11/2/2018

1

(ALKIL-HALOGENIDI)

HALOGENALKANI

NOMENKLATURA I KLASIFIKACIJA

ALKIL-HALOGENIDA

R C

H

X

H

R C

R

X

H

R C

R

X

R

primarni 1o

sekundarni 2o

tercijarni 3o

R-X

halogeni atom se tretira kao supstituent alkanovog skeleta

CH3I

jodmetan (metiljodid)

11/2/2018

2

FIZIČKA SVOJSTVA

Jačina C-X veze opada sa porastom veličine X.

p orbitala halogena se preklapa sa sp3 orbitalom C-atoma.

Kako raste veličina p orbitale halogena (F < Cl < Br < I),

procenat preklapanja sa manjom sp3 orbitalom C-atoma je manji

i jačina veze opada.

Dužina

veze,

nm

Jačina

veze,

kcal/mol

CH3F 0,1358 110

CH3Cl 0,1784 85

CH3Br 0,1929 70

CH3I 0,2139 57

FIZIČKA SVOJSTVA

C-X veza je polarizovana.

halogeni su elektronegativniji od C-

atoma pa je C-X veza polarizovana.

Elektrofilni δ+ C-atom podleže

napadu anjona i drugih nukleofila.

Katjoni i elektrofili napadaju atom

halogena.

T.k. alkil-halogenida su više u odnosu na odgovarajuće alkane zbog dipol-

dipol interakcija između molekula alkil-halogenida:

11/2/2018

3

DOBIJANJE ALKIL-HALOGENIDA

Iz alkohola

Halogenovanjem ugljovodonika

Adicijom halogenovodonika na alkene

Adicija halogena na alkene i alkine

Izmena halogena

Dobijanje alkil-halogenida iz alkohola

Alkil-halogenidi se skoro

uvek dobijaju iz alkohola R OH R XHX ili PX3

OH Brkonc. HBr

OH BrPBr3

n-propil-alkohol n-propil-bromid

1-feniletanol 1-brom-1-feniletan

11/2/2018

4

Dobijanje alkil-halogenida izmenom halogena

R X R I+ I_ aceton

+ X_

X=Br, Cl

Koristi se za dobijanje jodalkana iz bromida i hlorida

Na+I- je dobro rastvoran u acetonu, Na+X- pada kao talog

Reakcije alkil-halogenida

Nukleofilna supstitucija

Eliminacija

Priprema Grinjarovog reagensa

Redukcija

11/2/2018

5

NUKLEOFILNA SUPSTITUCIJA Alkil-halogenidi imaju elektrofilni C-atom pa reaguju sa

nukleofilima.

Nukleofili mogu biti naelektrisani, kao OH- ili neutralni, kao

NH3.

Nukleofilna supstitucija kod alkil-halogenida – nukleofil

zamenjuje halogen.

X Nu

X Nu

Nu:-

+ R..

.. :

+ -

R +..

.. ::X-

Nu: + R..

.. :

+ -

R +..

.. ::X-+

nukleofil

nukleofil

elektrofil

elektrofil

odlazeća grupa

odlazeća grupa

NUKLEOFILNA SUPSTITUCIJA

Različite nukleofilne supstitucije

hlormetan metanol

jodetan metoksietan

2-brombutan 2-jodbutan

1-jod- 2-metilpropan

3-metilbutannitril

11/2/2018

6

NUKLEOFILNA SUPSTITUCIJA

Različite nukleofilne supstitucije

Nukleofilna supstitucija je opšta reakcija primarnih i sekundarnih

alkil-halogenida. Halogenidni jon se ponaša kao odlazeća grupa,

a nekoliko vrsta nukleofilnih atoma mogu učestvovati u ovoj reakciji.

bromcikloheksan metiltiocikloheksan

jodetan

brommetan

etilamonijum-jodid

tetrametilfosfonijum-bromid

MEHANIZAM NUKLEOFILNE SUPSTITUCIJE

Kinetika reakcije

Merenjem brzine nastajanja

proizvoda ili nestajanja

jednog od reaktanata,

koristeći različite

koncentracije reaktanata,

može se odrediti brzina

reakcije.

Reakcija drugog reda – brzina reakcije zavisi od konc. oba reaktanta – bimolekulska reakcija (SN2):

brzina = k[CH3Cl][HO-] mol L-1 s-1.

11/2/2018

7

MEHANIZAM NUKLEOFILNE SUPSTITUCIJE

SN2 supstitucija se odigrava u jednom stupnju.

Formiranje veze između nukleofila i C-atoma se dešava u isto

vreme kada se raskida veza između C-atoma i elektrofila.

