158

Organic Chemistry (1)

Courses

First year (Second Semester)

Faculty of Pharmacy

Lecture (10)

Professor Dr Rafik Koussini Professor Dr Mohammad Nasser

Reference

Essential Organic Chemistry

Paula Yurkanis Bruice 2010

Second Edition

T. W. Graham Solomons, Organic Chemistry, Fifth Edition, New York, 1992.

159

هاليدات االلكيل

Alkyl halides

هاليدات االلكيل هي مركبات عضوية تحتوي على األول على رابطة كربون هالوجينcarbon-halogen

bond (C-X) ويمكن أن تحتوي عدة روابط ،((C-X .

:وتملك الصيغة العامة التاليةR-X حيث((X = F, Cl, Br or I .

كمواد اولية تستخدمstarting materials وككواشفreagents في )في اصطناع مواد أخرى أكثر تعقيدا

.Fire-resistant solventsكما تستخدم كمذيبات مقاومة للحرائق ،االصطناع العضوي(

:substitution reactionsيتم الحصول على هذه المركبات ع طريق تفاعالت االستبدال

لاللكانات الهلجنة الجذريةRadical halogentaion of alkanes:

X + HX-R→ 2H + X-R

تفاعل األغوال مع هاليدات الهيدروجينReaction of alcohols with hydrogen halides:

O2X + H-R→ OH + HX -R

:3تفاعل األغوال مع عدد من الكواشف مثل, PBr3, PCl2SOCl

:Naming Alkyl Halidesتسمية هاليدات االلكيل -10-1

alkyl orحيث يذكر اسم الجذر) ،(Alkyl halide styleتسمى هذه المركبات أما كمشتقة من الجذر الو يفي )

aryl متبوعا بكلمة هاليد )Halide أو كمشتقة من االلكانات ،alkanes حيث يعد الهالوجين كمتبادل فنذكر اسم ،

.Halogen (fluoro, chloro, bromo and iodo)االلكان مسبووا باسم الهالوجين

10المحاضرة

160

Haloalkanes / Alkyl halides

Nomenclature Formula

Functional group suffix = halide (i. e. fluoride, chloride, bromide, iodide)

Substituent name = halo- (i. e. fluoro, chloro, bromo, iodo)

Structural unit: haloalkanes contain R-X where X = F, Cl, Br, I etc.

Notes:

Haloalkanes can also be named as alkyl halides despite the fact that

the halogens are higher priority than alkanes.

The alkyl halide nomenclature is most common when the alkyl

group is simple.

Haloalkane style:

التي تحتوي الرابطة ،longest carbon chainتقوم التسمية على أساس أطول سلسلة كربونية ممكنة •

. الثنائية أو الثالثية في حال وجودها

.(alkyl or halogen)تروم ذرات الكربون من الطرف األورب إلى المتبادل •

,prefix di, triطع ثنائي وثالثي ورباعي )عند وجود أكثر من ذرة من نفا الهالوجين فإننا نستخدم المق •

tetraالذي يشير إلى عدد ذرات الهالوجين ) .

alphabeticalللترتيب الهجائي الالتيني فإنه يتم ترويمها وترتيبها وفقا عند وجود هالوجينات مختلفة •

order .

161

ى مسافة متساوية من عل Alkylأو ذرة هاليد ومجموعة الكيل Two Halidesعند وجود ذرتي هاليد •

ي تيب الهجائالطرفين فإننا نبدأ بالترويم من الطرف األورب إلى المتبادل الذي يأتي اسمه أوال بحسب التر

. الالتيني

Alkyl halide style:

باسم الهاليد alkyl,cycloalkyl,aryl))يتم التسمية وفق هذا النمط بوضع اسم الجذر • متبوعا

Fluoride,Chloride,Bromide,Iodide)).

