Na podstawie

Organic Chemistry 5th Edition

Paula Yurkanis Bruice

Reakcje SubstytucjiHalogenków Alkilowych

Jak Reagują Halogenki Alkilowe

Natura wiązań

Fluor, chlor, oraz brom są bardziej elektroujemne niż węgiel

Elektrony wiązania nie są równo wykorzystywane – wiązanie kowalencyjne spolaryzowane

Bardziej elektroujemny halogen ma większy udział w elektronach (-)

Mniej elektroujemny węgiel jest zubożony w elektrony (+)

To właśnie powoduje, że halogenki ulegają reakcjom substytucji i eliminacji

Jak Reagują Halogenki AlkiloweDwa istotne procesy, dotyczące reakcji substytucji nukleofilowej:

1 - Nu: jest przyciągany przez E+ (atom węgla, +). W czasie, gdy Nu: zbliża się do atomu C i tworzy nowe wiązanie , wiązanie C-halogen pęka heterolitycznie (halogen zabiera oba elektrony wiązania)

2 - Wiązanie C-halogen pęka heterolitycznie bez udziału i pomocy Nu: tworząc karbokation. W następnym etapie Nu: zostaje przyciągnięty do E+ (karbokationu).

Czynniki determinujące mechanizm:

Struktura halogenku alkilu

Reaktywność Nu:

Stężenie Nu:

Rozpuszczalnik

Mechanizm Reakcji SN2Kinetyka (czynniki determinujące szybkość reakcji) mówi wiele o jej mechanizmie

Szybkość reakcji nukleofilowej zależy od stężenia halogenku alkilowego oraz być może stężenia Nu: (wyjaśnimy to później)

Fakty eksperymentalne - szybkość reakcji zależy od stężenia obu reagentów – jeśli podwoić stężenie jednego z nich, szybkość się podwaja, jeśli podwoić stężenie obu, szybkość rośnie czterokrotnie

Wielkość stałej szybkości = wysokości szczytu – jak trudno osiągnąć stan przejściowy

Równanie szybkości mówi, jakie cząsteczki biorą udział w stanie przejściowym (TS) etapu określającego szybkość reakcji (RDS)

Mechanizm Reakcji SN2Reakcja SN2 – Dwucząsteczkowa, w RDS biorą udział dwie cząsteczki

Stwierdzamy to na postawie tego, że:

1- szybkość zależy od stęż. Nu: i halogenku – oba biorą udział w RDS

2 – zastąpienie atomów H grupami metylowymi stopniowo spowalnia reakcję – bardziej podstawione halogenki reagują wolniej

3- Reakcje halogenków, w których halogen związany jest z centrum asymetrii prowadzą do utworzenia tylko jednego stereoisomeru - konfiguracja produktu jest odwrotna niż w tym reaktancie

Mechanizm Reakcji SN2

Dlaczego tak?

Powód 1 - grupa opuszczająca blokuje podejście „z przodu”

Powód 2 – Teoria MO (orbitali cząsteczkowych)

REGUŁA- utweorzenie wiązania wymaga oddziaływania HOMO-LUMO - HOMO to zapełniony niewiążący MO z Nu:, LUMO to pusty * antywiążący orbital wiązania C-Br

REGUŁA –dla reakcji SN2 najlepsze nakładanie orbitali jest przy ataku z przeciwnej strony

Skuteczna kolizja wymaga “ataku od tyłu” - Nu: uderza w atom C ze strony przeciwnej do miejsca związania grupy opuszczającej

Mechanizm Reakcji SN2Czy ten mechanizm tłumaczy wszystko?

1 – Zarówno halogenek alkilowy jak i Nu: muszą brać udział w RDS - mechanizm wskazuje, że łączą się one w TS jednoetapowej reakcji – kinetyka drugiego rzędu

2 – Użycie bardziej podstawionych halogenków spowalnia reakcję - mechanizm wymaga by atak Nu: następowal od strony przeciwnej do wiązania C-halogen, duże podstawniki ograniczają dostęp Nu: do atomu C

Efekty steryczne – wynikają z objętości grup zajmujących część przestrzeni wokół centrum reakcji –zawada steryczna często obniża reaktywność

Mechanizm Reakcji SN2Szereg reaktywności w reakcjach SN2 wynikający z zawady sterycznej:

Trzy grupy alkilowe halohenku 3° uniemożliwiają dostęp Nu: do atomu węgla 3° na odległość konieczną do powstania wiązania - 3° halogenki alkilowe nie ulegaja reakcjom SN2

Zawada steryczna

obniża aktywność –

podnosi energię TS, zwalniając

reakcję

Mechanizm Reakcji SN2Czy ten mechanizm tłumaczy wszystko? 3 - Konfiguracja produktu jest odwrotna niż w reaktancie – w mechanizmie widzimy, że gdy Nu: zbliża się „od tyłu”, wiązania C-H odchylają się od Nu: i przybliżających się elektronów, co doprowadza do planarności wiązań C-H (oraz pięciowiązalnego atomu C) w momencie osiągnięcia TS….

… w dalszym ciągu procesu wiązanie między atomem C a Nu: jets całkowicie utworzone (a całkowicie zerwane jest wiązanie C - halogen) – atom C jest znów tetraedryczny.

EFEKT – w reakcji SN2 konfiguracja zostaje odwrócona (inwersja Waldena)

Czynniki Wpływające na Reakcje SN2Grupa Opuszczająca

REGUŁA – im mniejsza zasadowość grupy, tym łatwiej staje się grupą opuszczającą – słabe zasady są trwałe.

Jedyne co różni te cztery reakcje to rodzaj grupy opuszczającej (odchodzącej)…

C oraz I mają taka samą

elektroujemność– dlaczego więc to

wiązanie jest najsłabsze?

Czynniki Wpływające na Reakcje SN2Nukleofil – różnica między zasadą a nukleofilem…

Zasadowość – miara tego, jak łatwo związek (zasada) oddaje wolną parę elektronów

Silniejsza zasada łatwiej oddaje wolna parę

Zasadowośc liczbowo wyraża stała równowagi (dysocjacji kwasu (Ka))

Nukleofilowość - miara tego, jak łatwo związek (Nu:) jest w stanie zaatakować atom o obniżonej gęstości elektronów

Nukleofilowość liczbowo wyraża stała szybkości reakcji

REGUŁA – Gdy porównujemy cząsteczki, w których centrum atakującym jest taki sam atom, istnieje prosta zależność nukleofilowości i zasadowości- silne zasady są lepszymi nukleofilami

Czynniki Wpływające na Reakcje SN2Nukleofil – różnica między zasadą a nukleofilem…

REGUŁA – Porównując cząsteczki o róznych atomach atakujących ale o zbliżonych rozmairachzauważamy, że – silniejsze zasady są lepszymi nukleofilami

Czynniki Wpływające na Reakcje SN2Nukleofil – różnica między zasadą a nukleofilem… REGUŁA - Porównując cząsteczki o róznych atomach atakujących ale o różnych rozmairach, zauważamy, że należy wziąć pod uwagę polaryzowalność atomu

Elektrony z dala od jądra atomu nie są utrzymuwane tak silniei mogą się łatwo przesunąć w kierunku ładunku dodatniego - elektrony mogą się nalo.żyć z orbitalem oddalonego atomu C, co powoduje silniejsze związanie w TS (trwalszy TS)

Polaryzowalność a zasadowość-

zwiększona polaryzowalność

powoduje mniejszą zasadowość

Polaryzowalność a nukleofilowość

- zwiększona polaryzowalność

daje silniejszy nukleofil

Polaryzowalność powoduje, że I- jest

bardzo dobrym Nu: i świetną grupą

opuszczającą … w niektórych

rozpuszczalnikach…

Czynniki Wpływające na Reakcje SN2Nukleofil –wpływ rozpuszczalnika na nukleofilowość

Polaryzowalność i zasadowość – większa polaryzowalność to słabsza zasada

Polaryzowalność i zasadowość - większa polaryzowalność to silniejszy nukleofil

REGUŁA – tendencje zmian zasadowości są stałe (nie zależą od rozpuszczalnika), natomiast nukleofilowość jest od natury rozpuszczalnika zależna…

Aprotyczny rozpuszczalnik polarny – cząsteczki rozpuszczalnika nie mają atomu wodoru związanego z tlenem lub azotem

Bezpośrednia zależność zasadowości i nukleofiowości jest zachowana – jon jodkowy jest najsłabszą zasadą w rozpuszczalnikach aprotycznych

Rozpuszczalnik protyczny – rozpuszczalnik posiada atom wodoru związany z tlenem lub azotem zależność zasadowości i nukleofiowości jest odwrócona – jodek jest najlepszym Nu: wśród halogenków

