Halogenalkany Názvosloví Protože halogen je v pořadí charakteristických skupin na stejném místě jako alkylové skupiny, rozhoduje při tvorbě názvu nejnižsí sada lokantů, případně abecední pořadí. CH3
Br
Br
CH3
CH3
2-brom-6-methylheptan
6-brom-2,5-dimethylnonan SN1 – substituce nukleofilní monomolekulární Tímto způsobem probíhají solvolytické reakce – tj. reakce, kde rozpouštědlo je zároveň nukleofilem. Samozřejmě, že klasické uspořádání reakce substrát-rozpouštědlonukleofil je taktéž možné. CH3 CH3
H3C
Cl
+
H3C
H2O
CH3
+
HCl
+
H2O
CH3
CH3 H3C
OH
OH
+
HCl(g)
CH3
Et2O
H3C
CH3
Cl CH3
Mechanismus SN1 probíhá přes stadium karbokationu, který se tvoří v rychlost určujícím kroku reakce disociací výchozího halogenalkanu.
H3C Br
C CH(CH3)2
HOCH2CH3
CH2CH3
CH2CH3
+
C
EtOH H3C
CH2CH3
+
H3C
CH(CH3)2
C CH(CH3)2
CH3CH2O+
HOCH2CH3
H Br Br
-H
Br
CH2CH3 H3C CH3CH2O
CH2CH3
+
C CH(CH3)2
50 % (S)-izomeru
CH3CH2O H3C
C CH(CH3)2
50 % (R)-izomeru
Překreslete uvedený mechanismus ve strukturních elektronových vzorcích.
V prvním kroku vznikající karbokation je planární, proto se přistupující nukleofil může navázat ze dvou stran. Vznikají tak dva enantiomery v poměru přibližně 1:1, tedy vzniká racemická směs. Konkurenční reakcí k SN1 je eliminační reakce E1. K tomuto ději dochází v případě, že se vznikající karbokation stabilizuje odštěpením jednoho protonu z vedlejšího atomu uhlíku a tvorbou dvojné vazby. Nicméně při solvolýze provedené za laboratorní teploty je hlavním produktem produkt substituce. Pokud bychom do reakční směsi přidali bázi ve velmi nízké koncentraci, bude probíhat eliminace mechanismem E1 a hlavním produktem bude alken. V případě, že bychom přidali koncentrovanou bázi, bude probíhat E2 reakce a hlavním produktem bude opět alken. CH3
+
CH3
20 °C
CH3CH2OH
+
Br
HBr
OCH2CH3
CH3
+
CH3CH2ONa
CH3
CH3CH2OH
CH3
+
20 °C
Br
Reaktivita substrátů v SN1 se odvíjí od stability karbokationtů, které mohou vzniknout disociací halogenalkanu. H C H H
C
H +
<
H3C
H
C
+
< H3C
H
CH3
H
+
+
C
=
CH2=CH
C
+
H CH3
<
=
H3C
C
H
H
+
CH3
Vzhledem k tomu, že pořadí reaktivity alkylhalogenidů v SN1 substitucích je totožné s pořadím stability odpovídajících karbokationtů, bude nejlépe reagovat terciární alkylhalogenid, pak benzylový či sekundární, atd. Reakci urychlují polární protická rozpouštědla – alkoholy, voda – usnadňuje se proces disociace halogenidového aniontu z molekuly substrátu. Jaký tvar má benzylový a jaký tvar má terc-butylový karbokation? SN2 – substituce nukleofilní bimolekulární U SN2 už většinou nepostačuje neutrální molekula nukleofilu, ale je potřeba sáhnout po tvrdších anionických nukleofilech. Běžně používanými činidly jsou: halogenidy, hydroxidy, alkoholáty, azidy, kyanidy, hydrogensulfan, alkanthioláty, atd. Mechnismus reakce je v tomto případě synchronní, tj. probíhá v jednom kroku a účastní se ho najednou obě molekuly – jak substrát tak nukleofil. D H Br
-
D
+
C CH2CH3
100% (S)-izomer
+
Na O H
C
Br H
D OH CH2CH3
Na
+
C CH3CH2
H OH
100% (R)-izomer
+
NaBr
V hranaté závorce uvedený pentakoordinovaný adukt je tranzitním stavem reakce, nikoli meziproduktem.
