
:....
..
..
+....
1+
..
.. :
+.... +
..
.. :.... : CH3OH
BRZO
vrlo BRZO
..
..
..
..
..
..
..
..
1
SPORO
vrlo
relativno
zanemarljivo
zanemarljivo
CH3
3o
1o
2o
3o
■ Metil- i 1º R–X uopšte ne reaguju po SN1 mehanizmu! ■ Brzina reakcije zavisi samo od koncentracije halogenalkana – reakcija I reda. ■ Više stupnjeva – u početnom sporom stupnju ne učestvuje nukleofil - monomolekulska supstitucija.
SN1supstitucija
nukleofilna
monomolekulska
(jedan molekulucestvuje u fazi koja odredjuje brzinu reakcije)
v = k[RX]
24
Mehanizam reakcije na primeru hidrolize terc-butil-bromida
1. FAZA: disocija alkil-halogenida na karbokatjon i halogenid jon
CH3 C
CH3
Br
CH3
CH3 C
CH3
CH3
:+ Br:....
-.... :
sporo +
bromidnijonkarbokatjon
INTERMEDIJER ■ Jonovi su solvatizovani (i stabilizovani) molekulima vode!
OH H
OHH
O
H
H
O
H
H
OH H
O
H
HO H
H
OH
H
OHH
-
.
jon-dipol interakcija
....
.
..
.K+
X
.
..
..
.
...
..
. .... .
.. ..
..
.....
.....
.
.....
solvatacija karbokatjona halogenid jonasolvatacijasolvatacija formiranjem vodonicnih veza
2. FAZA: nukleofilni napad molekula vode na elektron-deficitarni C-atom
CH3 C
CH3
O
CH3
H
H
CH3 C
CH3
CH3
OH
H+
brzo+
.... :
+
elektrofil nukleofil alkiloksonijum-jon(konjugovana kiselina alkohola)
Faza koja odreñuje ukupnu brzinu reakcije!
25
3. FAZA: deprotonovanje pod uticajem bazne čestice H2O i :Br¯
CH3 C
CH3
O
CH3
H
H
CH3 C
CH3
OH
CH3
+brzo
:+OH2....
..
..+ OH2..H
+
ab :Br:
..
..-
+ H :Br....
+ HOH
PS1
E
reakciona koordinata
PS3
PS2
odreðuje brzinuSN1 reakcije
(CH3)3CBr
(CH3)3C+
+(CH3)3CO
H
H
+ HBr
(CH3)3COH
CH3 C
CH3
Br
CH3
CH3 C
CH3
O
CH3
H
H
CH3 C
CH3
O
CH3
H
H
OH2
=
δδδδ δδδδ+ -:
=
δδδδ δδδδ+ +
δδδδ+
:δδδδ+
=
PS1 2
3PS
PS..
26
■ SN1 reakcije NIJE STEREO SPECIFIČNA. ■ Iz optički aktivnog supstrata se dobijaju racemski SN1 proizvodi.
CH3
CH3CH2CH2 CH2CH3
OH
H
OH
H
CH2O
CH3
C OH2
CH3
COH
CH3
C OH
CH3
C Br
CH3
:+ Br:....
-C+
ahiralan i opticki NEaktivan
.....
...
ba
PLANARAN
+
a b
+..*
CH2CH2CH3CH2CH3
..CH3CH2CH2
CH3CH2
* +
- H+ - H+
+..*
CH2CH2CH3CH2CH3
..CH3CH2CH2
CH3CH2
*.. ..
STEREO centar
(R)-3-metil-3-heksanol(S)-3-metil-3-heksanol
RACEMSKA smeša
hiralan i opticki aktivan
50% 50%
hiralan i opticki aktivan
Smesa istih kolicina (+)- i (-)-enantiomera je opticki NEaktivna i naziva se RACEMSKA smesa.
Oznacava se simbolom ( )- ili (R,S)-.+_
STEREO centar
STEREO centar
STEREO centar
50% 50%
..:..
CH3CH2CH2
CH3CH2
(R)-3-brom-3-metilheksan
*
STEREO centar
50% 50%
27
■ Jačina i koncentracija nukleofila NE utiče na brzinu SN1 reakcije:
����disocijacija halogenalkana je faza koja odreñuje ukupnu brzinu SN1 reakcije!
■ Brzina SN1 reakcije zavisi od: ���� strukture alkil-grupe supstrata, ���� rastvarača i ���� prirode odlazeće grupe.
���� STRUKTURA ALKIL-GRUPE SUPSTRATA ■ Svi alkil-halogenidi koji disocijacijom daju stabilne karbokatjone, reaguju SN1 mehanizmom.
���� Važno: Stabilnost karbokatjona je od presudnog značaja za brzinu SN1 reakcije! ■ Reaktivnost R–X u SN1 reakciji opada u nizu:
3° RX > 2° RX >> 1° RX ■ Benzil- i alil-halogenidi su veoma reaktivni supstrati u SN1 reakciji (grade veoma stabilne karbokatjone). ■ Stabilnost karbokatjona opada u nizu::
C
C
R
R R
CH2 CH C
C
R
R H
C
H
R HC
H
H HCH2 C
+H2
+
+H2
>
+
>+
>+
H+
>
benzil, 3° > alil, 2° > 1° > metil > vinil
CH2 X
CH2 CH CH2 X
28
���� RASTVARAČ ■ Polarni rastvarači ubrzavaju SN1 reakciju!
CH3 C
CH3
Br
CH3
CH3 C
CH3
CH3
CH3 C
CH3
Br
CH3
:+ Br:....
-.... : +
=
δδδδ δδδδ+ -
PS1
H2O
joni su SOLVATIZOVANI molekulima H2O (polaran protican rastvarac)
dolazi do razdvajanja "+" i "-" šarže
■ Struktura prelaznog stanja (PS) je veoma polarizovana – disocijacijom alkil-halogenida nastaju suprotno naelektrisani joni. ■ U polarnim protičnim rastvaračima SN1 reakcije su brže:
• SOLVATACIJOM stabilizuju PS (snižava se Ea, reakcija je brža),
• ubrzavaju nastajanje karbokatjona s obzirom da solvatizuju nastale jone (fol. 24).
(CH3)3C Br (CH3)3C OH
(CH3)3C Br (CH3)3C OH
100% H2O..
10% H2O
Relativna brzina
1
400 000....
:
90% aceton,....
:
..+ H :Br
....
..
..+ H :Br
....
■ U polarnim aprotičnim rastvaračima SN1 reakcije su sporije (slabija solvatacija) nego u polarnim protičnim rastvaračima. ■ Polarnost rastvarača se kvantitativno izražava tzv.,dielektričnom konstantom.
29
Dielektrične konstante nekih rastvarača
Rastvarač Formula Dielektrična konstanta
Voda H2O 80
Dimetilsulfoksid (DMSO)
CH3SOCH3 49
N,N-dimetilformamid (DMF)
HCON(CH3)2 37
Acetonitril CH3C≡N 36
Metanol CH3OH 33
Etanol CH3CH2OH 24
Aceton CH3COCH3 21
protičan rastvarač
aprotičan rastvarač
polarnost OPADA
30
���� PRIRODA ODLAZEĆE GRUPE ■ Reaktivnost alkil-halogenida opada u nizu:
R–I > R–Br > R–Cl > R–F ���� Važno: Što je halogenid jon slabija baza, bolja je odlazeća grupa!
:I¯ > :Br¯ > :Cl¯ > :F¯
■ Slabe baze najbolje prihvataju negativnu šaržu:
• satabilizacijom "–" šarže koja se generiše u prelaznom stanju, stabilizuju prelazno stanje (snižava se Ea, reakcija je brža).
najslabija baza
najjača baza
C X
=
PS1
δδδδ δδδδ+ -
31
���� Važno: SN1 reakcija je praćena E1 eliminacijom!
CH3 C
CH3
Br
CH3
H OH CH3 C
CH3
OH
CH3
H BrCH3CCH2
CH3
+.... +
..
.. : ....
SN1 E180% 20%
+.... :
Mehanizam konkurentskih reakcija SN1 i E1, na primeru hidrolize terc-butil-bromida 1. FAZA (zajednička za obe reakcije): disocija alkil-halogenida na karbokatjon i halogenid jon
CH3 C
CH3
Br
CH3
CH3 C
CH3
CH3
:+ Br:....
-.... :
sporo +
bromidnijonkarbokatjon
INTERMEDIJER ■ Jonovi su solvatizovani (i stabilizovani) molekulima vode!
Intermedijer u obe reakcije je KARBOKATJON.
3° RX > 2° RX > 1° RX
brzina SN1: v = k[RX]
SN1
3° RX > 2° RX > 1° RX
brzina E1: v = k[RX]
E1
Faza koja odreñuje ukupnu brzinu i SN1 i E1 reakcije!
32
■ U sledećoj, brzoj FAZI reakcije, molekul vode može da reaguje:
���� kao nukleofil (SN1) – da napadne elektron-deficitarni C-atom ili
���� kao baza (E1) – da ukloni jedan od β H-atoma uz istovremeno formiranje Cβ=Cα.
CH2 C
CH3
CH3
H OH
H
CH3 C
CH3
O
CH3
H
H
CH3 C
CH3
OH
CH3
O
H
H
CH3CCH2
CH3
brzo+..
..
alkiloksonijum-jon
+
brzo
:+OH2....
..
..+ OH2..H
+
12
....brzo
+ OH2..H+
nukleofilbaza
SN1E1
ααααββββ
ααααββββαααα
αααα
SN1
E1
GLAVNI proizvod
���� Uopšteno govoreći, SN1 reakcija je uvek favorizovana u odnosu na E1 eliminaciju, pogotovo na niskim temperaturama.
33
U reakciji 2-brom-2-metilbutana sa metanolom dobija se smeša: 2-metoksi-2-metilbutana (glavni proizvod) i 2-metil-1- i 2-metil-2-butena (sporedni proizvodi).Objasnite navedene proizvode odgovarajućim mehanizmima.
CH3 C
CH3
CH2 CH3
Br
CH3 C
CH3
CH2 CH3
O
CH3 C
CH3
CH CH3
CH2 C
CH3
CH2 CH3
..
..CH3OH
CH3
+
+
SN1E1
E1
solvoliza
CH3 C
CH3
CH2 CH3
Br
CH3 C
CH3
CH2 CH3
CH3 C
CH3
CH2 CH3
OCH3H
O
CH3
H
CH3 C
CH3
CH2 CH3
O
H CH3
CH3 C
CH3
CH2 CH3
O
OCH3 H
H
CH2 C
CH3
CH CH3H
H
O
H
CH3
O CH3
H
CH2 C
CH3
CH2 CH3 CH3 C
CH3
CH CH3
OCH3 H
H
OCH3 H
H
:+ Br:....
-
..:
sporo
+:
+
nukleofil
SN1
ββββ
.... ..+..
.. CH3
+ +..
+....
baza
E1
.. ..
E1a
b
a b
+ +..+ +..
..:
ββββ
baza
brzo
brzo brzo
brzo
34
���� Usled mogućnosti stabilizacije karbokatjona 1,2-pomeranjem hidrida (:H¯) ili alkil-grupe (:R–), mogu se dobiti proizvodi SN1 i E1 reakcije sa izmenjenim skeletom!
