Substytucja nukleofilowa (SN)
i Eliminacja (E)
Halogenoalkany
M
M  metal odda elektron dodatnio
naładowanemu atomowi węgla tworząc
z nim zwiÄ…zki metaloorganiczne: -C-M
dð-ð
lub -C-M-X
dð+ð
C C
X
A  kwasy Lewisa (np. AlCl3, FeBr3)
H
A
będą atakować halogen (X) czyli
miejsca obdarzone Å‚adunkiem ujemnym
B
Nu
:Nu  ma powinowactwo do dodatnio
naładowanego atomu C
:B  zasada będzie odrywać
proton z węgla C2
SUBSTYTUCJA NUKLEOFILOWA SN
Większość reakcji chemicznych prowadzących do
utworzenia nowego wiÄ…zania zachodzi na drodze
substytucji nukleofilowej (SN).
Nu
Nu E
E (+ produkty uboczne)
Reakcje substytucji nukleofilowej prowadzÄ… do utworzenia
nowego wiÄ…zania w wyniku reakcji nukleofila z elektrofilem.
Nukleofilami (:Nu) nazywa siÄ™ zwiÄ…zki lub jony posiadajÄ…ce
dużą gęstość elektronową, dysponujące parą elektronów w postaci walencyjnej
pary elektronów (niewiążące pary elektronów na atomie tlenu, siarki, azotu,
fosforu, węgla itd.), które mogą być dostarczane do elektrofila. Nukleofile
mogą być anionami lub związkami obojętnymi, ale nigdy nie mogą być kationami.
Reagenty nukleofilowe są zawsze zamknięto powłokowe a atomy wchodzące
w ich skład mają oktet lub dublet (dla anionu wodorkowego).
Elektrofilem (E+) jest kation lub cząsteczka obojętna
posiadająca w swojej konstytucji atom o niskiej gęstości elektronowej, np. H+,
Br+, BF3, SO3, NO2+, K+, AlCl3, Ag+, BH3, Hg2+, CO2, FeCl3. Elektrofile mogą być
kationami lub związkami obojętnymi, ale nigdy nie mogą być anionami. Jeżeli
elektrofile są kationami to muszą być otwarto powłokowe (brak oktetu).
Kation sodu jest przykładem jonu nie będącego elektrofilem. Konfiguracja
elektronowa tego kationu odpowiada oktetowej strukturze neonu.
H
H
dð-ð
dð+ð
+ Nu H C
Nu
H C
+
X X
H
H
Nu - np. HOH, NH3, Br-, HO-, CH3O-, HS-
mniej reaktywne
bardziej reaktywne
W reakcji występuje grupa mogąca odejść z parą elektronów (grupa opuszczająca
nazywana nukleofugiem) robiÄ…c miejsce dla nukleofila. Elektrofile w reakcji SN
będą akceptorem pary elektronów pochodzącej od nukleofila.
Szybkość reakcji substytucji nukleofilowej zależy od:
a. Warunków prowadzenia reakcji (temperatury, rozpuszczalnika);
b. budowy reagenta organicznego;
c. właściwości nukleofila;
d. właściwości grupy opuszczającej (nukleofuga).
 Odczynniki nukleofilowe
Øð PorównujÄ…c nukleofile, dla których centrum nukleofilowe jest zlokalizowane
na takim samym atomie, np. tlenu zauważamy, że nukleofilowość obniża się wraz
ze spadkiem zasadowości tych odczynników. Obniżająca się zasadowość
odpowiada mniejszej skłonności do akceptowania protonu (elektrofila).
Należy pamiętać, że zasadowość i nukleofilowość to dwa różne parametry.
O
O
RO
> > Ph O > >>
HO ROH, H2O >>>
R
R S O
O
O
Øð Nukleofilowość wzrasta w wyniku wprowadzenia w pozycjÄ™ a w stosunku do
centrum nukleofilowego heteroatomu posiadającego wolną parę elektronów.
Zjawisko to opisuje siÄ™ jako efekt a.
>
H O H2N NH2 >
HO O H NH2
Øð Nukleofilowość obniża siÄ™ wraz ze wzrostem elektroujemnoÅ›ci atomu, na
którym zlokalizowane jest centrum nukleofilowe. Zależność ta jest słuszna
w trakcie porównywania centrów nukleofilowych zlokalizowanych na atomach
należących do tego samego okresu (poziomo) lub grupy (pionowo).
ten sam okres
ta sama grupa
R2N
F
>> >>
Cl >> F
RO Br >
I >
RO
RS >
RS Cl
>>
RSH >
ROH
>>
Et3N Et2O
Et3N
>
Et3P
Øð Solwatowanie anionowych nukleofili jest mniejsze w rozpuszczalnikach
polarnych aprotycznych niż w rozpuszczalnikach polarnych protycznych. W
rozpuszczalnikach aprotycznych brak wiązań wodorowych pomiędzy nukleofilem
a rozpuszczalnikiem, jest przyczyną zwiększonej nukleofilowości odczynnika.
