Základy organické chemie Jaromír Litera k Jaromír Literák Základy organické chemie 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-Ň-R xe 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 A/-methylpropanamin H2N-CH2CH3 ethanamin ethylamin Jaromír Literák Základy organické chemie Aminy Uplatňuje se i triviální názvy aminů NH< anilin H3C^^NH2 3-methylanilin m-toluidin dopamin Jaromír Literák Základy organické chemie Vliv tvorby vodíkových můstků na teplotu varu: CH3CH2CH3 CH3CH2NH2 CH3CH2OH b.v. = -42 °C b.v. = 17 °C b.v. = 78 °C Obecná charakteristika reaktivity aminů: bazicita: R R i © i r^N^ -^ R-N-R R V R i H^ci: H :ci: nukleofilita: R ^R i ©i r^N.^ -^ R-N-R R j* R I H3 CH- :ci: Jaromír Literák Základy organické chemie Bazicita aminů pKa + pKb = 14 Alifatické aminy - kombinace vlivu substituentů a solvatace: NH3 ?Kb 4,75 CH3CH2NH2 3,4 (CH3CH2)2NH 3,0 (CH3CH2)3N 3,2 Aromatické aminy jsou výrazně méně bazické následkem konjugace: ď ^QiH2 ^-- ^ ^=NH2--- ^=NH2 pKi, 9,4 _/=\ © =j -<—► © NH2 Jaromír Literák Základy organické chemie Bazicita aminů Vliv substituentů na bazicitu: efekt pKb substituentů CH30^f y—NH2 8,7 M+, I- -o- H3C-(' VNH2 8,9 |+ U ^—NH2 9,4 O- Cl—(' y—NH2 10,0 M+, I- -o- N=C—\ y—NH2 12,3 M-, I- N—\ )—NH2 13,0 M-, I- °0 \= Jaromír Literák Základy organické chemie Aminy Bazicita pyridinu pKb Y NH2 8,7 9,4 Jaromír Literák Základy organické chemie Příprava aminů Redukce nitrilů h h CH3CH2-Br N^CQN * CH3CH2-CEN V^4* CH3CH2-C-N bN^ l. H2U i * - NaBr H Nukleofilní substitucí lze připravit nitrily pouze z 1 a 2 halogenderivátů Redukce amidů P SOCI2 P NH3 P LLÍAIH4 CH3CH2-C *~ CH3CH2-C *~ CH3CH2—C ~~~ *~ CH3CH2 OH Cl NH2 2"H2° Jaromír Literák Základy organické chemie Příprava aminů Redukce nitroderivátů O*--. Q_ Zn, Fe, Sn, SnCI2/HCI O *CH' HN03 H2S04 O *CH< N02 1. Sn/HCI 2. NaOH Jaromír Literák Základy organické chemie Příprava aminu Alkylace amoniaku/nižších aminů H NH3 ©i ) CH3 :PJ: H i N H'"SCH3 primární amin © + NH4 :'Či: Nebezpečí vícenásobné alkylace. H i H'^CH3 H3C^P ©i ) hhC-N-rl-r , ,Vn ..0 CH, «P H CNvCH + Nhl4 3 3 sekundární amin H i -.N v H3C CH3 CH3 n CH3 :PJ: NH3 CH3 1 © ..© H,C'^CH, + NH* *p i3o on3 terciární amin H CH3 1 ©' ^ N -»► HqC-N-CHq h3c7nch3 3 ? 3 £P kvarterní amoniová sul Jaromír Literák Základy organické chemie Příprava aminu Primární aminy lze připravit použitím nadbytku amoniaku NH3 + Br^Y^CH; O nadbytek HpN °-CH3 + NH4Br O hlavní produkt Kvarternizace aminů - vyčerpávající alkylace nadbytkem alkylačníh činidla. NH3 + Br-CH3 nadbytek CH3 H3C-N-CH3 + 3 NH4Br CH3 Br Jaromír Literák Základy organické chemie Příprava aminu Redukce azidů CH3CH2Br + NaN3 _ Naßr> CH3CH2N3 1. LiAIH4 2. H20 nebo H2/Pd Příprava primárních aminů Jaromír Literák Základy organické chemie Příprava aminu Gabrielova reakce Příprava vychází primárních a někdy i sekundárních halogenderivátů, o: 1 :n- -h ftalimid = 8,3 • • 0-:n -CH3 KOH o: :n: H3C-Br: - KBr SN2 H20 / H2S04 ÄŤ .cooh h + :n-ch3 *COOH H QC o: '( :n-ch3 í NH2NH2 Ä7~ kyselina ftalová o: primární amin N Q: o: '( :n-ch3 í QE H + :n-ch3 H primární amin Jaromír Literák Základy organické chemie Příprava aminu Reduktivní aminace o © NH3, Hu(kat.) R-i R2 — H2O Ri R2 1. NaBH4 2-H2Q > nebo H2/Pt One-pot provedení reduktivní aminace. O NH3i H ,© NaBH3CN H i • NN 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 