שיעור 7 המשך תגובות התמרה

חזרה

• בשיעור הקודם למדנו תגובות התמרה $\mathrm{S_N1}$ ו-$\mathrm{S_N2}$
• תגובות אלימינציה מתחרות בתגובות התמרה:
  • במקום נוקלאופיל - יש בסיס
  • E2 מתחרה ב-$\mathrm{S_N2}$
  • E1 מתחרה ב-$\mathrm{S_N1}$

תגובת אלימינציה E2

מאפיינים עיקריים

• מנגנון: תגובה חד-שלבית (בו-זמנית)
• הבסיס: קוטף פרוטון מעמדה β
• התוצר: יצירת קשר כפול בין עמדה α לעמדה β
• קצב התגובה: תלוי בסובסטרט ובבסיס

העדפת הקשר הכפול

• כלל זייצב (Zaitsev): הקשר הכפול המועדף הוא היותר מותמר (יציב יותר)
• כלל הופמן (Hofmann): כאשר הבסיס גדול ונפחי - מועדף הקשר הכפול הפחות מותמר
  • בסיס גדול ונפחי: כאשר החמצן קשור לפחמן שלישוני

דרישות גיאומטריות - אנטי-פריפלנרי

• המימן הנקטף והקבוצה העוזבת חייבים להיות במצב אנטי-סטגר (anti-staggered)
• בטבעות ציקלוהקסן: שניהם חייבים להיות די-אקסיאליים

דוגמה לדרישה הגיאומטרית

כאשר יש קבוצה עוזבת (Cl) בטבעת ציקלוהקסן:

• אם הכלור אקסיאלי - המימן הנקטף חייב להיות אקסיאלי גם כן
• אם הכלור אקווטוריאלי - לא ניתן לבצע E2 (גם אחרי היפוך כיסא)
• לכן התוצר שמתקבל תלוי בגיאומטריה, לא בהכרח ביציבות

תנאי חובה ל-E2

1. בסיס חזק
2. מצב אנטי-סטגר בין H ו-X (הקבוצה העוזבת)

סיכום התגובות - טבלת החלטה

קטגוריות של נוקלאופילים/בסיסים

1. בסיס חזק, נוקלאופיל חזק
2. בסיס חזק, נוקלאופיל חזק, גדול ונפחי
3. בסיס חלש, נוקלאופיל חזק (דוגמאות: $\ce{I-}$, $\ce{Br-}$, $\ce{Cl-}$)

   בפחמן ראשוני ושניוני יגיבו ב-$\mathrm{S_N2}$

   CN-, Br-, I-, SH-, SR-, N3-, CH3COO-, SH2, RSH, NRH2

4. בסיס חלש, נוקלאופיל חלש (דוגמאות: $\ce{H2O}$, $\ce{CH3OH}$, $\ce{CH3CH2OH}$)

התנהגות לפי סוג הפחמן

פחמן מתילי ($\ce{CH3-X}$)

• תגובה יחידה אפשרית: $\mathrm{S_N2}$
• אין אפשרות ל-$\mathrm{S_N1}$ (פחמן ראשוני)
• אין אפשרות לאלימינציה (אין מימני β)

פחמן ראשוני

• $\mathrm{S_N1}$: לא אפשרי
• E2: לא אפשרי (בדרך כלל)
• תחרות בין $\mathrm{S_N2}$ ו-E2:
  • בסיס חזק, נוקלאופיל חזק ← $\mathrm{S_N2}$ (מהיר יותר)
  • בסיס חזק, נוקלאופיל חזק, גדול ונפחי ← E2
  • בסיס חלש, נוקלאופיל חזק ← $\mathrm{S_N2}$
  • בסיס חלש, נוקלאופיל חלש ← $\mathrm{S_N2}$ איטי

פחמן שניוני

• תחרות בין כל ארבע התגובות:
  • בסיס חזק, נוקלאופיל חזק ← E2 (מותמר יותר)
  • בסיס חזק, נוקלאופיל חזק, גדול ונפחי ← E2
  • בסיס חלש, נוקלאופיל חזק ← $\mathrm{S_N2}$
  • בסיס חלש, נוקלאופיל חלש ← $\mathrm{S_N1}$/E1

פחמן שלישוני

• $\mathrm{S_N2}$: לא אפשרי (הפרעה סטרית)
• תחרות בין E2, $\mathrm{S_N1}$, ו-E1:
  • בסיס חזק, נוקלאופיל חזק ← E2
  • בסיס חזק, נוקלאופיל חזק, גדול ונפחי ← E2
  • בסיס חלש, נוקלאופיל חזק ← $\mathrm{S_N1}$
  • בסיס חלש, נוקלאופיל חלש ← $\mathrm{S_N1}$/E1

