Sustitución nucleófila

Organic Chemistry II
 

Overview

Fuente: Vy M. Dong y Daniel Kim, Departamento de química, Universidad de California, Irvine, CA

Reacciones de Sustitución nucleófila son entre los temas más fundamentales en química orgánica. Una reacción de Sustitución nucleófila es uno donde un nucleófilo (rico en electrones base de Lewis) sustituye un grupo saliendo de un átomo de carbono.

SN1 (S = sustitución, N = Nucleophilic, 1 = cinética de primer orden)
SN2 (S = sustitución, N = Nucleophilic, 2 = cinética de segundo orden)

Este video le ayudará a visualizar las diferencias sutiles entre una SN1 y SN2 la reacción y qué factores ayudan a la velocidad de cada tipo de reacción de sustitución nucleofílica. La primera sección se centrará en las reacciones que ayudarán a mejor entender y aprender sobre las reacciones de sustitución nucleofílica. La segunda sección se centrará en un ejemplo real de una reacción de sustitución.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Química orgánica II. Sustitución nucleófila. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

En una reacción de sustitución nucleofílica, un nucleófilo sustituye a un grupo que en un átomo de carbono. Una Sustitución nucleófila de un solo paso es un ejemplo de la SN2 mecanismo. Esta reacción es una reacción concertada donde están ocurriendo los bonos rompiendo y formando al mismo tiempo. Una cosa a tener en cuenta es que los orbitales moleculares implicados en la reacción indican que el ataque nucleofílico debe provenir en 180 ° el grupo dejando. Por lo tanto, algunos nickname SN2 reacción el "ataque de la parte trasera". Este ataque de parte trasera invierte la estereoquímica de la reacción de carbono. Este es un ejemplo de una reacción estereoespecífica donde la estereoquímica en el inicio de la reacción determina los resultados de la estereoquímica después de la reacción.

Figure 1

Una Sustitución nucleófila de dos etapas es un ejemplo de la SN1 mecanismo. En el primer paso, el grupo dejando las hojas y forma un intermediario llamado un Carbocatión. En el segundo paso el nucleófilo ataca al Carbocatión. Ya que el Carbocatión es achiral (no quiral), cualquier estereoquímica al principio de la reacción se pierde. El producto es todavía quiral, pero ahora es una mezcla uniforme de ambos enantiómeros que se llama una mezcla racémica. SN1 reacciones no están estereoespecífica.

Figure 2

En dos partes, examinaremos los factores que afectan las tasas relativas de la SN1 y SN2 reacciones.

En la primera parte, estudiaremos la SN1 reacción usando 11 reacciones de tubo de ensayo. Todas las reacciones tienen el mismo esquema de reacción general:

Figure 3

Todas las tarifas de las reacciones son relativos entre sí. La velocidad de reacción se determinará por el indicador visual en la reacción. Puesto que los precipitados de cloruro de plata de la solución, el momento de la reacción va de claro a turbio da una indicación visual de la reacción relativa velocidad.

En tres de las reacciones de tubo de ensayo, cómo la estructura del halogenuro de alquilo juega un papel en la tasa de las reacciones se probará. Se probarán tres cloruros de alquilo diferente bajo las mismas condiciones:

Figure 4

En dos de las reacciones de la probeta, se probarán los efectos de la polaridad del disolvente en la reacción. Se probarán dos disolventes diferentes:

Tubo de ensayo Solvente Tipo de solvente
1 etanol al 100% Polar protiques
2 5% etanol: 95% acetona Sobre todo Polar aprótico

En dos de las reacciones de la probeta, se probarán los efectos dejando de grupo. Se utilizarán dos halogenuros de alquilo diferente:

Figure 5

Por último, cuatro de las probetas se utilizará para medir la ley de velocidad de las reacciones. Se medirá la velocidad de la reacción con diferentes concentraciones de solución de yoduro de sodio y soluciones 1-bromobutano.

Tubo de ensayo cloruro de terc-butilo
concentración
Nitrato de plata
concentración
Tiempo hasta precipitación
1 0.1 M 0.1 M
2 0.2 M 0.1 M
3 0.1 M 0.1 M
4 0.1 M 0.05 M

En la segunda parte, estudiaremos la SN2 la reacción usando 11 reacciones de tubo de ensayo. Todas las reacciones tienen el mismo esquema de reacción general:

Figure 6

Todas las tarifas de las reacciones son relativos entre sí. La velocidad de reacción se determinará por el indicador visual de cloruro de sodio o bromuro de sodio precipitar de la solución. Esto se indicará cuando la reacción va de claro a turbio.

En tres de las reacciones de tubo de ensayo, cómo la estructura del halogenuro de alquilo juega un papel en la tasa de las reacciones se probará. Esto compara el estérico del carbono que está enlazado al bromo. Se probarán tres cloruros de alquilo diferente bajo las mismas condiciones:

Figure 4

En dos de las reacciones de la probeta, se probará la secundaria estérico de los halogenuros de alquilo. Estos son efectos estérico en la molécula no incluyendo el carbono enlazado a bromuro. Se probarán dos bromuros de alquilo primarios distintos, bajo las mismas condiciones:

Figure 7

En dos de las reacciones de la probeta, se probarán los efectos dejando de grupo. Se utilizarán dos halogenuros de alquilo diferente:

Figure 8

Por último, se utilizará cuatro tubos de ensayo para medir la ley de velocidad de las reacciones.Se medirá la velocidad de la reacción con diferentes concentraciones de solución de yoduro de sodio y soluciones 1-bromobutano.