Czynniki Wpływające na Reakcje SN2Nukleofil –wpływ rozpuszczalnika na nukleofilowośćRozp. protyczny - najmniejszy atom jest najgorszym Nu: mimo., że jest najsilniejszą zasadą…Jak rozpuszczalnik protyczny obniża nukleofilowość najsilniejszej zasady (odwraca zależność)?Gdy w rozpuszczalniku protycznym znajdzie się obiekt z ładunkiem ujemnym , jon zostaje solwatowany (otroczony przez cząsteczki rozpuszczalnika)

Cząsteczki rozpuszczalnika ustawiają się tak, że ich częściowe ładunki dodatnie atomów wodoru kierują się ku ujemnie naładowanym obiektom. Jest to oddziaływanie jon-dipol

Słabe zasady słabo oddziałują z rozpuszczalnikami protycznymi, ale silne oddziałują mocno (łatwiej oddają parę elektronów)

Łatwiej zerwać oddziaływania jon-dipol rozpuszczalnika ze słabą zasadą (jodek) niż z silną (fluorek)REGUŁA – w rozp. protycznym słabsza zasada jest lepszym Nu: bo łatwiej ulega desolwatacji - Nu: może oddziaływać z czymkolwiek, nie tylko z rozpuszczalnikiem

By zaszła reakcja SN2, Nu: musi być odsłonięty – wymaga to zerwania oddziaływań jon-dipol

Czynniki Wpływające na Reakcje SN2Nukleofil –wpływ rozpuszczalnika na nukleofilowość

REGUŁA - słabsze zasady są lepszymi Nu: w rozpuszczalnikach polarnych (slabsze oddziaływania jon-dipol)

REGUŁA - silniejsze zasady są lepszymi Nu: w rozpuszczalnikach niepolarnych (brak oddziaływań jon-dipol) – problemem jest rozpuszczalność!

Pamiętajmy, silny Nu: musi oddziaływać z czymkolwiek… jeśli może odddziaływać z rozpuszczalnikiem, to będzie oddziaływał, nie będzie więc działał jako Nu:

Czynniki Wpływające na Reakcje SN2Nukleofil –wpływ rozpuszczalnika na nukleofilowośćPolarne rozpuszczalniki aprotyczne – nie posiadają donorów wiązania wodorowego (nie wykazują oddziaływań jon-dipol), ale ładunki cząstkowe umożliwiają solwatację jonów.

Zwykle cząstkowe ładunki ujemne są w polarnych rozpuszczalnikach aprotycznych bardziej dostępne, więc rozpuszczalniki te lepiej solwatują kationy niż aniony

Czynniki Wpływające na Reakcje SN2Nukleofil – efekty steryczne

Wpływ na zasadowość – minimalny, gdyż zachodzi przyłączenie niewielkiego protonu – zasadowość zależy tylko od łetwości oddania pary elektronowej do wiązania protonu

t-butoksylan jest zasadą nieco silniejszą, gdyż jest zasadą sprzężoną słabszego kwasu

Wpływ własności sterycznych na nukleofilowość - znaczny – duże rozmiary Nu: mogą obniżyć zdolność do ataku na atom węgla ze strony przeciwnej do grupy opuszczającej

t-butoksylan jest większy niż etoksylan, przez co jest słabszym Nu:

pKa = 18pKa = 15.9

Odwracalność Reakcji SN2Nukleofil – wielka różnorodność nukleofili – szeroki wachlarz związków

Uwaga Wszystkie pokazane reakcje są nieodwracalne….

Dlaczego przebiegają w pokazanym kierunku?

Czy mogłyby równie łatwo biec w kierunku odwrotnym?

Odwracalność Reakcji SN2Jak określić kierunek reakcji SN2

Porównać łatwość odchodzenia grup (LG) w reakcji „do przodu” (lub nukleofilowość Nu: w reakcji odwrotnej)

Porównać zasadowość, by porównać łatwość odchodzenia grup ….

Co jest słabszą zasadą (i lepszą LG), Cl- czy HO-? Cl-

Wniosek - HO- może wyprzeć Cl- w reakcji „do przodu”, ale Cl- nie wyprze HO- w reakcji odwrotnej – reakcja biegnie jak pokazano

REGUŁA - reakcja SN2 biegnie w kierunku takim, by silniejsza zasada wyparła słabszą

Odwracalność Reakcji SN2Zasadowość związków – porównajmy moc ich kwasów sprzężonych

Odwracalność Reakcji SN2Jak określić kierunek reakcji SN2

REGUŁA - reakcja SN2 biegnie w kierunku takim, by silniejsza zasada wypierała słabszą

A gdy zasadowość Nu: oraz LG jest zbliżona?

