Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Szerves Kémia és Technológia Tanszék
Huszthy Péter ♦ Tóth Tünde ♦ Móczár Ildikó ♦ Kupai József ♦ Kormos Attila
SZERVES KÉMIA I. egyetemi jegyzet
Szerves kémia I.
Elektronikus jegyzet, 2014
Tartalomjegyzék
1.
Szerves kémiai alapismeretek, szénvegyületek szerkezete
2.
Térszerkezet, sztereokémia, konformáció
17
3.
Reakcióelmélet, sav–bázis-, HSAB- és FMO-elméletek
28
4.
Redox-reakciók és gyökös reakciók elmélete, paraffinok kémiája
5.
44
Olefinek és acetilének reaktivitása, elektrofil addíció, oxidáció és polimerizáció
6.
3
54
Monociklusos aromás vegyületek reaktivitása, elektrofil szubsztitúció
73
7.
A szubsztitúció és elimináció elmélete
86
8.
Halogénvegyületek, alkoholok, fenolok és éterek kémiája
100
9.
Nitrovegyületek és aminok kémiája
120
10. Alkoholok, oxovegyületek és karbonsavszármazékok redukciója és oxidációja
134
11. Oxovegyületek, karbonsavak és karbonsavszármazékok reaktivitása
150
12. Oxo–enol tautoméria, karbonsavak
162
13. Karbonsavak és karbonsavszármazékok
171
2
Szerves kémia I.
1. fejezet
1. Szerves kémiai alapismeretek, szénvegyületek szerkezete A szerves kémia kialakulása. Molekulaszerkezet: a kovalens kötés elmélete, a kémiai kötés értelmezése. 1.1. A szerves kémia kialakulása A XVIII. század végén a tudósok a vegyületek elemi összetételét meg tudták határozni. Azt tapasztalták, hogy az élő szervezetekből izolált vegyületek alapvetően négy elemet tartalmaznak: szenet és hidrogént minden esetben, és a legtöbbször oxigént és nitrogént is. Azt is megfigyelték, hogy az élő szervezetekből izolált vegyületek az előbbieken kívül más elemeket (pl. kén, foszfor, klór, nátrium, kálium) is tartalmazhatnak. Antoine Laurent de Lavoisier (1743–1794) francia vegyész már a vegyületek mólsúlyát, az elemek minőségét és egymáshoz viszonyított arányát is meg tudta állapítani. 1789-ben megjelent könyvében összehasonlította az állati és növényi világ anyagait az ásványi világéval, és megállapította, hogy az előbbiek csupán néhány elemből állnak. Friedrich Albrecht Carl Gren (1760–1798) német gyógyszerész 1796-ban megjelent A kémia alapjai című könyvében fogalmazta meg a vis vitalis (életerő) elméletet. Ezek szerint az anyagok két csoportra oszthatók: szerves anyagokra, amelyek az élő szervezetekben találhatók, és szervetlen anyagokra, amelyek ásványokból, kőzetekből vonhatók ki. Gren szerint az élő szervezetekből izolált anyagok valamilyen „életerő” segítségével állíthatók elő, a szerves anyagokat szervetlenből nem lehet szintetizálni. Jöns Jacob Berzelius (1779–1848) svéd vegyész, aki a XVIII. század végén és a XIX. század elején nagy tekintélynek örvendett, is vallotta a fenti nézeteket, tehát származási alapon különböztette meg a szerves és szervetlen kémiát. Berzelius tanítványa, Friedrich Wöhler (1800–1882) adta meg az első lökéseket a vis vitalis elmélet megdöntéséhez. 1824-ben higany-cianidból kiindulva oxálsavat sikerült előállítania.
1828-ban a szervetlen ammónium-cianát zárt térben végzett hevítésével a vizelet egyik fontos vegyületét, a karbamidot állította elő. 3
Szerves kémia I.
1. fejezet
Ezek a kísérletek és számos egyéb példa ahhoz vezetett, hogy a kémikus társadalom elvetette a vis vitalis elméletet. Tehát a szerves kémia (szerves vegyületek) és szervetlen kémia (szervetlen vegyületek) szétválasztása származási alapon nem indokolt. Az izomériával is foglalkozott Wöhler. Megállapította, hogy a vegyületek azonos összegképlet és mólsúly esetén is különböző tulajdonságúak lehetnek. Például a dietil-éternek és butanolnak is C4H10O az összegképlete, de míg a dietil-éter a nátriummal szemben inert, igen gyúlékony, alacsony forráspontú (35°C), kellemes illatú, addig a butanol a nátriummal hidrogéngáz fejlődése közben reagál, nem annyira gyúlékony, viszonylag magas forráspontú (117°C) és kellemetlen illatú. A szerves kémiában a szénnek kitüntetett szerepe van. A szénatom elektronegativitása (2,5) pontosan a második periódus elemei elektronegativitási skálájának (1,0–4,0) a közepén van, és ha az összes stabil elemet tekintjük (0,8–4,0), akkor is hasonló a helyzet. Emiatt számos elemmel tud kovalens kötést létrehozni, önmagával is. Hosszú láncokat, gyűrűket tud alkotni. Az elemi szénnek magának is több allotróp módosulata van: gyémánt, grafit, fullerén (C60, C70, C72, C76, C82, C84, stb.). Elégetve mindből szén-dioxid keletkezik, azonban az áruk és a szerkezetük is más. A grafit puha, írni lehet vele, a gyémánt ellenben nagyon kemény anyag. Jelenleg hozzávetőlegesen 16–17 millió szerves vegyületet ismerünk, és mindössze körülbelül 500 ezer szervetlent. Az ismert szerves anyagok száma évente 300 ezerrel növekszik. A szerves vegyületeket (szénvegyületeket) nagyobb jelentőségük miatt is el kellett választani a szervetlenektől. 1.2.
Molekulaszerkezet: a kovalens kötés elmélete, a kémiai kötés értelmezése
1.2.1. A Lewis-féle kovalens kötés- és a vegyértékkötés (VB)-elmélet A kémikusokat régóta foglalkoztatja, hogy hogyan jön létre a kovalens kötés két atom között. Az első jelentősebb elméletet Gilbert Newton Lewis (1875–1946) amerikai fizikokémikus alkotta meg 1915-ben. Ezen elmélet szerint az elemek a nemesgáz-konfigurációra törekszenek (pl. az első periódusban dublettre, a második periódusban oktettre). Egy elektronpár alkotja a két atom közötti kötést. 4
Szerves kémia I.
1. fejezet
A vegyértékkötés (Valence Bond = VB)-elmélet szerint a kémiai kötés két atompálya átfedése. A kémiai kötést az ellentétes spinnel párosított elektronok hozzák létre. Ebben az értelmezésben is lokalizáltak a kötések. Példaként említhető a vízmolekula, amelyben az oxigénatom két hidrogénatommal létesít kovalens kötést:
Az ammónia esetében a nitrogénatom három hidrogénatommal alakít ki kötést:
A szénatomból és két hidrogénatomból levezethető karbén egy instabil vegyület:
A Lewis-féle elmélet nem tudja megmagyarázni, hogy a szénatom miért négy vegyértékű. Kísérleti tény, hogy a metán tetraéderes elrendeződésű, és egyszeres kötésekből épül fel. Azt sem tudjuk a Lewis-féle elméletből megérteni, hogy az etilénnek miért van egy erősebb és egy gyengébb kötése. Az erősebb σ-kötés energiája 340 kJ/mol, a π-kötésé csak 280 kJ/mol.
1.2.2. A Schrödinger-egyenlet, illetve a hullámfüggvény és atompálya fogalma Louis de Broglie (1892–1987) francia fizikus 1924-ben doktori értekezésében írt először az elektron kettős viselkedéséről, mely szerint az elektronnak hullámtermészete és részecsketermészete is van. Erwin Schrödinger (1887–1961) osztrák fizikus 1926-ban megalkotta a később róla elnevezett Schrödinger-egyenletet, amely az elektronnak mint álló anyaghullámnak a hullámfüggvényét a hidrogén esetében egzakt módon, más atomok esetében közelítőleg adja meg. 5
Szerves kémia I.
1. fejezet
H ( ) ( ) E ( )
(1.1)
vagy a koordinátákat is feltüntetve:
H ( x, y, z ) E ( x, y, z )
(1.2)
Az 1.1. egyenletben szereplő () az atom hullámfüggvénye, amely jellemzi az atommag körüli elektronok térbeli eloszlását. Az E szimbólum az atom teljes energiáját jelöli, amely matematikai szempontból konstans, nem tartalmaz független változót. Ĥ(τ) a Hamiltonoperátor, amely az elektronok helykoordinátái szerinti második parciális deriválásokat tartalmaz,
ennek
alapján
tehát
a
Schrödinger-egyenlet
differenciálegyenlet.
A
differenciálegyenlet megoldásai függvények. Másrészről viszont a Schrödinger-egyenlet a Ĥ(τ) operátor sajátértékegyenlete, azaz a Schrödinger-egyenletet olyan függvények elégítik ki, amelyeken elvégezve a Hamilton-operátor által kijelölt műveletet visszakapjuk a függvényt valamilyen E értékkel szorozva. A Schrödinger-egyenlet megoldásai tehát az alábbi összetartozó sajátfüggvény–sajátérték párok sorozataként adhatók meg. A vizsgált atom Schrödinger-egyenletét megoldva megkapjuk az atom két alapvető jellemzőjét: azt, hogy milyen energiaértékeket vehet fel, és azt, hogy ezekben a különféle energiájú állapotokban hogyan helyezkednek el egymáshoz képest az elektronok. A hullámfüggvénynek vannak fázisai (+ vagy –), lehet csomósíkja. A Ψ-nek nincs fizikai jelentése. Az azonos Ψ értékű pontokat összekötve burkolófelületeket kapunk. A Ψ 2 arányos az elektron tartózkodási valószínűségével. Ha azokat a pontokat kötjük össze, ahol az elektron tartózkodási valószínűsége 90%, akkor konvenció szerint atompályát kapunk (1.1. ábra). Analógiaként a vízhullámot vagy a gitárhúrt említhetnénk mint a hullámfüggvény modelljét. Két atompálya átfedésekor több eset lehetséges. Az azonos fázisú hullámok erősítik, az ellentétes fázisúak gyengítik egymást.
1.1. ábra Az atompályákat jobbsodrású koordinátarendszerben ábrázolhatjuk (1.2. ábra). Minden atompályán maximum két elektron tartózkodhat. 6
Szerves kémia I.
1. fejezet
1.2. ábra Az atompályákból kémiai kötések jöhetnek létre. Az 1.3. ábrán egy-egy s-, egy s- és egy p-, illetve egy-egy p-pálya kombinálódásából kapott σ-kötéseket láthatjuk.
1.3. ábra
1.2.3. A hibridizációs elmélet Linus Pauling (1901–1994) amerikai kémikus az 1930-as években kezdett tanulmányokat írni a kémiai kötésekről egyetemi előadásai alapján, amelyeket először szakfolyóiratokban tett közzé, majd 1939-ben a The Nature of the Chemical Bond, and the Structure of Molecules and Crystals (A kémiai kötés természete, valamint a molekulák és kristályok szerkezete) című könyvében foglalt össze. A könyv a század egyik legjelentősebb tankönyvének bizonyult. Saját korábbi munkájára építve kidolgozta a hibridizációs elméletet, bevezette a hibridpályák fogalmát. Az elmélete szerint a kölcsönös taszítás miatt az elektronok kimozdulnak eredeti helyzetükből más pályákra. Az atompályák keverésével olyan új hibridpályák jönnek létre, melyek alkalmasak az atomok közötti kötés jellemzőinek leírására. A hibridpályák jól használhatók a molekulapályák alakjának magyarázására. A hibridizációs elmélet szerint a promóció az a folyamat, amely során a vegyértékhéjon lévő párosított elektronok energiaközlés hatására nagyobb energiájú pályákra kerülnek (kötés létrehozására képes párosítatlan elektronok alakulnak ki). Ezt követi maga a hibridizáció, amely során a vegyértékhéj atompályái úgy kombinálódnak, hogy a hibrid atompályák energiaszintjei azonossá válnak. Az atompályákon egyenletes elektroneloszlás jön létre. A hibridizációs elmélettel már megmagyarázható az olyan molekulák szerkezete, mint például a metán, az etén vagy az etin. A metánnál a hibridizáció során a szénatom 2s, 2px és 2py 7
Szerves kémia I.
1. fejezet
elektronjaiból négy egyenértékű sp3, az eténnél három egyenértékű sp2 és az etinnél két egyenértékű sp hibrid atompálya jön létre (1.4. ábra).
1.4. ábra
1.2.4. A rezonanciaelmélet A VB-elmélet és a hibridizáció elméletének kombinált felhasználásával már meg tudjuk magyarázni a metán tetraéderes szerkezetét, illetve az etén és az etin különböző erősségű kötéseit is értelmezni tudjuk. A kémiai kötést azonban továbbra is lokalizáltnak tekintjük, de most már nem csak két atompálya, hanem két hibrid atompálya átfedéséről beszélhetünk. A formiát-, az acetát- vagy a karbonát-ion szerkezetének felírásakor azonban akadályba ütközünk. A VB-elmélet alapján ugyanis a szén- és az oxigénatom között egyszeres, illetve kétszeres kötés van, amely nem tükrözi a valóságot. A VB-elmélet ezen hiányosságát a rezonanciaelmélettel lehet megoldani. A
rezonanciaelmélet
a
Heitler–London-elmélet
hidrogénmolekulára
vonatkozó
közelítéséből indult ki. Walter Heitler (1904–1981) német fizikus azt állapította meg, hogy hogyan
lehet
a
Schrödinger-egyenletet
felhasználni
arra,
hogy
kimutassuk
a
hidrogénmolekulánál a kovalens kötés képződését a két hidrogénatom hullámfüggvényének pozitív, negatív és kicserélődési tagokkal történő kombinálásával:
(1.3) 8
Szerves kémia I. Ahol
i
1. fejezet
az egyes határszerkezetek hullámfüggvényei, ci az egyes határszerkezetek
megvalósulási valószínűségét reprezentáló együtthatók. A hidrogén-kloridnál ez a következőképpen adható meg:
(1.4) A formiát-ion három különböző alakban írható fel, amelyek egyike sem létezik. Szemléletesen mindhárom formát egy mitológiai állattal (unikornis, sárkány és kentaur) lehet bemutatni:
A rezonáns határszerkezet tehát az adott molekula egy lehetséges elektroneloszlása, amely csak a vegyértékelektronok helyzetében különbözik egy másiktól. Ezek egyike sem tükrözi a valóságot, de ezek stabilitás szerinti súlyozott átlagából, amelyet rezonanciahibridnek hívunk, alakítjuk ki a tényleges elektroneloszlást (rinocérosz):
A lehetséges rezonáns határszerkezetek felírásakor úgy kell eljárnunk, hogy lehetőleg minél több kovalens kötés legyen, illetve az elektronegatívabb elemen legyen a negatív töltés. Egy vegyületnek minél több rezonáns határszerkezetét tudjuk felírni, annál jobban tudjuk diszpergálni a töltéseket, amely stabilizálja a molekulát. A formaldehid rezonáns határszerkezeteit a következőképpen lehet felírni:
9
Szerves kémia I.
1. fejezet
Ezen szerkezetek súlyozott átlagaként kapjuk meg a formaldehid rezonanciahibridjét:
Egy konjugált diénnek, a buta-1,3-diénnek a rezonáns határszerkezetei az alábbi módon írhatók fel:
1.2.5. Az induktív és mezomer effektusok A molekulák stabilizálásához hozzájárulhatnak az induktív (I) és a mezomer (M) effektusok is. Az induktív effektus a σ-kötéseken keresztül ható elektroneltolódási effektus. Egy szénatomhoz kapcsolódó atom vagy csoport induktív effektusa negatív (–I), ha a hidrogénhez képest elektronban szegényíti, illetve pozitív (+I), ha a hidrogénhez képest elektronban gazdagítja a hozzá kapcsolódó rendszert. Mivel az I effektus a σ-vázon keresztül hat, ezért a nagysága a távolsággal jelentősen csökken. Negatív induktív (–I) effektus lép fel például a fluorbutánnál vagy a klórbenzolnál:
Pozitív induktív (+I) effektusról beszélhetünk, ha a bután, illetve a benzol egyik hidrogénatomját képzeletben az elektronküldő metilcsoportra cseréljük: 10
Szerves kémia I.
1. fejezet
A mezomer effektus az n- és π-elektronok (n: nemkötő elektronok) elektroneltolódási jelensége. Egy sp2 vagy sp hibridállapotú szénatomhoz kapcsolódó atom vagy csoport mezomer effektusa pozitív (+M), ha elektronban gazdagítja, illetve negatív (–M), ha elektronban szegényíti a hozzá kapcsolódó rendszert. Az M effektus nagysága a távolságtól nem függ. Pozitív mezomer (+M) effektus lép fel például az alábbi tercier aminok esetén, ahol a nitrogénatom nemkötő elektronpárja mozdul el:
A pozitív mezomer (+M) effektusra az aromás vegyületek közül példaként említhető az anizol, ahol az oxigénatom nemkötő elektonpárja delokalizálódik az aromás gyűrűn. A mezomer effektus az aromás gyűrűn a szubsztituenshez képest a 2-es (vagy 6-os) és a 4-es pozícióban egyforma mértékben érvényesül. A metoxicsoportnak azonban –I effektusa is van, mivel az oxigénatom elektronegativitása nagyobb, mint a szénatomé. Az előbbi két hatás eredőjeként a legnagyobb elektronsűrűség a 4-es pozícióban alakul ki, amely befolyásolja az anizol reaktivitását (ld. 79. oldal). Az anizol esetén négy mezomer határszerkezet írható fel:
11
Szerves kémia I.
1. fejezet
A nitrobenzolnál negatív induktív (–I) és negatív mezomer (–M) effektus lép fel:
1.2.6. A konjugáció és hiperkonjugáció fogalma A konjugáció, illetve a hiperkonjugáció gyakran előforduló, molekulákat stabilizáló hatások. A konjugáció kétszeres (többszörös) és egyszeres kötések váltakozásakor fellépő elektroneltolódási jelenség a molekula π-elektronrendszerén. Példaként említhető a buta-1,3diénnél, illetve az allil-kationnál fellépő konjugáció:
A hiperkonjugáció (újabb nevén σ-konjugáció) a molekula π-elektronrendszere vagy részlegesen betöltött vagy üres p-pályája és (pl. C–H vagy C–C kötéseket alkotó) σ-elektronok kölcsönhatása folytán fellépő elektroneltolódási jelenség. Az etil-kationt a metilcsoport hiperkonjugációval stabilizálja. Ez azt jelenti, hogy a metilcsoport C–H kötését alkotó σ-elektronpár eltolódik a szomszédos szénatom üres p-pályára, ezzel a pozitív töltés diszpergálódik, amely stabilizálja a kationt.
Minél több alkilcsoport van egy pozitív töltésű szénatomon, annál stabilabb a kation. Ezek alapján a metil-, etil-, izopropil-, illetve terc-butil-kation stabilitási sorrendje a következő:
12
Szerves kémia I.
1. fejezet
A kationokhoz hasonlóan a részlegesen betöltött p-pályával rendelkező gyököket is stabilizálják az alkilcsoportok. Ezek alapján a metil-, etil-, izopropil-, illetve terc-butil-gyök stabilitási sorrendje az alábbi:
1.2.7. A molekulapálya (MO)-elmélet A molekulák elektronállapotait a molekulapálya-modell alapján is tárgyalhatjuk. A modell segítséget ad ahhoz, hogy megértsük a molekula elektronállapotaihoz kapcsolódó különféle jelenségeket, így az elektrongerjesztést, az ionizációt és a gerjesztett állapotú molekulák kémiai reakcióit. A szerves kémia tárgy keretein belül a molekulapálya-modellt elsősorban arra alkalmazzuk, hogy segítségével a molekulák elektronszerkezetéről kvalitatív leírást adjunk. A molekulapálya-modell hasonló módon próbálja a molekulák szerkezetét szemléletessé tenni, mint a többelektronos atomokét az atompálya-modell. A molekula elektronjainak mozgását különválasztjuk. Az egyes elektronokhoz egyedi hullámfüggvényt rendelünk, és egyedi energiát. Az egyedi hullámfüggvényeket nevezzük molekulapályáknak, az egyedi energiákat pályaenergiáknak. Az egyes molekulapályák változói valamelyik elektronnak a térkoordinátái. A molekulapályák jellemzik az egyes elektronok tartózkodási valószínűségét a molekula különböző helyein. A molekulapálya lehet üres (nincs rajta elektron), félig betöltött (egy elektron tartózkodik rajta) vagy betöltött (két elektron tartózkodik rajta, amelyek spinje ellentétes). A több mag terében megvalósuló molekulapályákat a molekulát alkotó atomok atomi elektronpályáinak lineáris szuperpozíciójával közelíthetjük. Matematikailag ez azt jelenti, hogy a molekula-állapotfüggvényeket az atomi állapotfüggvények lineáris kombinációjával adjuk meg. Ezt a módszert a kvantumkémiában LCAO–MO (LCAO = Linear Combination of Atomic Orbitals = atompályák lineáris kombinációja, MO = Molecular Orbital = molekulapálya)-módszernek nevezik. A molekulapálya tehát az 1.5. képlettel adható meg:
cii
(1.5)
i
ahol i a molekulát alkotó atomok atompályái, ci pedig az egyes atompályák együtthatói („lineár koefficiensek”). 13
Szerves kémia I.
1. fejezet
Általános szabály, hogy a kombinálódó atompályák száma megegyezik a létrejövő molekulapályák számával. A molekulapályák lehetnek alacsonyabb energiájú kötő vagy magasabb energiájú lazító molekulapályák. Az atompályákból számtalan lineáris kombináció képezhető.
Ahhoz,
hogy
olyan
kombinációkhoz
jussunk,
amelyek
a
molekulák
elektronszerkezetét jól leírják, néhány kritériumot figyelembe kell vennünk. A kombinációban résztvevő atompályák energiája viszonylag közeli, ezért az atomok belső héjaiból létrejövő molekulapályák elkülönülnek a külső héjakból létrejövőktől. A szomszédos atomok kombinálódó külső atompályái között átfedésnek kell lennie. Ez nem jelenti szükségszerűen azt, hogy a molekulapálya két atomra lokalizálódik, a molekulapálya magában foglalhat sok különböző atomhoz tartozó atompályát, ha az atomok a molekulán belül láncot vagy gyűrűt képeznek. A lineáris kombinációnak pedig olyan molekulapályát kell adnia, amely a molekula szimmetriájával összhangban van. Például a metán esetén a szénatom négy és a négy hidrogénatom egy-egy vegyértékelektronja (összesen nyolc AO) nyolc MO-t, négy kötő és négy lazító MO-t hoz létre. A négy kötő MO alacsonyabb energiájú, mint a négy lazító MO (1.5. ábra).
1.5. ábra Ennek kísérleti bizonyítékai is vannak. A metán tetraéderes szerkezete a molekulapályaelmélettel magyarázható. A molekulapályáknál azokat a síkokat, amelyek tartalmazzák az atommagot, és ahol az elektronok tartózkodási valószínűségi nulla, csomósíkoknak nevezzük. A csomósíkok számának növekedésével emelkedik a molekulapálya energiája. A metánnál a 14
Szerves kémia I.