Tubo de ensayo Yoduro de sodio
Concentración
1-bromobutano
Concentración
Tiempo hasta precipitación
1 15% 1.0 M
2 15% 2.0 M
3 15% 1.0 M
4 7.5% 1.0 M

Procedure

Parte 1: Estudio de la SN1 reacciones

Estructura de halogenuros de Alquilo:

  1. Medir 2 mL de una solución de 0.1 M de nitrato de plata en etanol absoluto en cada uno de los tres tubos de ensayo.
  2. Añadir 2 gotas de 1-bromobutano en el primer tubo de ensayo. Añadir 2 gotas de 2-bromobutano en el segundo tubo de ensayo.
  3. Añadir 2 gotas de 2-bromo-2-metilpropano en la final, tercer tubo de ensayo.
  4. Tapón y agite cada tubo de ensayo.
  5. Tenga en cuenta el momento en el que aparecen los primeros signos de turbidez o precipitado.

Dejando el efectos de Grupo:

  1. Medir 2 mL de una solución de 0.1 M de nitrato de plata en etanol absoluto en cada uno de los dos tubos de ensayo.
  2. Añadir 2 gotas de 2-bromo-2-metilpropano en el primer tubo de ensayo y 2 gotas de 2-cloro-2-metilpropano, en el segundo tubo de ensayo.
  3. Tapón y agite cada tubo de ensayo.
  4. Tenga en cuenta el momento en el que aparecen los primeros signos de turbidez o precipitado.

Efectos de la polaridad del solvente:

  1. Medir 2 mL de una solución de 0.1 M de nitrato de plata en etanol absoluto en el primer tubo de ensayo y medida 2 mL de una solución de 0.1 M de nitrato de plata en acetona ethanol/95% 5% en el segundo tubo de ensayo.
  2. Añadir 2 gotas de 2-bromo-2-metilpropano en ambos tubos de ensayo.
  3. Tapón y agite cada tubo de ensayo.
  4. Tenga en cuenta el momento en el que aparecen los primeros signos de turbidez o precipitado.

Determinación de la ley de velocidad de 1 SN:

  1. Medir 0.5 mL de una solución de 0.1 M de 2-cloro-2-metilpropano en etanol en el primer tubo de ensayo.
  2. Medir 0.5 mL de una solución de 0.2 M de 2-cloro-2-metilpropano en etanol en el segundo tubo de ensayo.
  3. Añadir 1,0 mL de solución de 0,1 M de nitrato de plata en etanol absoluto en ambos tubos de ensayo.
  4. Mida con cuidado el tiempo que toma para observar turbidez o precipitación.
  5. Medir 1.0 mL de una solución de 0.1 M de nitrato de plata en etanol en el tercer tubo de ensayo.
  6. En el cuarto tubo de ensayo, medir 0.5 mL de una solución de 0.1 M de nitrato de plata en etanol y añadir un adicional 0,5 mL de etanol.
  7. En ambos tubos de ensayo, añadir 1,0 mL de 0.1 M 2-chloro-2-metilpropano en etanol y medir cuidadosamente el tiempo que toma para observar turbidez o precipitación.

Parte 2: Estudio de SN2 reacciones

Estructura de halogenuros de Alquilo:

  1. Medir 2 mL de yoduro de sodio 15% en acetona en cada uno de los tres tubos de ensayo.
  2. Añadir 2 gotas de 1-bromobutano en el primer tubo de ensayo.
  3. Añadir 2 gotas de 2-bromobutano en el segundo tubo de ensayo.
  4. Finalmente, agregar 2 gotas de 2-bromo-2-metilpropano en la final, tercer tubo de ensayo.
  5. Tapón y agite cada tubo de ensayo.
  6. Tenga en cuenta el momento en el que aparecen los primeros signos de turbidez o precipitado.

Estérico:

  1. Medir 1 mL de yoduro de sodio 15% en solución de acetona en cada uno de los dos tubos de ensayo.
  2. 2 gotas de 1-bromobutano en el primer tubo de ensayo y añadir 2 gotas de Neopentilglicol bromuro en el segundo tubo de ensayo.
  3. Tapón y agite cada tubo de ensayo.
  4. Tenga en cuenta el momento en el que aparecen los primeros signos de turbidez o precipitado.

Dejando el efectos de Grupo:

  1. Medir 1 mL de yoduro de sodio 15% en solución de acetona en cada uno de los dos tubos de ensayo.
  2. En el primer tubo de ensayo 2 gotas de 1-bromobutano y añadir 2 gotas de 1-chlorobutane en el segundo tubo de ensayo.
  3. Tapón y agite cada tubo de ensayo.
  4. Tenga en cuenta el momento en el que aparecen los primeros signos de turbidez o precipitado.

Determinar la SN2 Índice derecho:

  1. Medir 1.0 mL de yoduro de sodio 15% en solución de acetona en dos tubos de ensayo.
  2. Añadir 0,1 mL de solución de 1,0 M de 1-bromobutano en acetona en el primer tubo de ensayo.
  3. Mida con cuidado el tiempo que lleva a observar los primeros signos de turbidez.
  4. En el segundo tubo de ensayo, Añadir 0,1 mL de una solución de 2,0 M de 1-bromobutano en acetona.
  5. Mida con cuidado el tiempo que lleva a observar los primeros signos de turbidez.
  6. Medir 1.0 mL de 1,0 M 1-bromobutano en acetona en los tubos de ensayo de terceros y cuarto.
  7. Añadir 0,1 mL de un yoduro de sodio 7.5% en solución de acetona en el tercer tubo de ensayo.
  8. Mida con cuidado el tiempo que lleva a observar los primeros signos de turbidez.
  9. En el cuarto tubo de ensayo, Añadir 0,1 mL de un 15% el yoduro de sodio en solución de acetona y mida con cuidado el tiempo que lleva a observar los primeros signos de turbidez.

