Name: alkyl halides: structure and reactivity
Uploaded: 2023-04-30T18:28:35.000Z
Duration: 2 min 45 s
Channel: JoVE

אלקיל הלידים, או הלואלקנים, הם תרכובות אורגניות המורכבות מקבוצת אלקיל ואטום הלוגן הקשורים לפחמן היברידי sp3.
כל אטום פחמן מוגדר על ידי קרבתו לאטום הלוגן. הפחמן הקשור ישירות להלוגן מסומן "אלפא-פחמן"; הפחמן שלידו נקרא "בטא-פחמן" וכן הלאה.
בהתאם למספר קבוצות אלקיל על פחמן אלפא, אלקיל הלידים מסווגים עוד יותר כראשוניים, משניים ושלישוניים.
המינוח של אלקיל הלידים עוקב אחר כללי IUPAC דומים לאלה של אלקנים. הלוגנים נחשבים כמחליפים ונקראים פלואורו, כלורו, ברומו ויוד.
ראשית, ספרו את הפחמנים על השרשרת הארוכה ביותר. כאן, חמש מתאים פנטאן. שנית, למצוא ולתת שמות למחליפים. כאן זה ברומו, כלורו ומתיל.
לאחר מכן, מספור שרשרת האב והקצה איתור לרכיבים המעניקים להם את המספר הנמוך ביותר האפשרי. לבסוף, הרכיבו את המחליפים בסדר אלפביתי. תרכובת זו נקראת 4-bromo-1-chloro-4-methyl pentane.
אם השרשרת מכילה קשר כפול, לקשר הכפול יש קדימות והוא מקבל את המספר הנמוך ביותר הנותן לתרכובת 3-פלואורו-1-בוטן.
אם מולקולה היא מחזורית, כיראלית ובעלת מספר תחליפים, גם למחליפים מוקצים הלוקנט הנמוך ביותר האפשרי, והקבוצות מסודרות בסדר אלפביתי. הסטריאוסנטרים מסומנים בתחילת השם, נותנים (1R,2 R)-3-butyl-1,2-dichloro-5-ethylcyclohexane.
אלקיל הלידים משמשים כאבני בניין בסינתזות בגלל תגובתיותם. אם יורדים מקבוצה 17, גודל האטום של ההלוגן ואורך הקשר גדלים, בעוד שהאלקטרושליליות והבסיסיות יורדות.
האלקטרושליליות הגבוהה יותר של הלוגנים מובילה לנסיגה של צפיפות האלקטרונים מהפחמן הסמוך, מה שהופך את פחמן אלפא לאלקטרופילי, ולכן תגובתי יותר.
תגובתיות האלקיל הליד מושפעת עוד יותר מיציבות הבסיס המצומד של ההלוגן. יודיד, ברומיד וכלוריד הם בסיסים מצומדים יציבים אך חלשים של החומצות ההידרוהליות החזקות שלהם. בגלל היציבות שלהם, הם יכולים להיות מוחלפים בקלות רבה יותר על ידי בסיס חזק יותר, מה שהופך אותם לקבוצות עוזבות טובות.

﻿אלקיל הלידים

Alkyl Halides

<div style="direction:rtl"> מאפיינים מבניים האלקיל הלידים הם אלקאנים מוחלפים בהלוגן שבהם אטום מימן אחד או יותר של אלקאן מוחלפים באטום הלוגן כגון פלואור, כלור, ברום או יוד. אטום הפחמן באלקיל הליד קשור לאטום ההלוגן, אשר עובר ל sp 3 מוכלא ומציג צורה טטרהדרלית. שלא כמו אלקיל הלידים, תרכובות שבהן אטום הלוגן קשור לאטום פחמן sp 2 מוכלא של קשר כפול פחמן-פחמן (C=C) נקראות הלידים ויניל. ואילו הלידים אריל הם תרכובות שבהן אטום הלוגן קשור לאטום פחמן sp 2 מוכלא של טבעת ארומטית. יתר על כן, בהתאם למידת ההתמרה באטום הפחמן המכיל את ההלוגן, האלקיל הלידים מסווגים להלידים אלקיל ראשוני, משני ושלישוני. הפחמן הקשור לאטום הלוגן נקרא פחמן α. אטום הפחמן המקושר ל-α-פחמן נקרא β-פחמן. הפחמנים הסמוכים מסומנים לאחר מכן באלפבית יווני (γ, δ וכן הלאה). מִנוּחַ מתן שמות לאלקילידים פועל בהתאם לכללי IUPAC הכלליים של כימיה אורגנית: זהו את שרשרת הפחמן הארוכה ביותר ותנו לה שם. 1 מצאו ותנו שם למתמיר(ים).2 מספרו את שרשרת הפחמן הארוכה ביותר וציינו מספר, או מיקום, עבור כל מתמיר.3 הרכיבו את המתמירים בסדר אלפביתי.4 תגובתיות ויישומים אלקיל הלידים הם תרכובות מגוונות המשמשות כממיסים, חומרי הדברה וחומרי ביניים בהכנת צבעים, תרופות ופולימרים סינתטיים. התגובתיות הכימית של אלקיל הלידים שונה בהתאם לסיווג המבני. אלקיל הלידים מסווגים לאלקילידים ראשוניים, משניים ושלישוניים בהתאם למידת ההתמרה על הלוגן נושא פחמן. יתר על כן, האלקטרושליליות של אטום ההלוגן משחקת תפקיד משמעותי בתגובתיות של האלקיל הליד. מלבד יוד, להלוגנים אחרים יש אלקטרושליליות גדולה משמעותית מפחמן. עקב הבדלי אלקטרושליליות בין אטומי פחמן והלוגן, הקשר הקוולנטי בין האטומים מקוטב; לפיכך, הפחמן נושא מטען חיובי חלקי ואטום ההלוגן מטען שלילי חלקי. כתוצאה מכך, הפחמן המחובר להלוגן הוא אלקטרופיל. בטבלה מחזורית, בירידה ממשפחת ההלוגנים, האלקטרושליליות פוחתת; הפוך, גודל אטום הלוגן גדל. לפיכך, אורך קשר הפחמן-הלוגן גדל בעוד חוזק הקשר והקוטביות יורדים מפלואור ליוד, מה שמקל על שבירת הקשר. מלבד גורמים אלה, היציבות היחסית של הבסיסים המצומדים המתאימים, או אניוני הליד, משפיעה גם על האופי הכימי של האלקיל הליד. ניתן למדוד את היציבות של אניונים הלידים ביחס לחומציות היחסיות של החומצות ההידרותליות. לחומצה ההידרופלית החזקה ביותר, מימן יודיד, יש p K a של -11. כלומר הוא מתנתק במלואו לבסיס המצומד היציב ביותר, יון היודיד והפרוטון. לפיכך, יוד הוא קבוצת עוזבים מצוינת. מלבד חומצה הידרופלואורית עם p K a של 3.2, לחומצות הידרותליות אחרות יש ערכי p K a של פחות מ-0, מה שהופך אותן לחומצות חזקות עם בסיסים מצומדים חלשים ומיוצבים, שהן קבוצות עוזבות מצוינות. </div>

תכונות מבניות
אלקיל הלידים הם אלקנים תחליפי הלוגן שבהם אטום מימן אחד או יותר של אלקן מוחלף על ידי אטום הלוגן כגון ...

Education

JoVE Core

Organic Chemistry

כימיה אורגנית

Unit 1

יחידה 1

Nucleophilic Substitution and Elimination Reactions of Alkyl Halides

תגובות תחלופה נוקלאופילית ואלימינציה של הלואלקילים

nucleophilic-substitution-and-elimination-reactions-of-alkyl-halides

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחים ומושגים מרכזיים

alkyl halides: structure and reactivity

Alkyl halides are halogen-substituted alkanes. In these compounds, one or more hydrogen atoms in an alkane is replaced by a halogen atom such as fluorine, chlorine, bromine, or iodine. The carbon bonded to the halogen is sp3-hybridized and has a tetrahedral shape.

