6 oztřídění reakcí a principy jejich zařazení do jednotlivých typů Při zběžném pohledu na velkou rozmanitost organických reakcí a přeměn se zdá, že je jich poměrně velký počet Podrobnější studium však napovídá, že všechny tyto reakce je možno zařadit jen do několika málo typů Vzhledem k tomu, že tato tématika svým rozsahem přesahuje rámec těchto skript, je v této kapitole podán jen velmi stručný přehled o základních kriteriích, podle kterých můžeme jakoukoliv reakci zařadit do příslušného typu 61 Základní kriteria roztřídění reakcí 611 Formální hledisko Z formálního hlediska můžeme použít základní třídění reakcí na: (A) adiční reakce: A B AB (B) eliminační reakce: ABD AB D () substituční reakce: AB A B (D) přesmyky: AB AB Zařazení jakékoliv reakce do některého z těchto typů většinou nečiní žádné potíže S tímto hrubým tříděním se však nemůžeme spokojit Proto každý z těchto typů dále dělíme a to především: 61 Dle reakčního mechanismu Podle toho, jaké činidlo reakci zahajuje, reakce třídíme na: radikálové E elektrofilní nukleofilní ovněž toto kriterium třídění někdy nemusí činit potíže, např Zde se jedná o substituci, kde jak vstupující, tak i vystupující částice je nukleofilní, takže se jedná o S reakce Daleko častěji však musíme, chcemeli reakci zařadit, znát reakční mechanismus Tak např u následující reakce bez znalosti reakčního mechanismu nemůžeme rozhodnout, zda se jedná o A E, A nebo A 154
Z uvedeného schématu totiž nevyplývá, jakým činidlem je reakce zahájena a objasnění reakčního mechanismu existuje řada metod (např volba vhodného uspořádání reakce, isolace nebo důkazem meziproduktů, metoda zkřížených reakcí, použití isotopických atomů atd) a není to vždy záležitost jednoduchá 613 Molekularita reakce Jedná se o další kriterium, podle kterého můžeme reakce dále dělit V běžné praxi se jedná hlavně o reakce monomolekulární a bimolekulární Zde je vodítkem ke zjištění molekularity kinetické sledování reakce, které nám ukáže, zda je rychlost reakce přímo úměrná koncentraci jedné komponenty (reakce 1 řádu) nebo součinu koncentrací dvou komponent (reakce řádu) Zjištění molekularity reakce je velmi důležité zejména pro úvahu o možném tranzitním stavu reakce Více vyplyne z některých dále uvedených příkladů, jako jsou monomolekulární nukleofilní substituce S 1 nebo nukleofilní substituce bimolekulární S 6 Typy činidel Jak již bylo uvedeno, je důležitým kriteriem pro roztřídění reakcí i činidlo, kterým je reakce zahájena Proto na tomto místě budou uvedeny nejdůležitější typy činidel a vztah mezi jejich konstitucí a reaktivitou Vznik činidel můžeme formálně znázornit následujícími schématy: 1) a b a homolytické štěpení, které je iniciováno buď vyšší teplotou termolýza (T), nebo zářením nejčastěji ultrafialovým b koligace Vzniklá částice, mající nepárový elektron je radikál různé reaktivity ) E c heterolýza d koordinace c u E u d (Vazba Eu nemusí být vždy polarizovaná a vzniklé částice nemusejí mít náboje) 155
E částice elektrofilní, která může a nemusí mít kladný náboj, ale má různě velký elektronový deficit u částice, která může a nemusí mít záporný náboj, ale musí mít volný elektronový pár 61 adikálová činidla ( ) eaktivita volných radikálů je přímo úměrná elektronegativitě atomu, na kterém je nepárový elektron, závisí však i na substituentech na těchto atomech (viz stabilní volné radikály na str 114 ) Můžeme tedy mít plynulou řadu radikálů od vysoce reaktivních až po zcela stabilní Z hlediska elektronegativity je tedy nejreaktivnější fluorový radikál F a u ostatních atomů reaktivita klesá pak s poklesem elektronegativity v téže periodě Mendělejevovy soustavy F Pokud substituenty nejsou s nepárovým elektronem konjugovány, pak i alkylové radikály (např 3 ) náleží mezi velmi reaktivní radikály, avšak trifenylmethyl je již radikálem stabilním a tudíž velmi málo reaktivním Ještě rychleji klesá reaktivita v kolmém směru periodického systému: F l Br I Zde Br patří ještě mezi radikály reaktivní, u I je však reaktivita již velmi malá a rozdíl od málo reaktivních radikálů jsou pro reaktivní volné radikály typické řetězové reakce, které se vyznačují vysokou reakční rychlostí a někdy až explosivním průběhem Tak je tomu např při radikálové chloraci uhlovodíků: 156
