6.
Roztřídění reakcí a principy jejich zařazení do jednotlivých typů
Při zběžném pohledu na velkou rozmanitost organických reakcí a přeměn se zdá, že je jich poměrně velký počet. Podrobnější studium však napovídá, že všechny tyto reakce je možno zařadit jen do několika málo typů. Vzhledem k tomu, že tato tématika svým rozsahem přesahuje rámec těchto skript, je v této kapitole podán jen velmi stručný přehled o základních kriteriích, podle kterých můžeme jakoukoliv reakci zařadit do příslušného typu.
6.1. 6.1.1.
Základní kriteria roztřídění reakcí Formální hledisko
Z formálního hlediska můžeme použít základní třídění reakcí na: (A) adiční reakce: A + B → AB (B)
eliminační reakce:
ABCD → AB + CD
(C)
substituční reakce:
AB + C → AC + B
(D)
ABC → ACB
přesmyky:
Zařazení jakékoliv reakce do některého z těchto typů většinou nečiní žádné potíže. S tímto hrubým tříděním se však nemůžeme spokojit. Proto každý z těchto typů dále dělíme a to především:
6.1.2.
Dle reakčního mechanismu
Podle toho, jaké činidlo reakci zahajuje, reakce třídíme na: R E N
-
radikálové elektrofilní nukleofilní
Rovněž toto kriterium třídění někdy nemusí činit potíže, např. R R O H O H X +
+
X
-
Zde se jedná o substituci, kde jak vstupující, tak i vystupující částice je nukleofilní, takže se jedná o SN reakce. Daleko častěji však musíme, chceme-li reakci zařadit, znát reakční mechanismus. Tak např. u následující reakce bez znalosti reakčního mechanismu nemůžeme rozhodnout, zda se jedná o AE, AN nebo AR.
154
CH2
+
CH2
H2 C X
X2
H2 C X
Z uvedeného schématu totiž nevyplývá, jakým činidlem je reakce zahájena. Na objasnění reakčního mechanismu existuje řada metod (např. volba vhodného uspořádání reakce, isolace nebo důkazem meziproduktů, metoda zkřížených reakcí, použití isotopických atomů atd.) a není to vždy záležitost jednoduchá.
6.1.3. Molekularita reakce Jedná se o další kriterium, podle kterého můžeme reakce dále dělit. V běžné praxi se jedná hlavně o reakce monomolekulární a bimolekulární. Zde je vodítkem ke zjištění molekularity kinetické sledování reakce, které nám ukáže, zda je rychlost reakce přímo úměrná koncentraci jedné komponenty (reakce 1. řádu) nebo součinu koncentrací dvou komponent (reakce 2. řádu). Zjištění molekularity reakce je velmi důležité zejména pro úvahu o možném tranzitním stavu reakce. Více vyplyne z některých dále uvedených příkladů, jako jsou monomolekulární nukleofilní substituce SN1 nebo nukleofilní substituce bimolekulární SN2.
6.2. Typy činidel Jak již bylo uvedeno, je důležitým kriteriem pro roztřídění reakcí i činidlo, kterým je reakce zahájena. Proto na tomto místě budou uvedeny nejdůležitější typy činidel a vztah mezi jejich konstitucí a reaktivitou. Vznik činidel můžeme formálně znázornit následujícími schématy: 1)
.
a
R R
2R
b
a
homolytické štěpení, které je iniciováno buď vyšší teplotou – termolýza (T), nebo zářením nejčastěji ultrafialovým koligace
b
Vzniklá částice R., mající nepárový elektron je radikál různé reaktivity. 2) E
Nu
c
E+
d
c d
-
+
Nu
-
heterolýza koordinace
(Vazba E-Nu nemusí být vždy polarizovaná a vzniklé částice nemusejí mít náboje).
155
E + - částice elektrofilní, která může a nemusí mít kladný náboj, ale má různě velký elektronový deficit Nu - částice, která může a nemusí mít záporný náboj, ale musí mít volný elektronový pár.
6.2.1.
(R.)
Radikálová činidla
Reaktivita volných radikálů je přímo úměrná elektronegativitě atomu, na kterém je nepárový elektron, závisí však i na substituentech na těchto atomech (viz – stabilní volné radikály na str. 114 ). Můžeme tedy mít plynulou řadu radikálů od vysoce reaktivních až po zcela stabilní.
.
Z hlediska elektronegativity je tedy nejreaktivnější fluorový radikál F a u ostatních atomů reaktivita klesá pak s poklesem elektronegativity v téže periodě Mendělejevovy soustavy. R R O F R N R C
.
