If you can't read please download the document
Upload
doanthuy
View
234
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
1
Chemia organiczna
Mechanizmy reakcji chemicznych
Zakad Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego
2
homoliza - homolityczny rozpad wizania w jednym z reagentw; powstaj produkty zawierajce niesparowane elektrony rodniki (karborodniki)
heteroliza rozpad wizania, w czasie ktrego para elektronw pozostaje przy jednym z fragmentw karboanionie
karbokation obdarzony jest adunkiem dodatnim
3
Reakcja substytucji nukleofilowej
reakcja nukleofilu (Nu) ze zwizkiem organicznym zawierajcym atwo odchodzc elektroujemn grup (np. halogen)
nastpuje wymiana grupy odchodzcej na nukleofil
nukleofile: atomy lub grupy atomw obdarzone adunkiem
ujemnym lub dysponujce woln par elektronw wykazuj powinowactwo do dodatnio
naadowanego atomu wgla
4
Reakcja substytucji nukleofilowej
szybko reakcji SN zaley od
warunkw reakcji
waciwoci nukleofila oraz
budowy reagenta organicznego
odczynniki nukleofilowe, jako grupy obdarzone adunkiem ujemnym s zasadowe, wykazuj powinowactwo do protonu
nukleofilowo nie zawsze pokrywa si z zasadowoci:
jon HO- - silna zasada, redniej mocy nukleofil
jon HS- - bardzo silny nukleofil, znacznie sabsza zasada
5
Reakcja substytucji nukleofilowej
na szybko reakcji SN duy wpyw maj waciwoci grupy odchodzcej
najbardziej reaktywn grup odchodzc jest anion tosylanowy (p-toluenosulfonowy), a bardzo trudno podstawi anion fluorkowy
zasadowo (pKa zasady skoniugowanej)
wzgldna szybko
grupa odchodzca
mniej reaktywne bardziej reaktywne
6
Reakcja substytucji nukleofilowej
aniony silnych kwasw (sabe zasady) s dobrymi grupami odchodzcym
aniony sabszych kwasw (silne zasady) s gorszymi grupami
odchodzcymi
p-toluenosulfonian
7
Reakcja substytucji nukleofilowej
SN2 - substytucja nukleofilowa dwuczsteczkowa reakcja substytucji nukleofilowej, ktrej szybko jest zalena
od stenia obu reagentw np. reakcja hydrolizy halogenkw metylu i I-rzdowych:
CH3Br + OH- CH3OH + Br
-
szybko reakcji
V = k[CH3Br].[ OH- ]
jest zalena od stenia halogenku alkilu i stenia zasady
8
Reakcja substytucji nukleofilowej
SN1 - substytucja nukleofilowa jednoczsteczkowa
reakcja substytucji nukleofilowej, ktrej szybko jest zalena od stenia jednego z reagentw
np. hydroliza halogenkw III rzdowych
(CH3)3CBr + OH- (CH3) 3COH + Br
-
szybko reakcji
V = k[(CH3)3CBr]
jest zalena jedynie od stenia halogenku alkilu
9
Reakcja substytucji nukleofilowej SN2 podczas reakcji dochodzi do zmiany konfiguracji - inwersji konfiguracji
cis-(1R,3S)-1-chloro-3-metylocyklopentan trans-(1S,3S)-1-hydroksy-3-metylocyklopentan
I etap - atak odczynnika nukleofilowego od przeciwnej strony czsteczki w stosunku do grupy odchodzcej
z tej samej strony nie moe ze wzgldw objtociowych i elektrostatycznych
tworzy si przejciowo addukt zawierajcy piciokoordynacyjny atom wgla.
10
Reakcja substytucji nukleofilowej SN2 II etap - zerwanie wizania z grup odchodzc nowy podstawnik zajmuje pozycj po przeciwnej stronie czsteczki ni
grupa, ktra zostaa podstawiona
w stanie przejciowym trzy podstawniki na atomie wgla w centrum reakcji znajduj si w jednej paszczynie - nie mog one by objtociowo due atomy H lub podstawniki przy 1o atomie wgla
tylko pochodne metanu i zawierajce 1o grupy alkilowe ulegaj atwo tej reakcji
SN2 dla pochodnych 2o zachodzi wolno, a 3o nie reaguj wg SN2
11
Reakcja substytucji nukleofilowej SN2 wpyw rozpuszczalnika reakcj utrudniaj rozpuszczalniki protyczne - posiadajce
ruchliwe protony woda, alkohole, aminy
solwatuj (osaniaj) one czsteczki nukleofila, utrudniajc zblienie si miejsca reaktywnego w czsteczce
nukleofil solwatowany przez czsteczki protycznego
rozpuszczalnika jest mniej aktywny wikszy
trudniej zbliy si do drugiego reagenta
nukleofile o wikszych rozmiarach s aktywniejsze w reakcjach SN2, poniewa im mniejszy promie
jonu tym silniej jest on solwatowany przez czsteczki protycznego rozpuszczalnika.