Příprava aminů Reduktivní aminace NH3; H NaBH3CN H3C H primární amin O A RNH2,H © H~N-R H3C CH3 NaBHqCN H3C H 'CH- sekundární amin © R2NH,H NaBH3CN H3C H terciární amin Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce aminů Hofmannovo odbourávání (1851) 9H3 u©/i *x H3C 1 H (kat.) w 0 > H3C-C-OH CHa C=CH2 + H3C CH3 H3C-C-NH2 CH3 © ——f^-) * bez reakce AT Aminová skupina -NH2 je špatnou odstupující skupinou. Hofmannovo odbourávání kvarterních amoniových hydroxidů odstupující skupina @CH3 H3C-N-CH3 0 H3C CH3 H3C ^CH CH3 2 HqC CHq H'aH Reakce probíhá jako E2. Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce aminů Hofmannovo odbourávání NH< H3C CH< CH3Br ©i č H3C-N-CH3 nadbytek H3C 0 Br Ag2Q H20 - AgBr ©i č H3C-N-CH3 H3C CH- 0. OH ©i č H3C-N-CH3 H^C CH- 0. 150 °C E2 HpC' ,CH- OH 95% + H3C^^CH3 + |_| 5% CH3 C'^cw + H'aH 3U UH3 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 + H,C'^/CH3 + EtOH + NaBr 25% 75% Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce aminů Hofmannovo odbourávání R. K. Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce aminu Reakce aminů s kyselinou dusitou HLCl: ..0 -:Ci: •• •• 0=N-0-H HLCl: .. .. © - 0=NrO: H H ..0 :Ci: Reakcí s kyselinou dusitou dochází k nitrosaci Sekundární aminy - karcinogenní nitrosaminy. R i FT^H sekundární amin NaNQ2 HCI R1N,Q nitrosamin R i ) mm • • 0=N R ©' ' Q -H © R Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce aminů Reakce aminů s kyselinou dusitou Nitrosaminy tepelně zpracované smažená slanina tabákový kouř maso, ryby, pivo Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce aminů Reakce aminů s kyselinou dusitou Primární aminy - diazoniové soli R-NH2 primární amin NaNO- HCl 0-5 °C H R-N: -► N=0 • • • • R-N=N-0-H HCI HoO ..0 :Cl: ■ • • • • • R-N=N © ..© :Cl: • • R-NEN © diazoniová sul Mechanismus: © ■ • • • 0=N R-ŇH2 H>~.H ©17 R-N-H - I N=Q H R-N: r H N=Q H v«xH 7 \Y R_Nt) o " k © NfO-H H$.H - R-N=N-Ö-H R-N=N^bó© H ):© H R-N=N + :0: H Jaromír Literák Základy organické chemie Diazoniové soli Diazoniové soli jsou nestabilní, -N2 je velmi dobrou odstupující skupinou. © .. © .. R^NEN N2 + >© ^OH + H2C^CH3 H3C H3C H3C Stabilizace diazoniových solí konjugací - aryldiazoniové soli jsou omezeně stabilní. y^~~V* © •• íŕ\® ® /=\ © Q // \VLN=N ^-^ (/ >=N=N -- ©< >=N=N - M- a I- efekt -N2 je silně elektronakceptorní skupinou. Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce aminů Diazoalkany H2C2NEN --- H2C=N=N diazomethan Sandmeyerova reakce NH< NaNQ2/HCI 0°C N x Cl 0 CuX X X = CI, Br, I, CN Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce aminu Schiemannova reakce NH< KS NaNQ2/HCI 0°C ©«N N' KS Cl 0 NaBF4 N' BF40 N' KS BF4G AT N 2 + BR Další přeměny diazoniových solí: H2Q AT ,OH KS .NH; NaNQ2/HCI 0°C N' Cl 0 H3P02 .H KS Kl KS Jaromír Literák Základy organické chemie 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 M ethyl oranž HO3S NaNOo/HCI 0°C HO3S N ' Cl © SEAr HO3S Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce aminů Prontosil o H2N"\ .NH; NaNQ2/HCI 0°C 9\ H2N'\ N ' HoN. Cl 0 NH' SFAr h2n\ 02N' Cl N H3C ^1 N. HqC ©,CH3 Nh3 0 Cl basic red 18 S03Na Na03S sunset yellow (E 110) Azobarviva - indikátory, barvení textilií a potravinářská barviva Jaromír Literák Základy organické chemie Nitrosloučeniny aristolochová kyselina Aristolochia clematitis Podražec křovištní