hv iniciace 6 ukleofilní činidla terminace propagace (jedna z možností) ukleofilní činidla se vyznačují volným elektronovým párem, který je disponován k reakcím s elektrofily ukleofilita je tedy snaha přeměnit volný elektronový pár ve vazebný Čím je tato tendence vyšší, tím je nukleofilita silnější Síla nukleofility je nepřímo úměrná elektronegativitě a přímo úměrná elektronové hustotě Můžeme tedy např sestavit následující řadu podle klesající nukleofility: 3 I I F F K odhadu nukleofility nám může dobře posloužit protonizovaná forma těchto činidel Čím je jejich acidita vyšší, tím je nukleofilita nižší apř I Molekulární vodík nemá kyselé vlastnosti, takže hydridový aniont je silným nukleofilem ydroxoniový iont je naopak silná kyselina, takže hydroxyderivát je jen slabým nukleofilem Přesnější, než tento hrubý odhad nukleofility, je hodnocení nukleofility dle Pearsona, který především podle polarizovatelnosti dělí nukleofily na tvrdé (hard) (apř:,, 3,, F ) a měkké (soft) (apř, 3,, S, I ) 157
63 Elektrofilní činidla Elektrofilní činidla se vyznačují elektronovým deficitem, který si snaží doplnit elektronovým párem z nukleofilů Čím je tato tendence vyšší, tím je činidlo silnějším elektrofilem Velikost elektrofility je přímo úměrná elektronegativitě a je podporována kladným nábojem, takže můžeme sestavit např následující řadu s klesající elektrofilitou: F F l B B All 3 F F Také u elektrofilů můžeme v závislosti na polarizovatelnosti rozlišovat tvrdé (hard) elektrofily (např, S 3, BF 3, All 3 ) a elektrofily měkké (soft), např(u, Ag, B 3, ) 63 Příklady některých reakcí a tomto místě je zařazena ukázka některých reakcí a jejich mechanismy 631 Adiční reakce 6311 Elektrofilní adice (A E ) Jedná se o adice nejčastěji na dvojnou vazbu nebo vazbu trojnou mezi atomy, které jsou zahájeny elektrofilem Tímto mechanismem probíhá např adice halogenů, halogenovodíků, kyslíkatých kyselin, vody i boranu 1/6 B 6 3 1/3 B 3 a) Tak např při adici molekuly halogenu na alkeny bylo zjištěno, že se jedná o sérii následujících reakcí, které jsou zahájeny Id efektem π elektronů, který polarizuje původně nepolární vazbu mezi halogeny: 158
Br Br Br Br Br Br π komplex σkomplex Br Br l l Br eakce je tedy zahájena elektrofilem za vzniku πkomplexu, který přechází na σkomplex, u kterého dochází k adici nukleofilu z opačné strany, takže v prvém okamžiku se u vzniklého aduktu halogeny nalézají v konformaci antiperiplanární Přestože pak dochází k protáčení kolem jednoduché vazby, hovoříme zde ze sterického hlediska o transadici To můžeme dokázat pomocí diastereomerie, pokud vycházíme z vhodně substituovaných alkenů: 1 cisalken 1 1 1/ 1/ racemát threo diastereomeru 1 transalken 1 1/ 1/ 1 racemát erythro diastereomeru Provedemeli adici za přítomnosti chloridů, vzniká chlorbromderivát, který by nemohl vzniknout, pokud by reakce nebyla zahájena elektrofilem (Viz předchozí schéma) b) Adice halogenovodíků, vody kyslíkatých kyselin a boranu Ve všech těchto případech platí pravidlo Markovnikovo (Při A E se aduje elektrofil na ten atom, kde je více atomů ) 3 159
Platnost tohoto pravidla je dána jak I efektem alkylových skupin a jejich hyperkonjugací, ale i výhodnějším σkomplexem, u něhož je sp hybridizace na obsazenějším atomu (viz sterické faktory, str 150) 631 ukleofilní adice (A ) S tímto typem adičních reakcí se setkáváme především u karbonylových sloučenin a sloučenin příbuzných 6311 U silných nukleofilů dochází k tvorbě stabilních aduktů, které po okyselení poskytují hydroxysloučeniny: 1 1 u 3 1 u ū ū = napr,, Grignardovy slouceniny a pod 631 U slabých nukleofilů je třeba použít kyselou nebo bazickou katalýzu apř 1 1 1 1 1 1 1 1 acetal 1 hemiacetal ( = hydrát) 160
nebo 1 1 1 1 1 a) 1 = ; = alkyl esterifikace b) 1 = alkyl; = hydrolýza c) 1 = alkyl A; = alkyl B transesterifikace Kysele katalyzovaná je i tvorba oximů a hydrazonů 1 1 =, 6313 eakce s kyselinami za bazické katalýza (aldolisace) Sestává se ze tří reakcí a) b) Q B B Q 1 1 Q Q 161
