Příklady ke Speciálnímu semináři z organické chemie II

Transkript

1 Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity Ústav chemie Příklady ke peciálnímu semináři z organické chemie II Jaromír Literák 11. října 2011

2 bsah bsah 1 Doporučená literatura 2 Psaní mechanismů organických reakcí 3 alogenderiváty, alifatická nukleofilní substituce 14 Reaktivita nukleofilu Vliv rozpouštědla na nukleofilní substituce Aplikace AB na nukleofilní substituce Příklady Řešení příkladů Eliminační reakce 30 1,2-Eliminace X Eliminace vs. nukleofilní substituce Regioselektivita eliminací (ofmannovo a Zajcevovo) Intramolekulární cis eliminace Nukleofilní substituce a 1,2-eliminace Příklady Řešení příkladů Akoholy, fenoly, ethery 46 Reaktivita alkoholů Příklady

3 Doporučená literatura: n-line materiály ke cvičení Potáček, M.; Mazal, C.; Janků,.: Řešené příklady z organické chemie, 1. vyd. Masarykova univerzita v ně, McMurry, J.: rganická chemie, 1. vyd., Nakladatelství VUTIUM a VŠCT, Praha, voboda, J. a kol.: rganická chemie I. VŠCT Praha n-line verze Panico, R; Powell, W..; Richer J.-C.: Průvodce názvoslovím organických sloučenin podle IUPAC, Academia, Praha, ayden, J.; Greeves, N.; Warren,.; Wothers, P.: rganic Chemistry. xford University Press, olomons, G. T. W.: rganic chemistry, New York: John Wiley & ons, Potáček, M.: rganická chemie pro biology. 1. vyd., Masarykova univerzita, no,

4 Psaní mechanismů organických reakcí Mechanismus chemické reakce je sled elementárních chemických reakcí, ze kterých se skládá chemická přeměna výchozích látek na produkty. Pro organickou chemii je charakteristická velká strukturní pestrost sloučenin a velký počet organických reakcí, které většinou nesou jména svých objevitelů. Důležitým rysem organických reakci je, že jsou sledem relativně malého počtu jednoduchých reakčních kroků a teprve jejich kombinace dává vzniknout celé škále organických reakcí. Přijetí tohoto pohledu velice usnadňuje pochopení na první pohled složitých organických reakcí a také umožňuje s velkou pravděpodobností předpovídat jejich průběh a produkty. Následující kapitola slouží jako pomůcka k pochopení průběhu organických reakcí a měla by vést k získání základni schopnosti předpovědět způsob, jakým určitá organická látka bude reagovat a navrhnout mechanismus přeměny. Je nutné si však pamatovat, že mechanismus chemické reakce musí být potvrzen experimentálně, nelze jej vytvořit na papíře. Dominantní část organických reakcí probíhá polárním mechanismem. Můžeme si představit, že zahrnují pohyb elektronové hustoty z místa jejího přebytku do místa s elektronovým zředěním. Molekula nebo atom, která je zdrojem elektronů, se nazývá nukleofil, molekula nebo atom, který vykazuje nedostatek elektronové hustoty, se nazývá elektrofil. Reagující části molekul a způsob jejich interakce můžeme proto často odhadnout z rozložení elektronové hustoty v molekule. Nukleofil nemusí nést pouze nevazebný elektronový pár, zdrojem elektronového páru může být také π nebo σ vazba. Elektrofil nese prázdný orbital. E N E E Li Pro vysvětlení a případně předpovězení reakcí organických sloučenin často postačuje vzít v úvahu rozložení elektronové hustoty v molekule, které může napovědět, která část molekuly bude napadána elektrofilem a která nukleofilem. Je vhodné si však uvědomit, že o preferovaném směru pohybu atomů a molekul během reakce nerozhoduje pouze elektrostatické přitahování nebo odpuzování úplně nebo částečně nabitých atomů, ale také vazebný překryv orbitalů reagujících částic, který směřuje ke vzniku kovalentní vazby. bě interakce se mohou uplatňovat současně, jejich podíl na reaktivitě je ale u různých reakcí proměnlivý. Často oba efekty působí souhlasně, mohou se však také rozcházet. Jako příklad může sloužit adice nukleofilů na α,β-nenasycené karbonylové sloučeniny. + Nu Nu 1,2-adice + 1,4-adice Nu 3

5 Adice nukleofilu na karbonyl, tedy 1,2-adice, vykazuje větší příspěvek elektrostatického přitahováni, než je tomu u adice na aktivovanou vazbu C=C. Naopak u 1,4-adice má větší podíl na řízení reakce interakce orbitalů. Je vhodné si uvědomit, že uvedené úvahy vedou k odhalení preferovaného způsobu přiblížení atomů nebo částí molekul v první fázi reakce, neurčují jednoznačně, jaké vazebné změny nastanou. síle orbitalní interakce rozhoduje jak stupeň vzájemného překryvu orbitalů v prostoru, tak energetická blízkost překrývajících se orbitalů. Čím je rozdíl energií menší, tím je jejich interakce silnější. Energie Roste síla kovalentní vazby Při přiblížení dvou molekul k sobě dochází k překryvu řady jejich molekulových orbitalů, ale naprostá většina těchto interakcí nevede k reakci kombinace dvou obsazených orbitalů je protivazebná, také kombinace orbitalů prázdných nebo energeticky vzdálených nehraje roli. Určující (nejsilnější) interakcí je překryv nejvyššího obsazeného molekulového orbitalu (M) jedné molekuly a nejnižšího neobsazeného molekulového orbitalu (LUM) druhé molekuly. Ze dvou možných kombinací M-LUM určuje průběh reakce pár, u něhož je rozdíl energií příslušných orbitalů nejmenší. Energie LUM M LUM M LUM M LUM M Pro sílu elektrostatické interakce je rozhodující rozložení elektronové hustoty v molekule a s tím související zředění případně přebytek elektronové hustoty v určitých částech reagujících molekul. Na reakci elektrofilu s nukleofilem se můžeme dívat jako na interakci Lewisovy kyseliny s Lewisovou bází. Podle převažujícího druhu vazby, který se v páru uplatňuje, můžeme tyto kyseliny a báze rozdělit na měkké a tvrdé. Měkké kyseliny a báze interagují s protějškem především kovalentní vazbou, kdy rozhodující roli hraje překryv molekulových nebo atomových orbitalů. Naopak převažující interakcí u tvrdých kyselin a zásad je elektrostatické 4

