Organická chemie pro biochemiky I část 8 a 9 I-89-1

Transkript

1 rganická chemie pro biochemiky I část 8 a 9 I-89-1

2 alogenderiváty uhlovodíků alogenované sloučeniny se v přírodě nenacházejí často, jsou však nesmírně důležité technologicky a jako experimentální a lékové substance. Cl F F F Cl F Cl Cl F Cl Cl trichlorethylen halotan dichlordifluormethan brommethan rozpouštědlo inhalační anestetikum chladivo napěňovadlo V přírodě bylo dodnes nalezeno asi 3000 halogenovaných sloučenin přír. původu. Cl epibatidin První nalezené alkaloidní analgetikum, jako v přírodě se vyskytující neopioidní organická látka obsahující chlor, isolované z kůže Ekvadorských jedovatých žab Epipedobates tricolor. Je 200x silnější než morfin při testech na zvířatech při blokování pocitu bolesti. I-89-2

3 alogenderiváty uhlovodíků alogenované sloučeniny se nacházejí v našem okolí a ne vždy jsou k tomuto okolí či přímo k lidem přívětivé chloroform CCl 3 se používal jako sladidlo do zubních past, je kancerogenní halothan CF 3 -CCl jako inhalační anestetikum chlorované pesticidy DDT, antibakteriální prostředky exachlorofen Cl Cl Cl Cl Cl dioxiny vznikající při výrobě chlorovaných fenolů Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl polychlorované bifenyly (PCB) C X Cl X Cl 3 Cl 5 halogenové deriváty však patří mezi velmi oblíbená rozpouštědla a činidla I-89-3

4 Poznámka na okraj Markuschovy vzorce (markušovy) označují lokantem nespecifikovanou substituci na daném skeletu 3 C Cl označuje o-, m- i p-chlortoluen PCB Cl 3 Cl 5 označují potom bifenyl s třemi či pěti chlorovými atomy, které nahradily vodík(y) a jejichž poloha není určena či které se vyskytují ve směsi I-89-4

5 halogenderiváty uhlovodíků 1,2-dichlorethan a 1,2-dibromethan se přidávají do benzinů s tetraethylolovem dichlordifluormethan a trichlorfluormethan jsou příklady freonů používaných jako inertní náplně, napěňovadla a chladiva; některé z nich jsou nebezpečné pro degradaci ozonové vrstvy vinylchlorid C 2 =C-Cl je polymerován na PVC, sám je kancerogenní trichlorethylen CCl=CCl 2 je výtečné lipofilní rozpouštědlo stejně jako např. tetrachlorethylen CCl 2 =CCl 2 tetrafluorethylen CF 2 =CF 2 je monomerem jenž je polymerován na teflon chloropren C 2 =CCl-C=C 2 je polymerován na umělý kaučuk I-89-5

6 vazba uhlík - halogen vzniká překryvem sp 3 orbitalu uhlíku a orbitalu halogenu uspořádání je přibližně tetrahedrální s úhly -C-X kolem 109. alogeny se liší velikostí, délkou vazby C-X a její pevností. délka [pm] síla [kj/mol] síla [kcal/mol] dipolmoment [D] C 3 F C 3 Cl C C 3 I I-89-6

7 2 C X, jak známo, je halogen elektronegativnější než uhlík, vazba C-X tudíž bude polarizována, z toho plyne měřitelný dipolmoment a fakt, že uhlík alkylhalogenidů se bude chovat jako elektrofil v polárních reakcích. reaktivita stoupá od R-F <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<k R- reaktivita bývá vysvětlována -I efektem tj. tím, že halogen odejímá elektrony sousednímu uhlíku srovnáním elektronegativit pro F (4,0); Cl (3,0); (2,8) a I (2,5) s uhlíkem C (2,5) však takový názor obecně neplyne doplníme jej proto představou, že vznikající halogenidové ionty mají konfiguraci vzácného plynu a tvoří se tím snadněji, čím je větší jejich objem máme tedy dva protichůdné vlivy, které spolu působí tak jak očekáváme I-89-7

8 alogenované uhlovodíky představují značné nebezpečí pro zdraví, zvláště u nižších homologů, s vysokou tenzí par či u halogenovaných aromátů. Jsou toxické, kancerogenní a při vdechnutí mění stav činnosti CS a jsou proto i zneužívány. Bezpečná koncentrace ve vzduchu je většinou 0 (ULA). Jejich lipofilní charakter umožňuje proniknutí do lipidických systémů a jejich narušení (poruchy metabolizmu kůže), nervové činnosti. Jsou proto i zneužívány. Čím větší halogen, tím větší náklonnost ke štěpení vazby C-X a vyšší nebezpečí působení rozkladných produktů (X, X -, aj.) Tetrachlormethan je významný kancerogen, o chlorovaných aromátech nemluvě (PCB - polychlorované bifenyly), DDT, dioxiny aj.. I-89-8

