If you can't read please download the document
Upload
buituyen
View
247
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Uniwersytet Medyczny im. Piastw lskich we Wrocawiu
Wydzia Farmaceutyczny z Oddziaem Analityki Medycznej
Katedra i Zakad Chemii Organicznej
PREPARATYKA ORGANICZNA
Skrypt dla studentw Farmacji
Uniwersytetu Medycznego
we Wrocawiu
Wrocaw 2014
2
Autorzy:
mgr Ewa Drozd-Szczygie
dr Henryk Mastalarz
dr Marcin Mczyski
dr in. Beata Tyliska
mgr Aleksandra Sochacka-wika
Opracowanie merytoryczne:
prof. dr hab. Stanisaw Ryng
UWAGI DO CZYTELNIKW
Przy przygotowaniu materiau do niniejszego skryptu autorzy zaoyli, e Czytelnik
zaznajomiony jest z podstawami teorii orbitali atomowych i czsteczkowych, teori wizania
chemicznego oraz termodynamik i kinetyk reakcji chemicznej. Zagadnienia te, cho niezwykle
istotne dla zrozumienia podstawowych zasad chemii organicznej, zostay pominite. Nie opisano take
zagadnie zwizanych z nomenklatur zwizkw organicznych, z ktrej podstawami student powinien
zapozna si samodzielnie.
Na kolokwiach i przy egzaminie standardem jest wymaganie, aby student prawidowo napisa
rwnanie kadej reakcji z uwzgldnieniem wspczynnikw stechiometrycznych oraz wszystkich jej
produktw, nawet takich jak woda. W obecnej wersji skryptu niektre schematy tego wymogu nie
speniaj, dlatego student powinien zwrci uwag na te niedokadnoci i uzupeni je samodzielnie.
Skrypt tylko do uytku wewntrznego studentw UMED.
3
SPIS TRECI
REAKCJA CHEMICZNA W CHEMII ORGANICZNEJ ................................................................. 7
Termodynamiczne uwarunkowania reakcji chemicznych ................................................................... 9
Uwarunkowania kinetyczne ............................................................................................................... 11
Kinetyczna lub termodynamiczna kontrola reakcji chemicznych ...................................................... 12
KARBOKATIONY, KARBOANIONY, WOLNE RODNIKI I KARBENY .................................. 14
Karbokationy ...................................................................................................................................... 14
Tworzenie si karbokationw ........................................................................................................ 15
Reaktywno karbokationw ......................................................................................................... 15
Karboaniony ....................................................................................................................................... 16
Tworzenie si karboanionw ......................................................................................................... 18
Reaktywno karboanionw .......................................................................................................... 18
Wolne rodniki ..................................................................................................................................... 19
Tworzenie si wolnych rodnikw .................................................................................................. 19
Reaktywno wolnych rodnikw ................................................................................................... 20
Karbeny .............................................................................................................................................. 21
Tworzenie si karbenw ................................................................................................................ 22
Reaktywnos karbenw ................................................................................................................. 22
WPYW STRUKTURY ZWIZKW ORGANICZNYCH NA ICH REAKTYWNO .......... 24
Efekt indukcyjny ................................................................................................................................ 24
Efekt mezomeryczny (rezonansowy) ................................................................................................. 26
Hiperkoniugacja (nadsprzenie) ....................................................................................................... 28
Efekty steryczne ................................................................................................................................. 29
Inne czynniki ...................................................................................................................................... 29
REAKCJE PRZYCZANIA (ADDYCJI) DO WIZA WIELOKROTNYCH WGIEL-
WGIEL ................................................................................................................................................ 30
4
Reaktywno wiza wielokrotnych .................................................................................................. 32
Regioselektywno reakcji przyczania ............................................................................................ 33
Reakcje ............................................................................................................................................... 34
REAKCJE PRZYCZANIA (ADDYCJI) DO WIZA WIELOKROTNYCH WGIEL-
HETEROATOM ................................................................................................................................... 39
EFEKT PODSTAWNIKOWY W PIERCIENIACH AROMATYCZNYCH ............................... 45
REAKCJE AROMATYCZNEJ SUBSTYTUCJI ELEKTROFILOWEJ....................................... 49
Reakcja halogenowania benzenu........................................................................................................ 50
Reakcje nitrowania zwizkw aromatycznych .................................................................................. 53
Reakcje sulfonowania zwizkw aromatycznych .............................................................................. 55
Reakcje alkilowania zwizkw aromatycznych ................................................................................. 56
Reakcje acylowania zwizkw aromatycznych ................................................................................. 57
ZWIZKI METALOORGANICZNE ................................................................................................ 59
Organiczne zwizki litu ...................................................................................................................... 59
Organiczne zwizki magnezu ............................................................................................................. 61
Organiczne zwizki cynku ................................................................................................................. 64
Organiczne zwizki sodu ................................................................................................................... 64
REAKCJE ALIFATYCZNEJ SUBSTYTUCJI NUKLEOFILOWEJ ............................................ 67
Reakcje SN1 ........................................................................................................................................ 67
Reakcje SN2 ........................................................................................................................................ 68
REAKCJE AROMATYCZNEJ SUBSTYTUCJI NUKLEOFILOWEJ ......................................... 70
ALKOHOLE I FENOLE ..................................................................................................................... 73
Waciwoci kwasowe i zasadowe alkoholi i fenoli .......................................................................... 73
Najwaniejsze reakcje alkoholi i fenoli ............................................................................................. 75
Metody otrzymywania alkoholi i fenoli ............................................................................................. 80
Otrzymywanie fenoli .......................................................................................................................... 82
5
ETERY I EPOKSYDY ......................................................................................................................... 83
Najwaniejsze reakcje eterw i epoksydw ....................................................................................... 83
Metody otrzymywania eterw ............................................................................................................ 85
SYNTEZY OPARTE NA REAKCJACH KONDENSACJI ............................................................. 87
Kondensacja aldolowa (ketolowa) ..................................................................................................... 88
Kondensacja Perkina .......................................................................................................................... 92
Kondensacja Claisena ........................................................................................................................ 93
Kondensacja Dieckmanna .................................................................................................................. 95
Synteza Skraupa ................................................................................................................................. 96
AMINY W SYNTEZIE ORGANICZNEJ .......................................................................................... 98
Otrzymywanie amin ........................................................................................................................... 98
Reakcja acylowania amin ................................................................................................................. 100
SOLE DIAZONIOWE W SYNTEZIE ORGANICZNEJ ............................................................... 102
Wymiana grupy diazoniowej............................................................................................................ 103
Reakcja sprzgania diazoniowego.................................................................................................... 105
UTLENIANIE ZWIZKW ORGANICZNYCH.......................................................................... 107
Reakcje utleniania wglowodorw .................................................................................................. 109
Reakcje utleniania alkoholi i fenoli .................................................................................................. 115
Reakcje utleniania aldehydw .......................................................................................................... 118
Reakcje utleniania ketonw ............................................................................................................. 119
Reakcje utleniania amin i zwizkw nitrozowych ........................................................................... 121
Reakcje utleniania aromatycznych zwizkw heterocyklicznych ................................................... 122
REDUKCJA ZWIZKW ORGANICZNYCH ............................................................................. 125
Metody redukcji ............................................................................................................................... 125
Ugrupowania ulegajce redukcji ...................................................................................................... 127
Reakcje redukcji wiza wielokrotnych pomidzy atomami wgla ............................................ 128
6
Reakcje redukcji grupy karbonylowej ......................................................................................... 131
Reakcje redukcji grupy karboksylowej oraz jej pochodnych ...................................................... 135
Reakcje redukcji zwizkw nitrowych ........................................................................................ 137
KWASY KARBOKSYLOWE I ICH POCHODNE W SYNTEZIE ORGANICZNEJ ............... 140
Kwasy karboksylowe ....................................................................................................................... 140
Waciwoci kwasowo-zasadowe grupy karboksylowej ............................................................. 140
Reakcje kwasw karboksylowych ............................................................................................... 141
Otrzymywanie kwasw karboksylowych .................................................................................... 144
Pochodne kwasw karboksylowych ................................................................................................. 147
Halogenki acylowe ...................................................................................................................... 147
Bezwodniki kwasowe .................................................................................................................. 151
Estry kwasw karboksylowych ................................................................................................... 153
Amidy .......................................................................................................................................... 158
Nitryle ............................................................................................................................................... 160
Reakcje nitryli .............................................................................................................................. 161
Otrzymywanie nitryli ................................................................................................................... 162
PRZEPISY PREPARATYWNE ........................................................................................................ 164
7
REAKCJA CHEMICZNA W CHEMII ORGANICZNEJ
Dr Henryk Mastalarz
Reakcj chemiczn nazywamy proces przebiegajcy z wytworzeniem lub rozerwaniem
co najmniej jednego wizania chemicznego. W przypadku zdecydowanej wikszoci reakcji
organicznych pocztkowe stadium polega na rozerwaniu przynajmniej jednego wizania
kowalencyjnego. Rozrniamy trzy gwne sposoby rozerwania takiego wizania a mianowicie:
homolityczne, czyli takie, w ktrym kady z fragmentw czsteczki powstaych po rozerwaniu
wizania dysponuje jednym elektronem, tworzcym uprzednio to wizanie; powstae w wyniku
tego procesu ugrupowania atomw nazywamy wolnymi rodnikami;
heterolityczne, czyli takie, w wyniku ktrego caa para elektronowa tworzca uprzednio wizanie
pozostaje przy jednym z fragmentw czsteczki. Ten produkt, ktry jest nonikiem pary
elektronowej nazywamy czynnikiem nukleofilowym a produkt bdcy potencjalnym akceptorem
pary elektronw- czynnikiem elektrofilowym;
pericykliczne, czyli zachodzce rwnoczenie z tworzeniem si innego, nowego wizania.
Gdy reakcja polega na tworzeniu si nowego wizania chemicznego wtedy jednego z jej
partnerw okrela si jako czynnik atakujcy a drugiego jako substrat. Substratem jest nazywana
zawsze ta czsteczka (jon, rodnik), ktry dostarcza atomu wgla do nowo utworzonego wizania. Gdy
reakcja polega na utworzeniu wizania wgiel-wgiel wtedy wybr czsteczki substratu jest spraw
umown.
Reakcje, w ktrych czynnikiem atakujcym jest nukleofil nazywamy reakcjami
nukleofilowymi (np. podstawienie nukleofilowe) a reakcje spowodowane atakiem czynnika
elektrofilowego- reakcjami elektrofilowymi (np. addycja elektrofilowa). Mechanizm reakcji
przebiegajcej z udziaem wolnych rodnikw nosi nazw rodnikowego a gdy tworzenie i rozrywanie
wiza zachodzi rwnoczenie wtedy mwimy o mechanizmie pericyklicznym.
Wikszo reakcji opisywanych w chemii organicznej to reakcje tzw. zoone, czyli takie, ktre
mona zapisa jako cig przebiegajcych sekwencyjnie reakcji prostych. Mimo i w chemii
organicznej znana jest ogromna liczba reakcji chemicznych to prawie wszystkie mona
przyporzdkowa jednemu z szeciu gwnych kategorii okrelonych wedug ich tzw. mechanizmu,
czyli ustalenia sekwencji reakcji prostych, ktre s jej skadnikami oraz opisu tworzcych si w czasie
jej trwania produktw porednich i ubocznych. S to:
1. Reakcje podstawienia (substytucji)
8
a) elektrofilowego
A X Y A Y X+ +
b) nukleofilowego
A X Y A Y X+ +
c) rodnikowego
A X Y A Y X + +
2. Reakcje przyczania (addycji) do wiza wielokrotnych
a) elektrofilowego
A X Y W A X
Y
W A X
Y
W
+ +
b) nukleofilowego
A X Y W A X
Y
W A X
Y
W
+ +
c) rodnikowego
A X Y W A X
YW
A X
Y
W
CH3
CH3
YW Y + +
-+
d) reakcja przyczania jednoczesnego (pericyklicznego)
A X
YWA X
YW
Na podanym przykadzie skadniki reakcji jednoczesnej A i W wchodz w skad tej samej
czsteczki, ale rwnie dobrze mog pochodzi od dwch rnych moleku.
9
3. Reakcje -eliminacji
A X
Y
W
A X W+
Y+ +
4. Reakcje przegrupowania
a) elektrofilowego (rzadko spotykane)
A X
W
A X
W
b) nukleofilowego (najczciej spotykane)
A X
W
A X
W
c) rodnikowego
A X
W
A X
W
5. Reakcje utlenienia/redukcji
Wikszo reakcji utleniania i redukcji zachodzi wedug mechanizmw opisanych powyej, ale
niektre nie daj si wpisa w ten schemat.
6. Reakcje bdce kombinacj powyszych procesw
UWAGA- strzaki na powyszych rysunkach oznaczaj zawsze przesunicie elektronw(u)
a nigdy jder atomowych ani adnego innego elementu czsteczki.
Termodynamiczne uwarunkowania reakcji chemicznych
Reakcja chemiczna zachodzi samorzutnie tylko wtedy, gdy sumaryczna entalpia swobodna
produktw jest mniejszy ni sumaryczna entalpia swobodna substratw (G reakcji musi mie warto
ujemn). Skadnikami entalpii swobodnej s entalpia i entropia reakcji wedug zalenoci
G= H- TS.
10
Zmiana entalpii reakcji jest w gruncie rzeczy rnic midzy entalpiami wiza (w tym entalpii
rezonansu czy solwatacji) midzy substratami a produktami, zatem moliwe jest jej obliczenie. Inaczej
jest ze zmian entropii, bdcej miar nieuporzdkowania (przypadkowoci) ukadu na zasadzie
im mniej uporzdkowania tym wysza entropia. Zgodnie z prawami przyrody preferowanym stanem
ukadu jest ten o moliwie maej sumarycznej entalpii oraz moliwie duej sumarycznej entropii
i reakcje chemiczne rwnie podlegaj tej zalenoci. W wielu przypadkach zmiany entropii ukadu
w wyniku reakcji s niewielkie, zatem za samorzutny jej przebieg odpowiedzialna jest w gwnej
mierze zmiana entalpii, jednake niekiedy czynnikiem dominujcym staj si efekty entropowe. Oto
kilka najpowszechniej spotykanych przykadw na potwierdzenie tej tezy:
1. Z reguy entropia gazw jest wiksza ni cieczy, za najmniejsz entropi wykazuj ciaa stae.
Zatem preferowana termodynamicznie jest kada reakcja, w ktrej np. substratami s ciecze
a co najmniej jeden z produktw jest gazowy.
2. Efekt entropowy reakcji, w ktrej liczba czsteczek substratw jest rwna lub mniejsza liczbie
czsteczek produktw (np. A+BC+D) jest zwykle niewielki w porwnaniu z reakcjami,
w ktrych liczba czsteczek produktw przewaa (np. AB+C). Zatem preferowane przez
czynnik entropowy s np. te reakcje, w ktrych dochodzi do fragmentacji czsteczki substratu na
dwie lub wicej czci. Warto przy tym zauway, e reakcje, w ktrych liczba moleku substratw
jest znacznie wiksza ni liczba produktw wykazuj spadek entropii, ktry musi by
z naddatkiem skompensowany przez zmniejszenie entalpii, aby reakcja taka moga zachodzi
samorzutnie.
3. Mimo i reakcje, w ktrych czsteczka rozpada si na dwa lub wicej fragmentw maj dodatni
efekt entropowy to wiele z nich nie zachodzi z powodu znacznego wzrostu entalpii. Przykadem
moe by rozpad etanu na dwa rodniki metylowe- rozerwaniu ulega wizanie C-C o energii ok. 79
kcal/mol a nie powstaje adne nowe wizanie, aby skompensowa tak znaczny wzrost entalpii.
Niemniej etan w rzeczywistoci ulega rozpadowi w bardzo wysokich temperaturach; w myl
zasady zmiany entropii s tym istotniejsze im bardziej wzrasta temperatura ukadu. Dzieje si
tak, poniewa czynnik entalpowy nie zaley od temperatury, podczas gdy skadnik entropowy
entalpii swobodnej maleje wprost proporcjonalnie do wzrostu temperatury absolutnej.
11
Uwarunkowania kinetyczne
Fakt, e dany proces chemiczny ma ujemn sumaryczn entalpi swobodn nie oznacza
automatycznie, e reakcja taka musi zaj w dajcym si przewidzie przedziale czasowym. Ujemna
warto G jest tu wprawdzie warunkiem koniecznym, lecz bynajmniej nie wystarczajcym.
Przykadowo reakcja H2+1/2O22H2O ma du ujemn warto Greakcji a mimo
to mieszanina tlenu z wodorem moe by przechowywana przez wiele stuleci bez adnych widocznych
oznak jej przebiegu. Dzieje si tak dlatego, e aby reakcja chemiczna zasza, trzeba najpierw
dostarczy jej energii pocztkowej zwanej entalpi swobodn aktywacji (Gakt). Ilustruje to wykres 1,
przedstawiajcy profil energetyczny prostej reakcji przebiegajcej bez tworzenia si produktw
porednich.
Wykres 1. Typowy profil energetyczny reakcji, ktrej produkty maj sumaryczn enegi swobodn
nisz ni substraty.
Gdy reakcja dojdzie do punktu odpowiadajcemu maksimum krzywej, pooenia wszystkich
atomw i elektronw biorcych w niej udzia nazywamy stanem przejciowym. Stan przejciowy moe
mie cile okrelon geometri i rozkad adunkw, ale trwa niemierzalnie krtko. Cay ukad
znajdujcy si w tym punkcie nazywamy kompleksem aktywnym, jego energi swobodn oznaczono
jako Gkpl.
Entalpia swobodna aktywacji skada si, podobnie jak kada entalpia swobodna zgodnie z jej
definicj, ze skadnika entalpowego i entropowego Gakt= Hakt-TSakt.
Entalpia aktywacji moe by zdefiniowana jako rnica midzy energi wiza w wyjciowych
czsteczkach a energi wiza ukadu w stanie przejciowym. Obrazuje ona konieczno czciowego
lub cakowitego zerwania wiza chemicznych w celu osignicia przez ukad stanu przejciowego.
12
Analogicznie entropi aktywacji zdefiniowa mona jako rnic entropii midzy substratami
reakcji a stanem przejciowym. Czynnik entropowy staje si istotny np. gdy do zajcia reakcji
niezbdne jest uoenie si dwch czsteczek w cile okrelonej orientacji przestrzennej. Czynnik ten
jest np. przyczyn trudnoci w przeprowadzeniu reakcji cyklizacji z utworzeniem piercieni wikszych
ni szecioczonowe.
Kinetyczna lub termodynamiczna kontrola reakcji chemicznych
W przypadku licznych reakcji organicznych substraty ulega mog, w zalenoci od warunkw
ich prowadzenia, rnym reakcjom konkurencyjnym dajcym w rezultacie kocowym odmienne
produkty. Oto najprostszy przykad tego typu reakcji:
CAB
Wykres 2 przedstawia jej przykadowy profil energetyczny:
Wykres 2. Profil energetyczny reakcji konkurencyjnych, ilustrujcy zjawisko kontroli
termodynamicznej i kontroli kinetyczej powstajcego produktu.
Produkt B jest produktem trwalszym termodynamicznie (GB< GC), lecz produkt C szybciej
si tworzy gdy ma mniejsz entalpi swobodn aktywacji. Jeeli adna z konkurencyjnych reakcji nie
jest odwracalna zwizek C bdzie si tworzy w wikszych ilociach. Innymi sowy powstawanie
produktu C jest kontrolowane kinetycznie. Gdyby jednak obie reakcje byy odwracalne sytuacja
mogaby okaza si odmienna. Oczywicie zatrzymanie obu reakcji zanim ukad osignie stan
13
rwnowagi nadal pozwolioby uzyska wicej szybko tworzcego si produktu C, lecz przeduenie
czasu ich trwania do momentu osigniecia stanu rwnowagi (lub nawet duej) spowodowaoby
otrzymanie wikszej iloci zwizku B, w skrajnym przypadku mgby on nawet by jedynym
wydzielonym produktem. Powstawanie produktu B okrela si czsto jako kontrolowane
termodynamicznie.
Literatura:
1. Michael B. Smith ,,Marchs Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms and Structure
7th Edition, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey 2013
14
KARBOKATIONY, KARBOANIONY, WOLNE RODNIKI I KARBENY
Dr Henryk Mastalarz
Zapocztkowanie reakcji organicznej rwnoznaczne jest z reguy z dostarczeniem takiej iloci
energii, ktra umoliwi powstanie krtko yjcych produktw porednich, w ktrych jeden z atomw
wgla ma wartociowo 2 lub 3. Wrd zwizkw wgla znane s cztery typy takich nietrwaych
produktw porednich: karbokationy, karboaniony, wolne rodniki i karbeny. Wrd nich jedynie
w karboanionach atom wgla dysponuje penym oktetem elektronw walencyjnych.
RC
+
R2
R1
RC
R2
R1
RC R1
RC
R2
R1
karbokation karboanion wolny rodnik karben
Schemat 1
Karbokationy
Karbokationy powstaj jako nietrwae produkty porednie w wielu reakcjach organicznych.
Najbardziej stabilne udaje si nawet niekiedy otrzyma w postaci staych soli, w roztworach mog
istnie zarwno jako wolne jony jak i jako pary jonowe. Te ostatnie dominuj zwaszcza
w rozpuszczalnikach niepolarnych. Z punktu widzenia teorii Lewisa karbokationy s kwasami.
Generalnie trwao prostych karbokationw zmienia si w sposb nastpujcy:
pierwszorzdowe
15
(a wic trudno tworzcych si) karbokationw nale metylowy CH3+, winylowy CH2=CH+ oraz
fenylowy C6H5+. Poniewa centralny atom wgla w karbokationach tworzy jedynie trzy wizania
chemiczne i nie posiada adnych innych elektronw walencyjnych, jego hybrydyzacja to sp2
a geometrycznie karbokation jest paskim trjktem.
Tworzenie si karbokationw
Znanych jest kilka podstawowych metod generowania karbokationw; zarwno tych trwaych
jak i nietrwaych. Najwaniejsze z nich to:
1. Bezporednia jonizacja- proces, w ktrym grupa funkcyjna poczona z atomem wgla
odchodzi wraz z wica par elektronow:
R-X R+ + X-
Przykadem tego typu reakcji moe by solwoliza niektrych halogenkw, siarczanw
i sulfonianw alkilowych.
2. Jonizacja zapocztkowana reakcj, ktra przeksztaca grup funkcyjn w tzw. grup
odchodzc. Przykadem moe tu by protonowanie alkoholi z wytworzeniem jonw
oksoniowych lub przeksztacanie amin I-rzdowych w sole diazoniowe:
R-OH + H+ R-OH2+ R+ + H2O
R-NH2 + HONO H2O + R-N2+ + OH- R+ + N2
3. Protonowanie alkenw lub alkinw, np:
R-CH=CHR + H+ R-CH2-CH+-R
4. Protonowanie (lub przyczenie innego naadowanego dodatnio czynnika) do wizania
podwjnego wgiel- heteroatom C=X (X to zazwyczaj O, S lub N):
RRC=X + H+ RRC+-XH
Reaktywno karbokationw
Karbokationy ulegaj zasadniczo czterem typom reakcji chemicznych.
