9. Seminář z organické chemie
Nukleofilní alifatická substituce
..e
Nu
odstupující nukleofil skupina
I ..0
-C-Nu + X I
Odstupující skupina je konjugovanou bází silné kyseliny:
kyselina
Hl HBr
HCI
o m
ho-s
-11 -9 -7
o
-CH3
„©
H30
konjugovaná báze
0
Br
©
o
O-S—P x
II
o
H2Q
CH3
Bimolekulární nukleofilní substituce Sn2 Součinný proces.
.£)
Br:
h-b
..0
:Br:
R. K.
Trajektorie přiblížení nukleofilu   v ose vazby C—X
0 _\
NuO'
Pokud probíhá Sn2 na centru chirality, dochází k inverzi konfigurace (Waldenův zvrat)
h3
Nu-("R2   + X*
.©
Rychlostní rovnice - bimolekulární mechanismus
dc(R-Nu)       dc(R-X)     , > ,
v = —-- =-----        = k ■ c(R-X) • cNu"
dí dí
v je rychlost reakce a k je (bimolekulární) rychlostní konstanta, závisí na reaktivitě substrátu, nukleoŕilu, rozpouštědle, teplotě... Součin koncentrací c(R-X) • c(Nu~) je přímo úměrný pravděpodobnosti srážek molekul.
V tranzitním stavu je atom uhlíku substrátu obklopen substituenty, nukleofilem a odstupující skupinou —> jeho energie (a tím i aktivační energie Ea spolu s rychlostní konstantou) silně závisejí na sterické náročnosti substituentů.
Monomolekulární nukleofilní substituce SnI
Mechanismus reakce zahrnuje dva kroky.
Meziproduktem SnI je nestabilní (a reaktivní) karbokation —> aktivační energie prvního kroku je výrazně vyšší než aktivační energie druhé reakce - první krok je výrazně pomalejší než druhý, stává je krokem určujícím celkovou rychlost reakce.
Rychlostní rovnice - monomolekulární mechanismus
dcgUNu) = _dcffijO =
dí dí y J
v je rychlost reakce a k je (monomolekulární) rychlostní konstanta, závisí na reaktivitě substrátu, rozpouštědle, teplotě...
Reakční rychlost SnI nezávisí na koncentraci ani kvalitě nukleoŕilu. Velkou roli ale hraje stabilita karbokationtu.
E
	\   ® /~\	
		\     Ea2 > Ea1
	Ea2	
		
		
RXJ		
		\RNu_
R. K.
2
Elektrondonorní substituenty (1+ a/nebo M+ efekt) stabilizují sextetový atom uhlíku. Obecné pořadí stability karbokationtů:
sekundami   aNy|kation r ^Jh2
hp       ^    a r-u      -   alkylkation I H3C        <     R-CH2    < < R^.R
methylkation       primární © ,or~Arn!
alkylkation H2C-OH benzy|kation
hydroxymethylový kation
Pokud probíhá SnI na centru chirality, dochází k racemizaci (někdy nemusí být úplná efekt iontového páru s X-).
■ prázdný p orbital
1 l /Vr2   + r^nu
Nu' V"2
"3
Shrnutí
Optimální podmínky pro průběh nukleofilní substituce monomolekulárním nebo bimolekulárním mechanismem.
	Sn2	SnI
Substrát	CH3- nebo 1°	3°
Nukleoril	Dobrý	Nezáleží
Odstupující skupina	Dobrá	Výborná
Rozpouštědlo	Polární aprotické	Polární protické
Příklady:
1. Napište strukturu produktů nebo výchozích látek následujících reakcí. Odhadněte také, jakým mechanismem reakce probíhá.
© ©
O Na
H3C-I
CH3
H3C—|— Br   + H20 CH3
9 Ph3 O-S-O        + NH3
H3C o
3
o
H3C
H3C-S0Na®
<\  tO° Na0 + h3C'°-CI
NaCN
?    + H3C-I
O
CH3
Lil
H3C
2. Analyzujte následující tabulky, které zachycují nukleofilitu a bazicitu různých molekul, a pokuste se definovat souvislost mezi nukleofilitou a bazicitou/velikostí nukleonlního atomu.
R-X + Nu
0
H20
R-Nu  + X
0
		k/k0			k/k0
CIO?	-10	0,0	P	-10	120.000
H20	0,0	1,0	Br0	-9	5.000
P H3C-C 0 0	+4,8	900	cP F°	-7 +3	1.100 0,0
0^	+10	2.000			
HO0	+14,0	12.000			
O-*
o° +10
+6,4
2.000
50.000.000
3. Napište hlavní produkt následující reakce.
H3C-{ H3C-(
© Na
© Na
Q:
H3C-Br>
SN2
4
4. V následujících dvojicích derivátů vyberte ten, který bude reagovat silnější bazí a lepším nukleořilem.
a)
b)
c)
CH3CH2-Q-H
:NH3
P
CH3
H3C " CH3
CH3CH2-G® Na
b
5. Určete, zda mohou následující reakce proběhnout jako nukleořilní substituce. Pokud ano, zapište mechanismus reakce a napište produkt reakce.
CH3CH2-Q-H   +   NaBr --
CH3CH2-Q-H +    HBr -►
H3C
H3C-)— 0-H +    HCI -►
H3C
O: +    Hl -►
5