9 Významnými způsoby přípravy aklylhalogenidů jsou elektrofilní adice X na alkeny Cl, a I reagují s alkeny za vzniku halogenovaných uhlovodíků polárním mechanizmem za uplatnění Markovnikovova pravidla elektrofilní adice halogenů na alkeny brom a chlor reagují s alkeny za vzniku trans 1,2-dihalogenderivátů C 3 Cl 2 ; 2 Cl; ; I X X X C 3 C 3 I-89-9

10 radikálová reakce alkanů s chlorem či bromem v přítomnosti světla vznikají substituované alkany (iniciace, propagace, terminace) reakce je zajímavá ale nepříliš praktická (bromace dává selektivnější výsledky) Cl 2 hν Cl Cl plus dichlor-, trichlor- a vyšší deriváty uhlík primární sekundární terciární reaktivita 1,0 3,5 5,0 stabilita radikálu dobrá << střední << malá I-89-10

11 radikálová reakce cyklohexanu s chlorem v přítomnosti světla dlouho sloužila k výrobě insekticidu C (Lindan aj.) Cl hν Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl a mnoho dalších izomerů jejichž směs tvořila obchodní preparát I-89-11

12 jak již bylo řečeno, u radikálové bromace je průběh poněkud předvídatelnější C 3 3 C C 3 C 3 3 C C 3 C 3 3 C C 2 99 % <1 % důvod pro rozdíl mezi chlorací a bromací je ten, že změna reakční je u chlorace -50 kj bromace +13 kj, při odtržení protonu z alkanu radikálem a vytvoření uhlíkatého radikálu a halogenvodíku tvorba stabilnějšího terciárního radikálu je snadnější protože změny energií jsou menší u chlorace dochází k větším změnám energie a jsou tudíž generovány a synteticky využity i méně stabilní a méně reaktivní radikály v principu jde o úvahu podobnou amondovu postulátu I-89-12

13 amondův postulát Elektrofilní adice na nesymetricky substituovaný alken poskytuje karbokation, který je více substituován Více substituovaný karbokation je tvořen rychleji než méně substituovaný a jakmile jsou utvořeny, více substituovaný rychleji reaguje na konečný produkt Více substituovaný karbokation je stabilnější než méně substituovaný Stabilita klesá v řadě terciární > sekundární > primární > methylový Aplikace amondova postulátu na radikálovou reakci je umožněna podobnou škálou reaktivit a stabilit jako u iontů. I-89-13

14 Allylová bromace alkenů alkeny reagují s -bromosukcinimidem (BS) zapřítomnosti světla tak, že je substituován vodík v allylové pozici vedle dvojné vazby allylové pozice (BS) hν, CCl I-89-14

15 proč se tvoří zrovna allylový radikál? na cyklohexenu jsou tři druhy vodíků: allylový vodík 360 kj/mol (87 kcal/mol) vinylový vodík 445 kj/mol (106 kcal/mol) alkylový vodík 400 kj/mol (96 kcal/mol) srovnáním síly vazeb zjistíme, že preference odštěpení allylového vodíku je zřejmá; pro pořadí stabilit pak snadno odvodíme: R vinylový methylový primární sekundární terciární allylový nejméně stabilní <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< nejvíce stabilní R R R R R I-89-15

16 proč je allylový radikál tak stabilní? uhlíkový atom s nepárovým elektronem může zaujmout hybridizaci sp 2 a vytvořit strukturu, která je geometricky i elektronicky symetrická dvojná dvojná LUM allylový radikál je kreslen ve dvou rezonančních strukturách; rezonanční příspěvek jej stabilizuje M I-89-16

17 delokalizace radikálu přes allylový zbytek má i důsledek v regioselektivitě reakcí substrátů, které takové uspořádání obsahují, jako např. 1-okten: BS I-89-17

18 příprava alkylhalogenidů z alkoholů halogenací, působením halogenovodíků (-X), thionylchloridu (SCl 2 ), bromidu fosforitého (P 3 ) C 3 C 3 3 C 3 C 3 C C 3 reaktivita roste v řadě od methylového hydroxylu k terciárnímu 3 C Cl 3 C Cl 1-Me-cylkohexanol 1-chlor-1-methylcyklohexan I-89-18

19 SCl 2 Cl zatímco terciární alkohol je zaměněn za halogen již halogenovodíkem reaguje primární a sekundární obvykle s thionylchloridem či bromidem fosforitým P 3 I-89-19

