Organická chemie pro biochemiky I část 10 II-4-1

Transkript

1 rganická chemie pro biochemiky I část 10 II-4-1

2 alkoholy a fenoly II-4-1

3 hydroxyderováty uhlovodíků alkoholy (alifatické), fenoly (aromatické alkoholy), aj. (alkoholy na dvojné vazbě) enoly jen v USA se ročně vyrobí 6,5 miliardy litrů methanolu reakcí C C Zn/Cr C 3 je to vedle ethanolu nejpoužívanější chemikálie alkoholy se vyskytují v přírodě jednoduché alkoholy se vyrábějí tradičně kvašením (ethanol) či suchou destilací dřeva (dřevný líh) II-4-3

4 poznámka na okraj Zajímavé je, že slovo alkohol se vyvinul z francouzského přepisu latinského výrazu odvozeného z arabského al-koh'l, původněji hebrejského kahala, z kahal, barviti. Slovo označovalo jemný kovový prášek používaný v rientě k barvení očních víček, zřejmě stibnit Sb 2 S 3 a poté, extensí ke kapalinám a sublimaci (extrakci prášku): esence, quintesence duše, získaná destilací či 'rektifikací'. II-4-4

5 destilace zkvašených cukrových roztoků poskytne zejména ethanol, leč celou řadu dalších dobrot, m.j.: methanol 64.7 ( ethanol 78.4 ) 2-propanol methyl-1-butanol 99.5 voda 100 butan-1-ol 117 pentan-1-ol 138 hexan-1-ol 157 při destilaci se uplatní tvorba tzv. azeotropických směsí II-4-5

6 výroba C C Zn/Cr C 3 3 P 4 2 C C C 250 C ethanolu se stále vyrábí značné množství i kvasným způsobem (synthetický líh se v potravinářství nepoužívá) II-4-6

7 alkoholy a fenoly mají na kyslíku podobnou geometrii a uspořádání elektronů jako voda kyslík je sp 3 -hybridizován a vazba -- má úhel 109 alkoholy i fenoly se značně liší od uhlovodíků od kterých jsou odvozeny jsou polárnější, rozpustnější ve vodě, mají vyšší bod varu alkoholy jsou velmi slabé kyseliny, fenoly středně silné 3 C 3 C tvoří s basemi soli (alkoholáty, alkoxidy, fenoláty), které, zejména u alifatických alkoholátů jsou silnými basemi ame, aet aj. II-4-7

8 jejich vlastnosti jsou ovlivněny, podobně jako u vody, tvorbou vodíkových můstků δ + δ δ + δ δ + δ δ + δ δ + δ δ + δ δ + z přítomnosti volných elektronových párů se odvozuje i slabá basicita a slabá kyselost alkoholů X X δ u fenolů kyselost zvýšena, neboť vstupuje do interakce M aromátu a nevazebné elektronové páry kyslíku, čímž je anion stabilizován II-4-8

9 kyselost alkoholů (C 3 ) 3 C- 18 C 3 C 2 16 VDA 15 C 3 15 CF 3 C 2 12 p-aminofenol 10 p-methoxyfenol 10 p-methylfenol 10 fenol 9 p-chlorfenol 9 p-bromfenol 9 p-nitrofenol 7 2,4,6-trinitrofenol 1 (kyselina pikrová) stericky blokované alkoholy mají elektronové páry na kyslíku méně přístupné a tudíž méně náchylné ke stabilizaci tvořením vodíkových mostů elektrony přitahující skupiny stabilizují anion lepším sdílením záporného náboje fenoly jsou milionkrát kyselejší než alkoholy elektrony dodávající skupiny destabilizují anionty alkoholy jsou méně kyselé II-4-9

10 methanol, bezbarvá voňavá kapalina, t.v. 65 C, hořlavá, bod zápalu 11 C, teplota samovznícení 464 C, rozpustný ve vodě, oproti tradici a legislativě toxická dávka se pohybuje mezi 30 a 250 ml ethanol, bezbarvá voňavá kapalina, t.v. 78 C, hořlavá, bod zápalu 13 C, teplota samovznícení 363 C, rozpustný ve vodě, toxická dávka je nad 60 ml fenol, páchnoucí pevná látka, t.t. 40 C, t.v. 182 C, rozpustný ve vodě, letální dávka pro člověka je nad 50 mg/kg; tj asi 1 g leptá kůži, páry i oči, inhalace přivodí edém, působí na CS, srdce, játra, ledviny II-4-10

11 ' ' X alkoholy mají pro organickou syntézu zásadní význam II-4-11

12 příprava alkoholů z nenasycených uhlovodíků g[ac] 2 2 C 3 gac ab 4 C 3 anti-markovnikovova oxymerkurace-redukce C 3 B 3 C 3 B 2 2 C 3 2 Markovnikovova hydratece s 4 /py C 3 s as 3 C 3 oxidace oxidem osmičelým C 3 C C 3 kyselá hydrolýza epoxidu II-4-12

