Substitutions­reaktioner

Videogenomgång (flippat klassrum)

Substitution = något byts ut.

Substitutionsreaktion:

• En atom i en organisk förening byts ut mot någon annan.
• Radikalsubstitution (Se halogenalkaner för hur det sker).
• Nukleofil substitution (S_N2- och S_N1-reaktioner).

S_N2-reaktioner

Vi låter natriumhydroxid reagera med klormetan

Metanol bildas.

Ordformel:

• Natriumhydroxid + klormetan → metanol + natriumklorid

Kemisk formel:

• CH₃Cl + Na⁺ + OH^– → CH₃OH + Na⁺ + Cl^–

Vad är det som händer, egentligen?

Bindningen mellan klor och kol är starkt polär: kloratomen är starkt elektronegativ.

OH^–-jonen attackerar kolatomen.

• Hydroxidjonen är nukleofil - "kärnälskande".
• Nukleofil attack.

Kallas S_N2-reaktioner, eftersom

• S för substitution;
• N för nukleofil (attack);
• 2 för att reaktionshastigheten är beroende av två molekylers koncentration (bimolekylär reaktion).

Energiomsättning vid S_N2-reaktioner

Reaktionen sker i ett enda steg; i ett enda "svep".

Transitionstillståndet har högre entalpi än produkterna.

• Hög energi = mer instabilt!
• Reagerar mycket snabbt vidare till de mer stabila produkterna.

Hur entalpin förändras under en S_N2-reaktion.

S_N1-reaktioner

Natriumhydroxid (hydroxidjoner) får reagera med teritär butylklorid (2-klor-2-metylpropan).

• Det bildas 2-metyl-2-propanol + kloridjoner:

Denna reaktion har en annan mekanism än S_N2-reaktionen. Det finns nämligen inte utrymme för en hydroxidjon att göra en nukleofil attack på kolatomen.

En nukleofil attack är inte möjlig på 2-klor-2-metylpropan.

Reaktionen sker i två steg.

1. Kloratomen lossnar från 2-klor-2-metylpropan­molekylen:

• Långsam reaktion.
• Karabokatjonen är en intermediär.
• Reaktionen har hög aktiveringsenergi.

2. Karbokatjonen reagerar med hydroxidjonen:

• Snabb reaktion!
• Låg aktiveringsenergi, jämfört med karbokatjonens energiinnehåll.

Kallas S_N1-reaktion, därför att reaktionshastigheten endast beror på koncentrationen 2-klor-2-metylpropan.

Energiomsättning vid S_N1-reaktioner

Reaktionen sker i två steg.

Hur entalpin förändras under en S_N1-reaktion.

Aktiveringsenergin är mycket hög i det första steget:

• Reaktionen sker sällan, och därmed överlag långsammare.

Aktiveringsenergin är mycket mindre i det andra steget (från intermediären till övergångstillstånd 2).

• Reaktionen sker mycket snabbare än det första steget.
• Därför beror den totala reaktionshastigheten framför allt på en enda reaktant, koncentrationen 2-klor-2-metylpropan.