6 přitahování. amozřejmě mezi těmito dvěma extrémy existují kyseliny a báze, kterých se oba druhy přitažlivých sil uplatňují přibližně stejně. Podle teorie měkkých a tvrdých kyselin a zásad (AB) se spolu přednostně vážou měkké nebo tvrdé kyseliny a báze. Následující tabulka poskytuje základní přehled dělení měkkých a tvrdých kyselin a zásad. Lewisova báze Lewisova kyselina tvrdé 2,, F, RC +, Li +, Na +, K +, Al 3+, R, R, R 2 Mg 2+, Ca 2+, BF 3, B(R) 3 N 3, RN 2, N 2 N 2 Al( ) 3, Al 3, RC + PhN 2, C 5 5 N, Fe 2+, Co 2+, Cu 2+, Zn 2+ Pb 2+, n 2+, B( ) 3 R 3 C +, C R 2, R, R, I, CN Cu +, Ag +, g +, Pd +, I 2 R 3 P, (R) 3 P, CN, R 2, karbeny, radikály měkké C 6 6, C 2 4 Adice hydroxidového aniontu na formaldehyd ouhlasné směrování průběhu reakce elektrostatickou a orbitalovou interakcí lze demonstrovat na příkladu nuhleofilní adice hydroxidového aniontu na karbonylovou skupinu formaldehydu. Pro směr příchodu nukleofilu je určující kombinace nevazebného elektronového páru, který představuje LUM molekuly, s protivazebným π orbitalem vazby C=, který odpovídá M formaldehydu. rbitaly π vazby vznikají kombinací dvou atomových p orbitalů, do vazebného orbitalu přispívá větší měrou p orbital elektronegativnějšího atomu kyslíku, do protivazebného orbitalu π přispívá větší měrou p orbital atomu uhlíku. Pokud se interakce s nukleofilem účastní π orbital, lepšího překryvu bude dosaženo při přiblížení hydroxidového aniontu k atomu uhlíku. C π* C C n 1 n 2 C π Pro odhad rozložení elektronové hustoty π vazby můžeme využít rezonančních struktur. Ve výsledném hybridu bude mít největší váhu struktura bez separovaných náboju, ze dvou polarizovaných struktur bude mít větší váhu ta, která vede k zápornému náboji na elektronegativním atomu kyslíku 5

7 a kladnému náboji na elektropozitivnějším atomu uhlíku. Výsledná elektronová hustota vazby C= je proto v souladu s rozdílem elektronegativit posunuta k atomu kyslíku, na atomu uhlíku vzniká parciální kladný náboj, který přitahuje záporně nabitý atom kyslíku hydroxidového aniontu. δ δ bě interakce budou směřovat nukleofil k příchodu na atom uhlíku vazby C=. Adice nukleofilu na atom uhlíku povede k posunu vazebného elektronového páru π vazby na atom kyslíku a ke vzniku nové jednoduché vazby C. Nukleofilní substituce u jodmethanu Elektronová hustota vazby C I v jodmethanu není díky zanedbatelnému rozdílu elektronegativit prvků téměř polarizována, přesto může dojít k překryvu elektronového páru nukleofilu s protivazebným σ orbitalem vazby C I. Maximálně výhodného překryvu je dosaženo příchodem nukleofilu k atomu uhlíku v ose vazby C I. Během přibližování nukleofilu roste pevnost jeho vazby k atomu uhlíku, naopak slábne vazba mezi atomem uhlíku a jodu. Nu I Nu I Nu I σ* Výsledkem reakce je vznik vazby C Nu a a součinně s tím probíhající vypuzení jodidového aniontu jako odstupující skupiny. 6

8 Doporučení pro psaní mechanismů organických reakcí 1. Při zápisu rekcí se setkáváme s různými druhy šipek, které nemůžeme zaměňovat reakční šipka, přechod od reaktantů k produktům rovnovážná šipka, označení zvratné reakce šipka oddělující rezonanční struktury 2. Pohyb elektronů při zápisu mechanismu označujeme pomocí zahnutých šipek pohyb elektronového páru pohyb jednoho elektronu Tyto šipky používáme pouze k označení pohybu elektronů, nesmíme je použít ke znázornění pohybu atomů! C C C C C C Značky, ze kterých není patrný pohyb elektronů při reakci, se snažte nahrazovat zahnutými šipkami 3. Pokud jsme identifikovali způsob, jakým spolu látky reagují, strukturu produktu jednoduše odvodíme provedením vazebných změn znázorněných zahnutými šipkami. Všechny ostatní vazby zůstávají zachovány. + 7

