Halogenki alkilowe – substytucja nukleofilowa – grupa opuszczająca – kwasy i zasady

Kinetyka hydrolizy halogenków alkilowych w środowisku zasadowym zależy od rzędowości halogenku. Halogenki metylu i 1^o ulegają hydrolizie i reakcji z innymi nukleofilami (substytucji nukleofilowej) zwykle wg kinetyki drugiego rzędu, podczas gdy halogenki 3^o wchodzą w reakcję z tymi samymi odczynnikami zgodnie z kinetyką pierwszego rzędu.

CH₃–Br + OH^- → CH₃–OH + Br^-

Szybkość powyższej reakcji jest zależna od stężenia obu reagentów – V = k[CH₃Br]^.[ OH^- ]. Reakcje substytucji nukleofilowej, których szybkość jest zależna od stężenia obu reagentów (wymaga zderzeń dwóch cząsteczek) nazywana jest substytucją nukleofilową dwucząsteczkową i oznacza się ją symbolem S_N2.

W reakcji substytucji nukleofilowej halogenków alkilowych 3^o, np. ich hydrolizy szybkość reakcji jest zależna jedynie od stężenia halogenku alkilu i dla poniższej reakcji wyraża się wzorem: V = k[(CH₃)₃C–Br].

(CH₃)₃C–Br + OH^- → (CH₃) ₃C–OH + Br^-

Reakcje substytucji nukleofilowej, których szybkość jest zależna od stężenia jednego z reagentów (nie wymaga zderzeń dwóch cząsteczek) nazywana jest substytucją nukleofilową jednocząsteczkową i oznacza się ją symbolem S_N1.

Mechanizm S_N2

Reakcje substytucji nukleofilowej S_N2 zaczynają się od ataku nukleofila na atom węgla obdarzony ładunkiem dodatnim. Zbliżenie się nukleofila do takiego atomu węgla jest możliwe tylko z przeciwnej strony elektroujemnego atomu (grupy) związanego z tym atomem węgla – z tej samej strony nie może ze względów zarówno objętościowych jak i elektrostatycznych.

Ponadto nie każde zbliżanie się obu reagentów kończy się substytucją. Tylko w wyniku zderzenia się nukleofila z cząsteczką halogenku z odpowiednią energią i od właściwej strony umożliwia zapoczątkowanie reakcji poprzez utworzenie więzi pomiędzy nukleofilem a atomem węgla obdarzonym ładunkiem δ⁺, równoczesnie następuje przy tym rozluźnienie wiązania C–Br; na rysunku oba te wiązanie – tworzone i rozrywane – zobrazowane są przerywaną, niebieską linią. Tworzy się stan przejściowy, w którym atom węgla staje się pięciowiązalny, a podstawniki przy nim (R, R’ i R’’) zostają zagęszczone w jednej płaszczyźnie.

Stan przejściowy (nie produkt pośredni) jest bardzo nietrwały, wobec czego szybko przekształca się w trwały produkt poprzez odszczepienie anionu bromkowego (jeżeli Br^- jest łatwiej odchodząca grupą niż nukleofil) lub wraca do stanu poprzedniego (porównaj względną reaktywność grup odchodzących w reakcjach S_N).

Mechanizm S_N1

Szybkość reakcji typu S_N1 nie zależy od stężenia odczynnika nukleofilowego, reakcja biegnie zatem zgodnie z kinetyką pierwszego rzędu:

V = k^.[RX]

Przykładem takiej reakcji jest hydroliza bromku t-butylu w wodzie:

(CH₃)₃C-Br + HOH → (CH₃)₃C-OH + HBr

Halogenki alkilowe – substytucja nukleofilowa S_N1 - mechanizm

Różnice w kinetyce reakcji hydrolizy bromku n-butylu i t-butylu wynikają z odmiennego mechanizmu obu reakcji. Jak wiadomo halogenki t-butylowe z uwagi na dużą objętość 3^o grupy alkilowej są odporne na atak nukleofilowy (reakcję typu S_N2), natomiast znacznie łatwiej niż halogenki 1^o ulegają dysocjacji z utworzeniem karbokationu. W momencie pojawienia się karbokationu, ulega on w reakcji z cząsteczką wody szybko przekształceniu w alkohol.

- Br^- HOH

(CH₃)₃C-Br → (CH₃)₃C⁺ → (CH₃)₃C-OH + H⁺

wolno szybko

Karbokationy 3^o są trwalsze niż 2^o, a te z kolei przewyższają trwałością kationy 1^o. Z tego powodu karbokationy 3^o tworzą się najłatwiej. Halogenki 1^o nie ulegają reakcjom S_N1, ponieważ trudno dysocjują na karbokation i jon halogenkowy, a pochodne 2^o reagują mechanizmem mieszanym, częściowo S_N1 i częściowo S_N2.

