Studijní materiál ke psaní mechanismů organických reakcí
Mechanismus chemické reakce je sled elementárních chemických reakcí, ze kterých se skládá
chemická přeměna výchozích látek na produkty. Důležitým rysem organických reakcí je, že
jsou sledem relativně malého počtu jednoduchých reakčních kroků a teprve jejich kombinace
dává vzniknout celé škále organických reakcí. Mechanismus chemické reakce musí být potvrzen
experimentálně, nelze jej vytvořit na papíře.
Dominantní část organických reakcí probíhá polárním mechanismem. Můžeme si představit,
že zahrnují pohyb elektronové hustoty z místa jejího přebytku do místa s elektronovým
zředěním. Jedná se o zjednodušení, které však velmi dobře funguje.
Molekula nebo atom, který je zdrojem elektronů, se nazývá nukleofil, molekula nebo
atom, který vykazuje nedostatek elektronové hustoty, se nazývá elektrofil. Reagující části
molekul a způsob jejich interakce můžeme proto často odhadnout z rozložení elektronové
hustoty v molekule. Nukleofil nemusí nést pouze nevazebný elektronový pár, zdrojem elektronového
páru může být také π nebo σ vazba. Elektrofil nese prázdný orbital.
N H
H
H
E E
HH
H H
CH3
Li
E
K popisu vazebných změn se v současné literatuře používá formalismus, zavedený Robinsonem,
kdy se zahnutou šipkou popisuje posun elektronové hustoty.
Doporučení pro psaní mechanismů organických reakcí
1. V zápisu mechanismů se setkáváme s šipkami, které nesmíme zaměňovat
Reakční šipka, přechod od reaktantů k produktům.
Rovnovážná šipka, označení zvratné reakce.
Šipka oddělující rezonanční struktury.
Šipka označující výchozí látku(y) při retrosyntetické analýze – nalevo od
šipky je cílová molekula a napravo jsou výchozí látky, které jedním nebo
více reakčními kroky můžeme přeměnit na cílovou molekulu.
2. Pohyb elektronů v zápise mechanismu označujeme pomocí zahnutých šipek
pohyb elektronového páru
pohyb jednoho elektronu
Tyto šipky používáme pouze k označení pohybu elektronů, nesmíme je použít ke znázornění
pohybu atomů!
H
CH
H
H
C H
H
H
C C
H
H
H
H
H
H
OH3C CH3
CH3 CH3
H
OH3C CH3
CH3 CH3
OH3C CH3
CH3 CH3
H
CH
H
H
C H
H
H
1
Značky, ze kterých není patrný pohyb elektronů při reakci, se snažte nahrazovat zahnutými
šipkami
H3C O
H
H
H3C O
H
H
H3C O
H
H
3. Změnu velikosti formálního náboje během reakce, kdy na atomu dochází k vazebným
změnám, lze odvodit ze směru pohybu elektronového páru/elektronu:
H3C C
CH3
CH3
Br
N
H
HH
H
H N
H
H
H
B
F
F
F
O
CH2
CH3
BF
F
F
O
CH3
CH3
H3C C
CH3
CH3
Br
4. Pokud známe mechanismus reakce, strukturu produktu jednoduše odvodíme provedením
vazebných změn znázorněných zahnutými šipkami. Mechanismus každé reakce je spojen
s určitými charakteristickými „vzory posunů elektronových párů a elektronů.
Jako příklad si můžeme uvést nukleofilní substituci probíhající mechanismem SN2. Atom
bromu vázaný k sp3 hybridizovanému atomu uhlíku, který není stericky stíněný, je ideální
odstupující skupinou v bimolekulární nukleofilní substituci. Nukleofilem je zde hydroxidový
anion. Schéma ukazuje posuny elektronových párů spojené s tímto mechanismem.
H3C BrH O H O CH3 + Br
Stejným mechanismem reaguje fenoxidový anion (nukleofil) s fenacylbromidem. Aplikujeme
stejný vzor posunů elektronových párů, všechny ostatní vazby zůstávají nedotčeny.
Provedením změn odvodíme strukturu produktů.
O
Br
O
O
O
+ Br
Jako SN2 probíhá i následující intramolekulární nukleofilní substituce. Logika vede
k tomu, že vzniká šestičlenný heterocyklus a že dochází k zachování konfigurace na
centru chirality (vazba mezi kyslíkem a uhlíkem nezaniká).
CH3
O
Cl
O
+
H3C
Cl
2
Následující pasáž obsahuje specifičtější rady vztahující se k různým typům reakcí. Jsou
proto vhodným doplňkem k pozdějšímu studiu organické chemie, kdy budou probírány
konkrétní reakce.
5. Při psaní mechanismů zvratných reakcí můžeme využít principu mikroskopické reverzibility
– zvratná reakce probíhá přes naprosto stejné meziprodukty a stejné jsou i vazebné
změny, jen se obrací jejich pořadí a opačný je také směr pohybu elektronové hustoty.
