Základy organické chemie Jaromír Literák Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 1 / 53 Karboxylové kyseliny a jejich deriváty O OH H2N 1 2 3 4 4-aminobutanová kyselina γ-aminomáselná kyselin α β γ COOH OH 2-hydroxybenzenkarboxylová kyselina o-hydroxybenzoová kyselina kyselina salicylová 1 2 3 4 5 6 Triviální názvy karboxylových kyselin a solí (esterů): H OH O H3C OH O OH O H3C OH O H3C mravenčí octová propionová máselná formiát acetát propionát butyrát Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 2 / 53 Karboxylové kyseliny a jejich deriváty OH O H3C OH O H3C OH O H3C OH OH O valerová kapronová mléčná benzoová valerát kapronát laktát benzoát OH O OH HOOC COOH HOOC COOH HOOC COOH salicylová šťavelová malonová jantarová salicylát oxalát malonát sukcinát Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 3 / 53 Karboxylové kyseliny a jejich deriváty HOOC COOH HOOC COOH H3C COOH O COOH OH HOOC glutarová adipová pyrohroznová jablečná glutarát adipát pyruvát malát COOH OH HOOC OH COOH hroznová akrylová tartrát akrylát Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 4 / 53 Vlastnosti karboxylových kyselin Teploty varu: CH3CH2OH H3C C O OH b.v. 78 °C 118 °C Tvorba dimerů: H3C C O O H O C CH3 OH Kyselost: H3C C O O H O H H H3C C O O + H O H H CH3CH2OH H3C C O OH pKa 16 4,76 Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 5 / 53 Vlastnosti karboxylových kyselin Stabilizace karboxylátového aniontu konjugací: R C O O R C O O R C O O1/2 1/2 Vliv indukčního efektu na kyselost: C C O OH pKa 4,76 2,9 1,3 0,9 H H H C C O OH H Cl H C C O OH Cl Cl H C C O OH Cl Cl Cl CH C O OH pKa 2,9 4,1 4,5 4,8 CH2CH3 Cl CH2 C O OH CHCH3 Cl CH2 C O OH CH2CH2 Cl CH2 C O OH CH2CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 6 / 53 Příprava karboxylových kyselin Průmyslová výroba kyseliny octové H3C OH + CO katalyzátor H3C C O OH HI + [Ir(CO)2I2]Příprava karboxylových kyselin: CH2 OH H2SO4; H2O CH2 C O H R Na2Cr2O7 obvykle nelze izolovat H2SO4; H2O CH2 C O OH Na2Cr2O7 R R C C R2R1 2. H2O 1. O3 R1 C OH O + R2C HO O CH3 CH3 KMnO4 ∆T C OH O + CO2 Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 7 / 53 Příprava karboxylových kyselin Br Mg sychý ether MgBr CO2 O O Mg Br 2 HCl OH O Br KCN − KBr C N H2O kyselina nebo báze ∆T C NH2 O H2O kyselina nebo báze ∆T C OH O Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 8 / 53 Reakce karboxylových kyselin Dekarboxylace karboxylových kyselin s elektronakceptorními substituenty na α-atomu uhlíku. H3C C C O C OH O H H ∆T H3C C O H H H + CO2 HO C C O C OH O H H ∆T HO C O H H H + CO2 O2N C C OH O H H ∆T O2N C H H H + CO2 C C OH O ∆T + CO2 Cl Cl Cl C Cl Cl H Cl H3C C O O H O H3C C H O H H H H C O O + H3C C O H H H Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 9 / 53 Reakce karboxylových kyselin Redukce karboxylových kyselin: R C O OH 1. LiAlH4 2. H2O R C O H H H Mechanismus: R C O O H H Al H H H − HH R C O O R C O H H Al H H H Li − AlH3 R C O H O Al R C O H Li + LiO Al Li Al H HH H H H H Li R C O H H Li H O H − LiOH R C O H H H sul° aldehyd primární alkohol Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 10 / 53 Funkční deriváty karboxylových kyselin R O OH R O N náhrada -OH skupiny R' R' amid R O O O R' R O O R' R O X anhydrid ester halogenid kyseliny (acylhalogenid) Nukleofilní acylová substituce R Z O Nu adice R O Nu Z eliminace R Nu O + Z Probíhá adičně-eliminačním mechanismem. Reaktivita vůči nukleofilům: R O N R' R' amid R O O O R' R O O R' R O X anhydrid esterhalogenid kyseliny (acylhalogenid) > > > Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 11 / 53 Funkční deriváty karboxylových kyselin R C O Z H3C C Z O M+I− R C O Z O C N O C Cl M+ > I− I− > M+ R C NH2 O R C Cl O Nukleofilní acylovou substitucí lze převádět funkční deriváty mezi sebou – snadno lze z derivátu reaktivnějšího připravit derivát méně reaktivní. Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 12 / 53 Funkční deriváty karboxylových kyselin Příprava acylazidů: R Cl O adice R O N3 Cl eliminace R N3 O + N3 Cl Na Na Na Pokud je nukleofilem organokov nebo komplexní hydrid, může produkt substituce (aldehyd nebo keton) dále reagovat s nukleofilem: H3C O O CH3 H3C O H H LiAlH4 H3C O H LiAlH4 substituce adice H2O H3C O H H H H3C O Cl H3C O CH3 CH3 CH3MgBr H3C O CH3 substituce adice H2O H3C O CH3 CH3 H CH3MgBr Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 13 / 53 Funkční deriváty karboxylových kyselin Esterifikace: H3C O OH + HO CH3 H adice (kat.) H3C O O O CH3 H H H eliminace (kat.) H3C O O + O H HCH3 Mechanismus: H3C O O OHH3C H H3C O O O H H H H3C O O + O HH CH3 H3C O O H HH3C H H H3C O O O H H H3C H H3C O O O H H H3C H3C O O O H H3C H H H H3C O O CH3 H Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 14 / 53 Halogenidy karboxylových kyselin H3C O Br bromid kyseliny octové acetylbromid O Cl chlorid kyseliny benzoové benzoylchlorid Obvykle připravovány reakcí karboxylových kyselin s halogenidy anorganických kyselin. R OH O R O O S O Cl + HCl aktivace -OH skupiny R OH Cl O S O Cl R Cl O + HO S O Cl nukleofilní acylová substituce (adice - eliminace) HO S O Cl HCl + SO2 Cl S O Cl Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 15 / 53 Halogenidy karboxylových kyselin Mechanismus: R O O H O S Cl Cl R O O H S O Cl Cl R O O H S O Cl Cl R O O S O Cl ClH R O O H S O Cl Cl R O O H Cl S Cl O R Cl O H O S Cl O R Cl O O S Cl O H + O S Cl O H HCl + SO2 Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 16 / 53 Halogenidy karboxylových kyselin Hydrolýza halogenidů: H3C O Cl + H2O H3C O OH + HCl Acylace nukleofilů (alkoholů a aminů): H3C O Br + H3C O O + HClHO CH3 CH3 N N HCl+ N H Cl Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 17 / 53 Halogenidy karboxylových kyselin Acylace nukleofilů (alkoholů a aminů): H3C O Cl + H3C O N + HClN CH3 Cl CH3 H CH3 H3C druhý ekvivalent aminu: 2 N CH3 H CH3 + HCl N CH3 H H CH3 Reakce acylhalogenidů s organokovy a LiAlH4: C O Cl 1. LiAlH4 2. H2O C O H H H 1. 2 x CH3MgBr 2. H2O C O H CH3 CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 18 / 53 Anhydridy karboxylových kyselin H3C O OH + CH3 O HO 800 °C OH3C CH3 O O + H2O kyselina octová anhydrid kyseliny octové (acetanhydrid) OHHO O O SOCl2 − OSO − 2 HCl OO O anhydrid kyseliny jantarové (sukcinanhydrid) kyselina jantarová H3C O Cl + O NaO H3C O OO acetylchlorid natrium-benzoát smesný anhydrid kyselin octové a benzoové − NaCl Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 19 / 53 Anhydridy karboxylových