20 reakce alkylhalogenidů s hořčíkem Grignardova činidla alkylhalogenidy reagují s kovovým hořčíkem (obvykle v etheru) za vzniku alkylmagnesiumhalogenidů RMgX, které jsou velmi užitečnými činidly; zvány jsou GRIGARDVA ČIIDLA (griňárova) R-C 2- -Mg + X se vyznačují významnou basicitou a nukleofilitou záporně nabitého uhlíku vedle hořčíku formálně můžeme alkylmagnesiumhalogenid R 3 C - Mg + X považovat za sůl slabé kyseliny R 3 C- (pk cca 44-60) karbanion pak bude silná báze Mg Mg Cl Mg MgCl alkylmagnesiumhalogenidy poskytují již působením slabých kyselin (včetně vody) uhlovodíky Mg 2 I-89-20

21 reakce alkylhalogenidů s organokovovými sloučeninami alkylhalogenidy po převedení na lithium diorganoměďné sloučeniny reagují s organokovovými sloučeninami za tvorby nové C-C vazby; taková reakce je pro organickou syntézu velmi užitečná organokovové sloučeniny se připravují také z alkylhalogenidů Li Li CuI Cu Li + dialkylměďné soli lithia jsou nazývány pro svoji užitečnost Gilmanovými činidly I-89-21

22 nukleofilní substituce halogenidů substituce jak již název napovídá jde o záměnu jedné skupiny skupinou jinou činidlo, které k naší látce přistupuje může být elektrofil nebo nukleofil u alkylhalogenidů přichází v úvahu substituce nukleofilní nukleofilem pak může být např. -, který vymění brom v metylbromidu za hydroxylovou skupinu - I-89-22

23 nukleofilní substituce halogenidů - C 3 C C 3 C 2 C - - C 3 C 2 C + - C 3 C C 3 C S - C 3 C 2 S + - R - C 3 C 2 -R + - reakce ethylbromidu jsou hezkým příkladem reakčních schopností alkylhalogenidů I-89-23

24 - při zkoumání takové reakce bylo ale zjištěno, že rychlost reakce závisí na koncentraci - iontů naopak při podobné reakci terc.-butylbromidu rychlost substituce na této koncentraci nezávisí, reakce probíhá tak, že se nejprve pomalu odštěpí brom C 3 C 3 - C 3 3 C 3 C 3 C C 3 C 3 C 3 podobný mechanizmus pro ethylbromid je možno napsat - - I-89-24

25 3 C C 3 C 3 3 C C 3 C 3 - C 3 3 C C obě reakce, podle druhu činidla, nazveme nukleofilní substituce, přičemž tu prvou ve které se sloučenina nejprve rozpadne na karbokation a ten reaguje dále s hydroxidovým iontem označíme jako substituci nukleofilní monomolekulární a tu druhou ve které vzniká spojením dvou částic meziprodukt říkáme substituce nukleofilní bimolekulární značíme je S 1 a S 2 I-89-25

26 - - Pro substituci S 2 je typický tzv. Waldenův zvrat, jde o to, že když si schema S 2 ukážeme v prostorovém provedení je jasné, že při něm dochází ke změně chirality asi tak jako se ve větru překlopí deštník - I-89-26

27 nukleofilní substituce na alkylovém uhlíku S 2 substituce jde o nejrozšířenější reakci v organické chemii probíhá tak, že v jednom kroku je atakován uhlík alkylu, který má odcházející skupinu (je atakován z opačné strany než je připojena tato odcházející skupina) a v témž kroku opouští přechodový intermediát skupina odcházející při reakci dochází k Waldenovu zvratu u reakce hodnotíme dobře a špatně odcházející skupiny a silné a slabé nukleofily I-89-27

28 nukleofilní substituce na alkylovém uhlíku S 2 substituce srovnání reaktivity uhlíků podle substituce C 3 C 3 C 3 3 C C 3 C C C 2 C 3 C C C 3 C 3 C 3 C < terciární neopentylový sekundární primární methyl sterická zábrana ataku centra zvyšuje energii transitního stavu a snižuje rychlost reakce srovnání vybraných nukleofilů 2 C 3 C 3 Cl C 3 I C S čím reaktivnější nukleofil tím je méně stabilní, snižuje energii transitního stavu a zvyšuje rychlost reakce I-89-28

29 nukleofilní substituce na alkylovém uhlíku S 2 substituce srovnání reaktivity uhlíků podle substituce; jsou systémy, které nereagují sterická zábrana I-89-29

30 nukleofilní substituce na alkylovém uhlíku S 2 substituce srovnání reaktivity odstupujících skupin, 2, R F Cl I Ts << dobře odstupující skupiny tvoří stabilní anionty, snižují energii přechodového stavu a zvyšují rychlost reakce srovnání S 2 reaktivity v rozpouštědle (nemožnost solvatovat iont zvyšuje jeho aktivitu (nahatý iont)) C 3 2 DMS DMF C 3 C MPA (C 3 ) 2 S (C 3 ) 2 C [(C 3 ) 2 ] 3 P protická rozpouštědla solvatují nukleofil a snižují reakční rychlost polární aprotická rozpouštědla solvatují kation a nechávají anion nahatý a zvyšují reaktivitu I-89-30

