Základy organické chemie Jaromír Literák Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 1/44 Nukleofilní alifatická substituce 0©I ..0 —C-X + Nu I ..0 + —C-Nu + X odstupující nukleofil skupina Odstupující skupina je konjugovanou bází silné kyseliny: kyselina ^ Hl C/5 O CD C/5 B co o HBr HCI O m HO-S m O h3o ch< -11 -9 -7 -3 0 konjugovaná báze .0 Br © Cl O O-S m O H20 CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 2/44 Nukleofilní alifatická substituce kyselina H20 CH3CH2OH NH3 14 16 38 konjugovaná báze 0 OH CH3CH2O GNH, .0 Dva základní mechanismy - S|\|2 a S|\|l Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 Bimolekulární nukleofilní substituce SN2 Součinný proces. E R. K. Trajektorie přiblížení nukleofilu - v ose vazby C-X X Nu-O Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 Bimolekulární nukleofilní substituce SN2 Pokud probíhá S|\|2 na centru chirality, dochází k inverzi konfigurace (Waldenův zvrat) v - rychlost reakce k - (bimolekulární) rychlostní konstanta, závisí na reaktivitě substrátu, nukleofilu, rozpouštědle, teplotě... Součin koncentrací c(R-X) • c(Nu~) je přímo úměrný pravděpodobnosti srážek molekul. Rychlostní rovnice - bimolekulární mechanismus dc(R-Nu) ái dc(R-X) ái k- c(R-X) • c(Nu") Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 5/44 Bimolekulární nukleofilní substituce SN2 V tranzitním stavu je atom uhlíku substrátu obklopen substituenty, nukleofilem odstupující skupinou —>► jeho energie (a tím i aktivační energie Ea spolu s rychlostní konstantou) silně závisejí na sterické náročnosti substituentů. H3C- CH3CH2- CH3CH2CH2-H3C CH- HaC R-X + Nu k/k0 1 0,33 0,013 0,0008 0 H20 R-Nu + X 0 CHCH2CH2- HaC H2C—C H CH2- / \ ■CHo- k/k0 0,00000013 1,3 4,0 Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 6/44 Monomolekulární nukleofilní substituce SN1 Mechanismus reakce zahrnuje dva kroky. Meziproduktem S|\| 1 je nestabilní (a reaktivní) karbokation —>* aktivační energie prvního kroku je výrazně vyšší než aktivační energie druhé reakce - první krok je výrazně pomalejší než druhý, stává je krokem určujícím celkovou rychlost reakce. Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 7/44 Monomolekulární nukleofilní substituce SN1 Rychlostní rovnice - monomolekulární mechanismus dc(R-Nu) dc(R-X) , v = —í^--- =--^-- = k • c(R-X) dt dt v J v - rychlost reakce k - (monomolekulární) rychlostní konstanta, závisí na reaktivitě substrátu, rozpouštědle, teplotě... Reakční rychlost S|\|l nezávisí na koncentraci ani kvalitě nukleofilu. Velkou roli ale hraje stabilita karbokationtu. Ea2 > Eai r. k. Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 8/44 Monomolekulární nukleofilní substituce SN1 Elektrondonorní substituenty (1+ a/nebo M+ efekt) stabilizují sextetový atom uhlíku. Obecné pořadí stability karbokationtů: r ft©" h © h3c < methylkation © r-ch2 primární alkylkation sekundární a||y|kation alkylkation © h2c-oh hydroxymethylový kation r r4^r terciární alkylkation benzylkation Pokud probíhá S|\|l na centru chirality, dochází k racemizaci (někdy nemusí být úplná - efekt iontového páru s X~). prázdný p orbital Ri Ri A"R? + Rp^Nu Nu" *Dn2 Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 9/44 Monomolekulární nukleofilní substituce SN1 Karbokationty mohou v průběhu S|\|l podléhat přesmyku (Br ch3 h3c f\ ch3 H3C CH3 Br ch3 H3C"^^CH3 H3C CH3 sekundární karbokation hhC CH3 CH3 .;.0 ch3 Nu ó terciární karbokation H3C /\ CH3 h3c Nu Podmínkou je, aby z méně stabilního kationtu vznikal karbokation stabilnější (sekundární —> terciární). Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 10/44 SN2 versus SN1 O tom, zda substrát reaguje mechanismem S|\|2 nebo S|\|l rozhoduje řada faktorů. Některé substráty mohou reagovat současně oběma mechanismy, jeden může převládnout v závislosti na povaze nukleofilu nebo podmínkách. 1. Struktura substrátu SN2 O) _o CD O co CD i_ H—i C/3 _o O >^ DC O H H-C-Br H O H3C H-C-Br H O O H3C H3C H-C-Br H3C-C-Br H,C D) _o CD O JXL CO CD i_ H—i c/5 _o -Ľ o >^ DC H H-C-Br / H SN1 H3C H-C-Br H H3C H-C-H3C H3C Br H3C-C-Br H3C methyl 1° 2° 3° methyl 1° 2° 3° Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 11 /44 SN2 versus SN1 Hraniční substráty - sekundární alkyl, benzyl, allyl, alkoxymethyl. x H3C CH3 sekundární substrát X allylový substrát 0~cH2_x benzylový substrát r* .0. .X alkoxymethylový derivát Pouze Sn2 - fenacyl fenacylový substrát o R^\^X r = alkyl, aryl, or Pouze S|\|l - terciární alkyl CH< HaC- -X CH3 terciární substrát Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 12/44 SN2 versus SN1 2. Kvalita nukleofilu Nukleofilita - měřena jako rychlostní konstanta reakce S|\|2 se standardním substrátem (např. CHsBr). Kinetická charakteristika. R-X + Nu0 .A » R-Nu + X° H2O Rychlost S|\|l na koncentraci nukleofilu nebo jeho kvalitě nezávisí. Rychlost S|\|2 je na koncentraci nukleofilu nebo jeho kvalitě silně závislá —>► u hraničních substrátů může dojít k tak výraznému snížení rychlosti S|\|2, že reakce S|\|l se může stát rychlejší. dobré nukleofily slabé nukleofily HS® HO® F® H2S RO° H20 c,0 RSH e HCEC ROH Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 13/44 SN2 versus SN1 3. Vliv rozpouštědla Polární protická rozpouštědla obsahují atom vodíku na elektronegativním atomu (0, N...) Polární aprotická rozpouštědla neobsahují atom vodíku na elektronegativním atomu. polární protické solventy H20 CH3OH h3c-COOH NH3 O h3c ch3 aceton polární aprotické solventy h3c-CEN O h3c ch3 H O CH3 dimethylsulfoxid acetonitril (DMSO) hhC Q chh N-P-N ' 1 ^ HqC ^ f\| ^ ch3 h3c ch3 N, N-ó i m et hy I af o r m am id (DMF) hexamethylfosforamid (HMPA) Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 14/44 SN2 versus SN1 Polární aprotická solvatují dobře kation, hůře anion (nukleofil) —>* menší solvatační zábrana S|\|2. o o Polární protická solvatují dobře kation i anion (nukleofil) —>* větší solvatační zábrana nukleofilní substituci. h3c h Ox \ O ďCH3 h h3c^d ch3 ?H3^\h' n h3cttah U Af^3 h'?VV'H h3c^hHV yh^ch3 H3C P o ch3CH3 h3c ch3 Polární protická rozpouštědla urychlují S|\|l, protože solvatují oba ionty, které vznikají jako meziprodukty. Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 15/44 Shrnutí Optimální podmínky pro průběh nukleofilní substituce monomolekulárním nebo bimolekulárním mechanismem. SN2 SN1 Substrát CH3- nebo 1° 3° Nukleofil Dobrý Nezáleží Odstupující skupina Dobrá Výborná Rozpouštědlo Polární aprotické Polární protické Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 16/44 Nukleofilní substituce u alkoholů ••© (>• AT Q" :Br: h3Clqh---- h3C-Br +:oh Hydroxylová skupina je špatná odstupující skupina - 0H~ je konjugovanou bází od slabé kyseliny H20. Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 17/44 Nukleofilní substituce u alkoholů 0 :Br: H3C-QH AT 0.. H3C-Br + :OH Hydroxylová skupina je špatná odstupující skupina - OH je konjugovanou bází od slabé kyseliny H2O. :Br: 0.. Br + :OH Protonovaná -OH skupina však odstupuje jako H2O, konjugovaná báze silné kyseliny HsO+ - dobrá odstupující skupina. H3C-OH 0.. :Br:- ©H H3c^p: H SN2 H3C-Br: + H.Q.H Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 17/44 Nukleofilní substituce u alkoholů ch3 H3c-c-QH ch< 0.. :ci: 0« hlci: CH3H 1 / HqC-Ci— CH3 H SN1 h ch: H HqC © CH- ?H3. h3c-c-ci: i •• CH3 Podobnou reakci pozorujeme u etherů: 0.. H3C^O^CH3 :j; h-- h3c^q^ch3^~ h3c^ + h'^ch3 I H Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 18/44 Nukleofilní substituce u alkoholů Jiný způsob aktivace -OH skupiny k odstoupení je převedení alkoholu na ester silné kyseliny: dobrá odstupující skupina O O CH3CH2OH + Cl-S—^ h— CH3 O pyridin (- HCI) CH3CH2-0-S—d h— CH3 O O CH3CH2-0-S—(v h— CH3 + NaCN O DMSO SN2 O © 0 ii CH3CH2CN + Na O-S O CH< Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 19/44 Nukleofilní substituce u alkoholů K převedení alkoholu na halogenderivát lze užít HX nebo halogenidy anorganických kyselin: CH3CH2OH + HCI ZnC| » CH3CH2CI + H20 3H3C^^QH + pBr3 CH3 H,C. - 3 " '^^Br + H3PO3 CH3 + SOCh + S02 + HCI Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 20/44 Nukleofilní substituce u alkoholů Mechanismus zahrnuje aktivaci -OH skupiny a nukleofilní substituci. Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 21 /44 Syntetické využití nukleofilní substituce R-X R'COONa .0 1-► NaCN NaSH NaOH - NaOR' NaX R'—^ ester 0-R *- R-C=N nitril R-SH thiol R-OH alkohol ^ R-O-R' ether (X = CI, Br, I) - R-X alkylhalogenid Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 22/44 Methylace v živých organismech © NH3 0 ooc 0 1 1 0 1 1 0 1 1 11 P-0 1 1 -P-0 1 1 -p- ó0 Ô0 N N OH OH NH2 N N 0 1 1 0 1 1 0 1 1 11 P-0 1 1 -P-0 1 1 -p- ó0 ó0 0 ooc J^H3 © 6 OH OH S-adenosylmethionin (SAM) OH OH H noradrenalin adrenalin Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 23/44 Doplňte atomům v molekulách volné elektronové páry. Doplňte zahnuté šipky popisující pohyb elektronových párů tak, aby odpovídaly mechanismu nukleofilní substituce. H@ H NH3 + CH3CH2-Br -► CH3CH2-N-H - ^ CH3CH2-N H © H Br H-Br Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 24/44 Doplňte atomům v molekulách volné elektronové páry. Doplňte zahnuté šipky popisující pohyb elektronových párů tak, aby odpovídaly mechanismu nukleofilní substituce. H@ H NH3 + CH3CH2-Br -► CH3CH2-N-H - ^ CH3CH2-N H © H Br H-Br Rešení: ^---^ % H ŇH3 + CH3CH2rBr: -► CH3CH2-d\l-H - ~^ CH3CH2-N: H k© H H-Br: Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 24/44 2 Doplňte atomům v molekulách volné elektronové páry. Doplňte zahnuté šipky popisující pohyb elektronových párů tak, aby odpovídaly mechanismu nukleofilní substituce. .ch2-ci © ,CH2 Cl O' I H © H ©H ,CH2-0 H Cl ,© ,CH2-OH H-CI Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 25/44 Doplňte atomům v molekulách volné elektronové páry. Doplňte zahnuté šipky popisující pohyb elektronových párů tak, aby odpovídaly mechanismu nukleofilní substituce. .ch2-ci © ,CH2 Cl O' I H © H ©H ,CH2-0 H Cl ,© ,CH2-OH H-CI Rešení: ,CH2LCl: .CH2 j.. H 1 H ©,H ,CH2-OS5 ŕ i.Q :Cl: ,CH2-ÔH H-Cl: Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 25/44 Doplňte produkt reakce a určete, jakým mechanismem reakce probíhá CH3CH2-O0 K0 + CH3CH2-I — SN? Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 26/44 Doplňte produkt reakce a určete, jakým mechanismem reakce probíhá CH3CH2-O0 K® + CH3CH2-I SN? Řešení: CH3CH2-O0 K@ + CH3CH2-I SN2 CH3CH2-O-CH2CH3 + Kl Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 26/44 Příklad Doplňte produkt reakce a určete, jakým mechanismem reakce probíhá CH3 Cl + HoO SN? Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 27/44 Příklad Doplňte produkt reakce a určete, jakým mechanismem reakce probíhá CH3 Cl + HoO SN? Řešení: ,ch3 (XI: + H2a SN1 :Ci: H © ..0 :Ci: + CH3 HCi: Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 27/44 Příklad č. 5 Doplňte produkt reakce a určete, jakým mechanismem reakce probíhá .0.. © H,C'°^CI + H3C-S" Na SN? Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 28/44 Příklad č. 5 Doplňte produkt reakce a určete, jakým mechanismem reakce probíhá .0.. © H,C'°^CI + H3C-S" Na SN? Řešení: H,C'0^CI + H3C-S" Na SN2 * H3C'0^SvCH3 + NaCI Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 28/44 Příklad č. 6 Doplňte produkt reakce a určete, jakým mechanismem reakce probíhá O © O Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 29/44 Příklad č. 6 Doplňte produkt reakce a určete, jakým mechanismem reakce probíhá. O © O Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 29/44 Eliminace - příprava alkenů Cl H-C-CI i Cl báze , :c7 -HCI Cl 1,1-eliminace (a-eliminace) Cl (dichlorkarben) H Cl , H H _/ _baze „ \=/ ^ H -HCI H^H 1,2-eliminace ((3-eliminace) H' Br báze - HBr 1,4-eliminace (5-eliminace) Eliminace HX, odstupující skupina má stejné vlastnosti jako v nukleofilníc substitucích. 1,2-Eliminační reakcí vznikají nenasycené uhlovodíky - alkeny (alkyny... Obvykle stabilita alkenu roste s počtem elektrondonorních substituentů (alkylů) na dvojné vazbě. Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 Eliminace - příprava alkenů Stabilita alkenů - ukazatelem může být hydrogenační teplo. Stabilita cis- a rrans-isomerů alkenů - také spalné teplo: H3C^^\CH + 6 Q2 -4 H20 + 4 C02 AH° = -2682 kJ mol"1 3 r^CH3 I + 6 02 -^ 4 H20 + 4 C02 AH° = -2686 kJ mol"1 Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 31 /44 Eliminace - příprava alkenů Základní mechanismy 1,2-eliminace: E1 H / / Lx pomalu H -X 0 rychle BH E2 * Lx pomalu -BH E1cB / Y rychle X BH Cx pomalu -X .0 Báze může být současně nukleofilem - nukleofilní substituce a eliminace jsou často konkurenčními reakcemi. Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 32/44 Eliminace - příprava alkenů Bazicita versus nukleofilita Nukleofilita - rychlostní konstanta v S|\|2 se standardním substrátem kinetická charakteristika. Bazicita - pozice acidobazické rovnováhy vyjádřená pomocí pKa - termodynamická charakteristika. Obecně neexistuje korelace mezi bazicitou a nukleofilitou. CIO® H20 .0 H3C-C -O HO 0 R-X + Nu0 pKa k/k0 -10 0,0 0,0 1 +4,8 900 +10 2.000 +14,0 12.000 H20 R-Nu + X 0 V / k/k0 I0 -10 120.000 -9 5.000 cP -7 1.100 F0 +3 0,0 -o0 +10 2.000 -s0 +6,4 50.000.000 Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 33/44 Eliminace - příprava alkenů Bazicita versus nukleofilita Pro stejný nukleofilní atom roste nukleofilita s rostoucí bazicitou (rostoucí hodnotou pKa konjugované kyseliny). Ve skupině roste nukleofilita s velikostí atomu (protonovým číslem). Pouze nukleofil Pouze báze 0 Cl 0SH H2S Br® RS® RSH ,S NaH (zdroj l-T) DBN DBU N ^ N Silná báze silný nukleofil 0. OH H,C © CHoO H3C^-0 H3C .© _0 CH3CH20 Slabá báze slabý nukleofil H20 CH3OH CH3CH2OH DBN - 1,5-diazabicyklo[4.3.0]non-5-en DBU - 1,8-diazabicyklo[5.4.0]undec-7-en Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 34/44 Bimolekulární eliminace E2 Kinetická rovnice: v = k> c(B) • c(RX) Rozdílné sterické nároky E2 a Sn2: bez reakce H H H Br H H H H H Br H CH3 roste reaktivita v E2 H H H Br H3C CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 35/44 Bimolekulární eliminace E2 Regioselektivita E2 - u mechanismu E2 lze ovlivnit volbou báze: H,C- CH3 CH, Br báze 0 CH3CH20 H3C @ H3C-)-0 H3C CH3CH2 CH3CH2-)—O CH3CH2 0 H3C H3C CH3 >=\ + 3w 3 H3C CH3 71 % 28% 8% 29% 72% 92% Malá báze - eliminace podle Zajcevova pravidla, hlavním produktem je více substituovaný alken. Stericky náročná báze - eliminace podle Hofmannova pravidla, hlavním produktem je méně substituovaný alken. Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 36/44 Bimolekulární eliminace E2 Stereoselektivita E2 - hlavním produktem je rrans-alken: CH3 H3C-^Y^CH3 báZe » HsC^^^^CHs + H2C^^ Br majoritní minoritní Eliminace E2 také vyžaduje antiperiplanární uspořádání H a X v tranzitním stavu —>> stereospecificita reakce. Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 37/44 Bimolekulární eliminace E2 Antiperiplanární uspořádání H a X v tranzitním stavu E2 H X Výsledek antiperiplanárního uspořádání H a X v tranzitním stavu E2: Cl ,CH- báze -HCI H hlavní produkt Cl Cl HqC H 3^ H H báze , H E2 CH3 antiperiplanární orientace H a Cl Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 38/44 Monomolekulární eliminace El Kinetická rovnice: v = k> c(RX) Závislost reaktivity v El na struktuře substrátu: H H H Br H H H H H Br H CH3 H H H Br H3C CH3 roste reaktivita v E1 R. Karbokation může podlehnout přesmyku: C? r CH, H3C CH3 H3C CH3 Jaromír Literák Br E1 © CH3 ©i H3C \y\ CH3 H3C CH3 sekundárni karbokation CHq CH-: terciární karbokation Základy organické chemie 24. března 2021 Monomolekulární eliminace El Regioselektivitu El nelze ovlivnit volbou báze - pravidelně převažuje produkt eliminace podle Zajcevova pravidla. HqC- CH3 CH3 H2SO, H 80 °C hhC CH3 Chi © -H20 H2C CH3 ©M-h H3C H H -H © H3C CH3 H3C CH3 H3C + 90% 10% Stereoselektivita El - hlavním produktem je rrans-alken: H3C CH3 OH H2SO, AT hhC CH3 75% 25% Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 40/44 Monomolekulární eliminace El Kysele katalyzovaná dehydratace spojená s přes m y ke m: h3c ch3 © h3c-W —tL- h3c oh - H2° h3c ch3 h3c >=< ♦ ) h3c ch3 64% ch3 < ♦ ch3 h3c h3c^-h3c 33% 3% Nukleofilní substituce versus eliminace ch3CH2Br H20 bez pozorovatelné reakce h3c ~ \ h20 ■ J-\ - \ h3c-)—Br---*- >^ch3 + h3c-)—oh h3c E1 a Sn1 " h3c HqC HqC H3C H3C-)—Br HqC CH3ONa H3C\ Pro dobrý nukleofil a dobrou bázi CD O co CD i_ H—i C/3 _o O >^ DC o o o o h3c H-c-Br H H3c H3c H-c-Br H3c-c-Br H3c H3c Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 41 /44 Příklad č. 7 Následující kysele katalyzovaná eliminace vody probíhá mechanismem Napište mechanismus reakce. Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 42/44 Příklad č. 7 Následující kysele katalyzovaná eliminace vody probíhá mechanismem El. Napište mechanismus reakce. Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 42/44 Příklad č. 8 Napište produkt následující eliminace HBr. CH3ONa ^ CH3 Ě2 Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 Příklad č. 8 Napište produkt následující eliminace HBr. hlavní produkt Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 43/44 Příklad č. 9 Navrhněte, kterou bázi by bylo možno použít k provedení následující reakce. Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 44/44 Příklad č. 9 Navrhněte, kterou bázi by bylo možno použít k provedení následující reakce. Jaromír Literák Základy organické chemie 24. března 2021 44/44