Alkylhalider Sn1- og Sn2- reaktivitet Anders Leirpoll Sammendrag
1 Innhold 1 Formål... 2 2 Teori... 2 3 Fysikalske data... 3 4 Eksperimentelt... 5 5 Resultater... 6 5.1 Teoretisk utbytte... Feil! Bokmerke er ikke definert. 6 Diskusjon... 6 7 Bibliografi... Feil! Bokmerke er ikke definert.
2 1 Formål Forsøkets formål er å se nærmere på hvordan vi kan påvirke hastigheten til nukleofile substitusjonsreaksjoner. Ved å benytte alkylhalider skal vi se nærmere på innvirkningen til: strukturen til reaktantene, steriske effekter og utgående gruppe. Hastighetsutrykket skal studeres for hver reaksjon. 2 Teori Substitusjonsreaksjoner kan skrives på formen: Formel 1: Generell substitusjonsreaksjon [1] Der er utgående gruppe og er nukleofil. 2.1 Sn1-mekanismen S n 1-mekanismen er en unimolekylær substitusjonsreaksjon [1]. Det blir dannet et karbokation når forlatende gruppe forlater karbonatomet, som deretter blir angrepet av en nukleofil. Denne nukleofile binder seg til karbokationet. Dette skjer i to trinn, der det hastighetsbestemmende trinnet vil være dannelse av karbokationet: Formel 2: Hastighetsutrykk for Sn1 [ ] [ ] På grunn av dette påvirkes S n 1-mekanismen lite av hvor god nukleofil vi har, og mer av hvor god utgående gruppe er. Karbokation-stabilitet påvirker også reaksjonshastigheten, der tertiære alkylgrupper er raskest, etterfulgt av sekundære og primære [1]. Valg av løsemiddel er også viktig, der en gjerne vil ha sure løsemidler som protonerer utgående gruppe. 2.2 Sn2-mekanismen S n 2-mekanismen er en ett-trinns bimolekylær utskiftningsreaksjon med inversjon av stereokjemien rundt karbokationet som dannes når utgående gruppe utgår [1]. Dannelse av dette karbokationet skjer ved at en nukleofil angriper på omvendt side av utgående gruppe og binder seg til karbonatomet mens utgående gruppe går ut. S n 2 er en concertered mekanisme der alt skjer i ett trinn, som må være det hastighetsbestemmende trinnet: Formel 3: Hastighetsutrykk for Sn2 [ ] [ ][ ] På grunn av at reaksjonen er et elektrofilt bakholdsangrep vil sterisk hindring kunne gjøre reaksjonen tregere, eller stoppe reaksjonen helt. Derfor vil reaktiviteten gå omvendt av S n 1, og primære
3 alkylgrupper vil være mest reaktive, etterfulgt av sekundære og primære [1]. Også her er valg av løsemiddel viktig, da protiske løsemiddel hindre nukleofilen og gjøre den mindre reaktiv [1]. 3 Relevante fysikalske data Tabell 1: Fysikalske data [2] Navn Formel Struktur ( ) ( ) ( ) Tabell 2: HMS data [2] Navn R-setninger S-setninger Meget brannfarlig. Irriterer øynene, luftveiene og huden. Holdes vekk fra forbudt. Unngå innånding av damp. Får man stoffet i øynene; skyll straks grundig med store mengder vann og kontakt lege. Bruk egnede vernehansker. Ta forholdsregler mot utladning av Meget brannfarlig. Irriterer øynene, luftveiene og huden. Giftig for vannlevende organismer; kan forårsake uønskede langtidsvirkninger i vannmiljøet. Brannfarlig. Skadelig for vannlevende organismer: kan forårsake uønskede langtidsvirkninger i vannmiljøet. Meget brannfarlig. Meget brannfarlig. statisk elektrisitet. Holdes vekk fra forbudt. Får man stoffet i øynene; skyll straks grundig med store mengder vann og kontakt lege. Unngå utslipp til miljøet. Unngå hudkontakt. Emballasjen skal holdes tett lukket. Holdes vekk fra forbudt. Unngå kontakt med huden og øynene. Oppbevares på et godt ventilert sted. Holdes vekk fra