סיכום תחרות בין התגובות

הערות לטבלה:

• חימום ($\Delta$): תמיד מעודד תגובות אלימינציה (E1/E2) על פני התמרה ($\mathrm{S_N1}$/$\mathrm{S_N2}$).
• E2: התוצר העיקרי הוא לפי כלל זייצב (הקשר הכפול המותמר יותר), אלא אם הבסיס גדול ונפחי, ואז התוצר הוא לפי כלל הופמן (הקשר הכפול הפחות מותמר).
• $\mathrm{S_N1}$/E1: כאשר שני המנגנונים אפשריים, $\mathrm{S_N1}$ הוא בדרך כלל התוצר העיקרי, אלא אם יש חימום, המעדיף E1.

תגובת אלימינציה E1

מאפיינים עיקריים של E1

• מנגנון: תגובה דו-שלבית
• שלב 1 (איטי): פירוק ליונים - יציאת הקבוצה העוזבת ויצירת קרבוקטיון
• שלב 2 (מהיר): בסיס קוטף פרוטון מעמדה β ונסגר קשר כפול
• קצב התגובה: תלוי רק בסובסטרט

השוואה ל-E2

• אין דרישה גיאומטרית של אנטי-סטגר
• הקרבוקטיון מישורי - כל מימן β יכול להיקטף
• מתקבלת תערובת של איזומרים גיאומטריים (cis/trans, E/Z)
• בדרך כלל מתקבל האיזומר היציב יותר (trans/E)

תנאים לתגובת E1

• פחמן אלקטרופילי: כמה שיותר מותמר (כמו ב-$\mathrm{S_N1}$)
• קבוצה עוזבת: טובה (יציבה עם מטען שלילי)
• בסיס: גם בסיסים חלשים מתאימים
• אפשרות לשחלופים (כמו ב-$\mathrm{S_N1}$)

הבחנה בין $\mathrm{S_N1}$ ל-E1

כאשר יש אפשרות לשתי התגובות:

• עם חימום ($\Delta$ או “heat”): E1 מועדף
• ללא חימום: $\mathrm{S_N1}$ מועדף

הסבר תרמודינמי:

• נוסחת גיבס: $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$
• בתגובת E1 נוצרים יותר תוצרים (אנטרופיה גבוהה יותר):
  • קבוצה עוזבת + אלקן + בסיס פרוטונטי
• חימום מגדיל את החשיבות של האנטרופיה בנוסחה

השפעת נוקלאופילים על בחירת התגובה

כאשר יש פחמן שלישוני עם נוקלאופיל חזק ובסיס חלש (כמו $\ce{Br-}$):

• $\mathrm{S_N1}$ מועדף על פני E1
• נוקלאופיל חזק מעדיף לתקוף ולהתחבר (התמרה) על פני קטיפת פרוטון (אלימינציה)
• למרות ששניהם חלשים כבסיסים, יש נוקלאופילים שמעדיפים התמרה

השפעת חימום על תחרות

כלל חשוב: חימום מעודד תגובת E1

• עם חימום: E1 יהיה התוצר העיקרי
• ללא חימום: $\mathrm{S_N1}$ יהיה התוצר העיקרי

הסבר תרמודינמי:

• נוסחת גיבס: $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$
• בתגובת E1 נוצרים יותר תוצרים (אנטרופיה גבוהה יותר):
  • קבוצה עוזבת + אלקן + בסיס פרוטונטי
• בתגובת $\mathrm{S_N1}$ נוצרים פחות תוצרים:
  • קבוצה עוזבת + תוצר ההתמרה
• חימום מגדיל את החשיבות של האנטרופיה ($T\Delta S$)

תגובת דהידרציה (Dehydration)

הבעיה עם OH כקבוצה עוזבת

$\ce{OH-}$ הוא בסיס מעולה ונוקלאופיל מעולה, אבל קבוצה עוזבת גרועה. הסיבה לכך היא ש-$\ce{OH-}$ לא מספיק יציב עם מטען שלילי

הפתרון להפיכת $\ce{OH}$ לקבוצה עוזבת טובה הוא להשתמש בחומצה חזקה (כמו $\ce{H2SO4}$):

1. פרוטונציה: החמצן של הכוהל קוטף פרוטון מהחומצה
   • $\ce{R-OH + H+ -> R-OH2+}$
2. יציאת מים: $\ce{H2O}$ עוזבים (קבוצה עוזבת מצוינת)
   • נוצר קרבוקטיון
3. המשך התגובה: E1 או $\mathrm{S_N1}$