Ve strukturních elektronových vzorcích napište mechanismus SN2 reakce (S)-2brombutanu s kyanidem sodným v dimethylformamidu. Jak už pilný student jistě tuší, je reaktivita substrátů v SN2 reakci značně odlišná od reaktivity v SN1 reakci. H C H3C
CH3
CH3
+
+
C
<
H3C
CH3
C
H
<
C
H3C
H +
<
H
H
H
H
+
C
H +
<
=
CH2=CH
C
+
H
H
Nejreaktivnějšími substráty jsou tentokrát allylový a benzylový systém, následované methylem atd. U terciárních alkylhalogenidů SN2 reakce prakticky neprobíhá. Reakci urychlují dipolární aprotická rozpouštědla (DMF-dimethylformamid, DMSOdimethylsulfoxid, acetonitril, apod.) – solvatují kation, avšak nesolvatují anion použitého nukleofilu. Anion je tzv. nahý, a proto velmi reaktivní☺. Eliminace CH3
Br
CH3
CH3
+ CH3
Br
hlavní
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
+ hlavní
Při eliminačních reakcích vznikají zpravidla směsi produktů, kde však (v závislosti na podmínkách) převažuje stabilnější alken. Toto je předmětem tzv. Zajcevova pravidla: Při eliminaci H-X z halogenalkanu převládá v produktech více substiovaný alken. E2-reakce (eliminace bimolekulární) V tuto chvíli se omezíme na tvrzení, že obecně exituje několik typů eliminací, z nichž ty, které nás zajímají, jsou E1 a E2. Eliminace E2 je reakce, která probíhá za použití silné báze jednokrokovým mechanismem. CH3
H3C Br
H
C H3C
H
H3C
CH3
H3C
C
C KOH
Br
ethanol
C H3C
KOH
H H
O H K
+
ethanol
C H3C
C
CH3
+
KBr
+
H2O
H
Je zjevné, že E2 reakce je reakcí konkureční k SN2. Eliminace probíhá synchronně v jednom kroku. Báze odštěpuje proton, čímž vzniká dvojná vazba a zároveň odstupuje
halogen. Můžeme říci, že při nukleofilních substitucích získáme (opět v závislosti na podmínkách reakce) i podíl produktu eliminační reakce. Pokud chceme provést selektivně E2 reakci, musíme použít silnou bázi za zvýšené teploty, zpravidla v ethanolu jako rozpouštědle. E1-reakce (eliminace monomolekulární) Opět se jedná o reakci konkurenční k SN1. Tvrdili jsme, že mechanismem SN1 probíhají solvolytické reakce. A zdálo by se, že při takto mírných podmínkách se v podstatě nemůže udát nic tak brutálního jako je eliminace. CH3 H3C
Cl
CH3
H2O, EtOH 60 °C
CH3
OH
H3C
+
H3C CH2 H3C
CH3
36 %
64 %
V případě, že bychom reakční směs zahřáli, dostali bychom už bez přítomnosti jakékoli báze vedlejší produkt, který vznikl eliminací. +
CH3CH2O-
CH3 H3C
Br
H
H3C
EtONa
+
C
EtOH H3C
CH3
Na
C
H3C H Br
CH2
+
NaBr
+ H3C
H2 C
O
H
H3C
H
V případě, že je v reakční směsi báze (v nízké koncentraci, cca 0,01 mol/l), pak probíhá E1 a vzniká selektivně alken. Proč při eliminaci HBr z cis-1-brom-4-terc-butylcyklohexanu vzniká příslušný 4-tercbutylcyklohexen 500x rychleji než při reakci trans-1-brom-4-terc-butylcyklohexanu? V případě cis i trans derivátu uvažujte nejstabilnější konformaci. Z jakého halogenderivátu by bylo možné eliminací připravit ethylidencyklohexan jako hlavní produkt? Co vznikne reakcí 4,5-dibrom-3,6-diethyloktanu s terc-butanolátem draselným v 1,1dimethylethanolu? Dehalogenace Už víme, že lze z molekuly eliminovat halogenovodík za tvorby dvojné vazby. Stejně tak lze alken připravit eliminací halogenu. Br H H3C
CH2CH3 H Br
Br Zn
H3C H
C
C
CH2CH3
H3C
CH2CH3
+
ZnBr2
H
Br Zn
Je zjevné, že stejně jako u eliminací H-X je preferované uspořádání při dehalogenaci anti-, tj. atomy halogenu se orientují proti sobě. Jakou konfiguraci bude mít alken vzniklý eliminací erythro-2,3-dibrompentanu?
