Номер 323, страница 76 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.323. Расположите следующие галогеналканы в порядке увеличения скорости реакции с цианидом натрия: бромэтан, 2-бромпропан, 1-бромпропан, бромметан, подметан, 2-бром-2-метилпропан. Ответ обоснуйте.

Реакция галогеналканов с цианидом натрия является реакцией нуклеофильного замещения, в которой цианид-ион ($CN^−$) выступает в роли нуклеофила, а атом галогена — в роли уходящей группы. Поскольку цианид-ион является сильным нуклеофилом, для первичных и вторичных галогеналканов реакция протекает преимущественно по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения ($S_N2$).

Скорость реакции $S_N2$ зависит от двух основных факторов:

1. Стерические препятствия (пространственные затруднения) у атома углерода, связанного с галогеном. Чем меньше объёмные заместители у этого атома углерода, тем легче нуклеофилу атаковать его с тыльной стороны и тем выше скорость реакции. По этому фактору реакционная способность галогеналканов уменьшается в ряду: метилгалогенид > первичный > вторичный >> третичный. Третичные галогеналканы практически не вступают в реакции $S_N2$ из-за больших стерических препятствий.

2. Природа уходящей группы. Чем слабее основность уходящей группы (то есть чем более сильной кислоте она является сопряженным основанием), тем легче она отщепляется и тем быстрее протекает реакция. Для галогенов способность быть уходящей группой улучшается в ряду: $I^− > Br^− > Cl^− > F^−$. Это связано с увеличением прочности связи C-галоген и основности галогенид-иона в обратном порядке.

Проанализируем данные соединения с учётом этих факторов:

• 2-Бром-2-метилпропан ($(CH_3)_3CBr$) — третичный галогеналкан. Атом углерода, связанный с бромом, окружен тремя метильными группами, что создает максимальные стерические препятствия для атаки нуклеофила. Поэтому он будет реагировать медленнее всех в условиях реакции $S_N2$ (или будет вступать в реакцию элиминирования E2).
• 2-Бромпропан ($(CH_3)_2CHBr$) — вторичный галогеналкан. Он имеет два алкильных заместителя у реакционного центра, что создает значительные стерические затруднения, но меньшие, чем у третичного. Его скорость реакции будет ниже, чем у первичных галогеналканов.
• 1-Бромпропан ($CH_3CH_2CH_2Br$) — первичный галогеналкан. Стерические препятствия, создаваемые н-пропильной группой, больше, чем у этильной группы.
• Бромэтан ($CH_3CH_2Br$) — первичный галогеналкан. Этильная группа создает меньшие стерические препятствия, чем н-пропильная группа в 1-бромпропане, поэтому бромэтан будет реагировать быстрее.
• Бромметан ($CH_3Br$) — метилгалогенид. Имеет наименьшие стерические препятствия среди всех представленных бромалканов, поэтому будет реагировать быстрее всех них.
• Иодметан ($CH_3I$) — метилгалогенид, как и бромметан, имеет минимальные стерические препятствия. Однако иодид-ион ($I^−$) является лучшей уходящей группой, чем бромид-ион ($Br^−$), так как связь $C−I$ слабее связи $C−Br$. Следовательно, иодметан будет самым реакционноспособным соединением в данном ряду.

Таким образом, располагая данные галогеналканы в порядке увеличения скорости их реакции с цианидом натрия, мы получаем следующий ряд: от самого медленного (третичный) к самому быстрому (метилгалогенид с лучшей уходящей группой).

Ответ: 2-бром-2-метилпропан < 2-бромпропан < 1-бромпропан < бромэтан < бромметан < иодметан.