REGUŁA - reakcja SN2 biegnie w kierunku takim, by silniejsza zasada wypierała słabszą - zatem ta reakcja będzie odwracalna, gdy zasadowość jest zbliżona

pKa = -9.0pKa = -10

Mechanizm Reakcji SN1Przewidywanie szybkości następującej reakcji substytucji nukleofilowej:

Fakt – woda jest słabym Nu:

Fakt - 2-bromo-2-methylpropan posiada zawadę przestrzenną blokującą atak Nu: ze strony przeciwnej do bromu

Przewidywanie - ta reakcja będzie bardzo wolna, o ile będzie zachodziła….

Obserwacja doświadczalna - ta reakcja jst bardzo szybka, prawie milion razy szybsza niż reakcja bromometanu z wodą!…

Wytłumaczenie… inny mechanizm reakcji…

Mechanizm Reakcji SN1Kinetyka (czynniki wpływające na szybkość reakcji) może wiele powiedzieć o mechanizmie reakcji

Szybkość reakcji zależeć powinna od stężenia halogenoalkanu oraz Nu:

Fakt eksperymentalny – szybkość powyższej reakcji zależy tylko od stężenia halogenoalkanu (reakcja pierwszego rzędu)

REGUŁA – reakcje, które mają różne równania kinetyczne MUSZĄ działąć zgognie z różnymi mechanizmami

Mechanizm Reakcji SN1Reakcja SN1 - “S” to substytucja, “N” nukleofilowa, a “1” jednocząsteczkowa – tylko jedna cząsteczka bierze udział w RDS

Eksperymentalne fakty będące podstawą ustalenia mechanizmu:

1 – Szybkość reakcji zależy tylko od stężenia halogenoalkanu – tylko halogenoalkan musi być zaangażowany w RDS

2 – Stopnniowe zastępowanie atomów H grupami metylowymi stopniowo przyspiesza reakcję – użycie bardziej podstawionego halogenoalkanu ułatwia reakcję

3 – Reakcje na halogenoalkanach, w których halogen związany jest z centrum asymetrii prowadzi do powstania 2 stereoizomerów – jednego o odwróconej konfiguraci, drugiego z zachowaną konfiguracją reaktanta

Mechanizm Reakcji SN1REGUŁA – w reakcji SN1 grupa opuszczająca odchodzi zanim nukleofil zbliży się do centrum reakcji – reakcja dwuetapowa

Etap 1 – Wiązanie C-halogen pęka i para elektronowa wiązania odchodzi z halogenem - powstaje produkt pośredni - karbokation

Etap 2 - szybka reakcja z Nu: tworzy protonowany alkohol (w pokazanej reakcji)

Etap 3 - deprotonacja alkoholu następuje, gdy pH > pKa

Mechanizm Reakcji SN1REGUŁA – ponieważ szybkość SN1 zależy tylko od stężenia halogenoalkanu, pierwszy etap (jedyny bez udziału Nu:) musi być najwolniejszym (określającym szybkość) etapem

Mechanizm Reakcji SN1Czy to tłumaczy trzy fakty eksperymentalne?

1 – Tylko halogenoalkan bierze udział w RDS- mechanizm pokazuje tylko jego udział w pierwszym etapie

2 – Użycie bardziaj podstawionych halogenoalkanów przyspiesza reakcję – ponieważ tworzy się pośredni karbokation względna kolejność reaktywności pokrywa się ze stabilnością karbokationów (3° > 2° > 1°)

Karbokationy pierwszorzędowe i metylowe są tak nietrwałe, że halogenki 10 i metylowe nie ulegają reakcji SN1 (ale łatwo ulegają SN2!)

Mechanizm Reakcji SN13 – Powstają dwa stereoizomery produktu, jeden z zachowaną konfiguracją, a drugi z konfiguracją, substaratu zachowaną - mechanizm zawiera tworzenie się związku pośredniego o hybrydyzacji sp2 . Ponieważ podejście Nu: jest możliwe z obu stron plaskiego karbokationu, obserwujemy zarówno odwróconą (a) jak i zachowaną (b) stereochemię produktu

REGUŁA – konfiguracja związku ulega racemizacji (powsytaje para enancjomerów) w reakcji SN1

Czynniki wpływające na reakcje SN1Grupa opuszczająca:

Łatwość dysocjacji grupy opuszczającej wpływa na szybkość reakcji

Trwałość karbokationu, który powstaje również ma wpływ na szybkość

Co wynika z porównania serii halogenoalkanów, które dają ten sam karbokation, ale mają różne grupy opuszczające?

