Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně Fakulta technologická
Organická chemie bakalářský směr
prof. Ing. Antonín Klásek, DrSc.
ZLÍN 2006
Recenzoval: doc. RNDr. Jan Hlaváč, PhD. © Antonín Klásek, 2006 ISBN 80–7318–483-4
2
Obsah Předmluva 1. Úvod 2. Systém a názvosloví organických sloučenin 2.1. Názvosloví uhlovodíků 2.1.1. Alifatické uhlovodíky nasycené 2.1.2. Alicyklické uhlovodíky nasycené 2.1.3. Alifatické a alicyklické uhlovodíky nenasycené 2.1.4. Aromatické uhlovodíky 2.2. Názvosloví derivátů uhlovodíků 2.2.1. Halogenderiváty R-Hal 2.2.2. Hydroxyderiváty R-OH 2 2.3. Ethery R-O-R´ 2 2.4. Sloučeniny síry 2.2.4.1. Thioly R-SH 2.2.4.2. Sulfidy R-S-R´ a disulfidy R-S-S-R´ 2.2.4.3. Kyseliny sulfonové R-SO3H, sulfinové R-SO2H a sulfenové R-SOH 2.2.5. Sloučeniny dusíku 2.2.5.1. Nitroderiváty R-NO2 a nitrosoderiváty R-NO 2.2.5.2. Aminy R-NH2 a jejich deriváty 2.2.6. Karboxylové kyseliny a jejich funkční deriváty 2.2.6.1. Karboxylové kyseliny R-COOH 2.2.6.2. Acylhalogenidy R-COX 2.2.6.3. Anhydridy R-CO-O-COR´ a estery R-COOR´ karboxylových kyselin 2.2.6.4 Amidy R-CO-NR´R´´ a nitrily R-CN karboxylových kyselin 2.2.7. Aldehydy R-CHO a ketony R-CO-R´ 3. Faktory ovlivňující kovalentní vazbu 3.1. Polarita vazeb 3.2. Substituční efekty 3.2.1. Indukční efekt 3.2.2. Mezomerní efekt 3.2.3. Hyperkonjugace 3.2.4. Sterický efekt 4. Stereochemie organických sloučenin 4.1. Molekulové modely a jejich překreslování 4.2. Konformace a konfigurace 4.3. Konformace alifatických a alicyklických sloučenin 4.4. Konfigurace 4.4.1. Geometrická isomerie 4.4.2. Optická isomerie 4.4.2.1. Cahn-Ingold-Prelogova nomenklatura 4.4.2.2. Centrální chiralita 4.4.2.3. Axiální a planární chiralita, helicita 4.4.2.4. Štěpení racemátů 5. Základní typy organických reakcí 6. Systematika reakcí organických látek 6.1. Uhlovodíky 6.1.1. Nasycené uhlovodíky (alkany) 6.1.2. Nenasycené uhlovodíky s dvojnou vazbou (alkeny) 6.1.3. Nenasycené uhlovodíky s trojnou vazbou (alkyny) 6.1.4. Aromatické uhlovodíky (areny) 6.1.5. Alkylderiváty aromatických uhlovodíků 6.2. Deriváty uhlovodíků 6.2.1. Halogenderiváty 6.2.1.1. Substituční reakce halogenderivátů 6.2.1.2. Eliminační reakce halogenderivátů 6.2.1.3. Reakce halogenuhlovodíků s kovy 6.2.1.4. Reakce halogenuhlovodíků s křemíkem 6.2.2. Organokovové sloučeniny
3
5 6 7 7 7 9 9 10 11 11 11 12 12 12 12 12 13 13 13 13 13 14 15 15 15 16 16 17 17 18 19 19 19 20 20 21 22 22 24 25 25 27 28 28 30 30 30 32 37 39 44 45 45 45 47 47 48 48
6.2.3. Hydroxyderiváty 6.2.3.1. Reakce alkoholů a fenolů s kovy a se zásadami 6.2.3.2. Reakce alkoholů s minerálními kyselinami 6.2.3.3. Adiční reakce alkoholů 6.2.3.4. Dehydratace alkoholů 6.2.3.5. Dehydrogenace alkoholů a fenolů 6.2.3.6. Oxidace alkoholů a fenolů 6.2.4. Ethery 6.2.4.1. Reakce etherů s minerálními kyselinami 6.2.4.2. Reaktivita cyklických etherů 6.2.5. Hydroperoxidy a peroxidy 6.2.6. Organické sloučeniny síry 6.2.6.1. Alifatické a aromatické thioly 6.2.6.2. Sulfidy a disulfidy 6.2.6.3. Sulfenové, sulfinové a sulfonové kyseliny 6.2.7. Organické sloučeniny dusíku 6.2.7.1. Nitrosloučeniny 6.2.7.2. Nitrososloučeniny 6.2.7.3. Aminy 6.2.7.4. Kvarterní amoniové soli 6.2.7.5. Aromatické diazoniové soli 6.2.8. Aldehydy a ketony 6.2.8.1. Redukce a oxidace aldehydů a ketonů 6.2.8.2. Adice nukleofilů na karbonylové sloučeniny a přeměny aduktů 6.2.8.3. Aldolizace a aldolové kondenzace 6.2.8.4. Halogen, hydroxy a aminoderiváty aldehydů a ketonů 6.2.8.5. Dikarbonylové sloučeniny 6.2.8.6. Chinony 6.2.9. Karboxylové kyseliny 6.2.10. Funkční deriváty karboxylových kyselin 6.2.11. Deriváty kyseliny uhličité 6.2.12. Substituční deriváty karboxylových kyselin 6.2.12.1. Halogenkyseliny 6.2.12.2. Hydroxykyseliny 6.2.12.3. Aminokyseliny 6.2.12.4. Aldehydokyseliny a ketokyseliny 7. Heterocyklické sloučeniny 7.1. Pětičlenné heterocykly 7.2. Šestičlenné heterocykly 8. Sacharidy 8.1. Monosacharidy 8.2. Glykosidy a oligosacharidy 8.3. Polysacharidy 9. Lipidy, terpeny a steroidy 10. Peptidy a bílkoviny 10.1. Peptidy 10.2. Bílkoviny 11. Nukleové kyseliny 11.1. Nukleotidy 11.2. Struktura a funkce nukleových kyselin 11.3. Přenos informace a biosyntéza bílkovin 12. Spektrální metody v organické chemii 13. Použitá a doporučená literatura
4
49 49 50 51 51 52 52 53 53 54 55 55 55 56 57 57 58 59 59 62 62 63 63 65 67 68 69 71 72 73 77 79 79 81 83 85 87 88 90 93 93 96 97 98 99 100 101 103 103 104 105 106 112
Předmluva Chemie patří mezi obory, jejichž studium vyžaduje nejen určitou dávku intelektu, ale i dobrou paměť a představivost, a samozřejmě také píli. To je také zřejmě hlavním důvodem její současné neoblíbenosti na školách, počínaje základními přes střední až po vysoké (samozřejmě tam, kde není hlavním studijním oborem). Organická chemie je samostatnou disciplinou v rámci chemických oborů a výše uvedené předpoklady pro ni platí v plné míře. Jde o disciplinu neobyčejně rozsáhlou, ale zvládnutí alespoň jejích základů může studentovi přinést také neobyčejné intelektuální potěšení. Prosím ty z vás, kteří k této disciplině máte z dřívějška vypěstovanou aversi, abyste na ni alespoň na chvíli pozapomněli a abychom se pokusili spolu proniknout do jejích tajů. Podstatné není naučit se organickou chemii zpaměti (to ani vzhledem k její nesmírné rozsáhlosti nejde), ale porozumět jí. Teprve toho, kdo jí porozumí, začne opravdu zajímat. Toto skriptum je určeno především studentům technologické fakulty UTB ve Zlíně, a to pro předměty Chemie organická a Organická chemie II. Je ale využitelné i pracovníky z praxe nebo chemiky, kteří studovali jiný obor a potřebují si z jakýchkoliv důvodů rozšířit v únosné míře znalosti organické chemie. Její rozsah je přizpůsoben rozsahu výuky organické chemie na FT UTB a požadavkům navazujících předmětů (Analytická chemie, Makromolekulární chemie, Organická chemie II, Biochemie) a proto si nemůže činit nárok na úplnost. Zájemce o hlubší studium organické chemie odkazuji na dostupné české učebnice. Především na učebnici Organická chemie autorů O. Červinka, V. Dědek a M. Ferles, která vyšla již v několika vydáních (poslední vydání Informtorium, Praha 1991), nebo na rozsáhlé dvoudílné kompendium Chemie organických sloučenin I a II (SNTL, Praha 1985). Z anglické literatury lze uvést vynikající a dostupnou učebnici John McMurry: Organic Chemistry. 4th Ed., Brooks/Cole Publ. Co., Pacific Grove, USA, 1996. K základním pojmům probraným v obecné chemii (např. teorie chemické vazby, teorie kyselin a zásad) se již nebudeme vracet, pokud to nebude nezbytně nutné. Pojmy, se kterými jsme se v přednáškách z obecné a anorganické chemie doposud neseznámili, budou probrány průběžně v textu u těch typů organických sloučenin, pro které jsou charakteristické.
Ve Zlíně v říjnu 2006 Autor
Motto: To nejkrásnější, co můžeme zažít, je tajemno. To je zdroj všeho pravého umění a vědy. Ten, komu je tato emoce cizí, kdo sám už nedokáže žasnout a strnout v němém údivu, je prakticky mrtvý. Albert Einstein
5
1. Úvod Organické sloučeniny byly lidstvu známy již dávno předtím, než vznikla organická chemie jako samostatná disciplina. Šlo např. o ocet, alkohol, tuky, oleje, škrob, cukr, přírodní barviva a pod. Teprve však Berzelius (1779-1848) vyslovil první názory o struktuře organických látek. Zjistil, že stejně jako pro anorganické sloučeniny pro ně platí stechiometrické zákony. Avšak vzhledem k jejich odlišným vlastnostem, odlišnému původu (rostlinný nebo živočišný) a zpravidla složité struktuře se domníval, že mezi oběma těmito skupinami látek existuje zásadní rozdíl spočívající v tom, že ke vzniku organické látky je nutná tzv. životní síla (vis vitalis). Tuto představu prolomil porve v r. 1828 Wöhler (1800-1882), který zahříváním kyanatanu amonného připravil močovinu. Postupně byly z anorganických látek připraveny i jiné organické sloučeniny a organická chemie se začala formovat jako samostatná oblast poznání. Základní teorií organické chemie se stala strukturní teorie, která byla vypracována na základě objevů především Butlerova (1828-1886) a Kekulého (1829-1896). Butlerov předpokládal, že chemické vlastnosti organických látek souvisejí s jejich vnitřní strukturou a lze je poznávat a předvídat, poněvadž vyplývají z druhu, množství a uspořádání atomů nebo skupin atomů. Při organických reakcích dochází k přesunu celých skupin atomů, které byly označeny jako radikály. Základním atomem v organických sloučeninách je uhlík, a Kekulé poznal, že uhlíkový atom je v organických sloučeninách čtyřvazný, přičemž všechny čtyři vazby jsou rovnocenné. Uhlíkové atomy se mohou spojovat do otevřených nebo uzavřených řetězců a vájemně se vázat jednoduchými, dvojnými nebo trojnými vazbami. Na tyto poučky navázala později potvrzená hypotéza Van´t Hoffa (1852-1911) a LeBela (1847-1930), podle které jednoduché vazby vycházející z atomu uhlíku mají valenční úhel 109°28´ a směřují do vrcholů pravidelného čtyřstěnu (tetraedru). Vzhledem k tomu, že podstatou organických sloučenin je uhlík, byla organická chemie definována jako chemie uhlovodíků a jejich derivátů. Řadíme však do ní i uhlíkaté sloučeniny obsahující v otevřeném nebo uzavřeném řetězci i jiné atomy, jako je např. bor, hliník, křemík, fosfor, síra atd. V podstatě dnes představuje organická chemie chemii sloučenin vázaných kovalentní vazbou, přesnou hranici mezi anorganickou a organickou chemií však vést nelze. Surovinovou základnu organické chemie tvoří jednak fosilní, jednak recentní zdroje. Nejdůležitějšími fosilními zdroji jsou černé a hnědé uhlí, ropa a zemní plyn, recentní (obnovitelné) surovinové zdroje jsou součásti rostlinných a živočišných organismů (dřevo, sacharidy, tuky a oleje, rostlinný latex, škrob, bílkoviny atd.).
6
2. Systém a názvosloví organických sloučenin Pojmem systém rozumíme způsob třídění organických sloučenin podle jejich hlavních typů. Základem jsou uhlovodíky, od nichž se postupuje dále ke složitějším typům látek, obsahujícím další prvky. Jako systém však může být použit i způsob třídění fakt podle typů reakcí organických sloučenin resp. podle vlastností různých typů vazeb. Pro pojmové rozlišení individuálních organických látek je nezbytná znalost jejich názvosloví (nomenklatury). Jde o soustavu zásad a pravidel, podle kterých se dá slovně vyjádřit struktura sloučeniny. Základy mezinárodní nomenklatury organických sloučenin byly definovány r. 1892 na Mezinárodním kongresu pro reformu chemické nomenklatury v Ženevě a proto bývá také označována jako tzv. ženevská nomenklatura. Slovní zásoba této nomenklatury je vytvářena z latinských a řeckých pojmů a její zásady a pravidla jsou průběžně upravovány nomenklaturní komisí IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) podle toho, jak si to vyžaduje rozvoj organické chemie. Je proto také označována jako nomenklatura IUPAC a její českou versi zpracovala a doplňuje komise pro nomenklaturu organické chemie Československé společnosti chemické (dnes České společnosti chemické). Nejstarší názvy organických sloučenin jsou tzv. triviální. Nesouvisejí se strukturou, ale s původem nebo vlastností organické sloučeniny. Jsou to např. močovina, kyselina mravenčí, glycerol (γλψκεροσ = sladký), morfin, kyselina octová, atd. Vzhledem k jejich jednoduchosti a krátkosti se v řadě případů používají dodnes, ale jejich používání se postupně omezuje, poněvadž neumožňují systematickou registraci dané sloučeniny podle její chemické struktury. Racionální názvy organických sloučenin jsou založeny na určitém principu a řídí se určitými přesně stanovenými pravidly. Moderní mezinárodní názvosloví je založeno na substitučním nomenklaturním principu. Ten vychází ze zásady, že každou organickou sloučeninu můžeme odvodit z jednodušší sloučeniny tak, že jeden nebo více vodíkových atomů v této výchozí sloučenině nahradíme jiným atomem nebo skupinou atomů (substituenty). Přítomnost substituentů v základní struktuře se vyjádří předponami nebo příponami k základnímu názvu, jejich umístění pak číslovkami. Nejjednoduššími organickými sloučeninami, ze kterých se vychází, jsou uhlovodíky. Za základní strukturu volíme: a) u čistě alifatických sloučenin nejdelší nerozvětvený uhlíkový řetězec, případně řetězec obsahující nejvyšší počet násobných vazeb b) u struktur obsahujících kromě alifatické části i cyklickou část obvykle tu část, jejíž struktura je jednodušší Pouze jeden substituent (tzv. hlavní skupina) může být vyjádřen koncovkou, ostatní substituenty se označují předponami, které se (pokud je jich více) řadí podle abecedy. Všechny předpony a přípony jsou doplněny čísly označujícími jejich polohu, přičemž posloupnost číslování hlavního řetězce vychází ze zásady, že hlavní skupina má mít nejmenší možnou číslovku. Vedle substitučního nomenklaturního principu se používají i další nomenklaturní principy, a to především princip radikálově-funkční a princip záměnný, jejichž používání bude vysvětleno v dalším textu. 2.1. Názvosloví uhlovodíků Uhlovodíky se rozdělují podle struktury na tři skupiny: a) uhlovodíky alifatické (acyklické), které neobsahují kruhové seskupení uhlíků b) uhlovodíky alicyklické (jeden nebo více cyklů) c) uhlovodíky aromatické (cykly s konjugovaným systémem vazeb, tj. pravidelně se střídající jednoduchou a dvojnou vazbou) Alifatické i alicyklické uhlovodíky mohou být nasycené (neobsahují násobné vazby) nebo nenasycené (obsahují jednu nebo více dvojných resp. trojných vazeb). Vzhledem k tomu, že od uhlovodíků jsou odvozeny všechny ostatní organické sloučeniny (jsou jejich deriváty), i tyto můžeme dělit podle stejného principu na cyklické a acyklické. Cyklické organické sloučeniny mohou být isocyklické (v kruhu jsou jen atomy uhlíku, podle stupně nasycení jsou pak alicyklické (nasycené a nenasycené, resp. aromatické) nebo heterocyklické (obsahují v kruhu jeden nebo více jiných atomů než uhlík, mohou být nasycené, nenasycené, či aromatické). 2.1.1. Alifatické uhlovodíky nasycené Tyto uhlovodíky tvoří tzv. homologickou řadu, ve které se každý člen liší od sousedního o skupinu CH2 (homologický přírůstek nebo inkrement) a mají sumární vzorec CnH2a+2. Označují se jako parafiny (triviální název) nebo alkany. Označení alkan je systematický název, který se skládá z kmene a koncovky –an, která je jejich názvoslovným znakem. První čtyři alkany mají kmen historického původu: methan (CH4), ethan (C2H6), propan (C3H8) a butan (C4H10). Kmeny názvů ostatních homologů jsou odvozeny od řeckých číslovek udávajících počet uhlíků v molekule: pentan (C5H12), hexan (C6H14), heptan (C7H16), oktan (C8H18), nonan
7
(C9H20), dekan (C10H22), undekan (C11H24), dodekan (C12H26), tridekan (C13H28),……eikosan (C20H42), uneikosan (C21H44),……….trikosan (C30H62), atd. Podle strukturní teorie je prostorové uspořádání prvních tří členů homologické řady jednoznačné, u dalších členů však počet možných prostorových uspořádání narůstá. Tento jev se nazývá isomerie a sloučeniny se stejným sumárním vzorcem, ale různou strukturou se označují jako isomery. Jsou dva základní druhy isomerií. V tomto případě jde o isomerii uhlíkového řetězce a patří vedle polohové isomerie a isomerie funkčních skupin do skupiny strukturních isomerii (způsob vzájemného vázání atomů v molekule). Další velkou skupinou isomerií je stereoisomerie, kterou se zabývá stereochemie (viz dále). Z následující tabulky je vidět, že uhlík může být do řetězce zapojen různým způsobem. Ve skupině CH3 jde o tzv. primární uhlík, který je napojen pouze na jeden další uhlíkový atom. Uhlík ve skupině CH2 je sekundární (vázán s dalšími dvěma uhlíky), ve skupině CH terciární (vázán na tři uhlíky) a konečně uhlík na který jsou vázány čtyři další uhlíky je označován jako kvarterní. Název
Sumární vzorec
butan
C4H10
isobutan
C4H10
Strukturní vzorec H3C
Zjednodušený zápis struktury
CH2 CH2 CH3
H3C
CH CH3 CH3
pentan
C5H12
isopentan
C5H12
H3C
CH2 CH2 CH2 CH3
H3C
CH2 CH CH3 CH3
C5H12
neopentan
H3C
C