Alkoholy, fenoly Alkoholy jsou velmi dobrými prekurzory pro získávání dalších zajímavých sloučenin. Je možné je eliminací převést na alkeny, substitucí na halogenderiváty nebo případně reakcí s halogenderivátem na ethery. Dále jsou též prekurzory při syntéze aldehydů, ketonů nebo kyselin. Příprava alkoholů Alkoholy lze připravit nejrůznějšími způsoby – adicí vody na dvojnou vazbu, oxidací alkenu pomocí KMnO4 případně OsO4 a nukleofilní substitucí. V příští kapitole se také podíváme na přípravu alkoholů pomocí adice organokovu na karbonylovou případně karboxylovou skupinu a taktéž na redukci derivátů karboxylových a karbonylových sloučenin. Připrava alkoholů tedy není jedna určitá kapitola organických reakcí. S částmi této kapitoly se setkáváme v průběhu celého semestru OCH I. Z toho důvodu se omezíme pouze na reakce alkoholů. Oxidace alkoholů Působením silných oxidačních činidel lze alkoholy (v závislosti na struktuře) oxidovat do stádia ketonů či kyselin. KMnO4 OH OH + CrO 3
OH H3C
CH3
+
K2Cr2O7
O
KMnO4
O
CrO3
H3C
CH3
K2Cr2O7 KMnO4
CH3 H3C
OH
+
CH3 H3C
CrO3
CH3
OH CH3
K2Cr2O7
Jak je vidět, primární alkoholy se působením silných oxidačních činidel oxidují až na kyseliny, sekundární na ketony a terciární alkoholy se neoxidují. Primární alkoholy lze též selektivně oxidovat do stadia aldehydů. K tomuto účelu se používají speciální činidla např. PCC– pyridinium-chlorchromát. O OH
+
PCC Cl
Cl CH3
CH3
Co by vzniklo, pokud bychom uvedený alkohol oxidovali přebytkem KMnO4 v mírně kyselém vodném prostředí?
