ELIMINACIJSKE REAKCIJE

Chapter 6 2

REAKCIJA SUPSTITUCIJE

REAKCIJA ELIMINACIJEizlazna skupina

nukleofil

Chapter 6 3

EliminaEliminacijskecijske reakcije reakcije alkilalkil--halogenidahalogenida

� Dehidrohalogeniranje

- koristi se za sintezu alkena

→ eliminacija i supstitucija su kompeticijske reakcije

→ jake baze kao što su alkoksidi daju prednost eliminaciji

baza

dehidrohalogeniranje

Chapter 6 4

Chapter 6 5

� alkoksidialkoksidi se priređuju iz odgovarajućih alkohola

etanol natrijev etoksid(suvišak) otopljen u suvišku etanola

tert-butil-alkohol kalijev tert-butoksid(suvišak)

Chapter 6 6

E2 E2 mehanizammehanizam

- Uključuje usklađeno uklanjanje protona, stvaranje dvostruke veze i odlazak izlazne skupine.

- Koncentracija alkil-halogenida i baze utječe na brzinu reakcije, stoga je to reakcija drugog reda.

Reakcija:

Mehanizam:

Prijelazno stanje

brzina

brzina

Chapter 6 7

E1 E1 mehanizammehanizam

- E1 je u kompeticiji sa SN1 reakcijom (obje reakcije se odvijaju kroz karbokationski međuprodukt).

2. korak

1. korak

sporo

Chapter 6 8

tert-butil-klorid

2-metilpropen(17%)

tert-butil-alkohol tert-butil-etil-eter

Chapter 6 9

SuSupstitucija / eliminacijapstitucija / eliminacija

� SN2 u kompeticiji sa E2

eliminacijaE2

supstitucijaSN2

Chapter 6 10

SuSupstitucija / eliminacijapstitucija / eliminacija

� primarni supstrat

- Ako je baza mala, SN2 je snažna kompeticijska reakcija jer je prilaz ugljiku nezaklonjen.

� sekundarni supstrat

- Prilaz ugljiku je sterički zaklonjen i E2 eliminacija ima prednost.

Chapter 6 11

� tercijarni supstrat

- Prilaz ugljiku je jako zaklonjen i eliminacija prevladava, naročito pri visokim temperaturama.

� temperatura

- Povišenje temperature daje prednost eliminaciji nad supstitucijom.

uglavnom E2(91%)

Chapter 6 12

→→→→ veličina baze/nukleofila

- Velike, sterički ometene baze, daju prednost eliminaciji jer ne mogu direktno prići ugljiku dovoljno blizu za supstitucijsku reakciju.

- Kalijev tert-butoksid je izrazito sterički zaklonjena baza, te se ciljano koristi za E2 reakciju.

Chapter 6 13

FiziFiziččka svojstva ka svojstva alkenaalkena i i alkinaalkina

-Još se ponekad koristi stariji naziv za alken → olefinolefin (lat. Oleum = ulje)

- Eten (etilen) u reakciji sa Cl2 daje ulje, C2H4Cl2.

- Alkeni i alkini imaju tališta i vrelišta slična alkanima približne veličine.

- Nezasićeni ugljikovodici su veoma slabo topljivi u vodi i imajugustoće manje od vode.

Chapter 6 14

RelativRelativne stabilnosti ne stabilnosti alkenaalkena

- općenito, cis alkeni su manje stabilni od trans alkena zbog steričkih smetnji

�� Toplina Toplina hidrogeniranjahidrogeniranja

- relativne stabilnosti alkena se mogu izmjeriti korištenjem egzotermnih toplina hidrogeniranja (za točan rezultat treba se dobiti isti alkan kao produkt).

ometanje

Chapter 6 15

� topline hidrogeniranja za tri izomera butena:

En

talp

ija

Chapter 6 16

�� Ukupne relativne stabilnosti Ukupne relativne stabilnosti alkenaalkena

- što je veći broj vezanih alkilnih skupina (to jest, ugljikoviatomi dvostruke veze imaju viši stupanj supstitucije), to je alken stabilniji:

Relativne stabilnosti alkena

tetrasupstituirani trisupstituirani disupstituirani monosupstituirani nesupstituirani

Chapter 6 17

SSintezainteza alkenaalkena reakcijama eliminacijereakcijama eliminacije

�� DehDehidrohalogeniranjeidrohalogeniranje

- najkorisnije su reakcije s E2 mehanizmom (reakcije s E1 mehanizmom mogu biti problematične)

- E2 reakcije imaju prednost kad se koriste:

� sekundarni ili tercijarni alkil-halogenidi

� alkoksidne baze kao što je natrijev etoksid ili kalijev tert-butoksid

- Velike baze kao što je kalijev tert-butoksid trebaju se koristiti za E2 reakcije s primarnim alkil-halogenidima.

