Tema 5 REACŢII DE SUBSTITUŢIE NUCLEOFILĂ (S N -REACŢII) ŞI DE ELIMINARE (E - REACŢII) LA ATOMULDE CARBON IBRIDIZAT sp 3
1. Reacții de substituție nucleofilă (SN reacții) Reacţiile de substituţie nucleofilă (SN) sunt caracteristice pentru: alogenoderivați ( R - Br), Alcooli (R -ОН), Tioli (R - SН) Amine (R NН 2 ).
Legătura dintre carbon şi heteroatom este puternic polarizată δ+ δ- X C Schema reacției de substituție nucleofilă: Nu - δ+ δ- + C X Nu C + X - Nucleofil Substrat Produsul Grupa reacţiei deplasantă
Reacţiile de substituţie nucleofilă în seria derivaţilor halogenaţi (reacţiile de alchilare) se utilizează pe larg în sinteza compușilor biologic activi, inclusiv şi a medicamentelor. De exemplu: 1. idroliza halogenoderivaţilor (nucleofil anionul hidroxid O - ) formarea alcoolilor: R X + NaO R O + NaX Alcool 2. Alchilarea alcoolilor ( nucleofil alcoxid-ionul RO - ), obţinerea eterilor: R X + RO - Na + R O R + NaX Eter
3. Alchilarea fenolilor ( nucleofil fenoxid-ionul ArO - ), obţinerea eterilor aromatici: R X + ArO - Na + R O Ar + NaX Eter aromatic 4. Obţinerea şi alchilarea tiolilor ( nucleofil S - şi RS - ) R X + NaS R S + NaX Tiol (tioalcool) R X + RSNa R S R + NaX Tioeter
5. Alcilarea amoniacului ( nucleofil N 3 ), obţinerea aminelor primare: R X + N R N 2 + 3 NaX Amină primară 6. Alchilarea aminelor (nucleofil RN 2 sau R 2 N), obţinerea aminelor secundare şi terţiare: R X + R N 2 R N R + NaX Amină secundară R X + R N R + NaX R N R R Amină terţiară
Reacţiile de substituţie nucleofilă la atomul de carbon saturat poate decurge în conformitate cu două mecanisme principale S N 2 - Substituţia nucleofilă bimoleculară S N 1 Substituţia nucleofilă monomoleculară
Să examinăm mecanismul SN2, luând ca exemplu reacţia de hidroliză a bromurii de etil: C 2 Br + NaO Bromura de etil C 2 O + NaBr Etanol Mecanismul S N 2 δ+ δ - O - + C Br δ+ δ - O - C Br O C Starea de tranziţie + Br -
Reacţiile de substituţie nucleofilă cu mecanismul S N 1 sunt caracteristice pentru derivaţii halogenaţi terţiari şi pentru alcooli. C Br + NaO C O + NaBr Bromura de terţ-butil Terţ-butanol Mecanismul S N 1 δ+ δ - C Br -Br - C + Carbocation C O - 3 C O
Mecanismul S N 1 e compus din două etape: prima lentă de disociere cu formarea carbocationului şi a doua rapidă de adiţie a nucleofilui la carbocation. În cazul alcoolilor, tiolilor, aminelor, care conţin grupe greu deplasabile, reacţiile de substituţie nucleofilă decurg în condiţii de cataliză acidă necesară pentru a transforma grupele greu deplasabile (O, S, N 2 ) în grupe uşor deplasabile ( 2 O, 2 S, N 3 ). De exemplu, substituția nucleofilă la alcooli are loc numai în condiții de cataliza acidă C 2 O + Cl (NaCl + 2 SO 4 ) C 2 Cl + 2 O Etanol Cloretan
Mecanismul S N 1, în substituția nucleofilă la alcooli : C 2 O + + C 2 O Substrat Cation de oxoniu - 2 O C 2 +Cl - C 2 Cl Carbocation Produsul reacţei Astfel, substituţia grupei hidroxilice din alcooli cu halogeni are loc în mediul acid la încălzire, în două etape de protonizare şi eliminare în formă de apă a grupei hidroxil (greu deplasabilă)
În organismele vii în calitate de grupe uşor deplasabile intervin ionii de fosfat, difosfat, trifosfat. Ca exemplu, este biosinteza S-adenozilmetioninei din metionină şi ATP: O O O - O P O P O P OC 2 O - O - O - O ATP substrat O A O + S C 2 C2 C COO N 2 Metionină nucleofil OOC C C 2 C 2 S C 2 + N 2 O A + O O O - O P O P O P O O - O - O - - S-adenozilmetionină O O Ion de trifosfat
S-Adenozilmetionina este un agent de metilare biologică, utilizat în procesul de transformare a noradrenalinei în adrenalină: N 2 O O C O N C 2 N 2 + N N N O C 2 S C 2 C 2 C COO + N 2 Noradrenalina O O S Adenozilmetionina N 2 N N O O O N N C O C 2 N + Adrenalina O C 2 S C 2 C 2 C N 2 COO O S Adenozilhomocisteina
Reacţii de eliminare (E-reacţii) C C X + B - (Nucleofil-bază) Centrul acidic R C C + B + X - Alchenă Eliminarea bimoleculară. Mecanismul E 2 : C C 2 1-Clorpropan alcool Cl + KO C C 2 + KCl + 2 O Propenă
β α β α C C 2 Cl + O - C C 2 Cl O - Stare de tranziție C C 2 + Cl - + O Schema mecanismului demonstrează că reacţia prezintă o eliminare bimoleculară (mecanismul E2).
Eliminarea monomoleculară. Mecanismul E1: 1. alogenuri terțiare: alcool C Br + KO C C 2 + KBr + 2 O t o Bromura de 2-metilpropena terţ-butil Mecanismul Е1 : O - C Br C + C C 2 O 3 C - 2 Br - - C 2 Carbocation
2. Dehidratarea alcoolilorare loc la încălzire în mediul puternic acid. + ( 2 SO 4 ) C 2 O C 2 C 2 + 2 O Etanol Etilenă 1) Protonizarea alcoolului (decurge rapid): C 2 O + + C 2 O + Cationul de etiloxoniu
2) Formarea carbocationului (etapa lentă determinantă de viteză): + C 2 O + C 2 Etilcarbocation + 2 O 3) Regenerarea protonului (decurge rapid): C 2 C 2 + 2 O C 2 C 2 + 3 O +
Reacţiile de dehidratare a substraturilor ce conţin grupe hidroxilice au loc şi în sistemele vii. OOC C C 2 O COO - 2 O OOC C C COO acidul malic acidul fumaric COO COO COO O C 2 COO _ 2 O C C COO + 2 O O C C COO C 2 C 2 C 2 COO COO COO Acidul citric Acidul cis-aconitic Acidul izocitric