Základy organické chemie Jaromír Litera k Jaromír Literák Základy organické chemie Adiční reakce nenasycených uhlovodíků Mechanismus elektrofilní adice, také probíhají radikálové adice. A B + A-B Adice je obvykle exotermní - a vazby mají vyšší disociační energii než tv vazba. Při reakci však klesá entropie —>* za zvýšení teploty je výhodnější eliminace. A G = AH - TAS nízká teplota adice + A-B A B ^vysoká teplota/ eliminace Jaromír Literák Základy organické chemie Adice halogenvodíků H3C /H H CH3 h3c h :ci: H CH3 e H3C h ci: -» H CH3 1869 - Vladimír Markovnikov zkoumal adice HBr na nesymetricky substituované alkeny. H )={ + H-Br CH3 H3C H3CA Br H CH3 Atom vodíku se váže do vinylové pozice, ve které je více atomů vodíku. Jaromír Literák Základy organické chemie Podstata Markovnikovova pravidla R. K. Novější znění pravidla: při iontové adici reakce probíhá přes stabilnější karbokation. stabilizace karbokationtu konjugací Jaromír Literák Základy organické chemie Adice halogenvodíků Karbokation vznikající při adici může podlehnout přesmyku. CH3 CH3 H CH3 H 40 % 60 % V přítomnosti látek schopných iniciovat radikálovou reakci, může adice HBr probíhat s opačnou regioselektivitou. H3C lir, H Br H3C R00R CH, H Iniciátorem mohou být organické peroxidy vznikající autooxidací uhlovodíků. Jaromír Literák Základy organické chemie Adice halogenvodíků Mechanismus radikálové adice HBr na alken iniciace: -- 2 RO* RO^OR R0-O/H^Br ROH + Br propagace: •Br H3C H3C H3C Br 7 H3C Br H3C H3C Br y + Br terminace: zánik radikálu Reakce probíhá radikálovým řetězovým mechanismem, má tři fáze: • Iniciace 9 Propagace • Terminace Jaromír Literák Základy organické chemie Adice halogenvodíků Adice halogenvodíků na alkyny Obecně pomalejší reakce než s alkeny. Reakce může probíhat více mechanismy. S vinylickým karbokationtem jako meziproduktem. R-CEC-H-- ^C=C-- C= R H R Termolekulárním mechanismem Jaromír Literák Základy organické chemie Adice halogenvodíků Adice halogenvodíků na alkyny Adice respektuje Markovnikovovo pravidlo. stabilizace karbokationtu konjugací Jaromír Literák Základy organické chemie Hydratace alkenů a alkynů Kysele kata lyžovaná adice vody. Reakce respektuje M a r kov n i kovovo pravidlo. HoC H2S04 OH H >=ch2 + h2o > h3c- l_l q7 katalyzátor fH CHoH Mechanismus reakce: H H3C / H H3C CH3 H3C ) H H3C CH3 H3C-^fH -@ CH3 CH3 - H relativní rychlost kysele katalyzované hydratace H2C—CH2 /—CH2 H3C )=CH2 1 106 10 11 R. K. Jaromír Literák Základy organické chemie Hydratace alkenů a alkynů Podobně lze adovat na alkeny i jiné kyslíkaté nukleofily - alkoholy, karboxylové kyseliny. H3C u on CH3 >=CH2 + CH3OH "f ' / H3C--OCH3 H3C (katalyzátor) ^3 Karbokation může podlehnout přesmyku. H H Jaromír Literák Základy organické chemie Hydratace alkenů a alkynů Oxymerkurace-demerkurace Alternativa ke kysele katalyzované hydrataci OH HoO Hg(CH3C00)2 oxymerkurace H,C Hg-o^ CH, O OH NaBH4 k H3C CH3 demerkurace Mechanismus: Hg(CH3COO)2 © 0 Hg(CH3COO) + CH3COď © H3C ( H3C CH3 Hg'VCH3 Q: :o -A :o ch3 H3C.