Přímá reakce:
H3C C
CH3
CH3
Br H3C C
CH3
CH3
Br
O
H
H
H3C C
CH3
CH3
O
H
H
Br
H3C C
CH3
CH3
O
H
H Br
+H2O
Zpětná reakce:
H3C C
CH3
CH3
O
H
H Br
H3C C
CH3
CH3
O
H
H
Br
H3C C
CH3
CH3
Br
O
H
H
−H2O
H3C C
CH3
CH3
Br
6. U prvků druhé periody nesmí být překročen elektronový oktet! Pokud během reakce
hrozí překročení elektronového oktetu na tomto atomu, musí současně některá z vazeb
vycházejících z tohoto atomu zaniknout.
H3C Cl
NH
H
H
NH CH3
H
H
Cl
7. V každém kroku chemické reakce dochází k zachování celkového náboje.
Ph
P
Ph
Ph
+ CH3I Ph P
Ph
CH3
Ph I
Ph
P
Ph
Ph
+ CH3I Ph P
Ph
CH3
Ph I
8. Kladně nabitý atom nemusí být vždy elektrofilem.
O
H3C
H3C
CH3
Nu
O
H3C
H3C CH3
Nu
O
H3C
H3C
CH3Nu Nu
CH3
CH3
O CH3
3
9. Mechanismus reakce probíhající v silně kyselém prostředí nemůže zahrnovat silně bazický
meziprodukt. Pokud v reakční směsi nenajdeme vhodný pár elektrofilu a nukleofilu,
který by vyhovoval, je vhodné protonovat bazický atom v elektrofilu.
H H
O
H
O
CH3
H
H H
O
O
CH3H
Silná báze
pKb ~ –1
H H
O
H
H H
O
H
O
H
HH
O
H CH3
H
O
CH3
10. Podobně reakce probíhající v silně zásaditém prostředí nemůže probíhat přes silně kyselé
meziprodukty. Pokud v reakční směsi nenajdeme vhodný pár elektrofilu a nukleofilu,
který by vyhovoval, je vhodné deprotonovat elektronegativní atom v nukleofilu.
H H
O
Silná kyselina
pKa ~ –1
OH
CH3OH + OH CH3O + H2O
H
O
CH3
H H
O
O
CH3H
H H
O
O
CH3
H H
O
O
CH3
11. Je vhodné, alespoň do získání určité zběhlosti, kreslit reakční mechanismy po elementárních
krocích. Přestože je to pracnější, lépe to umožní vyhnout se chybám a v neposlední
řadě také pochopit průběh reakce.
H3C
O
Cl
O
CH3
H3C
O
O
Cl
CH3
H3C
O
O
CH3 + Cl
H3C
O
Cl
O
CH3
H3C
O
O
CH3 + Cl
4
12. I minoritně zastoupený meziprodukt v rovnováze s výchozí látkou může poskytnout
hlavní produkt reakce. Podmínkou je, aby jedna z následných reakcí byla nevratná,
nebo aby byl produkt vysoce stabilní a jeho vznik by byl preferován termodynamicky.
Například aldolová kondenzace acetonu s benzaldehydem za bazické katalýzy zahrnuje
acidobazickou rovnováhu acetonu s jeho enolátem, kdy je rovnováha posunuta ve prospěch
acetonu. Jedna z následných reakcí enolátu je však nevratná a přispívá tak k neustálému
posouvání rovnováhy a odčerpávání acetonu z reakční směsi.
H3C CH3
O
H3C CH2
O
+ H2O+ OH
H3C CH3
O
+ O
H
NaOH (kat.) H3C
O
+ H2O
pKa ~ 20 pKa = 14
aldolová kondenzace
s benzaldehydem
13. Rezonanční (mezomerní) struktury ukazují rozložení elektronové hustoty v konjugovaných
π systémech. Je rozumné při odvozování rezonančních struktur začít pohybem
elektronového páru dvojné vazby k elektronegativnímu atomu nebo pohybem elektronového
páru od donorního atomu. Při odvozování rezonančních struktur se snažíme
postupovat po krocích, vyhýbáme se složitým přesunům elektronové hustoty.
NH2 NH2 NH2 NH2
C N C N C N C N
Pamatujte, že rezonanční struktury nejsou existujícími formami molekuly, jedná se pouze
imaginární vzorce odvozené polarizací elektronové hustoty v konjugovaném π systému.
Ani jedna rezonanční struktura plně nevystihuje rozložení elektronové hustoty
v molekule, o tom vypovídá až jejich kombinace. S výjimkou některých symetrických
molekul také nelze kvantifikovat příspěvek jednotlivých rezonančních struktur k výslednému
hybridu, jejich příspěvek lze jen odhadovat na základě kvalitativních úvah.
5