1. fejezet
négy kötő MO-ból egy (MO1) alacsonyabb energiájú, csomósík nélküli MO, három (MO2, MO3 és MO4) pedig azonos energiaszinten lévő (degenerált), egy csomósíkkal rendelkező MO. Az egyiknél az xy, a másiknál az xz, a harmadiknál az yz sík a csomósík. A legalacsonyabb energiájú MO-nál a szénatom és a hidrogénatomok s-elektronjai kombinálódnak, míg a három degenerált MO-nál a szénatom 2px-, 2py-, illetve 2pz-elektronjai kombinálódnak a hidrogénatomok s-elektronjaival. Amint azt korábban láthattuk, a molekulapálya-elmélet szerint a vegyületekben valamennyi elektron az összes atomtörzs által meghatározott erőtérben foglal helyet, tehát nem lehet megadni, hogy két adott atomot melyik két elektron köti össze. A metánnál minden egyes C–H kötés a négy MO-ból egyszerre tevődik össze. Minden kötő MO-on két elektron tartózkodik, de ezek négy kötésben vesznek részt. A szénatom és egy hidrogénatom között létrejövő kötést alkotó két elektron így négy MO-ból, mindegyik 2/4 elektronból tevődik össze (2/4 + 2/4 + 2/4 + 2/4 = 2). A metán MO-jait az 1.6. ábrán mutatjuk be:
1.6. ábra
15
Szerves kémia I.
1. fejezet
Az eténnél a két szénatom nyolc AO-ja és a négy hidrogénatom négy AO-ja kombinálódik, így tizenkét MO jön létre, amelyből hat kötőpálya és hat lazítópálya. Az 1.7. ábrán mutatjuk be az etén MO-jainak energianívóit. Látható, hogy a kötőpályák energiája alacsonyabb, mint a lazítóké. A legmagasabb betöltött MO-t HOMO-nak (Highest Occupied Molecular Orbital), a legalacsonyabb betöltetlen MO-t LUMO-nak (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) hívjuk.
1.7. ábra
16
Szerves kémia I.
2. fejezet
2. Térszerkezet, sztereokémia, konformáció Konstitúciós izoméria. Sztereoizoméria: E/Z izoméria, kiralitás, enantiomerek és diasztereomerek. Inverzió, retenció és racemizáció. Nyíltláncú és gyűrűs szénhidrogének konformációja. 2.1. Konstitúciós izoméria A XIX. század elején fokozódott az érdeklődés az izoméria jelensége iránt. Wöhler ammónium-cianátból azonos összegképletű, de eltérő reaktivitású és fizikai tulajdonságú karbamidot állított elő (ld. 3. oldal). Később Lebegyev, Kekulé és Faraday is észrevette, hogy az ugyanolyan mólsúlyú, illetve tapasztalati képletű anyagok másképpen viselkednek. Például, mint azt korábban már említettük (ld. 4. oldal), a butanol és a dietil-éter is C4H10O összegképletűek, de fizikai tulajdonságuk és reaktivitásuk lényegesen eltér egymástól.
A butanol és a dietil-éter konstitúciós izomerek, mert azonos az összegképletük, de eltérő az atomok kapcsolódási sorrendje. Ez eltérő fizikai és kémiai tulajdonságokat eredményez. A C4H8O összegképlettel is több különböző szerkezeti képletű vegyületet tudunk felrajzolni:
A butanal, a bután-2-on és az 1,2-dimetiloxirán összegképlete azonos, de egyedül csak a butanal adja a Tollens-próbát (ezüsttükör-próbát), amely során a butanal ammóniumbutanoáttá oxidálódik, miközben fém ezüst válik ki a lombik falán:
17
Szerves kémia I.
2. fejezet
2.2. Sztereoizoméria: E/Z izoméria, kiralitás, enantiomerek és diasztereomerek Ugyancsak C4H8O összegképletűek a kettős kötést tartalmazó 3-metoxiprop-1-én és az 1-metoxiprop-1-én:
Az 1-metoxiprop-1-én kétféleképpen írható fel:
A fenti két molekula konstitúciója azonos, de más a pillératomokon lévő szubsztituensek egymáshoz viszonyított térhelyzete. Az azonos konstitúció, de eltérő térszerkezet esetén sztereoizomerekről beszélünk. Mivel a π-kötés körül gátolt a rotáció, ezért az utóbbi izomerek csak nagy, a π-kötés felszakításához szükséges energia (~280 kJ/mol) befektetésével alakulhatnak át egymásba. A pillératomokhoz kapcsoló szubsztituensekre prioritási sorrendet állapíthatunk meg azok atomtömeg szerinti sorrendje alapján. A nagyobb atomtömegű atom a rangosabb, és az kap kisebb sorszámot. A számozás szerinti növekvő sorrend az alábbi:
Ha azonos oldalon helyezkednek el a rangosabb szubsztituensek, akkor Z (a német zusammen = együtt szóból)-, ha ellentétes oldalon, akkor E (a német entgegen = ellentétes szóból)izomerről beszélünk. Például az alábbi halogénszármazékok is rendelkeznek E/Z izomériával:
18
Szerves kémia I.
2. fejezet
Abban az esetben, amikor egy pillératomhoz két azonos szubsztituens kapcsolódik, nem beszélhetünk E/Z izomériáról. Erre példaként említhetjük az alábbi vinilszármazékot:
Az alábbi alkoholnak két, egymással tükörképi viszonyban lévő sztereoizomerje van. Akárhogyan forgatjuk a molekulákat, nem tudjuk őket egymással fedésbe hozni. A fenti feltételeknek megfelelő molekulákat királisnak hívjuk. Az egymással fedésbe nem hozható tükörképi párokat enantiomereknek nevezzük.
A Cahn–Ingold–Prelog-szabály (CIP-szabály) szerint, ha a legkevésbé rangos csoportot tőlünk legtávolabb helyezzük el, és a három legrangosabb csoport prioritási sorrendje megegyezik az óramutató járásával, akkor R (a latin rectus = jobb szóból)-, illetve ha ellentétes vele, akkor S (a latin sinister = bal szóból)-konfigurációról beszélünk. A prioritási sorrend megállapításakor a kiralitáscentrumtól távolodva szféránként kell összehasonlítani az egyes csoportokat, illetve atomokat, és azonos rang esetén addig a szféráig kell haladnunk, amíg különbséget nem találunk. Például a vinil-alkohol példájánál az alábbi módon lehet megállapítani a körüljárás sorrendjét. Körrel jelöltük az első szférában, téglalappal a második szférában lévő atomokat. A vinilcsoportban a C=C kötést úgy tekinthetjük, mintha a szénatom két szénatommal létesítene kötést. Így a vinilcsoport második szférájában két szénatom és egy hidrogénatom van szemben a metilcsoport három hidrogénatomjával. Emiatt a vinilcsoport rangosabb, mint a metilcsoport.
19
Szerves kémia I.
2. fejezet
Abban az esetben, ha a legkevésbé rangos csoport nem a legtávolabb helyezkedik el tőlünk, egy szubsztituenscserével konfigurációváltással vagy két szubsztituenscserével az eredeti konfiguráció megtartásával járó művelettel tudjuk megállapítani az eredeti molekula konfigurációját.
Abban az esetben, ha a molekula két kiralitáscentrumot is tartalmaz, akkor több sztereoizomer lehetséges. Tekintsük az 1,2-dimetiloxirán példáját. Ha a metilcsoportok a gyűrű azonos oldalán vannak, akkor cisz-, ha ellentétesen, akkor transz-izomerről beszélünk. A két cisz-izomer azonos egymással, amelyet mezo-vegyületnek nevezünk, a két transzizomer pedig enantiomer viszonyban van (egymással fedésbe nem hozható tükörképi párok). A cisz- és a transz-izomerek nem enantiomer viszonyban álló sztereoizomerek, azaz diasztereomerek. Itt említjük meg, hogy a korábban már tárgyalt szubsztituált olefinek (E)- és (Z)-izomerjei (ld. 18. oldal) is diasztereomer viszonyban állnak egymással.
Az enantiomerek 1:1 arányú elegyét racemátnak hívjuk. A racemát (racém elegy) nem forgatja el a polarizált fény síkját, vagyis optikailag inaktív, mert intermolekuláris kioltás jön létre. A cisz-izomernek (mezo-vegyület) belső szimmetriasíkja van, amely esetén intramolekuláris kioltás történik, azaz a vegyület szintén optikailag inaktív, a molekula akirális (nem királis). 20
Szerves kémia I.
2. fejezet
Tekintsünk a nyílt láncú vegyületek közül is egy példát arra, amikor a molekulában két kiralitáscentrum található. A borkősav (R,R)- illetve (S,S)-konfigurációjú izomerjei enantiomer viszonyban állnak egymással. Az egymással azonos (R,S)- és (S,R)-konfigurációjú izomerek belső szimmetriasíkkal rendelkeznek, mezo-vegyületek, optikailag inaktívak, akirális molekulák. Az (R,R)-izomer az (R,S)-, illetve az (S,R)-izomerrel, illetve az (S,S)izomer az (R,S)-, illetve az (S,R)-izomerrel diasztereomer viszonyban áll (azaz olyan sztereoizomerek, amelyek nem enantiomerek).
2.3. Inverzió, retenció és racemizáció Ha egy reakcióban megváltozik a molekula konfigurációja, akkor inverzióról beszélünk. Az (R)-2-brómbután metoxid-ionnal bimolekuláris nukleofil szubsztitúciós (SN2) reakcióban reagál. A reakció inverzióval jár, (S)- konfigurációjú szek-butil-metil-éter keletkezik.
Abban az esetben is beszélhetünk inverzióról, ha (R)-konfigurációjú kiindulási vegyületből (R)-konfigurációjú termék keletkezik, de a térszerkezet megváltozik (pl. az 1-bróm-1fluormetán metoxid-ionnal történő reakciója). 21
Szerves kémia I.
2. fejezet
Ha a reakcióban egy enantiomertiszta kiindulási anyagból (R)- és (S)-konfigurációjú termékek egyaránt keletkeznek, akkor racemizációról beszélünk. Például az (S)-3-bróm-3metilhexánból metanolban monomolekuláris nukleofil szubsztitúciós (SN1) reakcióban karbénium-ion köztiterméken keresztül (R)- és (S)- konfigurációjú éterek elegye keletkezik. Ebben a reakcióban két folyamat játszódik le: abban az esetben, amikor megváltozik a konfiguráció [(S)-ből (R)-termék keletkezik], inverzió történik, amikor pedig megőrződik [(S)-ből (S)-termék keletkezik], akkor retencióról beszélünk.
Ideális esetben a kiindulási (S)-3-bróm-3-metilhexán heterolízise során keletkező két ion (a karbénium-ion és a bromid-ion) teljesen szeparálódik. Ekkor 1:1 arányban keletkezik az (R)- és az (S)-konfigurációjú termék. Ezt teljes racemizációnak nevezzük. A racém elegyben intermolekuláris kioltás jön létre, tehát ekkor az optikai forgatóképesség nulla. 22
Szerves kémia I.
2. fejezet
Az esetek nagy részében azonban a heterolízis során leszakadó távozócsoport az egyik oldalon még árnyékolja a karbénium-iont, így nagyobb részben inverzió játszódik le, például az előzőleg bemutatott reakcióban 52% (R)- és 48% (S)-enantiomer keletkezhet. Ebben az esetben részleges racemizációról beszélünk. Az, hogy teljes vagy részleges racemizáció játszódik-e le, függ a távozócsoport, a szubsztrátum és az oldószer minőségétől is. 2.4. Nyíltláncú és gyűrűs szénhidrogének konformációja A konfiguráció egy kitüntetett atomhoz (általában ez a kiralitáscentrum) kapcsolódó szubsztituensek térbeli elrendeződése (kovalens kötést kell hasítani ahhoz, hogy más térbeli elrendeződést kapjunk). A konformáció a szomszédos vagy távolabbi atomokon lévő szubsztituensek egymáshoz viszonyított térbeli helyzete. Az egyes konformációk egymásba alakulása a szén–szén vagy más atomok közötti egyszeres kötések körüli elfordulással történhet. Az etánnak két kitüntetett energiájú konformációja van: a fedő (eclipsed) állású, illetve a nyílt (staggered) állású. A konformációkat kétféleképpen ábrázolhatjuk: egyrészt az ún. fűrészbak-projekcióval, ahol bemutatjuk a C–C kötéshez kapcsolódó szubsztituensek térbeli elrendeződését,
másrészt a C‒C kötés irányából nézve az ún. Newman-féle projekcióval:
A HaCaCb‒CaCbHb síkok által bezárt ún. diéderes szöget Θ-val jelöljük. A fedő állásnál Θ = 0°, a nyílt állásnál Θ = 60°. A nyílt állás energetikailag kedvezőbb, mint a fedő állás, mert itt kevésbé lép fel a hidrogénatomok közötti sztérikus taszítás. A nyílt állást konformernek tekinthetjük, mert lokális energiaminimumon lévő konformáció (2.1. ábra). Az etánnak végtelen sok konformációja, de csak egy konformere van. A két állás energiája között csak igen kicsi a különbség (mindössze 12,5 kJ/mol), ezért szobahőmérsékleten a C–C kötés körüli rotációval nagyon könnyen egymásba alakulnak. 23
Szerves kémia I.
2. fejezet
2.1. ábra Ha a bután Ca‒Cb kötéstengelye körül az óramutató járásának megfelelően 60°-okkal forgatjuk a Cb szénatomot magába foglaló etilcsoportot, akkor négy kitüntetett energiájú konformációt kapunk: a szinperiplanáris (sp), a szinklinális (sc), az antiklinális (ac) és az antiperiplanáris (ap) konformációkat.
A szin kifejezés arra utal, hogy a felezővonalhoz képest a két metilcsoport azonos oldalon van, az anti pedig azt, hogy ellentétes oldalon vannak. A periplanáris jelentése, hogy a két metilcsoport egy síkban van, a klinálisé pedig, hogy egymással szöget zárnak be. A két szinklinális konformáció (Θ = 60° és Θ = 300°) egymásnak tükörképe, amelyek nem hozhatók fedésbe egymással, tehát enantiomer viszonyban állnak. Ugyanez igaz a két antiklinális konformációra (Θ = 120° és Θ = 240°) is.
24
Szerves kémia I.
2. fejezet
Az energetikailag legkedvezőbb konformáció az antiperiplanáris, mert ebben az esetben van a legtávolabb egymástól a két metilcsoport, és így a lehető legkisebb sztérikus taszítás lép fel. A szinperiplanáris konformáció a legkevésbé kedvező, mert itt érvényesül a legjobban a két metilcsoport taszító hatása. A butánnak az energiaprofil-diagramja (2.2. ábra) alapján két lokális energiaminimuma van: a szinklinális és az antiperiplanáris konformáció. Ezek tehát konformerek. A bután konformációi közötti energiakülönbség olyan kicsi, hogy azokat nem tudjuk izolálni, és csak nagyon alacsony hőmérsékleten (–230°C alatt) tudjuk kimutatni közöttük a különbséget.
2.2. ábra A ciklopropán sík szerkezetű vegyület, amelyben a nyílt láncú paraffinokra jellemző C–C vegyértékszög (112°) jelentős mértékben (60°-ra) torzul. Ennek következtében a C–C kötések között szögfeszültség (Baeyer-feszültség), illetve a vicinális hidrogénatomok között kedvezőtlen fedő állás (Pitzer-feszültség) alakul ki. A ciklobután energetikailag kedvező konformációjában három szénatom egy síkba esik és a negyedik a síkból kissé (~25°-kal) kiemelkedik (C–C vegyértékszög 90°-nál kisebb). A ciklopentán kedvező konformációja a levélboríték forma, amelyben négy szénatom egy síkba esik, és az ötödik a síkból kissé kiemelkedik (C–C vegyértékszög ~108°).
25
Szerves kémia I.
2. fejezet
A ciklohexán ún. szék konformációjában gyakorlatilag megvalósul a nyílt láncú paraffinokra jellemző C–C vegyértékszög, valamint a C–H kötések nyílt állása is. A háromhárom nem szomszédos szénatom két egymással párhuzamos síkot határoz meg. A C–H kötések közül hat ezekre a síkokra merőleges, ún. axiális (a) állású, a másik hat megközelítőleg a két sík közé esik, ún. ekvatoriális (e) állású.
A ciklohexánnak négy kitüntetett energiájú konformációja létezik: a szék, a félszék, a csavart (twist) és a kád konformáció. A szék konformáció a legkedvezőbb, a félszék a legkedvezőtlenebb. A twist és a kád konformációk között nagyon kicsi az energiakülönbség, ezért ezek könnyen átalakulnak egymásba. A twist konformáció nehezebben alakul át a félszék konformációba. A szék és a félszék konformációk energiája között pedig még nagyobb a különbség, ezért a ciklohexán kis energiaközlés esetén nem alakul át a szék konformációból más konformációkba. Nagyobb energiaközlés hatására a többi konformáció is kialakulhat (2.3. ábra).
26
Szerves kémia I.
2. fejezet
2.3. ábra
A metil-szubsztituált ciklohexánnak két különböző energiájú szék konformációja van. A két konformáció Newman-féle projekcióval való ábrázolásából kiderül, hogy a hidrogénnél nagyobb térigényű csoport igyekszik ekvatoriális térállást elfoglalni a kisebb sztérikus taszítás érdekében.
27
Szerves kémia I.
3. fejezet
3. Reakcióelmélet, sav–bázis-, HSAB- és FMO-elméletek A szerves reakciók típusai: szubsztitúciós, addíciós, eliminációs és átrendeződéses reakciók; a szerves reakciók jellege: többlépéses és összehangolt, ionos és gyökös reakciók. Reakciók energiaprofilja: átmeneti állapot és aktiválási paraméterek, intermedierek, kinetikus és termodinamikus kontroll fogalma. Sav–bázis egyensúlyok. Az elektrofilitás és nukleofilitás fogalma. 3.1. A szerves reakciók típusai: szubsztitúciós, addíciós, eliminációs és átrendeződéses reakciók; a szerves reakciók jellege: többlépéses és összehangolt, ionos és gyökös reakciók A reakció sztöchiometriája nem ad felvilágosítást a reakció elemi lépéseiről, azok számáról, sorrendjéről, egymáshoz viszonyított sebességéről, valamint hogy az elektront mely atomok adják át, és hogy melyik a sebességmeghatározó lépés. Egy kémiai kötés hasadhat homolitikusan, ilyenkor két gyök keletkezik:
vagy heterolitikusan, amely egy kation és egy anion képződésével jár:
A reakció elemi lépéseiről a reakciómechanizmus ad felvilágosítást. A termodinamika a kiindulási anyagok és termékek stabilitási viszonyait adja meg, a kinetika pedig a kémiai reakciók időbeli lefolyásával foglalkozik. A szerves kémiai reakciókat aszerint, hogy egyetlen átmeneti állapoton vagy köztiterméken keresztül mennek végbe, két csoportra oszthatjuk: a.) egylépéses (concerted, koncertikus, összehangolt) b.) többlépéses (stepwise, lépcsős) Attól függően, hogy az új kémiai kötés milyen módon alakul ki, három típust különböztethetünk meg: a.) ionos b.) gyökös c.) összehangolt (koncertikus) 28
Szerves kémia I.
3. fejezet
A kémiai reakcióknak a kiinduló anyag és a termék szerkezetében levő különbségek szerint négy típusa van: a.) szubsztitúció b.) elimináció c.) addíció d.) átrendeződés vagy izomerizáció A továbbiakban minden reakciótípusra mutatunk egy-egy példát. A jegyzet későbbi fejezeteiben ezekkel részletesebben is foglalkozunk. Szubsztitúciós reakcióról beszélünk, ha egy atomot vagy csoportot egy hasonló tulajdonságú atommal vagy csoporttal helyettesítünk. A gyökös szubsztitúciós (SR) reakciót a metán klórozásának példáján mutatjuk be. A reakció fény hatására (iniciálás) bekövetkező homolitikus hasadással kezdődik, majd a keletkező klór-gyök továbbreagál a metánmolekulával egy metil-gyök és hidrogén-klorid képződése közben. A metil-gyök egy klórmolekulával reagálva klórmetánt és egy újabb klór-gyököt ad. A gyökös reakció során, mivel csak egy elektron mozdul el, ezért ennek jelölésére egyszakállú nyilat használunk.
A monomolekuláris nukleofil szubsztitúciós (SN1) reakciót az (S)-3-bróm-3-metilhexán metanollal történő reakcióján, a bimolekuláris nukleofil szubsztitúciós (SN2) reakciót az (R)-2-brómbután metoxid-ionnal történő reakcióján már korábban bemutattuk (ld. 21–23. oldal). Ott azt is ismertettük, hogy az SN1 reakció racemizációval, az SN2 reakció pedig inverzióval jár. 29
Szerves kémia I.
3. fejezet
Elektrofil szubsztitúciós (SE) reakcióra példaként a benzol brómozását említhetjük. A reakcióban egy viszonylag stabil köztiterméken keresztül brómbenzolhoz jutunk.
Addíciós reakciók esetén két molekula reagál egymással, és egy molekula keletkezik. Ebben az esetben is beszélhetünk gyökös és ionos mechanizmusú reakciókról. A gyökös addíciós (AdR) reakcióra az etilén bróm-gyökkel való reakcióját mutatjuk be. A hidrogén-bromidból gyökképző (pl. peroxidok, fény) hatására keletkezik a bróm-gyök, amely a sebességmeghatározó lépésben az etilénnel reagálva egy gyök intermediert képez, majd az utóbbi hidrogén-gyököt leszakítva etil-bromidot ad.
Nukleofil addíciós (AdN) reakcióban reagál a ketén az etanollal. A reakcióban először egy vinil-éter típusú termék keletkezik, amely továbbalakul etil-acetáttá. Ennél az átalakulásnál csak a kettős kötés és a proton helyzete változik meg, amelyet tautomériának nevezünk. Ennek a hajtóereje az, hogy a C=C kötésnél erősebb C=O kötés alakul ki. A protonvándorlást az oldószerként is funkcionáló etanol segíti elő.
Elektrofil addíciós (AdE) reakcióban reagál az etilén hidrogén-bromiddal gyökképző távollétében. Az etilén a reakció sebességmeghatározó lépésében a protonnal reagál, majd a képződő etil-kation a bromid-ionnal lép reakcióba. Így ionos mechanizmusú reakcióban brómetán képződik. 30
Szerves kémia I.
3. fejezet
Eliminációs reakcióról akkor beszélünk, ha a reakcióban egy molekulából egy kis, stabil molekula távozik. Az E1 típusú eliminációs reakcióra példaként említhetjük a szek-butil-alkohol kénsavas közegben történő vízeliminációját. A többlépéses reakcióban először az alkohol hidroxilcsoportja protonálódik, majd a vízmolekula kilépése a reakció sebességmeghatározó lépésében történik. Ezért monomolekuláris ez a reakció. A köztitermék kationról a bázis protont hasít le, majd kialakul a kettős kötés.
Bimolekuláris eliminációs (E2) reakcióval keletkezik a 2-brómbutánból a but-2-én. Bázis hatására egy összehangolt folyamatban, egyszerre lép ki a proton és a bromid-ion, valamint alakul ki a kettős kötés. Ebben az esetben hidrogén-bromid eliminációról beszélhetünk.
A konjugált bázison keresztül lejátszódó monomolekuláris eliminációs (E1cB) reakció sebességmeghatározó lépésében a kvaterner ammónium-só bázikus közegben deprotonálódik, egy stabil karbanion (cB) képződik, végül az utóbbi köztitermék trimetil-amin kilépésével olefinné alakul.
31
Szerves kémia I.
3. fejezet
Az átrendeződési reakciókban a molekulába nem lép be, illetve onnan nem lép ki csoport. Példaként említhetjük az allén propinné történő átalakulását.