CH3 CH3
CH3
Počet isomerů enormně roste s počtem atomů uhlíku (např. C9H20 má 35 isomerů, ale C30H62 již asi 109 isomerů), proto je nezbytné k jejich jednoznačnému popisu použít racionálního názvosloví založeného na názvu základního nerozvětveného alkanu, v němž je jeden nebo více vodíků nahrazeno uhlovodíkovým zbytkem, tzv. radikálem. Radikál (v případě alifatických uhlovodíků označovaný jako alkyl) je jednovazná skupina, která vznikne odtržením atomu vodíku z molekuly nasyceného uhlovodíku. Ve vzorcích se radikál obecně označuje symbolem R- a jeho název se odvodí od názvu nasyceného uhlovodíku záměnou koncovky –an za –yl, např.: RCH3CH3CH2CH3CH2CH2(CH3)2CHCH3(CH2)2CH2-
alkyl methyl ethyl propyl isopropyl butyl
(CH3)2CHCH2CH3CH2(CH3)CH(CH3)3CCH3(CH2)3CH2(CH3)2CHCH2CH2CH3CH2(CH3)2C-
isobutyl sek. butyl terc. butyl pentyl isopentyl terc. pentyl
(CH3)3CCH2CH3(CH2)4CH2CH3(CH2)6CH2CH3(CH2)9CH2CH3(CH2)15CH2CH3(CH2)21CH2-
neopentyl hexyl oktyl undecyl heptadecyl trikosyl
Jak je vidět z tohoto přehledu, používá se k tvorbě názvů alkylů i semitriviálního názvosloví uhlovodíků. Vzhledem k potížím nastávajícím s růstem počtu isomerů u vyšších uhlovodíků je lépe pojmenovávat alkyly s více než čtyřmi atomy uhlíku pomocí racionálního názvosloví. Při tomto způsobu pojmenovávání alkylů si řetězec očíslujeme tím způsobem, že číslo 1 dostane vždy ten uhlík, z něhož byl myšleně odtrhnut vodík (tj. uhlík, kterým se alkyl připojuje na hlavní řetězec nebo jiný atom resp. skupinu atomů). V číslování se pokračuje po nejdelším nerozvětveném řetězci a předpokládáme, že tam, kde dochází k jeho větvení, se k řetězci na příslušném atomu uhlíku váže nový alkyl. V názvu se to pak vyjádří spojením názvů obou alkylů a číslovkou označující pořadové číslo daného uhlíkového atomu, např.: 1
2
3
4
1
5
CH3CHCH2CH2CH2C H3 1-methylpentyl 5
4
3
2
1
CH3C H2CHCH2CH CH3 3-methylpentyl
2
3
4
CH3CH2C HCH2CH2C H3
C H3
3
C H3
C
2
1
CH2 CH2
C H3 3,3-dimethylbutyl
8
2
1
CH3 C H3 1,2-dimethylbutyl
1-ethylbutyl 4
3
4
CH3CH2CH C H
4
CH3
CH3CH3
3
C
2
C
1
CH2
CH3CH3 2,2,3,3-tetramethylbutyl
Základem názvu rozvětveného uhlovodíku je název nejdelšího nerozvětveného uhlíkatého řetězce. Ten musí být v první řadě vyhledán a očíslován takovým způsobem, aby ten uhlík, na který je připojen alkyl (resp. alkyly), byl označen nejnižší číslovkou. Názvu uhlovodíku s nejdelším nerozvětveným řetězcem se pak teprve předřadí název připojeného alkylu (alkylů) s číselným označením místa připojení. Jak je vidět z následujících příkladů, je pro znázornění zejména dlouhých řetězců přehlednější použít zjednodušeného zápisu, ve kterém místo zalomení řetězce lokalizuje atomy uhlíku, atomy vodíku nejsou znázorněny a jejich počet je dán odečtením počtu znázorněných vazeb v daném místě od číslovky 4. 1
2
3
1
4 4 5 6 7 2 3 1 3-ethyl-2-methylheptan
2-methylbutan
1
1
2
3
2 5 2
1
6
7
8
9
3
4
3
9
6
5 6 3
2
4
4,6-diethyl-5-propylnonan
5
2 6
3 9 7
9 8
10
3
11
8
10 11 12
2-methyl-4,4-bis(1-methylpropyl)nonan
8
7
7
1
1 2
5 4
2,3,4,4-tetramethylhexan
3 1
4
2
4-isopropyl-2,6,8,8-tetramethyl-5(1,1-dimethylpropyl)undekan
13
7
14
4 6 1
5 2
3 3
4
2
1
5
3,7,10-trimethyl-6-pentyltetradekan
Jak je vidět z uvedených příkladů, při větším počtu stejných alkylů je třeba mezi čísla uhlíků ,na něž jsou připojeny a jejich název vložit násobící předponu (di-, tri-, tetra atd.). Samostatné číslování rozvětvených alkylů musí být uvedeno v závorce, před níž je (v případě, že jsou stejné) násobící předpona bis-, tris-, tetrakis- atd. Pořadí alkylů v názvu je podle abecedy. 2.1.2. Alicyklické uhlovodíky nasycené Tyto uhlovodíky tvoří homologickou řadu obecného sumárního vzorce CnH2n a jejich názvy se tvoří od názvů odpovídajících nerozvětvených alicyklických uhlovodíků připojením předpony cyklo-. Ke grafickému znázornění je opět přehlednější použít zjednodušeného zápisu bez označení atomů. Číslování atomů kruhu se volí tak, aby uhlík nesoucí substituent měl číslo 1. V případě složitějšího substituentu na kruhu je někdy výhodnější vzít za základ názvu tento substituent, jak je vidět z následujících příkladů:
cyklopropan
cyklohexan
cyklobutan
cyklopentan
1,3-dimethylcyklopentan
1,3-bis(3-methylcyklohexyl)-2,2-dimethylpropan
4-ethyl-7-(3-methylcyklopentyl)-3,6-dimethylheptan
2.1.3. Alifatické a alicyklické uhlovodíky nenasycené Přítomnost dvojné vazby v molekule uhlovodíku má za následek změnu koncovky jeho názvu na –en (obecný název alken). V případě trojné vazby se koncovka mění na –yn (alkyn). V případě, že je přítomno v molekule více násobných vazeb, používají se před koncovkou násobící předpony (-dien, -trien, -diyn atd.). Poloha násobné vazby se vyznačuje číslem uhlíku, z něhož vychází, tento uhlík by měl mít nejnižší možné číslo. Toto číslo se umisťuje za kmen názvu uhlovodíku před koncovku odpovídající násobné vazbě. Názvy nenasycených radikálů se tvoří analogicky jako u nasycených, uhlík připojující se k hlavnímu řetězci má opět číslo 1. Dvojvazné či trojvazné radikály vytvořené odtržením dvou nebo tří atomů vodíku z jednoho uhlíku mají koncovku –iden resp. –idin. Triviální pojmenování radikálů se běžně používá místo systematických názvů např. v případě vinyl (místo ethenyl) nebo allyl (místo prop-2-en-1-yl). Aplikace těchto zásad je zřejmá z následujících příkladů:
9
1
4
3
6
1
3,4-dimethylhex-1-en
6
7
3
1 4
2 1
3
3 1
3,4-dimethylcyklookt-1-yn
2,3,3-trimethylcyklohexa-1,4-dien
2
1-allylcyklohex-1-en
1
4-vinylhex-4-en-1-yn
3-isopropylhepta-2,4-dien 8
4
5 1 1-(4-methylcyklopent-1enyl)2-methylpenta-1,3-dien 4
7
1 1-butyliden-2-ethynylcyklopenta-1,3dien
1
4-ethylidenhept-5-en-1-yn
Zvláštními typy cyklických uhlovodíků jsou spirosloučeniny a vícecyklické systémy. Spirosloučeniny, které jsou tvořeny dvěma cykly se společným článkem, se označují předponou spiro- před názvem uhlovodíku, který odpovídá celkovému počtu uhlíků systému. Mezi předponu a název se vloží do hranatých závorek čísla udávající počet uhlíků připojených ke společnému spiroatomu. U bicyklických sloučenin, které jsou tvořeny dvěma kruhy se společnými dvěma nebo více uhlíky, se mezi předponu bicyklo- a název alkanu vkládá do hranaté závorky počet článků spojujících uhlíky na nichž dochází k větvení kruhů. Číslování je zřejmé z následujících příkladů: 1 6
1
5 4
7
1,7,7-trimethylbicyklo[2,2,1]heptan (bornan)
9
6
10
spiro[4,5]dekan
5 11 1,9-dimethylspiro[5,5]undekan
2,6,6-trimethylbicyklo[3,1,1]heptan (pinan)
2.1.4. Aromatické uhlovodíky Tyto látky mají obecný systematický název aren, odtržením atomu vodíku vzniká radikál aryl. Nomenklatura aromatických uhlovodíků je založena na triviálních názvech několika základních arenů (benzen, naftalen, anthracen atd.). Při tvorbě názvů však existují některé nepravidelnosti, např. radikál odvozený od benzenu nemá název benzyl, ale fenyl Název benzyl je vyhrazen pro radikál vzniklý odtržením vodíku od methylové skupiny toluenu. . Naftalen, anthracen a fenanhren mají závazné pořadí číslování, polohy na naftalenovém jádře se dají také označit řeckými symboly α a β. Isomerní disubstituované benzeny s relativní polohou substituentů 1,2- 1,3-, resp. 1,4- se mohou rozlišit předponami o- (ortho), m- (meta) a p- (para). Aromatická jádra se znázorňují buď pravidelným šestiúhelníkem se třemi dvojnými vazbami, nebo s kružnicí uprostřed. Tvorbu názvů aromatických uhlovodíků opět ozřejmí následující příklady: 1
8
2 β
7
3 β
6 5
benzen
4
3 4
2
5
α
α
α
β 7
8
9
β 6
3 5
CH3
4 10 anthracen
CH3 CH3
10 CH3
8 9 fenanthren
1 2
1
6 7
CH3
naftalen
α
toluen
m-xylen (1,3-dimethylbenzen)
CH3
CH3
o-xylen
p-xylen
CH3
3 1 styren (vinylbenzen)
H 3C
1,6-dimethylnaftalen
fenylacetylen
10
1-benzyl-3-vinylcyklohex-1-en
2.2. Názvosloví derivátů uhlovodíků Náhradou atomů vodíku v uhlovodících jinými atomy či skupinami atomů (substituentem) než jsou uhlovodíkové zbytky vznikají deriváty uhlovodíků. Dojde-li k substituci vodíku na jednom atomu uhlíku, vznikají monotopické deriváty, při současné náhradě vodíků na více atomech uhlíku vznikají deriváty ditopické, tritopické atd. Na jednom atomu uhlíku může být samozřejmě nahrazeno více vodíkových atomů, čímž vznikají monotopické disubstituované resp. trisubstituované deriváty uhlovodíků. Z hlediska názvosloví, ale i vlastností derivátů uhlovodíků je důležitá přítomnost tzv. charakteristické skupiny (resp. hlavní skupiny), která je prioritní při výběru a číslování hlavního řetězce. Jestliže je v molekule současně přítomno více charakteristických skupin, musí být vybrána jedna z nich jako hlavní a řetězec se čísluje tak, aby hlavní skupina byla na uhlíku s co nejnižším číselným pořadím. Hlavní skupina je pak vyjadřována koncovkou a ostatní charakteristické skupiny musí být vyjádřeny předponami. Zjednodušené pořadí významnosti charakteristických skupin podle typů organických sloučenin je karboxylové kyseliny > sulfonové kyseliny > funkční deriváty kyselin > nitrily > aldehydy > ketony > alkoholy > fenoly > aminy. 2.2.1. Halogenderiváty R-Hal Jednoduché halogenderiváry R-X se běžně pojmenovávají na principu radikálovém, kdy se k názvu radikálu připojí koncovka –fluorid, -chlorid atd. Některé z nich mají triviální názvy. Pro složitější halogenderiváty se běžně používá substitučního nomenklaturního principu, u kterého se přidává předpona fluor-, chlor- atd. k názvu základního uhlovodíku. CH3Cl methylchlorid
CHI3 jodoform
I
Cl I
Br
isopropyljodid
vinylchlorid terc. butylbromid
benzyljodid
F Cl Br
Br
Br
Br
2,4-dibrom-2-penten
5-chlor-1,3-cyklopentadien
pentamethylendibromid
2-fluornaftalen
2.2.2. Hydroxyderiváty R-OH Při používání substitučního principu se přítomnost hydroxylové skupiny vyjadřuje přidáním koncovky –ol nebo předpony hydroxy- k názvu základního uhlovodíku. Radikálový princip se používá v jednoduchých případech, pak se k názvu radikálu připojuje koncovka –alkohol. Pozor na nesprávný, ale často používaný název isopropanol. U aromatických alkoholů se často používá triviálních názvů. CH3OH
CH3CH2OH
methanol methylalkohol
ethanol ethylalkohol
Br
OH
propan-1-ol propylalkohol
OH
OH
propan-2-ol isopropylalkohol
CH2OH CH2OH
OH
OH
HO
OH
HO
propan-1,2-diol benzylalkohol CH2OH 3-bromcyklopent-3-en1,4-bis(hydroxymethyl)benzen -1,2-diol OH
OH OH
HO
resorcinol
OH
glycerol propan-1,2,3-triol
OH
H 3C
OH
pyrokatechol
OH
OH
OH
OH
fenol
5-methylbut-1-en-3-ol
hydrochinon
p-kresol
OH
CH3 OH
HO
1-naftol α-naftol
1-methyl-2-naftol
CH2OH
3-hydroxymethyl-2-methylencyklohexan-1-ol
11
OH
4,4´-dihydroxybifenyl
2 2.3.Ethery R-O-R´´ Podle radikálového principu, který se používá zejména u jednodušších etherů, se název sestaví spojením názvů příslušných radikálů a skupinového názvu ether. Podle substitučního principu se jeden z uhlovodíkových zbytků (s delším řetězcem) zvolí za hlavní uhlovodíkový řetězec, název druhého radikálu se přiřadí jako předpona s příponou -oxy před název hlavního uhlovodíkového řetězce. V některých případech se názvy alkoxylů zkracují (např. ethoxy místo ethyloxy, fenoxy místo fenyloxy). Kyslíkový atom vázaný na dva uhlíky, které spolu buď sousedí, nebo jsou součástí cyklu, se označuje předponou epoxy-, před níž jsou uvedena čísla uhlíků, na něž je kyslíkový atom navázán. Názvy cyklických etherů vycházejí z názvosloví heterocyklů. Pro některé látky s větším počtem etherových vazeb je možné využít záměnného nomenklaturního principu, při němž se formálně nahradí kyslíkové atomy skupinami –CH2-, pojmenuje se takto odvozený uhlovodík a polohy atomů kyslíku se vyznačí číslovkami a předponou oxa- před názvem odvozeného uhlovodíku. Používá se také triviálních názvů. O
O
diethylether
Cl
Cl
O
ethylvinylether
O
methoxybenzen anisol
2-methoxy-3-fenylbutan O
OH
O
O
9,10-dihydro-9,10-epoxyanthracen
fenyloxiran
O
oxolan tetrahydrofuran
Cl
O
O O
O
O
O
methylpropylether 1-chlor-2,3-epoxypropan methoxypropan bis(chlormethyl)ether epichlorhydrin
O
O
O
O
1,4-dioxan
methylendioxybenzen
2-ethoxyethanol
2,4,6-trioxaheptan
2 2.4 Sloučeniny síry 2.2.4.1. Thioly R-SH Thioly mají podobné názvosloví jako hydroxyderiváty. Pokud je –SH skupina hlavní skupinou, připojuje se k názvu příslušného uhlovodíku přípona –thiol. V případě, že –SH skupina není hlavní skupinou, používá se k jejímu označení předpony sulfanyl-. Při použití radikálově funkčního principu se k názvu uhlovodíkového zbytku připojí přípona –hydrosulfid. K pojmenování sirných analog fenolů se použije název fenolu s předponou thio-. SH
HS
OH
SH
butan-2-thiol 2-butylhydrosulfid
thiofenol benzenthiol
2-sulfanylethanol
HS
HS
SH
ethan-1,2-dithiol
SH
cyklohexan-1,4-dithiol
2.2.4.2. Sulfidy R-S-R´ a disulfidy R-S-S-R´ Názvy těchto látek se tvoří analogicky jako názvy etherů, a to buď s použitím předpony alkylthio- resp. arylthio-, před názvem uhlovodíku, nebo se podle radikálově funkčního názvosloví připojí k názvu obou radikálů skupinová koncovka –sulfid. Pro pojmenování sirných analog epoxidů se používá předpony epithio-. Obdobně jako u etherů lze použít také záměnného názvosloví, a to s předponou thia-. Analogicky se tvoří názvy disulfidů a polysulfidů, pouze předpona thio- se mění na dithio- resp. obecně polythio- a skupinová koncovka na –disulfid až –polysulfid. S S
ethylmethylsulfid S
S
bis(2-methylfenyl)sulfid
S
S
S
S
dimethyldisulfid 2,4-dithiapentan 2-methylthionaftalen
S
S
S
ethylmethyltrisulfid
2,3-epithiopentan
2.2.4.3. Kyseliny sulfonové R-SO3H, sulfinovéR-SO2H a sulfenové R-SOH Názvy sulfonových kyselin se tvoří podle substitučního principu připojením koncovky –sulfonová kyselina k názvu základní sloučeniny. Názvy sulfinových a sulfenových kyselin se tvoří obdobně. Jestliže skupina –SO3H není hlavní skupinou (např. za současné přítomnosti karboxylové skupiny – viz dále), používá se k jejímu označení předpony sulfo-.
12
SO2H SO3H
CH3SOH
benzensulfonová kyselina
SO3H
methansulfenová kyselina
butan-2-sulfinová kyselina
cyklohex-1-en-1-sulfonová kyselina
2.2.5. Sloučeniny dusíku 2.2.5.1. Nitroderiváty R-NO2 a nitrosoderiváty R-NO Pro pojmenovávání nitroderivátů a nitrosoderivátů se používá pouze předpony nitro- resp. nitrosopřed názvem matečné sloučeniny. NO2
NO2 NO2
NO OH
nitropropan
NO2
OH
1-nitropropen
2-nitropropan NO2
2,6-dinitrofenol
1-nitroso-2-naftol α-nitroso-β-naftol
2.2.5.2. Aminy a jejich deriváty R-NH2 Aminy jsou deriváty amoniaku, ve kterém jsou jeden, dva nebo tři vodíky nahrazeny alkyly nebo aryly. Podle tohoto kriteria se rozlišují aminy primární R-NH2, sekundární RNHR´ a terciární RN(R´)R´´. V jednoduchých případech se k pojmenování aminů používá většinou radikálového principu se skupinovou koncovkou –amin. U složitějších látek (např. u diaminů) je možno skupinový název –amin připojit k názvu matečné sloučeniny. Symetrické sekundární a terciární aminy se tvoří číselnou předponou di- event. tri- před názvem radikálu a koncovou –amin. Nesymetrické sekundární a terciární aminy se pojmenovávají jako Nsubstituované produkty primárního aminu. Je také možno použít záměnného nomenklaturního principu s použitím předpony aza- před názvem uhlovodíku odvozeným od celkového počtu členů řetězce (včetně dusíkových atomů). Není-li aminoskupina hlavní funkční skupinou, používá se k jejímu označení předpony amino-. U aminů se setkáváme s celou řadou běžně používaných triviálních názvů, např. místo fenylamin se používá název anilin. Pro deriváty hydrazinu se používá skupinové koncovky –hydrazin. Soli a hydroxidy obsahující čtyřvazný dusík se pojmenovávají jako substituovaná amoniová sůl (resp. hydroxid). 1
H2N
NH2
propan-1,3-diamin trimethylendiamin
NH2
ethylamin
1-ethylbutylamin
NH2
(CH3)3N N H
trimethylamin
N-ethylcyklopentylamin
CH3 N H
NH2
anilin
NHCH3
CH3
N
NHOH
CH3
4-methyl-2,4-diazahexan 2-methyl-N-methylanilin
o-toluidin H N
N(CH3)2
NHNHCH3
N H
N,N-dimethyl-2-naftylamin
NH2
fenylhydroxylamin
N-fenyl-N´-methylhydrazin
hydrazobenzen
(C2H5)4N+ Cltetraethylamoniumchlorid
OH H2N
OH
2-aminoethanol
H2N
SO3H
sulfanilová kyselina
H2N
COOH
p-aminosalicylová kys.
