3. REAKCJE SUBSTYTUCJI
A. Kołodziejczyk 2007. 12.
W reakcji metanu z chlorem w obecności światła lub w podwyższonej temperaturze tworzą się
produkty, w których atom (atomy) wodoru zostają zastąpione przez atom (atomy) chloru.
Powstają chloroalkany i wydziela się przy tym chlorowodór:
Cl2/h½ lub "
CH4 CH3Cl + CH2Cl2 + CHCl3 + CCl4 + HCl
nadmiar
Sądząc po liczbie produktów reakcja jest skomplikowana. Pojawiają się pytania dlaczego
powstaje mieszanina produktów, z ilu etapów składa się reakcja i jaka jest kolejność przemian
prowadzących od substratów do produktów. Jakie znaczenie dla tej reakcji ma światło lub ciepło?
Pytania te dotyczÄ… mechanizmu reakcji. Odpowiedz
na nie otrzymuje siÄ™ na podstawie
kojarzenia wniosków wynikających z obserwacji eksperymentów. Poznanie mechanizmów
reakcji ułatwia zrozumienie chemii organicznej.
Badając reakcję chlorowania metanu można zauważyć, że:
- metan i chlor nie reagują z sobą w ciemności;
- do reakcji w ciemności dochodzi, ale po ogrzaniu reagentów powyżej 250oC;
- reakcja biegnie również w temperaturze pokojowej pod wpływem światła UV;
- obecność nawet małej ilości tlenu zmniejsza na chwilę szybkość reakcji,
jednak po pewnym czasie wraca do poprzedniej szybkości;
- czas spowolnienia szybkości reakcji (okres inhibicji) zależy od ilości dodanego tlenu.
Obserwacje te ułatwiają zaproponowanie mechanizmu reakcji, a przyjęty mechanizm nie może
być w sprzeczności z żadną z cech reakcji.
Zarówno inicjowanie reakcji przez światło lub podwyższoną temperaturę oraz inhibitujące
działanie tlenu sugerują, że jest to reakcja rodnikowa. Zaczyna się ona od homolitycznego
rozpadu wiązania w jednym z reagentów:
h½
A B A. + B.
lub "
W wyniku homolizy dochodzi do rozpadu wiązania, w wyniku którego powstają fragmenty
(atomy lub grupy atomów) zawierające niesparowany elektron. Takie fragmenty nazywane są
rodnikami. Jeżeli niesparowany elektron przypisany jest do atomu węgla to mamy do czynienia z
karborodnikiem.
Znana jest również heteroliza, czyli taki rozpad wiązania, w wyniku którego para elektronów
tworząca wiązanie pozostaje przy jednym z fragmentów. Ten fragment nosi nazwę anionu (jest
obdarzony Å‚adunkiem ujemnym), a drugi fragment z Å‚adunkiem dodatnim nazywany jest
kationem.
A B A+ + :B-
Fragmenty heterolizy, w których ładunki znajdują się przy atomach węgla nazywane są
odpowiednio karboanionem i karbokationem.
1
Każde wiązanie ma określoną specyficzną siłę i do jego zerwania potrzebna jest energia. Im
większa energia wiązania, tym większej potrzeba energii do jego rozerwania. Minimalna
energia potrzebna do rozerwania wiązania nazywa się energią dysocjacji. Może ona być
dostarczona w postaci ciepła (odpowiednio wysokiej temperatury reakcji), promieniowania (np.
UV) lub w inny sposób.
energia
A B A. + B.
dysocjacji
Energia dysocjacji (homolizy) wybranych wiÄ…zaÅ„ A-B çÅ‚ A. + B. Tabela 3.1.
wiÄ…zanie wiÄ…zanie wiÄ…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 H2C=CH-H CH3H2C-CH3
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 H2C=CHH2C-Cl H2C=CH-H
58 46 36
Cl-Cl Br-Br I-I
130 125 74
NC-H HCC-H H2C=CHH2C-CH3
H
C H
112 85 O 86
H2
CH3C H
OH
CH3
CH2 CH3
72 102 112
Cl Br
CH2 Cl
70 97 82
104 98 95
H3C-H Et-H i-Pr-H
84 81 80
H3C-Cl Et-Cl i-Pr-Cl
70 68 68
H3C-Br Et-Br i-Pr-Br
56 53 91
H3C-I Et-I t-Bu-H
91 91 79
H3C-OH Et-OH t-Bu-Cl
80 65
H3C-NH2 t-Bu-Br
103 119 51
H2N-H HO-H HO-OH
102 88 103
H3CO-H H3CS-H EtO-H
81 O 77
H3CH2CO-CH3
CH3C CH3
Mechanizm reakcji rodnikowych
Reakcje rodnikowe zaczynają się od utworzenia rodnika. Rodniki powstają najczęściej pod
wpływem
podwyższonej temperatury, światła lub substancji rodnikotwórczych, np. nadtlenków.
W obecności tych czynników najsłabsze wiązanie w jednym z reagentów ulega homolizie i
tworzą się rodniki. Ten etap reakcji nazywa się inicjacją (rozpoczęciem). W reakcji chloru z
metanem najsłabszym wiązaniem jest wiązanie Cl-Cl (58 kcal/mol), podczas gdy C- H w
metanie wynosi 104 kcal/mol.
2
Powstające rodniki chloru reagują z drugim z substratów generując rodniki metylowe oraz
chlorowodór. Rodniki metylowe łatwo reagują z chlorem tworząc chlorek metylu i kolejny rodnik
chlorkowy.
propagacja terminacja
inicjacja
h½
Cl2 lub " 2 Cl. Cl. + CH4 .
CH3 + HCl rodnik metylowy Cl. +
Cl. Cl2
. .
.
+ ClCH3 chlorek metylu CH3 + CH3 H3CCH3
Cl2 + Cl.
CH3 etan
Cl. + CH4 .CH3 + HCl
Cl. .CH3
+ ClCH3 chlorek metylu
.
Cl2 +
CH3 Cl. + ClCH3 itd
Rodnik chlorkowy może wejść w reakcję z następną cząsteczką metanu i tak krok po kroku w
łańcuchu przemian tworzy się wiele cząsteczek chlorku metylu. Ten etap reakcji nazywa się
propagacją (rozwijaniem reakcji), a cała reakcja określana jest łańcuchową, ponieważ z jednego
rodnika wytworzonego na początku w etapie inicjacji powstaje łańcuch cząsteczek CH3Cl.
Takich pojedynczych łańcuchów w każdej reakcji jest wiele. Każdy łańcuch może rozwijać się
aż do wyczerpania substratów lub zostaje przerwany na skutek zderzenia dwóch rodników,
albo też przez wytracenie energii, np. poprzez zderzenie rodnika ze ścianką naczynia. Etap
zakończenia łańcucha nazywany jest terminacją. Inne łańcuchy mogą być rozwijane dalej, są
również inicjowane inne łańcuchy.
Reakcja nie zatrzymuje się na etapie monochlorowania. W miarę wzrostu stężenia CH3Cl
również ten związek staje się konkurencyjnym substratem w wychwytywaniu rodników
chlorkowych i następuje wymiana atomu wodoru na chlor. W ten sposób tworzy się chlorek
metylenu (CH2Cl2), który z kolei po dalszym chlorowaniu ulega przekształceniu w chloroform
(CHCl3), a następnie powstaje tetrachlorek węgla. Tak więc produktem chlorowania metanu jest
mieszanina chlorometanów, o różnym stopniu wysycenia chlorem, zależnym przede wszystkim
od nadmiaru jednego z reagentów:
Cl2 Cl2
Cl2 Cl2
CH4
ClCH3 Cl2CH2 h½ lub " CHCl3 h½ lub " CCl4
h½ lub "
h½ lub "
metan chlorek metylu chlorek metylenu chloroform tetrachlorek węgla
Nadmiar użytego w reakcji metanu zapewnia dużą wydajność chlorku metylu, a nadmiar chloru
prowadzi do tetrachlorku węgla. W reakcji, w której użyto 1 mol chloru na 1 mol metanu
powstaje mieszanina składająca się z 37% CH3Cl, 41% CH2Cl2, 19% CHCl3 i 3% CCl4.