31 nukleofilní substituce na alkylovém uhlíku S 1 substituce terciární alkylhalogenidy podléhají nukleofilní substituci dvoustupňovým mechanizmem po disociaci odcházející skupiny vznikne (stabilní) karbokation, který je v druhém kroku stabilizován atakem nukleofilu disociační krok je pomalý a tím rychlost určující C 3 C 3 C C 3 3 C C 3 C C 3 3 C 3C 3 C C C 3 C 3 C C 3 I-89-31

32 nukleofilní substituce na alkylovém uhlíku S 1 substituce srovnání reaktivity různě substituovaných atomů uhlíku C 3 C 3 C 3 C C C 3 C C C 3 C 3 < srovnání stability přechodně vzniklých karbokationtů C C 3 C C C C C 2 C 3 C 3 C C 3 C C 3 C 3 methyl < primární < allyl = benzyl = sekundární < terciární čím stabilnější kation, tím snadnější je jeho vznik I-89-32

33 nukleofilní substituce na alkylovém uhlíku S 1 substituce srovnání reaktivity odstupujících skupin 2 < Cl < < I = Ts nejméně reaktivní nejreaktivnější čím je stabilnější anion, tím je reakce rychlejší úloha nukleofilu a jeho vlastností nehraje u S 1 reakcí větší roli je však třeba aby nebyl basický a nevyvolal kompetitivní eliminaci I-89-33

34 nukleofilní substituce na alkylovém uhlíku S 1 substituce srovnání reaktivity v různých rozpouštědlech čím má rozpouštědlo větší polaritu tím více je schopno stabilizovat karbokationt a tím více urychluje reakci (jeho tvorbu) Et Et/ 2 (4/6) Et/ 2 (8/2) voda I-89-34

35 eliminace E2 C C - a + C C δ- C C a B δ+ transitní stav nejlépe antiperiplanární alkylhalogenidy mohou ztratit X působením báze za tvorby alkenu pokud se použije silná báze jako, R, 2 probíhá eliminace X z alkylhalogenidu E2 mechanizmem halogenový iont opouští molekulu v týž moment ve kterém vytrhává báze vodík ze sousední polohy alkenu C 3 C-C 3 + K ---> C 3 C=C 2 + K + 2 C 3 C=C 3 + a 2 ---> C 3 C C + a + 3 a 2 2 a 3 všechny tři zmíněné reakce mají stejný mechanizmus I-89-35

36 eliminace Zajcevovo pravidlo δ- C C B δ+ transitní stav nejlépe antiperiplanární eliminace X z alkyl halogenidu proběhne tak, že vznikne více substituovaný alken 3 C C 2 C C 3 Eta Et 3 C C C C 3 3 C C 2 C C 2 2-buten 81% 1-buten 19% Eta 3 C C 2 C C 3 3 C C C C 3 3 C C 2 C C 2 Et C 3 C 3 C 3 2-methyl-2-buten 70% 2-methyl-1-buten 30% je-li to možné je hlavní substrát antiperiplanární ( trans-diaxiální ) I-89-36

37 eliminace E1 terciární alkylhalogenidy podléhají eliminaci E1 mechanizmem, který často soutěží s S 1, zejména použijeme li málo bazický nukleofil v hydroxylovém rozpouštědle reakce probíhá dvoustupňově, alkylhalogenid nejprve ztratí halogen a ve druhém kroku ztratí karbokation vodík a stabilizuje se vytvořením dvojné vazby C 3 C C C 3 C 3 C C 2 C C C 3 C 3 C 3 nejlepší substráty pro E1 reakci jsou stejné substráty jako ty nejlepší pro S 1 I-89-37

38 C 3 3 C C 3 Cl E2 1M Eta 3 C Cl E1 0,01M Eta 3 C C 3 C 3 = 3 C 3 C eliminace menthylchloridu E2 podmínky, silná báze v čistém alkoholu E1 podmínky, velmi zředěná báze ve vodném ethanolu I-89-38

39 srovnání reakcí alkylhalogenidů S 1 S 2 E1 E2 RC 2 X není velmi dobře není jen za přítomnost primární silné base R 2 CX možná u probíhá v možná u favorizována sekundární benzylových a kompetici s benzylových při použití allylových E2 reakcí a allylových silných basí halogenidů halogenidů R 3 CX terciární favorizována není probíhá v favorizována v hydroxylových kompetici s při použití rozpouštědlech S 1 reakcí basí I-89-39

40 reakce primárních alkylhalogenidů pokud je k dispozici dobrý nukleofil jako RS -, I -, C -, 3, - podléhají S 2 substituci pokud je báze silná a stericky bráněná dochází k E2 reakci C 3 C 2 C 2 C 2 + ac / TF+MPA > C 3 C 2 C 2 C 2 C 1-brombutan pentannitril C 3 C 2 C 2 C 2 + Me 3 CK > C 3 C 2 C=C 2 1-brombutan 1-buten I-89-40

