Základy organické chemie Jaromír Literák Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 1 / 57 Karbonylové sloučeniny R1 C O R2 R1 C H O keton aldehyd C C R1 R1 O keten Příprava aldehydů a ketonů Oxidace alkoholů RCH2 OH PCC CH2Cl2 R O H R2CH OH K2Cr2O7 H2SO4 R O R Hydratace alkynů R H Hg2+/H2O H2SO4 R O CH3R OH CH2 Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 2 / 57 Karbonylové sloučeniny Ozonizace alkenů R2 R1 R3 R4 1. O3 2. Zn/H2O +O R1 R2 O R4 R3 Friedelova-Craftsova reakce + Cl O R 1. AlCl3 2. H2O O R Hydroborace-oxidace terminálních alkynů R H 1. BH3 2. H2O2/NaOH R R H OH H O Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 3 / 57 Základní rysy reaktivity karbonylových sloučenin Nukleofilní adice (AN) ONu Nu O Nu E O E E Nu O E Nu O E O E Reakce s nukleofily: O Aktivace elektrofilem: tetraedrický intermediát V nukleofilní adici obvykle aldehydy reagují rychleji než ketony. Sterický efekt. Elektronový efekt. Pořadí reaktivity vůči nukleofilům: O CH3H3C O HH O HH3C O H3C O > >> > Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 4 / 57 Základní rysy reaktivity karbonylových sloučenin Tetraedrický intermediát je obvykle nestabilní a podléhá dalším přeměnám – eliminaci a nukleofilní substituci. Nukleofilní adice na karbonyl nemusí být vratná: H3C CH3 O + CH3CH2 MgBr H3C CH3 O CH2CH3 H3C CH3 O + HCl O CH3H3C Cl Mg Br 2 H nevratná adice: vratná adice: Enolizace karbonylových sloučenin – podmínkou je přítomnost atomu vodíku na α atomu uhlíku: O H3C CH3 H H α β H3C CH3 O H H Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 5 / 57 Základní rysy reaktivity karbonylových sloučenin Neenolizovatelné karbonylové sloučeniny: O H H O H O Enolizovatelné karbonylové sloučeniny mohou být deprotonovány na vzniku ambidentního enolátu: O CH2 O CH2H3C H3C Reakce enolátu / enolu s elektrofily: E O H3C E E O CH2H3C E O CH2H3C E enolát enol O CH2H3C O CH2H3C H − H O CH2H3C H O CH2H3C H Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 6 / 57 Tvorba hydrátů karbonylových sloučenin Nukleofilní adicí vody na karbonyl aldehydů a ketonů vznikají hydráty (geminální dioly). Adice vody může být katalyzována kysele: H3C CH3 O H H3C CH3 O H H3C CH3 O H H O H O H3C CH3 O HH H O H3C CH3 O H H H geminální diol − Nebo bazicky: H3C CH3 O H O H O H3C CH3 O H H geminální diol − HO O H3C CH3 O H HO Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 7 / 57 Tvorba hydrátů karbonylových sloučenin Tvorba hydrátů je u ketonů obvykle nevýhodná, stabilita hydrátů aldehydů je vyšší: H3C CH3 O OH H3C CH3 OH + H2O 99,9 % 0,1 % H H O OH H H OH + H2O 0,1 % 99,9 % Stabilní hydráty tvoří aldehydy a karbonylové sloučeniny nesoucí elektronakceptorní skupiny: H H O Cl3C H O F3C CF3 O O O O Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 8 / 57 Tvorba poloacetalů a acetalů O ROH kyselina nebo báze O OR H poloacetal (hemiacetal) pouze kyselina H2O ROH + OR OR acetal AN SN1 V bazickém prostředí vzniká pouze poloacetal (hemiacetal): O O HR B OR BH OR O O R BH O O R B H Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 9 / 57 Tvorba poloacetalů a acetalů V kyselém prostředí může vzniknout z poloacetalu kysele katalyzovanou SN1 acetal: O O R H O H O H O H OR H H O O R H H O O R HH − H2O O R OR H O O R HR O O R R H+ Trend ve stabilitě poloacetalů a acetalů je podobný jako u hydrátů → nutnost externím zásahem posouvat rovnováhu. Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 10 / 57 Tvorba poloacetalů a acetalů Výjimku představuje intramolekulární adice alkoholu za vzniku pěti- nebo šestičlenného cyklu: O CH3 OHO CH3HO O H OH OH OH OH HO D-glukosa α-D-glukopyranosa O OH OHHO OH HO Náhradou poloacetalové -OH skupiny za jiný nukleofil vznikají glykosidy. N NN N NH2 N NN N NH2 O OHOH HO H + O OHOH HO OH + H2O D-ribofuranosa adenin adenosin Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 11 / 57 Tvorba poloacetalů a acetalů Náhradou poloacetalové -OH skupiny za jiný nukleofil vznikají glykosidy. O OH OHHO OH HO α-D-glukopyranosa kyanidin kyanin O O O OH HO OH O O OHHO HO OH HO OHOH OH 2 O HO OH HO OH OH + −2 H2O Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 12 / 57 Reakce s dusíkatými nukleofily Reakce s primárními aminy nebo NH3: O + H2N R N R + H2O primární amin nebo amoniak imin (Schiffova báze) O NHR H E1AN karbinolamin Reakce obvykle vyžaduje kyselou katalýzu: O N H O H O H O H NR H O N R H H O N R HH − H2O N R N R H R H H H H H + H Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 13 / 57 Reakce s dusíkatými nukleofily Analogicky reagují sloučeniny s nukleofilní -NH2 skupinou: O + H2N OH N OH + H2O hydroxylamin oxim O + H2N NH2 N NH2 + H2O hydrazin hydrazon Iminy enolizovatelných karbonylových sloučenin existují v tautomerních formách (analogie keto-enol tautomerie): N R H H N R H H imin enamin Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 14 / 57 Reakce s dusíkatými nukleofily Reakce sekundárních aminů s enolizovatelnými karbonylovými sloučeninami: O + N N R + HOH sekundární amin enamin O N H E1AN karbinolamin H R R RR H H R Odlišný výsledek eliminační reakce v důsledku nepřítomnosti vazby N–H: O N R H H O N R HH − H2O N R N R R R R + H H H H H H H H H H R H H Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 15 / 57 Reakce komplexními hydridy Komplexní hydridy jako NaBH4 nebo LiAlH4 jsou primárně donorem nukleofilního hydridového aniontu. Adice je nevratná. Vykazují také bazické vlastnosti (vznik H2). NaH je silná báze. O BH H H H O H H O H O H H Formálně jde o redukci – adici H2 na dvojnou vazbu. H O H3C 1. LiAlH4 2. H2O H3C OH CH3 O 1. NaBH4 2. H2O CH3 OH primární alkohol sekundární alkohol Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 16 / 57 Reakce komplexními hydridy Koenzym NADH + H+ – přenos hydridového aniontu: N NN N NH2 O OHOH OP O O OP O O O N OH OH O H2N O N H2N O OH H B H N H2N O O B H H H enzym oxidace: N H2N O OH H B HN H2N O O B H H H enzym redukce: Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 17 / 57 Adice organokovů Organokovy vystupují jako nukleofily a báze. H3C CH3 O R Li H3C CH3 O R H O H H3C CH3 O R H Li + LiOH analogicky: H3C CH3 O R Mg H3C CH3 O R Br Mg2 Br H2O H3C CH3 O R H + Mg(OH)2 MgBr2+ Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 18 / 57 Tvorba kyanhydrinů Vratná adice HCN na karbonyl za vzniku kyanhydrinu. + HCNH O H CN O H 88 % Mechanismus: O N C O C H O C H Na + NaCN N C N N Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 19 / 57 Tvorba kyanhydrinů + HCN H O H CN HO O O O OHHO OH HO OH OH OH ONC amygdalin enzym H2O Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 20 / 57 Wittigova reakce P Ph Ph Ph R2R1 + O R1 R2 + P Ph Ph Ph O Georg Wittig Reakce fosforového ylidu s aldehydem nebo