Základy organické chemie Jaromír Literák Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 1/63 Aminy Aminy můžeme formálně odvodit náhradou jednoho nebo více atomů vodíku v molekule amoniaku za uhlovodíkoví zbytky. h h r r r >h >r >r >r r-n-r x0 r amoniak primární sekundární terciární kvarterní amin amin amin amoniová sul Názvosloví aminů Substituční názvosloví - předpona amino- nebo přípona -amin. Skupinově-funkční názvosloví - názvy uhlovodíkových zbytků + amin. ch3 h"n^ch2ch2ch3 h2n-ch2-ch2-oh methyl(propyl)amin 2-aminoethanol /V-methylpropanamin h2n-ch2ch3 ethanamin ethylamin Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 2/63 Aminy Uplatňuje se i triviální názvy aminů NH< anilin 3-methylanilin m-toluidin HO. HO' dopam Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 Aminy Vliv tvorby vodíkových můstků na teplotu varu: CH3CH2CH3 b.v. = -42 °C CH3CH2NH2 b.v. = 17°C CH3CH2OH b.v. = 78 °C Obecná charakteristika reaktivity aminů: bazicita: R i HcPl: R-N-R i ..0 :ci: nukleofilita: R i R'V^R 1 ... H3C^ci: R-N-R 1 ..0 Chh :P.|: Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 Aminy Bazicita aminů pKa + pKb = 14 Alifatické aminy - kombinace vlivu substituentů a solvatace: nh- ch3ch2nh: (ch3ch2)2nh (ch3ch2)3n ?Kb 4,75 3,4 3,0 3,2 Aromatické aminy jsou výrazně méně bazické následkem konjugace: c//-^ ® nh- ^=nh2 pKi, 9,4 nh; =\ © -► Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 5/63 Aminy Bazicita aminů Vliv substituentů na bazicitu: NHp H3C -O- 8,7 NH2 8,9 efekt substituentů M+, I- 1+ / \ NH2 9,4 NH2 10,0 M+, I- N NH2 12,3 M- I- NH2 13,0 M-, I- Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 Aminy Bazicita pyridinu pKb íf^l NH2 8,7 9,4 Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 7/63 r^i v/ ■ o Príprava aminu Redukce nitrilů H CH3CH2-Br N^C0N * CH3CH2-CEN \L^4* CH3CH2-C-N bN^ 2. H2(J i \_. - NaBr H Nukleofilní substitucí lze připravit nitrily pouze z 1° a 2° halogenderivátů. Redukce amidů P SOCI? P NH3 P 1.LiAIH4 ^ CH3CH2-C -^ CH3CH2-C -^— CH3CH2-C 0 ,, *» CH3CH2-C-NH2 OH Cl NHo ^-N2U H Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 8/63 r^i v/ ■ o Príprava aminu Redukce nitroderivátů O-* —Sž?—- o-*- Zn, Fe, Sn, SnCI2/HCI Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 9/63 r^i v/ ■ o Príprava aminu Alkylace amoniaku/nižších aminů H ©i ) H-N-rhK ..O :Ci: H i N H'"SCH3 primární amin © + NH4 :'Či: Nebezpečí vícenásobné alkylace. H H'^CH3 H •< ©i J NH3 CH3 ..9 :ci: H i N + H3C",VCH3 sekundární amin © ..© NH4 :fii: H i H3C CH3 H3C^£I« NH3 ©1 J H3C-N-tI-K © :Ci: CH3 N + H3C"*"CH3 + terciární amin © ..© NH4 :pj: H i .N. H3C'*j^vCH3 H3C^pi* CH3 ©' H3C-N-CH3 CH3 kvarterní amoniová sul ..© :Ci: Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 r^i v/ ■ o Príprava aminu Primární aminy lze připravit použitím nadbytku amoniaku. NH3 + Br^Y^CHs O nadbytek H2N^CH3 + NH4Br O hlavní produkt Kvarternizace aminů - vyčerpávající alkylace nadbytkem alkylačního činidla. NH3 + Br-CH3 nadbytek CH3 ©' H3C-N-CH3 + 3 NH4Br CH3 Br Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 11/63 r^i v/ ■ o Príprava aminu Redukce azidů 1. LiAiH4 2. H20 / CH3CH2Br + NaN3 _ NaBr> CH3CH2N3 -^-- CH3CH2-N + n< H2/Pd H r-N v/ ■ / / i -o Príprava primárních aminu. Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 12/63 r^i v/ ■ o Príprava aminu Gabrielova reakce Příprava primárních a někdy i sekundárních aminů ö: 1 :n- h ftalimid pKa = 8,3 • • o. :n- CH3 KOH QC o: :n: Qe H20 / H2S04 H3C-Br: - KBr SN2 ,COOH 'COOH kyselina ftalová H :n-ch3 H primární amin o: i :n í ö: :n-ch3 í QE Jaromír Literák NH2NH2 Ä7~ ö: N i H Q: H + :n-ch3 H primární amin Základy organické chemie 16. dubna 2020 r^i v/ ■ o Príprava aminu Reduktivní aminace o © NH3, Hu(kat.)> R-i R2 - H2O 1. NaBH4 2-H2Q , nebo H2/Pt One-pot provedení reduktivní aminace. ■jo NH3i H ,© NaBH3CN H 1 .N. H H Původ selektivity redukce (imin x karbonyl) o NaBH3CN bez reakce NH NaBH3CN bez reakce .NH H © © ,NH2 NaBH3CN Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 r^i v/ ■ o Príprava aminu Reduktivní aminace NH3; H © NaBHqCN H3C H *CH3 primární amin O A RNH2,H © H^N'R H3C NCH3 NaBHqCN H3C H sekundární amin R2NH,H © R~N-R NaBH3CN H3C ^ CH3 terciární amin Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 15/63 Reakce aminů Hofmannovo odbourávání (1851) 9H3 u©/i *x H3C H3C-C-OH frat) ■ C=CH2 + HÄH CH3 H3C CH3 © H3C-C-NH2 H f1?*-) * bez reakce á \ d AT CH3 Aminová skupina -NH2 je špatnou odstupující skupinou. Hofmannovo odbourávání kvarterních amoniových hydroxidů: odstupující skupina ^ ©?H3 CH3 H3C-N-CH3 Q -^ n^~ii + N + u'°-u Y OH E2 H3C OH2 + H3C' CH3 H H H3CXH3 Reakce probíhá jako E2. Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 16/63 Reakce aminů Hofmannovo odbourávání NH< H3C CH' CH3Br ^CH2 ©i č H3C-N-CH3 nadbytek H3C CH3 0 Br Ag2Q H20 - AgBr ©i č H3C-N-CH3 H3C CH- ©. OH ^CH2 ©i č H3C-N-CH3 H^C A_XH3 150 °C, 0. E2 HpC' .CH- + H3C^-CH3 + |_| OH CH3 C'^CW + HÄH 3U UH3 95% 5% Stericky náročná odstupující skupina - Hofmannova reakce vede ke vzniku alkenu s méně substituovanou dvojnou vazbou. Br H3C CH' EtONa 25 °C E2 H2C' ,CH 3 + |_| c^^^c^3 + EtOH + NaBr 25% 75% Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 17/63 Reakce aminů Hofmannovo odbourávání R. K. Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 18/63 Reakce aminů Reakce aminů s kyselinou dusitou 0=Ň-OĚ^ HLCl: ..0 -:CP .. r 0=N-0-H HLCl: .. .. ©/ 0=NrO: H H ..0 :CP Reakcí s kyselinou dusitou dochází k nitrosaci. Sekundární aminy - karcinogenní nitrosaminy. R i R'"VH sekundární amin NaNQ2 HCI nitrosamin R i ) • • •• .s 0=N R * Q -H © R Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 Reakce aminů Reakce aminů s kyselinou dusitou Nitrosaminy CH3 H3CNvNO NO ó tepelně zpracované smažená slanina tabákový kouř maso, ryby, pivo Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 20/63 Reakce aminů Reakce aminů s kyselinou dusitou Primární aminy - diazoniové soli R-NH2 primární amin NaNQ2 HCl 0-5 °C H R-ISt -► R-N=N-0-H • • * • • N=Q_ HCI H20 ..© :Ci: • • • • R-N=N © ..© :Ci: • • R-NE © diazoniová sul Mechanismus: © • • • • 0=N R-ŇH2 ©17 R-N-H N=Q H.S.H R-N: f N=Q y r-$ © - N^)-H H$.H - R-N=N-Ö-H R-N^N^:© H H H R-N=N + :0: H Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 21/63 Reakce aminů Diazoniové soli Diazoniové soli jsou nestabilní, -N2 je velmi dobrou odstupující skupinou REHMEN .© - R + N=N H3C at H3C N2 + )© H3C H3C Stabilizace diazoniových solí konjugací - aryldiazoniové soli jsou omezeně stabilní. NEN - (' \—N=N ©< © Q N=N M- a I- efekt -N2 je silně elektronakceptorní skupinou Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 22/63 Reakce aminů Diazoalkany H2C-*NEN ^-^ H2C=N=N diazomethan Sandmeyerova reakce NH: NaNQ2/HCI 0°C N " X Cl CuX + N; X = CI, Br, I, CN Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 23/63 Reakce aminů Schiemannova reakce .NH; NaNQ2/HCI 0°C N" Cl e NaBF4 N- BF4Q N' BF40 at + N2 + BR Další přeměny diazoniových solí: HoO ,OH at .NH; NaNQ2/HCI 0°C N" Cl © H3P02 .H Kl Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 Reakce aminů Azokopulační reakce Diazoniové soli jsou slabé elektrofily - mohou poskytnout S^Ar s aromáty bohatými na elektronovou hustotu (-OH, O- nebo -NR2). Máslová žluť NH' NaNQ2/HCI 0°C .N " CH3 N CH- Cl 0 SEAr Methyloranž HO3S' NaN02/HCI 0°C HO3S N - CH3 ^CH3 CH3 N Cl 0 CH • NU SEAr N' H03S' Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 25/63 Reakce aminů Prontosil NaNQ2/HCI 0°C HoN SEAr Azobarviva - indikátory, barvení textilií a potravinářská barviva. Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 26/63 Nitrosloučeniny Podražec křovištní Chloramfenikol OH OH chloramfenikol Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 27/63 Nitrosloučeniny Rezonanční struktury -NO2 skupiny: R-N ^-^ R-N Nitro skupina -NO2 má záporný indukční i mezomerní efekt: Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 28/63 Nitrosloučeniny Příprava nitrosloučenin ch4 + hn03 400 °c H3C-NO2 + h20 Aromatické nitroderiváty - SeAt HNO3/H2SO4 no2 HNO3/H2SO4 n02 Významné deriváty: no2 no2 02n' >ch3 n02 .oh 02ist ^ ^n02 Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 29/63 Nitrosloučeniny Závislost produktu redukce nitrosloučenin na pH NH-NH- Zn hydrozobenzen pH<7 Zn pH ~ 7 NHOH A/-fenylhydroxylamin Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 Organokovové sloučeniny Vazba C-M má částečně iontový charakter, reaktivita roste s polaritou vazby. Prvek Li Mg Ti AI Cu Si Sn B C Elektronegativita 0,97 1,2 1,3 1,5 U 1,7 1,7 2,0 2,5 % iontové vazby 43 35 30 22 12 12 11 6 Sloučeniny nepřechodných kovů jsou velice reaktivní, mohou vystupovat jako báze, nukleofily a občas také redukční činidla. Sloučeniny přechodných kovů jsou charakteristické kovalentním charakterem vazby C-M, kov se může vyskytovat ve více oxidačních stavech, mohou fungovat jako katalyzátory nejrůznějších reakcí. Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 31/63 Metody přípravy organokovů Reakce kovu s organickým halogenidem Redukce alkyl-, alkenyl- nebo arylhalogenidů na povrchu kovu. Možné v případě elektropozitivních kovů jako Na, Li, Mg, Zn. Oxidatívni adice: transfer elektronu Li- Li © "Cl •© T Hí Cl0 + Li- " HaC R-X + 2 Li R—Li + LiX R-X + Zn - R-Zn-X R-X + Mg R-Mg-X Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 32/63 Metody přípravy organokovů Transmetalace Vhodná pro přípravu zvláště sloučenin přechodných kovů. Vychází ze snadno připravitelných sloučenin Mg, Li. Hnací silou reakce vznik stabilního halogenidu elektropozitivního kovu (LiX, MgX2): MgCI + CdCI2 rj^Y^CdCI + MgCI2 H3C 2 )— MgBr + ZnBr2 H3C H3C. .Zn XH3 ] Y + 2M9Br2 CH3 CH3 Deprotonace kyselých C-H vazeb R-CEC-H + NaH .