Substytucja nukleofilowa
Katarzyna Ostrowska
Reakcja podstawienia nukleofilowego polega na wymianie grupy X związanej z atomem węgla na odczynnik
nukleofilowy Nu. Podstawnikiem X jest przeważnie grupa elektronoakceptorowa, która polaryzuje wiązanie C-X a
następnie odchodzi z parą elektronową.
.
+
+
+
+
X = -Cl, -Br, -I, -OSO3H, -OH2, -OHR, -NR3
_ _
_ _
-
Nu : + R X R Nu
:
+ X
Odczynnikami nukleofilowymi są obojętne cząsteczki z wolnymi parami elektronowymi lub aniony, na przykład:
_
_
_ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _
- - - -
- -
- -
_
Nu = Cl , Br , I , HO , ROI , ArO , HS , N=C ,
I_ _ _ _ _
_ _ _ _ _
I _ I I_I I I I I
_ _
I
I
_ _ _ _ _
_ _ _ _ _
H-O-H, R-O-H, NH3 , NH2R , NHR2
_ _
_ _
Przykłady reakcji substytucji nukleofilowej:
OH -
R X R OH
+ X - hydroliza alkaliczna
OR1-
R O R1 + X - synteza eterów Williamsona
nadmiar NH3
synteza amin
_
R NH2
synteza alkinów
-
: R C CH
HC C
synteza halogenków
HX
R OH R X
+ H2O
alkilowych
Ze względu na liczbę z cząsteczek biorących udział w stadium decydującym o szybkości reakcji można
wyróżnić dwa skrajne mechanizmy reakcji:
a) jednoczÄ…steczkowe podstawienie nukleofilowe SN1
b) dwuczÄ…steczkowe podstawienie nukleofilowe SN2
W przypadku reakcji SN1 podstawienie przebiega dwuetapowo. W pierwszym odwracalnym i najwolniejszym
etapie następuje rozerwanie wiązania C-X z wytworzeniem płaskiego karbokationu. Od jego stabilności zależy szereg
reaktywnoÅ›ci substratów. TrwaÅ‚ość karbokationów zależy od rzÄ™dowoÅ›ci atomu wÄ™gla. (3° > 2° > 1° >CH3X ).
1
R2 R
R2
powoli
1
+
R__
X
R3
R3
26
Drugi etap polega na ataku odczynnika nukleofilowego Nu na atom węgla o hybrydyzacji sp2 i utworzeniu
wiązania nukleofil-węgiel. Ze względu na jednakowe prawdopodobieństwo ataku wynikające z płaskiej budowy
karbokationu, uzyskuje się mieszaninę racemiczną produktów reakcji.
2
Powstaje większa ilość
R
produktu o konfiguracji
Nu__
R1 odwróconej w stosunku do
b
wolny orbital p
substratu
R1
R3
+
I Nu
R3 R2
R2 Powstaje mniejsza ilość
produktu o konfiguracji
__
R1 Nu
substratu
a
R3
Reakcja podstawienia dwucząsteczkowego SN2 przebiega jednoetapowo. Zrywanie i tworzenie wiązań zachodzi
równocześnie w sposób ciągły. Odczynnik nukleofilowy zbliża się do spolaryzowanej cząsteczki RX od strony
przeciwnej do tej, którą zajmuje podstawnik X. W trakcie zbliżania się reagenta Nu zostaje osiągnięty stan przejściowy,
w którym nukleofil nie jest jeszcze w pełni związany z atomem węgla , a podstawnik X nie jest jeszcze całkowicie
oderwany. Reakcja zachodzi z inwersją konfiguracji tzn. w wyniku podstawienia powstaje analogiczna cząsteczka będąca
odbiciem lustrzanym związku wyjściowego.
Nu
Nu + X
Nu X
+ X -
stan przejściowy
Innym przykładem reakcji substytucji nukleofilowej jest reakcja zachodząca na atomie węgla o hybrydyzacji sp2.
Ulegają jej pochodne kwasów karboksylowych (kwasy, chlorki kwasowe, estry, bezwodniki) z zasadami. Przebiega ona
przez dwa odwracalne etapy : addycję i eliminację. W pierwszym etapie odczynnik nukleofilowy atakuje atom węgla
grupy karbonylowej. Następnie powstały tetraedryczny produkt pośredni ulega rozkładowi z wydzieleniem jonu X- ( X=
NH2,OH, OR, OH).
´- _
-
|O|
|O|
eliminacja O
addycja
+ -|Nu
+
´ R C X
+
|X-
C
C
R X
R Nu
Nu
Dodanie mocnych kwasów znacznie przyspiesza powyższe reakcje. Proton H•" zostaje przyÅ‚Ä…czony do atomu
tlenu zwiększając tym samym polaryzację wiązania podwójnego i podatność atomu węgla grupy karbonylowej na atak
nukleofilowy. Reakcja przebiega zgodnie z mechanizmem:
1) protonowanie
+
H
|
|O| O
+
C H+
C
R X R X
2) addycja-eliminacja
27
+
_ H H
_
H
H
| |
+ O O
| O
+
|O
+
XH
+
|NuH
C
R C XH
R C X
C
R Nu
Nu
R X Nu H
+
3) deprotonacja
H
+
| O |
| O
+
H+
C
C
R Nu
R Nu
Typowym przykładem powyższego mechanizmu jest synteza estrów katalizowana kwasami. Reakcje kwasu z
alkoholem oraz transestryfikacja są przemianami odwracalnymi, w czasie których wytwarza się stan równowagi
chemicznej. Aby przesunąć stan równowagi w stronę tworzenia produktu używa się dużego nadmiaru alkoholu lub w
sposób ciągły usuwa się z reagującej mieszaniny jeden z produktów.
O
RC OH, H O
RC H
H OR1 + HO
R1O
O O
O
RC O CR
RC H
OR1 + RCOO
O
O
RC Cl
RC H
OR1 + Cl
O
O
RC
OR2
RC H
OR1 + R2O
28
Benzoesan 2-naftylu
O
COCl
NaO
C
+ O
Odczynniki:
2-naftol 1,8 g (0,0125 m)
Wodorotlenek sodu 0,5 g rozpuszczony w 10 cm3 wody
chlorek benzoilu 1,8 g (1,5 cm3,0,013 m )
etanol
Aparatura:
zlewka o poj. 100 cm3
erlenmajerka z korkiem o poj. 50 cm3
zestaw do sÄ…czenia
zestaw do krystalizacji
Dokładnie rozdrobniony 2-naftol rozpuszcza się na zimno w przygotowanym wcześniej roztworze wodorotlenku
sodu, jeśli potrzeba, dodaje się nieco więcej wody. Jeśli roztwór jest silnie zabarwiony, dodaje się 0,5 g węgla aktywnego
i sączy zimny roztwór przez sączek z twardej bibuły. Roztwór wlewa się do kolby stożkowej o poj. 50 cm3 i dodaje się
chlorek benzoilu. Szczelnie zakorkowanÄ… kolbÄ™ wstrzÄ…sa siÄ™ energicznie przez 20 min, do zaniku zapachu chlorku
benzoilu. StaÅ‚y produkt odsÄ…cza siÄ™ na lejku Büchnera i przemywa niewielkÄ… iloÅ›ciÄ… zimnej wody. Surowy ester
krystalizuje siÄ™ z etanolu. Wydzielony, krystaliczny osad suszy siÄ™ na powietrzu.
Otrzymuje siÄ™ 2,5 g produktu o tt. 110 oC.
Uwaga: Reakcję należy prowadzić pod wyciągiem. Operacje z silnie drażniącym chlorkiem benzoilu należy
wykonywać w gumowych rękawiczkach ochronnych.
Kwas acetylosalicylowy (Aspiryna)
OH
OCOCH3
+
(CH3CO)2O
COOH
COOH
Odczynniki:
kwas salicylowy 2,5 g (0,018 m)
bezwodnik octowy 4 g (3,7 cm3, 0,039 m)
kwas siarkowy(VI) stęż. 5 kropli
etanol.
Aparatura:
erlenmajerka o poj. 50 cm3
Å‚az
nia olejowa
mieszadło magnetyczne z temoregulacją
termometr
zlewka o poj. 150 cm3
zestaw do sÄ…czenia
zestaw do krystalizacji
Do erlenmajerki o poj. 50 cm3 umieszczonej w Å‚az
ni olejowej na mieszadle magnetycznym, wprowadza siÄ™ kwas
salicylowy, bezwodnik octowy i kwas siarkowy(VI). Zawartość kolby ogrzewa się ją do temp. 60 oC ciągle mieszając, do
momentu pojawienia się kryształków produktu (około 20 min). Następnie mieszaninę pozostawia się do ostygnięcia . Po
29
ostudzeniu ciecz wylewa siÄ™ do 40 cm3 wody, dobrze miesza i odsÄ…cza wydzielony produkt. Krystalizuje siÄ™ z rozc.
etanolu (4 objętość wody : 1 objętości EtOH). Otrzymuje się 3 g (98% wydajności teoretycznej) o tt. 135 oC.
Uwaga: Bezwodnik octowy jest cieczą o własnościach silnie parzących i łzawiących. Pracę należy wykonywać pod
wyciÄ…giem.
Chlorek tert-butylu
CH3
CH3
H3C C OH +
HCl
H3C C Cl + H2O
CH3
CH3
Odczynniki:
tert-butanol 12,5 g (16,5 cm3, 0,17 m) )
kwas chlorowodorowy stęż. 50 cm3 (0,6 m)
5 % roztw. wodorowęglanu sodu 10 cm3
bezw. chlorek wapnia
Aparatura:
rozdzielacz o poj. 150 cm3
erlenmajerka z korkiem o poj. 150 cm3
zlewka o poj. 150 cm3
W rozdzielaczu o poj. 150 cm3 umieszcza się tert-butanol i 40 cm3 stężonego kwasu solnego. Zawartość
rozdzielacza wstrząsa się energicznie i pozostawia na kilka minut. Czynność tę powtarza się kilkakrotnie w ciągu około
20 min. Po każdym wstrząsaniu należy na chwilę otworzyć kurek rozdzielacza. Następnie oddziela się dolną warstwę, do
rozdzielacza dodaje się 10 cm3 stężonego kwasu chlorowodorowego, kilkakrotnie wstrząsa i pozostawia do
rozwarstwienia. Warstwę dolną ponownie oddziela się, a górną przemywa kolejno 10 cm3 wody, 10 cm3 5% roztworu
wodorowęglanu sodu i suszy bezw. chlorkiem wapnia. Po odsączeniu od czynnika suszącego produkt destyluje się z
kolby okrągłodennej zaopatrzonej w deflegmator, zbierając frakcję wrzącą w temp. 49-51 oC.
Wydajność 14,5 g (90%)
Uwaga: Pracę należy wykonywać w gumowych rękawiczkach ochronnych pod wyciągiem.
Acetanilid
NH2 + (CH3CO)2O
NHCOCH3
Odczynniki:
anilina 5,1 g (5 cm3, d = 1.022 g/cm3, 0,055 m)
bezwodnik kwasu octowego 5,4 g (5 cm3, 0,053 m)
kwas octowy lodowaty 5,2 g (5 cm3, 0,087 m)
pył cynkowy ok. 100 mg
Aparatura:
kolba okrągłodenna o poj. 100 cm3
chłodnica zwrotna
zlewka 250 cm3
Å‚az
nia lodowa
zestaw do sÄ…czenia
zestaw do krystalizacji
W kolbie kulistej o poj. 100 cm3, zaopatrzonej w chłodnicę zwrotną, umieszcza się anilinę, bezwodnik octowy,
lodowaty kwas octowy i szczyptę pyłu cynkowego. Mieszaninę ogrzewa się łagodnie do wrzenia w ciągu 30 min, a
następnie gorącą ciecz wylewa się cienkim strumieniem do zlewki o poj. 250 cm3, zawierającej 150 cm3 zimnej wody,
30
przy czym zawartość zlewki należy stale mieszać. Po oziębieniu (korzystne jest chłodzenie w lodzie) surowy produkt
odsącza się pod zmniejszonym ciśnieniem, przemywa niewielką ilością zimnej wody, dobrze odciska. Otrzymuje się 7,5 g
acetanilidu o tt. 113 oC. Po krystalizacji z ok. 100 cm3 wody z dodatkiem 2,5 cm3 etanolu otrzymuje siÄ™ 5 g czystego
zwiÄ…zku o tt. 114 oC.
Uwaga: Praca z substancjami toksycznymi. Praca pod wyciągiem w rękawicach ochronnych.
31