Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity Ústav chemie Příklady ke Speciálnímu semináři z organické chemie I Jaromír Literák 21. července 2010 Obsah Obsah 4 Doporučená literatura 5 Názvosloví organických sloučenin podle doporučení IUPAC 6 Názvoslovné operace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Obecné zásady tvorby názvu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Substituční názvosloví . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Názvosloví substituentů odvozených od uhlovodíků . . . . . . 11 Pořadí předpon v názvu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Hledání hlavního řetězce u acyklických sloučenin . . . . . . . . 12 Pravidla pro číslování základní struktury . . . . . . . . . . . . 13 Radikálově funkční názvosloví . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Názvosloví bicyklických uhlovodíků a spirosloučenin . . . . . . 13 Názvosloví vybraných skupin organických sloučenin . . . . . . . . . 14 Názvosloví radikálů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Názvosloví kationtů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Názvosloví aniontů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Názvosloví aminů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Názvosloví azosloučenin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Názvosloví organokovů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Názvosloví cyklických etherů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Názvosloví acetalů, hemiacetalů, oximů a hydrazonů . . . . . . 17 Názvosloví solí a esterů kyselin . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Názvosloví laktonů a laktamů . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Názvosloví anhydridů kyselin . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Příklady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Autorské řešení příkladů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2 Polarita vazeb, rezonance, indukční a mezomerní efekty 27 Rezonanční struktury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Indukční efekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Mezomerní efekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Příklady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Autorské řešení příkladů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Konformační analýza alkanů a cykloalkanů 38 Cyklopropan!konformace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Cyklobutan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Cyklopentan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Cyklohexan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Pnutí v molekulách cykloalkanů . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Příklady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Autorské řešení příkladů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Úvod do stereochemie 48 CIP pravidla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Chiralita, deskriptory absolutní konfigurace . . . . . . . . . . 48 Deskriptory konfigurace na dvojné vazbě a cyklu . . . . . . . . 50 Fischerova projekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Příklady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Autorské řešení příkladů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Reakce alkanů 57 Bromace pomocí NBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Selektivita při odštěpování atomu vodíku . . . . . . . . . . . . 58 Příklady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Autorské řešení příkladů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Adiční reakce alkenů a alkynů 66 Stereochemie adicí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Regioselektivita adicí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Přesmyky karbokationtů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Pořadí stability karbokationtů . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Index nenasycenosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Příklady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Přehled adičních reakcí alkenů a alkynů . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Kinetické a termodynamické řízení reakcí . . . . . . . . . . . . . . . 74 Autorské řešení příkladů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3 Pericyklické reakce 84 Elektrocyklické reakce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Cykloadiční reakce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Sigmatropní přesmyky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Enové reakce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Příklady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Autorské řešení příkladů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Aromatické sloučeniny, SEAr 94 Aromaticita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Elektrofilní aromatická substituce . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Krok určující rychlost reakce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Příklady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Rozdělení substituentů podle směřování SEAr . . . . . . . . . . . . 102 Přehled nejdůležitějších SEAr reakcí . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Přehled dalších SEAr reakcí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Autorské řešení příkladů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Nukleofilní aromatické substituce 116 Adičně-eliminační mechanismus SN2Ar . . . . . . . . . . . . . 116 Monomolekulární nukleofilní aromatická substituce (SN1Ar) . 117 Eliminačně-adiční (dehydroarenový) mechanismus . . . . . . . 117 Příklady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Autorské řešení příkladů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Použitá literatura 127 4 Doporučená literatura: • On-line materiály ke cvičení • Potáček, M.; Mazal, C.; Janků, S.: Řešené příklady z organické chemie, 1. vyd. Masarykova univerzita v Brně, 2005. • McMurry, J.: Organická chemie, 1. vyd., Nakladatelství VUTIUM a VŠCHT, Praha, 2007. • Svoboda, J. a kol.: Organická chemie I. VŠCHT Praha 2005. • Panico, R; Powell, W. H.; Richer J.-C.: Průvodce názvoslovím organických sloučenin podle IUPAC, Academia, Praha, 2000. • Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P.: Organic Chemistry. Oxford University Press, 2001. • Solomons, G. T. W.: Organic chemistry, New York: John Wiley & Sons, 1996. • Potáček, M.: Organická chemie pro biology. 1. vyd., Masarykova univerzita, Brno, 1995. 5 1. Názvosloví organických sloučenin podle doporučení IUPAC Systematické názvosloví organických látek je založeno na předpokladu, že organické sloučeniny lze odvodit z určité základní struktury vhodnými operacemi. Nejběžnějšími záklaními strukturami jsou hydridy prvků (např. uhlovodíky). Formální strukturní změny vedoucí od základní struktury ke sloučenině, kterou popisujeme, jsou vyjádřeny modifikacemi názvu základní struktury pomocí předpon (prefixů) a vsuvek (infixů). Je-li základní strukturou hydrid, pak je možno jeho základní název modifikovat také příslušnými příponami (sufixy). Existuje několik názvoslovných systémů uzpůsobených pro určitou skupinu sloučenin (např. Hantzschovo-Widmanovo názvosloví heterocyklů, názvosloví peptidů, sacharidů). Může existovat více alternativních názvů pro jednu sloučeninu, všechny však musí být jednoznačné! Názvoslovné operace Názvoslovné operace jsou modifikace základní struktury, které provádíme při odvozování názvu popisované sloučeniny. Tyto všechny operace jsou následně zachyceny v názvu sloučeniny. • Substituční jsou založeny na náhradě jednoho nebo více atomů vodíku v základní struktuře jinými atomy nebo skupinami atomů. Vyjadřují se jak předponami, tak příponami: Cl HO cyklohexanchlorcyklohexan cyklohexanol 6 • Záměnné operace jsou založeny na záměně atomu jiného než vodík v základní struktuře za odlišný atom nebo skupinu atomů. Předpony vyjadřující záměnu atomů ve skeletu základní struktury jsou např.: O – oxa, S – thia, N – aza, P – fosfa, Si – sila, B – bora (seřazeny v klesajícím pořadí názvoslovné priority). Může také dojít k záměně atomu kyslíku v charakteristických skupinách jinými atomy nebo skupinami: cyklohexan Si H H silacyklohexan H3C OH O H3C OH S kys. octová kys. thiooctová • Aditivní operace se zakládají na formálním skládání popisované sloučeniny z částí beze ztráty atomů. Tuto operaci lze vyjádřit předponami i příponami. naftalen 1,2,3,4-tetrahydronaftalen pyridin 1 2 3 4 +4H N H N +H pyridinium • Konjunktivní operace vedou ke vzniku popisované molekuly propojením více samostatných molekul po předchozím odtržení jednoho nebo více atomů vodíku z jednotlivých složek v místě spojení. Operace se vyjádří spojením názvů složek nebo použitím násobící předpony, pokud jsou části shodné: + CH3OH -2H OH N N N pyridin 2,2'-bipyridin -2H H2N NH2 + 4 CH3COOH -8H N N CH2COOH CH2COOH HOOCH2C HOOCH2C ethylendiamin octová kys. ethylendiamintetraoctová kys. cyklohexan methanol cyklohexanmethanol • Subtraktivní operace představuje formální odstranění atomů ze základní sktruktury. Operace je vyjádřena jak předponami, tak přidáním přípony nebo změnou zakončení názvu základní struktury (viz názvosloví alkenů, alkynů, radikálů a iontů). Některé předpony: cyklo- 7 (vznik cyklu), deoxy- (odnětí atomu kyslíku), dehydro- (odnětí atomu vodíku), nor- (odnětí CH2 skupiny): O OH OHHO HO β-D-ribofuranosa -O O OH HO HO 2-deoxy-β-D-ribofuranosa OH HO N H CH3 OH OH HO N H H OH adrenalin noradrenalin -CH2 H3C CH3 -2H hexan cyklohexan H3C CH3 pentan pentan-2-ylium H3C CH3 -H • Násobící operace jsou použitelné pro sloučeniny obsahující ve středu molekuly vícevazný substituent, který propojuje stejné strukturní podjednotky nesoucí hlavní charakteristické skupiny. Název je vytvořen postupným uvedením lokantů míst připojení identických jednotek k propojujícímu substituentu, nazvu vícevazného substituentu, násobící předpony a názvu identických jednotek: C COOHHOOC HH 4,4'−methylendibenzoová kys. Obecné zásady tvorby názvu Při tvorbě systematického názvu organické sloučeniny je doporučeno postupovat po krocích v tomto pořadí: 1. Určíme charakteristické (funkční) skupiny. Skupina s nejvyšší názvoslovnou prioritou bude uvedena jako přípona názvu (substituční názvosloví) nebo jako funkční skupinový název (radikálově funkční názvosloví). Všechny ostatní skupiny budou vyjádřeny substitučními předponami. 2. Určíme a pojmenujeme základní strukturu včetně neodlučitelných před- pon. 8 3. Základní strukturu očíslujeme a sestavíme název se všemi substitučními předponami v abecedním pořadí. Pozice jednotlivých funkčních skupin a násobných vazeb na základní struktuře je vyjádřena lokanty, které se v názvu umisťují bezprostředně před tu část názvu, kterou popisují. Výjimkou z tohoto pravidla jsou tradiční stažené názvy substituentů (např. 2-naftyl – naftalen-2-yl, 3-pyridyl – pyridin-3-yl). Lokanty mohou být čísla nebo písmena (O, N, S). Substituční názvosloví Substituční názvosloví je založeno na subsitučních operacích. Funkční (charakteristické) skupiny mají své vlastní předpony i přípony, přítomnost některých skupin však lze vyjádřit pouze příponami. Obecné skupiny podle klesajícího pořadí názvoslovné priority: 1. Radikály 2. Anionty 3. Kationty 4. Zwitteriontové sloučeniny 5. Kyseliny (v pořadí COOH, CO(O)2H, potom jejich S a Se deriváty následované sulfonovými, sulfinovými, selenonovými, fosfonovými, arsonovými atd. kyselinami) 6. Anhydridy kyselin 7. Estery kyselin 8. Halogenidy kyselin 9. Amidy 10. Hydrazidy kyselin 11. Imidy kyselin 12. Nitrily 13. Aldehydy následované thioaldehydy, selenoaldehydy a telluroaldehydy 14. Ketony následované thioketony, selenoketony a telluroketony 15. Alkoholy a fenoly následované thioly, selenoly a telluroly 16. Hydroperoxidy následované thiohydroperoxidy, selenohydroperoxidy a tellurohydroperoxidy 17. Aminy 18. Iminy 19. Hydraziny, fosfany atd. 20. Ethery následované sulfidy, selenidy a telluridy 21. Peroxidy následované disulfidy, diselenidy a ditelluridy 9 Přípony a předpony pro vybrané skupiny v substitučním názvosloví Skupina Vzorec Předpona Přípona Karboxylová kyselina -COOH karboxy- -karboxylová kyselina -(C)OOH – -ová kyselina Sulfonová kyselina -SO2OH sulfo- -sulfonová kyselina Ester karbox. kyseliny -COOR (R)-oxykarbonyl- (R)-. . . -karboxylát -(C)OOR – (R)-. . . -oát Acylhalogenid -CO-halogen halogenkarbonyl- -karbonylhalogenid -(C)O-halogen – -oylhalogenid Amid -CO-NH2 karbamoyl- -karboxamid -(C)O-NH2 – -amid Nitril -C≡N kyan- -karbonitril -(C)≡N – -nitril Aldehyd -CHO formyl- -karbaldehyd -(C)HO oxo- -al Keton >C=O oxo- -on Alkonol nebo fenol -OH hydroxy- -ol Thiol -SH sulfanyl- -thiol Amin -NH2 amino- -amin Imin =NH imino- -imin =NR (R)-iminoVybrané charakteristické skupiny uváděné jen jako předpony Skupina Vzorec Předpona Bromderiváty -Br bromChlorderiváty -Cl chlorFluorderiváty -F fluorJodderiváty -I jodDiazosloučeniny =N2 diazoAzidy -N3 azidoNitrososloučeniny -NO nitrosoNitrosloučeniny -NO2 nitroEthery -OR (R)-oxySulfidy -SR (R)-sylfanyl- 10 Názvosloví substituentů odvozených od uhlovodíků Přítomnost tohoto typu substituentů vyjadřujeme pouze pomocí předpon. Názvosloví uhlovodíkových zbytků je shodné s názvoslovím odpovídajících radikálů. Existují dva způsoby, jak pojmenovávat uhlovodíkové zbytky (ra- dikály): 1. Atom s volnou valencí má lokant 1 a začíná lineární řetězec nebo je součásti cyklu. Název se tvoří nahrazením koncovky -an za příslušnou koncovku. Tento přístup je vhodný pro substituenty odvozené od jednoduchých nasycených acyklických nebo monocyklických uhlovodíků. 2. Obecnější substituční přístup, kdy se volná valence považuje za skupinu s nejvyšší prioritou a její přítomnost se vyjádří příslušnou příponou1 za názvem základního hydridu (viz názvosloví radikálů). H3C H C CH2CH2CH3 1 2 3 4 5 1-methylbutyl H3C H C CH2CH2CH3 1 2 3 4 pentan-2-yl 1) 2) C H3C CH3 a) 1-methylethyliden b) propan-2-yliden H3C C CH3 b) propan-2,2-diyl CH2CH2CH2CH2 b) butan-1,4-diyl C CH2CH3 b) propan-1,1,1-triyl Koncovky uhlovodíkových zbytků Jednovazný Dvojvazný Trojvazný -yl -diyl -triyl -yliden -ylidyn Příklady povolených názvů organických zbytků CH2-CH=CH2 C6H5 CH2-C6H5 CH2CH2-C6H5 C(C6H5)3CH(C6H5)2 CH CH3 CH3 C CH3 CH3 CH3 CH=CH2 isopropyl terc-butyl vinyl allyl fenyl benzyl benzhydryl trityl fenethyl cinnamyl 2-naftyl N 3-pyridyl CH2-CH=CH-C6H5 1 Přípony -yliden a -ylidyn se užívají, pokud je substituent připojen násobnou vazbou k jednomu atomu hlavního řetězce. 