Not every carbon-halogen compound is an alkyl halide. If the halogen is attached to an sp2-hybridized carbon in a carbon-carbon double bond, the compound is a vinyl halide. If the halogen is attached to an sp2-hybridized carbon in an aromatic ring, the compound is an aryl halide. Alkyl halides are also grouped as primary, secondary, or tertiary based on how substituted the carbon bearing the halogen is.

The carbon attached to the halogen is called the alpha-carbon. The carbon next to it is the beta-carbon. The nearby carbons are then labeled with Greek letters such as gamma and delta. Alkyl halides are named using standard IUPAC rules. First, identify the longest carbon chain and name it. Then name the substituents, assign locants, and list the substituents in alphabetical order.

Alkyl halides are useful as solvents, pesticides, and starting materials for dyes, drugs, and synthetic polymers. Their reactivity depends on their structure and on the halogen atom. Because halogens are usually more electronegative than carbon, the carbon-halogen bond is polarized. This gives the carbon a partial positive charge, so it acts as an electrophile.

Halogen trends also matter. Moving down the halogen family, electronegativity decreases and atomic size increases. As a result, the carbon-halogen bond gets longer, weaker, and less polar from fluorine to iodine, so it is easier to break. The stability of the matching halide anion also affects reactivity. Hydroiodic acid is the strongest hydrohalic acid, with a pKa of -11, so iodide is a very stable conjugate base and an excellent leaving group. With the exception of hydrofluoric acid, which has a pKa of 3.2, the other hydrohalic acids have pKa values below 0 and form weak, stabilized conjugate bases that leave easily.

Alkyl Halides: Structure and Reactivity

alkyl halides

Alkyl halides are halogen-substituted alkanes. In these compounds, one or more hydrogen atoms in an alkane is replaced by a halogen atom such as fluorine, chlorine, bromine, or iodine. The carbon bonded to the halogen is sp3-hybridized and has a tetrahedral shape. Not every carbon-halogen compound is an alkyl halide. If the halogen is attached to an sp2-hybridized carbon in a carbon-carbon double bond, the compound is a vinyl halide. If the halogen is attached to an sp2-hybridized carbon in an...

nucleophilic substitution reactions

SN1 and SN2 in Organic Substitution

Nucleophilic substitution reactions replace one group in a molecule with another. In these reactions, a nucleophile, which is a Lewis base, reacts with an electrophile, which is a Lewis acid. The nucleophile takes the place of a halogen atom bonded to carbon and releases a stable ion called the leaving group. This reaction pattern is closely related to Lewis acid-base chemistry. The electron-rich species acts as the nucleophile. The electron-deficient species acts as the electrophile. A key...

nucleophiles

Nucleophilic Strength in Substitution Reactions

Nucleophiles are electron-pair donors that take part in substitution reactions. The word comes from Greek and means nucleus-loving. Because they donate electrons, nucleophiles are also Lewis bases. Many nucleophiles are negatively charged species, such as hydroxide, chloride, and hydrosulfide. Neutral molecules can also act as nucleophiles when they have lone pairs of electrons. Examples include ammonia, amines, water, and alcohols. Some molecules without a lone pair can still behave as...

electrophiles

Electrophile Reactivity in Organic Reactions

Electrophile reactivity in organic reactions depends on how a species attracts electrons. Electrophiles are electron-poor and are key partners in nucleophilic substitution reactions. Their charge and orbital structure help explain why they react the way they do. Electrophiles can be positive or neutral species. A positive electrophile such as a proton reacts because it has a vacant, low-energy 1s orbital. Other positive electrophiles, such as carbocations, are reactive because they have an...

leaving groups

How Leaving Groups Affect Substitution

Leaving groups affect how nucleophilic substitution reactions happen. In this type of reaction, a nucleophile replaces a functional group on a substrate. The group that leaves is called the leaving group, and it departs when the bond breaks by heterolytic cleavage, taking both electrons with it. A good leaving group is usually a stable weak base. It can leave as an anion or as a neutral molecule. The easier it is for the leaving group to leave, the more it can influence the reaction rate. <br...