41 sekundární alkylhalogenidy obvykle probíhá S 2 a E2 reakce v kompetici, převážně za vzniku směsi produktů pokud je použit slabě basický nukleofil převládá S 2 pokud je použita silná báze jako C 3 C 2 -, -, 2-, převládá E2 3 C slabá báze 3 C C 3 C 3 3 C C % 0 % silnou basí vzniká isopropylacetát 3 C C 3 3 C silná báze 3 C C 3 3 C C C % 80 % slabou basí ethylisopropylether ale většina propenu! I-89-41

42 terciární alkylhalogenidy E2 se vyskytuje v případech použití basí jako - a R - 3 C C 3 C 3 C 2 a Et 3 C C 3 C 3 3 C C 2 C 3 3 C 3 % 97 % alkoholátem v ethanolu poskytne ethylterc.-butylether a většinu 2-methylpropenu C 3 Et zahřívání 3 C C 3 C 3 3 C C 2 C 3 3 C 80 % 20 % zahříváním v ethanolu za neutrálních podmínek se poměr obrátí I-89-42

43 a závěr kapitoly zkusíme porozumět termínům oxidace a redukce v dnešním pojetí organické chemie. oxidaci chápeme jako reakci, při které se ztrácí elektronová hustota na uhlíku například jde o vytváření vazeb C-, C-, C-X a štěpení vazen C- redukci pak opačně jako její nabytí například jde o tvorbu vazeb C- a štěpení vazeb C-, C- a C-X chlorace methanu je pak oxidací, neboť zaniká vazba C- a tvoří se C-Cl převedení chlormethanu na methan přes Grignardovu sloučeninu pak vidíme jako redukci, neboť zaniká vazna C-Cl a vzniká vazba C- můžeme mít však reakce, při kterých nejde suma sumárum ani o oxidaci ani o redukci tradičně to bylo chápáno tak, že oxidace přidávala kyslík a redukce přidávala vodík I-89-43

44 C 3 -C 3 C 2 =C 2 C C C 3 - C 2 = C C 2 C 3 -Cl C 2 Cl 2 CCl 3 CCl 4 C C= C nižší oxidační stav vyšší oxidační stav I-89-44

45 Dusíkaté sloučeniny jde o sloučeniny, které obsahují vazbu C- v přírodě se vyskytují velmi mnoho, počínaje bílkovinami, nukleovými kyselinami a konče alkaloidy atd. atd. atd. 2 Ala-Gly-Gly-Phe-Val-Ala-Thr atd. C 3 cholinergní alkaloid ze semen betelové palmy Areca catechu L. C 3 2 cytidin I-89-45

46 Základní skupiny dusíkatých sloučenin jsou nitrosloučeniny - R + aminy 2 R aminokyseliny (probereme u kyselin) a z nich odvozené peptidy 2 diazosloučeniny R R Cl - + nitrososloučeniny R nitrily C R azidy - R + C 3 alkaloidy (probereme mezi přírodními sloučeninami) nukleové kyseliny a jejich komponenty (probereme mezi přírodními sloučeninami) 2 2 P P P atropin I

47 2 oligonukleotid fragment K 2 P P P P I-89-47

48 itrosloučeniny jde o uskupení typu R- 2, kde jsou k dusíku připojeny dva kyslíky stejnou vazbou řádu 1,5 představíme si to jako rezonanci dvou mezních struktur R R + či lépe R + R + R resonující struktura je asi nejvýstižnější R struktura se dvojnými vazbami obsahuje deset elektronů kolem dusíku přítomnost oddělitelných lokalit různých hustot elektronů (náboje) činí z nitroskupiny a nitrosloučenin velmi polární strukturu + I-89-48

49 nitromethan je zástupcem alifatických nitrosloučenin C 3 2, tekutina t.v. 101 C, t.v. -29 C, bod samovznícení 417 C, výbušná směs se vzduchem 7-60 %, je chemicky velmi reaktivní používá se jako palivo pro závodní a modelářské motory a meziprodukt v chemickém a farmaceutickém průmyslu nepříjemně páchne, dráždí kůži, oči a plíce, může ovlivnit CS, narušuje koordinaci pohybu svalů porušuje ledviny a játra, je na seznamu potenciálních karcinogenů nitroalkany mají podobné vlastnosti nitrobenzen C 6 5 2, žlutá tekutina intenzivní hořkomandlové vůně (práh detekce čichem až 0,005 ppm), t.v. 211 C, bod samovznícení 480 C, výbušná směs 2-40 % používá se ve výrobě výbušnin, barev, jako rozpouštědlo a meziprodukt je toxický a zvláště nebezpečný pro těhotné (přenos přes placentu) a alkoholiky (snížená tolerance) po intoxikaci (již 40 ppm ve vzduchu) působí sníženou kapacitu krve pro přenos kyslíku, dráždí kůži, oči a plíce, může ovlivnit CS, porušuje ledviny a játra, je potenciální karcinogen I-89-49