REGUŁA – im mniejsza jej zasadowość tym łatwiej grupa odchodzi – słabe zasady są trwałe.

Słabe zasady nie oddają elektronów zbyt łatwo, więc nie są tak silnie związane z atomem węgla, a słabe wiązanie łatwiej jest zerwać

Czynniki wpływające na reakcje SN1Nu:

Nu: pojawia się na scenie dopiero po etapie określającym szybkość (RDS)…

REGUŁA – żaden reaktant, który nie bierze udziału w RDS nie ma wpływu na sumaryczną szybkość reakcji

REGUŁA - ponieważ Nu: włącza się do dzialania dopiero po RDS reakcji SN1, reaktywność Nu: nie ma wplywu na ogólną szybkość reakcji

REGUŁA – w większości reakcji SN1 to rozpuszczalnik jest Nu: - jest to reakcja solwolizy

Czynniki wpływające na reakcje SN1Przegrupaowanie karbokationu

REGUŁA – Karbokation przegrupuje się, jeżeli spowoduje to wzrost trwałości)

REGUŁA – W reakcji SN2 powstaje tylko jeden izomer konstytucyjny o odwróconej konfiguracji

REGUŁA - W reakcji SN1 może powstać więcej niż jeden izomer konstytucyjny z powodu przegrupowania karbokationu. Konfiguracja produktu ulega racemizacji (powstają oba stereoizomery)

Stereochemia Reakcji SN2By przewidzieć stereochemię produktu należy posiadać informację o

Konfiguracji reaktanta (R lub S), oraz

Mechanizmie reakcji (SN1 lubr SN2)

REGUŁA – w reakcjach SN2 powstaje tylko jeden izomer konstytucyjny o odwróconej konfiguracji - inwersja konfiguracji

REGUŁA - w reakcjach SN2 powstaje tylko jeden izomer konstytucyjny o odwróconej konfiguracji – ale jedynie wtedy, gdy tworzy się centrum stereogeniczne!

Stereochemia Reakcji SN1REGUŁA – reakcje SN1 mogą dawać dwa produkty substytucji; jeden z tą sama konfiguracją co substrat, a drugi o konfiguracji odwrotnej (płaski pośredni karbokation)

Kompletna racemizacja – reakcja prowadzi do równych ilości obu stereoizomerów

Częściowa racemizacja - reakcja prowadzi większego udziału jednego z stereoizomerów

REGUŁA – Zwykle w SN1 powstaje 50-70% produktu inwersji

Stereochemia Reakcji SN1REGUŁA – Zwykle w SN1 powstaje 50-70% produktu inwersji…. Dlaczego?

Dysocjacja halogenoalkanu tworzy w pierwszym etapie parę związaną („intymną”)

Ponieważ Nu: może zaatakować którykolwiek z tych czterech obiektów, produkt będzie całkowicie zracemizowany, tylko, gdy atakowany jest całkowicie uwolniony karbokation – w innym przypadku grupa opuszczająca blokuje podejście Nu:

Stereochemia ReakcjiSN1 kontra SN2 - cis-1-bromo-4-metylocykloheksan

SN2 – tylko trans produkt powstaje

SN1 – powstaje zarówno produkt cis jak i trans

Konkurencja Między SN1 & SN2Porównanie SN1 i SN2

Reakcja SN2 – dwie cząsteczki (reakcja dwucząsteczkowa) biorą udział w TS RDS jednoetapowego (uzgodnionego) mechanizmu

Reakcja SN1 – jedna cząsteczka (reakcja jednocząsteczkowa) bierze udział w TS RDS dwuetapowego mechanizmu

Konkurencja Między SN1 & SN2Porównanie różnych halogenoalkanów

REGUŁA – gdy halogenek może ulegać zarówno reakcji SN1 jak i SN2, obie reakcje zachodzą równocześnie, a warunki reakcji decydują która z nich dominuje

Konkurencja Między SN1 & SN2Syntetyczne „plusy” i „minusy”

SN2 – jeden produkt podstawienia stereospecyficznego- plus

SN1 – dwa (lub więcej produktów substytucji (z przegrupowania karbokationu) - minus

Gdy struktura jest taka, że mooże zajść zarówno SN1 jak i SN2, jakie czynniki decydują, która reakcja dominuje?