9 4. Pokud je známá struktura výchozích látek a produktů a máte napsat reakční mechanismus, určete, jakým způsobem byly jednotlivé výchozí látky zabudovány do molekuly produktu, a určete, které vazby byly reakcí dotčeny! Pokuste se posléze mechanismus rekonstruovat! + C N + 3 C N 5. Je vhodné, alespoň do získání určité zběhlosti, kreslit reakční mechanismy po elementárních krocích. Přestože je to pracnější, lépe to umožní vyhnout se chybám a v neposlední řadě také pochopit průběh reakce Při psaní mechanismů zvratných reakcí můžeme využít principu mikroskopické reverzibility zvratná reakce probíhá přes naprosto stejné meziprodukty a stejné jsou i vazebné změny, jen se obrací jejich pořadí a obrací se také směr pohybu elektronové hustoty. Využití tohoto principu je ukázáno v následujícím textu na reakci s ethanolem. 7. Při. Například kysele katalyzovaná hydrolýza aceton-dimethylacetalu a trimethyl-orthoacetátu poskytuje rozdílné produkty (vedle methanolu i aceton nebo kyselinu octovou), mechanismy obou reakcí však začínají velice podobnými kroky. V obou případech může po protonaci - skupiny dojít k odstoupení methanolu a vzniku kationtů, který je stabilizován konjugací s - skupinou

10 8. Rezonanční struktury ukazují rozložení elektronové hustoty v konjugovaných π systémech. Je rozumné při odvozování rezonančních struktur začít pohybem elektronového páru dvojné vazby k elektronegativnímu atomu nebo pohybem elektronového páru od donorního atomu. Při odvozování rezonančních struktur se snažíme postupovat po krocích, vyhýbáme se složitým přesunům elektronové hustoty. N 2 N 2 N 2 N 2 C N C N C N C N Pamatujte, že rezonanční struktury nejsou existujícími formami molekuly, jedná se pouze imaginární vzorce odvozené polarizací elektronové hustoty v konjugovaném π systému. Ani jedna rezonanční struktura plně nevystihuje rozložení elektronové hustoty v molekule, o tom vypovídá až jejich kombinace. výjimkou některých symetrických molekul také nelze kvantifikovat příspěvek jednotlivých rezonančních struktur k výslednému hybridu, jejich příspěvek lze jen odhadovat na základě kvalitativních úvah. 9. U prvků druhé periody nesmí být překročen elektronový oktet! Pokud během reakce hrozí překročení elektronového oktetu na tomto atomu, musí současně některá z vazeb vycházejících z tohoto atomu zaniknout. N N 10. Mechanismus reakce probíhající v silně kyselém prostředí nemůže zahrnovat silně bazický meziprodukt. Pokud v reakční směsi nenajdeme vhodný pár elektrofilu a nukleofilu, který by vyhovoval, je vhodné protonovat bazický atom v elektrofilu. ilná báze pkb ~ -1 C3 C3 9

11 11. Podobně reakce probíhající v silně zásaditém prostředí nemůže probíhat přes silně kyselé meziprodukty. Pokud v reakční směsi nenajdeme vhodný pár elektrofilu a nukleofilu, který by vyhovoval, je vhodné deprotonovat elektronegativní atom v nukleofilu. C ilná kyselina pka ~ -1 C3 C3 12. V každém kroku chemické reakce dochází k zachování celkového náboje. Ph Ph P Ph Ph + I Ph P Ph I 13. nažíme se vyhnout tomu, aby meziprodukty reakce byly vysoce nestabilní molekuly, ionty nebo radikály, pokud jejich přítomnost v reakční směsi nebyla prokázána. 14. Kladně nabitý atom nemusí být vždy elektrofilem. Nu Nu Nu Nu 15. I minoritně zastoupený meziprodukt v rovnováze s výchozí látkou může poskutnout hlavní produkt reakce. Podmínkou je, aby jedná z následných reakcí byla nevratná, nebo aby byl produkt vysoce stabilní 10

12 a jeho vznik by byl preferován termodynamicky. Například aldolová kondenzace acetonu s benzaldehydem za bazické katalýzy zahrnuje acidobazickou rovnováhu acetonu s jeho enolátem, který dále reaguje s benzaldehydem za vzniku produktu. Rovnováha je výrazně posunuta ve prospěch acetonu, protože však jedna z reakcí, které vycházejí z enolátu, je nevratná, dochází odčerpáváním enolátu neustále k posouvání rovnováhy a odčerpávání acetonu. + Na (kat.) C pka ~ 20 pka = 15,74 11

13 Ukázka užití pravidel při psaní mechanismu organické reakce Reakce ethanolu s Jeden ze způsobů přípravy alkylhalogenidů spočívá v působení příslušné halogenvodíkové kyseliny na alkohol: ba reaktanty obsahují elektronegativní atomy, které vyvolají polarizaci elektronové hustoty, navíc vazby a jsou kyselé, mohou být zdrojem +. δ δ δ δ δ rovnání výchozích látek naznačuje, že během reakce dochází k nahrazení skupiny atomem chloru, kyslík původní skupiny se stane součástí vody, druhého reakčního produktu. V souladu s rozložením elektronové hustoty můžeme navrhnout jako první krok následující nukleofilní atak částečně kladně nabitého atomu uhlíku atomem chloru v molekule : Přestože by reakce vedla k požadovaným změnám, vzniku vazby C a zániku vazby C, reakce nemůže proběhnout. Atom chloru v molekule chlorovodíku je velmi špatný nukleofil, reakce by také vyžadovala odstoupení hydroxidového aniontu, který je velice špatně odstupující skupinou, navíc je silná báze, která by podle tohoto návrhu figurovala jako meziprodukt reakce probíhající v silně kyselém prostředí. Druhá možnost, která na první pohled nevede k produktu, je napadení atomu vodíku v nukleofilním atomem kyslíku alkoholické skupiny. Protože se však jedná o acidobazickou reakci, atom kyslíku je označován jako báze. Tato reakce je vysoce pravděpodobná, jedná se o analogii disociace chlorovodíku ve vodě. Vznikem kladného náboje na atomu kyslíku ještě více vzroste jeho elektronakceptorní charakter a v důsledku toho se zvýší parciální kladný náboj na k němu připojeném atomu uhlíku, vzniklý chloridový aniont je díky 12

14 svému zápornému náboji mnohem lepším nukleofilem než, ale nejdůležitějším faktorem je skutečnost, že vazba C je oslabena a protonovaná skupina je dobře odstupující skupina, jejím odštěpením vznikne stabilní molekula vody. Můžeme tedy navrhout druhý krok mechanismu: Reakce probíhá součinně, vazba C musí postupně zanikat se vznikem vazby C. Pokud by došlo nejdříve k adici na atom uhlíku, došlo by k překročení elektronového oktetu, pokud by nejdříve odstoupila protonovaná skupina, vznikl by relativně nestabilní primární karbokationt. Můžeme tedy napsat mechanismus celé reakce: Reakce však může probíhat opačným směrem, chlorethan v přítonosti vody pomalu hydrolyzuje na ethanol a. Mechanismus zpětné reakce není potřeba složitě odvozovat, rekce probíhá přes stejné meziprodukty, stačí jen obrátit všechny šipky v mechanismu: 13

15 1. alogenderiváty, alifatická nukleofilní substituce Mechanismy alifatické nukleofilní substituce N 1 a N 2 navrženy ve třicátých letech 20. století angličany E. D. ughesem a C. Ingoldem. N 2 Chirální substrát R 1 Nu X R 2 R 3 nukleofil substrát pomalu Nu R 1 R 3 R 2 + X v = k*[nu]*[r-x] inverze konfigurace N 1 R 1 R 2 R 3 X pomalu - X R 3 R 3 R 2 Nu rychle R 2 R 1 R 3 Nu v = k*[r-x] racemizace (nemusí být úplná) Mechanismy N 1 i N 2 často probíhají současně, může být ale řádový rozdíl v rychlostech: Rychlost reakce (log k) N 2 N 1 C C C C Převažující mechanismus nukleofilní substituce můžeme odhadnout ze struktury substrátu: 14

16 Typ substrátu N 1 N 2 Methyl X ne velmi dobře Prim. alkyl RC 2 X ne dobře ek. alkyl R 2 C X ano ano Terc. alkyl R 3 C X velmi dobře ne Allyl C 2 =C C 2 X ano dobře Benzyl ArC 2 X ano dobře α-karbonyl RCC 2 X ne výborně α-alkoxy RC 2 X výborně dobře α-amino R 2 NC 2 X výborně dobře dstupující skupina (nukleofug) Jedná se zpravidla o konjugovanou bázi silné kyseliny: X =,, I, R, R, R P, R, 2, N 2 R bvykle platí, že kvalita odstupující skupiny roste s rostoucí kyselostí její konjugované kyseliny. Například pro reaktivitu halogenidů jako odstupujících skupin platí následující pořadí: I > > F Reaktivita nukleofilu Nukleofil může vystupovat také jako báze, neexistuje však obecná korelace mezi bazicitou (pozicí acidobazické rovnováhy vyjádřenou pomocí pk A ), a nukleofilitou (rychlostí nukleofilní substituce s definovaným substrátem). Korelace existuje jen v řadě nukleofilů, jež mají stejný nukleofilní atom. Následující tabulka umožňuje vzájemné srovnání bazicity a nukleofility různých částic. Nukleofilita je v tomto případě vyjádřena pomocí rychlosti reakce daného nukleofilu s jodmethanem v methanolu, kdy k 0 = k C3. Nukleofil k/k 0 pk A konjugované kyseliny 1,0 1,7 F 5, ,45 C 2, ,8 2, ,7 N 3 3, ,25 N 3 6, ,74 Ph 6, ,89 6, ,7 2, ,7 15

17 Nukleofil k/k 0 pk A konjugované kyseliny Et 3 N 5, ,70 CN 5, ,3 I 2, ,7 Ph 7, ,5 Nukleofilita různých heteroatomů klesá v tomto pořadí: R-e > R- > R- R 3 P > R 3 N 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). Naopak tranzitní stav reakce probíhající mechanismem N 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 (DM), N,N -dimethylformamid (DMF), acetonitril (ethannitril), hexamethylfosforamid (MPA). V případě acetonu představuje záporněji nabitou část molekuly atom kyslíku, jenž není výrazně sterický stíněn a může proto dobře solvatovat anionty. Naopak kladnější část dipólu molekuly je, podobně jako dalších vyjmenovaných rozpouštědel, stíněna alkylovými skupinami, solvatace aniontu není proto dobrá. Na I 16

