Substytucja nukleofilowa

Substytucja nukleofilowa
Katarzyna Ostrowska
Reakcja podstawienia nukleofilowego polega na wymianie grupy X związanej z atomem węgla na odczynnik
nukleofilowy Nu. Podstawnikiem X jest przeważnie grupa elektronoakceptorowa, która polaryzuje wiązanie C-X a
następnie odchodzi z parą elektronową.
.
+
+
+
X = -Cl, -Br, -I, -OSO3H, -OH
-NR3
__ 2, -OHR,
__
Nu :
+
R X
R Nu
:X -
+
Odczynnikami nukleofilowymi są obojętne cząsteczki z wolnymi parami elektronowymi lub aniony, na przykład:
__ - __ - __ - __ __ __ - __ _ I -,
_
__I , RO
__I , ArO
__I , HS
__I , IN=C
Nu = I_
ClI , I_
Br
I I , HO
_ I , I__
__
__
__
__
__
__
H-O-H,
R-O-H,
NH3 , NH2R , NHR2
__
Przykłady reakcji substytucji nukleofilowej:
R X
OH -
R OH
OR1-
R O
nadmiar NH3
HC
C: -
HX
R OH
R1
hydroliza alkaliczna
X-
+
+
X-
synteza eterów Williamsona
_
R NH2
synteza amin
R C CH
synteza alkinów
R X
+
synteza halogenków
alkilowych
H2O
Ze względu na liczbę z cząsteczek biorących udział w stadium decydującym o szybkości reakcji można
wyróżnić dwa skrajne mechanizmy reakcji:
a) jednocząsteczkowe podstawienie nukleofilowe SN1
b) dwucząsteczkowe podstawienie nukleofilowe SN2
W przypadku reakcji SN1 podstawienie przebiega dwuetapowo. W pierwszym odwracalnym i najwolniejszym
etapie następuje rozerwanie wiązania C-X z wytworzeniem płaskiego karbokationu. Od jego stabilności zależy szereg
reaktywności substratów. Trwałość karbokationów zależy od rzędowości atomu węgla. (3° > 2° > 1° >CH3X ).
R2
1
R __
1
R
powoli
X
R
2
+
3
R
R
3
26
Drugi etap polega na ataku odczynnika nukleofilowego Nu na atom węgla o hybrydyzacji sp2 i utworzeniu
wiązania nukleofil-węgiel. Ze względu na jednakowe prawdopodobieństwo ataku wynikające z płaskiej budowy
karbokationu, uzyskuje się mieszaninę racemiczną produktów reakcji.
R
Nu __
b
wolny orbital p
Powstaje większa ilość
produktu o konfiguracji
odwróconej w stosunku do
substratu
R1
1
R3
R
+
3
2
R R
I Nu
2
R2
1
R __
a
Powstaje mniejsza ilość
produktu o konfiguracji
substratu
Nu
R3
Reakcja podstawienia dwucząsteczkowego SN2 przebiega jednoetapowo. Zrywanie i tworzenie wiązań zachodzi
równocześnie w sposób ciągły. Odczynnik nukleofilowy zbliża się do spolaryzowanej cząsteczki RX od strony
przeciwnej do tej, którą zajmuje podstawnik X. W trakcie zbliżania się reagenta Nu zostaje osiągnięty stan przejściowy,
w którym nukleofil nie jest jeszcze w pełni związany z atomem węgla , a podstawnik X nie jest jeszcze całkowicie
oderwany. Reakcja zachodzi z inwersją konfiguracji tzn. w wyniku podstawienia powstaje analogiczna cząsteczka będąca
odbiciem lustrzanym związku wyjściowego.
Nu
+
X
Nu
Nu
X
+
X-
stan przejściowy
Innym przykładem reakcji substytucji nukleofilowej jest reakcja zachodząca na atomie węgla o hybrydyzacji sp2.
Ulegają jej pochodne kwasów karboksylowych (kwasy, chlorki kwasowe, estry, bezwodniki) z zasadami. Przebiega ona
przez dwa odwracalne etapy : addycję i eliminację. W pierwszym etapie odczynnik nukleofilowy atakuje atom węgla
grupy karbonylowej. Następnie powstały tetraedryczny produkt pośredni ulega rozkładowi z wydzieleniem jonu X- ( X=
NH2,OH, OR, OH).
