c341 f2011 chapter 7 ns - indiana university...

24
C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions Page 1 of 24 Chapter 7 Outline: Nucleophilic Substitution Reactions 1. Alkyl Halides 2. The S N 2 Mechanism 3. The S N 1 Mechanism 4. Determining which Mechanism Predominates 5. Practicing Problems – selecting reagents to accomplish desired outcomes Of course I would want you to do ALL the problems at the end of the chapter, but your doing the following problems would be a good start: 7.3743, 7.48, 7.5056, 7.5962, 7.65, 7.6769 Why Might you Care about Nucleophilic Substitution? Ethylene Oxide as a Sterilizing Agent for Medical Equipment

Upload: trinhtruc

Post on 25-Apr-2018

219 views

Category:

Documents


5 download

TRANSCRIPT

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 1 of 24

Chapter 7 Outline: Nucleophilic Substitution Reactions  1. Alkyl Halides 

2. The SN2 Mechanism 

3. The SN1 Mechanism 

4. Determining which Mechanism Predominates 

5. Practicing Problems – selecting reagents to accomplish desired outcomes 

 Of course I would want you to do ALL the problems at the end of the chapter, but your doing the following problems would be a good start:   

7.37‐43, 7.48, 7.50‐56, 7.59‐62, 7.65, 7.67‐69  

Why Might you Care about Nucleophilic Substitution? 

Ethylene Oxide as a Sterilizing Agent for Medical Equipment  

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 2 of 24

Substitution Reactions: 

            

Label the nucleophile and the electrophile.  Which side do you think will be favored in the dynamic equilibrium? WHY? 

Draw a reaction coordinate diagram that illustrates your equilibrium prediction. 

      

In the reaction below, fill in arrows to show the mechanism and label the leaving group. 

OO

+

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 3 of 24

Nucleophilic Substitution Reactions 

Three components are necessary for every substitution reaction:  1. R – an alkyl group containing an sp3 hybridized carbon  involved  in an C—X bond. 

   

  2. X  –  a  leaving  group;  the  LG must be    able  to  accept/stabilize  the electron density in the C—X bond (heterolytic bond cleavage).   

What makes a good leaving group? 

 

 3. Nu – a nucleophile; the nucleophile must contain a lone pair or a pi bond, but it does not necessarily have to be negatively charged.  (Charged nucleophiles react more easily than neutral ones.) 

 

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 4 of 24

1.  Alkyl Halides  

 

Which alkyl halide C—X bond will react fastest? Why? 

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 5 of 24

2.  The SN2 Mechanism 

What is the rate law for this reaction?    

What type of experiment could you run in the lab to test whether this mechanism is valid?  

              

How might we use stereochemistry to support the SN2 mechanism for the following reaction? 

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 6 of 24

SN2 & Sterics 

Less  sterically‐hindered  electrophiles  react  more  readily  under  SN2 conditions.  Sterics plays a part at the reactive carbon (α‐carbon), but also at the β‐carbon.  

XNuc:

H

HH

XNuc:

H3C

HH3C

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 7 of 24

Put the following reactants in order of ease of reacting via an SN2 reaction (1‐4; 1 = fastest, 4 = slowest)  

a.

Br Br Br Br

  

     

b.

Br BrBrBr

     

    

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 8 of 24

The SN1 Reaction 

 

  This is a two‐step reaction mechanism.    What is the rate law?     Which step is the RDS and WHY?     

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 9 of 24

SN1 Reactions & Substrate Reactivity 

 

  

 

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 10 of 24

SN1 Reactions & Stereochemistry 

 

What accounts for the 35%/65% product ratio? 

 

 

 

 

ClNaOH

OH OH

35% 65%

+

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 11 of 24

SN1 vs. SN2 Overview 

Summary of considerations to make: 

• Will proton transfers be necessary?  

– Look at the quality of the leaving group.  

– Look at the stability of the final product. 

• Will the mechanism be SN1 or SN2? 

– Look at how crowded the electrophilic site is . 

– Look at how stable the resulting carbocation would be. 

• Are rearrangements likely?  

– Look for ways to improve the stability of the carbocation. 

• Will the product have inversion or racemization? 

– SN1=racemization while SN2=inversion. 

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 12 of 24

1. Predict the reagents necessary to complete this substitution.  

2. Draw a complete mechanism. 

 

OHO O

racemic

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 13 of 24

4.  Determining Which Mechanism Predominates 

 

A. Steric hindrance at the electrophilic site  

B. The stability of the resulting carbocation 

Alkyl  

Allyl 

Benzyl 

C. The quality of the nucleophile 

“Strong” or “weak” nucleophiles dictate different reactions  Nucleophilicity increases down a column; why? 

 HS‐   >  HO‐ 

 

 I‐  >  Br‐   >  Cl‐   >  F‐ 

  

Compare the SIZE of the nucleophile (molecule) as a whole: 

O O O 

 

 

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 14 of 24

What  are  some  general  trends  about Nu‐  you  can make using  the pKa table?   

16

10

-9

51Acids CB

  

 

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 15 of 24

D.  The solvent 

The solvent surrounds each species in the mechanism including the 

transition state. How does that help to facilitate the reaction? 

 

 

 

 

 

  

  

To specifically promote SN2, what role should the solvent play?    

 

 

δ

δ

δ δδ

δ δ δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ δ

δ

δ δ

δ

δ δ

δ

δ

δ

δ

δδ

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 16 of 24

 

 

 

 

 

 

What differentiates these solvents from each other? 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 17 of 24

SN1 Reactions and Protic Solvents 

 

 

 

 

 

 

 

Consider the nucleophiles F‐, Cl‐, Br‐, and I‐. 

– In a polar, protic solvent, which should be most reactive? WHY? 

– In a polar, aprotic solvent, which should be most reactive? WHY? 

– Why does the size of the halide affect its ability to hydrogen bond? 

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 18 of 24

5.  Synthesizing What You Want (Practicing Problems) 

For the following reaction, indicate which reaction mechanism (i.e. write 

SN1  and/or  SN2  in  the  blank  below)  the  following  observations would 

support. 

 

A. the reaction rate increased when the [Nu] was increased            

B. the reaction rate decreased when the [RX] was decreased           

C. the reaction rate increased in the presence of a polar protic solvent         

D. the reaction showed a rearranged product                

E. the reaction showed more than one product                 

F. the reaction rate decreased when the LG was changed to Cl           

G. the product was an ether                     

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 19 of 24

Circle which of the following is a stronger nucleophile and provide a valid argument for your reasoning.                        

i.        ii.               

 iii.      iv.         

v.                vi.      Circle which of the following is a better leaving group and provide a valid argument for your reasoning.                

i.     ii.        

iii.         iv.

NHNH

    

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 20 of 24

Provide  substitution mechanisms and major product(s)  for  the  following reactions.  

    

             

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 21 of 24

     

               

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 22 of 24

 

     

                

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 23 of 24

Provide  a  viable  step‐by‐step mechanism  using mechanistic  arrows  to clearly  demonstrate  the  following  reaction  outcome.  Through  what substitution mechanism MUST this reaction have proceeded?          

NaOCH3

CH3OH

Br

OCH3

OCH3

+

   

                  How else could you have synthesized this product or obtained only one product? 

C341/Fall 2011 Chapter 7: Nucleophilic Substitution Reactions

Page 24 of 24

Design  a  synthesis  for  the  following  molecule  starting  from  (R)‐2‐chlorobutane.                 Describe best conditions for the following transformation.   

O

OH CN