Chloroform otrzymuje siÄ™ w reakcji haloformowania acetonu.
Reakcja halogenowania alkanów jest silnie egzotermiczna  na każdym etapie wydziela się po
około 100 kJ/mol. Bez odprowadzania ciepła może dojść do przegrzania, prowadzącego do
gwałtownego przebiegu reakcji z wydzieleniem węgla:
CH4 + 2 Cl2 çÅ‚ C + 4 HCl
Podczas chlorowania etanu tworzy się mieszanina zawierająca głównie 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
3
Taki przebieg reakcji spowodowany jest osłabieniem wiązania C-H po przyłączeniu atomu
chloru.
W propanie atomy wodoru są nierównocenne z powodu różnicy energii wiązania C-H, dla
atomów wodorów 1o wynosi ona 98 kcal/mol, podczas gdy dla 2o 95 kcal/mol. Ta niewielka
zdawałoby się różnica znacząco zwiększa szybkość wymiany atomu H 2o na atom Cl. Podczas
chlorowania propanu 1-chloropropan powstaje z mniejszą wydajnością niż 2-chloropropan,
pomimo tego, że stężenie atomów wodoru 1o jest 3 razy większe (6 atomów H 1o i 2 atomy 2o.
Cl
Cl2
CH3CH2CH3
CH3CH2CH2Cl + CH3CHCH3 + HCl
h½
propan 1-chloropropan (45%) 2-chloropropan (55%)
Podobnie wygląda chlorowanie butanu; wydajność 2-chlorobutanu jest jeszcze większa
ponieważ udział drugorzędowych atomów wodoru jest większy niż w propanie:
Cl Cl
Cl2
CH3(CH2)2CH3 h½
CH3CH2CH2CH2 + CH3CHCH2CH3 + HCl
n-butan 1-chlorobutan (28%) 2-chlorobutan (72%)
Różnica reaktywności atomów H 1o i 3o jest jeszcze większa ("Ho odpowiednio 98 i 91 kcal/mol)
i dlatego w mieszaninie produktów monochlorowania tert-butylu jest aż 36% 2-chloro-2-
metylopropanu, pomimo 9-krotnej przewagi 1o atomów wodoru w substracie:
CH3 CH3
CH2
Cl
Cl2
CH3CHCH3 h½
+ CH3CCH3 + HCl
CH3CHCH3
tert-butan
1-chloro-2-metylopropan Cl 2-chloro-2-metylopropan
(chlorek izobutylu) (64%) (chlorek tert-butylu) (36%)
Brom jest znacznie mniej reaktywny niż chlor, dlatego też bromowanie alkanów biegnie z
mniejsza szybkością, a przez to z większą selektywnością niż chlorowanie:
Br
Br2
CH3CH2CH2Br + CH3CHCH3 + HBr
CH3CH2CH3
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
CH2
Br CH3
Br2
CH3CHCH3
CH3CCH3
CH3CHCH3 + + HBr
h½
tert-butan
1-bromo-2-metylopropan 2-bromo-2-metylopropan
Br
(bromek izobutylu) (bromek tert-butylu)
(0,1%)
(99,9%)
Jak wynika z zamieszczonych poniżej wykresów zmiany energii w reakcjach chlorowania i
bromowania metanu, reakcja bromowania wymaga znacznie większej energii aktywacji, a więc
będzie wolniejsza niż chlorowanie w tej samej temperaturze. Z tego powodu reakcja staje
selektywniejsza, gdyż rodniki bromu będą statystycznie częściej wybierać najbardziej reaktywne
miejsca, czyli w wzrastającej kolejności aktywności atomy wodoru przy atomach węgla 1o, 2o i
3o.
4
Zmiany energii w procesie halogenowania metanu Wykres 3.1.
chlorowanie bromowanie
Rodnik chloru potrzebuje niewielkiej energii aktywacji do wyrwania atomu wodoru z czÄ…steczki
węglowodoru, żeby utworzyć rodnik alkilowy; w przypadku metanu jest to jedynie 4 kcal/mol.
Natomiast energia aktywacji metanu do reakcji z rodnikiem bromu i utworzenie takiego samego
rodnika metylowego jest kilkakrotnie większa, wynosi bowiem 18 kcal/mol. W reakcjach z
węglowodorami, w których znajdują się atomy wodoru różnej rzędowości rodnik chloru
obdarzony wysoką energią może oderwać prawie równie łatwo atom wodoru 1o czy 2o, natomiast
.
dla mniej aktywnego rodnika Br znacznie łatwiejsze jest oderwanie atom wodoru o wyższej
rzędowości.
Z rzędowością rodników związana jest także ich trwałość: wraz ze wzrostem rzędowości
rodników rośnie ich trwałość. Prawie wszystkie rodniki obdarzone są wysoką energią, a przez
to są bardzo reaktywne. Jednak reszty alkilowe związane z atomem węgla posiadającym
niesparowany elektron stabilizują go poprzez rozłożenie tej energii w przestrzeni. Im więcej reszt
alkilowych związanych z rodnikowym atomem węgla (wyższa jego rzędowość) tym rodnik jest
stabilniejszy.
Względna trwałość rodników węglowych: R3C. > R2HC. > RH2C. > H3C.
Szybkość wymiany wodoru na halogen w reakcjach substytucji rodnikowej zależy od trwałości
tworzącego się przejściowo rodnika alkilowego. Im trwalszy rodnik, tym szybciej (łatwiej) się
tworzy, po czym może ulegać dalszym przemianom. Z wykresu 2. widać, że rodnik izopropylowy
(2o) będzie się tworzył trudniej (wolniej) niż 3o tert-butylowy, ponieważ do jego utworzenia
potrzebna jest większa energia aktywacji.
Energia przemian bromowania propanu i tert-butanu Wykres 3.2.
Halogenowanie cykloalkanów
Cyklopropan w reakcji z chlorem także tworzy rodnik cyklopropylowy, który łatwo przekształca
siÄ™ w znacznie trwalszy (stabilizowany mezomerycznie) rodnik allilowy, a ten w dalszej reakcji z
5
chlorem zostaje przechodzi w chlorek 1-propylu. Równocześnie, chociaż z mniejszą wydajnością
rodnik cyklopropylowy tworzy z chlorem chlorek cyklopropylu:
H
rodnik
H
H
Cl2
H
H H
cyklopropylowy
chlorocyklopropan
H
Cl
H H
+ Cl2
H H
H H
.
H H
H
.
.CH2-CH=CH2
CH2=CH-CH2
rodnik
allilowy
Cl2
(3-chloroprop-1-en) chlorek allilu Cl-CH2-CH=CH2
Cyklopropan jest pod wpływem bromu w obecności AlBr3 przekształcany w 1,3-dibromopropan,
a katalityczne wodorowanie zarówno cyklopropanu, jak i cyklobutanu prowadzi do rozerwania
pierścieni i utworzenia odpowiednich alkanów:
H
AlBr3
H H2/Ni
+ Br2 BrCH2CH2CH2Br
H
H
CH3CH2CH2CH3
200oC
H H 1,3-dibromopropan
H2/Ni
80oC
cyklobutan n-butan
n-propan
CH3CH2CH3
Wyższe cykloalkany reagują z halogenami podobnie jak alkany  ulegają halogenowaniu w
reakcji substytucji rodnikowej:
Cl2 Br2 Br
Cl
h½ lub " h½ lub "
cyklopentan chlorocyklopentan cykloheksan bromocykloheksan
(nadmiar) (nadmiar)
Mogą się tworzyć polihalogenoalkany. Nadmiar węglowodorów zmniejsza ich wydajność.