kyselin Acylace nukleofilů (alkoholů a aminů): COOH OH + H3C O CH3 OO H2SO4 katalyzátor COOH O + O CH3 O CH3 O H kyselina salicylová kyselina acetylsalicylová NH2 + H3C O CH3 OO N + O CH3 O H 4-aminofenol N-(4-hydroxyfenyl)acetamid paracetamol HO HO H CH3 O Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 20 / 53 Estery karboxylových kyselin H3C O O ethylester kyseliny octové ethyl-acetát O O methylester kyseliny benzoové methyl-benzoát CH2CH3 CH3 O O O O CH2CH3CH3CH2 diethylester kyseliny malonové diethyl-malonát isopentylester kyseliny octové ispentyl-acetát 3-methylbutyl-acetát H3C CH3 O O CH3 Fischerova esterifikace: ethyl-acetát H3C OH O + HO CH2CH3 H katalyzátor H3C O O + CH2CH3 H O H kyselina octová ethanol Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 21 / 53 Estery karboxylových kyselin Příprava esterů: R NaOH − H2O Na H3C Br SN2 O OH R O O R O O CH3 + NaBr R O O CH3 + HO CH3 + H katalyzátorR O R O O R O O H R O O + HO + bázeR O ClHCl Transesterifikace: H3C O O CH2CH3 + HO CH3 kyselina nebo báze H3C O O CH3 + HO CH2CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 22 / 53 Estery karboxylových kyselin Mechanismus bazické transesterifikace: H3C O O CH2CH3 O CH3 H3C O O CH3 + O CH2CH3H3C O O CH3 O CH2CH3 O CH2CH3H3C O H O CH2CH3H3C O H+ Hydrolýza esterů: Kysele katalyzovaná hydrolýza – mechanismus je opakem kysele katalyzované esterifikace. Bazická hydrolýza – saponifikace: R O O R' + NaOH R O HO R'+Na O Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 23 / 53 Estery karboxylových kyselin Mechanismus bazické hydrolýzy: H3C O O CH2CH3 O H H3C O O H + O CH2CH3H3C O O H O CH2CH3 O CH2CH3 O CH2CH3O H+H3C O O H H3C O Reakce esterů s organokovy a LiAlH4: R C O O 1. LiAlH4 2. H2O R C O H H H 1. 2 x CH3MgBr 2. H2O R C O H CH3 CH3 R' HO R'+HO R' + Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 24 / 53 Amidy karboxylových kyselin H3C NH2 O amid kyseliny octové acetamid ethanamid N NH2 O amid kyseliny nikotinové nikotinamid H N O CH3 CH3 N,N-dimethylformamid Příprava amidů: RCOOH + NH3 RCOO NH4 R O NH2 + H2O ∆T R O N R' R' R O Cl R O O CH3 O R O O R'' N R'R' H Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 25 / 53 Amidy karboxylových kyselin Hydrolýza amidů: R O N R' R' + H2O kyselina nebo báze R O OH + H N R' R' Mechanismus bazické hydrolýzy amidů: H3C O NH2 O H H3C O O H NH2 O O H + H3C O O H H3C O O NH2 O H H + N H H N H H O H H N H H H Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 26 / 53 Amidy karboxylových kyselin Mechanismus kyselé hydrolýzy amidů: H3C O NH2 O H H3C O O NH2 H H H3C O O + N HH H H3C O NH2 H HH H3C O O NH2 H H H H3C O O NH2 H H H3C O O N H H H H H H3C O O H H H H H H N HH H H H N H H H Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 27 / 53 Amidy karboxylových kyselin Redukce amidů: R C O N H H Al H H H − HH R C O N R C N H H Al H H H Li − AlH3 R C N H O Al R C N H Li + LiO Al Li Al H HH H H H H Li R C N H H Li H O H − LiOH R C N H H H imin primární amin H H H H H H H Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 28 / 53 Nitrily karboxylových kyselin H3C C N C N nitril kyseliny benzoové benzonitril benzenkarbonitril nitril kyseliny octové acetonitril ethannitril Příprava nitrilů: Br + NaCN C + NaBrN