Chapter 6 18

Mehanizam E2:

brzina = k [alkil-halogenid][baza]

Chapter 6 19

�� ZaZajcevjcev--ljevoljevo pravilopravilo: formiranje više-supstituiranog alkena ima prednost kad se koristi mala baza

- neki halogenovodici se mogu eliminirati dajući dva različita alkena kao produkte:

2-metilbut-2-en2-metilbut-2-en

2-metilbut-1-en2-brom-2-metilbutan

Chapter 6 20

-- ZajcevZajcev--ljevoljevo pravilopravilo: kad su moguća dva alkena kao produkti reakcije eliminacije, glavni produkt će biti stabilniji alken, odnosno onaj koji je više supstituiran.

� pravilo vrijedi samo ako se koristi mala baza kao što je etoksid

2-metilbut-2-en 2-metilbut-1-en(69%) (31%)

(stabilniji) (manje stabilan)

Chapter 6 21

� prijelazno stanje u ovoj E2 reakciji ima karakter dvostruke veze

� prijelazno stanje koje nalikuje trisupstituiranomalkenu je najstabilnije i ima najnižu ∆∆∆∆G‡

� KinetiKinetiččka kontrola stvaranja produktaka kontrola stvaranja produkta: kad se dobije jedan produkt od moguća dva jer je njegova slobodna energija aktivacije niža i stoga brzina reakcije viša.

→ za takvu reakciju se kaže da je kinetkinetiiččkiki

kontrolirana reakcijakontrolirana reakcija

Chapter 6 22

Slo

bo

dn

a e

nerg

ija

Reakcijska koordinata

2-metilbut-1-en

2-metilbut-2-en

Manje stabilno prijelaznostanje nalikuje

disupstituiranom alkenu.

Stabilnije prijelazno stanjenalikuje trisupstituiranom alkenu.

Chapter 6 23

�� Dobivanje manje supstituiranog aDobivanje manje supstituiranog allkenakena korikorišštenjem tenjem ““velikevelike””

(= (= steristeriččkiki ometene) bazeometene) baze

- Velike baze kao što je kalijev tert-butoksid teže uklanjajusterički zaklonjene vodike i općenito samo reagiraju s vodicima koji su lako dostupni (tj. primarnim vodicima).

2-metilbut-2-en 2-metilbut-1-en(27.5%) (72.5%)

(supstituiraniji) (manje supstituiran)

Chapter 6 24

�� StereokemijaStereokemija E2 reakcijeE2 reakcije: orijentacija skupina u

prijelaznom stanju

- sva četiri atoma moraju biti u istoj ravnini

- anti-periplanarna orijentacija ima prednost jer su svi atomi u zvjezdastom rasporedu

anti-periplanarnoprijelazno stanje

(povoljnije)

sin-periplanarnoprijelazno stanje

(samo s određenim

krutim molekulama)

Chapter 6 25

- U cikloheksanskom prstenu, supstituenti koji sudjeluju u eliminaciji moraju biti diaksijalni da bi bili anti-periplanarni:

- Neomentil-klorid i mentil-klorid daju različite produkte eliminacije zbog tog uvjeta.

β-vodik i klor su aksijalni - moguće anti-periplanarno prijelazno stanje

neomentil-klorid mentil-klorid

Chapter 6 26

� u neomentil-kloridu, klorid je u aksijalnom položaju u najstabilnijoj konformaciji

� mogu se eliminirati dva aksijalna vodika koja su u anti položaju prema kloru – glavni je Zajcevljev produkt

ment-1-en (78%)(stabilniji alken)

ment-2-en (22%)(manje stabilan alken)

Neomentil-klorid

Oba zelena vodika su anti prema kloru

u ovoj stabilnijoj konformaciji.

Eliminacijski put a) daje ment-1-en;

eliminacijski put b) daje ment-2-en

Chapter 6 27

� u mentil-kloridu molekula mora prvo zauzeti manje stabilnu konformaciju da bi klor došao u aksijalni položaj

� eliminacija je spora i može dati samo manje supstituiran (Hoffmanov) produkt anti-eliminacije

mentil-klorid mentil-klorid ment-2-en (100%)(stabilnija konformacija) (manje stabilna konformacija)

Eliminacija nije moguća u Eliminacija je moguća u ovojovoj konformaciji jer ni konformaciji jer je zeleni vodik jedan vodik nije anti anti u odnosu na klor.prema izlaznoj skupini.

Chapter 6 28

KiseloKiselo--katalizirana katalizirana dehidratacijadehidratacija alkoholaalkohola

- Pri višim temperaturama, eliminacija ima prednost pred supstitucijom.

- Najčešće se za dehidrataciju koriste sumporna i fosfornakiselina.

