Halogenalkany H 3 CH 3. 2-brom-6-methylheptan. 6-brom-2,5-dimethylnonan

Transkript

1 alogenalkany Názvosloví Protože halogen je v pořadí charakteristických skupin na stejném místě jako alkylové skupiny, rozhoduje při tvorbě názvu nejnižsí sada lokantů, případně abecední pořadí. 6-brom-2,5-dimethylnonan 2-brom-6-methylheptan S N 1 substituce nukleofilní monomolekulární Tímto způsobem probíhají solvolytické reakce tj. reakce, kde rozpouštědlo je zároveň nukleofilem. Samozřejmě, že klasické uspořádání reakce substrát-rozpouštědlonukleofil je taktéž možné. l 3 2 l Et 2 l(g) l 2 Mechanismus S N 1 probíhá přes stadium karbokationu, který se tvoří v rychlost určujícím kroku reakce disociací výchozího halogenalkanu. ( ) 2 Et ( ) 2 ( ) 2 - ( ) 2 ( ) 2 50 % (S)-izomeru 50 % (R)-izomeru Překreslete uvedený mechanismus ve strukturních elektronových vzorcích.

2 V prvním kroku vznikající karbokation je planární, proto se přistupující nukleofil může navázat ze dvou stran. Vznikají tak dva enantiomery v poměru přibližně 1:1, tedy vzniká racemická směs. Konkurenční reakcí k S N 1 je eliminační reakce E1. K tomuto ději dochází v případě, že se vznikající karbokation stabilizuje odštěpením jednoho protonu z vedlejšího atomu uhlíku a tvorbou dvojné vazby. Nicméně při solvolýze provedené za laboratorní teploty je hlavním produktem produkt substituce. Pokud bychom do reakční směsi přidali bázi ve velmi nízké koncentraci, bude probíhat eliminace mechanismem E1 a hlavním produktem bude alken. V případě, že bychom přidali koncentrovanou bázi, bude probíhat E2 reakce a hlavním produktem bude opět alken. 20 Na 20 Reaktivita substrátů v S N 1 se odvíjí od stability karbokationtů, které mohou vzniknout disociací halogenalkanu. < < = = = < Vzhledem k tomu, že pořadí reaktivity alkylhalogenidů v S N 1 substitucích je totožné s pořadím stability odpovídajících karbokationtů, bude nejlépe reagovat terciární alkylhalogenid, pak benzylový či sekundární, atd. Reakci urychlují polární protická rozpouštědla alkoholy, voda usnadňuje se proces disociace halogenidového aniontu z molekuly substrátu. Jaký tvar má benzylový a jaký tvar má terc-butylový karbokation? 3 S N 2 substituce nukleofilní bimolekulární U S N 2 už většinou nepostačuje neutrální molekula nukleofilu, ale je potřeba sáhnout po tvrdších anionických nukleofilech. Běžně používanými činidly jsou: halogenidy, hydroxidy, alkoholáty, azidy, kyanidy, hydrogensulfan, alkanthioláty, atd. Mechnismus reakce je v tomto případě synchronní, tj. probíhá v jednom kroku a účastní se ho najednou obě molekuly jak substrát tak nukleofil. - D D D Na Na 3 100% (S)-izomer 100% (R)-izomer Na

3 V hranaté závorce uvedený pentakoordinovaný adukt je tranzitním stavem reakce, nikoli meziproduktem. Ve strukturních elektronových vzorcích napište mechanismus S N 2 reakce (S)-2- brombutanu s kyanidem sodným v dimethylformamidu. Jak už pilný student jistě tuší, je reaktivita substrátů v S N 2 reakci značně odlišná od reaktivity v S N 1 reakci. 3 < < < < = = Nejreaktivnějšími substráty jsou tentokrát allylový a benzylový systém, následované methylem atd. U terciárních alkylhalogenidů S N 2 reakce prakticky neprobíhá. Reakci urychlují dipolární aprotická rozpouštědla (DMF-dimethylformamid, DMSdimethylsulfoxid, acetonitril, apod.) solvatují kation, avšak nesolvatují anion použitého nukleofilu. Anion je tzv. nahý, a proto velmi reaktivní. Eliminace hlavní hlavní Při eliminačních reakcích vznikají zpravidla směsi produktů, kde však (v závislosti na podmínkách) převažuje stabilnější alken. Toto je předmětem tzv. Zajcevova pravidla: Při eliminaci -X z halogenalkanu převládá v produktech více substiovaný alken. E2-reakce (eliminace bimolekulární) V tuto chvíli se omezíme na tvrzení, že obecně exituje několik typů eliminací, z nichž ty, které nás zajímají, jsou E1 a E2. Eliminace E2 je reakce, která probíhá za použití silné báze jednokrokovým mechanismem. K ethanol K K ethanol K 2 Je zjevné, že E2 reakce je reakcí konkureční k S N 2. Eliminace probíhá synchronně v jednom kroku. Báze odštěpuje proton, čímž vzniká dvojná vazba a zároveň odstupuje

