2. SUBSTITUTION (Nukleofil substitution) S N 2

Transkript

1 . SUBSTITUTION (Nukleofil substitution) Alkylhalider är generellt reaktiva pga att den elektronegativa haliden gör att bindningen till kol polariseras, man får en dipol. Kolet blir elektrofilt (elektronfattigare och elektropositivt) och kan reagera med nukleofiler (elektronparsdonatorer) genom en substitutionsreaktion. En bra nukleofil har polariserbara elektroner eller har negativ laddning, ex. I -, -, S -, N 3, eller N). Nu + X Nu + X Nukleofil +! "! Alkylhalid (Elektrofil) Produkt Det finns två generella mekanismtyper för substitution: SN = Substitution Nukleofil Bimolekylär Direkt substitution i ett steg SN1 = Substitution Nukleofil Unimolekylär Substitution i två steg via karbokatjon S N alid jon (Lämnande grp)!mekanism O + l O + l Metylklorids reaktion med hydroxidjon till metanol O l +! -! -! O -! l " Transition state O + l Liten sterisk hindring vid substitutionskolet på -X gynnar reaktionens hastighet (dvs stora grupper bundna till substitutionskolet hindrar nukleofilen att reagera): Metyl > Primär > Sekundär >>>Tertiär eaktionshastigheten beror både på Nukleofil och -X. ast.= k [-X] [Nu] Stereokemi Ex.vis O 6 13 Vid SN inverteras (växlas) konfigurationen vid stereocentret " -" O 6 13 O + ()-(-)--bromoktan (S)-(+)--oktanol [!] = -34 o [!] = + 10 o ((+) och ( ) är ej relaterade till relativa strukturerna, utan anger bara tecken på den optiska vridningen)

2 Energiprofiler En reaktion kan åskådliggöras genom en s.k. energiprofil för att se hur energin förändras hos reaktanter, intermediärer och produkter under reaktionens gång. [TS] # är det s.k. Transition state, den högsta energinivån då en reaktion eller reaktionssteg sker. Energin för det högsta TS styr reaktionens hastighet totalt. ENEGIPOFIL S N (och E) För S N finns bara ett TS, i denna punkt har nukelofilen bundit in till kolet, samtidigt som bindningen till X (lämnande gruppen) håller på att brytas. ENEGIPOFIL S N 1 (och E1) I detta fall finns två TS. Det 1:a TS är högre än det :a, varför det 1:a steget till karbokatjonen är hastighetsbestämmande för hela reaktionen. Liknande energiprofil har additionsreaktioner, där även första steget har högst energi och är hastighetsbestämmande, dvs då alkenen binder upp en elektrofil.

3 S N 1 Ex. Tert-butylklorid i vatten: O + ( ) 3 l ( ) 3 O + l Nukleof il Elektrof il Produkt Lämnande grp Mekanism:! +! -! 3 Långsamt 3 l + l astighets 3 bestämmande 3 steg (=DS) O Snabbt steg Nukleofil attack O O Snabbt steg ( syra-bas steg) 3O + 3 O Ju stabilare intermediär karbokatjon ju snabbare reaktion: Tertiär + >Sekundär + > Primär + eaktionshastigheten beror bara på -X (unimolekylär) ast.= k [-X] Stereokemi Vid S N 1 ger optiskt aktivt startmaterial en racemisk produktblandning, då den intermediära karbokatjonen är plan och akiral O O (S)-3-brom-3-metylhexan O 1 acemisk blandning Nukleofilen ( O) angriper det positiva kolet från båda sidor till lika del Faktorer som på verkar SN1 och SN-reaktioner: A- Strukturen på alkylhaliden (substratet): SN1 tertiär och SN helst primär B- Koncentration och reaktivitet hos nukleofilen (är viktig för SN) - a Lämnande grupp (-X): gäller alla reaktioner D- Polära lösningsmedel gynnar att karbokatjonen bildas (viktigt för S N 1) Omvandling av funktionella grupper mha S N -reaktioner Ett antal användbara reaktioner är möjliga för att erhålla nya funktionella grupper: X = Metyl, prim. eller sek X = l,, I + O O S N 'OO O O S N OO' Alkohol Eter Tiol Nitril Ester