12
Reakcja substytucji nukleofilowej SN2 wpyw rozpuszczalnika reakcj uatwiaj rozpuszczalniki aprotyczne solwatuj kation, a nie nukleofil anion
jest bardziej ruchliwy (aktywny), ma mniejsze rozmiary, ma atwiejszy dostp do miejsca reaktywnego czsteczki organicznej.
rozpuszczalniki aprotyczne: acetonitryl (CH3CN), dimetyloformamid [(CH3)2NCHO, DMF], sulfotlenek dimetylu [(CH3)2SO, DMSO], heksametylofosforotriamid {[(CH3)2N]3PO, HMPA}
13
Reakcja substytucji nukleofilowej SN2
Reakcj SN2 uatwia:
brak zawady przestrzennej reagenta organicznego
dua reaktywno odczynnika nukleofilowego
podatno grupy opuszczajcej na odczenie si od atomu wgla
wysoka polarno rozpuszczalnikw aprotycznych
14
Reakcja substytucji nukleofilowej SN1 Szybko reakcji typu SN1 nie zaley od stenia odczynnika nukleofilowego, biegnie
zgodnie z kinetyk pierwszego rzdu
hydroliza (CH3)3C-Br + HOH (CH3)3C-OH + HBr
halogenki t-butylowe s odporne na atak nukleofilowy (dua objto 3o grupy
alkilowej) znacznie atwiej ni halogenki 1o ulegaj dysocjacji z utworzeniem karbokationu karbokation w reakcji z czsteczk wody zostaje szybko przeksztacony w alkohol:
oderwanie si jonu halogenkowego jest procesem wolnym - stanowi najwolniejszy etap reakcji
decyduje on o szybkoci caej reakcji szybko powstawania karbokationu zaley w danych warunkach tylko od stenia
halogenku alkilu
15
Reakcja substytucji nukleofilowej SN1 produkt poredni w procesie hydrolizy 3o halogenku alkilowego -
paski karbokation hybrydyzacja atomu C sp2.
czsteczka wody moe przyczy si do niego z jednej lub z drugiej strony
powstaje mieszanina enancjomerw (R) i (S), (czsto) w stosunku 1:1, niezalenie od tego jak konfiguracj mia substrat
16
Reakcja substytucji nukleofilowej SN1 wpyw rozpuszczalnika
uatwiaj dysocjacj halogenku alkilowego i stabilizuj karbokation wpywaj na pierwszy etap reakcji, tj. stan przejciowy. rozpuszczalniki polarne, przede wszystkim protyczne
solwatujc jony sprzyjaj reakcjom SN1 alkohole, kwas mrwkowy i woda.
najkorzystniejszym rozpuszczalnikiem dla SN1 jest woda dodatek rozpuszczalnikw organicznych uatwia rozpuszczanie
reagentw organicznych, ale zwykle obnia szybko reakcji.
solwatacja karbokationu przez czsteczki rozpuszczalnika
17
Reakcja substytucji nukleofilowej SN1
reaktywno substratu zaley od waciwoci grupy odchodzcej
szereg reaktywnoci, najbardziej aktywne s tosylany:
HOH Cl-< Br- < I- < < TosO-
Wpyw budowy substratu
Struktury reszty organicznej stabilizujce karbokation uatwiaj reakcje SN1. wzrost rzdowoci karbokationu wpywa na jego trwao,
trzeciorzdowe pochodne najatwiej ulegaj reakcjom SN1,
2o trudniej
1o s w tego typu reakcjach nieaktywne
18
Reakcja substytucji nukleofilowej SN1
mezomeria - wpyw na stabilizacj karbokationu, obecno podwjnego wizania w pooeniu , tzw. ukad
allilowy.
uatwienie reakcji SN1 dla benzylowych
19
Porwnanie reakcji SN1 i SN2 Substratami reakcji SN1 s zwizki organiczne tworzce stabilne
karbokationy, np. halogenki 3o, allilowe czy benzylowe
Reakcj SN1 uatwiaj protyczne rozpuszczalniki polarne (solwatuj aniony i kationy)
Odczynniki nukleofilowe nie wpywaj na szybko reakcji SN1
Solwoliza halogenkw alkilowych jest przykadem reakcji biegncej wg kinetyki SN1.
