Název: Deriváty uhlovodíků II S N 1, S N 2 Autor: Mgr. Štěpán Mička Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět, mezipředmětové vztahy: chemie, fyzika Ročník: 4. Tématický celek: Organická chemie Stručná anotace: Pracovní list je koncipován jako podklad pro laboratorní práci (moţné i rozdělit na dvě). Časová dotace: Práce je velmi jednoduchá, koncipovaná na jednu vyučovací hodinu. Ţáci pracují ve skupinách po čtyřech. Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Pomůcky (seznam potřebného materiálu) Viz pracovní list Teorie Nukleofilní substituce je typ reakce, při níţ je nahrazen substituent (elektronegativnější neţ uhlík) vázaný na uhlíku jiným substituentem. Částice, která nahrazuje původní substituent, se nazývá nukleofil. Do nově vznikající vazby přináší dvojici elektronů, a proto se nejčastěji jedná o anion nebo molekulu s volným elektronovým párem. Částice, která je nahrazována, a tedy odstupuje, je také nukleofil (někdy nazývána nukleofug). Nukleofilní substituce můţe probíhat několika mechanismy, z nichţ nejčastější jsou dva. První, označován zkratkou S N 1, se nazývá monomolekulární nebo také prvního řádu. Při tomto mechanismu se nejprve výchozí sloučenina rozpadne na karbokation a nukleofug. Karbokation poté reaguje s nukleofily, které jsou přítomné v roztoku. Rozpad na karbokation je pomalý, a proto je mechanismus S N 1 vţdy pomalejší neţ S N 2. Reakce karbokationtu s nukleofilem probíhá však rychle. Samotný vznik karbokationtu je umoţněn především částečnou stabilizací methylovými skupinami, které díky kladnému indukčnímu efektu sniţují kladný náboj na uhlíku. S N 1 je tedy typická pro rozvětvené deriváty obsahující vázanou nukleofilní skupin na např. terc. uhlíku. (C 3 CBr (C 3 C + + Br - terc - butylbromid karbokation (C 3 C + + O - (C 3 CO terc - butylalkohol Druhým mechanismem je S N 2, substituce bimolekulární (druhého řádu). Reakce je umoţněna vznikem parciálního kladného náboje na uhlíku, který vytváří vázaný elektronegativní substituent. Při tomto průběhu je vázaný nukleofil vytlačován přistupujícím nukleofilem. Toto napadání dalším nukleofilem je podmíněno moţným přístupem k uhlíku. Nukleofil tak vţdy přistupuje k uhlíku z opačné strany, neţ je vázán stávající nukleofil. Dochází také k překlopení vazeb, které se nazývá Waldenův zvrat. Tato reakce je tedy typická pro jednoduché deriváty obsahující např. pouze primární uhlík. Také stabilizace methylovými skupinami zde není moţná. Elektrony přistupujícího nukleofilu postupně přecházejí do vazby s uhlíkem, zatímco elektronový pár původní vazby je přesouván na odstupující nukleofil. Vzniká tak přechodný komplex, který se posléze rozpadá za vzniku produktu. C Br O - - O-----C-----Br O C + Br - methylbromid přechodný komplex methylalkohol
Postup práce Postup práce je nenáročný. Učitel musí dbát na dodrţování základních pravidel bezpečné práce v chemické laboratoři. Výsledky Pracovní list má za úkol prakticky ověřit teorii základních mechanismů monomolekulárních a bimolekulárních nukleofilních substitucí u alkylhalogenidů. Ţáci provedou dva experimenty. V prvním provedou přípravu terc-butylchloridu (mechanismus S N 1) a přítomnost halogenderivátu dokáţí např. Beilsteinovým testem. Druhý experiment je příklad Finkelsteinovy reakce, kdy se zaměňuje halogen v halogenderivátu (mechanismus S N 2). Při těchto reakcích se k důkazu úspěšné substituce vyuţívá různá rozpustnost anorganických halogenidů v organických rozpouštědlech. Reakcí připravený butyljodid je tedy doprovázen vznikem bromidu sodného, jenţ je v acetonu málo rozpustný. Změnu lze ihned pozorovat. Další aplikace, možnosti, rozšíření, zajímavosti, Záleţí na učiteli, jakým způsobem pracovní list uchopí. Učitel můţe ţákům sdělit důkazové reakce před laboratorní prací (ţáci budou vědět, co mají pozorovat), nebo je můţe uvést aţ na konci práce (ţáci budou usuzovat ze skutečných pozorování). Stejně tak můţe ţáky nechat najít potřebné informace na internetu nebo v odborné literatuře. Zdroje: PACÁK, J.: Jak porozumět organické chemii. 3. vydání, Praha: Karolinum, 2010.
Pracovní list pro žáka Substituce halogenu halogenem Laboratorní práce číslo:. Jméno Třída Datum Pomůcky: kádinka, zkumavka, pipeta Chemikálie : C 3 C 2 C 2 C 2 Br, roztok NaI v acetonu Návod: Do kádinky odměřte cca1 ml butylbromidu a přidejte cca 3mL roztoku jodidu sodného v acetonu. Pozorujte průběh reakce. Produkty likvidujte dle pokynů vyučujícího. Pracovní postup: Chemické rovnice: Pozorování: Závěr:
Pracovní list pro ţáka Příprava a reakce terc-butylchloridu Laboratorní práce číslo:. Jméno Pomůcky: dělící nálevka, kádinka, nálevka, odměrné válce Třída Datum Chemikálie : terc-butylalkohol, koncentrovaná Cl Návod: Do dělící nálevky odměřte 2,5mL terc-butylalkoholu a 10mL koncentrované kyseliny chlorovodíkové. Směs protřepte (cca 15 minut) a průběžně uvolňujte vznikající přetlak. Poté nechte dělící nálevku odstát dokud se neoddělí dvě vrstvy. Separujte produkt, který dokažte Beilsteinovou zkouškou. Produkty likvidujte dle pokynů vyučujícího. Pracovní postup: Chemické rovnice: Pozorování: Závěr: