Halogenoalkani (alkil-halogenidi)

1. Halogenoalkani (alkil-halogenidi) • opšta formula CnH2n+1X • Veza C-X u halogenoalkanima nastaje preklapanjem sp3 hibridne orbitale ugljenika sa skoro čistom p-orbitalom halogena • Od F ka I veličina p-orbitale se povećava, a sa njom i dužina C-X veze • prema očekivanju, jačina veze se smanjuje (slabije preklapanje orbitala)

2. Nomenklatura • U upotrebi su dva sistema nomenklature: • Uobičajena imena • Zasniva se na starijem terminu alkil-halogenid • CH3Cl - metil-hlorid • (CH3)3CI - terc-butil-jodid • IUPAC nomenklatura • atom halogena se tretira kao supstituent alkanovog skeleta • ova jedinjenja se imenuju tako što se imenu osnovnog ugljovodonika dodaju prefiksi "fluor", "hlor", "brom" ili "jod":

3. Nomenklatura-nastavak • Neki halogenoalkani se široko primenjuju kao rastvarači, pa su poznatiji pod svojim uobičajenim imenima, kao npr.: • ugljen-tetrahlorid, CCl4 • hloroform, CHCl3 • metilen-hlorid, CH2Cl2 • Dele se na primarne, sekundarne i tercijarne u zavisnosti od toga za koji je C-atom vezan halogeni element • Halogenometani se obično grupišu u primarne halogenide, iako oni pripadaju odvojenoj grupi, posebno kada je u pitanju njihova reaktivnost

4. Dobijanje • Halogenovanje ugljovodonika • Kod hemijskih osobina alkana • Adicija halogenovodonika na alkene • Kod adicionih reakcija alkena • Dobijanje halogenoalkana iz alkohola • reakcija alkohola sa halogenvodoničnim kiselinama: R-OH + HCl  RCl + HOH • reakcija sa halogenidima neorganskih kiselina

5. Fizičke osobine • Zbog veće molekulske mase, imaju znatno više tačke ključanja od alkana sa istim brojem C-atoma • Polarni, ali nerastvorni u vodi • Rastvorni u uobičajenim organskim rastvaračima, a i sami su dobri rastvarači za mnoga organska jedinjenja • Isparljivost opada sa • a) porastom molekulske mase duž homologe serije; • b) porastom atomskog broja halogena i • c) strukturom alkil-grupe u nizu tercijarna > sekundarna > primarna(za izomerna halogena jedinjenja)

6. Fizičke osobine • Imaju veću gustinu od ugljovodonika • Gustina im raste sa porastom dužine niza zbog povećanja Van der Waals-ovih sila • Halogenovani alkani koji imaju više od 65 % halogena u molekulu teži su od vode • Fiziološko dejstvo • isparljivi halogenalkani pri udisanju, ako su u velikim koncentracijama, imaju anestetičko dejstvo • Izloženost organizma čak i niskim koncentracijama u toku dužeg perioda dovodi do degradacije jetre • Akutna toksičnost ugljen-tetrahlorida izgleda da je ista kao i H2S i HCN

7. Reakcije • Halogenalkani su polarni molekuli, pri čemu je najviše polarizovana veza C-X. • Ova činjenica ima dva efekta na reaktivnost: 1) elektronegativnost čini da halogen relativno lako disosuje kao X- jon 2) pozitivna šarža na -C-atomu teži da privuče elektrone od susednog -C-atoma, što sa druge strane povećava lakoću uklanjanja protona sa -C-atoma

8. SNi E reakcije • Prvi efekat omogućava zamenu halogenidnog jona drugim nukleofilom preko 2 mehanizma: • SN2 (supstitucija, nukleofilna, bimolekulska) - ima kinetiku drugog reda • SN1 (supstitucija, nukleofilna, monomolekulska) - ima kinetiku prvog reda • Drugi faktor vodi eliminaciji HX kiselina takođe preko 2 mehanizma: • E1 (eliminacija monomolekulska) i • E2(eliminacija bimolekulska)