50 poznámka na okraj nitroglycerin není nitrosloučeninou je to ester alkoholu a kyseliny dusičné neobsahuje vazbu C ,4-dinitrotoluen se používá při výrobě plastů (polyurethanů) trinitrotoluen TT je nitrosloučeninou, obsahuje vazbu C I-89-50

51 nitrobenzen se připravuje nitrací benzenu působením směsi koncentrované kyseliny sírové a dusičné (nitrační směs) prvá vstoupivší nitroskupina, jakožto skupina 2. řádu, bude další nitraci (která je obtížnější než prvá nitroskupina odejme benzenovému jádru, zejména v polohách ortho a para, část elektronů) řídit do polohy meta, dále již reakce neprobíhá nitrobenzen je vodíkem na katalyzátoru či ve stavu zrodu (Fe/Cl) redukován na anilín, redukcí ve slabě kyselém prostředí vzniká fenylhydroxylamin přes nitrosobenzen I-89-51

52 pokud je aminový dusík obsažen jakou součást cyklického řetězce (jde o sekundární a terciární aminy) hovoříme o skupině látek známých jako dusíkaté heterocyklické sloučeniny nejdůležitější jsou pyrrol pyridin pyrimidin purin tyto heterocykly jsou podobně jako benzen aromatické, jejich molekula planární a π elektrony tvoří kruhové systémy (homocyklické jsou takové, které v cyklu opakují stále stejný atom) I-89-52

53 Poznámka na okraj, heterocykly pyrrol pyridin pyrimidin purin piperidin pyrrolidin furan 2-pyran 4-pyran [1,4]-dioxan tetrahydropyran S S S S S S thiofen 2-thiopyran 4-thiopyran [1,4]dithiin tetrahydrothiopyran S isothiazol isoxazol 1-pyrazol 2-[1,2,3]-triazol 2-imidazol I-89-53

54 chemické vlastnosti aminů ovlivněny zejména volným elektronovým párem na dusíku který může napadat centra s nedostatkem elektronů (nukleofil) a který je bazický pyramidální amoniak s nevazebným elektronovým párem isobutylamin s vyznačeným volným elektronovým párem I-89-54

55 podobně jako amoniak tvoří aminy s kyselinami amoniové sole, vodík kyseliny protonuje amin (kvarternizuje) a vzniká iontová sůl - pro zdůraznění přítomnosti elektronového páru se kreslí na dusíku čára atropin (alkaloid) B - tvorba kvarterních amoniových solí je reverzibilní, je možno působením silné báze převést sůl na původní amin sůl je mnohem rozpustnější ve vodě I-89-55

56 3 C 3 C 3 C C 3 2 S 4 3 C C 3 kofein S 1/2 nevazebný elektronový pár nukleofilního dusíku nemusí interagovat jen s protonem může napadat i elektrony nebohatý uhlík (například halogenderivát) přičemž vzniká také amoniová sůl 2 3 C Cl 3 C 2 C 3 Cl - 3 C 2 C 3 kvartérní amoniová báze, basicitou srovnatelná s alkalickými hydroxidy Ag 4 Cl I-89-56

57 aromatický amin má bazicitu výrazně sníženu tím, že elektrony 3 C C 3 sdílí s jádrem a zejména je odčerpá do poloh ortho a para v polohách ortho a para je pak relativně nejschůdnější elektrofilní atak I-89-57

58 dimethylamin, páchnoucí plyn, vyrábí se z methanolu a amoniaku, používá se při chemických syntézách, t.v. 7 C, bod samovznícení 401 C, explosivní směs 2-14 % ve vzduchu je toxický leptá kůži a způsobuje edém plic ethylendiamin, páchnoucí kapalina o t.t. 8,5 C, t.v. 116 C, bod samovznícení 385 C, explosivní směs 4-14 % leptá kůži a plíce, způsobuje edém plic 1,6-hexamethylendiamin, 1,6-diaminohexan, hygroskopická pevná látka, zápach lze cítit při 0,004 ppm, t.t. 40 C, bod vzplanutí 310 C, explosivní směs 0,7-6 %, rozpustná ve vodě používá se ve výrobě nylonu a polyamidů napadá oči, kůži a dýchací trakt (edém), ničí játra a ledviny, napadá plod těhotných anilín, páchnoucí kapalina, t.v. 184 C, používá se ve výrobě barviv, aditiv do pryží a organické syntéze dráždí oči a kůži, vyšší dávky zabrání krvi přenášet kyslík, LD může být 50 mg/kg způsobuje rakovinu a ničí játra I-89-58

59 naftylamin, 1-aminonaftalen, bílé krystaly slabě páchnoucí po amoniaku, t.t. 50 C, používá se ve výrobě barviv a organické syntéze, uveden na seznamu kancerogenů, kromě toho zabrání krvi přenášet kyslík, porušuje kůži a plíce 1,4-benzendiamin, p-fenylendiamin, narůžovělé krystalky, t.t. 267 C, používán k výrobě barviv, vývojek a umělých hmot, narušuje kůži a plíce, zabrání krvi přenášet kyslík, ničí ledviny a játra pyridin, páchnoucí kapalina, t.v. 115 C, bod samovznícení 482 C, výbušná směs 2-12 % používá se jako rozpouštědlo, denaturační přísada do lihu, aj. napadá CS, dráždí oči a kůži, ničí ledviny a játra pyrrol a pyrimidin jsou obsaženy v mnoha přírodních látkách I-89-59

60 do skupiny aminů patří celá řádka drog, jelikož jsou často odvozeny od rostlinných alkaloidů C 3 3 C morfin kodein heroin C 3 3 C C 3 C 3 C 3 C C C C methadon meperidin I-89-60

61 do skupiny aminů patří celá řádka drog, jelikož jsou často odvozeny od rostlinných aminů či alkaloidů R 1 R3 R 2 R 1 R 2 R 3 psilocybin P 3 2 Me Me psilocin Me Me baeocystin P 3 2 Me norbaeocystin P C C3 C 3 C 3 C 3 kokain (coke.cl) freebase, crack C 3 perník, piko MDMA, extasy 2 mezkalin C 3 2 amfetamin C C C C I-89-61

62 basicita některých běžných aminů (pk amoniového iontu) 3 3 C 2 3 C 2 3 C C 3 3 C C 3 3 C C 3 C 3 C 2 5 C 2 5 C amoniak 9,26 primární ethylamin 10,81 methylamin 10,66 sekundární pyrrolidin 11,27 dimethylamin 10,73 diethylamin 10,49 terciární triethylamin trimethylamin aromatický anilin 4,63 heterocyklický pyridin 5,25 pyrrol 0,4 I-89-62

63 proč je pyrrol téměř nebasický? snadno, amin může poskytovat svůj nevazebný elektronový pár pyridin má nevazebný elektronový pár částečně (cca 1/3) účasten na interakci s elektronovým orbitalem heterocyklu, jeho basicita je omezena pyrrol má volný elektronový pár plně účasten do aromatického sextetu a tudíž nezbývá nic, čím by mohl interagovat poskytnutím volných elektronů dusík dusík I-89-63

64 jak je to vlastně s tou bazicitou? A A pokud bude amoniová sůl bude báze silnější kyselina aminu slabší (má větší pk a ) R R bude-li amoniová sůl bude odpovídající báze slabší kyselina aminu silnější (má menší pk a ) platí to pro bázi opačně za použití pk b, neboť pk a + pk b = 14 I-89-64

65 aminy můžeme snadno oddělit ze směsi amin + neutrální látka neutrální látka v etheru vodná vrstva s amonnou solí etherová vrstva s aminem anorganické sole ve vodě v prvém kroku rozpustíme směs v etheru a přidáme kyselinu ve vodě amin zkvarternizuje a vytvoří sůl dobře ve vodě rozpustnou neutrální látka zůstane v etheru vodný roztok aminu zalkalizujeme a přidáme ether kvarterní sůl se přemění na amin a amin se rozpustí v etheru sole zbudou ve vodě I-89-65

66 aminy připravujeme redukcí nitrilů, azidů, amidů a nitrosloučenin C LiAl LiAl LiAl C C 2 / Pt 3 C C 2 C 3 C 3 I-89-66

67 2 3 C Cl 3 C 2 C 3 Cl - 3 C 2 C 3 Ag již bylo řečeno, že nukleofilní amin napadá uhlík v alkylhalogenidu a to jak primární tak sekundární, terciární amin ale i sám amoniak vznikají výše substituované aminy jde vlastně o další možnost jejich přípravy 3 2 I-89-67

68 zajímavá je Gabrielova syntéza aminů, která používá cyklický imid např. imid kyseliny ftalové, ftalimid takový imid je deprotonován louhem, vznikne sůl, ftalimid kalium jehož dusík může být alkylován po rozložení imidu vzniká čistý primární amin K/Et RX K R louh/voda 2 R I-89-68

69 aminy lze připravovat i reduktivní aminací karbonylových sloučenin C C 3 C 3 2 /i 2 C 3 pokud místo amoniaku použijeme amin vznikají místo primárního aminu aminy vyšší I-89-69

