В этом видео исследуется тип реакции, который может произойти при наличии бромциклопентана, диметилформамида (ДМФА) и метоксид-иона в растворе. Рассматриваются реакции Sn2, Sn1, E2 и E1.
Ключевые выводы
💪 Метоксид-ион является сильным нуклеофилом, что указывает на то, что реакция, вероятно, будет протекать в направлении Sn2.
🎨 Схема реакции E2 имеет решающее значение для понимания ее процесса и обоснования.
💡 Все типы реакций (Sn2, E2, Sn1, E1) подходят для хорошей заменяемой группы, что подчеркивает универсальность этих реакций.
🔬 Протекание как реакций Sn2, так и реакций E2 подчеркивает сложность химических реакций и необходимость их разделения и анализа по отдельности.
Ключевая идея видео заключается в том, что присутствие метоксид-иона в растворителе может привести к одновременным реакциям Sn2 и E2, приводящим к образованию специфических продуктов реакции.
📝 При растворении бромциклопентана в диметилформамиде в присутствии метоксид-иона могут происходить различные реакции.
📺 Для реакций Sn2 или E2 предпочтителен апротонный растворитель, чтобы предотвратить нежелательные реакции с сильными основаниями или нуклеофилами.
💡 Метоксид-ион является сильным нуклеофилом и сильным основанием, что позволяет предположить, что он может приводить к реакциям в направлении Sn2 и E2.
🔬 Тип углерода в молекуле определяет, будет ли она подвергаться реакциям Sn2, Sn1, E2 или E1.
🔬 Бромная группа атакует углерод, отбирая электрон и образуя бромид-анион, в то время как метоксид-ион связывается с углеродом в реакции E2.
💡 В реакции E2 метоксид-ион действует как сильное основание и случайным образом отбирает водород у одного из симметричных бета-атомов углерода.
💡 Водород может образовывать двойную связь с альфа-углеродом, что позволяет проводить различные реакции, такие как Sn2, E2, Sn1 и E1.
📝 Реакции Sn2 и E2 протекают одновременно из-за факторов окружающей среды, что приводит к образованию специфических продуктов реакции.
Транскрипция видео:
(00:01) В этом видео попробуем понять, какой тип реакции или реакций может произойти, если у нас есть – что же это? Один, два, три, четыре, пять. Это цикл. Это бромциклопентан. Если мы растворим бромциклопентан, а растворителем выступает диметилформамид. Иногда пишут просто ДМФА. Мы уже рисовали здесь его формулу и можем подумать о том, какого типа этот растворитель.
(00:30) Кроме того, в растворе у нас есть метоксид-ион. Итак, у нас есть метоксид-ион. Подумаем, какой тип реакции может произойти. И чтобы конкретизировать тему, мы подумаем об этом в в контексте последних четырех типов реакций, о которых говорили. Итак, реакция Sn2, реакция Sn1, реакция E2, либо реакция E1. Мы рассмотрим все подсказки и выясним, что произойдет с большей вероятностью, и затем нарисуем схему того, как это происходит.
(01:03) Прежде всего, поскольку мы знаем растворитель и другие вещества, содержащиеся в растворителе, давайте подумаем, как они могут повлиять на реакцию. Давайте посмотрим на этот растворитель… Вне зависимости от типа реакции, мы всегда хотим знать, как можно больше. Является ли он протонным или нет? Если протонный, значит, у него есть водороды, которые могут освободиться, либо их электроны могут быть украдены, а эти протоны просто будут плавать вокруг.
(01:24) Если посмотрим сюда, увидим, что у нас есть водороды, но все эти водороды связаны с углеродом. Вряд ли углерод просто украдет электроны у водорода и оставит водород плавать вокруг. Электроотрицательность углерода не настолько высока. Если бы водороды были соединены с кислородом, это бы был другой вопрос. Тогда бы у нас был протонный растворитель.
(01:44) Но сейчас все водороды соединены с углеродами, и вряд ли они дадут украсть свои электроны и останутся плавать в виде свободных протонов. Поэтому это апротонный растворитель. Мы немного проходили это с Sn2 и Sn1, и здесь такой же принцип. Чтобы получить реакцию Sn2 или E2, нам нужен либо сильный нуклеофил, либо сильное основание, правда ведь? Либо сильный нуклеофил, либо сильное основание.
(02:09) Или даже оба они могут присутствовать, даже несмотря на то, что они не всегда согласовываются. Мы уже видели это прежде. Теперь, если бы у нас был протонный растворитель, он бы стабилизировал сильное основание или сильный нуклеофил. Протоны бы вступили с ними в реакцию. Они бы забрали электроны у этого сильного основания или же у сильного нуклеофила.
