P Ř ÍRODOVĚ DECKÁ FAKULTA

OSTRAVSKÁ UNIVERZITA

PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA

ORGANICKÁ CHEMIE III

ING. RUDOLF PETER, CSC.

OSTRAVA 2004

Na této stránce mohou být základní tirážní údaje o publikaci.

1

OBSAH PŘEDMĚTU

Úvod ........................................................................................................................................... 3 1. Sirné deriváty uhlovodíků .................................................................................................... 5 1.1 Sulfanylderiváty uhlovodíků...........................................................................................6 1.1.1 Chemické vlastnosti sulfanylderivátů uhlovodíků................................................6 1.1.2 Příprava sulfanylderivátů uhlovodíků...................................................................7 1.2 Sulfidy.............................................................................................................................8 1.2.1 Chemické vlastnosti sulfidů..................................................................................8 1.2.2 Příprava sulfidů..................................................................................................10 1.3 Sulfenové, sulfinové a sulfonové kyseliny a jejich deriváty.........................................11 1.3.1 Chemické vlastnosti sulfonových kyselin a jejich derivátů................................12 1.3.2 Příprava sulfonových kyselin a jejich derivátů..................................................14 2. Dusíkaté deriváty uhlovodíků ........................................................................................ ....17 2.1 Nitrosloučeniny.............................................................................................................18 2.1.1 Chemické vlastnosti nitrosloučenin.....................................................................18 2.1.2 Příprava nitrosloučenin........................................................................................22 2.2 Aminy............................................................................................................................24 2.2.1 Chemické vlastnosti aminů..................................................................................24 2.2.2 Příprava aminů.....................................................................................................29 2.3 Diazoniové soli.............................................................................................................32 2.3.1 Příprava diazoniových solí...................................................................................32 2.3.2 Chemické vlastnosti diazoniových solí................................................................33 3. Heterocyklické sloučeniny ................................................................................................. 37 3.1 Chemické vlastnosti heterocyklických sloučenin.........................................................38 3.1.1 Pětičlenné heterocykly........................................................................................40

2 3.1.2 Šestičlenné heterocykly.......................................................................................45 3.2 Příprava heterocyklických sloučenin............................................................................47 3.2.1 Příprava pětičlenných heterocyklů.......................................................................47 3.2.2 Příprava šestičlenných heterocyklů......................................................................48 Řešení úloh............................................................................................................................... 53 Literatura .................................................................................................................................. 55

Úvod

ÚVOD Tento text je určen studentům základního kurzu organické chemie a navazuje na studijní opory ORGANICKÁ CHEMIE I, zabývající uhlovodíky, a ORGANICKÁ CHEMIE II, zabývající se halogenderiváty a kyslíkatými deriváty uhlovodíků, a rozšiřuje znalosti organické chemie o základní typy dusíkatých a sirných derivátů uhlovodíků a základních heterocyklických sloučenin. K úspěšnému zvládnutí probírané látky je dále nutno znát organickou chemii na úrovni učiva pro gymnázia a názvosloví organických sloučenin. V celém textu je důsledně používáno názvosloví IUPAC [1, 2]. Vlastnosti probíraných sloučenin, a následně jejich reaktivita, se opět vyvozují na základě vlastností vazeb mezi jednotlivými atomy, které jsou důsledkem vlastností atomů (hlavně jejich elektronegativity) a charakteru vazeb mezi nimi (vazby π a σ). Nejsou zde postulovány žádné poučky ani pravidla bez jejich řádného vysvětlení. Zvýšený důraz je kladen na logické myšlení, které vede k rozvoji „chemického myšlení“, neboť toto je nutné k pochopení podstaty chemických dějů, bez kterého je úspěšné studium chemických disciplín téměř nemožné. V textu nejsou probírány všechny známé reakce či přípravy látek, neboť to, vzhledem k rozsahu a určení, není ani možné. Jsou zde probírány vlastnosti, které je možno nazvat typické pro základní typy dusíkatých a sirných derivátů uhlovodíků a heterocyklických sloučenin a které určují jejich charakter. Rovněž možnosti příprav dusíkatých a sirných derivátů uhlovodíků a heterocyklických sloučenin se omezují na nejpoužívanější postupy. Prohlubující znalosti však zájemce nalezne v rozsáhlé literatuře zabývající se organickou chemií. V českém jazyce je možno doporučit dvousvazkové dílo „Chemie organických sloučenin“ [3,4]. Jelikož se pro mezinárodní komunikaci v chemii používá téměř výhradně angličtina, je možno v tomto jazyce nalézt téměř nepřeberné množství titulů zabývajících se organickou chemií. Populární jsou například „March’s advanced organic chemistry“ [5], „Organic chemistry” [6] a další.

3

4

Po prostudování textu budete znát: •

Chemické vlastnosti základních typů sirných, dusíkatých a heterocyklických sloučenin;

•

Jejich chování za různých reakčních podmínek;

•

Základní způsoby příprav těchto látek;

•

Jejich aplikační využití v organické chemii.

Budete schopni: •

Vysvětlit chování podmínek;

•

Ze struktury látek odvodit jejich chemické vlastnosti;

•

Připravit základní sirné, dusíkaté a heterocyklické sloučeniny z různých surovin.

těchto

typů

látek

za

různých

reakčních

Získáte: •

Přehled o chování a možnostech přípravy těchto látek;

•

Představu, jak heteroatomy ovlivňují své okolí;

•

Další informace o tom, jaké faktory ovlivňují acidobazické chování látek;

•

Zobecnění pojmu „aromaticita“ (v aplikaci na heterocyklické sloučeniny);

•

Motivaci do dalšího studia organické chemie.

Čas potřebný k prostudování učiva předmětu: 14 hodin

Průvodce studiem. Čeká Vás poslední studijní opora tohoto semestru. V ní se budeme věnovat vlastnostem a přípravě látek, které spadají do skupin: sirné deriváty uhlovodíků, dusíkaté deriváty uhlovodíků a heterocyklické sloučeniny. Již máte něco ze studia organické chemie za sebou a tak nemusím zdůrazňovat, že není důležité se látku naučit zpaměti, nýbrž ji pochopit. Pohodlně se tedy usaďte a vzhůru do studia!

1. Sirné deriváty uhlovodíků

1. SIRNÉ DERIVÁTY UHLOVODÍKŮ

V této kapitole se dozvíte: •

Jaké základní typy sirných derivátů uhlovodíků existují a v čem se vzájemně odlišují;

•

Jaké vlastnosti přinášejí jednotlivé typy sirných funkčních skupin do molekuly;

•

Proč jednotlivé typy sirných derivátů uhlovodíků podléhají daným reakcím;

•

Základní způsoby příprav jednotlivých typů sirných derivátů uhlovodíků.

Budete schopni: •

Předpovědět chování těchto typů látek za různých reakčních podmínek;

•

Vysvětlit vztahy mezi strukturou a vlastnostmi různých sirných derivátů uhlovodíků;

•

Připravit základní typy sirných derivátů uhlovodíků.

Klíčová slova této kapitoly: THIOLY, SULFIDY, SULFONOVÉ KYSELINY, DERIVÁTY.

Čas potřebný k prostudování učiva kapitoly: 4 hodiny

Průvodce studiem. V této kapitole si probereme pouze základní sirné deriváty uhlovodíků – sulfanylderiváty, sulfidy, sulfenové, sulfinové a sulfonové kyseliny a jejich deriváty. Nebudeme se tedy zabývat thiokyselinami a podobnými sloučeninami. U každé skupiny látek si probereme nejprve jejich chemické vlastnosti a reakce, kterým podléhají, a na závěr základní způsoby příprav těchto látek.

5

6

1. Sirné deriváty uhlovodíků 1.1 Sulfanylderiváty uhlovodíků Sulfanylderiváty (dříve merkaptoderiváty) uhlovodíků, mají charakteristickou skupinu –SH a jsou v některých směrech podobné hydroxyderivátům. Proto je budeme v některých případech s hydroxyderiváty porovnávat. 1.1.1

Chemické vlastnosti sulfanylderivátů uhlovodíků

Jako první si všimneme acidobazických vlastností sulfanylderivátů a srovnáme je s vlastnostmi hydroxyderivátů a vody. Z anorganické chemie již víme, že sulfan je kyselejší než voda. Lehce si tento jev můžeme vysvětlit tak, že v molekule sulfanu je na atomu síry menší elektrová hustota, než na atomu kyslíku v molekule vody. Je to způsobeno tím, že na atomu síry má odpovídající orbital větší povrch a tudíž menší elektronovou hustotu na jednotku plochy. A protože, čím je menší elektronová hustota na daném atomu, tím snadněji se z něho odtrhne atom vodíku ve formě protonu. Tuto změnu pozorujeme jako zvýšení kyselosti. Logicky z toho vyplývá, že thioly jsou méně kyselé než sulfan. V případě, kdy je sulfanylová skupina vázána na aromatické jádro, dochází ke konjugaci volného elektronového páru na atomu síry s aromatickým systémem (mezomerní efekt), což způsobí snížení elektronové hustoty na atomu síry a tudíž zvýšení kyselosti. Thiofenoly jsou tedy kyselejší než sulfan. Názorné srovnání kyselostí vody, sulfanu, hydroxyderivátů a sulfanylderivátů uvádí následující schéma Srovnání kyselosti sulfanylderivátů, hydroxyderivátů a vody

R

O H

H O H

O H

<

R

<

H S H

<

S H

S H

Vzhledem k tomu, že sulfanylderiváty jsou kyselejší než voda, je možno připravovat jejich soli ve vodném prostředí, například působením hydroxidů R – SH + NaOH → R – SNa + H2O Zpětně ze solí pak můžeme sulfanylderiváty uvolnit působením roztoku silnější kyseliny R – SNa + H+ → R – SH + Na+


7

Zcela jiné, ve srovnání s hydroxyderiváty, je chování sulfanylderivátů při oxidaci. Zatímco oxidace hydroxyderivátů probíhá na atomu uhlíku (vznikají aldehydy, nebo ketony), oxidace sulfanylderivátů probíhá na atomu síry. Mírnou oxidací (jodem, vzdušným kyslíkem apod.) získáme organické disulfidy, například

+

R SNa

+

SH

R S S R

I2

S

O2

+

Oxidace sulfanylderivátů

NaI

+

S

H2O

Energickou oxidací sulfanylderivátů (například kyselinou dusičnou či manganistanem draselným) dojde k oxidaci atomu síry na nejvyšší oxidační stupeň a vzniknou sulfonové kyseliny R

HNO 3

SH

R

SO 3 H

Meziprodukty této reakce jsou odpovídající sulfenové a sulfinové kyseliny, které však okamžitě přecházejí na sulfonové kyseliny. Pokud budeme pokračovat v analogii mezi hydroxyderiváty a sulfanylderiváty, pak nás jistě napadne esterifikace (reakce karboxylové kyseliny a alkoholu za vzniku esteru). Bohužel, podobně jako v případě fenolů, sylfanylderiváty netvoří reakcí s karboxylovou kyselinou odpovídající thioestery, ale pro jejich vznik je nutno použít silnějších acylačních činidel (acylhalogenidů, nebo anhydridů) O

O R SH

R SH

+

+

R´

R´

Cl

O

O O

+

R´

R S

HCl

Příprava thioesterů

O R´

R S

R´

+

R´

COOH

1.1.2 Příprava sulfanylderivátů uhlovodíků Sulfanylderiváty je možno připravit nejrůznějšími způsoby, zde si však uvedeme jenom několik základních metod. Mezi nejpoužívanější patří alkylace alkalických hydrogensulfidů, například Příprava thiolů alkylací R – Br + NaSH → R – SH + NaBr hydrogensulfidu Jako alkylační činidlo můžeme pochopitelně kromě halogenderivátů použít i jiné typy sloučenin (dialkylsulsáty, estery sulfonových kyselin …).