H2N
NH2
benzidin
2.2.6. Karboxylové kyseliny a jejich funkční deriváty 2.2.6.1. Karboxylové kyseliny R-COOH Karboxylové kyseliny jsou charakterizovány přítomností skupiny –COOH v molekule a podle počtu těchto skupin rozeznáváme kyseliny monokarboxylové, dikarboxylové atd. Značná část karboxylových kyselin má triviální názvy, z nichž některé (pro alifatické kyseliny) jsou uvedeny v následující tabulce. Triviální názvy některých aromatických karboxylových kyselin budou uvedeny dále u příslušných vzorců:
13
Triviální názvy některých alifatických karboxylových kyselin mravenčí CH2=CH-COOH octová CH2=C(CH3)-COOH propionová CH3CH=CHCOOH máselná CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH isomáselná CH≡CCOOH valerová HOOCCOOH kapronová HOOCCH2COOH enanthová HOOC(CH2)2COOH kaprylová HOOC(CH2)3COOH pelargonová HOOC(CH2)4COOH kaprinová HOOC(CH2)5COOH palmitová HOOC(CH2)6COOH stearová HOOC(CH2)7COOH
HCOOH CH3COOH CH3CH2COOH CH3(CH2)2COOH (CH3)2CHCOOH CH3(CH2)3COOH CH3(CH2)4COOH CH3(CH2)5COOH CH3(CH2)6COOH CH3(CH2)7COOH CH3(CH2)8COOH CH3(CH2)14COOH CH3(CH2)16COOH
akrylová methakrylová krotonová olejová propargylová šťavelová malonová jantarová glutarová adipová pimelová korková azelaová
U většiny karboxylových kyselin je karboxylová skupina hlavní skupinou a vyjadřuje se příponou –anová kyselina, která nahrazuje příponu –an v názvu uhlovodíku o stejném počtu uhlíkových atomů jako má příslušná kyselina. Číslování alifatické kyseliny se musí upravit tak, aby karboxylová skupina měla nejnižší číselné označení bez ohledu na číslování matečné sloučeniny. Druhou možností, jak pojmenovat karboxylovou kyselinu podle substituční nomenklatury, je použití koncovky –karboxylová kyselina, která se připojuje za název matečné sloučeniny. Uhlík karboxylové skupiny se v tomto případě nečísluje. Přednost má první způsob názvosloví, druhý způsob se používá zejména u cyklických sloučenin. Jestliže není karboxylová skupina hlavní skupinou, nebo je součástí složeného substituentu, používá se k jejímu označení předpony karboxy-. Používání uvedených principů k pojmenování karboxylových kyselin je zřejmé z následujícího schématu. COOH
COOH
COOH
2
COOH
COOH
benzoová kyselina
ftalová kyselina
5
HOOC
4-methylpent-3-enová kyselina
Cl
COOH
H3C
pent-2-en-1,5-diová kyselina H2 N
HOOC
COOH
COOH
4-methylcyklohexankarboxylová kyselina COOH
COOH
2,3-dichlorpropanová kyselina
COOH COOH COOH
1
COOH
Cl
hexanová kyselina
tereftalová kyselina
isoftalová kyselina
1
3
HOOC COOH
1
COOH
3
COOH
α-aminopropionová kyselina (alanin)
3-(karboxymethyl)hex-3-en-1,7-diová kyselina
naftalen-1,2,8-trikarboxylová kyselina O
COOH
O
3,4-methylendioxybenzoová kyselina
2.2.6.2. Acylhalogenidy R-COX K pojmenování acylhalogenidů, u kterých je hydroxyl v karboxylové skupině nahrazen příslušným halogenidem, je možno použít opisných názvů, jako např. chlorid hexanové kyseliny, dichlorid jantarové kyseliny a pod. Jinak se názvy acylhalogenidů tvoří tak, že se k názvu acylu přidá název halogenidu. Acyl je jednovazný radikál, který vznikne odtržením hydroxylové skupiny z karboxylové skupiny kyseliny. Jeho název se tvoří záměnou zakončení –ová kyselina za koncovku –oyl. Např. chlorid kyseliny octové je acetylchlorid, bromid kyseliny propionové propionylbromid, jodid kyseliny benzoové benzoyljodid, chlorid kyseliny pent-2-en-1,5diové pent-2-en-1,5-dioylchlorid. Triviální názvy acylů, které jsou u nižších acylů preferovány, jsou však odvozeny z latiny a proto se v některých případech nekryjí s názvem, který bychom odvodili z českého kmenu názvu kyseliny. Např. acyl odvozený od kyseliny mravenčí je formyl, od kyseliny propionové propionyl, od kyseliny máselné butyryl, od kyseliny šťavelové oxalyl, od kyseliny malonové malonyl, od kyseliny jantarové sukcinyl atd. Používá-li se názvosloví s koncovkou –karboxylová kyselina, mění se u příslušného acylu koncovka na –karbonylhalogenid. Je-li přítomna skupina, která má přednost před acylhalogenidovou skupinou, použije se předpony halogenkarbonyl-. COCl
pent-3-enoylchlorid
COF
benzoylfluorid
COBr
cyklohexankarbonylbromid
14
ClOC
COOH
chlorkarbonyloctová kyselina
COI O
cyklopropoxyacetyljodid
2.2.6.3. Anhydridy (R-CO-O-COR´) a estery (R-COOR´) karboxylových kyselin Pro pojmenování anhydridů, ve kterých je formálně vodíkový atom karboxylové skupiny nahrazen acylem jiné nebo stejné kyseliny, se většinou používá opisného názvu (např. anhydrid kyseliny octové, anhydrid kyseliny máselné, smíšený anhydrid octové a propionové kyseliny). Běžně se však používají také názvy vytvořené k kmene názvu příslušného acylu a koncovky –anhydrid, např. acetanhydrid, sukcinanhydrid, ftalanhydrid. Estery kyselin se dají pojmenovat opět opisným názvem (např. methylester kyseliny octové, fenylester kyseliny benzoové), nebo zaměníme koncovku –ová kyselina u matečné kyseliny koncovkou –an alkylnatý (např. octan ethylnatý, benzoan fenylnatý). Třetí možností je spojení předpony označující radikál vázaný na kyslíku s kmenem mezinárodního názvu kyseliny a koncovkou –át (např. ethylacetát, fenylbenzoát). Jestliže je v molekule jiná hlavní skupina, vyjádří se esterová skupina předponou acyloxy- nebo alkoxykarbonyl- (viz příklady). O
CH3CO-O-COCH3 anhydrid kyseliny octové, acetanhydrid
O
O
O
O
COOH
O COOCH3
ethylester kyseliny octové, octan ethylnatý, ethylacetát
smíšený anhydrid kyseliny benzoové a propionové
O
anhydrid kyseliny jantarové, sukcinanhydrid
O
O
C2H5OOC
O
4-acetoxymáselná methylester kyseliny cyklokyselina pent-2-enkarboxylové, cyklopent-2-en-karboxylan methylnatý
COOH
3-ethoxykarbonylpropionová kyselina
2.2.6.4. Amidy R-CO-NR´R´´ a nitrily R-C≡N karboxylových kyselin Názvy amidů kyselin se odvozují od názvu acylu přeměnou koncovky –yl nebo –oyl na koncovku –amid. Jestliže je použito názvosloví kyselin s koncovkou –karboxylová, mění se koncovka na –karboxamid. Pokud jde o amidy substituované na dusíku, tj. sekundární či terciární, předřazuje se vlastnímu názvu název substituentu s prefixem N- (pokud by název nebyl bez tohoto označení jednoznačný). Formální obdobou cyklických anhydridů jsou imidy, jejichž názvy se tvoří náhradou koncovky –karboxylová kyselina za koncovku – karboximid resp. koncovky –ová kyselina za koncovku –imid. Nitrily, u kterých jsou karbonylová i hydroxylová skupina formálně nahrazeny trojně vázaným dusíkem, se pojmenovávají tak, že se připojí koncovka –nitril k názvu uhlovodíku se stejným počtem uhlíkových atomů, nebo se změní koncovka –yl nebo –oyl v triviálním názvu odpovídajícího acylu za koncovku –nitril. Při použití koncovky –karboxylová kyselina pro název kyseliny z níž je odvozen nitril, mění se tato koncovka u nitrilu na koncovku –karbonitril. Nitrily lze však pojmenovat také podle radikálového principu spojením názvu radikálu s funkčním názvem –kyanid (např. methylkyanid). Skupina -C≡N se dá také vyjádřit předponou kyano-. NHCOCH3
CH3CONH2
CONH2
CONH2
acetamid
CONH2
pentanamid
CH3CONHCH3
benzamid
N-methylacetamid O
O
O N
COOH
cyklopentankarboxamid
HCON(CH3)2 dimethylformamid
o-acetamidobenzoová kyselina
O CN
CH3
CH3 CH3
N-acetyl-N-methyl-2-methylbenzamid
N
NH
O
O
cyklohexan-1,2dikarboximid
CH3
N-methylmaleinimid
pentannitril
CN
akrylonitril (vinylkyanid)
CN CH2CN
cyklohexankarbonitril
benzylkyanid
2.2.7. Aldehydy R-CHO a ketony R-CO-R´ Obě skupiny látek obsahují karbonylovou skupinu C=O, na kterou je u aldehydů vázán alkyl (aryl) a vodík, u ketonů pak dva alkyly, aryly, nebo alkyl a aryl. U aldehydů se používá velice často triviálních názvů, které jsou odvozeny od kmene mezinárodního triviálního názvu příslušné kyseliny přidáním koncovky –aldehyd (formaldehyd, acetaldehyd, benzaldehyd apod.). Racionální názvy aldehydů se tvoří přidáním koncovky –al k názvu uhlovodíku se stejným počtem uhlíkových atomů. U sloučenin, ve kterých je aldehydická skupina připojena na cyklus, se použije koncovky –karbaldehyd. Jestliže skupina aldehydická není hlavní skupinou, používá se k jejímu označení předpony formyl-.
15
Názvy ketonů se tvoří koncovkou –on nebo předponou oxo-. Je-li jedním z radikálů na oxoskupině benzen nebo naftalen, tvoří se název přidáním koncovky –ofenon (resp. –onafton) ke kmeni mezinárodního triviálního názvu kyseliny odpovídající připojenému acylu. K tvorbě názvů jednoduchých ketonů se vesměs používá radikálově funkční názvosloví se skupinovou koncovkou –keton. H-CH=O formaldehyd
CHO
COOH
CHO OHC
CHO
NO2
akrylaldehyd o-nitrobenzaldehyd
NH2
2-aminocyklohexankarbaldehyd
CHO CHO
3-methylpentandial O
COR
O O
propanon dimethylketon (aceton)
2-formylbenzoová kyselina
COCl
O
but-3-en-2-on methylvinylketon
O
cyklohexan-1,2-dion
2-oxobutanoylchlorid
R = CH3: acetofenon R = C6H5: benzofenon
3. Faktory ovlivňující kovalentní vazbu Kovalentní vazba vzniká překryvem atomových orbitalů (s opačným spinem) za vzniku molekulového orbitalu. Každá molekula je tedy souborem atomových jader, v němž jsou v molekulovém orbitalu soustředěny elektrony patřící molekule. Počet kovalentních vazeb, kterými se atom může zapojit do sloučeniny, je dán počtem jeho nespárovaných elektronů. Atomy uhlíku mají elektronovou konfiguraci 1s22s22p2, víme však, že atomy uhlíku jsou ve sloučeninách čtyřvazné a všechny vazby např. v molekule methanu jsou rovnocenné. Z přednášek z obecné chemie víme, že tato skutečnost je způsobena hybridizací, kdy kombinací několika atomových orbitalů (AO) se vytvoří energeticky rovnocenné hybridní atomové orbitaly (HAO), které tvoří vazby překryvem s AO nebo HAO druhého atomu. Z HAO se tvoří jen vazby σ, zatímco překryvem původních AO se tvoří vazby π nebo nevazebný MO (n elektrony). V případě molekuly methanu dochází k překryvu čtyř hybridních AO typu sp3 (jejichž osy směřují do vrcholů pravidelného tetraedru) s orbitaly s vodíku a vznikají tak čtyři rovnocenné vazby σ, mezi nimiž je valenční úhel 109°28´ a celkový počet elektronů ve valenční vrstvě je 8. Vznik molekuly ethylenu lze vysvětlit uplatněním hybridizace sp2. Celkem 6 hybridních AO sp2 dvou atomů uhlíku se překrývá jednak vzájemně, jednak se čtyřmi atomy vodíku, čímž je umožněn vznik čtyř vazeb σC-H a jedné vazby σC-C. Překryvem původních nehybridizovaných AO 2pz dvou atomů uhlíku vzniká MO typu π. Tento stav vyjadřujeme ve vzorci dvojnou vazbou, která je tvořena jednou vazbou σ a jednou vazbou π. Všechny atomy leží v jedné rovině, valenční úhel je 120° a nejvyšší hustota π-elektronů je nad a pod rovinou molekuly. Třetí možnost hybridizace AO atomu uhlíku je taková, že dochází ke vzniku dvou hybridních AO typu sp. Tyto se překrývají s orbitaly s atomu vodíku a s původním orbitalem p druhého atomu uhlíku, čímž se umožňuje vznik dvou vazeb σC-H a jedné vazby σC-C. Zbývající dva nehybridizované AO typu p se překrývají se stejnými orbitaly druhého atomu uhlíku, což ve vzorci znázorňujeme trojnou vazbou, tvořenou jednou vazbou σ a dvěma vazbami π. V molekule acetylenu CH≡CH leží všechny atomy na jedné přímce, dva π-orbitaly leží ve dvou vzájemně kolmých rovinách a vzájemně se překrývají, takže π-elektrony tvoří válcovitý oblak kolem spojnice uhlíkových atomů. Vzdálenost atomů v molekule (délka vazby) je dána požadavkem minimální potenciální energie systému. Dá se vypočítat sečtením kovalentních poloměrů atomů, které jsou pro různé řády vazeb uvedeny v tabulkách. Pro naše účely si stačí zapamatovat že délka vazby se zkracuje s růstem jejího řádu: C-C 0,154 nm, C=C 0,134 nm, C≡C 0,120 nm, délka vazby C-H je 0,107 nm. Vazby mezi různými atomy mají také různý obsah energie. V tabulkách lze nalézt střední hodnoty vazebných energií pro různé typy vazeb, jejichž sečtením lze přibližně vypočítat slučovací tepla látek. Energie vazeb se pohybují v dosti širokém rozmezí cca 80-850 kJ.mol-1, přibližná energie vazby C-C je 347 kJ.mol-1 a vazby C-H 413 kJ.mol-1.
3.1. Polarita vazeb Jestliže jsou vazbou spojeny dva stejné atomy (např. molekula H2), jsou vazebné elektrony rozloženy rovnoměrně a jde o typickou nepolární kovalentní vazbu. Totéž platí i pro symetricky substituovanou vazbu mezi dvěma uhlíkovými atomy (např. vazba mezi dvěma uhlíky v 1,2-dichlorethanu). Jiný případ však nastává, sdílejíli společnou vazbu dva různé atomy. V tomto případě už není sdílený elektronový pár vázán stejně silně k oběma atomům, ale posunuje se blíže tomu atomu, který má větší afinitu k elektronům. Mírou afinity atomů k elektronům je jejich elektronegativita, jejíž hodnota roste u prvků při pohybu zleva doprava a zdola nahoru
16
v periodické tabulce (nezapomeňme, že toto pravidlo neplatí pro vodík, který se svou elektronegativitou 2,1 přibližuje hodnotám elektronegativity například boru (2,0), uhlíku (2,5), fosforu (2,1) nebo síry (2,5), ale i prvkům triád lehkých a těžkých platinových kovů (2,2)). Stav, při kterém nejsou sdílené elektrony vázány k oběma atomům sdílejícím vazbu stejnou silou a dochází tedy k deformaci vazebných orbitalů, označujeme jako polarizaci kovalentní vazby. Elektrony jsou rozloženy tak, že se těžiště záporného náboje posune blíže k elektronegativnějšímu atomu, takže vznikne permanentní dipól, který lze charakterizovat hodnotou dipólového momentu (součin velikosti a vzdálenosti nábojů, lze najít v tabulkách). Jednotlivé dipólové momenty vazeb se vektorově skládají do celkového dipólového momentu molekuly. Molekuly s vysokou hodnotou dipólového momentu jsou silně polarizovány, neplatí to však naopak. Např. voda má vysokou hodnotu dipólového momentu a má polární charakter, poněvadž dipólové momenty silně polarizovaných vazeb O-H nemají stejný směr a vektorově se skládají. Na druhé straně např. tetrachlormethan má také silně polarizované vazby C-Cl s vysokou hodnotou dipólového momentu, ale vzhledem k symetrii molekuly je výsledný dipólový moment molekuly nulový. Pro naše účely postačí, jestliže si zapamatujeme, že polarita vazby je určena rozdílem elektronegativit atomů sdílejících vazbu. S růstem rozdílu elektronegativit atomů roste polarita vazby a tím i její iontový charakter. Polaritu vazby znázorňujeme pomocí tzv. zlomkových nábojů, kterými označujeme ve vzorci sloučeniny místa zvýšené (δ-) a snížené (δ+) hustoty elektronů. V některých případech však v molekule můžeme označit některé atomy s neobvyklým počtem vazeb (např. dvojvazný nebo čtyřvazný dusík) skutečným symbolem náboje, tj. + nebo -. Jde o tzv. formální náboje. Například molekulu diazomethanu CH2N2 můžeme znázornit způsobem uvedeným níže. Molekula je navenek elektroneutrální (označujeme ji jako dipolární) a její dipólový moment má jen o něco málo nižší hodnotu než dipólový moment vody. H C
(+) N
(_) N
H
3.2. Substituční efekty Základem většiny organických sloučenin jsou uhlíkové řetězce nebo cykly, na nichž jsou připojeny především vodíkové, ale i jiné atomy. Nasycené uhlovodíky mají pouze vazby C-C a C-H. Vzhledem k nepatrnému rozdílu v elektronegativitě uhlíku a vodíku (0,4) nejsou vazby v uhlovodících téměř vůbec polarizovány a v důsledku toho jsou také velmi málo reaktivní. Připojením atomu s výrazně odlišnou elektronegativitou na některý z atomů uhlíku dojde nejen k polarizaci nově vzniklé vazby, ale polarizují se i sousední vazby a zvyšuje se tak reaktivita molekuly. Nově připojený substituent se vůbec nemusí chemické reakce zúčastnit, ale může působit na reakční centrum na jiném místě molekuly. Způsob, jakým substituent ovlivňuje reakční centrum na jiném místě molekuly, je v podstatě trojí: a) indukční efekt b) konjugační (mezomerní) efekt c) sterický efekt Indukční a mezomerní efekt jsou elektronovými vlivy a jsou aditivní, sterický efekt není aditivní. Zatímco indukční a sterický efekt se uplatňují u všech molekul, mezomerní efekt se uplatňuje pouze u konjugovaných sloučenin. 3.2.1. Indukční efekt Ukázali jsme si, že vazba mezi dvěma atomy s rozdílnou elektronegativitou je polarizována. Posun valenčních elektronů směrem k elektronegativnějšímu atomu se působením indukčního efektu substituentu přenáší na další vazby C-C a C-H, které se také indukovaně polarizují. Síla indukčního efektu výrazně klesá s rostoucí vzdálenosti příslušné vazby od substituentu. Podle toho, jestli substituent svým indukčním efektem snižuje nebo zvyšuje elektronovou hustotu v místě připojení na uhlíkový řetězec, mluvíme o záporném (-I) nebo kladném (+I) indukčním efektu. δδδ+ C
δδ+ C
δ+ C
δCl
δδδC +
-
I efekt
_
δδC
δC
I efekt
_
() ( ) (_) I: -N-R > -O > -S > -C(CH3)3 > -CH(CH3)2 > -CH2CH3 > -CH3 (+) (+) (+) I: -OR2 > NR3 > PR3 > -OR > -SR, -NO2 > -NR2, -F > -Cl > -Br > -I +
Znázornění kladného a záporného indukčního efektu
17
δ+ O-
Kladný indukční efekt vykazují skupiny, které přitahují elektrony slaběji, než je přitahován vodík ve vazbě C-H, u záporného indukčního efektu je tomu obráceně. Důsledkem indukované polarizace sousedních vazeb, vyvolané skupinou nebo atomem se záporným indukčním efektem, je snadnější odštěpení vodíkových atomů (jako H+) z uhlíku na němž je umístěn substituent, tj. zvýšení jejich kyselosti. Zkrácený přehled atomů nebo skupin, vyvolávajících příslušné indukční efekty, je uveden výše. Jak je vidět, nejsilnější efekty vyvolávají elektricky nabité skupiny. Indukční efekt ovlivňuje nejen reaktivitu vazeb, ale i např. selektivitu adicí u nenasycených sloučenin a kyselost karboxylových kyselin: kyselina pKa
HCOOH 3,77
CH3COOH 4,76
(CH3)3CCOOH 5,05
ClCH2COOH 2,86
Cl2CHCOOH 1,29
Cl3CCOOH 0,65
3.2.2. Mezomerní (konjugační, v anglické literatuře resonanční) efekt Jestliže je v sousedství dvojné nebo trojné vazby jiná násobná vazba nebo atom s volným elektronovým párem (nevazebné elektrony n), vzniká tzv. konjugovaný systém, v němž mohou π a n elektrony vzájemně interagovat. Např. v konjugovaném systému dvojných vazeb dochází k delokalizaci π-elektronů, čímž se sjednocuje délka vazeb, současně se uvolní mezomerní (konjugační) energie a sníží se energie základního stavu molekuly, tj. zvýší se její stabilita. Obdobný proces nastává i u systémů, ve kterých se do konjugace zapojují atomy nesoucí volný elektronový pár. Molekuly obsahující konjugovaný systém π-elektronů nebo π a n elektronů se dají popsat řadou fiktivních mezních stavů, které se liší pouze rozmístěním těchto elektronů v molekule. V takovém případě se označuje základní struktura molekuly jako mezomerní. Mezní struktury mohou být energeticky rovnocenné (např. u benzenu nebo acetátového iontu), nebo se od sebe energeticky liší (např. u chlorbenzenu): H
H H
H
H
H
H
H
O
H H
H
H
H
O
H H
O
H
O
H
H
ekvivalentní mezní stavy Cl
Cl H
H
H
H
H
H
H
H
H
Cl
Cl
H
H H
Cl
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H H
neekvivalentní mezní stavy Mezomerní formy benzenu, acetátového iontu a chlorbenzenu
Energie každého mezního stavu je vyšší než energie mezomerního stavu (ten je energeticky nejvýhodnější) a rozdíl mezi energií energeticky nejvýhodnější mezní struktury a energií mezomerního stavu je označován jako mezomerní energie (je záporná). Energeticky výhodnější mezní stavy (nejmenší obsah energie) se na reálné struktuře resonančního hybridu uplatňují více. Např. u výše uvedeného případu chlorbenzenu jsou energeticky výhodnější první dvě mezní struktury (k vytvoření dalších tří je nutná elektrostatická práce). Skutečný stav molekuly však neodpovídá žádnému z mezomerních vzorců. Při psaní rezonančních vzorců je nutno dodržet oktetové pravidlo, všechny struktury musejí mít stejný počet spárovaných elektronů a mohou se lišit pouze jejich lokalizací. Nesmí se tedy měnit poloha atomů v molekule – to je případ tautomerie (viz dále). Posun elektronů v konjugovaném systému (mesomerní sfekt) obvykle znázorňujeme obloukovitou šipkou, ale můžeme jej vyjádřit i vzorcem naznačujícím sbližování charakteru dvojné a jednoduché vazby (vytečkování vazeb mezi atomy v konjugaci), případně dvěma mezními strukturami. Tím, že π-elektrony jsou mnohem snadněji polarizovatelné než σ-elektrony, je mezomerní efekt mnohem silnější než indukční. S růstem konjugace roste i síla mezomerního efektu. V maximální míře se delokalizace π-elektronů uplatňuje u planárních systémů, např. u aromatických sloučenin.
