z organické chemie II

Transkript

1 MSRYKV UIVERZIT Přírodovědecká fakulta Příklady ke Speciálnímu semináři z organické chemie II Jaromír Literák no 11. listopadu 2013

2 2

3 bsah 1. alogenderiváty, alifatická nukleofilní substituce 6 Příklady Řešení příkladů Eliminační reakce 23 Příklady Řešení příkladů koholy, fenoly, ethery 40 Příklady Řešení příkladů Sloučeniny síry a fosforu 54 Příklady Řešení příkladů Dusíkaté sloučeniny 64 Příklady Řešení příkladů rganokovové sloučeniny 82 Příklady Řešení příkladů Chemie karbonylových sloučenin 94 Příklady Řešení příkladů

4 4 S 8. Karboxylové kyseliny a jejich funkční deriváty 128 Příklady Řešení příkladů pakování 152 Příklady Řešení příkladů omolytické disociační energie vazeb 159 Kyselost vybraných organických sloučenin 160 Použitá literatura 162

5 Každá kniha je lineární skladbou, ve které plyne text jediným proudem. aproti tomu je organická chemie soustavou souvislostí, které na sebe nenavazují jen lineárně, nýbrž které se větví a protínají. Skoro každá jednotlivost je zakotvena současně v několika souvislostech. Je spíše uzlem různých souvislostí než článkem jednoho řetězu vztahů. tto Wichterle: rganická chemie, akladatelství ČSV, Praha, 1955.

6 6 1. alogenderiváty, alifatická nukleofilní substituce Mechanismy alifatické nukleofilní substituce S 1 a S 2 byly navrženy ve třicátých letech 20. století angličany E. D. ughesem a C. Ingoldem. S 2 v = k [u] [R-X] Chirální substrát R 1 u X R 2 R 3 nukleofil substrát pomalu u R 1 R 3 R 2 X inverze konfigurace S 1 v = k [R-X] R 1 R 2 R 3 X pomalu - X R 3 R 3 R 2 u rychle R 2 R 1 R 3 u racemizace (nemusí být úplná) Mechanismy S 1 i S 2 často probíhají současně, může být ale řádový rozdíl v rychlostech: Rychlost reakce (log k) S 2 S 1 C 3 C C 3 C C 3 C 3 C 3 C C 3 C Převažující mechanismus nukleofilní substituce můžeme odhadnout ze struktury substrátu.

7 7 Typ substrátu S 1 S 2 Methyl C 3 X ne velmi dobře Prim. alkyl RC 2 X ne dobře Sek. alkyl R 2 C X ano ano Terc. alkyl R 3 C X velmi dobře ne llyl C 2 =C C 2 X ano dobře enzyl rc 2 X ano dobře α-karbonyl RCC 2 X ne výborně α-lkoxy RC 2 X výborně dobře α-mino R 2 C 2 X výborně dobře dstupující skupina (nukleofug) Jedná se zpravidla o konjugovanou bázi silné kyseliny: X =,, I, R S, R S, R P, R, 2, 2 R bvykle platí, že kvalita odstupující skupiny roste s rostoucí kyselostí její konjugované kyseliny. apříklad pro reaktivitu halogenidů jako odstupujících skupin platí následující pořadí: I > > F Vliv rozpouštědla na nukleofilní substituce V kroku určujícím rychlost monomolekulární nukleofilní substituce vzniká pár iontů, tranzitní stav je polárnější než výchozí látky, rychlost reakce budou tedy zvyšovat (aktivační energii snižovat) polární protická rozpouštědla, jež mohou účinně solvatovat současně kation i anion (alkoholy, kyselina mravenčí). aopak tranzitní stav reakce probíhající mechanismem S 2 je méně polární než výchozí látky nebo produkty, proto jsou pro tyto reakce užívána méně polární rozpouštědla, stále však schopná rozpouštět soli, v nichž vystupuje nukleofil jako aniont. Zvláště vhodná jsou polární aprotická rozpouštědla, jejichž polární molekuly velice dobře solvatují kationty solí, ale tvoří mnohem volnější solvatační vrstvu kolem nukleofilního aniontu, jenž předsavuje zábranu průběhu reakce. Příkladem oblíbených polárních aprotických rozpouštědel užívaných pro nukleofilní substituce jsou ketony (aceton, butanon), dimethylsulfoxid (DMS),, -dimethylformamid (DMF), acetonitril (ethannitril), hexamethylfosforamid (MP). V případě acetonu představuje záporněji nabitou část molekuly atom kyslíku, jenž není výrazně sterický stíněn a může proto dobře solvatovat anionty.

8 8 aopak kladnější část dipólu molekuly je, podobně jako dalších vyjmenovaných rozpouštědel, stíněna alkylovými skupinami, solvatace aniontu není proto dobrá. a Vliv solvatace na nukleofilitu (a tím i rychlost S 2) může demonstrovat řada halogenidových aniontů. V aprotických rozpouštědlech klesá nukleofilita halogenidových aniontů v tomto pořadí: F > > > I Pořadí je opačné v polárních protických rospouštědlech, kde malý nabitý anion vytváří kolem sebe pevný solvatační obal, naopak vrstva rozpouštědla kolem objemného aniontu je relativně volná. Reaktivita nukleofilu ukleofil může vystupovat také jako báze, neexistuje však obecná korelace mezi bazicitou (pozicí acidobazické rovnováhy vyjádřenou pomocí pka), a nukleofilitou (rychlostí nukleofilní substituce s definovaným substrátem). Korelace existuje jen v řadě nukleofilů, jež mají stejný nukleofilní atom. ásledující tabulka umožňuje vzájemné srovnání bazicity a nukleofility různých částic. ukleofilita je v tomto případě vyjádřena pomocí rychlosti reakce daného nukleofilu s jodmethanem v methanolu, kdy k 0 = k C3. ukleofil k/k 0 pka konjugované kyseliny C 3 1,0 1,7 F 5, ,45 C 3 C 2, ,8 2, ,7 3 3, ,25 3 6, ,74 Ph 6, ,89 6, ,7 C 3 2, ,7 I

9 9 ukleofil k/k 0 pka konjugované kyseliny Et 3 5, ,70 C 5, ,3 I 2, ,7 PhS 7, ,5 ukleofilita různých heteroatomů klesá v tomto pořadí: R-Se > R-S > R- R 3 P > R 3 plikace S na nukleofilní substituce S Převažující interakcí tvrdé kyseliny a tvrdé báze je elektrostatické přitahování, kovalentní vazba se uplatňuje málo, protože příslušné orbitaly jsou si energeticky vzdálené. Ve vazbě mezi měkkou kyselinou a měkkou bází převažuje kovalentní vazba. Při S 2 je směr ataku nukleofilu dán stabilizující interakcí elektronového páru nukleofilu s protivazebným σ orbitalem vazby C X. Elektrofil (substrát nukleofilní substituce) se chová spíše jako měkká kyselina, reakce je součinná, velkou roli zde hraje překryv orbitalů. u X u σ* Při S 1 se elektrofil chová spíše jako tvrdá kyselina, při reakci dochází k separaci nábojů a s nukleofilem reaguje částice nesoucí plný kladný náboj. ásledující tabulka zachycuje srovnání důležitých vlastností měkkých a tvrdých bazí (nukleofilů): Tvrdé báze (nukleofily) Měkké báze (nukleofily) Velikost Malé Velké áboj abité ez náboje azicita azické Málo bazické (X je slabou kyselinou) (X je silnou kyselinou) Energie M o nízké energii M o vysoké energii M (elektronegativní atom) (elektropozitivní prvky) Preferovaný Spíše atakuji tvrdší elektrofily takují přednostně nasycené elektrofil (např. atom uhlíku C=) atomy uhlíku (sp 3 ) Příklad R 2 C 3 Li R S I R 3 P