Sustitución nucleófila es una de las reacciones más fundamentales utilizadas en síntesis orgánica.

Un Nucleófilo de"" es una especie rica en electrones. En una Sustitución nucleófila, un nucleófilo reacciona con un haluro de alquilo para formar un producto con un nuevo grupo funcional. Esta reacción es el punto de partida para una gran variedad de síntesis orgánicas.

Este video ilustra los principios de dos categorías de sustitución nucleofílica, demostrar los efectos de diferentes reactivos sobre la velocidad de reacción para cada uno y discutir algunas aplicaciones.

Sustitución nucleófila requiere de dos reactantes: un alcano funcionalizado y un nucleófilo.

El alcano funcionalizado puede ser un alcohol o un haluro sulfónico, pero suele ser un halogenuro de alquilo. En un haluro de alquilo, el carbono unido al halógeno se llama el carbono "alfa" y debe ser cruzado por hibridación sp3 a sustitución nucleofílica. Cualquier carbono enlazada a la alfa es un carbono "beta". Lo importante, el halógeno es un grupo electrón-retirar potente que hace que el carbono alfa que pobre en electrones. El carbono alfa es por lo tanto un "electrófilo," que significa que tiene un déficit de electrones y puede aceptar más.

Un Nucleófilo de"" es lo contrario; una especie que puede donar electrones. Generalmente es un grupo funcional cargado negativamente, como un ion del cloruro o el anión de una sal orgánica, como un ion acetato. Nucleófilos generalmente contienen pares de electrones no compartidas.

En una Sustitución nucleófila, el nucleófilo reacciona con el halogenuro de alquilo atacando el carbono alfa electrofílico. El nucleófilo actúa como una base de Lewis, donando un par de electrones al carbono alfa. Mientras tanto, se rompe el enlace entre el carbono alfa y el halógeno. Los electrones en ese vínculo Únete con el halógeno para formar un haluro de dejar el grupo.

Una Sustitución nucleófila puede ocurrir a través de uno de dos mecanismos. La primera comienza con un lento ataque nucleofílico en la parte trasera del lado del carbono alfa enfrente el halógeno seguido por la rápida partida del grupo dejando.

Puesto que los halogenuros de alquilo y el nucleófilo toman parte en el paso lento, este mecanismo se llama "Sustitución: nucleofílica Bimolecular", o "SN2," para el cortocircuito. El mecanismo de la SN2 concluye con los otros enlaces en el carbono alfa, cambiando sus orientaciones e invertir la configuración. Puesto que el nucleófilo ataca solamente la parte trasera del carbono alfa, el mecanismo produce sola, invertido stereoisomer del producto.

El otro mecanismo se inicia con la disociación lenta de los halogenuros de alquilo en un grupo saliendo y "Carbocatión", un carbón altamente reactivo, cargado positivamente. A diferencia en el mecanismo SN2, el nucleófilo puede atacar desde cualquier lado. Ambos estereoisómeros se producen, una distinción detectadas experimentalmente por medición rotación óptica. Puesto que solamente una molécula, el alquil haluro-toma parte en el paso lento, este mecanismo se llama "Sustitución nucleofílica Unimolecular," o "SN1."

Ahora que hemos visto los mecanismos de Sustitución nucleófila, vamos a explorar cómo se aplica a diferentes reactivos bajo condiciones diferentes.

En esta sección, examinaremos los efectos de la estructura del halogenuro de alquilo, dejando la selección de grupo y polaridad solvente en el mecanismo SN1. Las condiciones han sido elegidas para suprimir las reacciones SN2.

En primer lugar, estudiamos el efecto de la estructura del halogenuro de alquilo. Medir 2 mL de nitrato de plata de 0.1 M en etanol absoluto en tres tubos de ensayo.

Añadir 2 gotas de 1-bromobutano al primer tubo de ensayo 2 gotas de 2-bromobutano al segundo tubo de ensayo y dos gotas de 2-bromo-2-metilpropano en el tercer tubo de ensayo. Registrar la hora en que comienza la reacción.

Aplicar un tope a cada tubo y agitar.

Registrar la hora en que la solución se vuelve turbia o aparece un precipitado, lo que indica la formación de bromuro de plata insoluble.

A continuación, pasamos a los efectos de los diferentes grupos dejando. Medir 2 mL de nitrato de plata de 0.1 M en etanol absoluto en dos tubos de ensayo.

Añadir 2 gotas de 2-bromo-2-metilpropano, en el primer tubo de ensayo y 2 gotas de 2-cloro-2-metilpropano en la segunda. Como antes, registro el momento en que comienza la reacción, aplicar un tope a cada tubo, agite y anote la hora en la que aparece un precipitado.

Por último, para estudiar el efecto de diferentes solventes, mida 2 mL de nitrato de plata de 0.1 M en etanol absoluto en un tubo de ensayo. Medir 2 mL de 0.1 M de nitrato de plata en acetona al 95% en un segundo tubo de ensayo. Añadir 2 gotas de 2-bromo-2-metilpropano en cada tubo de ensayo.

Otra vez, registrar la hora en que comienza la reacción, el tapón y agite cada tubo y registrar la hora en la que aparece un precipitado.

La velocidad de una reacción SN1 depende fuertemente de la naturaleza de los halogenuros de alquilo y el solvente.

En primer lugar, vamos a examinar la estructura de los halogenuros de alquilo. En esta demostración, 2-bromo-2-methylpropane reaccionó a una velocidad mucho más rápida que el 2-bromobutano, que a su vez reaccionó más rápido que 1-bromobutano.

Estos resultados se derivan de la naturaleza de los intermedios del Carbocatión formado en el paso inicial lento del mecanismo SN1. Carbocations se estabiliza al dispersar la carga positiva del carbono alfa sobre los carbonos beta a través de la polarización y hyperconjugation. Este efecto estabilizador es mayor en Haluros de alquilo terciarios, que tienen varios carbonos beta, y que por lo tanto formar carbocations al ritmo más rápido durante una reacción SN1. Halides alkyl secundario y primario tienen efectos de estabilización progresivamente más pequeños y así reducir progresivamente las tasas de reacción.

Ahora vamos a explorar el grupo dejando. En esta demostración, 2-bromo-2-methylpropane reaccionó a un ritmo mayor que el 2-cloro-2-metilpropano.

Esto es porque el bromo forma un vínculo más débil con el carbono alfa en comparación con el cloro. Más generalmente, halógenos se encuentran debajo de los tabla periódica formar enlaces más débiles que ésos superior sobre la mesa. La tarifa de la disociación inicial paso en un SN1 mecanismo aumenta con la disminución de adherencia. Esta tendencia es común a los mecanismos de la SN1 y SN2.

Pasamos ahora a los efectos del solvente. En esta demostración, la reacción entre el 2-bromo-2-metilpropano y nitrato de plata se produjo a un ritmo más rápido cuando se disuelve en etanol que en acetona.

El etanol es altamente polar y protiques: tiene un átomo de hidrógeno terminal electropositivo y por lo tanto es capaz de formar enlaces de hidrógeno. Por lo tanto es más eficaz para estabilizar el Carbocatión y el grupo dejando que la acetona, que es menos polar y aprótico. En general, las tasas de las reacciones SN1 aumentan con la polaridad del solvente.

Ahora exploramos los efectos de la estructura del halogenuro de alquilo, dejando el grupo y polaridad solvente en el mecanismo SN2. Una vez más, las condiciones han sido elegidas para suprimir las reacciones SN1.

Empezaremos por estudiar el efecto de estructura Alquilo alrededor del carbono alfa. Medir 2 mL de yoduro de sodio 15% en acetona en tres tubos de ensayo. Añadir 2 gotas de 1-bromobutano al primer tubo de ensayo 2 gotas de 2-bromobutano en el segundo y 2 gotas de 2-bromo-2-metilpropano en la tercera. Registrar el tiempo requerido para el precipitado de bromuro de sodio, para formar como antes.

A continuación, examinamos el efecto de la estructura de alkyl en el carbono beta. Medir 1 mL de yoduro de sodio 15% en acetona en dos tubos de ensayo. Añadir 2 gotas de 1-bromobutano al primer tubo de ensayo y 2 gotas de bromuro de Neopentilglicol al segundo. Registrar el tiempo de reacción como antes.

Por último, pasamos a efectos de la polaridad del solvente. Añadir 1 mL de yoduro de sodio 15% de etanol en el primer tubo de ensayo y yoduro de sodio de 15% 1 mL de acetona al segundo. Añadir 2 gotas de 1-bromobutano a ambos y anote el tiempo requerido para un precipitado a la forma.

En primer lugar, vamos a examinar la estructura Alquilo alrededor del carbono alfa. En este ejemplo, el 1-bromobutano reaccionó al ritmo más rápido, 2-bromobutano reaccionado más lentamente y 2-bromo-2-metilpropano más lento de todos. Estos resultados son opuestos los que se encuentran en las reacciones SN1.

La diferencia es debido a la geometría. Aumentar el número de carbonos beta reduce el área expuesta en el carbono alfa que puede ocurrir un ataque nucleofílico del éxito posterior. Este fenómeno se llama "impedimento estérico". Halides alkyl primarios son menos sterically obstaculizado y experimentan las tasas más rápidas de la reacción SN2, mientras que halides alkyl terciarios son más obstaculizados y experimentan reacciones más lentas.

A continuación, pasamos a la estructura de alquilo en los carbonos beta. 1-bromobutano reaccionó instantáneamente mientras que el bromuro de Neopentilglicol no reaccionó en absoluto.

Esto se explica también por impedimento estérico. La presencia de grupos voluminosos en el carbono beta otra vez reduce el área sobre el carbono alfa expuesto al ataque nucleofílico.

Un carbono beta sterically obstaculizado experimenta una menor tasa de reacción que sin obstáculos.

Por último, veremos efectos de solvente. La velocidad de reacción de 1-bromobutano en acetona es mucho mayor de lo que es en etanol. Esto es contrario a los resultados de la reacción SN1.

Esto es porque en las reacciones SN2, solventes protiques polares como etanol estabilizan el nucleophile, haciéndolo menos reactivo y por lo tanto disminuyendo la velocidad de reacción. Por el contrario, disolventes apróticos como acetona no pueden estabilizar el nucleófilo en la misma medida.

Para resumir: disminución de las tasas de las reacciones SN2 por impedimento estérico en los carbonos alfa y beta. Esto es contrario a las reacciones SN1, donde los carbonos beta estabilizan el Carbocatión y aumentar la tasa. Las tarifas de ambas reacciones aumentan como la fuerza de unión entre el grupo dejando y el carbono alfa disminuye. Finalmente, polar solventes protiques retardan reacciones SN2 estabilizando el nucleófilo, pero aceleran reacciones SN1 estabilizando intermedios. Con estos resultados en mente, examinemos algunas aplicaciones.