Alkilocykloalkany tworzÄ… z halogenami mieszaninÄ™ izomerycznych monopochodnych:
CH3
CH3 CH3
CH3 CH2Cl
Cl2 Cl Cl
+
+
+
h½ lub "
- HCl Cl
metylocyklopentan chlorometylocyklopentan
1-chloro-2-metylocyklopentan
1-chloro-1-metylocyklopentan 1-chloro-3-metylocyklopentan
izomery cis i trans izomery cis i trans
I Z O M E R I A
Izomerami nazywane są związki chemiczne posiadające taki sam wzór sumaryczny, różniące się
jednak konstytucją (budową, tj. rozmieszczeniem atomów i wiązań w cząsteczce) lub
ułożeniem atomów w przestrzeni.
Rozróżniane są izomery konstytucyjne i stereoizomery.
6
I Z O M E R Y
zwiÄ…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
różnią się
rodzajem wiązań i
mają się do stereoizomery, które
rozmieszczeniem
siebie jak odbicia nie sÄ… odbiciami
atomów w
lustrzane lustrzanymi
czÄ…steczce
Izomery konstytucyjne
Różnica w konstytucji cząsteczki (jej budowie) wynikająca z innej kolejności atomów ją
tworzącą czy innych (inaczej rozmieszczonych wiązań) jest przyczyną istnienia izomerów
konstytucyjnych. Przykładem może być prosty (normalny) i rozgałęziony łańcuch węglowy lub
usytuowanie wiązań wielokrotnych.
Istnieją trzy izomery pentanu, wszystkie mają ten sam wzór sumaryczny C5H12:
CH3
CH3(CH2)3CH3 CH3CHCH2CH3
CH3CCH3
pentan (n-pentan)
CH3 2-metylobutan (izopentan) CH3 2,2-dimetylopropan (neopentan)
Węglowodór o wzorze sumarycznym C5H10 może być cyklicznym węglowodorem nasyconym:
cyklopentanem, metylocyklobutanem lub dimetylocyklopropanem (we wzorach kreska oznacza
grupÄ™ metylowÄ…).
cyklopentan dimetylocyklopropan
metylocyklobutan
Może być również jednym z wielu izomerów alkenów (węglowodorów zawierających 1
podwójne wiązanie C=C):
pent-1-en 2-metylobut-1-en 2-metylobut-2-en pent-2-en 3-metylobut-1-en
Równie dobrze znane są izomery konstytucyjne chlorowcopochodnych, alkoholi i innych
związków.
Zadanie: Narysuj i nazwij izomery zwiÄ…zku o wzorze sumarycznym C6H13Br.
Stereoizomery
Tego typu izomery mają nie tylko taki sam wzór sumaryczny, ale również identyczną
konstytucję, czyli rozmieszczenie atomów i wiązań w cząsteczce, różnią się natomiast
przestrzennym (sterycznym) ułożeniem atomów. Różnice w przestrzennym ułożeniu atomów
występują w cząsteczkach zawierających cztery różne podstawniki przy tym samym atomie (np.
atomie węgla) lub w innych przypadkach, kiedy cząsteczka pozbawiona jest niektórych
elementów symetrii.
7
1-bromo-1-chloroetan ma cztery różne podstawniki przy C1 (brom, chlor, metyl i wodór)
dlatego może występować w postaci dwóch streoizomerów, które w typowych warunkach mają
identyczne właściwości fizyczne (np. tw., tt. czy gęstość), takie same właściwości chemiczne
(reaktywność), identyczną wartość bezwzględną skręcalności właściwej [ą], ale o przeciwnych
znakach, różnią się również reaktywnością w stosunku do innych stereoizomerów.
stereoizomery
Br
Br
C
C
H
H
Cl Cl
1-bromo-1-chloroetanu
H3C
CH3
Stereoizomeria jest ważną częścią chemii organicznej ponieważ wiele związków biologicznie
czynnych jest stereoizomerami. Właściwości biologiczne stereoizomerów mogą być różne,
ponieważ w organizmie oddziałują z innymi stereoizomerami. Stereoizomerami są cukry,
niektóre alkohole, aminy, większość aminokwasów oraz tworzone z nich peptydy czy białka.
Ciała czynne żywego organizmu (enzymy, hormony, receptory) są zbudowane z białek, a więc
jako stereoizomery inaczej będą reagować ze stereoizomerycznymi substratami. Z tego powodu
odczuwamy inny smak dwóch różnych stereoizomerów tego samego aminokwasu (reakcja z
białkowymi kubkami smakowymi), inaczej też będą oddziaływać na organizm stereoizomeryczne
substancje lecznicze.
Dramatycznym przykładem takich różnic jest tragedia spowodowana thalidomidem, lekiem
uspakajającym i przeciwbólowym wprowadzonym do użytku w II połowie XX w. Kobiety
ciężarne przyjmujące ten lek rodziły dzieci bez kończyn lub z kończynami bardzo
zdeformowanymi. Lek okazał się czynnikiem teratogennym. Badania wykazały, że był on
mieszaniną dwóch stereoizomerów, przy jeden z nich wykazywał oczekiwane właściwości
lecznicze a drugi, niespodziewany w otrzymywanym produkcie był teratogenem.
OH
OH
N
N O O
*
*
N
N
O O
O
O
H
H
(S)-(-)-thalidomid (R)-(+)-thalidomid
teratogen lek
Do syntezy użyto właściwego substratu, a podczas badań klinicznych i przedklinicznych nie
stwierdzono żadnych niepożądanych działań preparatu. Skąd się więc wziął drugi izomer w
preparacie leczniczym? Otóż drugi stereoizomer pojawił się w znaczących ilościach dopiero
podczas produkcji leku na dużą skalę. Większa skala wymagała przedłużenia czasu reakcji, co
spowodowało, że drugi izomer tworzący się w wyniku tzw. racemizacji pojawił się w większym
stężeniu. W tym czasie nikt nie znał zależności stopnia racemizacji od czasu reakcji i nie
spodziewano się takich komplikacji w wyniku zwiększenia skali syntezy.
Właściwa konfiguracja substratów ma istotne znaczenie w reakcjach biochemicznych,
ponieważ hormony, enzymy i inne ciała czynne są stereoizomerami, i tylko odpowiednia
konfiguracja substratów zapewnia powodzenie przemian. Substraty o innej konfiguracji nie
będą brały udziału w reakcji, lub co gorsze mogą wywołać niepożądane, szkodliwe
działanie. Prostą ilustracją wymaganej konfiguracji (kształtu) cząsteczek jest zabawka dla
małych dzieci, której elementy o różnych kształtach (kule, sześciany, ostrosłupy itp.) należy
8
włożyć do pojemnika przez specjalne otwory (Rys. 3.1). Tylko te przedmioty uda się włożyć do
pojemnika, które pasują kształtem do otworu. Podobnie, tylko ten związek będzie substratem
enzymu, którego kształty pasują do rozmieszczonych odpowiednio miejsc reaktywnych enzymu.
Rys. 3.1 Do reakcji pomiędzy receptorem, a substancją aktywną dochodzi w przypadku zgodności sterycznej
Sposoby rozróżniania stereoizomerów
Związki organiczne, w których atom węgla związany jest z dwoma (lub więcej) takimi samymi
podstawnikami (atomami lub grupami atomów) będą identyczne po każdorazowej zamianie
podstawników w przestrzeni.
Ich odbicia lustrzane są też identycznymi związkami
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 węgla (lub inny) jest związany z czteroma różnymi
podstawnikami, każda 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
Powyższe dwa stereoizomery (odbicia lustrzane) nie da się nałożyć na siebie, tzn. tak żeby
jedna cząsteczka miała pod sobą te same podstawniki drugiej cząsteczki.
