Περαιτέρω αντιδράσεις των αλογονοαλκανίων Μονομοριακή υποκατάσταση και πορείες απόσπασης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 1
Οι κλινικοί χημικοί χρησιμοποιούν πολλές αντιδράσεις για να διερευνήσουν τις σχέσεις δομής-δραστικότητας στις βιολογικά δραστικές ενώσεις. Παραπάνω, ο βρωμοκυκλοεξυλουποκαταστάτης σε μία β-λακτάμη μετατρέπεται σε μία κυκλοεξενυλοομάδα μέσω απόσπασης HBr. Οι β- λακτάμες είναι τετραμελή κυκλικά αμίδια που εμφανίζονται στη δομή πολλών αντιβιοτικών, όπως η πενικιλλίνη και η κεφαλοσπορίνη, και η τροποποίησή τους είναι ουσιώδης στην αντιμετώπιση της ανάπτυξης ανθεκτικότητας στα φάρμακα. Η φωτογραφία δείχνει καλλιέργειες σε τρυβλία Petri δύο κλώνων βακτηρίων Staphylococcus aureus (αδιαφανή και γκρι) ενός οργανισμού που προκαλεί δερματικά φλεγμονώδη εξανθήματα, αποστήματα και λοιμώξεις του ουροποιητικού συστήματος. Αριστερά, ο ένας κλώνος βακτηρίου δείχνει ευαισθησία στην πενικιλλίνη (λευκό σφαιρίδιο), όπως φαίνεται από την καθαρή ζώνη παρεμποδισμένης ανάπτυξης γύρω απ αυτήν. Δεξιά, ένας δεύτερος κλώνος βακτηρίων δείχνει αντίσταση στο φάρμακο και η ανάπτυξή του δεν παρεμποδίζεται. 2
7-1 Διαλυτόλυση τριτοταγών και δευτεροταγών αλογονοαλκανίων 3
7-1 Διαλυτόλυση τριτοταγών και δευτεροταγών αλογονοαλκανίων Η διαλυτόλυση λαμβάνει χώρα επίσης και σε αλκοολικούς διαλύτες. 4
7-1 Διαλυτόλυση τριτοταγών και δευτεροταγών αλογονοαλκανίων Πίνακας 7-1 Σχετικές δραστικότητες διαφόρων βρωμοαλκανίων με νερό Βρωμοαλκάνιο Σχετική ταχύτητα Μεθυλο- και πρωτοταγή αλογονοαλκάνια: αδρανή στη διαλυτόλυση CH 3 Br CH 3 CH 2 Br (CH 3 ) 2 CHBr (CH 3 ) 3 CBr 1 1 12 1,2 10 6 Αυξανόμενη δραστικότητα στη διαλυτόλυση CH 3 Br CH 3 CH 2 Br CH 3 CH 2 CH 2 Br Ουσιαστικά καμία αντίδραση με το νερό στη θερμοκρασία δωματίου 5
7-2 Μονομοριακή πυρηνόφιλη υποκατάσταση Θυμηθείτε ότι η αντίδραση S N 2: Έχει κινητική δευτέρας τάξεως Παράγει προϊόντα στερεοειδικά με αναστροφή της στερεοχημικής διάταξης Είναι ταχύτερη με τα αλογονομεθάνια και σταδιακά βραδύτερη με τα πρωτοταγή και δευτεροταγή αλογονίδια Με τριτοταγή υποστρώματα δεν πραγματοποιείται καθόλου. Αντίθετα, οι διαλυτολύσεις Ακολουθούν το νόμο της ταχύτητας πρώτης τάξεως Δεν είναι στερεοειδικές Χαρακτηρίζονται από την αντίθετη σειρά δραστικότητας 6
7-2 Μονομοριακή πυρηνόφιλη υποκατάσταση Η διαλυτόλυση ακολουθεί κινητική πρώτης τάξεως Τα πειράματα δείχνουν ότι η ταχύτητα της υδρόλυσης του 2-βρωμο-2- μεθυλοπροπανίου είναι ανάλογη προς τη συγκέντρωση μόνο του αρχικού αλογονιδίου και όχι του νερού. Ταχύτητα = k [(CH 3 ) 3 CBr] mol 1 s 1 Ο μηχανισμός της διαλυτόλυσης περιλαμβάνει το σχηματισμό καρβοκατιόντος Η υδρόλυση του 2-βρωμο-2-μεθυλοπροπανίου λέγεται ότι προχωρεί μέσω της μονομοριακής πυρηνόφιλης υποκατάστασης, συντομευμένα S N 1. Η παρατηρούμενη ταχύτητα είναι αυτή του πλέον αργού σταδίου στην αλληλουχία των μεταβολών: του καθοριστικού της ταχύτητας σταδίου. 7
Ο μηχανισμός αποτελείται από τρία στάδια. Στάδιο 1. Τα καθοριστικό στάδιο της ταχύτητας είναι η διάσταση του αλογονοαλκανίου σε ένα αλκυλο-κατιόν και ένα βρωμιούχο ανιόν. Η ετερολυτική διάσπαση του δεσμού άνθρακα αλογόνου διαχωρίζει τα αντίθετα φορτία, κάνοντας το στάδιο αυτό βραδύ και καθοριστικό της ταχύτητας Το υδρογονανθρακικό προϊόν περιέχει ένα θετικά φορτισμένο κεντρικό άτομο άνθρακα συνδεδεμένο με άλλες τρεις ομάδες που φέρει μόνο μία εξάδα ηλεκτρονίων. Μία τέτοια δομή ονομάζεται καρβοκατιόν. 8
Ο μηχανισμός της διαλυτόλυσης περιλαμβάνει τον σχηματισμό καρβοκατιόντος Στάδιο 2. Το 1,1-διμεθυλοαιθυλο- tert-βουτυλο-κατιόν που σχηματίσθηκε στο στάδιο 1 είναι ένα πολύ ισχυρό ηλεκτρονιόφιλο, το οποίο παγιδεύεται αμέσως από το νερό που το περιβάλλει. Η διαδικασία αυτή μπορεί να θεωρηθεί ως μία πυρηνόφιλη προσβολή του διαλύτη στο φτωχό σε ηλεκτρόνια άνθρακα. Οι όροι «παγίδευση» ή «σύλληψη» περιγράφουν την ταχεία προσβολή σε ένα δραστικό ενδιάμεσο από ένα άλλο χημικό αντιδραστήριο. Το είδος που προκύπτει είναι ένα παράδειγμα ενός ιόντος αλκυλοξωνίου, συζυγούς οξέος μιας αλκοόλης. 9
Ο μηχανισμός της διαλυτόλυσης περιλαμβάνει τον σχηματισμό καρβοκατιόντος Στάδιο 3. Όπως το ιόν υδροξωνίου, Η 3 Ο +, το πρώτο μέλος της σειράς των ιόντων οξωνίου, όλα τα ιόντα αλκυλοξωνίου είναι ισχυρά οξέα. Για το λόγο αυτό αποπρωτονιώνονται εύκολα από το νερό που βρίσκεται στο μέσο διεξαγωγής της αντίδρασης και δίνουν την τελική αλκοόλη. 10
