Reacții de substituție nucleofilăEdit

Reacțiile de substituție nucleofilă (SN1 și SN2) sunt foarte strâns legate de reacțiile de eliminare E1 și E2, discutate mai târziu în această secțiune, și, în general, este o idee bună să se învețe reacțiile împreună, deoarece există paralele în mecanismul de reacție, substraturi preferate și reacțiile concurează uneori una cu cealaltă.

Este important să înțelegeți că reacțiile de substituție și de eliminare nu sunt asociate cu un anumit compus sau amestec atât de mult cât sunt o reprezentare a modului în care au loc anumite reacții. Uneori, combinații ale acestor mecanisme pot avea loc împreună în aceeași reacție sau pot concura una împotriva celeilalte, influențe precum alegerea solventului sau a nucleofilului fiind factorul determinant în ceea ce privește reacția care va domina.

Nota

În notațiile SN1 și SN2,

S reprezintă substituție (ceva ia locul a altceva)
N: reprezintă nucleofil (un nucleofil deplasează un alt nucleofil)
1: reprezintă unimolecular (concentrația unui singur tip de moleculă determină viteza reacției)
2: semnifică bimolecular (concentrația a două tipuri de molecule determină viteza reacției)

În substituția nucleofilă, un nucleofil atacă o moleculă și ia locul unui alt nucleofil, care apoi pleacă. Nucleofilul care pleacă se numește grup de plecare.

Substituțiile nucleofile necesită

1. un nucleofil (cum ar fi o bază Lewis)
2. un electrofil cu un grup de plecare

Un grup de plecare este o fracțiune (grup) încărcată sau neutră care se desprinde.

SN1 vs SN2Edit

Una dintre principalele diferențe între SN1 și SN2 este că reacția SN1 este o reacție în 2 etape, inițiată prin disocierea grupului de plecare. Reacția SN2, pe de altă parte, este o reacție în 1 etapă, în care nucleofilul atacator, datorită afinității sale mai mari și a legăturii mai puternice cu carbonul, forțează gruparea care pleacă să plece. Aceste două lucruri se întâmplă într-o singură etapă.

Aceste două mecanisme diferite explică diferența de viteză de reacție dintre reacțiile SN1 și SN2. Reacțiile SN1 depind de faptul că gruparea care pleacă se disociază de carbon. Aceasta este etapa care limitează viteza și, prin urmare, viteza de reacție este o reacție de ordinul întâi a cărei viteză depinde numai de această etapă.

R a t e = k {\displaystyle Rate=k}

În mod alternativ, în reacțiile SN2, singura etapă în care nucleofilul se întâlnește cu reactantul din partea opusă grupului de plecare, este cheia vitezei sale. Din acest motiv, rata depinde atât de concentrația nucleofilului, cât și de concentrația reactantului. Cu cât aceste două concentrații sunt mai mari, cu atât coliziunile sunt mai frecvente. Astfel, viteza de reacție este o reacție de ordinul doi:

R a t e = k {\displaystyle Rate=k} (unde Nu: este nucleofilul atacant)

Reacții SN2Edit

Există în principal 3 lucruri care influențează dacă o reacție SN2 va avea loc sau nu. Cel mai important este structura. Adică dacă halogenura de alchil se află pe un carbon metilic, primar, secundar sau terțiar. Celelalte două componente care determină dacă o reacție SN2 va avea loc sau nu, sunt nucleofilicitatea nucleofilului și solventul folosit în reacție.

Reactivitatea datorată structurii SN2

CH3X > RCH2X > R2CHX >> R3CX

Structura halogenurii de alchil are un mare efect asupra mecanismului. CH3X & RCH2X sunt structurile preferate pentru SN2. R2CHX poate suferi SN2 în condiții adecvate (a se vedea mai jos), iar R3CX rareori, sau chiar niciodată, este implicat în reacții SN2.