Chloramfenikol 02N oh oh h' >r Cl O chloramfenikol Jaromír Literák Základy organické chemie Nitrosloučeniny Rezonanční struktury -NO2 skupiny: R-N ^-R-N Nitro skupina -NO2 má záporný indukční i mezomerní efekt: «© l-a M-efekt :°^N'Q: ©A Jaromír Literák Základy organické chemie Nitrosloučeniny Příprava nitrosloučenin CH4 + HN03 400 °C H3C-NO2 + H20 Aromatické nitroderiváty - SEAr: HNO3/H2SO4 no2 HNO3/H2SO4 N02 Významné deriváty: N02 02n' CH3 N02 N02 Af°H Jaromír Literák Základy organické chemie Nitrosloučeniny Závislost produktu redukce nitrosloučenin na pH NH-NH- Zn \_J \= pH<7 hydrozobenzen Zn pH ~ 7 NHOH A/-fenylhydroxylamin Jaromír Literák Základy organické chemie Organo ovové 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 1,7 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 Metody prípravy 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: HaC transfer elektronu 7^: Li HaC 'Cl •0 Cl0 + Li- HaC R-X + 2 Li R-X + Mg R-Li + LiX R-Mg-X R-X + Zn R-Zn-X Jaromír Literák Základy organické chemie Metody prípravy 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 ^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 Metody prípravy organokovu 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 ortho- metal a ce (lithiace), která dovoluje deprotonovat málo kyselé Csp2-H a Csp3-H vazby díky komplexaci Li blízkými skupinami jako -N(R)2 nebo -OR: HaC. O + LiR pomalu CH3 + H3C-C-Li CH3 o Li H3C0 í CH3 H3C -C-H CH3 Li + R-H Jaromír Literák Základy organické chemie Metody prípravy organokovů Výměna lithia za halogen R-Li + R'-X R-X + R'-Li Reakce probíhá pouze v případě, že vzniká slabší báze. I I + CH3CH2CH2CH2LÍ p, n 7n op * kN^Br Et2O,-70 C + Pořadí bazicity: Csp3-Li > Csp2-Li > CSp-Li Jaromír Literák Základy organické chemie Metody prípravy organokovů Organokovy nepřechodných kovů jsou nekompatibilní s určitými funkčními skupinami, se kterými reagují: H o p -OH —N —SH —\ —\ -C=N R R OR Jaromír Literák Základy organické chemie li Grignardova činiaia Victor Grignard (1871-1935) Grignard (1900): h3c-I + Mg H3C-Mg-l + R-C Et20 O H ,Mgl O R-C-ch3 + H20 H H3C-Mg-l o'M9 R-C-ch3 I H OH R-C-ch3 + MglOH H Jaromír Literák Základy organické chemie 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-: Mg 2 R-Mg-X R-Mg-R + MgX2 R-Mg-X Organokovy v závislosti na rozpouštědle agregují: 2 R-Mg-CI R-Mg Mg—R CH3LÍ v Et20 - tetramer v THF - tetramer C4H9LÍ v hexanu - hexamer v THF - tetramer + dimer Jaromír Literák Základy organické chemie Vlastnosti organokovových sloučenin nepřechodných kovů Tyto sloučeniny jsou velice reaktivní, mohou vystupovat jako nukleofily, báze a občas také redukční činidla: H"TH R yMgBr .^.MgBr 1 1 1 1 1 1 1 1 R H^H^MgBr hľ^MgBr + R-H BrMg H H R R H- .^.MgBr •u ■H + H R R Lithné sloučeniny poskytují méně enolizačních a redukčních reakcí než sloučeniny RMgX (Grignardova činidla). Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce organ o kovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce s kyselinami Li + DpO -<\ /)—D + LiOD Reakce s alkylhalogenidy a alkylačními činidly Dochází k nukleofilním substitucím, často mechanismem Sn2 RLi reagují s alkylačními činidly lépe než RMgX: H3C CH3 )={ + CH3CH2CH2CH2I H Li H3VT H CH2CH2CH2CH3 + Lil CH3 O H3C—^ ^— MgBr + H3CO-S-OCH3 CH3 CH3 O HaC~^ />~CH3 + H3CO-S-OMgBr CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce organ o kovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce s aldehydy a ketony Vznikají příslušné alkoholy: H3crrH H3C-L\ :0M H3C- ■H CH3 HoO :* keton: h3c-lí CO; Li HsC\o-Li H3C-C0 O: O: CH3 1 - HpO H3C-C-0: —^ ■/0: L|/.. CH3 H3C-C-0: J 1 \ H .Q: H -H20 H3C CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce organ o kovových 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. 