דוגמה מפורטת - מנגנון דהידרציה

כאשר יש כוהל שניוני עם $\ce{H2SO4}$:

1. שלב ראשון: פרוטונציה של הכוהל
2. שלב שני: יציאת $\ce{H2O}$ ויצירת קרבוקטיון
3. אפשרות לשחלוף: אם אפשרי, קרבוקטיון משתכלל ליציב יותר
4. שלב אחרון:
   • תוצר משני: קטיפת פרוטון ישירות (ללא שחלוף)
   • תוצר עיקרי: אחרי שחלוף, קטיפת פרוטון לקבלת האלקן היציב ביותר

הערה חשובה: בנוכחות חומצה בדרך כלל מקבלים תגובת אלימינציה (E1) ולא התמרה ($\mathrm{S_N1}$), כי המים שנוצרים משמשים כבסיס לקטיפת הפרוטון.

סיכום E1 לעומת E2

השוואה מקיפה

תרגול - פתרון שאלות מבחן

זיהוי תגובה ותוצר

---

זיהוי תגובה ותוצר

נתון: פחמן שלישוני + בסיס חזק גדול ונפחי

פתרון:

1. פחמן שלישוני ← $\mathrm{S_N2}$ לא אפשרי
2. בסיס חזק גדול ונפחי ← E2 עם כלל הופמן
3. התוצר: הקשר הכפול הפחות מותמר

B התשובה הנכונה.

משוואת קצב

לאיזה סוג תגובה שייכת משוואת הקצב הבאה:

\[\text{Rate = k[RX][Nu:]}\]

• SN1
• SN2
• E1
• E2
• SN1 and E1
• SN2 and E2

---

זיהוי מנגנון

---

שלישוני

פחמן שלישוני עם בסיס חזק ($\ce{NH2-}$) - תגובת E2.

---

פחמן שניוי עם $\ce{Br-}$

$\ce{Br-}$ הוא נוקלאופיל חזק, אבל לא בסיס חזק. לכן התגובה היא $\mathrm{S_N2}$.

• $\ce{Br-}$ נוקלאופיל חזק כי הוא יון גדול

בנוסף, התגובה מתרחשב עם ממס של אצטון (פולרי אפרוטי), שמעדיף נוקלאופילים חזקים.

הקבוצה העוזבת כאן היא $\ce{OTs}$ (טוסילט), שהיא קבוצה עוזבת טובה.

הפחמן כיראלי ולכן יהיה היפוך קונפיגורציה (inversion of configuration): אם התחלנו אם $\ce{S}$, התוצר יהיה $\ce{R}$ ולהפך.

---

פחמן שניוני + בסיס חזק

התגובה מתרחשב עם $\ce{NaOCH2CH3}$, שהוא בסיס חזק (אלקוקסיד) -> E2.

מצד ימין אין פחמן שיכול להיקטף, ולכן ייקטף דווקא הפחמן הפחות מועדוף (הפחות מותמר).

---

ראשוני עם $\ce{NaOCH3}$

\[\ce{CH3CH2CH2CH2CH2Cl ->[NaOCH3][in methanol, room temp] ?}\]

התגובה מתרחשת עם $\ce{NaOCH3}$, שהוא בסיס חזק. מכיוון שהפחמן הוא ראשוני, התגובה תהיה $\mathrm{S_N2}$.

הפחמן לא כיראלי ולכן אין להיפוך משמעות.

אנטי-פריפלנרי בטבעות ציקלוהקסן

עיקרון חשוב: בטבעת ציקלוהקסן, E2 דורש שהמימן והקבוצה העוזבת יהיו די-אקסיאליים

דוגמה:

• אם $\ce{Br}$ אקסיאלי למטה
• המימן שיקטף חייב להיות אקסיאלי למעלה (בפחמן β)
• אם אין מימן כזה באותו צד - יקטף מימן מצד אחר

התשובה היא B.

בחירת בסיס מתאים ל-E2

מהו הריאגנט שמתאים לתגובה הבאה?

כדי לקבל את הקשר הכפול הפחות מותמר, צריך:

• לזהות שזו תגובת E2 (מהתוצר)
• לבחור בסיס חזק גדול ונפחי
• לדוגמה: $\ce{(CH3)3CO-}$ (tert-butoxide)

התשובה הנכונה היא D.

השוואת חוזק בסיסים

מהחומרים הבאים, מיהו הבסיס החלש ביותר?