Ovo je primer koncertovane (istovremene, orkestrirane)

reakcije.

SN2-reakcija je stereospecifična

Inverzija konfiguracije

PRELAZNO STANJE SN2-REAKCIJE

++

++

r.k.

11/2/2018

8

Inverzija konfiguracije u sintezi

Retencija kofiguracije

(R)-2-bromoktan

(R)-2-bromoktan

(S)-2-jodoktan

(S)-2-oktantiol

(R)-2-oktantiol

STRUKTURA I SN2-REAKTIVNOST

Brzina SN2-reakcije zavisi od: Prirode odlazeće grupe

Reaktivnosti nukleofila

Strukture alkil dela supstrata

ODLAZEĆA GRUPA

Sposobnost odlaska grupe je mera lakoće supstitucije. Sposobnost odlaska se može povezati sa njenom sposobnošću da

prihvati negativnu šaržu.

Za halogene, jod je dobra odlazeća grupa, dok je fluorid loša odlazeća grupa u SN2-reakcijama. SN2 reakcije fluoroalkana su veoma retke.

Sposobnost odlaska grupe

I- > Br- > Cl- > F- (najbolja) (najlošija)

11/2/2018

9

STRUKTURA I SN2-REAKTIVNOST

Sposobnost odlaska grupe je inverzna njenoj

baznosti.

Slabe baze su dobre odlazeće grupe.

Slabe baze su najbolje prihvataju negativnu šaržu.

Dobre odlazeće grupe su konjugovane baze jakih kiselina.

konjugovana kiselina

konjugovana kiselina odlazeća

grupa

odlazeća grupa

jaka dobra slaba loša

najača najbolja

najslabija najlošija

STRUKTURA I SN2-REAKTIVNOST

REAKTIVNOST NUKLEOFILA Nukleofilnost zavisi od:

šarže Povećanje negativne šarže povećava nukleofilnost

baznosti Nukleofilnost opada sleva udesno u periodnom sistemu -

Nukleofilnost zavisi od baznosti. Što je reakciona vrsta baznija, veća je verovatnoća da je reaktivnija

kao nukleofil.

rastvarača Solvatacija smanjuje nukleofilnost

Nukleofilnost se povećava odozgo nadole u periodnom sistemu (baznost opada)

polarizabilnosti Povećanje polarizabilnosti pojačava nukleofilnu moć - veliki elementi

imaju veće, difuznije i polarizabilnije elektronske oblake što dozvoljava bolje preklapanje orbitala u prelaznom stanju

prirode supstituenata

11/2/2018

10

Struktura i SN2-reaktivnost: supstrat

Sterne smetnje – smanjenje stabilnosti p.s.

metil > primarni > sekundarni > tercijarni

(brzo) (veoma sporo)(ne reaguje)

metil 1o 2o 3o

Solvoliza tercijarnih i sekundarnih alkil-halogenida

Solvoliza je reakcija u kojoj supstrat podleže supstituciji

molekulima rastvarača

Kada je rastvarač voda upotrebljava se izraz hidroliza

2-brom-2-metilpropan 2-metil-2-propanol

hidroliza relativno brzo

11/2/2018

11

Solvoliza tercijarnih i sekundarnih alkil-halogenida

Kinetički podaci za solvolizu pokazuju da je redosled reaktivnosti obrnut od onog kod SN2-reakcije.

Ako je reaktivnost drugačija i mehanizam je drugačiji.

Relativna reaktivnost različitih bromalkana sa vodom

rel.brzina

Monomolekulska nukleofilna supstitucija

Reakcija 2-brom-2-metilpropana sa vodom u mravljoj kiselini (polarni rastvarač koji je veoma slab nukleofil)

Brzina hidrolize je proporcionalna samo koncentraciji polaznog halogenida, a ne i vode:

brzina = k[(CH3)3CBr] mol L-1 s-1

Više stupnjeva – u početnom sporom stupnju ne učestvuje voda - monomolekulska supstitucija

11/2/2018

12

MEHANIZAM SN1-REAKCIJE

Mehanizam se sastoji iz tri stupnja

Stupanj 1. Disocijacija alkil-halogenida u alkil-katjon i

bromidni jon – spor stupanj

karbokatjon

sporo

MEHANIZAM SN1-REAKCIJE

Stupanj 2. Nukloefilni napad molekula vode na elektron-

deficitarni C-atom 1,1-dimetil-(terc-butil-) katjona (snažan

elektrofil)

alkiloksonijum-jon

brzo

11/2/2018

13

MEHANIZAM SN1-REAKCIJE

Stupanj 3. Deprotonovanje

jaka kiselina

brzo

Mehanizam SN1-reakcije

r.k. r.k.

samo jedno p.s.

određuje brzinu reakcije

11/2/2018

14

STEREOHEMIJA SN1-REAKCIJE

++

(R)-3-brom- 3-metilheksan

(R)-3-metil- 3-heksanol

(S)-3-metil- 3-heksanol

racemska smeša

planaran, ahiralan

STRUKTURA I SN1-REAKTIVNOST

Zavisi od:

Rastvarača

Brzina SN1-reakcije se povećava sa povećanjem polarnosti rastvarača

Odlazeće grupe

dobra odlazeća grupa

Nukleofila

slab nukleofil.