13 příprava alkoholů z karbonylových sloučenin redukcí příklady ab 4 /Et 3 + ab 4 /Et 3 + LiAl 4 /EtEt 3 + II-4-13

14 příprava alkoholů z karboxylových kyselin a esterů, redukcí nebo 3 + příklady redukce olejové kyseliny LiAl 4 /EtEt C C 3 LiAl 4 /EtEt C C 3 ab 4 redukuje ester pomalu a kyselinu nikoli LiAl 4 redukuje oboje II-4-14

15 příprava alkoholů z ketonů a Grignardových sloučenin, prodloužení uhlíkatého řetězce X Mg MgX ether je 1, 2, 3 alkyl, aryl či vinyl, X je Cl, Br, I 1/ MgX, ether 2/ 3 + MgBr 1/ smísit, ether 2/ C C 3 MgBr 1/ smísit, ether 3 C 2/ 3 + C 3 1/ C 3 C 2 MgBr, ether II / 3 + C 3

16 příprava alkoholů z esterů a Grignardových sloučenin, prodloužení uhlíkatého řetězce (kyseliny takto nereagují, ty Grignardovu sloučeninu rozloží) 3 C C 3 1/ C 3 MgBr, ether 2/ C 3 C C 3 Tato Grignardova reakce nemůže být provedena, vzhledem k přípravě Grignardova činidla, u látek s -, -S, -, a -C skupinami, protože je jimi Grignardovo činidlo protonováno ale ani u látek s -C, -C-, -C- 2, -C, - 2 a -S 2, protože se na tyto skupiny Grignardovo činidlo aduje samo II-4-16

17 reakce alkoholů můžeme formálně rozdělit na reakce na vazbě C- a na vazbě - dehydratace 3 C 3 +, TF C 3 Zajcevův více substituovaný -en C 3 3 C C 2 C 3 3 +, TF 3 C 3 C C 3 2 C hlavní produkt Zajcevův více substituovaný -en 3 C C 3 Pokud nedojde k dehydrataci v kyselém prostředí, je možno použít PCl 3 v pyridinu II-4-17

18 reakce alkoholů můžeme formálně rozdělit na reakce na vazbě C- a na vazbě - dehydratace alkoholů PCl 2 Cl P Cl Cl II-4-18

19 reakce alkoholů záměna hydroxylu halogenem, obvykle probíhá působením SCl 2 anebo PBr 3 Cl - SCl 2 S Cl C 2 Cl C 2 Br - Br P Br C 2 Br II-4-19

20 reakce alkoholů konverze alkoholů na tosyláty, úvaha o stereochemii spojená s předchozí poznámkou o reakci na uhlíku či kyslíku alkoholu PBr 3 3 C( 2 C) 5 Br C 3 Eta 3 C 3 C( 2 C) 5 C 3 3 C C 3 C 3 Tos Eta p-tos 3 C( 2 C) 5 C 3 3 C( 2 C) 5 C Cl py 3 C S 3 C S p-toscl py.cl II-4-20

21 oxidace alkoholů redukce oxidace 1, primární [] [] aldehyd kyselina 2, sekundární [] keton 3, terciární [] EEAGUJE II-4-21

22 oxidace alkoholů v laboratoři nejlépe pyridinium chlorochromátem, PCC Cr +_ - Cl PCC citronellol C 2 Cl 2 citronellal do druhého stupně (na kyselinu) obvykle samotným Cr 3 Cr 3 3 +, aceton II-4-22

23 oxidace alkoholů v provoze, například laciným dvojchromanem 3 C C 3 C 3 a 2 Cr 2 7 2, Ac 3 C C 3 C 3 při laboratorní oxidaci testosteronu zvolíme raději PCC 3 C C 3 PCC 3 C C 3 C 2 Cl 2 II-4-23

24 příprava fenolů Cl a Dow proces t, p C 3 C 3 2 t 3 C C C C 3 radikálová oxidace kumenu vzduchem a kyselý rozklad kumen hydroperoxidu S 3 S a 3 C 2 S 4 3 C 300 C 3 C rozkladem aromatických sulfonových kyselin II-4-24

25 použití fenolů sám fenol se používá pro výrobu kys. pikrové bakelitu, pryskyřic a pojidel Cl Cl Cl Cl Cl pentachlorofenol ochrana dřeva Cl 2,4-D herbicid Cl Cl Cl Cl Cl Cl hexachlorofen antiseptikum 3 C 3 C C 3 Cl C 3 3 C 3 C C 3 3 C C 3 C3 C 3 3 C 3 C C 3 C 3 BA konzervační činidlo na potraviny BT konzervační činidlo na potraviny II-4-25