18
C
C
C
C
C
C +
_
+
M:
_
X
C
C
C
O
X
C
C
C
O -
M efekt
M efekt _
() (+) () (+) O > _ OR > _ OR2, _ S > _ SR > _ SR2, _ NR2 > _ OR > _ F > Cl > _ Br > _I
(+) _ _ M: =NR2 > =NR, =O > =NR > =CR2, =S > =O, =N > = CR
-
Znázornění kladného a záporného mezomerního efektu Kladný mezomerní efekt +M vykazují ty atomy nebo skupiny, které do konjugace poskytují své nevazebné elektrony, např. atomy halogenů. Zkrácený přehled atomů nebo skupin, vyvolávajících příslušné mezomerní efekty, je uveden výše. Mezomerní efekt ovlivňuje reakce v nenasycených systémech, zejména reakce α,βnenasycených karbonylových sloučenin, ale také substituční reakce na aromatických jádrech. Nesmíme ovšem zapomínat, že u všech látek s konjugovaným systémem vazeb se vedle mezomerního efektu uplatňuje současně i indukční efekt a oba tyto elektronické efekty se sčítají.
3.2.3. Hyperkonjugace Tento efekt se vyskytuje u sloučenin, které nesou alkylové skupiny na dvojné vazbě. Na základě naměřeného zkrácení délky jednoduchých C-C vazeb v sousedství násobné vazby se předpokládá konjugace σelektronů vazby C-H s π-elektrony násobné vazby. Velikost hyperkonjugace roste s růstem počtu C-H vazeb v αpoloze k dvojné vazbě, takže je největší pro methylovou skupinu. 3.2.4. Sterický efekt Tento efekt je vyvolán přítomností objemných substituentů v blízkosti reakčního centra, které brání přístupu reaktantu. Jeho účinnost je často až o několik řádů vyšší než účinnost elektronických efektů. Vedle přímého sterického bránění přístupu k reakčnímu centru se sterický sfekt projevuje i ovlivněním mezomerního efektu. Vzájemná interakce dvou substituentů v blízkosti reakčního centra se projeví většinou změnou vazebných úhlů, čímž se naruší planarita kongugovaného systému a sníží se mesomerní efekt.
4. Stereochemie organických sloučenin Stereochemie se zabývá jevy vyplývajícími z prostorového uspořádáním atomů v molekulách látek v kapalném či plynném skupenství, eventuálně v roztoku. Poznali jsme v kapitole 3, že chemická vazba je v prostoru přesně určena směrem a délkou. Již u tříatomové molekuly však přistupuje další faktor, který je nutno vzít v úvahu při popisu prostorového uspořádání molekuly. Je to valenční úhel, který spolu svírají dvě vazby vycházející z jednoho atomu. Tento úhel je charakteristický pro určité typy sloučenin, protože vychází ze symetrie orbitalů. Poznali jsme, že sp3 hybridizované orbitaly uhlíku jsou vzájemně orientovány pod úhlem 109°28´. Tuto hodnotu valenčních úhlů však mají jen nepolární vazby (např. C-C-C). V důsledku různé velikosti a elektronegativity atomů ve sloučeninách se valenční úhel mění. U polárních vazeb (např. C-O-C) je tento úhel asi 112° ,menší valenční úhel než 109° mají vícevazné atomy nebo atomy s velkým kovalentním poloměrem. V podstatě je však možno u většiny různých typů nasycených sloučenin aproximovat model středového atomu vazby pravidelným čtyřstěnem (tetraedrem), v jehož středu je umístěn příslušný atom a z něj vycházejí čtyři vazby do vrcholů tetraedru. V případě třívazných (dusík) nebo dvojvazných atomů je možno si představit, že příslušné vazby vycházejí do tří resp. čtyř vrcholů tetraedru a zbývající vrcholy jsou obsazeny jedním resp. dvěma volnými elektronovými páry. Také vazby vycházející z sp2 hybridizovaného atomu uhlíku nemají vždy vzájemný úhel 120°, ale poněkud se od této hodnoty odlišují podle charakteru atomů na tento uhlík připojených. Ve všech případech lze si však opět model atomů z nichž vychází dvojná vazba představit jako trigonální planární útvar. Modelem atomu z něhož vychází trojná vazba je samozřejmě tyčinka se třemi atomy na jedné přímce. Poznáme však, že ve skutečnosti se v důsledku různých interakcí často vazebné úhly mění tak, že tetraedrický resp. trigonální model atomu se stává jen hrubým přiblížením ke skutečnosti.
19
4.1. Molekulové modely a jejich překreslování Vzájemné spojení atomů do molekuly lze znázornit pomocí různých typů molekulových modelů. Prakticky dnes již nepoužívané jsou tetraedrické modely, znázorněné níže. Např. model ethanu vzniká spojením dvou tetraedrů vrcholy, model ethenu spojením dvou tetraedrů hranou a model acetylenu spojením plochou. Z tetraedrů lze skládat i složitější modely sloučenin, jejich názornost však není příliš vysoká. Výhodnější jsou tzv. drátové modely, u kterých jsou kuličky reprezentující atomy spojeny dráty znázorňující vazby. Na obrázku je znázorněn drátový model ethanu. H
H H
H
H
H
H
H
H
H H H
Tetraedrické modely butanu, butenu a butynu a drátový model ethanu Drátové modely se dají vyrobit velice přesně (např. drahé Dreidingovy modely), ale pro běžné použití postačí „drátové“ modely, které se sestavují z plastových tvarovek znázorňujících atomy, které jsou opatřeny výstupky pro spojování plastovou trubičkou. Jejich výroba je levná, prodávané sady (dodává např. Cochranes of Oxford, Ltd) obsahují velké množství atomů různých typů a jejich přesnost je pro běžné účely postačující. Jednotlivé atomy se dají otáčet kolem spojnice, což umožňuje nastavovat různé relativní polohy všech atomů molekuly. Spojení dvou tvarovek s trigonálním uspořádáním (dvojná vazba) lze zablokovat proti otáčení. Společnou nevýhodou drátových modelů je fakt, že sice umožňují dobrou představu o rozložení atomů a vazeb v prostoru a vznik pnutí v cyklických systémech, dávají však špatnou představu o skutečném zaplnění prostoru. Skutečné objemy molekul dobře znázorňují tzv. kalotové modely, které se sestavují z kulových segmentů. Jsou drahé a používají se spíše v biochemii pro znázornění prostorových struktur bílkovin a nukleových kyselin. Molekulové modely dávají velice jasnou představu o tom, jak jsou atomy molekuly rozloženy v prostoru. Pro grafický zápis struktury však musíme mít k disposici nějaký postup, jehož pomocí převedeme trojrozměrný model do dvourozměrného zobrazení. Prostorové uspořádání molekuly lze znázornit perspektivní projekcí. Aby byl obrázek jednoduchý a srozumitelný, znázorňujeme většinou jen tu část molekuly, která nás ze stereochemických důvodů zajímá, zbytek molekuly znázorníme souhrnnými symboly. Nejčastější způsob perspektivní projekce modelu spočívá v tom, že se díváme na model pod určitým vhodným úhlem a znázorníme jeho průmět do roviny nákresny (vlevo na následujícím obrázku). Na model se však můžeme dívat i ve směru kolmém na rovinu vazby mezi dvěma atomy. Pak v rovině nákresny leží průmět tří vazeb spojujících 4 atomy, zbývající čtyři atomy (substituenty) směřují za nebo pod tuto rovinu. Směr vazeb k těmto atomům znázorníme klínkem, jestliže směřují nad rovinu nákresny (směrem k pozorovateli), resp. čárkovaně, jestliže směřují pod rovinu nákresny. Model však můžeme pozorovat i ve směru vazby spojující dva atomy. Pak se její průmět stane bodem, z něhož vychází šest vazeb. Tři vazby v popředí znázorníme plnými čarami, tři vazby v pozadí pak znázorníme částečně skryté za kruhovou plochou, která leží mezi bližším a vzdálenějším atomem pozorované vazby a její rovina je kolmá na směr této vazby. Tato tzv. Newmannova projekce dává velmi dobrou představu o vzájemné poloze atomů na pozorované vazbě a je uvedena vpravo na následujícím obrázku. Cl
H
CH3
CH3 H
CH3
CH3
Cl
Cl
H CH3
H
Cl
H
H
Cl
Cl CH3
Různé způsoby prostorového znázornění molekuly 2,3-dichlorbutanu 4.2. Konformace a konfigurace V důsledku volné rotace kolem jednoduchých vazeb může teoreticky nastat nekonečné množství různých vzájemných prostorových uspořádání atomů uvnitř molekuly. Tato různá prostorová uspořádání atomů označujeme jako konformaci molekuly. Ve skutečnosti je počet možných konformací omezen v důsledku vzájemného přitahování nebo odpuzování atomů v molekule a molekula obvykle zaujme konformaci charakterizovanou minimem potenciální energie. Poněvadž však energetické bariéry mezi jednotlivými pravděpodobnými konformacemi jsou malé, může molekula přecházet plynule do různých konformačních stavů, které jsou ve vzájemné rovnováze. Všechny tyto stavy představují jediné chemické individuum a jednotlivé
20
konformery nelze izolovat. V některých případech (zvláště u cyklických sloučenin) však může být molekula natolik rigidní, že určitá konformace je jednoznačně preferována a nemůže přejít na jinou. V tomto případě se pak termín konformace přibližuje termínu konfigurace. Konfigurace popisuje jednoznačný způsob prostorového uspořádání atomů v molekule. Jedna a tatáž sloučenina se stejným strukturním vzorcem (resp. stejným průběhem vazeb mezi atomy) se může vyskytovat v různých konfiguracích, které se od sebe liší prostorovou orientací atomů. Takto vzniklé konfigurační isomery (stereoisomery) na sebe nemohou vzájemně přecházet, aniž by došlo k přerušení a znovuvytvoření chemické vazby. V podstatě rozeznáváme dva druhy stereoisomerie, a to geometrickou a optickou (viz dále).
4.3. Konformace alifatických a alicyklických sloučenin Jednoduchý příklad možných konformačních stavů představuje molekula butanu. Rotací kolem vazby mezi druhým a třetím uhlíkem projde molekula nekonečným množstvím různých konformací, které se však liší hodnotou potenciální energie v důsledku vzájemného odpuzování atomů, které nejsou vzájemně vazebně spojeny. CH3 H H
H H
CH3
H3C CH3 H
H H
H H3C
I (180°)
H H H
H H3C
H HH
H CH3
H3C H
HCH3
H H
H CH3
II (120°, 240°)
H H
H H
H3C
H H3C
III (60°, 300°)
H3C
H CH3 H
H H
H H
H3CCH3
IV (0°, 360°)
Mezní konformace butanu Průběh energetických změn při otáčení molekuly butanu kolem vazby C2-C3 se dá vyjádřit jednoduchým diagramem:
Závislost potenciální energie molekuly butanu na konformaci (hodnotě torsního úhlu) Energetická maxima a minima na křivce odpovídají různým konformacím, které lze charakterizovat velikostí torsních úhlů, které svírají vazby vedoucí k substituentům. Minimální hladina potenciální energie odpovídá stavu I (180°), ve kterém jsou od sebe velké substituenty maximálně vzdáleny a jsou v tzv. antiperiplanární poloze. Nejvyšší potenciální energii má molekula při torsním úhlu 0° (tzv. syn-periplanární poloha substituentů, IV), kde dochází k největším sterickým interakcím. Při vzájemném pootočení substituentů o 60° resp. 300° je hladina potenciální energie o něco nižší (syn-klinální poloha, III), dvě minima na křivce při torsním úhlu 120°resp. 240° odpovídají tzv. anti-klinální poloze substituentů (II). Ze vzorců je zřejmé, že s přibližováním velkých skupin k sobě rostou jejich vzájemné interakce (Pitzerovo napětí) a tím i potenciální energie daného konformačního stavu. Nejvíce preferovány budou konformace s nejnižší potenciální energií, energetické rozdíly mezi jednotlivými konformery jsou však malé (asi 18 kJ.mol-1)a skutečný stav molekuly je dán rovnováhou mezi nimi. U alicyklických sloučenin dochází se vznikem kruhu k růstu rigidity systému a značně se tak omezí počet možných konformací. Příkladem je molekula cyklohexanu, kterou je možno znázornit dvěma konformačními formami – židličkovou (A) a vaničkovou (B). U obou forem neexistuje žádné napětí, které by vyplývalo z deformace valenčních úhlů (Baeyerovo napětí). Vaničková forma je však energeticky bohatší (o 23 kJ.mol-1) a tedy nestabilnější a méně pravděpodobná než židličková, a to v důsledku Pitzerova napětí vyvolaného interakcí atomů v syn-periplanárních polohách. Proto také má za normálních podmínek většina molekul cyklohexanu židličkovou konformaci. V této konformaci vždy tři a tři nesousední atomy uhlíku leží ve dvou paralelních rovinách, které se dají aproximovat jedinou rovinou kruhu. Vazby vycházející z atomů uhlíku mají vůči této rovině různou prostorovou orientaci. Na každém uhlíku je jedna vazba, která je k této rovině kolmá (axiální vazba a) a jedna vazba, která je s touto rovinou téměř paralelní (ekvatoriální vazba e). U samotného cyklohexanu nemá rozlišování těchto vazeb smysl. Jestliže však je na některém uhlíku umístěn substituent, může být buď
21
v axiální nebo ekvatoriální poloze. Ekvatoriální poloha je energeticky výhodnější (např. pro CH3 skupinu o 10 kJ.mol-1), poněvadž dochází k menším interakcím s okolními atomy (menší Pitzerovo napětí). Proto také většina molekul monosubstituovaných cyklohexanů má substituent v ekvatoriální poloze, ale není možno isolovat dva individuální konformační isomery v důsledku existující rovnováhy mezi nimi. K posunu konformační rovnováhy ve prospěch isomeru se substituentem v ekvatoriální poloze dochází s růstem velikosti substituentu. a
e
a
a a e
a
e
e
A
e e
(e)R
a e R(a)
B
a
e
e
e
a
a
e a
a
Židličková a vaničková konformace cyklohexanu U disubstituovaných derivátů cyklohexanu vzroste počet konformačních isomerů na dvojnásobek, poněvadž se současně začne uplatňovat i geometrická cis-trans isomerie (viz dále). Cyklické sloučeniny jsou energeticky bohatší než acyklické. Je to způsobeno jednak Pitzerovým napětím, ale u menších kruhů také Baeyerovým napětím, které vzniká v důsledku deformace valenčních úhlů. Proto jsou tří- a čtyřčlenné kruhy, kde se hodnoty valenčních úhlů drasticky snižují, energeticky hodně bohaté a málo stabilní. U pětičlenného kruhu je deformace valenčních úhlů malá, ale Pitzerovo napětí způsobuje vybočení jednoho nebo dvou uhlíkových atomů z roviny kruhu. Podobně se chová cykloheptan. U větších kruhů (8 - 11 členů) se vedle Pitzerova napětí uplatňují i t. zv. transanulární nevazebné interakce mezi protilehlými částmi kruhu, které se dostávají do vzájemné blízkosti. Kruhy s dvanácti a více uhlíkovými atomy již mají rigiditu sníženou natolik, že mohou vykazovat různé konformace a chovají se téměř jako acyklický řetězec.
Konformace cyklobutanu, cyklopentanu, cykloheptanu a cyklooktanu Polycyklické sloučeniny s jedním nebo více cyklohexanovými kruhy vykazují podobné konformační chování jako cyklohexan. Stabilnější jsou útvary s židličkovou konformací. U nejběžnější látky tohoto typu, bicyklo[0,4,4]dekanu (triviální název dekalin), se může další cyklohexanový kruh připojit tak, že vodíkové atomy v místě připojení jsou vzájemně orientovány cis nebo trans. Může tedy vzniknout cis-dekalin nebo trans-dekalin. U některých polycyklických sloučenin, kde způsob napojení kruhů znemožňuje vytvoření židličkové formy, se jedinou možnou konformací může stát vanička, jako je tomu např. u bicyklo[2,2,2]oktanu:
=
=
=
Konformace cis-dekalinu, trans-dekalinu a bicyklo[2,2,2]oktanu 4.4. Konfigurace Již v úvodu kapitoly 4.2. bylo uvedeno, že konfigurace popisuje jednoznačný způsob prostorového uspořádání atomů v molekule. Na rozdíl od konformerů nemohou konfigurační isomery (stereoisomery) na sebe vzájemně přecházet, aniž by došlo k přerušení a znovuvytvoření chemické vazby, jde tedy o chemická individua. Rozeznáváme konfiguraci relativní (geometrická isomerie) a absolutní (u opticky aktivních látek). 4.4.1. Geometrická isomerie Zatímco u nasycených sloučenin může docházet k volné rotaci kolem jednoduché vazby za vzniku téměř neomezeného počtu konformerů, dvojná vazba u nenasycených sloučenin volnou rotaci neumožňuje. Dva atomy spojené dvojnou vazbu leží v jedné rovině spolu s dalšími dvěma atomy nebo skupinami (substituenty) z nich vycházejícími, valenční úhly jsou přibližně 120°. Proto substituenty na dvou sousedních dvojně vázaných atomech mohou zaujmout dvě různé relativní polohy vůči rovině, která těmito dvojně vázanými atomy prochází a je kolmá na vazby vedoucí k substituentům (referenční rovina). Isomery se stejnými substituenty na stejné straně referenční roviny se označují cis-, v opačném případě trans-, nověji Z nebo E (viz dále).