Cl

CH3

CH3

Br CH3 CH CH2 CH3

Br

Cyclohexyl chloride Isopropyl bromide sec.Butyl bromide

. تسميات شائعة وتستخدم بشكل واسع Alkyl Halidesتملك العديد م هاليدات االلكيل

162

Haloalkane style:

Functional group is an alkane, therefore suffix = -ane

The longest continuous chain is C3 therefore root = prop

The substituent is a chlorine, therefore prefix = chloro

The first point of difference rule requires numbering from

the right as drawn, the substituent locant is 1-

1-chloropropane

CH3CH2CH2Cl

Alkyl halide style:

The alkyl group is C4, it's a tert-butyl

The halogen is a bromine, therefore suffix = bromide

tert-butyl bromide

Haloalkane style:

Functional group is an alkane, therefore suffix = -ane

The longest continuous chain is C3 therefore root = prop

The substituent is a bromine, therefore prefix = bromo

There is a C1 substituent = methyl

The substituent locants are both 2-

2-bromo-2-methylpropane

(CH3) 3CBr

Haloalkane style:

Functional group is an alkene, therefore suffix = -ene

The longest continuous chain is C4 therefore root = but

The substituent is a bromine, therefore prefix = bromo

Since bromine is named as a substituent, the alkene

gets priority

The first point of difference rule requires numbering

from the left as drawn to make the alkene group locant

1-

Therefore the bromine locant 4-

4-bromo-1-butene

9-2- Nomenclature of Organic Halides (Tutorial) :

a. The organic halides can be named most readily as

substituents. The substituent names are…fluoro,

chloro, bromo and iodo. The halides can also be named

by naming the group and using the names fluoride,

chloride, bromide or iodide.

CH2=CHCH2CH2Br

163

2-chloropropane

2-propyl chloride

isopropyl chloride

Try to name the following compounds…

F–CH2–CH2–Br

Try to draw structures for the following

compounds…

benzyl iodide

3-bromotoluene

4-chloro-1-pentene

b. Common names that you should know are...

methylene dihalides CH2X2

haloforms CHX3

carbon tetrahalides CX4

Try to name the following compounds using both the

above common names and the IUPAC names…

CHBr3

CH2Cl2

CF4

Try to draw structures for the following compounds…

carbon tetrachloride

iodoform

methylene dibromide

:Physical Properties الفيزيائية الخواص -10-1-1

كهرسذذلبية بذذين الكربذذون ( هذذي رابطذذة وطبيذذة بسذذبب الفذذرق فذذي الC-X bondهذذالوجبن )-الرابطذذة كربذذون

علذى الكربذون وشذحنة جزئيذة slight positive، مما يؤدي إلى هور شذحنة جزئيذة موجبذة صذغيرة والهالوجين

ثنائيذة وطذب -وينجم عذن ذلذك هذور وذوى تجذاذب ثنائيذة وطذب ،على الهالوجين slight negativeبة صغيرة سال

dipole-dipole interaction))، ممذا يجعذل درجذات الغليذان واالنصذهارmelting points and boiling

points لهذه المركبات أعلى من االلكاناتalkanes الموافقة .

:Structure البنية

3sp ((hybridized 3spعلذى ذرة كربذون ذات تهجذين X-Cتحتوي المجموعة الو يفية في هاليدات االلكيذل •

.σ (σ bond)مرتبطة بذرة هالوجين برابطة

. كلما اتجهنا نحو األسفل في الجدول الدوري C-Xيزداد طول الرابطة •

. يأضعف كلما اتجهنا نحو األسفل في الجدول الدور C-Xتصبح الرابطة •

164

:Reactivity الفعالية

تعد الهالوجينات(Cl, Br and I ) مجموعات مغادرة جيدةgood leaving groups .

بسبب وطبية الرابطةC-X توجد شحنة موجبة على الكربون وبالتالي تعد ذرة الكربون الكتروفيلية

electrophilic، لذا فهي تخضع لهجوم النيوكليوفيالتnucleophiles، لي تعطي تفاعالت تبادل وبالتا

. NS Nucleophilic reactions (1NS (or 2NSنيوكليوفيلية

لقوية نزع الهيدروجيناتتستطيع االسا ا- ( بيتاβ-hydrogens)، مما يؤدي إلى حدوم تفاعالت حذف

(2,1) 1,2-elimination، ( وذلك وفق اآلليةE1 or E2).