- Temperatura i koncentracija kiseline potrebne za dehidratacijuovise o strukturi alkohola:

∆

Chapter 6 29

� najlakša je dehidratacija tercijarnih alkohola, najteža primarnih:

� može doći do pregradnji ugljikovog kostura

konc.

tert-butil 2-metilpropenalkohol (84%)

etanol (1°alkohol)

Chapter 6 30

�� MeMehanizamhanizam dehidratacijedehidratacije sekundarnih i tercijarnih alkoholasekundarnih i tercijarnih alkohola: :

E1 E1 reakcijareakcija

- potrebna je samo katalitička količina kiseline budući se kiselina obnavlja u zadnjem koraku

1. korak

2. korak

brzo

sporo

(određuje brzinu reakcije)

2°ili 3°alkohol jaka kiselina protonirani alkohol konjugirana baza(R’ može biti H) (najčešće sumporna ili

fosforna kiselina)

Chapter 6 31

�� Stabilnost Stabilnost karbokationakarbokationa i prijelazno stanjei prijelazno stanje

� drugi korak E1 mehanizma u kojem se stvara karbokation određuje brzinu reakcije

� prijelazno stanje ove reakcije ima karbokationski karakter

� tercijarni alkoholi reagiraju najbrže jer imaju najstabilnije prijelazno stanje (nalik tercijarnom karbokationu) u drugom koraku

alken

brzo

3. korak

metil

Chapter 6 32

� relativna visina ∆∆∆∆G‡ za drugi korak E1 dehidratacije upućuje na to da primarni alkoholi imaju preveliku energetsku barijeru

Slo

bo

dn

a e

nerg

ija

Chapter 6 33

�� Mehanizam dehidratacije primarnih alkoholaMehanizam dehidratacije primarnih alkohola: :

E2 ReaE2 Reakcijakcija

- primarni alkoholi ne mogu imati E1 mehanizam dehidratacije

zbog nestabilnosti karbokationskog prijelaznog stanja u 2. koraku

- u E2 dehidrataciji, prvi korak je ponovo protoniranje OH da bi se dobila dobra izlazna skupina - voda

brzo

sporo

alken

(određuje brzinu r.)

primarni alkohol jaka kiselina protonirani alkohol konjugirana baza(najčešće sumpornaili fosforna)

Chapter 6 34

Stabilnost Stabilnost karbokationakarbokationa i molekulsko i molekulsko pregrađivpregrađivaanjenje

� Pregrađivanje tijekom dehidratacije sekundarnih alkohola

� do pregradnje karbokationa dolazi ako se time dobije stabilniji karbokation

� mehanizam – prva dva koraka su ista kao kod bilo koje E1 dehidratacije

1. korak

protonirani alkohol

∆

3,3-dimetilbutan-2-ol 2,3-dimetilbut-2-en 2,3-dimetilbut-1-en(većinski produkt) (manjinski produkt)

Chapter 6 35

2. korak

2°karbokation

1,2-metilni pomak(pregradnja)

3. korak

2°karbokation(manje stabilan)

prijelazno stanje 3°karbokation(stabilniji)

Zajcevljev produkt

4. korak

manje stabilanalken

stabilnijialken

manjinski produkt

većinski produkt

Chapter 6 36

� hidridni pomakhidridni pomak (premještanje vodika s elektronima) se također može odvijati ako pri tom nastaje stabilniji karbokation:

2°karbokation 3°karbokation

2°karbokation 3°karbokation

metilni

pomak

hidridni

pomak

Chapter 6 37

- Pregrađivanja karbokationa mogu dovesti do stvaranja prstenova različitih veličina:

2°karbokation

3°karbokation

∆∆∆∆

Chapter 6 38

Sinteza alkina reakcijama eliminacijeSinteza alkina reakcijama eliminacije

- Alkini se mogu dobiti dvostrukim dehidrohalogeniranjem vicinalnih dihalogenida:

1. korak

Mehanizam:

amidni ion vic-dibromid bromalken amonijak bromidni ion

2. korak

bromalken amidni ion alkin amonijak bromidni ion

Chapter 6 39

� alkeni se mogu prevesti u alkine bromiranjem i dvjema uzastopnim reakcijama dehidrohalogeniranja

mineralno ulje

mineralno ulje

Chapter 6 40

� geminalni dihalogenidi se također mogu dva puta uzastopno dehidrohalogenirati da bi dobili alkine:

mineralno ulje,zagrijavanje

cikloheksil- gem-diklorid cikloheksilacetilenmetil-keton (70-80%) (46%)

Chapter 6 41

Kiselost terminalnih alkinaKiselost terminalnih alkina

- Acetilenski vodici imaju pKa oko 25 i mnogo su kiseliji od većine ostalih C-H veza:

- Relativna kiselost acetilenskih vodika u otopini:

- Acetilenski vodici se mogu ukloniti (= deprotoniranje) relativno jakim bazama (npr. natrijev amid) – nastaju alkinidialkinidi.

Chapter 6 42

Zamjena acetilenskog vodika u terminalnim alkinimaZamjena acetilenskog vodika u terminalnim alkinima

- Natrijevi alkinidi se mogu koristiti kao nukleofili u SN2 reakcijama

→→→→ rezultat su nove ugljik-ugljik veze

→→→→ mogu se koristiti samo primarni alkil-halogenidi, u suprotnom dolazi uglavnom do eliminacije

2°alkil-halogenid

nukleofilna

supstitucijaSN2

natrijev 1º alkil-alkinid halogenid