Halogenoalkany
R-X X = halogen
Nazewnictwo: X w szkielecie alkanu
CH3I jodometan (jodek metylu)
F
Br
H3C CH3
CH3
2-bromo-2-metylopropan
fluorocykloheksan
(bromek tert- butylu)
(fluorek cykloheksylu)
Rozpuszczalniki: CHCl3, CCl4, CH2Cl2
Halotan:CF3CHBrCl
Własności fizyczne:
polarność wiązania C-X �! wyższe t.wrz.
F Cl Br I twrz.ę!, M.W.ę!, polaryzowalność ę!
Dł. wiązania [�] D�[kcal/mol]
CH3F 1.38 110
CH3Cl 1.78 85
CH3Br 1.93 71
CH3I 2.14 57
Reakcje: podstawienie nukleofilowe (SN)
+� -�
R CH2 X SN  reakcja polarna/ jonowa
R-Nu + X
Nu + R-X
[R-Nu] + X
Nu + R-X
nukleofil, elektrofil, grupa odchodząca
Nu: OH-, CH3O-, I-, CN-, CH3S-, NH3, P(CH3)3
Mechanizmy (podsumowanie):
SN
OH + + Cl
C OH
HC Cl
1
Dysocjacja:
+ Cl
C Cl
C
Addycja nukleofilowa: AN
C O
C O
+
HO
OH
Addycja elektrofilowa: AE
E
C
C C
E
+
C
Eliminacja: E
X
B
+ HX
C C
H
SN
"
CH3Cl + NaOH CH3OH + NaCl
v = k [CH3Cl][OH-]
Podstawienie nukleofilowe dwucząsteczkowe - SN2
Gdy substrat chiralny  (S)-2-bromobutan:
H
H
H
-�
-�
I
C Br
I C Br I C
+ Br
H3C
CH3
C2H5
H3C
C2H5 C2H5
Inwersja konfiguracji S R
2
SN2  reakcja stereospecyficzna
Reakcje stereospecyficzne  stereoizomeryczne substraty prowadzą do stereoizomerycznych
produktów, których budowa zależy od budowy przestrzennej substratów.
H
H
C Br
HS
HS + Br
H3C
C2H5
C2CH3
H5
(S)-2-bromobutan (R)- butano-2-tiol
H
H
H
I
HS
C Br
I
C SH
H3C
H3C
CH3
C6H13
C6H13
C6H13
(S)-2-bromooktan (R)-2-jodooktan (S)-2-oktanotiol
Reaktywność w reakcji SN2 zależy od:
" rodzaju grupy opuszczajacej;
" reaktywności nukleofila;
" struktury substratu.
Grupy opuszczające:
I > Br > Cl > F
O
O
O
O
H3C S O H3C S O
H3CO S O
F3C S O
O
O
O
O
Słabe zasady = dobre grupy opuszczajace
Nukleofilowość:
1. Wzrost ładunku ujemnego  wzrost nukleofilowości:
3
szybko
CH3Cl + OH CH3OH + Cl
b.wolno
CH3Cl + H2O
CH3OH2 + Cl
2. Nukleofilowość rośnie przy przechodzeniu w lewą stronę układu okresowego:
CH3CH2Br + NH3 szybko CH3CH2NH3 + Br
b.wolno
CH3CH2Br + H2O
CH3CH2OH2 + Br
H2N > HO > NH3 > F > H2O
Zasadowość nie zawsze skorelowana z nukleofilowością.
Zasadowość  właściwość termodynamiczna:
K
K = const
AH + OH
A + H2O
Nukleofilowość  właściwość kinetyczna:
k
Nu + R-X
Nu-R + X
3. Nukleofilowość rośnie przy przechodzeniu w dół kolumn ukł. okresowego (odwrotnie niż
zasadowość):
O
CH3OH
CH3CH2CH2OSCH3 + I CH3CH2CH2I + O3SCH3
szybko
O
4. Nukleofilowość małych anionów zmniejszana przez solwatację:
Rozpuszczalniki protyczne: metanol, etanol,
woda&
Rozpuszczalniki aprotyczne: aceton, acetonitryl,
DMF, DMSO, HMPA&
vrel (CH3I + Cl- CH3Cl + I-)
metanol 1
formamid 12.5
DMF 1 200 000
5. Rozbudowane przestrzennie Nu są gorszymi reagentami:
szybko
szybko
szybko
szybko
szybko
szybko
szybko
szybko
szybko
szybko
CH3OCH3 + I
CH3OCH3 + I
CH3OCH3 + I
CH3OCH3 + I
CH3OCH3 + I
CH3OCH3 + I
CH3OCH3 + I
CH3OCH3 + I
CH3OCH3 + I
CH3OCH3 + I
CH3I + CH3O
CH3I + CH3O
CH3I + CH3O
CH3I + CH3O
CH3I + CH3O
CH3I + CH3O
CH3I + CH3O
CH3I + CH3O
CH3I + CH3O
CH3I + CH3O
wolno
wolno
wolno
wolno
wolno
wolno
wolno
wolno
wolno
wolno
CH3OC(CH3)3 + I
CH3OC(CH3)3 + I
CH3OC(CH3)3 + I
CH3OC(CH3)3 + I
CH3OC(CH3)3 + I
CH3OC(CH3)3 + I
CH3OC(CH3)3 + I
CH3OC(CH3)3 + I
CH3OC(CH3)3 + I
CH3OC(CH3)3 + I
CH3I + (CH3)3CO
4
Struktura substratu: *
Względna szybkość SN2:
CH3 > 1� > 2� > 3�
R-Br + J- 145 : 1 : 0.008 : ok. 0
Rozgałęzienie na C �:
vrel (R-Br + I-)
CH3CH2Br 1
CH3CH2CH2Br 0.8 (gr. metylowa może ustawić się sc w stos. do L)
(CH3)2CHCH2Br 0.03
(CH3)3CCH2Br 1.3 10-5
Solwoliza 3� � halogenoalkanów:
� i 2�
� �
� �
SN2 - niskie v dla 2� i 3�
CH3
CH3
wzgl. szybko
+ HBr
H3C C OH
H3C C Br + H-OH
CH3
CH3
wolniej:
CH3
CH3
+ HBr
H3C C OH
H3C C Br + H-OH
H
H
5
 vrel. (+ H2O)
CH3Br 1
CH3CH2Br 1
(CH3)2CHBr 12
(CH3)3CBr 1.2 106 inny mechanizm:
Jednocząsteczkowa substytucja nukleofilowa  SN1
Solwoliza  reakcja I rz., nie stereospecyficzna; odwrotny niż w SN2 szereg reaktywności.
v = k[(CH3)3CBr]
Etap 1: Dysocjacja
CH3
CH3
CH3 C Br
+ Br
CH3 C
CH3
CH3
Etap 2: Atak nukleofilowy
CH3
CH3
H H
szybko
O CH3 C O
+
CH3 C
H H
CH3
CH3
elektrofil jon alkoksoniowy
Etap 3: Deprotonowanie
CH3
CH3
H
H
O + H3O
CH3 C OH
+
CH3 C O
H
H
CH3
CH3
Wszystkie etapy odwracalne. Równowaga zależna od warunków reakcji  nadmiar nukleofilowego
rozpuszczalnika 100% solwolizy.
6
Stereochemiczne aspekty SN1:
Achiralna cząstka przejściowa �! racemizacja
Gdy słabsza grupa odchodząca  blokada dostępu nukleofila �! niepełna racemizacja.
Czynniki wpływające na SN1:
" Polarne rozpuszczalniki przyspieszają SN1:
Heterolityczny rozpad wiązania ułatwia polarny rozpuszczalnik.
90%propanon/10%woda
v = 1
(CH3)3COH + HBr
(CH3)3CBr
100% woda
v = 400 000
(CH3)3COH + HBr
(CH3)3CBr
" Dobre grupy odchodzące ułatwiają SN1:
Względna szybkość solwolizy R-X:
X = -OSO2R > -I > -Br > -Cl
" Nukleofilowość reagenta decyduje o rodzaju produktu, a nie szybkości reakcji:
(CH3)3COCH3 + HCl
(CH3)3CCl
k2
A
k1
(CH3)3C
+ Cl
CH3OH
k3
(CH3)3CN3 + NaCl
NaN3
B
Gdy roztwór 2-chloro-2-metylopropanu w CH3OH  wyłącznie A, proporcjonalnie do k1; gdy
1 eq. azydku  mieszanina A i B (B > A, k3 > k2).
" O reaktywności decyduje stabilność karbokationu:
3� > 2� > 1�
7
Hiperkoniugacja  nakładanie się orbitala p z wiążącym orbitalem sp3-s
R-X + Nu
R-Nu + X
R = SN1 SN2
CH3 nie obserwowany w roztworze częsta; szybka dla dobrych Nu i L
1� nie obserwowany w roztworze częsta; szybka dla dobrych Nu i L;
wolna gdy rozgałęzieniena C2
2� wolna, najlepsza gdy dobra grupa względnie wolna; najefektywniejsza przy
opuszczająca, polarny rozp. protyczny dużym c dobrego Nu, w polarnych,
aprotycznych rozp.
3� częsta; szcz. w rozp. polarnych, krańcowo wolna
protycznych,przy dobrych L
Los karbokationu:
" - atak nukleofila;
" - przegrupowanie;
" - deprotonowanie sąsiedniego at C eliminacja
Przegrupowanie karbokationu (SN1):
Br
Br H
H
H3C C C CH3
H3C C C CH3
�
H CH3
2
H CH3
CH3CH2 H
H
H O
CH3CH2OH
CH3CH2OH
H3C C C CH3
H3C C C CH3
H CH3 3 �
H CH3
H OCH2CH3
H3C C C CH3 + CH3CH2OH2
H CH3
8
SN w halogenkach allilowych
Świetne zw. przejściowe w syntezie:
" A
atwe SN2 �! stabilizowany stan przejściowy
" A
atwe SN1 - łatwa solwoliza
CH3CH CHCH2Cl
HOH
CH3CH CHCH2
Cl
CH3CH C CH2
H
CH3CH C CH2
H
OH
HOH
CH3CH CHCH2OH
+
CH3CH C CH2
H
A B
B A
produkt powstający pod kontrolą:
kinetyczną termodynamiczną
A  dominuje w wysokich temp. i po długich czasach r-cji (produkt termodynamicznie
trwalszy)
B  główny produkt w temp. pokojowej (produkt kinetycznie łatwiej osiągalny)
9
ELIMINACJA
H
B
C C + HB + X
C C
X
Eliminacja jednocząsteczkowa, E1:
Solwoliza  SN1 + E1:
CH3OH
+ Br
(CH3)2C CH3
(CH3)3C-Br
H3C
C CH2 + H (CH3)3COCH3 + H
H3C
20% 2-metylopropen 80% 2-metoxy-2-metylopropan
Mechanizm:
H-OCH3
CH3
H
H
CH3OH
H3C
H3C H
H3C C Br
C C C C
H3C H3C H
H
CH3
+
CH3OH2
1. Utworzenie karbokationu;
2. Usunięcie protonu przez zasadę Lewisa (H2O, CH3OH& );
3. Atom C rehybrydyzuje do sp2, tworzy się podwójne wiązanie.
Każdy atom H przy atomie C sąsiadującym z centrum obdarzonym grupą odchodzącą (L) może
zostać oderwany �! mieszaniny produktów.
Preferencja powstawania wyżej podstawionych alkenów (reguła Zajcewa):
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3OH
(CH3CH2)2CH-C-CH(CH3)2
(CH3CH2)2CH-C-CH(CH3)2
(CH3CH2)2CH-C-CH(CH3)2 +
(CH3CH2)2CH-C-CH(CH3)2 +
T
T
Cl
Cl
OCH3
OCH3
CH3
CH3
H3C
H3C
CH2
CH2
H3CH2C CH3
H3CH2C CH3
C C
C C
+
+
+
+
C C
C C
C
C
(H3CH2C)2HC CH3
(H3CH2C)2HC CH3
CH(CH3)2
CH(CH3)2
H3CH2C
H3CH2C
(H3CH2C)2HC
(H3CH2C)2HC
CH(CH3)2
CH(CH3)2
10
Gdy Nu jest silną zasadą:
Dwucząsteczkowa eliminacja  E 2
(CH3)3CCl + Na+OH- CH2=C(CH3)2 + NaCl + H2O
Zmiana kinetyki: v = [(CH3)3CCl] [OH-]
H H
CH3O Na
CH3CH2CH2OCH3 + C C
CH3CH2CH2Br
H3C H
92%
8%
�
Cl H
Cl
H
H
H
H
H3C
C C
C C
C C
H3C
H
H3C
H3C
H
H
H3C
H3C
�
HO
HO
Jeden etap: deprotonowanie, odejście L, rehybrydyzacja i utworzenie C=C.
stereochemia anti
Eksperymentalne dowody E2:
" szybkość zgodna z kinetyką II rzędu;
" lepsze grupy odchodzące szybsza eliminacja;
" eliminacja zachodzi szybko gdy C-H i C-X w układzie anti �! eliminacja w cis 1-bromo-4-
(1,1-dimetyloetylo)cykloheksanie zachodzi łatwo, a w izomerze trans  b.trudno.