Sustitución nucleófila es un paso clave en la polimerización de peptoid. Peptoides, monómeros sintéticos relacionados con péptidos, ofrecen un enfoque sencillo para el diseño de proteínas sintéticas altamente optimizadas. Los polímeros se forman alternativamente brominating aminas secundarias y sustituyendo el bromuro terminal resultante con una amina a través de la sustitución nucleofílica. Este método puede utilizarse para producir las cadenas poliméricas y uno mismo-montado nanosheets.

Otra aplicación es en la fabricación de sustratos de cultivo celular. Han desarrollado técnicas de litografía altamente automatizada para crear patrones con características de 10 micrones en sustratos recubiertos de oro. Un polímero está impresa en las características y reaccionó a través de la sustitución nucleofílica para agregar azida u otros ligandos a su superficie. Esto proporciona una superficie altamente controlada sobre que las células pueden ser cultivadas y permisos de exploración de los efectos de los ligandos sobre el comportamiento y crecimiento de la célula.

Sólo ha visto introducción de Zeus a sustitución nucleofílica. Ahora debe comprender los mecanismos SN1 y SN2, los efectos de solventes y Haluros de alquilo diferente en cada uno y algunas aplicaciones. ¡Gracias por ver!

Results

Parte 1: estudio S N 1 reacciones

Estructura de halogenuros de Alquilo:

Figure 9

Dejando el efectos de Grupo:

Figure 10

Efectos de la polaridad del solvente:

Figure 11

Determinar la S N Ley de 1 velocidad:

Tubo de ensayo Nitrato de plata
Concentración
1-bromobutano
Concentración
Tiempo hasta precipitación
1 0.1 M 0.1 M 20 s
2 0.1 M 0.2 M 10 s
3 0.1 M 0.1 M 20 s
4 0.05 M 0.1 M 20 s

Figure 12

Parte 2: estudio S N 2 reacciones

Estructura de halogenuros de Alquilo:

Figure 13

Estérico:

Figure 14

Dejando el efectos de Grupo:

Figure 15

Determinar la S N 2 tasa ley:

Tubo de ensayo Yoduro de sodio
Concentración
1-bromobutano
Concentración
Tiempo hasta precipitación
1 15% 1.0 M 20 s
2 15% 2.0 M 10 s
3 15% 1.0 M 20 s
4 7.5% 1.0 M 40 s

Figure 16

Applications and Summary

Estos experimentos están diseñados para mostrar rápidamente tendencias en reacciones de sustitución nucleofílica. Prueba experimentalmente estas tendencias ayuda a comprender mejor las diferencias sutiles entre una SN1 y SN2 la reacción. Químicos han aprendido a desarrollar y optimizar las condiciones de reacción. ¿Todo proviene de la primera comprensión de la reacción: lo que acelera o frena una reacción y cómo podemos tomar ventaja de ello? Elegir que el mejor solvente, temperatura o concentración de los reactivos puede afectar en gran medida rapidez una reacción terminará. Con el tiempo, químicos han estado no solamente preocupados con velocidad, pero con selectividad y rendimiento así. Reacciones de Sustitución nucleófila son una reacción importante para aprender como se puede encontrar en literatura sintético.

Esta demostración se puede utilizar como un recurso para las reacciones de sustitución nucleofílica; sin embargo, es un contorno áspero de cómo estudiar cualquier reacción orgánica. Cómo cambiar las condiciones de reacción (cambiando una variable a la vez) y la observación de sus efectos es la base de la utilización del método científico. Esto puede aplicarse a otros tipos de reacciones además de reacciones de la substitución, por ejemplo, otras reacciones de la substitución como reacciones de sustitución aromática y reacciones de la substitución de acil.

Figure 17

Reacciones están optimizadas para su rendimiento, selectividad y velocidad (eficiencia). Cómo el químico cambia la reacción parámetros, tales como catalizador, temperatura, solvente y grupo dejando capacidad-puede en gran medida afectan la reacción. Conocer la cinética de una reacción puede dar información valiosa acerca de la reacción, y generalmente este es el comienzo para comprender el mecanismo de una reacción.

Parte 1: Estudio de la SN1 reacciones

Estructura de halogenuros de Alquilo:

  1. Medir 2 mL de una solución de 0.1 M de nitrato de plata en etanol absoluto en cada uno de los tres tubos de ensayo.
  2. Añadir 2 gotas de 1-bromobutano en el primer tubo de ensayo. Añadir 2 gotas de 2-bromobutano en el segundo tubo de ensayo.
  3. Añadir 2 gotas de 2-bromo-2-metilpropano en la final, tercer tubo de ensayo.
  4. Tapón y agite cada tubo de ensayo.
  5. Tenga en cuenta el momento en el que aparecen los primeros signos de turbidez o precipitado.

Dejando el efectos de Grupo:

  1. Medir 2 mL de una solución de 0.1 M de nitrato de plata en etanol absoluto en cada uno de los dos tubos de ensayo.
  2. Añadir 2 gotas de 2-bromo-2-metilpropano en el primer tubo de ensayo y 2 gotas de 2-cloro-2-metilpropano, en el segundo tubo de ensayo.
  3. Tapón y agite cada tubo de ensayo.
  4. Tenga en cuenta el momento en el que aparecen los primeros signos de turbidez o precipitado.