11/2/2018

15

Uticaj alkil-grupe na SN1-reakciju

Stabilnost karbokatjona se povećava od primarnog preko

sekundarnog do tercijarnog

Relativna stabilnost karbokatjona

3o > 2o > 1o

(CH3)3C+ > CH3CH2CHCH3 > CH3CH2CH2CH2

+ +

Sekundarni sistemi podležu SN1- i SN2-reakcijama Reakcioni uslovi određuju vrste supstitucije

Rastvarač,

odlazeća grupa, i

nukleofil.

Supstrat sa dobrom odlazećom grupom, slab nukleofil i polarni protični rastvarač - SN1

Visoka koncentracija dobrog nukleofila i polarni aprotični rastvarač sa relativno dobrom odlazećom grupom – SN2

aceton

11/2/2018

16

MONOMOLEKULSKA ELIMINACIJA: E1

Faza koja određuje brzinu reakcije ista je kao i za SN1-reakciju: disocijacija na karbokatjon.

2-brom- 2-metilpropan

2-metilpropen 2-metoksi-2-metilpropan

MONOMOLEKULSKA ELIMINACIJA: E1

Ceo mehanizam

11/2/2018

17

MONOMOLEKULSKA ELIMINACIJA: E1

Bilo koji proton, na bilo kom C-atomu u susedstvu

centra sa odlazećom grupom, može učestvovati u E1-

reakciji.

Visoka koncentracija jakih baza favorizuje eliminaciju – promena mehanizma.

BIMOLEKULSKA ELIMINACIJA: E2

Jake baze prouzrokuju bimolekulsku eliminaciju

Kinetika E2-reakcije 2-hlor-2-metilpropana

(CH3)3CCl + Na+OH- CH2=C(CH3)2 + NaCl + H2O

brzina=k[(CH3)3CCl] [OH-] mol L-1 s-1

11/2/2018

18

BIMOLEKULSKA ELIMINACIJA: E2

Kompeticija između E2 i SN2-reakcije

1-metoksipropan propen

BIMOLEKULSKA ELIMINACIJA: E2

E2-reakcija se odigrava u jednom koraku

U toku reakcije dolazi do tri vrste promena

Deprotonovanje bazom

Odlazak odlazeće grupe

Rehibridizacija C-atoma (iz sp3 u sp2) i stvaranje dve p-orbitale

Istovremene promene – koncertovani proces

11/2/2018

19

BIMOLEKULSKA ELIMINACIJA: E2

++

Kompeticija između supstitucione i eliminacione

reakcije: struktura određuje funkciju

Slabo bazni nukleofili stupaju u reakcije supstitucije

I- (jodidni-jon), Br- (bromidni-jon), RS- (alkilsulfanil-jon), N3-

(azido-jon), RCOO- (alkoksikarbonil-jon) i PR3

(trialkilfosfin)

Dobri Nu koji su slabe baze daju prinose SN2 proizvoda u reakciji sa 1o i 2o halogenalkanima i SN1 proizvode sa 3o

halogenalkanima

11/2/2018

20

SN2, bez kompeticije

CH3

CH3

H

Br CH3

CH3

H

Iaceton

+ Na+I- + Na+Br-

CH3

CH3

H

Br CH3

CH3

H

OOCCH3

aceton+ CH3COO-Na+ + Na+Br-

Voda i alkoholi reaguju dovoljno brzo samo sa

sekundarnim i tercijarnim halogenidima – SN1

Br OH

CH3CH2CHCH2CH3 CH3CH2CHCH2CH3+ CH3CH=CHCH2CH3

H2O, CH3OH, 80 oC

Monomolekulska eliminacija je često sporedna reakcija!