CH3 C
CH3
CH CH3
CH3 Cl
CH3 C
CH3
CH CH3
CH3
CH3 C CH CH3
CH3
CH3
+
2o..: :
+1,2-alkilno--premeštanje
3o
...
H2O
...
VEROVATNI mehanizmi reakcije alkil-halogenida sa nukleofilima Vrsta nukleofila (baze)
Vrsta
(R–X) Slab nukleofil
(npr., H2O)
Slabo bazan, dobar
nukleofil (npr., I¯)
Jako bazan, sterno
nezaštićen nukleofil
(npr., CH3O¯)
Jako bazan, sterno
zaštićen nukleofil
(npr., (CH3)3CO¯)
metil nema reakcije SN2 SN2 SN2
1° sterno NEzaštićen nema reakcije SN2 SN2 E2
1° sterno zaštićen nema reakcije SN2 E2 E2
2° spora SN1, E1 SN2 E2 E2
3° SN1, E1 SN1, E1 E2 E2
35
CH2 CH XCH2
C C
X
C
alilni-položaj
AALLIILL--HHAALLOOGGEENNIIDDII
■ U njihovoj strukturi, atom halogena je u alilnom položaju. ■ Veoma su reaktivni u SN2 i SN1 reakcijama.
SN2 REAKCIJA ■ Sa dobrim nukleofilima alil-halogenidi podležu SN2 reakcijama brže nego odgovarajući alkil-halogenidi.
Primer: Reakcija izmene halogena (SN2)
CH2 CH ClCH2 CH2 CH ICH2
CH3 CH2 CH2 Cl CH3 CH2 CH2 I
I:-
:....
Rel. brzina
1
73aceton
+....
: ....:
..
..:
....
:I:-
:....
+ aceton :+ Cl:....
-
:+ Cl:....
-
1o 50 oC
50 oCodlicannukleofil
SN2
SN2
3-hlorpropen(alil-hlorid)
3-jodpropen(alil-jodid)
■ Veća reaktivnost alil-halogenida (u odnosi na 1° RX) znači da je :
• prelazno stanje znatno stabilnije (niža je Ea, reakcija je brža).
SN1 REAKCIJA ■ Razlog velike reaktivnosti alil-halogenida u SN1 reakcijama je velika stabilnost intermedijarnog alil-katjona.
36
Primer: Reakcija hidrolize (SN1)
CH2 CH ClCH2
CH3 CH2 CH2 Cl H ClH OH CH2 CH2 OHCH3
H OH CH2 CH OHCH2 H ClRel. brzina
..
..:
..
..: + .. :+
..
..
vrlo BRZO
....
zanemarljivo
+.... ..
..+ .. :
1o
slabnukleofil
..
..SN1
SN1
3-hlorpropen(alil-hlorid)
2-propen-1-ol(alilal-kohol)
CH2 CH ClCH2 CH2 CH CH2 CH2 CH CH2
O H
H
CH2 CH CH2 CH2 CH CH2
OH H
CH2 CH O
H
H
CH2CH2 CH OHCH2
INTERMEDIJER
+
alil- katjon
Cl-
:+.... :..
..:
+
.. ..
+++
.. ..
a b
:
brzo
1
2
+ +
3
sporo
brzoOH2..H..
..
1
2
3
disocijacija alil-halogenida
nukleofilni napad molekula H2O
deprotonovanje (baza je H2O)
alil- katjonsimetricne strukture te nastaje samo jedan SN1 proizvod
a b=
■ Alil-halogenidi lako disosuju na alil-katjone (����). ■ Alil-katjon može bilo kojim svojim krajem da reaguje sa nukleofilom SN1 reakcijom (����).
37
■ Kada struktura alil-katjona nije simetrična:
OH H
CH CHCH3 CH2 Cl
CH CHCH3 CH2
CH CHCH3 CH2
CH CHCH3 CH2 CH CHCH3 CH2
CH CHCH3 CH2 OH
H
CH CHCH3 CH2
OH H
O H
H
O H
H
CH CHCH3 CH2 OH
CH CHCH3 CH2
OH
+
INTERMEDIJERalil- katjon
Cl-
:+.... :
.. ..
+
+
+
a b
:
brzo
1
2
3
sporo
brzo
OH2..H
..
..
..:
+
+ +
brzo
2
+
.. ..
.. ..
3
brzo....
..:
2-buten-1-ol
3-buten-2-ol1
2
3
disocijacija alil-halogenida
nukleofilni napad molekula H2O
deprotonovanje (baza je H2O)
++OH2..H
a b
38
CH2 X
C
X
benzilni-položaj
BBEENNZZIILL--HHAALLOOGGEENNIIDDII
■ U njihovoj strukturi, atom halogena je u benzilnom položaju. ■ Relativno lako stupaju u SN2 i SN1 reakcije.
SN2 REAKCIJA ■ Sa dobrim nukleofilima benzil-halogenidi podležu SN2 reakcijama brže nego odgovarajući alkil-halogenidi.
Primer: Reakcija benzil-bromida sa cijanidnim jonom (SN2)
CH2 Br C N CH2 C N-
+ : + :Br:....
-
dobarnukleofil
:.... Rel. brzina
vrlo BRZO
SN2
■ Ova reakcija je 100 puta brža od SN2 reakcije 1° alkil-bromida. ■ Veća reaktivnost benzil-halogenida (u odnosi na 1° RX) znači:
• da je prelazno stanje znatno stabilnije (niža je Ea, reakcija je brža),
• da nema sterne zaklonjenosti (lak prilaz Nu:¯ reaktivnom C-atomu).
39
SN1 REAKCIJA ■ Razlog velike reaktivnosti benzil-halogenida u SN1 reakcijama je velika stabilnost intermedijarnog benzil-katjona.