11 Zkratky pro některé substituenty: Et (ethyl), Me (methyl), Pr (propyl), i-Pr (isopropyl), Ph (fenyl), Bu nebo n-Bu (butyl), Ar (aryl – zbytek aromatického uhlovodíku), Bn (benzyl), t-Bu (terc-butyl). Pořadí předpon v názvu: • Neodlučitelné předpony, jež modifikují skelet základního hydridu, se uvádějí v abecedním pořadí bezprostředně před názvem základního hydridu (předpony typu „a : oxa-, thia-, aza-, fosfa-, bora-, dále předpony jako hydro-, dehydro-, deoxy-, demethyl-,. . . ). • Odlučitelné předpony se uvádějí v abecedním pořadí: – Jednoduché předpony (označení atomů nebo nesubstituovaných substituentů) – na pořadí nemají vliv násobící předpony, ch se řadí pod c. H3C CH3 Cl Cl Cl CH3 CH3 1-ethyl-4-methylcyklohexan 2,5,8-trichlor-1,4-dimethylnaftalen – Substituované substituenty – v tomto případě první písmeno celého názvu zbytku určuje pořadí mezi předponami. CH3 H3C F F 1-(1,2-difluorbutyl)-4-ethylbenzen Hledání hlavního řetězce u acyklických sloučenin: Při hledání hlavního řetězce postupujeme podle těchto bodů až do jednoznačného rozhodnutí: 1. Nejdelší nevětvený acyklický řetězec nesoucí maximum skupin vyjádřených příponou 2. Řetězec s maximem násobných vazeb 3. Absolutně nejdelší řetězec 4. Řetězec s maximem dvojných vazeb 12 Pravidla pro číslování základní struktury: Při číslování základní struktury se snažíme dosáhnout nejnižší sady lokantů2 . Postupujeme podle těchto bodů až do jednoznačného rozhodnutí: 1. Stanovené číslování (polycyklické aromatické uhlovodíky, heterocykly) 2. Nejnižší lokanty pro heteroatomy v heterocyklech 3. Nejnižší lokanty pro skupiny pojmenované příponou 4. Nejnižší lokanty pro heteroatomy v necyklické základní struktuře 5. Nejnižší lokanty pro násobné vazby (-en/-yn) 6. Nejnižší lokanty pro skupiny pojmenované předponou Radikálově (skupinově) funkční názvosloví Systém, jenž využívá aditivních operací, k názvu charakteristické skupiny jsou připojeny názvy substituentů („radikálů ). O CH3 H3C ethyl(propyl)ether O H3C CH3 dimethylketon Názvosloví bicyklických uhlovodíků a spirosloučenin 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 spiro[3.4]oktan bicyklo[3.2.1]oktan Příklady stanoveného číslování 1 2 3 45 6 7 8 2 3 45 6 7 81 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 3 45 6 7 8 N 1 naftalen anthracen fenathren chinolin 2 Nejnižší sadu určíme tak, že v sadách postupně srovnáváme ve stejném pořadí lokant po lokantu, až dojdeme k dvojici, v níž je jeden lokant menší. 13 Názvosloví vybraných skupin organických sloučenin Názvosloví radikálů Formálně odvodíme radikál odtržením vodíkového atomu H· 1. Koncový atom nasyceného nevětveného acyklického uhlovodíku nebo kterýkoliv atom monocyklického uhlovodíku: koncovka –an nahrazena příponou –yl. CH3 CH3CH2CH2 CH methyl propyl cyklobutyl 2. Obecně radikál odvozený odstraněním atomu vodíku kterékoliv polohy: přidá se přípona –yl s lokantem k názvu základního hydridu. 1 2 3 4 5 6 7 indan-1-yl 1 2 3 4 5 67 8 9 10 spiro[4.5]dekan-7-yl 1 2 3 4 5 cyklopenta-2,4-dien-1-yl Názvosloví kationtů 1. Kationty vzniklé adicí H+ nebo jiného elektrofilu k jednojadernému hydridu dusíku, chalkogenů a halogenů: přidá se koncovka –onium ke kořenu názvu. (CH3)2OH+ dimethyloxonium CH3 -NH3 + methylamonium (C6H5)2I+ difenyljodonium (CH3)4N+ tetramethylamonium 2. Kationty vzniklé adicí H+ nebo jiného elektrofilu k neutrálnímu hydridu: přidá se koncovka –ium s lokantem k názvu hydridu. CH5 + methanium [C6H7]+ benzenium N H pyridin-1-ium 3. Vzniklé odtržením H- z hydridu: koncovka –ylium nebo –ylkation s lokantem. CH3 CH3CH2CH2 O 1 2 34 5 O methylium methylkation prop-1-ylium prop-1-ylkation furan-2-ylium furan-2-ylkation 14 Názvosloví aniontů Vzniklé odtržením H+ z neutrálního hydridu: koncovka –id nebo -ylanion s lokantem. CH3 H3C H3C C C CH2CH3 methanid methylanion propan-2-id propan-2-ylanion but-1-yn-1-id but-1-yn-1-ylanion Názvosloví aminů 1. Názvosloví primárních aminů podle substitučního názvosloví (název základního uhlovodíku + předpona amino- nebo přípona -amin). Přítomnost skupin -NHR a -NR2 vyjádřímeme předponami R-amino- a diR-amino-. 2. Sekundární a terciární aminy: N -substituované deriváty primárního aminu R-NH2. 3. Název aminu vyjádříme jako uhlovodíkovými zbytky R substituovaný základní hydrid azan (NH3). 4. Radikálově funkční názvosloví: názvy subtituentu(ů) + koncovka –amin. CH3CH2 NH2 1. ethan-1-amin 3. ethylazan 4. ethylamin CH3CH2 N CH2CH2CH3 H 2. N-ethylpropan-1-amin N-ethylpropylamin 3. ethyl(propyl)azan 4. ethyl(propyl)amin CH3CH2 N CH2CH2CH3 CH3 2. N-ethyl-N-methylpropan-1-amin N-ethyl-N-methylpropylamin 3. ethyl(methyl)propylazan 4. ethyl(methyl)propylamin Použití lokantu N není omezenou pouze na aminy, lze jej obecně použít podobně jako lokant k označení pozice určitého substituentu v molekule. Názvosloví azosloučenin Sloučeniny s obecnou strukturou R–N=N–R lze je pojmenovat jako substituční deriváty základního hydridu diazenu H–N=N–H. Substituent R–N=Nlze pojmenovat složením názvu substituentu R s -diazenyl: H3C N N CH3 N N Cl Cl N N Cl COOH dimethyldiazen 3-chlorfenyl(4-chlorfenyl)diazen 4-(3-chlorfenyldiazenyl)benzoová kys. 15 Podle dřívějších pravidel pro pojmenování azosloučenin, jež jsou stále uznávány jako alternativa, lze symetrické azosloučeniny pojmenovat připojením předpony azo- k názvu základního hydridu. Nesymetrické azoloučeniny R–N=N–R’ se pak pojmenují vsunutím -azo- mezi názvy základních hydridů RH a R’H. Skupina R–N=N- se pojmenuje jako (R)-azo-. Názvosloví organokovů Názvosloví je založeno na stechiometrickém složení, přestože organokovy často v závislosti na podmínkách vzájemně asociují nebo koordinují molekuly roz- pouštědla. 1. Sloučeniny Sb, Bi, Ge Sn a Pb. Vyjádří se jako substituovaný hydrid. 2. Organokovové sloučeniny s vazbami uhlík-kov a vodík-kov. V názvu uvedeme v abecedním pořadí názvy na kov vázaných organických zbytků, atomů vodíku a připojíme název kovu. Přítomnost jakýchkoliv atomů vodíku musí být vždy vyznačena (předponou hydrido-). 3. Organokovové sloučeniny s aniontovými ligandy. Uvedeme názvy organických skupin v abecedním pořadí, název kovu a nakonec názvy aniontů. Jednotlivé složky názvu se nijak neoddělují. (C2H5)3Bi trimethylbismutan (C6H5)4Pb tetrafenylplumban (C6H5)2SnH2 difenylstannan 1. 2. 3. CH3Li methyllithium (C4H9)3GeH tributylhydridogermanium (C2H5)(CH3)Zn ethyl(methyl)zinek CH3MgBr methylmagnesiumbromid brom(methyl)magnesium (C4H9)3SnH tributylcínhydrid Názvosloví cyklických etherů Dvojvazný kyslíkový atom, který je součástí cyklu, lze pojmenovat pomocí odlučitelné předpony epoxy- s příslušnými lokanty označujícími místa připojení kyslíkového můstku. O COOH H3C 2,3-epoxybutanová kys. O O 2,5-epoxycyklohexanon 16 Názvosloví acetalů, hemiacetalů, oximů a hydrazonů Acetaly a hemiacetaly lze pojmenovat pomocí substitučního názvosloví. Protože se jedná o sloučeniny odvozené od aldehydů a ketonů, lze vyjít při tvorbě názvu z názvu mateřské karbonylové sloučeniny, ke kterému za spojovník připojíme názvy příslušných O-substituentů a acetal/hemiacetal. Názvy oximů a hydrazonů odvodíme podobně přidáním spojovníku a oxim resp. hydrazon za název mateřské karbonylové sloučeniny. H3C O O CH3 CH3 1,1-dimethoxypropan propanal-dimethylacetal H3C CH3 OO H3C CH3 2-ethoxy-2-methoxybutan butan-2-on-(ethyl)methylacetal H3C CH3 N HO aceton-oxim Názvosloví solí a esterů organických kyselin V názvu solí organických kyselin se nejdříve uvádí název kationtu, poté název aniontu. Obě složky se v názvu oddělí spojovníkem. Názvy kationtů se uvádějí v abecedním pořadí, zbývající kyselý atom vodíku se vyjádří jako hydrogen. Podobně jako soli lze pojmenovat estery kyselin, jen se místo názvu kationtu uvede název příslušné skupiny. COO Na natrium-benzoát H3C O O CH3 ethyl-acetát Částečně esterifikované vícesytné kyselin a jejich soli se pojmenují tak, že před název aniontu kyseliny uvedeme názvy složek v tomto pořadí: kation, uhlovodíkový zbytek v esterické skupině, kyselý vodík. Pozice složek je nutno specifikovat lokanty. HO O CH3 O O 4-fenyl-hydrogen-2-methylbutan-1,4-dioát COO OH COO EtOOC kalium-5-ethyl-hydrogen-citrát K H Názvosloví laktonů a laktamů Laktony jsou intramolekulární estery karboxylových kyselin. Pojmenují se nahrazením přípony -ová pro karboxylovou kyselinu zakončením -olakton, 17 přičemž se mezi -o- a -lakton vkládá lokant označující polohu hydroxyskupiny. Laktamy jsou dusíkatá analoga laktonů (intramolekulární amidy), v názvu se zakončení -lakton nahradí příponou -laktam. OH3C O H3C O OH15 hexano-5-lakton H2N O OH N H O1 4 butano-4-laktam OH Názvosloví anhydridů kyselin Název symetrických anhydridů odvodíme nahrazením přípony -ová/-karboxylová kyselina zakončením -anhydrid/-karboxanhydrid. Smíšené anhydridy se pojmenují opisnou formou. H3C O O O CH3 butananhydrid O O O H3C O O O CH3 smíšený anhydrid kys. octové a butanové cyklohexankarboxanhydrid 18 Příklady: 1. Najděte hlavní řetězec a sloučeniny pojmenujte: C C CH3 HO O Cl CH2 OH a) b) HO-CH2-CH2-CH-CH-CH=CH-CH2-OH 2. Nazvěte následující sloučeniny: H2N SO3H (Taurin) COOH HO NH2 (Tyrosin) HOOC COOH NH2 (Asparagová k.) COOH NH2 (Asparagin) H2N O CH3 CH3 CH3 CH3 O COOH O CH3 O CH3 CN NH2 O Br CH3 OH O2N H O H O O H3C O OH OH O CH3 OH O O O CH3 CH3 H3C a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) m) H3C Cl O Br O O O OHH3C O Br CN O O CH3 q) r) s) t) H O O F CH3 O O H3C CH3 O O OH (HEMA) n) o) p) 19 H3C N O OH O H BH CH3 H3C COOH CH3 H3C N CH3 OH NH2 O N HO (Ibuprofen) u) v) x) y) z) w) 3. Nakreslete vzorce následujících sloučenin: a. pent-4-en-2-ol b. 7-hydroxyheptan-2-on c. 2-naftol d. 2,4,5-trichlorfenoxyoctová kyselina e. 8-hydroxychinolin f. methyl-4-ethylbenzensulfonát g. 3-(benzoyloxy)propanová kyselina h. 1,5-di(2-pyridyl)pentan-1,5-dion i. 3-azidonaftalen-2-sulfonová kyselina j. 2-methylspiro[4.5]deka-1,6-dien k. 4,5-dichlor-2-[4-chlor-2-(hydroxymethyl)-5-oxohexyl]cyklohexan-1karboxylová kyselina l. 1-(3,5-dimethoxyfenyl)-2-fenyl-2-oxoethyl-benzoát m. 3,6-dioxohexanová kyselina n. 4-formyl-2-oxocyklohexan-1-karbonitril o. 2-fenyl-2-oxoethyl-ethanoát 4. Nazvěte následující sloučeniny: a) O O CH3 OH Ob) F CH3 c) O OH HO COOH d) Indan 1 2 34 5 6 7 20 5. Nazvěte následující sloučeniny a částice: COOH COOH O CH3 a) b) c) d) e) NO COOH CH3 f) N O CH3 H OH O O NH2 g) OH H3C COOH h) i) N(CH3)4 Cl Cl3C Cl Cl N H3C SO3H H O Br 6. Nakreslete vzorce následujících sloučenin: a. N,N -dimethylpyridin-4-amin b. 1-(4-methylfenyl)pentan-1-on c. cyklohexyl-3-oxobutan-1-oát d. 1-(3-nitrofenyl)ethan-1-on e. 2-bromprop-2-en-1-nitril f. 4-(terc-butyl)fenol g. 2,3-dimethoxybutan-1,4-diová kyselina h. pyridin-4-karboxamid i. natrium-prop-1-yn-1-id j. 4-(propanoylamino)cyklohexan-1,2-dikarboxylová kyselina, 4-(propionamido)cyklohexan-1,2-dikarboxylová kyselina k. 4-cyklohexylcyklohex-3-en-1-ol l. 3-(2-chlorpropan-2-yl)benzen-1-karbaldehyd m. 2-vinylpent-2-en-1-nitril n. N -fenylacetamid o. 5-fenyl-4,4-dimethylpentan-2-on p. 4,7-dimethylindan-1-on q. 5-oxopentanová kyselina 21 r. bicyklo[4.1.0]heptan-7,7-dikarboxylová kyselina s. 2-(2,2-dimethylcyklopropyl)ethanal t. 4-hydroxycyklohexyl-benzensulfonát u. 4-aminobenzensulfonamid v. 4-amino-N -(2-pyridyl)benzensulfonamid, 4-amino-N -(pyridin-2-yl)- benzensulfonamid w. 1,4-difenoxycyklooktan-1-karbonylchlorid x. ethyl-3-oxobutanoát y. 4-(pyridin-2-ylamino)benzensulfonamid 7. Pokuste se nazvat následující sloučeniny: OH3C CH3H3C Kafr N H O O OH Atropin N O H H3C H3C O COOCH3 H Kokain 22 Autorské řešení příkladů: 1. Řešení: a. 4-(hydroxymethyl)-5-chlorhept-2-en-1,7-diol b. 3-vinylhex-4-yn-1-ová kyselina 2. Řešení: a. 2-aminoethansulfonová kys. b. (S)-2-amino-3-(4-hydroxyfenyl)propanová kys. c. (S)- 2-aminobutandiová kys. d. (S)- 2-amino-3-karbamoylpropanová kys. e. 2-isopropyl- 1,3-dimethycyklohexa-1,4-dien f. 3-ethoxy-3-methoxycyklopentan-1-karbonitril g. 4-oxocyklohex-2-en-1-karboxylová kys. h. 4-bromnaftalen-2-karboxamid i. 1.(3-nitrofenyl)ethan-1-ol j. 3-(2-oxopropyl)hexan-1,6-dial k. 3-(2-methoxyfenoxy)propan-1,2-diol l. 1-(4-ethoxyfenyl)pentan-1-on m. 9-methylspiro[4.5]dec-7-en-2-karboxylová kys. n. 4-(3-fluorbutyloxy)benzenkarbaldehyd, 4-(3-fluorbutoxy)benzaldehyd o. benzyl-butanoát p. 2-hydroxyethyl-2-methylprop-2-en-1-oát q. 2-brombutanoylchlorid r. 3-methoxykarbonylpropanová kys., methyl-hydrogen-butan-1,4-dioát, methyl-hydrogen-sukcinát, monomethylester kys. jantarové s. cyklopropankarbonylbromid t. methyl-3-kyanbicyklo[2.2.1]hept-2-en-2-karboxylát, methylester kys. 3-kyanbicyklo[2.2.1]hept-2-en-2-karboxylové u. 9-borabicyklo[3.3.1]nonan v. 2-(dimethylamino)ethanol, N,N -dimethy-2-aminoethanol w. 2-(4-isobutylfenyl)propanová kys., 2-[4-(2-methylpropyl)fenyl]propanová kys. 23 x. 4-(ethanoylamino)butanová kys., 4-(acetylamino)butanová kys., N -acetyl-4-aminobutanová kys., N -acetyl-γ-aminomáselná kys. y. bicyklo[6.3.0]undeka-3,6-dien-9-karboxamid z. pyridin-4-karbaldehyd 3. Autorské řešení: a) CH3 OH b) CH3 O HO OH c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) m) n) O ClCl Cl O OH N OH CH3 S O O O CH3 OH O O O OO NN SO3H N3 CH3 O O O O CH3 OH3C OH OO O H CN O H O O O O CH3 o) COOH Cl Cl CH3 OH O Cl 4. Řešení: a. 3-ethoxycyklohex-2-en-1-on b. 3-fluor-4-methylokt-7-en-1-ová kys. c. 4-formylbenzenkarboxylová kys., 4-formylbenzoová kys. d. 4-(indan-1-yl)pent-4-en-1-ová kys. 5. Řešení: a. 2-hydroxy-1-karboxypropan-2-yl, 1-hydroxy-2-karboxy-1-methylethyl b. tetramethylamonium-chlorid c. 3-methyl-5-nitrosobicylko[4.4.0]dekan-3-karboxylová kys. 24 d. N -methylbenzenkarboxamid, N -methylbenzamid e. 8-ethoxyspiro[5.5]undec-7-en-2,4-dikarboxylová kys. f. 1,1,1-trichlor -2,2-di(4-chlorfenyl)ethan g. 2-karbamoylbenzen-1-karboxylová kys. h. 4-(methylamino)benzen-1-sulfonová kys. i. cyklopropankarbonylbromid 6. Autorské řešení: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) m) n) N N H3C CH3 O CH3 H3C O O O CH3 O CH3 NO2 Br C N OH H3C H3C CH3 O O OH O HO O H3C CH3 N O NH2 C C CH3 Na COOH COOHN H O H3C HO CHO H3C CH3 Cl H3C CN N CH3 O H o) p) q) r) s) t) CH3 OH3C CH3 OCH3 CH3 O H COOH COOH COOH O H H3C H3C S O O O u) v) x) y) NH2 S OO NH2 NH2 S OO NH N w) O O Cl O O O H3C H3C O HN S OO NH2 N OH 25 7. Autorské řešení: OH3C CH3H3C Kafr N H O O OH Atropin N O H H3C H3C O COOCH3 H Kokain 1,7,7-trimethylbicyklo[2.2.1]heptan-2-on 8-methyl-8-azabicyklo[3.2.1]oktan-3-yl-3-hydroxy-2-fenylpropan-1-oát methyl-3-benzoyloxy-8-methyl-8-azabicyklo[3.2.1]oktan-2-karboxylát methyl-3-benzenkarbonyloxy-8-methyl-8-azabicyklo[3.2.1]oktan-2-karboxylát také 8-methyl-2-methoxykarbonyl-8-azabicyklo[3.2.1]oktan-3-yl-benzoát (benzenkarboxylát) 26 2. Polarita vazeb, rezonance, indukční a mezomerní efekty Oktetové pravidlo je užitečné pro prvky druhé periody (C, N, O) a halo- geny. Formální náboj atomu určíme jako rozdíl počtu valenčních elektronů prvku a počtu elektronů, které daný prvek nese ve sloučenině (počítáme 2 elektrony za nevazebný elektronový pár, 1 elektron za vazebný elektronový pár). Prvek Formální náboj +1 Formální náboj 0 Formální náboj -1 B B B C C CC C CC C CC N N N N N N N N N O O O O O O X X X X Známe ale také (často jako elektrofily reagující) sloučeniny s atomy majícími sextet: C N (oxid uhelnatý, karbeny, isonitrily) (nitreny) 27 Rezonanční struktury Vlastnosti (např. reaktivita) některých molekul nemohou být dostatečně popsány jedním klasickým elektronovým vzorcem. Skutečnou strukturu a rozložení elektronové hustoty v konjugovaných π systémech je možno popsat jako kombinaci/hybrid několika vzorců – rezonančních struktur (dříve mezomerních), které vystihují krajní polarizaci elektronové hustoty v kojugovaném systému. Samotná rezonanční struktura není skutečnou molekulou, je to jen výsledek formálního posunu elektronů v konjugovaných π orbitalech. Acetátový aniont: H3C O O Klasický Lewisův vzorec pro acetátový anion naznačuje, že v molekule jsou dva druhy atomů kyslíku, jeden nabitý a poutaný jednoduchou vazbou, druhý neutrální a vázaný dvojnou vazbou. Ve skutečnosti je záporný náboj rovnoměrně rozdělen mezi atomy kyslíku a délky obou vazeb C–O jsou stejné: H3C O O H3C O O H3C O O 1/2 1/2 Skutečná molekula je kombinací (průměrem) těchto struktur Pravidla pro psaní rezonančních struktur: • Hybrid je stabilnější než všechny rezonanční struktury, ze kterých se skládá. • Delokalizace elektronu ve větším π orbitalu znamená snížení energie a zvyšení stability, počet možných rezonančních struktur je přímo úměrný velikosti π systému. Čím více rezonančních struktur napíšeme, tím by měla být částice stabilnější. • Posuny se týkají jen elektronů v konjugovaných π vazbách a p orbitalech. Nedochází k přerušení σ vazeb. • Musí docházet k překryvu π a p orbitalů, které zapojujeme do rezonance (musí tvořit konjugovaný systém). H2C C CH2 (π vazby jsou na sebe v allenu kolmé, nejsou v konjugaci) 28 • Vznik oddělených nábojů snižuje výhodnost struktury, tím se snižuje její příspěvek k výslednému hybridu. minoritní • Pravděpodobnější