1. Mog reagowa z innymi czsteczkami atomami posiadajcymi niewice pary elektronowe
(zasadami Lewisa), czyli z nukleofilami.
16
R+ + Y- R-Y
Reakcje tego typu s bardzo szybkie, ich stae szybkoci s rzdu 1012 s-1.
2. Mog oddawa protony (rzadziej inne dodatnio naadowane jony) z utworzeniem obojtnych
elektrycznie czsteczek:
C+
HA AH
++
Oba powysze typy reakcji prowadz do utworzenia stabilnych produktw. Dwie kolejne
reakcje polegaj na utworzeniu karbokationw o innej budowie
3. Mog ulega przegrupowaniom:
Przegrupowania polegaj zwykle na migracji atomu wodoru (rzadziej grupy alkilowej czy
arylowej) wraz z wic par elektronow na centralny, dodatnio naadowany atom karbokationu,
co prowadzi do przemieszczenia adunku dodatniego w obrbie jego czsteczki. Typowym przykadem
jest tu przegrupowanie I-rzdowego karbokationu alkilowego do trwalszego, II-rzdowego, np:
CH3 CH2+
HH
CH3C
+
CH3
H
4. Mog ulega przyczaniu do wiza wielokrotnych, wytwarzajc adunek dodatni w nowym
pooeniu:
R+ C
+R+
Oczywicie nowe karbokationy, powstajce w wyniku reakcji 3 lub 4, bd ulega dalszym
reakcjom tak dugo dopki nie utworz stabilnej struktury; zazwyczaj odbywa si to na drodze reakcji
typu 1 lub 2.
Karboaniony
Z formalnego punktu widzenia karboanion to trjwizalny atom wgla posiadajcy woln,
niewic par elektronw i obdarzony adunkiem -1. W rzeczywistoci jedynie nieliczne
karboaniony nie maj w swojej strukturze dodatkowej grupy funkcyjnej, stabilizujcej adunek
ujemny. Czynnikiem stabilizujcym moe tu by zarwno delokalizacja adunku w wyniku rezonansu
17
jak i nakadanie si niewicej pary elektronowej karboanionu z orbitalami d ssiedniego atomu lub
z innymi niezapenionymi orbitalami atomu metalu.
Z powodu posiadania wolnej pary elektronowej kady karboanion jest zasad Lewisa.
Tworzenie prostych alkilowych karboanionw jest procesem stosunkowo rzadkim, o wiele
czciej zdarza si tworzenie wizania spolaryzowanego wizania wgiel-metal, w ktrym atom wgla
jest nonikiem czstkowego adunku ujemnego. Czsteczki zwizkw organicznych zawierajce
w swojej strukturze wizania wgiel-metal nazywamy zwizkami metaloorganicznymi (patrz str. 59).
Zwizki te o wzorze oglnym R3C-M (gdzie M to zazwyczaj atom litu, magnezu, rzadziej
innego metalu) traktowa mona jako namiastki karboanionw, bowiem znaczna wikszo ich reakcji
przebiega tak jakby byy rdami karboanionw. W odrnieniu od karbokationw proste
karboaniony alkilowe s bardzo niestabilne zarwno w roztworze jak i w fazie gazowej, dopiero
pewne szczeglne cechy struktury mog ow stabilno zwikszy. Najwaniejsze z nich to:
1. Sprzenie wolnej pary elektronowej z ukadem wiza wielokrotnych
C
R
Y R1
R2 R
Y R1
R2
W tym przypadku karboanion jest stabilizowany przez rezonans z elektronami wizania
wielokrotnego. Efekt ten odpowiedzialny jest za stabilno karboanionw typu benzylowego
i allilowego. Jeszcze silniejszy efekt stabilizujcy obserwuje si w przypadku sprzenia wolnej pary
elektronowej karboanionu z wizaniami podwjnymi typu C=N i C=O
2. Zwikszony udzia orbitalu s w hybrydyzacji karboanionowego atomu wgla, w wyniku czego
jego niewica para elektronowa znajduje si bliej jdra atomowego.Tak tumaczy si np.
malejc stabilno karboanionw w szeregu:
C CR C CH
R1
R2
Ar R CH2> ~ >
3. Stabilizacja w wyniku efektu indukcyjnego. Podstawniki elektroujemne generalnie zwikszaj
stabilno karboanionw dziki zwikszonej moliwoci delokalizacji adunku ujemnego.
4. Niektre karboaniony s szczeglnie stabilne gdy dziki adunkowi ujemnemu uzyskuj
aromatyczno. Najbardziej znanym przykadem jest tu anion cyklopentadienylowy:
18
CH
Struktura geometryczna prostych karboanionw jest prawdopodobnie tetraedryczna, jednak
wikszo obserwowanych karboanionw jest stabilizowana przez rezonans (np. jak w pkt. 1
powyej), co powoduje znaczne spaszczenie ich czsteczek.
Tworzenie si karboanionw
Znane s dwa gwne sposoby generowania karboanionw:
1. Oderwanie dodatnio naadowanej grupy funkcyjnej od atomu wgla; odchodzc grup
funkcyjn jest z reguy proton a czynnikiem odrywajcym odpowiednia zasada:
R-H R- + H+
2. Przyczenie anionu do wizania wielokrotnego wgiel-wgiel:
Y C Y+
Reaktywno karboanionw
Karboaniony ulegaj trzem gwnym typom reakcji. S to:
1. Koordynacja woln par elektronow do nonikw adunku dodatniego (najczciej jest nim
proton) lub innych czsteczek z niezapenionym orbitalem na powoce walencyjnej (kwasw
Lewisa):
R- + Y+ R-Y
Reakcj tego typu jest take np. tworzenie wizania z innymi atomami wgla obdarzonymi
czstkowym adunkiem dodatnim.
2. Reakcja z innym czterowizalnym atomem wgla polegajca na zastpieniu jednego
z podstawnikw:
R- + R3C-X R4C + X-
Reakcje tego typu nazywamy podstawieniem (substytucj) nukleofilowym.
19
3. Przyczanie do wiza wielokrotnych (zwykle do wizania podwjnego C=O grupy
karbonylowej) z wytworzeniem innego anionu:
O
RR
OX+ +
Wolne rodniki
Wolne rodniki (nazywane najczciej po prostu rodnikami) mona zdefiniowa jako czsteczki
chemiczne zawierajce w swojej strukturze jeden lub wicej niesparowanych elektronw. Podobnie
jak karboaniony i karbokationy, proste wolne rodniki alkilowe s bardzo reaktywne i nietrwae, ich
czas ycia w roztworach jest czsto niemierzalnie krtki a w fazie gazowej tylko nieco duszy.
Analogicznie jak w przypadku karbokationw, stabilno wolnych rodnikw wzrasta w szeregu:
pierwszorzdowe
20
Niemal kady zwizek organiczny poddany dziaaniu dostatecznie wysokiej temperatury
w fazie gazowej moe by rdem wolnych rodnikw. Dla wiza o energii 20-40 kcal/mol moliwe
jest nawet ich termiczny rozpad w fazie ciekej. Typowymi przykadami tego typu reakcji s rozpady
czsteczek nadtlenkw acylowych oraz azozwizkw pod wpywem temperatury:
R O
O
O R
O
R O
O
R
N N RR R
T2
-CO22
T2 + N2
Schemat 2
2. Fotochemiczny rozpad wizania chemicznego
Typowym przykadem tego typu reakcji mog by fotochemiczny rozpad czsteczek chloru
oraz rozpad ketonw w fazie gazowej:
Cl2 Cl
RR
O
C R
O
R
2
+
Schemat 3
Rodniki tworzy si mog take w wyniku reakcji innych rodnikw z czsteczkami zwizkw
organicznych oraz jako produkty reakcji utleniania bd redukcji, take tych prowadzonych metodami
elektrochemicznymi.
Reaktywno wolnych rodnikw
Reakcje wolnych rodnikw prowadz albo do powstania produktw nierodnikowych (takie
reakcje nazywamy reakcjami terminacji) albo do utworzenia innych rodnikw, ktre z uwagi
na posiadanie niesparowanego elektronu musz ulega kolejnym przeobraeniom (tzw. reakcje
propagacji). Najprostsz reakcj terminacji jest poczenie si dwch wolnych rodnikw w jedn
czsteczk:
21
R + R R-R
Najczciej spotykanymi reakcjami propagacji s:
1. Usunicie innej grupy funkcyjnej lub atomu (zazwyczaj wodoru) z czsteczki zwizku
organicznego, np.:
R + R-H R-H + R
2. Przyczenie rodnika do wizania wielokrotnego
R C R+
3. Rozpad rodnika, np.:
O
O
O
O
PhPh
O
O
Ph
C T2
-CO22
Schemat 4
Karbeny
Karbeny s wysoce reaktywnymi czsteczkami, w ktrych jeden dwuwizalny atom wgla
dysponuje dwoma niewicymi elektronami. Niewice elektrony karbenu mog si znajdowa
na jednym orbitalu (by sparowane) lub na dwch rnych (pozosta niesparowane). Oba te stany
elektronowe nazywamy odpowiednio singletowym, (gdy sumaryczny spin obu elektronw jest rwny
0, zgodnie z regu Hunda), lub trypletowym, (gdy sumaryczny spin obu niesparowanych elektronw
moe przybiera trzy wartoci: -1, 0 lub +1). W zalenoci od metody generowania oraz budowy
otrzyma mona karben w stanie singletowym bd trypletowym. Najprostszy karben :CH2 tzw.
metylen zwykle tworzy si jako czsteczka w stanie singletowym lecz ma tendencj do przechodzenia
w stan tripletowy (o nieco niszej energii), podczas gdy analogiczny dichlorokarben :CCl2 istnieje
wycznie w stanie singletowym.
Geometria czsteczki karbenu nie pozwala rozstrzygn jednoznacznie o hybrydyzacji atomu
wgla. Wyznaczony spektroskopowo kt miedzy wizaniami H-C-H dla metylenu w stanie
singletowym wynosi ok. 103, podczas gdy analogiczny kt midzy wizaniami w metylenie
trypletowym wynosi ok. 136.
22
Tworzenie si karbenw
Karbeny uzyskuje si zazwyczaj przy pomocy jednej z dwch metod:
1. W wyniku tzw. -eliminacji kolejno: podstawnika bez wicej pary elektronowej (zazwyczaj
jest nim proton) a nastpnie drugiego podstawnika wraz z wic par elektronow
(zazwyczaj jest nim jon fluorowca):
H
Cl
R
RC
Cl
R
RC
R
R
-H+ -Cl-
Najbardziej znanym przykadem tego typu reakcji jest generowanie dichlorokarbenu w wyniku
dziaania silnej zasady na chloroform
2. Rozpad niektrych zwizkw zawierajcych wizanie podwjne:
Y C + Y
Przykadami mog tu by fotoliza ketenu lub rozkad diazometanu:
CH2 C O CH2
CH2 N+
N CH2
+ CO
+ N2
Schemat 5
Reaktywnos karbenw
Karbeny mog ulega wielu rnym typom reakcji, wrd ktrych najczciej spotykane s:
1. Przyczanie dowiza wielokrotnych, np.:
H2C:+
Schemat 6
2. Reakcja insercji midzy wizania C-H np.:
23
H2C:CH3CH3CH3
CH3
CH3
CH3 CH3+ +
Schemat 7
Jest to reakcja bardzo charakterystyczna dla karbenw, nie daje jej jednak np. dichlorokarben.
3. Rozmaite reakcje przegrupowania, np.:
CH
CH R
O
O C C CH3H
Schemat 8
Przegrupowanie karbenw acylowych do ketenw nazywane jest przegrupowaniem Wolffa.
4. Odrywanie atomw wodoru od czsteczek zwizkw organicznych z wytworzeniem dwch
rodnikw, np:
CH2 CH3 CH3 CH3
CH3 CH2 + +
Schemat 9
Tak reagowa mog wycznie karbeny w stanie trypletowym ze wzgldu na ich
dwurodnikow struktur elektronow.
Literatura:
1. Michael B. Smith ,,Marchs Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms and Structure
7th Edition, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey 2013
24
WPYW STRUKTURY ZWIZKW ORGANICZNYCH NA ICH
REAKTYWNO
Dr Henryk Mastalarz
Wiele zwizkw organicznych, mimo pozornych podobiestw w budowie, rni si midzy
sob reaktywnoci. Niekiedy rnice te s tak due, e uniemoliwiaj zajcie konkretnej reakcji lub
prowadz do otrzymania zupenie rnych jej produktw. Dzieje si tak, poniewa na reaktywno
atomu (lub atomw) bdcych centrum danej reakcji wpywaj take pozostae atomy czsteczki.
Wpyw struktury zwizku organicznego na jego reaktywno podzieli mona na trzy gwne
typy:
1. efekt indukcyjny oraz cile z nim zwizany tzw. efekt pola (w literaturze anglojzycznej
nazywany field effect);
2. efekt mezomeryczny (rezonansowy);
3. efekty steryczne.
Efekt indukcyjny
Wizanie C-C w etanie jest wizaniem niespolaryzowanym (idealnie kowalencyjnym),
poniewa czy dwa atomy o identycznej elektroujemnoci. Wystarczy jednak podstawi przy jednym
z atomw wgla inny, znacznie rnicy si elektroujemnoci, atom (np. atom chloru), aby
spowodowa czciowe spolaryzowanie takiego wizania. Wizanie C-C w chloroetanie jest wic
czciowo spolaryzowane
+ + -
CH3 CH2 Cl
a jego polaryzacja jest sum dwch efektw:
Pierwszy to zmniejszenie gstoci elektronowej na atomie wgla grupy metylenowej CH2,
bezporednio zwizanym z atomem Cl, spowodowane wiksz elektroujemnoci chloru. Efekt ten jest
czciowo kompensowany nieznacznym przesuniciem elektronw wizania C-C w kierunku atomu C
grupy metylenowej, na ktrym wystpuje deficyt elektronw. Rezultatem jest spolaryzowanie tego
wizania (ma ono charakter tzw. dipola indukowanego) i pojawienie si niedoboru elektronw
(czciowego dodatniego adunku) take na atomie wgla grupy metylowej CH3, niezwizanej
bezporednio z elektroujemnym chlorem.
25
Taka polaryzacja wizania chemicznego spowodowana bliskoci innego wizania
spolaryzowanego nazywana jest efektem indukcyjnym. Efekt ten jest najsilniejszy w przypadku
wiza bezporednio ze sob ssiadujcych, ale moe by take zauwaalny przypadku wiza
bardziej oddalonych; w przypadku chloroetanu daje si np. zauway take nieznaczn polaryzacj
wiza C-H grupy metylowej. Efekt indukcyjny uwaa si za zaniedbywalnie may w przypadku
odlegoci wikszej ni trzy wizania od grupy funkcyjnej powodujcej polaryzacj.
Drugi efekt, oddziaywanie polarnych grup funkcyjnych nie za porednictwem wiza
chemicznych, ale bezporednio przez przestrze, nazywany jest efektem pola. Zwykle rozrnienie
skutkw dziaania kadego z tych efektw z osobna jest trudne, czsto w pimiennictwie chemicznym
s wic one traktowane cznie i nazywane w jzyku polskim efektem indukcyjnym (w literaturze
anglojzycznej efektem pola). Istniej jednak wane powody do twierdzenia, e efekt pola
ma znacznie wikszy wpyw na gsto elektronowej czsteczki ni efekt indukcyjny. Przykadem
szczeglnie silnego efektu pola jest np. wewntrzczsteczkowe wizanie wodorowe.
Wszystkie grupy funkcyjne obecne w czsteczce mona podzieli ze wzgldu na wywierany
efekt indukcyjny na dwie zasadnicze grupy: zabierajce elektrony (-I), wywierajce ujemny efekt
indukcyjny) i oddajce elektrony (+I), wywierajce dodatni efekt indukcyjny); podstaw do takiego
uszeregowania jest zwykle porwnanie wpywu danej grupy funkcyjnej na rozkad elektronw
w czsteczce z wpywem atomu wodoru, ktry uznaje si za pozbawiony efektu indukcyjnego.
Potocznie okrela si grupy funkcyjne jako elektronodonorowe (+I) i elektronoakceptorowe (-I) cho
w rzeczywistej czsteczce nie obserwuje si adnego oddawania ani przyjmowania elektronw ale
raczej znieksztacenie gstoci elektronowej lub zmian jej rozkadu. Terminy oddawanie:
i zabieranie elektronw s jedynie wygodnymi w uyciu okreleniami, przybliajcymi rnic
w rozkadzie elektronw spowodowan rnicami elektroujemnoci midzy danym podstawnikiem
a hipotetycznym atomem H, podstawionym zamiast rozwaanego podstawnika (atomu lub grupy
funkcyjnej). Tabela 1 zawiera najczciej spotykane podstawniki uszeregowane pod wzgldem siy
wywieranego efektu indukcyjnego.
26
+I -I
O- NR3+ COOH OR
COO- SR2+ F COR
CR3 NH3+ Cl SH
CHR2 NO2 Br SR
CH2R SO2R I OH
CH3 CN COOR Ar
Tabela 1. Efekt indukcyjny wybranych podstawnikw w porwnaniu do atomu wodoru. Podstawniki
zostay uszeregowane wedug zmniejszania si wywieranego wpywu.
Wikszo grup funkcyjnych to, w porwnaniu z atomem wodoru, grupy
elektronoakceptorowe. Grupami elektronodonorowymi s przede wszystkim te obdarzone adunkiem
ujemnym, atomy o maej elektroujemnoci (Si, Li, Mg) oraz, w wikszoci przypadkw, grupy
alkilowe. Znanych jest jednak cay szereg reakcji, w ktrych grupy alkilowe wykazuj w porwnaniu
z atomem wodoru, tendencj do zabierania elektronw.
Efekt mezomeryczny (rezonansowy)
Wiele czsteczek zwizkw organicznych moe by z wystarczajc dokadnoci opisanych
przez tzw. struktury Lewisa- diagramy opisujce atomy, wizania oraz niewice pary elektronowe.
Struktury te uwidoczniaj kady atom obecny w czsteczce przez uycie jego symbolu chemicznego,
wizania kowalencyjne midzy atomami wyobraone s w postaci kresek (zamiennie moe by uyta
para kropek) a niewice elektrony walencyjne przedstawia si zwykle w postaci pary kropek
(zamiennie moe by uyta kreska) narysowanych w pobliu atomu, do ktrego nale. Jednak
w przypadku wielu innych czsteczek ta metoda zawodzi z uwagi na obecno w nich tzw. wiza
zdelokalizowanych. Najbardziej znanym przykadem tego typu molekuy jest czsteczka benzenu.
1 2 3 4 5
Schemat 1
Wzory kanoniczne czsteczki benzenu. Strzakami o dwch grotach oznacza si istnienie
rezonansu pomidzy poszczeglnymi strukturami granicznymi.
27
W opisie czsteczki tzw. metod wiza walencyjnych brane s pod uwag wszystkie struktury
graniczne (wzory Lewisa) bdce czciowym odzwierciedleniem rzeczywistej struktury czsteczki
(tzw. struktury graniczne) a ona sama jest uwaana za redni waon tych struktur. Ten sposb
przedstawiania struktury elektronowej nazywamy rezonansem, podobnie jak sam fakt stabilizujcego
efektu delokalizacji wiza chemicznych. Zaznaczy przy tym naley, e rezonans nie polega
bynajmniej na szybkim przeskakiwaniu czsteczki z jednej struktury granicznej w kolejn
a struktury kanoniczne 1 i 2 oraz wzory Dewara 3, 4 i 5 w schemacie 1 s jedynie przyblieniem
rzeczywistego rozkadu elektronw.
Metody obliczeniowe mechaniki kwantowej wykazay, e energia obliczona dla czsteczki
benzenu przy zaoeniu urednienia granicznych stanw elektronowych 1-5 jest nisza od energii
obliczonej dla ktrejkolwiek ze struktur granicznych. T rnic energii nazywamy energi rezonansu.
Obliczenia wykonane metod wiza walencyjnych wykazay 39% udzia kadej ze struktur 1
i 2 oraz 7.3% udzia kadej ze struktur 3-5 w rzeczywistej strukturze elektronowej benzenu. Rzd
wizania (ilo par elektronowych tworzcych wizanie) midzy bezporednio poczonymi ze sob
atomami wgla w czsteczce benzenu obliczono jako rwny 1.463.
W chemii organicznej znane s trzy podstawowe typy struktur, wykazujcych zjawisko
delokalizacji elektronw:
1. Ukad tzw. sprzonych wiza wielokrotnych (podwjnych lub potrjnych)
Ukad tego typu wystpuje w omawianym wczeniej piercieniu benzenu, ale moliwy jest
take w czsteczkach acyklicznych, takich jak np. 1,3-butadien. W rzeczywistej strukturze
elektronowej tego zwizku udzia maj nastpujce struktury graniczne:
CH2 CHCH
CH2 CH2+
CH
CH
CH2 CH2+
CH
CH
CH2
1 2 3
Schemat 2
Udzia struktur granicznych 2 i 3 (schemat 2) w rzeczywistej strukturze elektronowej
czsteczki butadienu w stanie podstawowym jest niewielki, zatem jej stabilizacja w wyniku rezonansu
praktycznie nie ma miejsca. Jednak to dziki nim czsteczka butadienu jest planarna (paska).
2. Sprzenie wizania wielokrotnego (podwjnego lub potrjnego) z orbitalem typu p
ssiedniego atomu.
28
Typowym przykadem moe chlorek winylu CH2=CH-Cl. Cho orbitale p atomu chloru
s zapenione, mog si nakada z orbitalami wizania podwjnego jak na poniszym rysunku:
Struktury graniczne chlorku winylu przedstawi mona nastpujco:
CH2 CHCl CH2 CH
Cl+
Schemat 3
Innym przykadem tego typu efektu jest delokalizacja karbokationu, karboanionu i wolnego
rodnika allilowego:
CH2 CHCH2
+CH2
+CH
CH2
CH2 CHCH2 CH2 CH
CH2
CH2 CHCH2
CH2 C
HCH2
Schemat 4
Hiperkoniugacja (nadsprzenie)
Terminem tym okrela si wzajemne oddziaywanie elektronw wizania typu (zazwyczaj
C-H lub C-C) z ssiednim pustym (lub czciowo wypenionym) orbitalem typu p lub . Efekt ten jest
zazwyczaj uywany do wyjanienia stabilizacji stanw przejciowych (np. karbokationw alkilowych
lub wolnych rodnikw) i wyjania ich trwao w zalenoci od rzdowoci atomu wgla. Przykadem
moe by stabilizacja karbokationu izopropylowego:
CH3CH
+
CH3 CH3CH CH2
H+
CH3CHCH2
H+
Schemat 5
29
Efekty steryczne
Niejednokrotnie zdarza si, e reakcja zwizku organicznego zachodzi znacznie szybciej lub
znacznie wolniej ni mona by oczekiwa rozwaajc jedynie jej uwarunkowania elektronowe.