ketonem. Příprava fosforového ylidu: P Ph Ph Ph H3C Br Ph P Ph Ph C H H H pKa = 22 NH2 Na Ph P Ph Ph CH2 Br Ph P Ph Ph CH2 Ph = Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 21 / 57 Wittigova reakce Meziproduktem reakce je heterocyklus – oxafosfetan. Předpokládá se, že může vzniknout dvěma způsoby: P CH2 Ph Ph Ph O R1 R2 P H2C Ph Ph Ph O R1 R2 H2C P O Ph Ph Ph R2 R1 oxafosfetan H2C R1 R2 P O Ph Ph Ph Nebo součinnou [2+2] cykloadicí: P Ph Ph Ph O H2C P O Ph Ph Ph R2 R1 oxafosfetan H2C R1 R2 P O Ph Ph Ph [2+2] cykloadice Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 22 / 57 Wittigova reakce CH3 CH3 CH3 P Ph Ph Ph Br CH3H3C O H CH3 CH3 H3C CH3 H3C retinal KOH CH3OH CH3 CH3 CH3CH3H3C CH3 CH3 H3C CH3 H3C β-karoten Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 23 / 57 Příklad č. 1 Doplňte produkt/y následující reakce: H3C H O + 2 CH3CH2OH H (kat.) + H2O Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 24 / 57 Příklad č. 2 Doplňte produkt/y následující reakce: H2O− H (kat.) + H3C CH3 O O2N NO2 N NH2 H Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 25 / 57 Příklad č. 3 Doplňte produkt/y následující reakce: H2O+ O O safrol H (kat.) Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 26 / 57 Příklad č. 4 Doplňte produkt/y následující reakce: H2O− H (kat.) +O H3C N CH3 H Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 27 / 57 Příklad č. 5 Doplňte meziprodukty a produkty následující sekvence reakcí reakce: CH3CH2Br + Ph P Ph Ph SN2 A NaH − NaBr B O H C D+ Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 28 / 57 Příklad č. 6 Doplňte produkt/y následující reakce: H O OH 1. NaBH4 2. H2O Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 29 / 57 Reakce vycházející z enolů/enolátů O CH2H3C O CH2H3C H O CH3H3C O CH2H3C kyselina nebo báze E − H E silná báze enol enolát E Rezonanční struktury enolu a enolátu: O CH2 O CH2H3C H3C enolát enol O CH2H3C H O CH2H3C H Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 30 / 57 Pozice rovnováhy mezi enolem a ketoformou H3C CH3 O H3C CH2 OH > 99,99 % < 0,01 % OHO H H < 0,01 % > 99,99 % H3C O O CH3 H H H2C O O CH3 H H H minoritní enol H3C O O CH3 H H majoritní enol Hodnota rovnovážné konstanty enol/keto závisí na rozpouštědle! Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 31 / 57 Pozice rovnováhy mezi enolem a ketoformou Hodnota rovnovážné konstanty enol/keto závisí na rozpouštědle, pro acetylaceton: Solvent % enolu Cyklohexan 97 H3C CH3 O O H3C CH3 OH OČistá látka 62 Dimethylsulfoxid 62 Voda 16 Kyselost α-vodíků u aldehydů a ketonů: O H pKa 16,7 19,2 18,3 8,8 5 O H3C O H H O O H H H H HH H H H H H O H3C CH3 O H H Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 32 / 57 Mechanismus enolizace V kyselém prostředí (katalýza kyselinou): O CH3H3C H O CH3H3C H O H3C H H H H O H3C H H H H+ V bazickém prostředí (katalýza zásadou): O H3C H H H B O H3C H H BH O H3C H H H B+ Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 33 / 57 Kinetický a termodynamický enol O CH3 OH CH3 OH CH3 E Enol s více substituovanou dvojnou vazbou bývá obvykle stabilnější → termodynamický enol. Enol s menším počtem alkylů na dvojné vazbě obvykle vzniká rychleji → kinetický enol. Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 34 / 57 Halogenace H3C CH3 O H3C CH2 O X XH+ kyselina nebo báze X2 (X ) Obvykle chlorace, bromace a jodace enolizovatelných karbonylových sloučenin. Prakticky se provádí častěji za kyselé katalýzy. H3C CH3 O H (kat.) pomalu H3C CH2 O H Br Br H3C CH2 O H Br Br H3C CH2 O Br BrH+ rychle rychle V rovnováze reaguje přednostně termodynamický enol: + O CH3 Cl2 H (kat.) O CH3Cl O Cl CH3 minoritní majoritní Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 35 / 57 Halogenace Při halogenaci v bazickém prostředí hrozí nežádoucí reakce. . . + O H3C H3C Br2 NaOH O H3C H3C O H3C H3C Br Br Br Haloformová reakce + R CH3 O 1. 3 ekv. X2 / NaOH 2. HCl R OH O H C X X X Reakce karbonylových sloučenin, které obsahují -CO-CH3 uskupení (mimo kyselinu octovou), nebo látek, které mohou být za podmínek reakce na tyto sloučeniny oxidovány. R CH3 O R CH3 OH H oxidace HXO Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 36 / 57 Halogenace Mechanismus haloformové reakce: R CH3 O NaOH − H2O R CH2 O Na Br2 − NaBr R C O H H Br 2 NaOH 2 Br2 R C O Br Br Br OH O R C O Br Br Br H -CBr3 je odstupující skupina + R O O C Br Br BrH R O O C Br Br BrH R O O + HCl R O O H Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 37 / 57 Alkylace R X H3C CH3 O LDA − 80 °C deprotonace H3C C O H H Li H3C C O H H Li primární substrát SN2 H3C C O H H R + LiX Mechanismus: H3C C O H H H N H3C CH3 CH3 CH3 H3C C O H H H3C Br H3C C O H H CH3 Li Li + LiBr + diisopropylamin Selektivní alkylace nesymetrických ketonů: H3C O ?? H3C O CH3 H3C H3C O Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 38 / 57 Alkylace Selektivní alkylace nesymetrických ketonů: H3C O H3C O CH3 H3C H3C O 1. NaH (25 °C) 2. CH3I 2. CH3I 1. LDA (−80 °C) Enolát je ambidentní nukleofil: N CH3 O Et3N N CH2 O Cl Si CH3 CH3 CH3 N CH2 O Si CH3 H3C CH3 CH3 O OH3C H3C H3C K DMSO CH2 O S O O O O CH3 CH3 CH2 O CH3 + O CH3 70 % 30 % Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 39 / 57 Aldolová reakce Enol nebo enolát se nukleofilně aduje na karbonylovou sloučeninu v keto-formě. H3C H O + H3C H O kyselina nebo báze H3C O H H CH2 H O Mechanismus reakce: CH O CH3 O H CH2 H O H H H O H CH O H H CH3H O CH O H C H CH3 H O O H H H + O H Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 40 / 57 Aldolová reakce Aldolové reakce jsou často zvratné. H3C O H 2 NaOH H2O H3C O H HO CH3 25 % 75 % O 2 NaOH H2O O H O 80 % 20 % Aldolová kondenzace – aldolizace + eliminace H2O – často nevratná: − H2OH O CH3 + H O CH3 H O OH CH3 H O CH3 aldolová reakce (aldolizace) aldolová kondenzace Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 41 / 57 Aldolová reakce Mechanismus bazicky katalyzované eliminace vody z aldolu – E1cb: CH3C OH H CC H O H H O H CH3C OH H CC H O H − H2O + C C O H C H CH3 H O H Někdy nelze aldol vůbec izolovat – konjugace hnací sílou pro eliminaci H2O: O CH3 2 NaOH O CH3HO nelze izolovat − H2O O CH3 rychle Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 42 / 57 Zkřížená aldolová reakce Zkřížená aldolová reakce – za rovnovážných podmínek může vyvstat problém se selektivitou: H O CH3 NaOH + H O CH3 H O CH2 H O CH3 H O CH2 + H O CH3 + H O CH3 + H O CH3 H O CH3 + H O CH3 H O OH CH3 H O OH CH3 H O OH CH3 CH3 H O OH CH3 CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 43 / 57 Zkřížená aldolová reakce Dosažení selektivní zkřížené aldolizace: 1. Enolizovatelná karbonylová sloučenina + neenolizovatelná karbonylová sloučenina, která je lepším elektrofilem. H3C O H + H H O