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. Cul H3°~U ■ (CH3Cu)n H3C"LI ■ (CH3)2CuLi Jaromír Literák Základy organické chemie Sloučeniny přechodných kovů Gilmanova činidla Organokupráty R2C11LÍ a R2CuMgX lze připravit reakcí Cul nebo CuBr s organohořečnatými nebo organolithnými sloučeninami v poměru 1:2 v etheru za 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 sp uhlících: C9H13-I + (CH3)2CuLi SN2 -30 °C C9H13-CH3 + Lil + CH3Cu C4H9 + (C4H9)2CuLi C4H9 -30 °C + Lil + (C4H9)Cu C4H9 .0 H3C^( + (CH3)2CuLi Cl O H3C^CH3 + L'CI + CH3Cu Jaromír Literák Základy organické chemie leofilů na <%/3-nenasycené karbonylové sloučeniny tvrdé nukleofily mákké nukleofily O ci-r CH CH2 rychlá a často vratná adice, často kinetický produkt v 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 Příklad č. 1 Následující sloučeniny seřaďte podle jejich bazicity: o NH< H3C^ NH- i H •v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 2 Doplňte výchozí látku a produkt/y následující reakce: NaN- -NaBr H3C m H2/Pd -N; •v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 3 Doplňte produkt/y následující reakce: ?\ NaBH3CN HOCH2CH2NH2 + 2 ,,A, ■v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Máte za úkol připravit reduktivní aminací ethyl(propyl)amin. Jako zdroj dusíku bude sloužit amoniak. Navrhněte karbonylové sloučeniny, které k přípravě budete potřebovat. reduktivní H aminace J, NH3 ■ H,C^ 'N' ■v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 5 Doplňte meziprodukt a konečný produkt následující sekvence reakcí: nadbytek H2Q CH3 H+AT •v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 6 Doplňte produkt/y následující reakce: ^CH3 © ©' Br H3C-N-CH3 NaOH A7 + N(CH3)3 majoritní produkt minoritní produkt Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 7 Doplňte meziprodukt a konečný produkt následující sekvence reakcí: N02 1. Sn/HCI 2. NaOH NaN02 / HCI -1 0°C Kl A7 ■v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 8 Doplňte meziprodukt a konečný produkt následující sekvence reakcí: N02 NH- NaNQ2/HCI 0°C a © O Na OCH' •v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 9 Doplňte produkt/y následující reakce: o H CH3CH2CH2MgBr 2. H20 •v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 10 Doplňte činidla a konečný produkt následující sekvence reakcí: H3C H3C )— Br HqC suchý Et20 |_| q )-Mg-Br O 1 N n H h3c ch3 (0,5 ekvivalentu) h3C ch3 2. h20 / nh4ci -MgBr2 ^ 4 Jaromír Literák Základy organické chemie Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 11 Doplňte meziprodukt a konečný produkt následující sekvence reakcí: MgBr Mg -> suchý Et20 hhC OCH- nadbytek H20 H+/A7 Jaromír Literák Základy organické chemie Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 12 Doplňte meziprodukt a konečný produkty následující sekvence reakcí: 2 CH3Li + Cul Lil O 1 2. H20 + majoritní produkt minoritní produkt Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie