התמרה נוקליאופילית – 2 ניסוי מספר

)הכנה של טרצ-בוטיל כלוריד(

: הכנת טרצבוטיל כלוריד מטרת הניסוי

רקע תיאורטי:

: Nuleophilic Aliphatic Substitution - אליפטית נוקליאופילית התמרה

וסובסטרט נוקליאופיל ממס, הם: אליפטית נוקליאופילית להתמרה הדרושים המרכיבים

מקבוצה אלקילית וקבוצה עוזבת. שמורכב

הנוסחה הכללית להתמרה נוקליאופילית היא :

�ֿR─W + Z¨ R─Z + W

R─W – Substrate, Z¨ - Nucleophile, R─Z – Product, W� – Leaving group

יותר. בסיסים שהם העוזבות הקבוצות לעומת חזקים בסיסים הם :נוקליאופילים חלשים

ים.יניטרל או שלילית טעונים להיות נוקליאופילים יכולים

דוגמאות לנוקליאופילים אניוניים:

1. R─W + OH� R─OH + W�

2. R─W + CN� R─CN + W�

דוגמאות לנוקליאופילים ניטרליים:

3. a( R─W + H2O R─OH2+ + W�

b( R─OH2+ R─OH + H+

.(דיודי )כלוריד, ברומיד, למיניהם ההלידיםהיא בסיס חלש דוגמא: : קבוצה עוזבת

: מצוינותעוזבות לקבוצות נוספותדוגמאות

חשובים: אירועים שני קיימים נוקליאופילית בהתמרה

העוזבת והקבוצה הפחמימני הקשר בין השייר . שבירת1

פחמימני והנוקליאופיל. שייר אותו הקשר בין יצירת .2

1

SN1 & SN2 נוקליאופילית: להתמרה מנגנונים שני קיימים

להתמרה נוקליאופילית אליפטית:SN 2 מנגנון

SN2

מסדר שני: נוקליאופילית לריאקצית התמרה דוגמא

CH3─Br + OH� CH3─OH + Br�

הריאקציה: מהירות משוואת

Rate = k[CH3Br][OH-]

עליה/ירידה בריכוז.הן בריכוז הסובסטרט והן בריכוז הנוקליאופיל תלויה הריאקציה מהירות

מופיעים ש. מכיוון ביחס ישר תגרום לעליה/ירידה במהירות הריאקציהנ"לאחד מהמרכיבים ה

מסדר שני. הריאקציה מרכיבים שני מהירות הריאקציה במשוואת

שלבי מתרחשת הריאקציה חד במנגנון לבין בסטרטוהס מוליקולת בין התנגשות ע"י

הסובסטרט מוליקולתמתנגש עם הנ"ל( במקרה )יון ההידרוקסיד הנוקליאופיל הנוקליאופיל.

עשירים צורונים שני בין אלקטרוסטטית )בגלל דחייה לקבוצה העוזבת °180 ב- )מתיל ברומיד(

עם באלקטרונים( בהתנגשות קשר הברומיד אנרגיה מספיק. ונוצר המתילןביחדש עוזב

הידרוקסיד:ל

מסובסטרט מתחילים היינו למשל ואם הקונפיגורציה, של מלא היפוך חל שכאן לב, לשים ניתן

אופטית בתנאי (S) השני אופטית הפעיל התוצר את מקבלים היינו (,R) פעיל שסדר –

השתנה. לא המתמירים בין ארבעת העדיפויות

:SN2 מנגנון של המאפיינים

.שני מסדר הריאקציה.1

.מלא קונפיגורציה היפוך.2

.קרבוקטיונים מעורבים לא הריאקציה שבמנגנון מכיוון שחלופים אין.3

2

Substitution Second order

Nucleophilic

.CH3 3o > 2o > 1o< : לגבי הסובסטרטסדר הריאקטיביות.4

להתמרה נוקליאופילית אליפטית:SN 1 מנגנון

SN1

דוגמא לריאקצית התמרה נוקליאופילית מסדר ראשון:

משוואת מהירות הריאקציה:

Rate = k[)CH3(3CBr]

שכולל שלב אחד ויחיד.SN2 כולל שני שלבים, בניגוד למנגנון SN1מנגנון

בשלב הראשון הקבוצה העוזבת עוזבת את הסובסטרט משאירה אחריה קרבוקטיון..1

הוא השלב קובע מהירות. ומכאן ששלב איטי, השלב הזה הוא

הנוקליאופיל תוקף את הקרבוקטיון לתת את.2 בו השלב השני הוא השלב המהיר,

לאהשלב השני לא משפיע על מהירות הריאקציה ולכן ריכוז הנואקליאופיל התוצר.

ריאקציה איננה תלויה המהירות, כתוצאה מכך.במשוואת מהירות הריאקציהמופיע

במשווא בריכוזו. ולא הנואקליאופיל אחדהמהירות תבסוג מרכיב ריכוז מופיע

מסדר ראשון. ממרכיבי הריאקציה ולכן הריאקציה היא

המנגנון:

:SN1 מנגנון של המאפיינים

.ראשון מסדר . הריאקציה1

.רצמזציהאלא קונפיגורציה היפוךאין . 2

3

Substitution First order

Nucleophilic

.קרבוקטיונים מעורבים הריאקציה שבמנגנון מכיוון שחלופיםיתכנו . 3

.CH3 3o > 2o > 1o< : לגבי הסובסטרט הריאקטיביות . סדר4

: SN1 למנגנוןSN2השוואה בין מנגנון

SN2SN1תכונה

מבנה הסובסטרט – אופי

CH3X > 1o > 2o > 3oCH3X > 1o > 2o > 3oהפחמן שעובר התמרה

הסבר : הקרבוקטיון הכי יציב הוא הקרבוקטיון השלישוני, והכי פחות יציב הוא

שבו אין צורך ביצירתSN2הקרבוקטיון המתילי. סובסטרטים מתיליים יעדיפו מנגנון

קרבוקטיון ע"מ שהריאקציה תצא לפועל, לעומת זאת פחמנים שלישוניים יעדיפו

מכיוון שהקרבוקטיון השלישוני הנוצר הוא יציב. פחמימנים כאלה SN1את מנגנון

מכיוון שהפחמן המותקף ממוסך מאוד ע"יSN2לא יעברו אף פעם התמרה במנגנון

קבוצות נפחיות של מתמירים, ואין אפשרות לנוקליאופיל להגיע אליו.

מאיצהמאיצהקבוצה עוזבת

הסבר : משוואות המהירות של שני המנגנונים כוללת את ריכוז הסובסטרט :

SN1 : Rate = k[RW] SN2 : Rate = k[RW][Z]

ככל. המהירות בשני המגנונים תלויה בשלב של עזיבת הקבוצה העוזבת,מרוכל

כך היא עוזבת מהר יותר והריאקציה מהירה יותר.,שהקבוצה העוזבת טובה יותר

נוקליאופיל:

ריכוז גבוה.1

חוזק עולה.2

מאיץ

מאיץ

איננו משפיע

איננו משפיע

הקבוצה בשלב הראשון של עזיבתה מהירות הריאקציה תלויSN1הסבר : עבור

כאן ריכוז וחוזק הנוקליאופיל אינם משפיעיםהעוזבת ולא בסוג הנוקליאופיל או ריכוזו.

על מהירות הריאקציה.

ככל שהנוקליאופיל חזק יותר ומרוכז יותר, הסיכוי לתקיפת הפחמןSN2עבור

ולכן, ריכוז גבוה ונוקליאופיל חזקתעזוב מהר יותר. הקבוצה העוזבת המותמר גדל, וכך

יגרמו להאצת הריאקציה.

מאיצהמאיטהפולריות ממס גדולה

יצב אתיפולרי מאיץ את הריאקציה מכיוון שהוא מ ממס SN1הסבר : עבור

המטענים של הקבוצה העוזבת והקרבוקטיון ע"י שכבות סולבטציה סביב כל אחד

4

מצורונים אלו.

ומאיט את המעבריצב את המגיבים יותר מאשר את מצבימממס פולרי SN2עבור

ריאקצית ההתמרה.

השוואה בין התמרה לעומת אלמנציה:

והתמרה. עקרוני, בריאקציה נתונה תמיד תהיה תחרות בין אלמנציה באופן

: שתי הריאקציות יוצאות לפועל כתוצאה מהתקפת הסובסטרט ע"יE2 -ל SN2השוואה בין

¨Z, הוא ואם להתמרה, ומביא הפחמן את תוקף הוא כנוקליאופיל מתפקד ¨Zכאשר

הפרוטון ומביא לאלמנציה. את תוקף כבסיס הוא מתפקד

3o > 2o > 1oהריאקטיביות: סדר E2עבור

3o > 2o > 1oהריאקטיביות: סדר SN2 ועבור

זה קל מאוד לדעת האם הריאקציה תהיה ריאקצית אלמנציה או התמרה במקרה ולכן

להתמרה מסדר מסדר שניכאשר קיימת תחרות בין אלמנציה. בהתאם למבנה הסובסטרט

לטובת האלמנציה ככל שעולים מסובסטרט ראשוני לשניוני לשלישוני.ההעדפה היאשני,

בנוסף לכך, אלמנציה תהיה מועדפת כאשר מדובר:

5

.נוקליאופילים שהם בסיסים מאוד חזקים.1

. פחות פולרייםממסים.2

טמפרטורה גבוהה..3

: בשתי הריאקציות השלב הראשון של המגנון שבו מתקבל הקרבוקטיוןE1- ל SN1 השוואה בין

זהה, השלב השני הוא המכריע ולפיו מקבלים אלמנציה או התמרה:

את הקרבוקטיון )ולא את הסובסטרט כמו במקרהתוקפיםבשלב השני הנוקליאופיל או הבסיס

(, התקפה על הפחמן נותנת התמרה והתקפה על הפרוטון נותנת אלמנציה :E2 ו- SN2של

3o > 2o > 1o סדר הריאקטיביות יהיה:SN1 ו- E1עבור שני המנגנונים

חוזק או בסיס וריכוז פולרי, לממס בשניהם העדיפות בריאקציה המועדפת, לשלוט וקשה

לפועל ההתמרה היא ריאקציה מתחרה ויוצאתוכשמעוניינים באלמנציה . נוקליאופיל נמוכים

לנסות להוביל את הריאקציה למסלוללדוגמא: .במקביל, משחקים בפרמטרים מורכבים יותר

ע"י שימוש בממס בעל פולריות נמוכה וריכוז גבוה של בסיס. האלמנציה היא בימוליקולרית שבו

6

שיטות לבידוד וניקוי החומרים:

במעבדה זו אנו מפיקים את החומר טרצ-בוטיל כלוריד מחומרי מוצא נתונים )טרצבוטאנול מים

וחומצה(. לאחר סיום התגובה הכימית עלינו לבודד את התוצר מתערובת הריאקציה ולנקות

אותו. קיימות שיטות שונות לבידוד וניקוי התוצר ובניסויים השונים אנו נכיר חלק גדול מהן.

זיקוק

זיקוק רגיל בלחץ אטמוספרי:

הזיקוק הוא אחת השיטות השימושיות ביותר לניקוי חומר אורגני הנמצא במצב צבירה נוזלי

בטמפרטורת החדר. הוא מתבסס על הרעיון של העברת הנוזל ממצב צבירה נוזלי למצב צבירה

גזי ועיבוי אדי החומר מחדש בכלי המחובר לאיזור אחר במערכת הזיקוק.

טמפרטורת הרתיחה של חומר כלשהו, )הנקבעת על ידי זיקוקו(, היא תכונה פיזיקלית קבועה

)בלחץ קבוע( ואופיינית לחומר. הזיקוק נועד להפרדת החומר מתערובת חומרים פחות נדיפים.

טמפרטורת הרתיחה היא הטמפרטורה שבה לחץ האדים של הנוזל שווה ללחץ החיצוני מעל

לפני הנוזל. הלחץ החיצוני מעל לפני הנוזל זהה בדרך כלל ללחץ האטמוספירי.

כאשר מעלים את טמפרטורת הנוזל בכלי סגור חלק ממולקולות החומר עוברות למצב צבירה

גזי )מתנדפות(, כתוצאה מכך מעל פני הנוזל מתקבל לחץ הפועל בכיוון הנוזל. ככל שמעלים

יותר ויותר את טמפרטורת הנוזל החלק של המולקולות שמתנדופת גדל, הלחץ על פני הנול גדל

וחלק מן המולקולות מתחילות לחזור לנוזל. בשלב מסוים המערכת מגיעה לשיווי משקל שבו

לגזית( שווה למספר המולקולות הנוזלית )עוברות ממהפאזה מספר המולקולות המתנדפות

.לחץ אדים קבועשמתעבות )חוזרות ממצב צבירה גזי לנוזל( ומתקבל מצב של

כאשר לחץ אדי הנוזל בכלי משתווה ללחץ החיצוני מתרחשת הרתיחה. בזיקוק חומר נקי כאשר

הטמפרטורה מגיעה לנקודת הרתיחה של הנוזל כולו רותח בטמפרטורה קבועה.