85% 15%

11/2/2018

21

Jako bazni nukleofili favorizuju eliminaciju sa

porastom sternog nagomilavanja

CH3

H H

H

CH3CH2CH2Br-HBr

CH3CH2O-Na+, CH3CH2OH

CH3CH2CH2OCH2CH3+

CH3

CH3

H

HCH

3

H

CH3

H

-HBr

CH3CH2O-Na+, CH3CH2OH

+CH3CCH2Br CH3CCH2OCH2CH3

CH3

H H

HCH

3

H

CH3

H

-HBr

CH3CH2O-Na+, CH3CH2OH

+CH3CBr CH3COCH2CH3

SN2 E2

91%

40%

13%

9%

60%

87%

1o

2o

1o

Tercijarni alkil-halogenidi ne reaguju SN2-mehanizmom

SN1- i E1-reakcije su kompetitivne pod neutralnim ili slabo

baznim uslovima

Pri višim koncentracijama jakih baza supstrati reaguju

isključivo prema E2 reakciji

11/2/2018

22

Voluminoznost baznih nukleofila favorizuje

eliminaciju

Baza je zbog sopstvene voluminoznosti sprečena da

napadne elektrofilni ugljenik pa eliminacija može biti

dominantna i kod primarnih sistema

CH3CH2CH2CH2Br-HBr

CH3CH2CH=CH2 + CH3CH2CH2CH2OC(CH3)3

(CH3)3CO-K+, (CH3)3COH

85% 15%

Voluminozne baze: kalijum-terc-butoksid ((CH3)3CO-K+) i

litijum-diizopropilamid (LDA, [(CH3)2CH]2N-Li+)

Verovatni mehanizmi reakcija alkil-halogenida

sa nukleofilima

Vrsta nukleofila (baze)

Vrsta alkil-

halogenida

Slab nukleofil

(npr. voda)

Slabo bazan,

dobar nukleofil

(npr. I-)

Jako bazan,

sterno nezaštićen

nukleofil (npr.

CH3O-)

Jako bazan,

sterno zaštićen

nukleofil (npr.

(CH3)3CO-)

metil Nema reakcije SN2 SN2 SN2

primarni

sterno nezaštićen

Nema reakcije SN2

SN2

E2

primarni

razgranat

Nema reakcije

SN2

E2

E2

sekundarni Spora SN1, E1 SN2

E2

E2

tercijarni SN1, E1 SN1, E1 E2

E2

11/2/2018

23

ALIL-HALOGENIDI

Veoma reaktivni!

Stupaju u SN1 i SN2-reakcije veoma lako

[CH2=CH-CH2 CH2-CH=CH2]+ +

CH2

CH CH2

+

ekvivalentno sa

Alil-katjon je rezonancioni hibrid

Alil-halogenidi lako disosuju na alil-katjone

Oni lako bilo kojim krajem mogu reagovati sa nukleofilom

SN1-reakcijom

Iz alil-katjona simetrične strukture nastaje samo jedan

SN1-proizvod

Ako je alil-katjon nesimetričan nastaju dva SN1-proizvoda

ALIL-HALOGENIDI

11/2/2018

24

Primer: SN1-reakcija: hidroliza 1-hlor-2-butena

OH

[CH3CH=CH-CH2 CH3CH2-CH=CH2]

+ +

CH3CH=CHCH2Cl

H2O

-Cl

H2O

CH3CH=CH-CH2OH + CH3CH2-CH=CH2 + H+

H2O je slab nukleofil!

Sa dobrim nukleofilom alil-halogenidi podležu SN2-reakcijama

brže od odgovarajućih alkil-halogenida

Primer: SN2-reakcija,

izmena halogena

CH2=CHCH2Cl + I CH2=CHCH2l + Cl

_ _aceton, 50 oC

CH3CH2CH2Cl + I CH3CH2CH2l + Cl

_ _aceton, 50 oC

Relativna brzina

73 1

11/2/2018

25

Relativna stabilnost karbokatjona

3o > 2o > 1o > CH3

+ alil

Benzil-halogenidi

CH2

X

Relativno lako stupaju u SN1- i SN2-reakcije

11/2/2018

26

Primer: SN1-reakcija, Solvoliza

1-(brommetil)-4-metoksibenzena u etanolu

CH2

BrMeO

CH2

OMe

CH2

OMe

CH2

OMe

CH2

OMe

CH2

OMe

CH2

OMe

CH2

OCH2CH

3MeO

EtOH

-Br

+

+

+

+

+

: :

+

EtOH-H +

EtOH je slab nukleofil

benzil- katjon

Stabilnost benzil-katjona

Elektrostatički potencijal površine

11/2/2018

27

Stabilnost katjona

3o > 2o > 1o > CH3

+ alil benzil

Primer: SN2-reakcija, reakcija

(brommetil)benzena sa cijanidnim jonom

CH2Br CH

2CN

CN_

+ Br_

Cijanidni jon je dobar nukleofil.

Ova reakcija je 100 puta brža od SN2-reakcije 1o bromalkana

feniletanonitril

11/2/2018

28