1

RJC

Substytucja nukleofilowa S

Substytucja nukleofilowa S

N

N

2

2

Substytucja nukleofilowa S

Substytucja nukleofilowa S

N

N

2

2

Slides 1 to 28

Y

R

1

R

2

R

3

Nu

Y

R

1

R

2

R

3

Nu

Y

R

1

R

2

R

3

Nu





2

RJC

Substytucja nukleofilowa

Substytucja nukleofilowa

Nukleofil (Nu) zastępuje grupę

Nukleofil (Nu) zastępuje grupę

opuszczającą (Y) w cząsteczce

opuszczającą (Y) w cząsteczce

substratu.

substratu.

Nu

+

CH

3

Y

Nu

CH

3

+

Y

3

RJC

S

S

N

N

1 versus S

1 versus S

N

N

2

2

Istnieją dwa mechanizmy służące

Istnieją dwa mechanizmy służące

wyjaśnieniu przebiegu tych dwóch

wyjaśnieniu przebiegu tych dwóch

różnych reakcji;

różnych reakcji;

S

N

1

S

N

1

S

N

2

S

N

2

SUBSTYTUCJA

NUKLEOFILO

WA

1

go

rzędu

Nucleophilic

Substitution

2

go

rzędu

4

RJC

substrat

Zależy tylko od stężenia substratu,

Zależy tylko od stężenia substratu,

ponieważ określa on stan przejściowy

ponieważ określa on stan przejściowy

określający szybkość reakcj.

określający szybkość reakcj.

Nu

+

CH

3

Y

Nu

CH

3

+

Y

S

S

N

N

1 : Szbkość reakcji

1 : Szbkość reakcji

5

RJC

Substrat &

nukleofil

S

S

N

N

2 : Szybkość reakcji

2 : Szybkość reakcji

Zarówno nukleofil jak i substrat

Zarówno nukleofil jak i substrat

[Nu]

[Nu]

&

&

[substrate]

[substrate]

są włączone w stan

są włączone w stan

przejściowy, który określa szybkość

przejściowy, który określa szybkość

rakcji.

rakcji.

Nu

+

CH

3

Y

Nu

CH

3

+

Y

6

RJC

Mechanizm S

Mechanizm S

N

N

2

2

Reakcja przebiega w jednym etapie.

Reakcja przebiega w jednym etapie.

Nu + CH

3

Y

Nu

....

CH

3

....

Y

NuCH

3

+ Y

Energia

Przebieg reakcji

7

RJC

inwersja

inwersja

S

S

N

N

2 : Mechanizm &

2 : Mechanizm &

Stereochemia

Stereochemia

Y

R

1

R

2

R

3

Nu

Y

R

1

R

2

R

3

Nu

Y

R

1

R

2

R

3

Nu





8

RJC

S

S

N

N

2 : Profil energetyczny reakcji

2 : Profil energetyczny reakcji

Szybkość reakcji jest określona przez

Szybkość reakcji jest określona przez





G

G

‡

‡

Nu + CH

3

Y

Nu

....

CH

3

....

Y

NuCH

3

+ Y

Energia

Postęp reakcji

G

‡

9

RJC

Czynniki określające

Czynniki określające





G

G

‡

‡

Substrat

Nukleofil

Grupa opuszczająca

Rozpuszczalnik

10

RJC

Struktura substratu

Struktura substratu

Sterycznie zatłoczony substrat jest

Sterycznie zatłoczony substrat jest

mniej podatny na atak nukleofila.

mniej podatny na atak nukleofila.

Zmniejszająca się reaktywność S

N

2

Zmniejszająca się reaktywność S

N

2

CH

3

Br

CH

3

CH

2

Br

(CH

3

)

2

CH

Br

(CH

3

)

3

CCH

2

Br

(CH

3

)

3

C

Br

11

RJC

Na przykład ... bromometan

Na przykład ... bromometan

Reakcja S

Reakcja S

N

N

2 zachodzi bardzo szybko.

2 zachodzi bardzo szybko.

90°

Br

H

H

H

12

RJC

Na przykład ... bromoetan

Na przykład ... bromoetan

Reakcja S

Reakcja S

N

N

2 zachodzi szybko.

2 zachodzi szybko.

90°

Br

CH

3

H

H

13

RJC

Na przykład ... 2-bromopropan

Na przykład ... 2-bromopropan

Reakcja S

Reakcja S

N

N

2 zachodzi.

2 zachodzi.

90°

Br

CH

3

H

CH

3

14

RJC

Na przykład ...2,2-dimethyl-1-

Na przykład ...2,2-dimethyl-1-

bromopropane

bromopropane

Reakcja S

Reakcja S

N

N

2 zachodzi bardzo wolno.

2 zachodzi bardzo wolno.

90°

Br

C

H

H

CH

3

CH

3

CH

3

15

RJC

Na przykład ... 2-bromo-2-

Na przykład ... 2-bromo-2-

metylopropan

metylopropan

Reakcja S

Reakcja S

N

N

2 wcale nie zachodzi.

2 wcale nie zachodzi.

90°

Br

CH

3

CH

3

CH

3

16

RJC

Względne szybkości reakcji

Względne szybkości reakcji

bromometan

3,000,000

bromoetan

100,000

2-bromopropan

25,000

2,2-dimetylo-1-bromopropan

1

2-bromo-2-metylpropan

0

17

RJC

Nukleofil

Nukleofil

Istnieją nukleofile o zróżnicowanej

Istnieją nukleofile o zróżnicowanej

aktywności.

aktywności.

