Kolokwium III – Reakcje substytucji nukleofilowej.

POLARNOŚĆ WIĄZANIA CHEMICZNEGO.

C ← X                                                  C − H                                                                C → X

elektrododatni podstawnik odpycha
elektrony w stronę węgla

wzorzec elektroujemności

elektroujemny podstawnik odciąga
elektrony od atomu węgla

Indukcja elektrostatyczna nie jest jedyną przyczyną polaryzacji cząsteczek. W związkach nienasyconych (zawierających wiązania podwójne) polaryzacja może być spowodowana przez powstawanie zdelokalizowanych orbitali molekularnych. Polaryzacja przez delokalizacje jest nazywana efektem rezonansu. Nazwa nawiązuje do tego, że polaryzację taką najłatwiej można przedstawić za pomocą granicznych struktur rezonansowych.

Efekt indukcyjny oznaczamy symbolem I. Dodatni efekt indukcyjny (efekt +I) mają podstawniki odpychające elektrony, a ujemny (efekt –I) mają podstawniki przyciągające elektrony. Podobnie jest efekt indukcyjny, efekt rezonansu może wyrażać się w przyciąganiu (efekt –R) lub odpychaniu (efekt +R)

Rodzaj efektu	Podstawniki
-I, +R	F, Cl, Br, I, OH, OR, NH2, NHR, NR2
-I, -R	COOG, COOR, NO2, CN, SO3H, CHO

HOMOLITYCZNY ROZPAD WIĄZAŃ.
Rozerwanie wiązania, podczas którego para elektronów tworząca to wiązanie zostaje podzielona między oba atomy, które były ze sobą połączone. Homolityczny rozpad wiązań prowadzi do powstania ↑ rodników. Przykładem takiego procesu może być ↑ fotoliza cząsteczki chloru:

Homolityczny rozpad wiązań następuje zwykle w przypadku związków z mało polarnym wiązaniem (np. wiązaniem atomowym), czyli związków pierwiastków słabo różniących się ↑ elektroujemnością.

HETEROLITYCZNY ROZPAD WIĄZAŃ.
Rozerwanie wiązania, podczas którego oba elektrony tworzące to wiązanie pozostają przy jednym z atomów. Proces ten prowadzi do powstania ↑ kationu i ↑ anionu. Przykładem heterolitycznego rozerwania wiązań może być ↑ dysocjacja elektrolityczna:
NaCl → Na⁺ + Cl^-.
Heterolityczny rozpad wiązań następuje zwykle w przypadku związków z wysoce polarnym wiązaniem, czyli związków pierwiastków mocno różniących się ↑ elektroujemnością.

KARBOANIONY
Karboanion – anion, w którym ładunek ujemny znajduje się na jednym lub więcej atomach węgla. Ma on nadmiarową wolną parę elektronową i z tego powodu wykazuje silne własności nukleofilowe i zasadowe. Zazwyczaj cząsteczki karboanionów maja geometrię piramidy trygonalnej. Podobnie jak karbokationy, wolne rodniki i karbeny, karboaniony stanowią jeden z głównych typów nietrwałych organicznych związków pośrednich.

KARBOKATIONY
Karbokation – kation, w którym elektryczny ładunek dodatni jest zlokalizowany na jednym lub kilku atomach węgla.

CH₃ •       CH₃CH₂ •       CH₃CH₂CH₂ •          (CH₃)₂CH •

TRWAŁOŚĆ KARBOKATIONÓW.
Karbokationy, podobnie jak rodniki alkilowe, mogą być pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowe.
Trwałość i łatwość powstawania karbokationów wzrastają ze wzrostem ich rzędowości.

Przyłączanie kwasów do alkenów zachodzi w kierunku powstawania karbokationów o wyższej rzędowości.

PRZEGRUPOWANIA KARBOKATIONÓW.
Nazwa „przegrypowanie” oznacza reakcje, których produktami są izomery substratów. W tym samym znaczeniu używa się czasem terminu „izomeryzacja”.
W przegrupowaniach karbokationów atomem przyjmującym grupę wędrującą jest zawsze atom z deficytem elektronów. Dlatego grupa wędrująca przenosi się razem z parą elektronów. Przegrupowania biegną w kierunku powstawania kationów o wyższej rzędowości, a nigdy odwrotnie. Siłą napędową przegrupowań jest powstawanie karbokationów o niższej energii. Grupy wędrujące mogą się przemieszczać tylko między sąsiednimi atomami węgla.

