Prezentace aplikace PowerPoint · konstituce alkylu –čím stabilnější karbokation vzniká,...
Transcript of Prezentace aplikace PowerPoint · konstituce alkylu –čím stabilnější karbokation vzniká,...
2
Příprava halogenalkanů
I. Reakce založené na SN – z alkoholů, štěpením etherů, vzájemnou výměnou
halogenů
II. Reakce založené na SR – z alkanů nebo alkenů, halogenace v allylové
poloze
III. Reakce založené na SE - kysele katalyzovaná halogenace ketonů,
Liebennova reakce
IV. Reakce založené na adičních reakcích – halogenace alkenů nebo alkynů
viz. minulá přednáška ….
R-X R X
pomalu
R Y R-Yrychle
Mechanismus:
H3C C
CH3
CH3
Br H3C C
CH3
CH3 OH2
+ Br H3C C
CH3
CH3
O
H
HH3C C
CH3
CH3
OH
OH2
+ H3O+
rychlost určující krok
Příklad:
Reakce závisí pouze na koncentraci tert-BuBr
Formace karbokationtu je rychlost určující krok
Reakce nezávisí na koncentraci ani reaktivitě nukleofilu, avšak POZOR na
konkurenční eliminační reakce – volíme tedy slabé, nebazické nukleofily
SN1
Reaktivita halogenalkanů
77
McMurry, Organická chemie, str. 360
Existence iontových párů ovlivňuje stereoselektivitu
SN1
Reaktivita halogenalkanů
8
Význačné rysy SN1 reakcí:
substrát - čím stabilnější karbokation vzniká, tím rychleji SN1-reakce probíhá
nukleofil – reakce SN1 probíhá přes rychlost určující krok, ve kterém daný
nukleofil nehraje žádnou kinetickou roli; neutrální nukleofily jsou stejně účinné jako
nukleofily nesoucí záporný náboj, proto se SN1-reakce často provádí v neutrálním či
kyselém prostředí
odstupující skupina – mezi nejlépe odstupující skupiny patří ty, které budou
nejlépe stabilizovat záporný náboj (nejslabší báze; konjugované báze silných
kyselin)
rozpouštědlo – polární rozpouštědla urychlují reakcí tím, že stabilizují
intermediární karbokation
H2O Cl- Br- I- TsO- ≈méně
reaktivní
více
reaktivní
SN1
Reaktivita halogenalkanů
9
Mechanismus:
Příklad:
R-X Y RY X R-Y X
H3CH2C
C Br
CH3H
HOC
CH2CH3
CH3H
BrHO HO C
CH2CH3
CH3
H+ Br
přechodový stav(S)-2-brombutan (R)-butan-2-ol
SN2
Reaktivita halogenalkanů
10
Stericky průběh - inverze konfigurace
McMurry, Organická chemie, str. 349
+ X
Nu + C X
C XNu
Nu C
SN2
Reaktivita halogenalkanů
12
Význačné rysy SN2 reakcí:
substrát - SN2 reakce probíhá jen na stericky relativně nebráněných atomech
nukleofil
nukleofilita přibližně koreluje s bazicitou
v daném sloupci periodické tabulky zpravidla roste nukleofilita s rostoucím
atomovým číslem (HS- je nukleofilnější než HO-, I->Br->Cl-)
nukleofily se záporným nábojem jsou obvykle reaktivnější než nukleofily
neutrální
odstupující skupina – mezi nejlépe odstupující skupiny patří ty, které budou
nejlépe stabilizovat záporný náboj (nejslabší báze)
rozpouštědlo – polární aprotická rozpouštědla (protická zpomalují SN2 tím, že
obklopují, resp. solvatují reagující nukleofil)
SN2
Reaktivita halogenalkanů
konstituce atakované molekuly
typ substituované částice (odstupující skupina)
typ nukleofilu
silný nukleofil SN2
slabý nukleofil SN1
14
SN1 nebo SN2 ?