H3C O NH2 + SOCl2 H3C C N + SO2 + 2 HCl Hydrolýza nitrilů: R C O NH2 + H2O R C N NH3 kyselina nebo báze R C O OH H2O kyselina nebo báze Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 29 / 53 Nitrily karboxylových kyselin Mechanismus bazické hydrolýzy nitrilů: R C N H O R C N O H O H R C N O H H O H H R C N O H H O H R C N O H H O H R C N O H H H O amid H2O OH R C O O + NH3 bazická hydrolýza amidu Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 30 / 53 Nitrily karboxylových kyselin Mechanismus kyselé hydrolýzy nitrilů: R C N amid R C O O + NH4 kyselá hydrolýza amidu H O H H R C N H R C N H O H H O H H R C O H H N H O H H R C O N H H O H H R C O N H H H H O H H R C O N H H H O H H H Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 31 / 53 Nitrily karboxylových kyselin Reakce nitrilů s organokovy – příprava ketonů: R C N + NH4 CH3MgBr R C CH3 N Mg2 Br H2O R C CH3 N H H3O ∆T R C CH3 O imin keton Redukce nitrilů – příprava primárních aminů: R C N 1. LiAlH4 R C 2. H2O N H H H H primární amin Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 32 / 53 Claisenova reakce H3C C OEt O báze H2C C OEt O H3C C OEt O deprotonace nukleofilní acylová substituce H3C C C O C OEt O H H + EtO C C OEt O H2C C OEt O CH3 C EtO O H3C C C O C OEt O H H EtO H H H EtO H CH2 C OEt O C O EtO CH3 EtO H3C C C O C OEt O H + zpracování: H3C C C O C OEt O H H3O H3C C C O C OEt O H H mechanismus: Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 33 / 53 Claisenova reakce EtO O OEt O 1. EtONa 2. H3O O O OEt H3O ∆T O O OH O + CO2 Zkřížená Claisenova reakce: EtO CH3 O 1. EtONa 2. H3O + EtO OEt O O EtO O O OEt O EtO CH3 O 2. H3O EtO O O LDA EtO CH2 O H3CO O CH3 1. CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 34 / 53 Malonesterové syntézy EtO C C C OEt OO H H EtONa EtO C C C OEt OO H CH2 Br EtO C C C OEt OO H CH2 H3O ∆T HO C C C OH OO H CH2 − CO2 HO C C O H CH2 H deprotonace alkylace enolátu hydrolýza esteru dekarboxylace Syntetické použití: − CO2 R X R COOH COOH R COOH Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 35 / 53 Malonesterové syntézy Výchozí látkou může být i jiná 1,3-dikarbonylová sloučenina: H3C C C C OEt OO H H EtONa H3C C C C OEt OO H CH2 Br H3C C C C OEt OO H CH2 H3O ∆T H3C C C C OH OO H CH2 − CO2 H3C C C O H CH2 H deprotonace alkylace enolátu hydrolýza esteru dekarboxylace Syntetické použití: − CO2 R X R COOH R H3C O CH3 O Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 36 / 53 Hellova-Volhardova-Zelinskeho reakce OH O R H R X2 (X = Br nebo Cl) P nebo PX3 (katalyzátor) X O R H R HX katalyzátor X O R R H X2 X O R X R + HX 2 P + 3 X2 2 PX3 Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 37 / 53 Thioestery H3C O S CoA + COOHO COOH kys. oxaloctová HO COOH COOH S O CoA + H2O HO COOH COOH COOH kys. citronová − CoASH N NN N NH2 O OHO O P OO O P O O OP O O O CH3 H3CHO N O H O N H HS HSCoA Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 38 / 53 Thioestery H3C O Et O H3C O Et O H3C S Et O H3C S Et O O C O O C S Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 39 / 53 Thioestery CH3S CoA O CH2S CoA O O COOH COOH S CoA O O COOH HOOC H H S CoA O OH COOH HOOC H2O HOOC OH COOH COOH+CoA-SH Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 40 / 53 