Document

Transcription

Document
Föreläsning 9
• Reaktionslära II
• Kapitel 9.1-9.6
1) Introduktion
2) Monomolekylära nukleofila substitutioner
3) Parametrar
4) Sammanfattning
5) Exempel
F9
1. Introduktion
• Vad gör senapsgas så farlig?
F9
2. Nukleofila substitutioner
F9
• Bimolekylär nukleofil substitution
•mekanism
H
H
Br
HO
H
δ
HO
H
H
H
δ
Br
H
Övergångstillstånd
Transition state
(TS)
H
HO
H
Br
2. Nukleofila substitutioner
• Bimolekylär nukleofil substitution
•reaktionskoordinatdiagram
δ
HO
ΔG
H
H
δ
Br
H
•övergångstillstånd
kan inte isoleras!
ΔG‡
H
H
H
ΔG°
Br
H
HO
H
HO
H
Br
F9
2. Nukleofila substitutioner
• Lösningsmedlet
•Polaritet - ett lösningsmedelspolaritet bestäms av
dielektricitetskonstanten
•Protisk och aprotiska
•protiska lösningsmedel har väten som är bundna
till N eller O
•aprotiska lösningsmedel har inte väten som är bundna
till N eller O
F9
2. Nukleofila substitutioner
• Lösningsmedlet
ε
80
dimetylformamid (DMF)
H 2O
O
40
S
O
CH3OH
H
N
O
O
0
OH
Protic
Aprotic
aceton
F9
2. Nukleofila substitutioner
F9
• Bimolekylär nukleofil substitution SN2
v = k [nukleofil] [elektrofil]
lösningsmedel
temperatur
HO
nukleofil
H3C
Br
elektrofil
DMF
OH
22 °C
produkt
CH3
Br
lämnande grupp
2. Nukleofila substitutioner
• Summering
SN2
Elektrofil (E+)
Me > 1° > 2°
Nukleofil (Nu-)
stark ohindrad bas
Hastighet
v=k[Nu-][E+]
(andra ordningens
reaktion)
polärt aprotiskt
(DMF, DMSO,
CH3CN)
svag
bas
Lösningsmedel
Lämnande grupp
Produkt
inversion
F9
2. Nukleofila substitutioner
F9
• Bimolekylär nukleofil substitution SN2
v = k [nukleofil] [elektrofil]
polärt aprotiskt lösningsmedel
HO
H3C
Br
DMF
OH
22 °C
metylbromid
CH3
Br
2. Nukleofila substitutioner
• Monomolekylär nukleofil substitution SN1
v = k [elektrofil]
polärt protiskt lösningsmedel
HO
H 2O
Br
OH
22 °C
3° elektrofil
Br
F9
2. Nukleofila substitutioner
• SN1- mekanism
HO
+ Br
Br
OH
Intermediat
δ
δ
Br
TS1
δ δ
HO
TS2
F9
2. Nukleofila substitutioner
• SN1- mekanism
ΔG
δ
F9
δ
Br
TS1
δ δ
HO
TS2
ΔG‡(1)
Br
ΔG‡(2)
ΔG°
OH
2. Nukleofila substitutioner
F9
• Hastighetsbestämmande steg
ΔG‡(1)
Br
långsam
hastighetsbestämmande steg
snabb
OH
ΔG‡(2)
2. Nukleofila substitutioner
• Hastighetsbestämmande steg
•det långsammaste steget i en
reaktion bestämmer totala
hastigheten
storleken på
detta hål bestämmer
hastigheten
storleken på
detta hål påverkar
inte hastigheten
F9
2. Nukleofila substitutioner
F9
• Monomolekylär nukleofil substitution SN1
v = k [elektrofil]
temperatur
HO
lösningsmedel
H 2O
Br
OH
Br
22 °C
nukleofil
elektrofil
produkt
lämnande grupp
3. Parametrar
F9
• Nukleofilen
•nukleofilens utseende och koncentration spelar endast en
liten roll för reaktionens hastighet
•oftast är lösningsmedlet nukleofil
v = k [elektrofil]
3. Parametrar
F9
• Lösningsmedlet
•lösningsmedlet är mycket viktigt
•i det hastighetsbestämmande steget bildas joner
•polära protiska lösningsmedel stabiliserar både anjoner
och katjoner
Cl
Hδ
δ H
O
δ
Na
3. Parametrar
F9
• Lösningsmedlet
•lösningsmedlet är mycket viktigt
•i det hastighetsbestämmande steget bildas joner
•polära protiska lösningsmedel stabiliserar både anjoner
och katjoner
H
H
O
δ
H
Br
H
δ
O
O
H
δ
OH2
H
H
Oδ
H
•solvolys - lösningsmedlet reagerar
OH
3. Parametrar
F9
• Lösningsmedlet
•lösningsmedlet är mycket viktigt
•i det hastighetsbestämmande steget bildas joner
•polära protiska lösningsmedel stabiliserar både anjoner
och katjoner
ROH
Cl
RO
lösningsmedel
relativ
hastighet
etanol
1
vatten/etanol (40:60)
100
vatten/etanol (80:20)
14000
vatten
100000
HCl
3. Parametrar
F9
• Elektrofilen
•en karbokatjon bildas i det hastighetsbestämmande steget
•jon med positiv laddning på kol
•alkylgrupper kan donera in elektroner (induktion)
•ju fler alkylgrupper desto stabilare katjon
•ju stabilare katjon desto snabbare reaktion
3. Parametrar
F9
• Elektrofilen
•alkylgrupper kan donera in elektroner (induktion)
•ju fler alkylgrupper desto stabilare katjon
•ju stabilare katjon desto snabbare reaktion
H
H
H
CH3
H
H
metylkatjon
primär
H
CH3
CH3
sekundär
praktisk gräns
H3C
CH3
CH3
tertiär
stabilare karbokatjon
snabbare SN1-reaktion
3. Parametrar
F9
• Elektrofilen
•alkylgrupper kan donera in elektroner (induktion)
•ju fler alkylgrupper desto stabilare katjon
•ju stabilare katjon desto snabbare reaktion
•senare....