4 Meget brannfarlig. Irriterer øynene. Gjentatt eksponering kan gi tørr eller sprukket hud. Damp kan forårsake døsighet og svimmelhet. Meget brannfarlig. Irriterer huden. Gir alvorlig øyeirritasjon. Etsende. Meget giftig for vannlevende organismer; kan forårsake uønskede langtidsvirkninger i vannmiljøet. forbudt. Må ikke tømmes i kloakkavløp. Oppbevares på et godt ventilert sted. Holdes vekk fra forbudt. Får man stoffet i øynene, skyll straks grundig med store mengder vann og kontakt lege. Emballasjen skal holdes tett lukket. Holdes vekk fra forbudt. Skyll forsiktig med vann i flere minutter. Fjern eventuelle kontaktlinser dersom dette enkelt lar seg gjøre. Fortsett skyllingen. Får man stoffet i øynene; skyll straks grundig med store mengder vann og kontakt lege. Ved uhell eller illebefinnende er omgående legebehandling nødvendig; vis etiketten om mulig. Dette kjemikaliet og dets emballasje skal behandles som farlig avfall. Unngå utslipp til miljøet. 4 Reaksjonsligninger og reaksjonsmekanismer 4.1 Sn1 reaksjonsligninger
5 4.2 Sn2-reaksjonsligninger 5 Eksperimentelt 5.1 Faktorer som påvirker hastigheten av Sn1-reaksjoner 5.1.1 Effekten av strukturen til alkylhalidet AgNO 3 (5 ml, 0.1M i etanol) ble tilbragt i tre preparatglass. Disse fikk tilsatt tre forskjellige prøver av henholdsvis 1-brombutan, 2-brombutan og 2-metyl-2-brompropan (alle 4 dråper), og ble merket med #1, #2 og #3. Alle prøvene ble ristet med skrukork. 5.1.2 Effekten av utgående gruppe AgNO 3 (5 ml, 0.1M i etanol) ble tilbragt i to preparatglass. Disse fikk tilsatt tre forskjellige prøver av henholdsvis 2-metyl-2-brompropan og 2-klor-2-metylpropan (begge 4 dråper), og ble merket med #4 og #5. Begge prøvene ble ristet med skrukork. 5.1.3 Belysning av hastighetsuttrykk 2-klor-2-metylpropan (5 ml, 0.1 M i etanol) og 2-klor-2-metylpropan (5 ml, 0.2 M i etanol) til henholdsvis preparatglass merket #6 og #7. Begge glassene ble tilsatt AgNO 3 (2 ml, 0.1 M i etanol) samtidig. Det ble tilsatt AgNO 3 (4 ml, 0.1 M i etanol) til preparatglass #8 og AgNO 3 (2 ml, 0.1 M i etanol) sammen med etanol (2 ml) til preparatglass #9. Preparatglassene ble samtidig tilsatt 2-klor-2- metylpropan (2 ml, 0.1 M i etanol). 5.2 Faktorer som påvirker hastigheten av Sn2-reaksjoner 5.2.1 Effekten av strukturen til alkylhalidet Det ble tilsatt NaI (5 ml, 15% i aceton) til tre preparatglass, nummerert #1, #2 og #3. Disse ble tilsatt henholdsvis 1-brombutan (4 dråper), 2-brombutan (5 dråper) og 2-metyl-2-brompropan (4 dråper) til glassene, som ble rystet med kork.
6 5.2.2 Steriske effekter Det ble anbragt NaI (5 ml, 15% i aceton) til to preparatglass merket #4 og #5. Disse ble tilsatt henholdvis 1-brombutan (5 dråper) og 1-brom-2,2-dimetylpropan (5 dråper), og ble rystet kraftig med skrukork. 5.2.3 Effekten av utgående gruppe Det ble anbragt NaI (5 ml, 15% i aceton) til to preparatglass merket #6 og #7. Disse ble tilsatt henholdsvis 1-brombutan (5 dråper) og 1-klorbutan (5 dråper), og ble rystet kraftig med skrukork. 5.2.4 Belysning av hastighetsuttrykk Det ble anbragt NaI (2 ml, 15% i aceton) til to preparatglass merket #8 og #9. Disse ble tilsatt henholdsvis 1-brombutan (2 ml, 0.1 M i aceton) og 1-brombutan (2 ml, 0.2 M i aceton). Det ble anbragt 1-brombutan (5 ml, 1M i aceton) til to preparatglass merket #10 og #11. Disse ble tilsatt henholdsvis NaI (5 ml, 7.5% i aceton) og NaI (5 ml, 15% i aceton). 6 Resultater 7 Diskusjon Anders Leirpoll 19/10 2011 Trondheim 8 Bibliografi [1] P. Carlsen og R. Eliason, Laboratorieeksperimenter i Organisk kjemi, Marshall: Frontier Chemistry, 2002. [2] EcoOnline, «EcoOnline Stoffkartotek,» 7 Oktober 2011. [Internett]. Available: http://www.ntnu.no/adm/hms/stoffkartotek.