10.12: Wytwarzanie alkoholi poprzez reakcje podstawienia

Przegląd

Alkohole można syntetyzować z halogenków alkilu poprzez reakcje podstawienia nukleofilowego. Wysoce polarne wiązanie węgiel-halogen w podłożu sprawia, że halogenek jest dobrą grupą opuszczającą. Jon wodorotlenkowy lub woda mogą działać jako nukleofil, zastępując halogenek i tworząc alkohol. Reakcje podstawienia zachodzą dwoma różnymi szlakami reakcji, S_N1 lub S_N2, w zależności od charakteru węgla przyłączonego do halogenku.

Alkohole pierwszorzędowe syntetyzuje się z pierwszorzędowych halogenków alkilu, a reakcja przebiega poprzez mechanizm S_N2. Nukleofil atakuje węgiel zawierający halogen od strony przeciwnej do wiązania węgiel-halogen. Jednakże w obecności silnego nukleofila zachodzi również konkurencyjna reakcja eliminacji.

Rysunek_1: Równoległe reakcje 1-bromobutanu na produkty podstawienia i produkty eliminacji (abstrakcja protonów).

Synteza alkoholi drugorzędowych z drugorzędowych halogenków alkilu w drodze reakcji podstawienia nie jest preferowana, ponieważ z konkurencyjnych dróg reakcji S_N2 i E2 powstaje mieszanina produktów.

Rysunek_2: Równoległe reakcje 2-bromo-3-metylobutanu na produkty podstawienia i produkty eliminacji (abstrakcja protonów).

Halogenki trzeciorzędowego alkilu podlegają reakcji S_N1 ze słabą zasadą, taką jak woda, w wyniku czego powstają alkohole trzeciorzędowe wraz z alkenem jako produktem drugorzędnym w wyniku konkurencyjnej reakcji eliminacji E2.

Rysunek_3: Równoległe reakcje halogenków trzeciorzędowych alkili do produktów eliminacji i podstawienia.

Jeśli stosuje się silny nukleofil, taki jak wodorotlenek sodu, reakcja E1 dominuje nad S_N1.

Charakter reagenta określa stereochemię utworzonego produktu. Jeśli halogen w halogenku alkilu jest połączony z chiralnym węglem, powstały alkohol jest mieszaniną dwóch enancjomerów.

Rysunek_4: Reakcja podstawienia na asymetrycznym węglu, w wyniku której otrzymuje się racemiczną mieszaninę optycznie czynnych alkoholi jako produktu

Przypomnij sobie reakcje substytucji nukleofilowej, w których grupa funkcyjna jest podstawiana inną.

Reakcje te wymagają elektrofilu zhybrydyzowanego sp³ z dobrą grupą opuszczającą i mogą być wykorzystywane do syntezy alkoholi za pomocą mechanizmu S_N1 lub S_N2.

Pierwszorzędowe halogenki alkilowe, preferencyjnie, ulegają reakcjom substytucji poprzez mechanizm_{S N}2 z silnymi nukleofilami, takimi jak wodorotlenek sodu, w celu uzyskania pierwszorzędowych alkoholi. Konkurencyjny proces eliminacji E2 daje alken jako produkt drugorzędny.

Synteza drugorzędowych alkoholi z drugorzędowych halogenków alkilowych poprzez substytucję jest mniej korzystna, ponieważ konkurujące ze sobą reakcje eliminacji prowadzą do mieszaniny alkoholi i alkenów jako produktów końcowych.

W syntezie trzeciorzędowych alkoholi trzeciorzędowe halogenki alkilowe ulegają reakcjom substytucji poprzez mechanizm S_N1 ze słabymi nukleofilami, takimi jak woda.

Jeśli jednak woda zostanie zastąpiona silnym nukleofilem, takim jak wodorotlenek sodu, trzeciorzędowy substrat sprzyja reakcji E2, wytwarzając alken.

Jeśli halogenek trzeciorzędowy jest chiralny, to reakcja S_N1 daje racemiczną mieszaninę alkoholi trzeciorzędowych.

Konkurencyjną reakcję eliminacji można zminimalizować, stosując stosunkowo niską temperaturę do syntezy alkoholi w słabej zasadzie lub obojętnym środowisku.