18 Vliv solvatace na nukleofilitu (a tím i rychlost N 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. Aplikace AB na nukleofilní substituce AB 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 N 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. Nu X Nu σ* Při N 1 se elektrofil chová spíše jako tvrdá kyselina, při reakci dochází k separaci nábojů a s nukleofilem reaguje částice nesoucí plný kladný náboj. Následující tabulka zachycuje srovnání důležitých vlastností měkkých a tvrdých bazí (nukleofilů): Tvrdé báze (nukleofily) Měkké báze (nukleofily) Velikost Malé Velké Náboj Nabité Bez náboje Bazicita Bazické 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 píše atakuji tvrdší elektrofily Atakují přednostně nasycené elektrofil (např. atom uhlíku C=) atomy uhlíku (sp 3 ) Příklad R N 2 Li R I R 3 P 17

19 Příklady: 1. omethan lze připravit zahříváním ethanolu s kyselinou bromovodíkovou dochází k nahrazení skupiny za mechanismem N 2. Lze jej ale také připravit reakcí ethanolu s bromidem draselným? Vysvětlete! + T K T? 2. Následující grafy zachycují závislost rychlosti nukleofilní substituce na koncentraci substrátu a nukleofilu. Která závislost indikuje monomolekulární a která bimolekulární mechanismus reakce? R X + Nu R Nu + X a) v [Nu ] = konst. v [R-X] = konst. [R-X] [Nu ] b) v [Nu ] = konst. v [R-X] = konst. [R-X] [Nu ] 3. Dopňte produkty nálsedujících reakcí! a) + d) + N 3 b) c) + I e) f) + NaCN + NaN 3 + I 18

20 4. alogenderiváty anorganických kyselin (PX 3, PX 3, PX 5, 2 2, 2, C 2 ) se často používají k přeměně alkoholů na halogenderiváty. Napište mechanismus první reakce a doplňte produkty ostatních reakcí včetně jejich stereochemie! P pyridin 5. Co vznikne reakcí následujících etherů s I? a) b) C T 3 + I + I T 6. Proč jsou polární aprotická rozpouštědla vhodná jako prostředí pro N 2? Jak se liší solvatace NaI v ethanolu a v acetonu? Proč polární protická rozpouštědla (alkoholy) urychlují N 1? 7. Doplňte produkty reakcí, kterými lze připravit halogenderiváty! a) hν + 2 d) N b) Ph Ph + 2 e) + NaI Aceton c) + N hν 8. Navrhněte mechanismus následujících reakcí! a) b) Na I 2 + I I 19

21 9. Doplňte rovnice! a) b) +? Na 2 +? 10. Reakce N 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 NaCN v ethanolu, vzniká výhradně pentannitril, kdežto za stejných podmínek z 2- chlor-2-methylpropanu vzniká ethyl(terc-butyl)ether. Vysvětlete! 0,01 M NaCN Et CN 0,01 M NaCN Et 11. 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). Na schématu jsou rovněž uvedeny kinetické rovnice, kterými se řídí oba mechanismy. Druhý mechanismus zahrnuje dvě následné N 2 reakce, proč ale celková rychlost nezávisí na koncentraci? Vysvětlete závislost výsledku reakce na koncentraci! a) C C C + v = k 1 *[R-]*[ - ] 1 x N 2 = inverze konfigurace b) C v = k 2 *[R-] 2 x N 2 = retence konfigurace 20

22 12. Reakce N 2 mnoha alkyl bromidů a chloridů jsou katalyzovány přídavkem jodidu sodného nebo draselného. Například hydrolýza brommethanu se podstatně urychlí v přítomnosti katalytického množství jodidu sodného. Vysvětlete! 13. Nakreslete hlavní produkty reakcí následujících ambidentních nukleofilů! CN KCN + C 2 I AgCN + C 2 I N 2 NaN 2 + R- AgN 2 + R- Enoláty -I 14. dhadněte hlavní produkt alkylace thioacetátu! N 2 N 2 Energie σ* orbitaly - volný el. pár na 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. 21

23 + R N C 2 3 C 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. jednou molekulou C 2 2 mohou reagovat až dvě molekuly pyridinu. Pokuste se popsat tuto reakci chemickou rovnicí! 22

24 Autorské řešení příkladů: 1. Nelze. V nepřítomnosti kyseliny by mechanismus nukleofilní substituce vyžadoval, aby odstupující skupinou byl hydroxidový anion, což je velice špatná odstupující skupina (pk A konjugované kyseliny je 15,74). + Alkoholy 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: + + Pokud protonovanou formu alkoholu nukleofině napadne bromidový anion, odstupující skupinou je voda, mnohem lepší odstupující skupina než (pk A konjugované kyseliny je 1,74) a) Příklad N 2 reakce, rychlost reakce závisí lineárně na koncentraci nukleofilu i substrátu. b) Příklad N 1 reakce, rychlost reakce závisí pouze na koncentraci substrátu. 3. Řešení: a) + + b) + I + I c) N 3 + NaN 3 N Na 23

25 d) + N 3 N 2 + N + N + e) + NaCN NC + Na N f) + I + I 4. Řešení: R = R P R P R - P R 2 R -2 P R R P R 3 C N 2 R + R P R P P pyridin 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: 24

26 + I I N 2 + I (b) V případě methyl(propyl)etheru je možná N 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: I I + + I + I + V přítomnosti přebytku I ve směsi mohou vzniklé alkoholy dále reagovat: I I I I 6. Vliv rozpouštědel na N 2 reakci byl již popsán na straně 16. Pro průběh reakce N 1 jsou vhodnější polární protická rozpouštědla, např. alkoholy, než polární aprotická rozpouštědla. Při reakci probíhající mechanismem N 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) hν b) Ph Ph + 2 Ph Ph + enantiomer c) + N hν + N 25