8

1. Sirné deriváty uhlovodíků Další způsob zavedení sulfanylové skupiny do molekuly spočívá v adici sulfanu na násobnou vazbu Příprava thiolů adicí sulfanu na alken

H3C H 3C

CH2

+

CH3 H 2S

H 3C

CH3 SH

Reakce se provádí za vysokého tlaku a při teplotách 150 – 300 °C, většinou za katalýzy kyselých činidel a je komplikována následnou adicí vzniklého sulfanylderivátu na alken za vzniku odpovídajícího sulfidu. Organohořečnaté sloučeniny reagují s elementární sírou za vzniku hořečnatých tiolátů, které se následně hydrolyzují na thiol Příprava H2O sulfanylderivátů R SH z R MgBr + R SMgBr S organokovových sloučenin I v tomto případě je reakce komplikována vznikem vedlejších produktů, zejména sulfidů. Redukcí je možno připravit sulfanylderiváty z různých surovin. Nejběžnější je redukce disulfidů a sulfonylchloridů působením zinku v kyselém prostředí Příprava sulfanylderivátů redukcí

Zn + HCl

R S S R

Zn + HCl

R SO2Cl

R SH

R SH

Existuje ještě celá řada způsobů příprav sulfanylderivátů, které si zájemci mohou vyhledat v odborné literatuře. 1.2 Sulfidy Sulfidy mají analogickou strukturu jako ethery, jen místo atomu kyslíku obsahují atom síry. Proto budeme i dalším textu někdy obě skupiny látek porovnávat. 1.2.1

Chemické vlastnosti sulfidů

Sulfidy mají, podobně jako ethery na atomu kyslíku, na atomu síry dva volné elektronové páry. Mohou tedy vystupovat jako donory elektronů (zásady) a reagovat s kyselinami za vzniku sulfoniových solí Bazicita sulfidů

R S R

+

H

+

+

R S R H


9

Preparativní význam mají sulfoniové soli vzniklé reakcí sulfidu s alkylačním činidlem, například H

H

H3C

+

C CH3 H2

Br

H3C

H3C S CH3

Využití

C CH3 sulfoniových solí H2 Br

+

S H3C

CH3

Tyto sulfoniové soli se převedou na odpovídající hydroxidy (například působením AgOH), které se tepelně (kolem 200 °C) rozloží H H3C

+

S H3C

H

AgOH H3C

C CH3 H2 Br

S

- AgBr

CH3

C CH3 H2 OH

+

H3C

CH3

H H2C

C CH3 H2

+

+

H3C S CH3

H2O

Jak vidíme, z 2-halogenalkanu vznikl 1-alken, což je důvod, proč má tato reakce poměrně velké preparativní využití (běžnou dehydrohalogenací totiž z 2halogenalkanu vznikne 2-alken). Sulfidy jsou, na rozdíl od etherů, odolné vůči štěpení kyselými činidly. Je však možno je rozštěpit redukčně působením sodíku v kapalném amoniaku C2H5

S

C2H5

+

Na

+

NH 3

C2 H5

+

SNa

NaNH2

+

C2H6

Štěpení sulfidů

Této rekce se někdy využívá i k přípravě sulfanylderivátů. Tříčlenný thiiranový kruh se štěpí velmi snadno (podobně jako oxiranový kruh u etherů). Několik možností uvádí následující schéma

HS C C SH H2 H2 H2S

R2N C C SH Reakce thiiranu H2 H2

X C C SH H2 H2 R2NH HX

RSH RS C C SH H2 H2

H2C CH2 S

ROH

RO C C SH H2 H2

10

1. Sirné deriváty uhlovodíků Poslední reakce, kterou si u sulfidů uvedeme, je jejich oxidace. Zde při porovnání oxidace etherů a sulfidů opět docházíme k obecnému závěru. Kyslíkaté deriváty se oxidují na atomu uhlíku (z etherů vznikají hydroperoxidy), zatímco sirné deriváty na atomu síry. Oxidací sulfidů tak získáme nejprve sulfoxidy, které se snadno dále oxidují na sulfony O

Oxidace sulfidů

+

R S R

R S R

R S R

O

O

K oxidaci se používají běžná oxidační činidla jako peroxid vodíku, manganistan draselný, kyselina dusičná apod. 1.2.2 Alkylace alkalických sulfidů

Přípravy sulfidů

Symetrické sulfidy se běžně připravují alkylací alkalických sulfidů R – Cl + Na2S → R – S – R + NaCl K reakci je možno použít i jiná alkylační činidla, je však nutno je použít v přebytku. V případě jejich nedostatku totiž vznikají příslušné thioláty. Asymetrické sulfidy se připravují analogickou reakcí – alkylací thiolátů,. případně thiofenolátů

Alkylace alkalických sulfanylátů

R SNa

+

Cl

R S R´

R´

+

NaCl

Řešená úloha. Připravte ethylfenylsulfid. Řešení: Ze dvou možností, které nás ihned napadnou, a to alkylace thiofenolátu, nebo thiolátu

1.

2.

SNa

Br

+

+

C CH3 H2

- NaBr

C CH3 H2

NaS C CH3 H2

- NaBr

C CH3 H2

Br

je správně pouze první možnost. Musíme si totiž uvědomit, že atom halogenu je na aromatickém jádře velmi pevně vázán (díky konjugaci volného elektronového páru atomu halogenu s π-elektronovým systémem aromatického jádra) a proto se tyto látky nedají používat jako alkylační činidla.


11

Další obecná příprava sulfidů vychází z organohořečnatých sloučenin, které se nejprve reakcí se sírou převedou na thiolát (thifenolát) hořečnatý, který se následně alkyluje za vzniku sulfidu R´ R MgBr

+

Br

R SMgBr

S

R S R´

+

MgBr2

Příprava sulfidů z organokovových sloučenin

Sulfidy je možno připravovat také z alkenů. Jako výchozí látky můžeme použít buď alken a sulfan

H H3C C CH3

H3C C CH2 + H2S H

H3C C CH2 H

SH

H3C CH3 C S C H CH H3C H 3

Příprava sulfidů z alkenů

nebo alken a thiol

H3C C CH2 H

+

H3C

R SH

C S R H3C H

V obou případech se reakce většinou provádějí za zvýšené teploty. Závěrem si uvedeme ještě jednu metodu přípravy aromatických sulfidů, která využívá aromatickou elektrofilní substituci

+

S2Cl2

AlCl3

S

+

S

+

HCl

Úloha č. 1. Napište reakční mechanismus uvedené rovnice.

1.3. Sulfenové, sulfinové a sulfonové kyseliny a jejich deriváty Všechny tři typy kyselin lze odvodit oxidací sulfanylderivátů uhlovodíků R – SH → R – SOH → R – SO2H → R – SO3H Přímou oxidací však vznikají přímo sulfonové kyseliny, neboť meziprodukty (sulfenové a sulfinové kyseliny) nelze izolovat. Samotné sulfenové kyseliny jsou natolik nestálé, že je známo velmi malé množství látek obsahujících funkční skupinu SOH. Jejich deriváty (halogenidy,

Příprava aromatických sulfidů

12

1. Sirné deriváty uhlovodíků estery, amidy) jsou však stálé a vykazují vlastnosti typické pro dané skupiny látek. Sulfenylchlorid lze připravit oxidací disulfidů chlorem Deriváty sulfenových kyselin

R – S – S – R + Cl2 → R – S – Cl Ze sulfenylchloridů většinou vychází příprava ostatních funkčních derivátů, například R – S – Cl + R´ – OH → R – S – O – R´ + HCl R – S – Cl + NH3 → R – S – NH2 + HCl Sulfinové kyseliny jsou již dostatečně stabilní, aby se daly připravit. Obecným způsobem přípravy je reakce organokovových činidel s oxidem siřičitým za nízkých teplot (- 40 °C)

Příprava sulfinových kyselin

R – MgX + SO2 → R – SO2 – MgX R – SO2 – MgX + H+ → R – SO2 H + Mg2+ + XNejběžnějším způsobem přípravy sulfinových kyselin je však redukce sulfonylchloridů R – SO2Cl + Zn → (R – SO2)2Zn (R – SO2)2Zn + Na2CO3 → R – SO2Na + ZnCO3 R – SO2Na + HCl → R – SO2H + NaCl Sulfinové kyseliny se snadno oxidují na sulfonové kyseliny a díky této vlastnosti se také používají jako redukční činidla. Sulfonové kyseliny a jejich deriváty mají v probírané skupině látek (sulfenové, sulfinové, sulfonové kyseliny a jejich deriváty) největší význam, a proto si jich všimneme podrobněji. 1.3.1 Chemické vlastnosti sulfonových kyselin a jejich derivátů Jak již říká název, sulfonové kyseliny mají kyselé vlastnosti a to velmi silné (asi jako minerální kyseliny). Soli proto tvoří snadno, například neutralizací zásadami R – SO3H + NaOH → R – SO3Na + H2O Sodné soli sulfonových kyselin, které obsahují delší uhlovodíkový řetězec, mají využití jako prací prostředky (saponáty). Z funkčních derivátů sulfonových kyselin si všimneme především sulfonylchloridů, esterů a amidů. Jejich vlastnosti jsou analogické odpovídajícím funkčním derivátům karboxylových kyselin. Chloridy sulfonových kyselin jsou tedy podle očekávání nejreaktivnější a dají se z nich připravit ostatní funkční deriváty. Reakcí s alkoholy nám chloridy dávají estery sulfonových kyselin

Příprava derivátů sulfonových kyselin

R – SO2Cl + R´ – OH → R – SO2 – O – R´ + HCl


13

Do reakční směsi se většinou ještě přidává zásada, která váže vznikající chlorovodík. Reakcí sulfonylchloridů s amoniakem, primárními aminy či sekundárními aminy získáme amidy, N-alkylamindy či N,N-dialkylamidy sulfonových kyselin.

+

R SO2Cl

R SO2Cl

+

R SO2Cl

+

R SO2NH2

NH3

+

HCl

R SO2N R´ H

H2N R´

R´´

R´´ R SO2N

HN R´

R´

+

HCl

+

HCl

Chloridy sulfonových kyselin lze také snadno redukovat. Redukce kovem v kyselém prostředí je jednou z možností přípravy sulfanylderivátů R – SO2Cl + Zn + H+ → R – SH + Zn2+ + H2O Úloha č. 2. Jaká reakce by proběhla, pokud byste do reakční směsi výše uvedené rovnice zapomněli přidat kyselinu? Hydrolýzou chloridů sulfonových kyselin získáme sulfonové kyseliny Hydrolýza sulfonylchloridu

R – SO2Cl + H2O → R – SO3H + HCl Estery sulfonových kyselin mají použití jako dobrá alkylační činidla (účinnější než alkylhalogenidy), například R – SO2 – O – C2H5

Alkylace pomocí esteru sulfonové kyseliny

+ KCl → C2H5Cl + R – SO3K

U amidů a N-alkylamidů sulfonových kyselin je zajímavá jejich kyselost (podobně jako u amidů karboxylových kyselin). Ta je způsobena vlivem skupiny SO2, která silně odčerpává elektronovou hustotu z atomu dusíku a tím zvyšuje kyselost vodíků, které jsou na něm vázány. Působení silné zásady tedy dojde ke vzniku soli amidu H

R SO2

N

R SO2

N R´ H

H

+

+

H2O Kyselost sulfonamidů

+

+

H2O

+

KOH

R SO2N H K

+

KOH

R SO2N R´ K

14

1. Sirné deriváty uhlovodíků Později využijeme tuto vlastnost amidů sulfonových kyselin k přípravě sekundárních aminů s různými alkyly. Úkol k zamyšlení. Dá se připravit didraselná sůl sulfonamidu podle následujícího schématu? N