.
.
.
R
R
Pokud substituenty R nejsou s nepárovým elektronem konjugovány, pak i alkylové radikály (např. CH3.) náleží mezi velmi reaktivní radikály, avšak trifenylmethyl je již radikálem stabilním a tudíž velmi málo reaktivním. Ještě rychleji klesá reaktivita v kolmém směru periodického systému: F
.
Cl
.
Br
.
.
.
I
.
Zde Br patří ještě mezi radikály reaktivní, u I je však reaktivita již velmi malá. Na rozdíl od málo reaktivních radikálů jsou pro reaktivní volné radikály typické řetězové reakce, které se vyznačují vysokou reakční rychlostí a někdy až explosivním průběhem. Tak je tomu např. při radikálové chloraci uhlovodíků:
156
hv
X2
2 X.
X.
+
R H
R.
+
X.
+
iniciace +
R.
X2
R X +
X.
R H
HX
+
R.
HX
propagace
. . . 2 R.
6.2.2.
terminace (jedna z možností)
R R
Nukleofilní činidla
Nukleofilní činidla se vyznačují volným elektronovým párem, který je disponován k reakcím s elektrofily. Nukleofilita je tedy snaha přeměnit volný elektronový pár ve vazebný. Čím je tato tendence vyšší, tím je nukleofilita silnější. Síla nukleofility je nepřímo úměrná elektronegativitě a přímo úměrná elektronové hustotě. Můžeme tedy např. sestavit následující řadu podle klesající nukleofility: CH3I
-
HI
-
R N H
H O
-
R NH2
R O H
F
-
F H
K odhadu nukleofility nám může dobře posloužit protonizovaná forma těchto činidel. Čím je jejich acidita vyšší, tím je nukleofilita nižší. Např. HI + H H H+ Molekulární vodík nemá kyselé vlastnosti, takže hydridový aniont je silným nukleofilem. H + + R O H H+ R O H Hydroxoniový iont je naopak silná kyselina, takže hydroxyderivát je jen slabým nukleofilem. Přesnější, než tento hrubý odhad nukleofility, je hodnocení nukleofility dle Pearsona, který především podle polarizovatelnosti dělí nukleofily na tvrdé (hard) (Např.: R O , H O , NH3 , R O H ,
a měkké (soft) (Např.
F
-
)
H , CH3 , C N , R S ,
157
I
-
)
6.2.3.
Elektrofilní činidla
Elektrofilní činidla se vyznačují elektronovým deficitem, který si snaží doplnit elektronovým párem z nukleofilů. Čím je tato tendence vyšší, tím je činidlo silnějším elektrofilem. Velikost elektrofility je přímo úměrná elektronegativitě a je podporována kladným nábojem, takže můžeme sestavit např. následující řadu s klesající elektrofilitou: R R H F F+ R O+ Cl + N+ C+ H+ AlCl3 B B R R R H F H F Také u elektrofilů můžeme v závislosti na polarizovatelnosti rozlišovat tvrdé (hard) elektrofily (např. H⊕, SO3, BF3, AlCl3) a elektrofily měkké (soft), např.(Cu+, Ag+, BH3, ⎟CH2).
6.3.
Příklady některých reakcí Na tomto místě je zařazena ukázka některých reakcí a jejich mechanismy.
6.3.1.
Adiční reakce
6.3.1.1.
Elektrofilní adice (AE)
Jedná se o adice nejčastěji na dvojnou vazbu nebo vazbu trojnou mezi atomy C, které jsou zahájeny elektrofilem. Tímto mechanismem probíhá např. adice halogenů, halogenovodíků, kyslíkatých kyselin, vody i boranu. H R C CH2 X X2 X HX
R C CH2 H
H R C CH3 X
H2O 1/6 B2H6
H R C CH3 OH CH2 CH2 R
1/3 R CH2 CH2 B
a)
CH2 CH2 R
Tak např. při adici molekuly halogenu na alkeny bylo zjištěno, že se jedná o sérii následujících reakcí, které jsou zahájeny Id efektem π elektronů, který polarizuje původně nepolární vazbu mezi halogeny:
158
CH2 CH2
+
Br
CH2
Br
CH2
Br + Br
H2C Br CH +
Br
-
2
σ -komplex
π -komplex
Cl
-
H2C Br Br
H2C Br
CH2 Cl
CH2
Reakce je tedy zahájena elektrofilem za vzniku π-komplexu, který přechází na σ-komplex, u kterého dochází k adici nukleofilu z opačné strany, takže v prvém okamžiku se u vzniklého aduktu halogeny nalézají v konformaci anti-periplanární. Přestože pak dochází k protáčení kolem jednoduché vazby, hovoříme zde ze sterického hlediska o trans-adici. To můžeme dokázat pomocí diastereomerie, pokud vycházíme z vhodně substituovaných alkenů:
R1
+ R2
X2
X
H
X
+ 1/2
X R2
R2
racemát threo diastereomeru R1
R1
H +
H
X
1/2
cis-alken
R1
R1
R1
H
X2
X
1/2
X
R2
X
+ 1/2
X R2
R2
trans-alken
racemát erythro diastereomeru Provedeme-li adici za přítomnosti chloridů, vzniká chlor-brom-derivát, který by nemohl vzniknout, pokud by reakce nebyla zahájena elektrofilem. (Viz. předchozí schéma). b) Adice halogenovodíků, vody kyslíkatých kyselin a boranu. Ve všech těchto případech platí pravidlo Markovnikovo. (Při AE se aduje elektrofil na ten atom C, kde je více atomů H). R
R C CH2
+
H
X
R
R C CH3 X
159
Platnost tohoto pravidla je dána jak +I efektem alkylových skupin a jejich hyperkonjugací, ale i výhodnějším σ-komplexem, u něhož je sp2 hybridizace na obsazenějším atomu C.(viz. sterické faktory, str. 150).
6.3.1.2.
Nukleofilní adice (AN)
S tímto typem adičních reakcí se setkáváme především u karbonylových sloučenin a sloučenin příbuzných. 6.3.1.2.1.
U silných nukleofilů dochází k tvorbě stabilních aduktů, které po okyselení poskytují hydroxy-sloučeniny:
R1 C O
+
C
R2
R2
O
Nu
R1 C
R2
O H
R R C , Grignardovy slouceniny a pod. R
Nu = napr. H , 6.3.1.2.2. Např.
H3O +
Nu
R1
Nu
U slabých nukleofilů je třeba použít kyselou nebo bazickou katalýzu.
R1 C O
+
R1
H+
C O
R2
+
R2
H
R1 + C O H R2 R O H
R1
O R C+ +
R2
O R
R1 C
H 2O
R2
R1 C
+
O H
H + O R
R2
O H
H -H
R O H
O R
R1 C R2
+ O R H
-H
+
O R
R1 C R2
O R acetal
+
O R
R1 C R2
O H
hemiacetal (R = H - hydrát)
160
nebo
H
H O
H
O
+
+
O
R C
R C
+
+ R C O R2
R2 O H
O R1
O R1
O H R1
H
H O
-H+
O
+
O +
R C
R C
R1 O H
R C O R2 + O H
O R2
O R2
R1 a) b) c)
R1 = H; R2 = alkyl R1 = alkyl; R2 = H R1 = alkyl A; R2 = alkyl B
esterifikace hydrolýza transesterifikace
Kysele katalyzovaná je i tvorba oximů a hydrazonů.
R1 C O
H+
+
R
R1 C N
H2N R
R2
+
H 2O
R2 R = -OH, -NH-R
6.3.1.2.3. Reakce s C-kyselinami za bazické katalýza (aldolisace) Sestává se ze tří reakcí. a) + B B H + Q H
Q
b)
R1 C O
+
Q
Q
R1
-
C R2
R2
161
O
-
-
c)
Q
R1 C
O
R2 Q-H je C-kyselina Např. Q-H = Q-H
=
B
B H
+
-
-
Q
R1
+
C R2
R-C≡C-H
(Reppeho ethynylace)
N≡C-H
(kyanhydrinová syntéza)
O H
V případě, že C-kyselinou je reaktivní CH2〈 skupina (viz. hyperkonjugace na str. 115), může po stadiu aldolizace následovat eliminace a hovoříme pak o aldolové kondenzaci.
R1
H C O
+
C R
H
R2
-
B
R1 +
R C C
R2
Z Z = hyperkonjugující se skupina, např. O , R S , O2N
Z
O ,
R C
a pod.
N C
O Např. R1 C O
H
+
R2
B
-
H
R1 R2 fulveny
R1 C O
+
R2
6.3.1.3.
B
H2C R O
-
R1 R2
R
C R O R
Radikálové adice
Při dostatečné reaktivitě radikálů probíhá radikálová adice řetězovým mechanismem. Y Y
hυ
2Y
162
.
iniciace
Y
R
.
+
R R
R R R C C R Y
R
.
C C R
R
R C C
.
Y
R
R Y Y
+
R C C R
+
Y
. propagace
Y Y R
Y.
R
+
R
R C C
R
R
R C C
.