27 d) N N e) + NaI Aceton I + Na 8. Řešení: (a) Jedná se o intramolekulární nukleofilní substituci. Nukleofilita atomu kyslíku výrazně vzroste deprotonací, po ustavení acidobazické rovnováhy mezi alkoholem a hydroxidem tedy dále reaguje pouze alkoholát: + Na Na Na (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, např. - nebo -C. tereospecifita reakce je stejná jako v případě adice I na dvojnou vazbu. Nukleofil v obou případech napadá atom uhlíku původní dvojné vazby ze strany, která není obsazena I +. Intramolekulární atak nukleofilu je pravděpodobnější než intermolekulární reakce, protože obecně probíhají intramolekulární reakce výrazně rychleji než reakce intermolekulární. I 2 I I - I C I C I I 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, zde obecně označené jako X. 26

28 + X X X - X - X (b) největší pravděpodobností dojde k cyklizační reakci: + Na 2 - Na Na - Na 10. Ve směsi jsou přítomny dva nukleofily, které se výrazně liší reaktivitou a koncentrací. Z tabulky na straně 15 zjistíme, že za stejných podmínek reaguje v N 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 N 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 CN bude probíhat výrazně rychleji než reakce s ethanolem, proto naprostou většinu produktu bude tvořit pentannitril. 2-Chlor-2-methylpropan je typický substrát pro N 1, jejíž rychlost nezávisí koncentraci nukleofilu nebo na jeho reaktivitě. rovnáním koncentrací nukleofilů zjistíme, že terc-butylový kation bude s větší pravděpodobností reagovat s ethanolem, tudíž hlavním produktem substituční reakce bude ethyl(tercbutyl)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. Nejpomalejším 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. Následná reakce zahrnuje reakci s, ale reakce probíhá výrazně rychleji, proto nemá koncentrace vliv na celkovou reakční rychlost. v = k 2 *[R-] pomalu rychle 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 bimolekulární reakce a většina produktu 27

29 vzniká monomolekulárním mechanismem, naopak při vyšších koncentracích nukleofilu se poměr rychlostí může obrátit a bimolekulární mechanismus tak převládne. Závislost může osvětlit také následující obrázek: v c(rx) = konst. v=k 1 *[RX]*[ - ] v=k 2 *[RX] c(nu) 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. + X X + Energie Ts I I + 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 N 2 nukleofilní substituci. 13. tříbrný kation je schopen komplexace s halogenem přítomným v halogenderivátech, čímž dochází ke zvětšení elektronového zředění na atomu uhlíku v sousedství halogenu. Tím elektrofil se stává tvrdším. Řešení zachycuje hlavní produkty reakcí: 28

30 KCN + C 2 I N C C 2 + KI AgCN + C 2 I C N C 2 + AgI NaN 2 + R- R N + Na AgN 2 + R- R N + Ag I + -I 14. ommethan je typickým substrátem pro N 2 nukleofilní substituci, přednostně bude reagovat s atomem síry, jehož nevazebné elektronové páry jsou enegeticky blíže protivazebnému orbitalu vazby C. N Nežádoucí reakcí je v tomto případě dvojnásobná nukleofilní substituce chloridových aniontů v molekule C 2 2 pyridinem. Rychlost první N 2 reakce je výrazně nižší než reakce druhé. Vznikající sůl se ve vyšších koncentracích z roztoku vylučuje ve formě krystalů. N N 2 pomalu N N N 2 rychle N N 29

31 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 E1cB), mechanismus E2 jejich průměrem. B B B X X X pomalu E1 E2 E1cB - X pomalu -B - X rychle -B E2: anti (trans) eliminace B R 4 R 3 R 1 R 2 X E2 -X X R 4 R 3 R 1 R 2 X rychle -B pomalu - X Také E2 debromace I -I, - v = k*[r-x] v = k*[r-x]*[b] tereospecifita E2 eliminace X: Energeticky nejvýhodnější je antiperiplanární (trans, anti) uspořádání a odstupující skupiny X, kdy dochází 30

32 k maximálnímu překryvu vazebného σ orbitalu vazby C, která je deprotonována, s protivazebným σ orbitalem vazby C X. Druhou nejvýhodnější konformací pro 1,2-eliminaci je synperiplanární konformace. Z této konformace dochází k E2 eliminaci pouze tehdy, pokud substrát nemůže dosáhnout antiperiplanárního uspořádání. X σ X σ σ σ trans eliminace cis eliminace Báze je často také nukleofilem, neexistuje ale obecná korelace mezi nukleofilitou (rychlostí reakce v nukleofilní substituci) a bazicitou (pozice acidobazické rovnováhy daná pk A ). dstupující skupina je zpravidla konjugovaná báze silné kyseliny, podobně jako u nukleofilní substituci. Trialkylamoniová skupina vystupuje jako odsupující skupina téměř výhradně v eliminačních reakcích (ofmannova eliminace kvarterních amoniových hydroxidů). Eliminace vs. nukleofilní substituce Nukleofil často může vystupovat jako báze, proto mohou být N doprovázeny eliminačními reakcemi. Eliminační reakce ale mají zpravidla vyšší aktivační barieru, lze je proto potlačit snížením reakční teploty. Regioselektivita eliminací (ofmannovo a Zajcevovo) Zajcev: vzniká alken s největším počtem substituentů na násobné vazbě, vzniká termodynamicky nejstabilnější alken. Termodynamický produkt. ofmann: Alken 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 31