Br
CH3ONa
CH3ONa
t-Bu
t-Bu
Br
t-Bu
b.wolno
szybko
cis
trans
Reakcja eliminacji E2 (stereochemia anti) jest często stereospecyficzna:
H
H CH3
H3CH2C CH3
H3CH2C H
Br
R,R
Br
H3C CH3
H3CH2C CH3
H CH3 (E)-3-metylopent-2-en
S,S
H
2-bromo-3-metylopentan
11
2-bromo-3-metylopentan
H
H CH3
H3C CH2CH3
H3C H
Br
S,R
Br
H3CH2C CH3
H3C CH2CH3
(Z)-3-metylopent-2-en
H CH3R, S
H
Regioselektywność reakcji eliminacji może zależeć od rodzaju użytej zasady
Reakcja E2 prowadząca do produktu termodynamicznie mniej korzystnego (użycie rozbudowanej
B) zachodzi wg reguły Hofmanna (sprzecznie z regułą Zajcewa).
Konkurencja między podstawieniem (S) i eliminacją (E)
- Nukleofile słabo zasadowe prowadzą do podstawienia:
slabsze od OH: I, Br, RS, N3, RCOO, PR3
CH3
CH3
aceton
H3C C Br +
H3C C OCOCH3
CH3COONa + NaBr
H
H
100%
główny produkt (SN1)
- Słabe nukleofile (H2O, CH3OH) reagują z zauważalnymi prędkościami tylko z halogenkami 2� i
3�, zdolnymi do reakcji wg mech. SN1 (E1  uboczna).
Br
OH
�
H2O, 80 C
CH3CH2CHCH2CH3 CH3OH
CH3CH2CHCH2CH3 + CH3CH=CHCH2CH3
- Nukleofile silnie zasadowe prowadzą do wzrostu produktu eliminacji przy wzroście zatłoczenia
przestrzennego substratu:
Halogenek 1�
�:
�
�
H3C H
CH3CH2OH
C C
CH3CH2CH2OCH3 +
CH3CH2CH2Br
H H
CH3CH2O Na
9%
91% (SN2)
12
Rozgałęziony halogenek 1�
�:
�
�
CH3
CH3
H3C H
CH3CH2OH
+
H3C C CH2Br C C
H3C C CH2OCH2CH3
H3C H
CH3CH2O Na
60%
40%
H
H
SN2
Halogenek 2�
�
�
�
CH3 CH3
H H
CH3CH2OH
H3C C Br H3C C OCH2CH3 + C C
CH3CH2ONa
H3C H
H H
87% (gl.E2)
13%
Halogenek 3�
� - SN1 lub E1 w warunkach neutralnych i słabo zasadowych, E2  gdy duże stężenie
�
�
silnej zasady.
Zasadowe rozgałęzione nukleofile faworyzują eliminację:
(CH3)3CO-K+
CH3CH2CH=CH2 + CH3CH2CH2CH2OC(CH3)3
CH3CH2CH2CH2Br
(CH3)3CO H
85% 15%
Czynniki decydujące o konkurencyjności SN i E:
" zasadowość nukleofila:
- słabo zasadowe:
- silnie zasadowe:
" zatłoczenie wokół reagującego atomu węgla;
" steryczne rozbudowanie zasadowego nukleofila;
" temperatura  wzrost T faworyzuje E.
13
Prawdopodobne mechanizmy reakcji halogenoalkanów z Nu (B)
Typ
Typ nukleofila/ zasady
halogenoalkanu
(R-X)
R =
słaby Nu sł.zasadowy, silnie silnie
(H2O) dobry nukleofil (I-) zasadowy, zasadowy,
dobry Nu rozbudowany
(RO-) (t-BuO- K+)
metyl ----- SN2 SN2
1�
�
�
�
SN2 SN2 E2
- bez zatłoczenia
SN2 E 2 E2
- rozgałęziony
wolno
SN2 E2 E2
2�
�
�
�
SN1, E1
SN1, E1 SN1, E1 E2 E2
3�
�
�
�
14