4 3. ELIMINATION (- Z-X) X Z Genom elimination erhålls omättade föreningar. De vanligaste reaktionstyperna för elimination är bimolekylär elimination E resp unimolekylär elimination E1. E-reaktionen Ex: Isopropylbromids reaktion med basen etoxidjon* + 5 O + 5 O Om man istället för en nukleofil använder en stark bas kan en E-reaktion ske. eaktionen sker i ett steg: basen rycker ett väte samtidigt som brom lämnar i ett steg. eaktionshastigheten beror både på Bas och -X. ast.= k [-X] [Bas] (är bimolekylär, därav :an i E) Alkoxidbaser* görs av alkohol och natrium: 5 O + Na(s) 5 O Na + (g) Etanol Natrium Etoxid 3 Ex. på bra bas som är sterisk hindrad (dålig nukleofi): t-butoxidjon: O Na Stereokemi: väte och lämnande grupp elimineras från en anti-periplan konformation (motsatt sida 180 ): O Me O Me Transtition State med väte och brom i antiperiplan konformation (trans-läge) E tävlar med SN: a bas kan även vara bra nukelofil.ex. Metoxidjon O - och Etoxidjon O - Primär Alkylhalid gynnar S N över E (dvs liten sterisk hindring gynnar SN) Grenad Alkylhalid, främst tertiär eller sterisk hindrad bas gynnar E över SN

5 E1-reaktionen Tert-Butylklorids reaktion i ättiksyra 3 l AcO astighetsbestämmande steg 3 Intermediär katjon l Lämnande gruppen (l - ) lämnar i första steget och en karbokatjon bildas intermediärt, varefter ett väte lämnar så en alken bildas i det andra steget. eaktionshastigheten beror bara på -X (unimolekylär) ast.= k [-X] E1 tävlar med SN1 E1 sker om lösningsmedlet är dålig nukleofil, ex. AcO, 3PO4, SO4, med alkoholer och vatten samt neutralt p sker S N 1. E1 reaktionen bildar samma intermediära karbokatjon som vid SN1. Grenad alkylhaliden gynnsamt: vilket ger stabilare + -jon, dvs: tert > sek >> prim. Vid elimination där två alkenprodukter kan bildas, erhålls den mest substituerade alkenen som huvudprodukt: 3 SO 4 E1- reaktion 3 uvudprodukt + 3 biprodukt Zaitzevs regel: Den kolatom som har minst antal väten förlorar ett väte, vilket ger den mest alkylerade alkenen (= den stabilaste alkenen)

6 Typexempel på reaktionerna: S N 1, S N, E1 och E uvudprodukt / eaktionstyp (anm) 5 O Na E stark bas 5 -O 3 O 5 S N 1 ygglig Nu svag bas 5 5 O Na OO S N 5 O 5 Liten sterisk hindring + bra Nu (trots = bra bas) E1 Ingen bra Nu, tert. - X SUMMEING: Skillnaden mellan de olika reaktionerna S N 1, S N, E1 och E är inte alltid given att lätt förstå och inse. Nedan summeringar kan visa på skillnaderna och skapa förståelse för vilken reaktion som gäller i olika fall. Oilka alkylhalider olika reaktioner alid typ S N 1 S N E1 E Primär halid Sker ej Favoriseras med bra nukleofiler Sker ej Sker med stark bas som är steriskt hindrad Sekundär halid Sker oftast ej Sker med bra nukleofiler (svag bas) Sker oftast ej Favoriseras av stark bas Tertiär halid Favoriseras av icke basiska nukleofiler, ofta polära lösningsmedel Sker ej Sker i polära lösningsmedel som är dåliga nukleofiler Sker generellt med starka baser Av stor vikt: Stabil karbokatjon a nukleofil Liten sterisk hindring a nukleofil Stabil karbokatjon Dålig nukleofil Stark bas a nukleofiler har polariserbara elektroner och/eller har negativ laddning. Polariserande är t.ex. I -, -, S -, N 3, eller N -. Icke-steriska baser: är t.ex. Metoxid- ( O - ), Etoxid- ( 5 O - ) och hydroxidjon. a baser har en stark negativ laddning, t.ex. olika alkoxider.