33 R o C + R + C Pyrolýza xanthatu < (Cugajevova reakce) N R R o C + R N R Pyrolýza N-oxidu (Copeho reakce) R + R Pyrolýza sulfoxidu a selenoxidu o C Nukleofilní substituce a 1,2-eliminace nikdy nevystupuje jako odstupující skupina v E2. Špatný labě bazický Bazický malý bjemný bazický ubstrát nukleofil nukleofil nukleofily nukleofil (DBU, (R, 2 ) (I, R ) (R ) DBN, t-bu ) X Methyl X Primární X Bez reakce N 2 N 2 N 2 Bez reakce N 2 N 2 E2 Primární Bez reakce N 2 E2 E2 větvený X ekundární N 1, E1 N 2 E2 E2 (pomalu) X Terciární X E1 nebo N 1 E1, N 1 E2 E2 α β E1cB E1cB E1cB E1cB β-akceptorní skupina N N N N DBN - 1,5-diazabicyklo[4.3.0]non-5-en DBU - 1,8-diazabicyklo[5.4.0]undec-7-en 32

34 Příklady: 1. Vysvětlete závislost distribuce produktů eliminační reakce na použité bázi! báze + C 2 Na 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! K + + Na 3. dhadněte, jakým mechanismem ( N 1 nebo N 2, E1 nebo E2) bude reagovat 2-bromhexan za uvedených podmínek. Doplňte hlavní produkty reakcí! a) b) Na 4. Který z dvojice substituovaných cyklohexanů bude snadněji eliminovat? a) - - b) Jodid sodný nebo zinek reagují s vicinálními dibromidy (1,2-dibromidy) za vzniku alkenu mechanismem E2 eliminace molekuly bromu. 33

35 I nebo Zn - 2 (a) Nakreslete produkt debromace (2,3)-2,3-dibrombutanu! (b) Vysvětlete rozdíl v reaktivitě následujících derivátů: C3 NaI aceton C3 C3 NaI aceton produkt nevzniká 6. Nakreslete produkty E2 eliminace Ts a TsD z tohoto esteru p- toluensulfonové kyseliny! - Ts D - TsD Ts = 7. Nakreslete produkt E2 eliminace p-brombenzensulfonové kyseliny z (2,3R)- 3-(4-methoxyfenyl)butan-2-yl-4-brombenzensulfonátu! 8. Mechanismus E1cB je typický pro substráty, které obsahují elektronakceptorní skupinu(y) na deprotonovaném atomu uhlíku. Doplňte produkt následující reakce! báze E1cB 9. Doplňte hlavní produkty následujících reakcí! a) C 6 5 C 6 5 C o C d) N 120 o C 34

36 b) 1. K 2. C 2 3. I o C e) N o C c) 1. Na 2. C 2 3. I 4. T f) 400 o C 10. Nakreslete hlavní produkty následujících reakcí! a) b) 3 P o C A A c) 2 A 2 ekv. K B d) C3 N C3 I A K T B e) N 2 I A T Na B f) N 2 ekv. I A Na T B g) N A 120 o C B 11. Když terc-butylchlorid (2-chlor-2-methylpropan) podléhá hydrolýze ve vodném roztoku Na, rychlost vzniku alkoholu se výrazně nemění s rostoucí koncentrací. Zvyšování koncentrace Na ale vede ke zvýšení rychlosti mizení výchozího chloridu. Vysvětlete! 35

37 12. Nakreslete produkt eliminace z následující molekuly! E2-13. omethan a 1-brom-2-methylpropan (isobutylbromid) jsou primární halogenidy, s nukleofily oba reagují mechanismem N 2, ale bromethan reaguje 10 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 A 3 ekv. NaN 2 B C 15. Navrhněte přípravu následujícího hmyzího feromonu z acetylenu! 16. 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. Na průběh reakce nemá žáden vliv přítomnost kyslíku o 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. Na zádladě znalosti mechanismů radikálové halogenace alkenů, iontové adice halogenů na dvojnou vazbu a eliminačních reakcí se pokuste zodpovědět následující otázky: 36

38 (a) Probíhá reakce radikálovým nebo iontovým mechanismem? (b) Napište strukturu produktu reakce značeného 2-methylpropenu včetně pozice tohoto isotopu! (c) Navrhněte mechanismus reakce, který vysvětlí vznik produktu včetně lokalizace radioaktivního isotopu uhlíku! 37

39 Autorské 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. Naopak objemné báze, jako například t-buk, 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. + B + B B + B + 2. Nukleofilní 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. + Na Na K + - K 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. : + N 1 + E1 38

40 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. + Na: Na + Na E2 4. K vyřešení obou příkladů je potřeba znát, jaké prostorové uspořádání derivátů cyklohexanu je výhodné pro E2 reakci. Naprostá 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. - E2 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. 39

41 (e,e) (a,a) 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. 5. Pří této eliminaci 2 musí také atomy bromu zaujmout antiperiplanární uspořádání. Řešení příkladu b) je analogické příkladu č. 4, jen s tím rozdílem, že místo dochází k eliminaci 2. a) - 2 b) 40

42 6. Řešení: D - Ts D - TsD 7. Řešení: E Eliminace probíhající mechanismem E1cB je jediným příkladem, kdy jako odstupující skupina může vystupovat hydroxidový anion. B + + B 9. Řešení: a) C 6 5 C 6 5 C o C C 6 5 C C 6 5 b) K - 2 K C 2 K I - KI 180 o C + C + 41