Primer: Reakcija hidrolize (SN1)
CH2 Br H OH CH2 OH H Br....
: +....
slabnukleofil
..
.. Rel. brzinavrlo BRZO+ .. :
..SN1
(benzil-bromid)(brommetil)benzen
(benzil-alkohol)fenilmetanol
Mehanizam
CH2 Br
CH2 OH
CH2
CH2 O
H
HO H
H
CH2O
H
H
+Br
-:+.... :
brzo
2
3
brzo
..
..:
..
..+
1sporo
+
..
:
..
+OH2..H
benzil-katjon
INTERMEDIJER(stabilizovan je rezonancijom)
++ ..
..
nukleofil
1
2
3
disocijacija benzil-halogenida
nukleofilni napad molekula H2O
deprotonovanje (baza je H2O)
40
STABILNOST BENZIL-KATJONA
���� "+" šarža benzil-katjona NIJE lokalizovana na benzilnom C-atomu!
Teorija molekulskih orbitala (TMO)
■ Prazna p AO sa benzilnog C-atoma se preklapa sa π-sistemom prstena:
• "+" šarža je DELOKALIZOVANA,
• smanjena je ukupna E sistema – sistem je stabilizovan.
Teorija rezonancije ■ BENZIL-katjon je rezonancioni hibrid 4 granične rezonancione strukture (I–IV):
CH2 CH2 CH2CH2
CH2
... .
.
. . . . ... .
....
::
(I) (II) (III) (IV) (V)
++
+
+ +
■ Struktura (V) – alternativni prikaz rez. hibrida. ■ Benzenov π-sistem benzil-katjona stupa u rezonanciju sa susednim elektron-deficitarnim benzilnim centrom (tzv., BENZILNA REZONANCIJA):
• DELOKALIZACIJA "+" šarže na benzenov prsten.
H
H.
2p A.O.
C
C
.
CC
C
C.
. .
.
C
.
+
prazna
41
■ 1-(Brommetil)-4-metoksibenzen još brže podleže hidrolizi (SN1) nego benzil-bromid.
CH2 BrO CH2 OHO H Br....
: ....
+ .. :..
SN1
(p-metoksibenzil-bromid)1-brommetil-4-metoksibenzen (4-metoksifenil)metanol
CH3
H2O CH3....
..
..
(p-metoksibenzil-alkohol)
■ Dotična SN1 reakcija je olakšana prisustvom metoksi grupe (-OCH3) u p-položaju, koja svojim +R elektronskim efektom dodatno stabilizuje "+" šaržu benzil-katjona.
CH2
O
CH2
O
CH2
O
CH2
O
CH2
O
+
+ +
CH3+CH3CH3 CH3CH3
+
.. ..:: .... :: ..
REZONANCIONA stabilizacija intermedijarnog BENZIL-katjona
���� "+" Šarža je DELOKALIZOVANA ne samo na benzenov prsten već i na kiseonik metoksi grupe:
• rezonanciona stabilizacija je veća,
• sistem ima niži sadržaj E – stabilniji je.
42
Organska sinteza: Transformacija funkcionalnih grupa korišćenjem SN2 i SN1 reakcija
�������� Konverzija alkohola u alkil-halogenide
OHR XH OHHXR+ +
3o i 2o ROH: HX = HI, HBr, HCl
1o ROH: HX = HI, HBr (u slucaju HCl (:Cl- je loš nukleofil) neophodno jeprisustvo ZnCl2) ■ SN2 ili SN1 reakcija u zavisnosti od strukture alkohola:
• SN1 reakcija: 3° i 2° ROH
• SN2 reakcija: 1° ROH. ■ Reaktivnost alkohola (ROH) opada u nizu:
3° > 2° > 1° ■ Reaktivnost halogenovodonika (HX) opada u nizu:
HI > HBr > HCl ■ Prvi stupanj u reakciji je protonovanje molekula alkohola, pri čemu nastaje alkiloksonijumjon-jon.
OR H ORH
H
OC H CX
+....
H+ ..
alkiloksonijum-jon
+
..
..X
-:....: + ..
..: + OH..
..:
-
LOŠAodlazeca grupa
JAKA baza
■ Na taj način se loša odlazeća grupa, :OH¯ (jaka baza), prevodi u dobru odlazeću grupu, H2O (slaba baza).
43
3° i 2° alkoholi – SN1 reakcija
BrHCH3 C
CH3
CH3
OH CH3 C
CH3
CH3
Br OHH+ +SN1
BrHCH3 C
CH3
CH3
O H
CH3 C
CH3
CH3
Br
CH3 C
CH3
CH3
OH
H
CH3 C
CH3
CH3
+
SN1
..
..
alkiloksonijum-jon
..+ Br
-:+.... :
:....
+
..
..:
višak
Br-
:+.... :+H2O ..
..
DOBRA odlazeca grupa
1
2
3
disocijacija alkiloksonijum-jona
nukleofilni napad :Br
protonovanje ROH
1
2
3
-
karbokatjonINTERMEDIJER
nukleofil
2 3= +
■ Mehanizam reakcije je potpuno analogan sa HI i HCl. ■ 2° Alkoholi sa HX reaguju, takoñe, po SN1 mehanizmu.
1° alkoholi – SN2 reakcija
OHCH3CH2 BrH BrCH3CH2 OHH+
SN2
+
OHCH3CH2 BrCH3CH2 OHH++ NaHSO4
Na , H2SO4/∆Br
NaBr + H2SO4 HBr + NaHSO4
SN2
44
BrCH3CH2 OHH
BrHCH3CH2 O H
CH3CH2 OH
H+
+
SN2
....
alkiloksonijum-jon
..+Br
-: +.... :
..
..:
višak
1
2 nukleofilni napad :Br
protonovanje ROH
1
2
-
nukleofil
�������� Konverzija alkil-halogenida u etre (Williamson-ova sinteza etara) – SN2 reakcija ■ Glavna metoda za dobijanje etara.
R O CH2 XR' R O CH2 R'
R O H R O
+SN2
..
..: ....
:....
- .... :+ X-Na+ :
etar1o RX
Na+
natrijum-alkoksid
rastvarac: alkohol (iz koga je dobijen alkoksid) ili DMSO
rastvarac
2 ....
+ Na2....:
-Na+ + H22
■ RX mora biti 1° (R'–CH2–X) s obzirom da kod 2° i 3° dolazi do eliminacije u prisustvu jake baze poput alkoksidnog jona (RO:¯). ■ Može se koristiti bilo koji alkoksid.
45
Prikazati sinteze sledećih jedinjenja polazeći od odgovarajućih alkohola:
CH3CH2 OH
CH3 C
CH3
CH3
O CH2CH3
CH3 C
CH3
CH3
OH
CH3 C
CH3
CH3
O
BrH
BrCH3CH2
CH3 C
CH3
CH3
O CH2CH3
CH3CH2 O CH3 C
CH3
CH3
Br CH2 C
CH3
CH3
Na
+....
:
....
Na-
Na , H2SO4/∆Br
ili
ili
PBr3
..
..
..
..
:
..
..
+
..
..
+....
: Na-
..
..:+
E2
SN2
PAŽNJA:
46
Objasnite mehanizam sledeće reakcije:
C Cl
H
CSH
H
CH3
-:HS CH3OH.... ..
:..+
CH3CH2
CH3CH2CH3
....
:+ Cl:....
-
(S)-2-hlorbutan (R)-2-butantiol Predvidite efekat dole navedenih promena na brzinu reakcije i ukratko obrazložite vaš odgovor:
a) promena supstrata iz (S)-2-hlorbutana u (S)-2-jodbutan
b) promena nukleofila iz HS:¯ u HO:¯
c) promena rastvarača iz CH3OH u (CH3)2SO (DMSO)
d) promena supstrata iz CH3CH(Cl)CH2CH3 u CH3Cl
.....
C Cl
H
C
H
CH3 CH2CH3
ClSH
CSH
H
CH3
=
..:..HS:
..
..-
+ :.... :+ Cl:
..
..-
....
CH3CH2
CH3 CH2CH3
....
(S)-2-hlorbutan (R)-2-butantiol
hiralan i opticki aktivan hiralan i opticki aktivanINVERZIJA KONFIGURACIJE
**
STEREO centar STEREO centar
sp2
δδδδ - δδδδ -
SN2 reakcija
a) reakcija je BRŽA – :I¯ je bolja odlazeća grupa (slabija baza) od :Cl¯
b) reakcija je SPORIJA – HO:¯ je lošiji nukleofil od HS:¯ (O je manje nukleofilan i manje polarizabilan od S)
c) reakcija je BRŽA – (CH3)2SO (DMSO) je polaran aprotičan rastvarač pa je nukleofil (HS:¯) slabije solvatizovan
d) reakcija je BRŽA – manje su sterne smetnje prilaska nukleofila (HS:¯) reaktivnom C-atomu u strukturi CH3Cl nego u strukturi CH3CH(Cl)CH2CH3 (SN2 reakcija: CH3X je reaktivniji od 2° RX)
47
CH2 CH X
C C X
vinilni-položaj
sp2
VVIINNIILL--HHAALLOOGGEENNIIDDII
■ U njihovoj strukturi, atom halogena je u vinilnom položaju. HEMIJSKE OSOBINE VINIL-HALOGENIDA ■ Veoma su slabo reaktivni – atom halogena je direktno vezan za Csp2.
C C Cl
HH
H
Ar H
:CN
-
-
I:
HO:-
CH3O:-
AlCl3
NEMA reakcije ni sa jednim nukleofilnim reagensom!
Friedel-Crafts
vinil-hlorid
■ Vinil-hlorid, kao i svi ostali vinil-halogenidi, ne reaguju po SN mehanizmu (ni SN1 ni SN2)! ■ Slaba reaktivnost vinil-halogenida je posledica:
�������� kratke i jake C–X veze i �������� delokalizacije elektrona zbog rezonancije.
48
�������� KRATKA I JAKA C–X VEZA
CH2 CH Cl CH3CH2 Cl
1,69 Ao
sp2 sp3
1,77 Ao
kraca i jaca veza duza i slabija veza
µµµµ = 1,44 D µµµµ = 2,05 D
MANJE polaran
:....
:....
■ Kod vinil-halogenida, u poreñenju sa alkil-halogenidima:
���� halogen je vezan za C-atom koji je sp2-hibridizovan,
���� udeo s orbitale u sp2 HO je veći nego kod sp3 HO (1/3 i 1/4, respektivno), ���� sp2 C-atom je elektronegativniji od sp3 C-atoma – e¯ su bliže jezgru sp2 hibridizovanog C-atoma, ���� Csp2–X veza je kraća i jača, ���� Csp2–X veza je slabije polarizovana (Csp2
teže ustupa halogenu svoje elektrone).
49
�������� DELOKALIZACIJA ELEKTRONA ZBOG REZONANCIJE
■ Vinil-halogenid je rezonancioni hibrid dve NEekvivalentne granične rezonancione strukture (I i II):
CH2 CH Cl CH2 CH Cl
:.... +
(I) (II)
:....-
struktura (I):pomak e- od Csp2 ka X
struktura (II):pomak e- od X ka Csp2
■ Struktura (II) – interakcija slobodnog el. para halogena sa π e¯ iz π-orbitale C=C veze:
���� atom halogena je za C-atom vezan dvostrukom vezom; "+" je na X a "–" je na C, ���� njen doprinos stabiliše molekul i daje C–X vezi karakter C=X veze, ���� koliko ona (struktura (II)) doprinosi rezonancionom hibridu, toliko se opire uobičajenom e¯ pomaku u smeru halogena.