Kyselina uhličitá a její deriváty CO2 + H2O H2CO3 Khydr = [H2CO3] [CO2] = 2,8 × 10−3 pKhydr = − log Khydr = 2,55 Maximální rozpustnost kyseliny uhličité ve vodě je asi 0,034 mol dm−3 , nad touto koncentrací se rozkládá na oxid uhličitý a vodu. Najdeme dvě rozdílné hodnoty pKa1 pro disociaci do prvního stupně: Ka1 = [H+ ] · [HCO− 3 ] [H2CO3] pKa1 = 3, 8 Ka1,poz = [H+ ] · [HCO− 3 ] [CO2] = Ka1 · Khydr pKa1,poz = 6, 35 Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 41 / 53 Kyselina uhličitá a její deriváty Pro disociaci do druhého stupně: Ka2 = [H+ ] · [CO2− 3 ] [HCO− 3 ] pKa2 = 10,2 Funkční deriváty kyseliny uhličité Některé z funkčních derivátů jsou nestálé: Cl C OH O CO2 + HCl H2N C OH O CO2 + H N H H O C OH O CO2 + ROHR Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 42 / 53 Kyselina uhličitá a její deriváty Funkční deriváty kyseliny uhličité Stálé jsou např. soli monoalkyl- nebo monoaryl-karbonátů: CO2+ O Na O C O O Na Další stálé deriváty kyseliny uhličité: H2N C O R O Cl C Cl O Cl C O O R H2N C NH2 O H2N C Cl O Močovina Diamid kyseliny uhličité. H2N C NH2 O Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 43 / 53 Kyselina uhličitá a její deriváty Močovina Odpadní látka u savců, obojživelníků a některých ryb. Průmyslová výroba: CO2 + 2 NH3 150 °C 3,55 MPa H2N C NH2 O + H2O Wöhler (1828): C O H2N NH2 NH4NCO ∆T NH3 + HCNO Také: H2N C NH2 O + HClCl C Cl O + 4 NH3 2 Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 44 / 53 Kyselina uhličitá a její deriváty Močovina Při zahřívání se močovina rozkládá na kyselinu kyanatou a amoniak: H2N C NH2 O + NH3 ∆T H N C O C O H2N NH2 NH4NCO ∆T NH3 + HCNO C O H2N NH2 C O H2N N H C O N H H biuret ∆T Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 45 / 53 Kyselina uhličitá a její deriváty Kyselina kyanatá Kyselina kyanatá je nestálá: +H N C O N N N H HH O OO N N N OH OHHO kyanurová kyselina C O N H n kyamelid Produkty reakce kyseliny kyanaté s nukleofily: H N C O ROH C O O N R H H ester kyseliny karbamové RNH2C O N N R H H H H2O O C O + N H H H Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 46 / 53 Příklad č. 1 Doplňte produkt/y následující reakce: OH O O SOCl2 N H CH3 CH3 H3C CH3 Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 47 / 53 Příklad č. 2 Doplňte produkt/y následující reakce: O O 1. LiAlH4 CH3 2. H2O Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 48 / 53 Příklad č. 3 Doplňte produkt/y následující reakce: H3C O 1. CH3CH2ONa 2. O O CH3 Br 3. H2O / H+ ∆T Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 49 / 53 Příklad č. 4 Napište podrobný mechanismus kysele katalyzované transesterifikace methyl-acetátu ethanolem: H3C O O +CH3 CH3CH2OH H+ (kat.) H3C O O +CH2CH3 CH3OH Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 50 / 53 Příklad č. 5 Doplňte produkt/y následující reakce: Cl O O 1. CH3MgBr (nadbytek)CH3 2. H2O Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 51 / 53 Příklad č. 6 Doplňte produkt/y následující reakce: CH3CH2 Br 2. H2O / H+ 1. NaCN ∆T Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 52 / 53 Příklad č. 7 Doplňte produkt/y následující reakce: 2. 1.LDA (-80 °C) H3C O O CH3 H O O CH3 3. H3O+ Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 9. dubna 2019 53 / 53