−
δ
|O|
+
C δ
R
X
+
_
|O|
addycja
-|Nu
R
O
eliminacja
C X
+
C
R
Nu
|X-
Nu
Dodanie mocnych kwasów znacznie przyspiesza powyższe reakcje. Proton H⊕ zostaje przyłączony do atomu
tlenu zwiększając tym samym polaryzację wiązania podwójnego i podatność atomu węgla grupy karbonylowej na atak
nukleofilowy. Reakcja przebiega zgodnie z mechanizmem:
1) protonowanie
+
H
|O
|O|
+
C
R
X
H+
C
R
X
2) addycja-eliminacja
27
+ H
|O
R
C
R C X
_ H
|O +
R C XH
+ Nu
Nu
_ H
|O
+
|NuH
X
H
+ H
|O
+ XH
C
R
Nu
3) deprotonacja
+ H
|O
|O|
R
R
Nu
H+
+
C
C
Nu
Typowym przykładem powyższego mechanizmu jest synteza estrów katalizowana kwasami. Reakcje kwasu z
alkoholem oraz transestryfikacja są przemianami odwracalnymi, w czasie których wytwarza się stan równowagi
chemicznej. Aby przesunąć stan równowagi w stronę tworzenia produktu używa się dużego nadmiaru alkoholu lub w
sposób ciągły usuwa się z reagującej mieszaniny jeden z produktów.
O
RC OH, H
R1O
O
RC OR1
H
O
O
RC O CR
O
RC Cl
+
HO H
+
RCOO H
+
Cl H
+
R2O H
O
RC OR1
O
RC OR1
O
RC OR2
O
RC OR1
28
Benzoesan 2-naftylu
O
COCl
NaO
C
O
+
Odczynniki:
2-naftol
1,8 g (0,0125 m)
Wodorotlenek sodu
0,5 g rozpuszczony w 10 cm3 wody
chlorek benzoilu
1,8 g (1,5 cm3,0,013 m )
etanol
Aparatura:
zlewka o poj. 100 cm3
erlenmajerka z korkiem o poj. 50 cm3
zestaw do sączenia
zestaw do krystalizacji
Dokładnie rozdrobniony 2-naftol rozpuszcza się na zimno w przygotowanym wcześniej roztworze wodorotlenku
sodu, jeśli potrzeba, dodaje się nieco więcej wody. Jeśli roztwór jest silnie zabarwiony, dodaje się 0,5 g węgla aktywnego
i sączy zimny roztwór przez sączek z twardej bibuły. Roztwór wlewa się do kolby stożkowej o poj. 50 cm3 i dodaje się
chlorek benzoilu. Szczelnie zakorkowaną kolbę wstrząsa się energicznie przez 20 min, do zaniku zapachu chlorku
benzoilu. Stały produkt odsącza się na lejku Büchnera i przemywa niewielką ilością zimnej wody. Surowy ester
krystalizuje się z etanolu. Wydzielony, krystaliczny osad suszy się na powietrzu.
Otrzymuje się 2,5 g produktu o tt. 110 oC.
Uwaga: Reakcję należy prowadzić pod wyciągiem. Operacje z silnie drażniącym chlorkiem benzoilu należy
wykonywać w gumowych rękawiczkach ochronnych.
Kwas acetylosalicylowy (Aspiryna)
OH
OCOCH3
+
(CH3CO)2O
COOH
COOH
Odczynniki:
kwas salicylowy
bezwodnik octowy
kwas siarkowy(VI) stęż.
etanol.