9. Reakcije SN2 tipa • Zagrevanjem smese hlorometana i NaOH u vodi dobijaju se u visokom prinosu metanol i NaCl • Ova reakcijaima kinetiku drugog reda, odnosno pripada SN2 tipu • Na osnovu proizvoda SN2reakcija optički aktivnih jedinjenja utvrđeno je da pri ovim reakcijama dolazi do promene konfiguracije

10. Reakcije SN2 tipa(ORA 216) • nukleofil (OH-) se približava supstratu(CHCl3) sa suprotne strane od grupe koja odlazi (Cl-) • simultano ("orkestrirano") građenje nove i raskidanje stare veze - koncertovana reakcija • rehibridizacija C-atoma iz sp3 u sp2 • Walden-ova inverzija - promena konfiguracije

11. Reaktivnost u SN2 reakcijama • Zavisi od: • lakoće zamene "odlazeće" grupe sposobnost odlaska grupe: I- > Br- > Cl- > F- najbolja najslabija • naelektrisanja i baznosti nukleofila • Veće negativno naelektrisanje i veća baznost - veća reaktivnost • rastvarača: u aprotičnim rastvaračima je reakcija brža • strukture supstrata: • red reaktivnosti halogenoalkana za SN2 reakciju metil  primarni  sekundarni  tercijarni C-atom • sterni uticaji

12. Reakcije SN1 tipa • Ovakve reakcije, u kojima dolazi do supstitucije u molekulu supstrata molekulima koji su delovi rastvarača, naziva se solvoliza. U konkretnom slučaju, reč je o hidrolizi, jer je rastvarač voda

13. Mehanizamreakcije SN1 tipa • sastoji se iz tri faze (ORA 237)

14. Reaktivnost u SN1 reakcijama • Zavisi od: • lakoće zamene "odlazeće" grupe (kao i kod SN2) • Rastvarača: protični rastvarači ubrzavaju SN1 reakciju (stabilizacija karbonijum-jona) • strukture supstrata (stabilnosti karbonijum-jona) • Zašto je 30 karbonijum-jon najstabilniji?

15. Uticaj strukture supstrata • Preuređivanje karbonijum-jona

16. Kontrola reakcionog mehanizma • Reaktivnost halogenida u SN reakcijama • opada od metil, preko primarnih do sekundarnih • ponovo postaje znatna kod tercijarnih • moguće je do izvesne mere kontrolisati reakciju izborom eksperimentalnih uslova • visoka koncentracija nukleofila favorizuje SN2 reakciju, a niska koncentracija SN1 reakciju • Priroda nukleofilnog reagensa • snažan nukleofil (i jaka baza, npr. EtO-) --> SN2 • slabiji nukleofil (etanol) "čeka da bude pozvan" --> SN1

17. Kontrola reakcionog mehanizma • Polarnost rastvarača • Povećanjem polarnosti rastvarača lagano se usporava SN2 reakcija • što je rastvarač polarniji, to je verovatnije da će alkil-halogenid reagovati po SN1 mehanizmu (ako su svi ostali uslovi identični) • za razliku od SN2 reakcija, SN1 reakcije imaju ograničenu primenu u organskoj sintezi

18. Pregled SN reakcija R-X + OH- R-OH Alkohol H2O  R-OH Alkohol -OR'  R-OR' Etar (Williamson-ova sinteza) :CCR'  R-CCR' Alkin(ORA 262) :I- R-I Jodalkan :CN- R-CN Nitril(ORA 285) :NH3 R-NH2Primarni amin :NH2R'  R-NHR' Sekundarni amin :NHR'R"  R-NR'R" Tercijarni amin :SH- R-SH Tiol (merkaptan) :SR'-, S2-  RSR', RSR Tioetar (sulfid) ArH + AlCl3  ArR Alkilbenzen (Friedel-Crafts-ovo alkilovanje)