Efekt ten jest najbardziej widoczny dla małych nukleofili, o dużej gęstości
elektronowej.
Grupy opuszczajÄ…ce w reakcji SN
O
=
O S CF3
R OTf trifluorometanosulfoniany
R
O
O
O S CH3
=
R OTs p-toluenosulfoniany
R
O
dobre grupy
opuszczajÄ…ce
O
O S CH3 = R OMs metanosulfoniany
R
O
R I R Br
R Cl
O H
O
H+
R O
R O
R' R'
H
H+
R O H
wymagana in situ
R OH
aktywacja grupy
opuszczajÄ…cej
R O PPh3
H
H+
R OR'
R OR'
KL
KL
KL = kwas Lewisa
R OR'
R F
O
O
R SR'2
R S R'
R SH R SR' R S R'
O
złe grupy opuszczające
,
R NH2
R NR2 R NO2 R NR3
lub ugrupowania
niespełniające funkcji
O
O
grupy opuszczajÄ…cej
R P(OR')2 R PPh2 R PPh3
R CN
Mocne zasady to złe grupy opuszczające. Z tego powodu nukleofugowość maleje
w szeregu anionów I > Br > Cl >> F. Kwas HI jest najsilniejszym kwasem czyli jego
anion jodkowy najsłabszą zasadą i najlepszą grupą opuszczającą. To samo
zjawisko obserwujemy porównując spadek nukleofugowości w szeregu:
trifluorometanosulfoniany (triflany), p-toluenosulfoniany (tozylany), metanosulfoniany
(mezylany). Kwas trifluorometanosulfonowy jest najmocniejszy, dlatego jego anion
jest najsłabszą zasadą i najlepszą grupą opuszczającą.
W przypadku reakcji zachodzÄ…cych mechanizmem SN2 obserwuje siÄ™ kinetycznÄ…
zależność drugiego rzędu od stężenia zarówno substratu R-X jak i odczynnika
nukleofilowego Nu.
k
Nu
Nu R
R X
X
d[R-X]
SN2
k [Nu ][R-X] k = A exp(-Ea/RT)
=
dt
Nu
C X
Nu C X
Nu C
X
Zmiany energii układu względem postępu reakcji SN2
NaCN (-CN)
CH3CH2CH2 Br
CH3CH2CH2CN + NaBr
DMSO
propanonitryl
1-bromopropan
SN2
NaI (I-)
O2N
O2N CH2I
CH2Cl
aceton
SN2
chlorek p-nitrobenzylu
jodek p-nitrobenzylu
NaN3 (N3-)
CH3CHCH3 CH3CHCH3
EtOH-H2O
Br N3
SN2
2-bromopropan
2-azydopropan
Reakcje biegnÄ…ce mechanizmem SN1 zachodzÄ… dwuetapowo. W pierwszym,
najwolniejszym, etapie substrat rozpada siÄ™ na karbokation i grupÄ™ opuszczajÄ…cÄ….
Następnie nukleofil reaguje z karbokationem tworząc produkt R-Nu. W przypadku
reakcji zachodzących mechanizmem SN1 obserwuje się kinetyczną zależność pierwszego
rzędu od stężenia jedynie substratu R-X.
k1 k2
SN1
R R Nu X
R X
X
k -1
Nu
k1k2[R-X][Nu ]
d[R-X]
d[R-X]
~
k -1[X ] 0
=
=
~ k1 [R-X]
dt
dt
k -1[X ] + k2[Nu ]
Nu
Nu
Nu C
C X C C Nu
X
X
SN1 jest reakcjÄ… dwuetapowÄ… i towarzyszy
jej racemizacja. Oznacza to, że nukleofil
może zbliżać się do centrum elektrofilowego
(karbokation) od tej samej lub przeciwnej
strony, gdzie była grupa opuszczająca.
W stanie przejściowym karbokation jest
płaski i może istnieć w postaci par jonowych
o zmiennym stopniu  zwiÄ…zania co prowadzi
do częściowej lub całkowitej racemizacji.