■ S obzirom da je Csp2–X veza sa izvesnim karakterom C=X veze, vinil-halogenidi:
• ne reaguju po SN mehanizmu (ni SN1 ni SN2). ■ Reakcije ELEKTROFILNE ADICIJE na C=C vezu su karakteristične reakcije za vinil-halogenide.
���� Prisustvo halogena deluje dezaktivirajuće, ali ujedno deluje u smislu Markovnikov-ljeve adicije.
50
X
sp2
HHAALLOOGGEENNAARREENNII ((AARRIILL--HHAALLOOGGEENNIIDDII)) ■ U njihovoj strukturi, atom halogena je direktno vezan za Csp2 u benzenovom prstenu.
DOBIJANJE ARIL-HALOGENIDA Laboratorijsko dobijanje 1. Halogenovanje (EAS) ■ Reakcija elektrofilne aromatične supstitucije (EAS).
H X
+ X2
X2 = Cl2, Br2
FeX3
iliAlX3
+ HX
FeX3 = FeCl3, FeBr3
AlX3 = AlCl3, AlBr3
Lewis-ova kiselinaKATALIZATOR
■ Do halogenovanja dolazi isključivo u prisustvu Lewis-ove kiseline kao katalizatora (katalizator kompleksira sa X2 i tako ga aktivira, poveća mu elektrofilnost).
H Br
+ Br2
FeBr3 + HBr
brombenzen
51
2. Iz diazonijumovih soli
H NO2 NH2
N N
N N
Cl
Br
I
F
HNO3
H2SO4 0-5 oC
NaNO2, HCl, H2OFe/HCl
+
benzendiazonijum-so
Cl-
2 31
4
1) HBF4
CuCl
CuBr+
benzendiazonijum--katjon
KI
∆
∆
∆
1
2
3
redukcija NO2 grupe do NH2
diazotovanje
nitrovanje (EAS)
4 reakcije zamene
+ N2
+ N2
+ N2
+ N2
2) ∆
CH3
N2
CH3
Cl+
Cl -CuCl
(o-toluen-diazonijum-hlorid)
(o-hlortoluen)
∆
1. Halogenovanje (benzena)
H Br
+ Br2
FeBr3 + HBr
brombenzen
52
Mehanizam bromovanja benzena
FAZA 1: aktivacija broma
Br Br Br Br FeBr3 Br Br FeBr3
..
..+ Fe
+
E+elektrofilna cestica
Lewis-ovakiselinabaza
Lewis-ova
:....
:....
Br3
--....
: ....
..
..+
kompleksnastao iz Lewis-ove kiseline i Lewis-ove baze
■ U nastalom kompleksu, Br–Br veza je polarizovana što daje elektrofilni karakter jednom od Br-atoma.
FAZA 2: elektrofilni napad aktiviranog broma
Br Br FeBr3
H
Br
H H
Br
H
Br
Br FeBr3
+ -....
: .... sporo
+ +
+
intermedirni heksadienil-katjon
+
E +elektrofilna cestica
: ....
+-
(FeBr4 )-
FAZA 3: gubitak protona
Br FeBr3
Br
HBr
brzo
(jedna od 3 rez. strukture)
intermedijarni katjon
+
: ....
+ HBr + FeBr3
regenerisani katalizator
-
FeBr4 - bazna cestica koja vrsi deprotonovanje-
53
HEMIJSKE OSOBINE HALOGENARENA (ARIL-HALOGENIDA) ■ Aril-halogenidi su veoma slabo reaktivni – atom halogena je direktno vezan za Csp2 u benzenovom prstenu.
Cl
Ar H
:CN
-
-
I:
HO:-
CH3O:-
AlCl3
NEMA reakcije ni sa jednim nukleofilnim reagensom!
hlorbenzen
Friedel-Crafts
■ Hlorbenzen, kao i svi ostali aril-halogenidi sa nukleofilima ne reaguju ni po SN1 ni po SN2 mehanizmu! ■ Slaba reaktivnost aril-halogenida, u odnosu na alkil-halogenide, u reakcijama nukleofilne supstitucije je posledica:
�������� kratke i jake C–X veze i �������� delokalizacije elektrona zbog rezonancije.
54
�������� KRATKA I JAKA C–X VEZA
Cl
1,69 Ao
sp2 kratka i jaka veza (kraca i jaca u odnosu na )µµµµ = 1,73 D
MANJE polaran (u odnosu na vecinu alkil-halogenide kod kojih je µ µ µ µ ~ 2,02-2,15 D)
:....
Csp3 _ X
■ Kod aril-halogenida, u poreñenju sa alkil-halogenidima:
���� halogen je vezan za C-atom koji je sp2-hibridizovan,
���� udeo s orbitale u sp2 HO je veći nego kod sp3 HO (1/3 i 1/4, respektivno), ���� sp2 C-atom je elektronegativniji od sp3 C-atoma – e¯ su bliže jezgru sp2 hibridizovanog C-atoma, ���� Csp2–X veza je kraća i jača, ���� Csp2–X veza je slabije polarizovana (Csp2
teže ustupa halogenu svoje elektrone).
55
�������� DELOKALIZACIJA ELEKTRONA ZBOG REZONANCIJE ■ Aril-halogenid je rezonancioni hibrid više NEekvivalentnih graničnih rezonancionih struktura (I–IV):
Cl Cl Cl Cl
(I) (II) (III) (IV)
-
:..