jsou struktury, ve kterých je záporný náboj lokalizován na elektronegativnějším atomu a kladný náboj na elektropozitivnějším atomu. O O O vyšší podíl menší podíl • Rezonanční struktura, ve které mají všechny atomy elektronový oktet, jsou většinou pravděpodobnější než struktury s elektronovým sextetem. O C H H H3C O C H H H3C vyšší podíl • Rezonanční struktury se oddělují jednoduchou oboustrannou šipkou ↔. Indukční efekt Posun elektronové hustoty σ vazby vyvolaný elektronegativitou skupin a atomů. Elektronakceptorní substituenty (I−) Elektrondonorní substituenty (I+) -X, -OCH3, -NH2, -NO2, -CN, -SO2R, -COR, -NH3 + -CH3, -Alkyl, O S, -Si(CH3)3, Meromerní efekt Posun elektronové hustoty π vazeb vlivem atomů nebo substituentů, které se mohou zapojit do konjugace s tímto π systémem. Obecně je mezomerní efekt silnější než indukční efekt. Elektroakceptorní substituenty (M−) Elektrondonorní substituenty (M+) C O R C O OR C O NH2 N O O C N (R = alkyl nebo H) X (X = F, Cl, Br, I) N R R O R S R (R = alkyl nebo H) 29 Příklady: 1. Doplňte volné elektronové páry a náboje k atomům v následujících strukturách za předpokladu, že všechny atomy kromě atomů vodíku mají elektronový oktet! H3C N H H CH2CH3 a) b) c) d) e) f) g) O H N H3C CH3 H3C H3C O H3C C O N C CH3 O H3C N O O B OF F F CH2CH3 CH2CH3 h) H C i) H2C Br H 2. Doplňte volné elektronové páry a napište rezonanční struktury! a) b) c) d) e) O N N H2C C N H O H O H CH3 CH3 CH3 N N CN NC NC CN CN f) g) h) i) j) k) H3C CH3 O HCl H H O O CH3 HO N OO H OOO CH3 CH3 H H 3. Jaké je rozložení náboje v cyklopentadienylovém aniontu A a dianiontu kyseliny čtvercové B? A OO OO B 4. Vysvětlete vysokou bazicitu guanidinu (pKB amoniaku je 4,76, pKB OH− je -1,74). Který z atomů dusíku bude přednostně protonován? NH H2N NH2 pKB = 0,4 30 5. U každého z následujících párů částic doplňte k atomům formální náboj a určete, zda se jedná o rezonanční struktury jedné molekuly nebo různé sloučeniny! N N N N N N a) a b) N N N N N Na c) N N N N N Na 6. Pokuste se napsat co největší počet rezonančních struktur následujících heterocyklických sloučenin! Pečlivě zvažujte, zda se volný elektronový pár na atomu dusíku může zapojit do konjugace! N N HN N H N N H N N H Pyridin Pyrrol Imidazol N N N N H Purin N N Pyrimidin 7. Jedna z uvedených rezonančních struktur nitronu je chybná. Identifikujte ji a uveďte důvod, proč je chybná! H2C N O CH3 H2C N O CH3 H2C N O CH3 H2C N O CH3 8. Napište rezonanční struktury následujících částic a zhodnoťte, jak atom kyslíku přispívá k jejich stabilizaci! H3C O H3C O CH3 H3C O H3C O CH3 a) b) c) d) 9. Kyselina octová se vůči silným kyselinám chová jako báze. Který ze dvou atomů kyslíků bude přednostně protonován? 31 10. Pokuste se odhadnout orientaci dipólového momentu v molekule: (a) Pyridinu (b) Chlormethanu (c) Tetrachlormethanu (d) Acetonitrilu (ethannitrilu) 11. Určete, zda označený atom v následujících strukturách je nukleofilní nebo elektrofilní. O CH3 O CH3 O CH3 O O CH3Ph O H3C H3C H H CH3 OH3C CH3 O O CH3Ph O O CH3Ph N H Ph N H Ph H3C Br S OH OH OH O H3C NNBrC N 32 Autorské řešení příkladů: 1. Doplnění volných elektronových párů a nábojů: H3C N H H CH2CH3 a) b) c) d) e) f) g) O H N H3C CH3 H3C H3C O H3C C O N C CH3 O H3C N O O B OF F F CH2CH3 CH2CH3 h) C i) H2C Br H H 2. Řešení: a) b) c) d) O OO O O H2C C N H2C C N H O N H O N N N H O N N H O N N H O N N H O N N H O N N H O N N O CH3 CH3 H3C O CH3 CH3 H3C O CH3 CH3 H3C O CH3 CH3 H3C e) N N N N N N N N N N N N N N 33 f) C C C C C N N N N N C C C C C N N N N N C C C C C N N N N N C C C C CN N N N N C C C C CN N N N N C C C C CN N N N N C C C C C N N N N N C C C C CN N N N N C C C C CN N N N N C C C C CN N N N N g) h) H3C O CH3 H3C O CH3 H3C O CH3 Cl H Cl H Cl H Cl H Cl H Cl H Cl H i) H H H H H H H H H H H H j) HO O O CH3 O O O CH3 H O O O CH3 H O O O CH3 H O O O CH3 HHO O O CH3 O O O CH3 H 34 OO CH3 CH3 H O N OO OO CH3 CH3 H O N OO OO CH3 CH3 H O N OO OO CH3 CH3 H O N OO OO CH3 CH3 H O N OO OO CH3 CH3 H O N OO k) 3. Cyklopentadienylový anion A obsahuje cyklický konjugovaný π systém, složený z pěti p orbitalů a obsazený 6 elektrony, který je aromatický. Elektronová hustota je v něm rovnoměrně rozdělena mezi všechny atomy uhlíku, každý atom nese 1/5 záporného náboje. Vysoká stabilita aromatického aniontu vysvětluje výraznou kyselost jeho konjugované kyseliny cyklopenta-1,3-dienu (pKA = 15,5) ve srovnání s ostatními uhlovodíky (pKA řádově 40). Cyklopenta-1,3-dien-1,2,3,4,5-pentakarbonitril (příklad 2f) je dokonce jednou z nejsilnějších organických kyselin (pKA = -11). V dianiontu kyseliny čtvercové B je elektronová hustota symetricky rozdělena mezi C–O skupiny. Všechny vazby C–C a C–O jsou rovnocenné. O O OO O O OO O O OO O O OO 4. Protonací dusíku ve skupině =NH vzniká vysoce symetrický stabilní kation, v němž je kladný náboj stabilizován konjugací se třemi -NH2 skupinami s M+ efektem. Všechny vazby C–N jsou v kationtu stejně dlouhé. Guanidinová jednotka je součástí biogenní aminokyseliny argi- ninu. H2N NH2 NH2 H2N N H NH COOH NH2 arginin H2N NH2 NH2 35 5. a) Obě rezonanční struktury reprezentují azidový aniont; b) dvě různé částice; c) dvě různé částice. N N N N N N a) a b) N N N N N Na c) N N Na 2 2 2 N N N 2 2 2 6. V molekulách pyridinu a pyrimidinu je volný elektronový pár na atomech dusíku orientován kolmo k p orbitalům tvořícím aromatický systém a nezapojuje se tedy do konjugace. Ze stejného důvodu se do konjugace nezapojuje nevazebný elektronový pár na =N– atomu dusíku v imidazolu. Elektronový pár na druhém atomu dusíku imidazolu (>N– H) je, podobně jako v molekule pyrrolu, součástí cyklického konjugovaného aromatického systému tvořeného pěti p orbitaly a obsazeného šesti elektrony. N N N N N N H N H N H N H N H N H 7. Chybná je třetí rezonanční struktura, v níž dochází k překročení elektronového oktetu na atomu dusíku. 8. (a) Elektronový pár na atomu uhlíku v acetylaniontu se nemůže zapojit do konjugace s orbitaly na atomu kyslíku, protože by došlo k překročení oktetu na kyslíku. Kyslík v tomto případě může stabilizovat záporný náboj pouze svým I− efektem. (b) V případě acetylkationtu dochází k překryvu prázdného p orbitalu na atomu uhlíku s nevazebným elektronovým párem na atomu kyslíku. Tento překryv kation stabilizuje. H3C O H3C O (c) Podobně se může volný elektronový pár na atomu kyslíku -OR skupiny konjugovat s prázdným p orbitalem na sousedním atomu uhlíku. Tato interakce kation stabilizuje (-OR skupina má M+ efekt). 36 H3C O CH3 H3C O CH3 (d) V případě 2-methoxyalkylkationtu se nemůže uplatnit M+ efekt -OR skupiny, naopak kyslík svým I− efektem bude skrze dvě σ vazby destabilizovat kladný náboj. 9. Přednostně bude protonován kyslík karbonylové skupiny: H3C O O H H H3C O O H H H3C O O H H H3C O O H H 10. Molekula tetrachlormethanu nemá vnější dipólový moment, součet vektorů dipólových momentů jednotlivých polárních vazeb je nulový. N CH3 Cl a) b) c) d) Cl Cl Cl Cl N C CH3 + + + 11. Řešení: O CH3 Nu O CH3 Nu O CH3 E O O CH3Ph Nu O H3C H3C H H Nu CH3 OH3C CH3 Nu O O CH3Ph E O O CH3Ph E N H PhE N H Ph E H3C Br Nu Nu S E OHE OH E OH E O H3C E NEN Nu BrC N Nu 37 3. Konformační analýza alkanů a cykloalkanů Konformace je prostorové uspořádání molekuly vzniklé rotací kolem jednoduché vazby. Konformer je konformace v lokálním minimu na hyperploše potenciální energie. Původ bariéry rotace kolem jednoduché vazby: • Sterická repulze skupin (zanedbatelná pro H). • Stabilizující překryv σ a σ∗ ve střídavé (staggered) konformaci. • Destabilizující překryv dvou σ orbitalů v zákrytové (eclipsed) konfor- maci. Cykloalkany Prostorové uspořádání cykloalkanů je výsledkem působení především těchto sil: • Úhlové (Baeyerovo) pnutí je způsobeno odchylkou vnitřního úhlu cyklu od ideálního vazebného úhlu (109,5 ◦ pro sp3 atom uhlíku). • Torzní (Pitzerovo) pnutí způsobené repulzí skupin a orbitalů (podobně jako u alkanů). Cyklopropan Planární molekula. Kombinace torzního pnutí (zákrytová konformace atomů vodíku) a úhlového pnutí (banánové τ vazby) znamená nestabilitu cyklu a jeho zvýšenou reaktivitu. Celkové napětí cyklu je asi 115 KJ/mol. Banánové vazbyTorzní pnutí 38 Cyklobutan Zborcená (puckered) – tvar molekuly je výsledkem vyvážení torzního a úhlového pnutí. Celkové napětí cyklu je asi 110 KJ/mol. Cyklopentan Obálka (envelope) a položidlička (half-chair). Vnitřní úhel pětiúhelníku (108 ◦ ) je blízký vazebnému úhlu sp3 atom uhlíku, z rovinného uspořádání cyklus vyklání torzní pnutí. Celkové napětí cyklu je asi 25 KJ/mol. Obálka Polozidlicka > > Cyklohexan Dva konformery: židlička (chair) a zkřížená vanička (twist boat, skew boat) – vanička je konformace, energetické maximum, přechodový stav mezi dvěmi zkříženými vaničkami. Židličková konformace je téměř bez vnitřního napětí. V židličkové konformaci existují dva druhy atomů vodíků, axiální a ekvatoriální, za laboratorní teploty si ale velice rychle vyměňují pozice díky rychlému překlápění jedné židličky v druhou. zidlicka zkrízená vanicka vanicka 21 25 43 0 E [KJ/mol] > > zidlicka > > > > zkrízená vanicka > > > > > 39 U monosubstituovaných cyklohexanů dochází k preferenci židličkových konformerů, které nesou substituent R v ekvatoriální pozici. Důvodem je nevýhodná 1,3-diaxiální interakce substituentu R v axiální pozici s axiálními C–H vazbami cyklohexanového skeletu. Velikost preference ekvatoriální pozice pro dané R vyjadřuje konformační energie A (-∆G◦ ). RH 1,3-diaxiální interakce H ∆Go = -9,28 KJ/mol Sterická náročnost vybraných substituentů3 R A [KJ/mol] R A [KJ/mol] D 0,025 CH3 7,31 F 1,05–1,75 C2H5 7,52 Cl 2,22–2,69 CH(CH3)2 9,28 Br 2,02–2,81 C(CH3)3 19,74–20,58 I 1,97–2,56 CF3 10,08–10,5 OH 2,52–4,37 C6H5 11,76 NH2 5,17–7,14 C6H11 9,24 N(CH3)2 6,3–8,82 CH=CH2 6,3–7,14 NO2 4,62 COOH 5,88 Axiální a ekvatoriální vazby a pozice cis/trans v židličkové konformaci cyklohexanu a e a e a a e e trans trans cis cis trans R H cis cis cis trans trans cis H R trans Spojení dvou cyklohexanových kruhů Existují dvě možnosti, jak k cyklohexanu připojit druhý šestičlenný cyklus. Příkladem jsou cis a trans isomery dekalinu. Dekalin s cis propojením vykazuje velkou konformační volnost, snadno dochází k současnému překlápění židliček obou kruhů. Spojení trans vede k rigidní struktuře, kdy je konformační pohyb omezen. Ve struktuře většiny steroidů se setkáváme téměř 3 Zdroj: Eliel, E. L., Wilen, S. H.: Stereochemistry of Organic Compounds, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1994. 40 výhradně s trans spojením šestičlenných cyklů, což vede k rigidnímu prostorovému uspořádání základního skeletu molekuly. H H H HH H transcis A B C D Velikost pnutí u cykloalkanů 115,1 110,1 25,95 0,42 25,95 40,59 52,73 51,89 47,29 17,16 21,76 7,95 7,95 8,37 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 velikost kruhu 0 50 100 150 kJ/mol Příklady: 1. Vysvětlete původ bariéry rotace kolem vyznačených vazeb: H H H H H H H H H H H H a) 12 KJ/mol b) 30 KJ/mol c) O NH CH3 H O NH H CH385 KJ/mol d) CH3 H3C CH3H3C 260 KJ/mol 41 2. Nakreslete cis-1-terc-butyl-4-methylcyklohexan v jeho nejstabilnější kon- formaci! 3. Nakreslete nejstabilnější konformery následujících sloučenin: O CH3HO OCH3 CH3 CH3 C(CH3)3 CH3 OH H H OH OHH3C a) b) OHH3C C(CH3)3 CH3 c) d) e) f) g) h) NH2 CH3 4. Nakreslete nejstabilnější konformer (-)-mentholu: H3C OH CH3 CH3 5. Následující molekuly obsahují alespoň jeden šestičlenný kruh. Jakou konformaci tyto šestičlenné cykly zaujímají? Oa) b) c) d)O 6. D-glukopyranosa se vyskytuje ve dvou anomerních formách. Nakreslete nejstabilnější konformer jednoho i druhého anomeru! Co kromě sterické 1,3-diaxiální interakce může ovlivňovat výhodnost jednoho či druhého konformeru? Jaký druh isomerie představují anomery? O OH OH HO HO HO O OH OH HO HO HO α-D-(+)-Glukopyranosa β-D-(+)-Glukopyranosa 42 7. Vypočtěte zastoupení axiální a ekvatoriální formy cyklohexanu substituovaného terc-butylovou a methylovou skupinou, fluorem a deuteriem při 25 ◦ C! Jaké je zastoupení zkřížené vaničky v cyklohexanu za této teploty? 8. Na základě konformační analýzy rozhodněte, zda bude stabilnější cis- 1,3-dimethylcyklohexan nebo jeho trans isomer! 9. Nakreslete v Newmanově projekci židličkovou a vaničkovou konformaci cyklohexanu! V Newmanově projekci také nakreslete methylcyklohexan v židličkové konformací s methylovou skupinou v axiální a ekvatoriální pozici! 10. Šestičlenný cyklus v molekule cis-2-methyl-5-terc-butyl-1,3-dioxanu se vyskytuje v židličkové konformaci. Překvapivě však převažuje konformer s terc-butylovou skupinou v axiální pozici. Pokuste se navrhnout vysvětlení! O O H H CH3 CH3H3C CH3 O O H CH3 HH3C CH3 H3C 43 Autorské řešení příkladů: 1. (a) Původem je sterická repulze skupin a interakce σ a σ∗ orbitalů vazeb C–H v CH3 skupinách. Obě interakce jsou nejméně výhodné v zákrytové konformaci a nejvýhodnější ve střídavé konformaci. (b) V planárním butadienu neexistují dvě dvojné vazby, ze čtyř p orbitalů vzniká jeden π systém obsazený čtyřmi elektrony. Centrální vazba C–C má částečně dvojný charakter. Tuto konjugaci lze popsat rezonančními strukturami, které ukazují částečný dvojný charakter centrální vazby. Při rotaci kolem této vazby dochází k přerušení konjugace a tím vzrůstá vnitřní energie molekuly (odpovídá bariéře rotačního pohybu). (c) Volný elektronový pár atomu dusíku v NH2 skupině je konjugován s dvojnou vazbou C=O. Opět vazba C–N má částečný dvojný charakter, při rotaci kolem této vazby zaniká π systém a roste energie molekuly. Atomy tvořící amidickou vazbu RC(=O)–NH2 jsou díky této zábraně v rotaci drženy v planárním uspořádání. Existence této planární jednotky hraje důležitou roli v prostorovém uspořádání peptidů, v nichž jsou aminokyseliny propojeny amidickou (peptidickou) vazbou. H N O CH3 H H N O CH3 H 2. Dvojná vazba je extrémní případ, při rotaci úplně zaniká π vazba, tomu odpovídá i energetická náročnost tohoto procesu. 3. Díky své velké sterické náročnosti funguje terc-butylová skupina jako konformační zámek, je schopná uzamknout bez ohledu na další substituenty cyklohexan do jedné židličkové konformace, ve které se sama nachází v ekvatoriální pozici.: CH3 H H3C CH3 H3C H 44 4. Řešení: H a) b) c) d) e) f) g) h) CH3 H OHH OH H H3C H H CH3 CH3 CH3 CH3 H H H OHH3C H CH3 H2N H O H H H3C H CH3 CH3 H CH3 CH3 H H3C H CH3 H H CH3 H3C CH3 H3C OH H H H H OH 5. (-)-Menthol (a jeho enantiomer) je nejstabilnější ze všech osmi možných stereoisomerů mentholu, protože v židličkové konformaci se nacházejí všechny skupiny v ekvatoriálních pozicích: H H HO H H3C CH3 CH3 6. Sloučeniny a až c jsou bicyklické sloučeniny, sloučenina d (adamantan) je tricyklický uhlovodík. Sloučenina a obsahuje jeden šestičlenný cyklus uzamčený ve vaničkové konformaci. Sloučenina b obsahuje dva šestičlenné cykly, oba uzamčené ve vaničkové konformaci. Sloučenina c obsahuje jednu židličku cyklohexanu. Molekula adamantanu je složena ze tří šestičlenných cyklů uzamčených v židličkové konformaci. Adamantan je proto nejstabilnější ze všech uhlovodíků o složení C10H16. 7. Šestičlenný cyklus D-glukofuranosy existuje, podobně jako cyklohexan, v židličkové konformaci. Pozici rovnováhy mezi dvěmi židličkami určuje kromě 1,3-dixiální interakce také 1,2-diekvatoriální sterická interakce hydroxylových skupin na sousedních atomech cyklu, tvorba intramolekulárních vodíkových vazeb mezi -OH skupinami a vzájemné elektrostatické působení dipolových momentů polárních vazeb. Poslední dva faktory jsou silně závislé na polaritě rozpouštědla (s rostoucí polaritou se stávají méně důležité). V cyklických formách cukrů se také uplatňuje tzv. anomerní efekt, jehož podstatou je překryv mezi nevazebným 45 elektronovým párem atomu kyslíku v šestičlenném cyklu s protivazebným orbitalem vazby C–O na sousedním atomu uhlíku. Tato interakce zvýhodňuje axiální orientaci vazby C–O. Anomery jsou diastereomery. α-D-(+)-Glukopyranosa β-D-(+)-Glukopyranosa O OH HO HO HO HO O HO HO HO HO OH R1 R3 1,3-diaxiální interakce R2 R1 1,2-diekvatoriální interakce O O HH vodíková vazba O O anomerní efekt σ* 8. Pro rovnováhu mezi židličkou a zkříženou vaničkou [židlička] [vanička] můžeme napsat rovnovážnou konstantu K = [vanička] [židlička] Procentuální zastoupení zkřížené vaničky můžeme vyjádřit jako: zastoupení vaničky = [vanička] [vanička] + [židlička] × 100 % = K K + 1 × 100 % K získáme ze vztahu ∆G◦ = -RTln K, kde R = 8,314472 JK−1 mol−1 . Podobně postupujeme i v případě substituovaných cyklohexanů. Zastoupení zkřížené vaničky v cyklohexanu je 0,02 %. Substituované cyklohexany: Substituent -CH3 -C(CH3)3 -F -D ∆G◦ [KJ] 7,31 19,74 1,05 0,025 Zastoupení ekv. 4,98 % 0,03 % 39,57 % 49,75 % konformeru 9. cis-1,3-Dimethylcyklohexan. 10. V Newmanově projekci je jasně patrná nevýhodnost vaničkové konformace cyklohexanu – všechny skupiny na atomech uhlíku se dostávají 46 do zákrytu. Naopak v židličkové konformaci jsou všechny ve střídavém uspořádání. Pozice vyznačeného atomu vodíku na třetím atomu uhlíku a methylové skupiny v axiální a ekvatoriální orientaci ukazuje stericky nevýhodnou 1,3-diaxiální interakci při axiální orientaci CH3 skupiny. H CH3 CH3H 11. Atomy kyslíku nenesou substituenty, které by se mohly účastnit 1,3diaxiální interakce se skupinou na atomu č. 5 v axiální orientaci. Interakce s volnými elektronovými páry kyslíku je relativně slabá. Naopak díky kratším vazbám C–O ve srovnání s vazbami C–C je 1,3-diaxiální sterická interakce methylu v pozici č. 1 ještě silnější než v cyklohexanu (hodnota A pro methyl v této pozici je 16,7 KJ·mol−1 ). Výsledkem souhry těchto faktorů je preference konformeru s terc-butylovou skupinou v axiální pozici. O O H t-Bu H CH3 O O H CH3 Ht-Bu H H 47 4. Úvod do stereochemie Isomery Konstitucní isomery Stereoisomery Diastereomery Enantiomery > Konformační stereoisomery lze vzájemně převést rotací kolem vazby (např. konformery butanu). Proměna konfiguračních isomerů je energeticky náročnější, vyžaduje přerušení chemických vazeb. CIP pravidla CIP pravidla (R. S. Cahn, C. K. Ingold, V. Prelog) slouží k určení priorit atomů nebo jejich skupin při určování absolutní konfigurace a konfigurace na dvojné vazbě/cyklu. Při určování priority substituentů se postupně posuzují skupiny atomů počínaje atomem s volnou valencí. Násobné vazby jsou nahrazeny virtuálními atomy na obou koncích zaniklé násobné vazby (na obrázku uvedeny v závorkách). Pro atomy priorita klesá s hmotností nuklidů, nejnižší prioritu má volný elektronový pár. C N C (N) (N) N (C) (C) C CH2 C C H (C) H H (C)jako jakoCH CH3 CH3 jako C C C H H H H H H H 1 2 3 (C) H (CCH) (HHHHHH) Chiralita, deskriptory absolutní konfigurace Chirální stereoisomery (enantiomery) jsou ve vztahu neztotožnitelných zrcadlových obrazů. Všechny ostatní stereoisomery se označují jako diastereomery. Chiralita může být vyvolána přítomností tzv. prvků chirality: 48 Centrální chiralita – centrem chirality je nejčastěji čtyřmi různými skupinami substituovaný atom uhlíku. Centrum chirality ale nemusí být obecně totožné s atomem, např. u derivátů adamantanu leží v prostoru uprostřed molekuly. Pro označení absolutní konfigurace se používají deskriptory R a S, které se uvádějí v závorce před celým názvem sloučeniny (s případnými lokanty, pokud je center více), odděleny od názvu spojovníkem. 4 1 3 2 1 2 3 S (lat. sinister) 4 1 2 3 1 3 2 R (lat. rectus) H Br F Cl Cl H F Br Axiální chiralita je spojena se čtyřmi substituenty, které neleží v jedné rovině. Prvkem chirality je osa, která leží na spojnicích dvojic substituentů. Pro popsání absolutní konfigurace používáme deskriptory Ra a Sa, tato konfigurace nezávisí na směru pohledu na osu. Sa Cl Br Cl Br 2 1 2' 1' 2 1 2'1' 1 2 1' 2' C C Cl H C H CH3 C C 1 2 C 2' 1' 1 2 2'1' 1 2 1' 2' Ra Planární chiralita se vyznačuje dvěma různými substituenty, které leží ve stejné rovině, a dalším substituentem mimo tuto rovinu. Některým chirálním látkám chybí jakýkoliv prvek chirality, jejich chiralita je způsobena chirální stavbou z achirálních částí. Nejznámějším příkladem jsou molekuly se šroubovicovým uspořádáním, např. heliceny. Smysl otáčení šroubovice popíšeme pomocí deskriptoru P, pokud se při pohybu po šroubovici k jejímu vzdálenějšímu konci pohybujeme ve smyslu otáčení hodinových ručiček (pravotočivá šroubovice). Pokud je smysl otáčení opačný, označíme šroubovici deskriptorem M (levotočivá šroubovice). Deskriptory P/M lze také popsat prostorové uspořádání chirálních konformací. 49 Deskriptory konfigurace na dvojné vazbě a cyklu Deskriptory cis a trans slouží k popisu stereoisomerů, které se liší pozicí skupin na dvojné vazbě nebo u cyklických sloučenin pozicí skupin vůči referenční rovině určené atomy cyklu. V případě alkenů jsou však preferovány univerzálnější deskriptory E a Z, protože deskriptory cis/trans lze použít jen tehdy, když porovnáváme dvojici stejných substituentů. Naopak u cyklických sloučenin nemůžeme použít deskriptory E/Z. Priority skupin při srovnávání určujeme podle CIP pravidel. (Z - zusammen)(E - entgegen) H H H3C CH3 trans-but-2-en (E)-but-2-en Ph H Ph H cis-stilben (Z)-stilben H3C Cl H H (E)-1-chlorprop-1-en ale pouze OHHO cis-cyklohexan-1,4-diol Endo a exo jsou deskriptory pro prostorové uspořádání substituentů bicyklických systémů. Při určování pozice substituentu se řídíme jeho orientací vůči delší ze zbývajících dvou větví: exo endo exo endo endoexo exo endo delší vetev > Fischerova projekce Nejčastěji používána pro znázornění prostorového uspořádání sacharidů a podobných derivátů. COOH HHO COOH CH3 HHO HOOC H3C OH H CH3 O H H OH H HO OH H OH CHO OHH OHH HHO CH2OH 50 Příklady: 1. Určete vztah mezi páry struktur: H CH3 H3C H3C CH3 CH3 CH3 CH3 CHO OHH HHO HHO CHO CHO OHH OHH OHH CHO C H3C H CH3 H C H H3C CH3 H F Cl DH H Cl FD N N N N F F F F H D HH H D H D H H a) b) c) e) g) d) h) f) D 2. Všechny chirální biogenní aminokyseliny mají stejné prostorové uspořádání na α atomu uhlíku. Až na jednu aminokyselinu je toto uspořádání popsáno deskriptorem absolutní konfigurace S. Která aminokyselina je touto výjimkou? COOH R NH2 H 3. Určete absolutní konfiguraci u následujících sloučenin: H H OH OH HH3C a) b) O Cl Cl c) S H H3C NH2 H3C N O CH3 CH3 d) S O H3C f) NH O HO g) COOH ClH COOH OHH3C h) i) j) e) O H CH3 O O O O O 51 H H3C Cl H3C OH CN CH3 H CH3 COOH OHH k) l) CH3 CH3 H3C CH3 O H CH3H3C CONH2 CH2OH FH3C m) n) o) p) q) r) s) CHO CH2OH HO H H CH3 CH3 F H3C H3C H OH CH3 H3C H H Cl H ClH t) u) C C C H COOHCl H v) x) CCl3H Cl Cl 4. Překleslete z/do Fischerovy projekce, určete absolutní konfiguraci a sloučeniny nazvěte! HOOC COOH OH OH Fa) b) c) HOOC H3CO H OH COOHH CH2OH HHS CH3H OHH CCl3 d) CH3 H F OH COOHH3C 5. Bod tání levotočivé kyseliny vinné je 172 ◦ C, bod tání kyseliny mesovinné je 165 ◦ C. Vypočtěte teplotu tání pravotočivé kyseliny vinné! OH OH OH O HO O kys. vinná 6. Směs (R) a (S)-1-fenylethan-1-aminů vykazuje hodnotu optické otáčivosti [α]D = +12◦ . Tabelovaná hodnota specifické optické otáčivosti (S)-1-fenylethan-1-aminu při stejné teplotě je -30◦ . Vypočítejte procentuální zastoupení jednotlivých enantiomerů ve směsi a enantiomerní přebytek (e.e.)! 7. Nakreslete: (a) (S)-methyl-3-hydroxypentanoát (b) (R)-3-ethoxycyklohexan-1-on (c) (2R,3S)-2-brom-3-hydroxybutan-1,4-dinitril (d) (2R,3E)-pent-3-en-2-ol 52 8. Vytvořte plný název kafru včetně stereochemických deskriptorů! OH3C CH3H3C Kafr 9. Nakreslete struktury isomerních nenasycených chloridů C5H9Cl, které vyhovují následujícím požadavkům: (a) Není opticky aktivní ani neexistuje ve formě cis–trans isomerů (b) Poskytuje cis–trans isomery a zároveň není opticky aktivní (c) Neposkytuje cis–trans isomery a je opticky aktivní (d) Poskytuje cis–trans isomery a je opticky aktivní 10. Nakreslete strukturní vzorce všech isomerů následujících derivátů cyklohexanu! Pokud jsou chirální, vyznačte dvojice enantiomerů: (a) 1-aminocyklohexan-1-ol (b) 2-aminocyklohexan-1-ol (c) 3-aminocyklohexan-1-ol (d) 4-aminocyklohexan-1-ol 11. Ibuprofen existuje ve formě dvou enantiomerů, léčivé účinky však má pouze S enantiomer. Pokuste se vysvětlit tyto rozdílné biologické účinky enantiomerů, které se jinak neliší svými fyzikálními vlastnostmi. H3C CH3 OH O CH3 CH3 CH3 HO O CH3 (S) Ibuprofen - analgetikum (R) Ibuprofen - neaktivní 53 Autorské řešení příkladů: 1. a. Konstituční isomery, b. diastereomery, c. diastereomery, d. diastereomery, e. identické molekuly, f. enantiomery, g. enantiomery, h. enan- tiomery. 2. Cystein. Díky atomu síry dojde ke změně pořadí priorit substituentů. 3. a. S; b. (R,R); c. R; d. R; e. R; f. S; g. R; h. (2R,3R); i. Sa; j. R; k. S; l. R; m. (R,R); n. (S,R); o. R; p. R; q. S; r. R; s. (2R,3R); t. M ; u. (2R,3R); v. Sa; x. R. 4. (a) (2R,3S,4S)-2-fluor-3,4-dihydroxypentan-1,5-diová kyselina (b) (2S,3S)-2-hydroxy-3-methoxybutan-1,4-butandiová kyselina (c) (2R,3S,4R)-5,5,5-trichlor-3-methyl-2-sulfanylpentan-1,4-diol (d) (2S,3S)-3-fluor-2-hydroxy-2-methylbutanová kyselina COOH H F HHO H OH COOH a) b) c) d) COOH HO H OCH3H COOH HO CCl3 OH CH3 SH COOH HO CH3 HF CH3 5. :-) 6. Směs obsahuje 70 % (R)-1-fenylethan-1-aminu a 30 % (S)-1-fenylethan- 1-aminu. Enantiomerní přebytek e.e. = 0,40. 7. Řešení a) b) c) H3C O O CH3 OH O O CH3 C C N N Br OH d) H3C H H OH CH3 8. (1R,4R)-1,7,7-trimethylbicyklo[2.2.1]heptan-2-on. 54 9. Řešení: a) b) c) CH3 CH3Cl H3C CH3 CH3H Cl H H Cl H3C H H H Cl H H Cl CH3 H3C H H H H3C H3C Cl CH3H H3C Cl H H3C H Cl H3C CH3 H H H3C CH3 Cl H CH3 H Cl H Cl H CH3Cl Cl H H H3C CH3 H H H Cl H3C H H H H3C Cl H H H CH3Cl d) H H H3C CH3 Cl H CH3 H CH3 Cl 10. Řešení: a) NH2HO b) NH2 OH NH2 OH NH2 OH NH2 OH cis trans b) NH2 NH2 NH2NH2 cis trans OH OH OH OH a) OH NH2 OH NH2 cis trans 11. Podstatou analgetických a protizánětlivých účinků ibuprofenu je jeho schopnost inhibovat aktivitu obou forem enzymu COX (cyklooxygenasy), který se podílí na biosyntéze prostaglandinů. Některé z prostaglandinů se podílejí na regulaci zánětlivých procesů nebo zvyšují 55 citlivost neuronů k podnětům bolesti. Enzym COX je složen z opticky aktivních aminokyselin a existuje jako jeden stereoisomer. Komplexy jednotlivých enantiomerů ibuprofenu s enzymem jsou ve vzájemném diastereomerním vztahu, liší se svou stabilitou a pevností. 56 5. Reakce alkanů Alkany poskytují především radikálové reakce (často probíhající řetězovým mechanismem), iniciované světlem nebo radikálovými iniciátory: • Halogenace pomocí X2; bromaci lze provádět pomocí NBS (N -bromsukcinimid), chloraci pomocí SO2Cl2. • Oxidace kyslíkem, hoření, tvorba hydroperoxidů. • Sulfochlorace (SO2 + Cl2), vznikají chloridy sulfonových kyselin. • Nitrace (N2O4, HNO3 za zvýšené teploty). Bromace pomocí NBS (N -bromsukcinimidu): Bromace se provádí v nepolárních rozpouštědlech. NBS je rozkládán HBr za uvolnění Br2, který je vlastním bromačním činidlem. Výhodou je, že se stále udržuje nízká koncentrace bromu. Lze provést radikálovou substituci allylického atomu vodíku bez adice Br2 na násobnou vazbu: N O O Br N O O Br+ R H + Br R + HBr N O O Br + HBr NBS N O O H + Br2 R + Br2 R Br + Br NBS BrH 57 Selektivita při odštěpování atomu vodíku Prvním krokem radikálových reakcí alkanů bývá obvykle odštěpení atomu vodíku za vzniku alkylového radikálu. Stabilitu radikálů můžeme odhadnout z homolytických disociačních energií vazeb C–H. Obecně platí, že stabilita radikálů roste v tomto pořadí: H2C CH HC C vinyl ethynyl fenyl < H3C C H H H3C C CH3 H H3C C CH3 CH3< < 99 % <1 % H3C CH3 Cl+ H3C CH2 + HCl ∆H = -21 KJ/mol H3C CH3 Br+ H3C CH2 + HBr ∆H = +44 KJ/mol Nápoveda: > 6. Odhadněte produkt monobromace následujících sloučenin: CH3 CH3 NBS CH3 CH3 H3C ? NBS ? a) b) c) d) H3C CH3 CH3 NBS ? NBS ? 7. Pent-1-en poskytuje reakcí s N -bromsukcinimidem v přítomnosti radikálového iniciátoru dva isomerní produkty C5H9Br. Nakreslete strukturu obou produktů a vysvětlete, jak vznikají! 60 8. Naznačte mechanismus iniciace radikálové bromace cyklohexanu následujícími radikálovými iniciátory: N N CN CH3 CH3 CN H3C CH3 AIBN O O CH3 CH3 CH3 CH3 H3C CH3 O O O O 9. Napište mechanismus radikálově iniciované tvorby hydroperoxidu z kumenu a kyslíku! Reakce probíhá řetězovým mechanismem. Pokuste se také napsat mechanismu vzniku hydroperoxidu z diethyletheru a cyklohexenu v přítomnosti kyslíku. CH3 CH3 + O2 R Kumen 61 Homolytické disociační energie (BDE) vazeb4 A–B → A· ·B Vazba BDE Vazba BDE KJmol-1 KJmol-1 H–H 435 (CH3)2CH–H 395 D–D 444 (CH3)2CH–F 439 F–F 159 (CH3)2CH–Cl 339 Cl–Cl 243 (CH3)2CH–Br 285 Br–Br 192 (CH3)2CH–I 222 I–I 151 (CH3)2CH–OH 385 H–F 569 (CH3)2CH–OCH3 337 H–Cl 431 (CH3)2CHCH2–H 410 H–Br 366 (CH3)3C–H 381 H–I 297 (CH3)3C–Cl 328 CH3–H 435 (CH3)3C–Br 264 CH3–F 452 (CH3)3C–I 207 CH3–Cl 349 (CH3)3C–OH 379 CH3–Br 293 (CH3)3C–OCH3 326 CH3–I 234 C6H5CH2–H 356 CH3–OH 383 CH2=CHCH2–H 356 CH3–OCH3 335 CH2=CH–H 452 CH3CH2–H 410 C6H5–H 460 CH3CH2–F 444 HC≡C–H 523 CH3CH2–Cl 341 CH3–CH3 368 CH3CH2–Br 289 CH3CH2–CH3 356 CH3CH2–I 224 CH3CH2CH2–CH3 356 CH3CH2–OH 383 CH3CH2–CH2CH3 343 CH3CH2–OCH3 335 (CH3)2CH–CH3 351 CH3CH2CH2–H 410 (CH3)3C–CH3 335 CH3CH2CH2–F 444 HO–H 498 CH3CH2CH2–Cl 341 HOO–H 377 CH3CH2CH2–Br 289 HO–OH 213 CH3CH2CH2–I 224 CH3CH2O–OCH3 184 CH3CH2CH2–OH 383 CH3CH2O–H 431 CH3CH2CH2–OCH3 335 CH3C(=O)–H 364 4 Zdroj: Solomons, G. T. W.: Organic chemistry, New York: John Wiley & Sons, 1996. 62 Autorské řešení příkladů: 1. Velikost ∆H jednotlivých reakcí můžeme odhadnout pomocí homolytických disociačních energií vazeb, které vznikají nebo zanikají: Cl + CH4 CH3Cl + H ∆H1 = +435 - 349 = 86 KJ/mol H + Cl2 H Cl + Cl ∆H2 = +243 - 431 = -188 KJ/mol ∆rH = 86 - 188 = -102 KJ/mol propagace: Cl + CH4 HCl + CH3 CH3 + Cl2 H3C Cl + Cl ∆H1 = +4 KJ/mol ∆H2 = -106 KJ/mol ∆rH = -102 KJ/mol alternativní mechanismus propagace: Alternativní mechanismus má pochopitelně stejné ∆rH, ale zahrnuje krok, který je výrazně více endotermní než endotermní krok v prvním mechanismu. Můžeme očekávat, že v podobném vztahu budou i aktivační energie obou endotermních kroků. V alternativním mechanismu propagace tedy existuje větší kinetická bariera, která brání reakci. 2. S použitím tabulky homolytických disociačních energií vypočteme: CH4 + F2 CH3F + HF ∆H = -427 KJ/mol CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl ∆H = -102 KJ/mol CH4 + Br2 CH3Br + HBr ∆H = -32 KJ/mol CH4 + I2 CH3I + HI ∆H = +55 KJ/mol 3. Mohou vzniknout čtyři různé radikály: H3C CH2 CH3 H2C CH3 CH3 < H3C CH3 CH3 < H3C CH3 CH3 H3C CH3 CH2 4. Mohou vzniknout tři různé chlorpentany. Ve formě enantiomerů se bude vyskytovat pouze 2-chlorpentan. V molekule pentanu jsou přítomny tři skupiny ekvivalentních atomů vodíku (ekvivalentní atomy v molekule jsou vzájemně zaměnitelné jakoukoliv operací symetrie, např. rotací nebo zrcadlením). Nahrazením libovolného atomu vodíku ze skupiny 63 ekvivalentních atomů poskytne stejný produkt. Pokud bude tedy chlorace řízena čistě statisticky, zastoupení jednotlivých produktů bude rovno podílu dané skupiny atomů vodíku na celkovém počtu atomů vodíku v molekule pantanu C5H12. H3C CH3 Cl2 -HCl H3C CH3 Cl + H3C CH3 Cl * + H3C Cl 2/12 16,7 % 4/12 33,3 % 6/12 50 % 5. Selektivitu halogenací zmíněných uhlovodíků lze z velké části vysvětlit jako výsledek souhry dvou opačně působících faktorů. Prvním faktorem je síla štěpených C–H vazeb (a stabilita odpovídajících alkylových radikálů), druhým faktorem je počet symetricky ekvivalentních atomů vodíku, které mohou být v reakci nahrazovány. V případě bromace je selektivita dána téměř výhradně disociačními energiemi, protože odštěpování atomu vodíku, které určuje pozici bromu v produktu, je mírně endergonické. Při reakci s chlorem, kdy se uvolňuje více energie, se uplatňují oba faktory. Podíl statistického faktoru je nejvíce patrný u chlorace 2-methylpropanu, kdy převládá 1-chlor-2methylpropan, který vzniká odštěpením jednoho z devíti vodíků CH3 skupin. 