Základy organické chemie Jaromír Litera k Jaromír Literák Základy organické chemie Karbonylové sloučeniny o r2 keton O n r/^H aldehyd r 1 c=c=o r 1 keten Příprava aldehydů a ketonů • Oxidace alkoholů rch2-oh pcc CH2CI2 .0 h r2ch-oh • Hydratace alkynů Hg2+/H2Q] h2S04 ' r- ■h K2Cr207 h2S04 oh r^ch2 o r Jaromír Literák Základy organické chemie Karbonylové sloučeniny • Ozonizace alkenů r1 r3 1 . Oq ri /r3 » Friedelova-Craftsova reakce o + O CI^R 1. AICI3 2. H20 R Hydroborace-oxidace terminál nich alkynů R- ■H LBH3 2. H202/NaOH H R ,OH Jaromír Literák Základy organické chemie Základní rysy reaktivity karbonylových sloučenin Nukleofilní adice (AN) Reakce s nukleofily: 0 Mul Aktivace elektrofilem: Q: -© ..e \ x ^ x > H"^H ^ H3C^H ^ H3C^CH3 ^ O HaC > Jaromír Literák Základy organické chemie Základní rysy reaktivity karbonylových sloučenin Tetraedrický intermediát je obvykle nestabilní a podléhá dalším přeměnám eliminaci a nukleofilní substituci. Nukleofilní adice na karbonyl nemusí být vratná: nevratná adice: O H3C"^CH3 + CH3CH2-MgBr 2© 0 0 Mg Br O HaC- -CH3 ch2ch3 vratná adice: O H3C^CH3 + HCI H. HoC- *0 CH- CI Enolizace karbonylových sloučenin - podmínkou je přítomnost atomu vodíku na a atomu uhlíku: Jaromír Literák Základy organické chemie Základní rysy reaktivity karbonylových sloučenin Neenolizovatelné karbonylové sloučeniny: o o o H Enolizovatelné karbonylové sloučeniny mohou být deprotonovány na vzniku ambidentního enolátu: H3C CH2 ~*-► ..© 305 H3C CH2 % H3C CH2 ~+-► ©o'H H3C CH2 Reakce enolátu / enolu s elektrofily: ..0 :o: H3C CH2 © o: _© X^E H3C CH2 enolát m m o: HaC H H3C^CH2>E© enol Jaromír Literák Základy organické chemie Tvorba hydrátů karbonylových sloučenin Nukleofilní adicí vody na karbonyl aldehydů a ketonů vznikají hydráty (geminální dioly). Adice vody může být kata lyžována kysele: H3C CH3 © •f. H H3C CH3 :o'H :o'H :ó'H 9k H3C 7 CH3 - HaC- hľ-QvH CH 3 ^~ Ccŕ -H HoC- ■CH- ••H geminální diol Nebo bazicky: H3C ľ CH3 ..© H^H H,C- CH- .o! H ..© -ho: Hr,C- CH- .o: H geminální diol Jaromír Literák Základy organické chemie Tvorba hydrátů karbonylových sloučenin Tvorba hydrátů je u ketonů obvykle nevýhodná, stabilita hydrátů aldehydů je vyssi: o h3c^ch3 + h2° 99,9 % oh -ch- Vi oh 0,1 % o + h20 0,1 % oh 1 1 1 1 1 1 1 1 oh 99,9 % Stabilní hydráty tvorí aldehydy a karbonylové sloučeniny nesoucí elektronakceptorní skupiny: o h^h o x CI3C h o x F3C^CF3 Jaromír Literák Základy organické chemie Tvorba poloacetalů a acetalů O ROH , kyselina nebo báze O' H OR poloacetal (hemiacetal) ROH . pouze kyselina n OR OR acetal + HoO V bazickém prostředí vzniká pouze poloacetal (hemiacetal) 0 r-o: h-b :*ďH :b 0 l r-o: .o: r Jaromír Literák Základy organické chemie Tvorba poloacetalů a acetalů V kyselém prostředí může vzniknout z poloacetalů kysele katalyzovanou S|\|l acetal: H 0 O' :'ďH :'ďH ) R-O-H R g H © .o: R H ^ H C O' q: R -H20 T ©1 CO .o: R .o: R + H .