103
Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và

tách loạiTS. Trần Thượng QuảngBộ Môn Hóa Hữu cơViện Kỹ Thuật Hóa họcHUST

Page 2: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

2

Ankyl halogenua phản ứng với tác nhân nucleophil và bazơ

Liên kết C-X phân cực Tác nhân nucleophil sẽ thay thế nguyên

tử halogen trong liên kết C-X

Page 3: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

3

Ankyl halogenua phản ứng với tác nhân nucleophil và bazơ

Các nucleophil có tính bazơ mạnh theo Brønsted gây ra phản ứng tách loại

Page 4: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

4

Phản ứng thế vs. Phản ứng tách loại

Page 5: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

5

8.11The Nature of Substitution

Substitution requires that a "leaving group", which is also a Lewis base, departs from the reacting molecule.

A nucleophile is a reactant that can be expected to participate as a Lewis base in a substitution reaction.

Page 6: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

6

Substitution Mechanisms

SN1Two steps with carbocation intermediateOccurs in 3°, allyl, benzyl

SN2Concerted mechanism - without intermediateOccurs in primary, secondary

Page 7: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

7

Kinetics of Nucleophilic Substitution Rate is the change in concentration with time Depends on concentration(s), temperature, inherent nature

of reaction (energy of activation) A rate law describes the relationship between the

concentration of reactants and the overall rate of the reaction

A rate constant (k) is the proportionality factor between concentration and rate

Page 8: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

8

Kinetics of Nucleophilic Substitution

Rate = d[CH3Br]/dt = k[CH3Br][OH-1]

This reaction is second order: two concentrations appear in the rate law

SN2: Substitution Nucleophilic 2nd order

Page 9: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

9

8.12 The SN2 Reaction

Reaction occurs with inversion at reacting center

Follows second order reaction kinetics Ingold nomenclature to describe rate-

determining step:S=substitutionN (subscript) = nucleophilic 2 = both nucleophile and substrate in rate-

determining step (bimolecular)

Page 10: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

SN2 Process

10

Page 11: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

11

SN2 Transition State

The transition state of an SN2 reaction has a planar arrangement of the carbon atom and the remaining three groups

Hybridization is sp2

Page 12: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

12

Page 13: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

13

Page 14: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

14

8.13 Characteristics of the SN2 Reaction Sensitive to steric effects Methyl halides are most reactive Primary are next most reactive Unhindered secondary halides react

under some conditions Tertiary are unreactive by this path No reaction at C=C (vinyl or aryl halides)

Page 15: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

15

Steric Effects on SN2 Reactions

The carbon atom in (a) bromomethane is readily accessibleresulting in a fast SN2 reaction. The carbon atoms in (b) bromoethane (primary), (c) 2-bromopropane (secondary), and (d) 2-bromo-2-methylpropane (tertiary) are successively more hindered, resulting in successively slower SN2 reactions.

Page 16: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

16

Steric Effect in SN2

Page 17: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

17

Steric Hindrance Raises Transition State Energy

Steric effects destabilize transition states Severe steric effects can also destabilize

ground state

Very hindered

Page 18: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

18

Order of Reactivity in SN2 The more alkyl groups connected to the reacting

carbon, the slower the reaction

Page 19: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

19

Vinyl and Aryl Halides:

Page 20: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

20

Order of Reactivity in SN2

R Br + Cl-1DMF

R Cl + Br-1

Br Br Br Br

ethyl1.0

propyl0.69

isobutyl0.33

neopentyl0.000006

Page 21: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

21

The Nucleophile

Neutral or negatively charged Lewis base Reaction increases coordination (adds a new bond) at the

nucleophileNeutral nucleophile acquires positive chargeAnionic nucleophile becomes neutralSee Table 8.2 for an illustrative list

Page 22: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

22

For example:

Br+ CN-1

C N+ Br-1

CH2 Cl + H2O CH2 OH2 + Cl-1

Page 23: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

23

Page 24: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

24

Relative Reactivity of Nucleophiles

Depends on reaction and conditions More basic nucleophiles react faster (for similar

structures. See Table 8.3) Better nucleophiles are lower in a column of the

periodic table Anions are usually more reactive than neutrals

Page 25: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

25

Page 26: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

26

The Leaving Group A good leaving group reduces the energy of activation of a reaction Stable anions that are weak bases (conjugate bases of strong

acids) are usually excellent leaving groups Stronger bases (conjugate bases of weaker acids) are usually

poorer leaving groups

Page 27: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

27

The Leaving Group

Page 28: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

28

Poor Leaving Groups

If a group is very basic or very small, it does not undergo nucleophilic substitution.

Page 29: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

Converting a poor LG to a good LG:

29

Page 30: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

30

The Solvent

Protic solvents (which can donate hydrogen bonds; -OH or –NH) slow SN2 reactions by associating with reactants (anions).

Energy is required to break interactions between reactant and solvent Polar aprotic solvents (no NH, OH, SH) form weaker interactions with

substrate and permit faster reaction

Page 31: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

31

Some Polar Aprotic Solvents

S

O

CH3

H3C

dimethylsulfoxide (DMSO)

CH

O N

CH3

CH3

dimethylformamide(DMF)

PO

N

N

N

H3C CH3

CH3

CH3

CH3H3C

hexamethylphosphoramide(HMPT)

Page 32: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

32

Page 33: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

33

Summary of SN2 Characteristics: Substrate: CH3->1o>2o>>3o (Steric effect) Nucleophile: Strong, basic nucleophiles favor

the reaction Leaving Groups: Good leaving groups (weak

bases) favor the reaction Solvent: Aprotic solvents favor the reaction;

protic reactions slow it down by solvating the nucleophile

Stereochemistry: 100% inversion

Page 34: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

34

Prob. 8.8 Arrange in order of SN2 reactivity

Page 35: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

35

8.14 The SN1 Reaction

Tertiary alkyl halides react rapidly in protic solvents by a mechanism that involves departure of the leaving group prior to the addition of the nucleophile.

Reaction occurs in two distinct steps, while SN2 occurs in one step (concerted).

Rate-determining step is formation of carbocation:

Page 36: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

SN1 Reactivity:

36

Page 37: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

SN1 Energy Diagram

37

Page 38: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

38

Rate-Limiting Step

The overall rate of a reaction is controlled by the rate of the slowest step

The rate depends on the concentration of the species and the rate constant of the step

The step with the largest energy of activation is the rate-limiting or rate-determining step.

See Figure 11.9 – the same step is rate-determining in both directions)

Page 39: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

SN1 Energy Diagram

39

Page 40: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

40

Page 41: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

41

Stereochemistry of SN1 Reaction

The planar carbocation intermediate leads to loss of chirality Product is racemic or has some inversion

Page 42: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

42

Page 43: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

43

Stereochemistry of SN1 Reaction

•Carbocation is usually biased to react on side opposite leaving group because it is unsymmetrically solvated•The second step may occur with the carbocation loosely associated with leaving group.•The result is racemization with some inversion:

Page 44: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

44

Effects of Ion Pair Formation

Page 45: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

45

8.15 Characteristics of the SN1 Reaction Tertiary alkyl halides are the most reactive

simple halides by this mechanismControlled by stability of carbocation

Page 46: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

46

Relative Reactivity of Halides:

Page 47: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

47

Delocalized CarbocationsDelocalization of cationic charge enhances stabilityPrimary allyl is more stable than primary alkylPrimary benzyl is more stable than allyl

Page 48: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

48

Allylic and Benzylic Halides

Allylic and benzylic intermediates stabilized by delocalization of charge (See Figure 11-13) Primary allylic and benzylic are also more

reactive in the SN2 mechanism

Page 49: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

49

Page 50: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

50

Relative SN1 rates (formolysis):RCl + HCOO-1

Cl

Cl

Cl

Cl

1.0 3550

0.55670

Page 51: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

51

Cl

Cl

Formation of the allylic cation:

Page 52: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

52

Effect of Leaving Group on SN1

Critically dependent on leaving group Reactivity: the larger halides ions are better leaving

groups In acid, OH of an alcohol is protonated and leaving

group is H2O, which is still less reactive than halide p-Toluensulfonate (TosO-) is an excellent leaving group

Page 53: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

53

Nucleophiles in SN1

Since nucleophilic addition occurs after formation of carbocation, reaction rate is not normally affected by nature or concentration of nucleophile

Page 54: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

54

Page 55: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

55

Solvent Is Critical in SN1

The solvent stabilizes the carbocation, and also stabilizes the associated transition state. This controls the rate of the reaction.

Solvation of a carbocation by water

Page 56: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

56

Polar Solvents Promote Ionization Polar, protic and unreactive Lewis base solvents

facilitate formation of R+ Solvent polarity is measured as dielectric polarization

(P) (Table 11-3)

Page 57: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

57

Effect of Solvent

Page 58: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

58

Solvent Polarity

Page 59: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

59

Effects of Solvent on Energies

Polar solvent stabilizes transition state and intermediate more than reactant and product

Page 60: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

60

Summary of SN1 Characteristics: Substrate: Benzylic~allylic>3o >2o

Nucleophile: Does not affect reaction (although strong bases promote elimination)

Leaving Groups: Good leaving groups (weak bases) favor the reaction

Solvent: Polar solvents favor the reaction by stabilizing the carbocation.