Σχήμα 7-2 Διαγράμματα δυναμικής ενέργειας για (Α) την αντίδραση S N 2 του χλωρομεθανίου με υδροξείδιο και (Β) την S N 1 υδρόλυση του 2-βρωμο-2-μεθυλοπροπανίου. Ενώ η διαδικασία S N 2 λαμβάνει χώρα σε ένα και μοναδικό στάδιο, o S N 1 μηχανισμός αποτελείται από τρία διακριτά συμβάντα: την καθοριστική της ταχύτητας διάσταση του αλογονοαλκανίου σε ένα ιόν αλογόνου και ένα καρβοκατιόν, την πυρηνόφιλη προσβολή του νερού στο καρβοκατιόν η οποία δίνει ένα ιόν αλκυλοξωνίου και την απώλεια πρωτονίου ώστε να προκύψει το τελικό προϊόν. Σημείωση: Για λόγους ευκρίνειας, τα ανόργανα συστατικά έχουν παραληφθεί από τα ενδιάμεσα στάδια του (Β). 11
7-3 Στερεοχημικές συνέπειες των αντιδράσεων S N 1 Σχήμα 7-3 Ο μηχανισμός της υδρόλυσης του (S)-(1-βρωμοαιθυλο)βενζολίου εξηγεί τη στερεοχημεία της αντίδρασης. Ο αρχικός ιοντισμός δημιουργεί ένα επίπεδο, μη χειρόμορφο καρβοκατιόν. Το ιόν αυτό, όταν παγιδεύεται με νερό, δίνει ρακεμική αλκοόλη. 12
Άσκηση 7-4 Στερεοχημικές συνέπειες της υποκατάστασης S N 1 Ελαφρά θέρμανση του (2R,3R)-2-ιωδο-3-μεθυλοεξανίου σε μεθανόλη δίνει δύο στερεοϊσομερείς μεθυλαιθέρες. Πώς σχετίζονται μεταξύ τους; Εξηγήστε μηχανιστικά. 13
7-4 Επιδράσεις του διαλύτη, της αποχωρούσας ομάδας και του πυρηνόφιλου στη μονομοριακή υποκατάσταση Οι πολικοί διαλύτες επιταχύνουν την αντίδραση S N 1 14
Οι πολικοί διαλύτες επιταχύνουν την αντίδραση S N 1 Σχήμα 7-4 Οι αντίστοιχες μεταβατικές καταστάσεις των αντιδράσεων S N 1 και S N 2 εξηγούν γιατί η διαδικασία S N 1 επιταχύνεται έντονα από πολικούς διαλύτες. Η ετερολυτική διάσπαση συνεπάγεται διαχωρισμό φορτίου, μία διαδικασία η οποία υποβοηθείται από την πολική επιδιαλύτωση. Πολικοί πρωτικοί διαλύτες επιταχύνουν ιδιαίτερα την αντίδραση S N 1 μέσω δεσμών υδρογόνου με την αποχωρούσα ομάδα. Να σημειωθεί ότι ένας διαλύτης όπως το νιτρομεθάνιο, CH 3 NO 2, (ισχυρά πολικός αλλά και ουσιαστικά μη πυρηνόφιλος) είναι χρήσιμος στις μελέτες των αντιδράσεων S N 1 με πυρηνόφιλα διαφορετικά από τα μόρια του διαλύτη. 15
Η αντίδραση S N 1 επιταχύνεται με καλύτερες αποχωρούσες ομάδες Σχετική ταχύτητα της διαλυτόλυσης των RX (R = Τριτοταγές αλκύλιο) X = OSO 2 R > I > Br > Cl Αυξανόμενη ταχύτητα 16
Η ισχύς του πυρηνοφίλου επηρεάζει την κατανομή των προϊόντων αλλά όχι την ταχύτητα της αντίδρασης + 17
7-5 Επίδραση της αλκυλο-ομάδας στην αντίδραση S N 1: Σταθερότητα καρβοκατιόντος Η σταθερότητα του καρβοκατιόντος αυξάνει από το πρωτοταγές προς το δευτεροταγές και το τριτοταγές Σχετική σταθερότητα καρβοκατιόντων CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 < CH 3 CH 2 CHCH 3 < (CH 3 ) 3 C Πρωτοταγές < Δευτεροταγές < Τριτοταγές Αυξανόμενη σταθερότητα καρβοκατιόντος 18