Reaktivita halogenalkanů
15
Odstupující skupina
hraje roli jak při SN1 tak SN2, jelikož na ní v obou případech závisí rychlost
reakce
obecně:
dobré nukleofily jsou špatně odstupující skupiny
stabilní anion je dobrá odstupující skupina, ale slabý nukleofil
anionty slabých kyselin jsou špatně odstupující skupiny, ale dobré nukleofily
anionty jsou lepšími nukleofily než neutrální sloučeniny
faktory, které ovlivňují nukleofilitu:
náboj
elektronegativita
rozpouštědlo
sterické zábrany
SN1 nebo SN2 ?
Reaktivita halogenalkanů
16
Reaktivita halogenalkanů
I. SN reakce – minulá přednáška
II. reakce halogenderivátů s kovy – minulá přednáška
III. eliminace
17
Eliminace
α-eliminace – proces, při kterém se dva atomy nebo skupiny atomů oddělí z
jednoho a téhož atomu
β-eliminace – proces, při kterém atomy nebo skupiny atomů odstupují ze
dvou sousedních atomů uhlíku za vzniku násobné vazby
18
C
H
C
X
C C + HX
-eliminace - eliminují-li se ze dvou sousedních atomů
mechanismus E1 - monomolekulární – nejprve disociuje sloučenina na ionty
nebo radikály a rychlost jejich vzniku určuje zároveň rychlost celé reakce;
reakce poté končí odštěpením druhé částice, nejčastěji atomu vodíku
mechanismus E2 - bimolekulární reakce – obě částice se odštěpují současně
stericky průběh - syn-eliminace (ze synklinálních poloh)
- anti-eliminace (anti-periplanární uspořádání)
konkurence SN1, SN2
β-eliminace
Eliminace
19
K eliminaci dochází, pokud nukleofil atakuje vodík místo uhlíku.
př. E2 eliminace
př. E1 eliminace
Eliminace
β-eliminace
21
Eliminace
Vliv nukleofilu na eliminace versus substituce
1. Bazicita
Silné báze atakují proton – čím bazičtější nukleofil, tím pravděpodobněji dojde k
eliminaci
23
Eliminace
3. Teplota
Vysoká teplota upřednostňuje eliminaci před substitucí.
Roli hraje entropie.
Vliv nukleofilu na eliminace versus substituce
24
β-eliminace – E2
jednostupňový pochod, při kterém eliminované skupiny zaujímají v tranzitním
stavu antiperiplanární konformaci a odcházejí z molekuly substrátu současně
bimolekulární reakce – rychlost reakce závisí na obou částicích
uskutečňuje se atakem báze na vodíkový atom
Odstupující částice X musí být schopna z molekuly odejít v podobě neutrální
molekuly nebo stálého aniontu.
Eliminace
25
β-eliminace – E2 – základní rysy
Eliminace
1. Rychlost eliminační reakce roste se zvyšující se bazicitou činidla
CH3COO- < OH- < EtO- < t-BuO- < NH2-
2. Rychlost eliminace stoupá se schopností odstupující částice vázat elektronový
pár za vzniku stabilizovaného aniontu.
Alkoholy a ethery nepodléhají eliminaci mechanismem E2, protože částice
OH- a RO- jsou vysoce nestálé a energeticky bohaté.
Sulfonáty a halogenidy eliminují snadno.
3. Pořadí reaktivity alkylů: terciární > sekundární > primární
Termodynamická stabilita násobné vazby roste s počtem alkylových skupin
k ní připojených.
26
Eliminace
4. Snadnost eliminace roste s rostoucí konjugací s dalšími násobnými vazbami.
Např. eliminace bromovodíku z CH2=CHCH2CH2Br na buta-1,3-dien probíhá
snáze než z 2-brombutanu na buten.
Je-li v molekule substrátu přítomna skupina s (-)-M efektem, eliminace bude
probíhat snáze a rychleji v případě, že eliminovaný proton bude v α-poloze k
této skupině, neboť je možná stabilizace karbaniontu konjugací.
β-eliminace – E2 – základní rysy
27
Eliminace
5. Eliminace probíhá rychleji, mohou-li obě odstupující částice zaujmout
antiperiplanární konformaci.
β-eliminace – E2 – základní rysy
28
H
X
H
X
báze :
antiperiplanární
uspořádání
reaktantu
přechodový stav anti alken
McMurry, Organická chemie, str. 370.
anti-mechanismus - E2 eliminace probíhají přes antiperiplanární rovinné
uspořádání
původní sp3 orbitaly vazeb C-H a C-X výchozí látky se mají překrýt a vytvořit v
produktu p-orbitaly a vazbu , musí dojít k překryvu již v přechodovém stavu a to
tehdy, jsou-li orbitaly na začátku eliminace ve stejné rovině
Eliminace
β-eliminace – E2 – sterický průběh
29
anti-mechanismus - E2 eliminace probíhají přes antiperiplanární rovinné
uspořádání
Eliminace
β-eliminace – E2 – sterický průběh
32
Regioselektivita
báze atakuje methylový vodík, protože je méně stericky bráněný – E2 eliminace
se stericky náročnými bázemi dává typicky méně substituovanou dvojnou
vazbu, protože nejrychlejší E2 reakce zahrnuje deprotonaci na nejméně
substituovaném místě
Eliminace
β-eliminace – E2 – sterický průběh
33
Regioselektivita
báze atakuje methylový vodík, protože je méně stericky bráněný – E2 eliminace
se stericky náročnými bázemi dává typicky méně substituovanou dvojnou
vazbu, protože nejrychlejší E2 reakce zahrnuje deprotonaci na nejméně
substituovaném místě
Eliminace
β-eliminace – E2 – sterický průběh
34
H Y
H
Y
Konkurence SN1
Faktory ovlivňující poměr produktů E1 a SN1 :
konstituce alkylu – čím stabilnější karbokation vzniká, tím rychleji reakce probíhá
vliv rozpouštědla - polární rozpouštědla stabilizují intermediární karbokation
vliv činidla – báze usnadňuje E1, neutrální nukleofil – SN1
β-eliminace – E1
Eliminace
35
Vsuvka - Struktura a stabilita kationtů
R´´CR
R´
karbokationty jsou planární
trojvazný atom uhlíku – sp2
atom uhlíku má pouze 6 valenčních elektronů
stabilita souvisí s:
energií potřebnou k rozštěpení vazby C-X
induktivními efekty
částečně s hyperkonjugací
36
Eliminace
β-eliminace – E1 – základní rysy
1. Reaktivita klesá v pořadí: terciární > sekundární > primární
Protože rychlost určujícím krokem je tvorba karbokationtu a jeho stabilita
Rychlost eliminace primárního alkyl derivátu je prakticky nulová
2. Povaha odstupující skupiny má na rychlost eliminační reakce stejný vliv jako při
eliminacích probíhajících mechanismem E2.
3. Karbokationt nemusí pouze eliminovat proton, ale může i připojit jinou nukleofilní
částici za vzniku substitučního produktu (SN1). Reakce typu E1 a SN1 jsou
kompetitivní. Vedle těchto procesů může ještě docházet k přesmykům uhlíkatého
skeletu.
4. Mechanismem E1 se řídí i intramolekulární β-eliminace probíhající přes cyklický
tranzitní stav – pyrolitické syn-eliminace acetátů, xanthátů, aminoxidů, sulfoxidů a
selenoxidů.
39
Faktory ovlivňující poměr produktů E1 a SN1 – rozpouštědlo
polární rozpouštědla stabilizují intermediární karbokation – např. eliminace
vody z alkoholů ve vodném nebo alkoholickém roztoku
používají se kyselé katalyzátory, které usnadní ztrátu vody
β-eliminace – E1
Eliminace
40
stereoselektivní reakce – při E1 eliminaci mohou vznikat teoreticky dva
produkty, ale ze sterických důvodu je jeden produkt upřednostňován – méně
sterický bráněný E alken
β-eliminace – E1 - sterický průběh
Eliminace
41
regioselektivní reakce – více substituované alkeny jsou stabilnější
systém dvojné vazby je stabilizován, když může prázdný protivazebný
orbital interagovat se zaplněnými orbitaly paralelních C-H a C-C vazeb – čím více
C-C a C-H vazeb tam je, tím stabilnější je alken
β-eliminace – E1 - sterický průběh
Eliminace
44
Orientace při β-eliminačních reakcích
Eliminace
Relativní zastoupení „Zajcevových“ a „Hofmanových“ produktů závisí do značné
míry na:
struktuře substrátu
objemnosti použité báze
velikosti odstupující skupiny
polaritě rozpouštědla
Orientace při β-eliminačních reakcích
Zajcevovo pravidlo:
Vodík se odštěpuje přednostně z toho atomu uhlíku, který nese nejméně
vodíkových atomů. (Vzniká více subsituovaný (stabilnější) alken.)
X
45
Eliminace
Hofmannovo pravidlo
Při štěpení kvarterních amoniových zásad nebo jiných oniových solí vzniká
přednostně ten olefin, který má nejméně alkylskupin na uhlících, z nichž
vychází dvojná vazba.
H3C
CH2 N
CH3
CH3
CH2CH2
CH3
H2C CH2 H3C CH
CH2
98 % 2 %
probíhá u oniových solí
vysvětlení pomocí indukčního a sterického efektu
vodíkové atomy na více substituovaném atomu uhlíku jsou v důsledku kladného
indukčního efektu alkylových skupin méně kyselé
48
Orientace při β-eliminačních reakcích
Eliminace
49
H C
H
H
O H C
CH3
CH3
O H3C C
CH3
CH3
O
objemný nukleofil
H3C
O
OH3C
CH2
O
slabá báze silná báze
SN2 E2
konstituce alkylu
vliv činidla
vliv rozpouštědla – polární aprotická rozpouštědla (AcCN, DMF, DMSO)
Faktory ovlivňující poměr produktů E2 a SN2
Eliminace
4. Štěpení kvarterních amoniových solí
R1 R2
R3 R4
H
X NR3
SN
R1 R2
R3 R4
H
NR3OH
TH2O
R1 R2
R3 R4
NR3
52
Příklady – anti-eliminace
Eliminace
1. Pyrolýza esterů
2. Pyrolýza xantátů
R1R2
R4 R3
H
O R
O
TR
OH
O R1 R2
R3 R4
C C
OS
RS
H
OC SH
SR
COS + RSH
53
Příklady – syn-eliminace
Eliminace
H
O
OO
CH3
CH2 C O
O
OH
3. Pyrolýza N-oxidů (Copeho reakce)
H NR2
O
R2NOH
4. Pyrolýza anhydridů
54
Příklady – syn-eliminace
Eliminace
56
Typ
alkylhalogeniduSN1 SN2 E1 E2
RCH2X
(primární)neprobíhá
velmi
preferovanáneprobíhá
probíhá se
silnými bázemi
R2CHX
(sekundární)
může nastat u
ally- a
benzylhalogenidů
probíhá v
konkurenci s E2-
reakcí
může nastat u
allyl- a
benzylhalogenidů
příznivá při
aplikaci silných
bází
R3CX
(terciární)
příznivá v
rozpouštědlech
se skupinami
OH
neprobíháprobíhá v
konkurenci s
SN1-reakcí
preferovaná při
použití bází
McMurry, Organická chemie, str. 376.
Souhrn substitučních a eliminačních reakcí
57
Souhrn substitučních a eliminačních reakcí
SN2
Stereochemie: 100% inverze konfigurace
Substrát: CH3 > 1° > 2° >> 3°
Nukleofil: vyžaduje silný nukleofil, obvykle anionický
Odstupující skupina: X- nebo –OSO2R
Rozpouštědlo: polární aprotické (DMF, DMSO, HMPA, MeCN, Me2CO ad.)
SN1
Stereochemie: úplná nebo částečná racemizace
Substrát: 3° > 2° >> 1°, allylový nebo benzylový typ podléhá SN1, i když je primární
Nukleofil: obecně slabý (H2O, ROH, HX)
Odstupující skupina: X- nebo –OSO2R, v kyselém prostředí může být i OH dobře
odstupující skupinou
Rozpouštědlo: polární protické (voda, alkohol, kyselina, atd.)
58
E2
Stereochemie: C-H a C-X vazby musí být anti (trans)
Substrát: 1°, 2° nebo 3°, pro 1° je nezbytná silná a stericky bráněná báze
Typ báze: vyžaduje silnou bázi (NaOR, NaNR2, také KOR, LiOR ad.)
Odstupující skupina: X- nebo –OSO2R
Rozpouštědlo: polární protické nebo aprotické
E1
Stereochemie: vzniká směs E, Z (podle termodynamické stability, viz Zajcevovo
pravidlo)
Substrát: 3° > 2° >> 1°, allylový nebo benzylový typ podléhá SN1, i když je primární
Báze: obecně slabá (H2O, ROH, H2SO4)
Odstupující skupina: X- nebo –OSO2R, v kyselém prostředí může být i OH dobře
odstupující skupinou
Rozpouštědlo: polární protické
Souhrn substitučních a eliminačních reakcí
!!!ZVÝŠENÁ TEPLOTA PODPORUJE ELIMINACI!!!
59
Souhrn substitučních a eliminačních reakcí
Nukleofily (místo Na může být i Li nebo K, R = uhlíkatá skupina)
Silné a bazické nukleofily: NaOH, NaOR, NaNH2, NaNR2, NaCCR
Silné a nebazické nukleofily: NaSH, NaSR, NaCN, NaN3, NaO2CR, NH3, NR3, X
Slabé a nebazické nukleofily: H2O, ROH, RCO2H
61
Řešené příklady
Ethanolát sodný jako stericky méně náročná báze poskytuje přednostně 2-
methylbut-2-en, což je termodynamicky stabilnější produkt, reakce probíhá
podle Zajcevova pravidla.
Naopak objemné báze, jako například t-BuOK, odštěpují přednostně stericky
méně bráněné atomy vodíku, což vede ke vzniku alkenu s menším počtem
substituentů na atomech dvojné vazby, v tomto případě 2-methylbut-1-enu.
62
Řešené příklady
Odhadněte, jakým mechanismem (SN1 nebo SN2, E1 nebo E2) bude reagovat 2-
bromhexan za uvedených podmínek. Doplňte hlavní produkty reakcí!
63
Řešené příklady
V přítomnosti alkoholátu, který je velice silnou zásadou a dobrým nukleofilem,
začne převažovat bimolekulární mechanismus a naprostá většina produktu
vznikne tímto mechanismem.
Můžeme očekávat, že reakce s methanolátem sodným povede spíše k eliminaci
a produkt substituce bude minoritním produktem.
64
2-Bromhexan může reagovat současně monomolekulárním i bimolekulárním
mechanismem - odstoupením bromidového anionu vzniká relativně stabilní
sekundární karbokation, současně také v molekule není velká sterická zábrana,
která by bránila průběhu bimolekulární reakce.
V přítomnosti slabé bazické a slabé nukleofilní látky, jakou je samotný methanol,
bude produkt substituce i eliminace vznikat monomolekulárním mechanismem,
protože rychlost konkurenčního bimolekulárního mechanismu bude snížena
nízkou bazicitou a nukleofilitou alkoholu.
Řešené příklady
65
Řešené příklady
Jakým mechanismem dochází k eliminaci?
Nemůže se vytvořit stabilizovaný kation, tudíž E1 je nemožný, je zde přítomna
silná báze, která podporuje E2 – E2 mechanismus
66
Jakým mechanismem dochází k eliminaci?
Vytváří se stabilní terciární karbokation (může dojít jak k E1 tak E2), ale není zde
žádná silná báze – E1 mechanismus
Řešené příklady
Vlastnosti
X X X X
vyšší stabilita, menší reaktivita ve srovnání s alifatickými uhlovodíky
menší ochota k SE, orientace - o, p
rozpouštědla, desinfekce, fungicidy, insekticidy, průmyslové intermediáty
73
HCB
Pesticid, fungicid
Výroba pyrotechniky
Cl
CCl3
Cl
DDT
x(Cl) (Cl)y
PCB
O
O
Clx Cly
dioxiny
74
Vlastnosti
Řeka Hudson byla v letech 1947 až 1977 zamořena 590t PCB
- 50% vyšší výskyt srdečního infarktu
- 36% vyšší výskyt ischemické choroby srdce 75
Vlastnosti
III. Substituce radikálová
Využití pro přípravu jinak těžko přístupných sloučenin
Sandmeyerova reakce
80
Příprava
Reakce usnadněna přítomností skupin s –M efektem
84
III. Substituce nukleofilní – adičně-eliminační reakce
Reaktivita
IV. Reakce katalyzované kovem (coupling reactions)
Ullmanova reakce
85
Reaktivita
C CH R´ R-X
Pd, L, Cu+, B
C CR R´ HX
R = Ar, alkenyl
Sonogashira coupling
Heckova reakce
R-X ´R
Pdo
B´R
R
86
Reaktivita
IV. Reakce katalyzované kovem (coupling reactions)
Procvičování
1. Jak připravíte z benzenu 1,3-dichlorobenzen ?
2. Co vznikne za produkty, pokud necháme reagovat chlorcyklohexan s
diethylesterem kyseliny malonové za bazické katalýzy a vzniklý produkt
následně okyselíme ?
3. Jakou karboxylovou kyselinu získáme, pokud necháme reagovat butan-2-on s
bromem v alkalickém prostředí?
4. Porovnejte reakční produkty při reakci kyanidových iontů s následujícími
sloučeninami:
ClCN
Cl
CN
87
88
5. Seřaďte následující substráty podle stoupající dispozice k SN1 reakci:
6. Seřaďte následující substráty podle jejich klesající dispozice k SN2 reakci:
a. fenylbromid, tert.butylbromid, neopentylbromid, isopropylbromid,
ethylbromid, methylbromid
b.
7. Proč aromatické uhlovodíky (např. benzen) nepodléhají klasické SN1 či SN2
reakci?
Procvičování
Cl
CH3
H3C
CH3 Cl
CH3
CH3
Cl
CH3
H3C
H
a. b. c.
Cl
Cl
Cl
a. b. c. d.
Cl
89
8. Které z uvedených reakcí budou probíhat:
Br
KF
F
KBr
Cl
KI
I
KCl
OH
HBr
Br
H2O
OH
HBr
Br
H2O
OH
NaOH
NaCl Cl
a)
b)
c)
d)
e)
Procvičování
90
9. Napište produkt reakce:
a. buten + chlorovodík
b. buten + brom
c. buten + NBS + záření
d. cyklohexylchlorid + octan sodný
e. butanol + SOCl2f. butanol + bromid fosforitý
g. toluen + chlor + chlorid hlinitý
h. toluen + chlor + záření
10. Napište hlavní produkt radikálové bromace pent-2-enu N-bromsukcinimidem.
Které další produkty mohou vznikat jako minoritní?
11. Který z derivátů bude při SN2 reakcích s OH- reagovat rychleji?
a. methylbormid, methyljodid
b. metylbromid, tertbutylbromid
c. methyljodid v metanolu nebo dimethylsulfoxidu
Procvičování
91
O
NaNO2
Tos
O
CN
Tos
OHHBr
H3C
H3C CH3
O CH3HCl
12. Určete hlavní produkty následujících reakcí:
a)
b)
c)
d)
Procvičování
92
13. Navrhněte reakční schéma pro přípravu
a. styrenu z benzenu a formaldehydu
b. 2-methylnaftalen z cyklohexanu
c. 1-chlorbutanu z 1-butenu
d. 2-brombutanu z 1-brombutanu
14. Jaký derivát vznikne:
a. dehydratací 2R,3S- diphenyl-pentan-2-olu?
b. dehydratací 1,3-butan-diolu
c. dehalogenací meso-2,3-dibrombutanu
d. Diels-Alderovou reakcí 1,4-benzochinonu s cyklopentadienem
Procvičování