Dobrym przykadem moe tu by estryfikacja 2,6-dwupodstawionych pochodnych kwasu
benzoesowego. Niezalenie od efektu indukcyjnego i mezomerycznego obecnych w czsteczce
podstawnikw zachodzi ona bardzo trudno w porwnaniu z ich dwupodstawionymi analogami,
w ktrych przynajmniej jedna z pozycji 2 lub 6 pozostaje niezajta. Uzna zatem naley,
e podstawniki w tych pozycjach stanowi przeszkod steryczn utrudniajc normalny przebieg
reakcji. Potwierdzeniem tego wniosku jest fakt, e na podobne trudnoci napotyka take reakcja
hydrolizy takich 2,6-dwupodstawionych benzoesanw.
Inne czynniki
Pord innych czynnikw wpywajcych na szybko i kierunek reakcji organicznej wymieni
naley jej warunki zewntrzne takie jak cinienie czy rodzaj uytego rozpuszczalnika (bd jego brak).
Literatura:
1. Michael B. Smith ,,Marchs Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms and Structure
7th Edition, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey 2013
30
REAKCJE PRZYCZANIA (ADDYCJI) DO WIZA WIELOKROTNYCH
WGIEL-WGIEL
Dr Henryk Mastalarz
Addycja do wiza wielokrotnych wgiel-wgiel moe zachodzi wedug jednego z czterech
podstawowych mechanizmw. Trzy z nich s procesami dwuetapowymi, inicjowanymi przez atak
czynnika nukleofilowego, elektrofilowego lub wolnego rodnika, w czwartym nastpuje jednoczesny
(symultaniczny) atak reagenta na obydwa atomy wizania wielokrotnego. O tym, ktry
z mechanizmw zachodzi w przypadku konkretnej reakcji decyduje z reguy budowa substratu
i czynnika atakujcego oraz warunki prowadzenia reakcji. Niektre reakcje przyczania mog
zachodzi, w zalenoci od ww. czynnikw, wedug kadego z czterech mechanizmw podstawowych.
1. Przyczanie elektrofilowe
W reakcjach tego typu pierwszym etapem jest atak reagenta kationowego (czsto protonu)
na wizanie wielokrotne oraz utworzenie nowego wizania w wyniku skoordynowania pary
eketronw przez czynnik elektrofilowy:
Etap 1: Y
+ C+
Y
+powoli
Etap 2: C
+Y
Y
W+ W-
W przypadku niektrych reakcji tego typu, zwaszcza gdy czynnikiem elektrofilowym jest
kation bromoniowy, stan przejciowy moe mie budow cykliczn:
Br BrBr
+Br
31
2. Przyczanie nukleofilowe
W pierwszym etapie tej reakcji czynnik nukleofilowy tworzy wizanie z jednym z atomw
wgla wizania wielokrotnego przy pomocy swojej pary elektronw niewicych z wytworzeniem
nietrwaego karboanionu, ktry w drugim etapie tworzy trway produkt kocowy w reakcji
z czynnikiem kationowym:
Etap 1: Y C
Y
+
Etap 2: C
YY
W+ W+
Reakcji tego typu szczeglnie atwo ulegaj alkeny o budowie >C=C-Z gdzie Z jest grup
aktywujc, zawierajc wizanie wielokrotne wgiel heteroatom lub heteroatom-heteroatom (np.
>C=O, -COOR, -CONH2, CN, -NO2, -SOR itp.) . Czynnik nukleofilowy czy si wtedy zawsze
z wglem nie poczonym bezporednio z grup Z, gdy utworzony w ten sposb karboanion jest
stabilizowany przez rezonans, np:
O
Y C
O
Y
O
Y
H+
O
Y
H
+
Reakcje tego typu okrela si w pimiennictwie chemicznym ADDYCJAMI MICHAELA.
3. Przyczanie rodnikowe
Wytworzony w wyniku innego procesu chemicznego wolny rodnik moe wstpi w reakcj
z alkenem bd alkinem:
Etap 1. Y C
Y
+
32
Etap 2. C
Y Y
WW Y Y
+ +
Etap drugi zwizany jest z reguy przeniesieniem jednego atomu, wic W jest niemal zawsze
jednowizalnym atomem- fluorowcem lub atomem wodoru.
4. Przyczanie o mechanizmie cyklicznym
W reakcjach tego typu oba atomy wgla wizania podwjnego reaguj jednoczenie a reakcja
przebiega na og z wytworzeniem czterocentrowego stanu poredniego:
Y W WY
Najwaniejsz reakcj tego typu jest reakcja Dielsa-Aldera.
5. Addycja do ukadu wiza sprzonych
Gdy reakcja przyczania zachodzi wedug mechanizmu elektrofilowego, w przypadku zwizku
z dwoma sprzonymi wizaniami podwjnymi otrzymuje si zwykle, obok produktu przyczenia
1,2, take drugi produkt bdcy rezultatem przyczenia 1,4:
Y+
C+
Y
C+
Y
W
Y
W+
Reaktywno wiza wielokrotnych
Podstawniki elektronodonorowe obecne przy wizaniu podwjnym C=C generalnie zwikszaj
jego podatno na przyczanie o mechanizmie elektrofilowym, obecno podstawnikw
elektronoakceptorowych ow podatno zmniejsza. W przypadku przyczania nukleofilowego
zaleno jest odwrotna, tego typu reakcje zachodz najchtniej z alkenami zawierajcymi trzy lub
cztery ugrupowania elektronoakceptorowe np. F2C=CF2 lub (NC)2C=C(CN)2. Zaleno jest tak
33
wyrana, e mona sformuowa ogln zasad: proste alkeny nie ulegaj przyczaniu
nukleofilowemu a policyjano- i polifluorowcoalkeny nie reaguj wedug mechanizmu elektrofilowego.
Zwizki posiadajce przy wizaniu wielokrotnym aktywujc grup typu Z (patrz wyej) niemal
zawsze ulegaj przyczeniu wedug mechanizmu nukleofilowego. Dowiadczalnie stwierdzono
ponadto, e wizanie podwjne jest na og bardziej podatne na przyczenie o mechanizmie
elektrofilowym od potrjnego, w przypadku przyczenia nukleofilowego zaleno jest odwrotna.
Przyczanie typu rodnikowego zachodzi moe z substratem kadego typu a gwnym
czynnikiem wpywajcym na jego szybko jest stenie wolnych rodnikw.
Regioselektywno reakcji przyczania
REGIOSELEKTYWNO definiuje si w chemii organicznej jako skonno do takiego
przebiegu tworzenia bd rozrywania wiza chemicznych ktry jest preferowany wzgldem innych
moliwoci.
Gdy niesymetryczny reagent ulega reakcji przyczenia do niesymetrycznego substratu
moliwe jest teoretycznie powstanie dwch rnych produktw reakcji. Praktyka wskazuje,
e w przypadku przyczania elektrofilowego jeden z teoretycznie moliwych produktw uzyskiwany
jest zwykle w znacznej przewadze lub wrcz wycznie. Jego budow mona przewidzie posugujc
si tzw. REGU MARKOWNIKOWA, ktra gosi: dodatnio naadowany fragment reagenta czy
si z tym atomem wgla wizania wielokrotnego, z ktrym poczonych jest wicej atomw wodoru
np:
CH3 CHCH2 H Cl CH3 CH
CH2
Cl
H
CH3 CHCH2
H
Cl
+
Tego typu regioselektywno spowodowana jest faktem, e reakcj rozpoczyna atak czynnika
elektrofilowego, co prowadzi musi do powstania bardziej trwaego (a wic o niszej energii)
karbokationu. W przypadku propenu bdzie to karbokation drugorzdowy:
34
CH3 CHCH2 CH3 CH
+CH2H
CH3 CHCH2
+H
H++
II rz, trwalszy I rz, mniej trway
std taka a nie inna budowa produktu kocowego.
Gdy addycja przebiega wedug mechanizmu wolnorodnikowego o jej przebiegu decyduj
przede wszystkim wzgldy steryczne, np. dla substratu o budowie CH2=CHR podstawieniu ulega
najpierw atom wgla grupy metylenowej niezalenie od rodzaju wolnego rodnika lub budowy grupy
R. W przypadku wolnorodnikowego (np. katalizowanego nadtlenkami) przyczania HBr oznacza
to, e reakcja przebiega bdzie niezgodnie z regu Markownikowa:
CH2
R
HBr C
CH2
R
H
BrCH2
R
H
Br
H Br +HBr
+
Naley jednak zaznaczy, e przeprowadzenie addycji wolnorodnikowej fluorowcowodoru
moliwej jest jedynie w przypadku HBr. Takie fluorowcokwasy jak HI, HCl, i HF ulegaj zawsze
przyczaniu wedug mechanizmu elektrofilowego.
Reakcje
Oprcz przyczania fluorowcowodorw najwaniejszymi z preparatywnego punktu widzenia
reakcjami przyczania do wiza wielokrotnych wgiel-wgiel s:
1. Przyczanie wody do wiza wielokrotnych
H OSO2OH H OHH+
HSO4-
H2O+ H2SO4
Przyczanie wody do wizania potrjnego Reakcja przyczania wody do wizania
podwjnego zachodzi pod wpywem katalizatora kwasowego a jej kierunek jest zwykle zgodny
z regu Markownikowa. Najczciej uywanym katalizatorem jest kwas siarkowy, ale stosowane by
mog take inne kwasy, ktrych aniony s sabymi nukleofilami, takie jak kwas nadchlorowy,
azotowy, tolueno- lub metanosulfonowy. Mechanizm tej reakcji jest zawsze elektrofilowy, rozpoczyna
35
j atak protonu na wizanie alkenu. Generowany w ten sposb karbokation jest nastpnie atakowany
przez pochodzcy od kwasu anion ( w przypadku kwasu siarkowego jest nim HSO4-), w wyniku czego
jako przejciowy produkt powstaje ester uytego kwasu, ktry z reguy atwo hydrolizuje
w rodowisku reakcji cho czasem moliwe jest jego wyizolowanie.
H
OHH
H
O
Hg2+ Hg
+
OH2+
Hg+
OH+H2O+Hg2+
tautomeryzacja
-H+
+H+
+ Hg2+
Reakcja przyczanie wody do wizania potrjnego jest z reguy katalizowana rozpuszczalnymi
solami rtci (np. octanem lub siarczanem). Powstajcy jako produkt przejciowy zwizek
rtcioorganiczny jest nietrway i szybko hydrolizuje do nienasyconego alkoholu- enolu, ktry
nastpnie tautomeryzuje do odpowiedniego ketonu. Jedynie przyczanie wody do acetylenu powoduje
powstanie aldehydu. W przypadku niesymetrycznych alkinw zwykle powstaj oba moliwe ketony.
Moliwe jest take przeprowadzenie tej reakcji przy uyciu mocnych kwasw, bez uycia katalizatora
rtciowego. Proste alkiny mog by przeksztacane w ketony w wyniku ogrzewania w kwasie
mrwkowym.
W analogiczny sposb addycji do wiza podwjnych ulegaj alkohole i fenole, przy czym
reakcje te mog by katalizowane zarwno kwasami jak zasadami, produktami takiej addycji
s odpowiednie etery. Rwnie kwasy karboksylowe i sulfonowe mog ulega reakcji przyczania
do wiza wielokrotnych, przy czym jako katalizatorw tej reakcji uy mona zarwno mocnych
kwasw Bronstedta jak i kwasw Lewisa. Produktami s odpowiednie estry, w przypadku addycji
do wizania potrjnego s to estry enoli.
2. Przyczanie wodoru do wiza wielokrotnych
Reakcja ta omwiona jest w rozdziale o redukcji zwizkw organicznych (patrz str. 128).
36
3. Przyczanie borowodoru do wiza wielokrotnych
W poczeniu z pniejszym utlenianiem reakcja ta jest dogodnym sposobem otrzymywania
alkoholi. Zostaa omwiona w rozdziale powiconym alkoholom i fenolom na stronie 81.