Reacția are loc prin atacul nucleofilului din partea opusă atomului de brom. Observați că celelalte 3 legături sunt toate îndreptate în direcția opusă bromului și spre nucleofilul atacator. Atunci când aceste 3 legături sunt legături de hidrogen, există foarte puține obstacole sterice în calea nucleofilului care se apropie. Cu toate acestea, pe măsură ce crește numărul de grupe R, crește și obstacolul steric, ceea ce face mai dificil pentru nucleofil să se apropie suficient de mult de carbonul α, pentru a expulza atomul de brom. De fapt, carbonii terțiari (R3CX) sunt atât de îngreunați steric încât împiedică mecanismul SN2 să aibă loc.

În cazul acestui exemplu, un α-carbon secundar, există încă o mare cantitate de îngreunare sterică și dacă mecanismul SN2 va avea loc va depinde în întregime de nucleofilul și solventul. Reacțiile SN2 sunt preferate pentru halogenurile de metil și halogenurile primare.

Un alt aspect important de reținut, și acest lucru poate fi văzut clar în exemplul de mai sus, în timpul unei reacții SN2, molecula suferă o inversiune. Legăturile atașate de carbonul α sunt îndepărtate pe măsură ce nucleofilul se apropie. În timpul stării de tranziție, aceste legături devin plane cu carbonul și, pe măsură ce bromul pleacă și nucleofilul se leagă de carbonul α, celelalte legături se pliază înapoi față de nucleofil. Acest lucru este deosebit de important în cazul moleculelor chirale sau pro-chirale, unde o configurație R va fi transformată într-o configurație S și viceversa. După cum veți vedea mai jos, acest lucru este în contrast cu rezultatele reacțiilor SN1.

Exemple:

OH- + CH3-Cl → HO-CH3 + Cl-

OH- este nucleofilul, Cl este electrofilul, HOCH3 este produsul, iar Cl- este gruparea care pleacă.

sau,

Na+I- + CH3-Br → I-CH3 + Na+Br-

Reacția de mai sus, care are loc în acetonă ca solvent, sodiul și iodura se disociază aproape complet în acetonă, lăsând ionii de iodură liberi să atace moleculele de CH-Br. Ionul de iodură încărcat negativ, un nucleofil, atacă molecula de bromură de metil, forțând ionul de bromură încărcat negativ și luându-i locul. Ionul bromură este grupa de plecare.

NucleofilicitateEdit

Nucleofilicitatea este viteza cu care un nucleofil deplasează grupa de plecare într-o reacție. În general, nucleofilicitatea este cu atât mai puternică, cu cât nucleofilul este mai mare, mai polarizabil și/sau mai puțin stabil. Nu se utilizează un număr sau o unitate de măsură specifică. Toate celelalte lucruri fiind egale, nucleofilii sunt, în general, comparați între ei în termeni de reactivitate relativă. De exemplu, un anumit nucleofil puternic poate avea o reactivitate relativă de 10.000 față de un anumit nucleofil slab. Aceste relații sunt generalități, deoarece lucruri cum ar fi solventul și substratul pot afecta vitezele relative, dar în general sunt linii directoare bune pentru care specii sunt cele mai bune nucleofile.

Toți nucleofilii sunt baze Lewis. În reacțiile SN2, nucleofilul preferat este un nucleofil puternic care este o bază slabă. Exemple de astfel de nucleofile sunt N3-, RS-, I-, Br- și CN-.

Alternativ, poate funcționa și un nucleofil puternic care este, de asemenea, o bază puternică. Cu toate acestea, după cum s-a menționat mai devreme în text, uneori mecanismele de reacție intră în competiție, iar în cazul unui nucleofil puternic care este o bază puternică, mecanismul SN2 va intra în competiție cu mecanismul E2. Exemple de nucleofili puternici care sunt, de asemenea, baze puternice, includ RO- și OH-.

Lista nucleofilicităților descrescătoare

I- > Br- > Cl- >> F- > -SeH > -.OH > H2O

Grupa care pleacăEdit

Grupa care pleacă este grupa de pe substrat care pleacă. În cazul unei halogenuri de alchil, acesta este ionul de halogenură care părăsește atomul de carbon atunci când nucleofilul atacă. Tendința nucleofilului de a pleca este

Reactivitatea relativă a grupărilor de plecare

I- > Br- > Cl- >> F-

Ionii de fluorură sunt grupări de plecare foarte slabe, deoarece se leagă foarte puternic și sunt foarte rar utilizați în reacțiile de substituție cu halogenuri de alchil. Reactivitatea unei grupe de plecare este legată de bazicitatea sa, bazele mai puternice fiind grupe de plecare mai sărace.