W życiu spotykamy się nie tylko ze stereoizomerycznymi substancjami, ale również z
przedmiotami o podobnych właściwościach. Dwa buty czy dwie rękawiczki tej samej pary też
nie można nałożyć na siebie (nie da się też nałożyć lewej rękawicy na prawą rękę). Podobnie jest
ze stopami i dłońmi. Właśnie od greckiej nazwy dłoni  cheir pochodzi nazwa tego typu
przedmiotów i związków chemicznych  chiralne.
9
Rys. 3.2. Ręce są  chiralne ; nie można nałożyć na siebie lewej i prawej ręki (czy też ich odbić lustrzanych)
Stereoizomery, które są do siebie jak odbicia lustrzane nazywane są enancjomerami. (R)-1-
bromo-1-chloroetan i (S)-1-bromo-1-chloroetan są enancjomerami. Enancjomery należą do
stereoizomerów.
Atom węgla związany z czteroma różnymi podstawnikami jest nie tylko atomem chiralnym, ale
również centrum chiralnym, jako że dzięki niemu cząsteczka nabiera właściwości związanych z
chiralnością. Litery (R) i (L) pisane w nawiasach, kursywą to jeden ze sposobów różnicowania
enancjomerów na piśmie. Określają one konfigurację absolutną enancjomerów. Ustala się ją w
oparciu o reguły pierwszeństwa wg Cahna, Ingolda i Preloga.
Reguły pierwszeństwa wg Cahna, Ingolda i Preloga
1. W celu przypisania centrum chiralnemu odpowiedniej konfiguracji (literek R lub S) należy
podstawniki uszeregować wg ważności (starszeństwa), tj wg wartości liczby atomowej atomu
związanego z chiralnym atomem węgla od 1 (dla atomu o najwyższej liczbie atomowej) poprzez
2 i 3 do 4 (dla atomu o najniższej liczbie atomowej). Jeżeli atomy są izotopami tego samego
pierwiastka o kolejności decyduje liczba masowa.
1
1
Br Cl
4
*
4 *
C C
H Cl 2
H T2
H3C3 D
3
2. Jeżeli atomy związane z centrum chiralnym są takie same o ważności podstawników decydują
atomy z drugiego szeregu, ewentualnie trzeciego lub dalszych; tak żeby można było wyznaczyć
starszeństwo  dla różnych podstawników musi ono zaistnieć.
Przykład:
4
4
H3C
H3C H
H
3
CH3-CH-C*
-CHCl-CH3
CH3-CH-C*
-CH2-CH3
2
3
2
1
Cl 2,3-dichloro-4-metylopentan
1 3-chloro-2-metylopentan
Cl
Powyższym pochodnym pentanu łatwo przypisać starszeństwo atomom wodoru i chloru,
odpowiednio 1 i 4. Natomiast pozycje pozostałych podstawników (etylu i izopropylu) zależą od
tego jakie i ile jest atomów w drugim rzędzie. W 3-chloro-2-metylopentanie izopropyl ma 2
atomy C i dlatego otrzymuje drugą pozycję (2) przed etylem (3), który w drugim szeregu ma
tylko jeden atom węgla. Natomiast w przypadku drugiego związku kolejność na drugiej i trzeciej
pozycji ulega odwróceniu ponieważ w grupie etylowej w drugim rzędzie atomów w odniesieniu
do centrum chiralnego znajduje się chlor. Jeden atom o większej liczbie atomowej jest
ważniejszy od dwóch, a nawet trzech atomów o mniejszych liczbach atomowych.
3. W związkach zawierających wiązania wielokrotne oba atomy powiązane w ten sposób liczy
się odpowiednio podwójnie lub potrójnie:
10
N
C
jest równoważne z C N
jest równoważne z C O C N
C O
C
N
O C
Przykłady:
pierwszeństwo podstawników
H
H
H
H
2 C O C OH H
równoważne C O
OH O
C
H
aldehyd glicerynowy 4 H OH O C
C*
1
3 4
1 2
3
CH2OH
pierwszeństwo podstawników
Br
1
H
2 H H H
H
H-C-CH=CH2
4
C
CH2 C C C C H H
Br C
3-bromo-4-metylo-pent-1-en
3CH
H
H3C
H
C
4
H3C CH3 3
1 2
Po ustaleniu pierwszeństwa podstawników ustawia się cząsteczkę w ten sposób, żeby najmłodszy
podstawnik (oznaczony liczbą 4) znalazł się najdalej od obserwatora. Bardzo często tym
podstawnikiem jest atom wodoru. Następnie zakreślamy krąg od podstawnika najstarszego 1 do
trzeciego 3 poprzez podstawnik 2; podstawnik 4 jest ignorowany. Jeżeli ruch po zakreślanym
kręgu jest zgodny z kierunkiem wskazówek zegara to ten enancjomer jest określany jako (R) 
rectus (łac. prawy), a jeżeli przeciwnie do ruchu wskazówek zegara to mamy do czynienia z
enancjomerem (S)  sinister (Å‚ac. lewy).
obserwator
1
1
Br
Br
4 4
2
C
C
2
H Cl
Cl H
H3C
CH3
3
3
(R)-1-bromo-1-chloroetan (S)-1-bromo-1-chloroetan
W literaturze można spotkać różne sposoby (reguły) określania konfiguracji enancjomerów, ale
wszystkie prowadzą do tych samych ustaleń. Znana jest reguła kciuka (J. McMurry Chemia
organiczna), reguła kierownicy samochodu i inne.
Konfiguracja określona za pomocą symboli (R) i (S) nazywana jest konfiguracja absolutną,
ponieważ odpowiada ona rzeczywistej konfiguracji związków organicznych. Znana jest
również konfiguracja względna, gdyż została ona wyznaczona względem jakiegoś związku
przyjętego za wzorzec.
Przykład: określić konfigurację absolutną obu enancjomerów 2-bromobutanu.
Br
w tak zapisanym wzorze nie można
CH3-CH2-CH-CH3 ustalić konfiguracji, ponieważ nie wiadomo
jak podstawniki są ułożone przestrzennie
Narysujmy więc wzory enancjomerów 2-bromobutanu, tak żeby widać było przestrzenne
ułożenie podstawników, ponumerujmy podstawniki wg starszeństwa i umieśćmy najmłodsze
najdalej od siebie:
11
1 3
1 4
H
3
4H
Br CH3
H3C Br
C
C
2CH2CH3
2
CH2CH3
(R)-2-bromobutan (S)-2-bromobutan
Powyższy sposób przedstawienia przestrzennej budowy związków organicznych nazywa się
projekcją Newmana. Wzór jest tak zapisywany, jakby obserwator patrzył na cząsteczkę wzdłuż
wiązania atomu C z najmłodszym podstawnikiem, tzn. oznaczonym cyfrą 4.
Istnieją jeszcze inne sposoby przestrzennego zapisu cząsteczek chiralnych, pośród nich projekcja
Fischera. Cząsteczkę ustawia się tak, żeby najdłuższy łańcuch węglowy znalazł się w jednej
płaszczyz
nie. Następnie robi się jego pionowy (od góry kartki papieru w dół) rzut na papier
(tablicę czy ekran). W każdym centrum chiralnym wiązania pionowe oznaczają wiązania
znajdujące się pod płaszczyzną kartki, a wiązania boczne nad płaszczyzną. Nawet jeżeli tego
rozróżnienia nie widać na przedstawionym wzorze (projekcji) to należy o tym pamiętać 
wiązania poziome są nad płaszczyzną, a pionowe pod płaszczyzną.
CH3
CH3 CH3 CH3
H C Br H C Br Br C H
Br C H
C2H5
C2H5 C2H5 C2H5
2-bromobutan w projekcji Fischera
Pojedyncza (lub nieparzysta) zamiana podstawników w projekcji Fischera, np. atomu Br z
atomem H powoduje zmianÄ™ konfiguracji z (R) na (S) lub z (S) na (R).
Parzysta zamiana podstawników w projekcji Fischera, np. atomu Br z atomem H i
następnie Br z CH3 zachowuje pierwotną konfigurację.
W celu przypisania konfiguracji absolutnej należy przejść z projekcji Fischera do Newmana. W
projekcji Newmana najmłodszy podstawnik (w tym przypadku H) powinien znajdować się za
atomem C, czyli pod płaszczyzną kartki. Jeżeli go zamienimy, np. z grupą metylową nastąpi
zmiana konfiguracji. W celu zachowania konfiguracji należy dokonać jeszcze jednej zamiany
podstawników, np. bromu z grupą etylową:
1 3
pojedyncza zamiana podstawników
4 4
H
CH3 H Br CH3
H
1 3 powoduje zmianÄ™ konfiguracji
C
C C C
H Br H3C Br Br CH3
2
CH2CH3
parzysta zamiana podstawników
C2H5 C2H5 2 C2H5
zachowuje wyjściową konfigurację
(S)-2-bromobutan
Ten sposób określania konfiguracji absolutnej na podstawie projekcji Fischera jest dość
czasochłonny, wymaga bowiem dwukrotnej zamiany podstawników, jeżeli najmłodszy
podstawnik znajduje się nad płaszczyzną kartki. Prościej jest oznaczyć konfiguracje bez zamian
podstawników i tylko zamienić otrzymany wynik na przeciwny, tzn. (R) na (S) lub (S) na (R):
4
CH3 1
3
H
3 określoną niezgodnie z zasadami konfigurację (S),
H3C Br
1
Br C H C
należy odwrócić  otrzymuje się wówczas prawidłową konfigurację (R)
4
2
2
C2H5
C2H5
(R)-2-bromobutan
12
Projekcję Fischera wprowadzono wcześniej niż Newmana i była przeznaczona głównie dla
związków zawierających kilka grup funkcyjnych; dlatego obowiązywała w niej jeszcze jedna
reguła: rzut cząsteczki na płaszczyznę należy tak wykonać, że najbardziej utleniony atom
węgla znajdował się u góry. W cząsteczce kwasu mlekowego w projekcie Fischera grupę
karboksylowę należy umieścić u góry. Dla oznaczenia konfiguracji absolutnej nie ma znaczenia,
gdzie znajduje się grupa karboksylowa, byleby wszystkie podstawniki miały określone
usytuowanie przestrzenne. Wymóg zapisania najbardziej utlenionej grupy u góry wzoru
potrzebny jest do przypisania konfiguracji względnej D lub L.
4
H 2
1
COOH
COOH 4
HO COOH 2
H
COOH
C H3C
H C OH
HO C H
C
3
CH3 CH3
3 CH3
1
OH
kwas: D-mlekowy a" kwas (R)-mlekowy L-mlekowy a" (S)-mlekowy
Konfiguracja względna określana literami D lub L oznacza położenie grupy funkcyjnej (w
kwasie mlekowym -OH) po prawej (D) lub po lewej (L) stronie chiralnego atomu węgla, we
wzorze prawidłowo zapisanym wg reguł projekcji Fischera.
Konfiguracja nazywa się względną, ponieważ odnosi się do konfiguracji względem aldehydu
glicerynowego  CH2CH(OH)CHO  przyjętego za związek modelowy.
Konfiguracja czÄ…steczek zawierajÄ…cych dwa centra chiralne
Określanie konfiguracji cząsteczek zawierających dwa lub więcej chiralnych atomów węgla
polega na przypisaniu konfiguracji kolejno poszczególnym centrom chiralnym.
Zadanie: Oznaczyć konfigurację względną 2,3-dibromobutanu  CH3CHBrCHBrCH3.
Pierwszą czynnością jest zapisanie wzoru przestrzennie, np. za pomocą projekcji Fischera.
Zgodnie z regułami otrzymujemy wzory czterech stereoizomerów:
1 1
1 CH3 1 CH3
CH3 CH3
* *
H
Br C Br
Br H C
H H C*
Br C*
2 2
2 2
C* H C* Br
stereoizomery Br H
C* H
C* Br Br
H
3
3
3 3
d
2,3-dibromobutanu c 4CH3 4
CH3
a 4CH3
4CH3 b
W 2,3-dibromobutanie sÄ… dwa centra chiralne: atomy C2 i C3. We wszystkich wzorach
najmłodsze podstawniki  atomy H są zapisane poziomo, czyli znajdują się nad płaszczyzną
kartki, dlatego stosując uproszczoną procedurę należy po oznaczeniu konfiguracji kolejno dla C2
i C3 przyjąć konfigurację odwrotną jako rzeczywistą.
3
3
CH3
CH3 CH3
CH3
1 konfiguracja
4 1
4
konfiguracja
Br
H H C* Br
Br C* Br C C2 dla
H H C
2
2 konfiguracja
2
C2 dla 2
1 4
2 2
konfiguracja
4 b: (S)
C H
C Br C* Br
Br C* H C3 dla
H H Br
a: (R)
3
3 C3 dla
1
b: (S)
CH3 CH3
3 CH3 3 CH3
a: (R)
(2R,3R)-2,3-dibromobutan (2S,3S)-2,3-dibromobutan
13
3
3
CH3 CH3
CH3 CH3
1 4
4 1 konfiguracja
konfiguracja
Br
H H C
Br C* H Br
Br C H C*
2 C2 dla
C2 dla 2 2
2
1
4
1 4 konfiguracja
2 konfiguracja
2
C H c : (R) d: (S) H C* Br
Br C* H C Br
Br H
C3 dla
C3 dla 3
3
CH3 c : (S) 3 CH3 d: (R)
3 CH3 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 sÄ…
enancjomerami (majÄ… siÄ™ do siebie jak odbicia lustrzane):
a b a c b d
CH3
CH3 CH3
CH3
CH3 CH3
*
*
H
Br C* Br
H C H H
Br C* Br C*
Br Br
H C H C*
*
C* Br
H C* H
Br C Br C* H
H Br
C* H C* Br
Br H
CH3
CH3
CH3 CH3
CH3 CH3
Stereoizomery parami  a i c ,  a i d ,  b i c oraz  b i d sÄ… diastereoizomerami
(stereoizomerami nie będącymi do siebie jak odbicia lustrzane).
Stereoizomery c i d pomimo, że posiadają po dwa centra chiralne, z uwagi na płaszczyznę
symetrii przechodzącą pomiędzy C2 i C3, są cząsteczkami achiralnymi, a w związku z tym
optycznie nieczynnymi (nie skręcają płaszczyzny światła spolaryzowanego). Ich odbicia
lustrzane da się na siebie nałożyć. Stereoizomery zawierające centra chiralne oraz płaszczyznę
symetrii nazywane mezo.
CH3 CH3
*
*
H Br
Br C H C
C* H C* Br
Br H
CH3 CH3
(2R,3S)-2,3-dibromobutan (2S,3R)-2,3-dibromobutan
W rzeczywistości jest to jeden i ten sam związek mezo-dibromobutan.
Płaszczyzna symetrii dzieli stereoizomer na pół jest, jak zwierciadło, w którym odbijają się obie
połowy związku.
Enancjomery
1. Chiralność cząsteczki jest warunkiem koniecznym i wystarczającym do zaistnienia
enancjomerów;
2. Obecność chiralnego atomu węgla nie jest warunkiem koniecznym ani wystarczającym
do wystąpienia enancjomerów;
3. Liczba enencjomerów zależy od liczby centrów asymetrii w cząsteczce. Maksymalna
liczba stereoizomerów LS = 2n, gdzie n oznacza liczbę chiralnych atomów.
Stereochemia związków cyklicznych
Stereoizomerię związków cyklicznych warto rozpatrywać na przykładzie cyklopentanu, którego
pierścień uważa się za płaski. Stereoizomeria wystąpi w przypadku podstawienia cyklopentanu z
14
co najmniej dwoma podstawnikami. 1,2-Dimetylocykloheksan występuje w formie dwóch
enancjomerów (R,R) i (S,S), które są zarazem izomerami trans, oraz w formie mezo (cis):
4
5
3 H H
H Me Me H
c
b
a
1 2
1
1 2
2
trans cis Me
Me
Me H trans Me
H
enancjomery 1,2-dimetylocyklopentanu mezo-dimetylocyklopentan
Atomy węgla C1 i C2 są chiralne. Dla streoizomeru a konfigurację można oznaczyć w
następujący sposób:
2
3
H4 Me H Me2
konfiguracja C2
konfiguracja C1
2
1 1 1
dla izomeru
dla izomeru a a
3
Me H Me H
(R)
(R)
4
(R,R)-1,2-dimetylocyklopentan
Izomer b ma konfigurację (S,S), a c jest związkiem mezo (R,S) i (S,R), ponieważ ma płaszczyznę
symetrii.
Podobne zależności występują dla 1,3-dipodstawionych pochodnych cyklopentanu. Identycznie
postępuje się przy określaniu konfiguracji stereoizomerów pochodnych cyklopropanu i
cyklobutanu. Cząsteczka cykloheksanu nie jest co prawda płaska, ale dla oznaczania kofiguracji
występujących w niej poszczególnych chiralnych atomów węgla można rysować ją w postaci
płaskiej.
Reaktywność halogenoalkanów
Reaktywność halogenoalkanów wynika z rozkładu ładunków elektrycznych w ich cząsteczkach,
czyli efektu polaryzacji i polaryzowalności wiązań.
M
´-
..
´+
´-
´+ ..
C C X:
..
C C X:
A
..
H
..
H
Nu
:B
Cząsteczka, w której są tak rozłożone ładunki jest podatna na atak różnych odczynników. Kwasy
Lewisa A (AlCl3, FeBr3) będą atakować miejsce obdarzone ładunkiem ujemnym, czyli halogen
(X), nukleofil Nu: ma powinowactwo do dodatnio naładowanego atomu węgla, zaś zasada B:
będzie odrywać proton z C2.
Metal (M) odda elektron dodatnio naładowanemu atomowi C, tworząc z nim związki
metaloorganiczne -C-M lub -C-M-X, o budowie zależnej od wartościowości metalu. Z metalami
grupy I (Li, Na, K) halogen zostanie odłączony, a z metalami grupy II (Mg, Zn, Cd) metal
zajmie położenie pomiędzy atomami C i X.
Substytucja nukleofilowa SN
Substytucja nukleofilowa polega na reakcji nukleofilu (Nu) ze zwiÄ…zkiem organicznym
zawierającym łatwo odchodzącą elektroujemną grupę (np. halogen), w wyniku której następuje
wymiana grupy odchodzącej na nukleofil. Nukleofilami są atomy lub grupy atomów obdarzone
15
ładunkiem ujemnym lub dysponujące wolną parą elektronów; wykazują one powinowactwo do
dodatnio naładowanego atomu C. W tabeli 3.2 podane są najczęściej 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
CN- anion cyjankowy acetonitryl
Na"CCH3
I- anion jodkowy ICH3 jodek metylu
HO- anion wodorotlenkowy HOCH3 metanol
H3CO- 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)
Szybkość reakcji SN zależy zarówno od warunków reakcji, jak i od właściwości nukleofila oraz
budowy reagenta organicznego. Poniżej podany jest szereg reaktywności najpopularniejszych
odczynników nukleofilowych w reakcji z bromkiem metylu:
- -
CH3 Br + Nu: çÅ‚ CH3 Nu + Br
względna szybkość 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‚
mniej reaktywne bardziej reaktywne
Zwykle odczynniki nukleofilowe, jako grupy obdarzone Å‚adunkiem ujemnym sÄ… zasadowe, czyli
wykazują powinowactwo do protonu. Nukleofilowość nie zawsze pokrywa się z zasadowością,
np. jon HO- jest silną zasadą, ale średniej mocy nukleofilem, natomiast HS- jest bardzo silnym
nukleofilem, chociaż znacznie słabszą zasadą.
Na szybkość reakcji SN duży wpływ mają właściwości grupy odchodzącej. Najbardziej
reaktywnÄ… grupÄ… odchodzÄ…cÄ… jest anion tosylanowy (p-toluenosulfonowy), a bardzo trudno
podstawić anion fluorkowy.
16
Względna reaktywność grup odchodzących w reakcjach SN:
zasadowość (pKa zasady
skoniugowanej) 35 16 15,7 4,8 3,2 -7 -9 -9,5 -6,5
względna szybkość <"0 1 2.102 104 3.104 6.104
6447448
- - - - - - - - -
grupa odchodzÄ…ca NH2 , RO , HO AcO F Cl Br I TosO
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 (słabe zasady) są dobrymi grupami odchodzącym, aniony słabszych
kwasów (silne zasady) są gorszymi grupami odchodzącymi.
-
H3C SO3 p-toluenosulfonian
(tosylan)
Kinetyka hydrolizy halogenków alkilowych w środowisku zasadowym zależy od rzędowości
halogenku. Halogenki metylu i 1o ulegajÄ… hydrolizie i reakcji z innymi nukleofilami wg kinetyki
drugiego rzędu (SN2), podczas gdy halogenki 3o wchodzą w reakcję z tymi samymi
odczynnikami zgodnie z kinetyką pierwszego rzędu (SN1).
- -
CH3 Br + OH çÅ‚ CH3 OH + Br
szybkość reakcji V = k[CH3Br].[ OH- ] jest zależna od stężenia obu reagentów.
Reakcje substytucji nukleofilowej, których szybkość jest zależna od stężenia obu reagentów
nazywana jest substytucjÄ… nukleofilowÄ… dwuczÄ…steczkowÄ… i oznacza siÄ™ jÄ… symbolem SN2.
- -
(CH3)3C Br + OH çÅ‚ (CH3) 3C OH + Br
szybkość reakcji V = k[(CH3)3C Br] jest zależna jedynie od stężenia halogenku alkilu.
Reakcje substytucji nukleofilowej, których szybkość jest zależna od stężenia jednego z
reagentów nazywana jest substytucją nukleofilową jednocząsteczkową i oznacza się ją
symbolem SN1.
R e a k c j e SN2
Inwersja konfiguracji
Zauważono, że w trakcie reakcji biegnących mechanizmem SN2 dochodzi do zmiany
konfiguracji; zjawisko to zostało nazwane inwersją konfiguracji:
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-hydroksy-3-metylocyklopentan
Inwersji konfiguracji zaczyna się na etapie stanu przejściowego w pierwszym etapie reakcji. W
wyniku ataku odczynnika nukleofilowego (I etap) od przeciwnej strony czÄ…steczki w stosunku do
grupy odchodzącej (z tej samej strony nie może ze względów zarówno objętościowych jak i
elektrostatycznych) tworzy się przejściowo addukt zawierający pięciokoordynacyjny atom
węgla.
17
Cl ´- grupa odchodzÄ…ca
Me
´+
H
nukleofil przyłącza się z
H
przeciwnej strony grupy odchodzÄ…cej
OH ´-
Rys. 3.4. Stan przejściowy reakcji SN2
Następnie (II etap) zostaje zerwane wiązanie z grupą odchodzącą, a nowy podstawnik zajmuje
pozycję po przeciwnej stronie cząsteczki niż grupa, która została podstawiona.