R SO2

H H

+ KOH - H2O

+ KOH

+

R SO2N H K

R SO2NK2

- H2O

1.3.2 Příprava sulfonových kyselin a jejich derivátů Obecně lze sulfonové kyseliny připravit oxidací odpovídajících sulfanylderivátů silnými oxidačními činidly, například Příprava oxidací sulfanylderivátů

R

SH

HNO3

R

S O 3H

Obecný způsob přípravy alifatických sulfonových kyselin vychází z alkylace alkalických siřičitanů +

Příprava O Na alkylací O S siřičitanů O + Na

O

Br

+

CH2 R

- NaBr

O S C R H2 O Na

+

H+ - Na+

O O S C R H2 O +

H

Úkol k zamyšlení. Proč probíhá alkylace siřičitanů na atomu síry, kde je jenom jeden volný elektronový pár, a ne na některém z atomů kyslíku, které mají celkem osm volných elektronových párů? Aromatické sulfonové kyseliny tímto způsobem nelze připravit (aromatické halogenderiváty nefungují jako alkylační činidla), ale jejich přípravu bychom již měli znát. Stačí si vzpomenout na sulfonaci, kterou jsme podrobně probrali v kapitole o aromatické elektrofilní substituci (Organická chemie I). Sulfonací 1,3-dimethylbenzenu kyselinou sírovou tak získáme 2,4dimethylbenzensulfonovou kyselinu


15 CH3

CH3

Příprava sulfonací

H2SO4 CH3

CH3

- H2O SO3H

Pokud si vzpomeneme, že sulfonace je reakce vratná, pak se nebudeme divit, že zahříváním se zředěnou kyselinou sírovou lze sulfoskupinu „odhydrolyzovat“, například

CH3

CH3

Desulfonace

H2O/H+ CH3

- H2SO4

CH3

SO3H Tento postup (sulfonace – desulfonace) se využívá v organické syntéze k „chránění“ dané polohy před nežádoucí substitucí. Z funkčních derivátů sulfonových kyselin si individuálně všimneme pouze přípravy sulfonylchloridů, neboť základní přípravy esterů a amidů sulfonových kyselin jsme probrali v rámci chemických vlastností právě u sulfonylchloridů. Jeden obecný způsob přípravy sulfonylchloridů vás jistě napadne, pokud si uvědomíte, že skupinu OH lze snadno nahradit atomem chloru například působením PCl5 Příprava sulfonylchloridů

R – SO2 – OH + PCl5 → R – SO2 – Cl + POCl3 + HCl Snadnější je však příprava vycházející ze solí sulfonových kyselin R – SO2 – ONa + PCl5 → R – SO2 – Cl + POCl3 + NaCl V průmyslu se sulfonylchloridy připravují působením UV záření na směs alkanů, oxidu siřičitého a chloru. Jde o fotochemickou reakci zvanou sulfochlorace R – H + SO2 + Cl2 → R - SO2Cl + HCl Aromatické sulfonylchloridy se často připravují z aromatických uhlovodíků a kyseliny chlorsulfonové

HOSO2Cl

Tato reakce se nazývá chlorsulfonace.

SO2Cl

+

H2SO4

+

HCl

16


Shrnutí kapitoly. Sulfanylderiváty vykazují vyšší kyselost, než odpovídající hydroxyderiváty. Oxidace sirných derivátů probíhá na atomu síry (u kyslíkatých derivátů probíhá na atomu uhlíku). Sulfidy jsou odolnější vůči štěpení než ethery, vytvářejí však snadněji sulfoniové soli. Na alifatický řetězec je možno vnést sulfoskupina alkylací siřičitanu, na aromatický kruh sulfonací aromatické sloučeniny. Sulfonace je vratná, je tedy možná desulfonace aromatických sulfonových kyselin. Chloridy, estery a amidy sulfonových kyselin je možno připravit analogicky jako odpovídající funkční deriváty karboxylových kyselin.

Otázky. 1. Proč jsou thiofenoly kyselejší než thioly? 2. Které látky mohou vzniknout oxidací sulfanylderivátů? 3. Jak probíhá oxidace sulfidů 4. Dokážete připravit různými způsoby sulfanylderiváty, sulfidy a sulfonové kyseliny včetně jejich derivátů?

Korespondenční úkol. Porovnejte snadnost štěpení etherů a sulfidů. Porovnejte možnosti oxidace sulfanylderivátů a sulfidů s oxidací alkoholů a etherů.

2. Dusíkaté deriváty uhlovodíků

17

2. DUSÍKATÉ DERIVÁTY UHLOVODÍKŮ


Které látky patří mezi nejdůležitější uhlovodíků a jaká je jejich struktura;

•

Jak jednotlivé dusíkaté funkční skupiny ovlivňují chování látek;

•

Jakým reakcím a za jakých podmínek tyto deriváty uhlovodíků podléhají;

•

Jak se dají připravit.

základní

typy

dusíkatých

dusíkaté

derivátů

deriváty

uhlovodíků

Budete schopni: •

Vysvětlit vlastnosti různých dusíkatých derivátů uhlovodíků na základě jejich chemické struktury;

•

Předpovědět chování těchto látek za různých podmínek;

•

Navrhnout různé způsoby příprav základních typů dusíkatých derivátů uhlovodíků.

Klíčová slova této kapitoly: NITROSLOUČENINY, AMINY, DIAZONIOVÉ SOLI.

Čas potřebný k prostudování učiva kapitoly: 5 hodin

Průvodce studiem. Jako dusíkaté deriváty uhlovodíků budeme v této kapitole chápat sloučeniny s vazbou uhlík – uhlík, které nepatří mezi funkční deriváty například karboxylových kyselin.Protože i po tomto omezení zbývá poměrně hodně látek, tak se soustředíme pouze na ty nejdůležitější – nitrosloučeniny, aminy a diazoniové soli. U těchto látek si podrobně probereme jejich vlastnosti za různých reakčních podmínek i možnosti jejich příprav.

18

2. Dusíkaté deriváty uhlovodíků 2.1 Nitrosloučeniny Nitrosloučeniny obsahují charakteristickou skupinu NO2, která velmi silně odčerpává elektronovou hustotu ze svého okolí a tím ovlivňuje jeho reaktivitu. Samotná nitroskupina má poměrně silné oxidační schopnosti, což je nutno brát v úvahu při manipulaci s nimi, neboť může hrozit nebezpečí výbuchu. Schopnosti redukce nitroskupiny se rovněž využívá pro přípravu různých typů dusíkatých sloučenin. 2.1.1 Chemické vlastnosti nitrosloučenin Jak již bylo řečeno, nitroskupina silně odčerpává elektronovou hustotu ze svého okolí a tím ovlivňuje jeho reaktivitu. Názorně to vyplývá ze zjednodušené struktury nitroskupiny (a), ze které je zřejmé, že na své okolí působí záporným indukčním efektem –I a, pokud je dvojná vazba N = O v konjugaci s jiným πelektronovým systémem, také záporným mezomerním efektem –M. Struktura nitroskupiny

O

O 1/2-

+

+

N

N

O

O 1/2-

a

b

Ve skutečnosti je však, díky konjugaci dvojné vazby a volného elektronového páru, elektronová hustota na obou atomech kyslíku nitroskupiny stejná (struktura b). Je-li vázána na aromatické jádro, orientuje vstup druhého substituentu do polohy 3 (meta) vzhledem k nitroskupině.

O

Interakce nitroskupiny s π-elektrony aromatického jádra

O

+

N

δ−

δ−

Je-li nitroskupina vázána na uhlík (primární, nebo sekundární) nesoucí atom vodíku, pak kyselost tohoto vodíku zvýší natolik, že je odštěpitelný již působením alkalického hydroxidu


R CH

+

CH

R H

+

N

+

O

R C N H O

O

H

R

O

O

R

N

O

R

+

O

N

+

H

NaOH - H2O

+

H O

NaOH - H2O

19

+

O

R C N H O

R R

+

O

N

O

+

Na

Kyselost alifatických nitrosloučenin

+

Na

Výše uvedené nitrosloučeniny mají tedy kyselé vlastnosti. Je-li však nitroskupina vázána na terciární uhlík, pak acidobazické vlastnosti látky prakticky neovlivní. Působením silných redukčních činidel se nitroskupina převádí na skupinu amino Redukce nitrosloučenin

R – NO2 → R – NH2 Toto schéma však neplatí obecně. Další možnosti redukce nitrosloučenin si uvedeme na příkladu redukce aromatických nitrosloučenin, které mají v praxi největší význam. Provádíme-li redukci nitrobenzenu zinkem ve vodném roztoku chloridu amonného, pak je produktem reakce fenylhydroxylamin Zn/NH4Cl NO2

N O

N OH H

Provádíme-li redukci stejné látky v alkalickém prostředí, pak dojde ke kondenzaci nitrosobenzenu s fenylhydroxylaminem a následné redukci vzniklé látky až na N,N´-difenylhydrazin (hydrazobenzen) Zn/NaOH N OH H

N O

NO2

N O +

N N O

(- H2O) N N H H

N N

20

2. Dusíkaté deriváty uhlovodíků Redukcí kovem v kyselině proběhne reakce až do stadia aminu Fe/HCl NH2

NO2

Průmyslově se tato redukce provádí v plynné fázi vodíkem na heterogenním katalyzátoru (na bázi mědi) za zvýšené teploty a tlaku. Důležité jsou i meziprodukty výše uvedených reakcí (nitrosobenzen, azoxybenzen, azobenzen). Tyto látky se přímou redukcí nitrobenzenu připravují obtížně, a proto se většinou připravují jiným způsobem. Nitrosobenzen získáme snadno oxidací fenylhydroxylaminu alkalickým dichromanem v kyselém prostředí za chladu Příprava nitrososloučenin

N OH H

Cr2O72-/H+

N O

Analogicky je možno získat azobenzen oxidací hydrazobenzenu Cr2O72-/H+

N N H H

N N

Azoxybenzen se získává kondenzací nitrosobenzenu a fenylhydroxylaminu v alkalickém prostředí Příprava azoxysloučenin

N OH H

+

+

N O

N N

(- H2O)

O

Nitroskupina, vázaná na aromatickém jádře, nám rovněž umožňuje nukleofilní substituci, pokud je daný substituent v poloze 2 nebo 4 (ortho nebo para). Připomeňme si, že například náhrada atomu chloru za hydroxylovou skupinu v molekule chlorbenzenu probíhá působením roztoku hydroxidu sodného za drastických podmínek (teplota přes 300 °C, vysoký tlak). V tomto případě však nejde o substituci, ale o eliminačně adiční mechanismus Cl

OH

NaOH

H2O

- NaCl - H2O Je-li však na aromatickém jádře ještě skupina nitro v poloze 2 nebo 4 (vzhledem k atomu chloru), probíhá reakce mechanismem nukleofilní substituce při teplotě kole 130 °C


Cl

HO

Cl

21

O

OH

+

N O

OH-

NO2

- Cl-

Vyjdeme-li z 2,4-dinitrochlorbenzenu, pak stačí pro nukleofilní substituci pouhý var s vodou

Cl

OH NO2 H O 2

NO2

- HCl NO2

NO2

Hydrolýza 2,4,6-trinitrochlorbenzenu probíhá již za laboratorní teploty Cl O2N

OH NO2

H2O

O2N

NO2

- HCl NO2

NO2

Atom vodíku hydroxylové skupiny má díky působení tří nitroskupin tak kyselé vlastnosti, že 2,4,6-trinitrofenol má triviální název kyselina pikrová. Jak jste si jistě všimli, nitroskupina nám umožňuje nukleofilní substituci halogenu na aromatickém jádře. Všimněme si ještě vlivu použitého halogenu. U alifatických halogenderivátů jsou nejreaktivnější alkyljodidy a nejméně reaktivní alkylfluoridy. V případě nukleofilní substituce halogenu na aromatickém jádře je však pořadí reaktivity přesně opačné. Fluorderiváty jsou nejreaktivnější, pak následují s velkým odstupem chlorderiváty, bromderiváty a jodderiváty R – F >> R – Cl > R - Br > R – I Některé možnosti využití aromatické nukleofilní substituce uvádí následující reakční schéma

Nukleofilní substituce v aromatické řadě

22


Možnosti využití aromatické nukleofilní substituce

O2N

S S

NH2

NO2

NO2

NO2

O2N O2N

Na2S2

S

NO2

NH3

OC2H5 NO2

NO2 O2N

Na2S

Cl

NO2

NO2

C2H5ONa

SH

NaSH

NO2

NO2 NO2

NO2

2.1.2 Příprava nitrosloučenin

Příprava alifatických nitrosloučenin

Způsob přípravy nitrosloučenin je závislý na skutečnosti, zda chceme nitroskupinu navázat na aromatický či alifatický uhlík. V případě přípravy alifatických nitrosloučenin je nejběžnější alkylace alkalických dusitanů +

O Na O N

O

Br CH2

+

R

+

- NaBr

O N C R H2

Úloha č. 3. Prakticky žádná reakce v organické chemii neprobíhá na 100 %. Co bude hlavním vedlejším produktem při alkylaci dusitanů?

Radikálová nitrace alkanů

Přímá nitrace alkanů kyselinou dusičnou dává dobré výtěžky pouze v případě methanu. Ten je možno radikálově nitrovat za vysokého tlaku a za teploty kolem 400 °C za vzniku nitromethanu CH4 +

HNO3 → CH3NO2 + H2O

V případě nitrace vyšších alkanů vzniká směs nitroalkanů včetně produktů štěpení uhlovodíkového řetězce. Jednou z mála vyjímek je nitrace cyklohexanu 33 % kyselinou dusičnou při teplotě 110 °C NO2

+

HNO3

+

H2O

Aromatické nitrosloučeniny se připravují reakcí, kterou již známe. Je to nitrace a probíhá mechanismem aromatické elektrofilní substituce. Na aromatický


23

uhlovodík se působí směsí kyseliny dusičné a kyseliny sírové za vzniku nitrosloučeniny

+

H2SO4

HNO3

+

NO2

Příprava aromatických H2O nitrosloučenin

Protože nitroskupina odčerpává ze systému elektronovou hustotu, orientuje vstup druhé nitroskupiny do polohy 3 (meta)

+

H2SO4

HNO3

O2N

+

NO2

H2O

O2N

Jelikož nitroskupiny odčerpáváním elektronových hustot desaktivují aromatické jádro pro elektrofilní substituci, třetí nitroskupinu již není možno nitrací na jádro navázat (s dalším vzrůstem teploty již převažují oxidační schopnosti kyseliny dusičné). Je-li na jádře substituent zvyšující elektronovou hustotu (například alkyl), pak je možno vést nitraci až do třetího stupně. nitrací toluenu se tak připravuje 2,4,6-trinitrotoluen, který je důležitou výbušninou HNO3 / H2SO4

H3C

+

H3C

H3C

NO2

- H2O O2N

HNO3 / H2SO4

O2N

HNO3 / H2SO4 H3C

NO2

- H2O

H3C

- H2O

NO2

O2N

O2N

Při nitraci naftalenu vzniká v prvním stupni 1-nitronaftalen a při nitraci do druhého stupně pak směs 1,5-dinitronaftalenu a 1,8-dinitronaftalenu NO2

HNO3 / H2SO4 - H2O NO2

HNO3 / H2SO4

NO2 NO2

+

- H2O NO2

Nitrace naftalenu

24

2. Dusíkaté deriváty uhlovodíků 2.2 Aminy Aminy je možno odvodit od amoniaku náhradou jednoho až tří atomů vodíku alkyly. Tak získáme tři skupiny aminů – primární, sekundární a terciární, které se od sebe liší jak některými svými vlastnostmi, tak způsoby přípravy. 2.2.1 Chemické vlastnosti aminů Nejprve si opět všimneme acidobazických vlastností aminů. Porovnáme-li elektronové hustoty na atomu dusíku u amoniaku, primárního, sekundárního a terciárního aminu, zjistíme, že vlivem indukčního efektu uhlovodíkových zbytků elektronová hustota na atomu dusíku roste s počtem navázaných „alkylů“

Bazicita aminů

NH3

<

R

NH2

R

<

NH

<

R

R´´

N R´

R´

Znamená to, že ve stejném pořadí také stoupá zásaditost aminů (zásada = donor elektronů). Tomto pořadí však beze zbytku platí v aprotických rozpouštědlech. Například ve vodném prostředí však můžeme naměřit větší bazicitu sekundárních aminů než terciárních. Znamená to, že rozpouštědlo (voda) může takto zásadně ovlivnit elektronové hustoty na atomu dusíku? Jistě že ne! Zjednodušeně si můžeme tento jen vysvětlit následovně. V protických rozpouštědlech (voda apod.) se předpokládá existence aktivní částice H+. Ve většině případů nám tato aproximace zcela vyhovuje. Musíme si ale uvědomit, že částice H+ je vlastně proton a ta nemůže v daném prostředí existovat v nesolvatovaném stavu. A právě solvatace způsobí, že se ion H+ pohybuje i se svým solvatačním obalem, a z toho pak plynou i sterické problémy. Snáze se totiž přiblíží k volném elektronovému páru atomu dusíku sekundárního aminu, než k volném elektronovému páru atomu dusíku terciárního aminu, kde mu brání v pohybu tři uhlovodíkové řetězce. Výše uvedené skutečnosti svádí k představě, že aminy jsou vždy zásaditější, než amoniak. Nesmíme však zapomínat, že také může přijít ke slovu mezomerní efekt, který je většinou podstatně silnější, než efekt indukční. A to je případ například aromatických aminů. Mezomerním efektem je totiž odčerpána část elektronové hustoty z atomu dusíku do konjugace s aromatickým jádrem a tím dojde k poklesu bazicity. Proto je například anilin méně zásaditý, než amoniak

NH2

<

NH3

Jelikož jsou aminy zásadité, tak pochopitelně vytvářejí soli s kyselinami (podobně jako amoniak). Vznikají tak amoniové soli, například Vznik amoniových solí

H3C C NH2 H2

+

HCl

+

H3C C NH3 Cl H2


25

Velmi zajímavé jsou reakce aminů s kyselinou dusitou. Pokud není přítomna žádná silná kyselina, pak vznikají odpovídající amoniové soli (dusitany)

+

H3C C NH2 H2

+

HNO2

H3C C NH3 NO2H2

V přítomnosti silné kyseliny se však průběh reakce radikálně změní. Kyselina dusitá se působením této kyseliny rozpadne za vzniku vody a nitrosylového kationtu NO+ HNO2 + H+ → H2O + NO+ Vzniklý nitrosylový kation pak atakuje molekulu aminu. V případě primárních alifatických aminů následuje sled reakcí H

+

H3C C C NH2 H2 H2

+

H3 C C C N N O H2 H2 H

NO+

- H+

H

Reakce primárních aminů s kyselinou dusitou

H+

H3 C C C N N O H2 H2

H3C C C N N OH H2 H2

H +

H3C C C N N O H H2 H2

+

- H2O

H3 C C C N N H2 H2 +

+

+ H2O - H+

H3C C CH3 H

H3C C CH2 H2

- H+

- H+

+ H2O - H+

H3C CH CH3

H3C C CH2 H

H3C C CH2OH H2

- N2

OH

Jak je vidět, touto reakcí vzniká několik produktů a je proto pro preparativní využití nevhodná. Preparativně se však využívá reakce primárního aromatického aminu s kyselinou dusitou v přítomnosti silné kyseliny. Opět nejprve vznikne nitrosylový kation, který se naváže na atom dusíku. V tomto případě však přeměny skončí ve stadiu diazoniové soli NH2

+

NO+

+

N N

+

Reakce H2O primárních aminů s kyselinou dusitou

Zvýšená stabilita aromatických diazoniových solí je způsobena konjugací trojné vazby dusík – dusík s aromatickým jádrem. Řešená úloha. Co vznikne reakcí 1,2-diaminobenzenu s kyselinou dusitou v prostředí silné kyseliny? Napište reakční mechanismus.

26

2. Dusíkaté deriváty uhlovodíků Řešení: Pokud si uvědomíme, že všechny reakce probíhají postupně (je velmi nepravděpodobné současné napadení obou aminoskupin nitrosylovým kationtem), pak dospějeme k následujícímu řešení NH2

NO+

NH2

- H+

H N

H N

N O NH2

N - H2O

N

Důvodem vzniku benzotriazolu je skutečnost, že vznikne energeticky výhodný aromatický systém.

Působíme-li kyselinou dusitou na sekundární amin v přítomnosti silné kyseliny, pak se výše uvedené rekce zastaví ve stadiu nitrosaminu, například Reakce sekundárních aminů s kyselinou dusitou

H3C

H3C

N

NH

+

NO

+

NO+

H+

Terciární aminy ve smyslu výše uvedených reakcí nereagují, avšak působíme-li kyselinou dusitou v prostředí silné minerální kyseliny na terciární amin s aromatickým jádrem, dojde k aromatické elektrofilní substituci (nitrosaci), například Reakce terciárních aminů s kyselinou dusitou

H3C N

H3C

CH3

N

+

CH3

+

NO+

H+

NO Úkol k zamyšlení. Co způsobuje, že uvedená reakce probíhá již při teplotách kolem 5 °C, zatímco běžně je pro elektrofilní substituci zapotřebí teploty podstatně vyšší? Reakcí primárních (sekundárních) aminů s acylačními činidly (acylhalogenidy, anhydridy a estery karboxylovývh kyselin) vznikají N-alkylamidy (NNdialkylamidy) karboxylových kyselin


R NH2

+

O

R´

R´

Cl

27

O

+

HCl

N R H Všechny aminy (primární, sekundární i terciární) dávají reakcí s alkylačními činidly amoniové soli (sekundární, terciární i kvarterní), například

H3C NH2

H3C NH CH3

+

+

CH3Br

+

Reakce aminů s acylačními činidly

H3C N CH3 Br H2

Reakce aminů s alkylačními činidly

H + H3C N CH3 Br

CH3Br

CH3 CH3 H3C N CH3

+

CH3Br

+

H3C N CH3 Br CH3

CH3

Amoniové soli jsou také mezistupněm přípravy 1-alkenů z 2-halogenderivátů. Nejprve se 2-halogenderivát podrobí reakci s trimethylaminem, následně se anion vzniklé amoniové soli vymění působením hydroxidu stříbrného za skupinu OH-. Kvarterní amoniový hydroxid se nakonec tepelně rozloží na trimethyl amin a 1alken H H3C C C CH3 H2 Br AgOH - AgBr

+

H H3C C C CH3 H2 + N CH3 Br H3C CH3

H3C N CH3 CH3

H H3C C C CH3 H2 + N CH3 OH H3C CH3

T - H2O

H3C C C CH2 H2 H

+

Využití vlastností kvarterních amoniových solí

H3C N CH3 CH3

Důvodem, proč vzniká přednostně 1-alken je skutečnost, že vodík v methylové skupině je kyselejší (a tedy snadněji odtěpitelný ve formě protonu), než vodík ve skupině methylenové. Další skupinou reakcí, kterým aminy podléhají, je oxidace. Tato oblast chování aminů nebývá v učebnicích příliš zmiňována, neboť může vznikat široká škála produktů v závislosti na typu aminu, oxidačního činidla a reakčních podmínek. Hlavním důvodem, proč se budeme touto tématikou zabývat, je skutečnost, že studenti často považují aminy za výhodnou surovinu pro přípravu nitrosloučenin podle schématu oxidace R NH2 R NO2 Jak následně uvidíme, tento způsob přípravy nitrosloučenin není zdaleka obecný. Oxidace aminů probíhá tímto způsobem jen v několika případech.

28


Pro pochopení mechanismu oxidace aminů je dobré si rozdělit používaná oxidační činidla do dvou skupin: Oxidace aminů 1. neperoxidická oxidační činidla (manganistan, dichromany apod.) 2. peroxidická oxidační činidla (například organické peroxokyseliny) Všimněme si nejprve oxidace aminů neperoxidickými oxidačními činidly (například manganistan draselný). Přednostně zde dochází k oxidaci na atomu uhlíku, který je vázán na dusík aminoskupiny. Pokud je tento uhlík primární, probíhá oxidace dle následujícího schématu oxidace

R C NH2 H2

OH R C NH2 H

H2O - NH3

- H2O

oxidace

R C O H

R C NH H

R

O OH

Je-li amin sekundární, či terciární a uhlíky vázané na atom dusíku aminoskupiny jsou primární, pak oxidace probíhá analogicky, například oxidace

R C N CH3 H2 H

- NH3 R

R C O H

O OH

+

+

H2C O

+

CO2

oxidace

H2O

Je-li na atom dusíku aminoskupiny vázán na sekundární uhlík, pak se oxidace příslušného řetězce zastaví ve stadiu ketonu R

C NH2 R H

oxidace

R

- NH3

R

O

V případě, že je atom dusíku aminoskupiny vázán na terciární uhlík, pak proběhne oxidace na atomu dusíku aminoskupiny za vzniku nitrosloučeniny

R R

NH2

oxidace - NH3

R R

NO2

R R Oxidace peroxidickými oxidačními mechanismy však probíhá naprosto odlišným mechanismem. Nejprve dojde působením peroxokyseliny na volný elektronový pár atomu dusíku v aminu ke vzniku N-oxidu

2. Dusíkaté deriváty uhlovodíků R R N R

+

R

O

H

+

O

H O

+

R N O

R

O

29

R

O

R

V případě terciárního aminu je N-oxid konečným produktem reakce. U sekundárního aminu však dojde k přesmyku prvotně vzniklého N-oxidu na N,Ndialkylhydroxylamin H

H

RCOOOH

+

R N R

R N OH

R N O - RCOOH

R

R

Z primárních aminů je možno oxidací organickými peroxokyselinami připravit nitrososloučeniny

R

NH2

RCOOOH

H R

- RCOOH

+

N O

R

H

+

N OH

- RCOOH

H

O R

RCOOOH

N OH

R

N

H

OH OH

R

N O

- H 2O

Vzniklou nitrososloučeninu je možno další oxidací převést až na nitrosloučeninu R N O

RCOOOH

+

R N O - RCOOH

O

Jak vidíte, oxidace aminů není zdaleka tak jednoduchou záležitostí, jak by se na první pohled zdálo. A to jsme si uvedli pouze několik typických reakcí. V závislosti na typu aminu, oxidačního činidla a reakčních podmínek však mohou vzniknout i jiné reakční produkty. 2.2.2

Příprava aminů

Univerzální metodou přípravy aminů je redukční aminace. Je to reakce karbonylové sloučeniny a aminu v redukčním prostředí, které v průmyslové aplikaci zajišťuje vodík na vhodném katalyzátoru R3 R1 R3 Redukční aminace H2/katalyzátor R1 H N O C N + R4 R2 R2 H R4 - H2O V laboratoři se pro analogické reakce používá jako redukční činidlo kyselina mravenčí

30


R1

+

O R2

R3

HCOOH

R4

- H2O, - CO2

H N

R3 C N R2 H R4 R1

Dále je možno připravit všechny tři typy aminů redukcí příslušných amidů karboxylových kyselin. Redukce se provádí buď vodíkem na katalyzátoru za zvýšené teploty tlaku (například pro katalyzátor na bázi oxidů mědi a chromu jsou podmínky teplota 250 °C a tlak 30 MPa). Z amidů karboxylových kyselin tak vzniknou primární aminy, z N-alkylamidů sekundární aminy a z N,Ndialkylamidů terciární aminy Redukce amidů karboxylových kyselin

O

redukce

R NH2

O

redukce

R N R´ H

O

redukce

R N R´

R C NH2 H2

R C N R´ H2 H

R C N R´ H2 R´´

R´´ Úloha č. 4. Připravte diethylisopropylamin. Primární aminy je dále možno připravit redukcí nitrilů, nebo oximů Redukce nitrilů a oximů

LiAlH4 CN

H3C C C NOH H2 H

Na/C2H5OH

C NH2 H2

H3C C C NH2 H2 H2

H2/Ni NOH

NH2


31

Metodou jak připravit primární amin o jeden uhlík kratší, než má výchozí sloučenina, je odbourávání amidů karboxylových kyselin. Provádí se například působením alkalického bromnanu na amid za zvýšené teploty O

O

NaBrO

R NH2

R

- NaOH

O

OH-

N Br H

- H2O

R N

O

N Br

NaOH/H2O

O R

R NH2

- NaHCO3

N

Odbourávání amidů

R

Pro přípravu jednotlivých typů aminů byly vyvinuty různé metody. Uvedeme si vždy jeden příklad pro přípravu určitého typu aminů. Protože prostou alkylací aminů získáme směs všech typů aminů včetně amoniových solí (uhlovodíkový řetězec vázaný na atomu dusíku na něm zvyšuje elektronovou hustotu, a tím usnadňuje další alkylaci), musíme využívat jako výchozí látky sloučeniny, které neumožní nadměrnou alkylaci na atomu dusíku. Primární aminy se tak připravují z ftalimidu, na jehož atom dusíku je možno navázat pouze jeden uhlovodíkový řetězec. Prvním krokem syntézy je příprava alkalické soli ftalimidu, která je následně alkylována. Vzniklý N-alkylftalimid se nakonec rozloží (vodou, hydrazinem apod.) za vzniku primárního aminu. CO NH CO

CO NK CO

KOH - H2O

CO N R CO

Příprava primárních aminů

R - Br - KBr

H2O/H+

COOH

+

R NH2

COOH

Při přípravě sekundárních aminů musíme rozlišit zda chceme získat aminy se stejnými, či s různými uhlovodíkovými zbytky. V případě stejných uhlovodíkových zbytků je jednou z možností přípravy alkylace kyanamidu sodného a následná hydrolýza vzniklého produktu, například

H3C C Br H2

+

H2 H3C C

Na2N - CN

H2 H3C C H3C C H2

NH

N CN

H3C C H2

+

NH3

+

CO2

Příprava H2O/H+ sekundárních aminů

32

2. Dusíkaté deriváty uhlovodíků Aminy s různými uhlovodíkovými zbytky je možno získat alkylací Nalkylsulfonamidů a následnou hydrolýzou vzniklého N,N-dialkylamidu, například SO2N CH3 H

C2H5Br + NaOH

SO2N CH3

- NaBr, - H2O SO3H

C2H5

+

H3C C N CH3 H2 H

Všechny syntézy aminů, které využívají alkylaci dusíkatých derivátů, nelze použít pro přípravu aromatických aminů. Výchozí látkou pro přípravu aromatických aminů jsou většinou snadno dostupné aromatické nitrosloučeniny. Aminy se z nich připravují redukcí, například kovem v kyselém prostředí Příprava aromatických aminů

NO2

Fe/H+ NH2

Snadno dostupné naftoly je možno převést na aminy působením amoniaku v přítomnosti siřičitanu amonného za zvýšené teploty a tlaku OH

+

NH3

(NH4)2SO3

NH2

+

H2O

2.3 Diazoniové soli Diazoniové soli jsou relativně stálé pouze v aromatické řadě, neboť diazoniovou skupinu „drží“ na aromatickém jádře konjugace trojné vazby s π-elektronovým systémem aromatického jádra. 2.3.1 Příprava diazoniových solí Nejdůležitějším způsobem získávání diazoniových solí je reakce zvaná diazotace. Spočívá v reakci primárního aromatického aminu s kyselinou dusitou v přítomnosti silné kyseliny za nízké teploty (0 – 5 °C). Kyselina dusitá se získává v průběhu reakce působením silné kyseliny na alkalický dusitan NaNO2 + HCl →

HNO2 + NaCl

následným působením silné kyseliny na kyselinu dusitou vznikne nitrosylový kation HNO2 + H+ → NO+ + H2O Vzniklý nitrosylový kation pak atakuje aromatický amin za vzniku diazoniové soli


33

H NH2

+

Příprava diazoniových solí

+

NO+

N N O - H+

H

H+ N N OH

N N O H

+

+

N N

N N O H

- H2O H Důvodem zvýšené stability aromatických diazoniových solí (ve srovnání s alifatickými diazoniovými solemi, které se ihned po svém vzniku rozkládají) je konjugace násobné vazby dusík – dusík s π-elektronovým systémem aromatického jádra.

2.3.2 Chemické vlastnosti diazoniových solí Diazoniové soli již mírným zahřátím ztrácejí molekulu dusíku a umožňují tak nukleofilní substituci na aromatickém jádře. Zjednodušeně je možno tento děj si znázornit takto +

+

N N

C

- N2 Vzniklý kladný náboj na atomu uhlíku pak umožní aromatickou nukleofilní substituci. Snadná je záměna diazoniové skupiny za atom jodu či skupinu azidovou KI Příklady + + substituce I K N N + diazoniové - N2 skupiny +

NaN3

+

N N

N N N

- N2

+

Na+

Většinou však zamýšlenou substituci komplikuje atak jiné nukleofilní částice (vody či aniontu diazoniové soli). Chceme-li tímto způsobem připravit fenoly, musíme jako anion diazonivé soli použít ten, který má výrazně menší nukleofilitu než voda (například hydrogensíranový anion) +

N N

HSO4-

H2O - N2

OH

+

H2SO4

V případě přípravy bromderivátů a chlorderivátů je možno použít měďných solí, které katalyzují substituci diazoniové soli za halogen

34

2. Dusíkaté deriváty uhlovodíků CuCl

+

N N

Cl

- N2 +

CuBr

N N

Br

- N2 Měďných solí je možno využít i při syntéze nitrilů a thiokyanátů CuCN + N N CN - N2 CuSCN

+

N N

S CN

- N2 Uvedené reakce s měďnými solemi je možno provádět i za použití směsi alkalické soli a práškové mědi. Výhodný je tento postup v případech, kdy nelze měďné soli připravit (například má anion oxidační vlastnosti), případně při reakcích s plyny. Je tak možno například připravit isokyanáty, nitrosloučeniny, či sulfinové kyseliny Cu + KCNO + N CO N N

Cu + KNO2

+

N N

NO2

Cu + SO2

+

SO2H

N N

Řešená úloha. Proč při reakci diazoniové soli s thiokyanatanem vznikne vazba uhlík – síra, zatímco při reakci diazoniové soli s kyanatanem vznikne vazba uhlík – dusík? Řešení: Porovnáme-li thiokyanatanový a kyanatanový anion

(

S

N

)-

(

O

N

)-

pak zjistíme, že v obou případech jsou na koncích aniontů atomy, které nesou volný elektronový pár. A protože elektronegativita je schopnost atomu přitahovat elektrony, tak v případě thiokyanatanu vznikne vazba k atomu síry (síra má menší


35

elektronegativitu než dusík) a v případě kyanatanu vznikne vazba k atomu dusíku (dusík má menší elektronegativitu než kyslík). Fluorderiváty je možno připravit zahříváním diazoniumfluoridů v inertní atmosféře +

F

N N F

- N2 Diazoniovou skupinu je možno z aromatického jádra i odredukovat, například působením kyseliny fosforné H3PO2 +

N N

- N2

Jak je z výše uvedených reakcí vidět, diazoniové soli nám umožňují snadné zavádění různých funkčních skupin na aromatické jádro. Není to však jediný způsob využití diazoniových solí. Úloha č. 5. Připravte z anilinu jodbenzen. Diazoniové soli jsou schopny již za nízkých teplot reagovat s fenoláty či s aromatickými aminy ve smyslu aromatické elektrofilní substituce. Touto reakci, zvanou kopulace, se připravují aromatické azosloučeniny +

+

N N

+

N N

ONa

-

+

NR2

N N

Na+

N N

- H+

Azosloučeniny se používají jako barviva (azobarviva), například oranž II

HO HO3S

N N

či jako indikátory, například methyloranž

HO3S

N N

N

CH3 CH3

OH

NR2

Kopulace

36


Shrnutí kapitoly. Nitroskupina silně odčerpává elektrony – primární a sekundární nitrosloučeniny jsou kyselé, na aromatické jádro vstupuje druhá skupina do polohy meta. Nitroskupiny umožňují nukleofilní substituci v aromatické řadě. Redukcí nitrosloučenin mohou podle reakčních podmínek vznikat různé reakční produkty – od hydroxylaminů až po aminy. Alifatické nitrosloučeniny je možno získat alkylací dusitanů, aromatické nitrací. Aminy mají zásadité vlastnosti a tvoří amoniové soli. Produkty reakce aminů s kyselinou dusitou závisí na struktuře aminu a reakčních podmínkách. Oxidace aminů je poměrně komplikovaná záležitost. Nelze bezmyšlenkovitě tvrdit, že vždy vznikne nitrosloučenina – záleží zejména na druhu aminu a typu oxidačního činidla. Obecně platí pro přípravu primárních, sekundárních a terciárních aminů rozdílné postupy. Diazoniové soli podléhají snadno substitučním a kopulačním reakcím.

Otázky. 1. Jaké změny vyvolá přítomnost nitroskupiny v molekule uhlovodíku? 2. Jaké produkty je možno získat redukcí nitrosloučenin? 3. Jak je možno připravit různé nitrosloučeniny? 4. Jak reagují aminy s kyselinou dusitou? 5. Jaký je rozdíl v působení manganistanu draselného a peroctové kyseliny na aminy? 6. Co katalyzuje výměnu diazoniové skupiny za jinou funkční skupinu?

Korespondenční úkol. Kolika způsoby dokážete připravit 2-nitropropan? Kolika způsoby dokážete připravit propylamin? Připravte z benzenu nitril kyseliny benzoové.

3. Heterocyklické sloučeniny

37

3. HETEROCYKLICKÉ SLOUČENINY


Proč můžou mít heterocyklické sloučeniny aromatický charakter;

•

Čím se základní heterocyklické sloučeniny podobají benzenu a čím se naopak od něho liší;

•

Jakým reakcím podléhají;

•

Jak je možno připravit základní heterocyklické sloučeniny a jejich deriváty.

jednotlivé

typy

heterocyklických

sloučenin

Budete schopni: •

Pochopit co způsobuje přítomnost heteroatomu v aromatickém kruhu;

•

Vysvětlit chování heterocyklických sloučenin a jejich derivátů za různých reakčních podmínek;

•

Připravit deriváty základních typů heterocyklických sloučenin z různých surovin.

Klíčová slova této kapitoly: KONJUGACE, AROMATICKÝ SUBSTITUCE.

CHARAKTER,

REAKTIVITA,

Čas potřebný k prostudování učiva kapitoly: 5 hodin

Průvodce studiem. Heterocyklické sloučeniny, jak již říká samotný název, jsou látky cyklického charakteru, ve kterých je alespoň jeden atom uhlíku nahrazen „heteroatomem“.My si v této kapitole budeme všímat pouze nejběžnějších typů obsahujících jako heteroatom kyslík, dusík nebo síru. A z těchto se zaměříme hlavně na pětičlenné a šestičlenné heterocykly, které vykazují aromatické vlastnosti.

38

3. Heterocyklické sloučeniny 3.1 Chemické vlastnosti heterocyklických sloučenin Hlavními zástupci, na kterých si budeme vysvětlovat chování heterocyklických sloučenin, budou furan, pyrrol a thiofen (jako zástupci pětičlenných heterocyklů) a pyridin (jako zástupce šestičlenných heterocyklů). Všechny tyto látky vykazují aromatické vlastnosti. U pyridinu je tato skutečnost zřejmá na první pohled (od benzenu se odlišuje pouze náhradou jednoho atomu uhlíku za atom dusíku

N Furan, pyrrol a thiofen však obsahují ve své molekule pouze dvě dvojné vazby a tak aby tyto látky mohly vykazovat aromatické vlastnosti (6 elektronů v konjugaci), musí se zúčastnit konjugace i jeden volný elektronový pár na heteroatomu

Aromatický charakter O

O

N H

N H

S

S

Protože různé heteroatomy mají různou elektronegativitu (schopnost poutat elektrony), budou se výše uvedené heterocyklické sloučeniny lišit stupněm zapojení volného elektronového páru heteroatomu do konjugace. „Nejaromatičtější“ tak bude thiofen (síra má z uvedených heteroatomů nejmenší elektronegativitu a proto uvolňuje nejochotněji svůj volný elektronový pár do konjugace) a nejméně aromatický furan (kyslík má z uvedených heteroatomů největší elektronegativitu) Srovnání „aromaticity“

> S

N H

>

O

Zatímco thiofen se svým chováním velmi blíží benzenu, furan a pyrrol si částečně ponechávají vlastnosti nenasyceného aminu, respektive etheru. V případě furanu a pyrrolu nám jejich vlastnosti značně komplikují situaci, neboť v přítomnosti kyselých činidel dochází k jejich rozkladu za vzniku nedefinovatelných pryskyřičnatých látek, například


O

+

39 Štěpení

H+

O

+

O

H

polymery

HC+

H

Protože u aromatických látek je nejdůležitější reakcí elektrofilní substituce, jistě nás bude zajímat, do které polohy se elektrofilní substituent bude vázat. U pětičlenných heterocyklů je nejvyšší elektronová hustota na uhlíkových atomech, které sousedí s heteroatomem (tedy v polohách 2 a 5)

O

N H

S

Zvýšení elektronových hustot v těchto polohách způsobuje zapojení volného elektronového páru heteroatomu do konjugace. U pyridinu je možno zjistit polohy, ve kterých je největší elektronová hustota, následujícím způsobem. Dusík, který je elektronegativnější než uhlík, způsobí polarizaci všech násobných vazeb v kruhu δ+ δ−

δ− δ+ δ+

δ−

N

Jak vidíme, nejvyšší elektronová hustota se v molekule pyridinu nachází v polohách 3 a 5. Je to vlastně analogická situace s případem, kdy je v molekule benzenu navázán substituent odčerpávající elektrony (substituent II. třídy – například skupina NO2). Atom dusíku v molekule pyridinu způsobí totiž stejné rozdělení elektronových hustot jako skupina NO2 v molekule benzenu. Zajímavé je porovnání schopnosti (rychlosti) elektrofilní substituce pětičlenných heterocyklů, pyridinu a benzenu. Jako měřítko srovnání si zvolíme elektronovou hustotu v místě, kde probíhá elektrofilní substituce, neboť je zřejmé, že čím vyšší bude elektronová hustota, tím snadněji bude elektrofilní substituce probíhat. V molekule benzenu, kde je elektronová hustota rovnoměrně rozptýlena po celém jádře, připadá na každý atom uhlíku hustota přesně 1,000 náboje elektronu (6 elektronů je rozptýleno na 6 atomech uhlíku). V případě pětičlenných heterocyklů je tato hustota větší než 1, neboť na 5 atomů kruhu připadá 6 elektronů (6/5 >1). V molekule pyridinu je tomu přesně naopak. Atom dusíku, který je elektronegativnější než atom uhlíku, odčerpá část π-elektronové hustoty aromatického systému, takže na každém atomu uhlíku v molekule pyridinu musí být elektronová hustota menší než 1. Srovnáme-li na základě těchto skutečností reaktivitu pětičlenných heterocyklů (například pyrrolu) s benzenem a pyridinem, zjistíme, že pětičlenné heterocykly

Místa preferovaná pro elektrofilní substituci

40

3. Heterocyklické sloučeniny jsou reaktivnější než benzen, zatímco pyridin je méně reaktivní než benzen. Platí tedy následující vztah Srovnání reaktivity s benzenem

>

>

N N H Později uvidíme jak tyto, na první pohled velmi malé, změny elektronových hustot velmi výrazně ovlivní reaktivitu jednotlivých látek. Po tomto teoretickém úvodu si trochu podrobněji všimneme chování jednotlivých heterocyklických sloučenin. 3.1.1 Pětičlenné heterocykly Jak již jsme řekli, furan a pyrrol vykazují i vlastnosti nenasycených etherů či aminů. V případě elektrofilních substitucí nám to přináší řadu komplikací, ale na druhé straně se dá této jejich relativní nestability využít. Působíme-li na furan methanolem a kyselinou chlorovodíkovou, pak můžeme získat jako produkt reakce acetal butandialu (sukcinaldehydu) CH3OH + HCl

CH 3 O

O CH 3

C C C C CH 3 O H H 2 H 2 H O CH 3

O

jehož hydrolýzou se připravuje butandial (sukcinaldehyd) Příprava sukcinaldehydu z furanu a pyrrolu

CH 3 O

O CH 3

C C C C CH 3 O H H 2 H 2 H O CH 3

Pyrrol se působením (sukcialdehydu)

N H

+

H2O/H+ - CH3OH

hydroxylaminu

rozkládá

O C C C C O H H2 H2 H

na

dioxim

butandialu

HO N C C C C N OH H H2 H2 H

H 2 N OH

Jeho hydrolýzou je možno opět získat butandial (sukcinaldehyd) HO N C C C C N OH H H2 H2 H

H2O/H+

O C C C C O H H2 H2 H

+

H2N OH

Zapojení volného elektronového páru pyrrolu do konjugace má zásadní vliv na jeho acidobazické vlastnosti. Pyrrol tímto ztrácí bazické vlastnosti aminu a stává se kyselým. Atom vodíku ve skupině NH je totiž působením silných zásad odštěpitelný ve formě protonu, například


NH

+ NH

+

N MgBr

R MgBr

+

41

KNH2

NK

+

R H

Kyselé vlastnosti pyrrolu

NH3

Heterocyklické sloučeniny je možno katalyticky hydrogenovat na nasycení cyklické sloučeniny. Klasickou hydrogenací vodíkem za katalýzy PtO2 získáme z furanu oxolan (tetrahydrofuran) Hydrogenace pětičlenných heterocyklů

H2/katal. O

O

který je vynikajícím rozpouštědlem etherického charakteru. Analogicky získáme hydrogenací pyrrolu pyrrolidin H2/katal. N N H H Při hydrogenaci sirných sloučenin musíme vzít v úvahu, že síra je velmi silný katalytický jed. K tomuto účelu se používají sulfidické katalyzátory (WS2, MoS2), které však mají menší katalytickou aktivitu, a proto je při hydrogenaci zvýšit teplotu a tlak. Hydrogenací thiofenu tak získáme thiolan (tetrahydrothiofen)

H2/WS2 S S Doposud jsme probírali chování pětičlenných a šestičlenných heterocyklů společně. Obě skupiny látek však vykazují i odlišné chování, a proto je dále budeme probírat odděleně. Nejprve si všimneme pětičlenných heterocyklů. Jak jsme již v úvodu této kapitoly zdůraznili, probíráme vlastnosti látek, které mají aromatický charakter. Pro aromatické sloučeniny je typickou reakcí elektrofilní substituce. Jelikož atom síry uvolňuje nejochotněji volný elektronový pár do konjugace (síra má z probíraných heteroatomů nejmenší elektronegativitu), podléhá thiofen stejným reakcím, které jsme si probrali u benzenu. Z důvodů vyšší elektronové hustoty na atomech uhlíku v molekule thiofenu, ve srovnání s benzenem, probíhají reakce thiofenu za mírnějších reakčních podmínek než stejné reakce benzenu. Jako příklad si uvedeme sulfonaci thiofenu, kdy vzniká thiofen-2sulfonová kyselina

+

H2SO4

+

H2O

SO3H S V případě sulfonace furanu či pyrrolu nemůžeme použít běžná sulfonační činidla (kyselina sírová, oxid sírový, oleum), neboť všechna, díky svým kyselým S

Sulfonace thiofenu

42

3. Heterocyklické sloučeniny vlastnostem, rozštěpí aromatickém jádro těchto heterocyklů. Pro sulfonaci látek citlivých na kyseliny musíme proto používat nekyselá činidla, například látku vzniklou reakcí pyridinu s oxidem sírovým O

O

+

N

+

N S O

S O O

O Vzniklá látka, pyridinium-1-sulfonát, pak slouží jako činidlo, například pro sulfonaci furanu na furan-2-sulfonovou kyselinu Sulfonace heterocyklů citlivých na kyseliny

Nitrace heterocyklů citlivých na kyseliny

O O

+

+

N S O O

O

+

SO3H

N

Pyridin, uvolněný při reakci, neutralizuje vznikající kyselinu a zabraňuje tak vzniku kyselého prostředí. Rovněž nitraci nemůžeme provádět kyselinou dusičnou. Jako činidlo se zde používá acetylnitrát, který se připravuje reakcí acetanhydridu a kyseliny dusičné. Jeho reakcí s pyrrolem vzniká 2-nitropyrrol N H

+

O NO2

H3C

N H

O

+

NO2

CH3COOH

Při halogenacích by se na první pohled mohlo zdát, že žádné nebezpečí nehrozí (halogeny nejsou látku kyselé). Při reakci však vzniká halogenovodík, který má silně kyselé vlastnosti. Pro bromaci je možno použít činidlo vzniklé reakcí dioxanu s bromem O

O

+

+

O Br Br

O

Br2

Bromace Vzniklý dioxandibromid reaguje např. s furanem za vzniku 2-bromfuranu heterocyklů citlivých na + + O H Br kyseliny + O + O O Br Br O

Acylace pětičlenných heterocyklů

Br

O

Pro acylaci se používají téměř výhradně anhydridy, neboť acylhalogenidy uvolňují při reakci kyselý halogenovodík. Rovněž jako katalyzátor není nutnou používat silné Lewisovy kyseliny (AlCl3 apod.), ale stačí slabší kyseliny jako BF3 apod. Reakcí furanu s acetanhydridem tak vznikne 2-acetylfuran

O

+

(CH3CO)2O

CH3

O

+

CH3COOH

O

Skutečnost, že pětičlenné heterocykly jsou při aromatické elektrofilní substituci podstatně reaktivnější než benzen, si názorně předvedeme na reakci s jodem v roztoku jodidu draselného. Zatímco benzen této reakci nepodléhá, u pyrrolu dojde


43

k substituci všech atomů vodíků vázaných na atomech uhlíku za vzniku 1,2,3,4tetrajodpyrrolu I I Jodace pyrrolu I2/KI N H

I

N H

I

Řešená úloha. Proč při jodaci pyrrolu (která u benzenu vůbec neprobíhá) dojde na všech atomech uhlíku k substituci vodíku jodem? Řešení: Prvotním důvodem je vyšší elektronová hustota na atomech uhlíku pyrrolu, ve srovnání s benzenem, a tím také vyšší reaktivita pyrrolu. Druhým důvodem je, že každý atom jodu svým mezomerním efektem ještě dále zvyšuje elektronovou hustotu na aromatickém jádře a tím usnadňuje elektrofilní substituci. Z uvedených příkladů je zřejmé, že u derivátů pětičlenných heterocyklů můžeme očekávat analogické reakce jako u derivátů benzenu. V případě furanu a pyrrolu si však musíme dát pozor na kyselé prostředí. Na příkladu snadno dostupného furan2-karbaldehydu (furfuralu) si některé z těchto reakcí uvedeme. Působíme-li na furan-2-karbaldehyd silnou zásadou, dojde (vzhledem k tomu, že na atomu uhlíku, který sousedí s karbonylovou skupinou, není žádný atom vodíku) k disproporcionaci na sůl furan-2-karboxylové kyseliny (pyroslizové) a 2furylmethanol (furfurylalkohol)

O

C O H

+

KOH

O

+

COOK

Reakce furan-2karbaldehydu O

C OH H2

Přidáme-li do reakční směsi ještě propanon (aceton), dojde ke smíšené aldolové kondenzaci za vzniku 4-(2-furyl)but-3-en-2-onu (2-furfurylidenacetonu) KOH O

C O H

+

H3C

CH3

C C H H

O

O

CH3

O Při zahřívání furan-2-karbaldehydu s acetanhydridem a octanem draselným vznikne 3-(2-furyl)akrylová kyselina

O

C O H

+

(CH3CO)2O

CH3COOK O

C C COOH H H

Oxidací furan-2-karbaldehydu manganistanem draselným vznikne furan-2karboxylová kyselina (pyroslizová)

44

3. Heterocyklické sloučeniny KMnO4 O

C O H

O

COOH

Vzniklou furan-2-karboxylovou kyselinu je možno zahříváním dekarboxylovat na furan T COOH

O

+

O

CO 2

Redukcí furan-2-karbaldehydu, například komplexními hydridy, vznikne 2furylmethanol (furfurylalkohol) LiAlH4 O

C O H

O

C OH H2

Katalytickou hydrogenací furan-2-karbaldehydu je možno získat jako produkt reakce 2-oxolanylmethanol (2-tetrahydrofurfurylalkohol) H2/katal. O

C O H

O

C OH H2

Srovnáním uvedených reakcí furan-2-karbaldehydu s reakcemi benzaldehydu vyplývá, že obě látky vykazují velmi podobnou reaktivitu. U derivátu furanu však musíme dávat pozor na kyselá činidla. 3.1.2 Šestičlenné heterocykly A nyní se podíváme na reakce pyridinu.Z pyridinu je možno, podobně jako z furanu a pyrrolu, připravit odpovídající dialdehyd (glutaraldehyd). Nejde to však přímo. Volný elektronový pár pyridinu se totiž konjugace neúčastní a tak pyridin vykazuje zásaditost jako terciární amin. Provedeme-li však částečnou redukci pyridinu na 1,4-dihydropyridin, pak tento ztrácí svůj aromatický charakter. Působení hydroxylaminu pak probíhá analogicky jako v případě pyrrolu a produktem reakce je dioxim pentandialu (glutaraldehydu) Příprava glutaraldehydu z pyridinu

H2/katal. N

H2N OH N

HO N C C CH2 C C N OH H H2 H2 H

Jeho hydrolýzou pak získáme pentandial (glutaraldehyd)

3. Heterocyklické sloučeniny H2O/H+

HO N C C CH2 C C N OH H H2 H2 H

45

O C C CH2 C C O H H2 H2 H

- H2N OH

Hydrogenací pyridinu je možno získat piperidin H2/katal.

Hydrogenace pyridinu

N

N H

Již jsme si uvedli, že pyridin má na atomech uhlíku menší elektronovou hustotu než benzen, a tudíž v případě elektrofilní substituce musí být také méně reaktivní. Z elektrofilních substitucí, které v případě pyridinu probíhají do polohy 3 nebo 5, se využívá halogenace, nitrace a sulfonace. Bromace pyridinu probíhá uspokojivě až při teplotě 300 °C a produktem je směs 3-brompyridinu a 3,5-dibrompyridinu

Br

Br2 N

Br

Br

Bromace pyridinu

+ N

N

Nitrace pyridinu se provádí směsí dusičnanu sodného a kyseliny sírové při teplotě 300 °C a produktem reakce je 3-nitropyridin

NO2

NaNO3 + H2SO4 N

Nitrace pyridinu

N

Pro sulfonaci pyridinu, která se provádí kyselinou sírovou v přítomnosti síranu rtuťnatého, stačí již teplota 230 °C a produktem je pyridin-3-sulfonová kyselina

SO3H

H2SO4 + HgSO4 N

N

Z uvedených příkladů vyplývá, že elektrofilní substituce probíhá u pyridinu velmi obtížně. Vzhledem k tomu, že působením atomu dusíku (který má větší elektronegativitu než uhlík) je na aromatickém jádře pyridinu snížená elektronová hustota, podléhá pyridin nukleofilním substitucím. Teoreticky by měla nukleofilní substituce probíhat u pyridinu do polohy 2, 4, nebo 6. Působením amidu sodného na pyridin v kapalném amoniaku však vzniká pouze 2-aminopyridin, reakce totiž probíhá adičně – eliminačním mechanismem

Sulfonace pyridinu

46

3. Heterocyklické sloučeniny Nukleofilní substituce u pyridinu

+

NaNH2

H2N

N

H

N+ Na

- NaH

H2N

N

Úloha č. 6. Co vznikne reakcí chinolinu s amidem sodným? Pyridin, kromě aromatických vlastností, vykazuje také vlastnosti terciárního aminu. Působením peroxidu vodíku v kyselině octové vzniká z pyridinu pyridinN-oxid

H2O2 + CH3COOH +

N

N

O Tato změna zásadně změní rozmístění elektronových hustot na atomech uhlíku. Kyslík totiž svým efektem zvyšuje elektronovou hustotu v polohách 2, 4 a 6

Rozložení elektronových hustot v molekule pyridin-N-oxidu

+

N

O Nitrací pyridin-N-oxidu vzniká 4-nitropyridin-N-oxid ze kterého je možno působením PCl3 odredukovat atom kyslíku za vzniku 4-nitropyridinu NO2

Reakce pyridinN-oxidu

PCl3

HNO3 +

NO2

+

N

N

O

O

- POCl3

N


47

Pomocí pyridin-N-oxidu je tedy možno získávat deriváty pyridinu substituované v poloze 4. Jelikož je na pyridinovém jádře snížená elektronová hustota, je toto jádro odolnější proti oxidaci, než jádro benzenové. Oxidací 3-methylpyridinu (například manganistanem draselným) vznikne pyridin-3-karboxylová (nikotinová) kyselina

CH3

COOH

oxidace

N

Oxidace v pyridinové řadě

N

Obsahuje-li látka pyridinové i benzenové jádro, pak působením silných oxidačních činidel je přednostně napadeno benzenové jádro. Oxidací chinolinu kyselinou dusičnou tak vznikne pyridin–2,3-dikarboxylová (chinolinová) kyselina

COOH

oxidace N

N

COOH

3.2 Příprava heterocyklických sloučenin Způsobů příprav heterocyklických sloučenin existuje obrovské množství. My si ale uvedeme jenom několik základních ilustrujících možnosti příprav sloučenin, jejichž chemickými vlastnostmi jsme se zabývali. 3.2.1 Příprava pětičlenných heterocyklů Deriváty furanu, pyrrolu i thiofenu je možno získat z γ-diketonů. Tyto látky vstupují do příslušných reakcí ve své enol formě H2 H2C C R

H HC C R´

O O

R´

R OH OH

Odštěpením molekuly vody z γ-diketonu (například fosforečného) dojde ke vzniku 2,5-dialkylfuranu H HC C P2O5 R´ R - H2O R´ O OH OH

působením oxidu

R

Reakcí γ-diketonu s amoniakem, respektive s primárním aminem, získáme 2,5dialkylpyrrol, respektive 1,2,5-trialkylpyrrol

Příprava pětičlenných heterocyklů

48


R´´ R´

N

R

H HC C

NH2

R´

R

- H2O

OH OH

NH3 - H2O

R´

R´´

N H

R

Působením P2S5 na γ-diketon pak získáme 2,5-dialkylthiofen

H HC C R

P2S5 R´ - H2O

OH OH

R´

S

R

V pětičlenných heterocyklických sloučeninách je možno také vyměnit heteroatom. Reakce se provádí za zvýšené tepoty v plynné fázi na heterogenním katalyzátoru s kyselými vlastnostmi (např. Al2O3). Z furanu tak působením amoniaku, respektive prinárního aminu, získáme pyrrol, respektive N-alkylpyrrol Příprava pětičlenných heterocyklů

R NH2 N

NH3

- H2O

O

- H2O

N H

R

Úkol k zamyšlení. Proč se nedá pyrrol snadno převést na furan, když opačně to jde bez problémů? Působením sulfanu na furan získáme za podobných podmínek thiofen H2S - H2O

O

S Nejjednodušším způsobem přípravy thiofenu je zřejmě reakce butanu se sírou při teplotě 600 °C

H3C C C CH3 H2 H2

+

S

S

+

H2S

2-Furankarbaldehyd (furfural), jehož chemické vlastnosti jsme podrobněji probírali, se získává zahřívání některých přírodních látek (dřevo, sláma, otruby…) se zředěnou kyselinou chlorovodíkovou. 3.2.2 Příprava šestičlenných heterocyklů V případě šestičlenných heterocyklických sloučenin (pyridin a jeho deriváty) se ty nejjednodušší (pyridin, methylpyridiny a dimethylpyridiny) většinou nepřipravují, neboť je v dostatečném množství dodává koksárenství (izolací z plynných produktů koksování uhlí).


49

Protože však různé deriváty pyridinu jsou důležitými surovinami (například ve farmaceutickém průmyslu), uvedeme si zde alespoň některé metody jejich příprav. Reakcí esteru β-ketokyseliny s aldehydem a amoniakem vznikne derivát 1,4dihydropyridinu, R CH COOC2H5

R

O H2C

CH2

R´

O

O

COOC2H5 R´

H5C2OOC

C H

COOC2H5

R´

N H

R´

- H2O

NH3

Příprava derivátů pyridinu

který se následně oxidací (většinou zředěnou kyselinou dusičnou) převede na derivát pyridinu R

R

H5C2OOC

C H

COOC2H5

oxidace

R´

N H

R´

- H2O

H5C2OOC R´

COOC2H5 N

R´

Vzniklý derivát pyridinu můžeme podrobit dalším reakcím. Hydrolýzou je možno uvolnit dikarboxylovou kyselinu, která zahřátím dekarboxyluje na 2,4,6trialkylpyridin R H5C2OOC R´

N

R

R COOC2H5

H2O/OH- C2H5OH

R´

HOOC R´

COOH N

R´

- CO2

R´

N

R´

Uvedené schéma přípravy derivátů pyridinu názorně ukazuje, že se při jejich syntézách nemusíme spoléhat pouze na substituce na pyridinovém jádře, ale celé pyridinové jádro i se substituenty ve vhodných polohách, si můžeme vytvořit. Uvedeme si ještě jeden způsob přípravy derivátů pyridinu, ve kterém využijeme vlastnosti derivátů 4H-pyran-4-onu (tedy šestičlenného heterocyklu obsahujícího atom kyslíku). Jako výchozí látky se používá esterů β-ketokyselin, které se nejprve působením hydrogenuhličitanu sodného cyklizují na příslušné laktony (jedna molekula esteru β-ketokyseliny vstupuje do reakce v enolformě)

O HC H3C

OC2H5

O CH3

H2C OH C H O 2 5

O NaHCO3

O CH3

HC HC O

- C2H5OH

H3C

O

O

Vzniklý lakton se podrobí působením kyseliny chlorovodíkové hydrolýze, která je následována další cyklizací

Příprava derivátů pyridinu přes pyryliové soli

50

3. Heterocyklické sloučeniny O

O CH3

HC HC H3C

O H2O/HCl

HC HC

O

O

H3C

OO H

O

CH3

O

HC HC H3C

COOH

COOH

O OH

COOH

HC - H2O

CH3

H3C

O

CH3

Vzniklá kyselina má v poloze β karbonylovou skupinu, a proto snadno dekarboxyluje. Vzniklý produkt přejde působením kyseliny chlorovodíkové na 2,6-dimethyl-4-hydroxypyryliumchlorid O

OH

COOH

HC H3C

O

O

CH3

- CO2

H3C

HCl

CH

HC

CH3

O

H3C

+

O Cl

CH3

Ze vzniklé pyryliové soli je možno uvolnit 2,6-dimethyl-4H-pyran-4-on působením zásady, například uhličitanu sodného OH Příprava 2,6dialkyl-4H-pyran4-onů

O Na2CO3

+

H3C

O Cl

CH3

H3C

O

CH3

Vzniklou látku je možno podrobit různým reakcím. Působením organokovových sloučenin (například methylmagnesiumjodidu) je možno připravit nestálý alkohol, který působením silných kyselin (například kyseliny chloristé) opět přechází na pyryliovou sůl O

Reakce 2,6dialkyl-4H-pyran4-onů

HO CH3MgI

H3C

O

CH3

CH3

CH3 HClO 4

H3C

O

CH3

- H 2O

H3C

O

+

ClO 4-

CH3


51

Alkohol vznikne taky přímou redukcí výchozího ketonu (například působením LiAlH4). Působením silné kyseliny (chloristé) na tento alkohol pak získáme 2,6dimethylpyryliumperchlorát O

OH LiAlH4

H3C

O

CH3

HClO4 H3C

O

CH3

- H2O

+

H3C

O

CH3

ClO4-

Působením alkylačního činidla (například methyljodidu) na 2,6-dimethyl-4Hpyran-4-on získáme opět pyryliovou sůl (v našem případě 4-methoxy-2,6dimethylpyriliumjodid) O H3C H3C

O

CH3

O I

CH3

+

H3C

O

CH3

I Příkladů reakcí derivátů 4H-pyran-4-onu je možno uvést mnohem více. Jako ilustrace „síly“ aromatického systému, který dokáže vytvořit stabilní sloučeniny s trojvazným kyslíkem, to ale stačí. A nyní si zodpovíme otázku, kterou máte jistě již delší dobu na jazyku. Jak tyto reakce souvisejí s přípravou derivátů pyridinu? Působením amoniaku na pyryliové soli totiž dojde záměně heteroatomů a vznikají deriváty pyridinu, například R

R

R´

O X

+

+

+

NH3

R´

R´

N

R´

H2O

+

Převedení pyryliových solí HX na deriváty pyridinu

Takže závěrem vidíte, že v organické chemii opravdu může souviset všechno se vším. Nesnažte se proto „biflovat“ spousty reakcí zpaměti, ale snažte se získat jistý nadhled nad věcí a jednotlivé typy reakcí dávat do souvislostí, což Vám pomůže objevit a pochopit krásu organické chemie. Úloha č. 7. Připravte 4-methoxy-2,6-dimethylpyridin

52


Shrnutí kapitoly. Pětičlenné heterocykly získávají aromatický charakter jako důsledek konjugace volného elektronového páru na heteroatomu s dvojnými vazbami uhlík – uhlík. Nejsnáze uvolňuje svůj volný elektronový pár do konjugace síra a proto se thiofen svými vlastnostmi nejvíce podobá benzenu. U pyrrolu a furanu ještě vystupují vlastnosti nenasyceného aminu, respektive etheru. Důsledkem je štěpení aromatických jader těchto heterocyklů působením kyselých činidel. Elektrofilní substituce probíhá u pětičlenných heterocyklů snáze než u benzenu a to do poloh 2 a 5. Deriváty pětičlenných heterocyklů se dají snadno připravit δ-diketonů. Elektrofilní substituce probíhá u pyridinu hůře než u benzenu a to do poloh 3 a 5. Elektrofilní substituce v poloze 4 je možná reakcí přes pyridin-N-oxid. Pyridin je schopen nukleofilní substituce a to přednostně v poloze 2. Deriváty pyridinu je možno připravit například ze směsi esteru β-ketokyseliny, aldehydu a amoniaku, nebo přes pyryliové soli. Otázky. 1. Proč síra poskytuje volný elektronový pár do konjugace snáze než kyslík? 2. Proč probíhá elektrofilní substituce u pětičlenných heterocyklů snáce nž u benzenu a u pyridinu hůře ve srovnání s benzenem. 3. Co umožňuje nukleofilní substituci v molekule pyridinu? 4. Proč vykazuje pyrrol mírně kyselé vlastnosti, když by měl být jako amin spíše alkalický? Korespondenční úkol. Připravte z pyridinu 2-aminopyridin, 3-aminopyridin a 4-aminopyridin. Vysvětlete, proč se oxidace furan-2-karbaldehydu na furan-2-karboxylovou kyselinu provádí v neutrálním a ne v kyselém či zásaditém protředí.

Průvodce studiem. A máte za sebou poslední studijní oporu tohoto semestru. Možná, že se v průběhu studia vyskytly nějaké problémy, ale nakonec jste všechno úspěšně zvládli. Gratuluji Vám a těším se na brzké setkání.

Řešení úloh

53

ŘEŠENÍ ÚLOH Úloha č. 1. Je možný následující reakční mechanismus: Cl

S S Cl

Cl

S S

+

+

+

Cl

AlCl3

+

S S

S S

+

Cl

AlCl4

+

H

- S, - HCl

+

S

+

S H

AlCl4

+

S

HCl

+

AlCl3

Úloha č. 2. R – SO2Cl + Zn → (R – SO2) 2Zn + ZnCl2 Úloha č. 3. Hlavním vedlejším produktem bude ester kyseliny dusité R – Br + NaNO2 → NaBr + R – O – N = O Úloha č. 4. Například: H3C

O

H3C

+

H N

H2 C CH3 C CH3 H2

HCOOH

H3C

H2 C CH3

C N H3C H C CH3 H2

- H2O, - CO2

Úloha č. 5. +

NH2

NaNO2 / H

+

N N

KI - N2

I

54

Řešení úloh

Úloha č. 6.

+

+

NaNH2

N

H2N

NaH

N

Úloha č. 7. Například: O

O H3C

H3C

O

CH3

I

NH3

CH3

+

H3C

O

CH3

I O

CH3

+ H3C

N

CH3

H2O

+

HI

Literatura

LITERATURA 1. BLÁHA, K. a kol. Nomenklatura organické chemie. 3. vyd. Praha: Academia, 1985. 2. PANICO, R. a kol. Průvodce názvoslovím organických sloučenin podle IUPAC. 1. vyd. Praha: Academia, 2000. 3. ČERVINKA, O. a kol. Chemie organických sloučenin, díl první. 1. vyd. Praha: SNTL, Alfa, 1985. 4. ČERVINKA, O. a kol. Chemie organických sloučenin, díl druhý. 1. vyd. Praha: SNTL, Alfa, 1987. 5. SMITH, M. B., MARCH, J. March’s advanced organic chemistry. 5th ed. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2001. 6. CLAYDEN, J., GREEVES, N., WARREN, S., WOTHERS, P. Organic chemistry. 1th ed. Oxford: Oxford University Press, 200

55

P Ř ÍRODOVĚ DECKÁ FAKULTA

Recommend Documents