Ca(OH)2 (kat.) HO O H H H H H O Ca(OH)2 HO O H 2 HO OH H O + CH3 O NaOH (kat.) O OH − H2O O Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 44 / 57 Zkřížená aldolová reakce Dosažení selektivní zkřížené aldolizace: 2. Řízená aldolová reakce – nevratná kvantitativní deprotonace jedné karbonylové sloučeniny silnou bazí, selektivní reakce enolátu s druhou barbonylovou sloučeninou: H2O CH3 H3C CH3 O LDA (−80 °C) O H CH2 H3C CH3 OLi H3C CH3 O O Li H3C CH3 O O H Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 45 / 57 Kysele katalyzovaná aldolizace H3C CH3 O H3C CH2 O H (kat.) H H3C CH3 O H H3C CH3 O H H3C CH3 O H H3C O H CH3 O CH3 H H3C O CH3 O CH3 H + H Kyselá aldolizace/aldolové kondenzace má menší praktické použití. Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 46 / 57 Biologický význam aldolizace a retroaldolové reakce Jedna z reakcí glykolýzy/glukoneogeneze: C H2C O C O HO H CH OH CH OH H2C O P OH O O aldolasa C H2C O H2C O OH C CH OH H2C O P OH O O H O P OH O O P OH O O Jednotlivé kroky mechanismu: NH O N O H NH2 O HO O P O O OH + NH O N O H N O HO P OH O O − H2O Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 47 / 57 Biologický význam aldolizace a retroaldolové reakce NH O N O H N O HO P OH O O H H O HO O P O OH O NH O N O H N O HO P OH O O OH HO O P O OH O + H2O NH O N O H N H H P O OH O O OH OH OH O O P O HO O + B − BH Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 48 / 57 Michaelova reakce Konjugovaná adice na α,β-nenasycené karbonylové sloučeniny. R O R O R O R O δ δδ Vznik 1,2- a 1,4-aduktů: H3C O C HN H3C O C NH H3C O C NH H3C O C N H H3C O C NH H3C O H C N 1 2 3 4 1 2 3 4 H3C O H C N H3C O C N H H Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 49 / 57 Michaelova reakce Termodynamické a kinetické řízení konjugované adice. O CH3 NaCN, HCN NaCN, HCN 5-10 oC 80 oC O CH3NC OH CH3 CN 1,2-adice 1,4-adice E Typické výchozí látky Michaelovy reakce: Akceptory H O CH3 H3C O CH3 O O CH3 R N O CH3 R R C CH3 N CH3 N O O Donory R SH R N H H R N R H R2CuLi R R O O R O O O R N O O R CR N Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 50 / 57 Michaelova reakce O O O CH3 1. KOH 2. 3. H O O CH3 O Mechanismus: O O H H O H O O O H − H2O H O CH3 O O CH3 O H H − OH O O CH3 O H H O O CH3 O H Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 51 / 57 Michaelova reakce Následná aldolová kondenzace: O KOH (kat.) O O CH3 O O Mechanismus: O H O H − H2O H − OH O O CH2 O H O O C O H H H H O H O O O H O O H H H O H O H O O H H − H2O − OH O H O H Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 52 / 57 Příklad č. 7 Doplňte produkt/y následující reakce: 1. CH3ONa O OCH3 CH3 2. CH3I Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 53 / 57 Příklad č. 8 Doplňte produkt/y následující reakce: CH3 O NaOH (kat.) aldolová kondenzace Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 54 / 57 Příklad č. 9 Doplňte produkt/y následující reakce: CH3 O H3CO + Cl2 HCl (kat.) Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 55 / 57 Příklad č. 10 Doplňte produkt/y následující reakce: CH3CH2ONa (kat.)H3C O +CH3 H3C O O O O CH3 Michaelova adice Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 56 / 57 Příklad č. 11 Doplňte produkt/y následující reakce: NaOH (kat.) O CH3 + H H O aldolová kondenzace Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 4. dubna 2019 57 / 57