© R Trend ve stabilitě poloacetalů a acetalů je podobný jako u hydrátů —>► nutnost externím zásahem posouvat rovnováhu. Jaromír Literák Základy organické chemie Tvorba poloacetalů a acetalů Výjimku představuje intramolekulární adice alkoholu za vzniku pěti- nebo šestičlenného cyklu: OH •CH- OH OH O OH OH D-glukosa HO°X Y^^'''OH OH oc-D-glukopyranosa Náhradou poloacetalové -OH skupiny za jiný nukleofil vznikají glykosidy. NH2 HO NHí O- OH + N N N N OH OH D-ribofuranosa HO. -O ' H + HoO adenin OH OH adenosin Jaromír Literák Základy organické chemie Tvorba poloacetalů a acetalů Náhradou poloacetalové -OH skupiny za jiný nukleofil vznikají glykosidy. OH Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce s dusíkatými nukleofily Reakce s primárními aminy nebo NH3 H. O + H2N-R primární amin nebo amoniak A n NHR karbinolamin R N + H20 imin (Schiffova báze) Reakce obvykle vyžaduje kyselou katalýzu o: H .© G O' :o-H ) R-N-H 1 H :*ďH ©1 R-Ny-H H © R"N^H - H20 R'H*H R' Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce s dusíkatými nukleofily Analogicky reagují sloučeniny s nukleofilní-NH2 skupinou O + HoN-OH hydroxylamin OH N + H20 oxim O + H2N-NH2 hydrazin NH2 N + HoO hydrazon Iminy enolizovatelných karbonylových sloučenin existují v tautomerních formách (analogie keto-enol tautomerie): H H .R H .R imin enamin Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce s dusíkatými nukleofily Reakce sekundárních aminů s enolizovatelnými karbonylovými sloučeninami: H R H. O + H-N O H .J R A n sekundární amin karbinolamin R N + HOH R enamin Odlišný výsledek eliminační reakce v důsledku nepřítomnosti vazby N © •P H H Sj* ^ H H C? H N H R'"%R H H H H Ň H -H20 R^R R'"* R + Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce komplexními hydridy Komplexní hydridy jako NaBhU nebo LÍAIH4 jsou primárně donorem nukleofilního hydridového aniontu. Adice je nevratná. Vykazují také bazické vlastnosti (vznik H2). NaH je silná báze. 0 a H ©1 H-B^H 1 H o.. _y*H H : :o HaC- CH- R CH3 + LiOH R analogicky: H3C j CH3 R^lClg-Br 0 Mg*® BrG HoO HaC- CH3 + Mg(OH)2 + MgBr2 R R Jaromír Literák Základy organické chemie Tvorba kyanhydrinů Vratná adice HCN na karbonyl za vzniku kyanhydrinu O Mechanismus: H + HCN 88% G a © :nec:- M © ^ ae.. yLCEN: :o:—y N :Ö'H + NaCN C N Jaromír Literák Základy organické chemie amygdalin Jaromír Literák Základy organické chemie Wittigova reakce O Ph Ph^Ph R1/^SsR2 Georg Wittig Reakce fosforového ylidu s aldehydem nebo ketonem Příprava fosforového ylidu: + Ph Ph-p-Ph m O © Ph Ph-pr Ph H3CLBr: ..© Na •* Ph ©i /~* Ph-PxC-H i \ Ph H 0 -:nh2 Ph 1 Ph-P=CH2 i Ph -► ©i w Ph-P-CH2 i Ph Ph = pKa = 22 Jaromír Literák Základy organické chemie Wittigova reakce Meziproduktem reakce je heterocyklus - oxafosfetan Předpokládá se, že může vzniknout dvěma způsoby: 9- CH2 ©P Ph7hPh R R; q: H2C^g>R2 P h" i Ph Ph R HoC- 1 Ph-p^p; Rc Ph' Ph oxafosfetan ■ H2C=( Ri Rc Ph Ph-P=0: Ph Nebo součinnou [2+2] cykloadicí: Ph ", Ph Ph [2+2] cykloadice R HoC- 1 Ph-p^: /1 •• ■Rí Ph' Ph oxafosfetan H2C^ Ri Rc Ph Ph-P=0: Ph Jaromír Literák Základy organické chemie Wittigova reakce retinal KOH CH3OH (3-karoten Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 1 Doplňte produkt/y