26 reakce fenolů skupina je silně aktivující ortho- a para- dirigující substiuent fenoly podstupují velmi dobře elektrofilní substituce jako halogenace, nitrace, sulfonace a Friedelovy-Craftsovy reakce navíc, mají zajímavé možnosti oxidace: a 2 Cr 2 7 ab 4 a 2 Cr 2 7 chinon a hydrochinon C 3 C 3 C 3 n ubichinony, n = 1-10 účastní se procesu dýchání II-4-26

27 enoly keto-enol tautomerie druh izomerie kdy spolu o existenci soutěží např. více či méně stálé sloučeniny s hydroxyskupinou na dvojné vazbě a keton (aldehyd); to je pak případ keto-enol tautomerie en-ol keto II-4-27

28 enoly keto-enol tautomerie en-ol keto enoly, pokud to není případ, kdy je toto uskupení favorizováno nějakou specifickou příčinou (elektronické či sterické poměry), jsou méně stálé než ketony a velmi rychle se na ně přeměňují; některé jsou však stálé, např.: C 2 C askorbová kyselina 3 C (C 2 ) 10 C 3 embelin anthelmintikum 3 C 3 C kolchicein z ocůnu C 3 3 C C 3 kyselina filikinová v kapradě dikumarol antikoagulant kyselina kojová potravní aditivum antibiotikum 3 C Trinexapac-ethyl růstový stimulátor rostlin II-4-28

29 ethery, epoxidy thioly a sulfany II-4-29

30 ethery alifatické, aromatické, cyklické C3 3 C C 3 dimethylether fenylmethylether tetrahydrofuran anisol kyslík v sp 3 -hybridizaci úhel vazeb vycházejících z kyslíku 112 elektronegativní kyslík se svými nevazebnými elektrony vnáší do molekuly polarizaci teploty varu jsou lehce vyšší než u odpovídajících uhlovodíků II-4-30

31 ethery alifatické, aromatické, cyklické diethylether je těkavá kapalina s charakteristickým zápachem, velmi hořlavá, t.v 35 C, bod zápalu -45 C, teplota samovznícení 180 C, výbušná směs 2-36 %, nepříliš reaktivní, málo rozpustná ve vodě používá se široce jako rozpouštědlo má narkotické účinky, negativní účinky na vývoj plodu, toxicita nízká anisol, fenylmethylether, voňavá bezbarvá kapalina t.v. 154 C používá se jako rozpouštědlo, ve voňavkářství a organické syntéze odmašťuje a dráždí kůži, dráždí oči a dýchací trakt toxicita je mírná p.o. u krys je 3700 mg/kg II-4-31

32 symetrické ethery se připraví dehydratací alhoholů kyselinou sírovou 3 C 2 S 4 3 C C 3 Williamsonova syntéza etherů je reakcí kovových alkoxidů s primárními alkylhalogenidy 3 C - a + Br C 3 3 C C 3 reakce probíhá S 2 mechanizmem a používá se pro přípravu symetrických i asymetrických etherů II-4-32

33 obměnou Williamsonovy syntézy etherů je reakce alkoholu s alkylhalogenidem a oxidem stříbrným MeI Ag 2 3 C 3 C 3 C 3 C C 3 Br Ag 2 II-4-33

34 alkomerkurace alkenů reakce dvojné vazby s vodou či alkoholem je katalyzována octanem rtuťnatým, trifluoracetát rhuťnatý funguje ještě lépe (CF3 C) 2 g Me C3 gccf 3 ab 4 C3 1/ (CF 3 C) 2 g 2/ Et ab 4 II-4-34

35 reakce etherů kyselé štěpení Br, 2 reflux 3 C Br Claisenůvpřesmyk specifický pro allylarylethery Ar--C 2 C=C 2 reakce probíhá přes cyklický meziprodukt za zvýšené teploty II-4-35

36 cyklické ethery a epoxidy epoxidy jsou tříčlenné cyklické ethery cyklické etherové uspořádání je někdy chápáno jako anhydromůstek 1,4-dioxan tetrahydrofuran 1,2-dimethyloxiran epoxid 1,6-2,3-dianhydro-β-Dmanno-hexopyranosa 2,2 -anhydro-uridin II-4-36

37 tříčlenné cyklické ethery, epoxidy jsou poněkud odlišné od ostatních etherů jejich kruh je napnutý a snadno se otevírá připravují se oxidací dvojné vazby Cl MCPBA metachloroperbenzoová kyselina MCPBA halogenalkoholy podléhají intramolekulární Williamsonově reakci za tvorby epoxidů Cl a II-4-37

38 tříčenné cyklické ethery, epoxidy se připravují i basicky katalyzovanou obměnou této reakce, kde jako dobře odstupující skupina působí tosylát a + - Cl Cl a + - S Tos C 3 p-toluensulfonyloxy- II-4-38