تتفاعل مع المعادنmetals وبشكل خاص مع المغنزيوم) Mg. esp( في وسط من االيتر الجافO2Et

. organometalic compoundsإلعطاء مركبات عضوية معدنية

:Preparations of Alkyl Halidesتحضير هاليدات االلكيل -10-2

Reaction of Alcohols with Hydrogen Halides - تفاعل األغوال مع هاليدات الهيدروجي -10-2-1

Reaction type: Nucleophilic Substitution (SN1 or SN2)

:Summary خالصة

عنذذد معالجذذة األغذذوال مذذعHBr or HCl فإنهذذا تخضذذع لتفذذاعالت تبذذادل نيوكليوفيليذذةnucleophilic

substitution reaction معطية هاليدات االلكيل والماء .

:ترتيب الفعالية النسبية لألغوال تكون على النحو اآلتي

> methyl o> 1 o> 2 o3

ترتيب الفعالية النسبية لهاليدات الهيدروجينHydrogen halides لى النحو اآلتي:تكون ع

HI > HBr > HCl > HF

1يجذذري التفاعذذل عذذادة وفذذق االليذذة mechanismNS مذذع تشذذكل كاربوكذذاتيون وسذذطيcarbocation

intermediate الذي يمكن أن يخضع إلعادة ترتيبrearrangement . إلعطاء كاربوكاتيون أكثر ثباتا

يتفاعذذذذذل كذذذذذل مذذذذذن الميتذذذذذانولMethanol و األغذذذذذوال األوليذذذذذةprimary alcohols وفذذذذذق اآلليذذذذذة

mechanism SN2 )باعتبارها تعطي كاربوكاتيونات غير مفضلة )كاربوكاتيونات غير ثابتة.

يعد تفاعل األغوال مع الحمضHCl بحضور وسيط((catalyst منZnCl2 أساس اختبار لوكاسLucas

test الذي يستخدم للتمييز بين األغوال األولية والثانوية والثالثية .

165

SN1 MECHANISM FOR REACTION OF ALCOHOLS WITH HBr

Step 1:

اساس -تتضمن الخطوة األولى تفاعل حمضacid/base reaction .

تؤدي برتنة أكسجين الغول إلى تشكيل مجموعة مغادرة جيدة better

leaving group.. إن وجود .هذه الخطوة سريعة وعكوسةlone pairs على

. Lewisbaseجين يجعلها اساس لويا ذرة األكس

Step 2:

يسمح فصم الرابطةC-O bond بفقدان المجموعة المغادرة الجيدة )جزيئة

rateتعد هذه الخطوة هي المحددة لسرعة التفاعل .الماء المعتدلة(

determining step فصم الرابطة يكون ماصا للحرارة(endothermic).

Step 3:

تهاجم شاردة ا( لبروميد كنيوكليوفيلnucleophilic bromide ion )

alkylمشكال electrophilic carbocationالكاربوكاتيون االلكتروفيلي

bromide .

( PX2SOCL,3 )تفاعل األغوال مع كواشف الهلجنة األخرى -10-3

Reaction of Alcohols with other Halogenating agents (SOCl2,PX3 (

Reaction type: Nucleophilic Substitution (SN1 or SN2)

166

:Summaryخالصة

يتم تحويل األغوال إلى كلوريدات االلكيلalkyl chlorides ( 2باستخدامthionyl chloride,SOCl أو )

3phosphorous trichloride, PCl .

يتم تحضير بروميدات االلكيلalkyl Bromides 3باستخدامPBr .

ن األغوال المستخدمة هي غالبا أغوال أولية أو ثانوية إROH oand 2o 1 .

يستخدم عادة أساس في هذا التفاعل من أجل ربط الحمض المتشكل والتخلق منه .

إن األسا الشائعة المستخدمة هي عادةN5H5N, or pyridine, C3triethylamine, Et .

