REAKCJE SUBSTYTUCJI
W reakcji metanu z chlorem w obecno ci wiat a lub w podwy szonej temperaturze tworz si
produkty, w których atom (atomy) wodoru zostaj zast pione przez atom (atomy) chloru.
Powstaj chloroalkany i wydziela si przy tym chlorowodór:
Cl2/h½ lub "
CH4 CH3Cl + CH2Cl2 + CHCl3 + CCl4 + HCl
nadmiar
dz c po liczbie produktów reakcja jest skomplikowana. Pojawiaj si pytania dlaczego
powstaje mieszanina produktów, z ilu etapów sk ada si reakcja i jaka jest kolejno przemian
prowadz cych od substratów do produktów. Jakie znaczenie dla tej reakcji ma wiat o lub ciep o?
Pytania te dotycz mechanizmu reakcji. Odpowied na nie otrzymuje si na podstawie
kojarzenia wniosków wynikaj cych z obserwacji eksperymentów. Poznanie mechanizmów
reakcji u atwia zrozumienie chemii organicznej.
Badaj c reakcj chlorowania metanu mo na zauwa , e:
metan i chlor nie reaguj z sob w ciemno ci;
do reakcji w ciemno ci dochodzi ale po ogrzaniu reagentów
powy ej 250oC;
reakcja biegnie równie w temperaturze pokojowej pod
wp ywem wiat a UV;
obecno nawet ma ej ilo ci tlenu zmniejsza na chwil szybko reakcji,
jednak po pewnym czasie wraca do poprzedniej szybko ci;
czas spowolnienia szybko ci reakcji (okres inhibicji) zale y od
ilo ci dodanego tlenu.
Obserwacje te u atwiaj zaproponowanie mechanizmu reakcji, a przyj ty mechanizm nie mo e
by w sprzeczno ci z adn z cech reakcji.
Zarówno inicjowanie reakcji przez wiat o lub podwy szon temperatur oraz inhibituj ce
dzia anie tlenu sugeruj , e jest to reakcja rodnikowa. Zaczyna si ona od homolitycznego
rozpadu wi zania w jednym z reagentów:
h½
A B A. + B.
lub UV
W wyniku homolizy, czyli rozpadu wi zania powstaj fragmenty (atomy lub grupy atomów),
przy czym ka dy z nich zawiera niesparowany elektron. Takie fragmenty nazywane s
rodnikami. Je eli niesparowany elektron przypisany jest do atomu w gla to mamy do czynienia z
karborodnikiem.
Znana jest równie heteroliza, czyli taki rozpad wi zania w wyniku którego para elektronów
tworz ca wi zanie pozostaje przy jednym z fragmentów. Ten fragment nosi nazw anionu (jest
obdarzony adunkiem ujemnym), a drugi fragment z adunkiem dodatnim nazywany jest
kationem.
A B A+ + :B-
1
Fragmenty heterolizy, w których adunki znajduj si przy atomach w gla nazywane s
odpowiednio karboanionem i karbokationem.
Ka de wi zanie ma okre lon specyficzn si i do jego zerwania potrzebna jest energia. Im
wi ksza energia wi zania, tym wi kszej potrzeba energii do jego rozerwania. Minimalna
energia potrzebna do rozerwania wi zania nazywa si energi dysocjacji. Mo e ona by
dostarczona w postaci ciep a (odpowiednio wysokiej temperatury reakcji), promieniowania (np.
UV) lub w inny sposób.
energia
A B A. + B.
dysocjacji
Energia dysocjacji (homolizy) wybranych wi za A-B çÅ‚ A. + B. Tabela 3.1.
wi zanie wi zanie wi zanie
"Ho "Ho "Ho
[kcal/mol] [kcal/mol] [kcal/mol]
104 50 88
H-H (CH3) 3C-I H3C-CH3
136 108 85
H-F H C=CH-H CH H C-CH
2 3 2 3
103 88 84
H-Cl H2C=CH-Cl (CH3)2HC-CH3
88 87 81
H-Br H2C=CHH2C-H (CH3)3C-CH3
71 69 97
H-I H C=CHH C-Cl H C=CH-H
2 2 2
58 46 36
Cl-Cl Br-Br I-I
130 125 74
NC-H HCC-H H2C=CHH2C-CH3
112 85 86
H
C H
O
H2
H
CH3C
102 112
OH
CH3
CH2 CH3 72
70 Cl 97 Br 82
CH2 Cl
104 98 95
H C-H Et-H i-Pr-H
3
84 81 80
H3C-Cl Et-Cl i-Pr-Cl
70 68 68
H3C-Br Et-Br i-Pr-Br
56 53 91
H C-I Et-I t-Bu-H
3
91 91 79
H3C-OH Et-OH t-Bu-Cl
80 65
H3C-NH2 t-Bu-Br
103 119 51
H N-H HO-H HO-OH
2
102 88 103
H3CO-H H3CS-H EtO-H
81 77
H3CH2CO-CH3
O
CH3C CH3
2
Mechanizm reakcji rodnikowych
Reakcje rodnikowe zaczynaj si od utworzenia rodnika. Rodniki powstaj najcz ciej pod
wp ywem
podwy szonej temperatury, wiat a lub substancji rodnikotwórczych, np. nadtlenków.
W obecno ci tych czynników najs absze wi zanie w jednym z reagentów ulega homolizie, tworz
si rodniki. Ten etap reakcji nazywa si inicjacj (rozpocz ciem). W reakcji chloru z metanem
najs abszym wi zaniem jest wi zanie Cl-Cl (58 kcal/mol), podczas gdy C- H w metanie wynosi
104 kcal/mol.
Powstaj ce rodniki chloru reaguj z drugim z substratów generuj c rodniki metylowe oraz
chlorowodór. Rodniki metylowe atwo reaguj z chlorem tworz c chlorek metylu i kolejny
rodnik chlorkowy.
propagacja terminacja
inicjacja
h½
Cl2 2 Cl. Cl. + CH4 .
CH3 + HCl Cl. + Cl. Cl2
lub "
rodnik metylowy
. .
CH3 + CH3 H3CCH3
.
Cl2 + + ClCH3
CH3 Cl.
etan
chlorek metylu
.
Cl. +
CH3 ClCH3
Cl. + CH4 .CH3 + HCl
.
Cl2 +
CH3 Cl. + ClCH3
itd
Rodnik chlorkowy mo e wej w reakcj z nast pn cz steczk metylu i tak krok po kroku w
cuchu przemian tworzy si wiele cz steczek chlorku metylu. Ten etap reakcji nazywa si
propagacj (rozwijaniem reakcji), a ca a reakcja okre lana jest cuchow , poniewa z jednego
rodnika wytworzonego na pocz tku w etapie inicjacji powstaje cuch cz steczek CH4.
Takich pojedynczych cuchów w ka dej reakcji jest wiele. Ka dy cuch mo e rozwija si
do wyczerpania substratów lub zostaje przerwany na skutek zderzenia dwóch rodników, albo
te przez wytracenie energii, np. poprzez zderzenie rodnika ze ciank naczynia. Etap
zako czenia cucha nazywany jest terminacj . Inne cuchy mog by rozwijane dalej, s
równie inicjowane inne cuchy.
Reakcja nie zatrzymuje si na etapie monochlorowania. W miar wzrostu st enia CH3Cl
równie ten zwi zek staje si konkurencyjnym substratem w wychwytywaniu rodników
chlorkowych i nast puje wymiana atomu wodoru na chlor. W ten sposób tworzy si chlorek
metylenu (CH2Cl2), który z kolei po dalszym chlorowaniu ulega przekszta ceniu w chloroform
(CHCl ), a nast pnie powstaje tetrachlorek w gla. Tak wi c produktem chlorowania metanu jest
3
mieszanina chlorometanów, o ró nym stopniu wysycenia chlorem, zale nym przede wszystkim
od nadmiaru jednego z reagentów:
Cl2 Cl2 Cl2
Cl2
CH4 h½ lub " ClCH3 Cl2CH2 h½ lub " CHCl3 h½ lub " CCl4
h½ lub "
metan chlorek metylu chlorek metylenu chloroform tetrachlorek w gla
3
Nadmiar u ytego w reakcji metanu zapewnia du wydajno chlorku metylu, a nadmiar chloru
prowadzi do tetrachlorku w gla. W reakcji, w której u yto 1 mol chloru na 1 mol metanu
powstaje mieszanina sk adaj ca si z 37% CH3Cl, 41% CH2Cl2, 19% CHCl3 i 3% CCl4.