22
Jestliže je dvojná vazba součástí kruhu, může být v případě malých a středních kruhů tento kruh napojen pouze v uspořádání cis. Konformace nenasycených cyklických uhlovodíků s 3-5 atomy je rovinná, cyklohexen existuje převážně v položidličkové konformaci. Teprve u cyklooktenu se může kruh napojit na dvojnou vazbu v uspořádání cis i trans, přičemž trans-isomer je méně stabilní v důsledku velkého pnutí. Se zvětšováním velikosti kruhu toto pnutí samozřejmě klesá. H3C H
CH3
H3C
H
H
H CH3
Cis- a trans-2-buten, cyklohexen, cis- a trans-cyklookten. U bicyklických sloučenin může dvojná vazba vycházet z místa větvení tehdy, když jsou kruhy napojeny na sousedních atomech. Pokud jsou však oběma kruhům společné více než dva atomy, nemůže podle Bredtova pravidla dvojná vazba vycházet z místa větvení. Přesto byly v 70. letech připraveny (nebo alespoň prokázány jako meziprodukty) níže uvedené sloučeniny, odporující Bredtovu pravidlu:
mohou existovat, stabilní
nestabilní, ale byly popsány Uplatnění Bredtova pravidla
Označování relativní polohy substituentů na dvojné vazbě pomocí afixů cis- nebo trans-, resp. syn- a antije jednoznačné v těch případech, kdy jsou na dvojné vazbě umístěny dva vodíkové atomy. U tri- nebo tetrasubstituovaných olefinů je však toto označování již nejednoznačné a proto je nyní nahrazeno používáním afixů E a Z. Toto označování vychází ze systému R/S podle Cahna, Ingolda a Preloga (viz dále u absolutní konfigurace). Postupuje se tak, že u každé dvojice substituentů vázaných na stejný koncový atom dvojné vazby se určí preferovaný substituent. Preferovaným substituentem je ten atom nebo ten první navázaný atom funkční skupiny, který má vyšší atomové číslo. V případě, že se relativní atomové hmotnosti prvních navázaných atomů shodují, porovnávají se atomy navázané na první atom funkční skupiny, v případě jejich shodnosti pak atomy navázané na druhý atom funkční skupiny atd. Jestliže se prvky liší pouze nukleonovým číslem, má přednost ten, který má nukleonové číslo vyšší. Jestliže leží preferované (nadřazené) atomy nebo skupiny na stejné straně referenční roviny, označuje se příslušný isomer afixem Z, v opačném případě E. Afixy Z nebo E se uvádějí v závorce před názvem sloučeniny. V případě přítomnosti více dvojných vazeb v molekule se posuzuje každá zvlášť a před každým afixem Z nebo E se uvede umístění dvojné vazby: H3C
CH2CH3
H
COOH
H3C
COOH
H3C
CH2Cl
D
CH3
C2H5
Br
C2H5
CH3 COOH
H
(E)-3-(chlormethyl)pent-2-en
(Z)-2-.brom-3-methyl(E)-3-deuterio-2-methyl- pent-2-enová kyselina akrylová kyselina Isomerie Z/E
H3C
H
(2Z,4Z)-3,4,5-trimethylhepta-2,4-dienová kyselina
Ke vzniku geometrické isomerie může docházet nejen u olefinů, ale i u sloučenin, ve kterých dvojná vazba spojuje dva atomy dusíku nebo atom uhlíku a dusíku. U azosloučenin najdeme v literatuře označení synnebo cis- pro isomer mající substituenty na stejné straně referenční roviny dvojné vazby a anti- nebo trans- pro opačný isomer, u oximů pak syn- pro isomer mající atom vodíku a hydroxylovou skupinu na stejné straně referenční roviny dvojné vazby a anti- pro opačný isomer. Nejednoznačnost tohoto označování vyniká zejména u ketoximů a proto se nyní i v těchto případech používá nomenklatury Z/E, přičemž každý substituent na atomu dusíku je nadřazen volnému elektronovému páru, který se ve vzorci nevyznačuje:
23
Ph
Ph
Ph N
N
N
H
H
H
syn-azobenzen cis-azobenzen (Z)-azobenzen
Ph
H
OH
H
N
N
anti-azobenzen trans-azobenzen (E)-azobenzen
OH N
N
H
Ph
H3C
OH
Ph
Ph
anti-benzaldoxim syn-benzaldoxim syn-fenylmethylketoxim (Z)-benzaldoxim (E)-benzaldoxim anti-methylfenylketoxim (Z)-fenylmethylketoxim (Z)-acetofenonoxim
Používání předpon cis- a trans- pro rozlišení geometrických isomerů zůstává nyní vyhrazeno pouze pro cyklické systémy. Poněvadž u těchto systémů je podobně jako u olefinů vyloučena volná rotace kolem vazeb spojujících atomy kruhu, existují u jejich disubstituovaných derivátů dva geometrické isomery. Substituenty jsou uloženy nad nebo pod rovinou kruhu, jeden isomer nelze převádět na druhý bez přerušení chemických vazeb. CH3
CH3
CH3
H3C H3C
CH3
CH3
trans-1,2-dimethylcyklobutan CH3
CH3
CH3 CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
trans-1,3-dimethylcyklopentan CH3
CH3
trans-1,4-dimethylcyklohexan
CH3 CH3 H3C
CH3 CH3
CH3 CH3
cis-1,3-dimethylcyklobutan
cis-1,3-dimethylcyklopentan
cis-1,4-dimethylcyklohexan
Cis a trans-isomery disubstituovaných cykloalkanů Obdobná cis-trans isomerie je možná i u kruhů obsahujících jiné atomy než jen uhlík, jak poznáme později např. u sacharidů. Je nutné si však uvědomit, že jde pořád jen o relativní konfiguraci. Principiálně existují vždy dva konformery v židličkové a dva ve vaničkové formě, z nich v rovnovážné směsi převažuje ten, který má židličkovou konformaci a větší substituent má umístěn v ekvatoriální poloze. Např. u trans-1,4dimethylcyklohexanu lze rovnováhu mezi dva konformery v židličkové formě znázornit takto: H3C CH3
CH3
H3 C CH3
CH3
CH3
CH3
identický zápis
diaxiální
diekvatoriální
Rovnováha mezi konformery trans-1,4-dimethylcyklohexanu v židličkové formě
4.4.2. Optická isomerie Již v polovině 19. století byly známy tzv. opticky aktivní látky, které stáčejí rovinu kmitů polarizovaného světla. U krystalů může optická aktivita souviset s jejich krystalovou mřížkou a zaniká po roztavení nebo rozpuštění. To je celkem běžný jev u anorganických látek. Některé organické látky si však zachovávají optickou aktivitu i v roztoku nebo v tavenině. Je tedy zřejmé, že jejich optická aktivita musí souviset se stavbou jejich molekuly. Látky, jejichž stavba molekuly je nesymetrická, se mohou vyskytovat ve dvou prostorově odlišných formách (enantiomerech, ve starší literatuře antipodech), které mají sice stejné složení i stejné relativní rozložení atomů v molekule, ale jsou stereoisomerní - mají se vůči sobě jako pravá ruka k levé (jsou chirální) a zrcadlový obraz jednoho enantiomeru nelze přivést ke krytí s druhým enantiomerem. Oba enantiomery mají stejné fyzikální (např. bod tání, bod varu, hustota, index lomu atd.) i chemické vlastnosti, liší se však biologickou účinností a polarimetrickým chováním. Jeden ze dvou enantiomerů stáčí rovinu kmitů polarisovaného světla doprava a označuje se jako pravotočivý (+), druhý stáčí tuto rovinu o stejný úhel doleva a označuje se jako levotočivý (-). Mírou otáčivosti je tzv. měrná otáčivost, kterou lze nalézt v tabulkách a je dána vzorcem [α]λt = α/c.l, kde α je naměřená hodnota otáčení ve stupních, t je teplota měření, λ vlnová délka, c koncentrace (g/dm3) a l tloušťka kyvety při měření (cm). Jestliže je látka ekvimolární směsí obou enantiomerů, nevykazuje optickou aktivitu a jde o tzv. racemát, který se od enantiomerů liší fyzikálními vlastnostmi. Racemáty lze dělit na čisté enantiomery.
24
Prostorové uspořádání enantiomeru představuje jeho absolutní konfiguraci. Absolutní konfigurace se dá snadno znázornit nakreslením obrazu molekuly v nějaké známé projekci, dlouho však bylo problémem, jak ji vyjádřit lineárním zápisem. Našla se určitá dílčí řešení, např. pro označování absolutní konfigurace sacharidů a α-aminokyselin pomocí symboliky D- a L- ve Fischerově konvenci. Fischerův vzorec musí být vždy napsán tak, aby skupina s nejvyšším oxidačním stupněm byla umístěna nahoře: CHO OH
CHO H
OH
HOH2C
CH2OH
H
HO
H CH2OH
D-(+)-glyceraldehyd COOH H
CH3
H3C
HOH2C
OH
L-(-)-glyceraldehyd COOH
COOH NH2
NH2
CHO H
CHO
pohled ze strany tupého úhlu
H2N
H
CH3
D-(-)-alanin
COOH H
H H3C
L-(+)-alanin
NH2
Na tomto místě je třeba upozornit, že znaménko + nebo – označuje pouze smysl stáčení roviny kmitů polarizovaného světla, ale nesouvisí s označením absolutní konfigurace, jak ukazují příklady uvedené výše.
4.4.2.1. Cahn-Ingold-Prelogova nomenklatura Problém lineárního zápisu absolutní konfigurace byl definitivně vyřešen teprve nalezením postupu pro specifikaci absolutní konfigurace. Objevili jej Cahn, Ingold a Prelog a je označován jako R/S systém (někdy také populárně jako pravidlo volantu). Postup je dosti složitý, ale zjednodušeně si jej ukážeme na modelech látek s jedním asymetrickým uhlíkovým atomem (uhlíkový atom, z nějž vycházejí čtyři vzájemně se lišící substituenty). V prvé řadě identifikujeme prvek chirality (centrální, axiální a planární chiralita – viz dále). V tomto případě jde o nejběžnější případ centrální chirality, daný asymetrickým atomem uhlíku. Nyní určíme posloupnost čtyř odlišných substituentů na tomto centru chirality, a to na základě klesajících atomových čísel prvků bezprostředně navázaných na asymetrický uhlíkový atom. Jestliže jsou tyto prvky stejné, rozhoduje o pořadí atomové číslo atomů na ně navázaných atd., jak bylo uvedeno v kap. 4.4.1. pro nomenklaturu Z/E. Postup je uveden na obrázku níže. Pokud je prostorové uspořádání atomů znázorněno Fischerovým vzorcem, převede se na perspektivní znázornění. Pak označíme posloupnost substituentů podle výše uvedených zásad. Nejnižším substituentem s číslem 4 je v tomto případě vodík. Následně orientujeme molekulu v prostoru tak, aby nejnižší substituent směřoval za rovinu nákresny. Požadované orientace molekuly dosáhneme snadno dvojí záměnou dvou substituentů. Nyní se podíváme na molekulu ve směru vazby od centra chirality k nejnižšímu substituentu (směr šipky) a představíme si, že tato vazba je hřídelem volantu, zbývající tři vazby tvoří jeho paprsky a substituenty jsou symetricky rozmístěny na obvodu volantu. Volantem otočíme ve směru číselného pořadí substituentů (1→2→3), tj. ve směru klesající posloupnosti. Jestliže musíme otočit volantem ve smyslu otáčení hodinových ručiček, označujeme absolutní konfiguraci symbolem R; jestliže opačně, tak symbolem S. 3 CH3 1 Cl
CH3 H
Cl CH2OH
HOH2C 2
COOH H
NH2 CH2OH
H 4
COOH NH2 HOH2C
H
2 CH2OH H 4 3 H3C Cl 1
2 HOOC
3 CH2OH H 4 NH2 1
(S)-(+)-2-chlorpropan-1-ol
(R)-(-)-2-amino-3-hydroxypropionová kyselina (R)-(-)-serin
Odvození absolutní konfigurace na asymetrickém uhlíkovém atomu
4.4.2.2. Centrální chiralita Výše uvedený příklad sloučenin s asymetrickým atomem uhlíku patří k nejběžnějším případům centrální chirality. Centrem chirality však může být i trojvazný atom se třemi odlišnými substituenty, např. atom dusíku u aminů, atom fosforu a arsenu u fosfanů a arsanů, nebo atom síry u sulfoxidů a sulfoniových solí (fiktivním čtvrtým substituentem je volný elektronový pár), případně kladně nabitý atom se čtyřmi různými substituenty u amoniových, fosfoniových a arsoniových solí. U některých sloučenin může být středem chirality i fiktivní bod, jak ukazuje níže uvedený příklad adamantanu se čtyřmi odlišnými substituenty nebo cis-substituovaných dioxopiperazinů nesouměrných kolem fiktivního středu molekuly:
25
R1
R1
+
X R3
R3
R2
R1
R1
N
R4
R
X
1
O R1
N
S
_
R2
Y
O
R2
R1 =/ R2 =/ R
X = N, P, As
3
=/ R4
H
R2
R4
H
N O
R3
H
Příklady sloučenin s centrem chirality Zatím jsme se zabývali pouze sloučeninami, které obsahovaly v molekule pouze jeden asymetrický uhlík jako centrum chirality. Běžným případem jsou však sloučeniny, které obsahují větší počet asymetrických uhlíků. Takové sloučeniny mají 2n možných optických isomerů (diastereoisomerů), kde n je počet asymetrických uhlíků. Kromě toho mají 2n-1 možných párů enantiomerů a samozřejmě 2n-1 racemátů. Příkladem může být aminokyselina threonin, která má dvě chirální centra a možný počet diastereoisomerů je 4: Tyto diastereoisomery tvoří dvě dvojice enantiomerů: L-threonin a D-threonin, které mají relativní konfiguraci threo-, a L-allo-threonin a D-allothreoninem, které mají relativní konfiguraci erythro-. Pro určení absolutní konfigurace je třeba posuzovat každé centrum chirality (tj. asymetrické uhlíky 2 a 3) samostatně. Podle výše uvedeného postupu překreslíme vzorce z Fischerovy do perspektivní projekce. Jednoduchá šipka ukazuje, kterým směrem se na příslušné centrum chirality díváme: COOH
COOH
H
H2N H
H
OH
COOH
NH2
HO
H
CH3
CH3
L-(-)-threonin
D-(+)-threonin
2 COOH 1´ 3 OH H 2´ 4 H3C H 3´ 3R4´
H2N 1
(2S,3R)-(-)-threonin
H
H
NH2
HO
H
H
OH CH3
L-(+)-allo-threonin
D-(-)-allo-threonin
2S
2R 2 4 H COOH 1´ 3 OH H2N 2´ 1 H3C3´ H 4´ 3R
2 COOH 3 H4´ H 2´ 4 H3C OH 1´ 3´ 3S
2 COOH 3 H 4´
4 H
H2N
CH3
2R
2S
1 H2N
COOH
1 H2N
2´ H3C OH 1´ 3´ 3S
(2R,3S)-(+)-threonin
(2S,3S)-(+)-allo-threonin
(2R,3R)-(-)-allo-threonin
Absolutní konfigurace diastereomerů aminokyseliny threoninu Pak označíme pořadí substituentů (celé druhé centrum chirality se posuzuje jako jeden substituent) a otáčením určíme absolutní konfiguraci na každém centru chirality. Dutá šipka označuje, že se na příslušné centrum chirality modelu díváme zezadu, tj. ve směru vazby od asymetrického uhlíku k vodíkovému atomu jako poslednímu členu posloupnosti a otáčíme tedy „volantem“ v opačném směru než jak se nám jeví na nákresně. Racemáty D,L-, resp. (±) tvoří dvojice L-(-)-threonin s D-(+)-threoninem a L-allo-threonin s D-allo-threoninem, které jsou vzájemně enantiomerní. Dvojice L-(-)-threonin s L-allo-threoninem a D-(+)-threonin s D-allothreoninem jsou vzájemně diastereoisomerní. Obsahuje-li molekula dva nebo více stejných asymetrických uhlíků, pak se počet diastereoisomerů snižuje. Tento případ nastává např. u kyseliny vinné: COOH HO
COOH
H
H
H
OH
HO
CH3
COOH
OH
HO
H
H
OH
H
HO
H
H
OH
CH3
D-(-)-vinná kyselina
CH3
L-(+)-vinná kyselina
CH3
mesovinná kyselina má rovinu symetrie
2R
2S
2 COOH 1´ 3 OH H 3´ 4 HOOC H 2´ 3S 4´
1 HO
4 H
2 COOH 3 H 4´
HO 1 3´ HOOC OH 2´ 1´ 3R
(2S,3S)-(-)-vinná kyselina
COOH
(2R,3R)-(+)-vinná kyselina
Absolutní konfigurace diastereomerů kyseliny vinné
26
Threo-isomery jsou nesymetrické (chirální) a tvoří dvojici enantiomerů – D-(-)-vinnou a L-(+)-vinnou kyselinu. Jejich ekvimolární směs je racemát. Druhé dvě dvojice vzorců s erythro-konfigurací mají rovinu symetrie a tvoří pouze jednu tzv. meso-formu, která se nedá štěpit na enantiomery.