בזיקוק בלחץ אטמוספרי יש להקפיד על הדברים הבאים:

על המערכת להיות פתוחה ללחץ אטמוספריא.

הרתיחה צריכה להיות הומוגנית בכלי על מנת למנוע עליה נקודתית של הטמפרטורה.ב.

לשם כך ניתן להעזר באבני רתיחה, בוחש מגנטי או קפילרות קטנות.

מערכת הכלים לזיקוק רגיל:

מערכת הכלים לזיקוק רגיל בלחץ אטמוספרי מורכבת מ:

קולבה המכילה את הנוזל הנועד לזיקוקא.

מעבר זיקוקב.

מקררג.

7

שופרד.

קולבת איסוףה.

ראש מד חוםו.

מד חוםז.

תוכל לזהות את החלקים השונים של מערכת הזיקוק.1בציור

. מערכת זיקוק רגיל1ציור

עבודה עם משפך מפריד:

הריאקציה של הכנת טרצ-בוטיל כלוריד יוצאת לפועל במשפך מפריד. לאחר הכנסת התמיסות

הברז של המשפך את פותחים פעם מדי היטב. ולטלטלו אותו לסגור יש מפריד למשפך

המפריד על מנת לשחרר את הלחץ הנוצר בו כשהוא מופנה כלפי מעלה )פתח הברז רחוק

מהגוף(. לטלטול נוסף יש לסגור את הברז. בתום הטלטול יש להניח את המשפך המפריד על

(2הטבעת, לחכות להפרדת פאזות, ולהפריד את הפאזה הרצויה. )ציור

הטרצ-בוטיל כלוריד המתקבל הינו חורמר אורגני בלתי מסיס במים. כשאר מכניסים למשפך

מפריד שני נוזלים שלא מתערבבים אחד עם השני מתרחשת הפרדת פאזות על פי צפיפות.

הפאזה העליונה מכילה את הנוזל בעל הצפיפות הנמוכה לעומת הפאזה התחתונה שמכילה את

הנוזל בעל הצפיפות הגבוהה.

8

א.

ב.

ג.

ד.

ה.

ו

ז

. העבודה עם משפך מפריד2ציור

סינון:

הסינון נועד להפרדת נוזל ממוצק שאינו מסיס בו. הסינון מתאפשר ע"י העברת התערובת

)מוצק ונוזל( דרך מחיצה נקבובית )נייר סינון משפך ביכנר או משפך סינטר(, שמשאירה את

המוצק על פניה ומאפשרת חדירה של הנוזל דרכה.

או סינון ע"י גרביטציה, מהירות הסינון כאן תלויה בכח הגרביטציה בלבד. לסינון רגילסינון רגיל:

משתמשים במשפך פשוט ובנייר סינון. נייר הסינון הוא לרב מקופל מה שמאפשר סינון מהיר

(.3 )ציור יותר בגלל שטח הפנים הגדול

: בסינון מסוג זה מפעילים תת לחץ בנוסף לכח הגרביטציה על מנת להגדיל אתסינון בוואקום

מהירות הסינון. בסינון וואקום משתמשים במשפך סינטר אשר מכיל מחיצה מסננת בעלת

חורים קטנים או משפך ביכנר בעל חורים גדולים המכוסה בנייר סינון המתאים לו. המשפך

מחובר לבקבוק יניקה דרך גומיה המאפשרת סגירה הרמטית. בקבוק היניקה מחובר לצינורית

שאיבה המאפשרת יצירת וואקום. ברגע שפותחים את מקור הוואקום נוצר וואקום בבקבור

היניקה ומתרחש מעבר מהיר של הנוזל מהמשפך לבקבוק היניקה דרך נייר הסינון או משפך

(.3הביכנר )ציור

9

. המערכת הימנית מתארת סינון רגיל והמערכת השמאלית מתארת סינון בוואקום.3ציור

הכלים הדרושים לביצוע הניסוי:

מ"ל ופקק מתאים250משפך מפריד

טבעת מתאימה למשפך מפריד

מ"ל100משורה

מ"ל250כוס כימית

מ"ל לאיסוף התזקיק( 100 מ"ל )קולבה לזיקוק וקולבה או ארלנמאייר 100 קולבות של 2

מערכת זיקוק – כולל מעבה, ראש זיקוק, שופר וטרמומטר

אמבט מים

פלטת חימום

ספטולה

החומרים הדרושים לביצוע הניסוי:

tגר'(25 מ"ל )32מי - י-בוטנול אל מי

HCl מ"ל85- 35% מרוכזת

CaCl2 - גר'15 אל מימי

מ"לsodium hydrogen carbonate 5% NaHCO3 - 20תמיסת

אבני רתיחה

חומר לגירוז מערכת הזיקוק

מהלך העבודה:

אלמימי )נקודתt-butyl alcohol מ"ל( 32 גר' )25 מ"ל, הכנס 250לתוך משפך מפריד בנפח של

אלCaCl2 גר' 10 מרוכזת ו-HCl מ"ל חומצת 85(. הוסף 25C ונקודת היתוך82-83Cרתיחה

)הוספת בהפרדת10מימי ולעזור החומצה את לרכז נוטה אלמימי כלוריד סידן של גר'

משתפרת במעט(. סגור את הפקק וערבב בזהירות את התערובת הכלורידים, עי"כ הניצולת

דקות. לאחר כל טלטול יש לשחרר את הלחץ ע"י פתיחת הברז כשהוא מופנה20במשך כ-

מעלה. כלפי בזוית

הנח את התערובת למשך מספר דקות עד להפרדות חדה של השכבות. הורד את השכבה

המימית החומצית התחתונה ושפוך אותה למיכל מיוחד המיועד לכך. את השכבה העליונה

. הפרד את השכבות ושפוך3NaHCO 5% מ"ל תמיסת נתרן ביקרבונט20האורגנית שטוף עם

התחתונה. המימית הפאזה את

מ"ל מים מזוקקים, הפרד בין השכבות ושפוך את הפאזה המימית20שטוף באופן דומה עם

התחתונה.

10

אלמיימי או עםCaCl2 גר' 5 מ"ל וייבש עם 250העבר את הפאזה האורגנית לארלנמאייר של

CaSO4.

מ"ל, להוצאת100את התמיסה סנן בסינון רגיל דרך מניפת ניר סינון לתוך אביק בנפח של

.CaCl2גבישי

אבני רתיחה. בנה מערכת זיקוק, הכוללת אביק, ראש זיקוק ובתוכו3-2הוסף לתוך האביק

!חשוב. אין לזקק עד יובשטרמומטר, מקרר מים נטוי, שופר וארלנמאייר יבש לאיסוף התזקיק.

הזיקוק. אסוף את המקטע הרותח בטמפרטורותואחרי לפני שבו נאסף התזקיק הכלישקול את

49-51C.

חשב את הניצולת שהתקבלה.

שאלות סיכום:

כתוב את הריאקציה לקבלת הטרצ-בוטיל כלוריד..1

11

הוראות בטיחות:

דברים שחשוב לדעת:.1

- חומרים רעילים: טרצ-בוטיל אלכהל, טרצ-בוטיל כלוריד

מרוכזת(HCl) - חומרים קורוזיביים: חומצת מלח

- נוזלים דליקים: טרצ-בוטיל אלכהל, טרצ-בוטיל כלוריד

העבודה עם חומרים אורגניים תעשה במנדף בלבד. 2

אין להדליק את המבער בונזן לבד אלא לבקש מהמורה או מהמדריך. 3

בעבודה עם משפך מפריד יש לטלטל תחילה בעדינות ולשחרר את הלחץ בתוך המנדף.. 4

טלטול חזק ללא שחרור לחץ עלול לגרום לפיצוץ של המשפך מפריד

אין לזקק עד יובש. זיקוק עד יובש גורם ליצירת חום יתר נקודתי במערכת מה שעלול. 5

לגרום לפיצוץ.

,SN2 או ב- SN1כתוב את מנגנון קבלת הטרצ-בוטיל כלוריד מטרצ-בוטאנול האם מדובר ב-.2

הסבר.

מה הם תוצרי הלוואי האפשריים בריאקציה ובאיזה ריאקציות מתחרות הם מתקבלים?.3

החומצה .4 תפקיד הוא ניתןHClמה האם כלוריד?, טרצ-בוטיל הכנת של בריאקציה

לקבלת הטרצ-בוטיל כלוריד?, הסבר.H2SO4 או HBrלהשתמש בחומצה אחרת כגון

מדוע אין לזקק עד יובש בזיקוק של הטרצ-בוטיל כלוריד? )הסיבה אינה בטיחותית בלבד(..5

12