=< • H H CH3CH£QH2CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie Katalytická hydrogenace alkenů a alkynů Redukci alkynu na trans-a\ken lze uskutečnit alkalickým kovem rozpuštěným v kapalném amoniaku (b.v. = — 33°C). H3C H H3c^E^CH3 Na > >=< NH3(I) ^ Mechanismus: Jaromír Literák Základy organické chemie Katalytická hydrogenace alkenů a alkynů Homogenní katalyzátory pro hydrogenaci alkenů Ph3P\ /Cl Rh Wilkinsonuv katalyzátor Ph,p' >Ph3 >=< Ri Rp Hí Wilkinsonuv katalyzátor H3C CH3 H3C CH3 M + ''' ! R-i R2 R-i R2 Substantia nigra L-DOPA Jaromír Literák Základy organické chemie Katalytická hydrogenace alkenů a alkynů Jaromír Literák Základy organické chemie Adice halogenů na alkeny a alkyny Dobře se adují CI2 a B^, reakce s F2 je bouřlivá, adice I2 je energeticky nevýhodná. + Br2 Jedná se o anti-ad\č\ 3r "Br + IBr: :Br: H )=< H H ..© r:Br: IBr: * :Br: ÍBrí * H3C. H3C Br2 Br*,, .CH3 Br^^CH3 A + X Br^ XH3 Br*N CH3 chirální 2,3-dibrombutan H,C, Br2 H,C. ..Br *CH3 Br^ XH- Br^ XH, Br CH-: meso-2,3-dibrombutan Jaromír Literák Základy organické chemie Adice halogenů na alkeny a alkyny R-CEC-R Br2 nadbytek R Br Br Br Br R Jaromír Literák Základy organické chemie Adice halogenů na alkeny a alkyny Reakce s halogenem v nukleofilním rozpouštědle (voda, alkohol, kyselina octová). Br2 H20 pH>7 ...0 :Br: .*Br: + enantiomer rQ-H Jedná se o anŕ/'-adici probíhající podle Markovnikovova pravidla >= H20 NaHC03 ©.v. h3c. Ol; H3c ) HaC- CH3Í1: :o-h " H Reakci s halogenem ve vodě za nízké teploty lze považovat za adici HCIO X2 + H20 —> HCI + HCIO Jaromír Literák Základy organické chemie Adice halogenů na alkeny a alkyny Analogie mezi adicí HXO a oxymerkurací: o X 9 CH3 ..© h3C CH9 h3C Cf h3C J.e h3C ^Q Nu Nu Jaromír Literák Základy organické chemie Epoxidace alkenů Reakcí alkenů s peroxokyselinami vznikají epoxidy. Jedná se o sy/i-adici. CH3COOOH - CH3COOH 1 Často používané p e roxo kyseliny: o H3C^ O-OH kyselina peroxooctová kyselina m-chlorperoxobenzoová (MCPBA) Mechanismus reakce: H3C ^vCH2 :o: 11 h'^ R-CEC: Na nebo pKa = 25 NaH Acetylidový aniont může sloužit jako nukleofil, lze jej alkylovat primárními nebo methyl-deriváty. r-CECI^T^CrBr: * r-cec-ch3 ó L^* - NaBr ó Na Užití reakce: H-CEC-H 1-N°"H2 , H-CEC-CH2CH3 \ ■ H3C-CEC-CH2 2. CH3CH2I 2. CH3I J 1 Jaromír Literák Základy organické chemie Alkylace terminálních alkynů Feromon samičky bekyně velkohlavé (Lymantria dispar) H3C NaNH2 > f -Br H-CEC-H -NH, fí\ HoC HoC -NaBr HoC CEC-H H3C 1. NaNH2 ó \ 2. c10H21Br |_|3q 'C = C —Ci nH 10n21 Lindlarŕjv kat. HoC C10H21 H H CH- H3C^ O-OH O CHoCOOH HoC H b H Jaromír Literák Základy organické chemie Souhrn H3C 1. BH3;2. H202/OH- syn adice, probíhá jako \-\3q^ anti-Markovnikovova H OH adice H20 H2 / Pt, Ni nebo Pd syn adice H3crri H H HX (X=halogen, OSOgH) Markovnikovova H3C adice HBr, ROOR anti-Markovnikovova H3C adice H30+, H20 Br Markovnikovova adice X2 (X=CI, Br) anti adice X2 / H20 H3C H3C' ÓH H X X anti adice, probíhá jako H q Markovnikovova adice HO X KMn04 nebo Os04 syn adice RCOOOH H3C"fi HO OH syn adice 1.RCOOOH; 2. OH" H3C< trans-dihydroxylace H3C 1. 03; 2. Zn / H20 HO OH O O o H2 / Pt, Ni nebo Pd H R syn adice —► H2 / Ni2B, nebo Lindlar syn adice Li / NH3(I) anti adice H2 1 ekv. X2 E anti adice 2 ekv. X2 1 ekv. HX anti adice, probíhá jako Markovnikovova adice 2 ekv. HX Markovnikovova adice H20, Hg2+, H+ Markovnikovova adice KMn04/OH- —► H-)~f H R H H H R R H R >=< R H Br R H R Br R R br br Br Br X R >=< R H R R X—|—|—H X H R OH >=< H R R O H R .0 O. OH HO Jaromír Literák Základy organické chemie Konjugované 7r-systémy H3C CH3 b=c=c h h kumulované 71-vazby h h i i I I h h konjugované 71-vazby h h x h i .C. i 'x i h h h h izolované 71-vazby Konjugace tv vazeb vede ke stabilizaci molekuly. h .CH 3 + 2 H2 15 kJ/mol < +2H2 254 kJ/mol 239 kJ/mol - H3C ^^CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie Konjugované 7r-systém Vliv konjugace tt vazeb na délky vazeb: 153 pm H3C—CH3 150 pm / H2C —CH CH3 \ 130 ppm 133 pm / H2C—CH2 133 pm _/ H2C — CH v CH — CH2 \ 146 pm Molekulové orbitaly 7r-systémů: — LUMO ■fj- HOMO HOMO - Highest Occupied Molecular Orbital; LUMO - Lowest Unoccupied Molecular Orbital. Jaromír Literák Základy organické chemie Konjugované 7r-systém Molekulové orbitaly /T-systémů: S rostoucím počtem vazeb v konjugaci se zmenšuje vzdálenost mezi HOMO a LUMO —>► snižuje se energie fotonu (roste vlnová délka) potřebná k excitaci. Jaromír Literák Základy organické chemie Konjugované 7r-systém; protivazebné jt-orbitaly vazebné j[-orbitaly X 170 r 217 nm 268 n m '2 303 nm '3 334 nm Jakou barvu bude mít tetradeka-1,3,5,7,9,11,13-heptaen? 362 nm 402 nm 240 £60 280 300 320 340 360 380 400 420 4 40 460 480 Waví Lľngth f mjÉ 1 1 = 402 nm 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Sondheimer F. et al., J. Am. Chem. Soc, 83, 1960, str. 1675-1681 Jaromír Literák Základy organické chemie Konjugované 7r-systém Jaromír Literák Základy organické chemie Reaktivita konjugovaných 7r-systémů Příprava konjugovaných dienů Br CH3 H3C\ 0 © H3C-)-0 K H3C CH3 H3C\ 0 © H3C-)-0 K H3C Br Br Elektrofilní adice 1,2-adukt 1,4-adukt Jaromír Literák Základy organické chemie Reaktivita konjugovaných 7r-systémů Br HBr HoC 0 °C 71 % 40 °C 15% + H3C Br 29% 85% 1,2-adukt 1,4-adukt R. K. 1,2-Adice - nižší teplota a krátký reakční čas (neustaví se rovnováha). 1,4-Adice - vyšší teplota a/nebo dlouhý reakční čas (ustaví se rovnováha) Cl Cl- + Cl Jaromír Literák Základy organické chemie • Cykloadiční reakce • Elektrocyklizační reakce o Sigmatropní přesmyky • Cheleotropické reakce 9 Enové reakce Společné rysy reakcí: • Reakce nemají meziprodukty - jeden tranzitní stav. • Dochází k součinnému zániku a vzniku vazeb. • Reakce probíhají přes cyklický tranzitní stav. • Průběh reakce lze předpovědět na základě pravidel. Jaromír Literák Základy organické chemie Pericyklické reakce • Woodwardovy-Hoffman novy pravidla - zachování orbitalové symetrie, korelace MO reaktantů a produktů na základě symetrie tranzitního stavu. Robert Burns Woodward Roald Hoffmann o Interakce hraničních molekulových orbitalů HOMO-LUMO (Kenichi Fukui). • Aromaticita a antiaromaticita tranzitního stavu (Howard E. Zimmerman). Jaromír Literák Základy organické chemie Cykloadice Reagují dva tt systémy, na úkor dvou tt vazeb vznikají dvě a vazby a vzniká nový cyklus. Dielsova-Alderova reakce Cykloadice [4+2] probíhající v základním stavu. dien dienofil HOMO LUMO Nižší teplota - cykloadice: ^ /COOCH3 + *COOCH3 >COOCH3 rCOOCH3 Jaromír Literák Základy organické chemie Cykloadice O r o O exo termodynamický produkt endo kinetický produkt Vyšší teplota - cykloreverze (eliminace): CH- CH3 0 250 °C + *CH3 limonen ^CH3 isopren Příkladem [4+2] cykloadice jsou i 1,3-dipolární cykloadice: •Q U- :o a molozonid Jaromír Literák Základy organické chemie Cykloadice Fotochemická [2+2] cykloadice Jedna z reagujících komponent musí být v excitovaném stavu tor LUMO* HOMO Příkladem může být např. fotodimerace cytosinu v DNA: NHí N O^N NHí N^O o- 'O 'O UVB A, < 320 nm Oprava např. fotolyasa aktivovaná světlem (A = 300-600 nm). Jaromír Literák Základy organické chemie Cykloadice Léčba lupenky pomocí psoralenu: O v/VW O I + hv ÜVÄ " 315-380 n m thymin psoralen Jaromír Literák Základy organické chemie Elektrocyklizace Reaguje konjugovaný 7r-systém, na úkor jedné 7r-vazby vznikne cr-vazba a dojde k uzavření cyklu. CH3 Počet elektronů Způsob cyklizace AT hv 4n konrotace disrotace 4n + 2 disrotace konrotace Jaromír Literák Základy organické chemie Sigmatropní přesmyky Přesun cr-vazby v a Hýlové pozice a posun 7r-systému. Hod HqC. [3,3] 15% 85% Přesmyky karbokationtů lze považovat za [1,2] sigmatropní přesmyky. H3C H H3C^P^> -H3C CH3 H3C CH3 H3C CHq [1,2] 2° karbokation 3° karbokation Jaromír Literák Základy organické chemie Pericyklické reakce Biosyntéza vitaminu D2 (ergokalciferolu): Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 1 Doplňte reagent a podmínky, za kterých je možné provést tuto reakci. Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 2 Doplňte hlavní produkt následující reakce. CH3C000H Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 3 Doplňte hlavní produkt následující reakce. Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 4 Doplňte hlavní produkt následující reakce. + HCl Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 5 Doplňte hlavní produkt/y následující reakce. 1.03 2. (CH3)2S Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 6 Doplňte hlavní produkt následující reakce. 1. Hg(CH3COO)2l H20 2. NaBH4 Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 7 Doplňte hlavní produkt následující reakce. _/CH3 Cl2/H20 =\ -1 CH2CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 8 Doplňte reagent a podmínky, za kterých je možné provést tyto reakce. H ch2ch3 ? ? H3C ch2ch3 )=\--:- H3C-CEC-CH2CH3 -:-^ )={ H3C H H H Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 9 Doplňte hlavní produkt následující reakce. H3C >=\ H3C CH3 Os04 H3C H3C-)—OOH H3C Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 9 Doplňte hlavní produkt následující reakce. H3C >=\ H3C CH3 Os04 H3C H3C-)—OOH H3C Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 10 Doplňte hlavní produkt následující reakce. CH3 HhC. J^Xhh 1- BH3- THF 2. H202 NaOH Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 11 Doplňte očekávané produkty adice jednoho ekvivalentu HBr na isopren CH3 3 HBr (1 ekvivalent) Jaromír Literák Základy organické chemie Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 12 Doplňte hlavní produkt následující [2+2] cykloadiční reakce, při které jedna z komponent reaguje v excitovaném stavu. + H i C C I H hv [2+2] cykloadice Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 13 Doplňte hlavní produkt následující [2+4] cykloadiční reakce. + AT v O OCH- Dielsova-Alderova reakce Jaromír Literák Základy organické chemie