Y
R
R
Při malé koncentraci radikálového činidla dochází k radikálové polymeraci, při které radikál hraje úlohu iniciátora radikálové polymerace.
R
R
R C C
.
Y
R
6.3.1.4.
R +
n
R C C
R
R R R
R
.
R C C ( C C )n
R
Y R R R
Cyklické adice
Jedná se o adiční reakce s cyklickým tranzitním stavem, jako je např. katalytická hydrogenace, Diels-Alderovy dienové syntézy, 1,3-dipolární cykloadice, adice karbenů apod., jak již bylo uvedeno na str. 144 – 146. Jako další příklad 1,3-dipolárních cykloadicí můžeme uvést ozonolýzu alkenů a alkinů: R2
R1 R1 R3
C C
R2
O +
R2
O +
O
R3
O
R4
O
R1
O
R1
R2
O
O
R3
R4
H2O
O +
H2O2 +
O
O
R4 R3
R1
R1 O
C
+
C
R4
-
R1
O +
R2
O
R1
O O
O
O
R2
R2
Dalším příkladem dienových syntéz je dimerace dienů.
+
163
O O
H2O
O
H2O2 + R2
O
6.3.2.
Substituční reakce (S)
6.3.2.1.
Nukleofilní substituční reakce
6.3.2.1.1. Na nasyceném atomu C a) Monomolekulární (SN1) R1 R3
R1
-
C R2
X
-
X
C
1/2
R1 C+ R2 R3
R2
HO
+
racemát R3
C + OH2
1/2 R2
Bimolekulární (SN2) R1
R1
Nu -
R3
2
R1
b)
+ OH2
+
R3 C R2
Nu -
X
R1
C
Nu
X
R2R3
R3 R2
+
X
-
transitní stav Waldenův zvrat c) Faktory ovlivňující mechanismus Alkyl: primární: výhodný pro SN2 reakce, terciární: výhodný pro SN1 reakce. Nukleofilní činidlo: silné: podporuje SN2 mechanismus, slabé: podporuje SN1 mechanismus. Rozpouštědlo: aprotické: podporuje SN2 mechanismus, protické (polární): podporuje SN1 mechanismus. 6.3.2.1.2. V aromatické řadě a) Monomolekulární (SN1) Např. I Ar
+ N N
T
N N
+
Ar
Ar
-
I
HO
+
2
Ar
+ O
H Ar
O H
H BF4-
Ar
b)
(Schiemannova reakce)
Bimolekulární
X Nu -
F
X
Nu
+
Nu X
NO2
-
N+ O O
164
-
+
NO2
Nu -
+
N
N
6.3.2.2.
+ H
Nu
N
H
Nu
Elektrofilní substituce SE
6.3.2.2.1. V aromatické řadě a) Mechanismus E +
E+
E+
+
H
E
-H +
H
π-komplex
σ-komplex
b) Orientace Substituenty s +M efektem: X
O R,
,
S R,
NR2
,
orientace: o-, p- (výlučná). Např.
+ H O
OH NO2
NO2
-H+
H
OH NO+ 2
+ H O
O2N
H
Substituenty s +I efektem: CH3 ,
CH3 C CH3 CH3
Orientace: není výlučná o- > p- >> (m-)
165
OH -H+
NO2
Substituenty s –M efektem:
O NO2 ,
SO3H ,
SO2R ,
C R
Orientace: m- (není výlučná). Např.
NO2
NO2
NO2
NO2
X
X2
+
AlX3
+
X X
6.3.2.2.2. Na nasyceném atomu C Probíhají tehdy, je-li skupina aktivována hyperkonjugací, např.: R
R NO +
Ar
+
+ N N
H C NO2 R H +
H
+
R CN N N C H CN
CN Ar
H CN
6.3.2.3.
O N C NO2
+
CN Ar
N N C H
CN
Radikálová substituce SR
S reaktivními radikály probíhá řetězovým mechanismem, např.
Cl
Cl
.
CH . 3
hυ
Cl
2 Cl
CH4
+ +
HCl
Cl2
iniciace
+
CH3
CH3Cl + Cl
. . .
.
. propagace
. . .
.
Cl2
2 Cl Cl
.
.+
CH3
.
terminace CH3Cl
(jedna z možností) 166
6.3.3.
Eliminační reakce
6.3.3.1.
Trans-eliminace
6.3.3.1.1.
Dehydrohalogenace R1
B
-
+
6.3.3.1.2.
H R3
R2 X
R1
R4
B .......... H C R4 R3
Dehalogenace R2 R1 X X R3
6.3.3.1.3.
R2 C
R1
Zn
R4
R3
R1
X
C
R2 + X
BH + C R3 R4
(E-2)
R2
C
ZnX2
+
C
R4
Dehydratace
R2 O H
R1 H R3
H
+
-H2O
R4
R1 H R3
R2 +
-H
+
R4
R1 R3
C C
R2 (E-1) R4
6.3.3.1.4. Štěpení kvarterních amoniových hydroxidů
R1 H O
-
H R3
R2
+ R N R R R4
R1
T
H O H + R3
C C
R2
+ NR3
R4
6.3.3.1.5. Směr eliminace a) Zajcevovo pravidlo: při eliminaci se odštěpuje atom vodíku z toho sousedního atomu, který má méně atomů H. Platí pro dehydrohalogenace a pro dehydratace. Např. H3C H H B H3C C C CH3 B H + X + C C H2 X H CH3
b)
Hofmannovo pravidlo: Tři termickém štěpení kvarterních amoniových hydroxidů se atom vodíku odštěpuje z toho sousedního atomu, který má více vodíku.
167
Např.
T
H H3C C C CH3 H N+ 2 H3C CH3 OH CH3
6.3.3.2.
(CH3)3N + H O + 2
H2C C C CH3 H H2
Cis-eliminace
Probíhají při termickém rozkladu esterů, např. R2 R R1 O T R H O R3 R4 R2 O
R1
+ OH
R SH + COS
T
H S R4
R3
6.3.4.
SR
R1
O
R3
R1 + R3
C C
C C
R2 R4
R2 R4
Přesmyky
Přesmyky můžeme dělit jak podle systémů, u kterých probíhají, tak i podle povahy přesmykujících se částic. Uvedeno bude jen několik příkladů, které zdaleka nevyčerpávají všechny typy přesmyků.
6.3.4.1.
Přesmyky nasycených systémů
6.3.4.1.1. Nukleofilní přesmyky Při nich se přesmykuje částice i s elektrony a) Vyvolané deficitem na atomu C
Např. Pinakolinový přesmyk R
R
R C C R OH OH
H
+
R
R
R C C R OH O H H
- H 2O
R R + R C C R
R + R C C R
OH
OH R
R R C C R O
168
R
-H
+
R R C C R O+ R H
nebo přesmyk při reakci karbonylových sloučenin s diazolátkami. R1
CH2
O +
R
+ N N
R
R2
+ CH2 N N O
+ CH2
R
- N2
-
R
O
R
-
O R
R CH2
CH2 O
R
b) Vyvolané elektronovým deficitem na atomu N Např. Curtiuv přesmyk O R
R
O
T
N N
- + N N N
+
O C N
R
isokyanát
N (acylnitren)
Hofmannovo odbourání O
O
X2
R NH2
OH
R
-
-X
O
-
N X
R
R
O C N N OH
-
CO2+ R NH2 3
Beckmanův přesmyk H R1
O H N
R2
H
+
+ H2O R2 + R1 C N
+
R1
O H N
R2
R2 R1 C N +
H
169
O
H
R1 C N R2 H O
c)
vyvolané elektronovým deficitem atomu O R R
Ar
H
C O O H
+
Ar
- H 2O
+
C O O H
R
R
H
R
R Ar
C O+ R
R + C O Ar
+
C O Ar
R
R H 2O
R +
C O
Ar
OH
R 6.3.4.1.2. Elektrofilní přesmyky na nasyceném atomu C. Jako příklad je možno uvést Stevensův přesmyk. R
+
R1 C N R H2 R
6.3.4.2.
+
B
-
B H
-
R
R
+
+ R1 C N R
R1 C N R
H R ylidy
H R
Přesmyky nenasycených systémů
Příkladem je např. allylový přesmyk. H
+
+
R C C CH2 O H H H H
R C C CH2 O H H H
H R C C CH2 OH H
-H
+
H R C C CH2 H O+ H H
170
- H2O
H2O
R C C CH2+ H H
+
R C C CH2 H H
6.3.4.3. Cyklické přesmyky Příkladem může být Claisenův přesmyk. O CH2
HC
OH CH2
CH
H CH C
R
6.3.4.4.
R
Intramolekulární aromatické přesmyky
Např. benzidinový přesmyk. H H
N N H H
H
N
+
N
H
H
+
N
+
.
NH
H
H
+
NH3
+
N
H
N
H
H
+
N
H
N
.
NH2 H
-
H
+
Fischerův přesmyk R2 H2C R2 N N H
H
+
+
NH4
R1
+
R1 N H
171
H