c) 1 Q B B 1 Q Q je kyselina apř Q = (eppeho ethynylace) Q = (kyanhydrinová syntéza) V případě, že kyselinou je reaktivní skupina (viz hyperkonjugace na str 115), může po stadiu aldolizace následovat eliminace a hovoříme pak o aldolové kondenzaci 1 Z = hyperkonjugující se skupina, např apř 1 1 Z B 1, S,, a pod 6313 adikálové adice B B 1 1 fulveny Při dostatečné reaktivitě radikálů probíhá radikálová adice řetězovým mechanismem Z Y Y hυ Y iniciace 16
Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y propagace Při malé koncentraci radikálového činidla dochází k radikálové polymeraci, při které radikál hraje úlohu iniciátora radikálové polymerace Y n ( ) n Y 6314 yklické adice Jedná se o adiční reakce s cyklickým tranzitním stavem, jako je např katalytická hydrogenace, DielsAlderovy dienové syntézy, 1,3dipolární cykloadice, adice karbenů apod, jak již bylo uvedeno na str 144 146 Jako další příklad 1,3dipolárních cykloadicí můžeme uvést ozonolýzu alkenů a alkinů: 1 3 4 1 3 4 3 1 4 1 3 4 1 1 1 1 Dalším příkladem dienových syntéz je dimerace dienů 163
63 Substituční reakce (S) 631 ukleofilní substituční reakce 6311 a nasyceném atomu a) Monomolekulární (S 1) 1 u 3 1 3 b) Bimolekulární (S ) 1 3 u 1 3 1/ 1 3 1 3 1/ u 1 3 racemát transitní stav Waldenův zvrat c) Faktory ovlivňující mechanismus Alkyl: primární: výhodný pro S reakce, terciární: výhodný pro S 1 reakce ukleofilní činidlo: silné: podporuje S mechanismus, slabé: podporuje S 1 mechanismus ozpouštědlo: aprotické: podporuje S mechanismus, protické (polární): podporuje S 1 mechanismus 631 V aromatické řadě a) Monomolekulární (S 1) apř Ar T Ar Ar b) Bimolekulární I Ar BF 4 Ar F I (Schiemannova reakce) Ar u u u 164
u u u 63 Elektrofilní substituce S E 631 V aromatické řadě a) Mechanismus E E E πkomplex σkomplex E b) rientace Substituenty s M efektem: orientace: o, p (výlučná) apř,, S,, Substituenty s I efektem: 3 rientace: není výlučná o > p >> (m), 3 3 3 165
Substituenty s M efektem: rientace: m (není výlučná) apř, S, S 3, Al 3 63 a nasyceném atomu Probíhají tehdy, jeli skupina aktivována hyperkonjugací, např: Ar Ar Ar 633 adikálová substituce S S reaktivními radikály probíhá řetězovým mechanismem, např l l hυ l iniciace l 4 l 3 3 l 3 l l propagace l l 3 l 3 l terminace (jedna z možností) 166
633 Eliminační reakce 6331 Transeliminace 63311 Dehydrohalogenace 1 B 4 3 6331 Dehalogenace 1 3 4 1 B 4 3 Zn 1 3 4 1 B 3 Zn 4 (E) 63313 Dehydratace 1 3 4 1 4 3 1 3 4 (E1) 63314 Štěpení kvarterních amoniových hydroxidů 1 3 4 T 1 3 4 3 63315 Směr eliminace a) Zajcevovo pravidlo: při eliminaci se odštěpuje atom vodíku z toho sousedního atomu, který má méně atomů Platí pro dehydrohalogenace a pro dehydratace apř 3 B 3 3 B 3 b) ofmannovo pravidlo: Tři termickém štěpení kvarterních amoniových hydroxidů se atom vodíku odštěpuje z toho sousedního atomu, který má více vodíku 167
apř 3 3 3 3 3 T ( 3 ) 3 3 633 iseliminace Probíhají při termickém rozkladu esterů, např 1 3 4 T 1 3 4 1 3 4 S S T S S 1 3 4 634 Přesmyky Přesmyky můžeme dělit jak podle systémů, u kterých probíhají, tak i podle povahy přesmykujících se částic Uvedeno bude jen několik příkladů, které zdaleka nevyčerpávají všechny typy přesmyků 6341 Přesmyky nasycených systémů 63411 ukleofilní přesmyky Při nich se přesmykuje částice i s elektrony a) Vyvolané deficitem na atomu apř Pinakolinový přesmyk 168
nebo přesmyk při reakci karbonylových sloučenin s diazolátkami 1 b) Vyvolané elektronovým deficitem na atomu apř urtiuv přesmyk T isokyanát (acylnitren) ofmannovo odbourání Beckmanův přesmyk 3 1 1 1 1 1 169
c) vyvolané elektronovým deficitem atomu Ar Ar Ar Ar Ar Ar 6341 Elektrofilní přesmyky na nasyceném atomu Jako příklad je možno uvést Stevensův přesmyk 1 B B 1 ylidy 1 634 Přesmyky nenasycených systémů Příkladem je např allylový přesmyk 170
6343 yklické přesmyky Příkladem může být laisenův přesmyk 6344 Intramolekulární aromatické přesmyky apř benzidinový přesmyk 3 Fischerův přesmyk 1 4 1 171