4.4.2.3. Axiální a planární chiralita, helicita Méně obvyklé než sloučeniny s centrální chiralitou jsou sloučeniny s axiální chiralitou a planární chiralitou. Molekuly s axiální chiralitou mají osu chirality, která má jeden rozměr. Proto musí existovat rozdíly ve zbývajících dvou rozměrech, aby byla molekula chirální. Příkladem jsou nesymetricky substituované alleny, alkylidencykloalkany, spirany a nesymetricky substituované biaryly. Poslední uvedený případ optické isomerie je označován jako atropoisomerie a je způsoben přítomností velkých substituentů v poloze ortho, které zabraňují volné rotaci kolem vazby spojující dvě arylové skupiny. Pokud jsou však oba aryly substituovány symetricky, útvar není chirální. HOOC 1
3
R
C R2
C
1
3
1
R
R
R
R
R4
R2
R4
R2
CH3
HOOC
COOH
HOOC
COOH
3
R
C
alleny
R4
spirany
alkylidencykloalkany
CH3 COOH
4 R1 =/ R2, R3 =/ R
je chirální
není chirální
Příklady axiální chirality Sloučeniny s planární chiralitou mají rovinu chirality a k existenci enantiomerů stačí rozdíl v rozložení atomů v jednom směru (nad a pod rovinou). Příkladem jsou trans-cykloalkeny s počtem 8 a více atomů uhlíku v kruhu (n ≥ 6), tzv. ansasloučeniny (n = 8 - 9) a ) nebo paracyklofany (n = 2 – 3), u kterých alifatický kruh brání protočení dvojné vazby nebo aromatického jádra a vytvoření symetrické formy: (CH2)n
H
(CH2)n
H
O
(CH2)n
O
(CH2)n
COOH
trans-cykloalkeny
ansaslouceniny
p-cyklofany COOH
Posledním zde uváděným zvláštním případem chirality je helicita (helix = hlemýžď, šroubovice). Šroubovicově uspořádané objekty jsou obvyklé u přírodních makromolekul (bílkoviny, nukleové kyseliny). Každá šroubovice je charakterizována osou, smyslem otáčení a stoupáním závitu. Také některé nízkomolekulární látky mohou mít prostorové uspořádání připomínající jeden závit šroubovice. Příkladem jsou deriváty fenanthrenu substituované v polohách 4 a 5. Substituenty si natolik překážejí v prostoru, že dojde k násilnému vybočení z roviny aromatického systému. Ke zborcení roviny aromatického systému hexahelicenu postačují již vodíkové atomy v místě přiblížení krajních kruhů. Označení enantiomerů je odlišné než u předchozích případů. Místo nomenklatury R/S se používá nomenklatury P/M, přičemž označení P má ten útvar, ve kterém lze identifikovat pravotočivou šroubovici, označení M pak ten, ve kterém lze identifikovat levotočivou šroubovici (pomůckou je srovnání s „levým“ a „pravým“ závitem šroubu). Tvar hexahelicenu lze snadno aproximovat tzv. pérovou podložkou pod šrouby. H3C CH3
HH
HH
HH
HH
COOH
hexahelicen CH3
4,5,8-trimethylfenanthryl-1-octová kyselina
(P)-
27
(M)-
4.4.2.4. Štěpení racemátů Sloučeniny izolované z přírodního materiálu se vyskytují většinou v opticky aktivní formě (např. αaminokyseliny, sacharidy, alkaloidy, steroidy atd.), protože jsou produkty vysoce stereospecifických biochemických reakcí katalyzovaných enzymy. Synteticky naopak vznikají většinou pouze racemáty. Racemáty vznikají dokonce z čistých enantiomerů, např. působením tepla. Při tomto ději, který se nazývá racemizace, musí samozřejmě jít o přerušení a znovuvytvoření chemické vazby. K přerušení a znovuvytvoření chemické vazby dochází také při tzv. epimeraci, při které se mění v rovnovážném procesu u látek s více centry chirality konfigurace pouze na jednom centru chirality za vzniku diastereoisomeru. Jestliže chceme získat z racemátů čisté enantiomery, můžeme toho dosáhnout jejich rozštěpením chemickou nebo biochemickou cestou. Při použití chemické varianty se zavede do molekuly racemátu (±)A další centrum chirality nějakou reakcí s pomocnou chirální látkou, např. (+)B: (±)A + (+)B → (+)A(+)B + (-)A(+)B Touto reakcí (např. neutralizace za vzniku soli, esterifikace) vznikne směs dvou diastereomerních sloučenin, které se liší fyzikálními vlastnostmi (např. rozpustností) a dají se od sebe oddělit (např. krystalizací). Po oddělení dvou diastereomerů se tyto rozštěpí na žádaný enantiomer a původní pomocnou látku. Např. je-li (+)A(+)B solí ve vodě nerozpustné kyseliny A a zásady B, můžeme přídavkem minerální kyseliny získat čistou kyselinu A a ve vodě rozpustnou sůl zásady B: (+)A(+)B + HCl → (+)A + BH+ClKriteriem optické čistoty enantiomeru je optická čistota p, která vyjadřuje přebytek jednoho enantiomeru ve směsi s druhým enantiomerem: P = αn.100/αa (%), kde αn je naměřená měrná otáčivost a αa je měrná otáčivost čistého enantiomeru. Obvykle se shoduje s enantiomerním přebytkem ee který je dán vzorcem ee = (xa – xb).100/(xa + xb), kde xa je molární zlomek enantiomeru který je v přebytku a xb je molární zlomek minoritního enantiomeru. V případě, že jde o směs diastereoisomerů, označuje se tento přebytek jako de a ve vzorci jsou molární zlomky obou diastereoisomerů. Princip dělení racemátů je jednoduchý a možných variant je nepřeberné množství, dělení je ale značně pracné. Proto je často výhodnější použít biochemických reakcí katalyzovaných enzymy, při kterých se selektivně přeměňuje pouze jeden enantiomer nebo jeho derivát, zatímco druhý (resp. jeho derivát) zůstává nezměněn v reakční směsi. V poslední době se k přípravě čistých optických isomerů, a to i takových, které obsahují několik center chirality, používá stereoselektivních syntéz. Jde o reakce, jejichž popis se již vymyká z konceptu tohoto skripta.
5. Základní typy organických reakcí Je známo ohromné množství organických sloučenin a jejich reakcí, které se dají popsat rovnicemi, v nichž jsou na jedné straně uvedeny výchozí látky (edukty) vstupující do reakce a na druhé straně vznikající produkty. Toto nepřehledné množství organických sloučenin a jejich reakcí je nutné podle nějakých kriterií rozdělit do několika málo skupin, aby došlo ke zjednodušení, na jehož základě je teprve možné organickou chemii pochopit a také se ji v obecných rysech naučit. Organické sloučeniny dělíme podle charakteru funkční skupiny, která je na základním uhlíkatém řetězci navázána Účelným klasifikačním kriteriem je posuzování chemických reakcí podle jejich druhu, tj. podle základní reakční cesty, dále podle toho jak vznikají nebo jak se štěpí chemické vazby, ale také podle kinetiky reakce. V této části provedeme jen základní rozdělení chemických reakcí, jejich podrobným popisem se však budeme zabývat až při probírání příslušných typů sloučenin a jejich reakcí. Existují čtyři základní druhy chemických reakcí: reakce substituční, adiční, eliminační a molekulární přesmyky. Substituční reakce probíhají tak, že část molekuly (atom nebo funkční skupina) jednoho reaktantu (substrátu) je nahrazována jiným atomem nebo skupinou pocházející z druhého reaktantu (činidla): A
B + C
D
A
C + B
D
28
CH3Cl + H2O
CH3OH + HCl
Eliminační reakce jsou takové, při nichž se molekula výchozí látky štěpí za vzniku dvou produktů:
A
B + C
CH3CH2Cl
CH2=CH2 + HCl
Jedním ze vznikajících produktů je obvykle nějaká malá molekula (voda, amoniak, halogenovodík atd.), druhý obsahuje dvojnou vazbu.
Adiční reakce jsou opakem eliminací a probíhají tak, že dva reaktanty spolu reagují za vzniku jediného produktu:
A + B
C
CH2=CH2 + HCl
CH3CH2Cl
Zvláštním případem jsou molekulární přesmyky, při kterých dochází v důsledku migrace části molekuly k reorganizaci vazeb a atomů výchozí sloučeniny za tvorby izomerního produktu: A
B
Každý z individuálních kroků molekulárního přesmyku (při tvorbě intermediátů a produktů) však probíhá některým z výše uvedených typů reakcí, tj. jako eliminace, adice nebo substituce. Každá z uvedených druhů chemických reakcí může probíhat různým reakčním mechanismem podle toho jakým způsobem zanikají nebo vznikají chemické vazby – základním kriteriem je to, zda dvouelektrononová kovalentní vazba vzniká nebo zaniká symetricky (účast částic s lichým počtem elektronů), nebo nesymetricky (účast částic se sudým počtem elektronů). Podle kinetického kriteria pak ještě můžeme rozlišit reakce, které mohou probíhat monomolekulárně, tj. reakce je zahajována rozpadem jednoho reaktantu, nebo bimolekulárně, kde je reakce zahajována interakcí dvou reaktantů.
Radikálové (homolytické) reakce nastávají tehdy, jestliže se kovalentní vazba štěpí za vzniku dvou částic s nepárovým počtem elektronů (radikálů). Tyto elektricky neutrální radikály jsou velmi reaktivní, poněvadž se snaží dosáhnout oktetového elektronového uspořádání. Mohou spolu vzájemně reagovat, ale radikál také může odštěpit nějaký atom z další molekuly za vzniku substitučního produktu a nového radikálu (radikálové substituce SR), nebo se navázat na násobnou vazbu opět za vzniku radikálu (radikálové adice AR). Mezi nejdůležitější radikálové adice patří radikálové polymerace. A
R + A
A a B jsou radikály R
A + B
B
B
SR
R
C
A + B
C
+ R
AR
R
C
C
Při iontových (heterolytických) reakcích se vazba mezi atomy štěpí tak, že vznikají dvě částice, z nichž jedna má plně zaplněný orbital a má tedy aniontový charakter, druhá má vakantní orbital a je kationtem. O tom, která ze vznikajících částic se stane elektrofilem nebo nukleofilem, rozhoduje parciální náboj na atomech štěpící se polarizované kovalentní vazby: A
B
+ A + B elektrofil nukleofil
+ Li δ
Cl C δ+
C +
C δ-
C
Obě tyto částice se mohou dále zúčastnit substitučních nebo adičních reakcí. Obecně je částice s kladným nábojem je označována jako elektrofilní činidlo, částice se záporným nábojem jako nukleofilní činidlo a podle tohoto kriteria se také iontové reakce označují. Elektrofilem však může být i elektricky neutrální molekula obsahující atom s elektronovým sextetem (např. síra v SO3) a nukleofilem neutrální molekula s atomem nesoucím volný elektronový pár (např. kyslík ve vodě, dusík v NH3). Při reakci se substrátem (látka, u níž dochází ke vzniku nebo zániku vazeb mezi atomy uhlíku) se váže elektrofil vždy na místo nejvyšší elektronové hustoty a nukleofil na místo nejnižší elektronové hustoty. Proto látky obsahující jednoduchou nebo násobnou vazbu mezi uhlíkem a heteroatomem reagují na uhlíkovém atomu především s nukleofily (nukleofilní substituce SN a nukleofilní adice AN), zatímco aromatické sloučeniny a olefiny reagují především s elektrofily (elektrofilní substituce SE a elektrofilní adice AE). Molekulární přesmyky mohou být elektrofilní nebo nukleofilní podle charakteru migrující částice. Podrobný popis těchto reakcí bude uveden později. Soubor individuálních chemických pochodů v průběhu chemické reakce s přihlédnutím ke všem zmíněným kriteriím se označuje jako reakční mechanismus. Jde vždy o model, odvozený na základě experimentálních údajů a současných znalostí.
29
6. Systematika reakcí organických sloučenin Chemie všech organických sloučenin je určena charakterem funkční skupiny, kterou obsahují. Pouze uhlovodíky neobsahují žádnou funkční skupinu Proto také bude náš výklad zaměřen především na nejdůležitější reakce jednotlivých typů sloučenin a ne na jejich přípravu, která logicky vyplývá z reakcí jiných sloučenin.
6.1. Uhlovodíky 6.1.1. Nasycené uhlovodíky (alkany, parafiny, cykloalkany) Alkany jsou základními organickými sloučeninami, od kterých se odvozují nejrůznější deriváty. Obsahují uhlíkové atomy v hybridizaci sp3 a jejich obecný sumární vzorec je CnH2n+2. Rozdíl mezi jednotlivými nejbližšími alkany je skupina –CH2-, kterou označujeme jako homologický přírůstek. Uhlíkový řetězec alkanů může být lineární nebo rozvětvený (viz isomerie). Mají neobyčejný praktický význam nejen jako složky směsí používaných jako motorová paliva, ale i jako základní chemické suroviny. Hlavními zdroji alkanů jsou zemní plyn a ropa. Zemní plyn je směsí obsahující převážně methan, dále pak ethan, propan, butan a isobutan. Ropa je složitou směsí převážně nasycených uhlovodíků, která se dá destilací rozdělit na několik podílů. Surový benzin je ropný podíl vroucí v rozmezí cca 40-180°C a obsahuje alkany C5-C11. Další základní frakce ropy jsou petrolej (uhlovodíky C11-C14, b.v. 175-325°C), plynový olej (C14-C25, b.v. nad 275°C) a mazací oleje a parafin (nad C18). Zbytek po destilaci ropy je buď asfalt nebo ropný koks. Jednotlivé destilační podíly se dále frakcionují. Motorové benziny se získávají ze surové benzinové frakce a dále se chemicky upravují, jejich podstatný podíl se však získává z krakovacích a izomerizačních procesů. Kvalita motorových benzinů souvisí s obsahem lineárních a rozvětvených uhlovodíků a je dána hodnotou tzv. oktanového čísla. Podle tohoto čísla je posuzována antidetonační vlastnost paliva. U směsí s vysokým obsahem lineárních uhlovodíků dochází ve válci motoru již při nízkých kompresních poměrech snadno k samozápalům, projevujícím se „klepáním“ motoru. Rozvětvené uhlovodíky mají odolnost vůči samozápalům značně vyšší. Oktanové číslo benzinu je dáno procentuálním obsahem isooktanu (2,2,4-trimethylpentanu) v takové jeho směsi s n-heptanem, která má stejnou odolnost proti samozápalům jako zkoušené palivo. V důsledku nepřítomnosti funkčních skupin jsou alkany velmi nereaktivní vůči většině chemických činidel, přesto však s některými látkami reagují, a to vesměs radikálovým mechanismem. Spalováním uhlovodíků vzniká oxid uhličitý. Nedokonalým spalováním methanu se vyrábějí technické saze. Tzv. fotooxidací za účasti ultrafialového světla (hν) však mohou z uhlovodíků reakcí s kyslíkem vznikat i termicky velmi nestabilní hydroperoxidy: hν CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O RH + O2 R-O-O-H CH4 + O2 C + 2 H2O S halogeny reagují alkany různým způsobem. Reakce s fluorem probíhá velmi exothermicky již ve tmě a při nízkých teplotách za tvorby fluorovodíku a elementárního uhlíku. S chlorem reaguje methan za vyšší teploty nebo při ozařování ultrafialovým světlem (hν). Vzniká směs mono až tetrasubstituovaných produktů, jejíž složení závisí na poměru reaktantů: Cl2, hν CH4 CH3Cl + CH2Cl2 + CHCl3 + CCl4 CH4 + 2F2 C + 4 HF Mechanismus této reakce je radikálový. Prvním stupněm reakce je iniciace, při níž dochází k homolytickému rozpadu molekuly chloru za vzniku dvou radikálů. Druhým stupněm je propagace, při níž reaktivní chlorový radikál reaguje s methanem tak, že vyštěpí vodík za vzniku chlorovodíku a vznikne methylový radikál. Ten reaguje s molekulou chloru za vzniku methylchloridu jako reakčního produktu a generuje se chlorový radikál, který opět reaguje s methanem. Teoreticky by tato řetězová reakce mohla probíhat za účasti jednoho chlorového radikálu až do vyčerpání všech reaktantů. Radikály však v průběhu reakce také zanikají (terminace) vzájemnou rekombinací a proto musí být neustále generovány. hν 1. iniciace: Cl2 2 Cl
2. propagace: a: Cl + CH4
3. terminace: a: Cl + Cl
HCl +
Cl2
CH3
b: CH3 + Cl
b: CH3 + Cl2
CH3Cl + Cl
CH3Cl c: CH3 + CH3
CH3-CH3
U methanu jsou všechny vodíkové atomy stejné. Homologické alkany však obsahují různé druhy vodíkových atomů. Pak probíhá chlorace současně na několika místech molekuly za vzniku směsi produktů.
30
Např. isopentan poskytne chlorací směs 4 monochlorderivátů. Pravděpodobné složení této směsi můžeme vypočítat, jestliže známe relativní snadnost, s jakou substituce probíhá na jednotlivých typech uhlíkových atomů. Nejsnadněji obvykle probíhá substituce vodíku vázaného na terciárním uhlíku, poněvadž terciární radikály jsou nejstabilnější, nejméně snadno vodíku methylové skupiny (primární radikály jsou málo stabilní). Neznamená to však, že derivátu D vzniká nejvíce, poněvadž je k disposici jen jeden vodíkový atom, zatímco v případě tvorby derivátu A jejich k disposici šest.
CH H3C
CH3
CH2Cl
CH3 C H2
CH
CH3
H3C
C H2
CH3
CH
CH3
+ H3C
C H2
CH2Cl
CH
+ H3C
C H
Cl CH3
H3C
+
Cl
C
CH3 CH3 C H2
C D B A Bromace uhlovodíků probíhá analogicky jako chlorace, reakce s jodem však takto neprobíhá, poněvadž vznikající alkyljodid se redukuje současně vznikajícím jodovodíkem na původní uhlovodík. Současným působením chloru a oxidu siřičitého na alkany dochází při ozařování ultrafialovým světlem k tvorbě alkylsulfochloridů, které jsou surovinou k výrobě jednoho z druhů tenzidů (povrchově aktivních látek). Úvodní reakční schéma sulfochlorace je analogické chloraci, v propagačním stupni je však vložena adice vzniklého alkylového radikálu na oxid siřičitý za vzniku alkylsulfonylového radikálu: 1.
Cl2
hν
2 Cl
2. a: Cl + RH
HCl + R
b: R + SO2
RSO2
c: RSO2 + Cl2
RSO2Cl + Cl
Radikálovou reakcí je také nitrace parafinů, která se dá provádět buď oxidem dusičitým, nebo zředěnou kyselinou dusičnou za vyšších teplot v plynné fázi. Při iniciačním stupni vzniká z N2O4 (ten je přítomen i v kyselině dusičné) nitrylový radikál, který reaguje s alkanem na kyselinu dusitou a alkylový radikál. V propagačním stupni tento radikál reaguje s kyselinou dusičnou za vzniku nitroparafinu a hydroxylového radikálu, který generuje další alkylový radikál. 1. iniciace:
a: N2O4
2 NO2
2. propagace: a: R + HNO3
b: RH + NO2 RNO2 + HO
HNO2 + R
b: RH + HO
H2 O + R
Při nitracích kyselinou dusičnou vznikají obvykle komplikované směsi produktů. Kromě nitroalkanů vznikají i alkoholy, jejich oxidační produkty, estery kyseliny dusičné a estery kyseliny dusité, ale také nižší nitroparafiny v důsledku štěpných reakcí původního uhlíkového řetězce. Průmyslově důležité jsou postupy přeměny nasycených uhlovodíků označované jako krakování a izomerizace. Krakování je postup, při němž dochází k přeměně vyšších uhlovodíků na směsi nižších uhlovodíků, např. těžkého oleje na benzin. Krakování může probíhat buď pouze termicky, nebo za přítomnosti katalyzátoru. Termické krakování probíhá tak, že dochází ke homolytickému štěpení vazby C-C uhlíkatého řetězce, která je labilnější (má nižší vazebnou energii) než vazba C-H. Teploty při termickém krakování se pohybují v rozmezí 400-700°C, pracuje se obvykle za tlaku. Vedle nasycených uhlovodíků s kratším řetězcem vznikají také olefiny. Při katalytickém krakování se používají kyselé katalyzátory (oxidy křemíku, hliníku, nebo zirkonu). Ty jsou schopny odštěpit z uhlovodíku hydridový anion za tvorby karbokationtu, který se následně přeměňuje. Mechanismus reakce je tedy na rozdíl od radikálového mechanismu termického krakování iontový, produkty vykazují vysoký obsah rozvětvených uhlovodíků. Izomerizace se používá k přeměně lineárních alkanů na rozvětvené, vykazující vyšší oktanové číslo. Směs parafinů se zahřívá za přítomnosti Lewisových kyselin, např. chloridu hlinitého. Mechanismus reakce je iontový a je zahajován odštěpením hydridového iontu z parafinu za vzniku karbokationtu s hybridizací sp2. Následuje migrace CH3 skupiny i se svým volným elektronovým párem (nukleofilní přesmyk) za vzniku nestabilního primárního karbokationtu, který se isomerizuje na stabilnější rozvětvený karbokation (terciární) a navázáním hydridového iontu vznikne rozvětvený alkan. Zjednodušené schéma ukazuje následující obrázek: H3C
C H2
H2 C
C H2
H2 C
CH3
AlCl3 -H
H3C
H2 H2 C + C C C CH3 H2 H
H3C
H2 CH3 C CH C H2 CH3
31
H3C
+H
H3C
H2 + CH2 C CH C H2 CH3
H2 C + CH3 C C H2 CH3
Na tomto místě je vhodné se krátce zmínit i o jiných metodách výroby syntetických benzinů. Čistě syntetickými metodami přípravy benzinů jsou dimerizační a alkylační reakce vycházející z olefinů. Dalšími možnostmi jsou zejména hydrogenace uhlí a Fischer-Tropschova syntéza. Při této syntéze se vychází ze směsi vodíku a oxidu uhelnatého, získané z uhlí nebo zemního plynu. Za vysokého tlaku a teploty za přítomnosti katalyzátorů obsahujících železo, nikl, nebo kobalt vznikají směsi rozvětvených uhlovodíků vedle celé řady vedlejších produktů (alkoholy, kyseliny).