4. Przyczanie fluorowcw
W wikszoci przypadkw przyczanie do wiza podwjnych bromu i chloru zachodzi atwo.
Szybko reakcji przyczania jodu jest z reguy duo mniejsza, dodatkowi wicynalne dijodopochodne
s najczciej nietrwae i rozkadaj si z wydzieleniem jodu i odtworzeniem alkenu. Mechanizm
przyczenia fluorowcw jest z reguy elektrofilowy, cho stosujc promieniowanie UV lub inicjatory
wolnych rodnikw mona przeprowadzi addycj wolnorodnikow. Przyczanie fluoru moe
zachodzi jedynie w niskich (ok. -80C) temperaturach, w temperaturach wyszych zachodzi
jednoczesna reakcja podstawiania, co prowadzi do uzyskania mieszaniny produktw.
5. Przyczanie kwasw podfluorowcowych
Tlenowe kwasy fluorowcw na +1 stopniu utlenienia (HOCl, HOBr i HOI) ulegaj addycji
do alkenw tworzc tzw. fluorowcohydryny (np. chlorohydryny). HOBr i HOCl otrzymuje si in situ
dziki reakcji wody z chlorem bd bromem, utworzenie HOI wymaga obecnoci czynnika
utleniajcego np. HIO3. Mechanizm tej reakcji jest elektrofilowy, przy czym z uwagi na silnie
elektroujemny charakter tlenu czynnikiem atakujcym jest w niej odpowiedni kation halogeniowy
(chloroniowy Cl+ , bromoniowy Br+) tworzcy si w wyniku heterolitycznego rozpadu wizania tlen-
fluorowiec. Analogiczna reakcja prowadzona w rodowisku alkoholi prowadzi do otrzymania
fluorowcoeterw.
X OH(R)R(H)OH
X2
6. Przyczanie zwizkw fluorowcoorganicznych
Fluorowcopochodne alkilowe i acylowe ulegaj addycji do wiza podwjnych w obecnoci
mocnych kwasw Lewisa, najczciej uywanym katalizatorem jest w tym przypadku bezwodny
AlCl3. Reakcji ulegaj III- i II-rzdowe fluorowcoalkany, a z I-rzdowych jedynie te, ktre w reakcji
37
z katalizatorem mog ulec przegrupowaniu do trwalszego karbokationu. Fluorowcopochodne etylu
i metylu s wic w tym przypadku niereaktywne.
X R
X R
O
R-X
AlCl3
RCO-Cl
AlCl3
7. Reakcja Dielsa- Aldera
Jest to reakcja addycji do ukadu sprzonych wiza podwjnych takich jak 1,3-dieny.
Ulegaj jej tzw. dienofile, ktrymi najczciej s zwizki nienasycone w ktrych wizanie podwjne
sprzonej jest z ugrupowaniem Z wykazujcym silny ujemny efekt indukcyjny i/lub mezomeryczny
(Z= -CHO, -COR, COOR, -CN, NO2 itp.). Reakcja ta zachodzi moe bez udziau katalizatora,
ale uycie kwasw Lewisa lub Bronstedta albo nawietlanie promieniami UV moe zwikszy
jej szybko.
z z
+
Szczegowe omwienie wanych z punktu widzenia teorii chemii organicznej uwarunkowa
stereochemicznych i elektronowych reakcji Dielsa-Aldera przekracza zakres tego opracowania.
8. Addycja karbenw
Karbeny ulegaj addycji do wiza podwjnych wgiel z utworzeniem pochodnych
cyklopropanu:
H H
+ :CH2
38
Literatura:
1. Michael B. Smith ,,Marchs Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms and Structure
7th Edition, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey 2013
39
REAKCJE PRZYCZANIA (ADDYCJI) DO WIZA WIELOKROTNYCH
WGIEL-HETEROATOM
Dr Henryk Mastalarz
Niemal wszystkie tego typu reakcje organiczne polegaj na addycji do wizania podwjnego
wgiel-tlen, wgiel-azot oraz wgiel-siarka albo do potrjnego wizania wgiel-azot. Mechanizmy
tego typu addycji s zwykle znacznie prostsze ni przyczenia do wiza wielokrotnych wgiel-
wgiel, albowiem wizania C=O, C=N i CN s silnie spolaryzowane ze wzgldu na znaczn rnic
elektroujemnoci tworzcych je atomw. Atom wgla posiada w nich niemal zawsze czstkowy
adunek dodatni (Uwaga- wyjtkiem s tu izocyjaniany N=C=O ) wic nie ma wtpliwoci
co do kierunku reakcji asymetrycznego przyczania do tego typu wiza- czynnik nukleofilowy
zawsze czy si z atomem C a czynnik elektrofilowy z atomem azotu lub tlenu. Reakcje przyczania
do wizania podwjnego C=S zachodz znacznie rzadziej i mona niekiedy w ich przypadku
zaobserwowa odwrotny kierunek (tzw. addycja tiofilowa).
Reakcje przyczenia do wizania wgiel-heteroatom omwione zostan na przykadzie
najczciej spotykanej addycji do grupy karbonylowej, cho pamita naley, e zachodz one take
w przypadku jej siarkowych oraz azotowych analogw C=S i C=N-R. W wikszoci s to reakcje
odwracalne i rozpoczynaj si albo od ataku czynnika nukleofilowego, np:
A B
O Y O
A B
Y OH
A B+ Y-
powoli H+
Schemat 1
albo od ataku czynnika elektrofilowego (z reguy protonu), np:
A B
O
C+
OH
A B
Y OH
A B+H+
szybko powoli+Y-
Schemat 2
Najwaniejszymi z punktu widzenia syntezy organicznej tego typu reakcjami jest addycja
wody lub alkoholi do grupy karbonylowej aldehydw i ketonw, prowadzca odpowiednio
do tworzenia geminalnych dioli lub hemiacetali/hemiketali:
40
R R'(H)
O OH OR"(OH)
R R'(H)+R''(H)-OH
H+
Schemat 3
W zalenoci od charakteru grup A i B oraz warunkw prowadzenia reakcja zachodzca
od ataku nukleofilowego moe zatrzyma si na etapie prostej substytucji lub przebiega dalej wedug
schematu 6. W przypadku reakcji aldehydw i ketonw z alkoholami prowadzi to do otrzymania
odpowiednio acetali i ketali:
R R'(H)
O R''O OR"
R R'(H)+ 2R''OH
H++ H2O
Schemat 4
Kolejne reakcje adduktu mog zachodzi take wedug tzw. mechanizmu tetraedrycznego,
prowadzc w efekcie do utworzenia produktu podstawienia:
R X
O O
A Y
Y O
A X+Y- +X
-
Schemat 5
Podobne podstawienie niejednokrotnie zachodzi rwnie w przypadku reakcji zapocztkowanej
przez atak czynnika elektrofilowego:
R X
O O
R YC
+OH
R X
OH
R X
YC
+OH
R Y+X-+H+ +Y- +H+
Schemat 6
W niektrych przypadkach produkty addycji reagowa mog dalej take wedug jednego
z poniszych schematw:
Y
O
W
HA OH
Y W Y
A
W+AH2
-H2O
Schemat 7
41
Y
O
W
A OH
Y W
A
Y W
X+AH
X-+OH-
Schemat 8
Najwaniejszymi reakcjami zachodzcymi wedug mechanizmu tetraedrycznego s nastpujce
reakcje:
1. Hydroliza i alkoholiza pochodnych kwasw karboksylowych (chlorkw kwasowych,
bezwodnikw, estrw i amidw)
RCOX + HOHRCOOH +HX (patrz str. 147)
RCOX + ROHRCOOR +HX
RCOR + HOHRCOOH +ROH
RCOR + ROHRCOOR + ROH (reakcja transestryfikacji) (patrz str. 154)
RCONR2 + HOHRCOOH + R2NH (R= H, alkil, aryl)
RCOOCOR + HOH2RCOOH
RCOOCOR + ROHRCOOH + RCOOR
2. Estryfikacja kwasw karboksylowych
RCOOH + ROHRCOOR + H2O (patrz str. 153)
3. Reakcje kwasw karboksylowych i ich pochodnych z aminami
RCOOH + R2NH RCONR2 + H2O (patrz str. 141)
RCOX + 2R2NH RCONR2 + R2NH2+X- (patrz str.148)
RCOOR + R2NH RCONR2 +OH
RCOOCOR+ R2NH RCONR2 + RCOOH
4. Reakcja kwasw karboksylowych z chlorkiem tionylu
RCOOH + SOCl2RCOCl + SO2 + HCl (patrz str. 141)
5. Reakcja chlorkw kwasowych z solami kwasw karboksylowych
RCOX + RCOO- RCOOCOR (patrz str. 151-152)
42
Wedug mechanizmu addycji do wizania wgiel-heteroatom zachodz natomiast nastpujce
reakcje, wane z punktu widzenia preparatyki organicznej:
1. Hydroliza wizania podwjnego C=N
w takich zwizkach jak zasady Schiffa, hydrazony, oksymy czy semikarbazony.
2. Hydroliza nitryli (patrz str. 161)
Podobna reakcja, prowadzona w rodowisku bezwodnego alifatycznego alkoholu I-rzdowego
(tzw. alkoholiza), prowadzi do przeksztacenia nitryli w estry. W przypadku uycia alkoholi II- i III
rzdowych zachodzi konkurencyjna reakcja Rittera (patrz str. 44).
3. Addycja amin do aldehydw lub ketonw
Reakcja amoniaku ze zwizkami zawierajcymi grup karbonylow nie prowadzi do
wydzielenia adnych trwaych produktw. W przypadku uycia amin I- i II rzdowych moliwe jest
wydzielenie stabilnych produktw- imin (zasad Schiffa) lub enamin.
O
RR
OH NHR1R
R
NR1R
R
NR1R2R
R
R1NH2 -H2OR1R2NH
iminaenamina
4. Addycja, hydroksyloaminy lub monopodstawionych pochodnych hydrazyny do grupy
karbonylowej
Obie reakcje zachodz z utworzeniem wizania podwjnego C=N i wydzieleniem czsteczki
wody. Ich produktami s odpowiednio oksymy lub (podstawione bd niepodstawione) hydrazony.
Gdy reakcja aldehydu z hydroksyloamin zostanie przeprowadzona w rodowisku kwasu
mrwkowego wwczas produktem kocowym jest nitryl.
43
O
R R(H)
N
R R(H)
NHRN
R R(H)
OH
RNHNH2+ H2O
NH2OHH2O +
oksym hydrazon
HCOOH-H2O
RCN
5. Reakcja grupy karbonylowej z PCl5
Alifatyczne aldehydy i ketony ulegaj pod wpywem piciochlorku fosforu przeksztaceniu
w geminalne dichloropochodne. Reakcj t zapocztkowuje atak jonu PCl4+ na atom tlenu grupy
karbonylowej, po czym do karbonylowego atomu wgla ulega przyczeniu anion chlorkowy.
O OPCl4C
+
Cl OPCl4 Cl Cl+ PCl4
+- POCl3Cl-
6. Przyczanie zwizkw magnezo- i litoorganicznych do grupy karbonylowej lub wizania
wielokrotnego wgiel-azot
Reakcje te zostay omwione w rozdziale powiconym zwizkom metaloorganicznym (patrz
str. 59).
7. Przyczanie karboanionw do grupy karbonylowej
Reakcje tego typu zostay omwione w rozdziale powiconym reakcjom kondensacji (patrz
str. 87).
8. Reakcja grupy karbonylowej z cyjanowodorem lub cyjankami
Produktem reakcji aldehydw i ketonw z cyjanowodorem lub cyjankami metali alkalicznych
s cyjanohydryny, ktre nastpnie mona hydrolizowa do kwasw - hydroksykarboksylowych.