: + :..
..
-
+ :..
..
-
+ :..
..
■ Strukture (II–IV) – interakcija slobodnog el. para halogena sa π–elektronskim sistemom prstena (slob. el. par je delokalizovan na aromatični prsten):
���� atom halogena je za C-atom vezan dvostrukom vezom; "+" je na X a "–" je u o- i p-položaju na C, ���� njihov doprinos stabiliše molekul i daje C–X vezi karakter C=X veze, ���� koliko one (strukture (II–IV)) doprinose rezonancionom hibridu, toliko se opiru uobičajenom e¯ pomaku u smeru halogena.
■ U strukturi aril-halogenida, supstituisani atom halogena, X, pokazuje +R i –I elektronski efekat:
• –I: negativan induktivni efekat (privlačenje e¯ duž σ-veze) i
• +R: pozitivan rezonancioni efekat (otpuštanje elektrona kroz π-vezu).
56
NUKLEOFILNA AROMATIČNA SUPSTITUCIJA (NAS) ���� Hlorbenzen sa nukleofilima reaguje pod drastičnim uslovima:
O NaCl OH
340 oC, 150 atm
- +
+H , H2O
hlorbenzen natrijum-fenoksid fenol
6-8% Na+ OH:..-..
NH2Cl
Na
hlorbenzen
+ NH2:..-
tecni NH3
benzenamin(anilin)
■ Meñutim, kada se poslednja reakcija izvodi na radioaktivnom hlorbenzenu (14C na C-1):
• kod 50% proizvoda supstitucija je izvršena na obeleženom C-atomu,
• kod drugih 50% proizvoda NH2 grupa se nalazi u susednom položaju (na C-2).
NH2Cl
NH2Na
hlorbenzen-1-14C
+ NH2:..-
tecni NH3
benzenamin-1-14C benzenamin-2-14C
+
izotop 14C
radioaktivni (obeleženi) hlorbenzen
50% 50%
■ Ove dve navedene reakcije se odvijaju po eliminaciono-adicionom mehanizmu (tzv., BENZINSKI mehanizam) nukleofilne aromatične supstitucije.
57
Eliminaciono-adicioni mehanizam (tzv., BENZINSKI mehanizam) nukleofilne aromatične supstitucije FAZA 1: eliminacija
Cl
H
H NH2
Cl
+
..NH2:..-
+
:....
:....
amonijak
fenil-anjon
..
sp2 HO
benzin
Cl-
:+.... :
..
⊥⊥⊥⊥
sp2 HO
sp2 HO
prazna
BOCNIM preklapanjem dve sp2 HO nastaje ππππ-veza izvan ravni ππππ-oblaka
na ππππ-oblak
eliminacija H+
eliminacija :Cl_
1
2
1
2
sporo
jos sporije
reaktivni intermedijer(karbanjon)
_
_
odlazi H+ u o-položaju u odnosu na Cl (Cl pokazuje -I efekat)
izotop 14C
■ Oba koraka faze 1 su teška: ���� eliminacija H+ (deprotonovanje) jakom bazom – nastaje veoma nestabilni fenil-anjon (ne može se stabilizovati rezonancijom sa π-sistemom prstena), ���� eliminacija :Cl¯ – nastaje veoma reaktivni intermedijer, benzin.
■ Intermedijarni benzin je veoma raktivan, pod naponom je – ciklična struktura sa savijenom C≡C vezom.
58
FAZA 2: adicija
NH2H NH2
NH2
H
NH2
H NH2
NH2
H
3
4 vezivanje H+ (iz NH3)
adcija :NH2
.. _
NH2:- ..
..
..
brzo
3
brzo
4.. ..
NH2:- ..
brzo
3.
..
..
brzo
4
.
..
karbanjon
karbanjon
_
_
NH2:- ..
+
NH2:- ..
+
benzin
benzinbenzenamin-1-14C
benzenamin-2-14C
izotop 14C
■ Reaktivni intermedijer, benzin, brzo biva napadnut od strane nukleofila, amidnog jona (:NH2¯). ■ Nastali karbanjon otcepljuje H+ amonijaku te nastaje benzenamin (anilin). ■ Kako su oba kraja C≡C podjednako reaktivna, do nukleofilne adicije dolazi na oba C-atoma.
59
O NaCl OH
340 oC, 150 atm
- +
+H , H2O
hlorbenzen natrijum-fenoksid fenol
6-8% Na+ OH:..-..
���� Ukoliko su kao supstituenti, u o- i p-položaju prema atomu halogena, prisutne elktron-akceptorske grupe, reakcije sa nukleofilima se odvijaju pod blažim uslovima, adiciono-eliminacionim mehanizmom NAS.
Cl
NO2
OH
NO2
O Na
NO2
+H , H2O
1-hlor-4-nitrobenzen
150 oC
15% Na+ OH:..-..
- +
p-nitrofenol
Cl
NO2
NO2
OH
NO2
NO2
O Na
NO2
NO2 +H , H2O
1-hlor-2,4-dinitrobenzen
100 oC
HOH....
- +
Na2CO3,
2,4-dinitrofenol
Cl
NO2
NO2O2N
OH
NO2
NO2O2N
1-hlor-2,4,6-trinitrobenzen
HOH....
2,4,6-trinitrofenol
topla
Eliminaciono- -adicioni mehanizam NAS
60
Adiciono-eliminacioni mehanizam nukleofilne aromatične supstitucije (nukleofilna aromatična ipso-supstitucija)
FAZA 1: adicija (olakšana rezonancionom stabilizacijom)
NOO
Cl
NOO
Cl Nu
NOO
Cl Nu
NOO
Cl Nu
NOO
Cl Nu
Cl Nu
NO2
sporo
+ :Nu_
:+
:....
..
_
..
:+
:....
..
_
_..
:+
:....
..
_
_ . .
:+
:....
..
__ ..:
+:..
....
_
_ sp3
... .......
(isprekidana linija:delokalizovanonaelektrisanje)
..
.
._
intermedirni heksadienil-anjontzv. σ-kompleks(rezonancioni hibrid) narocito STABILNA
(dolazi do dodatnedelokalizacije "-" šerže i naNO2 grupu)
-NO2 grupa je elektron-akceptorska (-I, -R)
:....
:..
:
:.... :
..
.. :.... :
..
..
FAZA 2: eliminacija
NOO
Nu
NOO
Cl Nu
brzo
:+
:....
..
_
..
:+
:....
..
_
_
Cl-
:+.... :
:....
(jedna od 4 rez. strukture)intermedijarni anjon
61
■ Ipso-supstitucija (ipso, lat., sam) – supstitucija u kojoj se u aromatičnom prstenu supstituiše grupa koja nije vodonik. ■ U fazi 1, sporoj fazi, ipso-napadom (na C-atom na kome se nalazi atom hlora) nukleofila (Nu:¯) dobija se anjon, stabilizovan rezonancijom. ■ Faza 1 je spora s obzirom da intermedijarni anjon koji nastaje nije aromatičan. ■ U fazi 2, brzoj fazi, odvaja se odlazeća grupa – regeneriše se aromatični prsten.
Cl
NO2
NO2
NO2
NO2
O
1-hlor-2,4-dinitrobenzen
....-+ OCH3Na
CH3OH, ∆
:
CH3
(2,4-dinitroanizol)1-metoksi-2,4-dinitrobenzen
���� Reaktivnost halogenarena (aril-halogenida) u nukleofilnim supstitucijama raste sa povećanjem:
• nukleofilnosti reagensa i
• broja elektron-akceptorskih grupa na prstenu (posebno ako se nalaze u o- ili p-položaju).
62
■ Reakcije halogenarena (aril-halogenida): ���� nukleofilna aromatična supstitucija, o dva mehanizma:
� adiciono-eliminacioni, � eliminaciono-adicioni (benzinski
mehanizam), ���� elektrofilna aromatična supstitucija, ���� grañenje Grignard-ovih reagenasa.
� Elektrofilna aromatična supstitucija ■ Reakcija je detaljno obrañena kod aromatičnih jedinjenja. ���� Podsećanje: halogeni spadaju u grupu supstituenata koji dezaktiviraju aromatično jezgro i usmeravaju dalju supstituciju u orto- i para- položaj.
���� Grañenje Grignard-ovih reagenasa ■ Grignard-ovi reagensi su Mg-organska jedinjenja. ■ Spadaju u grupu tzv., organometalnih jedinjenja. ■ Pripremaju se reakcijom organskih halogenida sa magnezijumom u anhidrovanom (suvom) etru kao rastvaraču:
R X R Mg+ Mg
apsolutni etar
alkil-halogenid
Grignard-ov reagens
+δδδδδδδδ
-
RX = 1o, 2o, 3o
X = I, Br, Cl
alkilmagnezijum--halogenid
Xδδδδ-+
δδδδ
R Mg
R Mg
+δδδδδδδδ
-
X
C-Mg veza je kovalentna, veoma polarna
+δδδδδδδδ
-
X+ -
Mg X veza je potpuno jonska
-+
63
���� Važno: Grignard-ove reagense grade, osim alkil-halogenida, i ostali halogenski derivati ugljovodonika.
■ Grignard-ovi reagensi su stabilizovani vezivanjem sa dva molekula etra (koordiniraju rastvarač). ■ Kada se piše struktura Grignard-ovog reagensa, koordinacija etarskog rastvarača se gotovo nikad ne prikazuje.
■ Etarski rastvarač mora biti apsolutni (suv, bez vode) s obzirom da sa Grignard-ovim reagensom mogu da reaguju sva organska jedinjenja koja imaju kiseli vodonik: H–O–H, R–S–H, R–O–H, R–NH2, R–C≡C–H.
■ Grignard-ova jedinjenja su veoma reaktivna: • R–MgX se ponaša kao R:¯ +MgX
• jaki su nukleofili (izvor su nukleofilnog ugljenika).
CH2 CH CH2 X CH2 CH X
CH2 X X
alil-halogenidi
aril-halogenidi
vinil-halogenidi
benzil-halogenidi
CH3CH2 O CH2CH3
O
najcesci etarski rastvaraci
dietile-tar
tetrahidrofuran (THF)
..
..
..
..
R Mg
OCH2CH3CH3CH2
CH3CH2
OCH2CH3
X
..
..
..
..
![0DNURVNRSVNL QLYR RSLVD ± DQDOL]D VLVWHPD RVQRYH …elektron.tmf.bg.ac.rs/mod/predavanja/modelovanje... · 2020. 5. 6. · dk >ks e: / ^/dh> /: wzk ^ í î ±3520(1$ 86/29$ ',0(1=,-$](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/6125a424273c340857094696/0dnurvnrsvnl-qlyr-rslvd-dqdold-vlvwhpd-rvqryh-2020-5-6-dk-ks-e-dh.jpg)
![0HJDVNRSVNL QLYR RSLVD DQDOL]D XWLFDMD ...elektron.tmf.bg.ac.rs/mod/Predavanja/MODELOVANJE...ó X D ' ^ /: WZK ^ í 02'(/29$1-( , 6,08/$&,-$](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/5fa0074ac616077d3c65f553/0hjdvnrsvnl-qlyr-rslvd-dqdold-xwlfdmd-x-d-wzk-02291-.jpg)