2,5 g (0,018 m)
4 g (3,7 cm3, 0,039 m)
5 kropli
Aparatura:
erlenmajerka o poj. 50 cm3
łaźnia olejowa
mieszadło magnetyczne z temoregulacją
termometr
zlewka o poj. 150 cm3
zestaw do sączenia
zestaw do krystalizacji
Do erlenmajerki o poj. 50 cm3 umieszczonej w łaźni olejowej na mieszadle magnetycznym, wprowadza się kwas
salicylowy, bezwodnik octowy i kwas siarkowy(VI). Zawartość kolby ogrzewa się ją do temp. 60 oC ciągle mieszając, do
momentu pojawienia się kryształków produktu (około 20 min). Następnie mieszaninę pozostawia się do ostygnięcia . Po
29
ostudzeniu ciecz wylewa się do 40 cm3 wody, dobrze miesza i odsącza wydzielony produkt. Krystalizuje się z rozc.
etanolu (4 objętość wody : 1 objętości EtOH). Otrzymuje się 3 g (98% wydajności teoretycznej) o tt. 135 oC.
Uwaga: Bezwodnik octowy jest cieczą o własnościach silnie parzących i łzawiących. Pracę należy wykonywać pod
wyciągiem.
Chlorek tert-butylu
CH3
H3C
C
OH
CH3
+
HCl
H3C
CH3
C
Cl
+
H2O
CH3
Odczynniki:
tert-butanol
12,5 g (16,5 cm3, 0,17 m) )
kwas chlorowodorowy stęż.
50 cm3 (0,6 m)
5 % roztw. wodorowęglanu sodu
10 cm3
bezw. chlorek wapnia
Aparatura:
rozdzielacz o poj. 150 cm3
erlenmajerka z korkiem o poj. 150 cm3
zlewka o poj. 150 cm3
W rozdzielaczu o poj. 150 cm3 umieszcza się tert-butanol i 40 cm3 stężonego kwasu solnego. Zawartość
rozdzielacza wstrząsa się energicznie i pozostawia na kilka minut. Czynność tę powtarza się kilkakrotnie w ciągu około
20 min. Po każdym wstrząsaniu należy na chwilę otworzyć kurek rozdzielacza. Następnie oddziela się dolną warstwę, do
rozdzielacza dodaje się 10 cm3 stężonego kwasu chlorowodorowego, kilkakrotnie wstrząsa i pozostawia do
rozwarstwienia. Warstwę dolną ponownie oddziela się, a górną przemywa kolejno 10 cm3 wody, 10 cm3 5% roztworu
wodorowęglanu sodu i suszy bezw. chlorkiem wapnia. Po odsączeniu od czynnika suszącego produkt destyluje się z
kolby okrągłodennej zaopatrzonej w deflegmator, zbierając frakcję wrzącą w temp. 49-51 oC.
Wydajność 14,5 g (90%)
Uwaga: Pracę należy wykonywać w gumowych rękawiczkach ochronnych pod wyciągiem.
Acetanilid
NH2 +
(CH3CO)2O
NHCOCH3
Odczynniki:
anilina
bezwodnik kwasu octowego
kwas octowy lodowaty
pył cynkowy
5,1 g (5 cm3, d = 1.022 g/cm3, 0,055 m)
5,4 g (5 cm3, 0,053 m)
5,2 g (5 cm3, 0,087 m)
ok. 100 mg
Aparatura:
kolba okrągłodenna o poj. 100 cm3
chłodnica zwrotna
zlewka 250 cm3
łaźnia lodowa
zestaw do sączenia
zestaw do krystalizacji
W kolbie kulistej o poj. 100 cm3, zaopatrzonej w chłodnicę zwrotną, umieszcza się anilinę, bezwodnik octowy,
lodowaty kwas octowy i szczyptę pyłu cynkowego. Mieszaninę ogrzewa się łagodnie do wrzenia w ciągu 30 min, a
następnie gorącą ciecz wylewa się cienkim strumieniem do zlewki o poj. 250 cm3, zawierającej 150 cm3 zimnej wody,
30
przy czym zawartość zlewki należy stale mieszać. Po oziębieniu (korzystne jest chłodzenie w lodzie) surowy produkt
odsącza się pod zmniejszonym ciśnieniem, przemywa niewielką ilością zimnej wody, dobrze odciska. Otrzymuje się 7,5 g
acetanilidu o tt. 113 oC. Po krystalizacji z ok. 100 cm3 wody z dodatkiem 2,5 cm3 etanolu otrzymuje się 5 g czystego
związku o tt. 114 oC.
Uwaga: Praca z substancjami toksycznymi. Praca pod wyciągiem w rękawicach ochronnych.
31