3.2. Reakciók energiaprofilja: átmeneti állapot és aktiválási paraméterek, intermedierek, kinetikus és termodinamikus kontroll fogalma Tekintsük a ciklopropán propénné alakulásával járó izomerizációs reakciót:
A reakció hajtóereje a szabadentalpia csökkenése. A szabadentalpia-változást a Gibbs– Helmholtz-egyenlet adja meg:
G H TS RT ln K
(3.1)
ahol ΔG: szabadentalpia-változás, ΔH: entalpiaváltozás, ΔS: entrópiaváltozás, R: egyetemes gázállandó [értéke: 8,314 J/(molK)], T: abszolút hőmérséklet, K: egyensúlyi állandó. A reakció sebességét a 3.2. egyenlet adja meg:
v1 k1 A
(3.2)
ahol v1: reakciósebesség, k1: reakciósebességi állandó, [A]: a ciklopropán koncentrációja. A visszaalakulás sebességét (v2) pedig az alábbi egyenlet adja meg:
v 2 k 2 B
(3.3)
ahol [B]: a propén koncentrációja. Egyensúlyi állapotban a két sebesség megegyezik egymással:
v1 v 2
(3.4)
Elvégezve a behelyettesítéseket a 3.2. és 3.3. egyenletek alapján:
k1 A k 2 B
(3.5) 32
Szerves kémia I.
3. fejezet
A két reakciósebességi állandó hányadosa megegyezik a reakció egyensúlyi állandójával: k1 B K k 2 A
(3.6)
Az amerikai Henry Eyring (1901–1981) és a magyar Polányi Mihály (1891–1976) által megfogalmazott átmeneti állapotok elmélete szerint a reakció kiindulási anyagai és az átmeneti állapot aktivált komplexei között sajátos kémiai egyensúly (kvázi-egyensúly) létezik. A reakciók során keletkező köztitermékek (intermedierek) véges élettartamú viszonylag stabil képződmények, ezeket tudjuk vizsgálni. A továbbiakban a rövid életidejű aktivált komplex szerkezetéről, energiájáról próbálunk információt szerezni. Az átmeneti állapotok elmélete alapján a v1 reakciósebesség kifejezhető az aktivált komplex (A#) koncentrációjával is:
v1 # A#
(3.7)
ahol # : az aktivált komplex átalakulásának reakciósebességi állandója. A reakció energiaprofilját a 3.1. ábrán mutatjuk be. Az aktiválási szabadentalpiát ΔG#AB-vel, a szabadentalpia-változást ΔGAB-vel jelöltük.
3.1. ábra A v1 reakciósebességet kétféleképpen is fel tudtuk írni (ld. 3.2. és 3.7. egyenlet):
k1 A # A#
(3.8)
Ebből kifejezve a k1-et:
k1 #
A #
A
(3.9)
33
Szerves kémia I.
3. fejezet
Bevezetve az aktivált komplex kialakulására is az egyensúlyi állandót (K#):
K#
A #
A
(3.10)
Behelyettesítve:
k1 # K #
(3.11)
A # reakciósebességi állandó a következőképpen függ a hőmérséklettől:
#
k T
(3.12)
h
ahol κ: transzmissziós tényező (ennek értéke általában egy vagy közel egy), k: Boltzmannállandó (értéke: 1,38·10–23 J/K), h: Planck-féle hatáskvantum (értéke: 6,63·10–34 Js). Ezek alapján a k1 reakciósebességi állandó:
k T
k1
h
K#
(3.13)
Az átmeneti állapotok elmélete szerint az aktiválási paramétereket és az aktivált komplex egyensúlyi állandóját szerepeltethetjük a termodinamikai Gibbs–Helmholtz-egyenletben is: G # H # TS # RT ln K #
(3.14)
Ebből kifejezhetjük a K # egyensúlyi állandót:
G # ln K RT #
K e #
G # RT
(3.15)
(3.16)
A K# egyensúlyi állandó kifejezését behelyettesítve a 3.13. egyenletbe:
k1
k T h
e
G # RT
(3.17)
34
Szerves kémia I.
3. fejezet
Ha a hőmérséklettel osztjuk mindkét oldalt, és linearizáljuk az exponenciális összefüggést, a 3.18. egyenletet kapjuk:
k1 k G # ln ln T h RT
(3.18)
G k 1 Ha az ln 1 -t ábrázoljuk az függvényében a görbe meredeksége: , amiből a ΔG# R T T #
meghatározható (3.2. ábra).
3.2. ábra
Az Arrhenius-egyenlet szerint a reakciósebességi állandó az aktiválási energiával és a hőmérséklettel az alábbi képlettel fejezhető ki:
k1 A e
Ea RT
(3.19)
ahol k1: reakciósebességi állandó, A: preexponenciális tényező (értéke attól függ, hogy a molekulák milyen gyakran ütköznek, és hogy ütközéskor megfelelő-e az orientációjuk), Ea: aktiválási energia, R: egyetemes gázállandó, T: abszolút hőmérséklet. Ha linearizáljuk a fenti egyenletet:
ln k1 ln A
Ea RT
(3.20)
35
Szerves kémia I. Ha az ln k1 -et ábrázoljuk az
3. fejezet
E 1 függvényében, a görbe meredeksége: a . Ebből az Ea értéke R T
meghatározható (3.3. ábra).
3.3. ábra Az aktiválási entalpia és az aktiválási energia között az alábbi összefüggés áll fenn:
H # Ea R T
(3.21)
Ezzel a ΔH# értékét is megkapjuk. A ΔG# és a ΔH# ismeretében pedig a harmadik aktiválási paraméter, az ΔS# is meghatározható a 3.14. egyenlet alapján. A ciklopropén izomerizációval a körülményektől függően allénné, illetve propinné is alakulhat. A ciklopropén allénné alakulásának kisebb az energiagátja (ΔG#AB), mint a propinné alakulásnak (ΔG#AC) (3.4. ábra). A propinné alakulás viszont nagyobb szabadentalpia-csökkenéssel jár, mint az allénné alakulás. A propin tehát stabilabb, mint az allén. Alacsonyabb hőmérsékleten csak az allénhez vezető energiagát legyőzéséhez van elegendő energia, ezért allén keletkezik (kinetikus kontroll). Magasabb hőmérsékleten már a propinhoz vezető energiagát legyőzéséhez is elegendő az energia, így a stabilabb termék, a propin keletkezik (termodinamikus kontroll).
36
Szerves kémia I.
3. fejezet
3.4. ábra
3.3. Sav–bázis egyensúlyok A Brønsted–Lowry protoncentrikus, termodinamikai megközelítésű sav–bázis elmélet szerint sav, amely protont ad le, és bázis, amely protont vesz fel. Ezen elmélet szerint a hagyományosan savnak tartott vegyületek bázisként is viselkedhetnek, ha egy erősebb savval hozzuk össze őket. Például a perklórsav protonálni tudja az ecetsavat, azaz ebben az esetben a perklórsav savként és az ecetsav bázisként viselkedik.
Egy HA sav savi disszociációs egyensúlyi állandója (Ka) az alábbi módon határozható meg:
(3.22) A HA sav konjugált bázisának (A–) a vízzel mint savval történő reakciójára vonatkozó egyensúlyi állandóját (Kb) a következőképpen kaphatjuk meg: 37
Szerves kémia I.
3. fejezet
(3.23) A két egyensúlyi állandó szorzata a vízionszorzatot adja:
(3.24) Az egyensúlyi állandók negatív logaritmusát véve az alábbi egyenlethez jutunk:
lg K a lg K b lg K w
(3.25)
Ezek alapján egy sav pKa értékének és a konjugált bázisa pKb értékének összege szobahőmérsékleten, vizes közegben 14.
pK a pK b pK w 14
(3.26)
Hasonlóképpen egy B bázis vízzel való reakciójának egyensúlyi állandóját (Kb) is fel tudjuk írni:
(3.27) A B bázis konjugált savának (HB+) a vízzel mint bázissal történő reakciójára vonatkozó egyensúlyi állandóját (Ka) a következőképpen kaphatjuk meg:
(3.28) 38
Szerves kémia I.
3. fejezet
A két egyensúlyi állandó szorzatából az előzőekhez hasonlóan levezethetjük, hogy a bázis pKb értékének, illetve a konjugált sava pKa értékének összege is 14.
(3.29)
lg K b lg K a lg K w
(3.30)
pK b pK a pK w 14
(3.31)
A fontosabb savak és bázisok vízre vonatkoztatott pKa és pKb értékeit a 3.1. táblázatban foglaljuk össze. 3.1. táblázat pKa
pKb
50
–36
48
–34
44
–30
43
–29
38
–24
35
–21
25
–11
19
–5
17
–3
16
–2
39
Szerves kémia I.
3. fejezet 15,74
–1,74
15,5
–1,5
9,9
4,1
9,4
4,6
9,25
4,75
6,35
7,65
5,25
8,75
4,75
9,25
3,2
10,8
–1,4
15,4
–6,5
20,5
–7
21
–9
23
–9
23
–10
24
–10
24
3.4. Az elektrofilitás és nukleofilitás fogalma A Lewis-féle elektronpár-centrikus sav–bázis elmélet szerint sav, amely elekronpárt vesz fel (elektronpár-akceptor), és bázis, amely elektronpárt ad le (elektronpár-donor). Nukleofilnak nevezzük azt a molekulát vagy iont, amely a parciális vagy valódi pozitív töltést, valamint elektrofilnak, amely a nagy elektronsűrűséget, elektronpárt vagy valódi negatív töltést kedveli. Amíg a Brønsted-féle sav–bázis elmélet termodinamikai jellegű, addig a Lewis-féle koncepció nagyon hasonlít a HSAB (Hard and Soft Acid and Base = kemény és 40
Szerves kémia I.
3. fejezet
lágy sav és bázis)-elmélethez, amely kinetikai jellegű. Az utóbbi szerint a kemény elektrofil a kemény nukleofillel, a lágy elektrofil a lágy nukleofillel reagál gyorsan. A továbbiakban a kemény és lágy fogalmakat mutatjuk be. A kemény nukleofilek (kemény bázisok) nagy elektronegativitással és nagy elektronsűrűséggel rendelkeznek, kompaktak, emiatt nehezen polarizálhatók. Általában negatív töltésűek. A reakciókban a HOMO pályájuk (ld. 16. oldal) reagál, amely alacsony energiájú. Például ide tartozik:
A
lágy
nukleofilek
(lágy
bázisok)
kisebb
elektronegativitással
és
kisebb
elektronsűrűséggel rendelkeznek, nem kompaktak, emiatt könnyen polarizálhatók. Nem szükséges negatív töltéssel rendelkezniük. A reakciókban a HOMO pályájuk reagál, amely magas energiájú. Például ide tartozik:
A kemény elektrofilek (kemény savak) kis elektronegativitással rendelkeznek, kompaktak, nagy a pozitív töltéssűrűségük, nehezen polarizálhatók. Általában pozitív töltésűek. A reakciókban a LUMO pályájuk (ld. 16. oldal) reagál, amely magas energiájú. Például ide tartozik:
A lágy elektrofilek (lágy savak) elektronegativitása nem annyira kicsi, nem kompaktak, könnyen polarizálhatók. Nem szükséges pozitív töltéssel rendelkezniük. A reakciókban a LUMO pályájuk reagál, amely alacsony energiájú. Például ide tartozik:
A határmolekulapálya (Frontier Molecular Orbital = FMO)-elmélet szerint a lágy elektrofil és a lágy nukleofil reakciójakor a közel azonos energiájú HOMO és LUMO pályák átfednek, kovalens kötés alakul ki (pályakontrollált reakció, 3.5. ábra). A lágy elektrofil 41
Szerves kémia I.
3. fejezet
alacsony energiájú LUMO pályája a lágy nukleofil magas energiájú HOMO pályájával kedvező átfedést biztosít. A két határmolekulapálya kis energiakülönbsége miatt dominál a reakcióban a HOMO–LUMO kölcsönhatás.
3.5. ábra
A kedvező lágy–lágy reakciókra példaként említhetjük a metil-jodid és a deprotonált dietilmalonát, illetve a metil-jodid és a trifenil-foszfán reakcióját.
A kemény elektrofil és a kemény nukleofil reakciójakor heteropoláris kovalens vagy ionos kötések jönnek létre. A kemény elektrofil magas LUMO energiájú, a kemény nukleofil pedig alacsony HOMO energiájú. A két határmolekulapálya nagy energiakülönbsége miatt nem a HOMO–LUMO,
hanem
az
elektrosztatikus
kölcsönhatás
dominál.
Emiatt
ezeket
töltéskontrollált reakcióknak hívjuk (3.6. ábra). 42
Szerves kémia I.
3. fejezet
3.6. ábra
A kedvező kemény–kemény reakciókra példaként említhetjük a lítium-ion és a fluorid-ion, illetve a proton és a klorid-ion reakcióját.
43
Szerves kémia I.
4. fejezet
4. Redox-reakciók és gyökös reakciók elmélete, paraffinok kémiája Az oxidációs szám értelmezése. Paraffinok és cikoparaffinok redukciós előállításai, a szén–szén egyszeres kötés létrehozásának módszerei. Paraffinok és cikloparaffinok fizikai tulajdonságai, gyökös és oxidációs reakciói. 4.1. Az oxidációs szám értelmezése Az oxidációs szám az atomok oxidációs állapotát írja le. Fémek esetében az oxidációs és redukciós folyamatok könnyen követhetők, szerves és szervetlen vegyületek esetén a reakcióban kötésváltozást szenvedő atomok oxidációs állapotát a hozzájuk kapcsolódó atomok elektronegativitása alapján határozzuk meg. Oxidációs folyamat során a szénatom elektronokat veszít azáltal, hogy a hozzá kapcsolódó atomoknál nagyobb elektronegativitású elemekkel alakít ki kötést, redukciós folyamat során pedig ennek az ellenkezője történik. A példában szereplő nyilak az elektronegativitások különbségén alapuló elektronfelhőeltolódásokat jelzik, amelyek számszerű összegzése adja az oxidációs számot.
A redox-egyenletek rendezése először az oxidációs szám, majd a töltések, végül az atomok száma alapján történik.
4.2. Paraffinok és cikoparaffinok redukciós előállításai, a szén–szén egyszeres kötés létrehozásának módszerei A Wurtz-reakció során alkil-halogenideket fém nátriummal reagáltatva alkánt kapunk. A reakció SET mechanizmussal megy végbe, amelynek lényege, hogy az első lépésben ún. egyelektron-átadás (Single Electron Transfer = SET) történik. Ennek eredményeképpen 44
Szerves kémia I.
4. fejezet
egy kation és egy gyök-anion keletkezik. A gyök-anion az oldószerkalickában maradva gyökre és anionra bomlik. Ahhoz, hogy a gyökök rekombinációja megtörténjen, a gyököknek ki kell szabadulniuk az oldószerkalickából.
Ez a módszer csak szimmetrikus alkánok előállítására alkalmas, mivel két különböző halogénvegyületből kiindulva keverék termékhez jutunk.
A Grignard-reakció első lépése az ún. Grignard-reagens képzése, amelynek során a halogénvegyületre fém magnézium beékelődése történik SET mechanizmusú folyamatban.
A Grignard-reagens és a halogénvegyület SET mechanizmusú reakciójában gyök-anion és gyök-kation képződik.
45
Szerves kémia I.
4. fejezet
Ez utóbbiak az oldószerkalickán belül szétbomolva szolgáltatják a gyököket, amelyek rekombinációja adja a megfelelő alkánt. Mivel a gyökök rekombinációja az oldószerkalickán belül történik meg, így lehetőség van két különböző halogénvegyületből aszimmetrikus alkán szelektív előállítására. A halogénvegyületeket lítium-tetrahidrido-alumináttal redukálva alkánt kapunk.
Az alkoholok tömény hidrogén-jodiddal reagáltatva nukleofil szubsztitúciós (SN) reakcióban alkil-jodidokat szolgáltatnak, amelyekből további hidrogén-jodid hatására SET mechanizmusú reakcióban alkán képződik.
Az oxovegyületek alkánná történő redukciós módszerei közül hármat (a–c) emelünk ki, amelyek az alkalmazott közeg pH-jában is eltérnek egymástól. a.) Clemmensen-redukció: az oxovegyületet tömény sósavval és amalgámozott cinkkel reagáltatva alkánt kapunk. A reakció erősen savas körülmények között megy végbe.
46
Szerves kémia I.
4. fejezet
b.) Kizsnyer–Wolff-redukció: az oxovegyületet kálium-hidroxid jelenlétében, etilénglikolban hidrazinnal reagáltatva alkánt kapunk. A reakció erősen bázikus körülmények között megy végbe.
c.) Tioketálos módszer: az oxovegyületekből képezhető tioacetálok, illetve tioketálok Raneynikkel katalizátor segítségével alkánná redukálhatók. A reakció semleges körülmények között megy végbe.
A karbonsavak nátrium-sója melegítés hatására dekarboxileződik, így a karbonsavnál egy szénatommal kisebb szénatomszámú alkán képződik.
47
Szerves kémia I.
4. fejezet
A karbonsavakat foszfor jelenlétében hidrogén-jodiddal és jóddal kezelve a karbonsavval azonos szénatomszámú paraffint kapunk.
Az olefineket finom eloszlású nikkel (Raney-nikkel) vagy nemesfém (Pd, Pt) katalizátorok jelenlétében hidrogénezve a megfelelő alkánt kapjuk.
48
Szerves kémia I.
4. fejezet
A reagens (hidrogénmolekula) két része azonos oldalról közelíti meg a szubsztrátumot, amelyet szin-addíciónak nevezünk. A kettős kötés megközelítése mindkét oldalról azonos valószínűséggel történhet, amelynek meghatározott sztereokémiai következménye van (mezovegyület, illetve racemát képződése). A Simmons–Smith-reakcióval ciklopropánszármazékok állíthatók elő olefinből ún. karbénbeékelődési reakcióval. A reakció során először dijódmetánból (jódmetil)cink-jodidot képzünk, és ezt reagáltatjuk a megfelelő olefinnel (szin-addíció). A kettős kötés megközelítése mindkét oldalról azonos valószínűséggel történhet, amelynek meghatározott sztereokémiai következménye van (mezo-vegyület, illetve racemát képződése).
49
Szerves kémia I.
4. fejezet
Diszjunkt dihalogenidek cinkkel történő reakciójában cikloparaffinok állíthatók elő.
4.3. Paraffinok és cikloparaffinok fizikai tulajdonságai, gyökös és oxidációs reakciói A paraffinmolekulákat van der Waals-erők (diszperziós erők) tartják össze. Az összetartó erő nagysága a molekulák közötti érintkezési felület mértékétől függ. Az el nem ágazó láncú paraffinok esetén ez az erő nagyobb, mint az elágazó láncú izomerek esetén, így az előbbiek forráspontja magasabb (a pentán forráspontja 36°C, az izopentáné 30°C, a neopentáné 9°C). Az el nem ágazó láncú paraffinok forráspontja a szénatomszám növekedésnek függvényében egy sorozatot alkot (4.1. ábra).
A páros és páratlan szénatomszámú, el nem ágazó láncú paraffinok a láncvégi metilcsoportok különböző (transzoid, illetve ciszoid) térállásának köszönhetően eltérő (monoklin, illetve triklin) kristályformában kristályosodnak, és ebből adódóan olvadáspontjuk két sorozatot alkot. A páros szénatomszámú képviselők olvadáspontja magasabb (4.1. ábra).
50
Szerves kémia I.
4. fejezet
4.1. ábra Az alkánok kis reakcióképességű vegyültek. Ionos reakciókra gyakorlatilag alig késztethetők, mivel a bennük található kötések csak kismértékben polarizálhatók. Ennek következtében jellemzően gyökös mechanizmusú reakciókat adnak. A telített szénhidrogének halogénezése, szulfonálása és nitrálása gyökös szubsztitúciós (SR) reakcióval megy végbe, amelyek lefutása láncreakcióval történik.
51
Szerves kémia I.
4. fejezet
Amennyiben a gyökös szubsztitúciós reakció elágazó láncú paraffinon megy végbe, az a termék lesz a főtermék, amelyhez a legstabilabb köztiterméken keresztül haladó reakcióút vezet. A lehetséges köztitermékek közül az a stabilabb, amelyben a párosítatlan elektron a magasabb rendű szénatomon helyezkedik el, mivel ez esetben nagyobb az alkilcsoportok hiperkonjugációs stabilizáló hatása.
A cikloparaffinok reaktivitása részben eltér a paraffinokétól. Ennek oka, hogy a kis gyűrűmérettel rendelkező ciklopropán és ciklobután esetén jelentős mértékű gyűrűfeszültség lép fel, amelynek következtében nem szubsztitúciós, hanem gyűrűfelnyílással járó addíciós reakciókat
adnak.
Ezekben
a
reakciókban
melegítés
hatására
olefin,
katalitikus
hidrogénezéssel alkán, hidrogén-bromid hozzáadásával halogénvegyület, illetve bróm jelenlétben dihalogénvegyület képződik.
A nagyobb gyűrűmérettel rendelkező ciklopentán azonban csak alig, illetve a ciklohexán már gyakorlatilag nem rendelkezik gyűrűfeszültséggel, így ezen cikloparaffinok a nyílt láncú paraffinokra jellemző gyökös szubsztitúciós reakciókat adják. A paraffinok égése is gyökös mechanizmusú reakcióval megy végbe. 52
Szerves kémia I.
4. fejezet
53
Szerves kémia I.
5. fejezet
5. Olefinek és acetilének reaktivitása, elektrofil addíció, oxidáció és polimerizáció Olefinek
elektrofil
Acetilénszármazékok
addíciós elektrofil
és
gyökös
addíciós
reakciói. és
gyökös
Az
1,3-diének
reakciói,
reakciói.
valamint
az
acetilénszármazékok konjugált bázisának szubsztitúciós és addíciós reakciói. 5.1. Olefinek elektrofil addíciós és gyökös reakciói Az olefinek elektrofil addíciós (AdE) reakciója két lépésben zajlik. Az első, sebességmeghatározó (lassú) lépésben az olefin kettős kötése lágy nukleofilként viselkedve reagál a reagens elektrofil részével, majd az így képződött karbénium-ion típusú köztitermék gyors reakcióba lép a reagens nukelofil részével.
Az ábrán bemutatott reagensek közül a hidrogén-bromid elektrofil addíciós reakcióját fény, illetve peroxidok kizárásával kell végezni, mivel az utóbbiak hatására gyökös addíciós (AdR) reakció játszódik le, és eltérő termék képződik.
A hidrogén-bromid AdE reakciója során érvényesül a Markovnyikov-szabály, amely kimondja, hogy a hidrogén-halogenidek olefinekre történő addíciójában a hidrogén ahhoz a szénatomhoz kapcsolódik, amelyiken eleve is több volt. Ezen tapasztalati szabály általánosításával elmondhatjuk, hogy az olefinek elektrofil addíciós reakciói során a reagens elektrofil része az alacsonyabb rendű, nukleofil része pedig a magasabb rendű szénatomhoz kapcsolódik. 54
Szerves kémia I.
