Alap szerves kémiai reakciók szisztematikus tárgyalása

Átírás

1 Alap szerves kémiai reakciók szisztematikus tárgyalása

2 A biokémia is a szerves molekulák kémiája Egy példa arra, hogy a szerves kémiai reakciók és az enzimkatalizált biokémiai reakciók hasonló alapelvek mentén szerveződnek, ám eltérő módon valósulnak meg. cél: mindkét esetben ugyanaz, redukáljuk a dihidrofolsavat tetrahidrofolsavvá dihidrofolsav ( 2 F) 2 redukció tetrahidrofolsav ( 4 F) 2 C 2 C 2 C C C C C 2 C 2 C 2 C 2 C C C C gondok: - a redukció csak a pirazin gyűrűt érintse (dihidropirazin piperazin), (a pirimidin és a benzol gyűrűket ne telítsük) - legyen sztereoszelektív a redukció, mivel csak az egyik diaszteromer hordoz biológia aktivitást. jelentősége: a tetrahidrofolsav a purin- és pirimidinvázas vegyületek, valamint egyes aminosavak bioszintéziséhez szükséges. (S) (S)

3 A klasszikus szerves kémiai megoldás: megjegyzés: a reakció során csak a dihidropirazin gyűrű redukálódott, de a hidrogénezéshez Pt katalizátor kell, és ez a redukció nem sztereoszelektív.

4 Az enzimatikus megoldás: a megfelelő enzim a dihidrofolát-reduktáz (DFR, EC ) végzi, mely mind prokarióta és mind eukarióta sejtben életfontosságú és nélkülözhetetlen a normális folsavanyagcseréhez. memo: az enzim rákellenes és antibakteriális szerek célpontja. Számos hatóanyag, például a metotrexát és a trimetoprim ezt az enzimet gátolja, gyógyászati jelentősége tehát kiemelkedő. megoldás: az enzim és szubsztrátja mellett kell egy koenzim is: a ADP nikotinsavamid-adenin-dinukleotidfoszfát (ADP röviden )

5 Az enzimatikus reakció amely során a dihidrofolsav redukálódik és a koenzim (ADP) oxidálódik dihidrofolsav ( 2 F) ADP () 2 R + 2 R' redukció oxidáció 2 R + 2 R' tetrahidrofolsav ( 4 F) ADP + ( + ) megjegyzés: a ADP hasonló szerepet tölt be itt, mint a klasszikus reakcióban a 2 /Pt heterogén fázisú katalizátor. A Pt szerepe hasonló a ADP-hez, hordozza és aktiválja a hidrogént.

6 Mind a sztereoszelektivitást mind a reakció nagy sebességét a komponensek optimális térbeli pozicionálása biztosítja: Asp27 Asp27 Dihidrofolsav ( 2 F) keto-forma enol-forma átprotonálódás ADP () R R pro-r- pro-r- 2 2 R' R' sztereospecifikus átadás Asp27 R 2 C R' átmeneti állapot

7 Mind a sztereoszelektivitást mind a reakció nagy sebességét a komponensek optimális térbeli pozicionálása biztosítja: ezt valósúl meg a fehérjében dihidrofolsav ADP koenzim és szubsztrát optimális elhelyezkedése

8 A teljes folyamat kinetikája elemi lépésenként feltérképezett: E 40µM -1 s s -1 E. 2 F 5µM -1 s s -1 E F 3.5 s -1 20µM -1 s s -1 5µM -1 s -1 40µM -1 s -1 E. 40 s s -1 2µM -1 s -1 E.. 4 F 8µM -1 s s -1 5µM -1 s -1 E. 4 F 200 s -1 E.. 2 F 0.6 s s -1 E F Rövidítések: dihidrofolát-reduktáz (E) dihidrofolsav ( 2 F) tetrahidrofolsav ( 4 F) nikotinsavamid-adenindinukleotidfoszfát () nikotinsavamid-adenindinukleotidfoszfát oxidált formája ( + ) 20µM -1 s s s -1 25µM -1 s -1 13µM -1 s -1 30µM -1 s -1 E E. + E F 300 s -1 6 s -1 konklúzió: az enzimkatalizált reakció kémiája igen hasonló ahhoz mint amit a lombikban végzünk de, finomabban hangolt, gyorsabb és jobban kontrolált folyamat, viszont mindennek az az ára hogy komplexebb rendszert igényel.

9 memo: dihidrofolát reduktáz metotrexáttal együtt kristályosítva metotrexát metotrexát a kötőhelyen

10 Szerves kémiai alapreakciók I. Bevezető gondolatok 1. Funkciós csoportok 2 C Azonos funkciós csoportot tartalmazó molekulák rendelkeznek hasonló kémiai tulajdonságokkal. hidroxil amino karbonil karboxil ciano 2. Reakciótípusok Az elemi reakciók típusa kevés: - Szubsztitúció: 3 C Br + 3 C + Br a brómatomot helyettesítjük a hidroxilcsoporttal. - Addíció: 2 C C 2 + Br Br Br C 2 C 2 Br brómatomokat adunk telítetlen kötésű szénatompárra. - Elimináció: C 2 C 2 2 C C 2 + egy hidrogénatomot és egy hidroxilcsoportot elvonunk a molekulából.

11 3. Kötések kialakítása és felbontása 3 C Br + 3 C + Br 4. A görbe nyíl jelentése 3 C Br 3 C Br A két atom (C és Br) között lévő kötés egy elektronpárt jelent. A görbe vonal azt mutatja, hogy a kötéshez az elektronpár honnan jön és hova tart. C 3 Br C3 + A kötéshez az elektronpár a hidroxidiontól jön, illetve a C- kötés heterolitikus bomlását követően a Br atomtörzséhöz kapcsolódik. Br 5. Kötéspolaritás Az atomok Pauling-féle elektronegativitás értéke: K-héj e L-héj Li Be B C F e Így mivel a C (2.5) a Br (2.8) ezért a kötés a két atom között poláros jellegű lesz. δ+ δ jelölésmódok: C Br C Br C Br

12 6. Reagens típusok A) ukleofil (lat, nucleus `mag`) (gör, filosz `valamit kedvelő`) esettanulmány 1. Vegyünk egy viszonylagos elektronhiányos szénatomot pl.: C 2. Ezt az atomot egy elektronban gazdag reagens fogja leginkább megtámadni pl.: δ+ δ Br Et EtS 2 3 Ezek a csoportok jellegzetesen bázisok és esetenként redukáló hatásukat egy elektronpár közösbeadásán keresztül fejtik ki. B) Elektrofil δ+ δ C 3 Br C 3 + Br esettanulmány 1. Vegyünk egy elektronban viszonylag gazdag szénatomot pl.: 2 C C 2 2. továbbá egy elektronban szegény reagenst pl.: 2 Br Br 3 AlCl 3 Az utóbbi csoportok, jellegzetesen Lewis-savak és oxidáló hatásúak, tevékenységüket egy elektronpár elszívásán keresztül fejtik ki. C 2 C 2 + Br Br Br C 2 C 2 Br gjegyzés : míg a Br 2 molekula külső héján összesen 14 közös elektron van, addig az 1,2-dibrometánban (2*8=) 16 elektron van a 2 Br körül.

13 C) Gyök esettanulmány 1. Vegyünk egy elektronszerkezetében kiegyensúlyozott molekulát (pl.: C 4 ), amellyel se egy nukleofil se egy elektrofil nem tud eredményesen reagálni, 2. továbbá egy gyököt (pl.: Cl.) A végbemenő reakció során a párosítatlan elektronnal rendelkező klóratom reagál: 3 C + Cl Cl 3 C Cl + Cl fény Cl Cl Cl + Cl gjegyzés : ha nincs foton, akkor nincs gyökképződés és akkor nincs reakció (avagy sötétben nincs semmi, de fény hatására robban a gázkeverék.) + C 4 + Cl 2 = 7. A molekulaszerkezet befolyásoló hatások: A) elektronos hatás B) sztérikus hatás (térhatás) esettanulmány 3 C Br + 3 C + Br C 3 C 2 Br + C 3 C 2 + Br gfigyelés : a második reakció 12 szer lassúbban megy végbe mint az első, de miért?

14 elektronos hatás: az etilcsoportban a metilcsoport elektronküldő hatása miatt a metiléncsoport szenének pozitív polarizáltsága csökken: δ+ δ δ++ δ C 2 Br 3 C Br sztérikus hatás: az etilcsoport nagyobb térigényű mint a metilcsoport kevésbé pozitív pozitívabb δ+ δ kék, zöld, sárga, piros

15 8. Az egyenletírás alapkövetelményei A) tömeg megmaradás (mass balance) B) töltésmegmaradás (charge balance) C) spinállapot megmaradás (spin balance) A) 2 C C 2 + Br Br Br C 2 C 2 Br MW=28.05 MW= MW= C 3 Br + C 3 + Br MW=94.94 MW=17.01 MW=32.04 MW=79.90 a protonok hiánya nem zavaró C 3 C 2 2 C C 2 + B) MW=46.07 a proton csak katalizátor MW=28.05 MW=18.02 C) C 3 + Cl Cl Cl + doublett singlett doublett párosítatlen zárt héj párosítatlen elektron 3 C singlett zárt héj elektron 3 C + Cl C 3 + Cl singlett doublett doublett singlett zárt héj párosítatlen párosítatlen zárt héj elektron elektron Cl

16 Ruff-Csizmadia II. ukleofil szubsztitúció II/A. ukleofil szubsztitúció telített szénatomon kérdés: egyformán befolyásolja-e mind a reagens mind a szubsztrátum koncentrációja az eredményes reakciót? C 3 Br C 3 + Br módszer: megfigyeljük a résztvevő molekulák koncentrációinak alakulását az idő függvényében. tapasztalat: mind a reagens ( - ), mind a szubsztrátum (C 3 Br) moláris koncentrációja befolyásolja a reakciósebességet. Azaz d[c 3 ]/dt = k[c 3 Br ][ - ] (másodrendű reakció sebességi egyenlete, ahol k a reakció sebességi együtthatója) válasz: igen memo: a S 2 reakciómechanizmus részleteinek leírása δ+ δ- δ- δ- δ- δ+ C Cl C Cl C + Cl átmeneti állapot Solomons 237 A hidroxidion egy elektronpárt küld a pozitívan polározott szénatom felé, amit az elektorsztatikának megfelelő orientáció kísér memo: Az átmeneti állapotban az -C kötés részlegesen kialakult, míg a C-Cl kötés részlegesen elhasadt. (A C konfigurációja az inverzió felé tart.) ha a kiindulási anyag királis és optikailag tiszta, akkor az S 2 reakció során inverzió történik. Az -C kötés kialakult, a C-Cl kötés megszűnt. (A C invertálódott.) nem azonosak (tükörképi párok)