Η υπερσυζυγία σταθεροποιεί τα θετικά φορτία Σχήμα 7-5 (Α) Η μερική εικόνα του τροχιακού του μεθυλο-κατιόντος αποκαλύπτει γιατί δεν μπορεί να σταθεροποιηθεί με υπερσυζυγία. (Β) Αντίθετα, το 1,1-διμεθυλαιθυλο- (tert-βουτυλο-) κατιόν δέχεται την ευεργετική επίδραση τριών υπερσυζυγιακών αλληλεπιδράσεων. Οι χάρτες ηλεκτροστατικού δυναμικού των (Γ) μεθυλο-, (Δ) αιθυλο-, (Ε) 1-μεθυλοαιθυλο- (ισοπροπυλο-) και (ΣΤ) 1,1-διμεθυλοαιθυλο- (tertβουτυλο-) κατιόντων δείχνουν πώς ο αρχικά πολύ φτωχός σε ηλεκτρόνια (μπλε) κεντρικός άνθρακας όλο και περισσότερο χάνει το μπλε χρώμα του κατά μήκος της σειράς λόγω της αυξανόμενης υπερσυζυγίας. 19
Η υπερσυζυγία σταθεροποιεί τα θετικά φορτία Σχήμα 7-6 Προσδιορισμός της κρυσταλλικής δομής του 1,1-διμεθυλοαιθυλο-(tertβουτυλο-) κατιόντος. Οι τέσσερεις άνθρακες βρίσκονται σε ένα επίπεδο με γωνίες δεσμών C C C 120 ο, σε συμφωνία με τον sp 2 υβριδισμό του κεντρικού άνθρακα. Το μήκος του δεσμού C C είναι 1,44 Å, μικρότερο από το μήκος κανονικών απλών δεσμών (1,54 Å), μία συνέπεια της υπερσυζυγιακής επικάλυψης. 20
Στα δευτεροταγή συστήματα παρατηρούνται αντιδράσεις τόσο S N 1 όσο και S N 2 Σε δευτεροταγές υπόστρωμα S N 1 καλή αποχωρούσα φτωχό πυρηνόφιλο πολικός πρωτικός διαλύτης S N 2 μέτρια αποχωρούσα καλό πυρηνόφιλο πολικό απρωτικό διαλύτη 21
Στα δευτεροταγή συστήματα παρατηρούνται αντιδράσεις τόσο S N 1 όσο και S N 2 Πίνακας 7-2 Δραστικότητα των R X στις αντιδράσεις πυρηνόφιλης υποκατάστασης: R X + Nu R Nu + X R S N 1 S N 2 CH 3 Πρωτοταγές Δευτεροταγές Τριτοταγές S N 1 καλύτερος Δεν παρατηρείται σε διάλυμα (μεθυλο κατιόν πολύ υψηλής ενέργειας) Δεν παρατηρείται σε διάλυμα (πρωτοταγές καρβοκατιόν πολύ υψηλής ενέργειας) Σχετικά βραδεία καλύτερη με καλές αποχωρούσες ομάδες σε πολικούς πρωτικούς διαλύτες Συχνή. Ιδιαίτερα ταχεία σε πολικούς πρωτικούς διαλύτες και με καλές αποχωρούσες ομάδες S N 2 καλύτερος Συχνή. Ταχεία με καλά πυρηνόφιλα και καλές αποχωρούσες ομάδες Συχνή. Ταχεία με καλά πυρηνόφιλα και καλές αποχωρούσες ομάδες βραδεία όταν το R είναι διακλαδισμένο στον C2 Σχετικά βραδεία. Καλύτερη με υψηλές συγκεντρώσεις καλών πυρηνόφιλων σε πολικούς απρωτικούς διαλύτες Εξαιρετικά βραδεία Εξαρούνται τα καρβοκατιόντα που σταθεροποιούνται με συντονισμό. Δείτε Κεφάλαιο 14. 22