סדר חוזק בסיסים (מהחלש לחזק):

1. הכי חלש: $\ce{S-}$ (יציב עם מטען שלילי - יון גדול)
2. $\ce{O-}$ (יותר אלקטרושלילי מ-N אבל פחות מ-S)
3. $\ce{N-}$
4. הכי חזק: $\ce{C-}$ sp³ (הכי פחות יציב עם מטען שלילי)

כללים:

• לאורך שורה: אלקטרושליליות קובעת (O > N > C)
• לאורך טור: גודל היון קובע (S > O)

השפעת הממס על $\mathrm{S_N2}$

התגובה הרשומה מטה תהיה הכי מהירה כאשר הנוקלואיפיל, Nu יהיה…

ממס DMF (דימתילפורמאמיד):

• כתוב ״נוקלאופיל״ אז אפשר לזהות שמדובר ב$\mathrm{S_N1}$ או $\mathrm{S_N2}$
• הפחמן שניוני - יכול גם $\mathrm{S_N2}$ וגם $\mathrm{S_N1}$
• ממס פולרי אפרוטי (DMF) - אין קשרים בין מימן לבין N או F
• בתגובת $\mathrm{S_N2}$ נוקלאופיל חזק מתחל לשני חלקים:
  • בסיס חזק מנצח - כאשר הממס הוא פולרי אפרוטי
  • יון גדול מנצח - כאשר הממס הוא פולרי פרוטי
• מעודד תגובות $\mathrm{S_N2}$
• הנוקלאופיל הטוב ביותר בממס אפרוטי: היון הבסיסי יותר. פלואור הוא הבסיס החזק ביותר מבין האפשרויות, ככל שיורדים בטור, חוזק הבסיס יורד.

התשובה: $\ce{F-}$ (הכי ריאקטיבי בממס אפרוטי)

השפעת הממס על תגובות $\mathrm{S_N2}$

ממס DMF (דימתילפורמאמיד)

שאלה: מהו הנוקלאופיל הטוב ביותר לתגובת $\mathrm{S_N2}$ בממס DMF?

זיהוי סוג הממס

1. בחינת המבנה של DMF:
   • יש לבדוק האם קיים קשר קוולנטי בין N או F למימן
   • ב-DMF אין קשר כזה
   • מסקנה: DMF הוא ממס פולרי אפרוטי
2. הבנת קשרי מימן:
   • קשר מימן נוצר בין מולקולות כאשר:
     • במולקולה אחת: H קשור קוולנטית ל-N, O, או F
     • במולקולה שנייה: N, O, או F עם זוג אלקטרונים חופשי
   • DMF לא יכול ליצור קשרי מימן בין מולקולותיו

בחירת הנוקלאופיל

בממס פולרי אפרוטי:

• בסיס חזק מנצח על פני יון גדול
• סדר החוזק הבסיסי: $\ce{F- > Cl- > Br- > I-}$
• תשובה: $\ce{F-}$ הוא הנוקלאופיל הטוב ביותר

הסבר: בממס אפרוטי, היונים הקטנים (בסיסים חזקים) לא מסולבטים היטב ולכן ריאקטיביים יותר.

הערות חשובות לפתרון שאלות

1. תמיד לזהות קודם את סוג התגובה לפני בחירת תשובה
2. לבדוק את כל התנאים:
   • סוג הפחמן (ראשוני/שניוני/שלישוני)
   • חוזק הבסיס/נוקלאופיל
   • גודל ונפחיות
   • דרישות גיאומטריות
3. בתגובות E2 בטבעות: תמיד לבדוק אנטי-פריפלנרי
4. זכרו: E1 תמיד נותן את הקשר הכפול היותר מותמר
5. חימום: מעודד אלימינציה על פני התמרה

תרגול מתקדם - שאלות מבחן

תגובת E2 עם דרישה גיאומטרית

נתון: פחמן שלישוני עם בסיס חזק

זיהוי התגובה:

• פחמן שלישוני + בסיס חזק ← E2

הקבוצה העוזבת היא הטוזילט (TsO), שהיא קבוצה עוזבת טובה. מסתכלים על הפחמן שמחובר אליה - הוא שלישוני, ולכן התגובה היא E2.

הפחמן הרלוונטי הוא זה שמאוחרה בהיטל ניומן.