následující reakce: /? H® H3C^< + 2 CH3CH2OH ■ • \ (kat.) •v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 2 Doplňte produkt/y následující reakce: H i N "NH2 u© N02 (kat-) -H20 ■v Rešení: Jaromír Literák Základy organické chemie O H3C CH3 + OpN Příklad č. 3 Doplňte produkt/y následující reakce: + H20 H® . (kat.) •v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 4 Doplňte produkt/y následující reakce: r\ " h® ^/ ° + H3CN^CH3 (kat.) -H20 Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 5 Doplňte meziprodukty a produkty následující sekvence reakcí reakce: Ph CH3CH2Br + phAph -— A ^ B Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 6 Doplňte produkt/y následující reakce: o H 1.NaBH4 2. H20 •v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Reakce vycházející z enolů/enolátů enolát Rezonanční struktury enolu a enolátu: • •. • •© i_i _«».H (O- _ :o: ^H ©o^ HgC'XHg " " H3C^CH2 H3C^CH2 " " H3C^CH2 enolát enol Jaromír Literák Základy organické chemie Pozice rovnováhy mezi enolem a ketoformou o H3C CH3 > 99,99 % OH H3C CH2 < 0,01 % O H / < 0,01 % H OH > 99,99 % O O H3C CH- H H o'H O HpC CH- H H minoritní enol o'H O H3CT y CH3 H majoritní enol Hodnota rovnovážné konstanty enol/keto závisí na rozpouštědle! Jaromír Literák Základy organické chemie ozice rovnováhy mezi enolem a ketoformou Hodnota rovnovážné konstanty enol/keto závisí na rozpouštědle, pro acetylaceton: Solvent % enolu Cyklohexan 97 Čistá látka 62 Dimethylsulfoxid 62 Voda 16 O o OH O HgC^^^CHs Jaromír Literák Základy organické chemie Mechanismus enolizace V kyselém prostředí (katalýza kyselinou): © ö:^H ©ö;H :ö'H :ö'H X,.. — ..JÍ H3C CH3 H3C CH3 H3C®XM H3C H H V bazickém prostředí (katalýza zásadou): 0 0.. H3C^ — H3c\" -H H Jaromír Literák Základy organické chemie Kinetický a termodynamický enol Enol s více substituovanou dvojnou vazbou bývá obvykle stabilnější —>* termodynamický enol. Enol s menším počtem alkylů na dvojné vazbě obvykle vzniká rychleji —)► kinetický enol. Jaromír Literák Základy organické chemie Halogenace O H3C CH3 O kyselina nebo báze h3cach* + h-x (x<3) Obvykle chlorace, bromace a jodace enolizovatelných karbonylových sloučenin. Prakticky se provádí častěji za kyselé katalýzy. ..0 -IBrl o: A, H • • ■ IBrCf H3C CH3 (kat.) H3C CH2 rychle pomalu H ví-í« ros ... H3C^CH2" rychle cc ... X & H3C CH2 + H-Brl V rovnováze reaguje přednostně termodynamický enol: O O O CH- CI: Cl H@ (kat.) + CH3 Cl minoritní majoritní Jaromír Literák Základy organické chemie Halogenace Při halogenaci v bazickém prostředí hrozí nežádoucí reakce. o H3C O Br2 NaOH Br H3C Br + Br Haloformová reakce o A 1. 3 ekv. X2 / NaOH R CH3 2. HCI O x R OH + X H-C- i X Reakce karbonylových sloučenin, které obsahují-CO-CH3 uskupení (mimo kyselinu octovou), nebo látek, které mohou být za podmínek reakce na tyto sloučeniny oxidovány. OH R' HXO H *CH- oxidace O 11 R CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie Halogenace Mechanismus haloformové reakce: R x NaOH CH3 - H20 ...