Z uwagi na odwracalno reakcji tworzenia cyjanohydryn wydajnoci w przypadku ketonw
alifatyczno-aromatycznych s niewielkie, a ketony dwuaromatyczne w ogle nie ulegaj tej reakcji.
O OH CN OH COOH+ HCN
H+
2 H2O+ NH4
+
44
Aldehydy aromatyczne ulegaj pod wpywem cyjankw metali alkalicznych reakcji tzw.
kondensacji benzoinowej:
O
Ar H
O
Ar H
CNC
Ar
NC
OH
O
Ar H H Ar
Ar
O
OHCN
H
Ar
Ar
OH
O
+ CN- +
- CN-
benzoina
9. Addycja alkoholi do grupy nitrylowej (reakcja Rittera)
Alkohole II i III-rzdowe oraz niektre I-rzdowe (benzylowe, allilowe) ulegaj
katalizowanemu kwasowo przyczeniu do potrjnego wizania wgiel-azot z utworzeniem
N-monopodstawionych amidw. Proste alkohole I-rzdowe nie ulegaj reakcji Rittera, poniewa
nie s zdolne do wygenerowania wystarczajco trwaych karbokationw w reakcji z kwasem.
R CNR C
+N
R'R C N
R'OH
R C NH
R'O
R'-OHH+
H2O + R'+H2O
tautomeryzacja
+ H+
Literatura:
1. Michael B. Smith ,,Marchs Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms and Structure
7th Edition, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey 2013
45
EFEKT PODSTAWNIKOWY W PIERCIENIACH AROMATYCZNYCH
Dr Marcin Mczyski
W niepodstawionej czsteczce benzenu wszystkie atomy wgla i wodoru s rwnocenne.
Ta rwnocenno zostaje naruszona w momencie pojawienia si w piercieniu jakiegokolwiek
podstawnika. Pojawiaj si wtedy dwa rwnocenne pooenia w pozycji 2 (orto), dwa oddzielone
od podstawnika jednym atomem wgla identyczne pooenia 3 (meta) oraz jedno najbardziej oddalone
od podstawnika w pozycji 4 (para). Obecno jednego podstawnika w czsteczce nie tylko znosi
rwnocenno atomw, ale wpywa na zdolno czsteczki do przyjcia drugiego podstawnika. Ten
wpyw podstawnika nazywa si wpywem kierujcym i polega na uatwieniu lub utrudnieniu dalszego
podstawienia oraz na kierowaniu wchodzcego atomu lub grupy w odpowiednie pooenie w stosunku
do miejsca zajmowanego przez podstawnik. Podstawniki lub grupy znajdujce si w piercieniu mog
zwiksza szybko reakcji podstawienia elektrofilowego w porwnaniu do odpowiedniej szybkoci
w niepodstawionej czsteczce benzenu, nazywamy podstawnikami aktywujcymi piercie, a te, ktre
odpowiednio zmniejszaj szybko, dezaktywujcymi. Podstawniki, ktre aktywuj piercie czyni
go bardziej reaktywnym ni benzen, a te, ktre dezaktywuj, czyni go mniej reaktywnym
od niepodstawionego benzenu.
Zalenie od rodzaju podstawnika znane s dwa rne sposoby kierowania kolejnego
podstawnika, a mianowicie kierowanie w pooenia 2 (orto) i 4 (para) oraz 3 (meta). Pozycje
te przedstawiono na schemacie 1. Podstawniki kierujce w pozycje orto i para nazywane byy
podstawnikami pierwszego rodzaju. Obecnie nazywane s podstawnikami aktywujcymi (wikszo)
oraz dezaktywujcymi (tylko chlorowce) kierujcymi w pozycje orto i para. Do tej kategorii nale
podstawniki posiadajce woln par lub pary elektronw na atomie zwizanym z piercieniem
aromatycznym. Nale tu wszystkie grupy aktywujce, dostarczajce elektrony do piercienia
i stabilizujce karbokation, np. -O-, -NR2, -NHR, -NH2, -OH, -OR, -OCOR, -NHCOR, -SH, -CH=CH2,
-CH3, -C6H5, -CR3, oraz niektre grupy dezaktywujce, wycigajce elektrony z piercienia
i destabilizujce karbokation, np. chlorowce, -CH2Cl, -CH=CH-COOH, -CH=CH-NO2.
Podstawniki kierujce w pozycj meta nazywane byy podstawnikami drugiego rodzaju.
Obecnie nazywa si je podstawnikami dezaktywujcymi kierujcymi w pozycj meta. Zaliczamy tutaj
podstawniki posiadajce peny lub czstkowy adunek dodatni na atomie zwizanym z piercieniem
aromatycznym, np. -CO-R-, -CHO, -COOR, -CONH2, -COOH, -SO3H, -CN, -NO2, -CCl3, -CF3, -
NH3+.
46
Xortoorto
meta meta
para
Schemat 1
Podstawnik obecny w piercieniu benzenowym wpywa na reaktywno i orientacj
w omawianych niej typach substytucji elektrofilowej. Efekty elektronowe s kontrolowane poprzez
efekt indukcyjny, efekt mezomeryczny (rezonansowy) oraz poprzez wpyw sprzenia i efekty
przestrzenne. Efekt indukcyjny (zwizany z elektroujemnoci atomw i polarnoci wiza, jest
przenoszony przez wizania ). Efekt rezonansowy (mezomeryczny) zwizany jest z nakadaniem si
orbitali p podstawnika oraz piercienia aromatycznego i jest przenoszony przez wizania .
Im wiksz ruchliwo wykazuje wolna para elektronowa podstawnika, tym wikszy jest jej efekt
rezonansowy i silniejsze sprzenie. Efekt ten maleje ze wzrostem elektroujemnoci atomu pierwiastka
ulegajcego sprzeniu N>O>chlorowce. Wywnioskowa mona, e im bardziej elektroujemny jest
pierwiastek, tym silniej przyjmuje on wolne pary elektronowe i tym atwiejsza jest ich ruchliwo.
Oba te efekty mog wystpowa jednoczenie i wpywa sumarycznie bd przeciwnie
do siebie. Wana jest take sia danego efektu, bo to ona czasem moe determinowa wpyw kierujcy.
Halogeny indukcyjnie wycigaj elektrony z piercienia (efekt silny), a rezonansowo oddaj elektrony
do piercienia. Grupy karbonylowe, nitrylowe, nitrowe indukcyjnie oraz rezonansowo wycigaj
elektrony z piercienia (efekt silny). Grupy alkilowe indukcyjnie dostarczaj elektrony do piercienia
(efekt saby) oraz nie wykazuj efektu rezonansowego. Grupy hydroksylowa, alkoksylowa, aminowa
rezonansowo dostarczaj elektrony do piercienia (efekt silny), a indukcyjnie wycigaj elektrony
z piercienia.
Poniej przedstawiono reakcj nitrowania metoksybenzenu, czyli anizolu (schemat 2) oraz
reakcj bromowania nitrobenzenu (schemat 3).
47
Schemat 2
Schemat 3
Uznajc, e pozycje orto i para w reakcjach podstawienia elektrofilowego s rwnocenne oraz,
e w monopodstawionym piercieniu benzenowym s dwie pozycje orto i jedna para naley
spodziewa si powstania izomeru orto w dwukrotnie wikszej iloci ni izomeru para. Z bada
wynika, e stosunek izomeru orto do izomeru para jest zwykle mniejszy ni dwa, a czasami mniejszy
od jednego, tumaczy si to wpywami przestrzennymi obecnego w piercieniu podstawnika, ktry
uatwia bd utrudnia wejcie nowego podstawnika w pozycj orto. Na efekt przestrzenny skadaj si
efekty przesaniania, przestrzennego zahamowania rezonansu oraz elektrostatycznego oddziaywania
podstawnika na wstpujc grup. Oddziaywanie to polega na elektrostatycznym przyciganiu si obu
grup (powstaje wicej izomeru orto) lub odpychaniu (powstaje wicej izomeru para). Przykadem
48
s reakcje nitrowania aniliny oraz acetanilidu w kwasie octowym. W przypadku aniliny otrzymujemy
mieszanin izomerw o-nitroaniliny i p-nitroaniliny, a w przypadku acetanilidu w 90% otrzymujemy
p-nitroacetanilid. Grupa acetyloaminowa swoja wielkoci zasania pozycje orto i utrudnia atak
elektrofila na t pozycj powodujc powstanie tylko izomeru para.
Generalnie mona stwierdzi, e sumaryczny wpyw obecnego w piercieniu podstawnika
na reakcje substytucji elektrofilowej zaley od wszystkich opisanych efektw.
Literatura:
1. J. McMurry ,,Chemia organiczna PWN, Warszawa 2007
2. R. T. Morrison, R. N. Boyd ,,Chemia organiczna PWN, Warszawa 1985
3. P. Mastalerz ,,Chemia organiczna PWN, Warszawa 1986
4. B. Bobraski Chemia organiczna PWN, Warszawa 1992
5. T. Drapaa Chemia organiczna PWN, Warszawa 1986
49
REAKCJE AROMATYCZNEJ SUBSTYTUCJI ELEKTROFILOWEJ
Dr Marcin Mczyski
Reakcje aromatycznej substytucji elektrofilowej s reakcjami charakterystycznymi
dla wszystkich piercieni aromatycznych. Do reakcji tego typu zaliczamy: halogenowanie, nitrowanie,
sulfonowanie, alkilowanie oraz acylowanie piercienia aromatycznego. Reakcje te przebiegaj wedug
podobnego mechanizmu. Przykadowe reakcje bd przedstawiane na podstawowym ukadzie
aromatycznym benzenie. Piercie benzenu posiada sze elektronw w cyklicznym ukadzie
wiza skoniugowanych (sprzonych). Elektrony s uoone prostopadle do paszczyzny piercienia
(poniej i powyej). W reakcjach tego typu benzen jest donorem elektronw (zasad Lewisa,
nukleofilem).
Dotychczasowe badania dokadnie scharakteryzoway czsteczk benzenu (Schemat 1):
jest on gwnie hybryd rezonansow dwch rwnowanych tzw. struktur Kekulego;
dugo wizania C-C odpowiada ok.1,5 wizania chemicznego;
jego czsteczka ma jedn struktur;
struktury rezonansowe rni si jedynie pooeniem elektronw w czsteczce;
rne struktury rezonansowe nie musz by rwnocenne;
im wicej znale mona takich struktur granicznych tym czsteczka jest bardziej stabilna.
50
Schemat 1
Reakcja halogenowania benzenu
Bezporednie halogenowanie piercienia aromatycznego odnosi si tylko do otrzymywania
chloro- i bromopochodnych. Fluoropochodne otrzymuje si porednio poprzez sole diazoniowe
a jodopochodne w reakcji z udziaem aktywatora.
Reakcja bromowania czy chlorowcowania przebiega w trzech etapach z udziaem katalizatora
(FeBr3, FeCl3) (Schemat 2):
tworzenie czynnika elektrofilowego, katalizator powoduje, e czsteczka halogenu staje si
w wyniku polaryzacji bardziej elektrofilowa.
utworzenie karbokationu (produktu przejciowego Whelanda, kompleksu )
niearomatycznego produktu poredniego opisanego za pomoc trzech struktur
rezonansowych. Jest to etap powolny, warunkujcy szybko reakcji.
eliminacja H+ .