(02:29) То есть, чтобы получить Sn2 или E2, нужно, чтобы протоны не плавали вокруг, то есть нам нужен апротонный растворитель. То есть данный апротонный растворитель предпочтителен для реакций Sn2 или E2. И, поскольку мы уже всё рассматриваем в контексте Sn2 или E2, давайте разберем сами действующие вещества. Итак, здесь у нас есть метоксид-ион.
(02:50) Вот он. Давайте я его подпишу. Метоксид-ион. Подумаем о том, является ли он сильным или же слабым. Прежде всего, является ли он сильным или же слабым нуклеофилом. Вообще-то, это довольно сильный нуклеофил. Запишем, это сильный нуклеофил. Это значит, что мы движемся в направлении Sn1. У нас есть два элемента данных.
(03:17) Извините, в направлении Sn2. У нас есть два элемента данных для Sn2, потому что мы помним, что он должен проникнуть внутрь и проявить активность. Эта молекула не большая, поэтому он не встретит препятствий. Он также является чрезвычайно сильным основанием, даже сильнее, чем гидроксид. Чрезвычайно сильным основанием, что в свою очередь может привести нас, другими словами, это предполагает, что у нас получится реакция E2.
(03:45) Последняя вещь, о которой мы должны подумать это углерод, откуда замещаемая группа может быть заменена. И сразу же, когда мы смотрим на бромциклопентан, в котором к цепи присоединена только одна функциональная группа, и также у нас есть группа брома вот здесь и тут. Она присоединена к углероду. Мы можем назвать его альфа-углеродом, а здесь есть вторичный углерод.
(04:08) Вот этот углерод соединен с одним, двумя другими углеродами. Значит, этот альфа-углерод– давайте запишем его вот так. Этот альфа-углерод является вторичным углеродом, что делает его нейтральным в этом составе. Если бы это был метил, или же первичный углерод, то с большей вероятностью произошла бы реакция Sn2.
(04:33) То есть в случае с метилом, единственная возможная реакция – Sn2. А если бы это был третичный углерод, он предпочел бы Sn1, либо E1, потому что он предпочел бы стабильный карбокатион. Замещаемая группа может быть только замещена. И если бы этот элемент был бы соединен с другим углеродом, он был бы очень стабильным.
(04:53) Но в данной ситуации, это вторичный углерод, соединенный с двумя углеродами. Он в некоторой степени нейтрален. И любая из этих реакций может произойти. И если мы посмотрим на остальные элементы данных, то увидим, что они указывают и на Sn2, и на E2. У нас есть сильный нуклеофил/основание, есть апротонный растворитель. 1-1-1.
(05:13) Будет ли это реакция Sn2 или же E2. Нарисуем эти реакции. Начнем с Sn2. Оранжевым цветом сделаем её. Если бы у нас была реакция Sn2, давайте заново перерисуем молекулу. Нарисуем циклопентан. Сделаем его точно таким, каким он был здесь. Пятиугольник повернут наверх. Вот здесь у нас есть группа брома. И метоксид-ион у нас будет вот тут.
(05:40) Метоксид-ион. Итак, CH3O минус. Иначе говоря, мы можем сказать, что у кислорода есть один, два, три, четыре, пять, шесть, семь валентных электронов с отрицательным зарядом. Один из этих электронов, может атаковать вот этот углерод. Вот этот углерод. И когда это происходит, одновременно бром получает возможность украсть электрон у того же самого углерода.
(06:14) И тогда бром становится бромид-анионом. Бромид-анионом. То есть, у него было один, два, три, четыре, пять, шесть, семь валентных электронов. Раз, два, три, четыре, пять, шесть, семь. Теперь он украл еще один электрон и стал бромидом. И получил отрицательный заряд. Если нарисовать цепь, то она будет выглядеть вот так.
(06:46) Смотрите, мы можем нарисовать ее здесь, а также можем нарисовать ее с этой стороны, чтобы он мог атаковать с другой. Это хиральное основание, поэтому нам не обязательно рисовать связи с углеродом особенно точно. Мы не будем изображать все, что здесь присоединяется. Но у нас еще был метоксид-ион, вот он теперь связан, и это больше не ион, а OCH3.
(07:13) Он соединен с этим углеродом. Потенциально у углерода есть еще один водород, который мы не показываем. Мы коротко описали реакцию Sn2. Так выглядит схема. Давайте подумаем о том, что такое реакция E2. Чтобы E2 прошла должным образом, чтобы она была оправдана, мы должны нарисовать несколько водородов. Изобразим реакцию E2 синим цветом.