Szybko reakcji wzrasta wraz ze wzrostem rzdowoci:
CH3-X < RCH2-X R-I > R-Br > R-Cl >> R-F
20
Substytucja elektrofilowa SE
reakcja charakterystyczna dla zwizkw aromatycznych - reakcja aromatycznej substytucji elektrofilowej
elektrofil (E+) podstawia proton zwizany z piercieniem aromatycznym
lub
elektrofil podstawia inny atom lub grup zwizan z piercieniem aromatycznym
21
Substytucja elektrofilowa SE
1. addycja elektrofila E+ do piercienia aromatycznego 2. powstaje stabilizowany mezomerycznie karbokation 3. odszczepienie protonu 4. odtwarzenie ukadu aromatycznego, w ktrym powstaje
pochodna zawierajca elektrofil w miejscu protonu
sta
biliz
ow
any
mezom
ery
cznie
karb
okation
22
Substytucja elektrofilowa SE
nitrowanie
halogenowanie
sulfonowanie alkilowanie
acylowanie
nitrozowanie
23
Substytucja elektrofilowa SE wpyw podstawnikw
uatwianie reakcji SE - zwikszanie szybkoci reakcji przez uaktywnienie piercienia aromatycznego
aktywujce: kieruj nowy podstawnik w pooenie orto- lub
para- grupy elektronodonorowe
-OH -OR, -NH2, -NHR, -NR2, -alkil
24
Substytucja elektrofilowa SE wpyw podstawnikw
utrudnianie reakcji SE - obnianie szybkoci reakcji poprzez dezaktywacj ukadu
aromatycznego
dezaktywujce
kieruj nowy podstawnik w pooenie meta-
grupy elektroakceptowowe wykazujce rwnoczenie efekt -M i -I
-CN
-COR
-COH
-NR3 (R: H, alkil, aryl)
-NO2
-COOH
-COOR
-CONR2
25
Substytucja elektrofilowa SE wpyw podstawnikw
utrudnianie reakcji SE - obnianie szybkoci reakcji poprzez dezaktywacj ukadu aromatycznego
dezaktywujce
kieruj nowy podstawnik w pooenie orto- lub para-
grupy wykazujce efekt +M i I;
halogeny
26
Substytucja elektrofilowa SE wpyw podstawnikw
grupa II
orto- i para meta
grupa III grupa I
reaktywno
27
Reakcje eliminacji Zwizki organiczne zawierajce dobr grup odchodzc mog ulega
reakcji eliminacji w wyniku czego powstaj alkeny
dobre grupy odchodzce: tosylanowa,
halogenki,
alkoksylanowa
woda
28
Reakcje eliminacji reakcje eliminacji zachodz pod wpywem zasad
odczynniki zasadowe maj zwykle waciwoci nukleofilowe
reakcje eliminacji i substytucji s wzajemnie konkurencyjne.
kierunek reakcji zaley od: waciwoci zwizku organicznego,
waciwoci odczynnika (im bardziej zasadowy tym wiksza tendencja do eliminacji) i
warunkw reakcji.
29
Reakcje eliminacji E2
w reakcjach eliminacji biegncych wg mechanizmu E2 szybko reakcji
zaley od stenia obu reagentw
regua Zajcewa: w produktach reakcji eliminacji halogenowodoru (HX) z halogenkw alkilowych przewaa bardziej rozgaziony alken.
Reakcje eliminacji E2 reakcje E2 zachodz pod wpywem silnej zasady.
odrywa ona proton z atomu wgla w pozycji (z atomu ssiadujcego z atomem C, do ktrego przyczona jest grupa odchodzca):
ataku zasady (EtO-) na atom wodoru zwizany z C
w stanie przejciowym:
rozlunienie wizania pomidzy H-C i C-Br oraz
utworzenie czciowo podwjnego wizania pomidzy C-C.
proton jest odrywany z pozycji trans w stosunku do grupy odchodzcej.
30
Reakcje eliminacji E1
eliminacji typu E1 ulegaj przede wszystkim halogenki 3o,
wolniej ale rwnie drugorzdowe w rodowisku niezbyt zasadowym
1. reakcja zachodzi z utworzeniem karbokationu
2. zasada odrywa proton od ssiadujcego z karbokationem atomu wgla.
31
Porwnanie rodzajw
mechanizmw reakcji