5. fejezet
5.1. ábra A Markovnyikov-szabályt a hidrogén-bromid elektrofil addíciós reakciójának példáján a következőképpen magyarázhatjuk: a reagens elektrofil része, vagyis a proton a kettős kötés mindkét pillératomjára kerülhet, a B1 vagy B2 köztiterméket eredményezve. A köztitermékek képződésének sebességét a hozzájuk vezető a és b reakcióutak aktiválási szabadentalpiája határozza meg. Mivel az a reakcióúthoz tartozó aktiválási szabadentalpia kisebb, ezért a B1 köztitermék keletkezik gyorsabban, és gyakorlatilag csak ez a reakcióút valósul meg, vagyis a kinetikus kontroll érvényesül (5.1. ábra). A B1 és B2 köztitermékek képződéshez vezető reakcióutak aktiválási szabadentalpiáját pedig az aktivált komplexek szerkezete, az azokban ható stabilizáló vagy destabilizáló elektronos és sztérikus tényezők határozzák meg. Mivel az aktivált komplexet közvetlenül nem tudjuk vizsgálni rendkívül rövid (egy molekularezgés, kb. 10–13 s) élettartama miatt, ezért az aktivált komplexek stabilitását a B1 és B2 köztitermékek stabilitására vezetjük vissza. Ez a megfontolás a Hammond-elv alapján történik, amely kimondja, hogy ha egy reakció során köztitermék lép fel, akkor feltételezhető, hogy a köztitermék és a hozzá vezető aktivált 55
Szerves kémia I.
5. fejezet
komplex energetikai hasonlósága szerkezeti hasonlóságot is jelent. Jelen esetben a B1 köztitermék stabilabb a B2 köztiterméknél, mivel a B1 köztitermékben több (két) alkilcsoport hiperkonjugációs hatása érvényesül, amely nagyobb mértékben stabilizálja a kationt, mint a B2 köztitermék esetén. Összefoglalva tehát elmondható, hogy a stabilabb B1 köztitermék keletkezik gyorsabban, így a rajta keresztül haladó reakcióút valósul meg. Azt a jelenséget, hogy a reagens (jelen esetben az elektrofil rész) két reaktivitási szempontból hasonló helyre is beléphet a molekulába, de főként csak az egyik út valósul meg, regioszelektivitásnak nevezzük. Amennyiben a hidrogén-bromiddal történő reakciót peroxid jelenlétében végezzük, a peroxid-gyök hatására a hidrogén-bromidból bróm-gyök képződik. A bróm-gyök az olefinen gyökös addíciós reakciót indít, amelyben főtermékként a Markovnyikov-orientációval ellentétes termék képződik.
5.2. ábra 56
Szerves kémia I.
5. fejezet
Ennek a magyarázata hasonló megfontoláson alapszik, mint az előző esetben: mivel a B1 köztitermék stabilabb – szintén a hiperkonjugációs stabilizáló hatásoknak köszönhetően – így a Hammond-elv értelmében a hozzá vezető aktivált komplex alacsonyabb energiájú, vagyis az a reakcióút aktiválási szabadentalpiája kisebb, ezért a kinetikus kontroll értelmében a B1 köztiterméken keresztül haladó reakcióút valósul meg (5.2. ábra). A Brown-féle hidrobórozás az előzőektől eltérően nem két lépésben, hanem összehangolt módon, egylépéses reakcióban megy végbe. A reagens a diboránból képződő borán, amelynek elektrofil centruma a bóratom az elektronegativitások (B: 2,0; H: 2,1) különbségén alapuló elektronfelhő-eltolódás miatt. A reakcióban tripropilborán képződik, amely lúgos hidrogénperoxid hatására tripropil-boráttá alakul. Az utóbbiból hidrolízissel a megfelelő primer alkohol és bórsav képződik.
Az olefinek eddig ismertetett addíciós reakciói regioszelektivitást mutatnak. A következőkben az addíciós reakciók sztereokémiai viszonyait is vizsgáljuk. 57
Szerves kémia I.
5. fejezet
Az olefinek kálium-permanganáttal történő reakciójában (szin-addíció), majd az azt követő hidrolízissel vicinális diolok nyerhetők. A kettős kötés megközelítése mindkét oldalról azonos valószínűséggel történhet, amelynek meghatározott sztereokémiai következménye van (mezo-vegyület, illetve racemát képződése).
Az olefineket persavakkal reagáltatva a megfelelő epoxidot kapjuk (szin-addíció). A kettős kötés megközelítése mindkét oldalról azonos valószínűséggel történhet, amelynek meghatározott sztereokémiai következménye van (mezo-vegyület, illetve racemát képződése). 58
Szerves kémia I.
5. fejezet
A képződött epoxidokat savas vagy lúgos hidrolízisnek alávetve vicinális diolok képződnek. A hidrolízis során a nukleofil ágens támadása az oxigénatommal ellentétes oldalról történik, amely szintén meghatározott sztereokémiai következménnyel jár (mezo-vegyület, illetve racemát képződése). 59
Szerves kémia I.
5. fejezet
a.) Hidrolízis savas körülmények között:
60
Szerves kémia I.
5. fejezet
b.) Hidrolízis bázikus körülmények között:
61
Szerves kémia I.
5. fejezet
Az olefineket brómmal reagáltatva vicinális dibrómvegyületeket kapunk. A reagens (brómmolekula) két része ellentétes oldalról közelíti meg a szubsztrátumot, amelyet antiaddíciónak nevezünk. Az első lépésben a kettős kötés megközelítése mindkét oldalról azonos valószínűséggel történhet, majd az így képződött köztitermékre a bromónium-ionnal ellentétes oldalról lép be a reagens másik része, a bromid-ion. A reakciónak meghatározott sztereokémiai következménye van (mezo-vegyület, illetve racemát képződése).
A kettős kötés pillératomjain azonos szubsztituenseket tartalmazó olefinek (pl. but-2-én, ld. fentebb) addíciós reakcióinak sztereokémiai viszonyait az alábbiakban foglalhatjuk össze:
62
Szerves kémia I.
5. fejezet
Az olefinek különböző mechanizmusú polimerizációs reakciókba (a–c) vihetők. a.) Gyökös polimerizáció:
b.) Anionos polimerizáció:
c.) Kationos polimerizáció:
63
Szerves kémia I.
5. fejezet
Az olefinek szubsztitúciós reakciókat nem adnak, azonban eredményében szubsztitúciós reakcióknak tekinthetők az olefinek Pd(II)-katalizált reakciói, amelyekkel vinil-éterek, oxovegyületek, valamint telítetlen karbonsavak és karbonsav-észterek állíthatók elő. Első lépésben a Pd(II)-ion mint elektrofil reagál az olefin kettős kötésével, majd a keletkező pozitív töltésű szénatomra nukleofil támadása történik, amelyet ugyanerről a szénatomról proton leszakadása követ. a.)
b.)
A reakcióban Pd(0) keletkezik, amely a rendszerben lévő réz(II)-klorid hatására reaktív Pd(II)-ionná alakul vissza. A keletkező réz(I)-klorid a levegő oxigénje és sósav segítségével oxidálható réz(II)-kloriddá. Mivel mind a katalizátort [palládium(II)-klorid], mind a réz(II)kloridot, mind a keletkező sósavat visszaforgatjuk, csak a levegő oxigénje fogy el a reakció során. 64
Szerves kémia I.
5. fejezet
Az olefinek szén–szén kettős kötése melletti, ún. allil-helyzetű szénatomon gyökös szubsztitúciós (SR) reakció játszódik le.
A reakció könnyen végbemegy, amely a keletkező köztitermék, az allil-gyök viszonylagos stabilitásával (a Hammond-elv értelmében valójában a hozzá vezető reakcióút kis aktiválási szabadentalpiájával) magyarázható. A stabilitás oka, hogy az allil-gyökben három centrumos három elektronos delokalizáció jön létre. A Hückel-féle molekulapálya (HMO)-elmélet értelmében (amely szerint a π-elektronrendszer gyakorlatilag függetlennek tekinthető a σ-váztól), a három szénatom három pz-atompályájának lineáris kombinációjával három molekulapálya jön létre, amelyek közül a legalacsonyabb energiájú két elektronnal, míg a középső energiaszintű (Singly Occupied Molecular Orbital = SOMO) egy elektronnal van betöltve. Az allil-gyök mellett az allil-kation és allil-anion is hasonlóan nagy stabilitással bír (5.3. ábra).
65
Szerves kémia I.
5. fejezet
5.3. ábra
5.2. Az 1,3-diének reakciói A diének (diolefinek) a kettős kötések egymáshoz viszonyított helyzete alapján három csoportba (a–c) sorolhatók. a.) Kumulált diének A kettős kötések egyik szénatomja közös, amely sp hibridállapotú. A láncvégi szénatomokon eltérő szubsztituenseket tartalmazó származékok nem hozhatók fedésbe tükörképi párjukkal, vagyis egymással enantiomer viszonyban állnak.
Jellemzően elektrofil addíciós reakciókat adnak. Könnyen izomerizálhatók a stabilabb acetilénszármazékokká.
66
Szerves kémia I.
5. fejezet
b.) Izolált diének A két kettős kötés közé egy vagy több sp3 hibridállapotú szénatom ékelődik be, amelynek következtében a két kettős kötés egymástól függetlenül reagál. Az olefinekhez hasonló reakciókat adnak.
c.) Konjugált diének A legegyszerűbb képviselőjük a buta-1,3-dién, amelyben négy centrumos négy elektronos delokalizáció jön létre. A buta-1,3-dién rezonáns határszerkezeteit már korábban feltüntettük (ld. 10. oldal).
A Hückel-féle molekulapálya (HMO)-elmélet értelmében a négy szénatom négy pz-atompályájának lineáris kombinációjával négy molekulapálya jön létre, amelyek közül a két alacsonyabb energiaszintű két-két elektronnal van betöltve (5.4. ábra).
5.4. ábra
67
Szerves kémia I.
5. fejezet
A Diels–Alder-cikloaddíció során az 1,3-diének olefinekkel egylépéses, összehangolt reakcióban ciklohexénszármazékokat adnak.
A buta-1,3-dién egy mól brómmal történő elektrofil addíciós reakciója során a hőmérséklettől függően kétféle termék képződhet. Alacsony hőmérsékleten az 1,2-addukt (E1), míg magasabb hőmérsékleten az 1,4-addukt (E2) keletkezik.
A reakció első lépésében a B köztitermék képződik, amelynek kétféle lehetősége van a továbbalakulásra, azonban csak az egyik, a D köztitermékhez vezető reakcióút valósul meg. Ennek oka, hogy a D köztitermék jelentősen stabilabb, mint a C, mivel a D köztitermékben allil-kation típusú delokalizáció alakul ki, ezzel szemben a C köztitermékben a pozitív töltés és a vinilcsoport közé egy sp3 hibridállapotú szénatom ékelődik be, amely meggátolja a 68
Szerves kémia I.
5. fejezet
delokalizációt. A D köztitermékre a bromid-ion támadása kétféleképpen történhet: alacsony hőmérsékleten kinetikusan kontrollált reakcióban az E1 termék (1,2-addukt), magasabb hőmérsékleten termodinamikusan kontrollált reakcióban az E2 termék (1,4-addukt) képződik (5.5. ábra).
5.5. ábra
5.3. Acetilénszármazékok elektrofil addíciós és gyökös reakciói, valamint az acetilénszármazékok konjugált bázisának szubsztitúciós és addíciós reakciói Az acetilénszármazékok elektrofil addíciós reakciói az olefinekéhez hasonlóan mennek végbe. Példaként említhetjük a hidrogén-bromiddal történő elektrofil addíciós reakciót, amely a Markovnyikov-szabály szerint játszódik le. A reakciót ebben az esetben is fény és peroxidok kizárásával kell végezni.
Míg higany-acetát alkalmazásával egy vagy két ecetsavmolekula addíciója is megvalósítható, addig cink-acetát jelenlétében csak egy ecetsavmolekula belépése történik meg. Ennek magyarázata, hogy a Hg(II)-ionnál keményebb elektrofil Zn(II)-ion nem lép reakcióba az acetilénnél lágyabb nukleofil olefinnel. 69
Szerves kémia I.
5. fejezet
a.)
b.)
Az acetilénszármazékok bázis és Cu(II)-ion jelenlétében, magas hőmérsékleten SET mechanizmusú dimerizációra késztethetők.
70
Szerves kémia I.
5. fejezet
Acetilénszármazékokból a redukciós módszertől (a és b) függően (Z)- vagy (E)konfigurációjú olefinek állíthatók elő. a.)
Az
acetilénszármazékot
mérgezett
katalizátor
jelenlétében
hidrogénezve
(Z)-
konfigurációjú olefint kapunk.
b.) Az acetilénszármazékot nátriummal cseppfolyós ammóniában reagáltatva az (E)konfigurációjú izomerhez jutunk.
Az acetilén viszonylag erős sav (pKa = 25), amely erős bázissal (butil-lítium vagy nátrium-amid) deprotonálható, és az így kapott konjugált bázis nukleofil reagensként szubsztitúciós (SN) és addíciós (AdN) reakciókba vihető. Amennyiben az elektrofil ágens valamely halogénvegyület, úgy nukleofil szubsztitúciós reakcióban acetilénszármazékok előállítása valósítható meg.
71
Szerves kémia I.
5. fejezet
Az elektrofil ágens szerepét oxovegyület is betöltheti, amellyel az acetilén konjugált bázisa nukleofil addíciós reakcióban reagál. A kapott telítetlen diolt katalitikus hidrogénezésnek alávetve további származékok nyerhetők.
72
Szerves kémia I.
6. fejezet
6. Monociklusos aromás vegyületek reaktivitása, elektrofil szubsztitúció A benzol szerkezete, aromaticitás és aromás jelleg. Az aromás elektrofil szubsztitúció mechanizmusa, halogénezés, nitrálás, szulfonálás, Friedel–Crafts-alkilezés- és acilezés. Irányítási szabályok. 6.1. A benzol szerkezete, aromaticitás és aromás jelleg Az aromás rendszerek legegyszerűbb képviselője a benzol. A Hückel-féle molekulapálya (HMO)-elmélet a benzol π-elektronrendszerét a hat szénatom hat pz-atompályájának lineáris kombinációjával írja le. Ennek értelmében hat molekulapálya jön létre, amelyek közül a három alacsonyabb energiaszintű kötőpálya két-két, összesen hat elektronnal van betöltve (6.1. ábra).
6.1. ábra Az aromás rendszerekre jellemző szerkezeti tulajdonságok összességét aromaticitásnak, az aromás vegyületekre jellemző reakciókészséget pedig aromás jellegnek nevezzük. Az aromaticitás feltételei a következők: a.) a gyűrűrendszert alkotó váz koplanáris legyen, b.) valamennyi gyűrűt alkotó atom rendelkezzen pz-atompályával, c.) a delokalizációban 2 + 4n számú p-elektron vegyen részt (Hückel-szabály). 73
Szerves kémia I.
6. fejezet
Az alábbiakban aromás rendszerekre láthatunk példákat. Azok a szénhidrogének, amelyekből egy proton leadásával aromás rendszerrel rendelkező anion képződik, viszonylag savas tulajdonságúak.
74
Szerves kémia I.
6. fejezet
6.2. Az aromás elektrofil szubsztitúció mechanizmusa, halogénezés, nitrálás, szulfonálás, Friedel–Crafts-alkilezés- és acilezés Az aromás vegyületek legjellemzőbb reakciója az aromás elektrofil szubsztitúció (SEAr). A reakció első lépésében a benzol π-elektronrendszere nukleofilként viselkedve reagál az elektrofil ágenssel. Az így keletkező pozitív töltésű köztitermék a σ-komplex (B), amelyben az aromás rendszer felbomlásának következtében öt centrumos négy elektronos delokalizáció jön létre. A második lépésben a σ-komplex egy proton leadásával a termékké alakul, amelyben visszaáll az aromás rendszer. A köztitermékhez, illetve a termékhez vezető aktivált komplexeket (B1# és B2#) π1-, illetve π2-komplexnek is nevezzük (6.2. ábra).
6.2. ábra 75
Szerves kémia I.
6. fejezet
Benzolból kiindulva különböző elektrofil ágensek alkalmazásával benzolszármazékok állíthatók elő. A reakciók az előbbiekben ismertetett általános mechanizmus szerint játszódnak le, és termékként aromás halogénvegyületeket, nitrovegyületeket, szulfonsavakat, alkilcsoporttal szubsztituált benzolszármazékokat, valamint aromás ketonokat szolgáltatnak.
Az aromás rendszer nagyobb stabilitása miatt a benzol az olefineknél gyengébb nukleofil ágens, ezért míg az olefinek készségesen reagálnak a halogénekkel elektrofil addíciós reakcióban, addig a benzollal történő elektrofil szubsztitúciós reakció lejátszódásához növelni kell a halogének elektrofilitását, amely Lewis-sav típusú katalizátorral valósítható meg. Alkil76
Szerves kémia I.
6. fejezet
halogenidekből, illetve savkloridokból kiindulva szintén Lewis-sav típusú katalizátor segítségével képezzük az elektrofil ágenst. A nitrálást tömény kénsav és tömény salétromsav elegyével (ún. nitrálósavval), a szulfonálást tömény kénsavval vagy óleummal (kén-trioxid tömény kénsavban készült oldata) végezzük. 6.3. Irányítási szabályok Amennyiben az aromás elektrofil szubsztitúciós reakció kiindulási anyaga nem benzol, hanem valamely benzolszármazék, abban az esetben az aromás gyűrűben lévő szubsztituens (Z) befolyásolja az újabb elektrofil ágens belépését. A gyűrűben lévő szubsztituens irányítóhatása abban nyilvánul meg, hogy az elektrofil belépése az egyes lehetséges pozíciókba nem statisztikus valószínűséggel történik, hanem valamely pozíció vagy pozíciók kedvezményezetté válnak, és az ezekbe történő belépés eredményezi a főterméket vagy főtermékeket.
Az irányítóhatás szempontjából a szubsztituenseket négy csoportra oszthatjuk: a.) +I (σ-vázon keresztül ható elektronküldő) effektussal rendelkező szubsztituensek
b.) –I (σ-vázon keresztül ható elektronszívó) és +M (π-rendszeren keresztül ható elektronküldő) effektussal rendelkező szubsztituensek, ahol +M effektus > –I effektus
77
Szerves kémia I.
6. fejezet
c.) –I (σ-vázon keresztül ható elektronszívó) és +M (π-rendszeren keresztül ható elektronküldő) effektussal rendelkező szubsztituensek, ahol –I effektus > +M effektus
d.) –I (σ-vázon keresztül ható elektronszívó) és –M (π-rendszeren keresztül ható elektronszívó) effektussal rendelkező szubsztituensek
A gyűrűben lévő szubsztituens irányítóhatása a kinetikus kontroll alapján valósul meg. A lehetséges köztitermékek közül az keletkezik gyorsabban, amelyhez vezető reakcióút aktiválási szabadentalpiája kisebb. A Hammond-elv értelmében ez azt jelenti, hogy az a reakcióút valósul meg főként, amely során alacsonyabb energiaszintű, tehát stabilabb köztitermék képződik. Ebből következően az irányítóhatást a σ-komplexek stabilitására vezetjük vissza. Az elektronküldő szubsztituensek stabilizálják a pozitív töltésű σ-komplexet, ezért az ilyen szubsztituenst tartalmazó benzolszármazékok gyorsabban reagálnak, mint a benzol ugyanolyan reakcióban. Ezzel ellenkezőleg, az elektronszívó szubsztituensek destabilizálják a pozitív töltésű σ-komplexet, ezért az ilyen szubsztituenst tartalmazó benzolszármazékok lassabban reagálnak, mint a benzol ugyanolyan reakcióban. Általánosságban tehát az elektronküldő
szubsztituensek
aktiválnak,
az
elektronszívó
szubsztituensek
pedig
dezaktiválnak aromás elektrofil szubsztitúciós reakcióra.
A továbbiakban részletesen áttekintjük az előbbi négy csoprtba (a–d) tartozó szubsztituensek irányítóhatását. 78
Szerves kémia I.
6. fejezet
a.) +I effektussal rendelkező, aktiváló, orto/para-irányító szubsztituensek Az ilyen szubsztituenst tartalmazó származékoknál az elektrofil belépése az orto- és parahelyzetbe kedvezőbb, mint a meta-helyzetbe, mivel az előbbiek esetében az elektronküldő szubsztituens a σ-komplexben parciális pozitív töltést viselő szénatomhoz kapcsolódik, így jobban érvényesül a stabilizáló hatása, mint a meta-helyzet esetén. Az orto-helyzet kissé kedvezőbb, mint a para-helyzet, mivel a szubsztituens +I effektusa orto-helyzetben nagyobb, mint para-helyzetben (az I effektus a távolsággal jelentős mértékben csökken, ld. 10. oldal). Az ilyen szubsztituenst tartalmazó származékok mindhárom helyzetben gyorsabban reagálnak, mint a benzol (6.3. ábra).
6.3. ábra b.) –I és +M effektussal (+M > –I ) rendelkező, aktiváló, orto/para-irányító szubsztituensek Az ilyen szubsztituenst tartalmazó származékoknál az elektrofil belépése az orto- és parahelyzetbe kedvezőbb, mint a meta-helyzetbe, mivel az előbbiek esetében érvényesül a –I effektust túlkompenzáló +M effektus stabilizáló hatása, míg az utóbbi esetben csak a –I effektus destabilizáló hatása valósul meg. A para-helyzet kissé kedvezőbb, mint az orto-helyzet, mivel a szubsztituens –I effektusa para-helyzetben kisebb, mint orto-helyzetben, a +M effektusa pedig mindkét helyzetben azonos mértékű. Az ilyen szubsztituenst tartalmazó származékok orto- és para-helyzetben gyorsabban, metahelyzetben lassabban reagálnak, mint a benzol (6.4. ábra). 79
Szerves kémia I.
6. fejezet
6.4. ábra
c.) –I és +M effektussal (–I > +M) rendelkező, dezaktiváló, orto/para-irányító szubsztituensek Az ilyen szubsztituenst tartalmazó származékoknál az elektrofil belépése az orto- és parahelyzetbe kedvezőbb, mint a meta-helyzetbe, mivel az előbbiek esetében érvényesül a –I effektust enyhítő +M effektus stabilizáló hatása, míg az utóbbi esetben csak a –I effektus destabilizáló hatása valósul meg. 80
Szerves kémia I.
6. fejezet
A para-helyzet kissé kedvezőbb, mint az orto-helyzet, mivel a szubsztituens –I effektusa para-helyzetben kisebb, mint orto-helyzetben, a +M effektusa pedig mindkét helyzetben azonos mértékű. Az ilyen szubsztituenst tartalmazó származékok mindhárom helyzetben lassabban reagálnak, mint a benzol (6.5. ábra).
6.5. ábra
d.) –I és –M effektussal rendelkező, dezaktiváló, meta-irányító szubsztituensek Az ilyen szubsztituenst tartalmazó származékoknál az elektrofil belépése a meta-helyzetbe kedvezőbb, mint az orto- és para-helyzetbe, mivel az előbbi esetében az elektronszívó szubsztituens nem a σ-komplexben parciális pozitív töltést viselő szénatomhoz kapcsolódik, így kevésbé érvényesül a destabilizáló hatása, mint az orto- és para-helyzet esetén. (A para-helyzet kissé kedvezőbb, mint az orto-helyzet, mivel a szubsztituens –I effektusa para-helyzetben kisebb, mint orto-helyzetben, a –M effektusa pedig mindkét helyzetben azonos mértékű.) Az ilyen szubsztituenst tartalmazó származékok mindhárom helyzetben lassabban reagálnak, mint a benzol (6.6. ábra). 81
Szerves kémia I.
6. fejezet
6.6. ábra
Amennyiben a benzolszármazék két szubsztituenst tartalmaz a gyűrűben, abban az esetben az elektrofil belépését a két szubsztituens együttes hatása határozza meg. Ha a két szubsztituens nem azonos pozícióba irányít, akkor általában az M effektussal rendelkező szubsztituens hatása érvényesül nagyobb mértékben.