51
Br2 Br- - Br+ + FeBr3 Br3Fe-.Br.Br+
saby elektrofil silny elektrofil
Br
HBr
H H
BrBr2
FeBr3+
+
+ +
Br
+ HBr
Schemat 2
Reakcja jodowania piercienia aromatycznego przebiega z udziaem aktywatora. Aktywator
ulega przemianie chemicznej w czasie reakcji i musi by uyty w stechiometrycznych ilociach. Jako
aktywatory stosowane s rodki utleniajce lub wicych wydzielajcy si jodowodr. I2 nie jest
reaktywny w stosunku do piercienia aromatycznego i dlatego ulega utlenieniu pod wpywem
aktywatora do kationu jodkowego I+, ktry reaguje dajc produkty substytucji (Schemat 3).
I2 + Cu2+
I+
Cu+
I+
H
I
I
I
I
2 2 + 2
+
+
2 + HI
+ 3I2 + 2HNO3 + 4H2O + 2NO
+ 3I2 + HgO + H2O + HgI2
6
2
6
2
Schemat 3
52
Halogenowanie alkilowych pochodnych benzenu wobec katalizatorw daje mieszanin orto
i para halogenopochodnych. Czynnikami wpywajcymi na powstanie wielohalogenowej pochodnej
s podwyszona temperatura i nadmiar halogenu.
Chlorowcowanie alkilowych pochodnych benzenu podczas nawietlania w podwyszonej
temperaturze i bez katalizatora przebiega wedug mechanizmu rodnikowego i prowadzi do mieszaniny
chlorku benzylu, chlorku benzylidenu oraz chlorku benzylidynu (Schemat 4). Podobny mechanizm
obserwujemy podczas reakcji bromowania z udziaem N-bromoimidu kwasu bursztynowego (NBS)
(Schemat 5).
CH3
Cl2
hv
CH2Cl CHCl2 CCl3
+ +
Schemat 4
CH2CH2CH3
N
O
O
Br
(PbCO2)2, CCl4CH CH2CH3
Br
+
NBS(N-bromoimid kwasu bursztynowego)
(1-bromopropylo)benzen
Schemat 5
Natomiast chlorowanie czy bromowanie alkilowych pochodnych benzenu wobec kwasw
Lewisa jako katalizatorw prowadzi do powstania mieszaniny 2- i 4- halogenotoluenw. W reakcji
chlorowania toluenu otrzymujemy mieszanin 2-chlorotoluenu oraz 4-chlorotoluenu (Schemat 6).
CH3
Cl2
FeCl3
CH3Cl
CH3
Cl
+
Schemat 6
53
Zwizki heterocykliczne picioczonowe (pirol, furan, tiofen) ulegaj reakcji chlorowcowania
atwiej ni benzen. Pirydyna, chinolina i ich pochodne reaguj trudniej. Fenol i aminy aromatyczne
pod wpywem wody bromowej tworz 2,4,6-trjbromopochodne. 4-bromofenol otrzymujemy
w wyniku bromowania fenolu w roztworze dwusiarczku wgla w niskiej temperaturze, natomiast
2-bromo czy 2-chlorofenole otrzymujemy z odpowiednich chlorowcoanilin poprzez reakcj
dwuazowania i zagotowania soli dwuazoniowej. Aby otrzyma pochodne aniliny o mniejszej liczbie
atomw chlorowca naley najpierw grup aminow zabezpieczy przez acylowanie, a nastpnie
przeprowadzi reakcj bromowania i hydroliz (Schemat 7).
NH2 NHCOCH3 NHCOCH3
Br
NH2
Br
Br2 H 2O(CH3CO)2O
Schemat 7
Reakcje nitrowania zwizkw aromatycznych
Zwizki aromatyczne ulegaj reakcji nitrowania. Jeeli grupa nitrowa zajmuje miejsce atomu
wodoru mamy do czynienia z nitrowaniem bezporednim, a gdy podstawiamy inn grup ni atom
wodoru mwimy o nitrowaniu porednim. Czynnikiem elektrofilowym jest kation nitroniowy (kation
nitroilu) NO2+, ktry powstaje z kwasu azotowego V w wyniku protonowania i utraty czsteczki wody
lub rozpadu innych zwizkw typu X-NO2 (piciotlenek azotu, azotany acylowe). Najczciej rdem
jonw nitroniowych s kwas azotowy o rnym steniu czy mieszanina nitrujca (mieszanina
stonego kwasu azotowego i stonego kwasu siarkowego w rnych steniach)
Reakcja jonu nitroniowego z benzenem jest reakcj egzotermiczn. W pierwszym etapie
powstaje produkt poredni karbokation (podobnie jak w reakcji halogenowania), z ktrego
eliminowany jest kation wodorowy H+ tworzc nitrobenzen (Schemat 8).
54
H
NO2
NO2
HNO3 + H2SO4 NO2 HSO4
NO2+
+
+
++
-+ H2O
+H3O
+
Schemat 8
Nitrobenzen z nadmiarem mieszaniny nitrujcej i w podwyszonej temperaturze prowadzi
do powstania 1,3-dinitrobenzenu oraz 1,3,5-trinitrobenzenu. Alkilowe pochodne benzenu ulegaj
atwiej reakcji nitrowania ni benzen, dajc mieszaniny 2- i 4-nitro pochodnych. Z kolei fenol ulega
nitrowaniu wedug innego mechanizmu. Synteza monopodstawionego nitrofenolu (orto lub para)
przebiega w obecnoci rozcieczonego kwasu azotowego V. Czynnikiem elektrofilowym jest jon
nitrozoniowy, ktry powstaje z kwasu azotowego III (obecnego w kwasie azotowym V), ktry atakuje
piercie aromatyczny tworzc nitrozofenol, a ten zostaje utleniona za pomoc kwasu azotowego V
do nitrofenolu (Schemat 9).
OHOH
H NO
OH
NO
OH
NO2
HNO2 + H H2O + NO
HNO3
++
Schemat 9
Nitrujc fenol przy uyciu mieszaniny nitrujcej otrzymamy 2,4,6-trinitrofenol (kwas
pikrynowy). Nitrowanie amin za pomoc czynnikw nitrujcych nie daje zadowalajcych efektw,
gdy grupa aminowa jest wraliwa na dziaanie czynnikw utleniajcych. Dlatego te grup aminow
poddaje si reakcji acylowania, w celu zabezpieczenia grupy aminowej i dopiero acylow pochodn
poddaje si reakcji nitrowania. Z aniliny otrzymujemy acetanilid, ktry w reakcji nitrowania tworzy
p-nitroacetanilid. Z tego ostatniego w reakcji hydrolizy kwasowej otrzymujemy p-nitroanilin
(Schemat 10).
55
NH2 NHCOCH3 NHCOCH3
NO2
NH2
NO2
nitrowanie H 2O(CH3CO)2O
Schemat 10
Reakcje sulfonowania zwizkw aromatycznych
Reakcja sulfonowania polega na wprowadzeniu grupy sulfonowej -SO3H w miejsce atomu
wodoru i zachodzi wedug tego samego dwuetapowego mechanizmu co reakcja halogenowania
czy nitrowania (Schemat 1). Najczciej stosowanymi rodkami sulfonujcymi s kwas siarkowy
o steniu 75%-100%, dymicy kwas siarkowy = oleum (mieszanina kwasu siarkowego i trjtlenku
siarki) czy kwas chlorosulfonowy.
Cech charakterystyczn reakcji jest to, e reakcja sulfonowania jest reakcj odwracaln,
sulfonowanie zachodzi w stonym kwasie siarkowym VI, a desulfonowanie w rozcieczonym jego
roztworze lub wodzie. Desulfonowanie jest przykadem reakcji substytucji elektrofilowej typu IPSO,
w ktrej atak elektrofilowy nastpuje na pozycj ju zajmowan przez inny podstawnik. W reakcji
sulfonowania otrzymujemy kwasy arylosulfonowe, ktre s wanymi pproduktami np. w syntezie
barwnikw oraz sulfonamidw.
H
SO3H
SO3H
SO3 + H2SO4 HSO3 HSO4
HSO3 H2SO4+
+
+
++
-
+
H
S O
O
O
SO3H
S
O
O
O+
+
-
Schemat 11
56
Wglowodory aromatyczne jednopiercieniowe ulegaj reakcji sulfonowania najtrudniej,
natomiast najatwiej ulegaj jej wglowodory aromatyczne wielopiercieniowe. Podstawniki
pierwszego rodzaju uatwiaj reakcj sulfonowania, natomiast podstawniki drugiego rodzaju w duym
stopniu j utrudniaj. Duy wpyw na t reakcj ma temperatura, ktra warunkuje przebieg reakcji.
Zwizki heterocykliczne ulegaj trudniej reakcji sulfonowania ni wglowodorowe zwizki
aromatyczne.
Aminy aromatyczne reaguj z czynnikami sulfonujcymi w tzw. metodzie spiekania. Metoda
ta polega na dodaniu do aminy aromatycznej (np. aniliny) stechiometrycznej iloci kwasu siarkowego
VI. Powstaje kwany siarczan aniliny, ktry podczas dugotrwaego ogrzewania w temperaturze 180C
traci czsteczk wody i przeksztaca si w kwas fenylosulfaminowy, a ten z kolei ulega
przegrupowaniu do kwasu sulfanilowego (Schemat 12).
NH2
H2SO4
NH3OSO3H NHSO3H NH2
SO3H
+H2O-
temp.przegrupowanie
Schemat 12
Reakcje alkilowania zwizkw aromatycznych
Reakcja alkilowania zwizkw aromatycznych zostaa opisana przez Charlesa Friedela
i Jamesa Craftsa w 1877 roku jako reakcja wprowadzenia grupy alkilowej pochodzcej z chlorku
alkilu, w obecnoci chlorku glinu jako katalizatora, do czsteczki benzenu. Czynnikiem
elektrofilowym jest karbokation tworzcy si w reakcji chlorku alkilu z katalizatorem. Chlorek glinu
katalizuje reakcje poprzez uatwienie jonizacji halogenku alkilu. Jako czynnikw alkilujcych mona
te uy olefin, alkoholi, eterw czy estrw. Nastpnie nastpuje reakcja pomidzy piercieniem
a wytworzonym karbokationem i powstaje nowy karbokation, z ktrego po utracie protonu
otrzymujemy oczekiwany produkt reakcji alkilowania oraz odtworzony katalizator (Schemat 13).
57
H
CH3
CH3
CH3Cl + AlCl3
CH3 HCl + AlCl3
CH3 AlCl4
+
+
+
++
-
+
Schemat 13
Istnieje kilka ogranicze przebiegu tego typu reakcji. W reakcji mona uywa jedynie
halogenkw alkilowych, gdy halogenki arylowe i winylowe nie reaguj. Piercie aromatyczny
nie moe by podstawiony podstawnikami wycigajcymi elektrony ani aminowymi. Powoduje
to praktycznie cakowity spadek reaktywnoci piercienia na omawiany typ reakcji. Aminy
aromatyczne I-rzdowe mona alkilowa przy uyciu alkoholi w obecnoci chlorku cynkowego jako
katalizatora. Czsto dochodzi do reakcji polialkilowania, czyli wprowadzenia kilku grup alkilowych
do piercienia. W okrelonych warunkach dochodzi moe do przegrupowania szkieletowego
co w gwnej mierze zaley od temperatury reakcji i rozpuszczalnika. Reakcji alkilowania ulegaj
take wglowodory aromatyczne wielopiercieniowe jak i zwizki heterocykliczne.
Reakcje acylowania zwizkw aromatycznych
Reakcja acylowania zwizkw aromatycznych metod Friedela-Craftsa jest metod syntezy
ketonw. Polega na wprowadzeniu do piercienia aromatycznego grupy acylowej pochodzcej
z chlorku kwasowego w obecnoci katalizatora (AlCl3). Mechanizm jest podobny do opisywanej
reakcji alkilowania. Chlorek kwasowy (chlorek acetylu) reaguje z katalizatorem (AlCl3) tworzc
kation acyliowy (karbokation, reaktywny czynnik