Warto zdawać sobie sprawę z tego, że dysocjacja wiązania C−X, nawet dla halogenków 3^o jest procesem wolnym, ponieważ oderwanie jonu halogenkowego wymaga dużej energii aktywacji (Rys. 3.6), zatem w reakcjach S_N1 stanowi najwolniejszy etap reakcji – on decyduje o szybkości całej reakcji! Ten fakt nie oznacza, że reakcje S_N1 są wolne, mogą być szybsze niż S_N2.

Mechanizm reakcji hydrolizy bromku t-butylu jest następujący:

Wpływ rozpuszczalnika na reakcję S_N1

Rozpuszczalnik ma duży wpływ na szybkość reakcji S_N1. Może on ułatwiać dysocjację halogenku alkilowego i stabilizować karbokation. Wpływa więc na pierwszy etap reakcji, tj. stan przejściowy. Rozpuszczalniki polarne, przede wszystkim protyczne solwatując jony sprzyjają reakcjom S_N1. Do tego typu rozpuszczalników należą alkohole, kwas mrówkowy i woda. Najkorzystniejszym rozpuszczalnikiem dla S_N1 jest woda, jednak wiele substratów organicznych nie rozpuszcza się w niej.

Dodatek rozpuszczalników organicznych ułatwia rozpuszczanie reagentów organicznych, ale zwykle obniża szybkość reakcji.

Porównanie reakcji biegnących mechanizmem S_N1 i S_N2

Substratami reakcji S_N1 są związki organiczne tworzące stabilne karbokationy, np. halogenki 3^o, allilowe czy benzylowe;

Reakcję S_N1 ułatwiają polarne rozpuszczalniki protyczne (solwatują aniony i kationy);

Odczynniki nukleofilowe nie wpływają na szybkość reakcji S_N1;

Solwoliza halogenków alkilowych jest przykładem reakcji biegnącej wg kinetyki S_N1. Nawet jeżeli substratem nie jest halogenek 3^o to stężenie rozpuszczalnika użytego w dużym nadmiarze jest w trakcie reakcji stałe i jego wpływ na szybkość reakcji zawiera się w stałej szybkości:

v = k[RX]

Szybkość reakcji maleje wraz ze wzrostem rzędowości: CH₃-X < RCH₂-X << R₂CH-X

Substraty reakcji S_N2 nie mogą mieć zawad sterycznych;

Reakcję S_N2 ułatwiają polarne rozpuszczalniki aprotyczne, a podwyższenie stężenia odczynnika nukleofilowego zwiększa szybkość reakcji;

Efekt grupy odchodzącej jest taki sam w obu reakcjach: R-OTos > R-I > R-Br > R-Cl >> R-F

Wpływ rozpuszczalnika na reakcję S_N2

Środowisko, najczęściej rozpuszczalnik, ma ogromny wpływ na większość reakcji, również na reakcję S_N2. Reakcję utrudniają rozpuszczalniki protyczne, czyli takie, które posiadają ruchliwe protony, np. woda, alkohole czy aminy. Solwatują (osłaniają) one cząsteczki nukleofila, utrudniając mu tym samym zbliżenie się miejsca reaktywnego w cząsteczce R-X.

Nukleofil solwatowany przez cząsteczki protycznego rozpuszczalnika jest nie tylko mniej aktywny, ale i większy, przez co trudniej mu podejść do drugiego reagenta. Z tego samego powodu nukleofile o większych rozmiarach (w parach HS^- i HO^- lub Br^- i F^-) są aktywniejsze w reakcjach S_N2, ponieważ im mniejszy promień jonu tym silniej jest on solwatowany przez cząsteczki protycznego rozpuszczalnika.

Natomiast polarne rozpuszczalniki aprotyczne ułatwiają reakcje S_N2 zwiększając jego aktywność, ponieważ solwatują one kation, a nie anion (nukleofil), przez co taki „nagi” anion jest bardziej ruchliwy (aktywny), ma mniejsze rozmiary, czyli łatwiej mu dostać się do miejsca reaktywnego cząsteczki organicznej.

Rys. 3.4. Cząsteczki aprotycznego rozpuszczalnika polarnego

solwatują kation przez co „nagi” nukleofil (towarzyszący anion)

jest bardziej reaktywny

Do rozpuszczalników aprotycznych należą: acetonitryl (CH₃CN), dimetyloformamid [(CH₃)₂NCHO, DMF], sulfotlenek dimetylu [(CH₃)₂SO, DMSO] czy heksametylofosforotriamid {[(CH₃)₂N]₃PO, HMPA}. Ten ostatni okazał się być kancerogenny i teratogenny, więc należy go stosować z odpowiednią ostrożnością. Wysoka polarność rozpuszczalników jest potrzebna do rozpuszczenia polarnych reagentów.

Z poniższego diagramu widać jak zwiększa się szybkość reakcji S_N2 w aprotycznych rozpuszczalnikach polarnych na przykładzie reakcji.

rozpuszczalnik

n-Bu−Br + N₃^- → n-BuN₃ + Br^-

rozpuszczalnik: CH₃OH HOH DMSO DMF CH₃CN HMPA

względna reaktywność 1 7 1300 2800 5000 2^.10⁵