ODDCZYNNIK NUKLEOFILOWY.
Nukleofilami nazywamy obojętne cząsteczki lub aniony, które w procesie powstawania wiązań z atomami węgla dostarczają pary elektronów.

NUKLEOFILOWOŚĆ A ZASADOWOŚĆ.
Każdy nukleofil jest zasadą, ale nie każda zasada jest nukleofilem. W wielu przypadkach silniejsze zasady są lepszymi nukleofilami. Na przykład amoniak jest silniejszą zasadą niż woda i jest też znacznie od wody silniejszym nukleofilem. Podobnie jest, gdy porównujemy wodę z anionem wodorotlenowym: woda jest słabą zasadą i mało reaktywnym nukleofilem, a jon wodorotlenowy jest silniejszą zasadą i o wiele silniejszym od wody nukleofilem. Podobne przykłady można mnożyć, ale równie częste są przykłady odwrotnej zależności, gdy słabe zasady są bardziej nukleofilowe niż porównywalne z nimi zasady mocne. Tak jest gdy porównujemy nukleofile z tej samej grupy układu okresowego, np. aniony alkoholanowe są mocniejszymi zasadami, ale znacznie gorszymi nukleofilami od anionów tioli.

SILNE I SŁABE NUKLEOFILE.

REAKCJE TYPU S_N1
W powstawaniu stanów przejściowych bierze jedna cząsteczka.
Podstawienie S_N1 jest reakcją dwuetapową. W pierwszym etapie następuje rozpad wiązania C-X i powstaje karbokation. Drugi etap polega na przyłączeniu nukleofila do karbokationu.

RX ---> R⁺ + X ^-
R⁺ + Nu^- ---> R-Nu

O szybkości podstawienia decyduje pierwszy etap reakcji, bo dysocjacja wiązań jest trudna i przebiega znacznie wolniej, niż połączenie się karbokationu z nukleofilem.
Podstawienie S_N1 nie ma tak czystego przebiegu przestrzennego jak podstawienie S_N2. Gdy reakcja zachodzi według mechanizmu S_N1, to z optycznie czynnych substratów powstają mieszaniny enancjomerów, zazwyczaj z przewagą enancjomeru tworzącego w wyniku inwersji konfiguracji.
Powstawanie mieszanin enancjomerów z substratów będących czystymi enancjomerami nazywamy racemizacją. Podstawienie S_N1 prowadzi do całkowitej lub częściowej racemizacji. Podstawienie S_N1 nie jest reakcją stereo specyficzną.

REAKCJE TYPU S_N2
W powstawaniu stanów przejściowych biorą udział dwie cząsteczki.
Podstawienie S_N2 dochodzi do skutku w momencie zderzenia się nukleofila z atomem węgla tworzącym wiązanie C-X. W zderzeniu biorą udział dwie cząsteczki, nukleofila i substratu organicznego, a więc reakcje S_N2 są dwucząsteczkowe. Gdy zderzenie jest dostatecznie silne, to powstaje stan przejściowy, w którym atom węgla jest chwilowo połączony z nukleofilem i grupą odchodzącą. Produkt reakcji powstaje wtedy gdy rozpad stanu przejściowego prowadzi do rozerwania wiązania C-X. Bardzo istotną cechą mechanizmu S_N2 jest brak produktów pośrednich (stan przejściowy nie jest produktem pośrednim!). Mówimy zatem, że reakcje S_N2 są jednoetapowe. Najprostszym przykładem podstawienia S_N2 jest reakcja chlorku metylu z nukleofilem:

CH₃-Cl + Nu^- --> Nu • • • CH₃ • • • Cl --> CH₃-Nu + Cl^-

Podstawienie S_N2 przebiega zawsze z inwersją konfiguracji. Gdy reakcja odbywa się przy asymetrycznym atomie węgla, to z optycznie czynnych substratów powstają optycznie czynne produkty o przeciwnej konfiguracji. Można też rozważać podstawienie z retencją konfiguracji, ale w podstawieniu S_N2 nie ma retencji.

CZYNNIKI DECYDUJĄCE O MECHANIŹMIE REAKCJI S_N:
- konstytucja substratów
- własności grup odchodzących
- własności odczynników nukleofilowych
- solwatacja cząsteczek i jonów
- warunki reakcji (temperatura, stężenia substratów, rozpuszczalnik)

Rozgałęzienie łańcucha przy reagującym atomie węgla zwiększa szybkość reakcji S_N1 i zmniejsza szubkość reakcji S_N2. Pochodne metanu CH₃X i pierwszorzędowe halogenoalkany RCH₂X reagują tylko według mechanizmu S_N2, a trzeciorzędowe halogenoalkany tylko według mechanizmu S_N1.