17 C 3 Br C 3 + Br A B X Y tapasztalat: Ruff-Csizmadia 75- mind a reagens (A= - ) mind a szubsztrátum (B= C 3 Br) moláris koncentrációja befolyásolja a reakciósebességet. Azaz a metanol képződése (koncentrációjának növekedése) az időben: d[c 3 ]/dt = k[c 3 Br ][ - ] (Ez egy másodrendű reakció sebességi egyenlete, ahol k a reakció sebességi együtthatója) memo: a kémiai reakció előre haladását annak sebességével (v) mérjük, ahol a jelen esetben v = d[a]/dt = d[b]/dt = + d[x]/dt azaz a koncntrációk időegység alatti megváltozása. (azért van a előjel az A és a B esetében, mert azok koncentrációja csökken az időben (elfogynak), ám a sebesség definíció szerűen pozitív szám kell legyen.) memo: kinematikában a haladás ds/dt, reakciókinetikában ugyanez d[konc.]/dt. A sebesség dimenziója [konc.]x idő 1 azaz, [mol/dm 3 ] x s 1. (a k dimenziója a sebességi egyenlettől függ!) kérdés: hogyan csökken a kiindulási anyagok koncentrációja az időben? válasz: 1/[A]= kt +1/[A] 0 illetve 1/[B]= kt +1/[B] 0 szerint! De miért is? levezetés: legyen mindkét molekula kiindulási koncentrációja azonos: [C 3 Br] 0 =[ - ] 0 d[x]/dt = k[a] 2 mivel A + B X ezért d[x]/dt = d[a]/dt d[a]/dt = k[a] 2 (ekkor ez a másodrendű reakció sebesség egyenlete) d[a]/[a] 2 = kdt amelynek integrálalakja [A]0 [A] d[a]/[a] 2 = k [0] [t] dt [A] [t] 1/[A] [A]0 = k [t] [0] amely azonos az 1/[A] 1/[A] 0 = kt egyenlettel /[A] 1/[A] 1 0,8 0,6 0,4 0,2 [A] [X] 0 Tehát : 1/[A]= kt +1/[A] t f(t)=mt+b egyenes egyenlete azaz az ha [A] 0 =1 (tehát egységnyi volt a kiind. konc.) akkor a 0 t 10 idő intervallumra a fenti ábrát kapjuk: meredekség = sebességi együttható t

18 kérdés: hogyan nő a keletkezett anyag (pl. metanol) koncentrációja az időben? C 3 Br C 3 + Br A B X Y levezetés: mivel a -Br [B] és a [X] koncentrációjának összege a reakció minden pillanatában a -Br kiindulási koncentrációjával azonos, azaz a [B] 0 al, ezért [B] + [X] = [B] 0 ahonnan kifejezve [B] = [B] 0 [X]. Mivel a korábbiak értelmében [B] = [A], ezért az 1/[B]= kt +1/[B] 0 egyenletet kapjuk ahová behelyettesítve a [B] = [B] 0 [X] az alábbi kifejezéshez jutunk: 1/([B] 0 [X]) = kt +1/[B] 0 ahonnan [X]-et kifejezve kapjuk: [X]= [B] 0 1(kt +1/[B] 0 ), ha [B] 0 = 1 akkor 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 [A] [X] t A felezési időben (τ) az az idő amely alatt a kiindulási anyag koncentrációja a kezdeti érték felére csökken, tehát [A]= [A] 0 /2 azaz 2/[A] 0 = kt +1/[A] 0 Az alapegyenletünk: τ =1/k[A] 0 tehát a felezési idő mind a sebességi együttható mind a kezdeti koncentráció reciprokával arányos. Azaz [A1] 0 1) Minél nagyobb a koncentráció, annál gyorsabb a reakció (v = d[a]/dt ), s ezért annál hamarabb érünk a reakció félidejéhez. [A2] 0 τ 1 τ 2 2) Ugyanolyan kezdeti koncentráció [A] 0 esetén ha k értéke nagyobb, akkor τ kisebb. (Mondjuk ugyanaz a reakciót két eltérő oldószerben valósítjuk meg.)

19 memo: a S 2 reakciómechanizmus részleteinek leírása δ+ δ- δ- δ- δ- δ+ C Cl C Cl C + Cl A szabadentalpia diagram G Solomons 237 átmeneti állapot G o = 100 kj/mol (szabadentalpia) G # (aktiválási szabadentalpia) kérdés: végbe megy-e a reakció, avagy mekkora a K eq értéke az Arrhenius egyenlet alapján? reakciókoordináta [X] [Y] K eq = = [A] [B] k 1 k -1 G o = RT logk eq G 0 = -100 kj.mol-1, ha T=333 K logk eq = G o /2.303 RT logk eq = 15.7 K eq = logk eq = ( 100 kj/mol) kj/molk 333K konklúzió: mivel G kellően nagy negatív szám és ezért az egyensúlyi állandó nagy pozitív szám, a reakció teljesen végbemegy.