يتم في كل حالة هجوم المجموعة–OH وفيل على المركز االلكتروفيلي كنيوكليelectrophilic center في

. halogenating agentكاشف الهلجنة

يقوم أيون الهاليدhalide ion غادرة بالهجوم على المركز االلكتروفيلي ويجري استبدال المجموعة الم

leaving group .

الح بأن المجموعة المغادرة ليست–OH فضل بكثيروإنما هي مجموعة مغادرة أ .

:Radical Halogenation of Alkanes لاللكانات الجذرية الهلجنة -10-3-1

Reaction type: Radical Substitution

:Summary خالصة

عنذذذد معالجذذذة االلكانذذذاتalkanes (H-R ) 2مذذذعor Cl 2Br فإنهذذذا تخضذذذع لتفذذذاعالت تبذذذادل جذريذذذة

radical substitution reaction ت االلكيل و معطية هاليداHX .

ترتيب الفعالية النسبية لاللكاناتalkanes (R-H ):تكون على النحو اآلتي

> methyl o> 1 o> 2 o3

ترتيب الفعالية للهالوجينات Halogens :تكون على النحو اآلتي

2> I 2> Br 2> Cl 2F

تعد تفاعالتchlorination and bromination التفاعالت المفيدة في المخبر .

يعذذد تفاعذذلbromination مذذعH-R انتقائيذذاselective الذذذي يعطذذي الجذذذر األكثذذر ثباتذذاmost stable

radical .

يعد تفاعلchlorination أول انتقائية .

سلسذذذذلية يذذذذتم التفاعذذذذل وفذذذذق اآلليذذذذة الجذريذذذذة الradical chain mechanism والتذذذذي تتطلذذذذب تشذذذذكل

radical intermediates .

مرحلة االنتهاءtermination step تكون وليلة االحتمال بسبب التراكيز المنخضة للجذور .

167

RADICAL CHAIN MECHANISM

FOR REACTION OF METHANE WITH Br2

Step 1 (Initiation)

Heat or uv light cause the weak

halogen bond to undergo

homolytic cleavage to generate

two bromine radicals and

starting the chain process.

Step 2 (Propagation)

(a) A bromine radical abstracts

a hydrogen to form HBr and a

methyl radical, then

(b) The methyl radical

abstracts a bromine atom from

another moleculeof Br2 to form

the methyl bromide product

and another bromine radical,

which can then itself undergo

reaction 2(a) creating a cycle

that can repeat.

Step 3 (Termination)

Various reactions between the

possible pairs of radicals allow

for the formation of ethane, Br2

or the product, methyl

bromide. These reactions

remove radicals and do not

perpetuate the cycle.

168

تم تشكل يdibromomethane أكتب آلية تشكل هذا المركب بدءا م .بنفس اآلليةmethyl

bromide؟

: 1NS (SN1 mechanism)اآللية

eophilic, 1 = unimoleculasubstitution, N= nucl =S هو تبادل نيوكليوفيلي احادي الجزيء: 1NSإن

:تعطى عبارة سرعة التفاعل بالعالوةrate = k [R-LG]

( يتم هذا التفاعل في خطوتين تتضمن الخطوة األولى فقدان المجموعة المغادرةleaving group, LG )

. وتشكل كاربو كاتيون وسطي وهي الخطوة البطيئة المحددة لسرعة التفاعل

step 1: rate determining (slow) loss of the leaving group, LG, to generate a

carbocation intermediate.

تتضمن الخطوة الثانية هجوم سريع للنيوكليوفيلnucleophile يتم تشكل وعلى الكاربوكاتيون االلكتروفيلي

. σرابطة

169

step 2: rapid attack of a nucleophile on the electrophilic carbocation to form a new

σ bond

Multi-step reactions

have intermediates

and a several

transition states

(TS).

In an SN1 there is

loss of the leaving

group generates an

intermediate

carbocation which is

then undergoes a

rapid reaction with

the nucleophile.

The reaction profiles

shown here are

simplified and do

not include the

equilibria for

protonation of the -

OH.