4 halogen. Můžeme říci, že při nukleofilních substitucích získáme (opět v závislosti na podmínkách reakce) i podíl produktu eliminační reakce. Pokud chceme provést selektivně E2 reakci, musíme použít silnou bázi za zvýšené teploty, zpravidla v ethanolu jako rozpouštědle. E1-reakce (eliminace monomolekulární) pět se jedná o reakci konkurenční k S N 1. Tvrdili jsme, že mechanismem S N 1 probíhají solvolytické reakce. A zdálo by se, že při takto mírných podmínkách se v podstatě nemůže udát nic tak brutálního jako je eliminace. l 2, Et % 36 % V případě, že bychom reakční směs zahřáli, dostali bychom už bez přítomnosti jakékoli báze vedlejší produkt, který vznikl eliminací. - Na EtNa Et Na 2 V případě, že je v reakční směsi báze (v nízké koncentraci, cca 0,01 mol/l), pak probíhá E1 a vzniká selektivně alken. Proč při eliminaci z cis-1-brom-4-terc-butylcyklohexanu vzniká příslušný 4-tercbutylcyklohexen 500x rychleji než při reakci trans-1-brom-4-terc-butylcyklohexanu? V případě cis i trans derivátu uvažujte nejstabilnější konformaci. Z jakého halogenderivátu by bylo možné eliminací připravit ethylidencyklohexan jako hlavní produkt? o vznikne reakcí 4,5-dibrom-3,6-diethyloktanu s terc-butanolátem draselným v 1,1- dimethylethanolu? Dehalogenace Už víme, že lze z molekuly eliminovat halogenovodík za tvorby dvojné vazby. Stejně tak lze alken připravit eliminací halogenu. Zn Zn Je zjevné, že stejně jako u eliminací -X je preferované uspořádání při dehalogenaci anti-, tj. atomy halogenu se orientují proti sobě. Jakou konfiguraci bude mít alken vzniklý eliminací erythro-2,3-dibrompentanu? Zn2

5 Alkoholy, fenoly Alkoholy jsou velmi dobrými prekurzory pro získávání dalších zajímavých sloučenin. Je možné je eliminací převést na alkeny, substitucí na halogenderiváty nebo případně reakcí s halogenderivátem na ethery. Dále jsou též prekurzory při syntéze aldehydů, ketonů nebo kyselin. Příprava alkoholů Alkoholy lze připravit nejrůznějšími způsoby adicí vody na dvojnou vazbu, oxidací alkenu pomocí KMn 4 případně s 4 a nukleofilní substitucí. V příští kapitole se také podíváme na přípravu alkoholů pomocí adice organokovu na karbonylovou případně karboxylovou skupinu a taktéž na redukci derivátů karboxylových a karbonylových sloučenin. Připrava alkoholů tedy není jedna určitá kapitola organických reakcí. S částmi této kapitoly se setkáváme v průběhu celého semestru I. Z toho důvodu se omezíme pouze na reakce alkoholů. xidace alkoholů Působením silných oxidačních činidel lze alkoholy (v závislosti na struktuře) oxidovat do stádia ketonů či kyselin. KMn 4 r 3 K 2 r 2 7 KMn 4 r 3 K 2 r 2 7 KMn 4 r 3 K 2 r 2 7 Jak je vidět, primární alkoholy se působením silných oxidačních činidel oxidují až na kyseliny, sekundární na ketony a terciární alkoholy se neoxidují. Primární alkoholy lze též selektivně oxidovat do stadia aldehydů. K tomuto účelu se používají speciální činidla např. P pyridinium-chlorchromát. l P l o by vzniklo, pokud bychom uvedený alkohol oxidovali přebytkem KMn 4 v mírně kyselém vodném prostředí?