2-Chlor-2-methylpropan vzniká ze stabilnějšího terciárního radikálu, ale tento radikál může vzniknout odštěpením pouze jednoho atomu vodíku. 6. Řešení: CH3 CH3 NBS CH3 CH3 H3C a) b) c) d) H3C CH3 CH3 CH3 CH3 Br NBS CH3 H3C Br CH3 racemát NBS Br NBS H3C CH3 CH3 H3C CH3 CH3 + Br Br 7. NBS je v reakční směsi pouze zdrojem Br2, samotná bromace probíhá klasickým mechanismem. V prvním kroku dochází téměř výhradně 64 k odštěpování atomu vodíku na třetím atomu uhlíku. Rezonanční struktury vzniklého radikálu vystihují distribuci nepárového elektronu v π systému a vysvětlují vznik obou produktů: NBS CH3 CH3 Br CH3 Br + CH3 CH3 8. Řešení: H3C CN CH3 N N CN CH3 CH3 ∆T N2 + 2 CN CH3 CH3 CN CH3 CH3 + Br2 CN CH3 CH3Br Br+ a) b) c) H3C CH3 CH3 O O CH3 CH3 CH3 ∆T O CH3 CH3 CH32 +O CH3 CH3 CH3 H R +HO CH3 CH3 CH3 R O O O O ∆T O O 2 + CO2 + Br2 Br+ Br + H R + R 9. Reakci musí iniciovat radikály, vzniklé např. účinkem slunečního záření. CH3 CH3 R CH3 CH3 + RH CH3 CH3 O O+ O O H3C CH3 O O H3C CH3 + CH3 CH3 O O H3C CH3 H + CH3 CH3 propagace: iniciace: R diethylether: H3C O CH3 H3C O CH3-RH cyklohexen: R -RH 65 6. Adiční reakce alkenů a alkynů Stabilita alkenů roste (klasá vnitřní energie molekuly) s rostoucím počtem elektrondonorních substituentů na atomech dvojné vazby (viz Zajcevovo pra- vidlo). H H H H > H H3C H H > H H3C H CH3 > CH3 H3C H H > CH3 H3C H CH3 > CH3 H3C H3C CH3 Dvojná vazba je napadána elektrofily, např. H+ , Br2 (je snadno polarizován na Br+ a Br− ), Lewisovými kyselinami (BF3, AlCl3), ionty přechodných kovů (Ag+ , Hg2+ , Pt2+ ). Pro alkeny jsou charakteristické elektrofilní adice zahajované příchodem elektrofilu, vedoucí nakonec k zániku násobné vazby. Adice mohou v některých případech probíhat radikálovým mechanismem. Alkyny mohou poskytovat také nukleofilní adice. Stereochemie adicí Adice některých činidel mohou v závislosti na povaze substrátu a podmínkách reakce probíhat stereospecificky (následující rozdělení není univerzálně platné). • Syn adice – adice boranů (následná oxidace H2O2 probíhá s retencí konfigurace), dihydroxylace pomocí KMnO4 nebo OsO4, katalytická hydrogenace, epoxidace. • Anti adice – typická pro měkké a objemné elektrofily, kdy vznikem tříčlenného cyklického kationtu dochází k zablokování jedné strany původní dvojné vazby pro příchod nukleofilu. Patří sem adice X2, HXO (X = Cl, Br, I) a některých interhalogenů, oxymerkurace (následná reduktivní demerkurace probíhá radikálovým mechanismem, při náhradě rtuti atomem vodíku dochází proto ke ztrátě původní konfigurace). 66 Regioselektivita adicí Markovnikovovo pravidlo – při iontových adicích nesymetrických činidel na dvojnou vazbu se kladnější část činidla připojuje k jednomu atomu dvojné vazby tak, aby na druhém atomu mohl vzniknout stabilnější karbokation. Existují dvě zdánlivé výjimky, adice boranů a adice HBr probíhající řetězovým radikálovým mechanismem. CH3 CH3 B H R R δ δ + H CH3 CH3 B syn adice R R H2O2 H CH3 CH3 OB RO RO H2O OHH CH3 CH3 HO Adice BH3: R OO O RR iniciace: 2 R O + HBr R OH + Br propagace: H3C H3C Br H3C H3C Br H3C H3C Br + HBr H3C H3C Br H + Br Radikálová adice HBr: Markovnikovovým pravidlem se řídí také adice, jejichž meziproduktem není karbokation, ale tříčlenný kation vzniklý adicí elektrofilu na dvojnou vazbu (Br+ , Hg2+ ). V případě, že původní dvojná vazba byla nesymetricky substituována, je vazba elektrofilu k atomu, na kterém je kladný náboj lépe stabilizován substituenty, delší a slabší a při ataku nukleofilu tato vazba také snadněji praská. V případě velice dobré stabilizace kladného náboje substituenty může vazba elektrofilu k tomuto atomu úplně zaniknout a vzniká diskrétní karbokation (s důsledky pro stereospecificitu adice nukleofilu). Br H RH H Br H HH H R RH H Br Meerweinovy-Wagnerovy přesmyky karbokationtů Karbokationty, jež často vznikají jako meziprodukty elektrofilních adicí na dvojnou vazbu, podléhají relativně snadno přesunům skupin ze sousedících atomů na kladně nabitý atom uhlíku. Přesmyky mají nízkou aktivační energii, hnací silou reakce je vznik stabilnějšího karbokationtu: H3C C CH3 CH3 CH2 H3C C CH3 C CH3 H H 67 Pořadí stability karbokationtů H3C H H R < R CH2 H R R < CH2 R R H < CH2 R R R methylkation primární vinylkation sekundární vinylkation primární alkylkation sekundární alkylkation allylkation benzylkation terciární alkylkation Index nenasycenosti Hodnota, která určuje počet kruhů nebo násobných vazeb přítomných v molekule (trojná vazba se započítává jako dvě dvojné vazby). Index nenasycenosti lze stanovit ze sumárního vzorce sloučeniny. Pro sloučeninu o složení: AaBbCcDd kde A zastupuje jednovazné prvky (H, F, Cl, Br, I), B dvojvazné (O, S, Se), C trojvazné (N, P) a D čtyřvazné atomy (C, Si) lze index nenasycenosti i vypočítat podle vzorce: i = c − a 2 + 0 · b + d + 1 Pro sloučeninu C6H6ONI (např. 4-amino-2-jodfenol) je i = 4 (jeden cyklus a tři dvojné vazby). Příklady: 1. Vysvětlete vznik různých produktů a napište mechanismus reakcí: CH3 H3C CH3 H2SO4 H2O OH H3C CH3 CH3 CH3 1. Hg(CH3COO)2 + H2O 2. NaBH4 H3C CH3 CH3 OH CH3 2. Doplňte produkty včetně jejich prostorového uspořádání: CH3 HCl Br2 I2 + H2O 1. O3 2. Zn / HCl a) CH3 d) 68 Br-Cl H2 / Pt H2O CH3 HBr1. BH3 (CH3)2S 2. H2O2 / NaOH CH3 R O O R CH3COOOH 1. Hg(CH3COO)2 2. NaBH4 1. OsO4 2. NaHSO3 / H2O H2SO4 b) c) CH3 H3C H3C e) H3C f) CH3 H3C H 1 ekv. HCl g) A B 1 ekv. HCl H2 / Pd h) H3C CH3 H2 / Lindlaruv kat. H3C Br2 Li / NH3 (l) i) 1 ekv. Br2 1 ekv. HBr 3. Doplňte produkty dihydroxylace a určete stereochemický vztah mezi produkty: H3C H CH3 H 1. KMnO4 2. NaOH H3C H H CH3 1. KMnO4 2. NaOH A + B C + D 4. Uvažujte adici Br2 na cis a trans-but-2-en. Která výchozí látka poskytne racemickou směs a která mesosloučeninu? 5. Jak byste připravili následující sloučeniny z cyklohexenu? OH OH OH OH D D OH Cl 6. Vysvětlete vznik produktů: OH Br2 OH Br Br + O Br 69 7. Vysvětlete vznik dvou produktů adice HBr na buta-1,3-dien a teplotní závislost zastoupení jednotlivých produktů! Co se stane, když reakční směs po reakci proběhlé při -80 ◦ C zahřejeme 40 ◦ C? Jaká změna nastane, když na směs vzniklou reakcí při 40 ◦ C ochladíme v přítomnosti katalytického množství ZnCl2 nebo FeCl3 (obojí Lewisovy kyseliny) na -80 ◦ C? Co se stane, když se stopami Lewisovy kyseliny zahřejeme čistý 3-brombut-1-en nebo 1-brombut-2-en? HBr + H3C Br E H3C Br + H3C Br H3C Br + H3C Br 80 % 20 % 20 % 80 % + HBr -80 oC 40 oC Br CH3 8. Limonen je sloučenina přítomná v kůře citrusových plodů. Působením přebytku vodíku na limonen v přítomnosti platinového katalyzátoru vzniká 1-isopropyl-4-methylcyklohexan. Ozonizací limonenu vzniká 3acetyl-6-oxoheptanal a formaldehyd. Nakreslete strukturní vzorec limonenu na základě těchto znalostí! 9. Jaký produkt vznikne hydroborací hex-1-ynu a následnou oxidací meziproduktu peroxidem vodíku v bazickém prostředí? Napište rovnice obou reakcí! 10. Reakce cyklohexenu s bromem ve vodném roztoku chloridu sodného poskytuje kromě trans-1,2-dibromcyklohexanu také trans-2-bromcyklohexanol a trans-1-chlor-2-bromcyklohexan. Vysvětlete vznik těchto pro- duktů! 11. Reakcí HBr s 3-methylcyklohexanem vzniká směs čtyř produktů – cisa trans-1-brom-3-methylcyklohexanu a cis- a trans-1-brom-2-methylcyklohexanu. Při analogické reakci HBr s 3-bromcyklohexanem vzniká výlučně trans-1,2-dibromcyklohexan. Vysvětlete toto pozorování! 70 CH3 HBr CH3 Br CH3 Br smes cis- a trans-isomeru Br HBr Br Br + > 12. Nvrhněte strukturu sloučeniny A: A 1. O3 2. Zn / H2O 2 H3C H O CH3 H2 / Pt H3C CH3 CH3 CH3 13. Uhlovodíky A, B a C mají stejný sumární vzorec C6H10. Všechny tři sloučeniny odbarvují roztok Br2 v tetrachlomethanu. Při zavádění těchto uhlovodíků do amoniakalního roztoku AgNO3 pouze sloučenina A poskytuje sraženinu. Látky A a B působením přebytku vodíku v přítomnosti hydrogenačního katalyzátoru poskytují hexan. Sloučenina C za stejných podmínek reaguje pouze s jedním ekvivalentem H2 za vzniku uhlovodíku C6H12. Oxidace sloučeniny A horkým roztokem KMnO4 vede ke vzniku kyseliny pentanové. Ze sloučeniny B za těchto podmínek vzniká kyselina propanová a ze sloučeniny C kyselina adipová (hexan-1,6-diová). Jaká je struktura uhlovodíků A, B a C? 14. Nenasycený uhlovodík C6H10 se vyskytuje ve formě dvou enantiomerů. Jeho katalytickou hydrogenací v přítomnosti přebytku vodíku vzniká achirální produkt C6H12. Ozonizací původního uhlovodíku vzniká dialdehyd C6H10O2. Nakreslete strukturu nenasyceného uhlovodíku C6H10! Je dialdehyd C6H10O2 (produkt ozonizace) chirální? 15. Reakcí hex-1-ynu s NaNH2 vzniká sloučenina A, která působením jodmethanu poskytne látku B. Hydrogenací látky B na Lindlarově katalyzátoru vzniká za spotřeby jednoho ekvivalentu H2 látka C, zatímco redukce látky B sodíkem v amoniaku vede k látce D. Jak látka C tak látka D se štěpí ozonem a následující redukcí se zinkem v kyselině octové na směs aldehydů E a F. Nakreslete struktury všech jmenovaných látek a jednotlivé reakce! 16. Navrhněte struktury uhlovodíků, které by vyhovovaly následujícím kri- teriím: 71 (a) Uhlovodík o sumárním vzorci C6H10 neobsahuje trojnou vazbu, je chirální a hydrogenací poskytuje achirální uhlovodík C6H14. (b) Uhlovodík se sumárním vzorcem C5H8 je chirální a katalytickou hydrogenací poskytuje achirální uhlovodík C5H10. 17. Katalytická hydrogenace α-pinenu probíhá se syn stereochemií. Vysvětlete, proč však k adici H2 dochází pouze z jedné strany dvojné vazby! Příchozí atomy vodíku jsou vyznačeny tučně. H H3C H3C CH3 H2 / Pt H3C CH3H H H3C H výhradní produkt nevzniká H3C CH3H H H CH3 α-pinen 18. Jak byste z acetylenu připravili feromon samičky bekyně velkohlavé? H3C CH3 CH3 OH H 19. Pokuste se s využitím znalosti mechanismu oxymerkurace napsat mechanismus Kučerovovy reakce – rtuťnatými ionty katalyzované adice vody na acetylen za vzniku acetaldehydu (ethanalu)! C C HH + H2O Hg2 H OH HH H H3C O H 72 Přehled adičních reakcí alkenů a alkynů H3C H2/Pt,NineboPd synadiceH3C HH HX(X=halogen,OSO3H) Markovnikovova adiceH H3C X HBr,ROOR anti-Markovnikovova adiceBr H3C H H3O+,H2O Markovnikovova adice H3C X H H3C OH X2(X=Cl,Br) antiadice X2/H2O antiadice,probíhájako Markovnikovovaadice H3C HO KMnO4neboOsO4 synadiceH3C HOOH 1.O3;2.Zn/H2OO HCH3 O RCOOOH synadiceH3C O 1.RCOOOH;2.OH- trans-dihydroxylaceH3C HO X X OH 1.BH3;2.H2O2/OH- synadice,probíhájako anti-Markovnikovova adiceH2O H3C HOH H2/Pt,NineboPd synadice Markovnikovova adice Li/NH3(l) antiadiceH2 2ekv.X2 1ekv.HX antiadice,probíhájako Markovnikovovaadice 2ekv.HX R R R R H2/Ni2B,neboLindlar synadice RR HH RH RH 1ekv.X2 RBr RBr antiadice BrBr Br RR Br RH RX XH X RR H KMnO4/OH- R O OH R HO O + H H H H H2O,Hg2+,H+R H OH R Markovnikovova adice R H O R 73 Kinetické a termodynamické řízení reakcí Existují reakce, které mohou poskytovat různé produkty v závislosti na podmínkách (teplotě, reakční době). Předpokládejme, že z látky A mohou dvěmi reakčními cestami vzniknout produkty B a C: B ←− A −→ C • Kinetikou řízené reakce Poměr produktů B a C je dán rychlostí jejich vzniku z A. Rychlost vzniku produktu závisí na výšce energetické bariéry (aktivační Gibbsově energii ∆G‡ ) pro danou reakci. Kinetické řízení se uplatní obvykle při nízké teplotě a krátkých reakčních dobách. Rychlostní konstantu lze vypočítat podle: k = kBT h e −∆G‡ RT • Termodynamicky řízené reakce (rovnováhou řízené reakce) Transformace A na produkty jsou zvratné a rovnovážné reakce. Za rovnovážných podmínek poměr produktů B a C je dán reakční Gibbsovou energií ∆rG (jejich termodynamickou stabilitou), nikoliv rychlostí vzniku. Pozice rovnováhy (velikost rovnovážné konstanty K) závisí na reakční Gibbsově energii: ∆rG◦ = −RT ln K Termodynamické řízení se uplatní obvykle při vyšších teplotách nebo dlouhých reakčních časech. Může ovšem také nastat případ, kdy vznik kinetického produktu je vratná reakce a vznik termodynamického produktu probíhá nevratnou reakcí. Příkladem reakce, která vykazuje rozdílné produkty v závislosti na podmínkách, je sulfonace naftalenu. SO3H HO3S H2SO4 H2O H2O + + + E 74 Za nízké teploty je vznik produktu určen rychlostí sulfonace, přičemž sulfonace do polohy 1 vykazuje nižší aktivační barieru. Sulfonace je však zvratná reakce, za zvýšené teploty dochází k rychlejšímu ustavení rovnováhy mezi produkty a reaktantem, v reakční směsi převládá nejstabilnější struktura – naftalen-2-sulfonová kyselina. Podobně i Dielsova-Alderova reakce furanu s anhydridem kyseliny ma- leinové: O O O O O H H O O O O O O O H H endo kinetický produkt exo termodynamický produkt 75 Autorské řešení příkladů 1. Obě reakce poskytují produkt adice vody na výchozí látku. Při kyselinou katalyzované hydrataci vzniká jako meziprodukt sekundární karbokation, který za podmínek reakce přesmykuje na stabilnější terciární karbokation, který následnou reakcí s vodou poskytuje výsledný alkohol. Při reakci alkenu s Hg2+ vzniká tříčlenný kation, ve kterém se nevyvine na atomu uhlíku celý kladný náboj a nedojde tedy k přesmyku. Interakce dvojné vazby s Hg2+ vede ale přesto k dostatečnému elektronovému zředění, aby mohl být atom uhlíku napaden nukleofilem. Rtuť je následně z meziproduktu reduktivně odstraněna (oxymerkurace-demerkurace). H3C CH3 CH3 H H3C CH3 CH3 CH3 H3C CH3 CH3 CH3 O H H H3C CH3 CH3 CH3 O H H H3C CH3 CH3 CH3 O H -H H3C CH3 CH3 H3C CH3 CH3 Hg O H H Hg2 H3C CH3 CH3 OH Hg-H -Hg NaBH4 H3C CH3 CH3 OH H 2. Poznámky k některým reakcím: b) Adice interhalogenu – BrCl se polarizuje na na Br+ a Cl− , vzniká bromoniový kation, který je z opačné straný napadán nuklefilním chloridovým aniontem. Výsledkem je anti adice podle Markovnikovova pravidla. c) Boran existuje dimerní formě, která reaguje s násobnými vazbami pomalu. Při hydroboracích se často využívají komplexy boranu s Lewisovými bázemi (jako jsou ethery nebo sulfidy), které reagují rychleji. i) Lindlarův katalyzátor je chemicky desaktivovaný hydrogenační katalyzátor, pomocí kterého lze hydrogenovat alkyny pouze do stádia alkenu s cis (E) konfigurací. Využívá se toho, že se alkyny obvykle hydrogenují rychleji než alkeny. U běžných hydrogenačních katalyzátorů se tento rozdíl díky jejich vysoké aktivitě neprojeví a reakce vede k úplné hydrogenaci do stádia alkanu. Dvouelektronová redukce alkynů alkalickými kovy vede k alkenům s konfigurací trans (E). 76 CH3 HCl Br2 Br-Cl H2 / Pt H2O CH3 HBr I2 + H2O H2O2 / NaOH CH3 R O O R 1. O3 2. Zn / HCl CH3COOOH 1. Hg(CH3COO)2 2. NaBH4 1. OsO4 2. NaHSO3 / H2O H2SO4 a) b) c) CH3 H3C H3C CH3 d) e) H3C f) CH3 Br CH3 Br CH3 Cl Br Cl Br Cl CH3 OH CH3 H3C BH3 (CH3)2S H3C H3C CH3 B 3 H3C CH3 OH CH3 H3C O H O I H3C O H H H3C OH I -H CH3 CH3HO CH3 CH3 CH3HO CH3 HO H3C O H3C Br -I C C HH3C HCl g) h) H HH3C Cl HCl H3C Cl Cl CH3 1 ekv. Br2 Br Br+ Br Br 1 ekv. HBr H3C Br H3C Br+ 77 C C CH3H3C H2 / Pd C C Br2 CH3 H H3C CH3 H H3C CH3Br Br Br2 Br Br Br Br CH3 H2 / Pd Lindlaruv kat. H2 H H3C CH3 H CH3 i) C C CH3 Li -Li CH3 NH3 -NH2 CH3 H Li -Li CH3 H NH3 -NH2 CH3 H H ° 3. Produkty A a B jsou ve vzájemném vztahu enantiomerů, stejně jako dvojice C a D. Všechny ostatní dvojice jsou ve vztahu diastereomerů. H3C C2H5 1. KMnO4 2. NaOH H3C C2H5 HO OH H3C C2H5 HO OH H3C C2H5 1. KMnO4 2. NaOH H3C C2H5HO OH H3C C2H5HO OH + A B C D + H3C C2H5 HO OH H3C C2H5 HO OH 4. Mesosloučeninu poskytne při anti adici bromu trans-but-2-en, cis isomer poskytne směs enantiomerů. 5. Řešení: H3C O O OH O OH H2O -OH OH OH 78 KMnO4 nebo OsO4 OH OH D2 / Pt D D Cl2 + H2O (= HClO) OH Cl 6. Dvojná vazba způsobí polarizaci Br2 na Br+ a Br− , následně vzniklý bromoniový kation může reagovat jak s Br− (anti adice), tak intramolekulárně s nukleofilním atomem kyslíku v OH skupině. Výsledkem je opět trans uspořádání Br a atomu kyslíku. Intramolekulární reakce probíhají často rychleji než reakce intermolekulární, zvláště pokud zahrnují pětičlenný nebo šestičlenný transitní stav. Br O H Br Br Br O H Br Br O H + O Br 7. Adicí H+ na konjugovaný dien vzniká v souladu s Markovnikovovým pravidlem substituovaný allylový kation, pro který můžeme napsat dvě rezonanční struktury: CH3 CH3 A B Struktura A bude přispívat k výslednému hybridu více než struktura B, protože struktura B zahrnuje primární karbokation, kdežto A je sekundární karbokation. Na druhém atomu uhlíku je proto větší parciální kladný náboj a bromidový anion bude tento atom uhlíku snadněji napadat, což povede k 1,2-adici. Vzniklý produkt je však méně stabilní než 1,4-adukt, protože obsahuje dvojnou vazbu nesoucí menší počet donorních alkylových skupin. Oba produkty ale budou v rovnováze s karbokationtem, z něhož vznikly – díky relativní stabilitě allylového kationtu a schopnosti bromu odstupovat jako bromidový anion je poslední reakce zvratná (allylhalogenidy proto také poskytují SN1 a E1 reakce). Ustavení rovnováhy však znamená, že bude existovat možnost přeměny jednoho aduktu na druhý skrze společný allylový kation: 79 CH3 CH3CH3 Br CH3Br Br Při dostatečně dlouhé reakční době nebo za zvýšené teploty se ve směsi ustálí rovnováha, v níž převládne nejstabilnější látka – 1,4-adukt. Lewisova kyselina ve směsi urychluje ustavení rovnováhy. Když reační směs vzniklou adicí HBr při nízké teplotě zahřejeme, ustálí se po čase rovnováha a složení směsi bude stejné, jako by adice proběhla za zvýšené teploty. Ochlazením směsi nedojde k výraznější změně složení. Pokud zahřejeme s katalyzátorem jeden nebo druhý produkt, vznikne identická směs 1,2- a 1,4-aduktů se složením odpovídajícím směsi po adici za zvýšené teploty. 8. Struktura limonenu: H3C CH3 9. Primárně vznikne hexanal v enol formě, ketoforma však bude ve směsi převládat. C C H CH3 BH3 C C H B H CH3 3O O H C C H B H CH3 3 OO H C C H3C H O H B C C H H CH3 2 2 HOO - 2 HO C C H H CH3 3 O B hydrolýza B(OH)3+ CH3HO H H CH3O H -HO 10. Jediným elektrofilním činidlem přítomným ve směsi je brom, který reakcí s alkenem v prvním kroku poskytne bromoniový kation, který může dále reagovat s nukleofilem, vždy ve smyslu anti adice. V tomto případě máme ve směsi tři možné nukleofily: bromidový anion, chloridový anion a vodu jako rozpouštědlo. 80 11. Protonací 3-methylcyklohexanu vznikají dva sekundární karbokationty, jež se příliš neliší stabilitou. Oba kationty mohou být napadány nukleofilem z obou stran roviny šestičlenného cyklu. Výsledkem bude adice HBr bez výraznější stereoselektivity a regioselektivity. Protonace 3bromcyklohexanu v pozici č. 1 poskytuje karbokation, v němž může s využitím volného elektronového páru atomu bromu vzniknout tříčlenný bromoniový kation, který je obvykle, podobně jako při adici Br2 na dvojnou vazbu, napadán nukleofilem pouze z jedné strany roviny původní dvojné vazby. Vznik bromoniového kationtu stabilizuje karbokationt, protonace 3-bromcyklohexanu v pozici č. 1 má proto také nižší aktivační energii a probíhá rychleji, než protonace druhého atomu dvojné vazby. CH3 H CH3 Br CH3 Br smes cis- a trans-isomeru Br Br Br + > CH3 CH3 + Br H Br Br Br 12. Na základě produktů těchto reakcí nemůžeme určit, zda je konfigurace na dvojné vazbě cis nebo trans: 1. O3 2. Zn / H2O 2 H3C H O CH3 H2 / Pt H3C CH3 CH3 CH3 H3C CH3 CH3 CH3 13. Index nenasycenosti těchto uhlovodíků je 2 (trojná vazba, dvě dvojné vazby nebo jeden cyklus a jedna dvojná vazba). Počet cyklů v molekule se projeví ve spotřebě vodíku při hydrogenaci. Sraženinu s amoniakálním roztokem Ag+ bude tvořit pouze sloučenina s koncovou trojnou vazbou. Pozici násobných vazeb určíme také podle produktů oxidace KMnO4 (kyselina mravenčí je za podmínek reakce ihned oxidována na CO2 a H2O). Na základě těchto reakcí nemůžeme určit, zda je konfigurace na dvojné vazbě ve sloučenině B cis nebo trans: C C H CH3 A B C H3C CH3 81 14. Existuje více chirálních uhlovodíků daného sumárního vzorce, podmínkám však vyhovuje pouze jeden z nich. Produkt ozonizace je chirální: CH3 H 15. Řešení: C C H H3C NaNH2 -NH3 C CH3C Na H3C I C C CH3H3C - NaI Na/NH3 H CH3H H3C H2 Lindlaruv kat. H CH3 H3C H1. O3 2. redukce H3C H O + H3C O H 16. Řešení: C C C H H3C H CH3 a) b) H CH3 17. Při heterogenní katalytické hydrogenaci musí dojít k adsorpci nenasyceného uhlovodíku na povrch kovu, ve kterém je vodík rozpuštěn. V případě α-pinenu brání adsorpci z jedné strany molekuly methylenový můstek se dvěmi methylovými skupinami. Molekula se bude adsorbovat přednostně na opačné straně, kam se také z kovu bude adovat molekula vodíku. Může nastat také opačný případ, kdy skupina usnadňuje sorpci a určuje tím příchod molekuly vodíku ze stejné strany (např. OH skupina). 18. Látku můžeme jednoduše připravit pomocí známých reakcí. Při navrhování způsobu přípravy můžeme provést retrosyntetickou analýzu, kdy postupujeme od produktu k výchozím látkám. Produkt připravíme epoxidací (působením peroxokyseliny) cis-alkenu A, který lze připravit m.j. částečnou hydrogenací alkynu B pomocí Lindlarova katalyzátoru. Alkyn B připravíme z acetylenu ve dvou krocích deprotonací koncové C–H vazby silnou bází a reakcí acetylidového aniontu s příslušným alkylhalogenidem (nukleofilní substituce). 82 H3C CH3 CH3 OH H H3C CH3 CH3 H H C C CH3H3C H3C C C H H3C H3C C C HH C C HH NaNH2 C CH -NH3 Na H3C H3C Br -NaBr C C H H3C H3C 1. NaNH2 2. C10H21Br C C CH3H3C H3C H2 Lindlaruv kat. H H CH3 H3C CH3 H3C O O OH - RCOOH H3C CH3 CH3 OH H 19. Produktem oxymerkurace je rtutí substituovaný vinylalkohol, který bude v rovnováze se svou ketoformou (oxoformou): HH Hg2 H H Hg2 O HH Hg H O H H H -H Hg H OH H O H H H Hg Přechod ketoformy na enolformu zahrnuje odštěpení protonu z α-atomu uhlíku. Podobně jako proton se může uvolnit rtuťnatý kation, který může opět vstoupit do reakce (vystupuje jako katalyzátor). H O H H H Hg OH H H H Hg OH HHg H + H OH HH H Hg2 + H3C O H 83 7. Pericyklické reakce Součinné reakce probíhající přes cyklický transitní stav, ve kterém dochází k cyklickému uspořádání atomů a interagujících molekul. Průběh reakce je určován překryvem molekulových orbitalů. Výběrovými pravidly zakázaná reakce má vyšší aktivační energii, nevede nutně k nejstabilnějšímu produktu. Existuje několik teoretických přístupů k vysvětlení selektivity pericyklických reakcí, všechny ale poskytují podobné předpovědi: • R. B. Woodward a R. Hoffmann – pravidla odvozeny na základě korelace mezi molekulovými orbitaly reaktantů a produktů s využítím pravidla zachování orbitalové symetrie5 . • K. Fukui – pomocí teorie interakce hraničních molekulových orbitalů lze vysvětlit nebo předpovědět průběh (nejen) pericyklických reakcí. • H. Zimmermann – aromatický a antiaromatický cyklický transitní stav. Dále budeme používat přístup založený na interakci hraničních molekulových orbitalů (označených jako HOMO a LUMO). Molekulové orbitaly konjugovaných π systémů: HOMO LUMO Ethen Allylanion HOMO LUMO Buta-1,3-dien C H H H H H HOMO LUMO ψ1 ψ2 ψ1 ψ2 ψ3 ψ1 ψ2 ψ3 ψ4 HOMO - highest occupied molecular orbital LUMO - lowest unoccupied molecular orbital 5 Pericyklická reakce je termicky povolena (zakázaná v excitovaném stavu), je-li celkový počet suprafaciálně reagujících (4n + 2) elektronových komponent a antarafaciálně reagujících (4n) elektronových komponent lichý. Pokud je součet sudý, je reakce povolena v excitovaném stavu. (n jsou celá kladná čísla). 84 Suprafaciální a antarafaciální interakce molekulových orbitalů: antarafaciálnísuprafaciální suprafaciální antarafaciální 1. Elektrocyklické reakce: Uzavření konjugovaného π systému do cyklu σ vazbou, která vzniká na úkor jedné dvojné vazby. Způsob cyklizace je určován orbitalem HOMO (nejvyšším obsazeným MO) π systému. Elektrocyklizace jsou zvratné reakce. CH3 CH3 ∆T CH3 CH3 + CH3 CH3 konrotace / antarafaciální CH3 CH3 hν CH3 HOMO CH3 HOMO disrotace / suprafaciální HOMO CH3 CH3 ∆T CH3 CH3 disrotace / suprafaciální ψ2 ψ3 ψ3 Počet Způsob cyklizace elektronů ∆T hν 4n konrotace (antrafaciální) disrotace (suprafaciální) 4n + 2 disrotace (suprafaciální) konrotace (antrafaciální) 2. Cykloadiční reakce (cykloreverze): Spojení dvou π systémů do cyklu, dvě dvojné vazby zanikají na úkor dvou σ vazeb. Kratší π systémy nemohou reagovat antarafaciálním způsobem, reakce, která by vyžadovala tuto interakci, proto neprobíhá. Průběh cykloadice je řízen interakcí HOMO jedné komponenty a LUMO druhé komponenty (ze dvou možných kombinací ten pár, mezi jehož orbitaly je menší energetický rozdíl). Zpětná cykloadice se nazývá cykloreverze. 85 ∆ + HOMO dienu LUMO dienofilu supra supra O O O O H H O O dien dienofil + hν + * HOMO excitovaného ethenu LUMO ethenu v základním stavu supra supra Reagující Způsob adice komponenty ∆T hν [2 + 2] supra, antara supra, supra [4 + 2] supra, supra supra, antara 3. Sigmatropní přesmyky: Sigmatropní přesmyk je spojen se současným posunem π systému a σ vazby v allylové pozici. CH3 D H3C 1 1' 2 3 4 5 H3C 1 2 3 4 5 D [1,5] sigmatropní presmyk 1' 1' 1 2' 2 3' 3 1' 1 2' 2 3' 3 [3,3] sigmatropní presmyk ∆T ∆T > > suprasupra H supra supra supra Termické [m,n] sigmatropní přesmyky m + n povolené zakázané 4q supra, antara supra, supra; antara, antara 4q + 2 supra, supra; antara, antara supra, antara 86 4. Enové reakce: Kombinace cykloadice a sigmatropního přesmyku. supra suprasupra O O O H O O O H ∆T Příklady: 1. Nakreslete schématicky molekulové orbitaly odpovídající π orbitalům v allylovém radikálu, allylkationtu a hexa-1,3,5-trienu! U poslední sloučeniny nakreslete také orbitaly v elektronově excitovaném stavu! Ve schématu označte HOMO a LUMO! 2. Insekticid chlordan lze připravit adicí Cl2 na produkt Dielsovy-Alderovy reakce hexachlorcyklopentadienu (dien) s cyklopentadienem (dienofil). K adici Cl2 dochází pouze na dvojné vazbě nesubstituované atomy chloru. Nakreslete strukturu produktu! 3. Doplňte reakční schémata: ? a) b) hν (185 nm) c) COOCH3 COOCH3 d) ? H COOCH3 COOCH3 H H H CH3 H CH3 H 132 oC e) f) H CH3 9 oC ?? 24 h (2 mozné reakce) (3 produkty) H H 285 oC 3 hodiny D H H D H H CH3 H > ? ? 87 4. Doplňte reakční schémata: a) hν ?+ 170 oC b) c) + 0 oC ? ? + d) 20 oC ? e) f) O + 35 oC ?O O O O Cl O Cl O 30 min. O O CH3 10 h O H3C ? COOHPh Ph COOH ? ? 5. Navrhněte přípravu limonenu z vhodných výchozích látek pomocí Dielsovy-Alderovy reakce! Reaktanty pojmenujte systematickým a triviálním názvem! Do jaké kategorie přírodních látek limonen patří a kde se v přírodě vyskytuje? H3C CH3 Limonen 6. Nakreslete produkty reakce aldehydu kyseliny maleinové ((Z)-but-2-en- 1,4-dialu) s následujícími dieny. Pokud se domníváte, že některý dien nebude reagovat, vysvětlete! a) b) c) CHO CHO aldehyd kyseliny maleinové 7. Indan-1,2,3-trion je dobrým enofilem. Nakreslete produkt jeho reakce s hexenem (reaguje karbonyl na druhém atomu uhlíku)! O O O + CH3 ∆T 88 8. Určete, zda jsou následující cykloadice termicky povolené či zakázané: + + a) b) + c) O O O O O O 9. Klasifikujte následující (pericyklické) reakce: a) b) O O O H + O O O H o-Cl2C6H4 CH3 CH3 H3C CH3 CH3 H3C CH3 c) O OCH3 H var H O CH3 H3CCH3H3C CH3 H O (R)-citronellal ZnCl2 H2 / kat. L-menthol CH3 OH H3C CH3 OH CH3H3C f) HO CH3 CH3 H3C CH3 H3C CH3 H3C CH3 H3C HO CH3 HO CH3 H3C CH3 H3C hν ∆ d) hν H H H H H H H H hν e) 89 Autorské řešení příkladů: 1. Řešení: Allylkation Allyl HOMO LUMO LUMO HOMO HOMO LUMO Hexa-1,3,5-trien hν HOMO LUMO Hexa-1,3,5-trien 2. Dielsovou-Alderovou reakcí vzniká termodynamický (endo) cykloadukt. Cl Cl + Cl Cl Cl Cl ∆T H H Cl Cl Cl ClCl Cl H H Cl Cl Cl ClCl Cl Cl Cl Chlordan Cl2 90 3. V příkladě b) může dojít v excitovaném stavu ke zpětné elektrocyklizaci nebo [2+2] cykloadici. a) b) hν (185 nm) c) COOCH3 COOCH3 d) H COOCH3 COOCH3 H H H CH3 H CH3 H 132 oC e) f) H CH3 9 oC 24 h H H 285 oC 3 hodiny H H D H H CH3 CH3 CH3 H H + + C C H H ∆T ∆T D D D H CH3 CH3 4. Poznámky k jednotlivým reakcím: a) Vzniká směs stereoisomerů znázorněných produktů. c) Vzniká směs endo a exo cykloaduktů. d) Cyklopentadien samovolně dimeruje, v případě potřeby je nutno jej připravit zpětným rozkladem dimeru za vysoké teploty. f) Produkt lze připravit fotochemickou [2+2] cykloadicí dvěma způsoby, výhodnější bude použít kyselinu skořicovou jako výchozí látku, protože poskytne méně možných vedlejších produktů. a) hν + 170 oC b) c) + 35 oC O O OO O CH3 10 h O H3C OCH3 H3CO COOEt OO O OH H O H3CO H3CO + 91 + 0 oC + d) 20 oC e) f) O Cl O Cl O 30 min. COOHPh Ph COOH H H O O Cl O Cl HOOCCOOH + hν HOOC COOH + COOHPh Ph COOH hν + PhPh Ph Ph + COOHHOOC HOOC COOH 5. Limonen je možno připravit dimerací isoprenu (2-methylbuta-1,3-dienu). Limonen patří mezi terpeny, vyskytuje se v kůře citrusových plodů. H3C + CH3 H3C CH3 ∆T 6. Dielsovy-Alderovy reakce se může účastnit pouze konjugovaný dien, jenž může zaujmout s-cis konformaci. + CHO CHO ∆T CHO CHO 7. Řešení: O O O ∆TH CH3 O O O CH3 H 8. Poznámky k jednotlivým reakcím: a) V základním stavu je [6+2] cykloadice pro suprafaciálně reagující komponenty zakázána (povolená v excitovaném stavu). 92 b) Jedná se o [4+2] cykloadici, která je podobně jako Dielsova-Alderova reakce povolena v základním stavu, pouze dvouelektronová komponenta obsahuje π systém složený ze tří p orbitalů. c) Jedná se o [4+2] cykloadici, která je povolena v základním stavu, čtyřelektronová komponenta je tvořena třemi p orbitaly. Reakce je prvním krokem ozonizace alkenů. ψ1 ψ4 LUMO HOMO a) b) c) ψ2 ψ2 LUMO HOMO ψ1 ψ3 LUMO HOMO O O O O O O 9. Poznámky k jednotlivým reakcím: a) Reakce je [1,2] sigmatropní přesmyk, příklad Meerweinnova-Wagnerova přesmyku karbokationtu. b) Claisenův přesmyk, jedná se o termicky povolený [3,3] sigmatropní přesmyk se třemi suprafaciálně reagujícími dvouelektronovými komponentami. c) Enová reakce. d) Schéma zachycuje biosyntézu vitamínu D3 ze 7-dehydrocholesterolu. Prvním krokem je zpětná elektrocyklizace šestielektronového systému probíhající konrotačně. Druhým krokem je [1,7] sigmatropní antarafaciální přesmyk atomu hodíku. e) Fotochemická cis–trans isomerace stilbenu není pericyklickou reakcí, druhá reakce představuje konrotační elektrocyklizaci šestielektronového π systému v excitovaném stavu. f) Příklad enové reakce. 93 8. Aromatické sloučeniny, elektrofilní aromatická substituce Aromaticita Jako aromatickou můžeme označit planární molekulu s cyklickým konjugovaným π systémem, který obsahuje 4n + 2 elektronů, kde n je celé kladné číslo6 ). Aromatické sloučeniny nepodstupují snadno adiční reakce, jež jsou naopak typické pro jiné nenasycené uhlovodíky. Pokud cyklický kojugovaný π systém obsahuje 4n elektronů, je molekula naopak vysoce nestabilní (anti- aromatická). Elektrofilní aromatická substituce (SEAr) Některé elektrofilní aromatické substituce jsou zvratné (sulfonace, bromace, některé alkylace). Krokem učujícím celkovou rychlost elektrofilní aromatické substituce je obvykle vznik σ komplexu. E+ E H E H H E E + π-komplex σ-komplex π-komplex V případě subsituovaného systému bude velikost aktivační energie pro vznik jednotlivých σ komplexů určovat pozici, do které bude elektrofil přednostně vstupovat. Uvažujme nitraci fenolu do meta a para pozic. Jak vyplývá z obrázku, tranzitní stav nastává na reakční koordinátě blíže σ komplexu než výchozím látkám, proto se mu bude také svou strukturou více podobat a uplatní se u něj podobné stabilizující (destabilizující) efekty substituentů. Pro přehlednost je vynechán π komplex: 6 Odvodil v roce 1931 německý fyzik Erich Hückel pro monocyklické aromáty. 