20 G = T S ha a reakció során stabilabb kötések jönnek létre, akkor negatív és a folyamat exoterm. S ha a molekuláris rendszer rendezettsége nő, akkor a rendszer entrópiája csökken. memo: G az entalpia (azaz ) szabadon felhasználható része. kérdés: milyen hőmérsékleten megy végbe eredményesen a reakció? G G o = 100 kj/mol (szabadentalpia) G # =103 kj/mol (aktiválási szabadentalpia) reakciókoordináta memo: ha G # < 84 kj/mol akkor már szobahőmérsékleten is megy a reakció A metilklorid + hidroxidion reakció ( G # = 103 kj/mol) szobahőmérsékleten nem megy végbe, mert kevés az eredményes ütközések száma, de 60 o C-on (333 K) már kellően magas az eredményes ütközések száma és a reakció végbemegy. Ruff-Csiz. 59 k + C 3 Cl C 3 + Cl G # = 103 kjmol -1 k = k 0 exp( G # /RT) ha T=333 K memo: Vegyük észre, hogy a reakció sebességi együtthatója az aktiválási szabentalpiától exponenciálisan függvénye. (k 0 az abszolút reakció sebességi együttható = s -1 [25 o C-on]) Tehát egy elsőrendű reakcióra (lásd később pl. S 1 reakció) a k = exp(-37.22) s -1 azaz k = s 1. A reakció felezési ideje: τ = ln2/k τ=1603s ~27perc Tehát a reakció 27 perc alatt már félig végbement.

21 kérdés: ugyanaz marad-e a mechanizmus, ha a metilcsoport egyik hidrogénjét egy metilcsoportra cseréljük? C 3 2 C Br + C Br módszer: megfigyeljük a résztvevő molekulák koncentrációinak alakulását az idő függvényében. tapasztalat: bár lassul a reakció, de mind a reagens ( - ) mind a szubsztrát (C 2 5 Br) moláris koncentrációja befolyásolja a reakciósebességet. Azaz d[c 2 5 ]/dt = k[c 2 5 Br][ - ] (másodrendű reakció sebességi egyenlete egy másik k sebességi együtthatóval) válasz: igen további megfigyelés: k relatív Általánosítás: S 2 szubsztitúció 3 C Br C 2 Br 2 C Br nukleofil bimolekuláris kérdés: ugyanez marad-e a mechanizmus, ha akár az összes hidrogént lecseréljük metilcsoportokra? megfigyelés: k relatív ! 3 C Br C 2 Br 2 C Br 3 C Br válasz: nem lehet ugyanaz a mechanizmus a t Bu Br esetében mint a korábban leírt S 2, noha marad a szubsztitúció és a nukleofil támadás.

22 kérdés: egyformán befolyásolja-e mind a reagens mind a szubsztrát koncentrációja az eredményes reakciót? 3 C C 3 C Br C Br tapasztalat: C 3 míg a reaktáns (C 4 9 Br) moláris koncentrációja befolyásolja a reakciósebességet, az nem függ a reagens ( - ) moláris koncentrációjától. Azaz d[c 4 9 ]/dt = k[c 4 9 Br ] (elsőrendű reakció sebességi egyenlete, ahol k a sebességi együttható) memo.: legyen a molekula kiindulási koncentrációja: [C 4 9 Br] 0 d[x]/dt = k[a] mivel A X ezért d[x]/dt = d[a]/dt d[a]/dt = k[a] (ez az elsőrendű reakció sebesség egyenlete) d[a]/[a] = kdt amelynek integrálalakja [A]0 [A] d[a]/[a] = k [0] [t] dt [A] [t] ln[a] [A]0 = k [t] [0] amely azonos az ln[a] ln[a 0 ] = kt avagy az ln([a]/[a 0 ]) = kt amely exponenciális alakja : [A]=[A 0 ]exp( kt) Azaz az ha A 0 =1 és 0 t 10 akkor: A felezési időben (τ) [A]=[A] 0 /2 azaz ln{([a 0 ]/2)/[A 0 ]} = kτ egyenlettel, az alapegyenletünk: τ =ln2/k. memo: ln(1/2)=ln(2 1 )= ln(2) tehát a felezési idő csak a sebességi együttható reciprokával arányos ,8 0,6 0,4 0,2 0 ln[a] [A] [X] ln(a) t t

23 válasz: nem a reakciósebesség csak a reaktáns (C 4 9 Br) koncentrációjától függ. Általánosítás: S 1 szubsztitúció nukleofil monomolekuláris S 1 beceneve: reakció a csináld magad mozgalom keretében kérdés: hogyan képes a t Bu Br heterolitikusan bomlani és hogyan stabilizálódnak a visszamaradó ionok? δ++ δ δ+++ δ 3 C Br 3 C Br 3 C Br a megnövekedett kötéshossz növeli a részleges töltéseket, δ+++ C δ Br a kialakuló karbokationt stabilizálja a metilcsoportok elektronküldő (+I) effektusa, a síkalkatú karbokationban a metilcsoportok jobban elférnek mint a tetraéderes t Bu Br -ban, ahol a nagy térigényű Br torzító hatása jelentős. 109 o δ+++ C δ Br 120 o C Br

24 C 3 C 3 δ+ δ C Br 3 C C 3 C C 3 Br lassú lépés C 3 C 3 C C(C 3 ) 3 nagyon gyors lépés 3 C C 3 megjegyzés: a nukleofil szubsztitúcióra bemutatott két mechanizmus (S 1 és S 2) a két szélsőség. Tipikusan S 1 a t Bu Br és S 2 a Br hidrolízise, ám számos (pl. szekunder) alkilhalogenid esetében vegyes mechanizmust észlelhetünk. kérdés: hogyan hat az alkilhalogenid szerkezete az S reakció mechanizmusára? tapasztalat: bonyolultabb (esetleg elágazó) alkilcsoport esetén az S 1 valószínűbb. Különösen ha a karbokationt valamilyen hatás stabilizálja. δ++ δ 3 C Br 3 C Br k = 1 δ++ δ (C 6 5 ) 3 C Br (C 6 5 ) 3 C Br k 10 8 kérdés: miért gyorsabb a trifenilmetil-bromid mint a terc.-butil-bromid S 1 reakciója?