1 – stężenie nukleofila

2 – reaktywność nukleofila

3 – rozpuszczalnik (środowisko reakcji)

Konkurencja Między SN1 & SN2Stężenie nukleofila

SN2 – zwiększenie stężenia nukleofila przyspiesza reakcję SN2

SN1 - zwiększenie stężenia nukleofila nie wpływa na reakcję SN1

REGUŁA – gdy jednocześnie zachodzą reakcje SN1 i SN2 zwiększenie [Nu:] przyspieszy reakcję tych cząsteczek, które reagują zgodnie z mechanizmem SN2.

Konkurencja Między SN1 & SN2Reaktywność nukleofila

SN2 – wzrost reaktywności nukleofila przyspiesza reakcję SN2, bo lepszy nukleofil sprawniej wypiera grupę opuszczającą (RDS)

SN1 - wzrost reaktywności nukleofila nie wpływa na szybkość reakcji SN1, ponieważ, mimo, że bardziej reaktywny Nu: szybciej reaguje z karbokationem, przyspieszenie szybkiego etapu nie wpływa na szybkość sumaryczną, którą wyzbnacza najwolniejszy etap.

REGUŁA - reakcja SN2 jest faworyzowana przez użycie wysokiego stężenia dobrego nukleofila (HO-, CH3O-)

REGUŁA - reakcja SN1 jest faworyzowana przez użycie słabych nukleofili (H2O, CH3OH, wyłacznie ponieważ utrudnia reakcję SN2)

Rola Rozpuszczalnika w SN1 & SN2Stabilizacja przez rozpuszczalnik

Gdy jon oddziałuje z polarnym rozpuszczalnikiem, jego ładunek zostaje rozproszony na cząsteczki solwatując- stabilizacja

REGUŁA – rozpuszczalniki polarne mają wysokie stałe dielektryczne i dobrze izolują (solwatują) ladunki

REGUŁA - rozpuszczalniki niepolarne mają niskie stałe dielektryczne – są złymi izolatorami

Stała dielektryczna- miara tego, jak dobrze rozpuszczalnik może izolować od siebie róznoimienne ładunkiSolwatacja – oddziaływanie między rozpuszczalnikiem a jonami lub cząsteczkami w nim rozpuszczonymi – dodatnie bieguny rozpuszczalnika otaczają ujemne ładunki (a ujemne bieguny wokół dodatnich ładunków)

Rola Rozpuszczalnika w SN1 & SN2

Rola Rozpuszczalnika w SN1 & SN2Rozpuszczalnik i reakcja SN1 …

Etap 1 (RDS) to dysocjacja wiązania węgiel-halogen z utworzeniem karbokationu i jonu halogenkowego – nie powstaje wiązanie, co więc napędza tę reakcję?

Sumaryczny efekt wielu oddziaływań jon-dipol

W reakcji SN1 halogenoalkan nie rozpada się samorzutnie, raczej rozrywaja go cząsteczki rozpuszczalnika

REGUŁA - reakcja SN1 nie może zajść w rozpuszczalniku niepolarnym (ani w fazie gazowej)

Rola Rozpuszczalnika w SN1 & SN2Uwagi ogólne

REGUŁA – wzrost polarności rozpuszczalnika spowolni reakcję, jeżeli chociaż jeden spośród reaktantów uczestniczących w RDS jest cząsteczką naładowaną

REGUŁA - wzrost polarności rozpuszczalnika przyspieszy reakcję jeżeli żaden spośród reaktantów uczestniczących w RDS nie jest cząsteczką naładowaną

REGUŁA – szybkość reakcji zależy od różnicy energii swobodnej reaktantów i energii swobodnej stanu przejściowego etapu określającego szybkość- jak wpływa na nie rozpuszczalnik?

Reaktanty z ładunkiem – silnie oddziałują, mocno stabilizowane w polarnym rozpuszczalniku

Jeżeli łladunek reaktantów jest silniejszy niż stanu przejściowego, to rozpuszczalnik nie będzie uwalniał reaktantów, by utworzyły TS - większa ∆G‡ - wzrost polarności spowalnia reakcję

Rola Rozpuszczalnika w SN1 & SN2Uwagi ogólne

REGUŁA – wzrost polarności rozpuszczalnika spowolni reakcję, jeżeli chociaż jeden spośród reaktantów uczestniczących w RDS jest cząsteczką naładowanąREGUŁA - wzrost polarności rozpuszczalnika przyspieszy reakcję jeżeli żaden spośród reaktantów uczestniczących w RDS nie jest cząsteczką naładowanąREGUŁA – szybkość reakcji zależy od różnicy energii swobodnej reaktantów i energii swobodnej stanu przejściowego etapu określającego szybkość- jak wpływa na nie rozpuszczalnik?