Chloroform otrzymuje si w reakcji haloformowania acetonu.
Reakcja jest silnie egzotermiczna, na ka dym etapie wydziela si po oko o 100 kJ/mol. Bez
odprowadzania ciep a mo e doj do przegrzania, prowadz cego do gwa townego przebiegu
reakcji z wydzieleniem w gla:
CH4 + 2 Cl2 çÅ‚ C + 4 HCl
Podczas chlorowania etanu tworzy si mieszanina zawieraj ca g ównie monochloro-, 1,1-
dichloro- i 1,1,1-trichloroetan.
Cl2
CH3CH3 çÅ‚ CH3CH2Cl + CH3CHCl2 + CH3CCl3 + ....
300oC
etan chloroetan 1,1-dichloroetan 1,1,1-trichloroetan
Taki przebieg reakcji spowodowany jest os abieniem wi zania C-H po przy czeniu atomu
chloru.
W propanie atomy wodoru s nierównocenne z powodu ró nicy energii wi zania C-H, dla
atomów wodorów 1o wynosi ona 98 kcal/mol, podczas gdy dla 2o 95 kcal/mol. Ta niewielka
zdawa oby si ró nica znacz co zwi ksza szybko wymiany atomu H 2o na atom Cl. Podczas
chlorowania propanu 1-chloropropan powstaje z mniejsz wydajno ci ni 2-chloropropan,
pomimo tego, e st enie atomów wodoru 1o jest 3 razy wi ksze (6 atomów H 1o i 2 atomy 2o.
Cl
Cl2
CH3CH2CH3
CH3CH2CH2Cl + CH3CHCH3 + HCl
h½
propan 1-chloropropan (45%) 2-chloropropan (55%)
Podobnie wygl da chlorowanie butanu; wydajno 2-chlorobutanu jest jeszcze wi ksza poniewa
udzia drugorz dowych atomów wodoru jest wi kszy ni w propanie:
Cl Cl
Cl2
CH3(CH2)2CH3 h½
CH3CH2CH2CH2 + CH3CHCH2CH3 + HCl
n-butan 1-chlorobutan (28%) 2-chlorobutan (72%)
Ró nica reaktywno ci atomów H 1o i 3o rz dowych jest jeszcze wi ksza ("Ho odpowiednio 98 i
91 kcal/mol) i dlatego w mieszaninie produktów monochlorowania tert-butylu jest a 36% 2-
chloro-2-metylopropanu, pomimo 9-krotnej przewagi 1o atomów wodoru w substracie:
CH3
CH3
Cl CH2
Cl2
CH3CHCH3 h½ CH3CHCH3 +
CH3CCH3 + HCl
Cl
tert-butan 1-chloro-2-metylopropan 2-chloro-2-metylopropan
chlorek izobutylu (64%) chlorek tert-butylu (36%)
4
Brom jest znacznie mniej reaktywny ni chlor, dlatego te bromowanie alkanów biegnie z
mniejsza szybko ci , a przez to z jeszcze wi ksz selektywno ci ni chlorowanie:
Br
Br2
CH3CH2CH3 CH3CH2CH2Br + CH3CHCH3 + HBr
h½
propan 1-bromopropan (3%) 2-bromopropan (97%)
Br
Br
Br2
CH3(CH2)2CH3
CH3CH2CH2CH2 + CH3CHCH2CH3 + HBr
h½
n-butan 1-bromobutan (2%) 2-bromobutan (98%)
CH3
Br CH2 CH3
Br2
CH3CHCH3
CH3CCH3
CH3CHCH3 + + HBr
h½
Br
tert-butan 1-bromo-2-metylopropan 2-bromo-2-metylopropan
bromek izobutylu (0,1%) bromek tert-butylu (99,9%)
Jak wynika z zamieszczonych poni ej wykresów zmiany energii w reakcjach chlorowania i
bromowania metanu, reakcja bromowania wymaga znacznie wi kszej energii aktywacji, a wi c
dzie wolniejsza ni chlorowanie w tej samej temperaturze. Z tego powodu reakcja staje
selektywniejsza, gdy rodniki bromu b statystycznie cz ciej wybiera najbardziej reaktywne
miejsca, czyli w wzrastaj cej kolejno ci aktywno ci atomy wodoru przy atomach w gla 1o,2o i
3o.
Zmiany energii w procesie halogenowania metanu Wykres 3.1.
chlorowanie bromowanie
Rodnik chloru potrzebuje niewielkiej energii aktywacji do wyrwania atomu wodoru z cz steczki
glowodoru, eby utworzy rodnik alkilowy; w przypadku metanu jest to jedynie 4 kcal/mol.
Natomiast energia aktywacja reakcji rodnika bromu z metanem potrzebna do utworzenia takiego
samego rodnika metylowego jest kilkakrotnie wi ksza i wynosi 18 kcal/mol. W reakcjach z
glowodorami, w których znajduj si atomy wodoru ró nej rz dowo ci rodnik chloru
obdarzony wysok energi mo e wyrwa prawie równie atwo atom wodoru 1o czy 2o, natomiast
.
dla mniej aktywnego rodnika Br znacznie atwiejsze jest oderwanie atom wodoru o wy szej
rz dowo ci.
5
Z rz dowo ci rodników zwi zana jest tak e ich trwa : wraz ze wzrostem rz dowo ci
rodników ro nie ich trwa . Prawie wszystkie rodniki obdarzone s wysok energi , a przez
to s bardzo reaktywne. Jednak reszty alkilowe zwi zane z atomem w gla posiadaj cym
niesparowany elektron stabilizuj go poprzez roz enie tej energii w przestrzeni. Im wi cej reszt
alkilowych jest zwi zanych z rodnikowym atomem w gla (wy sza jego rz dowo ) tym rodnik
jest stabilniejszy.
Wzgl dna trwa rodników w glowych:
R3C. > R2HC. > RH2C. > H3C.
Szybko wymiany wodoru na halogen w reakcjach substytucji rodnikowej zale y od trwa ci
tworz cego si przej ciowo rodnika alkilowego. Im trwalszy rodnik, tym szybciej (bo atwiej) si
tworzy, po czym mo e ulega dalszym przemianom. Z wykresu 1. wida , e rodnik izopropylowy
(2o) b dzie si tworzy trudniej (wolniej) ni 3o tert-butylowy, poniewa do jego utworzenia
potrzebna jest wi ksza energia aktywacji.
Energia przemian bromowania propanu i tert-butanu Wykres 3.2.
Halogenowanie cykloalkanów
Cyklopropan w reakcji z chlorem tak e tworzy rodnik cyklopropylowy, który atwo
przekszta ca si w znacznie trwalszy (stabilizowany mezomerycznie) rodnik propylowy, a ten w
dalszej reakcji z chlorem zostaje przechodzi w chlorek 1-propylu. Równocze nie, chocia z
mniejsz wydajno ci rodnik cyklopropylowy tworzy z chlorem chlorek cyklopropylu:
H
chlorocyklopropan
H
H
rodnik Cl2
H
H H
cyklopropylowy
H
Cl
H H
+ Cl2
H H
H H
.
H H
H
. .CH -CH=CH2
CH2=CH-CH2
2
rodnik
propylowy
Cl2
1-chloropropan
Cl-CH2-CH-CH3
6
Cyklopropan jest pod wp ywem bromu w obecno ci AlCl3 przekszta cany w 1,3-dibromopropan,
a katalityczne wodorowanie zarówno cyklopropanu, jak i cyklobutanu prowadzi do rozerwania
pier cieni i utworzenia odpowiednich alkanów:
H
AlCl3
H H2/Ni
+ Br2
H BrCH2CH2CH2Br
H
CH3CH2CH2CH3
200oC
H
H 1,3-dibromopropan
H2/Ni
80oC
n-propan cyklobutan n-butan
CH3CH2CH3
Wy sze cykloalkany reaguj z halogenami podobnie jak alkany  ulegaj halogenowaniu w
reakcji substytucji rodnikowej:
Cl2 Br2 Br
Cl
h½ lub " h½ lub "
cyklopentan chlorocyklopentan cykloheksan bromocykloheksan
(nadmiar) (nadmiar)
Mog si tworzy polihalogenoalkany. Nadmiar w glowodorów zmniejsza ich wydajno .