25 válasz: mert a 3 fenilcsoport eredményesebben stabilizálja a karbokationt: δ+ δ+ delokalizációt leíró szerkezet atár-vagy kanonikusszerkezetek δ+ δ+ C C C C C C C < EPS < vörös, sárga, zöld, kék, mélykék δ+ δ kék, zöld, sárga, piros

26 memo: az S 1 reakciómechanizmus részleteinek leírása C 3 C 3 C 3 δ+ δ- C Cl C 3 C3 C C 3 átmeneti termék C 3 C 3 + Cl C C 3 C 3 3 C 3 C C A poláris oldószer által segített klóratom eltávolodik a központi szénatomtól, a kovalens kötést heterlitikusan elhasítva. Az átmeneti termék létrejötte, mely során a karbokation kialakul (sp 2 -es C-atom), ez a reakció lassú lépése. A hidroxidion egy elektronpárt küld a karbokation felé. Az -C kötés kialakult. (a a C-atom királis volt, akkor a termék racemát.) Solomons 245 G G # (1) (aktiválási szabadentalpia) G # (2) (aktiválási szabadentalpia) G o (szabadentalpia) reakciókoordináta

27 1. kérdés: hogyan hat az alkil-halogenidek S 2 reakcióinak sebességére az oldószer milyensége? Cl δ+ δ k C 3 I Cl C 3 + I megfigyelés: a nukleofil szolvatációjának csökkenése gyorsítja a reakciót: k relatív C C C C 3 C 3 C 3 nincs szolvatáció δ δ δ+ δ+ δ+ δ Cl δ+ C C δ δ+ δ δ+ Cl C δ+ δ δ+ δ δ C magyarázat: a nukleofil szolvatáltsága egyre csökken (>C>C 2 ) a gyengülő - hidak miatt, s ezért a nukleofil (Cl ) reaktivitása egyre nő. A C 2 (DMF) csak -híd akceptor; nincs proton donor tulajdonsága.

28 2. kérdés: hogyan hat az alkil-halogenidek S 1 reakcióinak sebességére az oldószer milyensége? δ++ δ lassú 3 C Br 3 C Br megfigyelés: az oldószer polaritásának növekedése gyorsítja a reakciót k relatív Et Et/ 2 [1:1] R Br magyarázat: az S 1 reakció eredményességét meghatározó csináld magad elkülönülési lépést két módon is segíti a víz: 1) a bromidaniont a δ+ polaritású hidrogénnel, 2) az alkilkationt a δ polaritású oxigénekkel stabilizálja.

29 3. kérdés: hogyan hat a belépő csoport (a nukleofil) bázicitása az S reakció sebességére? memo.: bázicitás: proton irányába kifejtett elektronpár-donálási képesség nukleofilitás: szén vagy más atom irányába kifejtett elektronpár donálási képesség tapasztalat: bázicitás és nukleofilitás gyakran párhuzamosan változik. Tekintsük az alábbi oxigén kulcsatomot tartalmazó vegyületsorozatot (etoxid, fenoxid, acetát, nitrát): Et > C 6 5 > C 2 > 3 legerősebb bázis legerősebb nukleofil leggyengébb bázis leggyengébb nukleofil válasz: ha a vegyületsorozatban azonos atomtípus az elektronpár-donor, akkor minél jobb bázis annál jobb nukleofil is a molekula. 4. kérdés: hogyan hat a belépőcsoport (a nukleofil) bázicitása változó elektrondonor esetén az S reakció sebességére? tapasztalat: a bázicitás és a nukleofilitás nem párhuzamosan változik. bázis erősség: Tekintsük az alábbi vegyületsorozatot: Et > EtS F > Cl > Br > I nukleofilitási képesség: EtS > Et I > Br > Cl > F magyarázat: minél nagyobb az elektronpárt donáló atom rádiusza, annál lazábban kötött az elektronpár. Ezért jobban polarizálhatók, s így könnyebben alakítanak ki kötést.

30 memo: vannak semleges vegyületek, amelyekben van elektronpárt donáló atom, így ezek jó nukleofilok lehetnek : memo: 3 R Br 3 R + Br a nukleofil erősség az S 2 reakció sebessége miatt fontos, ám S 1 mechanizmus esetén annak sebességére nem hat. memo: a tisztán S 2 mechanizmusú reakció ha királis szénen történik, akkor az inverzióhoz vezet. a tisztán S 1 mechanizmusú reakció ha királis szénen történik, akkor az racemátot eredményez. 5. kérdés: hogyan hat a távozó csoport az S reakció sebességére? + R Y R + Y tapasztalat: mind S 2 mind S 1 mechanizmus esetén a távozó csoport erősen befolyásolja a reakciósebességet. bázicitás erõssége távozási képesség R I R Br R Cl R F magyarázat: minél erősebb a bázis (pl. F >Cl >Br >J ), annál kevésbé jó távozócsoport az Y-csoport, s így annál lassabb a reakció. memo: Ezért is nem megy a következő reakció: memo: Br + R Br R + C kötés nagyon erős. o meg azért sem megy ez a reakció, mert a hidrid anion nagyon reaktív. A távozó csoport célszerű módosítása megoldhatja ezt a problémát: R- rossz távozó csoport mert erős bázis R- 2 2 jó távozó csoport mert gyenge bázis