10 10 Příklady: 1. omethan lze připravit zahříváním ethanolu s kyselinou bromovodíkovou dochází k nahrazení - skupiny za brom mechanismem S 2. Lze jej ale také připravit reakcí ethanolu s bromidem draselným? Vysvětlete! C 3 C 2 T C 3 C 2 2 C 3 C 2 K T? 2. ásledující grafy zachycují závislost rychlosti nukleofilní substituce na koncentraci substrátu a nukleofilu. Která závislost indikuje monomolekulární a která bimolekulární mechanismus reakce? R X u R u X v [u ] = konst. v [R-X] = konst. a) [R-X] [u ] v [u ] = konst. v [R-X] = konst. b) [R-X] [u ] 3. Doplňte produkty následujících reakcí! a) b) 3 C S C 3 S 3 C C 3 I

11 11 c) d) a 3 C 3 C 2 3 e) C 3 ac f) C 3 I C 3 4. alogenderiváty anorganických kyselin (PX 3, PX 3, PX 5, S 2 2, S 2, C 2 ) se často používají k přeměně alkoholů na halogenderiváty. apište mechanismus první reakce a doplňte produkty ostatních reakcí včetně jejich stereochemie! P 3 3 C C 3 S 2 S 2 pyridin 5. Co vznikne reakcí následujících etherů s I? a) b) C 3 I T 3 C C 3 I T 6. Proč jsou polární aprotická rozpouštědla vhodná jako prostředí pro S 2? Jak se liší solvatace ai v ethanolu a v acetonu? Proč polární protická rozpouštědla (alkoholy) urychlují S 1? 7. Doplňte produkty reakcí, kterými lze připravit halogenderiváty! a) b) C 3 hν 2 3 C C 3 Ph Ph 2

12 12 c) d) hν 2 S 2 e) 3 C ai aceton 8. avrhněte mechanismus následujících reakcí! a) 3 C a -a 3 C b) I 2 C 3 -I I C 3 9. Doplňte rovnice! a) b) S S? S S a 2 S? 10. Reakce S 1 vykazují obecně malou selektivitu vůči nukleofilům (pokud je v reakční směsi přítomno více nukleofilů, substrát s nimi reaguje téměř stejně rychle bez ohledu na to, zda jsou silnými nebo slabými nukleofily). Pokud reaguje 1-chlorbutan v 0,01M roztoku ac v ethanolu, vzniká výhradně pentannitril, kdežto za stejných podmínek z 2-chlor-2- -methylpropanu vzniká ethyl(terc-butyl)ether. Vysvětlete! 3 C 0,01 M ac Et 3 C C 3 C C 3 C 3 0,01 M ac C 3 C C C 2 C 3 Et C 3 C 3

13 Pokud je v molekule substrátu přítomná nukleofilní skupina, může nukleofilní substituce probíhat za spoluúčasti této skupiny. Příkladem je hydrolýza opticky aktivní 2-brompropanové kyseliny v bazickém prostředí za vzniku enantiomerů kyseliny mléčné. V koncentrovaném roztoku hydroxidu reakce probíhá s inverzí konfigurace (převažuje mechanismus a), ve zředěném roztoku hydroxidu převažuje produkt se stejnou konfigurací jako výchozí látka (mechanismus b). a schématu jsou rovněž uvedeny kinetické rovnice, kterými se řídí oba mechanismy. Druhý mechanismus zahrnuje dvě následné S 2 reakce, proč ale celková rychlost nezávisí na koncentraci? Vysvětlete závislost výsledku reakce na koncentraci! a) v = k 1 [R-] [ - ] C 3 C C 3 C C C 3 1 x S 2 = inverze konfigurace b) v = k 2 [R-] 3 C C 3 C 3 C 2 x S 2 = retence konfigurace 12. Reakce S 2 mnoha alkyl bromidů a chloridů jsou katalyzovány přídavkem jodidu sodného nebo draselného. apříklad hydrolýza brommethanu se podstatně urychlí v přítomnosti katalytického množství jodidu sodného. Vysvětlete! 13. akreslete hlavní produkty reakcí následujících ambidentních nukleofilů! C KC C 3 C 2 I gc C 3 C 2 I

14 14 2 a 2 R- g 2 R- Enoláty C 3 C 3 -I 14. dhadněte hlavní produkt alkylace (methylace) thioacetátu! 3 C S C 3 C 3 S 2 3 C 3 C S S C 3 S 2 3 C S C 3 E σ* orbitaly C 3 - volný el. pár na S volný el. pár na σ 15. Dichlormethan je velmi oblíbené organické rozpouštědlo je nemísitelný s vodou, výborně rozpouští celou řadu organických látek, je snadno odstranitelný ze směsi destilací (b.v. = 39,6 C) a ve srovnání s chloroformem (trichlormethanem) a tetrachlormethanem je nejméně toxický. V celé řadě aplikací je dichlormethan užíván ve směsi s pyridinem, který zde slouží jako báze nebo nukleofil. Jako příklad může sloužit příprava esterů kyselin reakcí halogenidu kyseliny s alkoholem v přítomnosti báze. 3 C S R C 2 3 C S 2 R Dlouho se předpokládalo, že za laboratorní teploty tyto látky spolu nereagují, až v roce 2010 bylo zjištěno, že dichlormethan s pyridinem za těchto podmínek reaguje znatelnou rychlostí, což vede ke vzniku nežádoucích vedlejších produktů. S jednou molekulou C 2 2 mohou reagovat až dvě molekuly pyridinu. Pokuste se popsat tuto reakci chemickou rovnicí!

15 15 utorské řešení příkladů: 1. elze. V nepřítomnosti kyseliny by mechanismus nukleofilní substituce vyžadoval, aby odstupující skupinou byl hydroxidový anion, což je velice špatná odstupující skupina (pka konjugované kyseliny je 15,74). 3 C 3 C lkoholy jsou podobně jako voda schopny protonace atomu kyslíku, proto se v přítomnosti kyseliny bromovodíkové ustaví acidobazická rovnováha, která je podobně jako u vody posunuta ve prospěch oxonia a bromidového anionu: 3 C 3 C Pokud protonovanou formu alkoholu nukleofině napadne bromidový anion, odstupující skupinou je voda, mnohem lepší odstupující skupina než (pka konjugované kyseliny je 1,74). 3 C 3 C 2 2. a) Příklad S 1 reakce, rychlost reakce závisí pouze na koncentraci substrátu. b) Příklad S 2 reakce, rychlost reakce závisí lineárně na koncentraci nukleofilu i substrátu. 3. Řešení: a) 3 C S C 3 S 3 C S 3 C S

16 16 b) 3 C C 3 I 3 C C 3 I c) 3 a 3 -a 3 d) C 3 C 2 3 C 3 C 2 2 (C 3 C 2 ) 2 (C 3 C 2 ) 3 (C 3 C 2 ) 4 e) C 3 ac C C 3 a C 3 C 3 f) C 3 I C 3 I 4. Řešení: C 3 P 3 3 C 3 P 3 3 C C 3 S 2 3 C 3 C C 3 2 C 3 S 2 S 2 pyridin 3 C C 3 S2 R P R P R - P R 2 R -2 P R R

17 17 3 C C 3 C 3 P R S 3 C 2 R R P R kde R = 3 C C 3 Při reakci S 2 s alkoholem vzniká v prvním kroku ester kyseliny chlorsiřičité, jeho další přeměna závisí na podmínkách. Pokud je v reakční směsi zvýšená koncentrace, napřílad v důsledku reakce vznikajícího s pyridinem, produkt vzniká z velké části klasickou S 2 reakcí s inverzí konfigurace. V případě nízké koncentrace, vzniká většina produktu intramolekulární reakcí, při které se zachovává konfigurace. Předpokládaný mechanismus reakce: 3 C C 3 S 3 C C 3 S - S 2 3 C C 3 3 C C 3 5. Prvním krokem v rozhladu etherů jodovodíkem je protonace atomu kyslíku. V následujícím kroku dochází k vytěsnění alkoholu jako odstupující skupiny jodidovým aniontem. (a) Protože je u fenyl(methyl)etheru vyloučena za daných podmínek nukleofilní aromatická substituce, může reakcí vzniknout pouze fenol a jodmethan: C 3 I I S 2 3 C I C 3 (b) V případě methyl(propyl)etheru je možná S 2 na obou atomech uhlíku poutaných k atomu kyslíku, proto může vzniknout směs produktů. Za daných reakčních podmínek by rovněž ve směsi mohlo docházet k eliminaci za vzniku propenu a methanolu:

18 18 3 C I I 3 C I C 3 3 C C 3 3 C I C 3 C 3 3 C C 3 V přítomnosti přebytku I ve směsi mohou vzniklé alkoholy dále reagovat: C 3 I I C 3 C 3 I I C 3 6. Vliv rozpouštědel na S 2 reakci byl již popsán na straně 7. Pro průběh reakce S 1 jsou vhodnější polární protická rozpouštědla, např. alkoholy, než polární aprotická rozpouštědla. Při reakci probíhající mechanismem S 1 vzniká v kroku určujícím celkovou rychlost pár iontů, polární protické rozpouštědlo, které je schopno účinně solvatovat jak kation tak anion, bude proto snižovat aktivační energii reakce více, než polární aprotické rozpouštědlo schopné dobře solvatovat především kation. 7. Řešení: a) C 3 hν 2 3 C C 3 3 C C 3 C 3 b) Ph Ph 2 Ph Ph enantiomer c) hν d) 2 S 2 2 S 2 e) 3 C ai ceton 3 C I a

19 19 8. Řešení: (a) Jedná se o intramolekulární nukleofilní substituci. Deprotonace skupiny - výrazně zvýší nukleofilitu atomu kyslíku, po ustavení acidobazické rovnováhy dále reaguje pouze alkoholát: 3 C a 3 C 2 a 3 C a (b) Jod není schopen adice na dvojnou vazbu, interakcí alkenu s I 2 však může vznikat jodoniový kation, který dále nereaguje s I, může však reagovat s jinými nukleofily. Tímto nukleofilem může být jiná sloučenina přítomná v reakční směsi, např. voda (viz adice I na alkeny), případně nukleofilní skupina přítomná v molekule, například - nebo -C. Stereospecifita reakce je stejná jako v případě adice I na dvojnou vazbu. ukleofil v obou případech napadá atom uhlíku původní dvojné vazby ze strany, která není obsazena I. Intramolekulární reakce je obvykle rychlejší než než intermolekulární reakce. C 3 I 2 I I C 3 I I C 3 - I I C 3 9. Řešení: (a) Produkt připravíme nejlépe dvojnásobnou nukleofilní substitucí, kde naznačená výchozí látka obsahující thiolátové skupiny bude jako nukleofil reagovat s fragmentem obsahujícím dva atomy uhlíku, který nese dvě odstupující skupiny, které jsou zde obecně označeny jako X. S S X X S X - X S - X S S

20 20 (b) S největší pravděpodobností dojde k cyklizační reakci: a 2 S - a S a - a S 10. Ve směsi jsou přítomny dva nukleofily, které se výrazně liší reaktivitou a koncentrací. Z tabulky na straně 8 zjistíme, že za stejných podmínek reaguje v S 2 kyanidový aniont o šest řádů rychleji než alifatické alkoholy. V našem případě je také v roztoku přibližně o čtyři řády vyšší koncentrace ethanolu oproti kyanidovému aniontu. 1-Chlorbutan je typickým substrátem pro S 2, rychlost reakce závisí jak na kvalitě nukleofilu, tak na na jeho koncentraci. ba v reakční směsi přítomné nukleofily mohou reagovat v 1-chlorbutanem, reakce s C bude probíhat výrazně rychleji než reakce s ethanolem, proto naprostou většinu produktu bude tvořit pentannitril. 2-Chlor-2-methylpropan je typický substrát pro S 1, jejíž rychlost nezávisí na koncentraci nukleofilu nebo na jeho reaktivitě. S ohledem na koncentraci nukleofilů zjistíme, že terc-butylový kation bude s větší pravděpodobností reagovat s ethanolem, tudíž hlavním produktem substituční reakce bude ethyl(terc-butyl)ether. 11. ba možné mechanismy reakce zahrnují nukleofilní substituce, ve kterých je odstupující skupina vytěsňována nukleofilem, jak je to typické pro bimolekulární nukleofilní substituci, přesto se druhý mechanismus řídí kinetikou prvního řádu. ejpomalejším krokem v tomto mechanismu je intramolekulární nukleofilní substituce bromidového anionu karboxylátem, protože se jedná o intramolekulární reakci, musí celková rychlost záviset pouze na koncentraci 2-brompropanoátu. ásledná reakce zahrnuje reakci s, ale reakce probíhá výrazně rychleji, proto nemá koncentrace vliv na celkovou reakční rychlost. 3 C v = k 2 *[R-] pomalu C 3 rychle C 3 C Rychlost bimolekulární reakce je přímo úměrná koncentraci nukleofilu, v čemž se liší od monomolekulární reakce, která probíhá rychlostí nezávislou na koncentraci nukleofilu. Při nízkých koncentracích nukleofilu dochází tedy k potlačení příspěvku bimolekulární reakce k tvorbě produktu a většina produktu vzniká monomolekulárním mechanismem, naopak při vyšších koncentracích nukleofilu se poměr rychlostí může obrátit

21 21 a bimolekulární mechanismus tak převládne. Závislost může osvětlit také následující obrázek: v [RX] = konst. v=k 1 [RX] [ - ] v=k 2 [RX] [u] 12. Vysvětlení spočívá ve faktu, že jodidový anion je velmi dobrý nukleofil a současně je také velmi dobrou odstupující skupinou. Porozumět této skutečnosti může pomoci následující obrázek, který zachycuje energetický profil nukleofilní substituce methyl-tosylátu (methyl-4-methylbenzensulfonátu) bromidovým a jodidovým aniontem. 3 C S C 3 X 3 C X S C 3 E C 3 Ts I C 3 I C 3 Ts R. K. Vidíme, že aktivační energie nukleofilní substituce jodidivým anionem je menší než v případě reakce s bromidovým aniontem, což znamená, že jodidový anion bude reagovat se stejným substrátem rychleji než bromidový anion, je tedy lepším nukleofilem. Pokud uvážíme zpětnou reakci, nukleofilní vytěsnění bromidového nebo jodidového anionu stejným nukleofilem, v tomto případě tosylátovým anionem, reakce bude opět probíhat rychleji pro jodid jako odstupující skupinu. Kombinace obou faktorů dává vzniknout katalytickým účinkům jodidového anionu v S 2 nukleofilní substituci. 13. Stříbrný kation je schopen komplexace s halogenem přítomným v halogenderivátech, čímž dochází ke zvětšení elektronového zředění na atomu

22 22 uhlíku v sousedství halogenu. Tím se elektrofil stává tvrdším. Řešení zachycuje hlavní produkty reakcí: KC C 3 C 2 I gc C 3 C 2 I a 2 R- g 2 R- C C 2 C 3 KI C C 2 C 3 gi R a R g I 3 C C 3 C 3 -I C 3 C ommethan je typickým substrátem pro S 2 nukleofilní substituci, přednostně bude reagovat s atomem síry, jehož nevazebné elektronové páry jsou energeticky blíže protivazebnému orbitalu vazby C. 3 C S 3 C S C 3 S 2 3 C S C ežádoucí reakcí je v tomto případě dvojnásobná nukleofilní substituce chloridových aniontů v molekule C 2 2 pyridinem. Rychlost první S 2 reakce je výrazně nižší než reakce druhé. Vznikající sůl se ve vyšších koncentracích z roztoku vylučuje ve formě krystalů. S 2 pomalu S 2 rychle

23 23 2. Eliminační reakce C - C (dichlorkarben) 1,1-eliminace (α-eliminace) - 1,2-eliminace (β-eliminace) - 1,4-eliminace (δ-eliminace) 1,2-Eliminace X Dva krajní mechanismy (E1 a E1c), mechanismus E2 jejich průměrem. E1 E2 E1c X X X pomalu - X pomalu - - X rychle - X rychle - pomalu - X v = k [R-X] v = k [R-X] [] E2: anti (trans) eliminace Také E2 debromace R 4 R 3 R 1 X R 2 X E2 -X R 4 R 3 R 1 R 2 I -I, -