Στα δευτεροταγή συστήματα παρατηρούνται αντιδράσεις τόσο S N 1 όσο και S N 2 23
Στα δευτεροταγή συστήματα παρατηρούνται αντιδράσεις τόσο S N 1 όσο και S N 2 Μία οπτική επίδειξη της σχετικής S N 1 δραστικότητας. Οι τρεις δοκιμαστικοί σωλήνες περιέχουν, από αριστερά προς τα δεξιά, διαλύματα του 1-βρωμοβουτανίου, 2- βρωμοπροπανίου και 2-βρωμο-2- μεθυλοπροπανίου σε αιθανόλη, αντίστοιχα. Προσθήκη μερικών σταγόνων διαλύματος AgNO 3 σε καθέναν προκαλεί άμεση καταβύθιση ενός βαρέος ιζήματος AgBr από το tert-βρωμοαλκάνιο (δεξιά), λιγότερη καταβύθιση AgBr από το δευτεροταγές υπόστρωμα (κέντρο) και καθόλου σχηματισμό AgBr από το πρωτοταγές αλογονίδιο (αριστερά). 24
Άσκηση 7-8 Δευτεροταγή αλογονοαλκάνια Εξηγήστε τα ακόλουθα αποτελέσματα. 25
Η ΧΗΜΕΙΑ ΣΤΟ ΠΡΟΣΚΗΝΙΟ: ΣΤΙΓΜΙΟΤΥΠΟ 7 1 Ασυνήθιστα στερεοεκλεκτική S N 1 υποκατάσταση σε σύνθεση αντικαρκινικού φάρμακου 26
Ποια πορεία είναι πιο πράσινη : η S N 1 ή η S N 2; Η διαδικασία S N 2 είναι στερεοειδική: η αντίδραση ενός συγκεκριμένου στερεοϊσομερούς υποστρώματος δίνει ένα συγκεκριμένο στερεοϊσομερές προϊόν. Αντίθετα, σχεδόν όλες οι αντιδράσεις που γίνονται μέσω του S N 1 μηχανισμού σε ένα στερεοχημικό κέντρο δίνουν μίγματα στερεοϊσομερών. Και ακόμη χειρότερα: η χημεία των καρβοκατιόντων, ενδιάμεσων σε όλες τις αντιδράσεις S N 1, είναι πολύπλοκη. Σε τελική ανάλυση, οι αντιδράσεις S N 1, σε αντίθεση με τις διαδικασίες S N 2, είναι περιορισμένης χρήσης στη σύνθεση επειδή δεν πληρούν τα κριτήρια των «πράσινων» αντιδράσεων: είναι αναποτελεσματικές ως προς την οικονομία ατόμων και συνολικά σπάταλες, επειδή τείνουν να δώσουν μίγματα στερεοϊσομερών προϊόντων υποκατάστασης καθώς και άλλες οργανικές ενώσεις. Η πορεία S N 2 είναι «πιο πράσινη». 27
7-6 Μονομοριακή απόσπαση: Ε1 Ανταγωνισμός μεταξύ πυρηνόφιλης και βασικής προσβολής σε ένα καρβοκατιόν Ξεκινώντας από ένα αλογονοαλκάνιο, ο συνολικός μετασχηματισμός περιλαμβάνει την απομάκρυνση του ΗΧ με την ταυτόχρονη δημιουργία ενός διπλού δεσμού. Ο γενικός όρος για μία τέτοια διεργασία είναι απόσπαση (elimination), συγκεκομμένα Ε. 28
7-6 Μονομοριακή απόσπαση: Ε1 Το καθοριστικό της ταχύτητας στάδιο στη διαδικασία Ε1 είναι το ίδιο με αυτό στις αντιδράσεις S N 1: η διάσταση σε ένα καρβοκατιόν. Το ενδιάμεσο αυτό έχει μετά έναν δεύτερο δρόμο στη διάθεσή του εκτός από την πυρηνόφιλη παγίδευση: την απώλεια ενός πρωτονίου από έναν άνθρακα γειτονικό σ αυτόν που φέρει το θετικό φορτίο. 29