Alkilocykloalkany tworz z halogenami mieszanin izomerycznych monopochodnych:
CH3
CH3 CH3
CH3 CH2Cl
Cl2 Cl Cl
+
+
+
h½ lub "
- HCl Cl
metylocyklopentan chlorometylocyklopentan
1-chloro-3-metylocyklopentan
1-chloro-1-metylocyklopentan 1-chloro-2-metylocyklopentan
izomery cis i trans izomery cis i trans
7
I Z O M E R I A
Izomerami nazywane s zwi zki chemiczne posiadaj ce taki sam wzór sumaryczny, ró ni ce si
jednak konstytucj (budow , tj. rozmieszczeniem atomów i wi za w cz steczce) lub
eniem atomów w przestrzeni.
Rozró niane s izomery konstytucyjne i stereoizomery.
I Z O M E R Y
zwi zki o takim samym
wzorze sumarycznym
I Z O M E R Y
S T E R E O I Z O M E R Y
KONSTYTUCYJNE
ENANANCJOMERY DIASTEREOIZOMERY
ró ni si
rodzajem wi za i
maj si do stereoizomery, które
rozmieszczeniem
siebie jak odbicia nie s odbiciami
atomów w
lustrzane lustrzanymi
cz steczce
Izomery konstytucyjne
Ró nica w konstytucji cz steczki (jej budowie) wynikaj ca z innej kolejno ci atomów j
tworz czy innych lub inaczej rozmieszczonych wi za jest przyczyn istnienia izomerów
konstytucyjnych. Przyk adem mo e by prosty (normalny) i rozga ziony cuch w glowy lub
usytuowanie wi za wielokrotnych.
Istniej trzy izomery pentanu, wszystkie maj ten sam wzór sumaryczny C5H12:
CH3
CH3(CH2)3CH3 CH3CHCH2CH3 CH3CCH3
CH3
CH3
pentan (n-pentan) izopentan (2-metylobutan) neopentan
(2,2-dimetylopropan)
glowodór o wzorze sumarycznym C5H10 mo e by cyklicznym w glowodorem nasyconym:
cyklopentanem, metylocyklobutanem lub dimetylocyklopropanem (we wzorach kreska oznacza
grup: metylow :
cyklopentan metylocyklobutan dimetylocyklopropan
Mo e by równie jednym z wielu izomerów alkenowych (w glowodorem zawieraj cym 1
podwójne wi zanie C=C):
pent-1-en 2-metylobut-1-en 2-metylobut-2-en pent-2-en 3-metylopent-1-en
8
Równie dobrze znane s izomery konstytucyjne chlorowcopochodnych, alkoholi i innych
zwi zków.
Zadanie Narysuj i nazwij izomery zwi zku o wzorze sumarycznym C6H13Br.
Stereoizomery
Tego typu izomery maj nie tylko taki sam wzór sumaryczny, ale równie identyczn
konstytucj , czyli rozmieszczenie atomów i wi za w cz steczce, ró ni si natomiast
przestrzennym (sterycznym) u eniem atomów. Ró nice w przestrzennym u eniu atomów
wyst puj w cz steczkach zawieraj cych cztery ró ne podstawniki przy tym samym atomie (np.
atomie w gla) lub w innych przypadkach, kiedy cz steczka pozbawiona jest niektórych
elementów symetrii.
1-bromo-1-chloroetan ma cztery ró ne podstawniki przy C1 (brom, chlor, metyl i wodór) dlatego
mo e wyst powa w postaci dwóch streoizomerów, które w typowych warunkach maj
identyczne w ciwo ci fizyczne (np. tw., tt. czy g sto ), takie same w ciwo ci chemiczne
(reaktywno ), identyczn warto bezwzgl dn skr calno ci w ciwej [Ä…], ale o przeciwnych
znakach, ró ni si równie reaktywno ci w stosunku do innych stereoizomerów.
stereoizomery
Br
Br
C
C
H
H
Cl Cl
1-bromo-1-chloroetanu
H3C CH3
Stereoizomeria jest wa cz ci chemii organicznej poniewa wiele zwi zków biologicznie
jest stereoizomerami. W ciwo ci biologiczne stereoizomerów mog by ró ne, poniewa w
organizmie oddzia uj z innymi stereoizomerami. Stereoizomerami s cukry, niektóre alkohole,
aminy, aminokwasy oraz tworzone z nich peptydy czy bia ka.
Cia a czynne ywego organizmu (enzymy, hormony, receptory) s zbudowane z bia ek, a wi c
jako stereoizomery inaczej b reagowa z stereoizomerycznymi substratami. Z tego powodu
odczuwamy inny smak dwóch ró nych stereoizomerów tego samego aminokwasu (reakcja z
bia kowymi kubkami smakowymi), inaczej te b oddzia ywa na organizm stereoizomeryczne
substancje lecznicze.
Dramatycznym przyk adem takich ró nic jest tragedia spowodowana thalidomidem, lekiem
uspakajaj cym i przeciwbólowym wprowadzo-nym do u ytku w II po owie XX w. Kobiety
ci arne przyjmuj ce ten lek rodzi y dzieci bez ko czyn lub z ko czynami bardzo
zdeformowanymi. Lek okaza si czynnikiem teratogennym. Badania wykaza y, e by on
mieszanin dwóch stereoizomerów, przy jeden z nich wykazywa oczekiwane w ciwo ci
lecznicze a drugi, nieoczekiwany w otrzymywanym produkcie by teratogenem.
OH OH
N O
N O
*
*
N
N
O O
O
O
H H
(S)-(-)-thalidomid (R)-(+)-thalidomid
teratogen lek
9
Do syntezy u yto w ciwego substratu, a podczas bada klinicznych i przedklinicznych nie
stwierdzono adnych niepo danych dzia preparatu. Sk d si wzi drugi izomer w preparacie
leczniczym? Otó drugi stereoizomer pojawi si w znacz cych ilo ciach dopiero podczas
produkcji leku na du skal . Wi ksza skala wymaga a przed enia czasu reakcji, co
spowodowa o, e drugi izomer tworz cy si w wyniku tzw. racemizacji pojawi si w wi kszym
st eniu. W tym czasie nikt nie zna zale no ci stopnia racemizacji od czasu reakcji i nie
spodziewano si takich komplikacji w wyniku zwi kszenia skali syntezy.
ciwa konfiguracja substratów ma istotne znaczenie w reakcjach biochemicznych,
poniewa hormony, enzymy i inne cia a czynne s stereoizomerami, i tylko odpowiednia
konfiguracja substratów zapewnia powodzenie przemian. Substraty o innej konfiguracji nie
bra y udzia u w reakcji, lub co gorsze mog wywo niepo dane, szkodliwe
dzia anie. Prost ilustracj wymaganej konfiguracji (kszta tu) cz steczek jest zabawka dla
ma ych dzieci, której elementy o ró nych kszta tach (kule, sze ciany, ostros upy itp.) nale y
do pojemnika przez specjalne otwory. Tylko te przedmioty uda si w do pojemnika,
które pasuj kszta tem do otworu. Podobnie, tylko ten zwi zek b dzie substratem enzymu,
którego kszta ty pasuj do rozmieszczonych odpowiednio miejsc reaktywnych enzymu.
Sposoby rozró niania stereoizomerów
Zwi zki organiczne, w których atom w gla zwi zany jest z dwoma (lub wi cej) takimi samymi
podstawnikami (atomami lub grupami atomów) b identyczne po ka dorazowej zamianie
podstawników w przestrzeni.
Ich odbicia lustrzane s te identycznymi zwi zkami.
H H
H H
C C
C C
H Cl H
Cl
H H H
H
CH3
H3C CH3 H3C
etan chloroetan
W przypadku, kiedy atom w gla (lub inny) jest zwi zany z czteroma ró nymi
podstawnikami, ka da pojedyncza zamiana dwóch podstawników w przestrzeni prowadzi
do utworzenia drugiego steroizomeru, który jest odbiciem lustrzanym pierwszego
stereoizomeru.
lustro
Br
Br
C
C
H Cl Cl H
CH3
H3C
(R)-1-bromo-1-chloroetan (S)-1-bromo-1-chloroetan
Te dwa stereoizomery (odbicia lustrzane) nie da si na na siebie, tzn. tak eby jedna
cz steczka mia a pod sob te same podstawniki.
10
W yciu spotykamy si nie tylko ze stereoizomerycznymi substancjami, ale równie z
przedmiotami o podobnych w ciwo ciach. Dwa buty czy dwie r kawiczki tej samej pary te nie
mo na na na siebie (nie da si te na lewej r kawicy na praw r ). Podobnie jest ze
stopami i d mi. W nie od greckiej nazwy d oni  cheir pochodzi nazwa tego typu
przedmiotów i zwi zków chemicznych  chiralne.