24 24 Stereospecifita E2 eliminace X: Energeticky nejvýhodnější je antiperiplanární (trans, anti) uspořádání a odstupující skupiny X, kdy dochází k maximálnímu překryvu vazebného σ orbitalu vazby C, která je deprotonována, s protivazebným σ orbitalem vazby C X. Druhou nejvýhodnější konformací, která se v E2 uplatní jen v případě, že substrát nemůže dosáhnout antiperiplanárního uspořádání, je synperiplanární konformace. X σ X σ σ σ trans eliminace cis eliminace áze je často také nukleofilem, neexistuje ale obecná korelace mezi nukleofilitou (rychlostí reakce v nukleofilní substituci) a bazicitou (pozice acidobazické rovnováhy daná pka). dstupující skupina je zpravidla konjugovaná báze silné kyseliny, podobně jako u nukleofilní substituce. nikdy není odstupující skupinou v E2. Eliminace vs. nukleofilní substituce ukleofil často může vystupovat jako báze, proto mohou být S doprovázeny eliminačními reakcemi. Eliminační reakce ale mají zpravidla vyšší aktivační barieru, lze je proto potlačit snížením reakční teploty. Regiospecifita eliminací (ofmannovo a Zajcevovo pravidlo) Zajcev: vzniká alken s největším počtem substituentů na násobné vazbě, vzniká termodynamicky nejstabilnější alken. Termodynamický produkt. ofmann: lken vzniká odštěpením ze stericky nejméně stíněného atomu uhlíku. Vazba C je stericky stíněná, což je spojeno s vyšší aktivační energií pro přístup objemných bazí. Typické pro objemné báze a objemné odstupující skupiny. Kinetický produkt. Intramolekulární cis eliminace Tepelný rozklad některých typů látek vede ke vzniku alkenu a eliminaci a odstupující skupiny. Reakce probíhají intramolekulárním mechanismem přes cyklický transitní stav. Eliminace proto probíhá s cis (syn) stereochemií. R o C R Pyrolýza esteru

25 25 S S R o C R S C S Pyrolýza xanthatu < (Cugajevova reakce) R R o C R R Pyrolýza -oxidu (Copeho reakce) S R S R Pyrolýza sulfoxidu a o C selenoxidu ukleofilní substituce a 1,2-eliminace Špatný Slabě baz. az. malý bjemný baz. Substrát nukleofil nukleofil nukleofil nukleofil (DU, (R, 2) (I, RS ) (R ) D, t-u ) 3 C X Methyl X Primární X ez reakce S 2 S 2 S 2 ez reakce S 2 S 2 E2 Primární ez reakce S 2 E2 E2 větvený X Sekundární S 1, E1 S 2 E2 E2 (pomalu) X Terciární X E1 nebo S 1 E1, S 1 E2 E2 α β E1c E1c E1c E1c β-kceptorní skupina D - 1,5-diazabicyklo[4.3.0]non-5-en DU - 1,8-diazabicyklo[5.4.0]undec-7-en

26 26 Příklady: 1. Vysvětlete závislost distribuce produktů eliminace na použité bázi! 3 C C 3 C 3 báze 3 C C 3 C 3 3 C C 3 C 3 C 2 a 69% 31% K 28% 72% 2. Cyklopentyl(methyl)ether lze připravit methylací cyklopentyloxidu draselného. Příprava vycházející z methanolátu sodného a chlorcyklopentanu však poskytuje jen 24 % požadovaného etheru. Vysvětlete! 3 C K 3 C 3 C a 3. dhadněte, jakým mechanismem (S 1 nebo S 2, E1 nebo E2) bude reagovat 2-bromhexan za uvedených podmínek. Doplňte hlavní produkty reakcí! 3 C C 3 a) C 3 b) C 3 a C 3 4. Určete, který z dvojice substituovaných cyklohexanů bude snadněji eliminovat? a) C 3 C 3 C b) C C 3 C 3 3 C C 3 C 3 3 C C 3 C 3

27 27 5. Jodid sodný nebo zinek reagují s vicinálními dibromidy (1,2-dibromidy) za vzniku alkenu mechanismem E2 eliminace molekuly bromu. I nebo Zn - 2 (a) akreslete produkt debromace (2S,3S)-2,3-dibrombutanu! (b) Vysvětlete rozdíl v reaktivitě následujících derivátů: 3 C 3 C C3 ai aceton 3 C 3 C C3 3 C 3 C C3 ai aceton produkt nevzniká 6. akreslete produkty E2 eliminace Ts a TsD z následujícího esteru p-toluensulfonové kyseliny! C 3 S D 3 C - Ts C 3 - TsD (Ts = p-toluensylfonyl) 7. akreslete produkt eliminace p-brombenzensulfonové kyseliny z (2S,3R)- -3-(4-methoxyfenyl)butan-2-yl-4-brombenzensulfonátu, která probíhá mechanismem E2! 8. Mechanismus E1c je typický pro substráty, které obsahují elektronakceptorní skupinu(y) na deprotonovaném atomu uhlíku. Doplňte produkt následující reakce! 3 C C 3 báze E1c

28 28 9. Doplňte hlavní produkty následujících reakcí! a) C C C 6 5 S C o C b) 3 C 3 C C 3 C 3 1. K 2. CS 2 3. C 3 I o C c) 3 C C 3 C 3 3 C C 3 1. a 2. CS 2 3. C 3 I 4. T d) 3 C C o C e) C 3 3 C 3 C C o C f) C 3 C o C C3 10. akreslete hlavní produkty následujících reakcí! a) b) 3 C 3 C 3 P o C 3 C 3 C C 3 c) 2 2 ekv. 3 C C 3 C 3 K d) 3 C 3 C C3 C 3 C3 C 3 I K T e) 3 C 2 C 3 3 ekv. C 3 I C 3 C 2 a T

29 29 f) 2 ekv. C 3 I a T g) 3 C C o C 3 C 11. Když terc-butylchlorid (2-chlor-2-methylpropan) podléhá hydrolýze ve vodném roztoku a, rychlost vzniku alkoholu se výrazně nemění s rostoucí koncentrací. Zvyšování koncentrace a ale vede ke zvýšení rychlosti mizení výchozího chloridu. Vysvětlete! 12. akreslete produkt eliminace z následující molekuly! 3 C E2-13. omethan a 1-brom-2-methylpropan (isobutylbromid) jsou primární halogenidy, s nukleofily oba reagují mechanismem S 2, ale bromethan reaguje desetkrát rychleji než isobutylbromid. Když obě sloučeniny reagují s ethanolátem sodným, isobutylbromid dává větší podíl eliminace na úkor substituce. U bromethanu je tomu opačně. Vysvětlete! 14. Doplňte látky do reakčního schématu! 2 3 ekv. a 2 C 15. avrhněte přípravu následujícího hmyzího feromonu z acetylenu! 3 C C 3

30 Reakce 2-methylpropenu s chlorem při teplotě 0 C, která navíc probíhá v temnu a za vyloučení přítomnosti peroxidů, nevede k adici chloru na dvojnou vazbu, ale poskytuje jako hlavní produkty 3-chlor-2-methylpropen a chlorovodík. a průběh reakce nemá žádný vliv přítomnost kyslíku. 3 C 3 C 2 0 o C 3 C Pro objasnění mechanismu reakce byl připraven 2-methylpropen, v němž byla C 2 skupina obohacena radioaktivním isotopem 14 C, a byl podroben reakci za identických podmínek. Produkt reakce byl následně ozonizován za vzniku chloracetonu a formaldehydu. Měřením bylo následně zjištěno, že z 97 % přešel radiaktivní isotop do chloracetonu. a základě znalosti mechanismů radikálové halogenace alkenů, iontové adice halogenů na dvojnou vazbu a eliminačních reakcí se pokuste zodpovědět následující otázky: (a) Probíhá reakce radikálovým nebo iontovým mechanismem? (b) apište strukturu produktu reakce značeného 2-methylpropenu včetně pozice tohoto isotopu! (c) avrhněte mechanismus reakce, který vysvětlí vznik produktu včetně lokalizace radioaktivního isotopu uhlíku!

31 31 utorské řešení příkladů: 1. Ethanolát sodný jako stericky méně náročná báze poskytuje přednostně 2-methylbut-2-en, což je termodynamicky stabilnější produkt, reakce probíhá podle Zajcevova pravidla. aopak objemné báze, jako například t-uk, odštěpují přednostně stericky méně bráněné atomy vodíku, což vede ke vzniku alkenu s menším počtem substituentů na atomech dvojné vazby, v tomto případě 2-methylbut-1-enu. 3 C C 3 C 3 3 C C 3 3 C C 3 2. ukleofilní substituce je obvyklý způsob, kterým se připravují ethery. Eliminační reakce doprovázejí nukleofilní substituce, v závislostí na podmínkách jedna nebo druhá reakce může převládnout. bě naznačené cesty poskytnou požadovaný produkt, ale reakci chlorcyklopentanu s methanolátem sodným komplikuje eliminační reakce, což vysvětluje nízký výtěžek požadovaného produktu. ommethan neobsahuje atomy vodíku v β-pozici, proto nedochází k eliminaci a probíhá jen nukleofilní substituce. C 3 3 C a - C 3 - a K 3 C - K C 3 3. Pomůckou může být tabulka na straně omhexan může reagovat současně monomolekulárním i bimolekulárním mechanismem odstoupením bromidového anionu vzniká relativně stabilní sekundární karbokation, současně také v molekule není velká sterická zábrana, která by bránila průběhu bimolekulární reakce. V přítomnosti slabě bazické a slabě nukleofilní látky, jakou je samotný methanol, bude produkt substituce i eliminace vznikat monomolekulárním mechanismem, potože rychlost konkurenčního bimolekulárního mechanismu bude snížena nízkou bazicitou a nukleofilitou alkoholu.

32 32 C 3 : 3 C C 3 3 C 3 C C 3 3 C C 3 S 1 3 C E1 C 3 C 3 V přítomnosti alkoholátu, který je velice silnou zásadou a dobrým nukleofilem, začne převažovat bimolekulární mechanismus a naprostá většina produktu vznikne tímto mechanismem. Můžeme očekávat, že reakce s methanolátem sodným povede spíše k eliminaci a produkt substituce bude minoritním produktem. C 3 C 3 a: 3 C C 3 C 3 a C 3 3 C E2 C 3 a 4. K vyřešení obou příkladů je potřeba znát, jaké prostorové uspořádání derivátů cyklohexanu je výhodné pro E2 reakci. aprostá většina molekul cyklohexanu existuje ve formě dvou židličkových konformeru, které mezi sebou za laboratorní teploty snadno a rychle přecházejí. Při jejich přechodu dochází k záměně axiálních a ekvatoriálních pozic. Eliminační reakce vyžaduje antiperiplanární uspořádání atomu vodíku a odstupující skupiny, což v případě cyklohexanu nastane pouze tehdy, když se budou nacházet současně ve dvou axiálních pozicích. Pokud látka nemůže tuto konformaci zaujmout, bude eliminační reakce mechanismem E2 výrazně zpomalena. X X X X (a) Výchozí látka může eliminací poskytnout dva produkty, my však budeme diskutovat pouze eliminaci spojenou s odštěpením z atomu nesoucího methylovou skupinu, která poskytne produkt podle Zajcevova pravidla. C 3 - E2 C 3

33 33 Ze dvou výchozích látek se pouze cis-1-chlor-2-methylcyklohexan může vyskytnout ve formě konformeru, ve kterém atomy vodíku a chloru budou současně v axiálních pozicích, proto bude v eliminační reakci reagovat rychleji. C 3 C 3 (e,e) (a,a) C 3 C 3 C 3 (a,e) C3 (e,a) (b) Výchozí látka obsahuje terc-butylovou skupinu, která funguje jako konformační zámek, což znamená, že molekula bude témeř výhradně existovat ve formě židličky, ve které zaujme terc-butylová skupina ekvatoriální pozici bez ohledu na orientaci ostatních skupin přítomných na cyklohexanovém kruhu. Proto pouze v cis-1-terc-butyl-4- -chlorcyklohexanu nalezneme atom vodíku a chloru ve dvou axiálních pozicích, druhý stereoisomer výchozí látky nese atom chloru v ekvatoriální pozici, bude proto eliminovat bimolekulárním mechanismem mnohem pomaleji. 3 C C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 3 C C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 5. Pří této eliminaci 2 musí také atomy bromu zaujmout antiperiplanární uspořádání. Řešení příkladu b) je analogické příkladu číslo 4, jen s tím rozdílem, že místo dochází k eliminaci 2. a) 3 C C 3 3 C C C C 3

34 34 b) 3 C C 3 C 3 3 C 3 C C 3 3 C C 3 C 3 3 C 3 C C 3 6. Řešení: C 3 D 3 C C 3 S - Ts D 3 C C 3 - TsD 3 C C 3 7. Řešení: S E2 3 C 3 C C 3 C 3 S 3 3 C 3 C 8. Eliminace probíhající mechanismem E1c je jediným příkladem, kdy jako odstupující skupina může vystupovat hydroxidový anion. 3 C C 3 3 C C 3 3 C C 3 3 C C 3 9. Řešení: a) C C C 6 5 S C o C 3 C C 6 5 C 6 5 C 6 5 S

35 35 b) S 3 C 3 C C 3 C 3 K C 3 C K C 3 C 3 CS 2 3 C 3 C SK C 3 C 3 C 3 I - KI S 3 C 3 C C 3 S C 3 C o C 3 C 3 C C 3 CS C 3 S c) 3 C C 3 C 3 3 C C 3 1. a 2. CS 2 3. C 3 I 3 C 3 C C 3 C 3 3 C S C 3 S C 3 t-u C 3 S S Me Et T 3 C C 3 CS C 3 S C 3 C 3 d) 3 C C o C C 3 C 3 e) C 3 3 C 3 C C C 3 3 C 3 C C3 150 o 3 C C - (C 3 ) 2 C 3 C 3 f) C 3 C 3 C o C C 3 C 3 C 3 C

36 Řešení: a) b) 3 C 3 C 3 P o C C 3 3 C C 2 3 C C 3 c) 2 2 ekv. 3 C C 3 C 3 K d) 3 C 3 C C3 C 3 C 3 I 3 C 3 C C 3 K C3 3 C C 3 T C3 I 3 C 3 C C3 (C 3 ) 3 e) 3 C 2 C 3 C 3 I (3 ekv.) 3 C I (C 3 ) 3 C 3 C 3 C 2 a T 3 C C 2 (C 3 ) 3 f) 3 C C 3 2 ekv. C 3 I I a T C 3 C3 g) 3 C 3 C C 3 3 C C 3 C o C 2 C C 2 3 C 3 C 11. Produktem hydrolýzy 2-chlor-2-methylpropanu není pouze v zadání zmiňovaný alkohol, spolu se substitucí může probíhat eliminace. Z tabulky na straně 25 vyplývá, že terciární substrát může reagovat pouze ve smyslu mechanismu S 1, kdežto eliminace může probíhat monomolekulárním i bimolekulárním mechanismem, v závislosti na koncentraci a síle báze. Proto množství produktu substituce neroste s rostoucí koncentrací zásady, kdežto výchozí látky začíná rychleji ubývat díky přibývajícímu podílu E2.

37 37 3 C C 3 C 3 S 1 v=k 1 [R] 3 C C 3 C 3 E1 E2 v=k 1 [R] v=k 2 [R] [ - ] 3 C C Řešení: 3 C E2-3 C 13. Příčinou nižší reaktivity isobutylbomidu v S 2 je větší sterická zábrana příchodu nukleofilu k atomu uhlíku vazby C v isobutylbromidu. dštěpování protonu během eliminace není natolik citlivé na sterické faktory jako reakce S 2, proto za daných podmínek převládá u isobutylbromidu eliminační reakce. Lze předpokládat, že vhodnou změnou podmínek, například zvýšením teploty, by také u bromethanu došlo ke zvýšení podílu eliminace. Et 3 C 3 C Et 14. Řešení: 2 2 ekv. a 2 1 ekv. a 2 C C - 2 a C C a - a C C 15. Pro přípravu Z -alkenů je velice vhodná parciální hydrogenace alkynů s využitím Lindlarova katalyzátoru.