7-6 Μονομοριακή απόσπαση: Ε1 Σχήμα 7-7 Tο στάδιο σχηματισμού του αλκενίου στη μονομοριακή απόσπαση (Ε1): αποπρωτονίωση ενός 1,1-διμεθυλοαιθυλο- (tert-βουτυλο-) κατιόντος από τον διαλύτη μεθανόλη. Σε μία περιγραφή της απόσπασης του πρωτονίου με τροχιακά, ένα ζεύγος ηλεκτρονίων στο άτομο οξυγόνου του διαλύτη προσβάλλει ένα υδρογόνο σε έναν άνθρακα γειτονικό σ αυτόν που φέρει το θετικό φορτίο. Το πρωτόνιο μεταφέρεται, αφήνοντας πίσω ένα ζεύγος ηλεκτρονίων. Καθώς ο άνθρακας επανυβριδοποιείται από sp 3 σε sp 2, τα ηλεκτρόνια αυτά ανακατανέμονται στα δύο p τροχιακά του νέου διπλού δεσμού. 30
7-6 Μονομοριακή απόσπαση: Ε1 31
7-6 Μονομοριακή απόσπαση: Ε1 32
7-6 Μονομοριακή απόσπαση: Ε1 Πίνακας 7-3 Σχέση S N 1 προς Ε1 των προϊόντων στις υδρολύσεις των 2-αλογονο-2-μεθυλοπροπανίων στους 25 C Χ στο (CH 3 ) 3 CX Λόγος S N 1 : E1 Cl Br I 95 : 5 95 : 5 96 : 4 Όμως χρησιμοποιώντας υψηλές συγκεντρώσεις ισχυρής βάσης η αναλογία απόσπασης (elimination) αυξάνεται κυρίως λόγω μεταβολής της μηχανιστικής πορείας. 33
7-7 Διμοριακή απόσπαση: Ε2 Οι ισχυρές βάσεις επιδρούν στη διμοριακή απόσπαση Η ταχύτητα σχηματισμού του αλκενίου γίνεται ανάλογη προς τις συγκεντρώσεις και του αρχικού αλογονιδίου και της βάσης: Η κινητική της απόσπασης είναι τώρα δευτέρας τάξεως και η πορεία καλείται διμοριακή απόσπαση, συγκεκομμένα Ε2. Κινητική της αντίδρασης Ε2 του 2-μεθυλο-2-χλωροπροπανίου (CH 3 ) 3 CCl + Na + OH CH 2 C(CH 3 ) 2 + NaCl + H 2 O Ταχύτητα = k[(ch 3 ) 3 CCl][ OH] mol L 1 s 1 34
: Οι αντιδράσεις Ε2 πραγματοποιούνται σε ένα στάδιο Παρατηρούνται τρεις μεταβολές: 1.Αποπρωτονίωση από τη βάση 2. Αποχώρηση της αποχωρούσας ομάδας 3. Επανυβριδοποίηση των αντιδρώντων κέντρων άνθρακα από sp 3 σε sp 2 ώστε να δώσουν τα δύο p τροχιακά του δημιουργούμενου διπλού δεσμού Και οι τρεις μεταβολές γίνονται ταυτόχρονα: Η Ε2 είναι μία σύγχρονη διεργασία, ενός σταδίου. 35
Οι αντιδράσεις Ε2 πραγματοποιούνται σε ένα στάδιο Σχήμα 7-8 Περιγραφή με τροχιακά της αντίδρασης Ε2 του 2-μεθυλο-2- χλωροπροπανίου με ιόν υδροξειδίου. 36