Oxidace za vzniku alkoholů – otvírání epoxidů U alkenů jsme se setkali s několika způsoby přípravy alkoholů. Zároveň jsme též diskutovali přípravu tzv. epoxidů. Tyto látky mohou představovat další možný prekurzor pro přípravu alkoholů. OH O OOH O
H3C
H3C
+
CH2
+
CH2 Cl
H3C
H3C
Cl
O
Epoxidace se provádí peroxokyselinou, např. m-chlorperoxobenzoovou. Produkt epoxidace je možné podrobit hydrolýze, mluvíme též o otevírání epoxidů. CH3
H3C
+
CH2 H3C
+
H3C
NaOH
O
CH3
OH H3C
HCl/H2O
ONa
CH2OH OH
Samozřejmě, že epoxid můžeme hydrolyzovat bazicky i kysele. Pokud bychom použili pouze vodnou kyselinu chlorovodíkovou, dostali bychom stejný produkt. Kyselá a bazická hydrolýza jsou však z mechanistického hlediska zcela odlišné reakce. Důkazem tohoto tvrzení budiž otevírání epoxidu methanolem resp. methanolátem v kyselém resp. bazickém prostředí. Co bude produktem reakce ethylenoxidu s kyselinou chlorovodíkovou? CH3
CH3 C
H3C
CH2
O
CH3
+
Na
+
CH3
1. reakce O CH3
2. HCl(aq)
C H3C
O
O CH2
CH3
H CH3
CH3
CH3
C H3C
O
CH2
+
CH3 C
HCl H3C
+
CH3OH
CH3
- HCl
CH2 OH
CH3 C
H3C
protonace
H3C
O
CH2 O H
U první reakce, která probíhá v methanolu s methanolátem sodným jako nukleofilem, atakuje báze méně stericky bráněný atom uhlíku. Po okyselení vzniká 2,4-dimethyl-1methoxypentan-2-ol. U druhé reakce, která probíhá v methanolu za katalýzy chlorovodíkem, dochází nejprve k protonaci epoxidového kyslíku. Následně se tvoří stabilnější karbokation a ten reaguje s neutrální molekulou methanolu za tvorby 2,4-dimethyl-2-methoxypentan-1-olu. Jak bude reagovat 2,2-dimethyloxiran s lithiumaluminiumhydridem? Jak bude reagovat 2,2-dimethyloxiran s methanolátem sodným v methanolu? Jak bude reagovat lithium-aluminiumhydrid s vodnou kyselinou chlorovodíkovou?
Ethery Jsou polární látky, které nemají kyselý vodík, a proto jsou velmi výhodnými rozpouštědly při přípravě Grignardových činidel. Ethery lze připravit nejrůznějšími způsoby, nicméně tím nejhojnějším je tzv. Williamsonova syntéza etherů a její modifikace.
+
OH
+
K2CO3
OK
aceton
CH3I
aceton
+
aceton
OH
O
ONa
KI
CH3
CH3I
NaH
+
O
aceton
NaI
CH3
Výchozí alkohol nebo fenol je nejprve převeden bází na odpovídající alkoholát/fenolát a ten je v druhém kroku reakce alkylován alkylačním činidlem. Jako alkylační činidla jsou nejčastěji používány primární nebo jednoduché sekundární alkyljodidy nebo alkylbromidy. Pokud bychom použili složitější alkylhalogenid, pak by v přítomnosti silné báze probíhala E2 eliminace namísto žádané SN2 substituce. Proč je k převedení alkoholu na odpovídající alkoholát nutné použít silnější bázi než v případě fenolu? Štěpení etherů Další důležitou reakcí je štěpení etherů. Reakce se provádí koncentrovanými halogenovodíkovými kyselinami případně bromidem boritým a dalšími činidly. CH3 CH3-CH2
O
CH
CH3
HBr var
CH3-CH2
O
CH3
CH3CH2OH
+
CH
CH3-CH-CH3
CH3
H
Br
+
CH3CH2OH
Br
H
HBr var
CH3CH2
O
+
CH3CH2Br
+ H2O
H Br
Při reakci je důležité pamatovat na to, že rozštěpením etheru na alkylhalogenid a alkohol reakce nekončí. Za daných podmínek probíhá i nukleofilní substituce OH skupiny halogenem a vznikají tedy dvě molekuly halogenderivátu. OH CH3 O
CH
CH3
HBr var
+
O
CH3
H
CH CH3
CH3-CH-CH3 Br
+
Br
OH HBr var
reakce neprobíhá
V případě štěpení alkyl(aryl)etherů je situace odlišná – vznikající fenol nukleofilní substituci OH skupiny nepodléhá a dále nereaguje.
