הקדמה ופתיחת השיעור

הערות כלליות

  • חשוב מאוד להגיע להרצאות ולתרגולים בכימיה אורגנית
  • סיוון היא המתרגלת (לא מרצה) - התרגולים מיועדים לתרגול החומר שנלמד בהרצאה
  • ההצלחה במבחן תלויה בכמות התרגילים שתעשו

חזרה על החומר הקודם

  • נלמדו תגובות התמרה SN1 ו-SN2
  • תגובות אלימינציה מתחרות בתגובות התמרה:
    • במקום נוקלאופיל - יש בסיס
    • E2 מתחרה ב-SN2
    • E1 מתחרה ב-SN1

תגובת אלימינציה E2

מאפיינים עיקריים

  • מנגנון: תגובה חד-שלבית (בו-זמנית)
  • הבסיס: קוטף פרוטון מעמדה β
  • התוצר: נוצר 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: $\ce{I-}$, $\ce{Br-}$, $\ce{Cl-}$)
  4. בסיס חלש, נוקלאופיל חלש (דוגמאות: $\ce{H2O}$, $\ce{CH3OH}$, $\ce{CH3CH2OH}$)

התנהגות לפי סוג הפחמן

פחמן מתילי ($\ce{CH3-X}$)

  • תגובה יחידה אפשרית: SN2
  • אין אפשרות ל-SN1 (פחמן ראשוני)
  • אין אפשרות לאלימינציה (אין מימני β)

פחמן ראשוני

  • SN1: לא אפשרי
  • E2: לא אפשרי (בדרך כלל)
  • התחרות בין SN2 ו-E2:
    • בסיס חזק, נוקלאופיל חזק ← SN2 (מהיר יותר)
    • בסיס חזק, נוקלאופיל חזק, גדול ונפחי ← E2
    • בסיס חלש, נוקלאופיל חזק ← SN2
    • בסיס חלש, נוקלאופיל חלש ← SN2 איטי

פחמן שניוני

  • התחרות בין כל ארבע התגובות:
    • בסיס חזק, נוקלאופיל חזק ← E2 (מותמר יותר)
    • בסיס חזק, נוקלאופיל חזק, גדול ונפחי ← E2
    • בסיס חלש, נוקלאופיל חזק ← SN2
    • בסיס חלש, נוקלאופיל חלש ← SN1/E1

פחמן שלישוני

  • SN2: לא אפשרי (הפרעה סטרית)
  • התחרות בין E2, SN1, ו-E1:
    • בסיס חזק, נוקלאופיל חזק ← E2
    • בסיס חזק, נוקלאופיל חזק, גדול ונפחי ← E2
    • בסיס חלש, נוקלאופיל חזק ← SN1
    • בסיס חלש, נוקלאופיל חלש ← SN1/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-SN1)
  • קבוצה עוזבת: טובה (יציבה עם מטען שלילי)
  • בסיס: גם בסיסים חלשים מתאימים
  • אפשרות לשיכלולים (כמו ב-SN1)

הבחנה בין SN1 ל-E1

כאשר יש אפשרות לשתי התגובות:

  • עם חימום ($\Delta$ או “heat”): E1 מועדף
  • ללא חימום: SN1 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 $\ce{Br-}$):

  • SN1 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 התחרות

כלל חשוב: חימום מעודד תגובת E1

  • עם חימום: E1 יהיה התוצר העיקרי
  • ללא חימום: SN1 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 SN1 נוצרים פחות תוצרים:
    • קבוצה עוזבת + תוצר ההתמרה
  • חימום מגדיל את החשיבות של האנטרופיה ($T\Delta S$)

תגובת דהידרציה (Dehydration)

הבעיה עם OH כקבוצה עוזבת

  • $\ce{OH-}$ היא קבוצה עוזבת גרועה
  • הסיבה: לא מספיק יציבה עם מטען שלילי
  • $\ce{OH-}$ הוא בסיס מעולה ונוקלאופיל מעולה, אבל קבוצה עוזבת גרועה

פתרון: הפיכת OH לקבוצה עוזבת טובה

באמצעות חומצה 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 SN1

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 לשיכלול: אם אפשרי, קרבוקטיון משתכלל ליציב יותר
  4. שלב אחרון:
    • תוצר משני: קטיפת פרוטון ישירות (ללא שיכלול)
    • תוצר עיקרי: אחרי שיכלול, קטיפת פרוטון לקבלת האלקן היציב ביותר

הערה חשובה: בדרך כלל בנוכחות חומצה מקבלים תגובת אלימינציה (E1) ולא התמרה (SN1), כי המים שנוצרים משמשים כבסיס לקטיפת הפרוטון.

