Οργανική Χηµεία Κεφάλαια 10 &11: Αλκυλαλογονίδια, ιδιότητες και αντιδράσεις
1. Αλκυλαλογονίδια Βιοµηχανικοί διαλύτες, εισπνεόµενα αναισθητικά στην ιατρική, ψυκτικά µέσα, εντοµοκτόνα και απολυµαντικά Ευρέως διαδεδοµένα στη φύση κυρίως σε θαλάσσιους οργανισµούς Ενώσεις όπου το αλογόνο συνδέεται µε sp 3 υβριδισµένα άτοµα άνθρακα
2. Ονοµατολογία Ονοµατίζουµε την κύρια αλυσίδα (κ.α.) Αρίθµηση ατόµων κ.α. από άκρο πλησιέστερο στον 1 ο υποκαταστάτη Πάνω από 2 ίδια αλογόνα χρησιµοποιούµε προθέµατα δι-, τρι-, κλπ. Πάνω από 2 αλογόνα, τα αριθµούµε ανάλογα µε θέση τους και τα παραθέτουµε αλφαβητικά Αν κ.α. µπορεί να αριθµηθεί και από τα 2 άκρα, αρχίζουµε από τον υποκαταστάτη που προηγείται αλφαβητικά
3. Δοµή αλκυλαλογονιδίων Δεσµός C Χ από επικάλυψη sp 3 υβριδισµένου τροχιακού του C µε τροχιακό του αλογόνου Ισχύς δεσµού C-Χ µειώνεται καθώς κατεβαίνουµε τον Π.Π. (µεγαλύτερο σε µέγεθος αλκένιο) Μήκος δεσµού C-Χ µεγαλώνει καθώς κατεβαίνουµε τον Π.Π. (µεγαλύτερο σε µέγεθος αλογόνο) Αλκυλολογονίδια: άριστα ηλεκτρονιόφιλα
Ηλεκτρονιόφιλο κέντρο 4. Αντιδράσεις RX Δεσµός C-Χ στα αλκυλαλογονίδια πολικός RX ηλεκτρονιόφιλα Χηµεία τους περιλαµβάνει πολικές αντιδράσεις µε πυρηνόφιλα και βάσεις (δότeς ελεύθερου ζεύγους e - ) Υποκατάσταση Χ από πυρηνόφιλο Απόσπαση ΗΧ, σχηµατισµό αλκενίου
5. Αντιδράσεις υποκατάστασηςαναστροφή απεικόνισης κατά Walden Καθαρές εναντιοµερείς µορφές του (+) και (-) µηλικού οξέος αλληλοµετατρέπονται µέσω αντιδράσεων υποκατάστης Εξήγηση: κάποιες αντιδράσεις του κύκλου υποκατάστασης πρέπει να πραγµατοποιούνται µε αναστροφή Παραπάνω µετατροπές αναφέρονται σαν αντιδράσεις πυρηνόφιλης υποκατάστασης
6. Κινητική πυρηνόφιλης υποκατάστασης Αντιδράσεις γρήγορες ή αργές Ταχύτητα αντίδρασης: ταχύτητα µετατροπής αντιδρώντος σε προϊόν Σχέση µεταξύ ταχύτητας και συγκέντρωσης αντιδρώντων RX + OH - ROH + X - Ταχύτητα αντίδρασης = κ*[rx]*[oh - ] κ = σταθερά της ταχύτητας [L/mol s] Αντίδραση δευτέρας τάξης: ταχύτητα εξαρτάται γραµµικά από συγκέντρωση 2 αντιδρώντων
7. Αντίδραση S N 2 S N 2 = Substitution, Nucleophilic, Bimolecular Πυρηνόφιλη διµοριακή υποκατάσταση Αναστροφή της στερεοχηµείας στο στερεογονικό κέντρο του C Κινητική δευτέρας τάξης: ταχύτητα = κ*[rx]*[nu: - ]
8. Μηχανισµός αντίδρασης S N 2
9. Μελέτη χαρακτηριστικών αντιδράσεων S N 2 ΓΕΝΙΚΑ Ταχύτητα: προσδιορίζεται από ΔG και µεταβάλλεται: (α) κατόπιν µεταβολής του ενεργειακού επιπέδου αντιδρώντων (β) κατόπιν µεταβολής του ενεργειακού επιπέδου της µεταβατικής κατάστασης
10. Χαρακτηριστικά S N 2-(α) στερεοχηµεία υποστρώµατος S N 2 λαµβάνουν χώρα σε σχετικά µη παρεµποδισµένες θέσεις Μεταβατική κατάσταση CR 3 X υψηλότερης ενέργειας από µ.κ.crh 2 X Βινυλαλογινίδια (R 2 C=CRX) και αρυλαλογονίδια αδρανή
11. Χαρακτηριστικά S N 2-(β) προσβάλλον πυρηνόφιλο Σύγκριση σχετικής δραστικότητας διάφορων Nu: - ως προς το ίδιο υπόστρωµα και διαλύτη (υδατική αιθανόλη) Εξήγηση παραπάνω δράσης όχι σαφής, γενικά σχετίζεται µε βασικότητα Nu: - και θέση στον Π.Π.