Stereochemistry: racemization (with some inversion)

Page 61: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

61

Prob. 8.9 Arrange in order of SN1 reactivity

Page 62: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

62

Problem 8.10: SN1 or SN2?

Page 63: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

63

Problem 8.11: SN1 or SN2?

Page 64: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

Biological Substitution Reactions

64

Page 65: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

Biological Substitution Reactions

65

Page 66: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

Biological Substitution Reactions

66

Page 67: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

67

8.16 Alkyl Halides: Elimination Elimination is an alternative pathway to substitution Elimination is formally the opposite of addition, and

generates an alkene It can compete with substitution and decrease yield,

especially for SN1 processes

Page 68: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

68

Zaitsev’s Rule for Elimination Reactions (1875) In the elimination of HX from an alkyl halide, the more

highly substituted alkene product predominates

Page 69: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

69

Mechanisms of Elimination Reactions Ingold nomenclature: E – “elimination” E1 (1st order): X- leaves first to generate a

carbocation a base abstracts a proton from the carbocation

E2 (2nd order): Concerted transfer of a proton to a base and departure of leaving group

E1cb : Carbanion intermediate is formed in the rate-determining step

Page 70: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

E1 mechanism: starts out like SN1

70

Page 71: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

E2 mechanism: concerted

71

Page 72: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

E1cb: common in biochemical reactions

72

Page 73: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

73

8.17 The E2 Reaction Mechanism

A proton is transferred to base as leaving group begins to depart Transition state combines leaving of X and transfer of H Product alkene forms stereospecifically

Page 74: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

74

Page 75: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

75

E2 Reaction Kinetics

One step (concerted): rate law dependent on base and alkyl halide

Rate = k[R-X][B] Reaction goes faster with stronger

base, better leaving group

Page 76: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

76

Kinetic Isotope Effect Substitute deuterium for hydrogen at position Effect on rate is kinetic isotope effect (kH/kD = deuterium isotope

effect) Rate is reduced in E2 reaction

Heavier isotope bond is slower to breakShows C-H bond is broken in or before rate-limiting step

Page 77: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

77

kH/kD

Page 78: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

78

Geometry of Elimination – E2 Antiperiplanar allows orbital overlap and

minimizes steric interactions

Page 79: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

E2 Stereochemistry

79

Page 80: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

Comparison of SN2 and E2:

80

Page 81: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

81

Predicting Product E2 is stereospecific Meso-1,2-dibromo-1,2-diphenylethane with base gives cis 1,2-

diphenyl-1-bromoethene RR or SS 1,2-dibromo-1,2-diphenylethane gives trans 1,2-diphenyl-

1-bromoethene

Page 82: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

82

Anti periplanar geometry

Page 83: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

83

8.18 Elimination From Cyclohexanes Abstracted proton and leaving group should align

trans-diaxial to be anti periplanar (app) in approaching transition state (see Figures 11-19 and 11-20)

Equatorial groups are cannot be in proper alignment

Page 84: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

84

Elimination From Cyclohexanes

Page 85: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

85

Axial vs. Equatorial Leaving Groups

Page 86: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

86

Page 87: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

87

8.19 The E1 Reaction Competes with SN1 and E2 at 3° centers Rate = k [RX]

Page 88: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

88

Page 89: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

89

Stereochemistry of E1 Reactions

E1 is not stereospecific and there is no requirement for alignment

Product has Zaitsev orientation because the step that controls product formation is loss of proton after formation of carbocation

Page 90: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

90

Comparing E1 and E2

Strong base is needed for E2 but not for E1 E2 is stereospecifc, E1 is not E1 gives Zaitsev orientation; E2 may not due to stereospecificity E1 is favored in protic solvents; competes with SN1

Page 91: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

91

Comparing E1 and E2

Page 92: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

E1cb:

92

Page 93: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

A biochemical example (from fat biosynthesis):

93

Page 94: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

94

Reactivity Summary: SN1, SN2, E1, E2

Page 95: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

95

General Pattern by Substrate

Page 96: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

96

Primary alkyl halides (SN2 vs E2)

Page 97: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

97

Secondary alkyl halides (SN2 vs E2)

Page 98: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

98

Tertiary alkyl halides (SN1/E1 vs E2)

Page 99: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

Prac. Problem

99

Page 100: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

Answers

100

Page 101: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

Problem 8.12

101

Page 102: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

Problem 8.13: This halide does not undergo SN1 or SN2 reactions. Why?

102

Page 103: Phản ứng hóa học của ankyl halogenua: Phản ứng thế nucleophil và tách loại TS. Trần Thượng Quảng Bộ Môn Hóa Hữu cơ Viện Kỹ Thuật Hóa học HUST

It also fails to eliminate HBr under basic conditions. Why?

103