Reacties
Een nuttige eigenschap van alkylhalogeniden is het gemak waarmee ze in andere klassen van verbindingen kunnen worden omgezet. De drie belangrijkste reacties van alkylhalogeniden zijn nucleofiele substitutie, eliminatie en omzetting in organomagnesiumverbindingen.
Nucleofiele substitutie
Nucleofiele substitutie, die kan worden weergegeven door de volgende algemene vergelijking, maakt het mogelijk dat het halogeen wordt vervangen door zuurstof, zwavel, stikstof of een andere koolstof.
De bron van de negatief geladen nucleofiel Y - is normaal gesproken een ionisch natrium of een kaliumzout (Na + Y - of K + Y -). Een specifiek voorbeeld van een nucleofiele substitutie is de reactie van natriumhydroxide en benzylchloride:
De relatieve volgorde van reactiviteit van alkylhalogenide wordt bepaald door de sterkte van de koolstof-halogeenbinding. Alkyljodiden hebben de zwakste koolstof-halogeenbinding en reageren het snelst. Alkylfluoriden hebben de sterkste koolstof-halogeenbinding en reageren zo langzaam dat ze zelden nucleofiele substituties ondergaan.
Verschillende families van organische verbindingen kunnen worden bereid door de juiste keuze van nucleofiel. Deze omvatten ethers (ROR ′), esters (RCOOR ′), nitrilen (RCN) en sulfiden (RSR ′):
Alkylfluoriden worden normaal gesproken bereid door fluoride dat als nucleofiel werkt in de richting van een alkylchloride, bromide of jodide, bijvoorbeeld NaF + RX → RF + NaX. Hoewel de reactie in principe omkeerbaar is, zorgt de grotere sterkte van de koolstof-fluorbinding ervoor dat het alkylfluoride overheerst boven het alkylchloride, bromide of jodide. Alkyljodiden kunnen worden bereid uit alkyl- chloriden en alkylbromiden door reactie met een oplossing van natriumjodide (NaI) in aceton (CH 3 COCH 3). In dit geval verloopt de reactie in de aangegeven richting omdat noch natriumchloride (NaCl) noch natriumbromide (NaBr) oplosbaar is in aceton; door neerslaan van natriumchloride of natriumbromide uit het reactiemengsel verschuift de evenwichtspositie naar rechts.
Chemici zijn het er in het algemeen over eens dat de reacties van tot nu toe beschreven alkylhalogeniden plaatsvinden via een mechanisme waarbij de nucleofiel het alkylhalogenide nadert vanaf de zijde tegenover de binding aan de vertrekkende groep. Substitutie vindt plaats in een enkele stap door middel van een overgangstoestand (een hoogenergetische, onstabiele, niet-isoleerbare structuur) waarin de aangevallen koolstof gedeeltelijk is gebonden aan zowel de nucleofiele als de vertrekkende groep. Één-staps proces waarbij twee soorten wordt gedefinieerd als bimoleculaire, en dit reactiemechanisme wordt aangeduid als S N 2 (substitutie-nucleofiele bimoleculaire).
De snelheid van bimoleculaire nucleofiele substitutie hangt sterk af van de structuur van het alkylhalogenide en wordt verondersteld te worden bepaald door de mate van verdringing van de koolstof die een nucleofiele aanval ondergaat. Methylhalogeniden (CH 3 X) reageren het snelst. Primaire alkylhalogeniden (RCH 2 X) reageren sneller dan secundaire alkylhalogeniden (RR′CHX), die op hun beurt sneller reageren dan tertiaire alkylhalogeniden (RR′R ″ CX). Als de substituenten R, R ′ en R ″ klein zijn - bijvoorbeeld R = R ′ = R ″ = H in CH 3 X - is de overgangstoestand niet erg druk en verdringt de nucleofiel de vertrekkende groep snel uit koolstof. De opeenvolgende vervanging van R, R ′ en R ″ door alkylgroepen belemmert in toenemende mate de nadering van de nucleofiel tot koolstof, maakt de overgangstoestand drukker en vertraagt de snelheid. Het blokkeren van toegang tot een reactieve site door nabijgelegen groepen wordt sterische hinder genoemd.
Tertiaire alkylhalogeniden worden zo sterisch gehinderd dat ze, wanneer ze nucleofiele substitutie ondergaan, dit doen door een ander mechanisme dan SN 2. Aangenomen wordt dat een tweestapsmechanisme wordt gevolgd, waarvan de eerste stap langzamer is dan de tweede en bepaalt de totale reactiesnelheid.
Omdat de snelheidsbepalende (langzame) stap houdt slechts één molecuul, wordt het mechanisme beschreven unimoleculaire, en de uitdrukking S N 1 (substitutie-nucleofiele unimoleculaire) wordt toegepast. De soort die in de langzame stap wordt gevormd, bevat een positief geladen, elektron-deficiënte koolstof en wordt een carbokation genoemd. Carbocaties zijn onstabiel en reageren snel met stoffen zoals nucleofielen die niet-gedeelde elektronen beschikbaar hebben voor bindingvorming.
Eliminatie
Wanneer de aanvallende soort een sterke base is, zoals hydroxide (- OH) of alkoxide (- OR), zijn nucleofiele substituties die worden uitgevoerd voor synthetische doeleinden alleen praktisch wanneer het alkylhalogenide primair is. De belangrijkste reactie die wordt waargenomen wanneer een sterke base reageert met een secundair of tertiair alkylhalogenide, is eliminatie, zoals bij de aanval van natriummethoxide op 2-chloor-2-methylpropaan.
Eliminatie concurreert met substitutie omdat het negatief geladen ion, in dit geval methoxide (- OCH 3), koolstof kan aantasten (als een nucleofiel kan werken) of een proton kan verwijderen (als een basis fungeren). De bindingsveranderingen die gepaard gaan met eliminatie, worden vaak weergegeven met behulp van notatie met een gebogen pijl om de beweging van elektronenparen te volgen.
Aangenomen wordt dat eliminatie van alkylhalogeniden op de beschreven manier in een enkele stap plaatsvindt en krijgt het mechanistisch symbool E2, dat staat voor eliminatie-bimoleculair. Eliminatie gaat altijd gepaard met nucleofiele substitutie en is de belangrijkste beperking op efficiënte synthetische toepassingen van nucleofiele substitutie. Door een voldoende sterke base te gebruiken, is het meestal mogelijk om eliminatie te laten overheersen boven substitutie, en dehydrohalogenering van alkylhalogeniden door het E2-mechanisme is een van de belangrijkste methoden waarmee alkenen worden bereid (zie koolwaterstof).