I

-

HO

-

NH

3

anion
jodkowy

anion
jodkowy

anion
hydroksylo
wy

anion
hydroksylo
wy

amoniak

amoniak

Malejąca nukleofilowość

Malejąca nukleofilowość

18

RJC

I

-

HO

-

NH

3

anion
jodkowy

anion
jodkowy

anion
hydroksylowy

anion
hydroksylowy

amoniak

amoniak

Malejąca zasadowość

Malejąca zasadowość

Nukleofilowość

Nukleofilowość

W przybliżeniu, szereg nukleofilowości

W przybliżeniu, szereg nukleofilowości

pokrywa się z szeregiem zasadowości.

pokrywa się z szeregiem zasadowości.

••

••

••

••

•

•

•

•

••

••

••

••

••

••

•

•

•

•

•

•

•

•

19

RJC

Popularne nukleofile

Popularne nukleofile

HS

-

125

HO

-

16

CN

-

125

Cl

-

1.0

I

-

100

NH

3

0.7

CH

3

O

-

25

H

2

O

0.001

Wz. reaktyw.

Nu

Nu

Wz. reak.

20

RJC

Grupa opuszczająca

Grupa opuszczająca

Grupa Y jest dobrą grupą odchodzącą,

Grupa Y jest dobrą grupą odchodzącą,

jeżeli jednocześnie jest słąbym

jeżeli jednocześnie jest słąbym

nukleofilem (słąbą zasadą ?).

nukleofilem (słąbą zasadą ?).

Nu

+ CH

3

Y

Nu

CH

3

+

Y

21

RJC

Najważniejsze grupy odchodzące

Najważniejsze grupy odchodzące

TsO

-

60

F

-

0.001

I

-

30

HO

-

0

Br

-

10

H

2

N

-

0

Cl

-

0.2

RO

-

0

Wz. Reak.

Y

Y

Wz. Reak.

22

RJC

Anion tosylanowy jest dobrą grupą

Anion tosylanowy jest dobrą grupą

odchodzącą

odchodzącą

Stabilizacja rezonansowa poprawia

Stabilizacja rezonansowa poprawia

zdolność grupy odchodzącej.

zdolność grupy odchodzącej.

Nu

-

+ R

OTs

Nu

R +

TsO

-

23

RJC

Wpływ rozpuszczalnika

Wpływ rozpuszczalnika

Nukleofile są to cząsteczki

Nukleofile są to cząsteczki

‘wzbogacone’ w elektrony i dlatego

‘wzbogacone’ w elektrony i dlatego

polarne rozpuszczalniki są potrzebne

polarne rozpuszczalniki są potrzebne

jako właściwe środowisko dla reakcji

jako właściwe środowisko dla reakcji

S

S

N

N

2.

2.

“...Podobne rozpuszcza

podobne...”

“...Podobne rozpuszcza

podobne...”

“Polarne rozpuszczają polarne ...”

“Polarne rozpuszczają polarne ...”

“Nie-polarne rozpuszczają nie-

polarne...”

“Nie-polarne rozpuszczają nie-

polarne...”

24

RJC

Solwatacja

Solwatacja

Rozpuszczalniki hydroksylowe solwatują

Rozpuszczalniki hydroksylowe solwatują

cząsteczkę nukleofila (Nu) i dlatego

cząsteczkę nukleofila (Nu) i dlatego

zmniejszają jej reaktywność.

zmniejszają jej reaktywność.

Nu

-

••

•

•

•

••

••

•

•

• •• •

25

RJC

Najlepszymi rozpuszczalnikami dla

Najlepszymi rozpuszczalnikami dla

reakcji S

reakcji S

N

N

2 są polarne rozpuszczalniki

2 są polarne rozpuszczalniki

aprotyczne;

aprotyczne;

Acetonitryl .... CH

3

CN

DMSO .......... (CH

3

)

2

SO

HMPA ....... [(CH

3

)

2

N]

3

PO

Polarne rozpuszczalniki

Polarne rozpuszczalniki

aprotyczne

aprotyczne

26

RJC

Na przykład ...

Na przykład ...

W HMPTA (czas reakcji 1 hr)

W HMPTA (czas reakcji 1 hr)

W CH

W CH

3

3

OH (czas reakcji 22.8 lat!)

OH (czas reakcji 22.8 lat!)

Na

N

3

+ CH

3

CH

3

CH

3

CH

2

Br

Na

Br

+ CH

3

CH

3

CH

3

CH

2

N

3

27

RJC

Podsumowanie

Podsumowanie

Substytucja nukleofilowa S

N

2

Inwersja konfiguracji

Diagram energetyczny reakcji S

N

2

Nukleofile, grupa opuszczająca,

zawada steryczna

Nukleofil i nukleofilowość

Anion tosylanowy

Rozpuszczalnik i solwatacja

Polarne rozpuszczalniki

aprotyczne

Substytucja nukleofilowa S

N

2

Inwersja konfiguracji

Diagram energetyczny reakcji S

N

2

Nukleofile, grupa opuszczająca,

zawada steryczna

Nukleofil i nukleofilowość

Anion tosylanowy

Rozpuszczalnik i solwatacja

Polarne rozpuszczalniki

aprotyczne