6 xidace za vzniku alkoholů otvírání epoxidů U alkenů jsme se setkali s několika způsoby přípravy alkoholů. Zároveň jsme též diskutovali přípravu tzv. epoxidů. Tyto látky mohou představovat další možný prekurzor pro přípravu alkoholů. l l Epoxidace se provádí peroxokyselinou, např. m-chlorperoxobenzoovou. Produkt epoxidace je možné podrobit hydrolýze, mluvíme též o otevírání epoxidů. Na 3 Na l/ 2 Samozřejmě, že epoxid můžeme hydrolyzovat bazicky i kysele. Pokud bychom použili pouze vodnou kyselinu chlorovodíkovou, dostali bychom stejný produkt. Kyselá a bazická hydrolýza jsou však z mechanistického hlediska zcela odlišné reakce. Důkazem tohoto tvrzení budiž otevírání epoxidu methanolem resp. methanolátem v kyselém resp. bazickém prostředí. o bude produktem reakce ethylenoxidu s kyselinou chlorovodíkovou? Na 1. reakce 2. l(aq) protonace l U první reakce, která probíhá v methanolu s methanolátem sodným jako nukleofilem, atakuje báze méně stericky bráněný atom uhlíku. Po okyselení vzniká 2,4-dimethyl-1- methoxypentan-2-ol. U druhé reakce, která probíhá v methanolu za katalýzy chlorovodíkem, dochází nejprve k protonaci epoxidového kyslíku. Následně se tvoří stabilnější karbokation a ten reaguje s neutrální molekulou methanolu za tvorby 2,4-dimethyl-2-methoxypentan-1-olu. - l Jak bude reagovat 2,2-dimethyloxiran s lithiumaluminiumhydridem? Jak bude reagovat 2,2-dimethyloxiran s methanolátem sodným v methanolu? Jak bude reagovat lithium-aluminiumhydrid s vodnou kyselinou chlorovodíkovou?

7 Ethery Jsou polární látky, které nemají kyselý vodík, a proto jsou velmi výhodnými rozpouštědly při přípravě Grignardových činidel. Ethery lze připravit nejrůznějšími způsoby, nicméně tím nejhojnějším je tzv. Williamsonova syntéza etherů a její modifikace. K 2 3 aceton K I aceton KI Na aceton Na I aceton 3 NaI Výchozí alkohol nebo fenol je nejprve převeden bází na odpovídající alkoholát/fenolát a ten je v druhém kroku reakce alkylován alkylačním činidlem. Jako alkylační činidla jsou nejčastěji používány primární nebo jednoduché sekundární alkyljodidy nebo alkylbromidy. Pokud bychom použili složitější alkylhalogenid, pak by v přítomnosti silné báze probíhala E2 eliminace namísto žádané S N 2 substituce. Proč je k převedení alkoholu na odpovídající alkoholát nutné použít silnější bázi než v případě fenolu? Štěpení etherů Další důležitou reakcí je štěpení etherů. Reakce se provádí koncentrovanými halogenovodíkovými kyselinami případně bromidem boritým a dalšími činidly. - var - -- var 2 Při reakci je důležité pamatovat na to, že rozštěpením etheru na alkylhalogenid a alkohol reakce nekončí. Za daných podmínek probíhá i nukleofilní substituce skupiny halogenem a vznikají tedy dvě molekuly halogenderivátu. var -- var reakce neprobíhá V případě štěpení alkyl(aryl)etherů je situace odlišná vznikající fenol nukleofilní substituci skupiny nepodléhá a dále nereaguje.

8 laisenův přesmyk aromatických allyletherů ΔT V souvislosti s touto reakcí si jistě vzpomenete na tvrzení, že allylové systémy vedou tak trochu dvojí život, a že práce s nimi není vždy zcela jednoznačná a jednoduchá. Allylový přesmyk Pokud totiž provedeme reakci s těmito dvěma odlišnými chlorderiváty, dostaneme vždy jako hlavní produkt 2-methylbut-3-en-2-ol. Proč vzniká ze dvou odlišných substrátů stejný produkt? l Na l Na Při reakci dochází v obou případech k přesmyku na stabilnější karbokation. Pokud reaguje allylhalogenid s vodou v přítomnosti velmi slabé báze jako je uhličitan sodný, probíhá reakce spíše S N 1 mechanismem. Atom halogenu se odštěpuje a vzniká karbokation, který v reakčním prostředí přesmykuje na svou stabilnější formu. Jak bude reagovat 1-brombut-2-en s kyanidem sodným v acetonitrilu? Jak připravíte výchozí allylether pro laisenův přesmyk?

9 rganokovové sloučeniny Základní organokovy připravujeme zpravidla z odpovídajících halogenderivátů. Nás budou zajímat především sloučeniny lithia, hořčíku a mědi. Význam organokovů spočívá v tom, že dochází k přepólování původní vazby uhlík-halogen. δ δ- 2 Li Li Li δ δ- Mg Mg δ- Li u δ- u - Li δ- Li Vzhledem k těmto unikátním vlastnostem (záporně polarizovaný uhlík) jsou organokovy využívány v širokém spektru reakcí. Nukleofilní adice na karbonylovou skupinu A N (=) Uhlík karbonylové skupiny je polarizován kladně, čehož lze využít pro reakci právě s organokovovými činidly. Syntéza alkoholů δ- δ Mg 2 Mg 2 Mg Pokud budeme adovat Grignardovo činidlo (např. butylmagnesiumbromid) na formaldehyd a meziprodukt následně rozložíme vodou, získáme alkohol o jeden uhlík delší, než byl původní organokov. Pozn. hceme-li uhlíkatý řetězec prodloužit o dva uhlíky, můžeme jako reagent použít oxiran. Vzniklý alkohol lze následně transformovat na potřebnou sloučeninu. U substituovaných oxiranů je potřeba pamatovat na fakt, že při bazickém otevírání kruhu atakující nukleofil vždy napadá méně stericky bráněný atom uhlíku. δ- Mg 2 δ δ Mg 2 Mg Stejným způsobem lze adicí na obecný aldehyd získat sekundární alkohol a adicí na keton pak alkohol terciární. U adicí na = skupinu esterů je situace poněkud složitější.

10 δ Mg δ- Mg Mg Mg δ- Mg 2 Mg Adice na estery probíhá stejným mechanismem jako reakce předchozí. Po adici prvního molu Grignardova činidla je teoreticky možné reakci zpracovat a získat tak keton. Je též možné na vzniklou karbonylovou skupinu adovat další molekulu Grignardova činidla za vzniku terciárního alkoholu. Adice na konjugované systémy Při adicích na konjugované systémy se využívají především kupráty, neboť preferují selektivní 1,4-adici. δ- δ- δ δ ( ) 2 uli = δ- δ Li 3 2 2u Li 2 Při adicích alkylkuprátu se vždy použije jen jeden alkyl z činidla a druhý zůstává nevyužitý. Vzniklý meziprodukt po prvním kroku reakce je možné dále alkylovat, nebo rozložit vodou za vzniku, v tomto případě, esteru. Jakým způsobem a jakým činidlem by bylo možné alkylovat vzniklý meziprodukt, tj. lithnou sůl? Ve strukturních elektronových vzorcích napište mechanismus adice propylmagnesiumchloridu na ethyl(methyl)keton. Vzniklý hořečnatý intermediát rozložte vodou. Jak se nazývá produkt reakce? Z jakých výchozích látek byste připravili trifenylmethanol? Et

11 Příklady k procvičení 1. Nakreslete následující sloučeniny: a) nejstabilnější konformaci trans-1-chlor-3-isopropylcyklohexanu b) (Z)-2-brombut-2-enovou kyselinu c) propanoyl chlorid d) m-nitrobenzoyl chlorid e) ethyl-3-hydroxy-4-(trifluormethyl)benzoát f) ethyl(vinyl)ether 2. Uveďte systematické názvy následujících sloučenin: l l a b F c d l e 3. Nakreslete následující reakce, uveďte, zda budou probíhat mechanismem S N 1, S N 2, E1 nebo E2 a označte hlavní produkt reakce: a) 1,1-dimethylethanol (terc-butanol) s kyselinou sírovou za zvýšené teploty b) 2-brompentan s hydroxidem draselným za zvýšené teploty c) 1-brom-1-methylcyklohexan s methanolem za laboratorní teploty d) trans-1-jod-3-isopropylcyklohexan s terc-butanolátem draselným v terc-butanolu e) 1-brom-1-deuteroethan s kyanidem draselným v acetonitrilu f) 1-brom-1,1-dimethylethan s vodou za laboratorní teploty 4. Připravte: a) butylmagnesiumbromid z butanolu b) methylcyklopenten z methylcyklopentanolu c) fenylmethanol z benzylbromidu d) butyllithium z brombutanu e) but-2-enovou kyselinu z 2-brombutanové kyseliny f) cyklohexen z cyklohexanolu 5. Vícestupňovou syntézou připravte: a) oxiran (ethylenoxid) z bromethanu b) 1,2-dibrompropan z propan-2-olu c) 3-chlorpropen z propan-2-olu d) butanal z brombutanu e) terc-butyl(methyl)ether z terc-butanolu f) benzylalkohol z toluenu

12 6. Jak připravíte následující ethery? Vhodně zvolte reagenty a podmínky reakcí. 3 3 a b c d 7. Připravte následující sloučeniny, je-li výchozí látkou propan-2-ol. a) prop-2-ylmagnesiumbromid b) propan-1-ol c) 1,2,3-trichlorpropan d) propyn e) 3-methylbutan-1-ol f) 3-methylbutan-2-on g) lithium-diisopropylkuprát h) ethyl-4-methylpentanoát i) propan-1,2-diol