38 38 2 C C C C 8 17 Lindlaruv kat. C C 8 17 Vhodně substituovaný alkyn lze připravit z acetylenu (ethynu) postupnými deprotonacemi a reakcemi s vhodnými alkylhalogenidy: C C 1 ekv. a 2 C C a - 3 n-c a C C C ekv. a 2 a C C C n-c a C C C C Řešení: (a) Reakce probíhá iontovým mechanismem, ukazuje na to nulový vliv kyslíku, který je lapačem radikálů, na průběh a výsledek reakce. Podobně distribuce isotopu 14 C v produktu ukazuje na iontový mechanismus (viz níže). (b) Pozice isotopu uhlíku 14 C je označena hvězdičkou. 3 C 3 C * 0 o C 2 - * 3 C redukce * C 3 (c) Prvním krokem adice chloru na dvojnou vazbu je vznik chloroniového kationtu, který však může přemykovat na karbokation v případě, že alespoň jeden z atomů uhlíku dvojné vazby nese větší počet elektrondonorních skupin. 3 C 3 C 3 C 2 3 C C 3 C Z atomů uhlíku vázaných bezprostředně poutaných ke kladně nabitému atomu uhlíku může dojít k odtržení, podobně jako v mechanismu eliminace E1. ází je v tomto případě chloridový aniont. Tento mechanismus také znamená, že atom uhlíku C 2 skupiny bude vždy totožný s atomem skupiny C 2 produktu, což je v souladu se zjištěným osudem radioaktivního isotopu uhlíku během reakce.

39 39 C 3 C 2 C 3 C Pokud by probíhala radikálovým mechanismem, vznikal by konjugovaný radikál, který by reakcí s chlorem poskytl produkt, v němž by byl isotop 14 C rozdělen rovnoměrně mezi C 2 skupinu a C 2 skupinu. 3 C 3 C 2 C * * - 3 C 2-3 C 3 C * * 3 C C * 2

40 40 3. koholy, fenoly, ethery Kyselost alkoholů a fenolů: R r R S r S pk a 15,74 pk a pk a ~ 10 pk a ~ 10 pk a ~ 6 Reaktivita alkoholů Protonací kyslíku vzniká dobře odstupující skupina, může proběhnout eliminace, nukleofilní substituce (platí i pro interakci s Lewisovou kyselinou). R R 1 R 2 Převedením alkoholu na ester silné kyseliny dochází k přeměně - skupiny na dobře odstupující skupinu, může proběhnout eliminace, nukleofilní substituce. R S C 3 R S C 3 Deprotonací vzniká alkoholát (alkoxid silná báze a nukleofil), fenolát nebo thiolát (velmi dobré nukleofily). R Relativně stabilní radikály (ale také kationy) v α-pozici vůči - nebo -R skupině (místo oxidace kyslíkem, halogenace... ). R 1 R R 2 apětí kruhu u epoxidů vede ke snadnému otevírání cyklu i bez potřeby aktivace kyslíku kyselinou (R je odstupující skupinou!). Místo ataku u se liší za kyselé aktivace a bez ní.

41 41 S 2 3 C u trans 3 C u V případě, že dochází k otevírání epoxidu nukleofilem bez kyselé aktivace atomu kyslíku, napadá nukleofil přednostně méně substituovaný atom uhlíku epoxidu. ukleofil napadá méně substituovaný atom uhlíku i za kyselé katalýzy, když nemůže ani na jednom atomu uhlíku vzniknout stabilní karbokation. Pokud odstoupením protonovaného atomu kyslíku může vzniknout na jednom atomu uhlíku stabilní kation, bude tento atom přednostně napadán nukleofilem, reakce bude ale probíhat jako S 2. 3 C 3 C u 3 C u 3 C u Primární a sekundární alkoholy lze oxidovat: R -2 e - 2 e - R -2 e - 2 e - R Příklady: 1. Seřaďte následující alkoholy podle jejich kyselosti! 3 C C 3 C C 3 2 C 3 C 2 C 3 3 C C C 2 2. Jak byste jednoduše oddělili ze směsi následující benzylalkoholy?

42 42 3. avrhněte jednoduchý chemický test, kterým byste odlišili následující dvojice látek: (a) Dialkylether a alkan. (b) Dialkylether a alken. (c) Dialkylether a primární alkohol. 4. Doplňte reakce, kterými lze připravit alkoholy! a) b) 3 C? 3 C 3 C 1. Lil ? c) 3 C? 3 C? 3 C C 3 d) 3 C C 3? 3 C C 3? 3 C C 3 e) f)? 1. a C C 3 C 3 1. g( 3 ) 2 / 2 2. a 4 / -? 5. Pro přípravu alkoholů se často používají organokovová činidla, doplňte reakce! a) 1.? 2. 2 Mg ? b) 1.? 2. 2 Mg 1. C 3? Doplňte reakční schémata! Látky a D jsou isomery, jaký je mezi nimi vztah?

43 43 3 C C 3 a C 3 I 3 C C 3 C 3 S 2 Pyridin C C 3 a D 7. apište podrobné mechanismy následujících reakcí! a) 2 3 C 2 S 4 3 C C 3 2 b) 3 C 3 C C 3 C 3 2 S 4 3 C C 3 2 C 3 C 3 c) C 3 C 3 C 2 S 3 4 C 3 2 d) P 3 Pyridin e) 3 C a - a 3 C 8. Doplňte produkty reakcí! a) b) C 3 C 2 P 3 Pyridin? P 3 Pyridin?

44 44 c)? I T S 2 2 nebo 2 hν? d) 3 C C 2-2 F 3? e) P 5 3 C S 3 Ethanol Pyridin a C 9. Doplňte produkty reakcí epoxidů: a) 3 C? 3 C 3 C 3 C Me / Mea?? b)? 1. PhMg Lil ? 3? 10. Doplňte produkty oxidace alkoholů! a) 2 Cr 4 / 2, ceton? b)? PCC Suchý C Cr 4 / 2, ceton? 11. Grignardova činidla reagují s oxiranem i s oxetanem (tříčlenným a čtyřčlenným cyklickým etherem), za vzniku primárního alkoholu. Který z cyklických etherů bude reaktivnější?

45 Jak byste provedli následující syntetickou transformaci, která se užívá při syntéze biologicky aktivního (S)-ibuprofenu? C 3 C 3 C 3 3 C C 3 C 3 C 13. Zahříváním fenyl(methyl)etheru (anisolu) s LiI v, -dimethylformamidu (DMF) vzniká jodmethan a fenolát lithný. avrhněte mechanismus této reakce! 14. Propylenoxid (1,2-epoxypropan) může být hydrolyzován na propylenglykol (propan-1,2-diol) za katalýzy bázemi i kyselinami. Pokud provedeme hydrolýzu jednoho enantiomeru propylenglykolu, získáme opět jeden enantiomer produktu, zajímave však je, že produkt vzniklý kysele katalyzovanou reakcí otáčí rovinu polarizovaného světla v opačně oproti produktu bazické hydrolýzy. Pokuste se toto pozorování vysvětlit! 3 C 2 kyselina nebo báze 3 C 15. akreslete hlavní produkty reakce oxiranu s následujícími látkami: (a) Ethanol se zředěnou kyselinou sírovou (b) 1,2-Ethandiol za katalýzy zředěnou kyselinou sírovou (c) Produkt reakce (b) za kyselé katalýzy (d) ezvodý bromovodík (e) C (f) Kyselina mravenčí (g) Fenylmagnesiumbromid (h) Fenol za katalýzy (i) Fenol za katalýzy zředěnou kyselinou sírovou (j) cetylid sodný (reakce je následována okyselením reakční směsi) (k) Diethylamin

46 46 utorské řešení příkladů: 1. Řešení: C 3 3 C C 3 2 C 3 C 2 3 C C 3 C C 3 pk a 15,5 15,74 16,0 17,1 19, C pk a 0,4 7,1 9,95 10,2 2. Látky se od sebe liší přítomností fenolické - skupiny. K rozdělení těchto dvou látek lze využítvelký rozdíl v kyselosti fenolické a alifatické - skupiny. Fenol je asi o pět řádů silnější kyselina než voda, naopak alifatické alkoholy jsou většínou méně kyselé než voda. Proto ve vodném roztoku bude v rovnováze převažovat fenolát, naopak alkoholát bude zastoupen minimálně. Pokud bychom tedy extrahovali vodným roztokem a roztok obsahující směs obou látek v organickém rozpouštědle nemísitelném s vodou, pouze 4-hydroxybenzylalkohol přejde do vodné fáze, kdežto neionizovaný benzylalkohol zůstane v organickém roztoku. kyselením vodného roztoku fenolátu silnou kyselinou získáme opět neutrální látku. a - 2 a - a 3. Řešení: (a) Dialkylethery jsou ve vodě často špatně rozpustné, obsahují však v molekule atom kyslíku, který může být podobně jako ve vodě protonován silnou kyselinou za vzniku oxonia. lkan můžeme proto od dialkyletheru odlišit pomocí vodného roztoku silné kyseliny dialkylether se v roztoku rozpustí, alkan se nerozpustí a vytvoří samostatnou vrstvu. R R 2S 4 R R S 4