TS z ładunkiem- polarne rozpuszczalniki silniej oddziałują i bardziej stabilizują

Gdy ladunek TS jest większy niż ładunek reaktantów, to TS będzie bardziej stabilizowany niż reaktanty, co da mniejszą ∆G‡ - wzrost polarności przyspiesza reakcję

Rola Rozpuszczalnika w SN1 & SN2Wpływ rozpuszczalnika - reakcja SN1

Jaki jest RDS i jakie obiekty biorą w nim udział? Tylko halogenoalkan

Reaktant jest obojętny i ma mały moment dipolowy

W TS wiązanie węgiel-halogen jest częściowo rozerwane, dając cząstkowy ladunek dodatni na węglu i ujemny na halogenie

Konkluzja – ładunek TS jest większy niż ładunek reaktanta- zwiększenie polarności rozpuszczalnika stabilizuje TS bardziej niż reaktanty i powoduje przyspieszenie reakcji SN1

Rola Rozpuszczalnika w SN1 & SN2Efekt rozpuszczalnika – reakcja SN2

Tak jak w przypadku SN1, efekt polarności rozpuszczalnika zależy od tegoczy reaktanty mają ladunek czy nie

Jaki jest RDS i co bierze w nim udział? Zarówno halogenoalkan jak i Nu:

Reaktant halogenoalkan jest na ogół obojętny i ma mały moment dipolowy

Reaktant Nu: na ogół posiada ładunek

TS posiada ładunek, ale jest on rozproszony na dwa atomy (jest stabilniejszy)

Konkluzja - ładunek TS jest słabszy niż ładunek reaktanta – wzrost polarności rozpuszczalnika stabilizuje Nu:, a nie TS i obniża szybkość reakcji SN2

Jednak, gdy użyć obojętnego Nu: - efekt będzie przeciwny

Rola Rozpuszczalnika w SN1 & SN2Podsumowanie

Wpływ rozpuszczalnika na reakcję substytucji można ocenić nie na podstawie mechanizmu, ale na podstawie tego czy reaktant w RDS posiada ładunek

REGUŁA – gdy reaktant w RDS posiada ładunek, to wzrost polarności rozpuszczalnika spowalnia reakcję, ponieważ reaktant będzie stabilizowany mocniej niż stan przejściowy (TS), co powiększy ∆G‡ (wyższy próg – wolniejsza reakcja)

REGUŁA - jeśli żaden z reaktantów biorących udział w RDS nie posiada ładunku, to wzrost polarności rozpuszczalnika przyspiesza reakcję, ponieważ stan przejściowy (TS), w którym powstaje ladunek będzie stabilizowany mocniej niż reaktanty, co zmniejszy ∆G‡ (niższy próg – szybsza reakcja)

Rola Rozpuszczalnika w SN1 & SN2Efekt rozpuszczalnika – wybór właściwego środowiska reakcji

Reakcje SN2 – rozpuszczalniki polarne spowalniają reakcję, jeżeii Nu: maladunek ujemny – a można użyć niepolanego rozpuszczalnika?

Problem - Jeżeli Nu: posiada ładunek, to nie rozpuści się w rozpuszczalniku niepolarnym

Rozwiązanie - użyć polarnego rozpuszczalnika aprotycznego

Dlaczego polarny – by rozpuścił elektrycznie naladowany Nu:

Dlaczego aprotyczny – nie jest donorem wiązania wodorowego- mimo, że pogarsza to trochę zdolność solwatowania ładunków, za to nie stabilizuje reagującego Nu:

Gdy Nu: jest obojętny – polarne rozpuszczalniki przyspieszają reakcję

Rozwiązanie - użyć polarnego rozpuszczalnika protycznego

Dlaczego polarny - przyspiesza reakcję

Dlaczego protyczny – lepiej niż aprotyczny solwatuje ładunki (bardziej przyspiesza reakcję) a nie ma niebezpieczeństwa, że będzie stabilizować Nu:

Idealne dla SN2 – wysokie stężenie dobrego (z ładunkiem ujemnym) Nu: w polarnym rozpuszczalniku aprotycznym