Οι αντιδράσεις Ε2 πραγματοποιούνται σε ένα στάδιο Σχετική δραστικότητα στην αντίδραση Ε2 RI > RBr > RCl > RF Αυξανόμενη Στη διμοριακή αντίδραση, η απόσπαση του πρωτονίου και η αποχώρηση της αποχωρούσας ομάδας είναι ταυτόχρονες, όπως φαίνεται στην μεταβατική κατάσταση παραπάνω (όπως φαίνεται στην προβολή κατά Newman). 37
Η λεπτομερής δομή της μεταβατικής κατάστασης της αντίδρασης Ε2 διευκρινίζεται πειραματικά Πρώτον, ο νόμος της ταχύτητας δευτέρας τάξεως απαιτεί να παίρνουν μέρος στο καθοριστικό της ταχύτητας στάδιο και το αλογονοαλκάνιο και η βάση. Δεύτερον, καλύτερες αποχωρούσες ομάδες καταλήγουν σε ταχύτερες αποσπάσεις. Η τρίτη παρατήρηση όχι μόνο δείχνει καθαρά ότι τόσο ο δεσμός C H όσο και ο δεσμός C Χ σχάζονται στη μεταβατική κατάσταση, αλλά επίσης περιγράφει τον σχετικό προσανατολισμό τους στο χώρο όταν λαμβάνει χώρα αυτό το γεγονός. 38
7-8 Ανταγωνισμός μεταξύ υποκατάστασης και απόσπασης: Η δομή καθορίζει τον τρόπο αντίδρασης Ασθενώς βασικά πυρηνόφιλα αντιδραστήρια οδηγούν σε αντιδράσεις υποκατάστασης 39
7-8 Ανταγωνισμός μεταξύ υποκατάστασης και απόσπασης: Η δομή καθορίζει τον τρόπο αντίδρασης Ασθενώς βασικά πυρηνόφιλα αντιδραστήρια οδηγούν σε αντιδράσεις υποκατάστασης Τα ασθενή πυρηνόφιλα όπως το νερό και οι αλκοόλες αντιδρούν με αξιόλογες ταχύτητες μόνο με δευτεροταγή και τριτοταγή αλογονίδια, υποστρώματα ικανά να ακολουθήσουν την πορεία S N 1. Η μονομοριακή απόσπαση είναι συνήθως μία δευτερεύουσα παράπλευρη αντίδραση. 40
Τα ισχυρώς βασικά πυρηνόφιλα αντιδραστήρια δίνουν περισσότερο προϊόν απόσπασης καθώς αυξάνει ο στερεοχημικός όγκος Αυξανόμενος στερεοχημικός όγκος Αυξανόμενη αναλογία του προϊόντος Ε2 Ο μηχανισμός S N 2 δεν ευνοείται στα τριτοταγή αλογονίδια. Οι πορείες S N 1 και Ε1 ανταγωνίζονται κάτω από ουδέτερες και ασθενώς βασικές συνθήκες. Όμως, οι υψηλές συγκεντρώσεις ισχυρής βάσης δίνουν αποκλειστικά αντίδραση Ε2. 41
Στερεοχημικά παρεμποδισμένα βασικά πυρηνόφιλα αντιδραστήρια ευνοούν την απόσπαση 42
Στερεοχημικά παρεμποδισμένα βασικά πυρηνόφιλα αντιδραστήρια ευνοούν την απόσπαση 43
7-8 Ανταγωνισμός μεταξύ υποκατάστασης και απόσπασης: Η δομή καθορίζει τον τρόπο αντίδρασης Συνοψίζοντας: Παράγοντας 1. Ισχύς του πυρηνόφιλου ως βάσης Ασθενείς βάσεις Ισχυρές βάσεις H 2 O *, ROH *, PR 3, αλογονίδια, HO, RO, H 2 N, R 2 N RS, N 3, NC, RCOO Πιο πιθανή η υποκατάσταση Ευνοείται πολύ η απόσπαση Αντιδρά μόνο με S N 1 υποστρώματα καμιά αντίδραση με τα απλά πρωτοταγή ή μεθυλο-αλογονίδια. Παράγοντας 2. Στερεοχημική παρεμπόδιση γύρω από τον αντιδρώντα άνθρακα Στερεοχημικά μη παρεμποδισμένα Πρωτοταγή αλογονοαλκάνια Πιο πιθανή η υποκατάσταση Στερεοχημικά παρεμποδισμένα Διακλαδισμένα πρωτοταγή, δευτεροταγή, τριτοταγή αλογονοαλκάνια Αυξημένη πιθανότητα απόσπασης 44
Παράγοντας 3. Στερεοχημική παρεμπόδιση στο πυρηνόφιλο (ισχυρή βάση) Στερεοχημικά μη παρεμποδισμένα Στερεοχημικά παρεμποδισμένα HO, CH 3 O, CH 3 CH 2 O, H 2 N (CH 3 ) 3 CO, [(CH 3 ) 2 CH] 2 N Πιθανή υποκατάσταση Ευνοείται πολύ η απόσπαση 45
7-9 Σύνοψη της δραστικότητας των αλογονοαλκανίων Πρωτοταγή αλογονοαλκάνια. Τα μη παρεμποδισμένα πρωτοταγή αλκυλο-υποστρώματα αντιδρούν πάντοτε με τον διμοριακό τρόπο και σχεδόν πάντοτε δίνουν κυρίως προϊόντα υποκατάστασης, εκτός αν χρησιμοποιηθούν στερεοχημικά παρεμποδισμένες ισχυρές βάσεις, όπως το tert-βουτοξείδιο του καλίου. Στις περιπτώσεις αυτές, η πορεία S N 2 επιβραδύνεται αρκετά εξαιτίας στερεοχημικών αιτίων επιτρέποντας στον Ε2 μηχανισμό να επικρατήσει. Δευτεροταγή αλογονοαλκάνια. Τα δευτεροταγή αλκυλο-συστήματα υφίστανται, ανάλογα με τις συνθήκες, τόσο αποσπάσεις όσο και υποκαταστάσεις με οποιαδήποτε πιθανή πορεία: μονοή διμοριακή. Τα καλά πυρηνόφιλα ευνοούν την αντίδραση S N 2, οι ισχυρές βάσεις οδηγούν στην αντίδραση Ε2 και τα ασθενώς πυρηνόφιλα πολικά μέσα δίνουν κυρίως αντιδράσεις S N 1 και Ε1. Τριτοταγή αλογονοαλκάνια. Τα τριτοταγή συστήματα δίνουν αντιδράσεις απόσπασης (Ε2) με πυκνές ισχυρές βάσεις και υποκατάστασης σε μη βασικά μέσα (S N 1). Διμοριακή υποκατάσταση δεν παρατηρείται σχεδόν ποτέ, αλλά η αντίδραση απόσπασης μέσω μηχανισμού Ε1 συνοδεύει αυτήν της υποκατάστασης μέσω του μηχανισμού S N 1. 46
7-9 Σύνοψη της δραστικότητας των αλογονοαλκανίων Πίνακας 7-4 Πιθανοί μηχανισμοί αντίδρασης των αλογονοαλκανίων με πυρηνόφιλα (βάσεις) Τύπος πυρηνόφιλου (βάσης) Τύπος αλογονοαλκανίου Φτωχό πυρηνόφιλο (π.χ.η 2 Ο) Ασθενώς βασικό, καλό πυρηνόφιλο (π.χ., Ι ) Ισχυρά βασικό, μη παρεμποδισμένο πυρηνόφιλο (π.χ., CH 3 O ) Ισχυρά βασικό, παρεμποδισμένο πυρηνόφιλο [π.χ., (CH 3 ) 3 CO ] Μεθυλο Καμία αντίδραση S N 2 S N 2 S N 2 Πρωτοταγές Μη παρεμποδισμένο Καμία αντίδραση S N 2 S N 2 E2 Διακλαδισμένο Δευτεροταγές Τριτοταγές Καμία αντίδραση Βραδεία S N 1, E1 S N 1, E1 S N 2 S N 2 S N 1, E1 E2 E2 E2 E2 E2 E2 47