DOBRE I ZŁE GRUPY ODCHODZĄCE.
Jednym z czynników wpływających na szybkość podstawienia nukleofilowego jest zasadowość grupy odchodzącej. Słabe zasady są dobrymi, a silne są złymi grupami odchodzącymi. Najlepsze grupy odchodzące są anionami mocnych kwasów.
Szybkość reakcji S_N1 i S_N2 zależą od rodzaju grupy odchodzącej. Wśród halogenoalkanów jodki są najbardziej, a fluorki najmniej reaktywne.

REAKCJE ACYLOWANIA (ODDCZYNNIKI ACYLUJĄCE)
Odczynnikami arylującymi są chlorki i bezwodniki kwasowe, a w niektórych przypadkach także kwasy karboksylowe.

formyl acetyl propionyl butyryl oksalil malonyl sukcynyl glut aryl

C₆H₆ + RCOX ---AlCl₃--> + HX

C₆H₆ + CH₃COCl ---AlCl₃--> + HCl

ESTRYFIKACJA
Syntezę estrów w reakcji kwasów i alkoholi nazywamy ogólnie estryfikacją. Kwasy karboksylowe najczęściej estryfikuje się w bezpośredniej reakcji z alkoholem.

TWORZENIE AMIDÓW

Tworzenie chlorków kwasowych:

ETERYFIKACJA
Reakcja chemiczna, w wyniku której z alkoholu tworzy się eter. Typową reakcją eteryfikacji jest reakcja alkoholu z chlorkiem alkilu.

HYDROLIZA
Reakcja podwójnej wymiany (często odwracalna), która przebiega między wodą i rozpuszczoną w niej substancją.

Hydroliza estrów:
ESTER i WODA -> KWAS i ALKOHOL

HCOOC3H7 + H2O -> HCOOH + C3H7OH

Hydroliza amidów:

RCONH₂ + H⁺ + H₂O -> RCOOH + NH₄⁺
RCONH + OH^- -> RCOO^- + NH₃

ALKOHOLIZA
Reakcja chemiczna podwójnej wymiany, zachodząca między alkoholem a związkiem organicznym (najczęściej estrem), w której następstwie, po wymianie reszt alkoholowych między tymi związkami, powstaje nowy alkohol i nowy ester. Alkoholiza estrów (transestryfikacja) jest laboratoryjną i przemysłową metodą otrzymywania estrów.

AMINOLIZA
Reakcja chemiczna pomiędzy związkami chemicznymi różnego typu i aminą. W chemii organicznej jest to często reakcja pochodnych kwasów karboksylowych z aminą, przebiegająca według mechanizmu substytucji nukleofilowej. Aminy drugorzędowe, zwłaszcza o dużej zawadzie przestrzennej, są w reakcjach tego typu znacznie mniej reaktywne od amin pierwszorzędowych. Produktami aminolizy są zazwyczaj amidy.

Aminoliza estrów:

kwasów karboksylowych:

RCOOR1 + R2NH2 → RCONHR2 + R1OH

RCOOR1 + R22NH → RCON(R2)2 + R1OH

tlenowych kwasów fosforu, np. H-fosfonianów:

RO–PH(O)–OAr + R2NH → RO–PH(O)–NR2 + ArOH

sulfonowych:

MeNHSO2OAr + R2NH → MeNHSO2NR2 + ArOH

Aminoliza amidów (transamidacja):

R2P-NEt2 + ArNH2 → R2P-NHAr + Et2NH

RNHC(O)R1 + MeNH2 → RNH2 + MeNHC(O)R1

WYMIANA GRUPY HYDROKSYLOWEJ NA CHLOROWIEC
Podstawową metodą otrzymywania halogenoalkanów jest reakcja wymiany grupy hydroksylowej alkoholi na atom chlorowca pod wpływem odpowiedniego halogenowodoru. Reakcję katalizują jony wodorowe, stąd czasem do reakcji stosuje się kwas siarkowy i odpowiedni halogenek sodu.

INSTRUKCJE DO ĆWICZEŃ:
Aspiryna
Kwas acetylosalicylowy otrzymuje się w reakcji kwasu salicylowego z bezwodnikiem octowym w obecności kwasu siarkowego jako katalizatora:

p-Acetaminofenol
p-Acetaminofenol otrzymuje się w reakcji p-aminofenolu z bezwodnikiem octowym w obecności octanu sodu.