Најважније из лекције
Нуклеофилна супституција: Поларна веза \(\text{C}^{\delta+}-\text{X}^{\delta-}\) омогућава напад нуклеофила (\(\text{OH}^-\rightarrow\text{алкохол}\), \(\text{CN}^-\rightarrow\text{нитрил}\), \(\text{NH}_3\rightarrow\text{амин}\)). Одвија се двостепено (\(S_N1\), преко карбокатјона) или једностепено (\(S_N2\), преко прелазног стања).
Елиминација: Под дејством концентроване јаке базе (\(\text{KOH}\)) уз загревање из халогеналкана се отцепљује \(\text{HX}\) и настају алкени.
Реакције са металима: Са \(\text{Na}\) дају више алкане (Вурц); са \(\text{Mg}\) у етру дају Грињаров реагенс (\(\text{RMgX}\)), који са водом даје алкан (\(\text{RH}\)).
Примена: Хлороформ (\(\text{CHCl}_3\), растварач), јодоформ (\(\text{CHI}_3\), антисептик), винил-хлорид (сировина за PVC), фреони (расхладни флуиди, замена фреон-134a).
Полариметрија: Планарно поларизована светлост осцилује у само једној равни; полариметар мери угао скретања те равни кроз оптички активан раствор.
Елиминација: Под дејством концентроване јаке базе (\(\text{KOH}\)) уз загревање из халогеналкана се отцепљује \(\text{HX}\) и настају алкени.
Реакције са металима: Са \(\text{Na}\) дају више алкане (Вурц); са \(\text{Mg}\) у етру дају Грињаров реагенс (\(\text{RMgX}\)), који са водом даје алкан (\(\text{RH}\)).
Примена: Хлороформ (\(\text{CHCl}_3\), растварач), јодоформ (\(\text{CHI}_3\), антисептик), винил-хлорид (сировина за PVC), фреони (расхладни флуиди, замена фреон-134a).
Полариметрија: Планарно поларизована светлост осцилује у само једној равни; полариметар мери угао скретања те равни кроз оптички активан раствор.
Због веће електронегативности атома халогена, веза \(\text{C}-\text{X}\) је поларна (\(-\text{C}^{\delta+}-\text{X}^{\delta-}\)). Делимично позитивно наелектрисан атом угљеника подложан је нападу нуклеофилних честица (\(\text{Nu:}^-\)), при чему долази до замене (супституције) халогена нуклеофилом.
\[ \text{Nu:}^- + -\text{C}^{\delta+}-\text{X}^{\delta-} \longrightarrow -\text{C}-\text{Nu} + \text{:X}^- \]
Општа једначина реакције нуклеофилне супституције
Атом халогена који напушта молекул са својим електронским паром назива се одлазећа група. Флуоралкани су слабо реактивни због велике јачине \(\text{C}-\text{F}\) везе.
| Реагенс / Нуклеофил | Општа једначина | Производ |
|---|---|---|
| Хидроксидни јон (\(\text{OH}^-\)) | \(\text{R}-\text{X} + \text{OH}^- \longrightarrow \text{R}-\text{OH} + \text{X}^-\) | Алкохол |
| Цијанидни јон (\(\text{CN}^-\)) | \(\text{R}-\text{X} + \text{CN}^- \longrightarrow \text{R}-\text{CN} + \text{X}^-\) | Нитрил |
| Амонијак (\(\text{NH}_3\)) | \(\text{R}-\text{X} + 2\text{NH}_3 \longrightarrow \text{R}-\text{NH}_2 + \text{NH}_4\text{X}\) | Амин |
| Хидрогенсулфидни јон (\(\text{HS}^-\)) | \(\text{R}-\text{X} + \text{HS}^- \longrightarrow \text{R}-\text{SH} + \text{X}^-\) | Тиол |
Реакцијом брометапа са разблаженим раствором натријум-хидроксида настаје етанол:
\[ \text{CH}_3\text{CH}_2\text{Br} + \text{NaOH} \longrightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} + \text{NaBr} \]
Напишите једначину реакције између 1-хлорпропана и цијанидног јона и наведите назив органског производа.
\[ \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{Cl} + \text{CN}^- \longrightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CN} + \text{Cl}^- \]
Производ: бутаннитрил (пропил-цијанид).
\(S_N1\) механизам (унимолекулска нуклеофилна супституција): Реакција се одвија у два корака.
Хетеролитичко раскидање \(\text{C}-\text{X}\) везе при чему настаје стабилан карбокатјон:
\[ -\text{C}-\text{X} \xrightarrow{\text{споро}} -\text{C}^+ + \text{X}^- \]
Нуклеофил се везује за карбокатјон:
\[ -\text{C}^+ + \text{:Nu}^- \xrightarrow{\text{тренутно}} -\text{C}-\text{Nu} \]
Брзину \(S_N1\) реакције одређује само концентрација халогеналкана (најспорији корак је унимолекулски).
\(S_N2\) механизам (бимолекулска нуклеофилна супституција): Реакција се одвија у једном кораку преко прелазног стања.
\[ \text{Nu:}^- + -\text{C}^{\delta+}-\text{X}^{\delta-} \longrightarrow [\text{Nu}\cdots\text{C}\cdots\text{X}]^- \longrightarrow -\text{C}-\text{Nu} + \text{X}^- \]
Симултано грађење везе са нуклеофилом и раскидање везе са одлазећом групом
Брзина \(S_N2\) реакције зависи и од концентрације халогеналкана и од концентрације нуклеофила (бимолекулски процес).
Који корак у вишестепеној хемијској реакцији одређује њену укупну брзину?
Укупну брзину сложене реакције увек одређује њен најспорији корак.
Под дејством концентрованог раствора јаке базе (нпр. \(\text{KOH}\)) при загревању, из молекула халогеналкана се елиминише молекул халогеноводоника (\(\text{HX}\)) и настаје незасићени угљоводоник (алкен или алкин).
\[ \text{CH}_3-\text{C}(\text{Cl})(\text{CH}_3)-\text{CH}_3 + \text{KOH} \xrightarrow{\text{конц. pacтвор}} \text{CH}_2=\text{C}(\text{CH}_3)-\text{CH}_3 + \text{KCl} + \text{H}_2\text{O} \]
Дехидрохлоровање 2-хлор-2-метилпропана даје метилпропен
Монохалогеналкани елиминацијом дају алкене, док дихалогеналкани елиминацијом могу дати алкине.
Хидролизом халогеналкана са разблаженим \(\text{NaOH}\) ослобађају се халогенидни јони (\(\text{X}^-\)), који се доказују додавањем воденог раствора \(\text{AgNO}_3\). Настали талози (\(\text{AgCl}\), \(\text{AgBr}\), \(\text{AgI}\)) разликују се по боји и растворљивости у амонијаку.
Који органски производ настаје дехидробромовањем 2-бромбутана под утицајем концентрованог раствора калијум-хидроксида?
Елиминацијом \(\text{HBr}\) из 2-бромбутана настаје алкен - бут-2-ен (или бут-1-ен):
\[ \text{CH}_3-\text{CHBr}-\text{CH}_2-\text{CH}_3 + \text{KOH} \longrightarrow \text{CH}_3-\text{CH}=\text{CH}-\text{CH}_3 + \text{KBr} + \text{H}_2\text{O} \]
Вурцова синтеза: Реакцијом халогеналкана са алкалним металима (\(\text{Na}\) или \(\text{K}\)) у анхидрованом етру долази до купловања алкил-група и формирања виших симетричних алкана:
\[ 2\text{R-X} + 2\text{Na} \xrightarrow{\text{етар}} \text{R-R} + 2\text{NaX} \]
Грињаров реагенс (органомагнезијумова једињења): Настаје реакцијом халогеналкана са опиљцима магнезијума у сувом етру као растварачу:
\[ \text{R-X} + \text{Mg} \xrightarrow{\text{етар}} \text{RMgX} \]
Општа формула алкилмагнезијум-халогенида
Добијање метилмагнезијум-јодида:
\[ \text{CH}_3\text{I} + \text{Mg} \xrightarrow{\text{етар}} \text{CH}_3\text{MgI} \]
Веза \(\text{C}-\text{Mg}\) има делимично јонски карактер (\(\text{R}^{\delta-}-\text{Mg}^{\delta+}\text{X}\)). Због делимично негативног угљеника, Грињаров реагенс се понаша као нуклеофил.
Грињарови реагенси су веома осетљиви на влагу и ваздух. У присуству воде лако се хидролизују до одговарајућих алкана:
\[ \text{RMgX} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{RH} + \text{Mg(OH)X} \]
Напишите једначину реакције етилмагнезијум-бромида са водом и именујте угљоводоник који настаје.
\[ \text{CH}_3\text{CH}_2\text{MgBr} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{CH}_3\text{CH}_3 + \text{Mg(OH)Br} \]
Производ: етан.
| Једињење | Формула | Својства и примена |
|---|---|---|
| Хлороформ (трихлорметан) | \(\text{CHCl}_3\) | Течност; некада коришћен као анестетик, данас искључен због токсичности за јетру; користи се као органски растварач. |
| Јодоформ (тријодметан) | \(\text{CHI}_3\) | Бледожута чврста супстанца, слабо растворна у води; дезинфекционо средство (антисептик). |
| Винил-хлорид (хлоретен) | \(\text{CH}_2=\text{CHCl}\) | Мономер за производњу пластичне масе поли(винил-хлорида) - PVC. |
| Тетрафлуоретен | \(\text{CF}_2=\text{CF}_2\) | Мономер за синтезу тефлона (PTFE). |
| Фреони (CFC) | нпр. \(\text{CCl}_2\text{F}_2\) (фреон-12) | Расхладни флуиди и потисни гасови. Забрањени због оштећења озонског омотача; замена је нпр. фреон-134a (\(\text{CF}_3\text{CH}_2\text{F}\)). |
| Тироксин | - | Природни хормон штитасте жлезде који садржи јод; регулише метаболизам у организму. |
Зашто је хлороформ повучен из употребе као медицински анестетик?
Хлороформ је избачен из анестезиолошке праксе због изразитог штетног (токсичног) дејства на јетру и друге виталне органе.
Обична светлост је електромагнетно зрачење чији вектори електричног и магнетног поља осцилују у свим равнима нормалним на правац простирања зрака.
Планарно поларизована светлост: Светлост чији таласи осцилују само у једној равни након проласка кроз поларизатор (нпр. Николову призму).
Ако се иза поларизатора постави анализатор постављен под углом од \(90^\circ\) (укрштени поларизатори), долази до потпуне блокаде светлости.
Полариметар је инструмент састављен од поларизатора и анализатора. Користи се за мерење угла за који оптички активни узорак закреће раван поларизоване светлости.
Која је улога поларизатора, а која анализатора у полариметру?
Поларизатор пропушта светлост која осцилује само у једној равни (прави поларизовану светлост), док анализатор служи да се обртањем одреди угао за који је узорак супстанце закренуо ту раван поларизације.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Именујте органски производ који настаје реакцијом хлороетана са:
а) воденим раствором натријум-хидроксида;
б) магнезијумом у апсолутном етру.
а) воденим раствором натријум-хидроксида;
б) магнезијумом у апсолутном етру.
а) \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{Cl} + \text{NaOH} \longrightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} + \text{NaCl}\) \(\rightarrow\) етанол (нуклеофилна супституција).
б) \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{Cl} + \text{Mg} \xrightarrow{\text{етар}} \text{CH}_3\text{CH}_2\text{MgCl}\) \(\rightarrow\) етилмагнезијум-хлорид (Грињаров реагенс).
б) \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{Cl} + \text{Mg} \xrightarrow{\text{етар}} \text{CH}_3\text{CH}_2\text{MgCl}\) \(\rightarrow\) етилмагнезијум-хлорид (Грињаров реагенс).
Задатак 2 (средњи): Објасните како услови реакције утичу на то да ли ће 2-бромпропан реаговати по механизму супституције или елиминације са калијум-хидроксидом. Напишите једначине обе реакције.
1. Разблажен водени раствор базе фаворизује нуклеофилну супституцију:
\[ \text{CH}_3\text{CHBrCH}_3 + \text{KOH (разбл.)} \longrightarrow \text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_3 + \text{KBr} \quad (\text{пропан-2-ол}) \]
2. Концентрован раствор базе у алкохолу уз загревање фаворизује елиминацију:
\[ \text{CH}_3\text{CHBrCH}_3 + \text{KOH (конц.)} \xrightarrow{\Delta} \text{CH}_3\text{CH}=\text{CH}_2 + \text{KBr} + \text{H}_2\text{O} \quad (\text{пропен}) \]
Задатак 3 (средњи): Метилмагнезијум-јодид је третиран водом. Који гасовити угљоводоник се ослобађа у овој реакцији? Напишите једначину реакције и објасните зашто се синтеза Грињаровог реагенса мора одвијати у строго безводним условима.
Једначина реакције хидролизе:
\[ \text{CH}_3\text{MgI} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{CH}_4\uparrow + \text{Mg(OH)I} \]
Ослобађа се метан (\(\text{CH}_4\)).
Грињаров реагенс је веома јак нуклеофил и база, па у присуству и најмањих трагова воде моментално хидролизује и прелази у алкан, чиме се реагенс уништава пре него што може ступити у жељену органску синтезу.
Грињаров реагенс је веома јак нуклеофил и база, па у присуству и најмањих трагова воде моментално хидролизује и прелази у алкан, чиме се реагенс уништава пре него што може ступити у жељену органску синтезу.
Задатак 4 (тежак): Упоредите \(S_N1\) и \(S_N2\) механизме према: броју реакционих корака, интермедијеру/прелазном стању и факторима који утичу на брзину реакције.
| Особина | \(S_N1\) механизам | \(S_N2\) механизам |
|---|---|---|
| Број корака | Два корака | Један корак (симултан) |
| Интермедијер / стање | Настаје карбокатјон као интермедијер | Нема интермедијера, пролази кроз пентакоординисано прелазно стање |
| Кинетика и брзина | Унимолекулска: \(v = k[\text{R-X}]\); брзина зависи само од супстрата | Бимолекулска: \(v = k[\text{R-X}][\text{Nu}^-]\); брзина зависи и од супстрата и од нуклеофила |