12. Χαρακτηριστικά S N 2-(γ) αποχωρούσα οµάδα RX + Nu: - NuR + X - Καλύτερες αποχωρούσες οµάδες αυτές που σταθεροποιούν το αρνητικό φορτίο Συνεπώς, καλύτερες αποχωρούσες οµάδες ασθενέστερες βάσεις Ενώσεις που δε συµµετέχουν σε S N 2: R-F, R-OH, R-OR, R-NH 2
13. Χαρακτηριστικά S N 2-(δ) διαλύτης Χειρότεροι διαλύτες (χαµηλή ταχύτητα S N 2): πρωτικοί διαλύτες µε οµάδες ΟΗ ή ΝΗ (π.χ. µεθανόλη ή αιθανόλη) λόγω φαινοµένου επιδιαλύτωσης του αντιδρώντος πυρηνόφιλου Καλύτεροι διαλύτες (αυξηµένη ταχύτητα S N 2): πολικοί απρωτικοί διαλύτες µε ισχυρές πολικές οµάδες (όχι όµως ΟΗ ή -ΝΗ) π.χ. ακετινοτρίλιο (CH 3 CN) διµεθυλοφορµαµίδιο (CH 3 ) 2 NCHO (DMF) κλπ.
14. Σύνοψη χαρακτηριστικών αντιδράσεων S N 2 Στερεοχηµική παρεµπόδιση αυξάνει ενέργεια µεταβατικής κατάστασης (ΔG ) (α) Δραστικά πυρηνόφιλα, υψηλότερη ενέργεια, ελαττώνουν ΔG (β) Καλές αποχωρούσες οµάδες ελαττώνουν ενέργεια µ.κ. (γ) Πρωτικοί διαλύτες σταθεροποιούν Nu:, πολικοί απρωτικοί αυξάνουν ενέργεια Nu: (δ)
Παράδειγµα SN2 στη Βιολογία: Μεθυλίωση, µεταφορά CH3 από ηλεκτρονιόφιλο σε πυρηνόφιλο
Τοξικό αέριο µουστάρδας (mustard gas) α γες αλκυλαλογονίδιο εµπλέκεται σε SN2 από πυρηνοφιλες αµινοµάδες πρωτεϊνών
15. Αντίδραση S N 1 (CH 3 ) 3 CBr + H 2 O 2-βρωµο-2-µέθυλοπροπάνιο (CH 3 ) 3 COH + HBr 2-µέθυλο-2-προπανόλη Σχετική δραστικότητα:(ch 3 ) 3 CBr>(CH 3 ) 2 CHBr>CH 3 CH 2 Br>CH 3 Br Αντιδράσεις πυρηνόφιλης υποκατάστασης µέσω S N 1 S N 1 = Substitution, Nucleophilic, Unimolecular Κινητική αντίδρασης εξαρτάται µόνo από [RX], δηλ.[h 2 O] δεν συµπεριλαµβάνεται στην εξίσωση της ταχύτητας: ταχύτητα = κ*[rx]
16. Εξήγηση κινητικής αντίδρασης S N 1 ΓΕΝΙΚΑ Αντιδράσεις πολλών σταδίων περιέχουν ένα βραδύτερο στάδιο το καθοριστικό στάδιο της ταχύτητας (καθορίζεται από επίπεδο υψηλότερου ενεργειακού φράγµατος) (α) Καθοριστικό στάδιο της ταχύτητας το πρώτο (β) Καθοριστικό στάδιο της ταχύτητας το δεύτερο
17. Εξήγηση κινητικής αντίδρασης S N 1-συνέχεια S N 1 συµβαίνει σε δύο στάδια, αλλά καθοριστικό στάδιο αντίδρασης αυτό που συµµετέχει το 2-βρωµο-2-µεθυλοπροπάνιο
S N 2 S N 1
18. Στερεοχηµεία αντίδρασης S N 1
19. Στερεοχηµεία αντίδρασης S N 1 (συνέχεια) Αποχωρούσα οµάδα προστατεύει τη µία πλευρά του σχηµατιζόµενου ενδιάµεσου C + από την προσβολή του πυρηνόφιλου οδηγώντας σε µερική αναστροφή απεικόνισης
20. Χαρακτηριστικά S N 1- (α) υπόστρωµα Σταθεροποίηση ενδιάµεσου υψηλής ενέργειας σταθεροποίηση µεταβατικής κατάστασης που οδηγεί σε αυτό το ενδιάµεσο Καθοριστικό στάδιο S N 1 σχηµατισµός C + Όσο σταθερότερο το ενδιάµεσο C + τόσο ταχύτερη η αντίδραση
21. Χαρακτηριστικά S N 1- (β) αποχωρούσα οµάδα Όµοια µε S N 2, καλύτερες αποχωρούσες οµάδες αυτές που σταθεροποιούν το αρνητικό φορτίο, δηλ. είναι ασθενείς βάσεις Ι - >> Br - >> Cl - ~ H 2 O (β) πυρηνόφιλο Προστιθέµενο πυρηνόφιλο δεν παίζει ρόλο στην κινητική των S N 1 αντιδράσεων
22. Χαρακτηριστικά S N 1- (δ) διαλύτης Επίδραση διαλύτη οφείλεται κυρίως στη σταθεροποίηση ή αποστεθεροποίηση της µεταβατικής κατάστασης S N 1 πραγµατοποιούνται ταχύτερα σε πολικούς (πράσινη γραµµή) παρά σε άπολους (κόκκινη γραµµή) διαλύτες
23. Σύνοψη χαρακτηριστικών αντιδράσεων S N 1 Δραστικά υποστρώµατα σχηµατίζουν σταθερότερα καρβοκατιόντα, συνεπώς τριτοταγή σταθερότερα από δευτεροταγή κλπ. Καλές αποχωρούσες οµάδες (ασθενείς βάσεις) ελαττώνουν ενέργεια µεταβατικής κατάστασης (όµοια µε S N 2) Πυρηνόφιλο δεν επηρεάζει ιδιαίτερα τη ταχύτητα της αντίδρασης Πολικοί διαλύτες (π.χ. Η 2 Ο) σταθεροποιούν ενδιάµεσο καρβοκατιόν