H2O + C CO + H2O (g)
CO + H2 CO2 + H2
Fischer-Tropsch:
vodní plyn konverse
CH4 + H2O (g)
CO + 3 H2 syntézní plyn
CnH2n+2 + n H2O + vedlejší produkty
n CO + 2n+1 H2
Cykloalkany (nasycené alicyklické uhlovodíky) obecného vzorce CnH2n mají uzavřený uhlíkový řetězec. V důsledku značné rigidity systému vykazují poměrně stabilní konformace, jak bylo probráno v kapitole 4.3. Chemické reakce cykloalkanů jsou většinou obdobné reakcím alkanů, k určitým odchylkám dochází u menších kruhů v důsledku jejich nestability. Např. hydrogenací cyklopropanu dochází již za mírných podmínek k otevření kruhu, zatímco u cyklopentanu nastává obdobná reakce za daleko drastičtějších podmínek. Také radikálová halogenace probíhá u cyklopropanu adičně, zatímco u cyklopentanu substitučně: H2/Ni 40°C
H2/Pt 300°C
Br2, hν
Br
Br
Br
Br2, hν
+ HBr
Působením kyselých katalyzátorů dochází u cykloalkanů k izomerizaci na alkany, nebo k molekulárním přesmykům spojeným s rozšířením nebo zúžením kruhu, např.: Al2O3
CH3
+ H2C
C H2
CH2
Al2O3
+ H2C
AlCl3 za chladu
C H2
H3C
AlCl3 za tepla
Al2O3
CH2
C H
+ H2C
CH2
Al2O3
CH2 - Al2O3 H3C + CH2 C H
Al2O3
C H2
Průmyslově nejdůležitějším cykloalkanem je cyklohexan, který se dá připravit hydrogenací benzenu. Vzhledem ke stejnému charakteru všech uhlíkových atomů reaguje na rozdíl od alkanů selektivně za tvorby jediného produktu. Jeho oxidací lze připravit cyklohexanon, který další katalyzovanou oxidací poskytuje kyselinu adipovou, využitelnou pro přípravu Nylonu 66. Radikálovou nitrací cyklohexanu vzniká příslušný nitroderivát, který redukcí poskytuje nitrosoderivát, izomerizující na cyklohexanonoxim. Kysele katalyzovaným přesmykem této látky vzniká ε-kaprolaktam, výchozí monomer pro přípravu Nylonu 6: O O2
O2
HOOC
COOH
V2O5
O NO2
N HNO3
O H2/kat
N
OH H2SO4
NH
6.1.2. Nenasycené uhlovodíky s dvojnou vazbou (alkeny, olefiny) Olefiny obsahují o dva vodíkové atomy méně než alkany a jejich sumární vzorec je CnH2n. Přítomnost dvojné vazby jako funkční skupiny významně zvyšuje reaktivitu alkenů oproti alkanům. Dvojice pohyblivých πelektronů zapříčiňuje nukleofilní charakter olefinů, které proto velmi snadno reagují především s elektrofily adičními reakcemi. Omezení volné rotace kolem dvojné vazby mezi dvěma sp2 hybridizovanými atomy uhlíku také vyvolává vznik isomerie cis-, trans-, event. Z- a E-, jak bylo ukázáno v kapitole 4.4.1. Termodynamicky stabilnější jsou ze sterických důvodů E-isomery. Elektrofilní adice na olefiny je zahajována koordinací elektrofilní částice s π-elektrony za vzniku πkomplexu, načež dojde ke vzniku kovalentní σ-vazby za tvorby intermediátního karbokationtu. Ve druhém stupni
32
se pak na tento karbokation naváže anion činidla, a to z opačného směru vzhledem k navázané elektrofilní částici. Jde tedy o typickou trans-adici (pozor, nezaměňovat tento pojem s cis-trans isomerií!): +E
+
E
rychle pomalu
+
E
pomalu
+ A , rychle pomalu
+
π-komplex
E A
karbokation
Energetický průběh této reakce se dá znázornit tzv. reakční koordinátou, která je závislostí potenciální energie systému Epot na meziatomové vzdálenosti reagujících částic l. Křivka má dvě maxima, poněvadž reakce má dva transitní stavy. Ea je aktivační energie, která se systému musí dodat, aby reagoval. Hodnota ∆H (změna entalpie) představuje reakční teplo, které se při reakci uvolní (-∆H, exotermická reakce) nebo spotřebuje (+∆H, endotermická reakce).
E
Ea
∆H
l
Reakční koordináta elektrofilní adiční reakce. Pokud není dvojná vazba symetricky substituována, mohou teoreticky vzniknout dva isomery. Pro určení směru elektrofilní adice se používalo Markovnikovo pravidlo, podle kterého se těžší částice aduje na uhlík, který nese méně vodíkových atomů. Poněvadž Markovnikovo pravidlo platí pouze pro adice halogenvodíků a kysele katalyzované adice vody (kde je elektrofilem H+), je lépe používat obecně k výkladu směru adice způsob polarizace dvojné vazby, vyvolaný indukčními vlivy substituentů. Elektrofil se naváže na ten uhlík, na němž je vyšší hustota elektronů. Nenasycené uhlovodíky neobsahující další funkční skupinu nesou jako substituenty alkylové skupiny, které vykazují kladný indukční efekt a zvyšují tedy elektronovou hustotu na sousedním atomu uhlíku, než na který jsou vázány. Čím více je olefin substituován, tím je indukční efekt větší a elektrofilní adice probíhají snadněji. V případě nevýrazného rozdílu indukčních efektů substituentů vznikají oba možné isomery. Nejmenší indukční vliv vykazuje methylová skupina, s růstem velikosti substituentu a jeho rozvětvení indukční efekt roste. V případě přítomnosti jiných funkčních skupin, např. halogenů, se však může směr indukčního efektu obrátit: H3C δ+ H
H δ- + E+ H
Cl3C δH
H + δ+ + E H
E
H + H3C
A-
H
H E H3C
H E
Cl3C H
H A H
H + H
A-
E H Cl3C
H H A
Adice halogenvodíků a vody probíhají vesměs striktně podle Markovnikova pravidla. V případě adice vody jde vlastně o adici kyseliny sírové (nebo fosforečné), které se adují na olefin za vzniku příslušné alkylsírové nebo alkylfosforečné kyseliny. Následná hydrolýza vodou poskytuje alkoholy. Snadnost adice halogenvodíků klesá v pořadí HI > HBr > HCl. H3C
H δ+ CH
CH3 δ-
H+Cl-
H H3C
Cl H
CH3H
CH3 H
δ+ CH3
CH3
CH
δ-
H+HSO4H H3C
CH
OSO3H CH3
CH3H
H+Br-
CH3 Br H H
H+HSO4H H3C
H2O
CH3
CH CH3H
H
CH3 OSO3H H2O H
OH H
CH3
H
HBr, O°C H
=
H CH3
H CH3Br
CH3
CH3 OH H
H Br
CH CH3 3
CH3
Br
CH3
trans-1,2-dimethyl-1-bromcyklohexan
33
V kyselém prostředí probíhají při adičních reakcích často přesmyky, vyvolané přechodem nestabilního karbokationtu na stabilnější: CH3 H C C
H3C
δ-
+
H
CH2
H3C
CH3
CH3 H C C CH3 + CH3
H3C
Cl -
CH3 + C CH CH3 CH3
Cl
H3C
CH3 C CH CH3 CH3
Trans-adice kyseliny chlorné a bromné probíhají také elektrofilním mechanismem. Produktem jsou halogenhydriny, které působením zásad poskytují epoxidy (oxirany): H
-
Br+OH
Br
O
CH3 CH(CH3)2 HO
H
Cl+OH
δ-
KOH
OH H
KOH
δ
+
CH3
O
CH3Cl
Pěkným příkladem adice proti Markovnikovu pravidlu jsou tzv. hydroborace. Elektrofilem je zde boran BH3, který vzniká z diboranu. Boran je molekula s elektronovým deficitem (sextet elektronů na atomu boru) a proto se aduje na místo s největší hustotou elektronů. U terminálních olefinů se může vznikající alkylboran dále adovat na olefin, takže vznikají až trialkylborany, které se oxidací a následnou hydrolýzou dají převést na primární alkoholy: δ+
BH2 C4H8 (C4H9)2BH
BH3
(C4H9)3B
H2O2
(C4H9O)3B NaOH C4H9OH
δ-
C4H8
Adice halogenů na olefiny vznikají vicinální dihalogenderiváty. Převládá iontový mechanismus, zvláště za přítomnosti Lewisových kyselin, zatímco za přítomnosti peroxidů nebo při ozařování ultrafialovým světlem probíhá adice halogenů radikálovým mechanismem:
nebo Cl2
Cl
Cl+ + AlCl4-
AlCl3 + Cl2 hν
Cl
2 Cl
Také řada jiných adicí na olefiny probíhá radikálovým mechanismem. Bromovodík (pozor, ne chlorovodík) reaguje s olefiny za přítomnosti peroxidů proti Markovnikovu pravidlu (Kharaschova reakce). Vznikající bromový radikál se aduje vždy na méně substituovaný uhlíkový atom dvojné vazby, poněvadž vzniká stabilnější radikál (sekundární nebo terciární) a svou roli hrají také sterické důvody. RO
OR
RO + HBr
2 RO
CH3-CH=CH2 + Br
CH3-CH-CH2Br
ROH + Br
CH3-CH-CH2Br + HBr propagace
CH3-CH2-CH3 + Br
iniciace
Radikálovou reakcí je také katalytická hydrogenace olefinů. Jak olefin, tak vodík jsou adsorbovány na povrchu katalyzátoru (platinové kovy, Raneyův nikl, kobalt, měď aj.) a proto přenos vodíku za vzniku nasyceného uhlovodíku probíhá jako cis-adice. Substituční reakce alkenů probíhají také radikálovým mechanismem. Velmi špatně probíhá substituce na uhlíkovém atomu dvojné vazby. Např. chlorace ethylenu za vzniku vinylchloridu probíhá až za vysokých teplot. Daleko snadněji probíhá chlorace na atomu uhlíku sousedícího s dvojnou vazbou. Tímto způsobem se vyrábí allylchlorid: H2C CH2
Cl2
Cl2
H2C CH-Cl
Cl
Průběh a výsledek oxidačních reakcí olefinů závisí především na charakteru oxidačního činidla. Za nízkých teplot poskytují olefiny reakcí se zředěným roztokem manganistanu draselného v alkalickém prostředí cyklický intermediát, který se hydrolyzuje na vicinální dihydroxyderivát (glykol). Poněvadž jde o cisadici, vznikají ze Z-olefinů glykoly s konfigurací erythro, zatímco z E-olefinů glykoly s konfigurací threo: Jde o tzv. cis-hydroxylaci:
34
R R
R´
H
KMnO4
R´
H O
O
R H HO 2
O
R
OH
H
Mn
H
H
OH
OK
H
R´
Z-olefin
H
KMnO4 H
H
O
R´H O HO 2 O H
Mn
R´
O
E-olefin
erythro (racemát)
R
R H OH R´
OK
threo (racemát)
Vznikající glykoly se snadno za vyšší teploty nebo v kyselém prostředí oxidují dále za vzniku ketonů a kyselin, podle jejichž struktury se dá usuzovat na polohu dvojné vazby ve výchozím olefinu. Analogicky probíhá reakce olefinů s oxidem osmičelým. Provádí se obvykle za přítomnosti alkalického chlorečnanu. Ten oxiduje vznikající OsO2 na OsO4, kterého pak postačí vzít do reakce katalytické množství.
R
1
R
R2
3
1
2
OH
H
OH
R
KMnO4
H
R3
R1
O
R H2O HO O HO
O
R1 R1
+
R2
R3-COOH
R3
3
R
R
R2
H
OsO4 H KClO3
R1 R2
2
Os O
H R
O
3
Pomocí peroxykyselin se dá uskutečnit epoxidace nebo trans-hydroxylace olefinů. Primárně vzniká πkomplex, který se rozpadá na epoxid a kyselinu. Epoxidy se dají izolovat a pak hydrolyzovat na glykoly, nebo se může hydrolyzovat přímo surová směs po reakci. Tvorba epoxidu probíhá cis-mechanismem, ale po otevření kruhu vzniká produkt trans-adice, tj. ze Z-olefinu vzniká threo-glykol: R1
H O
R2
O
H O
H
H
R1
R O
R
2
+
H
O
H O H2 O
H
cis-epoxid
R1
R
OH
HO
H R2
threo (racemát)
Ethylen se dá oxidovat také vzduchem za přítomnosti stříbrného katalyzátoru. Vzniká ethylenoxid, který se takto průmyslově získává jako surovina pro výrobu ethylenglykolu (nemrznoucí kapaliny) a polyethylenoxidu. Ozonizace je proces, který se používá ke zjišťování polohy dvojné vazby. Olefin reaguje s ozonem za vzniku explosivního ozonidu, který se hydrolyzuje nebo lépe hydrogenuje na dva produkty: R1 R1
H
O
O3 R
2
R
R2
H2O
R2
R
O
1 + R -CHO + H2O2
O
+ R1-CHO + H2O
R3 2
O
O
3
H
3
R1-COOH
R
H2/kat
R3
Olefiny mohou také adovat karbokationty, vznikající adicí protonu na olefin. Vznikající karbokation odštěpí proton a mění se na nenasycený dimer, který se dá hydrogenovat. Takto se např. vyrábí z isobutenu isooktan. Intermediátní karbokation se může však také adovat na další olefin a tato cesta představuje tzv. kationtovou polymeraci: H
+
+
+
-H
+
isooktan CH3 BF3
CH2 CH3
polyisobuten n
Polymerace nenasycených uhlovodíků patří mezi nejdůležitější průmyslové výroby. Ethylen a propylen polymerují radikálově za vysokých teplot a tlaků. Za těchto podmínek vznikají polymery s rozvětveným řetězcem. Provedením reakce za přítomnosti Ziegler-Nattových katalyzátorů (především trialkylhliníky) vznikají polymery s lineárním řetězcem. Dieny jsou nenasycené uhlovodíky se dvěma dvojnými vazbami. Ty mohou být kumulované, konjugované nebo isolované:
35
CH2=C=CH2 kumulované (propa-1,2-dien = allen)
CH2=CH-CH=CH2
CH2=CH-(CH2)4-CH=CH2
konjugované (buta-1,3-dien)
isolované (okta1,7-dien)
Také pro dieny jsou charakteristické především adiční reakce. Adice na 1,3-dieny probíhá za přítomnosti nadbytku činidla na obou dvojných vazbách, za použití ekvivalentního množství činidla může probíhat v poloze 1,2 nebo 1,4, např.: Br
Br
Br
Br
Br 2 Br2
Br2
Br
nebo 1,4-adice Br
1,2-adice Br
Průmyslově nejdůležitější jsou konjugované dieny buta-1,3-dien a 2-methylbuta-1,3-dien (isopren), které poskytují polymerací syntetický kaučuk nebo isoprenový kaučuk. Polymerace buta-1,3-dienu se iniciuje např. sodíkem, polymerace isoprenu organolithnými sloučeninami nebo Ziegler-Nattovými katalyzátory. Vzhledem k důležitosti uvedených monomerů je třeba zmínit se na tomto místě o jejich výrobě, která vychází z různých typů surovin. Buta-1,3-dien, monomer pro výrobu butadienového kaučuku, se dá získat několika syntetickými postupy. První z nich vychází z acetylenu, který se v roztoku kyseliny chlorovodíkové za přítomnosti Cu2Cl2 a NH4Cl dimerizuje na vinylacetylen a jeho následnou parciální hydrogenací se získá 1,3-butadien. Z vinylacetylenu lze adicí chlorovodíku vyrobit také 2-chlorbuta-1,3-dien (chloropren), surovinu pro výrobu chloroprenového kaučuku. Postupnou reakcí acetylenu se dvěma molekulami formaldehydu za katalýzy acetylidu měďného vzniká but-2-yn-1,4-diol, který se hydrogenuje na butan-1,4-diol. Následná dehydratace vede k tetrahydrofuranu a odštěpením další molekuly vody vzniká buta-1,3-dien. CH2=CH-C=CH2 chloropren Cl
H2 2 CH
CH
CH2=CH-C
CH
HCl
CH2=CH-CH=CH2 CH
CH
2 CH2=O
HO-CH2-C
C-CH2OH
H2
HO-CH2-CH2-CH2-CH2OH
- H2O - H2O O
Také další postup vychází z acetylenu. Jeho hydratací v kyselině sírové za přítomnosti HgSO4 vzniká vinylalkohol, který se ihned isomerizuje na acetaldehyd. Ten se v alkalickém prostředí aldolizuje na acetaldol, který redukcí přechází na butan-1,3-diol. Kysele katalyzovanou dehydratací pak vzniká buta-1,3-dien. Podle Lebeděva se dá buta-1,3-dien připravit přímo z ethanolu za přítomnosti směsného katalyzátoru. Mechanismus reakce je pravděpodobně takový, že dehydrogenací ethanolu vzniká acetaldehyd a další jeho přeměny probíhají analogicky jako u postupu vycházejícího z hydratace acetylenu. Všechny dílčí reakce však probíhají následně v jednom reaktoru. Buta-1,3-dien se dá také připravit ze zemědělských odpadů. Kyselým štěpením pentosanů vzniká furfural, který se dekarbonyluje na furan. Tento se hydrogenuje na tetrahydrofuran a následuje eliminace vody. CH
CH
H2O
CH3CH=O
CH2=CH-OH
CH3CH=O
CH3-CH(OH)-CH2-CH=O H2
Al2O3, ZnO
CH3CH2OH
pentosy
CH2=CH-CH=CH2
400-500°C
H+
ZnO, Cr2O3 O
CHO - CO
CH3-CH(OH)-CH2-CH2OH
AlCl3 - H2O
+ 2 H2 O
- H2O
O
Nejdůležitějším postupem k přípravě buta-1,3-dienu je katalytická dehydrogenace butanu, získaného ze zemního plynu nebo z krakování. Reakce se může provádět buď ve dvou stupních, kdy se napřed izoluje but-2en, který se dále dehydrogenuje, nebo jednostupňově. CH3CH2CH2CH3
- H2 Al2O3 - Cr2O3 - K2O
CH3CH=CHCH3
36
- H2 MgO nebo Fe2O3
CH=CH-CH=CH3
Důležitým monomerem je také isopren (2-methylbuta-1,3-dien), který je depolymeračním produktem přírodního kaučuku. Dá se vyrobit adicí acetylidu sodného na aceton a následnou parciální hydrogenací a dehydratací, nebo adicí isobutenu na formaldehyd za vzniku 4,4-dimethyl-1,3-dioxanu, který se následně štěpí na isopren. Isopren se dá však vyrobit také dehydrogenací isopentanu: H3C O
+ CH
CNa
H3C
H3C
ONa
H3C
C
H2O H3C H3C
CH
OH C
H2 CH
H3C
OH
H3C
CH=CH2
- H2O H3C CH2 + 2 CH2=O
H+
O Ca (PO ) 3 4 2
H3C
H3C
H3C
- 2 H2
O
Přírodní kaučuk je polyisopren vzniklý 1,4-polyadicí a má cis-uspořádání na dvojných vazbách. Má elastické vlastnosti na rozdíl od jeho trans-isomeru, který se rovněž vyskytuje v přírodě jako gutaperča:
CH2
H2C
CH2
H2C
n
n
přírodní kaučuk (cis)
gutaperča (trans)
Důležitými reakcemi konjugovaných dienů jsou tzv. cykloadice. Nejznámějšími z nich jsou DielsAlderovy cykloadice, které nastávají mezi dienem a dienofilem, kterým je nejčastěji olefin nebo alkyn s navázanou elektronakceptorovou skupinou, která usnadňuje reakci. Vznikají cyklické uhlovodíky, reakce je stereospecifická a probíhá jako cis-adice vůči oběma reakčním složkám:
R
R
R = -CHO, -COOR, -NO2, -CN
COOH
dicyklopentadien
COOH COOH
COOH
6.1.3. Nenasycené uhlovodíky s trojnou vazbou (alkyny, acetyleny) Uhlovodíky s trojnou vazbou mají sumární vzorec CnH2n-2. Průmyslový význam má pouze nejnižší člen homologické řady – ethyn (acetylen), který vzniká rozkladem karbidu vápníku vodou, průmyslově se však připravuje dehydrogenací nebo neúplným spalováním ethanu nebo ethenu, ale také krakováním methanu za současného vzniku vodíku. Trojná vazba je dána kombinací dvou σ-elektronů a čtyř π-elektronů. Uhlíkové atomy trojné vazby jsou v sp-hybridizaci a vazby, které z nich vychází k dalším atomům, leží na jedné přímce se σ-vazbou, zatímco roviny π-elektronů jsou vzájemně kolmé. Délka trojné vazby v acetylenu je 0,12 nm (oproti 0,15 nm u jednoduché vazby), její disociační energie je 885 kJ/mol oproti cca 350 kJ/mol u ethanu, ale příliš se neliší od disociační energie dvojné vazby u ethylenu (611 kJ/mol). Proto je reaktivita alkynů sice srovnatelná s reaktivitou olefinů, ale alkyny budou projevovat menší tendenci k elektrofilním adicím a. větší ochotu k nukleofilním adicím. Elektrofilní adice jsou v podstatě zahajovány pouze protony (kysele katalyzované reakce) a u nesymetrických alkynů se řídí Markovnikovým pravidlem. Na rozdíl od alkenů se na alkyny snadno adují i nukleofily. Samozřejmě i u alkynů mohou probíhat radikálové adice, nevyskytují se radikálové substituce na uhlíku sousedícím s trojnou vazbou. Oproti alkanům a alkenům jsou alkyny mnohem kyselejší (disociační konstanta u alkynů je o 19 řádů vyšší než u alkenů) a proto snadno tvoří soli působením silných basí (např. amidu sodného nebo organokovových sloučenin). Tyto soli se nazývají acetylidy nebo karbidy. Snadno se tvoří explosivní acetylidy těžkých kovů (např. stříbrné nebo měďné), které jsou hydrolyticky stabilní, kdežto karbidy kovů I. a II. skupiny periodické soustavy se snadno rozkládají vodou za vzniku acetylenu..Acetylidový anion je silně nukleofilní a proto snadno probíhá jeho alkylace působením alkylhalogenidů. Tato reakce je nejdůležitějším postupem pro přípravu vyšších homologů acetylenu: H C C H