31 II/B. ukleofil subsztitúció telítetlen szénatomon kérdés: memo.: nem gátolja-e a nukleofil szubsztitúciót ha azt egy telítetlen pl. sp 2 szénen kíséreljük meg? - egy telítetlen szénatom jellegzetesen elektrondús molekularészlet, - a C Y (ahol Y a feltételezett távozó csoport) kötéshossz lerövidül Pl.: Cl Cl C C 2 0,04 < EPS < + 0,04 1. várt tapasztalat: a klórbenzol vagy a vinil-klorid S reakciója - nukleofillal csak 200 o C feletti hőmérsékleten megy végbe, míg egyszerű alkil-halogenidek esetében ugyanez következtetés: kérdés: memo: a reakció már szobahőmérsékleten is lezajlik. tehát a szubsztrátum kulcsatomjának fokozott π-elektron-gazdagsága rossz. hogyan csökkenthető egy telítetlen szén körül az elektronsűrűség? az 2 -csoport elektronvonzó tulajdonságú tapasztalat: nitroklórbenzolok esetén a reaktivitás így fokozódik: Cl Cl Cl 2 Cl 2 2 Cl

32 Mulliken töltések: a kiszemelt C atomon csökken az elektronsűrűség: mind a reagens ( - ) mind a reaktáns (Ar Cl) moláris koncentrációja befolyásolja a reakciósebességet. Azaz d[ar ]/dt = k[ar Cl][ - ] (másodrendű reakció sebességi egyenlete ahol k a sebességi együttható) memo.: kérdés: memo.: S 2 alifás -ellentétben az analóg alifás reakcióval, aromás S reakció esetén a távozó csoport milyenségének más szerepe van: (pl. R I gyorsabban reagál mint R F, de Ar I lassabb mint Ar F) Lehet-e ennek ismeretében az aromás esetben is csupán egyetlen lépés az S 2 reakció? Alifás esetben (R X) az S 2 reakció egyetlen átmeneti állapoton átvezető lépés. R al R al R + al S 2 aromás σ-komplexek + Cl Cl Cl Cl Cl lassú gyors 2 2

33 válasz: memo.: em egyetlen lépés az aromás S 2 reakció. A negatív töltésű szigma-komplex (intermedier vagy köztitermék) kialakulása a reakció sebességmeghatározó lépése. A nitrocsoport szerepe kettős: 1. elszívja a π-elektronokat a C X szénről, növelve annak részleges pozitív jellegét, segítve a nukleofil támadását, 2. delokalizáció révén stabilizálja a szigma-komplex negatív töltését. bizonyíték.: A szigma-komplex egyes esetekben izolálható, pl.: Et Et Et K 2 2 K 2 K 2. em várt tapasztalat: ha a klórbenzol S reakciójában a nukleofilt lecseréljük ( ), akkor a reakció már 33 o C -on is végbemegy. memo.: (A reakciót folyékony ammóniában kivitelezzük, innen a 33 o C.) Emlékezzünk arra hogy klórbenzol S reakciója - nukleofillal csak 200 o C feletti hőmérsékleten következett be. megfigyelés: Cl o C folyékony 3 + Cl

34 magyarázathoz vezető út: Cl 2 2 folyékony 3-33 o C + 2? memo: várt p-aminotoluol 38% nem várt m-aminotoluol 62% az -nál nem sokkal jobb nukleofil az 2, ám az utóbbi sokkal erősebb bázis mint a hidroxid anion! Cl Cl köztitermék % 62% memo.: ez a szubsztitúciós reakció valójában egy elimináció és egy addició elemi lépés együttese (E + Ad).

35 kérdés: az addíciós lépés miért eredményez kétszerannyi meta- mint para-aminotoluolt? Mulliken töltések RF/tzp < EPS < memo.: az orto-klórtoluol esetében is megy a reakció és szintén két terméket kapunk: 2 Cl 2 / 3 45% 2 / % memo: ha a távozó csoporthoz viszonyítva mindkét orto helyzet már szubsztituált, azaz nincs atom amit le tud szakítani a bázis, akkor nem megy a reakció. Cl 2 / 3

36 Ruff-Csizmadia II. Elektrofil szubsztitúció II/A Elektrofil szubsztitúció telített szénatomon kérdés: az S reakciók analógiájára lehet-e S E reakciót kivitelezni? S E 2: Y R E Y + R E S E 1: Y R Y + R E R E válasz: S E 2 - a sikeres reakció esetén az Y R σ-kötés heterolitikusan bomlik a szénen visszahagyva az elektronpárt. Ez csak akkor kivitelezhető, ha Y elektronnegatívitása kisebb mint a széné! a Y=, vagy halogén (F, Cl, Br, I) ez nem teljesülhet. - fémorganikus molekula esetén kivitelezhető ez a reakció szén-centrumon : Brg R Br Br R Br + gbr 2 s-bu SnR 3 Br Br s-bu Br + SnR 3 Br S E 1 3 C C C 3 3 C C C 2 + bázis katal. δ+ δ Br Br 3 C C C C C C 2 Br + Br