Zmiany energii układu względem postępu reakcji SN1
 Reakcja SN2
- brak zawady przestrzennej reagenta organicznego
Me- > 1o >2o >> neopentyl (CH3)2CCH2- (1o)
- duża reaktywność odczynnika nukleofilowego
- dobra grupa opuszczajÄ…ca
- wysoka polarność rozpuszczalników aprotycznych
CH3OH H2O DMSO DMF CH3CN HMPA
(dimetylosulfotlenek) (dimetyloformamid) (acetonitryl) (heksametylofosforotriamid)
kancerogenny
wpływ rozpuszczalników na reaktywność w reakcjach SN2
CH3
H3C
DMSO - (CH3)2SO
S
polarne rozpuszczalniki aprotyczne
DMF - (CH3)2NCHO CH3
O
H3C
ułatwiają SN2, ponieważ solwatują
O S
HMPA - [(CH3)2N]3PO S O
kation, a nie anion (nukleofil).
CH3
H3C
acetonitryl - CH3CN K+
H3C CH3
S O
O S
O
H3C
CH3
S
CH3
H3C
 Reakcja SN1
- substratami sÄ… zwiÄ…zki tworzÄ…ce stabilne karbokationy, np. halogenki 3o,
allilowe czy benzylowe (halogenki allilowe i benzylowe są również bardzo
reaktywne w reakcjach SN2; wiązania C-X w tych halogenkach są osłabione w
porównaniu do wiązania w halogenku alkilowym)
- odczynniki nukleofilowe nie wpływają na szybkość reakcji
- efekt grupy odchodzÄ…cej jest taki sam w obu reakcjach:
R-OTos > R-I > R-Br > R-Cl >>> R-F
- reakcję ułatwiają rozpuszczalniki polarne protyczne, np. alkohole, woda, kwas
mrówkowy (HCOOH) (stabilizują karbokation poprzez jego solwatację).
CH2 CH CH2
CH2
CH
CH2
stabilizacja kationu allilowego
CH2
CH2 CH2
CH2
stabilizacja kationu benzylowego
C2H5OH
(CH3)2CCH2CH3
+
(CH3)2C=CHCH3
(CH3)2CCH2CH3
CH3
OC2H5
Br
2-bromo-2-metylobutan
2-etoksy-2-metylobutan
CH2=CCH2CH3
SN1
alkeny
E
CH2 CH3
CH3
HO
Br CH3
H2O
+
1-bromo-1-metylo- 1-metylocykloheksanol
alkeny
cykloheksan
SN1
E
Reakcje eliminacji
Związki organiczne zawierające dobrą grupę odchodzącą mogą ulegać
reakcji eliminacji w wyniku czego powstajÄ… alkeny. Reakcje eliminacji mogÄ…
biec wg mechanizmu dwuczÄ…steczkowego E2 lub jednoczÄ…steczkowego E1.
:B
X + BH + X-
R-CH2CH2 R-CH CH2
E
:Nu
X +
R-CH2CH2 R-CH CH2 R-CH2CH2 Nu
eliminacja substytucja
Reakcje eliminacji typu E2
- szybkość reakcji zależy od stężenia obu reagentów
R-CH2-CH2-X + B-
R CH CH2 + HB + X-
v = k[R-CH2-CH2-X] [B-]
Reguła Zajcewa  w produktach reakcji eliminacji
halogenowodoru (HX) z halogenków alkilowych
przeważa bardziej rozgałęziony alken.
Br
EtO-Na+
CH3 CH2
CH CH3 + CH3 CH2 CH CH2
CH3 CH CH CH3
EtOH
but-1-en (20 %)
2-bromobutan
but-2-en (80 %)
E2
CH3
CH3
EtO-K+
CH3CCH2CH2CH3 + (CH3)2C=CHCH2CH3
CH2=CCH2CH2CH3
EtOH
2-metylopent-1-en
2-metylopent-2-en
Br
E2
2-bromo-2-metylopentan
Reaktywność halogenków alkilowych w reakcjach
dehydrohalogenacji rośnie wraz ze wzrostem ich rzędowości:
1o < 2o < 3o.
Mechanizm reakcji E2
B
dð-ð
R
R
B H
H
R'
R'
C C
C C
R
R
dð-ð
X
X
R'
R'
zasada atakuje proton
stan przejściowy
R
R
C
C
+ BH + X-
R'
R'
alken
W produktach reakcji eliminacji zgodnie z regułą Zajcewa
preferowane jest tworzenie się alkenu bardziej rozgałęzionego.
EtO-
CH3
H
CH3
-
OEt
CCH2
CH3CH2 H
CH3CH CCH3
Br
Br
EtO H
CH3
CH3
CH3C CCH3
C CH2 H OEt
CH3CH2
H
Br
Br
stabilniejszy stan przejściowy -
stan przejściowy stabilizowany
stabilizowany przez 3 grupy alkilowe
przez 2 grupy alkilowe
H3C
CH3
H
CH3CH2
C
C
C
C
CH3
H
H3C
H
Mechanizm reakcji hydrolizy chlorku tert-butylu
CH3
H3C
dysocjacja
Cl Cl
C
C
Dla obu produktów szybkość
H3C
H3C CH2 H
reakcji zależy jedynie od
H3C
stężenia chlorku t-butylu.