carbocations

Carbocation Structure and Stability

Carbocations are reactive carbon species formed during some nucleophilic substitution and elimination reactions. They are electron-deficient intermediates, with the central carbon holding only six electrons and three bonded atoms. Because they are short-lived and highly reactive, they play an important role in many organic reaction pathways. The central carbon in a carbocation is sp2 hybridized and has a trigonal planar shape. It also contains an empty p orbital that sits perpendicular to the...

sn2 reaction: kinetics

SN2 Rate Law and Reaction Mechanism

SN2 reaction kinetics links reaction rate to the concentration of reactants. In a chemical reaction, kinetic studies measure how fast reactants disappear or products appear under fixed conditions such as temperature, pressure, and solvent. These studies help chemists find the rate law, which can give clues about the species involved in the rate-determining step and the reaction mechanism. The rate of a reaction is found experimentally. Scientists withdraw small samples, called aliquots, at...

sn2 reaction: mechanism

SN2 Backside Attack and Inversion

SN2 reactions happen in one step and end with inversion of configuration. The nucleophile and the substrate both take part in the rate-determining step, and no intermediate forms. The substrate contains a polarized carbon-halide bond. The more electronegative halogen pulls the electron cloud toward itself. That leaves the carbon atom electrophilic, or electron-poor, with a partial positive charge. The halide has a partial negative charge. The electrophilic carbon attracts the nucleophile,...

sn2 reaction: transition state

SN2 Reaction: Reactivity and Steric Effects

An SN2 reaction of an alkyl halide happens in one step. The nucleophile forms a bond with the electrophilic carbon while the halide leaves at the same time. No intermediate forms during this process. As the nucleophile approaches with its lone pairs, the leaving group moves away with the electron pair that was bonded to carbon. The transition state is shown with dotted partial bonds and square brackets. This state is very unstable, so it quickly changes into the more favored product state. <br...

sn2 reaction: stereochemistry

SN2 Inversion of Configuration

SN2 reactions cause inversion of configuration at the carbon being substituted. The nucleophile attacks from the back side, while the leaving group departs at the same time. This happens through a transition state, where the carbon changes from tetrahedral to trigonal bipyramidal and then back to tetrahedral. The change in shape helps explain the product stereochemistry. If the substrate is achiral at the alpha-carbon, the inversion is not seen. When the alpha-carbon is chiral, the reversal is...

sn1 reaction: kinetics

SN1 Reaction Rate and Unimolecular Step

SN1 reaction rate depends on the substrate, not the nucleophile. This pattern was identified by Sir Christopher Ingold and Edward D. Hughes while they studied nucleophilic substitution reactions of tertiary alkyl halides. A tertiary alkyl halide can still undergo substitution even when the nucleophile is weak. In their kinetic studies, the rate of product formation stayed the same when the nucleophile concentration changed, as long as the substrate concentration remained constant. That means...

sn1 reaction: mechanism

SN1 Reaction Steps and Carbocation Formation

The SN1 reaction follows a step-by-step pathway that begins with carbocation formation. In a polar protic solvent, a tertiary haloalkane can ionize so that only the substrate takes part in the rate-determining step, which is the slow step. First, the haloalkane undergoes heterolytic cleavage to form a carbocation intermediate and a halide ion. This bond break is highly endothermic and has a large activation energy. The polar protic solvent helps stabilize the ions by solvation, and that makes...

sn1 reaction: stereochemistry

SN1 Pathway and Product Chirality

SN1 reactions can change the chirality of a product because the reaction goes through a carbocation intermediate. First, the bond between the electrophilic carbon and the leaving group ionizes. Then the nucleophile attacks the carbocation. The carbocation formed in an SN1 reaction is sp2 hybridized and has a trigonal planar shape. Its three substituents lie in the same plane, which creates a plane of symmetry. That makes the carbocation achiral, so the nucleophile can approach from either side...