70 dusíkaté deriváty karboxylových kyselin můžeme převést na aminy offmanův přesmyk amidů a, R 2 2 R 2 C 2 Curtiův přesmyk acyl azidů 2, R + R 2 C 2 2 aminosloučeniny získáme i otevíráním epoxidů 3 2 I-89-70

71 podobně jako alkoholy mohou eliminací z aminů vzniknout nenasycené sloučeniny jelikož je však 2- špatná odstupující skupina musí být převedena na lepší, např. methylací eliminace se nazývá ofmanova eliminace 3 C I C 3 I - 3 C 2 3 C C 3 C 3 Ag 2, voda, teplo 3 C C 2 C 3 C 3 C3 při ofmanově eliminaci vzniká méně substituovaný alken (na rozdíl od Zajcevova pravidla pro eliminaci alkyl halidů) I-89-71

72 elektrofilní aromatická substituce u anilínu probíhá do poloh para a ortho aminoskupina velmi silně aktivuje benzenové jádro (monoderivát nelze zachytit) můžeme ale snížit aktivaci převedením aminu na amid a pak provést substituci 2 3 C 3 C 3 C 2 2 C 3 C 3 C 3 C I C 3 C 3

73 organické aromatické aminy reagují s kyselinou dusitou v přítomnosti anorganické kyseliny (kyselina dusitá se uvolňuje z dusitanu) 2 Cl Cl Cu 2 Cl 2 Cl Cl - vznikají diazoniové sole, které lze hydrolyzovat na fenoly či lze diazoskupinu substituovat i jinak I-89-73

74 I Cl Cl CuCl Cu ai S - 4 KC CuC C 3 P 2 Cu 2 Cu( 3 ) 2 voda Z - Reakce arendiazoniové soli s bromidem či chloridem měďným se zove Sandmayerova reakce I-89-74

75 diazoniové soli reagují s aktivovaným aromatickým jádrem (aktivace - či -R 2 skupinou) za vzniku derivátů azosloučenin odvozených od azobenzenu Cl - reakce zvaná kopulace se samotným benzenem neprobíhá slouží k výrobě barviv I-89-75

76 3 C 3 C p-dimethylaminoazobenzen, máslová žluť vyvolává dermatitidy a rakovinu močového měchýře a jater a C 3 S C 3 sodná sůl 4-(4'-Dimethylaminophenylazo)benzen-1-sulfonylové kyseliny methylorganž, helianthin I-89-76

77 amidy jsou dusíkatými deriváty karboxylových kyselin 2 jejich basicita je nízká a jsou slabými nukleofily neprotonují se vodnými kyselinami způsobeno je to tím, že se nevazebný elektronový pár překrývá s karbonylem lze si představit resonanční struktury 2 I-89-77

78 z Grignarových sloučenin lze získat organické deriváty B, Si, P, As, Sb, Bi P As Sb Bi Mg SnCl 4 Sn Mg Cd 2 Cd těchto organokovových sloučenin se používá v organické syntéze k přípravě některých specialit, a např. ke generování organických radikálů I-89-78

79 organické deriváty fosforu, arsenu, antimonu a vizmutu používané v praxi P As Sb Bi C Bi zásaditý gallát vizmutitý Dermatol, antacidum Bi bibrokathol antiseptikum S C a sodná sůl kyseliny [(5-oxo-1,3,2-oxathiostibolan-2-yl)thio]octové Sb S anthelmintikum 2 As arsanilová kyselina, zvyšuje účinnost krmení zvířat 2 2 As S As S melarsoprol, proti trypanosomálním infekcím oxophenylarsin, kokcidiostatikum I-89-79

80 organické deriváty fosforu, arsenu, antimonu a vizmutu používané v praxi Cl As P 3 C phosphinothricin, herbicid 2 C P As Sb Bi adamsit, bojová chemická látka, součást slzných aerosolů 3 C C 3 P C 3 C fosinopril, antihypertensivum P 3 C 3 C CCl 3 trichlorfon, antihelmintikum P P C P glyphosin, regulátor růstu rostlin tetraphenylphosphonium diagnostikum I-89-80

81 rganokovové sloučeniny je známo, že alkylhalogenidy reagují s kovy 3 C I Zn 3 C Zn C 3 3 C I Zn/Cu 3 C Zn I užitečnost některých jsme již poznali, viz Grignardovy sloučeniny 3 C I Mg 3 C Mg I Mg Mg 2 C Mg 2 C Mg Grignardovy sloučeniny jsou stabilizovány solvatací rozpouštědly, která jsou zpravidla ethery R Mg R Mg I-89-81

82 Podobně jako Grignardovy sloučeniny mohou sloužit k výstavbě uhlíkatých skeletů i sloučeniny organolithné, případně organohlinité Cl Li Li Li Li I Al Al I 2 Al I příklad takového prodloužení uhlíkatého řetězce může vypadat: R Li R' Li R R' Li R R' I-89-82

83 a to je pro dnešek vše! I-89-83