סיכום E1 לעומת E2

השוואה מקיפה

תכונה E1 E2
העדפת פחמן שלישוני שלישוני (אבל גם שניוני אפשרי)
בסיס חלש חזק
קצב התגובה תלוי רק בסובסטרט תלוי בסובסטרט ובבסיס
דרישה גיאומטרית אין אנטי-פריפלנרי (די-אקסיאלי בטבעות)
מנגנון דו-שלבי חד-שלבי
תוצרים תערובת איזומרים גיאומטריים איזומר אחד ספציפי

תרגול - פתרון שאלות מבחן

שאלה 1: זיהוי תגובה ותוצר

alt text

נתון: פחמן שלישוני + בסיס חזק גדול ונפחי

פתרון:

  1. פחמן שלישוני ← SN2 לא אפשרי
  2. בסיס חזק גדול ונפחי ← E2 עם כלל הופמן
  3. התוצר: הקשר הכפול הפחות מותמר

B התשובה הנכונה.

שאלה 2: אנטי-פריפלנרי בטבעות ציקלוהקסן

alt text

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

שאלה 3: בחירת בסיס מתאים ל-E2

alt text

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.

שאלה 4: השוואת חוזק בסיסים

alt text

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)

שאלה 5: השפעת הממס על SN2

alt text

ממס DMF (דימתילפורמאמיד):

  • ממס אפרוטי פולרי
  • מעודד תגובות SN2
  • הנוקלאופיל הטוב ביותר בממס אפרוטי: היון הקטן ביותר

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

השפעת הממס על תגובות SN2

ממס DMF (דימתילפורמאמיד)

שאלה: מהו הנוקלאופיל הטוב ביותר לתגובת SN2 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.

תרגול מתקדם - שאלות מבחן

שאלה 1: תגובת E2 עם דרישה גיאומטרית

alt text

נתון: פחמן שלישוני עם בסיס חזק

זיהוי התגובה:

  • פחמן שלישוני + בסיס חזק ← E2

הדרישות ל-E2:

  1. בסיס חזק ✓
  2. מצב אנטי-פריפלנרי בין H והקבוצה העוזבת

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

שאלה 2: השוואת ריאקטיביות ב-SN1

alt text

עיקרון: בתגובת SN1, 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

שאלה 3: תגובת דהידרציה עם חומצה זרחתית

alt text

מנגנון (עם $\ce{H3PO4}$):

  1. פרוטונציה:

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

  2. יציאת מים ויצירת קרבוקטיון:

    \[\ce{R-OH2+ -> R+ + H2O}\]
  3. שיכלול (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)

כללים חשובים לפתרון שאלות

סדר העבודה המומלץ

  1. זיהוי התגובה:
    • התמרה או אלימינציה?
    • אם התמרה: SN1 או SN2?
    • 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 לשיכלול
  • 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

סימן מזהה סוג התגובה
קשר כפול בתוצר אלימינציה (E1/E2)
החלפת קבוצה התמרה (SN1/SN2)
פחמן שלישוני SN1 או E2 (לא SN2!)
בסיס חזק E2 או SN2
בסיס חלש E1 או SN1
חימום מעדיף אלימינציה

הערות לסיום

  • תגובות התמרה ואלימינציה הן הבסיס לכל הכימיה האורגנית
  • הבנת המנגנונים חשובה יותר מלימוד בעל פה
  • יש לתרגל הרבה כדי להצליח במבחן
  • במבחן - לעבוד שיטתית ולא למהר לתשובות
דור פסקל
חזור לשיעור הקודם
המשך לסיכום הבא