SolventEdit

Solventul poate juca un rol important în reacțiile SN2, în special în SN2 care implică substraturi secundare de halogenuri de alchil, unde poate fi factorul determinant în mecanism. Solventul poate avea, de asemenea, un mare efect asupra vitezei de reacție a reacțiilor SN2.

Mecanismul SN2 este preferat atunci când solventul este un solvent aprotic, polar. Adică, un solvent care este polar, dar fără un hidrogen polar. Solvenții polari, protici ar include apa, alcoolii și, în general, solvenții cu legături polare NH sau OH. Buni solvenți aprotici, polari sunt HMPA, CH3CN, DMSO și DMF.

Se preferă un solvent polar pentru că permite mai bine disocierea halogenului de gruparea alchil. Cu toate acestea, un solvent protic cu un hidrogen polar formează o „cușcă” de solvent cu legături de hidrogen în jurul nucleofilului, împiedicând apropierea acestuia de substrat.

Reactivitatea relativă a solvenților

HMPA > CH3CN > DMF > DMSO >> H2O

Reacții SN1Edit

Mecanismul SN1 este foarte diferit de mecanismul SN2. În unele dintre preferințele sale, este exact invers și, în unele cazuri, rezultatele reacției pot fi semnificativ diferite.

Ca și în cazul mecanismului SN2, structura joacă un rol important în mecanismul SN1. Cu toate acestea, rolul structurii în mecanismul SN1 este destul de diferit și, din această cauză, reactivitatea structurilor este mai mult sau mai puțin inversată.

Reactivitatea datorată structurii SN1

CH3X < RCH2X << R2CHX < R3CX

Mecanismul SN1 este preferat pentru halogenurile de alchil terțiar și, în funcție de solvent, poate fi preferat în cazul halogenurilor de alchil secundare. Mecanismul SN1 nu funcționează în cazul halogenurilor de alchil primare sau al halogenurilor de metil. Pentru a înțelege de ce se întâmplă acest lucru, să aruncăm o privire asupra modului în care funcționează mecanismul SN1.

În partea de sus a diagramei, primul pas este disocierea spontană a halogenurii din halogenura de alchil. Spre deosebire de mecanismul SN2, în care nucleofilul atacator determină ieșirea halogenului, mecanismul SN1 depinde de capacitatea halogenului de a ieși singur. Acest lucru necesită anumite condiții. În special, stabilitatea carbocationului este crucială pentru capacitatea halogenului de a pleca. Deoarece știm că carbocationii terțiari sunt cei mai stabili, aceștia sunt cei mai buni candidați pentru mecanismul SN1. Iar în condiții adecvate, carbocationii secundari vor funcționa, de asemenea, prin mecanismul SN1. Cu toate acestea, carbocationii primari și metilici nu sunt suficient de stabili pentru a permite apariția acestui mecanism.

După ce halogenura s-a disociat, apa acționează ca un nucleofil pentru a se lega de carbocation. În reacțiileSN2, există o inversiune cauzată de nucleofilul care atacă din partea opusă în timp ce halogenura este încă legată de carbon. În mecanismul SN1, deoarece halogenura a plecat, iar legăturile de pe carbonul α au devenit plane, molecula de apă este liberă să atace din ambele părți. Acest lucru duce, în primul rând, la un amestec racemic. În etapa finală, unul dintre hidrogenii moleculei de apă legată este atacat de o altă moleculă de apă, lăsând un alcool.

Nota: Amestecurile racemice implică cantități complet egale de amestec, însă acest lucru este rareori cazul în SN1. Există o ușoară tendință de atac din partea opusă a halogenului. Acesta este rezultatul unor impedimente sterice din partea halogenului care pleacă, care uneori este suficient de aproape de partea care pleacă pentru a bloca apropierea nucleofilului din acea parte.