Az
alkilcsoporttal
szubsztituált
benzolszármazékok
nemcsak
aromás
elektrofil
szubsztitúciós (SEAr) reakcióknak vethetők alá, hanem a gyűrűhöz kapcsolódó szénatomjukon gyökös szubsztitúciós (SR) reakció is lejátszódhat. 82
Szerves kémia I.
6. fejezet
A gyökös szubsztitúciós reakció a korábban már tárgyalt láncreakciókhoz (ld. 51. és 65. oldal) hasonlóan zajlik. Három mól halogént (Cl2 vagy Br2) alkalmazva a toluol metilcsoportjának mindhárom hidrogénje halogénre cserélhető.
A reakció köztiterméke a benzil-gyök, amely a korábban már tárgyalt allil-gyökhöz hasonlóan nagy stabilitású. Ennek magyarázata, hogy hét centrumos hét elektronos delokalizáció alakul ki, amely négy mezomer határszerkezettel írható le. A benzil-gyökhöz, valamint az allilkationhoz és az allil-anionhoz hasonlóan a benzil-kation és a benzil-anion is nagy stabilitással bír. 83
Szerves kémia I.
6. fejezet
A benzil-kation mezomer határszerkezetei hasonlítanak a gyűrűhöz közvetlenül kapcsolódó atomon pozitív töltést viselő, elektronszívó szubsztituenst tartalmazó benzolszármazék mezomer határszerkezetihez. Ezen is megfigyelhető, hogy az ilyen benzolszármazékok esetén nem kedvező az elektrofil ágens orto- és para- helyzetbe történő belépése.
A benzil-anion mezomer határszerkezetei hasonlítanak a gyűrűhöz közvetlenül kapcsolódó atomon negatív töltést viselő, elektronküldő szubsztituenst tartalmazó benzolszármazék mezomer határszerkezetihez. Ezen is megfigyelhető, hogy az ilyen benzolszármazékok esetén kedvező az elektrofil ágens orto- és para- helyzetbe történő belépése. 84
Szerves kémia I.
6. fejezet
85
Szerves kémia I.
7. fejezet
7. A szubsztitúció és elimináció elmélete Alifás nukleofil szubsztitúciós és eliminációs reakciók mechanizmusa, regio- és sztereokémiája. A reakciókat befolyásoló tényezők. Ambidens nukleofilek. Az aromás nukleofil szubsztitúció. 7.1. Alifás nukleofil szubsztitúciós és eliminációs reakciók mechanizmusa, regio- és sztereokémiája 7.1.1. Szubsztitúciós reakciók a.) Monomolekuláris (többlépéses) nukleofil szubsztitúciós (SN1) reakció A reakció első, sebességmeghatározó (lassú) lépése alkil-halogenidek esetén a szén–halogén kötés heterolízise. Az ehhez szükséges energiát a képződő ionok szolvatációs hője biztosítja. A reakció köztiterméke (B) planáris (sík) szerkezetű karbénium-ion, amely a második lépésben a nukleofil szerepét is betöltő oldószermolekulával reagál. A köztitermék sík szerkezetének köszönhetően a nukleofil ágens támadása mindkét oldalról azonos valószínűséggel történhet. Ennek következtében ideális esetben (ld. 22. oldal) mind az (R)-, mind az (S)-konfigurációjú kiindulási vegyület esetén (R)- és (S)-konfigurációjú termékek 1:1 arányú elegye (racemát) képződik, vagyis teljes racemizáció történik (7.1. ábra).
86
Szerves kémia I.
7. fejezet
7.1. ábra b.) Bimolekuláris (egylépéses) nukleofil szubsztitúciós (SN2) reakció A reakció összehangolt módon, egy lépésben megy végbe, amely során a nukleofil ágens a távozócsoporttal ellentétes oldalról támadja meg a központi, pozitívan polarizált szénatomot. A reakció az A# aktivált komplexen keresztül halad, amely során az új kötés kialakulása és a meglévő kötés felbomlása egyidejűleg történik. Mindezek következtében a reakció folyamán konfiguráció-átfordulás, vagyis inverzió történik (7.2. ábra). Inverzió a CIP-szabály szerinti konfigurációjelölés megmaradásával is történhet, amennyiben a térszerkezet megváltozik (ld. 21. oldal).
7.2. ábra 87
Szerves kémia I.
7. fejezet
7.1.2. Eliminációs reakciók Az eliminációs reakciók a proton leszakadásának helyétől függően lehetnek α- vagy βeliminációs reakciók.
A továbbiakban csak a fontosabb, stabil terméket adó olefinképző β-eliminációkat tárgyaljuk. a.) Monomolekuláris (többlépéses) eliminációs (E1) reakció A reakció során elsőként a kiindulási alkohol protonálódik, majd a sebességmeghatározó (lassú) lépésben egy vízmolekula távozik. Az így képződő karbénium-ion típusú köztitermék ezután protonleadással stabilizálódik, amely két helyről is megtörténhet (a és b reakcióutak). A két lehetőség közül a b reakcióút valósul meg főként (regioszelektivitás), amely során láncközi kettős kötést tartalmazó termék (Zajcev-termék) képződik. Általánosságban a láncközi kettős kötést tartalmazó olefinek stabilabbak, mint a láncvégi kettős kötést tartalmazók, mivel az előbbiekben több alkilcsoport hiperkonjugációs hatása stabilizálja a kettős kötést. Ebben a reakcióban tehát a stabilabb termék (Zajcev-termék) képződik.
88
Szerves kémia I.
7. fejezet
Az E1 reakciónak nincs szigorú sztereokémiai következménye, mivel véges élettartamú köztitermék képződik, amelyben lehetőség van az egyszeres kötés körüli elfordulásra. Ennek következtében bármely konfigurációjú kiindulási vegyületből mind az (E)-, mind a (Z)konfigurációjú termék is keletkezik. Mivel az (E)-izomer stabilabb, így az nagyobb mennyiségben képződik.
b.) Monomolekuláris (többlépéses), konjugált bázison keresztül haladó eliminációs (E1cB) reakció A reakció sebességmeghatározó lépése a konjugált bázis (cB) kialakulása. Ezen típusú eliminációs reakció abban az esetben megy végbe, ha a kiindulási vegyület rossz távozócsoportot tartalmaz, és / vagy ha a kiindulási vegyületből képződő anion (konjugált bázis) viszonylag stabil.
89
Szerves kémia I.
7. fejezet
A reakció első lépésében bázis hatására deprotonálódás következik be. A proton két helyről is leszakadhat (a és b reakcióutak), de főként csak az egyik helyről történik meg (regioszelektivitás). A Hammond-elv és a kinetikus kontroll érvényesülése folytán az a reakcióút valósul meg, amely a stabilabb köztiterméken keresztül vezet. Az a köztitermék (karbanion) stabilabb, amelyben a negatív töltést viselő szénatomhoz kevesebb elektronküldő alkilcsoport kapcsolódik. A stabilabb köztitermékből a kevésbé stabil termék (Hoffmanntermék) képződik, amely a reakció főterméke.
Az E1cB reakciónak nincs szigorú sztereokémiai következménye, mivel véges élettartamú köztitermék képződik, amelyben lehetőség van az egyszeres kötés körüli elfordulásra. Ennek következtében bármely konfigurációjú kiindulási vegyületből mind az (E)-, mind a (Z)konfigurációjú termék is keletkezik.
c.) Bimolekuláris (egylépéses) eliminációs (E2) reakció A reakció összehangolt módon, egy lépésben megy végbe. A bázis hatására történő protonleszakadás, a kettős kötés kialakulása és a távozócsoport kilépése egyidejűleg megy végbe. A proton leszakadása két helyről is történhet (a és b reakcióutak), azonban főként csak az egyik helyről valósul meg (regioszelektivitás). Ennek eredményeként a stabilabb Zajcevtermék képződik főtermékként. A reakció végbemeneteléhez a leszakadó proton és a távozócsoport antiperiplanáris állása szükséges. 90
Szerves kémia I.
7. fejezet
Mivel az E2 reakció során nincs köztitermék, így nem lehetséges az egyszeres kötés körüli elfordulás, ezért adott konfigurációjú kiindulási vegyületből adott konfigurációjú termék képződik, vagyis a reakciónak szigorú sztereokémiai következménye van.
7.2. A reakciókat befolyásoló tényezők A szubsztitúciós és eliminációs reakciók egymással konkurráló reakciók, vagyis egy adott kiindulási vegyület esetén a reakciókörülményektől függően mindkét reakciótípus lejátszódhat. Azt, hogy a szubsztitúciós vagy eliminációs reakció monomolekuláris vagy bimolekuláris folyamatként zajlik-e, szintén számos reakciókörülmény befolyásolja. A továbbiakban ezeket tekintjük át a teljesség igénye nélkül. a.) Szubsztrátum Az α-szénatom rendűségével nő a hajlam az SN1 reakcióra az SN2 reakcióval szemben. Ennek egyik oka, hogy az SN1 reakció köztitermékeként keletkező karbénium-ion stabilitása ebben 91
Szerves kémia I.
7. fejezet
az irányban növekszik, mivel egyre több alkilcsoport hiperkonjugációs hatása érvényesül. A másik oka, hogy SN2 reakcióban a nukleofil támadása az α-szénatomra a távozócsoporttal ellentétes oldalról annál kedvezőtlenebb, minél árnyékoltabb az α-szénatom. Ugyancsak az α-szénatom rendűségével nő a hajlam az eliminációs reakciókra is.
b.) Reagens A nukleofil ágensek bázikus tulajdonsággal is rendelkeznek. A nukleofilitás és bázicitás eltérő fogalmak: míg a nukleofilitás kinetikai, addig a bázicitás termodinamikai tulajdonság. Amennyiben egy reagens jobb nukleofil, akkor SN2 reakció esetén gyorsabban reagál. Amennyiben egy reagens bázikusabb, az esetben a protonfelvételre vonatkozó egyensúlyi állandója nagyobb (pKb kisebb). A tárgyalt reakciókban a nukleofil ágens két helyre támadhat: a lágy elektrofil α-szénatomra szubsztitúciót eredményezve, vagy a kemény elektrofil protonra eliminációt kiváltva. Amennyiben egy nukleofil reagens jobban polarizálható, vagyis lágyabb, úgy a nukleofilitása nagyobb, és ennek következtében a szubsztitúciót részesíti előnyben az eliminációval szemben. A hasonlóan polarizálható nukleofil reagensek közül a bázikusabbnak nagyobb a nukleofilitása.
Általánosságban elmondható, hogy a jobb nukleofil reagensek a szubsztitúciós (SN2), míg a bázikusabb reagensek az eliminációs reakciónak kedveznek. A nukleofil / bázis térkitöltésének növekedése az eliminációs reakciót részesíti előnyben, mivel a nagyobb térkitöltésű reagens a protonhoz könnyebbben fér hozzá, mint az α-szénatomhoz.
92
Szerves kémia I.
7. fejezet
c.) Oldószer Az oldószer minősége jelentősen befolyásolja a szubszitúciós reakció molekularitását. Az S N1 reakció lejátszódásának a protikus–poláris oldószerek (víz, alkoholok, rövid szénláncú szerves savak) kedveznek, amelyek a sebességmeghatározó lépésben képződő kationt (karbéniumiont) és aniont egyaránt képesek szolvatálni. Az SN2 reakció végbemenetelét az aprotikus– poláris oldószerek (HMPA, DMF, DMSO, aceton, MeCN) segítik elő, amelyek a kationt igen, de az aniont nem képesek szolvatálni. Ennek következében a szolvátburokkal nem rendelkező, „meztelen” anionok nagy reakciókészséggel rendelkeznek.
Az anionok reakciókészsége tovább növelhető SN2 reakciókban, ha a megfelelő oldószer alkalmazása mellett valamely kationkomplexáló ágenst is adunk a rendszerhez. Ilyenek például a koronaéterek, amelyek üregméretüktől függően különböző fémionokat képesek komplexálni, ezáltal elősegítve a „meztelen” anionok képződését. 93
Szerves kémia I.
7. fejezet
d.) Távozócsoport A távozócsoport minősége jelentősen befolyásolja a szubszitúciós reakció molekularitását. Minél jobb a távozócsoport, annál könnyebben megy végbe az SN1 reakció, mivel a jó távozócsoport elősegíti az SN1 reakció sebességmeghatározó lépésében bekövetkező heterolízist. A távozócsoport „jósága” nemcsak a konjugált savának pKa értékétől (minél kisebb, annál jobb), hanem a távozócsoport stabilitásától, vagyis a negatív töltés delokalizációjától (minél nagyobb mértékű, annál jobb) is függ (pl. a sósav pKa értéke –7, a ptoluolszulfonsavé –6,5, mégis a tozilát-ion több ezerszer jobb távozócsoport, mint a kloridion).
e.) Hőmérséklet A hőmérsékletnek meghatározó szerepe van abban, hogy az adott egyéb körülmények között szubsztitúciós vagy eliminációs reakció játszódik-e le. Míg a szubsztitúció esetén két molekula két új molekulává alakul, addig az elimináció során két molekulából három molekula képződik.
94
Szerves kémia I.
7. fejezet
A reakciók tehát különböznek az entrópiaváltozás mértékében, amely az eliminációs reakció esetén nagyobb. A Gibbs–Helmholtz-egyenlet (ld. 32. oldal) alapján látható, hogy minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb a két reakció entrópiatagjában (TS) lévő különbség. Ebből következően a magas hőmérséklet az elimináció lejátszódásának kedvez.
7.3. Ambidens nuklofilek Az ambidens nukleofilek kettős reakciókészséggel rendelkeznek, mivel két nukleofil centrumot tartalmaznak. Az egyik egy lágy nukleofil centrum, amellyel lágy elektrofilekkel lépnek reakcióba, a másik pedig egy kemény nukleofil centrum, amellyel kemény elektrofilekkel reagálnak.
Szubsztitúciós reakció esetén, amennyiben aprotikus–poláris oldószert használunk, úgy az SN2 reakció lefutása lesz a kedvezőbb, amely során az ambidens nukleofil lágy centruma pályakontrollált reakcióban reagál a kiindulási vegyület parciálisan pozitív töltésű, lágy elektrofil -szénatomjával. Amennyiben azonban protikus–poláris oldószert alkalmazunk, akkor az SN1 reakció lefutása lesz a kedvezményezett, amely során az ambidens nukleofil kemény centruma töltéskontrollált reakcióban reagál a pozitív töltésű, kemény elektrofil karbénium-ionnal.
95
Szerves kémia I.
7. fejezet
Ugyancsak karbénium-ion képződését, vagyis az SN1 reakció végbemenetelét segíti elő, ha Lewis-savat is adunk a rendszerhez, például az ambidens nukleofilnek az ezüst-sóját alkalmazva a heterolízis egyensúlyát jelentősen a karbénium-ion keletkezése irányába toljuk el, mivel a képződő ezüst-halogenid csapadék igen kis disszociációs állandóval rendelkezik. Ez utóbbit elektrofil katalízisnek nevezzük.
7.4. Az aromás nukleofil szubsztitúció a.) Monomolekuláris (többlépéses) aromás nukleofil szubsztitúciós (SN1-Ar) reakció Ez a reakciótípus aromás diazóniumvegyületek esetén megy végbe. A diazónium-sóból melegítés hatására, nitrogénfejlődés közben aril-kation típusú köztitermék képződik, amely a nukleofil ágenssel reagál.
96
Szerves kémia I.
7. fejezet
A diazónium-sók primer aminocsoportot tartalmazó aromás vegyületekből képezhetők nátrium-nitrit és erős sav (sósav, kénsav) jelenlétében, vizes oldatban. A diazónium-só képződését a salétromossavból erős sav hatására keletkező nitrozil-kation indítja meg.
b.) Bimolekuláris (többlépéses) aromás nukleofil szubsztitúciós (SN2-Ar) reakció A reakció első, sebességmeghatározó (lassú) lépésében a nukleofil ágens támadása történik az aromás gyűrű távozócsoportot tartalmazó szénatomjára. Az így keletkező negatív töltésű köztitermék a Meisenheimer-komplex (B), amelyben az aromás rendszer felbomlásának következtében öt centrumos hat elektronos delokalizáció jön létre. A következő lépésben a köztitermék a távozócsoport leválásával a termékké alakul, amelyben visszaáll az aromás rendszer (7.3. ábra).
97
Szerves kémia I.
7. fejezet
A reakció abban az esetben megy végbe, ha az aromás gyűrűben elektronszívó szubsztituensek találhatók, amelyek stabilizálják a negatív töltésű köztiterméket. Amennyiben az elektronszívó szubsztituensek nemcsak –I effektussal (pl. –CF3), hanem –M effektussal is (pl. –NO2, –CN) rendelkeznek, úgy a negatív töltés nemcsak a gyűrűben, hanem a szubsztituenseken is delokalizálódhat, amely további stabilizációs lehetőséget nyújt.
7.3. ábra
98
Szerves kémia I.
7. fejezet
c.) 1,2-Didehidrobenzol (arin) intermedieren keresztül vezető (többlépéses) aromás nukleofil szubsztitúciós reakció Ez a reakció akkor megy végbe, ha a nukleofil ágens erősen bázikus, valamint ha az aromás gyűrűhöz nem kapcsolódik elektronszívó csoport. Elsőként a bázis protont szakít le, majd a távozócsoport leválik, és arin típusú köztitermék képződik. A köztitermékre az előzőleg a bázis szerepét is betöltő nukleofil támadása két helyen is történhet, közelítőleg azonos valószínűséggel, így kétféle termék körülbelül 1:1 arányú keveréke képződik.
99
Szerves kémia I.
8. fejezet
8. Halogénvegyületek, alkoholok, fenolok és éterek kémiája Halogénvegyületek, éterek, alkoholok és fenolok fizikai tulajdonságai. Sav–bázis tulajdonságok. Halogénvegyületek reakciói fémekkel. Alkoholok reakciói, fenolok és éterek előállítása, reakciói. 8.1. Halogénvegyületek, éterek, alkoholok és fenolok fizikai tulajdonságai A halogénvegyületek forráspontja nem tér el lényegesen az alkánokétól. A szénlánc hosszának, illetve a halogénatom méretének növekedésével növekszik a forráspontjuk. A fluormetán még gáz halmazállapotú (forráspontja –78°C), a jódbután pedig folyadék (forráspontja 131°C).
A halogénvegyületek molekulái között dipól–dipól-, valamint van der Waals-kölcsönhatás alakul ki.
A fluormetán nagyon jól oldódik vízben, mert a vízzel intermolekuláris hidrogénhíd jön létre.
A klórmetán is oldódik vízben, de kevésbé, mint a fluormetán. A jódmetán már nem oldódik vízben. A szénlánc hosszának, illetve a halogénatom méretének növekedésével csökken a vízoldhatóságuk. 100
Szerves kémia I.
8. fejezet
Az étermolekulák között nincs lehetőség hidrogénhíd kialakulására, csak dipól–dipól- és van der Waals-kölcsönhatás jön létre.
A
forráspontjuk
a
szénlánc
hosszának
növekedésével
növekszik.
A
dimetil-éter
szobahőmérsékleten gáz (forráspontja –24°C), a dietil-éter (forráspontja 35°C) és a dibutiléter (forráspontja 142°C) pedig folyadék. Az éterek vízoldhatósága csökken a szénlánc hosszának növekedésével. A dimetil-éter jól oldódik vízben, mert az étermolekulák közé ékelődő vízmolekulával kialakuló hidrogénhidas kölcsönhatás nagyobb energianyereséggel jár, mint az étermolekulák közötti dipól–dipól-, illetve van der Waals-kölcsönhatás.
Az etil-metil-éter is jól oldódik vízben, a dietil-éter már csak 8%-ban, a dibutil-éter pedig már gyakorlatilag nem oldódik benne. Az alkoholmolekulák között hidrogénhidas, dipól–dipól- és van der Waals-kölcsönhatás is kialakul. Az alkánokéhoz képest magas a forráspontjuk.
Az alkoholok forráspontja is növekszik a szénlánc hosszának növekedésével. A metanol forráspontja 65°C, az etanolé 78°C, a propanolé 97°C, a butanolé 117°C, a pentanolé 137°C. Ennek oka az, hogy a szénlánc hosszának növekedésével az alkoholmolekulák közötti van der Waals-kölcsönhatás erőssége növekszik. 101
Szerves kémia I.
8. fejezet
A kis szénatomszámú alkoholok jól oldódnak vízben. A metanol, az etanol és a propanol korlátlanul oldódik vízben, mert a vízmolekulával újonnan létrejövő kölcsönhatások túlkompenzálják az eredeti alkoholmolekulák közötti kölcsönhatásokat. A butanol csak korlátoltan (~10%), az oktil-alkohol pedig már gyakorlatilag nem oldódik vízben.
A szénlánc elágazása növeli az oldhatóságot. Például a terc-butil-alkohol korlátlanul oldódik vízben, a szek-butil-alkohol pedig viszonylag jól. Ennek oka az, hogy a van der Waalskölcsönhatás erőssége csökken az elágazás növekedésével. A fenol esetén a hidrogénkötés mellett π‒π vonzó kölcsönhatás is létrejön az aromás gyűrűk között. A fenol jól oldódik vízben, mert a vízmolekulával újonnan létrejövő hidrogénkötések túlkompenzálják az eredeti fenolmolekulák közötti kölcsönhatásokat.
A naftol nem oldódik vízben, mert a kiterjedtebb π-elektronrendszerrel rendelkező aromás gyűrűk között igen erős π‒π vonzó kölcsönhatás jön létre.
102
Szerves kémia I.
8. fejezet
8.2. Sav–bázis tulajdonságok A halogénvegyületeket csak nagyon nehezen lehet protonálni, deprotonálni. Az éterek Lewis-bázisok, kemény elektronpár donorok, így a kemény elektrofilnak számító lítiummal vagy magnéziummal könnyen koordinálódnak. A Grignard-reagens például éterben évekig eltartható, nem reagál vele.
A dimetil-étert erős savval (pl. sósav) lehet protonálni, de még butil-lítiummal sem lehet deprotonálni.
Az alkoholok amfoter tulajdonságúak: savként és bázisként is viselkedhetnek.
A butil-lítium robbanásszerűen reagál alkoholokkal, mert azokat nagyon könnyen deprotonálja. Az alkoholok fém nátriummal hevesen reagálnak hidrogéngáz fejlődése közben.
Az alkoholok saverőssége a hidroxilcsoporthoz kapcsolódó szénatom rendűségének növekedésével csökken, mert az elektronküldő alkilcsoportok pozitív induktív (+I), illetve hiperkonjugatív hatásukkal csökkentik az alkoholok konjugált bázisának stabilitását (8.1. táblázat). 103
Szerves kémia I.
8. fejezet 8.1. táblázat pKa
19
17
16 15,74 15,5
A fenolok savasabb tulajdonságúak, mint az alkoholok, amely kisebb mértékben a hidroxilcsoporthoz kapcsolódó szénatom s-karakterének növekedésével (a szénatom elektronegativitása nő az s-karakterének növekedésével), nagyobb mértékben pedig a képződő fenolát-ion stabilizálódásával magyarázható. A fenolát-ionban a negatív töltés négy helyen tud delokalizálódni.
Az elektronküldő csoportok (pl. alkil-, alkoxicsoportok) csökkentik a saverősséget, mert destabilizálják a deprotonálódás után képződő konjugált bázist. Az elektronszívó szubsztituensek (pl. halogénatom, nitrocsoport) pedig növelik a saverősséget, mert stabilizálják a konjugált bázist (8.2. táblázat). A 2,4,6-trinitrofenol (pikrinsav) már a salétromsavval azonos erősségű sav. 104
Szerves kémia I.
8. fejezet 8.2. táblázat pKa
pKa
10,3
9,9
9,9
7,0
9,6
4,0
7,0 1,0
8.3. Halogénvegyületek reakciói fémekkel A halogénvegyületek kis elektronegativitású fémekkel SET mechanizmusú reakcióban reagálnak. A 8.3. táblázatban szereplő fémek közül a nátriummal történő reakció a leghevesebb, mert annak a legkisebb az elektronegativitása. 8.3. táblázat EN Na
0,9
Li
1,0
Mg
1,2
Zn
1,6
A halogénvegyületek egy mól viszonylag kis fajlagos felületű nátriummal történő Wurtzreakciójával alkánok állíthatók elő (ld. 44. oldal). A pentil-bromid két mól nagy fajlagos felületű nátriummal pentán oldószerben SET mechanizmusú reakcióban pentil-nátriumot ad. 105
Szerves kémia I.
8. fejezet
A butil-lítiumot butil-bromidból fém lítiummal hexán oldószerben lehet előállítani. A reakcióban képződő lítium-bromid kiválik a hexános oldatból. A butil-lítium kereskedelmi forgalomban hexános oldatként kapható, nagyon erős bázis.
A halogénvegyületek magnéziummal történő Grignard-reakciójában alkánok (ld. 45. oldal), illetve cinkkel történő Simmons‒Smith-reakciójában ciklopropánszármazékok (ld. 49. oldal) képződnek. A diszjunkt dihalogenideket cinkkel reagáltatva cikloalkánokat kapunk (ld. 50. oldal). A kettős kötés átmeneti védelmére is alkalmas az olefinből elektrofil addíciós (AdE) reakcióval képzett vicinális dihalogenidek (ld. 62. oldal) cinkkel történő reakciója.
106
Szerves kémia I.
8. fejezet
8.4. Alkoholok reakciói, fenolok és éterek előállítása, reakciói 8.4.1. Alkoholok reakciói Az alkoholok alkáli- és alkáliföldfémekkel a fémtől és az alkohol rendűségétől függően különböző hevességgel reagálnak. Fém nátriummal nátrium-alkoholát képződése és hidrogéngáz fejlődése közben reagálnak SET mechanizmusú reakcióban.
Az etanol fém magnéziummal vízmentesíthető. Először egy kevés vízmentes etanol és magnézium reakciójában magnézium-etanolátot képzünk. Ez ezután a nyomnyi vizet tartalmazó etanolhoz adva, a benne lévő vízzel elreagál, és oldhatatlan magnézium-hidroxid csapadék válik ki. A nátrium azért nem alkalmas a víznyomok eltávolítására, mert a nátriumhidroxid oldódik etanolban, és nem tolja el a hidroxid képződése irányába az egyensúlyt.
Az alkohol rendűségének növekedésével csökken az alkálifémekkel való reakció hevessége. Például a káliumot terc-butil-alkohollal lehet megsemmisíteni viszonylag enyhe reakcióban. Az alkoholokat szervetlen savakkal (salétromsav, kénsav, foszforsav) enyhe körülmények között reagáltatva a szervetlen savak észterei (nitrát, szulfát, foszfát) állíthatók elő.
107
Szerves kémia I.
8. fejezet
Az alkoholok erős ásványi sav jelenlétében, magas hőmérsékleten vízelimináció közben olefinné alakulnak.
Az optikailag aktív alkoholok szervetlen savhalogenidekkel (pl. SOCl2, SO2Cl2, POCl3, PCl3, POBr3, PBr3, PCl5, PBr5) aprotikus apoláris oldószerben (pl. éter) alkil-halogenidekké történő átalakítása retencióval jár. Ezt azzal magyarázhatjuk, hogy a kialakult szoros ionpárban a halogenid-ionnak nincs lehetősége a hátoldali támadásra.
Oldószerként piridint alkalmazva, SN2 reakcióban inverzióval kapjuk a megfelelő alkilhalogenidet.
108
Szerves kémia I.
8. fejezet
Kis szénatomszámú karbonsav erős sav katalizátor jelenlétében AAc2 (savkatalizált, acil C‒O kötés hasadásával, illetve kialakulásával járó, bimolekuláris) reakcióban acilezi az alacsonyrendű alkoholt. A reakció a karbonsav karbonil-oxigénjének protonálódásával kezdődik, amelyet a sebességmeghatározó lépésben a metanolnak a karbonilcsoportra történő nukleofil addíciója követ.
Tercier alkoholok észterezési reakciója AAl1 (savkatalizált, alkil C‒O kötés hasadásával, illetve kialakulásával járó, monomolekuláris) mechanizmus szerint megy végbe. A tercier alkohol
hidroxilcsoportjának
protonálódása
után
a
sebességmeghatározó
lépésben
vízmolekula lép ki. A keletkező stabil karbénium-ion lép reakcióba a karbonsavval.
Alkoholokból szerves savhalogenidekkel is képezhető észter. A nukleofil addíciós– eliminációs (AdN–E) reakció bázis (pl. piridin, trietil-amin, diizopropil-etil-amin) jelenlétében könnyebben megy végbe, mert egy negatív töltésű intermedierből könnyebben lép ki egy negatív töltésű távozócsoport, mint egy semlegesből. 109
Szerves kémia I.
8. fejezet
Az alkoholok szulfonil-kloridokkal alkil-szulfonátokká alakíthatók.
A reakcióban képződő alkil-szulfonát könnyen vihető nukleofil szubsztitúciós reakciókba, mert a szulfonát-ion igen jó távozócsoport (erős sav stabilizált konjugált bázisa).
8.4.2. Fenolok előállítása és reakciói A fenolt jelenleg ipari méretekben leginkább a kumol-hidroperoxidos eljárással (Hockeljárás) állítják elő. A kumolból a levegő oxigénje és melegítés hatására viszonylag stabil (vákuumdesztillálható és kereskedelmi forgalomban is kapható) kumol-hidroperoxid képződik. Ezt vizes kénsavval reagáltatva fenol, és melléktermékként aceton keletkezik. 110
Szerves kémia I.
8. fejezet
A fenol ipari méretekben Raschig-eljárással is előállítható. A benzolt először hidrogénkloriddal oxigén jelenlétében Cu–Fe katalizátorral SEAr reakcióban klórbenzollá, majd az utóbbit szilícium-dioxid alkalmazásával, magas hőmérsékleten vízzel reagáltatva fenollá alakítják.
111
Szerves kémia I.
8. fejezet
A fenol orto- és para-helyzetben aromás elektrofil szubsztitúciós (SEAr) reakcióra aktivált a hidroxilcsoport –I < +M effektusa miatt. Könnyen brómozható. Aprotikus közegben (pl. CS2, CCl4) főtermékként p-brómfenol keletkezik.
Vizes közegben a fenol disszociál, majd a fenolát-ion három mól brómmal történő brómozásakor 2,4,6-tribrómfenol keletkezik. Négy mól bróm használatával 2,4,4,6tetrabrómciklohexa-2,5-dién-1-on (tribrómfenol-bróm) is előállítható.
112
Szerves kémia I.
8. fejezet
A fenol orto-helyzetben erősen lúgos közegben formilezhető (Reimer–Tiemann-reakció). A kloroformból erősen lúgos közegben diklórkarbén képződik, amelyre a fenolát-ion nukleofilként támad.
113
Szerves kémia I.
8. fejezet
A fenol Kolbe–Schmitt-szintézissel szalicilsavvá alakítható. A fenolból lúgos közegben fenolát-ion képződik, amely a szén-dioxid szénatomjára nukleofilként támad. A reakció magas hőmérsékleten és nyomáson megy végbe.
114
Szerves kémia I.
8. fejezet
A floroglucin diazometánnal semleges közegben deprotonálódva kemény nukleofilként reagál a kemény elektrofil metil-kationnal.
A floroglucin bázikus közegben deprotonálódva a lágy nukleofil szénatomján reagál a lágy elektrofil metil-jodiddal. Mivel a deprotonált floroglucin a körülményektől függően a kemény vagy a lágy centrumán is tud alkileződni, ambidens nukleofilnek tekinthetjük.
115
Szerves kémia I.
8. fejezet
A fenol nátrium-nitritből és sósavból in situ képzett salétromossavval jó termeléssel parahelyzetben nitrozilezhető.
A fenol 30%-os salétromsavval több (~35%) o-nitrofenolt és kevesebb (~15%) p-nitrofenolt ad. Az o-származék esetén intramolekuláris hidrogénhíd alakul ki, ezért vízgőzdesztillációval kinyerhető. A p-származéknál intermolekuláris hidrogénhíd képződik, így ez nem vízgőzdesztillálható.
A fenol disszociációjával kapott fenolát-ion savkloriddal könnyen acilezhető.
8.4.3. Éterek előállítása és reakciói Szimmetrikus étereket alkoholokból tömény kénsav jelenlétében, nem túl magas hőmérsékleten végzett nukleofil szubsztitúciós (SN) reakcióval állíthatunk elő. 116
Szerves kémia I.
8. fejezet
Az alkoholok deprotonálásával kapott alkoholátok alkil-halogeniddel történő alkilezésével (Williamson-féle éterszintézis) mind szimmetrikus, mind aszimmetrikus étereket képezhetünk.
A legegyszerűbb gyűrűs éter, az etilén-oxid (oxirán) laborban etilénből állítható elő. Először az etilént hipobrómossavval végzett elektrofil addícióval 2-brómetanollá alakítjuk, mely utóbbit lúgos közegben etilén-oxiddá zárjuk.
Az etilén-oxid ipari méretben etilénből, Ag katalizátor jelenlétében, oxigénnel végzett oxidációval is előállítható.
117
Szerves kémia I.
8. fejezet
A feszült gyűrűs etilén-oxid könnyen reagál nukleofilekkel az alábbi általános mechanizmus szerint:
vagy
Az etilén-oxidból számos értékes származék állítható elő. Alkoholátokkal reagáltatva oligoés polietilénglikolok nyerhetők. Grignard-reagenssel alkohollá, aminnal amino-alkohollá, valamint tioláttal 2-(alkilszulfanil)etanollá alakítható.
118
Szerves kémia I.
8. fejezet
Az alifás éterkötések csak nehezen hasíthatók. A tömény (65%-os) hidrogén-jodid képes protonálni az éter oxigénatomját, majd a jodid-ion nukleofil támadást indít a protonált oxigénhez kapcsolódó, sztérikusan könnyebben hozzáférhető szénatomra. A reakcióban alkiljodidokat kapunk.
Az anizol éterkötésének hasításához elegendő a tömény (48%-os) hidrogén-bromid is. Ennek oka, hogy a fenol jó távozócsoport és a metil-bromid gáz, tehát a reakció irreverzibilis.
A vinil-éterek már szobahőmérsékleten, híg kénsavval is hasíthatók. A reakcióban vinilalkohol, majd tautomerizációval acetaldehid keletkezik.
119
Szerves kémia I.
9. fejezet
9. Nitrovegyületek és aminok kémiája Nitrovegyületek előállítása és redukciója. Aminok szerkezete, fizikai és bázikus tulajdonságai. Aminok előállítása és reakciói. 9.1. Nitrovegyületek előállítása és redukciója A nitrovegyületek előállításával már a jegyzet korábbi fejezeteiben is találkoztunk. Az alkánokat gázfázisban salétromsavval lehet nitrálni (SR reakció, ld. 51. oldal). A halogénvegyületeket poláris aprotikus oldószerben nátrium-nitrittel reagáltatva (SN2 reakció) nitrovegyületekhez jutunk (ld. 95. oldal). Az aromás vegyületek SEAr mechanizmusú nitrálásával aromás nitrovegyületeket kapunk. A nitrovegyületek α-szénatomján lévő hidrogén elég savanyú a nitrocsoport jelentős –I és –M effektusának köszönhetően. A nitrometán pKa értéke 10,2, tehát a saverőssége a fenoléhoz hasonló. Ha a nitrovegyületet (A) deprotonáljuk, akkor a konjugált bázisát, a nitronát-iont (B) kapjuk. A nitronát-ion ambidens nukleofil, mivel kemény és lágy nukleofil centrummal is rendelkezik. Savanyításkor a kemény elektrofil protonnal a kemény nukleofil centrumán reagál, és az aciforma (C) képződik. Az aciforma kevésbé stabil, mint a nitroforma, de a kedvező kemény–kemény reakcióban (ld. 43. és 95. oldal) gyorsan képződik (kinetikus kontroll), majd lassú reakcióban, disszociációval és protonfelvétellel a stabilabb nitroformává alakul (termodinamikus kontroll) (9.1. ábra). Az aciforma és nitroforma egymás tautomerjei.
9.1. ábra 120
Szerves kémia I.
9. fejezet
Az alifás és aromás nitrovegyületek különböző redukálószerekkel aminokká redukálhatók.
Aromás nitrovegyületek fémmel történő redukciója esetén a közeg kémhatásától függően más termékek keletkeznek. A nitrovegyület savas körülmények között, fém (pl. Zn, Sn, Fe) jelenlétében többlépéses, SET mechanizmusú reakcióban aminná redukálódik, amely a savas közegben protonálódik.
Aromás nitrovegyület esetén bázikus körülmények között, fém (Zn) jelenlétében szintén többlépéses, SET mechanizmusú reakcióban megy végbe a redukció, azonban végtermékként nem amin, hanem (két kiindulási nitrovegyületből) hidrazovegyület keletkezik. A reakció a redukálószer minőségétől függően az egyes köztitermékeknél megállítható. A redukció során 121
Szerves kémia I.
9. fejezet
az aromás nitrovegyület először nitrozovegyületté, majd hidroxil-aminná redukálódik, mely utóbbi a lúgos közegben deprotonálódva nukleofilként támad a nitrozovegyületre, és azoxivegyület képződik. Az azoxivegyület azovegyületté alakul, mely utóbbi telítődésével hidrazovegyület keletkezik.
Itt jegyezzük meg, hogy a fémekkel savas közegben lejátszódó redukció köztitermékei semleges, illetve +1, a bázikus közegben lejátszódó redukció köztitermékei pedig semleges, illetve –1 nettó töltéssel rendelkeznek. Az aromás hidrazovegyületek erős savval (pl. kénsav) átrendeződéses reakcióban (benzidin-átrendeződés) aromás diaminokká alakíthatók. A reakció hajtóereje az, hogy az átalakulás során tíz, majd hat elektron mozdul el, amely eleget tesz a Hückel-féle aromaticitási szabálynak (4n+2). 122
Szerves kémia I.
9. fejezet
9.2. Aminok szerkezete, fizikai és bázikus tulajdonságai Az aminok nitrogénjéhez kapcsolódó alkilcsoportok száma szerint megkülönböztetünk primer, szekunder, illetve tercier aminokat, valamint kvaterner ammónium-sókat. A tercier aminok és a kvaterner ammónium-sók királis vegyületek is lehetnek, amennyiben különböző alkilcsoportokat tartalmaznak. Tercier amin esetén a nitrogénatom nemkötő elekronpárjának átfordulásához (inverzióhoz) szükséges energia kicsi, így a tercier aminok már szobahőmérsékeleten gyorsan racemizálódnak (néhány kivételtől eltekintve, pl. Tröger-bázis, amely esetén gátolt a piramidális inverzió).
A kvaterner ammónium-sók nem racemizálódnak szobahőmérsékleten, így ezek enantiomerjei elválaszthatók (rezolválhatók).
123
Szerves kémia I.
9. fejezet
Az aminmolekulák között hidrogénhidas, dipól–dipól- és van der Waals-kölcsönhatás lép fel.
Ahogy nő a szénatomszám, növekszik a van der Waals-kölcsönhatás erőssége, így a forráspont is. Négy szénatomszámig az aminok korlátlanul oldódnak vízben. Az ennél hosszabb szénlánc esetén már az aminmolekulák közötti kölcsönhatások túlkompenzálják az eredeti molekulák közé ékelődő vízmolekulával kialakuló kölcsönhatás energianyereségét.
Aprotikus apoláris közegben, illetve gázfázisban minden olyan effektus, amely növeli az elektronsűrűséget az amin nitrogénatomján, növeli az aminok báziserősségét is. Ezek szerint az
aminok
rendűségének
növelésével,
az
alkilcsoportok
elektronküldő
hatásának
következtében nő a báziserőssége:
Az aminok bázikus tulajdonságúak, vizes közegben az alábbi egyensúly szerint reagálnak a vízzel:
A bázis erősségére jellemző egyensúlyi állandó híg vizes oldatban (a víz koncentrációját állandónak véve):
124
Szerves kémia I.
9. fejezet
Vizes közegben az alkilcsoportok elektronküldő hatása mellett a szolvatáció mértéke is hozzájárul a báziserősséghez. A protonált amint a vízzel alkotott hidrogénkötések stabilizálják. Az amin protonálódása annál kedvezőbb, minél több hidrogénkötés kialakulására van lehetőség a protonált amin és a vízmolekulák között. Az amin rendűségének növekedésével csökken a vízmolekulákkal kialakuló hidrogénkötések száma.
Vizes közegben tehát a fenti két ellentétes hatás eredője adja meg a báziserősséget. Az ammónia és metilcsoporttal szubsztituált származékai pKb, illetve konjugált savuk pKa értékeit a 9.1. táblázatban foglaljuk össze. 9.1. táblázat pKb
pKa
4,75
9,25
4,2
9,8
3,4
10,6
3,2
10,8
Az aromás aminok báziserőssége kisebb, mint az alifásoké. Ennek oka az, hogy az aminocsoport nitrogénjének nemkötő elektronpárja delokalizálódik az aromás gyűrűn.
125
Szerves kémia I.
9. fejezet
Az aromás gyűrűhöz kapcsolódó elektronküldő csoportok növelik, az elektronszívó csoportok csökkentik a báziserősséget. Például az anilin báziserőssége csökken, ha több nitrocsoporttal szubsztituáljuk (9.2. táblázat). A különbözőképpen szubsztituált nitroszármazékok pKb értékei esetén azért szerepel intervallum a táblázatban, mert a báziserősség a szubsztituensek egymáshoz viszonyított helyzetétől is függ.
9.2. táblázat pKb 9,6
14–15
19–20
23–24
Az N,N-dimetil-2,4,6-trinitroanilin 40000-szer erősebb bázis a 2,4,6-trinitroanilinnél, mert a dimetilamino-csoport a metilcsoportok térigénye miatt elfordul, így a dimetilamino-csoport nitrogénjének nemkötő elektronpárja nem tud delokalizálódni az elektronszegény aromás rendszerrel.
126
Szerves kémia I.
9. fejezet
9.3. Aminok előállítása és reakciói Az alkil-halogenideket ammóniával reagáltatva (Hofmann-reakció) különböző rendű aminok keveréke keletkezik. Ha az ammóniát nagyon nagy (pl. 1000-szeres) feleslegben használjuk, akkor gyakorlatilag csak primer amint kapunk.
Nitrovegyületek redukciójával szelektíven primer aminok állíthatók elő (ld. 121. oldal). Savnitrilekből lítium-tetrahidrido-alumináttal vagy ammónia feleslegében végzett katalitikus hidrogénezéssel szelektíven primer aminhoz juthatunk.
Savamidokat is lehet lítium-tetrahidrido-alumináttal primer aminná redukálni. 127
Szerves kémia I.
9. fejezet
Savamidokból Hofmann-, savazidokból Curtius-lebontással kaphatunk egy szénatommal rövidebb szénláncú primer amint (az alkil-izocianáttól kezdve a két reakció azonos mechanizmus szerint játszódik le).
A Hofmann-lebontás során a savamid (pKa ≈ 16) lúgos közegben deprotonálódik, majd a képződő stabil anion a brómmolekulára nukleofil támadást intéz. A képződött N-brómsavamid könnyen deprotonálódik, majd a negatív töltésű intermedier bromid-ion távozása közben alkil-izocianáttá rendeződik át. A Curtius-lebontásnál a savazid magas hőmérsékleten (pl. toluolban forralva) nitrogéngáz fejlődése közben (a nitrogénmolekula nagyon jó 128
Szerves kémia I.
9. fejezet
távozócsoport) szintén alkil-izocianáttá rendeződik át. A két lebontás közös intermediere, az alkil-izocianát vizes közegben az instabil karbamidsavvá alakul, amelyből dekarboxileződés után primer amin keletkezik. A Gabriel-szintézis ugyancsak primer aminok szelektív előállítására alkalmas. A reakció során egy viszonylag erős savból, a ftálimidből (pKa = 8,3) indulunk ki. A ftálimid savasságának oka, hogy a deprotonált formája stabil, ugyanis a negatív töltés nagymértékben delokalizálódik. A ftálimidből kálium-hidroxiddal egy stabil só, a kereskedelmi forgalomban is kapható ftálimid-kálium állítható elő. A ftálimidből képzett anion jó nukleofilként támad az alkil-halogenid vagy alkil-tozilát parciálisan pozitív töltésű szénatomjára, amelyből a jó távozócsoport (klorid-ion, bromid-ion, jodid-ion vagy tozilát-ion) kilépése után egy „maszkírozott” (védett) primer amint kapunk. A védőcsoport eltávolítása több módon is lehetséges: savas vagy lúgos hidrolízissel, illetve hidrazinnal etanolos oldatban. A melléktermékek (ftálsav, annak sója vagy ftalil-hidrazid) mellől a kívánt primer amin kinyerése egyszerű műveletekkel (extrakció, szűrés, desztilláció) könnyen végrehajtható.
Alkil-azidokból lítium-tetrahidrido-alumináttal vagy katalitikus hidrogénezéssel a megfelelő primer amin nyerhető.
129
Szerves kémia I.
9. fejezet
Szekunder aminok primer aminokból többféleképpen is előállíthatók. A primer aminok oxovegyülettel történő nukleofil addíciós–eliminációs mechanizmusú (AdN–E) reakciójában Schiff-bázis (imin) képződik (ld. 153. oldal). A reakció 5–6 körüli pH esetén optimális: erre a pH-ra van szükség ahhoz, hogy az oxovegyület egy részének karbonil-oxigénje protonált formában legyen (ezzel növelve a karbonilcsoport szénatomjának parciálisan pozitív töltését), de maradjon még protonálatlan amin is (amely nukleofil támadásra képes). A fenti reakcióban keletkező imint végül katalitikus hidrogénezéssel alakíthatjuk szekunder aminná.
Amennyiben az oxovegyület -szénatomján hidrogénatom található, imin–enamin tautoméria is felléphet, de a redukció után ugyanaz a végtermék keletkezik.
Primer aminból szekunder amint savamid intermedieren keresztül is elő lehet állítani. Először a primer amint savkloriddal reagáltatjuk, majd a keletkező tetraéderes intermedierről egy jó távozócsoport, a klorid-ion lép ki. Bázis távollétében a semleges tetraéderes intermedierből nehezen távozik el a negatív töltésű klorid-ion. Bázis hozzáadásával segíthető a reakció, ugyanis a deprotonálódás után negatív töltésű tetraéderes intermedierből könnyen távozik a negatív töltésű klorid-ion. Bázisként trietil-amint, piridint, diizopropil-etil-amint (Hünig-bázist)
használhatunk.
Bázis
jelenlétében
vagy
távollétében
ugyanaz
az 130
Szerves kémia I. N-alkilsavamid
9. fejezet keletkezik,
amely
lítium-tetrahidrido-alumináttal
szekunder
aminná
redukálható.
Ha egy primer amint aromás szulfonsav-kloriddal reagáltatunk bázis jelenlétében, savanyú protonnal rendelkező szulfonamidot (pKa ≈ 11) kapunk. Ezt viszonylag könnyű bázissal (pl. nátrium-hidroxid) deprotonálni, majd a kapott anion nukleofil szubsztitúciós (SN) reakcióban alkil-halogeniddel reagáltatható. A kapott N,N-dialkilszulfonamidot savas körülmények között hidrolizálva a megfelelő szekunder amin protonált formáját kapjuk, amelyből bázissal szabadítható fel a szabad amin. A hidrolízist bázikus közegben (vizes bárium-hidroxid) végezve egy lépésben jutunk a kívánt szekunder aminhoz. Harmadik lehetőségként a szulfonamidból nátrium-amalgámmal, dinátrium-hidrogénfoszfát jelenlétében, metanolban is nyerhető szekunder amin.
Szekunder aminból N-alkilezéssel szelektíven állítható elő tercier amin, ha gyenge bázist (pl. kálium-karbonát) használunk a keletkező sav megkötésére, és enyhe körülmények között 131
Szerves kémia I.
9. fejezet
(0°C-on vagy szobahőmérsékleten) végezzük a reakciót. A reakció során fontos a reagensek adagolási sorrendje is: a szekunder aminhoz részletekben adagoljuk az egy mól alkilhalogenidet, amellyel elkerülhető, hogy kvaterner ammónium-só keletkezzen.
A primer amin szekunder aminná alakításának analógiájára szekunder aminból tercier amin is előállítható savamid intermedieren keresztül.
Tercier aminból szekunder amint Brown-féle lebontással lehet előállítani. A reakció első lépésében a tercier amint egy szénsavszármazékkal, a brómciánnal reagáltatjuk. A brómcián szénatomja az elektronszívó szomszédos atomok hatására parciálisan pozitív töltésű, amelyre a tercier amin nitrogénatomja nukleofilként támad. A keletkező intermedier parciálisan pozitív töltésű alkilcsoportjára pedig a bromid-ion intéz nukleofil támadást. A reakcióban egy N,N-dialkilciánamid és alkil-bromid keletkezik. A ciánamidból savas hidrolízis, majd dekarboxileződés után protonált szekunder amin keletkezik, amelyből a szekunder amin lúgos kezeléssel szabadítható fel.
132
Szerves kémia I.
9. fejezet
Szekunder aminokból kiindulva Mannich-reakcióval β-amino-oxovegyületek állíthatók elő. Utóbbiak továbbalakításával α,β-telítetlen oxovegyületek nyerhetők. A reakció a Schiffbázis képzéshez (ld. 130. oldal) hasonlóan szintén 5–6 körüli pH esetén optimális. A reakcióban az egyik reagens, a formaldehid nagyon reaktív oxovegyület. Utóbbi az első lépésben a karbonilcsoportján protonálódik, majd a szekunder aminnal nukleofil addíciós– eliminációs reakcióban iminium-sót ad, amelynek parciálisan pozitív töltésű szénatomjára az aceton enolformája intéz nukleofil támadást. Így β-amino-oxovegyületet nyerünk, amelyet metil-jodiddal kálium-karbonát jelenlétében metilezve (Hofmann-féle „kimerítő metilezés”) kvaterner ammónium-sót kapunk. A trimetil-amin rossz távozócsoport, ezért a β-aminooxovegyületből lúgos közegben melegítve, E1cB mechanizmussal α,β-telítetlen oxovegyület keletkezik.
133
Szerves kémia I.
10. fejezet
10. Alkoholok, oxovegyületek és karbonsavszármazékok redukciója és oxidációja Oxovegyületek és karbonsavak oxidációs előállításai. Alkoholok és oxovegyületek redukciós előállításai. A Grignard- és rokon reakciók felhasználása alkoholok és oxovegyületek előállítására. A Friedel-Crafts- és rokon reakciók felhasználása aromás oxovegyületek előállítására. A hidroxilcsoportot tartalmazó alkoholok, a karbonilcsoporttal rendelkező oxovegyületek (aldehidek és ketonok), valamint a karboxilcsoportot tartalmazó karbonsavak és származékaik előállításának és reakcióinak egy részét az oxidációs és redukciós eljárások jelentik – a funkciós csoportot tartalmazó szénatomjuk különböző oxidációs állapotának köszönhetően.
Az oxidációs folyamatokban alkoholokból oxovegyületek (a hidroxivegyület rendűségétől függően aldehid vagy keton), az oxovegyületekből karbonsavak keletkeznek. Redukció során karbonsavakból és egyes karbonsavszármazékokból oxovegyületek, majd alkoholok keletkezhetnek.
10.1. Oxovegyületek és karbonsavak oxidációs előállításai Az alifás oldallánccal rendelkező aromás szénhidrogénből, a toluolból kiindulva többféleképpen nyerhetünk benzoesavat, benzil-alkoholt, illetve benzaldehidet oxidációs folyamatokban (a–c). a.)
134
Szerves kémia I.
10. fejezet
b.)
c.)
135
Szerves kémia I.
10. fejezet
A telítetlen szénhidrogének oxidációinak termékeit jelentősen befolyásolják az alkalmazott körülmények. Amennyiben az olefineket erélyes körülmények között (pl. KMnO4 melegen) oxidáljuk, lánchasadás megy végbe, így oxovegyületek és karbonsavak (a) keletkeznek, enyhébb körülmények között (pl. KMnO4 hidegen) vicinális diolok (b) jönnek létre (ld. 58. oldal). a.)
b.)
Olefinek reakciója vízzel és Pd(II) katalizátorral oxovegyületek előállítását teszi lehetővé (ld. 64. oldal). Ezzel a módszerrel etilénből acetaldehidet lehet előállítani.
Acetilénből vagy acetilénszármazékból savas közegben, higany-szulfát jelenlétében végzett vízaddíció után acetaldehid (R = H), illetve keton (R = alkil-, aralkil-, arilcsoport) keletkezik.
136
Szerves kémia I.
10. fejezet
Alkoholokból króm(VI)-vegyületekkel végzett oxidációval oxovegyületek állíthatók elő például Collins-reagenssel (CrO3–piridin komplex) vagy az egyenletben ismertetett Jonesreagenssel (NaCrO4, H2SO4, vizes–acetonos oldat).
Alkoholokból
Oppenauer-oxidációval
alumínium-tri(terc-butoxid),
valamint
magas
forráspontú keton (pl. ciklohexanon) jelenlétében oxovegyületek nyerhetők.
A reakció során egy hattagú gyűrűs elrendeződésű aktivált komplex jön létre, amelyben három elektronpár mozdul el:
137
Szerves kémia I. Dioxovegyületek
10. fejezet előállítása
is
megvalósítható
oxidációs
folyamatokkal:
acetilénszármazékból kiindulva kálium-permanganát addícióját követő hidrolízissel, majd vízkilépéssel (a) vagy oxovegyületből szelén-dioxiddal víz–dioxán elegyben (b). a.)
b.)
10.2. Alkoholok és oxovegyületek redukciós előállításai Redukciós folyamatban az alkoholok oxovegyületekből, karbonsavakból, illetve egyes karbonsavszármazékból,
az
aldehidek
és
a
ketonok
pedig
elsősorban
néhány
karbonsavszármazékból állíthatók elő. 138
Szerves kémia I.
10. fejezet
10.2.1. Alkoholok redukciós előállításai Aldehidek redukciójával primer, ketonok redukciójával szekunder alkoholokat lehet előállítani. A reakciót fémhidridekkel (NaBH4, LiBH4 és LiAlH4) (a) vagy Pd katalizátor jelenlétében katalitikus hidrogénezéssel (b) végezzük.
a.)
b.)
Primer alkoholok (R–CH2–OH) sokféle vegyületből (karbonsavakból, észterekből, savanhidridekből, savhalogenidekből, aldehiekből) előállíthatók a 10.1. táblázatban látható megfelelő redukálószer használatával. 10.1. táblázat LiAlH4
LiBH4
NaBH4
+
–
–
+
+
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
139
Szerves kémia I. A
Meerwein–Ponndorf–Verley-redukció
10. fejezet (a
fémhidridekkel
végzett
redukcióhoz
hasonlóan) hidrid-ion átadással megy végbe, így aldehidek primer, ketonok szekunder alkoholokká alakíthatók át. Az egyensúly a termék képződésének irányába az illékony aceton (forráspontja 56°C) kidesztillálásával, valamint feleslegben alkalmazott izopropil-alkohollal tolható el.
A reakció során ebben az esetben is egy hattagú gyűrűs elrendeződésű aktivált komplex jön létre, amelyben három elektronpár mozdul el:
10.2.2. Oxovegyületek redukciós előállításai Oxovegyületeket redukcióval általában karbonsavszármazékokból állíthatunk elő, mert a karbonsavak az átalakításukhoz szükséges körülmények között gyakran továbbalakulnak alkoholokká. A Rosenmund-redukcióban karbonsav-kloridok mérgezett katalizátoron végzett hidrogénezése aldehideket eredményez.
140
Szerves kémia I.
10. fejezet
Savnitrilek Stephen-redukció során ón(II)-kloriddal aldehiddé alakíthatók.
Szintén savnitrilekből kiindulva a redukció elvégezhető diizobutil-alumínium-hidriddel is.
Észterek diizobutil-alumínium-hidriddel történő redukciójával aldehidek keletkeznek.
10.3. A Grignard- és rokon reakciók felhasználása alkoholok és oxovegyületek előállítására A Grignard-reagens felhasználásával számos más vegyület is előállítható (pl. alkán, karbonsav), azonban ez a fejezet az alkoholok, aldehidek és ketonok előállításával foglalkozik részletesen. 141
Szerves kémia I.
10. fejezet
10.3.1. Alkoholok előállítása Grignard- és rokon reakciókkal Grignard-reakciókkal elő lehet állítani primer, szekunder és tercier alkoholokat is. Az első
lépésben
felhasznált
Grignard-reagens
előállítása
(alkil-halogenidből
fém
magnéziummal) részletesen a 45. oldalon található.
Primer alkoholok előállításánál a Grignard-reagenst formaldehiddel reagáltatva a Grignardreagens lánchosszánál egy szénatomszámmal hosszabb (a), etilén-oxiddal reagáltatva két szénatomszámmal hosszabb hidroxivegyületet (b) kapunk.
a.)
b.)
Szekunder alkoholok előállítása a Grignard-reagens és aldehidek reakciójával valósítható meg.
Tercier alkoholok változatos alkil-, aralkil- és arilcsoporttal szubsztituálva ketonokból (a), észterekből (b) vagy dietil-karbonátból (c) kiindulva állíthatók elő. 142
Szerves kémia I.
10. fejezet
a.)
b.)
c.)
A tercier alkoholok előállításának utolsó lépésében a primer és szekunder alkoholoknál alkalmazható vizes sósav helyett vizes ammónium-kloridot használunk a komplex megbontására, amellyel elkerülhető a tercier klórvegyület keletkezése. A vizes ammóniumklorid természetesen primer és szekunder alkoholok előállításánál is alkalmazható.
A rokon reakciók közül példaként említhető az anizolból butil-lítiummal kialakított lítiumorganikus vegyületen keresztül lejátszódó többlépéses szintézis, amellyel tercier alkohol nyerhető. 143
Szerves kémia I.
10. fejezet
10.3.2. Oxovegyületek előállítása Grignard- és rokon reakciókkal Grignard-reakcióval
aldehidek
és
ketonok
is
előállíthatók
ortoészterekből.
Ortohangyasavészterből kiindulva az alkil-magnézium-halogeniddel acetál keletkezik, mely vizes sav hatására aldehiddé alakul. A reakció az acetál csökkent elektrofilitása miatt ezen a fokon megáll.
Ortoészterek és Grignard-reagens segítségével ketálon keresztül ketonok kialakítására nyílik lehetőség. A reakció a ketál csökkent elektrofilitása miatt ezen a fokon megáll.
Ketonok állíthatók elő karbonsav-kloridból kiindulva alkil-magnézium-halogeniddel igen alacsony hőmérsékleten, vas(III)-klorid jelenlétében. Az igen alacsony hőmérsékleten képződő keton nem tud versengeni az acilium-ionnal a Grignard-reakcióban.
144
Szerves kémia I.
10. fejezet
Karbonsav-kloridból más eljárás szerint is elvégezhető a ketonok kialakítása: először dialkilkadmiumot hozunk létre a Grignard-reagensből, majd ez a kadmiumvegyület reagál a savszármazékkal. A kadmiumvegyület a Grignard-reagensnél jóval kisebb reakciókészséggel rendelkezik, így nem reagál a képződő ketonnal.
Ketonokat szintén elő lehet állítani karbonsav-nitrilből Grignard-reagenssel.
10.4. A Friedel-Crafts- és rokon reakciók felhasználása aromás oxovegyületek előállítására Aromás aldehidek és ketonok kialakíthatók C-acilezési reakcióval is. Az aromás elektrofil szubsztitúciós (SEAr) mechanizmus szerint végbemenő Gattermann–Kochreakcióval aldehideket, Friedel–Crafts-reakcióval pedig ketonokat lehet kialakítani. Szénmonoxidból és sósavból (Gattermann–Koch-reakció), illetve savkloridból (Friedel–Craftsreakció) Lewis-sav katalizátor jelenlétében létrehozható az elektrofil ágens, amely az aromás vegyületekkel reagál. A szabad oxovegyületet savas vizes kezelés után kapjuk. Az előző két szintézissel rokon a Gattermann- és a Houben–Hoesch-reakció, melyekben elektrofil szubsztitúcióra aktivált aromás vegyületek (pl. anizol) lépnek reakcióba a hidrogéncianidból és sósavból (Gattermann-reakció), illetve a savnitrilből (Houben–Hoesch-reakció) Lewis-savval kialakított elektrofillel. Az oxovegyület savas vizes hidrolízist követően nyerhető ki. 145
Szerves kémia I. Gattermann–Koch-reakció
10. fejezet Friedel–Crafts-reakció
146
Szerves kémia I. Gattermann-reakció
10. fejezet Houben–Hoesch-reakció
147
Szerves kémia I.
10. fejezet
Aromás ketonok előállítására alkalmas a Fries-átrendeződés, mely során fenolok észtereiből kiindulva Lewis-savval több lépésben történik az átalakulás.
A Fries-átrendeződés bemutatásánál kiindulási vegyületként szereplő fenil-acetát fenolból állítható elő ecetsav-anhidriddel tömény kénsav katalizátor jelenlétében (a), illetve Schotten– Baumann-reakcióban acetil-kloriddal nátrium-hidroxid vizes oldatában (b). a.)
148
Szerves kémia I.
10. fejezet
b.)
149
Szerves kémia I.
11. fejezet
11. Oxovegyületek, karbonsavak és karbonsavszármazékok reaktivitása Alifás
és
aromás
oxovegyületek,
karbonsavak
és
karbonsavszármazékok
reakciókészségének összehasonlítása – nukleofil addíciós és addíciós–eliminációs reakciók. Az , -telítetlen oxovegyületek és karbonsavak előállítása, reakciói. Inverz reakciók. 11.1. Alifás és aromás oxovegyületek, karbonsavak és karbonsavszármazékok reakciókészségének összehasonlítása – nukleofil addíciós és addíciós–eliminációs reakciók Az oxovegyületek legegyszerűbb képviselőjének, a formaldehidnek a szerkezetét a következő rezonáns határszerkezetetekkel lehet leírni:
A valós szerkezetet legjobb közelítéssel a rezonáns határszerkezetek súlyozott átlaga, a rezonanciahibrid írja le:
A 11.1. ábrán a szén–szén kettős kötést tartalmazó etilén, valamint a stabilabb szén– oxigén kettős kötést tartlamazó formaldehid, és egy tetszőleges (elektofil vagy nukleofil) reagens kitüntetett (HOMO és LUMO) molekulapályáit mutatjuk be. Korábban már tárgyaltuk (ld. 42. oldal), hogy egy reakció esetén a HOMO–LUMO kölcsönhatás eredményeként létrejövő új kötőpálya kialakulása annál nagyobb energianyereséggel jár, minél közelebb esik egymáshoz a kölcsönhatásba lépő HOMO és LUMO pályák energiája. Ebből következően az etilén HOMO pályája reagál a reagens LUMO pályájával, vagyis az etilén elektrofil reagensekkel lép reakcióba. Ugyanilyen okból a formaldehid LUMO pályája reagál a reagens HOMO pályájával, vagyis a formaldehid nukleofil reagensekkel lép reakcióba. 150
Szerves kémia I.
11. fejezet
AdE
AdN 11.1. ábra
Általánosságban tehát a karbonilcsoport nukleofilekkel reagál, mivel annak szénatomja pozitívan polározott. A negatívan polározott karbonil-oxigén proton megkötésére képes. A karbonilcsoport szénatomjához kapcsolódó elektronküldő csoportok csökkentik a parciális pozitív töltést, így a nukleofil addícióra való reaktivitás is csökken. Az elektronikus hatások mellett a sztérikus hatások is befolyásolják a reakciókészséget.
Minden olyan hatás, amely a karbonilcsoport szénatomján az elektronsűrűséget csökkenti, (nagyobb parciális pozitív töltést hoz létre), növeli a nukleofil addícióra való készséget.
151
Szerves kémia I.
11. fejezet
Egyensúlyi reakcióban az oxovegyületek vízzel geminális diollá alakulnak nukleofil addíciós (AdN) mechanizmus szerint. Néhány oxovegyület vízaddíciójának egyensúlyi állandója a 11.1. táblázatban látható.
11.1. táblázat R1
R2
K 0,001 1 2000 2300 1200000
Az oxovegyületek alkoholokkal első lépésben szintén nukleofil addíciós reakcióban reagálnak. A reakció végbemenetléhez katalitikus mennyiségű vízmentes erős sav (pl. kénsav, száraz sósavgáz) szükséges, amikoris egy mól alkohol addíciója után félacetál (aldehidből kiindulva) vagy félketál (ketonból kiindulva), két mól alkohol addíciójával vízkilépés közben pedig acetál vagy ketál képződik.
152
Szerves kémia I.
11. fejezet
Az oxovegyületek nukleofil addíciós–eliminációs (AdN–E) reakciói – mivel a molekula nem tartalmaz jó távozócsoportot – az alább feltüntett mechanizmussal játszódnak le. Ezekben az esetekben a karbonilcsoport oxigénjéből ki kell alakítani egy távozócsoportot, amely víz formájában lehetséges. A reakció 5–6 körüli pH értéken optimális, mert ez szükséges ahhoz, hogy az oxovegyület egy részének karbonil-oxigénje protonált formában legyen, megnövelve ezzel a reaktivitását, ugyanakkor legyen jelen még protonálatlan nukelofil (ld. 130. oldal).
A fenti reakciókból érdemes kiemelni az oxovegyületek alkil-aminnal történő átalakulását. Az
-helyzetben hidrogént tartalmazó oxovegyületek reakciójával keletkező Schiff-bázis (imin) annak tautomer egyensúlyi formájává, az enaminná alakulhat (ld. 130. oldal).
Egyes karbonsavszármazékok rendelkeznek megfelelő távozócsoporttal, így nukleofil addíciós–eliminációs reakcióra (mechanizmus magyarázata: ld. 130. oldal) képesek (kivéve a ketént, mely csak nukleofil addíciós reakcióban vesz részt). 153
Szerves kémia I.
11. fejezet
A jó távozócsoportot tartalmazó karbonsavszármazékok (savhalogenidek, savanhidridek, savazidok, észterek) reaktivitása függ a távozócsoport konjugált savának erősségétől és a távozócsoport stabilitásától (ld. 94. oldal).
A
rossz
távozócsoportot
tartalmazó
vagy
távozócsoporttal
nem
rendelkező
karbonsavszármazékok (karbonsavak, savamidok, savnitrilek, karbonsav-sók) nukleofil addíciós–eliminációs reakcióra késztethetők savkatalizátor, illetve sav vagy bázis jelenlétében. Mindezek ismeretében felállítható a karbonsavak és származékaik körében az addíciós, valamint az addíciós–eliminációs reakciókészséget tükröző sorrend.
154
Szerves kémia I.
11. fejezet
A savnitrilek példáján bemutatható, hogy ezen származékok nukleofil addíciós–eliminációs reakcióra csak sav (a) vagy bázis (b) jelenlétében késztethetők (részletesen ld. 176. oldal). a.)
b.)
11.2. Az , -telítetlen oxovegyületek és karbonsavak előállítása, reakciói 11.2.1. Az , -telítetlen oxovegyületek és karbonsavak előállítása z,-telítetlen oxovegyületek előállíthatók -amino-oxovegyületből (Mannich-reakció terméke) metil-jodiddal kvaternerezve, majd azt követően bázissal kiváltott eliminációval (ld. 133. oldal).
155
Szerves kémia I.
11. fejezet
Aldol-reakcióval is ,-telítetlen oxovegyületek nyerhetők lúgos közegben az szénatomon hidrogént tartalmazó aldehidekből kiindulva (részletesen ld. 164. oldal).
Telítetlenséget tartalmazó Grignard-reagens és ortoformiát (a), valamint ortoészter reakciójával (b) ,-telítetlen oxovegyületek nyerhetők. a.)
b.)
Szén-dioxid és Grignard-reagens reakciójával megvalósítható ,-telítetlen karbonsavak előállítása.
Knoevenagel-reakcióval ,-telítetlen karbonsavak állíthatók elő dietil-malonátból és benzaldehidből (részletesen ld. 167. oldal).
156
Szerves kémia I.
11. fejezet
11.2.2. Az , -telítetlen oxovegyületek és karbonsavak reakciói z,-telítetlen oxovegyületekben a C=O kötés polarizáltsága meghatározza a szénatomok reaktivitását.
A molekula atomjain alternáló polarizáltság jön létre: a karbonilcsoport oxigénje keményebb nukleofilként, a karbonilcsoport szénatomja keményebb elektrofilként, az -szénatom lágyabb nukleofilként, a -szénatom lágyabb elektrofilként viselkedik az addíciós reakciókban. Mindezeknek
megfelelően
a
karbonilcsoport
szénatomja
támadható
kemény
nukleofilekkel (pl. AlH4–, CH3–), így az,-telítetlen oxovegyületek lítium-tetrahidridoalumináttal (a) vagy metil-lítiummal (b) végzett reakciója során direkt nukleofil addíció játszódik le a szén–oxigén kettős kötésen. a.)
b.)
Konjugált nukleofil addíció játszódik le, amennyiben lágy nukleofillel reagálaz
,-telítetlen oxovegyület, így az addíció metil-lítiumból és réz(I)-bromidból kialakított rézvegyülettel (a) vagy tioláttal (b) a szén–szén kettős kötésen megy végbe. 157
Szerves kémia I.
11. fejezet
a.)
b.)
Az,-telítetlen oxovegyületek, karbonsavak és származékaik addíciós reakcióiban meghatározó szerepe van a karbonil-szénhez kapcsolódó csoportnak is.
Direkt nukleofil addíciós reakcióra nő a hajlam, ha jó távozócsoport (pl. Q = Cl) kapcsolódik a karbonil-szénhez. Amennyiben rossz távozócsoport (pl. Q = NH2) található a karbonilszénen, az,-telítetlen vegyületen inkább konjugált nukleofil addíció játszódik le.
11.3. Inverz reakciók A funkciós csoporthoz vagy heteroatomhoz kapcsolódó szén általában parciálisan pozitív töltésű a szerves molekulákban, így nukleofilekkel reagáltatható. Szén–szén kötés kialakítására irányuló néhány reakciótípus azonban lehetőséget ad arra, hogy a kiindulási molekulát úgy módosítsuk (pl. a Grignard-reagens kialakítása), hogy elektrofilekkel is reagáljon. 158
Szerves kémia I.