39 3 C epoxidy jsou dostatečně stálé a vyskytují se i jako přírodní látky a používají v průmyslu 3 C cerulenin protiplísňové antibiotikum 2 C 3 disparlur, pohlavní feromon motýla Lymantria dispar Cl epichlorhydrin rozpouštědlo C 3 ethylenoxid rozpouštědlo, sterilizační činidlo meziprodukt, fungicid 3 C 3 C C 3 cinobufotalin kardiotonikum z ropušího jedu erythritol anhydrid síťovadlo při výrobě polymerů a vláken II-4-39

40 reakce epoxidů kyselé otevírání kruhu připomíná kyselé štěpení etherů atak na epoxid je z druhé strany než je epoxidový kyslík, na nejpřístupnějším uhlíku; vzniká vicinálně substituovaný hydroxyderivát s trans orientací 3 C 3 C C 3 C u 3 C 3 C u II-4-40

41 atak na epoxid je z druhé strany než je epoxidový kyslík, na nejpřístupnějším uhlíku F F Fürstovo-Plattnerovo pravidlo epoxid (na rigidním skeletu) se otevírá nukleofilním atakem převážně na trans-diaxiální produkt II-4-41

42 basické štěpení epoxidů - na rozdíl od etherů jsou epoxidy štěpeny basicky, špatně odstupující kyslíková skupina je aktivována vnitřním pnutím tříčlenného kruhu regioselektivita a stereoselektivita je podobná jako u kysele katalyzované reakce vzniká vicinální trans produkt atak je na méně substituovaný uhlík podobně reagují i Grignardovy sloučeniny MgBr ether 3 + II-4-42

43 epoxidové pryskyřice a lepidla C 3 C 3 C 3 Cl C 3 C 3 C 3 n C 3 C 3 kopolymer obsahující na koncích epoxidy a v řetězci -skupiny PEPLYME 3 báze - TUŽIDL C 3 C 3 C 3 C 3 dojde k zesíťování a vytvoření velmi pevného třídimenzionálního propletení řetězců prepolymeru II-4-43

44 crowny, korunové ethery 18-crown-6 vzdálenost mezi kyslíky 536pm (5,36 A) K Mn - 4 crowny mohou do své kavity pojmout kation (velikost kavity odpovídá velikosti iontu, pro 18-C-6 je to např. K + ) a zůstavit aniont nahý takový pak velmi dobře reaguje komplex KMn 4 a 18-crown-6 je rozpustný v benzenu 15-crown-5 pro sodík 12-crown-4 pro lithium II-4-44

45 deriváty sulfanu (sirovodíku 2 S) thioly -S, sirná analoga alkoholů sulfany, sulfidy, thioethery, -S-, sirná analoga etherů -thiol -sulfanylthioly připravujeme S 2 substitucí alkylhalogenidů aniontem S - Br a + S - S často ovšem reakce běží dál a vzniká symetrický derivát -S- z toho důvodu se jako donor síry používá thiomočovina Br 2 S 2 2 S 2 2 S II-4-45

46 S koenzym A S S 2 3 C C 3 P P P 2 L-cystein přirozená aminokyselina merkaptopurin antineoplastikum ( 3 C) 3 C ergothionein nalezen v tělech savců 2 S S glutathion nízkomolekulární thiol z buněk zvířat a rostlin S 2-thiouracil lék na hyperthyroidismus, anginu pectoris a srdeční insuficienci 3 C S C tiopronin antidotum při otravě těžkými kovy II-4-46

47 thioly jsou bromem či jodem oxidovány na disulfidy, děj, který způsobuje tvorbu disulfidických můstků mezi aminokyselinami obsahujícími síru a stabilizaci struktury síťováním 2 S oxidace redukce 2 S S 2 v laboratoři provádíme oxidaci např. jodem, redukci zinkem v kyselém prostředí v živých organizmech zajišťují oxidaci i redukci enzymy II-4-47

48 alkylsulfany thiol je basí převeden na thiolátový anion a ten reaguje s alkylhalogenidem S a S I podobně jako aminy se mohou dále alkylovat na trialkylsulfoniové soli C 3 S S 3 C I I mohou se ale i oxidovat S 2 2 S C 3 C S sulfoxid sulfon II-4-48

49 3 S 2 2 AET radioprotektivum 2Br 3 C C 3 C S cimetidin reguluje sekreci žaludečních kyselin Cl S Cl 2 yperit C 3 C S 2 S-adenosylmethionin donor methylu při enzymatických transmethylacích 3 C S vitamin L2 podporuje laktaci 2 3 C S C 3 dimethylsulfoxid DMS rozpouštědlo S C 3 zolimidin proti žaludečním vředům II-4-49

50 a to je pro dnešek vše. II-4-50