<=> © - R-CEC: Na + H2 Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 33/63 Metody přípravy organokovů Deprotonace kyselých C-H vazeb Schůdné jen u dostatečně kyselých atomů vodíku. —C-H I pKa ~50 / =C H -44 =C-H -25 Variantou reakce je orř/70-metalace (lithiace), která dovoluje deprotonovat málo kyselé Csp2-H a Csp3-H vazby díky komplexaci Li blízkými skupinami jako -N(R)2 nebo -OR: H3CV O H3C.0.VLkR o + LiR CH3 + H3C-C-Li CH3 H3C0 í ^1 CH3 H3C -C-H CH3 Li + R-H Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 34/63 Metody přípravy organokovů Výměna lithia za halogen R-Li + R'-X R-X + R'-Li Reakce probíhá pouze v případě, že vzniká slabší báze. + CH3CH2CH2CH2Li > ^ ^ N Br 2 ' N Li + CH3CH2CH2CH2Br Pořadí bazicity: Csp3—Li > Csp2—Li > CSp-Li Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 35/63 Metody přípravy organokovů Organokovy nepřechodných kovů jsou nekompatibilní s určitými funkčními skupinami, se kterými reagují: H —OH —N —SH R .0 j/ o R \ —CEN OR Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 36/63 Grignardova činidla Victor Grignard (1871-1935) Grignard (1900): H3C-I + Mg Et20 H3C-Mg-l j? H3C-Mg-l + R-C H ?'Mgl R-C-CH3 I H .Mgl O R-C-CH3 + H20 H OH R-C-CH3 + MglOH H Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 37/63 Vlastnosti organokovových sloučenin nepřechodných kovů Rovnováha mezi různými organohořečnatými sloučeninami v roztoku, pro stabilitu sloučenin RMgX je důležitá komplexace s ethery nebo terciárními aminy (Lewisova kyselina-Lewisova báze): 2 R-X Mg > 2R-Mg-X « R-Mg-R + MgX2 VR R-Mg-X Organokovy v závislosti na rozpouštědle agregují: 2 R-Mg-CI « R-Mg Mg-R CH3LÍ v Et20 - tetramer C4H9LÍ v hexanu - hexamer v THF - tetramer v THF - tetramer + dimer Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 38/63 Vlastnosti organokovových sloučenin nepřechodných kovů Tyto sloučeniny jsou velice reaktivní, mohou vystupovat jako nukleofily, báze a občas také redukční činidla: H^H R vMgBr .^.MgBr 1 1 1 1 1 1 1 1 R Q>,,^MgBr H^H R hľ^MgBr + R-H BrMg H H R R .x. Mg Br •u 1 1 1 1 1 1 1 1 + H R R Lithné sloučeniny poskytují méně enolizačních a redukčních reakcí než sloučeniny RMgX (Grignardova činidla). Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 39/63 Reakce organokovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce s kyselinami + DpO -^ <\ /)—D + LiOD Reakce s alkylhalogenidy a alkylačními činidly Dochází k nukleofilním substitucím, často mechanismem S|\|2. RLi reagují s alkylačními činidly lépe než RMgX: H3C CH3 )=( + CH3CH2CH2CH2I H Li H3vr H CH2CH2CH2CH3 + Lil CH3 O H3C—^ MgBr + H3CO-S-OCH3 CH3 CH3 hhC O CH3 + H3CO-S-OMgBr O CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 40/63 Reakce organokovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce s aldehydy a ketony Vznikají příslušné alkoholy: i. H3crrH H3C-L\ :0'LÍ H3C- ■H CH3 HoO : < CH3 H3C H CH3 adice enolizace redukce Rozdělení produktů / % Grignardovo činidlo adice enolizace redukce CH3MgX 95 0 0 (CH3)3CMgX 0 35 65 (CH3)3CCH2MgX 0 90 0 Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 42/63 Reakce organokovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce s aldehydy a ketony Terciární alkoholy mohou snadno při zpracování reakční směsi dehydratovat za vzniku alkenu: H ,© 1. CH3Mgl 2. H20 OH -H CH< ^ / "xt \_ V^/ -H2o' Reakce s epoxidy Reakcí vznikají alkoholy: rO' ( R-MgX í JO-MgX HpO R í J R Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 43/63 Reakce organokovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce Grignardových činidel s nitrily r-v • • keton Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 44/63 Reakce organokovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce organokovů s estery a halogenidy karboxylových kyselin O Substituce odstupující skupiny probíhající adičně-eliminačním mechanismem za vzniku ketonu (nebo aldehydu). R-MgX R'- © R -Y o: U R'^R kde Y = alkoxy nebo aryloxy nebo halogen O Adice organokovů na karbonyl za vzniku alkoholátu, který reakcí s H2O uvolní alkohol. R'-VH R-MgX © .. H R'- ■R H20 R- R R R + MgXOH Reakci obvykle nelze zastavit ve stádiu aldehydu nebo ketonu nastavením poměru 1:1, lze je však připravit užitím přebytku esteru nebo halogenidu. Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 45/63 Reakce organokovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce organokovů s oxidem uhličitým Zde se objevuje největší rozdíl v reaktivitě mezi RLi a RMgX. Adice organokovů na CO2 poskytuje sůl karboxylové kyseliny: :q=cÍq: ( H3Cv-MgCI H3C-C, •6-MgCI HCI :0-H H3C-C + C| Mg.c| V případě alkyl- a aryllithia se reakce nezastavuje ve stadiu soli a dochází k adici druhého ekvivalentu organokovů —> keton: h3c-lí CO; Li H3C\ô-Li H3C-C0 O: CH3 1 HpO H3C-C-0: —^ /O: L|/.. O: CH3 H3C-C-0: 1 x .O: H . H -H20 H3C CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 46/63 Reakce organokovových sloučenin přechodných kovů Organokovové sloučeniny přechodných kovů se podobně jako sloučeniny nepřechodných kovů rozkládají vlhkostí a jsou oxidovány kyslíkem. Obvykle se připravují nepřímo transmetalací ze snadno připravitelných organolithných nebo horečnatých sloučenin. EtO ^- 7 Rieke-Zn > VO"2""1 EtO ^- 7 2 H3C-MgBr + CdCI2 H3C-Cd-CH3 + MgBr2 + MgCI2 H3C-MgBr + CdCI2 H3C-Cd-CI + MgBrCI Obecně ale platí, že jsou méně reaktivní - jsou to slabší báze a lepší nukleofily. cui -y^zLi - Lil (CH3Cu)n h3C U * (CH3)2CuLi Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 47/63 Sloučeniny přechodných kovů Gilmanova činidla Organokupráty R2C11LÍ a F^CuMgX lze připravit reakcí Cul nebo CuBr s organohořečnatými nebo organolithnými sloučeninami v poměru 1:2 v etheru nízké teploty Cul H3C-U , -Lil (CH3Cu)n H3C-LÍ (CH3)2CuLi Sloučeniny se svědčily jako dobré nukleofily - jsou málo bazické a měkké nukleofily. Organokupráty jsou schopny substituovat halogeny i na sp2 uhlících C9H13-I + (CH3)2CuLi SN2 -30 °C C9H13-CH3 + Lil + CH3Cu C4H9 + (C4H9)2CuLi C4H9 -30 °C + Lil + (C4H9)Cu C4H9 O H3C^( + (CH3)2CuLi Cl O A H3CXH3 + Lici + CH3Cu Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 48/63 Adice nukleofilů na a,/5-nenasycené karbonylové sloučeniny tvrdé O nukleofily mákké nukleofily ci-r CH CH2 rychlá a často vratná adice, často kinetický produkt adice probíhá pomaleji, je nevratná 1. Bu-MgBr > 2. H20 / H® 1. Bu2CuLi 2. H20 / H HO, H- H Bu Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 49/63 Následující sloučeniny seřaďte podle jejich bazicity: o NH< H3C^ NH- i H NH< 02N Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 50/63 Doplňte výchozí látku a produkt/y následující reakce: NaN3 -NaBr H3C N' H2/Pd -Np Rešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 Doplňte produkt/y následující reakce: HOCH2CH2NH2 + 2 O H^H NaBH3CN H+ Rešení: Jaromír Literák Základy organické chemie 16. dubna 2020 Příklad Máte za úkol připravit reduktivní aminací ethyl(propyl)amin. Jako zdroj dusíku bude sloužit amoniak. Navrhněte karbonylové sloučeniny, které k přípravě budete potřebovat. NH- reduktivní aminace l-l- IH i N.