37 II/B Elektrofil subsztitúció telítetlen szénatomon kérdés: megoldható-e egy S E reakció telítetlen szénen? tapasztalat: benzol nitrálása során: csak cc. 3 nem megy számottevo módon a reakció nincs termék csak cc. 2 S 4 2 cc. 3 cc. 2 S 4 magyarázat: a kénsav a salétromsav elektrofil jellegét fokozza: S S S 4 memo: a víz nyilván azonnal protonálódik bruttó reakcióegyenlet: S S 4 megjegyzés: a nitrónium kation ( 2 + ) kiváló elektrofil amely pl BF 4 só formájában is felhasználható.

38 kérdés: mi lehet az S E reakció mechanizmusa? módszer: megfigyeljük a résztvevő molekulák koncentrációinak alakulását az idő függvényében. tapasztalat: mind a reagens ( + 2 ), mind a szubsztrát (Ar ) moláris koncentrációja befolyásolja a reakciósebességet. Azaz a reakciósebesség (a termék koncentrációjának időbeli változása): d[ar 2 ]/dt = k[ + 2 ][Ar - ]. (másodrendű reakció sebességi egyenlet, ahol k a sebességi együttható) memo: a teljesség kedvéért jegyezzük meg, hogy használjunk + 2 BF 4 -et + 2 forrásként válasz: bimolekulás azaz S E 2. kérdés: melyik az alábbi lehetőségek közül (1, 2 vagy 3) a legvalószínűbb? lassú gyors gyors lassú + memo: a lassú a sebesség meghatározó lépés. σ-komplex

39 módszer: kémiai alap: tapasztalat: kinetikus izotóp effektus azonos molekuláris környezetben a C D kötés erősebb mint a C kötés, ezért az előbbi nehezebben hasad. mind benzol mind perdeuterobenzol esetében ugyanolyan gyors a reakció. 2 2 D 2 D D D D 2 D D D D következtetés: válasz: memo.: D tehát nem a C kötés elhasadása a sebességmeghatározó lépés, ezért a mind a 3-as mind az 1-es reakció utakat ki lehet zárni. (Mivel mindkét kizárt esetben a sebesség meghatározó lépés tartalmazza a C kötés hasadását.) a 2-es mechanizmus a valószínűsíthető út amely során a az elektrofil támadása és a szigma-komplex kialakulása a sebességmeghatározó lépés. mindez nem bizonyítja hogy maximum két lépésben játszódik le a reakció. D

40 memo: vegyük észre, hogy a σ-komplex kialakulása megbontotta a π-szextettet! Az arénium kation továbbalakulása elvileg lehetne egy addiciós lépés: - nem a proton távozik (ahogy azt már bemutattuk), - hanem a hidrogénszulfát anion lép be a pozitívan töltött szénre. ogy ez nem így van (nincs addició) azt lásd később. memo: akkor van S 4 a reakciótérben ha a nitrálást nitrálósavval végezzük szubsztitúció σ-komplex + S 4 2 S 3 addíció kérdés: hasonló S E 2 reakció mechanizmussal lehet-e más szubsztituenst is bevinni az aromás gyűrűre? válasz: igen, pl. halogénezés A halogénezés: δ+ δ Br Br FeBr 3 Br Br FeBr 3 δ+ δ Br Br FeBr3 Br Br memo: FeBr 4 FeBr 3 a megfelelő Lewis-savval (FeBr 3 ) polarizált brómmolekula pozitív fele ugyanazt a szerepet tölti be mint a nitrónium kation a nitrálás során. (Más Lewis-sav is alkalmazható pl. AlCl 3.) Br

41 memo: 1) A benzol esetében a Br 2 önmagában (Lewis-sav nélkül) nem elég elektrofil, de fenol esetében már igen: Br 2 Br Br 2 kérdés: válasz: 2)F 2 (Lewis-sav jelenlétében) túlságosan hevesen, I 2 nem megy a reakció. lehet-e S E 2 reakcióval alkilcsoportot bevinni? igen: (Friedel Crafts-alkilezési reakció) a már önmagában is polarizált alkilhalogenid Lewis-sav hatására elegendően erős elektrofil az S E 2 reakcióhoz. Br δ+ δ R Cl δ+ δ R Cl AlCl3 R R Charles Friedel AlCl 4 Cl + AlCl 3 James Mason Crafts

42 mo: ilyen Friedel Crafts-alkilezés során állították elő izolálható σ-komplexet (láh és Kuhn, 1958). EtF / BF 3 Et Et M e -80 o C -15 o C BF 4 + F narancssárga stabil σ-komplex kérdés: válasz: lehet-e S E 2 reakcióval acilcsoportot bevinni? igen: (Friedel Crafts-acilezési reakció) a már önmagában is polarizált acil-halogenid karbonilcsoportjának szénatomja Lewis-sav hatására tovább polarizálódik és így elegendően erős elektrofil lesz egy S E 2 reakcióhoz. polarizált komplex ionpár R δ+ C δ Cl AlCl 3 R C AlCl 4 R C RCCl AlCl 3 + Cl