הדרישות ל-E2:

1. בסיס חזק ✓
2. המימן שנקטף והקבוצה העוזבת צריכים להיות במצב אנטי-סטאגארד (anti-staggered)

   בציקלוהקסאן (טבעת) המימן שנקטף והקבוצה העוזבת צריכים להיות אקסיאלים (⇅)

המצב הנתון בשאלה:

         TsO    CH3
            \   /
              ◯ <— back c
            / |
isopropyl /  Ethyl
      | /
      ●  <— FRONT C
    /   \
 H       CH3

זה לא אנטי-סטגרד, כי ה-H וה-TsO לא נמצאים במצב אנטי-פריפלנרי. צריך לסובב את הפחמן הקדמי כך שה-H יהיה אנטי לקבוצה העוזבת:

         TsO    CH3
            \   /
              ◯ <— back c
            / |
    CH3   /  Ethyl
      | /
      ●  <— FRONT C
    /   \
isopropyl H

בשלב הבא המימנים והקבוצה העוזבת נעלמים:

                CH3
                /
              ◯
            / |
    CH3   /  Ethyl
      | /
      ●
    /
isopropyl

Front:

      /
    =C
      \ _
       |

נוצר קשר כפול בין הפחמן האחורי לפחמן הקדמי. צריך לזהות מי אנטי לאיזופרופיל כעת - זה המתיל ($\ce{CH3}$) שנמצא בצד השני של הקשר הכפול (בפחמן האחורי). באופן דומה, מי שאנטי למתיל הקדמי (שלמעלה) הוא האתיל מאחורה.

 \    /
  c==C
_/    \ _
       |

התשובה הסופית היא B.

פתרון באמצעות הטלת ניומן:

1. ציור הטלת ניומן עם הקבוצה העוזבת
2. סיבוב הפחמן הקדמי כך שה-H יהיה אנטי לקבוצה העוזבת
3. ביצוע האלימינציה
4. ציור התוצר הסופי

טיפ: קל יותר לסובב בהטלת ניומן מאשר לסובב בייצוג תלת-ממדי

השוואת ריאקטיביות ב-$\mathrm{S_N1}$

מי מבין הסוּבְּסְטְרָטים הבאים יגיב הכי מהר בתגובה $\mathrm{S_N1}$?

עיקרון: בתגובת $\mathrm{S_N1}$, מהירות התגובה תלויה ביציבות הקרבוקטיון

סדר הריאקטיביות:

1. הכי ריאקטיבי: קרבוקטיון שלישוני עם רזוננס
2. קרבוקטיון שלישוני רגיל
3. קרבוקטיון שניוני עם רזוננס
4. קרבוקטיון שניוני רגיל
5. הכי פחות ריאקטיבי: קרבוקטיון ראשוני (לא קיים במציאות)

חשוב: רזוננס אפשרי רק כאשר יש פחמן $sp^2$ צמוד לקרבוקטיון

התשובה היא B - קרבוקטיון שלישוני עם רזוננס.

תגובת דהידרציה עם חומצה זרחתית

מי יהיה התוצר העיקרי בתגובה הבאה?

מנגנון (עם $\ce{H3PO4}$):

1. פרוטונציה:

   \[\ce{R-OH + H+ -> R-OH2+}\]

2. יציאת מים ויצירת קרבוקטיון:

   \[\ce{R-OH2+ -> R+ + H2O}\]
3. שחלוף (אם אפשרי):
   • העברת H או מתיל לקבלת קרבוקטיון יציב יותר
4. אלימינציה:
   • קטיפת פרוטון β על ידי המים
   • יצירת הקשר הכפול היציב ביותר (כלל זייצב)

התשובה היא 3.

כללים חשובים לפתרון שאלות

סדר העבודה המומלץ

1. זיהוי התגובה:
   • התמרה או אלימינציה?
   • אם התמרה: $\mathrm{S_N1}$ או $\mathrm{S_N2}$?
   • אם אלימינציה: E1 או E2?
2. בדיקת התנאים:
   • סוג הפחמן
   • חוזק הבסיס/נוקלאופיל
   • דרישות גיאומטריות
3. ציור התוצר:
   • לעבוד בצד ורק אז להשוות לתשובות
   • להיזהר מתשובות מבלבלות

טיפים חשובים

• אל תסתכלו על התשובות לפני שפתרתם
• בתגובות E2: תמיד בדקו אנטי-פריפלנרי
• בקרבוקטיונים: תמיד בדקו אפשרות שחלוף
• בטבעות: ציירו בקונפורמציית כיסא או השתמשו בהטלת ניומן

הבחנה בין סוגי ממסים

ממס פרוטי

• הגדרה: יכול ליצור קשרי מימן
• דוגמאות: מים, מתנול, אתנול
• השפעה: מייצב אניונים קטנים ← נוקלאופילים גדולים טובים יותר

ממס אפרוטי פולרי

• הגדרה: פולרי אך לא יכול ליצור קשרי מימן
• דוגמאות: DMF, DMSO, אצטון
• השפעה: לא מייצב אניונים ← נוקלאופילים קטנים (בסיסים חזקים) טובים יותר

סיכום התגובות - זיהוי מהיר