H
H
H
H
H
metyl- aryl
katjon
CH3
vinyl
H
H3C
CH3
CH3
CH3
primär sekundär allyl
praktisk gräns
CH3
bensyl
tertiär
stabilare karbokatjon
snabbare SN1-reaktion
3. Parametrar
• Elektrofilen
hastighet = 1
1
43
praktisk gräns
100 000 000
F9
3. Parametrar
• Elektrofilen
•vinylhalogenider och arylhalogenider reagerar inte!
Br
Br
•bensylhalogenider reagerar bra!
Br
F9
3. Parametrar
• Temperatur
•som en tumregel gäller att en ökning av temperaturen
med 10° ger en dubblering av reaktionshastigheten
•problem: bireaktioner
F10
F9
3. Parametrar
F9
• Produkten
•karbokatjoner är plana
•attacken av nukleofilen kan ske från båda sidor
HO
Br
+ Br
OH
•detta ger en racemisk blandning (om stereokemi)
3. Parametrar
• Produkten
•detta ger en racemisk blandning (om stereokemi)
(R)
Br
MeO
50 %
(S)
Br
OMe
50 %
F9
3. Parametrar
• Lämnande gruppen
•lämnande gruppen är mycket viktig
•ofta bildas en anjon
O
S
lämnande
grupp
pKa
(motsvarande
syra)
relativ hastighet
hydroxid (HO-)
16
--
fluorid (F-)
3
1
klorid (Cl-)
-7
200
bromid (Br-)
-9
10000
jodid (I-)
-10
30000
tosylat
-6
60000
O
O
tosylat
F9
3. Parametrar
• Lämnande gruppen
•lämnande gruppen är mycket viktig
•vatten är en bra lämnande grupp
H3O
OH
OH2
HO-, dålig lämnande grupp
H2O, bra lämnande grupp
F9
4. Sammanfattning
SN2
SN1
Elektrofil (E+)
Me > 1° > 2°
3° > 2°
Nukleofil (Nu-)
stark ohindrad bas
ofta lösningsmedlet
Hastighet
v=k[Nu-][E+]
(andra ordningens
reaktion)
polärt aprotiskt
(DMF, DMSO,
CH3CN)
svag
bas
v=k[E+]
(första ordningens
reaktion)
polärt protiskt
(H2O, MeOH)
inversion
racemat
Lösningsmedel
Lämnande grupp
Stereokemi
svag bas
F9
5. Exempel
F9
• Vilken förening reagerar snabbast i en SN1reaktion?
Br
Br
OEt
O
5. Exempel
F9
• Reagerar denna i en SN2 eller en SN1?
Br
5. Exempel
F9
• Hur går detta till?
H3O
O
OH
OH
5. Exempel
F9
• Kemiska stridsmedel
• Senapsgas
-svårflyktig vätska utan doft
-mycket kraftig elektrofil
Cl
S
senapsgas
Cl
Cl
S
episulfoniumjon
5. Exempel
Cl
Cl
Cl
Cl
HOOC
S
N
N
N
F9
Cl
•senapsgas, kemiskt stridsmedel
Cl
•kvävesenapsgas, kemiskt stridsmedel
•testat som cancerläkemedel
•dock för snabb hydrolys
Cl
Cl
•testat som cancerläkemedel
•lagom snabb hydrolys
•för dålig löslighet
•cancerläkemedel
•klorambucil