11. fejezet
A szintézisekben az acilcsoport bevitele a molekulákba nagy jelentőségű, pozitív-ionnal megvalósított reakcióként említhető például a Friedel–Crafts-szintézis, amelynek első lépésében alakítjuk ki az acil-kationt.
Amennyiben az acilcsoportot anionként is szeretnénk reagáltatni elektrofilekkel, akkor ehhez az acilcsoport parciálisan pozitív szénatomjának polaritását meg kellett változtatni, vagyis inverz reakciókészséget kell létrehozni. Erre az acil-anion szinton lenne a megfelelő.
A szinton egy logikai egység, amely általában nem létezik, így a szintézisekben a „maszkírozott”
formáját,
az
ún.
szintézisekvivalensét
használjuk.
Az
acil-anion
szintézisekvivalensei például:
Ezekben az inverz reakciókban különböző csoportok segítségével a molekulán stabilizálható a negatív töltés, majd a reakció elvégzése után a stabilizáló csoportot eltávolítva létrehozható egy eredetileg elektrofil szénatomhoz kapcsolódó acilcsoport. Ketonok állíthatók elő alkil-halogenidből és aldehidből úgy, hogy formálisan acil-anion épül be a molekulába (a), azonban ez az előbb említett többlépéses reakcióban játszódik le szintézisekvivalens segítségével (b). a.)
159
Szerves kémia I.
11. fejezet
b.)
Az oxovegyületből létrehozott szintézisekvivalensen keresztül megvalósítható inverz reakcióra példaként említhető még a benzoin előállítása is benzaldehidből kálium-cianid katalizátor segítségével.
Jóllehet nem tartozik az inverz reakciók csoportjába a Cannizzaro-reakció, de az első elemi lépés hasonlósága miatt leginkább ezen a helyen célszerű tárgyalni. A reakció tömény lúg jelenlétében játszódik le olyan aldehideken, amelyek nem rendelkeznek az
-szénatomjukon hidrogénnel (pl. benzaldehid), vagy nem tartalmaznak -szénatomot (formaldehid). A folyamat során diszproporció játszódik le: az aldehid redukciója és oxidációja is végbemegy, alkoholt és karbonsavat eredményezve. 160
Szerves kémia I.
11. fejezet
A benzaldehid Cannizzaro-reakciója a következő mechanizmus szerint megy végbe:
A hidrid-ion egy nagyon rossz távozócsoport (konjugált savának, a hidrogénmolekulának a pKa értéke 35, ld. 39. oldal), ezért ennek az aldehidre történő átadását három tényezőnek is egyidejűleg segítenie kell. Ezek a tényezők a következők: a.) a kétszeres negatív töltésű köztitermék megszűnése, b.) a stabil benzoát-ion kialakulása, c.) az elektrofil karbonil-szén közelsége. 161
Szerves kémia I.
12. fejezet
12. Oxo–enol tautoméria, karbonsavak Oxo–enol tautoméria. Az oxo–enol tautomerek reaktivitásának összehasonlítása. Az oxovegyületek
és
karbonsavszármazékok
konjugált
bázisának
(-szénatomon
lejátszódó) reakciói. Dioxo- és rokon vegyületek kémiája. 12.1. Oxo–enol tautoméria Az oxo–enol tautoméria jelentősége az oxovegyületek, a karbonsav-észterek és rokon vegyületeik reaktivitásának értelmezésében és a mechanizmusok feltárásában rejlik.
Az egyensúly az oxovegyületekben általában az oxoforma irányába tolódik el, mert a C=O kötés stabilitása nagyobb, mint a C=C kötésé. Az oxo–enol izomerek átrendeződése, egymásba alakulása savval (a) vagy bázissal (b) katalizálható. a.)
b.)
162
Szerves kémia I.
12. fejezet
12.2. Az oxo–enol tautomerek reaktivitásának összehasonlítása A reaktivitási sorrend a nukleofil addíciós reakciókban a karbonilcsoport szénatomjának elektrofilitásától függ.
Mindezeknek megfelelően az oxovegyületek brómmal mint elektrofil reagenssel a molekula nukleofil helyeivel (enolforma, enolát-ion) reagálnak, más-más terméket adva savas (a), illetve bázikus közegben (b). a.)
b.)
163
Szerves kémia I.
12. fejezet
12.3. Az oxovegyületek és karbonsavszármazékok konjugált bázisának (-szénatomon lejátszódó) reakciói Az oxovegyületekben, illetve a karbonsavszármazékokban a karbonilcsoport melletti szénatomon (-szénatomon) lévő proton (savanyú hidrogén) bázissal könnyen leszakítható, és az így keletkezett enolát-ion nukleofilként képes reagálni. A 12.3. táblázat a következő folyamatokban fontos szerepet játszó oxovegyületek és az etil-acetát pKa értékeit foglalja össze. 12.3. táblázat pKa 16
20
24,5
Az acetaldehid -szénatomján lévő hidrogén híg lúgos közegben deprotonálódik, és aldol-reakcióban szén–szén kötés jön létre -hidroxialdehidet eredményezve, amely vízkilépéssel ,-telítetlen oxovegyületté alakul.
Claisen-reakció során keton (pl. aceton) reagál karbonsav-észterrel (pl. etil-acetát) bázis jelenlétében, így dioxovegyület keletkezik. A folyamat során egy kis molekulatömegű, stabil molekula (pl. etil-alkohol) lép ki a molekulából (kondenzációs reakció). Mivel az aceton jóval erősebb sav, mint az etil-acetát, ezért az deprotonálódik (12.3. táblázat). 164
Szerves kémia I.
12. fejezet
Hasonló mechanizmussal (Claisen-kondenzációval) -oxoészterek keletkeznek, amennyiben mindkét kiindulási karbonsav-észter tartalmaz hidrogént az -szénatomján.
165
Szerves kémia I.
12. fejezet
Vegyes Claisen-kondenzáció játszódik le, abban az esetben, amikor két észter reagál, azonban az egyik észter nem tartalmaz hidrogént az -szénatomon (vagy nincs -szénatomja), így ebből az észterből nem keletkezhet enolát-ion, ezért bázissal a másik észter konjugált bázisa keletkezik.
Szintén az -szénatomon lejátszódó reakciók közé sorolható a dietil-karbonát reakciója az
-helyzetben hidrogént tartalmazó karbonsav-észterrel bázis jelenlétében, amellyel dikarbonsav-diészter nyerhető.
166
Szerves kémia I.
12. fejezet
Dieckmann-reakcióval, vagy más néven belső Claisen-kondenzációval, ciklusos
-oxoészterek állíthatók elő megfelelően hosszú (hat vagy hét szénatomot tartalmazó lánccal rendelkező, n = 1 vagy 2) dikarbonsav-diészterekből. A keletkezett -oxoészterek savas hidrolízis után melegítés hatására dekarboxileződnek, ezáltal gyűrűs ketonok képződnek.
A Knoevenagel-reakcióban dikarbonsav-diészterből kiindulva bázissal (pl. piperidin)
,-telítetlen karbonsavak állíthatók elő.
167
Szerves kémia I.
12. fejezet
Az előzőekben ismertetett, a Knoevenagel-reakcióban kiindulási vegyületként szereplő dikarbonsav-diészter, a dietil-malonát számos szintézisben használt anyag, az előállítása ecetsavból a következő lépésekkel írható le:
168
Szerves kémia I.
12. fejezet
12.4. Dioxo- és rokon vegyületek kémiája A dioxovegyületek néhány előállítási módszerének és mechanizmusainak részletes leírása az előző fejezetekben már ismertetésre került, ezekben az esetekben itt csak a rövid reakcióegyenletek láthatók. Dioxovegyület keletkezik acetilénszármazékokból kálium-permanganáttal (ld. 138. oldal).
Ketonok szelén-dioxiddal végzett oxidációja szintén két oxocsoportot tartalmazó vegyületet eredményez (ld. 138. oldal).
Dioxovegyületek Jones-oxidációval (ld. 137. oldal) diolokból is nyerhetők.
Az egymástól távol lévő oxocsoportok kialakítása megvalósítható hosszabb láncú dikarbonsavszármazékokból kiindulva Grignard-reakcióval (a) vagy redukcióval (b). A reakcióképes kiindulási molekulából a b.) ábrán bemutatott reagensekkel a dioxovegyületen kívül dikarbonsav, annak diésztere, több lépésben különböző lánchosszú diszjunkt diol keletkezik. a.)
169
Szerves kémia I.
12. fejezet
A két oxocsoportot tartalmazó vegyületek közül az 1,3-dioxovegyületek és azokkal rokon vegyületek a metilénegységen savanyú hidrogénnel rendelkeznek, a 12.4. táblázatban található pKa értékek alapján összehasonlítható azok savassága. 12.4. táblázat pKa 4,75
5
7
9
11
13
170
Szerves kémia I.
13. fejezet
13. Karbonsavak és karbonsavszármazékok Karbonsavak fizikai és kémiai tulajdonságai. Karbonsavak előállítása és reakciói. Dikarbonsavak reakciói – dekarboxilezési reakciók. Karbonsavszármazékok: ketén, savkloridok, anhidridek, savazidok, észterek, amidok, nitrilek, imidsav-észterek előállítása és reakciói – nukleofil addíciós és nukleofil addíciós–eliminációs reakciók. 13.1. Karbonsavak fizikai és kémiai tulajdonságai Az alifás, el nem ágazó láncú monokarbonsavak első kilenc tagja színtelen folyadék, a kilencnél nagyobb szématomszámúak szilárd halmazállapotúak, színtelen kristályok. A kisebb szénatomszámmal rendelkező monokarbonsavak szúrós szagúak (pl. ecetsav), a négy és kilenc közötti szénatomszámú képviselők kellemetlen szaggal rendelkeznek (pl. vajsav), míg a hosszabb szénláncúak szagtalanok. A forráspontjuk általában magas, a szénatomszámmal párhuzamosan emelkedik, a molekulák folyadékfázisban fonalszerűen helyezkednek el, míg gázfázisban dimer asszociátumokat képeznek. A
monokarbonsavak
páros
és
páratlan
szénatomszámú
képviselői
eltérő
kristályrendszerben kristályosodnak a lánc végén található csoport térállásának megfelelően (a páros szénatomszámú transzoid, míg a páratlan szénatomszámú ciszoid), így az olvadáspontjukat összekötő két görbe eltér egymástól (13.1. ábra).
171
Szerves kémia I.
13. fejezet
13.1. ábra
A dikarbonsavak kristályos vegyületek. A láncvégeken található két karboxilcsoport a páros szénatomszámú képviselőknél (hasonlóképpen a monokarbonsavakhoz) transzoid, míg a páratlan szénatomszámúak esetén ciszoid elhelyezkedést mutat, és az el nem ágazó láncú dikarbonsavak olvadáspontja is két külön görbén ábrázolható (13.2. ábra).
172
Szerves kémia I.
13. fejezet
13.2. ábra
A karbonsavak és származékaik kémiai tulajdonságainak ismertetését a reakciókészséget is befolyásoló savasság tárgyalásával érdemes kezdeni. A karbonsavak gyenge savak (pl. ecetsav, pKa = 4,75). Az ásványi savak vizes oldatban teljesen (pl. sósav, pKa = –7), míg a karbonsavak csak részben disszociálnak. A karbonsavak savasságát az alkoholokéval összehasonlítva (pl. etil-alkohol, pKa = 16) megállapítható, hogy míg az alkoholát anionban a negatív töltés csak az oxigénen lokalizálódik, addig a karboxilát anionban egy szén és a két oxigén egy-egy -pályájának részvételével létrejön egy háromcentrumos, négy elektronos delokalizált rendszer. A
karbonsavak
karboxilcsoportjához
kapcsolódó
különböző
szubsztituensek
nagymértékben befolyásolhatják a pKa értékeket (13.1. táblázat).
173
Szerves kémia I.
13. fejezet 13.1. táblázat
pKa
pKa
3,75 4,75
4,19
4,80 4,36 pKa
4,80
3,96
4,30 3,82 4,19 3,30 3,48 pKa
3,20
3,41
2,90 2,85 2,60
pKa
2,85 1,40 0,70 0,20
174
Szerves kémia I.
13. fejezet
A dikarbonsavak két pKa értékkel jellemezhetők, mert disszociációjuk a két karboxilcsoportnak köszönhetően két lépésben megy végbe.
A dikarbonsavak pKa1 és a pKa2 értéke eltérő, a különbség mértékét a két karboxilcsoport távolsága befolyásolja, minél közelebb vannak egymáshoz, annál nagyobb a különbség (13.2. táblázat). 13.2. táblázat pKa1
pKa2
ΔpKa
1,27
4,27
3,00
2,85
5,70
2,85
4,20
5,60
1,40
Dikarbonsavak esetén, az oxálsav, a malonsav és a borostyánkősav példáján bemutatott pKa1 és pKa2 értékek eltérése a következő okokkal magyarázható: a.) a negatív töltésű molekuláról nehezebben szakad le a második proton, b.) a karboxilát-ionnak a karboxilcsoporttal ellentétben nincs elektronszívó hatása, c.) két karboxilcsoportról egy proton valószínűségi okokból is könnyebben szakad le.
13.2. Karbonsavak előállítása és reakciói 13.2.1. Karbonsavak előállítása A karbonsavszármazékok változatos kiindulási anyagai lehetnek a karbonsavak előállításának, valamint fémorganikus vegyületek (Grignard-reagens vagy lítiumorganikus vegyület) reakcióiban is különböző lánchosszú és láncelágazású karboxilcsoportot tartalmazó molekulák keletkezhetnek. 175
Szerves kémia I.
13. fejezet
A karbonsavak savas és lúgos hidrolízissel előállíthatók karbonsav-észterekből. Savas hidrolízis esetén az AAc2, illetve AAl1 mechanizmus szerint lejátszódó reakciókat részletesen már korábban, az alkoholok reakcióinál tárgyaltuk (ld. 109. oldal), a BAc2 mechanizmus szerint lejátszódó lúgos hidrolízis ismertetése a karbonsav-észterek reakcióinál (ld. 180. oldal) található.
Karbonsav-nitrilek lúgos vagy savas hidrolízisével alifás és aromás karbonsavak állíthatók elő.
Karbonsav-nitrilek kontrollált hidrolízise savas körülmények között savamidot eredményez.
A keletkezett savamid továbbalakul, amennyiben a savnitrilek hidrolízisét erélyes körülmények között végezzük. 176
Szerves kémia I.
13. fejezet
A savnitrilek hidrolízise lúgos körülmények között a következő mechanizmussal megy végbe:
Az amid-ion egy nagyon rossz távozócsoport (konjugált savának, az ammóniának a pKa értéke 38, ld. 39. oldal), ezért ennek kilépését három tényezőnek is egyidejűleg segítenie kell. Ezek a tényezők a következők: a.) a kétszeres negatív töltésű köztitermék megszűnése, b.) a stabil karboxilát-ion kialakulása, c.) a protont biztosító vízmolekula közelsége. 177
Szerves kémia I.
13. fejezet
Karbonsavak Grignard-reakcióval is előállíthatók. A Grignard-reagens reakcióba lép a szén-dioxiddal, majd erősen savas víz hatására karbonsav képződik.
Karbonsavból kiindulva eltérő láncot tartalmazó karbonsavak állíthatók elő butil-lítium segítségével. A butil-lítium felesleg használatának és az igen heves sav–bázis reakciónak az elkerülése érdekében a karbonsavból először lítium-hidroxiddal lítium-sót készítünk, majd az alaposan megszárított lítium-sót használjuk a következő lépésben.
13.2.2. Karbonsavak reakciói A karbonsavak és származékainak reakciói a mechanizmusok szerinti csoportosításban tekinthetők át: észterképzésen, észterhidrolízisen és átészterezésen keresztül, amelyek savkatalizált (A) vagy báziskatalizált (B), acil C‒O kötés hasadásával, illetve kialakulásával járó (Ac) vagy alkil C‒O kötés hasadásával, illetve kialakulásával járó (Al), monomolekuláris (1) vagy bimolekuláris (2) folyamatokkal játszódnak le. Az AAc2 mechanizmusú reakciókban karbonsavakból (Y = OH) alkoholokkal vagy fenolokkal észterek képezhetők. Karbonsav-észterből (Y = OR”) kiindulva vízzel észterhidrolízis eredményeképpen karbonsavak állíthatók elő, valamint karbonsav-észterből alkohollal átészterezéssel a megfelelő karbonsav-észter keletkezhet. 178
Szerves kémia I.
13. fejezet
Az egyensúlyi lépésekből álló folyamat sebességmeghatározó lépése a nukleofil addíció. Példa: ecetsav reakciója metil-alkohollal tömény kénsav jelenlétében (részletesen ld. 109. oldal). Karbonsav-észterek AAc1 mechanizmusú reakcióval is kialakíthatók. Példa: 2,4,6-trimetilbenzoesavból tömény kénsav jelenlétében alkolhollal a megfelelő észter keletkezik.
179
Szerves kémia I.
13. fejezet
Alkoholok protonfelvételével, majd vízkilépéssel létrejött karbénium-ionjának reakciója karbonsavakkal AAl1 mechanizmusú folyamatban karbonsav-észterek előállítását teszi lehetővé. Példa: terc-butil-alkoholból katalitikus mennyiségű tömény kénsav jelenlétében ecetsavval karbonsav-észter állítható elő (részletesen ld. 109. oldal). A BAc2 mechanizmusú reakciókban karbonsav-észterekből lúggal észterhidrolízis során karbonsavak, alkoholátokkal átészterezés során a megfelelő karbonsav-észterek jönnek létre. Ezekben a reakciókban legalább sztöchiometrikus mennyiségű bázis használandó (míg a savkatalizált reakciókban a sav csak katalitikus mennyiségben volt jelen), mert a bázis a folyamat során beépül a molekulába. Az átészteresítésnél a reakció a termék képződésének irányába tolható el, ha a bázis konjugált savát, vagyis a megfelelő alkoholt használjuk oldószerként. Példa: ecetsav-észterek lúgos hidrolízisével irreverzibilis folyamatban ecetsav-sók állíthatók elő (a), karbonsavak metil-észteréből nátrium-etiláttal reverzibilis lépésekkel karbonsavak etil-észterei kaphatók (b). a.)
b.)
13.3. Dikarbonsavak reakciói – dekarboxilezési reakciók Dekarboxileződési reakcióban alkánok állíthatók elő a karbonsavak nátrium-sójának nátrium-hidroxiddal végzett hevítésével (ld. 47. oldal). 180
Szerves kémia I.
13. fejezet
A dikarbonsavak hevítése során dekarboxilezési reakciók játszódhatnak le. A dikarbonsavak a szénatomszámtól függően különböző termékeket adnak. A két szénatomos oxálsav (1,2-dikarbonsav) és a három szénatomos malonsav (1,3dikarbonsav) hevítése szén-dioxid vesztéssel szén-monoxidot és vizet, utóbbinál ecetsavat eredményez. Oxálsav:
Malonsav:
A négy szénatommal rendelkező borostyánkősav (1,4-dikarbonsav) és az öt szénatomot tartalmazó glutársav (1,5-dikarbonsav) melegítésekor gyűrűs anhidridek képződnek víz kilépése közben. Borostyánkősav, glutársav:
181
Szerves kémia I.
13. fejezet
A hat szénatomtartalmú adipinsav (1,6-dikarbonsav), valamint a hét szénatomot tartalmazó pimelinsav (1,7-dikarbonsav) hevítésekor szén-dioxid kilépéssel gyűrűs ketonok jönnek létre. Adipinsav, pimelinsav:
A dikarbonsavak hevítésekor elsődlegesen a szénatomszám határozza meg a keletkezett termékeket, mivel a kialakuló anhidridek, illetve ketonok akkor a legstabilabbak, ha a gyűrűt öt vagy hat szénatom alkotja, az ennél kisebb vagy nagyobb gyűrűtagszám esetén instabil molekulák képződnének.
13.4. Karbonsavszármazékok: ketén, savkloridok, anhidridek, savazidok, észterek, amidok, nitrilek, imidsav-észterek előállítása és reakciói – nukleofil addíciós és nukleofil addíciós–eliminációs reakciók A karbonsavszármazékok előállításánál és egymásba alakításánál fontos ismerni a 11. fejezetben már részletesen bemutatott acilezési készség sorrendjét az egyes karbonsavszármazékok esetében (ld. 154. oldal). 182
Szerves kémia I.
13. fejezet
A sorrend alapján látható, hogy a ketén, a legreakcióképesebb karbonsavszármazék esetében a szerkezetéből adódóan nukleofil addíciós (AdN), míg a többi savszármazéknál nukleofil addíciós–eliminációs (AdN–E) reakció játszódik le az acilezés során.
Amennyiben a savszármazék L szubsztituensének anionja jó távozócsoport (pl. Cl–), a nukleofil addíciós–eliminációs reakciók gyorsan és könnyen lejátszódnak, amennyiben rossz a távozócsoport (pl. OH–), első lépésben jó távozócsoporttá kell alakítani (pl. savkatalizált folyamatok – AAc2), így alkalmassá tehető a származék az acilezésre. Ebben a fejezetben a karbonsavszármazékok előállításáról és elsősorban egymásba alakításától kaphatunk áttekintést.
13.4.1. Ketén A ketén igen reakcióképes karbonsavszármazék, nukleofil addíciós reakcióban előállítható belőle a többi savszármazék, azonban túlzott toxicitása miatt ritkán használjuk a gyakorlatban. A ketén előállítása az iparban az aceton pirolízisével történik. A gyökös reakció során metán fejlődése után egyensúlyi folyamatban a ketén diketénné alakul. 183
Szerves kémia I.
13. fejezet
A ketén laboratóriumban történő előállításánál acetil-kloridot reagáltatunk trietil-amin bázis jelenlétében tetrahidrofurán oldószerben, így a melléktermékként keletkező trietil-amin– hidroklorid kiválik az oldatból, mert nem oldódik tetrahidrofuránban.
A ketén reakciói gyakran nagyon hevesen, sokszor robbanásszerűen mennek végbe.
184
Szerves kémia I.
13. fejezet
13.4.2. Savhalogenidek A savhalogenidekhez tartozó savkloridokból számos karbonsavszármazék előállítható nagy reaktivitásuknak köszönhetően.
13.4.3. Savanhidridek Az
anhidridek
is
megfelelő
acilezőkészséggel
rendelkeznek,
így
több
karbonsavszármazék kialakításánál is felhasználhatók.
185
Szerves kémia I.
13. fejezet
13.4.4. Savazidok Ezen vegyületcsalád előállítására példaként említhető az észterekből hidrazinnal keletkező savhidrazid, mely salétromossavval reagálva savazidot ad.
A savazidok különböző reakcióiban karbonsav, savamid vagy észter is keletkezhet.
186
Szerves kémia I.
13. fejezet
13.4.5. Észterek Karbonsav-észterekből kiindulva karbonsavak és bizonyos származékaik eredményesen nyerhetők. Az észterek reakcióinak részletes mechanizmusa az acilezés témakörben már ismertetésre került (ld. 180. oldal).
13.4.6. Savamidok A savamidok karbonsavak aminokkal képzett sóinak hevítésével (a), illetve savnitrilek részleges hidrolízisével (b) is előállíthatók. a.)
b.)
187
Szerves kémia I.
13. fejezet
13.4.7. Savnitrilek Savnitrilek savamidokból vízelvonással kaphatók.
13.4.8. Imidsav-észterek Imidsav-észter előállítható savnitril és alkohol száraz sósavgáz jelenlétében végzett reakciójával.
Az imidsav-észterekből is képezhető karbonsav és néhány származéka (amidin, ortoészter).
188