47 47 (b) Koncentrovanou kyselinu v tomto případě nelze použít, protože může docházet k adici na dvojnou vazbu. Využít lze například roztok bromu za podmínek vylučujících radikálovou bromaci. dice bromu na dvojnou vazbu vyvolá odbarvení roztoku, kdežto diakylether nereaguje. (c) lkoholická - skupina obsahuje kyselý vodík, kdežto v nesubstituovaném dialkyletheru podobně kyselý vodík nenajdeme. K rozlišení látek můžeme proto použít například reakci s alkalickým kovem. lkohol reaguje s kovem za vývoje plynného vodíku, dialkylether nebude reagovat. 2 R 2 a 2 R a 2 4. Řešení: a) 3 C 2 3 C b) 3 C 1. Lil C c) 3 C , a 3 C 2 / (kat.) nebo: 1. g(c 3 C) 2 / 2 2. a 4 3 C C 3 d) 3 C C 3 3 C RC s 4 nebo KMn 4 C 3 3 C C 3 e) 1. a f) 3 C C 3 C 3 1. g( 3 ) 2 / 2 2. a 4 / - 3 C C 3 C 3 C 3 5. Řešení:

48 48 (a) Trifenylmethanol vznikne adicí fenylmagnesiumbromidu na benzofenon (difenylketon), který však také může vzniknout reakcí stejného činidla PhMg s vhodným derivátem kyseliny benzoové, který rovněž vzniká z vhodného derivátu kyseliny uhličité za stejných podmínek. Mg Mg 2 C 2 X X Mg Mg X - MgX - MgX X =,, R, r Mg Mg 2 (b) Komplikací reakce PhMg s acetaldehydem může být deprotonace aldehydu za vzniku enolátu. 1. Mg 1. C 3 C Látky a D jsou ve vzájemném vztahu enantiomerů. 3 C C 3 a a C C 3 3 C C 3 I - ai 3 C C 3 3 C C 3 C 3 S 2 Pyridin 3 C S 3 C C C 3 3 C C 3 a - C 3 S 3 a 3 C D C 3 Přeměnu esteru C na produkt D doprovází také eliminace jako konkurenční reakce.

49 49 7. Reakce d) může pobíhat více možnými mechanismy, zde je zachecen pouze jeden. Může například docházet přímo k eliminaci fosforečnanu z tricyklohexyl-fosfátu nebo tento ester může nejdříve poskytnout reakcí s chloridovými aniony přítomnými ve směsi chlorcyklohexan, který dále eliminuje za vzniku cyklohexenu. a) C 3 2 S 4 3 C 3 C C 4 9 C S S 4-2 S 4 C 4 9 C 4 9 b) 3 C 3 C C 3 C 3 2 S 4 3 C C 3 - S 4 3 C C3-2 3 C C 3 3 C C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 3 C C 3 3 C C 3 C 3 S 4 C S 4 3 C C 3 c) C 3 C 3 2 S 4 -S 4 C 3 C 3-2 C 3 C 3 S 4 C 3-2 S 4 C 3 C 3 C 3 d) 3 P 3-3 P

50 50 P P 4 3- e) 3 C a 2 3 C a 3 C a 8. Látkou v příkladě e) může být také chlorethan, přičemž produktem C zůstane ethyl(fenyl)ether: a) C 3 C 2 P 3 Pyridin 2 C C 2 C 2 5 P C 2 5 C 3 C 2 C 2 5 b) P 3 Pyridin P c) I T I I T I I S 2 2 nebo 2 hν d) 3 C C 2-2 F 3 3 C C 3 e) 3 C S 3 P 5 3 C S Ethanol Pyridin 3 C S C 2 C 3 -Tsa a C 2 C 3 C

51 51 9. ukleofilní otevírání epoxidů poskytuje v naprosté většině případů oba možné regioisomery, následující schéma zachycuje pouze převažující produkty reakcí. a) 3 C R 3 C Me / 3 C C 3 C 3 3 C 3 C Mea C 3 C 3 C 3 b) 1. PhMg Lil C Řešení: a) 2 Cr 4 / 2, ceton b) PCC Suchý C Cr 4 / 2, ceton 11. ukleofilnímu otevírání zmiňovaných heterocyklů výrazně napomáhá vnitřní pnutí cyklu, které se s jeho zánikem uvolňuje. Reaktivnější bude oxiran, protože tříčlenný cyklus vykazuje větší pnutí než cyklus čtyřčlenný. MgX 2 R MgX R R MgX 2 R MgX R R

52 Reakce vyžaduje substituci - skupiny kyanidovým anionem, při reakci dochází k inverzi konfigurace, proto by reakce měla probíhat mechanismem S 2. emůžeme provést přímou náhradu - skupiny nukleofilem, musíme ji proto nejdříve převést na dobře odstupující skupinu tak, aby došlo k zachování konfigurace na stereogenním atomu uhlíku. Vhodnou reakcí je převedení alkoholu na ester silné kyseliny: 3 C 3 C S 2 C 3 Pyridin 3 C C 3 C 3 S C 3 ac S 2 C 3 3 C 3 C C 3 C C 3 C 3 C 3 C (S)-Ibuprofen 13. Lithný kation je Lewisovou kyselinou, je schopen se koordinovat s kyslíkem etheru a podobně jako proton napomáhá kyslíku odstupovat v S 2. LiI Li I C 3 C 3 Li 3 C I 14. tevírání epoxidů nukleofilem obvykle probíhá mechanismem S 2. ěhem bazicky katalyzované hydrolýzy hydroxidový anion přednostně napadá atom uhlíky číslo 1 a konfigurace na atomu uhlíky číslo 2 se nemění. Protože atom uhlíku číslo 1 není stereogenním centrem molekuly, bude mít produkt hydrolýzy stejné absolutní konfiguraci na stereogenním centru jako výchozí látka. V kyselém prostředí voda jako nukleofil atakuje atom ulíku číslo 2, což vede k inverzi konfigurace na stereogenním centru. 3 C 3 C 2-3 C 3 C 3 C C 3-3 C

53 Řešení: a) C 3 b) c) d) e) f) C g) h) i) j) C C C 2 C 2 k) C 3 C 3

54 54 4. Sloučeniny síry a fosforu Reaktivita thiolů Síra má schopnost stabilizovat záporný náboj na sousedním atomu, což se projeví v kyselosti atomu vodíku na sousedícím atomu uhlíku: S S S S r 3 C 3 C S r S pka C S 3 C S -2,6 17,5 Thioly (merkaptany) jsou kyselejší než alkoholy, jsou také lepšími nukleofily v S 2 (jsou to měkké Lewisovy báze) a také redukčními činidly. Thioacetaly Thioacetaly vznikají podobně jako acetaly, díky nízké afinitě měkké síry k tvrdému se však rozkládají kationty těžkých kovů. Sírou zvýšené kyselosti C vazby lze využít k přepólování (δ ) atomu uhlíku aldehydů (Corey a Seebach): S S F 3-2 S S thioacetal uli S S - C 4 10 Li R- - Li S S R g 2 2 R δ δ "Umpolung" jako S S výsledek: R-X S R Sulfidy a thioacetaly lze desulfurovat účinkem vodíkem nasyceného hydrogenačního katalyzátoru: R S S R R 1 R 2 2 Raney i R 1 R 2 S R R 1 R 2 2 Raney i R 1 R 2