94 E R. K. OH + NO2 OH H O2N H OH O2N H H V případě příchodu elektrofilu do para pozice vzniká σ komplex, v němž je kladný náboj konjugován s M+ hydroxylovou skupinou, v σ komplexu vzniklého napadením meta pozice se tato stabilizující interakce neuplatní. OH H O2N H OH O2N H H OH O2N H H OH O2N H H OH H O2N H O H O2N H H OH H O2N H Krok určující rychlost reakce Pokud přeměna výchozí látky A na produkt P probíhá ve více krocích, jež se liší svými rychlostními konstantami, A B C k1 k2 k3 pomalu k1 >> k2 << k3 P pak výrazně nejpomalejší přeměna B → C je krokem určujícím rychlost reakce (konečný produkt P nemůže ze sloučeniny A vznikat rychleji, než se B přeměňuje na C). 95 Příklady: 1. Určete, které z následujících struktur jsou aromatické a které antiaro- matické: N N a) Hb) c) d) e) f) g) h) i) 2. Cyklopenta-2,4-dien-1-on a cyklohepta-2,4,6-trien-1-on (tropon) jsou podobné látky, přesto se výrazně liší svou stabilitou a reaktivitou. Cyklohepta-2,4,6-trien-1-on je stabilní látka, kdežto cyklopenta-2,4-dien-1-on je nestálá a velice reaktivní látka, například samovolně dimeruje. Pokuste se vysvětlit rozdíly ve stabilitě a reaktivitě těchto látek! Dimerace cyklopenta-2,4-dien-1-onu probíhá jako Dielsova-Alderova reakce. Nakreslete produkt této reakce! O O 3. Azulen je isomerem naftalenu, přestože se jedná o uhlovodík, má relativně vysoký dipólový moment (µ = 1,0 D). Vysvětlete a určete orientaci dipólového momentu! Azulen 4. Nakreslete detailní mechanismus následujících reakcí: a) b) O H3C Cl CH3 O CH3 HF + +1. AlCl3 CH3 CH3 2. H2O, HCl 5. Reakce anilinu s bromem probíhá rychle a poskytuje 2,4,6-tribromanilin. Nitrace anilinu nitrační směsi však probíhá velice pomalu a hlavním produktem izolovaným z reakční směsi je 3-nitroanilin. Pokuste se tuto skutečnost vysvětlit! 6. Jak byste připravili 1-(4-chlorfenyl)ethan-1-on z benzenu, anhydridu kyseliny octové a Cl2? 96 7. Bylo zjištěno, že při nitracích různých monoalkylbenzenů do prvního stupně závisí zastoupení ortho a para isomerů produktů na povaze alkylové skupiny. V čem spočívá vliv alkylových substituentů na distribuci produktů? CH3 H3C H3C CH3 H3C CH3 CH3 39 % 61 % 47 % 31 % 18 % 53 % 69 % 82 % 8. Navrhněte mechanismus vzniku produktů následujících reakcí: + H3C Cl AlCl3 CH3 CH3 CH3 40 % 60 % + a) b) OHOH Br Br Br OH OH Br Br + Br2 Br2 H2O CS2 (5 oC) -6 oC 35 oC 60 % 40 % 9. Doplňte produkty reakcí: a) O O O AlCl3+ Cl O AlCl3 b) 10. Friedelovy-Craftsovy alkylace jsou doprovázeny vícenásobnou alkylací i v případě, kdy aromatický uhlovodík reaguje pouze s jedním ekvivalentem alkylačního činidla (alkylhalogenidu). Naopak Friedelovy-Craftsovy acylace probíhají u malých aromatických systému pouze do prvního stupně, i když je použit výrazný přebytek acylačního činidla. Pokuste se toto pozorování vysvětlit! 97 11. Nitrobenzen byl oblíbeným rozpouštědlem pro Friedelovy-Craftsovy reakce aromatických uhlovodíků. Pokuste se vysvětlit, proč samotný nitrobenzen za podmínek reakci nereaguje, přestože obsahuje aromatický systém! 12. Friedelovy-Craftsovy alkylace vyžadují katalytické množství Lewisovy kyseliny, kdežto acylace vyžadují přítomnost minimálně jednoho ekvivalentu Lewisovy kyseliny. Vysvětlete! 13. Šipkou označte polohy, do kterých bude přednostně přicházet elektrofil při elektrofilní aromatické substituci následujících sloučenin. Určete také, zda budou sloučeniny reagovat v SEAr rychleji nebo pomaleji než mateřské aromatické uhlovodíky benzen a naftalen (rychlost vztažená na jednu pozici): C F F F O OCH3 OH HO OH CH3 H3C a) b) c) d) NH3 Br CN CN OHe) f) g) h) 14. Jak byste z benzenu připravili SEAr reakcí hexadeuterobenzen? D D D D D D 15. Určete produkty následujících elektrofilních aromatických substitucí: O O a) HNO3 b) Cl Cl HNO3 H2SO4 H2SO4 CH3 O H3CO HNO3 c) d) CH3 O NH2 Br2 98 i) O Na + N N Cl F OCH3 e) O H3C O CH3 O AlCl3 + O O H2SO4 oleum f) OH HNO3 NO2 g) h) H2SO4 oleum 16. Napište všechny rezonanční struktury σ komplexů vznikajících při sulfonaci naftalenu do pozice 1 a 2! Pokuste se vysvětlit, proč má sulfonace do pozice 1 nižší aktivační energii, přestože naftalen-2-sulfonová kyselina je stabilnější produkt sulfonace! 17. Insekticid DDT lze připravit reakcí trichloracetaldehydu s chlorbenzenem v koncentrované kyselině sírové. Pokuste se napsat mechanismus této reakce! Vedle DDT vznikají v reakční směsi další vedlejší produkty. Pokuste se odhadnout strukturu těchto vedlejších produktů! CCl3 ClCl H (kat.)Cl 2 + O H Cl Cl Cl H2O+ 18. Některé SEAr jsou zvratné. Pokuste se napsat detailní mechanismus desulfonace naftalen-1-sulfonové kyseliny ve zředěné kyselině sírové! SO3H H (kat.) + H2O + H2SO4 19. Naftalen, na rozdíl od benzenu, reaguje s bromem i v nepřítomnosti Lewisovy kyseliny. Produkt této reakce při zahřívání na 50 ◦ C uvolňuje HBr a současně vzniká 1-bromnaftalen. Pokuste se nakreslit produkt reakce Br2 s naftalenem a vysvětlete rozdílnou reaktivitu naftalenu a benzenu! 99 20. Alkylová skupina je ortho a para dirigující. Při alkylaci benzenu přebytkem bromethanem v přítomnosti katalytického množství AlCl3 vzniká nejdříve 1,2,4-triethylbenzen, po dlouhé reakční době však ve směsi převládne 1,3,5-trielhylbenzen. Vysvětlete! 21. Navrhněte strukturu meziproduktů a konečného produktu následující sekvence reakcí: OH OH konc. H2SO4 60-65 oC C6H6S2O8 konc. H2SO4 konc. HNO3 C6H5NS2O10 ∆T H , H2O C6H5NO4 22. Bromace benzenu za katalýzy AlCl3 probíhá mnohem snadněji než v případě, že je použit jako katalyzátor FeBr3. Pokud však použijeme bezvodý chlorid hlinitý, můžeme očekávat vznik chlorbenzenu jako vedlejšího produktu? 23. Alkylace kumenu (isopropylbenzenu) 1-chlorpropanem může poskytnout jak 1-isopropyl-4-propylbenzen, tak 1,4-diisopropylbenzen. Při použití FeBr3 jako katalyzátoru je hlavním produktem 4-propyl-1-isopropylbenzen, při použití AlCl3 výrazně roste zastoupení 1,4-diisopropylbenzenu. Pokuste se tento jev vysvětlit! 24. Doplňte schémata: CH3 Br2 / hν A KOH, ∆ -HBr B C Br2 D Br O BF3 H3C I AlCl3 HNO3 H2SO4 Cl2 / Fe E F G H I (smes produktu)+ + OH HNO3 (35%) A + B NaOH / H2O C CH3MgBr D E Br2 / H2O 100 H NaNH2 A I H3C H3C B H2 / Pt C NBS D H2 / Lindlaruv kat. ELindlaruv kat.: Pd / PbO / CaSO4 101 Rozdělení substituentů podle směřování SEAr Efekt Příklad Snadnost SEAr Směřování E+ M+ a I+ O silně aktivující ortho a para M+ a I− NH2 NR2NHR O H O R NH O R O O R Ar aktivující ortho a para I+ CH3 Alkyl O O slabě aktivující ortho a para, stopy meta I− → M+ X (X = F, Cl, Br, I) deaktivující ortho a para (převažuje) I− NH3 NR3 CCl3 CF3 deaktivující meta I− a M− R O C N OH O OR O SO3H H O N O O X O deaktivující meta 102 Přehled nejdůležitějších SEAr reakcí ReakceČinidloElektrofilProdukt HalogenaceX X MXn (X=Cl,Br) Ar–X X2+Lewisovakyselina(AlCl3, FeCl3,Fepiliny) NitraceHNO3+H2SO4ONOAr–NO2 Sulfonace O S O O O S O O nebo H Ar–SO3H konc.H2SO4nebooleum (H2SO4+SO3) R–X+Lewisovakyselina(AlCl3)RAr–R Friedelova-Craftsova alkylace RCOAr–COR Friedelova-CraftsovaRCOX+Lewisovakyselina acylace(X=halogen,RCOO) KopulaceNNAr'Ar’–N=N–Ar Diazoniovásůl(vznikázAr’–NH2 aHNO2) 103 Přehled dalších SEAr reakcí Reakce Typický ČinidloElektrofilMeziprodukt Konečný substrátprodukt Ar–HCO,HCl,AlCl3,CuClHCO ArCHOArCHO Gattermanova–Kochova formylace FenolyZn(CN)2,HClHCNH ArCH=NHArCHO Gattermanova formylace HoeschovareakceFenolyRCN,HCl,Zn2+RCNH ArCR=NHArCOR ChlormethylaceAromátyCH2=O,HClO H H HArCH2OHArCH2Cl FenolátyNaOH,CO2CO2ArCO2NaArCOOH Kolbeho-Schmidtova reakce FenolyCHCl3,NaOH C ClCl (dichlorkarben) ArCHCl2ArCHO Reimerova-Tiemannova reakce 104 Autorské řešení příkladů: 1. Řešení: N N a) H b) c) d) e) f) g) h) i) aromatická aromatická aromatická antiaromatická aromatická antiaromatická aromatická aromatická aromatická 2. Posunem elektronového páru vazby C=O na atom kyslíku, který je v souladu s elektronegativitami atomů uhlíku a kyslíku, odvodíme rezonanční struktury, z nichž jedna obsahuje aromatický tropyliový kation (cyklohepta-2,4,6-trien-1-on) a druhá obsahuje pětičlenný antiaromatický cyklopentadienylový kation: O O O O + O O 3. Azulen obsahuje konjugovaný π systém, pro který můžeme napsat řadu rezonančních struktur, jež budou obsahovat dva aromatické cykly – pětičlenný cyklopentadienylový anion a sedmičlenný tropyliový kation. 105 4. Interakcí halogenidu karboxylové kyseliny s Lewisovou kyselinou při Friedelově-Craftsově reakci může vzniknout více typů elektrofilů, což se ovšem neprojeví ve složení produktů. Po skončení acylace se uvolňuje volná Lewisova kyselina, která však vzápětí tvoří stabilní komplex se vzniklým ketonem (díky volným elektronovým párům na kyslíku se vzniklý keton chová jako Lewisova báze). Konečný produkt získáme až zpracováním reakční směsi vodnou kyselinou. Z mechanismu druhé reakce vyplývá, že se HF na konci reakce regeneruje, fluorovodík může být proto přítomen pouze v katalytickém množství. H3C Cl O + AlCl3 C O CH3 + AlCl4 nebo H3C Cl O AlCl3 C O CH3 C O CH3 +H CH3 O CH3 O H CH3 O H H + AlCl4 HCl + AlCl3 σ komplexπ komplex π komplex a) + CH3 O AlCl3 CH3 O AlCl3 Zpracování H2O + HCl + CH3 O Al(OH)3 b) H3C H F CH3 H3C + F CH CH3 CH3 CH CH3 CH3 H CH3 H3C σ komplexπ komplex F + CH3 CH3 H CH3 CH3 HF π komplex 5. Reakce anilinu s bromem nevyžaduje přítomnost katalyzátoru díky přítomnosti elektrodonorní -NH2 skupiny (má M+ a I− efekt), která aromatické jádro dostatečně aktivuje pro SEAr a řídí přichod elektrofilu do ortho a para pozic. Nitrace se provádí působením nitrační směsi (směs koncentrované kyseliny sírové a dusičné), ve které dojde k úplné 106 protonaci -NH2 skupiny anilinu. Amoniová skupina vykazuje I− efekt, čímž deaktivuje aromatické jádro a vede elktrofil do pozice meta. N N H H H HH M+, I- I- 6. Produkt lze připravit dvojnásobnou SEAr, musíme však vhodně zvolit pořadí jednotlivých kroků s ohledem na směřování příchodu elektrofilu substituentem v meziproduktu: O CH3 H3C O O O CH3 Lewisova kyselina Cl2 Lewisova kyselina (kat.) O CH3 Cl Cl2 Lewisova kyselina (kat.) Cl H3C O O O CH3 Lewisova kyselina O CH3 Cl O CH3 Cl + 7. Čistě statisticky je příchod elektrofilu do ortho pozice monoalkylbenzenu dvojnásobně pravděpodobnější než napadení para pozice. V případě nitrace alkylbenzenů ovlivňuje výrazně distribuci produktů sterická náročnost alkylových skupin – čím objemnější substituent, tím vyšší zastoupení para-produktu. 8. Řešení a) Primární karbokation, vznikající působením AlCl3 na 1-chlorpropan, může za podmínek reakce přesmykovat na stabilnější sekundární karbokation. Oba kationty budou vystupovat jako elektrofily v elektrofilní aromatické substituci. Zvýšení teploty usnadní překonávání energetické bariery spojené s přesmykem primárního karbokationtu na sekundární, což se projeví ve složení produktů. b) Fenol, nesoucí elektrondonorní OH skupinu, může vyvolat polarizaci molekuly Br2 na Br+ a Br− i bez přítomnosti Lewisovy kyseliny, podobně jako ailin. Vznikající bromfenoly jsou méně reaktívní díky celkovému elektronakceptornímu efektu atomu bromu. Elektronakceptorní halogen však zároveň zvyšuje kyselost fenolu, který ve vodném roztoku disociuje na fenolát. Deprotonací fenolické -OH 107 skupiny se zvýší elektrondonorní schopnost atomu kyslíku natolik, že převáží deaktivující vliv atomu bromu a může proběhnout až dvojnásobná SEAr za vzniku 2,4,6-tribromfenolu. V sirouhlíku, kde nemůže dojít k disociaci fenolu, je možno reakci zastavit ve stádiu monobromfenolů. Reakce fenolů s bromem ve vodném roztoku je natolik rychlá a kvantitativní, že je využívána v analytické chemii v bromatometrických titracích (především titrace oxinu – 8-hydroxychinolinu). H3C Cl + AlCl3 H3C + AlCl4 H H H3C CH3 a) b) OH Br2 - HBr OH Br H2O H3O+ O Br 9. Řešení: a) O O O AlCl3 + Cl O AlCl3 b) O O OH O 10. Zavedení elektrondonorní alkylové skupiny na aromatické jádro je spojeno s jeho aktivací pro další SEAr reakci, proto produkt alkylace reaguje s elektrofilem rychleji než výchozí aromatický uhlovodík. Výsledkem reakce je směs do různého stupně alkylovaných produktů a nezreagovaného výchozího aromátu. Vícenásobné alkylace ztěžují praktické použití Friedelových-Craftsových alkylací. Při acylacích zůstává na konci reakce ve směsi komplex Lewisovy kyseliny se vzniklým ketonem. Karbonylová skupina s navázanou Lewisovou kyselinou se chová jako silně elektronakceptorní skupina, která brání průběhu další SEAr. Podobná situace nastane, pokud budeme chtít podrobit aromatický keton elektrofilní aromatické substituci v přítomnosti Lewisovy kyseliny – rychle vznikne komplex, který znemožní zamýšlenou reakci. 108 11. Nitroskupina má silný M− a I− efekt, výrazně snižuje elektronovou hustotu na aromatickém jádře a zpomaluje tak SEAr. Nitrobenzen reaguje o mnoho řádů pomaleji než samotné aromatické uhlovodíky, proto jej lze považovat za prakticky nereaktivní. 12. Po skončení Friedelovy-Craftsovy acylace se uvolňuje volná Lewisova kyselina, která však vzápětí tvoří stabilní komplex se vzniklým ketonem (díky volným elektronovým párům na kyslíku se keton chová jako Lewisova báze). Lewisova kyselina tedy nefunguje jako katalyzátor, ale jako reagent. Produkty alkylace s Lewisovou kyselinou komplex obvykle netvoří, proto může být tato kyselina přítomna pouze v katalytickém množství. O CH3 + AlCl3 O CH3 AlCl3 13. Řešení: a) pomaleji; b) pomaleji; c) rychleji; d) rychleji; e) pomaleji; f) pomaleji; g) pomaleji; h) rychleji. C F F F O OCH3 OH HO OH CH3 H3C a) b) c) d) E E EE EE E E E E NH3 Br CN CN OH e) f) g) h) E EE EE EE EE E E 14. Reakci lze uskutečnit působením silné deuterované kyseliny (zdroj D+ ) na benzen, kdy dochází k elektrofilní substituci vodíku deuteriem. Po dostatečné době se ustálí rovnováha, abychom však získali benzen dostatečně obohacený deuteriem, je potřeba použít velký přebytek deuterované kyseliny. 109 D D H - H D 5 D -5 H D D D D D D 15. Při odhadu místa příchodu elektrofilu k vícenásobně substutuovaným aromatickým cyklům musíme srovnat vlivy všech substituentů. Pokud dochází ke konfliktu, větší váhu při řízení příchodu elektrofilu mají skupiny donorní (aktivující). V případě, že sloučenina obsahuje více aromatických jader, přednostně bude reagovat jádro s elektrondonorními (aktivujícími) substituenty. Poznámky k jednotlivým reakcím: a) Reaguje jádro nesoucí benzoyloxy skupinu (M+ efekt atomu kyslíku, proto také směřování do ortho a para pozic), druhé jádro je deaktivováno konjugací s karbonylovou skupinou (M− efekt). b) Oba substituenty směřují elektrofil do stejných pozic. 1,3-Dichlor- 2-nitrobenzen vzniká při reakci ve velmi malém množství díky sterické objemnosti atomů chloru. c) Shoda obou skupin, vzniká pouze jeden produkt. d) Dochází ke konfliktu skupin, příchod Br+ řídí donorní -NH2 sku- pina. e) Konflikt skupin, převažuje vliv aktivující methoxy skupiny. f) Shoda skupin. g) Reakce probíhá na jádře nesoucím aktivující -OH skupinu. h) Reakce probíhá na jádře méně deaktivovaném -NO2 skupinou. i) Pokud naftalen nese v pozici č. 2 aktivující skupinu, elektrofil přednostně napadá pozici č. 1. O O a) HNO3 b) Cl Cl HNO3 H2SO4 H2SO4 CH3 O H3CO HNO3 c) O O O ONO2 NO2 + Cl Cl NO2 Cl Cl NO2 CH3 O H3CO NO2 110 d) CH3 O NH2 Br2 CH3 O NH2 CH3 O NH2 + Br Br F OCH3 e) O H3C O CH3 O AlCl3 + F OCH3 CH3 O O O H2SO4 oleum f) O O SO3HHO3S OH HNO3 g) OH NO2 OH NO2 + NO2 h) H2SO4 oleum NO2 NO2 SO3H HO3S + i) O Na + N N Cl OH N N 16. Příchod elektrofilu do pozice č. 1 naftalenu vede ke vzniku stabilnějšího σ komplexu, než v případě napadení pozice č. 2. Účinnější stabilizaci σ komplexu vzniklého napadením pozice č. 1 elektrofilem dosvědčuje větší počet rezonančních struktur, které můžeme pro tento komplex napsat. Můžeme předpokládat, že aktivační energie pro vznik jednoho i druhého σ komplexu jsou v podobném vztahu, v jekém jsou energie samotných σ komplexů. Naftalen-1-sulfonová kyselina tedy vzniká rychleji díky nižší aktivační energii reakce, je však méně stabilním produktem reakce (nevýhodná interakce SO3H skupiny a atomu vodíku v pozicích 1 a 8). Díky zvratnosti sulfonace můžeme zvolit reakční podmínky tak, aby došlo k ustavení rovnováhy, ve které bude dominantní složkou ve směsi stabilnější produkt – naftalen-2-sulfonová kyselina. Sulfonace naftalenu je učebnicový příklad demonstrující termodynamické a kinetické řízení reakce. 