-
-
-
N
+ Nu + X
C X C X C
Nu
u
W stanie przejściowym trzy podstawniki na atomie węgla w centrum reakcji zostają stłoczone w
jednej płaszczyz
nie. Zatem nie mogą one być objętościowo duże. Najłatwiej stłoczyć atomy H
lub podstawniki przy 1o atomie węgla, dlatego tylko pochodne metanu i zawierające 1o grupy
alkilowe ulegajÄ… Å‚atwo tej reakcji. SN2 dla pochodnych 2o zachodzi wolno, a 3o praktycznie tak
nie reagujÄ….
Względna szybkość reakcji halogenków alkilowych w reakcji SN2
względna szybkość <"0 10-5 0,02 1 30
reakcji SN2 dla R-X
alkil (R) (CH3)3C- (CH3)3CCH2- (CH3)CH- Et- Me-
rzędowość 3o neopentyl (1o) 2o 1o
çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚
mniej reaktywne bardziej reaktywne
W powyższym szeregu wątpliwości może budzić jedynie prawie zerowa szybkość reakcji
halogenku neopentylu, który jest przecież halogenkiem 1o. Otóż duża objętość grupy tert-
butylowej związanej z atomem węgla stanowiącym centrum reakcji uniemożliwia atak
odczynnika nukleofilowego od strony grupy tert-butylowej, a innej możliwości nie ma.
H
H
HH
H H
H
H
H H
C
C
C
H
C C
H H H
HH
C H
C X
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. 3.5. Wraz ze wzrostem zatłoczenia wokół centrum reakcji zmniejsza się możliwość dostępu cząsteczki
nukleofilowej do atomu węgla związanego z grupą odchodzącą
18
Inwersję konfiguracji towarzyszącą reakcji SN2 można obserwować mierząc skręcalność
właściwą substratów i produktów. W trakcie hydrolizy (R)-(-)-2-bromooktanu powstaje 2-
oktanol. Reakcja biegnie wg mechanizmu SN2, co wynika z kinetyki: v = k[OktBr].[HO-].
Enancjomery 2-oktanolu mają tę samą tt. i tw., to samo widmo NMR i IR w środowisku
achiralnym, różnią się natomiast znakiem skręcalności właściwej [ą]. Wartość [ą] wynosi -9,9o i
9,9o, odpowiednio dla enancjomerów (R) i (S).
C6H13 C6H13
NaOH
H Br HO H
SN2
CH3 CH3
(R)-2-bromooktan ([Ä…] = -34,6o) (S)-oktan-2-ol ([Ä…] = 9,9o)
Tworzenie siÄ™ z (R)-(-)-2-bromooktanu enancjomeru (S)-(+)-2-oktanolu jest dowodem istnienia
zjawiska inwersji konfiguracji.
Wpływ rozpuszczalnika na reakcję SN2
OR
Środowisko, najczęściej rozpuszczalnik, ma ogromny wpływ na większość
H
reakcji, również na reakcję SN2. Reakcję utrudniają rozpuszczalniki
protyczne, czyli takie, które posiadają ruchliwe protony, np. woda, RO H :Nu H OR
alkohole czy aminy. Solwatują (osłaniają) one cząsteczki nukleofila,
H
utrudniając mu tym samym zbliżenie się miejsca reaktywnego w
OR
czÄ…steczce R-X.
Nukleofil solwatowany przez czÄ…steczki 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 SN2, ponieważ im mniejszy promień jonu tym silniej jest on solwatowany przez
czÄ…steczki protycznego rozpuszczalnika.
CH3
H3C
Natomiast polarne rozpuszczalniki aprotyczne ułatwiają reakcje SN2
S
zwiększając jego aktywność, ponieważ solwatują one kation, a nie
O
CH3
..
H3C
: O S
anion (nukleofil), przez co taki  nagi anion jest bardziej ruchliwy
S :
O
CH3
H3C
(aktywny), ma mniejsze rozmiary, czyli łatwiej mu dostać się do K+
H3C CH3
S :
miejsca reaktywnego czÄ…steczki organicznej. O : S
O
..
H3C
CH3
O
Rys. 3.6. CzÄ…steczki aprotycznego rozpuszczalnika polarnego solwatujÄ… kation przez
S
H3C CH3
co  nagi nukleofil (towarzyszÄ…cy 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 SN2 w aprotycznych
rozpuszczalnikach polarnych na przykładzie reakcji.
19
rozpuszczalnik
- -
n-Bu-Br + N3 çÅ‚çÅ‚çÅ‚çÅ‚ n-BuN3 + Br
rozpuszczalnik: CH3OH HOH DMSO DMF CH3CN HMPA
względna reaktywność 1 7 1300 2800 5000 2.105
Wartości stałej dielektrycznej popularnych rozpuszczalników Tabela 3.3.
Rozpuszczalnik Wzór Stała
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 zależności w reakcjach SN2
Reakcję SN2 ułatwia:
" brak zawady przestrzennej reagenta organicznego;
" duża reaktywność odczynnika nukleofilowego;
" podatność grupy opuszczającej na odłączenie się od atomu C;
" wysoka polarność rozpuszczalników aprotycznych
R e a k c j e SN1
Szybkość reakcji typu SN1 nie zależy od stężenia odczynnika nukleofilowego, biegnie zatem ona
zgodnie z kinetyką pierwszego rzędu:
V = k.[RX]
Przykładem takiej reakcji jest hydroliza bromku t-butylu w wodzie:
(CH3)3C-Br + HOH çÅ‚ (CH3)3C-OH + HBr
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 3o grupy
alkilowej są odporne na atak nukleofilowy, natomiast znacznie łatwiej niż halogenki 1o ulegają
dysocjacji z utworzeniem karbokationu. Karbokation w reakcji z czÄ…steczkÄ… wody zostaje
szybko przekształcony w alkohol:
-
- Br HOH
(CH3)3C-Br çÅ‚ (CH3)3C+ çÅ‚ (CH3)3C-OH + H+
wolno szybko
Karbokationy 3o są trwalsze niż 2o, a te z kolei przewyższają trwałością kationy 1o. Z tego
powodu karbokationy 3o tworzą się najłatwiej. Halogenki 1o nie ulegają reakcjom SN1, a 2o
tylko częściowo. Ponieważ jednak dysocjacja wiązania C-X nawet dla halogenków 3o wymaga
20
dużej energii aktywacji (Rys. 3.6) oderwanie się jonu halogenkowego jest procesem wolnym i
w reakcjach SN1 stanowi najwolniejszy etap reakcji; decyduje on o szybkości całej reakcji!
Szybkość powstawanie kabokationu zależy w danych warunkach tylko od stężenia halogenku
alkilu, tym samym od jego stężenia zależy szybkość całej reakcji.
HOH
t-BuCl çÅ‚çÅ‚ t-BuOH
etap 1
etap 2 etap 3
energia
potencjalna
TS(1)
TS(2)
Eakt(2)
Eakt(1)
Eakt(3)
tert-Bu+ + Cl-
TS(3)
+ 2 HOH
tert-BuOH2+
tert-BuOH + +H3O
tert-BuCl
+ HOH
+ 2 HOH
+ Cl-
Rys. 3.7. Diagram zmiany energii w reakcji SN1. Energia aktywacji pierwszego etapu reakcji, czyli tworzenia
karbokationu jest znacznie większa niż energia aktywacji reakcji pomiędzy karbokationem i wodą
Szybkość reakcji wieloetapowej jest zależna od najwolniejszego etapu reakcji. Ten najwolniejszy
etap reakcji decyduje o szybkości całej reakcji, podobnie jak najwęższa zwężka w
wielokomorowej klepsydrze decyduje o szybkości przesypującego się piasku :
Mechanizm reakcji hydrolizy bromku t-butylu jest następujący:
CH3
CH3 CH3 CH3 H
-
+ + H3C C OH
+ H3C C H3C C O
H3C C Br Br
CH3 szybko CH3 H - H+
CH3
CH3 wolno
..
bromek t-butylu HO t-butanol
..