General case SN1 reaction

. على األغوال 1NSيمثل الشكل السابق المخطط الطاقي لتفاعل

التفاعل: سرعة على المؤثرة العوامل -10-3-2

: R- (Effect of R-)تأثير الجذر 1-

( وتشكل كاربو ,LGleaving groupتكون الخطوة األولى هي فقدان المجموعة المغادرة ) 1NSفي تفاعل

اكثر ثباتا كلما carbocationوبالتالي كلما كان الـ ،كاتيون وسطي وهي الخطوة البطيئة المحددة لسرعة التفاعل

. ازدادت سرعة التفاعل

Reactivity order: (CH3) 3C- > (CH3) 2CH- > CH3CH2- > CH3-

:LG-تأثير المجموعة المغادرة 2-

ففي حالة األغوال يجب التذكر بأن المجموعة. LG-Cفصم للرابطة 1NSتتضمن الخطوة األولى في تفاعل

–OH ( هي مجموعة مغادرة سيئةvery poor leaving فعند التفاعل مع الحمض )HX يجري أوال برتنة

170

األمر الذي يحولها إلى مجموعة مغادرة ،oxoniumوتتشكل شاردة أوكسونيوم OH–موعة المج

. الح ذلك في المخطط في األسفل. (O2Hأفضل)

جموعات أفضل المجموعات المغادرة هي الم. يتم التفاعل بسرعة أكبر كلما كانت المجموعة المغادرة أفضل

. األول أساسية والمجموعات الثابتة

:Nuالنيوكليوفيل الداخل تأثير 3-

مع تشكل كاربو كاتيون الوسطي وهي LG-Cهي فصم للرابطة 1NSباعتبار أن الخطوة األولى في تفاعل

لذلك اليكون للنيوكليوفيل ،الخطوة البطيئة المحددة لسرعة التفاعل وهذه الخطوة تتم بدون تدخل النيوكليوفيل

. 1NSتأثير على سرعة التفاعل

:Stereochemistryالكيمياوية الفراغية 4-

وبالتالي ،(planar carbocationبنية مستوية ) 1NSيملك الكربوكاتبون الوسطي المتشكل في التفاعل

أي اليوجد تأثير ،)من األعلى أو األسفل( يمكن أن يخضع لهجوم النيوكليوفيل من أي جهة من طرف المستوي

. للعاوة الفراغية على سرعة التفاعل

ل ود يترافق مع حدوم إعادة ترتيب للكاربوكاتيون الوسطي المتشك 1NSإلشارة إلى أن التفاعل يجب ا

rearrangement of carbocation هاليد ليعطي كاربوكاتيون أكثر ثباتا األمر الذي يؤدي إلى الحصول على

. الكيل تكون سلسلته مماكبة لسلسلة الغول األولي المستخدم في التفاعل

In an SN1, the nucleophile attacks the planar carbocation. Since there

is an equally probability of attack on either face there will be a loss of

stereochemistry at the reactive center and both possible products

will be observed.

171

SN1 MECHANISM FOR REACTION OF ALCOHOLS WITH HBr

Step 1:

An acid/base reaction. Protonation of the

alcoholic oxygen to make a better leaving

group. This step is very fast and

reversible. The lone pairs on the oxygen

make it a Lewis base.

Step 2:

Cleavage of the C-O bond allows the loss

of the good leaving group, a neutral water

molecule, to give a carbocation

intermediate. This is the rate determining

step (bond breaking is endothermic)

Step 3:

Attack of the nucleophilic bromide ion on

the electrophilic carbocation creates the

alkyl bromide.

172

2NS (SN2 mechanism: )اآللية

هو تبادل نيوكليوفيلي ثنائي الجزيء: 2NSإن

S= substitution, N= nucleophilic, 2 = bimolecular

:تعطى عبارة سرعة التفاعل بالعالقةrate = k [Nu][R-LG]

Single step reactions have

no intermediates and a

single transition state (TS).

In an SN2 there is

simultaneous formation of

the carbon-nucleophile

bond and breaking of the

carbon-leaving group bond,

hence the reaction proceeds

via a TS in which the

central C is partially

bonded to five groups.

The reaction profiles

shown here are simplified

and do not include the

equilibria for protonation

of the -OH.

يتم هذا التفاعل في خطوة وحيدة

يشترك فيها كل من النيوكليوفيل

Nu والركازةsubstrate [R-

LG]. كما يالح في المخطط

. التفاعلي التالي

2 reactionNS General case

. على األغوال 2NSيمثل الشكل السابق المخطط الطاوي لتفاعل

العوامل المؤثرة على سرعة التفاعل: -10-3-3

R- (Effect of R-: )تأثير الجذر 1-

لتالي ، وباLG-R[ substrate[والركازة Nuفي خطوة وحيدة يشترك فيها كل من النيوكليوفيل 2NSيتم تفاعل

اعية التساند في )تكون رب transition stateلفراغية باالنتقال من الركازة إلى الحالة االنتقالية تزداد اإلعاوة ا

HXاعل مع تتف alcoholso methyl and 1لذلك فإن ،الركازة بينما تصبح خماسية التساند في الحالة االنتقالية(

2NSبسرعة أكبر وفق اآللية

Reactivity order: CH3- > CH3CH2- > (CH3) 2CH- > (CH3) 3C-

:LG-تأثير المجموعة المغادرة 2-

كما . أفضل كلما كانت المجموعة المغادرة 2NSيتم التفاعل بسرعة أكبر وفق اآللية 1NSكما هو الحال في تفاعل

. ذكرنا سابقا إن أفضل المجموعات المغادرة هي المجموعات األول أساسية والمجموعات الثابتة

173

:Nuالنيوكليوفيل الداخل تأثير 3-

والركازة Nuيتم في خطوة وحيدة يشترك فيها كل من النيوكليوفيل 2NSباعتبار أن التفاعل

]LG-R[ substrateتفاعل لذلك يكون للنيوكليوفيل تأثير كبير على سرعة ال .، فهو يؤثر على سرعة التفاعل

2NS .

:Stereochemistryالفراغية الكيمياوية 4-

وفيليذة ة النيوكليجوم النيوكليوفيل غالبا علذى ذرة الكربذون االلكتروفيليذة مذن الجهذة المقابلذة لتوضذع الزمذريتم ه

ationinversion of configurمذع انقذالب تشذكيل 2NSلذلك غالبا ماتترافق تفذاغالت التبذادل ،–LGالمغادرة

. ذرة الكربون مركز التبادل

SN2 MECHANISM FOR REACTION OF ALCOHOLS WITH HBr

Step 1:

An acid/base reaction. Protonation of the alcoholic

oxygen to make a better leaving group. This step is

very fast and reversible. The lone pairs on the oxygen

make it a Lewis base.

Step 2:

Simultaneous formation of C-Br bond and cleavage of

the C-O bond allows the loss of the good leaving

group, a neutral water molecule, to give a the alkyl

bromide. This is the rate determining step.

174

:Elimination reactionsتفاعالت الحذف -10-4

اعالت التبادلتعطي هاليدات االلكيل تفاعالت حذف إلى جانب تف .

وهي معاكسة لتفاعالت الضمOpposite of addition .

تؤدي إلى تشكل االلكناتGenerates an alkenes .

1تنافا تفاعالت الحذف تفاعالت التبادل وتؤدي إلى انقاص المردود وخاصة من تفاعالتNS .

يخضع تفاعل الحذف إلى واعدة زايتسفZaitsev’s Rule ى أنه عند حذف الحمض والتي تنق علHX

)أي يكون الناتج المفضل تشكله( more highlyمن هاليدات االلكيل فإنه يتشكل المركب األكثر ثباتا

substituted alkene product predominates

يتم تفاعل الحذف أما وفق االليةE1 أو اآلليةE2:

E1: X- leaves first to generate a carbocation a base abstracts a proton from the

carbocation

E2: Concerted transfer of a proton to a base and departure of leaving group

175

مالظةات مدرس المقرر