111 S O O O H O S O O O H H + O S O O O H H O S O O O H + O S O O O H H H - H2O O S O O H O S O O H SO3HH SO3HH SO3HH SO3HH SO3HHSO3HHSO3HH - H SO3HH Sulfonace: Vznik elektrofilu: S O O O H SO3H H SO3H H SO3H H SO3H H SO3H H SO3H H - H SO3H 17. Protonace kyslíku trichloracetaldehydu vede ke zvýšení parciálního kladného náboje na atomu uhlíku, který může reagovat s chlorbenzenem ve smyslu SEAr. Protonace -OH skupiny a její odstoupení jako H2O vede ke vzniku elektrofilu, který napadá další molekulu chlorbenzenu. Cl OH CCl3 H OH CCl3 H OH CCl3 H Cl H CCl3 OH - H Cl O CCl3 H H Cl O CCl3 H H - H2O Cl CCl3 Cl Cl CCl3 H Cl - H CCl3 Cl Cl DDT 112 Vedlejší produkty reakce: CCl3 Cl Cl ClCl ClCl H o,p'-DDT DDD 18. Desulfonace je příkladem ipso substituce: SO3H H SO3HHSO3H H SO3H SO3H H2O H2SO4 + H 19. Bromace naftalenu v nepřítomnosti Lewisovy kyseliny probíhá adičněeliminačním mechanismem, nejdříve dojde k 1,4-adici Br2 za vzniku meziproduktu, který lze ze směsi izolovat, a následně probíhá eliminace HBr z tohoto meziproduktu. Naftalen, podobně jeko další kondenzované aromatické uhlovodíky, vykazuje větší ochotu k adičním reakcím, protože ve srovnání s benzenem mají jednotlivé cykly menší rezonanční energii a zánik aromatického charkteru jednoho cyklu přináší menší energetickou ztrátu. Br2+ H Br BrH 50 oC Br + HBr 20. Zmíněný 1,3,5-triethylbenzen je nejstabilnější ze všech isomerních triethylbenzenů. Díky zvratnosti některých alkylací v přítomnosti (Lewisovy) kyseliny, převládne za podmínek termodynamické kontroly reakce nejstabilnější produkt, přestože tento produkt vzniká reakcí s vyšší aktivační energií (nižší aktivační energii by měl v tomto případě příchod elektrofilu do ortho nebo para pozic). 113 21. Řešení: OH OH konc. H2SO4 60-65 oC C6H6S2O8 konc. H2SO4 konc. HNO3 C6H5NS2O10 ∆T H , H2O C6H5NO4 HO OH HO3S SO3H NO2 NO2 OHHOHO OH HO3S SO3H 22. Bezvodý AlCl3 je oproti FeBr3 lepší Lewisovou kyselinou. Chlorid hlinitý může být zdrojem pouze chloridového aniontu, teoreticky by při bromaci ve směsi mohla vzniknout sloučenina BrCl, která však bude vystupovat díky rozdílu elektronegativit obou halogenů opět jako bromační činidlo. 23. Chlorid hlinitý je lepší Lewisovou kyselinou, při reakci katalyzované AlCl3 se vyvíjí větší kladný náboj na atomu uhlíku a roste tak pravděpodobnost přesmyku za vzniku stabilnějšího sekundárního karbokati- ontu. 24. Řešení: CH3 Br2 / hν KOH, ∆ -HBr Br2 Br O BF3 H3C I AlCl3 HNO3 H2SO4 Cl2 / Fe + NO2 NO2 CH3CH3 CH3 O CH3 Br Br Br + Cl Cl CH3CH3 + CH3 CH3 CH3CH3 + produkty vícenásobné alkylace 114 OH HNO3 (35%) NaOH / H2O CH3MgBr Br2 / H2O OH NO2 OH NO2 + O Mg2 Br CH4+ ONa OH Br Br Br C C H NaNH2 I H3C H3C H2 / Pt NBSH2 / Lindlaruv kat. C C Na C C CH3 CH3 CH3 CH3 H H CH3 CH3 CH3 CH3 Br 115 9. Nukleofilní aromatické substituce Adičně-eliminační (bimolekulární) mechanismus SN2Ar Mechanismus typický pro aromáty s elektronakceptorními substituenty (nejlépe v ortho a para pozicích), jež usnadňují příchod nukleofilu a stabilizují meziprodukt. Krokem určujícím rychlost reakce je adice nukleofilu na aromát, rychlost reakce závisí jak na koncentraci sustrátu, tak na koncentraci nukleofilu (bimolekulární reakce). CN X Nu NuX CN pomalu rychle Nu CN + X Meisenheimeruv komplex Adice nukleofilu je spojena se zánikem romatického systému, proto má meziprodukt reakce (Meisenheimerův komplex) výrazně vyšší energii, než výchozí látky. Tranzitní stav adice nukleofilu také nastává na reakční koordinátě blíže meziproduktu, má podobnou vnitřní energii, strukturu a uplatní se v něm podobným způsobem elktronové vlivy substituentů. Pokud substituenty výrazně stabilizují (snižují vnitřní energii) Meisenheimerova komplexu, stabilizují také tranzitní komplex, snižuji aktivační energii a reakci tak urychlují. Pokud je odstupující skupinou v SN2Ar halogenidový anion, reaktivita arylhalogenidů klesá v pořadí F > Cl > Br protože adici nukleofilu urychluje větší parciální kladný náboj na atomu uhlíku a menší sterická náročnost odstupujícího halogenu (oba faktoty nejlépe splňuje fluorid a nejhůře bromid). Při alifatické bimolekulární nukleofilní substituci (SN2) je pořadí reaktivity halogenů jako odstupujících skupin opačné. 116 Monomolekulární substituce (SN1Ar) Vzácný mechanismus díky nestabilitě fenylkationtu, uplatní se jen v případě, kdy se uvolňuje velice dobrá odstupující skupina (N2 při tepelném rozkladu diazoniových solí Ar–N+ 2 ). pomalu rychle N2 + Nu N N Nu Příkladem může být Schiemannova reakce (příprava arylfluoridů z diazoniových solí tetrafluoroboritanů): N F N N2 + BF3 ∆ B F F F F + BF4 Sandmeyerova reakce není typickou SN1Ar, reakce je katalyzovaná Cu+ a zahrnuje procesy s přenosem elektronu): N2 +X CuX X = Cl, Br, I, CN Mechanismus: HCl + CuCl H + CuCl2 N N CuCl2 eN N + CuCl2 -N2 CuCl2 Cl + CuCl N N X Eliminačně-adiční (dehydroarenový) mechanismus Typický mechanismus pro substituční reakce na substrátech bez elektronakceptorních skupin a v přítomnosti velice silných zásad, jako jsou například organokovy (BuLi, PhLi) nebo amidy alkalických kovů (NaNH2, KNH2). Cl H NH2 Cl - NH3 Benzyn NH2 NH2 N H H H NH2 -NH2 - Cl NH3 H 117 Příklady: 1. Jak byste provedli následující transformace? NH2 H3C H3C F a) b) COOH NH2 COOH Cl 2. Nakreslete produkty následujících reakcí! Když jako nukleofil vystupuje amin, obvykle se přidává v dvojnásobném přebytku oproti substrátu, případně se přidává do reakční směsi jiná báze. Vysvětlete! a) Cl NO2 NO2 + NH2 O CH3 b) NO2 OCH3 + NaOH 3. Sangerovo činidlo (1-fluor-2,4-dinitrobenzen) bylo používáno při sekvenaci peptidů k označení aminokyseliny na N-konci bílkoviny. Pokuste se napsat produkt reakce Sangerova činidla s následujícím dipeptidem: F NO2 NO2 O OH N CH3O H2N+ H 4. Kyselina 2,4,5-trichlorfenoxyoctová (2,4,5-T) a její estery jsou velice účinné herbicidy a defolianty (jako Agent Orange byly použity během války ve Vietnamu). Jejich biologické účinky jsou založeny na podobnosti s rostlinným hormonem 3-indoloctovou kyselinou. Následující schéma popisuje průmyslovou výrobu 2,4,5-trichlorfenoxyoctové kyseliny: Cl ClCl Cl NaOH / H2O Cl Cl Cl O A OH OO OH Cl + NaOH 2,4,5-T 118 (a) Nakreslete detailní mechanismy obou reakcí a doplňte strukturu meziproduktu A! (b) Při nedodržení technologického postupu (překročení vhodné teploty) dochází v první reakci vedle A také k tvorbě vedlejšího produktu, vysoce toxického TCDD (2,3,7,8-tetrachlorodibenzodioxinu), který může kontaminovat konečný herbicid. Napište detailní mechanismus vzniku TCDD! O OCl Cl Cl Cl TCDD 5. Jak byste připravili pentachlorfenol z hexachlorbenzenu? 6. Vysvětlete vysokou selektivitu, se kterou probíhá substituce atomu fluoru v para pozici vůči acylové skupině: O O O CH3 F F F F F + N N CH3 H O O O CH3 N F F F F N H3C 7. Triclosan inhibuje růst bakterií a hub, protože zpomaluje bakteriální syntézu mastných kyselin. Použití našel jako antibakteriální složka mnoha kosmetických přípravků (mýdla, zubní pasty, deodoranty). Doplňte chybějící látky ve schématu syntézy Triclosanu: A + B O Cl Cl NO2 Cl redukce C HNO2 O Cl Cl Cl N N ∆ H2O O Cl Cl OH Cl Triclosan 119 8. Chlorbenzen reaguje s NaNH2 v kapalném amoniaku při -33 ◦ C za vzniku anilinu, 2,6-dimethylchlorbenzen ale za těchto podmínek nereaguje. Vysvětlete! 9. Nakreslete produkty následujících reakcí, pokud může vznikat více produktů, navrhněte, v jakém poměru by měly vznikat. a) CF3 Cl b) CH3 Cl CH3 Br c) d) NaNH2 NH3 (l) NaNH2 NH3 (l) NaNH2 NH3 (l) O + 10. Chlorbenzen označený isotopem uhlíku 14 C v pozici 1 poskytuje reakcí s vodou za teploty 300 ◦ C a zvýšeného tlaku fenol obsahující 14 C v pozici 1 i 2, obě látky vznikají přibližně v poměru 1:1. Vysvětlete! Cl * H2O 300 oC; ∆p OH * OH * + 11. Která sloučenina v následujících párech látek bude reagovat rychleji s methanolátem sodným v methanolu? Jakým mechanismem reakce bude probíhat? (a) 2-Chlorpyridin a 3-chlorpyridin. (b) 1-Fluor-4-nitrobenzen a 1-chlor-4-nitrobenzen. 120 Autorské řešení příkladů: 1. Obě transformace lze uskutečnit s využitím diazoniových solí: NH2 H3C H3C F a) b) COOH NH2 COOH Cl NaNO2 + HCl 0-5 oC N H3C N Cl HBF4 N H3C N BF4 ∆T NaNO2 + HCl 0-5 oC COOH N N Cl Cu2Cl2 + HCl 2. Pokud v nukleofilní substituci vystupuje amin jako nukleofil, reakcí primárně vzniká amoniová sůl, která je v rovnováze s volným aminem a kyselinou HX, kde X je odstupující skupina. Například při reakci 1-chlor-2,4-dinitrobenzenu s aminem vzniká v reakční směsi hydrochlorid (amoniová sůl vzniklá z HCl), protonován však bude přednostně výchozí amin. Alifatické aminy (a amoniak) jsou obvykle výrazně bazičtější než arylaminy (konjugace volného elektronového páru na atomu dusíku s aromatickým systémem snižuje bazicitu). Protonací atomu dusíku však amin ztrácí svou nukleofilitu a reakce se zastaví. Proto se do reakční směsi přidává báze neutralizující vznikající HCl, nejjednodušší variantou je použití dalšího ekvivalentu samotného aminu. ∆T a) Cl NO2 NO2 + NH2 O CH3 b) NO2 OCH3 + NaOH N O2N HNO2 O CH3 + NH3 O CH3 Cl OCH3 OH + NaNO2 + CH3ONa OH NO2 + 121 3. Reakce je ukázkou Sangerovy metody značení poslední aminokyseliny N-konce peptidů. Po hydrolýze značeného peptidu lze aminokyselinu nesoucí 2,4-dinitrofenylovou skupinu lépe chromatograficky oddělit od ostatních aminokyselin, protože modifikací klasá bazicita -NH2 skupiny a mění se její polarita. 2,4-Dinitrofenylová skupina dává také vzniklému derivátu žlutou barvu. F NO2 NO2 O OH N CH3O H2N+ H O OH N CH3O N H O2N H NO2 + HF 4. První reakcí vzniká 2,4,5-trichlorfenol, (respektive fenolát po deprotonaci přítomným NaOH), druhá reakce představuje bimolekulární alifatickou substituci SN2, ve které fenolát vystupuje jako nukleofil. Cl ClCl Cl Cl Cl Cl O O O O O 2,4,5-T OH Na ClCl Cl Na OH Cl - NaCl OH ClCl Cl NaOH - H2O O ClCl Cl Na O ClCl Cl Cl - NaCl A H Cl Cl Cl O OH O SN2Ar SN2 Při překročení určité teploty začne docházet ke kondenzaci dvou molekul 2,4,5-trichlorfenolátu za vzniku TCDD. O ClCl Cl A Cl O Cl Cl O ClCl Cl Cl O Cl Cl Cl Cl Cl O O Cl Cl O O Cl Cl Cl Cl Cl - NaCl - NaCl O O Cl Cl Cl Cl TCDD 122 5. Benzen nesoucí šest atomů chloru je dostatečně aktivován pro SN2Ar, zároveň jeden z atomů chloru může fungovat jako odstupující skupina. Pokud chceme připravit fenol, jako nukleofil zvolíme hydroxidový aniont. V reakční směsi se vzniklý fenol díky své kyselosti okamžitě přeměňuje na fenolát, fenol získáme zpět přídavkem silné kyseliny. Cl Cl Cl Cl Cl Cl NaOH OHCl Cl Cl Cl Cl Cl - NaCl Cl Cl Cl Cl Cl OH - H2O NaOH Cl Cl Cl Cl Cl O Na H Cl Cl Cl Cl Cl OH 6. Sloučenina obsahuje na benzenovém jádře dva druhy elektronakceptorních substituentů – karbonylovou skupinu a atomy fluoru, jež také mohou fungovat jako odstupující skupina. Karbonylová skupina je v konjugaci s aromatickým systémem, díky vyšší elektronegativitě atomu kyslíku vazba C=O snižuje elektronovou hustotu na aromatickém jádře (M− efekt), především v ortho a para pozicích. Pozice ortho je více stericky bráněná, proto nukleofilní amin přichází přednostně do pozice para. 7. Difenylether lze připravit několika způsoby, z různých párů nukleofilního fenolátu a substrátu. A B Cl Cl O + F NO2 Cl O Cl Cl NO2 Cl Cl Cl Cl + O NO2 Cl O Cl Cl NO2 Cl nebo 123 redukce C HNO2 O Cl Cl Cl N N ∆ H2O O Cl Cl OH Cl Triclosan O Cl Cl NO2 Cl O Cl Cl NH2 Cl 8. Reakce chlorbenzenu s amidem sodným probíhá eliminačně-adičním mechanismem, kdy v prvním kroku dochází k 1,2-eliminaci HCl za vzniku benzynu. 1-Chlor-2,6-dimethylbenzen za stejných podmínek neposkytuje benzyn, látce chybí atomy vodíku v ortho pozicích, jež by se mohly eliminovat spolu s chloridovým aniontem. Cl NaNH2 NH3 (l) + NaCl + NH3 NH2 Cl CH3H3C H NaNH2 NH3 (l) nereaguje 9. Reakce a) až c) jsou nukleofilní substituce probíhající eliminačně-adičním mechanismem. Poznámky k jednotlivým reakcím: a) Spolu s bromidovým aniontem se může eliminovat proton ze dvou pozic, vzniká však jen jeden benzyn. Dvojná vazba benzynu bude napadána nukleofilem na obou koncích přibližně se stejnou prav- děpodobností. b) Během reakce mohou vzniknout dva druhy benzynů, jež reakcí s nukleofilem poskytnou tři isomerní methylaniliny. Za předpokladu, že odštěpování protonu a příchod nukleofilu probíhá náhodně bez ohledu na sterické vlivy a polarizaci elektronové hustoty, budou 2- a 4-methylaniliny zastoupeny ve směsi produktů po 25 %, 3-methylanilin bude tvořit zbývajících 50 %. 124 c) Reakcí s bází vzniká pouze jeden benzyn, díky elektronakceptorní trifluormethylové skupině, která vyvolá zředění elektronové hustoty v pozici meta, bude přednostně vznikat 3-trifluormethylanilin. d) Po přidání furanu do reakční směsi, v níž probíhá substituce eliminačně-adičním mechanismem, lze ze směsi izolovat produkt Dielsovy-Alderovy reakce benzynu s dienem. Vznik tohoto produktu slouží jako důkaz přítomnosti benzynu v reakční směsi. a) CF3 Cl b) CH3 Cl CH3 Br c) d) NaNH2 NH3 (l) NaNH2 NH3 (l) NaNH2 NH3 (l) O + CH3 CH3 CH3 + NH2 NH2 + CH3 CH3 + CH3 CH3 NH2 CH3 + CH3 + NH2 NH2 CF3 CF3 NH2 + CF3 NH2 hlavní produkt O 10. Díky velmi vysoké teplotě může eliminaci HCl vyvolat i tak slabá báze, jakou je voda. Vzniklý benzyn je symetrický a oba uhlíky nově vzniklé dvojné vazby jsou napadány nukleofilem se stejnou pravděpodobností. Odchylka od tohoto poměru ve prospěch 1-derivátu by znamenala, že současně probíhá substituce adičně-eliminačním mechanismem. Cl * H2O 300 oC; ∆p O * O * + H O H H * ++ Cl H O H H O H H H H 125 11. Obě sloučeniny budou reagovat adičně-eliminačním mechanismem. a) Atom dusíku má vyšší elektronegativitu než atomy uhlíku, navázán v cyklu pyridinu má proto stejný vliv na rozložení elektronové hustoty π systému jako M− skupina navázaná ve stejném místě na jádro benzenu (např. -NO2 skupina). Vzniká zředění elektronové hustoty v pozicích ortho a para vůči akceptorní skupině. Podobně jako nitro skupina usnadňuje atom dusíku v pyridinu průběh adičně-eliminační nukleofilní substituce a stabilizuje meziprodukt reakce, Meisenheimerův komplex. Pyridin s odstupující skupinou v pozicích 2 nebo 4 bude tudíž reagovat rychleji, než pyridin substituovaný v pozici 3. N ClO CH3 N ClO CH3 N ClO CH3 N ClO CH3 N ClO CH3 N ClO CH3 b) Za podmínek SN2Ar, kdy je krokem určujícím rychlost reakce adice nukleofilu, vykazuje fluorovaný derivát vyšší reaktivitu než chlorovaný derivát, přestože je chloridový aniont lepší odstupující skupinou než fluorid. 126 Použitá literatura 1. McMurry, J.: Organická chemie, 1. vyd., Nakladatelství VUTIUM a VŠCHT, Praha, 2007. 2. Panico, R; Powell, W. H.; Richer J.-C.: Průvodce názvoslovím organických sloučenin podle IUPAC, Academia, Praha, 2000. 3. Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P.: Organic Chemistry. Oxford University Press, 2001. 4. Solomons, G. T. W.: Organic chemistry, New York: John Wiley & Sons, 1996. 5. Anslyn, E. V.; Dougherty, D. A.: Modern Physical Organic Chemistry. University Science Books: Sausalito, CA, 2006. 6. Grossman, R. B.: The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, 2nd ed., Springer New York, 2003. 7. Eliel, E. L.; Wilen, S. H.: Stereochemistry of Organic Compounds, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1994. 8. Paleta, O.; Panchartek, J.; Trška, P.; Večeřa, M.: Řešené úlohy z organické chemie, SNTL Praha, 1981. 9. Carey, F.A.: Organic Chemistry, McGraw-Hill, New York, 1996. 10. Atkins, R. C.; Carey, F. A.: Organic Chemistry: A Brief Course, McGrawHill, 1990. 127