43 kérdés: válasz: lehet-e S E 2 reakcióval szulfonálni? igen: a kéntrioxid elegendően erős elektrofil egy S E 2 reakcióhoz. 2 2 S 4 S S 4 S S 3 δ δ δ+++ S δ S 3 S 3 - kérdés: hová megy egy szubsztituens ha már van egy (vagy több) az aromás gyűrűn? orto Y orto? Válasz: az Y szubsztituenstől függ: Mulliken töltés A σ-komplex töltéseloszlása meta para meta 0.18 ESP RF/ G(d,p)

44 tapasztalat: Y irányításának helye Y elektronküldő elektronvonzó orto/para meta C 3 R + 3, R 2 2, R 2 C, RC Cl, Br, I C 2, C 2 R, S 3 magyarázat: σ-komplex határszerkezeteit kell megvizsgálni Y Y Y o-támadás 2 Y Y Y p-támadás 2 m-támadás Y Y Y megoldás: mely határszerkezet esetében képes az elektronküldő szubsztituens stabilizálni a σ- komplexet? A két kiemelt határszerkezet esetében erre lehetőség nyílik. memo: Az irányítás általában nem kizárólagos, csak a szelektivitást fokozza.

45 kérdés: hogyan képes pl. a metil ( Y= C 3 ) vagy a metoxi ( Y= C 3 ) szubsztituens a két kiemelt határszerkezeten keresztül stabilizálni a σ-komplexet, s így aktiválni valamint orto-, illetve para- helyzetbe irányítani az új szubsztituenst? válasz: - az Y elektronküldő hatása révén, - további delokalizációs lehetőség biztosításával: Y= C 3 C 3 C 3 C 3 C C 3 o-támadás p -támadás C 3 C itt csak elektronküldő hatás itt elektronküldő és delokalizációs hatások együtteset magyarázat: Az S E 2 aromás reakció sebességmeghatározó lépése a σ-komplex kialakulása, mely folyamatot gyorsítják és szelektívebbé teszik a stabilizált σ-komplexek.

46 RF/3-21G A σ-komplex töltéseloszlása Mulliken töltés ESP Mulliken töltés ESP 3 C Mulliken töltés ESP

47 RF/ G(d,p) A σ-komplex töltéseloszlása Mulliken töltés ESP Mulliken töltés ESP 3 C Mulliken töltés ESP

48 kérdés: hogyan magyarázzuk hogy az elektronvonzó szubsztituensek (Y= R 3 +, 2 ) dezaktiválnak és meta- helyzetbe irányítják az új szubsztituenst? megoldás: ugyanazon két határszerkezet megvizsgálásával mint az előbb: Y= R R 3 o-támadás tényleges pozitív töltés R formális pozitív töltés p-támadás 2 2 magyarázat: a σ-komplex pozitív töltése és az Y-szubsztituens pozitív töltése (formális vagy valós) destabilizálják mindkét határszerkezetet, s ezért nem kapunk se orto-, se para-terméket. Jobb híján a meta termék dúsul fel. memo: Ez az okfejtés minden elektronvonzó Y esetén igaz, akár pozitívan töltött akár nem.

49 kérdés: befolyásolja-e az Y-mérete az orto:para termékarányt? megfigyelés: igen Y: % orto- % para- C C 2 C C(C 3 ) árnyékolás C(C 3 ) mértéke magyarázat: sztérikus gátlás (Az Y növekvő mérete miatt az új szubsztituens nem fér az orto-helyzetez.) kérdés: befolyásolja-e az E + -mérete az orto:para termékarányt? megfigyelés: igen E + : % orto- % para- Cl Br S magyarázat: sztérikus gátlás (Az E + növekvő mérete miatt nem fér az orto-pozícióhoz.) kérdés: egy korábban bevitt szubsztituens el tud-e távozni az aromás gyűrűről? megfigyelés: igen (ipso-szubsztitúció) Y Y E E E - Y S 3 S 3 - S S 4

50 magyarázat: ha Y jó távozó csoport akkor. pl: Y + C(C 3 ) 2 + C(C 3 ) 2 C(C 3 ) C(C 3 ) 2 + C(C 3 ) 2 + C(C 3 ) 2 C(C 3 ) : 5 kérdés: mitől függ a sebességmeghatározó lépés gyorsasága, a σ-komplex kialakulása? megfigyelés: egyes Y-csoportok aktiválják, mások dezaktiválják az S E 2-t. memo: Már láttuk az irányításnál hogy miért aktivál a vagy és miért dezaktivál az R + 3 vagy 2.

51 Összefoglaló A reakciócentrum szenének típusa telített: sp 3 (R) S telítetlen, aromás: sp 2 (Φ) telített: sp 3 (R) S E telítetlen, aromás: sp 2 (Φ) Cl reaktáns, mechanizmus δ+ δ- C Cl S 2 C 3 δ+ δ- C 3 C Cl C S 2 aromás Brg C 2 C 3 S E 2 C S E 2 aromás C 3 S 1 reagens Br 2 2 nukleofilc nukleofil elektrofil elektrofil δ- δ- C Cl Cl 2 köztitermék C Q Q potencirozás. Q= 2 e-szívó Q=alil e-küldő

52 Alkil-halogenidek átalakítása S 2 reakciókkal R alkohol R' R R' éter S R S tiol R'S R SR' tioéter R X - X C R C nitril R =, primer vagy szekunder alkil X = Cl, Br vagy I R C C R'C R R C C C R' R' alkin észter R' 3 R R' 3 X kvaterner ammónium halogenid R alkil-azid