ß © :o: Na jT Br2 R^CH2 - NaBr R os X 2 NaOH 2 Br2 4* H-CS •O-) Br R- H 3 Br '0 s:C-Br i Br 3 A-© + Br H-C-Br i Br -CBr3 je odstupující skupina RXdf + HC, R^Q'H Jaromír Literák Základy organické chemie Mechanismus: h3c^-ch3 i;® Iß noy-ßj. 3 ^:.n.X/CH3 -á í a X^H I U f u A CH H3C^C:u CH3 -^ H3CX0 -H3C CC 3 + LiBr + diisopropylamin H H H u® H H Selektivní alkylace nesymetrických ketonů H3C o o H3C H3C o H3C CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie Selektivní alkylace nesymetrických ketonů H3C o H3C 1. NaH (25 °C) 2. CH3I H3C O 1. LDA (-80 °C) 2. CH3I H3C O CH3 Enolát je ambidentní nukleofil: :o HsC\ © %> ij h3c-)-íř ku 'V' r^v^ch, h3c ^ r^v^ch, dmso 0-ch3 o=s=o 0-ch3 :o-CHs ch; + 70% 30% :o N ch3 ci-sí-ch3 ch3 ľ5i-CH3 N Jaromír Literák Základy organické chemie Aldolová reakce Enol nebo enolát se nukleofilně aduje na karbonylovou sloučeninu v keto-formě. ■ • • • :o :o X X h3c h + h3c :o'H h kyselina nebo báze HqC- a ■ch2^ h h Mechanismus reakce: 43 ^-:Q-h 43 7 CHs 43 hV ,. «.h h^£u - ~ h^c0 h^c' ch3 i h Tw T h h h h h h 0 + :q-h ■ch- Jaromír Literák Základy organické chemie Aldolová reakce Aldolové reakce jsou často zvratné. HO. 2 H^C^^f O NaOH, H H20 25% ,0 H 75% CH3 O NaOH, H20 80% Aldolová kondenzace - aldolizace + eliminace H2O - často nevratná aldolová kondenzace H O O X + X CH3 H^XHj O OH O H CH 3 -H20 H CH aldolová reakce (aldolizace) Jaromír Literák Základy organické chemie Aldolová reakce Mechanismus bazicky katalyzované eliminace vody z aldolu - Elcb: :o h :oh :o h *oh C-^C-C-CHs - C-£-rC-CH3-- ,,'w \s Pll + I.Q-H u ^ 1 - HoO ,,' ^ i H C-CH3 g H H H H H u V- Hq-h 0 Někdy nelze aldol vůbec izolovat - konjugace hnací sílou pro eliminaci H20: o *CH3 NaOH O HO CH3 O CH3 -H20 rychle nelze izolovat Jaromír Literák Základy organické chemie Zkřížená a Idolová reakce Zkřížená aldolová reakce - za rovnovážných podmínek může vyvstat problém se selektivitou: :c£ :o: A H"XH3 H CH' NaOH Ö As + H CH2 X H"XH3 As + H CH2 H :o: CH' :ö: :ö: ch3 + HACHs - H 0 O OH H CH' O OH H CH O OH H CH CH' O OH H' Y XH3 CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie Zkřížená a Idolová reakce Dosažení selektivní zkřížené aldolizace: 1. Enolizovatelná karbonylová sloučenina + neenolizovatelná karbonylová sloučenina, která je lepším elektrofilem. O OH O 9 rc/ni-n H O 2 i_Au HO ( O H H H 0 Mechanismus: o m m :o h m m :o h, o -H20 ^-:q-h -h20 0 -:o-h Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 7 Doplňte produkt/y následující reakce: 1. CH3ONa 2. CH3I •v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 8 Doplňte produkt/y následující reakce: o CH3 NaOH (kat.) aldolová kondenzace ■v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 9 Doplňte produkt/y následující reakce: o Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 10 Doplňte produkt/y následující reakce: o oo _ CH3CH2ONa H3(T ^ XH3+ H3CT \T v XT NCH3 (kat-) * Michaelova adice ■v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie Příklad č. 11 Doplňte produkt/y následující reakce: j? NaOH a H^H (kat.) aldolová kondenzace ■v Řešení: Jaromír Literák Základy organické chemie