Rys. 3.1. R ce s  chiralne ; nie mo na na na siebie lewej i prawej r ki (czy te ich odbi lustrzanych)
Stereoizomery, które s do siebie jak odbicia lustrzane nazywane s enancjomerami. (R)-1-
bromo-1-chloroetan i (S)-1-bromo-1-chloroetan enancjomerami zaliczanymi do
stereoizomerów. Zwi zki tego typu okre lane s te przymiotnikiem  chiralne.
Atom w gla zwi zany z czteroma ró nymi podstawnikami jest nie tylko atomem chiralnym, ale
równie centrum chiralnym, jako e dzi ki niemu cz steczka nabiera w ciwo ci zwi zanych z
chiralno ci . Litery (R) i (L) w nawiasach, pisane kursywa to jeden ze sposobów ró nicowania
enancjomerów na pi mie. Okre laj one konfiguracj absolutn enancjomerów. Ustala si j w
oparciu o regu y pierwsze stwa wg Cahna, Ingolda i Preloga.
Regu y pierwsze stwa wg Cahna, Ingolda i Preloga
1. W celu przypisania centrum chiralnemu odpowiedniej konfiguracji (literek R lub S) nale y
podstawniki uszeregowa wg wa no ci (starsze stwa), tj wg warto ci liczby atomowej atomu
zwi zanego z chiralnym atomem w gla od 1 (dla atomu o najwy szej liczbie atomowej) poprzez
2 i 3 do 4 (dla atomu o najni szej liczbie atomowej). Je eli atomy s izotopami tego samego
pierwiastka o kolejno ci decyduje liczba masowa.
1
1
Br Cl
4
*
4 *
C C
H Cl 2
H T2
H3C3 D
3
2. Je eli atomy zwi zane z centrum chiralnym s takie same o wa no ci podstawników decyduj
atomy z drugiego szeregu, ewentualnie trzeciego lub dalszych; tak eby mo na by o wyznaczy
starsze stwo  dla ró nych podstawników musi ono zaistnie .
Przyk ad:
4
4
H3C
H3C H
H
3
* *
CH3-CH-C-CHCl-CH3
CH3-CH-C-CH2-CH3
3
2
2
Cl
Cl
1
1
3-chloro-2-metylopentan 2,3-dichloro-4-metylopentan
11
Powy szym pochodnym pentanu atwo przypisa starsze stwo atomom wodoru i chloru,
odpowiednio 1 i 4. Natomiast pozycje pozosta ych podstawników (etylu i izopropylu) zale od
tego jakie i ile jest atomów w drugim rz dzie. W 3-chloro-2-metylopentanie izopropyl ma 2
atomy C i dlatego otrzymuje drug pozycj (2) przed etylem (3), który w drugim szeregu ma
tylko jeden atom w gla. Natomiast w przypadku drugiego zwi zku kolejno na drugiej i trzeciej
pozycji ulega odwróceniu poniewa w grupie etylowej w drugim rz dzie atomów w odniesieniu
do centrum chiralnego znajduje si chlor. Jeden atom o wi kszej liczbie atomowej jest
wa niejszy od dwóch, a nawet trzech atomów o mniejszych liczbach atomowych.
3. W zwi zkach zawieraj cych wi zania wielokrotne oba atomy powi zane w ten sposób liczy
si podwójnie lub potrójnie:
N
C
jest równowa ne z C N
jest równowa ne z
C O C O C N
C
N
O C
Przyk ady:
pierwsze stwo podstawników
H H
H
H
2
H
C OH
C O równowa ne O
C
OH O
C
4
H
O C
C*
H OH
1
4
3
2
1
CH2OH
3
aldehyd glicerynowy
pierwsze stwo podstawników
1
Br
H H H
H
H
2 H
4
H-C-CH=CH2 OH
CH2 C C C C C H
C
3
H
CH H3C
H
C
H3C CH3
4
3
1 2
3-bromo-4-metylo-pent-1-en
Po ustaleniu pierwsze stwa podstawników ustawia si cz steczk w ten sposób, eby najm odszy
podstawnik (oznaczony liczb 4) znalaz si najdalej od obserwatora. Bardzo cz sto tym
podstawnikiem jest atom wodoru. Nast pnie zakre lamy kr g od podstawnika najstarszego 1 do
trzeciego z kolei 3 poprzez podstawnik 2; podstawnik 4 jest ignorowany. Je eli ruch po
zakre lanym kr gu jest zgodny z kierunkiem wskazówek zegara to ten enancjomer jest okre lany
jako (R)  rectus ( ac. prawy), a je eli przeciwnie do ruchu wskazówek zegara to mamy do
czynienia z enancjomerem (S)  sinister ( ac. lewy).
12
obserwator
1
1
Br
Br
4 4
2
C
C
2
H Cl
H
Cl
H3C
CH3
3
3
(R)-1-bromo-1-chloroetan (S)-1-bromo-1-chloroetan
W literaturze mo na spotka ró ne sposoby (regu y) okre lania konfiguracji enancjomerów, ale
wszystkie prowadz do tych samych ustale . Znana jest regu a kciuka (J. McMurry Chemia
organiczna), regu a kierownicy samochodu i inne.
Konfiguracja okre lona za pomoc symboli (R) i (S) nazywana jest konfiguracja absolutn ,
poniewa odpowiada ona rzeczywistej konfiguracji zwi zków organicznych. Znana jest równie
konfiguracja wzgl dna, gdy zosta a ona wyznaczona wzgl dem jakiego zwi zku przyj tego za
wzorzec.
Przyk ad:
Okre li konfiguracj absolutn obu enancjomerów 2-bromobutanu.
Br
w tak zapisanym wzorze nie mo na
CH3-CH2-CH-CH3 ustali konfiguracji,poniewa nie wiadomo
jak podstawniki s u one przestrzennie
Narysujmy wi c wzory enancjomerów 2-bromobutanu, tak eby wida by o przestrzenne
enie podstawników, ponumerujmy podstawniki wg starsze stwa i umie my najm odsze
najdalej od siebie:
1 3
1
3
4 H
4 H
Br CH3
H3C Br
C
C
2
CH2CH3
2
CH2CH3
(R)-2-bromobutan (S)-2-bromobutan
Powy szy sposób przedstawienia przestrzennej budowy zwi zków organicznych nazywa si
projekcj Newmana. Wzór jest tak zapisywany, jakby obserwator patrzy na cz steczk wzd
wi zania atomu C z najm odszym podstawnikiem, tzn oznaczonym cyfr 4.
Istniej jeszcze inne sposoby przestrzennego zapisu cz steczek chiralnych, po ród nich projekcja
Fischera. Cz steczk ustawia si tak, eby najd szy cuch w glowy znalaz si w jednej
aszczy nie. Nast pnie robi si jego pionowy (od góry kartki papieru w dó ) rzut na papier
(tablic czy ekran). W ka dym centrum chiralnym wi zania pionowe oznaczaj wi zania
znajduj ce si pod p aszczyzn kartki, a wi zania boczne nad p aszczyzn . Nawet je eli tego
rozró nienia nie wida na przedstawionym wzorze (projekcji) to nale y o tym pami ta 
wi zania poziome s nad p aszczyzn , a pionowe pod p aszczyzn :
13
CH3
CH3 CH3 CH3
Br C H
H C Br H C Br Br C H
C2H5 C2H5 C2H5
C2H5
Rys. 3.2. Zapis enancjomerów 2-bromobutanu w projekcji Fischera
Pojedyncza (lub nieparzysta) zamiana podstawników w projekcji Fischera, np. atomu Br z
atomem H powoduje zmian konfiguracji z (R) na (S) lub z (S) na (R).
Parzysta zamiana podstawników w projekcji Fischera, np. atomu Br z atomem H i
nast pnie Br z CH3 zachowuje pierwotn konfiguracj .
W celu przypisania konfiguracji absolutnej nale y przej z konformacji Fischera do Newmana.
W projekcji Newmana najm odszy podstawnik (w tym przypadku H) powinien znajdowa si za
atomem C, czyli pod p aszczyzn kartki. Je eli go zamienimy, np. z grup metylow nast pi
zmiana konfiguracji. W celu zachowania konfiguracji nale y dokona jeszcze jednej zamiany
podstawników, np. bromu z grup etylow :
1 3
4 4
H
CH3 H Br CH3
H
3
1
C
C C C
H Br H3C Br Br CH3
2
CH2CH3
C2H5 C2H5 2 C2H5
pojedyncza zamiana parzysta zamiana
podstawników powoduje podstawników
zmian konfiguracji przywraca wyj ciow konfiguracj
(S)-2-bromobutan
Ten sposób oznaczania konfiguracji absolutnej na podstawie projekcji Fischera jest do
czasoch onny, wymaga bowiem dwukrotnej zamiany podstawników, je eli najm odszy
podstawnik znajduje si nad p aszczyzn kartki. Pro ciej jest oznaczy konfiguracje bez zamian
podstawników i tylko zamieni otrzymany wynik na przeciwny, tzn. (R) na (S) lub (S) na (R):
4
CH3
3 1
H
3
H3C Br
1
Br C H C
4
2
2
C2H5
C2H5
okre lon niezgodnie z zasadami (R)-2-bromobutan
konfiguracj (S), nale y odwróci  otrzymuje si (R)
Projekcj Fischera wprowadzono wcze niej ni Newmana i by a przeznaczona g ównie dla
zwi zków zawieraj cych kilka grup funkcyjnych; dlatego obowi zywa a w niej jeszcze jedna
regu a: rzut cz steczki na p aszczyzn nale y tak wykona , e najbardziej utleniony atom
gla znajdowa si u góry. W cz steczce kwasu mlekowego w projekcie Fischera grup
karboksylow nale y umie ci u góry. Dla oznaczenia konfiguracji absolutnej nie ma znaczenia,
gdzie znajduje si grupa karboksylowa, byleby wszystkie podstawniki mia y okre lone
usytuowanie przestrzenne. Wymóg zapisania najbardziej utlenionej grupy u góry wzoru
potrzebny jest do przypisania konfiguracji wzgl dnej D lub L.
14
4
H 2
1
COOH
COOH 4
HO COOH 2
H
COOH
C H3C
C
H OH C
HO H
C
3
CH3 3 CH3
CH3
1
OH
kwas: D-mlekowy a" kwas (R)-mlekowy L-mlekowy a" (S)-mlekowy
Konfiguracja wzgl dna okre lana literami D lub L oznacza po enie grupy funkcyjnej (w
kwasie mlekowym  OH) po prawej (D) lub po lewej (L) stronie chiralnego atomu w gla, we
wzorze prawid owo zapisanym wg regu projekcji Fischera.
Konfiguracja nazywa si wzgl dn , poniewa odnosi si do konfiguracji aldehydu glicerynowego
 CH2CH(OH)CHO  przyj tego za modelowy zwi zek.
Konfiguracja cz steczek zawieraj cych dwa centra chiralne
Okre lanie konfiguracji cz steczek zawieraj cych dwa lub wi cej chiralnych atomów w gla
polega na przypisaniu konfiguracji kolejno poszczególnym centrom chiralnym.
Zadanie
Oznaczy konfiguracj 2,3-dibromobutanu  CH3CHBrCHBrCH3.
Pierwsz czynno ci jest zapisanie wzoru przestrzennie, np. za pomoc projekcji Fischera.
Zgodnie z tymi regu ami otrzymujemy wzory czterech stereoizomerów:
1 1
1 CH3 CH3
CH3 1 CH3
*
Br C* H
Br C* H H C* Br H C Br
2 2
2 2
C* H
Br C* Br
C* H H
C* Br Br
H
3 3
3 3
4 CH3 4 CH3
4 CH3
CH3 4
a b c d
stereoizomery 2,3-dibromobutanu
W 2,3-dibromobutanie s dwa centra chiralne: atomy C2 i C3. We wszystkich wzorach
najm odsze podstawniki czyli atomy H s zapisane poziomo, czyli znajduj si nad p aszczyzn
kartki, dlatego stosuj c uproszczon procedur nale y po oznaczeniu konfiguracji kolejno dla C2
i C3 przyj konfiguracj odwrotn jako rzeczywist .
3
3 CH3
CH3 CH3
CH3
1 4 1
4 konfiguracja
konfiguracja
H C* Br C2 dla b: (S) H C
Br
Br C* H C2 dla a: (R) Br C
H
2
2 2
2
1 4
2
2
konfiguracja
konfiguracja
4
Br C H
H C Br C* Br Br C* H
H
C3 dla b: (S)
C3 dla a: (R) 3
3
1
CH3
3 CH3
CH3 CH3
3
(2R,3R)-2,3-dibromobutan (2S,3S)-2,3-dibromobutan
15
3
3
CH3
CH3 CH3 CH3
1 4
konfiguracja 4 1
konfiguracja
Br C* H C2 dla c: (R) Br C H C* Br C2 dla d: (S) H C
H
Br
2
2
2
2
1 4 1
2 4
2
konfiguracja
konfiguracja
Br C H
Br C* H C Br
H C* Br
H
C3 dla c: (S)
C3 dla d: (R)
3
3
CH3 CH3
3 CH3
3 CH3
(2R,3S)-2,3-dibromobutan (2S,3R)-2,3-dibromobutan
Stereoizomery a i b czyli (2R,3R)-2,3-dibromobutan oraz (2S,3S)-2,3-dibromobutan
enancjomerami (maj si do siebie jak odbicia lustrzane):
a b a c b d
CH3 CH3 CH3
CH3
CH3 CH3
*
* *
Br C* H Br
H C H H
Br C* Br C*
Br
H C Br H C
*
*
C Br
H Br C* H
C C*
H Br Br H
C* Br
C* H H
Br
CH3
CH3
CH3 CH3
CH3 CH3
Stereoizomery parami a i c, a i d, b i c oraz b i d s diastereoizo-
merami (stereoizomery nie b ce do siebie jak odbicia lustrzane)
Stereoizomery c i d pomimo, e posiadaj po dwa centra chiralne, z uwagi na p aszczyzn
symetrii przechodz pomi dzy C2 i C3, s cz steczkami achiralnymi, a w zwi zku z tym
optycznie nieczynnymi (nie skr caj p aszczyzny wiat a spolaryzowanego). Ich odbicia
lustrzane da si na siebie na . Stereoizomery zawieraj ce centra chiralne oraz p aszczyzn
symetrii nazywane mezo.
CH3 CH3
*
Br C* H H C Br
C* H C* Br
Br H
CH3 CH3
(2R,3S)-2,3-dibromobutan (2S,3R)-2,3-dibromobutan
W rzeczywisto ci jest to jeden i ten sam zwi zek mezo-dibromobutan.
aszczyzna symetrii dziel ca stereoizomer na pó jest jak zwierciad o w którym odbijaj si obie
po owy zwi zku.
Enancjomery
1. Chiralno cz steczki jest warunkiem koniecznym i wystarczaj cym do zaistnienia
enancjomerów;
2. Obecno chiralnego atomu w gla nie jest warunkiem koniecznym ani wystarczaj cym
do wyst pienia enancjomerów;
3. Liczba enencjomerów zale y od liczby centrów asymetrii w cz steczce. Maksymalna
liczba stereoizomerów LS = 2n gdzie n oznacza liczb chiralnych atomów.
16
Stereochemia zwi zków cyklicznych
Stereoizomeri zwi zków cyklicznych warto rozpatrywa na przyk adzie cyklopentanu, którego
pier cie uwa a si za p aski. Stereoizomeria wyst pi w przypadku podstawienia cyklopentanu
co najmniej dwoma podstawnikami. 1,2-Dimetylocykloheksan wyst puje w formie dwóch
enancjomerów (R,R) i (S,S), które s zarazem izomerami trans, oraz w formie mezo (cis) :
4
3
5
H H
H Me Me H
1 2
1 2
2
1
Me Me
Me H H Me
a b c
trans trans cis
enancjomery 1,2-dimetylocyklopentanu mezo-dimetylocyklopentan
Atomy w gla C1 i C2 s chiralne. Dla streoizomeru a konfiguracj mo na oznaczy w
nast puj cy sposób:
2
H4 Me H 3Me2
konfiguracja C2
konfiguracja C1
1 2
1 1
dla izomeru a:
dla izomeru a:
3 (S)
(S)
Me H Me H
4
(R,R)-1,2-dimetylocyklopentan
Izomer b ma konfiguracj (S,S), a c jest zwi zkiem mezo (R,S) i (S,R), poniewa ma p aszczyzn
symetrii.
Podobne zale no ci wyst puj dla 1,3-dipodstawionych pochodnych cyklopentanu. Identycznie
post puje si przy okre laniu konfiguracji stereoizomerów pochodnych cyklopropanu i
cyklobutanu. Cz steczka cykloheksanu nie jest co prawda p aska, ale do oznaczania konformacji
poszczególnych chiralnych atomów w gla w niej wyst puj cych mo na rysowa j w postaci
askiej.
Reaktywno halogenoalkanów
Reaktywno halogenoalkanów wynika z rozk adu adunków elektrycznych w ich cz steczkach,
czyli z polaryzacji i polaryzowalno ci wi za .
M
´+ ´-
..
´+ ´- .. C C X:
..
C C X:
A
..
H
..
H
..
Nu
:B
Cz steczka, w której s tak roz one adunki jest podatna na atak ró nych odczynników. Kwasy
Lewisa A (AlCl3, FeBr3) b atakowa miejsce obdarzone adunkiem ujemnym, czyli halogen
(X), nukleofil Nu: ma powinowactwo do dodatnio na adowanego atomu w gla, za zasada B:
dzie odrywa proton z C2.
17
Metal (M) odda elektron dodatnio na adowanemu atomowi C, tworz c z nim zwi zki
metaloorganiczne  C M lub  C M X, o budowie zale nej od warto ciowo ci metalu. Z
metalami grupy I (Li, Na, K) halogen zostanie od czony, a z metalami grupy II (Mg, Zn, Cd)
metal zajmie po enie pomi dzy atomami C i X.
Substytucja nukleofilowa SN
Substytucja nukleofilowa polega na reakcji nukleofilu (Nu) ze zwi zkiem organicznym
zawieraj cym atwo odchodz elektroujemn grup (np. halogen) w wyniku, której nast puje
podstawienie halogenu nukleofilem. Nukleofilami s atomy lub grupy atomów obdarzone
adunkiem ujemnym lub dysponuj ce woln par elektronów; wykazuj powinowactwo do
dodatnio na adowanego atomu C. W tabeli 3. podane s najcz ciej spotykane nukleofile i ich
produkty reakcji z bromkiem metylu.
Reakcje bromku metylu z wybranymi nukleofilami Tabela 3.2.
CH3 Br + Nu:- çÅ‚ CH3 Nu + Br-
Nukleofil Produkt
Wzór Nazwa Wzór Nazwa
H:- anion wodorkowy CH4 metan
CH3S- anion metylosulfidowy CH3SCH3 sulfid dimetylowy
HS- anion hydrosulfidowy HSCH3 metanotiol
HS- anion cyjankowy acetonitryl
Na"CCH3
I- anion jodkowy ICH3 jodek metylu
HO- anion wodorotlenkowy HOCH3 metanol
HO- anion metanolanowy CH3OCH3 eter dimetylowy
N=N=N- anion azydkowy N=N=NCH3 azydometan
Cl- anion chlorkowy ClCH3 chlorek metylu
CH3COO- anion octanowy CH3COOCH3 octan metylu
H3N: amoniak H3N+CH3 Br- bromek metyloamoniowy
(CH3)3N: trimetyloamina (CH3)4N+Br- bromek tetrametyloamoniowy
Kinetyka reakcji substytucji nukleofilowej (SN)
Szybko reakcji SN zale y zarówno od warunków reakcji, jak i od w ciwo ci nukleofilu oraz
budowy reagenta organicznego. Poni ej podany jest szereg reaktywno ci najpopularniejszych
odczynników nukleofilowych w reakcji z bromkiem metylu:
CH3 Br + Nu:- çÅ‚ CH3 Nu + Br-
çÅ‚çÅ‚çÅ‚wzgl dna szybko 1 700 103 1,6.104 2,5.104 105 1,25.105
Nu: HOH NH3 Cl- HO- CH3O- I - NC- HS-
çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚
mniej reaktywne bardziej reaktywne
Zwykle odczynniki nukleofilowe, jako grupy obdarzone adunkiem ujemnym s zasadowe, czyli
wykazuj powinowactwo do protonu. Nukleofilowo nie zawsze pokrywa si z zasadowo ci ,
np. jon HO- jest siln zasad , ale s abym nukleofilem, natomiast HS- jest silnym nukleofilem, za
znacznie s absz zasad .
18
Na szybko reakcji SN du y wp yw maj w ciwo ci grupy odchodz cej. Najbardziej
reaktywn grup odchodz jest anion tosylanowy (p-toluenosulfonowy), a bardzo trudno
podstawi anion fluorkowy.
Wzgl dna reaktywno grup odchodz cych w reakcjach SN:
zasadowo (pKa zasady
skoniugowanej) 35 16 15,7 4,8 3,2 -7 -9 -9,5 -6,5
wzgl dna szybko <"0 1 2.102 104 3.104 6.104
-
grupa odchodz ca NH , RO-, HO- AcO- F- Cl- Br- I - TosO-
2
çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚
mniej reaktywne bardziej reaktywne
Aniony silnych kwasów (s abe zasady) s dobrymi grupami odchodz cym, aniony s abszych
kwasów (silne zasady) s gorszymi grupami odchodz cymi.
-
p-toluenosulfonian
H3C SO3 (tosylan)
Kinetyka hydrolizy halogenków alkilowych w rodowisku zasadowym zale y od rz dowo ci
halogenku. Halogenki metylu i 1o ulegaj hydrolizie i reakcji z innymi nukleofilami wg kinetyki
drugiego rz du (SN2), podczas gdy halogenki 3o rz dowe wchodz w reakcj z tymi samymi
odczynnikami zgodnie z kinetyk pierwszego rz du (SN1).
CH3 Br + OH- çÅ‚ CH3 OH + Br-
szybko reakcji V = k[CH3Br].[ OH- ] jest zale na od st enia obu reagentów.
Reakcje substytucji nukleofilowej, których szybko jest zale na od st enia obu reagentów
nazywana jest substytucj nukleofilow dwucz steczkow i oznacza si j symbolem S 2.
N
(CH3)3C Br + OH- çÅ‚ (CH3) 3C OH + Br-
szybko reakcji V = k[(CH3)3C Br] jest zale na jedynie od st enia halogenku alkilu.
Reakcje substytucji nukleofilowej, których szybko jest zale na od st enia jednego z
reagentów nazywana jest substytucj nukleofilow jednocz steczkow i oznacza si j
symbolem SN1.
R e a k c j e SN2
Inwersja konfiguracji
Zauwa ono, e w trakcie reakcji biegn cych mechanizmem S 2 dochodzi do zmiany
N
konfiguracji, zjawisko to zosta o nazwane inwersj konfiguracji:
19
II etap
SN2
H
Me
Cl
Me
+ :Cl-
+ :OH-
H
OH
H
H
I etap
cis-(1R,3S)-1-chloro-3-metylocyklopentan trans-(1S,3S)-1-chloro-3-metylocyklopentan
Przyczyn inwersji konfiguracji jest stan przej ciowy tworz cy si w pierwszym etapie reakcji.
W wyniku ataku odczynnika nukleofilowego (I etap) od przeciwnej strony cz steczki w stosunku
do grupy odchodz cej (z tej samej nie mo e ze wzgl dów zarówno obj to ciowych jak i
elektrostatycznych) tworzy si przej ciowo addukt zawieraj cy pi ciokoordynacyjny atom w gla.
´-
grupa odchodz ca
Cl
Me
´+
H
nukleofil przy cza si
H
OH
z przeciwnej strony
´-
grupy odchodz cej
Rys. 3.3. Stan przej ciowy reakcji SN2
W drugim etapie (II etap) zostaje zerwane wi zanie z grup odchodz , a nowy podstawnik
zajmuje pozycj po przeciwnej stronie cz steczki ni grupa, która zosta a podstawiona.
-
-
-
N
+ C X Nu
C X C + X
Nu
u
W stanie przej ciowy trzy podstawniki na atomie w gla w centrum reakcji zostaj st oczone w
jednej p aszczy nie. Nie mog to by obj to ciowo du e. Naj atwiej st oczy atomy H lub
podstawniki przy 1o atomie w gla, dlatego tylko pochodne metylu i pierwszorz dowych grup
alkilowych ulegaj atwo tej reakcji. S 2 dla pochodnych 2o zachodzi wolno, a 3o praktycznie tak
N
nie reaguj .
Wzgl dna szybko reakcji halogenków alkilowych w reakcji SN2
wzgl dna szybko <"0 10-5 0,02 1 30
reakcji SN2 dla R-X
alkil (R) (CH ) C- (CH ) CCH (CH )CH- Et- Me-
3 3 3 3 2-
3
rz dowo 3o neopentyl (1o) 2o 1o
çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚
mniej reaktywne bardziej reaktywne
W powy szym szeregu w tpliwo ci mo e budzi jedynie prawie zerowa szybko reakcji
halogenku neopentylu, który jest przecie halogenkiem 1o. Otó du a obj to grupy tert-
butylowej zwi zanej z atomem w gla stanowi cym centrum reakcji uniemo liwia atak
odczynnika nukleofilowego od strony grupy tert-butylowej, a innej mo liwo ci nie ma.
20
H
H
HH
H H
H
H
H H
C
C
C
H
C C
H H H
HH C X
C H
Nu
C X C
C X Nu Nu
Nu C X
C
H
C X
H
H
H HH C
C
Nu
H H
H
H
metyl- etyl- izopropyl- neopentyl- tert-butyl
Rys. 3.3. Wraz ze wzrostem zat oczenia wokó centrum reakcji zmniejsza si mo liwo dost pu cz steczki
nukleofilowej do atomu w gla zwi zanego z grup odchodz
Inwersj konfiguracji towarzysz ca SN2 mo na obserwowa mierz c skr calno w ciw
substratów i produktów. W trakcie reakcji hydrolizy (R)-(-)-2-bromooktanu powstaje 2-oktanol.
Reakcja biegnie wg mechanizmu SN2, co wynika z kinetyki: v = k[OktBr].[HO-]. Enancjomery
2-oktanolu maj t sam tt. i tw., to samo widmo NMR i IR w rodowisku achiralnym, ró ni si
natomiast znakiem skr calno ci w ciwej [Ä…]. Warto [Ä…] wynosi  9,9o i 9,9o odpowiednio dla
(R) i (S) enancjomerów.
C6H13 C6H13
NaOH
H Br HO H
SN2
CH3 CH3
(R)-2-bromooktan ([Ä…] = -34,6o) (S)-2-oktanol ([Ä…] = 9,9o)
Tworzenie si z (R)-(-)-2-bromooktanu enancjomeru (S)-(+)-2-oktanolu jest dowodem zjawiska
inwersji konfiguracji.
Zmiany energetyczne reakcji hydrolizy chlorku metylu w rodowisku zasadowym:
21
Wp yw rozpuszczalnika na reakcj SN2
rodowisko, najcz ciej rozpuszczalnik ma ogromny wp yw na wi kszo reakcji, równie na
reakcj SN2. Reakcj utrudniaj rozpuszczalniki protyczne, czyli takie, które posiadaj ruchliwe
protony, np. woda, alkohole czy aminy. Solwatuj (os aniaj ) one cz steczki nukleofila,
utrudniaj c mu tym samym zbli enie si miejsca reaktywnego w cz steczce R-X.
OR
H
RO H :Nu H OR
H
OR
Nukleofil solwatowany przez cz steczki protycznego rozpuszczalnika jest nie tylko mniej
aktywny, ale i wi kszy, przez co trudniej mu podej do drugiego reagenta. Z tego samego
powodu nukleofile o wi kszych rozmiarach (w parach HS- i HO- lub Br- i F-) s aktywniejsze w
reakcjach SN2, poniewa im mniejszy promie jonu tym silniej jest on solwatowany przez
cz steczki protycznego rozpuszczalnika.
Natomiast polarne rozpuszczalniki aprotyczne u atwiaj reakcje SN2 zwi kszaj c jego aktywno ,
poniewa solwatuj one kation, a nie anion (nukleofil), przez co taki  nagi anion jest bardziej
ruchliwy (aktywny), ma mniejsze rozmiary, czyli atwiej mu dosta si do miejsca reaktywnego
cz steczki organicznej.
CH3
H3C
S
O
CH3
..
H3C
: O S
S
O :
CH3
H3C
K+
H3C CH3
S : : S
O O
..
H3C
CH3
O
S
H3C CH3
Rys. 3.4. Cz steczki aprotycznego rozpuszczalnika polarnego solwatuj kation przez co  nagi nukleofil
(towarzysz cy anion) jest bardziej reaktywny
Do rozpuszczalników aprotycznych nale : acetonitryl (CH3CN), dimetyloformamid
[(CH3)2NCHO, DMF], sulfotlenek dimetylowy [(CH3)2SO, DMSO] czy
heksametylofosforotriamid {[(CH3)2N]3PO, HMPA}. Ten ostatni okaza si by kancerogenny i
teratogenny, wi c nale y go stosowa z odpowiedni ostro no ci . Wysoka polarno
rozpuszczalników jest potrzebna do rozpuszczenia polarnych reagentów.
22
Z poni szego diagramu wida jak zwi ksza si szybko reakcji SN2 w aprotycznych
rozpuszczalnikach polarnych na przyk adzie reakcji:
rozpuszczalnik
-
n-Bu-Br + N çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚ n-BuN + Br-
3 3
rozpuszczalnik: CH OH HOH DMSO DMF CH CN HMPA
3 3
wzgl dna 1 7 1300 2800 5000 2.105
reaktywno
Warto ci sta ej dielektrycznej popularnych rozpuszczalników Tabela 3.3.
Rozpuszczalnik Wzór Sta a
dielektryczna
woda HOH 80
kwas mrówkowy HCOOH 59
dimetylosulfotlenek (DMSO) CH3SOCH3 49
dimetyloformamid (DMF) HCON(CH3)2 37
acetonitryl CH3CN 36
metanol CH3OH 33
heksametylofosforotriamid (HMPT) [(CH3)2N]3PO 30
etanol CH3CH2OH 24
aceton CH3COCH3 21
kwas octowy CH3COOH 6
Podsumowanie zale no ci w reakcjach SN2
Reakcj SN2 u atwia:
" brak zawady przestrzennej reagenta organicznego;
" du a reaktywno odczynnika nukleofilowego;
" podatno grupy opuszczaj cej na od czenie si od atomu C;
" du a polarno rozpuszczalników aprotycznych
R e a k c j e SN1
Szybko reakcji typu SN1 nie zale y od st enia odczynnika nukleofilowego, biegnie zatem ona
zgodnie z kinetyk pierwszego rz du:
V = k.[RX]
Przyk adem takiej reakcji jest hydroliza bromku t-butylu w wodzie:
(CH ) C-Br + HOH çÅ‚ (CH ) C-OH + HBr
3 3 3 3
Ró nice w kinetyce reakcji hydrolizy bromku n-butylu i t-butylu wynikaj z odmiennego
mechanizmu obu reakcji. Jak wiadomo halogenki t-butylowe z uwagi na du obj to 3o grupy
alkilowej s odporne na atak nukleofilowy, natomiast znacznie atwiej ni halogenki 1o ulegaj
dysocjacji z utworzeniem karbokationu. Karbokation w reakcji z cz steczk wody zostaje
szybko przekszta cony w alkohol:
23
HOH
(CH3)3C-Br çÅ‚ (CH3)3C+ çÅ‚ (CH3)3C-OH + H+ + Br-
wolno szybko
Karbokationy 3o s trwalsze ni 2o, a te z kolei przewy szaj trwa ci kationy 1o. Z tego
powodu karbokationy 3o tworz si naj atwiej. Halogenki 1o nie ulegaj reakcjom SN1, a 2o tylko
cz ciowo. Poniewa jednak dysocjacja wi zania C-X nawet dla halogenków 3o wymaga du ej
energii aktywacji (Rys. 3.) oderwanie si jonu halogenkowego jest procesem wolnym i w
reakcjach SN1 stanowi najwolniejszy etap reakcji; decyduje on o szybko ci ca ej reakcji!
Szybko powstawanie kabokationu zale y w danych warunkach tylko od st enia halogenku
alkilu, tym samym od jego st enia zale y szybko ca ej reakcji.
Rys. 3.5. Diagram zmiany energii w reakcji SN1. Energia aktywacji pierwszego etapu reakcji, czyli tworzenia
karbokationu jest znacznie wi ksza ni energia aktywacji reakcji pomi dzy karbokationem i wod
Szybko reakcji wieloetapowej jest zale na od najwolniejszego etapu reakcji. Ten najwolniejszy
etap reakcji decyduje o szybko ci ca ej reakcji, podobnie jak najw sza zw ka w
wielokomorowej klepsydrze decyduje o szybko ci przesypuj cego si piasku :
Mechanizm reakcji hydrolizy bromku t-butylu jest nast puj cy:
CH3
CH3
+
C
H3C C Br Br- + H3C
wolno CH3
CH3
..