predicting products: sn1 vs. sn2

SN1 and SN2 Reaction Factors

Nucleophilic substitution of alkyl halides can follow an SN1 or SN2 pathway. In an SN2 reaction, the nucleophile attacks as the leaving group leaves at the same time. In an SN1 reaction, the substrate first splits to form a carbocation, which is a positively charged intermediate. The structure of the alkyl halide helps decide which mechanism is more likely. As alkyl substitution increases, steric hindrance also increases, which makes backside attack harder for SN2. More substituted alkyl...

elimination reactions

E2 vs E1 in Alkyl Halide Elimination

Elimination reactions of alkyl halides form alkenes by removing groups from adjacent carbons. A base can act on the substrate instead of causing substitution. It deprotonates the neighboring carbon, and the reaction creates at least one pi bond. The carbon bonded to the halogen is the alpha carbon, and the adjacent carbon is the beta carbon. These are also called beta elimination or 1,2-elimination reactions. Strong bases help drive this process. Common examples include hydroxides, alkoxides,...

e2 reaction: kinetics and mechanism

E2 Elimination: Rate, Base, and Solvent

E2 elimination is a concerted reaction of alkyl halides that forms an alkene. In this mechanism, the base removes a beta hydrogen as the halide leaves from the alpha carbon. The two bonds change at the same time, so the products are formed in one step. The rate-limiting transition state has partially broken carbon-hydrogen and carbon-halogen bonds. It also has a partially formed pi bond between the alpha and beta carbons. Because the beta hydrogen and the halide are eliminated together, the...

e2 reaction: stereochemistry and regiochemistry

e2-reaction-stereochemistry-and-regiochemistry

E2 Elimination: Major and Minor Products

E2 elimination reactions of alkyl halides can form one or more alkenes, and the product mix depends on regiochemistry and stereochemistry. Regiochemistry controls where the double bond appears. Stereochemistry controls the shape of the alkene that forms. When a substrate has two different beta hydrogens, a strong base can remove either one. That can give two regioisomeric alkenes. The more substituted alkene is the major product and is called the Zaitsev product. The less substituted alkene is...

e1 reaction: kinetics and mechanism

E1 Elimination: Carbocation Stability and Rates

E1 elimination depends on carbocation stability and reaction rate. It follows a two-step path. The first step is the rate-limiting loss of the leaving group. The second step is the abstraction of the beta hydrogen by a weak base. Experimental support for the E1 mechanism comes from kinetic studies and isotope studies. Kinetic studies show first-order kinetics, which means the rate depends only on substrate concentration. Isotope studies show that hydrogen is removed only in the second step. <br...

e1 reaction: stereochemistry and regiochemistry

e1-reaction-stereochemistry-and-regiochemistry

E1 Elimination: Zaitsev Product and Carbocation

E1 elimination often gives the most substituted alkene, called the Zaitsev product. In the example, water acts as a weak base and favors elimination over substitution, so two alkene products can form. The Zaitsev alkene is usually more stable than the Hofmann product because it has more alkyl groups attached to the double bond. The lower-energy pathway also helps explain why the Zaitsev product is favored. Its transition state has lower energy, so this product is both thermodynamically stable...

predicting products: substitution vs. elimination

predicting-products-substitution-vs-elimination

Choosing Products in Substitution and Elimination

Substitution and beta-elimination compete when a nucleophile reacts with an alkyl halide. The major product depends on the substrate, the nucleophile, the temperature, and the solvent. Because more than one pathway can happen at once, a reaction often gives a product mixture. The structure of the alkyl halide helps predict which mechanism is more likely. Methyl halides and 1° halides usually favor bimolecular reactions, especially SN2. SN1 and E1 are disfavored for 1° halides because the 1°...

key terms and concepts

Learn how alkyl halides are built, named, and classified, and why bond polarity and leaving-group strength affect their reactivity in organic chemistry.

Alkyl Halides: Structure and Reactivity | JoVE K12

organic chemistry

JoVE Core Organic Chemistry explains basic concepts of stereochemistry, reactions, and mechanisms using concise and easy-to-understand animated video lessons. Additionally, the scientist-in-action videos demonstrate the application of related concepts in classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

Alkyl Halides: Structure and Reactivity

Description

Transcript

Tags