Claisenův přesmyk aromatických allyletherů H O
O
O ΔT
H
V souvislosti s touto reakcí si jistě vzpomenete na tvrzení, že allylové systémy vedou tak trochu dvojí život, a že práce s nimi není vždy zcela jednoznačná a jednoduchá. Allylový přesmyk Pokud totiž provedeme reakci s těmito dvěma odlišnými chlorderiváty, dostaneme vždy jako hlavní produkt 2-methylbut-3-en-2-ol. Proč vzniká ze dvou odlišných substrátů stejný produkt? CH3 H3C
CH3 CH CH2
+
H2O
Na2CO3
H3C
Cl
H3C CH CH2 Cl H3C
+
H2O
Na2CO3
H3C CH CH2
+
CH CH2 OH
OH
H3C
CH3
H3C
H3C
CH CH2 OH
+
CH CH2 OH H3C
Při reakci dochází v obou případech k přesmyku na stabilnější karbokation. Pokud reaguje allylhalogenid s vodou v přítomnosti velmi slabé báze jako je uhličitan sodný, probíhá reakce spíše SN1 mechanismem. Atom halogenu se odštěpuje a vzniká karbokation, který v reakčním prostředí přesmykuje na svou stabilnější formu. Jak bude reagovat 1-brombut-2-en s kyanidem sodným v acetonitrilu? Jak připravíte výchozí allylether pro Claisenův přesmyk?
Organokovové sloučeniny Základní organokovy připravujeme zpravidla z odpovídajících halogenderivátů. Nás budou zajímat především sloučeniny lithia, hořčíku a mědi. Význam organokovů spočívá v tom, že dochází k přepólování původní vazby uhlík-halogen. δ+ δCH2 Br CH2 Li + LiBr + 2 Li
δ+ CH2 Br
+
δCH2 MgBr
Mg
δCH2 Cu
δCH2 Li
+
-
CH2 δ-
CuBr
+
Li
+
LiBr
Vzhledem k těmto unikátním vlastnostem (záporně polarizovaný uhlík) jsou organokovy využívány v širokém spektru reakcí. Nukleofilní adice na karbonylovou skupinu AN(C=O) Uhlík karbonylové skupiny je polarizován kladně, čehož lze využít pro reakci právě s organokovovými činidly. Syntéza alkoholů δCH2 MgBr
+
δ+ H2C O
CH2 CH2 O
MgBr
H2O
CH2 CH2 OH
+
MgBrOH
Pokud budeme adovat Grignardovo činidlo (např. butylmagnesiumbromid) na formaldehyd a meziprodukt následně rozložíme vodou, získáme alkohol o jeden uhlík delší, než byl původní organokov. Pozn. Chceme-li uhlíkatý řetězec prodloužit o dva uhlíky, můžeme jako reagent použít oxiran. Vzniklý alkohol lze následně transformovat na potřebnou sloučeninu. U substituovaných oxiranů je potřeba pamatovat na fakt, že při bazickém otevírání kruhu atakující nukleofil vždy napadá méně stericky bráněný atom uhlíku. δCH2 MgBr
O
+
H2C δ+
CH2 δ+
CH2
H2O
CH2CH2 O
CH3CH2CH2CH2CH2CH2OH
MgBr
+ MgBrOH Stejným způsobem lze adicí na obecný aldehyd získat sekundární alkohol a adicí na keton pak alkohol terciární. U adicí na C=O skupinu esterů je situace poněkud složitější.
MgBr O O H3C C δ+ OCH CH 2 3
O
H3C
δ-
+
+
BrMg
CH3
CH3
BrMg
CH3CH2OMgBr
CH3
O
δ-
+
O
H3C
OCH2CH3
HO
H2O
BrMg
+
MgBrOH
Adice na estery probíhá stejným mechanismem jako reakce předchozí. Po adici prvního molu Grignardova činidla je teoreticky možné reakci zpracovat a získat tak keton. Je též možné na vzniklou karbonylovou skupinu adovat další molekulu Grignardova činidla za vzniku terciárního alkoholu. Adice na konjugované systémy Při adicích na konjugované systémy se využívají především kupráty, neboť preferují selektivní 1,4-adici. δ+ δ(CH3CH2CH2)2CuLi
δO
+
δ+ CH2=CH C δ- δ+ OCH CH 2 3
+
O Li CH2CH CH3CH2CH2
+
C
CH3CH2CH2Cu
OCH2CH3
+
O Li CH2CH CH3CH2CH2
C OCH2CH3
OH
H2O
CH2CH CH3CH2CH2
C OCH2CH3
O
OEt
Při adicích alkylkuprátu se vždy použije jen jeden alkyl z činidla a druhý zůstává nevyužitý. Vzniklý meziprodukt po prvním kroku reakce je možné dále alkylovat, nebo rozložit vodou za vzniku, v tomto případě, esteru. Jakým způsobem a jakým činidlem by bylo možné alkylovat vzniklý meziprodukt, tj. lithnou sůl? Ve strukturních elektronových vzorcích napište mechanismus adice propylmagnesiumchloridu na ethyl(methyl)keton. Vzniklý hořečnatý intermediát rozložte vodou. Jak se nazývá produkt reakce? Z jakých výchozích látek byste připravili trifenylmethanol?
Příklady k procvičení
1. Nakreslete následující sloučeniny: a) nejstabilnější konformaci trans-1-chlor-3-isopropylcyklohexanu b) (Z)-2-brombut-2-enovou kyselinu c) propanoyl chlorid d) m-nitrobenzoyl chlorid e) ethyl-3-hydroxy-4-(trifluormethyl)benzoát f) ethyl(vinyl)ether 2. Uveďte systematické názvy následujících sloučenin: Cl Br
H3C
Cl CH3
b
a CH2Br
O
O
CH3
Br
F Br
c
d
Cl
e
3. Nakreslete následující reakce, uveďte, zda budou probíhat mechanismem SN1, SN2, E1 nebo E2 a označte hlavní produkt reakce: a) 1,1-dimethylethanol (terc-butanol) s kyselinou sírovou za zvýšené teploty b) 2-brompentan s hydroxidem draselným za zvýšené teploty c) 1-brom-1-methylcyklohexan s methanolem za laboratorní teploty d) trans-1-jod-3-isopropylcyklohexan s terc-butanolátem draselným v terc-butanolu e) 1-brom-1-deuteroethan s kyanidem draselným v acetonitrilu f) 1-brom-1,1-dimethylethan s vodou za laboratorní teploty 4. Připravte: a) butylmagnesiumbromid z butanolu b) methylcyklopenten z methylcyklopentanolu c) fenylmethanol z benzylbromidu d) butyllithium z brombutanu e) but-2-enovou kyselinu z 2-brombutanové kyseliny f) cyklohexen z cyklohexanolu 5. Vícestupňovou syntézou připravte: a) oxiran (ethylenoxid) z bromethanu b) 1,2-dibrompropan z propan-2-olu c) 3-chlorpropen z propan-2-olu d) butanal z brombutanu e) terc-butyl(methyl)ether z terc-butanolu f) benzylalkohol z toluenu
6. Jak připravíte následující ethery? Vhodně zvolte reagenty a podmínky reakcí. CH3 H3C
O O
CH3
a
CH3 O H3C
CH3
b
c
7. Připravte následující sloučeniny, je-li výchozí látkou propan-2-ol. a) prop-2-ylmagnesiumbromid b) propan-1-ol c) 1,2,3-trichlorpropan d) propyn e) 3-methylbutan-1-ol f) 3-methylbutan-2-on g) lithium-diisopropylkuprát h) ethyl-4-methylpentanoát i) propan-1,2-diol
O
d