(07:34) Поступим следующим образом: нарисуем циклопентан. Сделаем его побольше. На самом деле, здесь не так важно рисовать его слишком большим. Давайте нарисуем пятиугольник. Вот наш пятиугольник. Это у нас бром, три, четыре, пять, шесть, и еще вот здесь у него есть седьмой валентный электрон. Это альфа-углерод. Альфа-углерод.
(08:07) И еще у нас есть два бета-углерода. Вот у нас бета-углерод здесь и тут. У каждого из них по два водорода. Каждый из них обладает двумя водородами. Становится немного сложнее все это прочитать. У каждого из них по два водорода. В реакции E2, сильное основание вступит в реакцию – давайте освободим здесь немного пространства.
(08:29) Избавимся от бета. Оно нам все портит. У каждого из них есть по два водорода. Так, что теперь… В реакции E2, сильное основание– вот здесь метоксид-ион вел себя как сильный нуклеофил. В E2 он поведет себя как сильное основание. Он украдет водород у одного из бета углеродов, и мы можем спросить – хорошо, у которого из них? Вспомним правило Зайцева.
(08:57) Это не важно. Они симметричны. Они оба соединены с двумя другими углеродами. С одинаковыми количествами водородов. Поэтому это не имеет значения. Выбор будет случайным, и мы не сможем определить разницу, потому что они симметричны. Нарисуем их так. Нарисуем метоксид-ион. Один, два, три, четыре – или же следует сказать анион – пять, шесть.
(09:20) Унего еще есть простая связь с CH3. У него отрицательный заряд, это очень сильное основание. Он может прийти, украсть водород и отбросить электрон водорода. Давайте выберем цвет. Можно отдать электрон водороду, чтобы он сформировал с ним связь. Электрон водорода – давайте нарисуем его подходящим цветом. Электрон водорода, который находится вот здесь, может быть отдан альфа-углероду.
(09:45) Он может перейти к альфа-углероду, чтобы сформировать двойную связь. И когда альфа-углерод получает электрон, группа брома может уйти. Это достойная замещаемая группа. Есть еще кое-что, о чем мы должны подумать в нашей формуле. Хорошей замещаемой группе подходят все типы реакций: Sn2, E2, Sn1, E1. Углерод получает электрон, и затем бром может забрать электрон у углерода.
(10:13) Теперь перейдем к этапу, который отличает реакции E2 и Sn2. Все реакции происходят в этапе, определяющем скорость, и это единственный этап. И вот так, после того, как это происходит, у нас остается метоксид-анион, который забирает водород и становится метанолом. Давайте его нарисуем. Он становится метанолом.
(10:34) И у него есть один, два, три, четыре, и еще пять, вот этот вот, но затем он идет и соединяется с водородом. Соединяется с водородом, вот так. А водород отказывается от своего электрона. Давайте нарисуем циклопентан. Циклопентан выглядит также, я сфокусируюсь непосредственно на кольце. Вот этот вот был связан с водородом.
(11:01) Он был связан с этим водородом, но теперь электрон будет использован, чтобы сформировать связь с этим альфа-углеродом. Давайте нарисуем альфа-углерод. Вот у нас есть альфа-углерод. Очевидно, подразумевается, что на каждом из этих углов у нас есть углерод. Но теперь мы видим, что двойная связь формируется с альфа-углеродом.
(11:24) Можем изобразить двойную связь вот так. Очевидно, что здесь есть еще один углерод. Мы можем вписать сюда еще один. И так сформируется двойная связь. А бромид уйдет. Он забрал с собой электрон у углерода, потому что углероду он не нужен. Он уже хотел его украсть, из-за своей электроотрицательности. Итак, это бромид.
(11:45) Он забирает вот этот оранжевый электрон, который находится здесь. Это у нас бромид. Вот и всё. И возвращаясь к первоначальному вопросу, какая из реакций произойдет с большей вероятностью? На самом деле, обе – Sn2 и E2. Мы видим, что обе они происходят смешанно, потому что у нас есть все факторы среды, которые Позволяют произойти им обеим.
(12:02) Поэтому, у нас есть оба механизма здесь –давайте их разделим. Здесь у нас реакция Sn2. У нас реакция Sn2, происходящая в нашем приборе, в пробирке или чашке, неважно, где мы проводим реакцию, и также у нас происходит реакция E2. Поэтому продукты реакций будут и такими, и такими.