Produktem pośrednim w procesie hydrolizy 3o halogenku alkilowego jest płaski karbokation 
hybrydyzacja atomu C sp2. Cząsteczka wody może przyłączyć się do niego z jednej lub z drugiej
strony. Wobec czego powstaje mieszanina enancjomerów (R) i (S), często w stosunku 1:1,
niezależnie od tego jaką konfigurację miał substrat. Zjawisko towarzyszące reakcji, w której z
jednego enancjomeru tworzy się mieszanina enancjomerów (R) i (S) nazywa się racemizacją, a
mieszanina 50% enancjomeru (R) i 50% (S) nazywa siÄ™ racematem.
Racemat jest optycznie nieczynny; zwykle różni się temperaturą topnienia i innymi
właściwościami fizycznymi od enancjomerów.
21
chiralny
X
C
substrat
- -
Nu - X dysocjacja
+
-
+
-
Nu
Nu
C Nu
Nu C
C
inwersja konfiguracji płaski karbokation retencja konfiguracji
Rys 3.8. Powstawanie przejściowo płaskiego karbokationu w reakcji SN1 prowadzi do racemizacji
Tylko te halogenki alkilowe, które są zdolne utworzyć płaski karbokation mogą reagować wg
mechanizmu SN1.
Są znane halogenki niepodatne reakcje SN1 ani na SN2. Należą do nich 3o pochodne cykliczne,
np. 1-bromobicyklo[2,2,2]oktan, który jako 3o jest nieaktywny w reakcjach SN2, a ponieważ nie
może utworzyć płaskiego karbokationu nie reaguje zgodnie z mechanizmem SN1:
Br
Br
Zdarza się jednak, że w reakcjach SN1 racemizacja nie jest całkowita, dochodzi tylko do
częściowej inwersji konfiguracji. Jest ona spowodowana atakiem odczynnika nukleofilowego
zanim nastąpi całkowite oddysocjowanie anionu. Nukleofil w takim przypadku atakuje
tworzÄ…cy siÄ™ karbokation z przeciwnej strony do odchodzÄ…cego anionu, podobnie jak w trakcie
reakcji SN2. Opuszczający anion utrudnia nukleofilowi zbliżenie się do karbokationu z tej samej
strony. W reakcji hydrolizy (R)-6-chloro-2,6-dimetylooktanu obserwuje siÄ™ 20% inwersjÄ™
konfiguracji.
C2H5
H3C
C OH
(CH3)2CH(CH2)3
40% (R)
C2H5
- HCl
H3C
C Cl
2,6-dimetylooktan-6-ol
EtOH/HOH
(CH3)2CH(CH2)3
C2H5
CH3
(R)-6-chloro-2,6-dimetylooktan
C
HO
(CH2)3CH(CH3)2
60% (S)
Rys. 3.9. Hydroliza (R)-6-chloro-2,6-dimetylooktanu prowadzi do produktu częściowo zracemizowanego. Dodatek
etanolu ułatwia rozpuszczenie substratu
22
para jonowa
solwatowany karbokation
+
+
-
R R
R
H R' H R' H Cl
..
HOH .. - ..
R'
..O
O.. Cl O..
C Cl C C
H
EtOH
H H
R''
R'' R''
R
R
R
produkt produkt
R' R'
R'
inwersji retencji
C OH
C
C HO
HO +
konfiguracji
konfiguracji R''
R''
R''
Wpływ rozpuszczalnika na reakcję SN1
Rozpuszczalnik ma duży wpływ na szybkość reakcji SN1. 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 SN1. Do tego typu rozpuszczalników należą alkohole, kwas mrówkowy i woda.
Najkorzystniejszym rozpuszczalnikiem dla SN1 jest woda, jednak wiele substratów organicznych
nie rozpuszcza siÄ™ w niej.
Dodatek rozpuszczalników organicznych ułatwia rozpuszczanie reagentów organicznych, ale
zwykle obniża szybkość reakcji.
H
H
H H
..O..
:
O :
O
..
..
+
H
H
C
H
..
..
H
:
: O
O
.. ..
O H
H
H H
Rys. 3.9. CzÄ…steczki polarnego rozpuszczalnika stabilizujÄ… karbokation poprzez jego solwatacjÄ™
Wpływ grupy odchodzącej
Podobnie jak w reakcjach SN2 reaktywność substratu zależy od właściwości grupy odchodzącej.
Podobny jest też szereg reaktywności, najbardziej aktywne są tosylany:
- - - -
HOH H" Cl < Br < I < < TosO
Wpływ budowy substratu
Struktury reszty organicznej stabilizujące karbokation ułatwiają reakcje SN1. Wzrost rzędowości
karbokationu wpływa na jego trwałość, dlatego trzeciorzędowe pochodne najłatwiej ulegają
reakcjom SN1, 2o trudniej, a 1o są w tego typu reakcjach nieaktywne. Duży wpływ na
stabilizację karbokationu ma mezomeria, szczególnie obecność podwójnego wiązania w
poÅ‚ożeniu ², tzw. ukÅ‚ad allilowy. UÅ‚atwienie reakcji SN1 obserwuje siÄ™ nie tylko dla halogenków
allilowych (1o czy 2o), ale również dla benzylowych.
H
+ +
C C
C
H2 H CH2
C
H2 CH2
stabilizacja kationu allilowego
23
H H
H H
+
+
C C
C C
H H
H H
+
+
stabilizacja kationu benzylowego
Wiązania C-X w halogenkach allilowych i benzylowych są osłabione w porównaniu do
wiÄ…zania, np. w halogenku etylu:
CH2-Cl
CH3CH2-Cl CH2=CH-CH2-Cl
energia wiÄ…zania [kJ/mol] 338 289 293
C-X [kcal/mol] 81 69 70
Obie grupy związków są również bardzo reaktywne w reakcjach biegnących mechanizmem SN2,
tak więc szybkość reakcji substytucji nukleofilowej halogenków allilowych czy benzylowych jest
sumą szybkości obu reakcji  SN1 i SN2. Jest to przyczyną wysokiej reaktywności tych
związków.
Wpływ nukleofilu
Nukleofil ma niewielki wpływ na szybkość reakcji SN1, ponieważ nie bierze udziału w
najwolniejszym etapie reakcji. Po utworzeniu karbokationu jego reakcja z nukleofilem biegnie
szybko i nie wpływa na sumaryczną szybkość reakcji. Halogenowodory (HCl, HBr lub HI)
reagują z taką samą szybkością z t-butanolem:
(CH3)3C-X + HOH
(CH3)3C-OH + HX
t-butanol halogenek t-butylu (X: Cl, Br lub I)
Porównanie reakcji biegnących mechanizmem SN1 i SN2
Substratami reakcji SN1 sÄ… zwiÄ…zki organiczne tworzÄ…ce stabilne karbokationy, np. halogenki
3o, allilowe czy benzylowe;
Reakcję SN1 ułatwiają protyczne rozpuszczalniki polarne (solwatują aniony i kationy);
Odczynniki nukleofilowe nie wpływają na szybkość reakcji SN1;
Solwoliza halogenków alkilowych jest przykładem reakcji biegnącej wg kinetyki SN1. Nawet
jeżeli substratem nie jest halogenek 3o 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 SN2 nie mogą mieć zawad sterycznych;
Reakcję SN2 ułatwiają polarne rozpuszczalniki aprotyczne, a podwyższenie stężenia
odczynnika nukleofilowego zwiększa szybkość reakcji;
Efekt grupy odchodzÄ…cej jest taki sam w obu reakcjach: R-OTos > R-I > R-Br > R-Cl >> R-F
24