Idealne dla SN1 - słaby (obojętny) Nu: w polarnym protycznym rozpuszczalniku

Substytucja

Reakcja SN2: mechanizm jednoetapowy:

Względna reaktywność halogenoalkanów: CH3X > 1° > 2° > 3°

Tworzy się jedynie produkt inwersji

Reakcja SN1 : mechanizm dwuetapowy:

Względna reaktywność halogenoalkanów : CH3X < 1° < 2° < 3°

Tworzą się oba produkty: produkt inwersji i z zachowaną konfiguracją

Podsumowanie Reakcji

8.11 – Intermolecular vs. IntramolecularBifunctional molecule - molecule with two functional groups

Functional groups that can react can do so in one of two ways:

Intermolecular reaction - Inter is Latin for “between” - reaction taking place between two molecules

Repeated intermolecular reactions yield a polymer - large molecule formed by linking together repeating units of small molecules (Chapter 28)

Intramolecular reaction - Intra is Latin for “within” - reaction taking place within a single molecule - generates cyclic compounds

8.11 – Intermolecular vs. IntramolecularIs an intra- or intermolecular reaction more likely? Depends on two factors…

Factor 1 - Concentration of the bifunctional molecule

Intramolecular reaction favored at low concentrations - the two functional groups are more likely to find each other when tethered in the same molecule

Tethering advantage cancelled out at high concentrations that favor intermolecular reactions

Factor 2 - Size of the ring formed

Intramolecular reaction favored when the ring formed is five- or six-membered - stable, easily formed

Tethering advantage cancelled out if trying to generate strained three- and four-membered rings

8.11 – Intermolecular vs. IntramolecularIs an intra- or intermolecular reaction more likely? Depends on two factors…

Factor 2 - Size of the ring formed

Three-membered rings more favored than four-membered rings….

Seven-membered and larger rings - not strained, but tethering advantage lost as the likelihood of groups finding each other decreases

Cyclization requires Nu: to be oriented to attack the base side of the carbon-halogen bond (SN2 reaction)

C-C bond rotation can produce conformations not conducive to this

The more C-C bonds there are, the more possible nonproductive conformations can be produced

8.12 – Methylating ReagentsOrganic Chemist - methyl iodide

Most easily displaced LG - I- is the weakest base of the halide ions

Liquid at room temperature (methyl bromide and methyl chloride are gases)

Simple SN2 reaction:

Biochemist (or biological system) - methyl iodide is not an available reagent!

Biological environments are predominantly aqueous - methyl iodide is sparingly soluble in water

Biological methylating reagents - S-adenosylmethionine (SAM) and N5-methylhydrofolate

8.12 – Methylating ReagentsBiochemist - S-adenosylmethionine (SAM) and N5-methylhydrofolate

Methyl groups attached to positively charged atom that readily accepts electrons - great leaving group!!!

8.12 – Methylating ReagentsBiochemist - conversion of noradrenaline (norepinephrine) to adrenaline (epinephrine) - methylation reaction:

Hormones released in response to stress and responsible for glycogen metabolism

8.12 – Methylating ReagentsBiochemist - conversion of phosphatidylethanolamine to phosphatidylcholine - methylation reaction:

Cell membrane components….

8.8 – Benzylic, Allylic, Vinylic, Aryl HalidesWhat about substitution reactions of other halides - unsaturated molecules?

Benzylic and allylic halides - unless 3°, readily undergo SN2 reactions:

…also readily undergo SN1 reactions because they form relatively stable carbocations (primary benzylic and allylic halides can undergo SN1!)

8.8 – Benzylic, Allylic, Vinylic, Aryl HalidesWhat about substitution reactions of other halides - unsaturated molecules?

Benzylic and allylic halides - form two substitution products under SN1 conditions if resonance contributors generate two different carbocations (7.10 - electron delocalization)

8.8 – Benzylic, Allylic, Vinylic, Aryl HalidesVinylic and aryl halides (halogen is attached directly to sp2 carbon atom) - do not undergo SN1 or SN2 reactions

SN2 - Nu: approach to the backside of the sp2 carbon is repelled by electron cloud

SN1 - vinylic and aryl cations are even more unstable than 1° carbocations (6.5 - placing charge on more electronegative sp carbon is unstable)

SN1 - sp2 carbon atoms form stronger bonds than sp3 carbons (1.14) so the halogen bond to a sp2 carbon is harder to break.