Efectos de la polaridad del solvente:

  1. Medir 2 mL de una solución de 0.1 M de nitrato de plata en etanol absoluto en el primer tubo de ensayo y medida 2 mL de una solución de 0.1 M de nitrato de plata en acetona ethanol/95% 5% en el segundo tubo de ensayo.
  2. Añadir 2 gotas de 2-bromo-2-metilpropano en ambos tubos de ensayo.
  3. Tapón y agite cada tubo de ensayo.
  4. Tenga en cuenta el momento en el que aparecen los primeros signos de turbidez o precipitado.

Determinación de la ley de velocidad de 1 SN:

  1. Medir 0.5 mL de una solución de 0.1 M de 2-cloro-2-metilpropano en etanol en el primer tubo de ensayo.
  2. Medir 0.5 mL de una solución de 0.2 M de 2-cloro-2-metilpropano en etanol en el segundo tubo de ensayo.
  3. Añadir 1,0 mL de solución de 0,1 M de nitrato de plata en etanol absoluto en ambos tubos de ensayo.
  4. Mida con cuidado el tiempo que toma para observar turbidez o precipitación.
  5. Medir 1.0 mL de una solución de 0.1 M de nitrato de plata en etanol en el tercer tubo de ensayo.
  6. En el cuarto tubo de ensayo, medir 0.5 mL de una solución de 0.1 M de nitrato de plata en etanol y añadir un adicional 0,5 mL de etanol.
  7. En ambos tubos de ensayo, añadir 1,0 mL de 0.1 M 2-chloro-2-metilpropano en etanol y medir cuidadosamente el tiempo que toma para observar turbidez o precipitación.

Parte 2: Estudio de SN2 reacciones

Estructura de halogenuros de Alquilo:

  1. Medir 2 mL de yoduro de sodio 15% en acetona en cada uno de los tres tubos de ensayo.
  2. Añadir 2 gotas de 1-bromobutano en el primer tubo de ensayo.
  3. Añadir 2 gotas de 2-bromobutano en el segundo tubo de ensayo.
  4. Finalmente, agregar 2 gotas de 2-bromo-2-metilpropano en la final, tercer tubo de ensayo.
  5. Tapón y agite cada tubo de ensayo.
  6. Tenga en cuenta el momento en el que aparecen los primeros signos de turbidez o precipitado.

Estérico:

  1. Medir 1 mL de yoduro de sodio 15% en solución de acetona en cada uno de los dos tubos de ensayo.
  2. 2 gotas de 1-bromobutano en el primer tubo de ensayo y añadir 2 gotas de Neopentilglicol bromuro en el segundo tubo de ensayo.
  3. Tapón y agite cada tubo de ensayo.
  4. Tenga en cuenta el momento en el que aparecen los primeros signos de turbidez o precipitado.

Dejando el efectos de Grupo:

  1. Medir 1 mL de yoduro de sodio 15% en solución de acetona en cada uno de los dos tubos de ensayo.
  2. En el primer tubo de ensayo 2 gotas de 1-bromobutano y añadir 2 gotas de 1-chlorobutane en el segundo tubo de ensayo.
  3. Tapón y agite cada tubo de ensayo.
  4. Tenga en cuenta el momento en el que aparecen los primeros signos de turbidez o precipitado.

Determinar la SN2 Índice derecho:

  1. Medir 1.0 mL de yoduro de sodio 15% en solución de acetona en dos tubos de ensayo.
  2. Añadir 0,1 mL de solución de 1,0 M de 1-bromobutano en acetona en el primer tubo de ensayo.
  3. Mida con cuidado el tiempo que lleva a observar los primeros signos de turbidez.
  4. En el segundo tubo de ensayo, Añadir 0,1 mL de una solución de 2,0 M de 1-bromobutano en acetona.
  5. Mida con cuidado el tiempo que lleva a observar los primeros signos de turbidez.
  6. Medir 1.0 mL de 1,0 M 1-bromobutano en acetona en los tubos de ensayo de terceros y cuarto.
  7. Añadir 0,1 mL de un yoduro de sodio 7.5% en solución de acetona en el tercer tubo de ensayo.
  8. Mida con cuidado el tiempo que lleva a observar los primeros signos de turbidez.
  9. En el cuarto tubo de ensayo, Añadir 0,1 mL de un 15% el yoduro de sodio en solución de acetona y mida con cuidado el tiempo que lleva a observar los primeros signos de turbidez.

Sustitución nucleófila es una de las reacciones más fundamentales utilizadas en síntesis orgánica.

Un Nucleófilo de"" es una especie rica en electrones. En una Sustitución nucleófila, un nucleófilo reacciona con un haluro de alquilo para formar un producto con un nuevo grupo funcional. Esta reacción es el punto de partida para una gran variedad de síntesis orgánicas.

Este video ilustra los principios de dos categorías de sustitución nucleofílica, demostrar los efectos de diferentes reactivos sobre la velocidad de reacción para cada uno y discutir algunas aplicaciones.

Sustitución nucleófila requiere de dos reactantes: un alcano funcionalizado y un nucleófilo.

El alcano funcionalizado puede ser un alcohol o un haluro sulfónico, pero suele ser un halogenuro de alquilo. En un haluro de alquilo, el carbono unido al halógeno se llama el carbono "alfa" y debe ser cruzado por hibridación sp3 a sustitución nucleofílica. Cualquier carbono enlazada a la alfa es un carbono "beta". Lo importante, el halógeno es un grupo electrón-retirar potente que hace que el carbono alfa que pobre en electrones. El carbono alfa es por lo tanto un "electrófilo," que significa que tiene un déficit de electrones y puede aceptar más.

Un Nucleófilo de"" es lo contrario; una especie que puede donar electrones. Generalmente es un grupo funcional cargado negativamente, como un ion del cloruro o el anión de una sal orgánica, como un ion acetato. Nucleófilos generalmente contienen pares de electrones no compartidas.

En una Sustitución nucleófila, el nucleófilo reacciona con el halogenuro de alquilo atacando el carbono alfa electrofílico. El nucleófilo actúa como una base de Lewis, donando un par de electrones al carbono alfa. Mientras tanto, se rompe el enlace entre el carbono alfa y el halógeno. Los electrones en ese vínculo Únete con el halógeno para formar un haluro de dejar el grupo.

Una Sustitución nucleófila puede ocurrir a través de uno de dos mecanismos. La primera comienza con un lento ataque nucleofílico en la parte trasera del lado del carbono alfa enfrente el halógeno seguido por la rápida partida del grupo dejando.

Puesto que los halogenuros de alquilo y el nucleófilo toman parte en el paso lento, este mecanismo se llama "Sustitución: nucleofílica Bimolecular", o "SN2," para el cortocircuito. El mecanismo de la SN2 concluye con los otros enlaces en el carbono alfa, cambiando sus orientaciones e invertir la configuración. Puesto que el nucleófilo ataca solamente la parte trasera del carbono alfa, el mecanismo produce sola, invertido stereoisomer del producto.

El otro mecanismo se inicia con la disociación lenta de los halogenuros de alquilo en un grupo saliendo y "Carbocatión", un carbón altamente reactivo, cargado positivamente. A diferencia en el mecanismo SN2, el nucleófilo puede atacar desde cualquier lado. Ambos estereoisómeros se producen, una distinción detectadas experimentalmente por medición rotación óptica. Puesto que solamente una molécula, el alquil haluro-toma parte en el paso lento, este mecanismo se llama "Sustitución nucleofílica Unimolecular," o "SN1."

Ahora que hemos visto los mecanismos de Sustitución nucleófila, vamos a explorar cómo se aplica a diferentes reactivos bajo condiciones diferentes.

En esta sección, examinaremos los efectos de la estructura del halogenuro de alquilo, dejando la selección de grupo y polaridad solvente en el mecanismo SN1. Las condiciones han sido elegidas para suprimir las reacciones SN2.

En primer lugar, estudiamos el efecto de la estructura del halogenuro de alquilo. Medir 2 mL de nitrato de plata de 0.1 M en etanol absoluto en tres tubos de ensayo.

Añadir 2 gotas de 1-bromobutano al primer tubo de ensayo 2 gotas de 2-bromobutano al segundo tubo de ensayo y dos gotas de 2-bromo-2-metilpropano en el tercer tubo de ensayo. Registrar la hora en que comienza la reacción.

Aplicar un tope a cada tubo y agitar.

Registrar la hora en que la solución se vuelve turbia o aparece un precipitado, lo que indica la formación de bromuro de plata insoluble.

A continuación, pasamos a los efectos de los diferentes grupos dejando. Medir 2 mL de nitrato de plata de 0.1 M en etanol absoluto en dos tubos de ensayo.

Añadir 2 gotas de 2-bromo-2-metilpropano, en el primer tubo de ensayo y 2 gotas de 2-cloro-2-metilpropano en la segunda. Como antes, registro el momento en que comienza la reacción, aplicar un tope a cada tubo, agite y anote la hora en la que aparece un precipitado.

Por último, para estudiar el efecto de diferentes solventes, mida 2 mL de nitrato de plata de 0.1 M en etanol absoluto en un tubo de ensayo. Medir 2 mL de 0.1 M de nitrato de plata en acetona al 95% en un segundo tubo de ensayo. Añadir 2 gotas de 2-bromo-2-metilpropano en cada tubo de ensayo.

Otra vez, registrar la hora en que comienza la reacción, el tapón y agite cada tubo y registrar la hora en la que aparece un precipitado.

La velocidad de una reacción SN1 depende fuertemente de la naturaleza de los halogenuros de alquilo y el solvente.

En primer lugar, vamos a examinar la estructura de los halogenuros de alquilo. En esta demostración, 2-bromo-2-methylpropane reaccionó a una velocidad mucho más rápida que el 2-bromobutano, que a su vez reaccionó más rápido que 1-bromobutano.

Estos resultados se derivan de la naturaleza de los intermedios del Carbocatión formado en el paso inicial lento del mecanismo SN1. Carbocations se estabiliza al dispersar la carga positiva del carbono alfa sobre los carbonos beta a través de la polarización y hyperconjugation. Este efecto estabilizador es mayor en Haluros de alquilo terciarios, que tienen varios carbonos beta, y que por lo tanto formar carbocations al ritmo más rápido durante una reacción SN1. Halides alkyl secundario y primario tienen efectos de estabilización progresivamente más pequeños y así reducir progresivamente las tasas de reacción.

Ahora vamos a explorar el grupo dejando. En esta demostración, 2-bromo-2-methylpropane reaccionó a un ritmo mayor que el 2-cloro-2-metilpropano.

Esto es porque el bromo forma un vínculo más débil con el carbono alfa en comparación con el cloro. Más generalmente, halógenos se encuentran debajo de los tabla periódica formar enlaces más débiles que ésos superior sobre la mesa. La tarifa de la disociación inicial paso en un SN1 mecanismo aumenta con la disminución de adherencia. Esta tendencia es común a los mecanismos de la SN1 y SN2.

Pasamos ahora a los efectos del solvente. En esta demostración, la reacción entre el 2-bromo-2-metilpropano y nitrato de plata se produjo a un ritmo más rápido cuando se disuelve en etanol que en acetona.

El etanol es altamente polar y protiques: tiene un átomo de hidrógeno terminal electropositivo y por lo tanto es capaz de formar enlaces de hidrógeno. Por lo tanto es más eficaz para estabilizar el Carbocatión y el grupo dejando que la acetona, que es menos polar y aprótico. En general, las tasas de las reacciones SN1 aumentan con la polaridad del solvente.

Ahora exploramos los efectos de la estructura del halogenuro de alquilo, dejando el grupo y polaridad solvente en el mecanismo SN2. Una vez más, las condiciones han sido elegidas para suprimir las reacciones SN1.

Empezaremos por estudiar el efecto de estructura Alquilo alrededor del carbono alfa. Medir 2 mL de yoduro de sodio 15% en acetona en tres tubos de ensayo. Añadir 2 gotas de 1-bromobutano al primer tubo de ensayo 2 gotas de 2-bromobutano en el segundo y 2 gotas de 2-bromo-2-metilpropano en la tercera. Registrar el tiempo requerido para el precipitado de bromuro de sodio, para formar como antes.

A continuación, examinamos el efecto de la estructura de alkyl en el carbono beta. Medir 1 mL de yoduro de sodio 15% en acetona en dos tubos de ensayo. Añadir 2 gotas de 1-bromobutano al primer tubo de ensayo y 2 gotas de bromuro de Neopentilglicol al segundo. Registrar el tiempo de reacción como antes.

Por último, pasamos a efectos de la polaridad del solvente. Añadir 1 mL de yoduro de sodio 15% de etanol en el primer tubo de ensayo y yoduro de sodio de 15% 1 mL de acetona al segundo. Añadir 2 gotas de 1-bromobutano a ambos y anote el tiempo requerido para un precipitado a la forma.

En primer lugar, vamos a examinar la estructura Alquilo alrededor del carbono alfa. En este ejemplo, el 1-bromobutano reaccionó al ritmo más rápido, 2-bromobutano reaccionado más lentamente y 2-bromo-2-metilpropano más lento de todos. Estos resultados son opuestos los que se encuentran en las reacciones SN1.

La diferencia es debido a la geometría. Aumentar el número de carbonos beta reduce el área expuesta en el carbono alfa que puede ocurrir un ataque nucleofílico del éxito posterior. Este fenómeno se llama "impedimento estérico". Halides alkyl primarios son menos sterically obstaculizado y experimentan las tasas más rápidas de la reacción SN2, mientras que halides alkyl terciarios son más obstaculizados y experimentan reacciones más lentas.

A continuación, pasamos a la estructura de alquilo en los carbonos beta. 1-bromobutano reaccionó instantáneamente mientras que el bromuro de Neopentilglicol no reaccionó en absoluto.

Esto se explica también por impedimento estérico. La presencia de grupos voluminosos en el carbono beta otra vez reduce el área sobre el carbono alfa expuesto al ataque nucleofílico.

Un carbono beta sterically obstaculizado experimenta una menor tasa de reacción que sin obstáculos.

Por último, veremos efectos de solvente. La velocidad de reacción de 1-bromobutano en acetona es mucho mayor de lo que es en etanol. Esto es contrario a los resultados de la reacción SN1.

Esto es porque en las reacciones SN2, solventes protiques polares como etanol estabilizan el nucleophile, haciéndolo menos reactivo y por lo tanto disminuyendo la velocidad de reacción. Por el contrario, disolventes apróticos como acetona no pueden estabilizar el nucleófilo en la misma medida.

Para resumir: disminución de las tasas de las reacciones SN2 por impedimento estérico en los carbonos alfa y beta. Esto es contrario a las reacciones SN1, donde los carbonos beta estabilizan el Carbocatión y aumentar la tasa. Las tarifas de ambas reacciones aumentan como la fuerza de unión entre el grupo dejando y el carbono alfa disminuye. Finalmente, polar solventes protiques retardan reacciones SN2 estabilizando el nucleófilo, pero aceleran reacciones SN1 estabilizando intermedios. Con estos resultados en mente, examinemos algunas aplicaciones.

Sustitución nucleófila es un paso clave en la polimerización de peptoid. Peptoides, monómeros sintéticos relacionados con péptidos, ofrecen un enfoque sencillo para el diseño de proteínas sintéticas altamente optimizadas. Los polímeros se forman alternativamente brominating aminas secundarias y sustituyendo el bromuro terminal resultante con una amina a través de la sustitución nucleofílica. Este método puede utilizarse para producir las cadenas poliméricas y uno mismo-montado nanosheets.

Otra aplicación es en la fabricación de sustratos de cultivo celular. Han desarrollado técnicas de litografía altamente automatizada para crear patrones con características de 10 micrones en sustratos recubiertos de oro. Un polímero está impresa en las características y reaccionó a través de la sustitución nucleofílica para agregar azida u otros ligandos a su superficie. Esto proporciona una superficie altamente controlada sobre que las células pueden ser cultivadas y permisos de exploración de los efectos de los ligandos sobre el comportamiento y crecimiento de la célula.

Sólo ha visto introducción de Zeus a sustitución nucleofílica. Ahora debe comprender los mecanismos SN1 y SN2, los efectos de solventes y Haluros de alquilo diferente en cada uno y algunas aplicaciones. ¡Gracias por ver!

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