SolventEdit

Ca și mecanismul SN2, SN1 este afectat și el de solvent. Ca și în cazul structurii, însă, motivele diferă. În mecanismul SN1, se folosește un solvent polar, protic. Polaritatea solventului este asociată cu constanta dielectrică a solventului, iar soluțiile cu constante dielectrice ridicate sunt mai capabile să susțină mai bine ionii separați în soluție. În reacțiile SN2, am fost preocupați de atomii de hidrogen polari care ne „înconjoară” nucleofilul. Acest lucru se întâmplă în continuare cu un solvent protic polar în reacțiile SN1, deci de ce nu ne facem griji în acest sens? Trebuie să țineți cont de mecanismul reacției. Primul pas și, mai important, pasul care limitează viteza reacției SN1, este capacitatea de a crea un carbocation stabil prin determinarea anionului halogenat să plece. Cu un solvent protic polar, la fel ca și cu un solvent aprotic polar, creăm un cation stabil, însă hidrogenii polari sunt cei care stabilizează anionul halogenat și îl fac să poată pleca mai ușor. Îmbunătățirea etapei de limitare a vitezei este întotdeauna obiectivul. „Închisoarea” nucleofilului nu are nicio legătură cu etapa de limitare a vitezei și chiar și în starea sa de „închidere”, a doua etapă, atacul nucleofilului, este atât de rapidă decât prima etapă, încât „închiderea” poate fi pur și simplu ignorată.

RezumatEdit

SN1, SN2, E1 și E2, sunt toate mecanisme de reacție, nu reacții în sine. Ele sunt mecanisme utilizate de o serie de reacții diferite. De obicei, în chimia organică, scopul este de a sintetiza un produs. În cazurile în care aveți mecanisme posibil concurente, și acesta este în special cazul în care o reacție SN1 și o reacție E1 sunt concurente, mecanismul dominant va decide care este produsul dumneavoastră, astfel încât cunoașterea mecanismelor și a condițiilor care favorizează unul în detrimentul celuilalt, va determina produsul dumneavoastră.

În alte cazuri, cunoașterea mecanismului vă permite să creați un mediu favorabil acelui mecanism. Acest lucru poate însemna diferența dintre a avea produsul dumneavoastră în câteva minute, sau cândva în jurul următoarei ere glaciare.

Atunci când proiectați o sinteză pentru un produs, trebuie să vă gândiți, vreau să obțin produsul Y, deci care sunt opțiunile mele pentru a ajunge la Y? Odată ce vă cunoașteți opțiunile și v-ați decis asupra unei reacții, atunci trebuie să luați în considerare mecanismul reacției și să vă întrebați, cum creez condițiile care vor face ca acest lucru să se întâmple corect și să se întâmple rapid?

Reacții de eliminareEdit

Reacțiile de substituție nucleofilă și reacțiile de eliminare au o mulțime de caracteristici comune, pe lângă acestea, reacțiile E1 și SN1, precum și reacțiile E2 și SN2 pot concura uneori și, deoarece produsele lor sunt diferite, este important să le înțelegem pe amândouă. Fără a înțelege ambele tipuri de mecanisme, ar fi dificil să obțineți produsul pe care îl doriți dintr-o reacție.

În plus, reacțiile SN1 și SN2 vor fi menționate destul de des cu titlu de comparație și contrast, așa că este probabil cel mai bine să citiți mai întâi acea secțiune și apoi să continuați aici.

Reacțiile de eliminare sunt mecanismele de creare a produșilor de alchenă din reactanți haloalcanici. Mecanismele de eliminare E1 și E2, spre deosebire de mecanismele de substituție SN1 și SN2, nu au loc cu halogenurile de metil, deoarece reacția creează o legătură dublă între doi atomi de carbon, iar halogenurile de metil au doar un singur carbon.

Nota

În notația E1 și E2,

E reprezintă eliminare
1: reprezintă unimolecular (concentrația unui singur tip de moleculă determină viteza reacției)
2: semnifică bimolecular (concentrația a două tipuri de molecule determină viteza reacției)

E1 vs E2Edit

Viteze de reacțieEdit

E1 și E2 sunt două căi diferite de creare a alchenelor din haloalcani. La fel ca și în cazul reacțiilor SN1 și SN2, una dintre diferențele cheie constă în viteza de reacție, deoarece aceasta oferă o mare perspectivă asupra mecanismelor.

Reacțiile E1, ca și reacțiile SN1, sunt reacții în 2 etape. De asemenea, ca și în cazul reacțiilor SN1, etapa care limitează viteza este disocierea halogenului din alcanul său, ceea ce face ca aceasta să fie o reacție de ordinul întâi, în funcție de concentrația haloalcanului, cu o viteză de reacție de:

R a t e = k {\displaystyle Rate=k}

Pe de altă parte, reacțiile E2, ca și reacțiile SN2, sunt reacții în 1 etapă. Și, din nou, ca și în cazul reacțiilor SN2, etapa care limitează viteza este capacitatea unui nucleofil de a se atașa la alcan și de a deplasa halogenul. Astfel, este o reacție de ordinul doi care depinde de concentrațiile atât ale nucleofilului, cât și ale haloalcanului, cu o viteză de reacție de:

R a t e = k {\displaystyle Rate=k} (unde Nu: este nucleofilul atacant)

Regula lui ZaitsevEdit

Regula lui Zaitsev (uneori ortografiată „Saytzeff”) afirmă că, într-o reacție de eliminare, atunci când sunt posibili mai mulți produși, cel mai stabil alchenă este produsul majoritar. Altfel spus, alchena cea mai puternic substituită (alchena cu cei mai mulți substituenți fără hidrogen) este produsul majoritar.

Atât reacțiile E1 cât și E2 produc un amestec de produși, atunci când este posibil, dar în general respectă regula lui Zaitsev. Vom vedea mai jos de ce reacțiile E1 urmează regula lui Zaitsev în mod mai fiabil și tind să producă un produs mai pur.

Imaginea de mai sus reprezintă două căi posibile de dehidrohalogenare a (S)-2-bromo-3-metilbutanului. Cei doi produși potențiali sunt 2-metilbut-2-ena și 3-metilbut-1-ena. Imaginile din dreapta sunt desene simplificate ale produsului molecular prezentat în imaginile din centru.

După cum puteți vedea în stânga, bromul se află pe al doilea carbon și, într-o reacție E1 sau E2, hidrogenul ar putea fi eliminat fie de pe primul, fie de pe al treilea carbon. Regula lui Zaitsev spune că hidrogenul va fi eliminat predominant de pe al 3-lea carbon. În realitate, va exista un amestec, dar cea mai mare parte a produsului va fi 2-metilbut-2-ena prin mecanismul E1. Prin reacția E2, după cum vom vedea mai târziu, s-ar putea să nu fie neapărat așa.

E2Edit

Reactivitate datorată structurii E2

RCH2X > R2CHX >> R3CX

Mecanismul E2 este concertat și foarte stereospecific, deoarece poate avea loc numai atunci când H și grupa de plecare X se află în poziție anti-coplanară. Adică, într-o proiecție Newman, H și X trebuie să fie la 180°, sau în anticonfigurație. Acest comportament rezultă din cea mai bună suprapunere a orbitalilor 2p ai carbonaților adiacenți atunci când trebuie să se formeze legătura pi. Dacă H și gruparea de plecare nu pot fi aduse în această poziție din cauza structurii moleculei, mecanismul E2 nu va avea loc.

De aceea, numai moleculele care au conformații H-X anti-coplanare accesibile pot reacționa pe această cale. Mai mult, mecanismul E2 va funcționa contrar regulii lui Zaitsev dacă singurul hidrogen anti-coplanar din grupul de plecare are ca rezultat alchena cea mai puțin stabilă. Un bun exemplu despre cum se poate întâmpla acest lucru este analizând modul în care ciclohexanul și derivații de ciclohexenă ar putea funcționa în condiții E2.

Să ne uităm la exemplul de mai sus. Reactivul pe care îl folosim este 1-cloro-2-izopropilciclohexanul. Desenul din stânga sus reprezintă o conformație, iar desenul de mai jos este după o întoarcere a inelului. În centru sunt proiecțiile Newman ale ambelor conformații, iar desenele din dreapta, produsele.

Dacă presupunem că tratăm 1-cloro-2-izopropilciclohexanul cu o bază puternică, de exemplu CH3CH2O- (etanolat), mecanismul care domină este E2. Există 3 hidrogeni în afara carbonaților adiacenți carbonului nostru clorurat. Cei roșii și cei verzi sunt doi dintre ei. Cel de-al treilea ar fi greu de arătat, dar este atașat de același carbon ca și hidrogenul roșu, înclinat puțin în jos față de plan și spre privitor. Hidrogenul roșu este singurul hidrogen care se află la 180° față de atomul de clor, deci este singurul eligibil pentru mecanismul E2. Din acest motiv, produsul va fi doar 3-izopropilciclohex-1-ena. Observați că acest lucru este contrar regulii lui Zaitsev, care spune că este preferată cea mai substituită dintre alchene. Conform regulii sale, 1-izopropilciclohexena ar trebui să fie produsul nostru primar, deoarece astfel ar rămâne alchena cea mai substituită. Cu toate acestea, pur și simplu nu poate fi produs din cauza obstacolului steric.

Imaginile de mai jos arată molecula după o întoarcere a inelului. În această conformație, nu este posibil niciun produs. După cum puteți vedea din proiecția Newman, nu există hidrogeni la 180° față de atomul de clor.

Deci este important, atunci când se ia în considerare mecanismul E2, să se înțeleagă geometria moleculei. Uneori, geometria poate fi folosită în avantajul tău pentru a obține preferențial un singur produs. Alteori vă va împiedica să obțineți produsul dorit și va trebui să luați în considerare un mecanism diferit pentru a obține produsul dumneavoastră.

Nota: Adesea se folosește cuvântul periplanar în loc de coplanar. Coplanar implică o separare precisă de 180 de grade, iar „peri-„, din greacă pentru „aproape”, implică aproape 180 de grade. Periplanar poate fi, de fapt, mai precis. În cazul exemplului de 1-cloro-3-izopropilciclohexan, din cauza forțelor moleculare, atomul de clor se află de fapt la o distanță puțin mai mică de 180 de grade atât față de hidrogen, cât și față de grupul izopropil, așa că, în acest caz, periplanar ar putea fi un termen mai corect.

E1Edit

Mecanismul E1 începe cu disocierea grupării care pleacă de la un alchil, producând un carbocation pe grupa alchil și un anion care pleacă. Acesta este același mod în care începe reacția SN1, deci același lucru care ajută la inițierea acestei etape în reacțiile SN1, ajută la inițierea etapei în reacțiile E1. Mai precis, carbocationii secundari și terțiari sunt preferați pentru că sunt mai stabili decât carbocationii primari. Alegerea solventului este aceeași ca și în cazul SN1; se preferă un solvent protic polar deoarece aspectul polar stabilizează carbocationul, iar aspectul protic stabilizează anionul.

Ce care face diferența între faptul că reacția ia calea SN1 sau E1 atunci, trebuie să depindă de al doilea pas; acțiunea nucleofilului. În reacțiile SN1, se preferă un nucleofil puternic care este o bază slabă. Astfel, nucleofilul va ataca și se va lega de carbocation. În reacțiile E1, se preferă în continuare un nucleofil puternic. Diferența constă în faptul că un nucleofil puternic care este, de asemenea, o bază puternică, face ca nucleofilul să atace hidrogenul de la carbonul β în loc de carbocationul α. Nucleofilul/baza extrage apoi hidrogenul determinând electronii de legătură să cadă și să producă o legătură pi cu carbocationul.

Pentru că hidrogenul și gruparea de plecare sunt pierdute în două etape separate și pentru că nu are cerințe în ceea ce privește geometria, mecanismul E1 produce în mod mai fiabil produse care respectă regula lui Zaitsev.

.