43 c) 1. Na 2. C 2 3. I t-bu Me Et T + C + d) N 120 o C + N e) N 2 2 N C3 150 o C - ( ) 2 N + f) 400 o C + C 10. Řešení: a) b) 3 C C 2 C 3 P 3 C o C c) 2 2 ekv. K d) C3 N I N K C3 T 3 C C3 I C3 + N e) N 2 I N( ) 3 I Na T C 2 + N( ) 3 42

44 f) N N I 2 ekv. I Na T N C3 g) N N 120 o C 2 C C 2 + N 11. Produktem hydrolýzy 2-Chlor-2-methylpropanu není pouze v zadání zmiňovaný alkohol, spolu se substitucí může probíhat eliminace. Z tabulky na straně 32 vyplývá, že terciární substrát může reagovat pouze ve smyslu mechanismu N 1, kdežto eliminace může probíhat minomolekulárním 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. N 1 v=k 1 *[R] E1 + E2 v=k 1 *[R] v=k 2 *[R]*[ - ] 12. Řešení: E2-13. Příčinou nižší reaktivity isobutylbomidu v N 2 je větší sterická zábrana příchodu nukleofilu k atomu uhlíku vazby C (methylová skupina u bromethanu isopropylová skupina u isobutylbromidu). dštěpování protonu během eliminace není natolik citlivé na sterické faktory jako reakce N 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 Et 43

45 14. Řešení: 2 2 ekv. NaN 2 1 ekv. NaN 2 C C - 2 Na - N 3-2 N 3 C C Na - Na C C 15. Pro přípravu Z -alkenů je velice vhodná parciální hydrogenace alkynů s využitím Lindlarova katalyzátoru. Vhodně substituovaný alkyn lze připravit z acetylenu (ethynu) postupnými deprotonacemi a reakcemi s vhudnými alkylhalogenidy: C C 1 ekv. NaN 2 C C Na - N 3 n-c Na C C C ekv. NaN 2 - N 3 Na C C C 8 17 n-c Na 2 C C C C 8 17 Lindlaruv kat. 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. * 0 + o C 2 - * 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. + 2 C 44

46 Z atomů uhlíku vázaných bezprostředně poutaných ke kladně nabitému atomu uhlíku může dojít k odtržení +, podobně jako v mechanismu eliminace E1. Bází 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. C 2 C + Pokud by probíhala radikálovým mechanismem, vnikal by radikál konjugovaný radikál, který by reakcí s chlorem poskytl produkt, v němž by byl isotop 14 C rozdělen rovnoměrně mezi C 2 skupinu a skupinu. 2 C * + * * + * C * 2 45

47 3. Akoholy, fenoly, ethery Kyselost alkoholů a fenolů: R Ar R Ar pka 15,74 pka pka ~ 10 pka ~ 10 pka ~ 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 + R + Deprotonací vzniká alkoholát (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 46

48 Napětí kruhu u epoxidů vede ke snadnému otevírání cyklu i bez potřeby aktivace kyslíku kyselinou (R je odstupující skupinou!). Místo ataku Nu se liší za kyselé aktivace a bez ní. N 2 Nu trans Nu V případě, že dochází k otevírání epoxidu nukleofilem bez kyselé aktivace atomu kyslíku, napadá nukleofil přednostně méně substituovaný atom uhlíku epoxidu. Nukleofil 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 N 2. Nu Nu Nu Primární a sekundární alkoholy lze oxidovat: R -2 e - +2 e - R -2 e - +2 e - R Příklady: 1. eřaďte následující alkoholy podle jejich kyselosti! C 2 C 2 N 2 2 N N 2 2 N 2. Jak byste jednoduše oddělili ze směsi následující benzylalkoholy? 47

49 3. Navrhněte jednoduchý 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) 1. LiAl ? c)?? d)?? e) f) 1. NaB? g(n 3 ) 2 / 2 2. NaB 4 / -? 5. Pro přípravu alkoholů se často používají organokovová činidla, doplňte reakce! a) 1.? 2. 2 Mg ? b) 1.? 2. 2 Mg 1.? Doplňte reakční schémata! Látky B a D jsou isomery, jaký je mezi nimi vztah? Na A I B 2 Pyridin C Na D 48

50 7. Napište podrobné mechanismy následujících reakcí! a) b) c) d) P 3 Pyridin e) Na - Na 8. Doplňte produkty reakcí! a) b) P 3 Pyridin? P 3 Pyridin? c)? I T 2 2 nebo 2 hν? d) + C 2 -N 2 BF 3? e) 3 + P 5 A Ethanol Pyridin B Na C 9. Doplňte produkty reakcí epoxidů: a)? Me / + MeNa?? b)? 1. PhMg LiAl ? N 3? 49

51 10. Doplňte produkty oxidace alkoholů! a) b)? 2 Cr 4 / + 2, Aceton PCC uchý C 2 2? 2 Cr 4 / + 2, Aceton? N Cr PCC = Pyridinium chlorochromate 11. Jak byste provedli následující syntetickou transformaci, která se užívá při syntéze biologicky aktivního ()-ibuprofenu? CN 12. Grignardova činidla reagují s oxiranem i s oxetanem (tříčlenným a čtyřčlenným cyklickým etherem), za vzniku primárního alkoholu. Který z cyklických etherů bude reaktivnější? 13. Zahříváním fenyl(methyl)etheru (anisolu) s LiI v N,N -dimethylformamidu (DMF) vzniká jodmethan a fenolát lithný. Navrhněte mechanismus této reakce! 50