55 55 Sulfoxidy Sulfoxidy mohou být chirální, dimethylsulfoxid (DMS) je výborné polární aprotické rozpouštědlo. DMS lze využít k selektivní oxidaci alkoholů na aldehydy (Swernova a příbuzné oxidace): 3 C S 3 C DMS (C) 2 3 C S 3 C "ktivovaný DMS" R - 3 C S 3 C R - 3 C S ylid R R 3 C S C 3 Sulfoniové a sulfoxoniové soli R S a R S(=) se mění na dobře odstupující skupinu. Deprotonace silnými bázemi vede k tvorbě ylidů (nenabitá částice, jejíž strukturu lze znázornit jako 1,2-dipól se záporně nabitým atomem v sousedství kladně nabitého atomu): Ylidy odvozené od dialkylsulfidů jsou méně stabilní a reaktivnější než ylidy odvozené od dialkylsulfoxidů. Ylidy síry se chovají jako karbenoidy (reagují podobně jako karbeny), adují se na násobné vazby za vzniku tříčlenných cyklů. dice ylidu odvozeného z dialkylsulfidu na karbonylovou skupinu je řízena kineticky, ylidy připravené ze sulfoxidů se také adují rychle na vazbu C=, adice je ale vratná, protože ylid je stabilní. Pomalejší ale nevratná adice na vazbu C=C poskytuje konečný termodynamicky stabilnější derivát cyklopropanu.

56 56 C 3 S 3 C R 1 R 2 3 C R 2 S R 1 C 3 rychle R 1 R2 C 3 S C 3 S 3 C S C3 3 C C3 S 3 C C 3 Johnson-Corey-Chaykovsky: 3 C 3 C C 3 3 C S S 3 C 3 C C 3 0 o C 50 o C 3 C 3 C 3 C dice karbenu: C 2 Wittigova reakce 1 Sulfonium ylidy reagují s karbonylovými sloučeninami za vzniku epoxidů, ylidy fosfonia poskytují reakcí s karbonylem alkeny. nací silou vzniku alkenů je vysoká afinita fosforu ke kyslíku: disociační energie vazby P= v Ph 3 P je 529 kj mol 1, u vazby S= v Ph 2 S je tato energie 367 kj mol 1. Vznik vazby P= kompenzuje lépe ztrátu energie spojenou se zánikem silné vazby C= a vznikem slabší vazby C=C. Wittigova reakce: Ph Ph Ph P Ph Ph Ph P Ph Ph Ph P Ph Ph P Ph π2s π2a [22] cykloadice? oxafosfetan 1 obelova cena 1979: Georg Wittig (sloučeniny fosforu) a erbert C. own (chemie boranů, hydroborace.)

57 57 Výroba ylidu: Ph Ph P Ph 3 C I S 2 Ph Ph I P C 3 Ph uli -C LiI Ph Ph P Ph ylid Ph Ph P Ph Stereospecifita Wittigovy reakce: estabilizované ylidy poskytují převážně Z (cis) alkeny. Stabilizované ylidy poskytují převážně E (trans) alkeny. Ph C 3 Ph P Ph nestabilizovaný ylid Ph Et Ph P Ph stabilizovaný ylid Elektronakceptorní substituent Příklady: 1. Glutathion (GS) je tripeptid, nacházející se v buňkách živočichů, rostlin i bakterií. Je důležitou sloučeninou, která chrání biomolekuly před oxidací a před účinky toxických látek, např. volných radikálů a alkylačních činidel. (a) akreslete strukturu oxidovaného glutathionu! (b) Epoxidy jako produkty enzymatické oxidace polycyklických aromatických uhlovodíků jsou zodpovědné za mutagenní a rakovinotvorné vlastnosti těchto látek. Jeden z mechanismů detoxikace epoxidů je jejich reakce s glutathionem, buď samovolná nebo katalyzovaná glutathion-s-transferasami. Jak bude vypadat produkt reakce glutathionu s 7,8-dihydroxy-9,10-epoxy-7,8,9,10-tetrahydrobenzo[a]pyrenem? 2 S glutathion 7,8-dihydroxy-9,10-epoxy-7,8,9,10-tetrahydrobenzo[a]pyren 2. Doplňte látky v následujících reakcích!

58 58 a) b) 3 C 2 S K Et C 3 2 S 4 c) 2 2 S K C S Zn 2 C S d) S 2 3 C 2 Et 1. a / e) S a C 3 f) 3 C S 3 S C 2 Me Pyridin F a D 3 E g) Mg S Fe 3 3. Látka L (itish nti-lewisite) byl vyvinut jako antidotum při otravách bojovým plynem Lewisitem. Používá se i v součastnosti jako antidotum při otravách sloučeninami arsenu, rtuti, olova a jiných těžkých kovů. Vysvětlete! (ápovědou může být původ staršího názvu merkaptan). Jak byste L připravili z allylalkoholu (C 2 =C-C 2 )? s Lewisit S S L 4. Jak byste pomocí ylidů síry připravili následující epoxid?

59 59 3 C C 3 5. Doplňte reakce! a) S a T C D b) S S F 3 Et 2-2 uli - C 4 10 C 3 -I - LiI C C Cu( 3 ) 2 2 D 6. Doplňte následující reakce! a) Ph Ph P Ph uli C b) Ph 3 C P Ph Ph C 3 a C c) Ph C 3 C 2 Ph P Ph a C

60 60 utorské řešení příkladů: 1. Řešení: (a) V biologickém prostředí dochází k vratné jednoelektronové oxidaci -S skupiny na disulfidický můstek: 2 2 S GS 2 2 S S (b) Podstatou mutagenních účinků epoxidů metabolitů polycyklických aromatických uhlovodíků je velká schopnost epoxidu reagovat s nukleofily, například s bázeni D. Detoxikace epoxidu glutathionem spočívá v reakci nukleofilní -S skupiny s epoxidem, která vede k jeho zániku. Schéma ukazuje pouze jeden z možných isomerů produktu: R S R S = glutathion S R 2. Řešení: a) 3 C 2 S K Et 3 C S 3 C C 3 S b) C 3 2 S 4 C 3 S 3 3 S C 3

61 61 c) 2 2 S K S Zn 2 S d) S C Et 3 C S C S a / C S 2 2 e) S S a a C 3 - a S C 3 f) 3 C S 3 S S C 2 3 C 3 C S C 3 C 3 Pyridin C 3 a 3 C S C C 3 (C 3 ) 2 (C 3 ) 3 (C 3 ) 4 Ts g) S Mg S S Fe 3 3. Kationy těžkých kovů podobně jako arsen mají velkou afinitu k síře, což znamená, že vazba mezi sírou a těmito prvky je velice pevná. Tuto skutečnost můžeme elegantně vysvětlit pomocí teorie měkkých a tvrdých kyselin a zásad (S) jako výhodnou vazbu mezi měkkou zásadou (atomem síry) a měkkou Lewisovou kyselinou (kationtem těžkého kovu). ílkoviny obsahují ve své struktuře aminokyselinu cystein, jejíž -S sku-

62 62 piny tvorbou komplexu s těžkými kovy, Lewisitem nebo jinými podobně fungujícími látkami denaturují. R R S S g 2 S g S S S s S s S L, který obsahuje v molekule dvě -S skupiny je schopen vázat těžké kovy (nebo arsen z Lewisitu) a chránit tak bílkoviny před denaturací. L lze z allylalkoholu připravit následujícím postupem: 2 as S S 4. Řešení: 3 C S C 3 3 C I I C 3 C 2 a 3 C S C 3 - ai 3 C S C 3 3 C C 3 3 C C 3 5. Řešení: a) S a - a S S T S C D b) S S F 3 Et 2-2 S S uli - C 4 10 Li S S

63 63 Li S S C 3 -I - LiI 3 C S S Cu( 3 ) 2 / 2 C 3 C D 6. Řešení: a) Ph Ph P Ph Ph Ph P Ph Ph uli Ph P - Li - C 4 Ph 10 - Ph 3 P C b) 3 C Ph Ph P Ph Ph Ph P Ph C 3 C 3 a - a - C 3 Ph Ph P Ph C 3 - Ph 3 P C 3 C c) C 3 C 2 Ph Ph P Ph Ph Ph P Ph C 3 Ph a Ph P - a - 2 Ph C 3 - Ph 3 P C 3 C