HOH
szybko
bromek t-butylu ..
CH3 H
CH3
+
H3C C O
H3C C OH
CH3 - H+ CH3 H
t-butanol
24
Produktem po rednim w procesie hydrolizy 3o halogenku alkilowego jest aski karbokation 
hybrydyzacja atomu C sp2. Cz steczka wody mo e przy czy si do niego z jednej lub z drugiej
strony. Wobec czego powstaje mieszanina enancjomerów (R) i (S), cz sto w stosunku 1:1,
niezale nie od tego jak konfiguracj mia substrat. Zjawisko towarzysz ce reakcji, w której z
jednego enancjomeru tworzy si mieszanina enancjomerów (R) i (S) nazywa si racemizacj , a
mieszanina 50% enancjomeru (R) i 50% (S) nazywa si racematem.
Racemat jest optycznie nieczynny; zwykle ró ni si temperatur topnienia i innymi
ciwo ciami fizycznymi od enancjomerów.
chiralny
X
C
substrat
- -
dysocjacja
- X
+ Nu
-
+
-
Nu
Nu
Nu
C
Nu C
C
inwersja konfiguracji p aski karbokation retencja konfiguracji
Rys 3.6. P aski karbokation powstaj cy w reakcji SN1 prowadzi do racemizacji
Tylko te halogenki alkilowe, które s zdolne utworzy p aski karbokation mog reagowa wg
mechanizmu SN1.
znane takie halogenki niepodatne reakcje SN1 ani na SN2. Nale do nich 3o pochodne
cykliczne, np. 1-bromobicyklo[2,2,2]oktan, który jako 3o jest nieaktywny w reakcjach SN2, a
poniewa nie mo e utworzy p askiego karbokationu nie reaguje zgodnie z mechanizmem SN1:
Br
Br
Zdarza si jednak, e w reakcjach SN1 racemizacja nie jest ca kowita i dochodzi do cz ciowej
inwersji konfiguracji. Jest ona spowodowana atakiem odczynnika nukleofilowego zanim nast pi
ca kowite oddysocjowaniu anionu. Nukleofil w takim przypadku atakuje tworz cy si
karbokation z przeciwnej strony do odchodz cego anionu, podobnie jak w trakcie reakcji SN2.
Opuszczaj cy anion utrudnia nukleofilowi zbli enie si do karbokationu z tej samej strony. W
reakcji hydrolizy (R)-6-chloro-2,6-dimetylooktanu obserwuje si 20% inwersj konfiguracji.
25
C2H5
H3C
C OH
(CH2)3CH(CH3)2
40% (R)
C2H5
HOH
H3C
C Cl
+ HCl
(CH2)3CH(CH3)2 EtOH
C2H5
CH3
(R)-6-chloro-2,6-dimetylooktan
C
HO
(CH2)3CH(CH3)2
60% (S)
7,3-dimetylootan-3-ol
Rys. 3.7. Hydroliza (R)-6-chloro-2,6-dimetylooktanu prowadzi do produktu cz ciowo zracemizowanego. Etanol
atwia rozpuszczenie substratu
solwatowany -
para jonowa
Cl
karbokation
+ +
R R
R
H R' H R' H
HOH .. - .. ..
R'
..O
O.. Cl O..
C Cl C C
H
EtOH
H H
R''
R'' R''
R
R
R
R' R'
R'
C OH
C
C HO
HO +
R''
R''
R''
produkty: inwersji konfiguracji retencji konfiguracji
Wp yw rozpuszczalnika na reakcj SN1
Rozpuszczalnik ma du y wp yw na szybko reakcji SN1. Mo e on u atwia dysocjacj
halogenku alkilowego i stabilizowa karbokation. Wp ywa wi c na pierwszy etap reakcji, tj. stan
przej ciowy. Rozpuszczalniki polarne, przede wszystkim protyczne solwatuj c jony sprzyjaj
reakcjom SN1. Do tego typu rozpuszczalników nale alkohole, kwas mrówkowy i woda.
Najkorzystniejszym rozpuszczalnikiem dla SN1 jest woda, jednak wiele substratów organicznych
nie rozpuszcza si w niej.
Dodatek rozpuszczalników organicznych u atwia rozpuszczanie reagentów organicznych, ale
zwykle obni a szybko reakcji.
H
H
H H
..O..
O :
:
O
..
..
+
H
H
C
H
..
H ..
:
: O
O
.. ..
O H
H
H H
Rys. 3.8. Cz steczki polarnego rozpuszczalnika stabilizuj karboanion poprzez jego solwatacj
26
Wp yw grupy odchodz cej
Podobnie jak w reakcjach SN2 reaktywno substratu zale y od w ciwo ci grupy odchodz cej.
Podobny jest te szereg reaktywno ci, najbardziej aktywne s tosylany:
HOH H" Cl-< Br- < I- < < TosO-
Wp yw budowy substratu
Struktury reszty organicznej stabilizuj ce karbokation u atwiaj reakcje S 1. Wzrost rz dowo ci
N
karbokationu wp ywa na jego trwa , dlatego trzeciorz dowe pochodne naj atwiej ulegaj
reakcjom S 1, 2o trudniej, a 1o s w tego typu reakcjach nieaktywne. Na stabilizacj
N
karbokationu du y wp yw ma mezomeria, szczególnie obecno podwójnego wi zania w
po eniu ², tzw. uk ad allilowy. U atwienie reakcji SN1 obserwuje si nie tylko dla halogenków
allilowych (1o czy 2o), ale równie dla benzylowych.
H
+ +
C C
C
CH2 H2 H CH2
H2C
stabilizacja kationu allilowego
H H
H H
+
+
C C
C C
H H
H H
+
+
stabilizacja kationu benzylowego
Wi zania C-X w halogenkach allilowych i benzylowych s os abione w porównaniu do wi zania,
np. w halogenku etylu:
CH2-Cl
CH3CH2-Cl CH2=CH-Cl
energia wi zania 338 kJ/mol 289 kJ/mol 293 kJ/mol
C-X (kcal/mol) (81) (69) (70)
Obie grupy zwi zków s równie bardzo reaktywne w reakcjach biegn cych mechanizmem SN2,
tak wi c szybko reakcji substytucji nukleofilowej halogenków allilowych czy benzylowych jest
sum szybko ci obu reakcji  SN1 i SN2. To jest przyczyn wysokiej reaktywno ci tych
zwi zków.
Wp yw nukleofilu
Nukleofil ma niewielki wp yw na szybko reakcji SN1, poniewa nie bierze udzia u w
najwolniejszym etapie reakcji. Po utworzeniu karbokationu jego reakcja z nukleofilem biegnie
szybko i nie wp ywa na sumaryczn szybko reakcji. Halogenowodory (HCl, HBr lub HI)
reaguj z tak sam szybko ci z t-butanolem:
27
(CH3)3C-X + HOH
(CH3)3C-OH + HX
t-butanol halogenek t-butylu (X: Cl, Br lub I)
Porównanie reakcji biegn cych mechanizmem SN1 i SN2
Substratami reakcji S 1 s zwi zki organiczne tworz ce stabilne karbokationy, np. halogenki
N
3o, allilowe czy benzylowe;
Reakcj S 1 u atwiaj protyczne rozpuszczalniki polarne (solwatuj aniony i kationy);
N
Odczynniki nukleofilowe nie wp ywaj na szybko reakcji SN1;
Solwoliza halogenków alkilowych jest przyk adem reakcji biegn cej mechanizmem SN1. Nawet
je eli substratem nie jest 3o halogenek to st enie rozpuszczalnika u ytego w du ym nadmiarze
jest sta e w trakcie reakcji i jego wp yw na szybko reakcji zawiera si w sta ej szybko ci:
v = k[RX]
Substraty reakcji SN2 nie mog mie zawad sterycznych;
Szybko reakcji maleje wraz ze wzrostem rz dowo ci: CH3-X < RCH2-X << R2CH-X
Reakcj SN2 u atwiaj polarne rozpuszczalniki aprotyczne.
Podwy szenie st enia odczynnika nukleofilowego zwi ksza szybko reakcji;
Efekt grupy odchodz cej jest taki sam w obu reakcjach: R-OTos > R-I > R-Br > R-Cl >> R-F
28