H2O
H2O
chlorek tert-butylu
v = k[R-X]
H3C
H CH2
O
C
+ H3O
H3C C
H
H3C CH3
H3C
2-metyloprop-1-en
- H
E1
H3C
OH
C
H3C
H3C
tert-butanol
SN1
 Pytanie
Podaj wzory i nazwy alkenów otrzymanych w wyniku
dehydrohalogenacji następujących halogenków alkilowych:
a. 2-bromobutanu
b. 2-bromoheksanu
c. 2-jodo-4-metylopentanu
d. 3-jodo-2,2-dimetylopentanu
Odpowiedz

KOH
CHCH2CH3 but-1-en
CH2CH3 CH2
CH3CH
EtOH
Br +
CH3
H3C
C cis-but-2-en
C
H
H
+
H
H3C
trans-but-2-en
C
C
CH3
H
KOH
CH3CH CH2CHCH3
CH2 CHCH2CH(CH3)2
EtOH
4-metylopent-1-en
CH3
I
+
CH(CH3)2
H3C
C C
H
H
cis-4-metylopent-2-en
+
H
H3C
C
C
CH(CH3)2
H
trans-4-metylopent-2-en
Pierwszorzędowe halogenki alkilowe reagują
wg mechanizmu SN2 i E2 ponieważ:
- trudno ulegajÄ… dysocjacji do karbokationu,
- w ataku odczynnika nukleofilowego nie przeszkadzajÄ…
duże podstawniki,
- silnie nukleofilowe odczynniki preferujÄ… reakcje SN, silne zasady
wymuszajÄ… reakcjÄ™ eliminacji (E).
NaCN
(silny nukleofil)
CH3CH2CH2CH2 Br
CH3CH2CH2CH2 CN
THF/HMPA
bromek n-butylu
pentanonitryl (90%)
SN2
t-BuOK (silna zasada)
E2
CH3CH2CH CH2
but-1-en (85%)
Drugorzędowe halogenki alkilowe reagują wg
mechanizmu zarówno SN2 i SN1 oraz eliminacji E2
jak i E1 ponieważ mają pośrednie właściwości pomiędzy
halogenkami 1o i 3o.
Br
OAc
AcONa
CH3CHCH3 (silny nukleofil,
CH3CHCH3
bromek izopropylu słaba zasada)
octan izopropylu (100%)
SN
EtONa / EtOH (silna zasada)
E
OCH2CH3
CH3CH CH2
+
CH3CHCH3
prop-1-en (80%) eter etylowo-izopropylowy (20%)
Trzeciorzędowe halogenki alkilowe reagują wg
mechanizmu SN1 lub eliminacji E1/E2 w zależności
od reagentów i warunków reakcji.
EtONa / EtOH CH3
CH3
CH3
(silna zasada)
+
CH3C OCH2CH3
CH3C CH2
CH3C Br
2-metylopropen (97%)
CH3
CH3
E2
eter tert-butylowo-etylowy (3%)
bromek tert-butylu
SN1
EtOH
CH3
CH3
CH3C OCH2CH3
+
CH3C CH2
2-metylopropen (20%)
CH3
eter tert-butylowo-etylowy (80%)
E1
SN1
Reakcje eliminacji HX ze związków chiralnych
Produkty eliminacji zależą od konfiguracji substratu
Ph
Ph
Ph
H3C
*
*
H
H3C C CH3
H C
C
EtO-Na+
*
*
H C Cl
Cl C H
C
CH3 H
CH3 H3C
(2R,3S) (2S,3R)
trans-2-fenylobut-2-en
2-chloro-3-fenylobutan
Me
EtO-
H
Me
Ph
H3C
H3C
Ph
H
H
Cl
trans-2-fenylobut-2-en
Ph
Ph
Ph
H3C
*
*
H
H3C C CH3
H C
C
EtO-Na+
*
*
Cl C H
H C Cl
C
CH3
CH3
CH3 H
(2S,3S) (2R,3R)
cis-2-fenylobut-2-en
2-chloro-3-fenylobutan
Me
EtO-
H
Me
Ph
H
H
CH3Ph
CH3
Cl
cis-2-fenylobut-2-en
Reakcje substytucji nukleofilowej SN i eliminacji
E sÄ… reakcjami konkurencyjnymi.
O kierunku reakcji decyduje:
- budowa związku organicznego (rzędowość atomu C
w centrum reakcji),
- właściwości odczynnika reagującego
(nukleofilowość/zasadowość),
- rodzaj rozpuszczalnika i inne warunki reakcji.
Dziękuję za uwagę