19. Eliminacione reakcije • Iz molekula halogenoalkana se eliminiše halogen i vodonik sa susednog, tj. -C-atoma u obliku molekula HX-kiseline, uz simultano nastajanje dvostruke veze • Takve reakcije kod kojih se sa susednih atoma eliminišu dve grupe nazivaju se -eliminacije • i ovde postoje dva tipa: E1 reakcije imaju kinetiku prvog, a E2 drugog reda

20. Monomolekulske E1 reakcije • Prva faza: nastajanje intermedijernog karbonijum-jona • U drugoj fazi E1 reakcija je konkurentna SN1 reakciji (primer: reakcija 2-brom-2-metilpropana sa metanolom):

21. (ORA 247)

22. Monomolekulske (E1) reakcije • Bilo koji od protona na bilo kom od susednih C-atoma u odnosu na centar sa odlazećom grupom može se ukloniti • Ako karbonijum-jon nije simetričan, onda se dobijaju smeše proizvoda, kao u slučaju eliminacije kod 3-hlor-3-metilheksana, kada se dobijaju 3 eliminaciona proizvoda:

23. Bimolekulske (E2) reakcije • Kao i kod SN2 reakcija, i za E2 reakcije se pretpostavlja da teku sinhronim (koncertovanim) mehanizmom, sa jednim prelaznim stanjem • E2 reakcije se odigravaju u prisustvu agresivnije, jače baze, koja napada supstrat odmah, pre formiranja karbonijum jona • Mesto napada je -vodonikov atom

24. Bimolekulske (E2) reakcije(ORA 249) • promene do kojih dolazi na supstratu pri E2 reakcijama obuhvataju: • 1. deprotonovanje bazom • 2. odlazak odlazeće grupe (halogena) • 3. rehibridizaciju reagujućih C-atoma iz sp3 u sp2 i formiranje -veze

25. Bimolekulske (E2) reakcije • I u E2 i u E1 reakcijama reaktivnost nukleofila raste sa porastom baznosti • Nukleofili su bazniji i stoga reaktivniji u aprotičnim nego u protičnim rastvaračima • brzina kod E2 reakcije više zavisi od baznosti nukleofila nego kod SN2 reakcije. • veća baznost nukleofila - veći odnos eliminacije prema supstituciji

26. Konkurentnost S i E reakcija • isti reagens može dovesti i do nukleofilne supstitucije i do eliminacije • relativna količina proizvoda supstitucije i eliminacije zavisi od relativnih brzina ovih dveju reakcija • za preciznije predviđanje toka reakcije, tj. odnosa supstitucionih i eliminacionih proizvoda potrebno je imati u vidu sledeće činjenice:

27. Predviđanje toka reakcije • dobri nukleofili koji su slabe baze, kao npr. H2O, halogenidi, RS-, CN-, RCOO- uglavnom daju supstitucione proizvode sa supstratima. Jake baze, kao npr. OH-, RO-, H2N-, R2N-će dati proizvode eliminacije u višku • sa porastom sternog nagomilavanja u blizini reakcionog centra supstrata, jake baze će favorizovati eliminaciju:

28. Predviđanje toka reakcije

29. Predviđanje toka reakcije • voluminozne jake baze će, zbog sterne sprečenosti da priđu elektrofilnom ugljeniku, radije napasti proton, čak i kod primarnih sistema, favorizujući na taj način eliminaciju. Takve baze su npr. kalijum-terc-butoksid i litijum-diizopropilamid:

30. Grignard-ov reagens • Direktnim dejstvom alkilhalogenida na Mg-opiljkedobija se organo-metalno jedinjenje poznato kao Grignard-ov reagens: RX + Mg  RMgX • Veoma važan intermedijer u mnogim sintezama

31. Ostale reakcije • Redukcija u alkane: RX + M + H+ RH + M+ + X- • Wurtz-ova sinteza alkana 2RX + 2Na  R-R + 2NaX