NaNH2
H C C Na
37
+
R-Br
H C C R
Radikálovou adicí na alkyny je katalytická hydrogenace, probíhající jako cis-adice. Jelikož postupuje stupňovitě přes stadium alkenu, je možné použitím částečně desaktivovaného katalyzátoru reakci v tomto stadiu zastavit a připravit tak Z-alkeny: R1
1 H2/kat R
2
R
R2
H
H2/kat
R1-CH2CH2-R2
H
Elektrofilní adice na alkyny probíhají analogicky jako u alkenů, ale opět ve dvou stupních. Použitím pouze jednoho ekvivalentu činidla se dá reakce zastavit ve stadiu olefinu. Při adici halogenvodíku se elektrofil (H+) váže podle Markovnikova pravidla na méně substituovaný konec řetězce, halogen na více substituovaný konec. Většinou jde o trans-adici a vzniká halogenalken. V tomto stadiu lze reakci zastavit. Takto se získá např. adicí chlorovodíku na acetylen důležitý monomer vinylchlorid. Druhou možností je použitím nadbytku činidla adovat druhou molekulu halogenvodíku a získat tak geminální dihalogenderivát, např.: H
CH3
HBr
H
Br
H
CH3
Br H3C C CH3 Br
HBr
H
H HCl Cl
Elektrofilním mechanismem probíhá i adice halogenů na alkyny. Adicí chloru na acetylen vzniká 1,2dichlorethen, který lze přebytkem chloru převést až na 1,1,2,2-tetrachlorethan. Z něj se působením vápenného mléka odštěpí chlorovodík za vzniku trichlorethylenu, který se používá jako rozpouštědlo. H
H
Cl2 Cl
H
H
Cl
H H
Cl2
Cl
Cl
Ca(OH)2 Cl
H
Cl
Cl
Cl Cl
Adice vody na alkyny probíhá v kyselém prostředí a je katalyzována rtuťnatými ionty. Probíhá opět podle Markovnikova pravidla, tj. OH skupina se aduje na více substituovaný uhlíkový atom. Mechanismus reakce předpokládá tvorbu organortuťnatého intermediátního kationu, který reaguje s vodou jako nukleofilem. Primárním reakčním produktem je enol (složenina z –en a –ol), který se okamžitě přesmykuje na keton v důsledku keto-enol tautomerie, jejíž rovnováha je v naprosté většině případů posunuta ve prospěch ketoformy. Z propynu tak vzniká aceton, z acetylenu acetaldehyd:
H
CH3
H2O, H2SO4
H
OH
HgSO4
H
CH3
O H3C C CH3
H
H
H H3 C C O
Adice alkoholů na acetylen může být katalyzována kyselinami nebo basemi a její mechanismus může být elektrofilní nebo nukleofilní. Produktem jsou vinylethery, používané k přípravě polyvinyletherů (výroba koženek). Adice kyanovodíku na acetylen je katalyzována rtuťnatými ionty a poskytuje akrylonitril, důležitou surovinu k výrobě polyakrylonitrilu (PAN vlákna) a polyakrylátů. Rtuťnatými ionty je katalyzována také adice kyseliny octové na acetylen, poskytující vinylacetát (surovina k přípravě polyvinylacetátu a polyvinylalkoholu. H H
H
R-OH
H
OR
H
HCN
CH3COOH
polyvinylethery
H
H
H
OCOCH3
H
H
H
CN
polyakrylonitril (PAN) polyakryláty
polyvinylacetát (PVAc)
polyvinylalkohol (PVA)
Acetylen se sám chová jako nukleofil, který se snadno aduje na nenasycené sloučeniny. Jeho adice na další molekulu acetylenu za vzniku vinylacetylenu a adice na aldehydy a ketony byly uvedeny dříve u příprav butadienu a isoprenu. Acetylen lze však také trimerizovat nebo tetramerizovat za vzniku aromatických systémů: katalyzátor
termicky
38
Reakcí acetylenu s oxidem uhelnatým a látkami s pohyblivým vodíkovým atomem vznikají za katalytického účinku karbonylů kovů (např. Ni(CO)4) kyselina akrylová, akryláty nebo N-substituované deriváty akrylamidu: H H
H
+ CO + R-OH
H
H
COOR akryláty
+ CO + H2O
H
H
H
H COOH kys. akrylová
+ CO + RNH2
H
H
CONH-R akrylamidy
6.1.4. Aromatické uhlovodíky (areny) Aromatické uhlovodíky se vyznačují přítomností konjugovaných dvojných vazeb uspořádaných v jednom nebo více cyklech. Aby mohl mít systém aromatický charakter, musí být jeho geometrické uspořádání takové, aby mohly být všechny π-elektrony ve vzájemné interakci. To je možné pouze tehdy, když všechny konjugované dvojné vazby leží v jedné rovině (planární systém). Planární uspořádání má nejběžnější aromatický uhlovodík benzen, ale také kondenzované aromatické systémy jako je např. naftalen. Cyklooktatetraen ale nemá aromatický charakter, poněvadž má sice v kruhu formálně čtyři konjugované dvojné vazby, ale nelze je uspořádat do jedné roviny. Na druhé straně má aromatický charakter např. uhlovodík azulen, poněvadž je planární.
= benzen
azulen
naftalen
cyklooktatetraen není planární, nemá aromatický charakter
planární, aromatický charakter
V důsledku překryvu π-elektronů mají všechny vazby v benzenovém jádře stejnou délku 0,139 nm, což je průměr délek jednoduché a dvojné vazby. Molekula je planární a úhel mezi vazbami spojujícími jednotlivé uhlíky je tedy 120°. V důsledku hybridizace vytvářejí π-elektrony dva souvislé hybridizované orbitaly nad a pod rovinou kruhu. Obvyklé znázornění benzenu jako šestičlenného kruhu se třemi dvojnými vazbami tuto skutečnost dostatečně nevystihuje. Jde ale o formální zavedený Kekulého model, který je vhodný, jak později uvidíme, např. k popisu reakčních mechanismů a indukčních resp. konjugačních efektů. Model benzenu jako šestiúhelníku s vepsanou kružnicí je k těmto účelům méně vhodný a používá se v literatuře jen zřídka. U naftalenu již nejsou všechny vazby stejně dlouhé, ale podle délky se dělí do tří skupin. Aromatické uhlovodíky se vyznačují neobyčejnou stabilitou. Benzen nereaguje např. s manganistanem draselným a za studena nereaguje ani s bromem. Dá se však oxidovat vzduchem za přítomnosti vanadiového katalyzátoru na maleinanhydrid. Obdobné oxidaci podléhá naftalen za vzniku ftalanhydridu: O
V2O5
O
V2O5
O
O
350°C
400°C O
O
Vzhledem k přítomnosti delokalizovaných π-elektronů v aromatických jádrech se aromatické uhlovodíky chovají jako slabé nukleofily (Lewisovy base). Čím více aromatických kruhů (a tedy i π-elektronů) obsahují, tím jsou basičtější a mají větší tendenci reagovat s elektrofilními činidly v substitučních reakcích, zatímco tendence k adicím je potlačena. Zdrojem aromatických uhlovodíků je černouhelný dehet a omezeně také ropa. V dehtu se vedle aromatických uhlovodíku vyskytují také jejich substituční deriváty kyselé nebo zásadité povahy (fenoly, aminy). Principiálně lze aromatické uhlovodíky připravit z parafinů, olefinů a cykloparafinů cyklodehydrogenačními reakcemi, z acetylenu trimerizací nebo tetramerizací. Adiční reakce aromatických sloučenin jsou ojedinělé. Je to např. katalytická hydrogenace, která vede k tvorbě cykloalkanů. Radikálová adice chloru na benzen poskytuje hexachlorcyklohexan (HCH). Existuje celkem 8 diastereoisomerních forem HCH, z nichž γ-isomer byl používán jako insekticid. Zajímavou adiční reakcí je ozonizace benzenu, poskytující explosivní triozonid, který se dá hydrolyzovat na glyoxal. H
H
Cl
Cl Cl
H
O
Cl2, hν
O3
Cl H H
H
Cl
Cl
O O O
H2/kat
O O
HCH
39
O
O O
H2O
OHC-CHO
Typickou reakcí aromatických uhlovodíků jsou elektrofilní substituce. Patří mezi ně halogenace, nitrace, sulfonace, alkylace a acylace, které probíhají analogickým mechanismem. Aromatické sloučeniny jsou vůči elektrofilům méně reaktivní než alkeny, proto je nutno reakci katalyzovat. Účelem katalyzátoru, kterým mohou být podle charakteru reaktantů jak protonické kyseliny, tak Lewisovy kyseliny (nejčastěji halogenidy boru, hliníku a železa), je vytvořit v reakční směsi dostatečnou koncentraci elektrofilních částic. Reakční mechanismus předpokládá v první fázi interakci elektrofilního činidla s aromatickým jádrem za vzniku πkomplexu, který se pomalu přeměňuje na σ-komplex s neuzavřeným systémem π-elektronů, tedy nearomatický karbokation. Ten ztrácí rychle proton za tvorby substitučního produktu a malé molekuly vedlejšího produktu (halogenvodík, voda), současně se regeneruje katalyzátor: E+ + [Y-K]
E-Y + K E
+
E
+
pomalu
π-komplex H+ + [Y-K]
E
+
E rychle
H σ-komplex
+ H+
E-Y: reaktant s polarizovanou vazbou K: katalyzátor
HY + K
Elektrofilní substituce aromátů se většinou provádějí v kapalné polární fázi za nízkých teplot, aby nepřevládlo termodynamické řízení reakce nad kinetickým. Pokud je aromatické jádro substituováno, substituent diriguje vstup elektrofilu na určitý atom jádra, jak bude ukázáno dále. Průběh halogenace aromatických látek závisí na druhu halogenu. Vzhledem k extrémní reaktivitě fluoru poskytují jeho reakce s aromatickými sloučeninami jen velmi nízké výtěžky monofluorderivátů. Chlorace a bromace se provádějí působením halogenu za přítomnosti Lewisovy kyseliny, která vytváří potřebný halogenový kation. Reakční cesta probíhá opět přes stadium π-komplexu a σ-komplexu. Potřebnou Lewisovu kyselinu lze vytvořit i přímo v reakční směsi (in situ) reakcí kovu s halogenem. Chlorací benzenu vzniká chlorbenzen, používaný dříve k výrobě fenolu, bromací vzniká brombenzen: Cl2 + AlCl3
2 Fe + 3 Br2 FeBr3 + Br2
Cl+ + AlCl4 Cl
Cl+
2 FeBr3 Br+ + FeBr4 Br
Br+
+
+ H+
+ H H+ + AlCl4
H+ + FeBr4
HCl + AlCl3
HBr + FeBr3
Jodace aromatických uhlovodíků je vratnou reakcí, poněvadž vznikající jodovodík redukuje aromatické jodderiváty zpět na uhlovodíky. Proto se elektrofil I+ generuje přídavkem oxidačních činidel, např. měďnatých iontů, peroxidu vodíku nebo kyseliny dusičné. Vznikající jodovodík se oxiduje na jod, který se tak plně využije pro tvorbu produktu: I2 + 2 Cu2+
I+
2 I+ + 2 Cu+
I + HI
Cu2+
I2
Nitrace aromatických uhlovodíků probíhá účinkem směsi kyseliny sírové a kyseliny dusičné (nitrační směs). Kyselina sírová jako silnější kyselina protonizuje kyselinu dusičnou a po odštěpení vody vzniká nitroniový ion NO2+ , který je elektrofilem zahajujícím reakci. Z benzenu tak vzniká nitrobenzen, který je důležitou surovinou pro výrobu anilinu: H2SO4 + HNO3 NO2+
HSO4
H O + +O N+ H O
NO2 + H+
H+ + HSO4
NO2+ + H2O
H2SO4
Sulfonace aromatických uhlovodíků se provádí pomocí olea, což je směs kyseliny sírové a oxidu sírového. Vlastním elektrofilem je částice HSO3+ , jako elektrofil však může působit i oxid sírový, který má elektronovou mezeru na atomu síry. Sulfonací benzenu vzniká benzensulfonová kyselina, jejíž alkalickou hydrolýzou se dříve vyráběl fenol. Sulfonace je jedinou z elektrofilních substitucí na aromatickém jádře, která je
40
rovnovážnou reakcí. Rovnováha je ve zředěné kyselině posunuta doleva a proto lze také aromatické sulfokyseliny snadno desulfurovat zpět na uhlovodíky: OH
SO 3H H2SO4 + H2O
HSO3+
HSO3+ + HSO4
H2SO4 + SO3
H2O
Friedel-Craftsovy alkylace jsou reakce, kterými se zavádějí do aromatického jádra alkylové skupiny. Elektrofilní částicí je karbokation, který lze generovat několika způsoby. Nejběžnější způsob spočívá v disociaci alkylhalogenidů působením Lewisovy kyseliny, např. chloridu hlinitého nebo fluoridu boritého. Reakce probíhá opět za následné tvorby π- a σ-komplexu, vedlejším produktem je halogenvodík. Při použití vyšších alkalhalogenidů může kyselý katalyzátor vyvolávat přesmyky vzniklého karbokationtu, takže vznikají rozvětvené alkylbenzeny: CH3CH2+ + AlCl4
CH3CH2-Cl + AlCl3 CH3CH2+
π-komplex
σ-komplex
CH3CH2CH2Cl
+ H+ jediný produkt
AlCl4
+ CH3CHCH3
CH3CH2CH2+
CH3CH2CH2Cl + AlCl3
proto:
AlCl3 + HCl
CH2CH3
+
AlCl3
Karbokation lze však generovat také z alkoholů nebo alkenů působením silných minerálních kyselin (sírové, fosforečné, fluorovodíkové). V případě primárních alkoholů dochází opět k isomerizaci vzniklých primárních karbokationtů na stabilnější sekundární nebo terciární, takže produktem je rozvětvený alkylbenzen. Z propylenu a benzenu se vyrábí isopropylbenzen (kumen), surovina pro výrobu fenolu. H+ OH
OH2 +
- H2O
+ CH2
H3C + CH3 C H
H+ H3C
CH2 C H
- H2O H+
H3C + CH3 C + H
+
+ H
+OH 2
OH
Podobný průběh jako alkylace má také Friedel-Craftsova acylace aromatických uhlovodíků, nenastávají zde však komplikace s přesmykem. Elektrofilní acylující částicí je kation R-CO+, vznikající z acylačního činidla (alifatického, alicyklického i aromatického acylhalogenidu nebo anhydridu) a Lewisovy kyseliny. Produktem jsou ketony (tzv. fenony), které lze snadno redukovat na alkylbenzeny s lineárním řetězcem, nedostupné Friedel-Craftsovou alkylací. Snadno lze připravit i cyklické ketony: O R
O + AlCl3 Cl
O
+ AlCl4 R
O
+
R
+ H+ R + produkt: R = CH3: acetofenon, R = C2H5: propiofenon, R = Ph: benzofenon +
AlCl3
AlCl3
COCl
COCl indan-1-on O
α-tetralon O
Acylací benzenu lze připravit také benzaldehyd s funkční skupinou –CH=O a jeho substituční deriváty. Halogenidy resp. anhydrid kyseliny mravenčí sice nejsou známy, ale formylovat lze směsí suchého chlorovodíku a oxidu uhelnatého (Gattermann-Kochova reakce), resp. chlorovodíku a kyanovodíku (Gattermanova reakce), vždy za katalýzy chloridem hlinitým. Formylovat se dá také směsí dimethylformamidu H-CO-N(CH3)2 a oxychloridu fosforečného POCl3 (Vielsmeier-Haackova reakce):
41
+ NH Cl 2
O H CO + HCl
H2O
H
CO + HCN
O H
AlCl3
AlCl3
Elektrofilní substituční reakce u benzenu mají jednotný průběh, poněvadž všechny atomy uhlíku jsou rovnocenné. Jiná situace však nastává, jestliže je již na benzenovém jádře přítomen nějaký substituent. Další substituent může vůči němu vstupovat do různých poloh a teoreticky mohou vznikat tři deriváty, označované jako ortho (o-), meta (m-) a para (p-): R
R
R R nebo
E
E+
nebo
o-
m-
E
E
p-
O tom, do které polohy elektrofil vstoupí a jak snadno bude reakce probíhat, rozhoduje indukční, mesomerní, ale také sterický efekt substituentu R. Podle výsledného elektronického efektu se často substituenty dělí do dvou skupin, a to na substituenty I. třídy, které dirigují vstup dalšího substituentu do polohy o- a p-, a na substituenty II. třídy, které dirigují vstup dalšího substituentu do polohy m-. Toto empirické pravidlo vzniklo již v předminulém století. Mezi substituenty I. třídy jsou řazeny především alkylové skupiny a skupiny s volnými elektronovými páry jako jsou skupiny -OH a -NH2 včetně všech jejich obměn (-OR, -OCOR, -NHR, -NR2, NCOR atd.). Alkylové skupiny vykazují pouze kladný indukční efekt, ostatní jmenované skupiny mají sice slabý záporný indukční efekt, protože však mají volné elektronové páry schopné zapojit se do konjugace s π-elektrony, vykazují silný kladný mesomerní efekt, indukují posun π-elektronů do poloh o- a p- a celkově jádro aktivují vůči elektrofilní substituci, která proběhne v místech s vyšší elektronovou hustotou. Mezi substituenty I. třídy se řadí i halogeny, i když mají velmi silný záporný indukční vliv. Poněvadž však mají současně i kladný mesomerní efekt, umožňují substituci v polohách o- a p-. Jádro však částečně desaktivují a elektrofilní substituce u halogenderivátů benzenu proto probíhají mnohem hůře než u derivátů s výše jmenovanými skupinami. Vzájemný poměr vznikajících o- a p-derivátů by měl být statisticky 2:1. Působením především sterického efektu, který znesnadňuje vstup dalšího substituentu do o-polohy, ale i jiných reakčních vlivů, je tento poměr vždy menší a ve většině případů převládá v reakční směsi p-isomer. R
R δ-
δ
-
δ+
δ+
R E
+
snadno
R R
E
δ+
δ
+
+ E
δ elektrondonorový substituent R aktivace jádra -
δ-
δ-
E
+
nesnadno E
δ elektronakceptorový substituent R desaktivace jádra +
Mezi substituenty II. třídy se řadí kladně nabité amoniové skupiny –NR3+, dále pak skupiny -NO2, CHO, -COR, -COOH, -COOR, -CONH2, -SO3H a -CN. Všechny tyto skupiny vykazují současně záporný indukční a záporný mesomerní efekt. Indukují posun elektronů v jádře tak, že relativně nejvyšší hustota elektronů je v poloze m- a proto mají m-dirigující vliv. Vzhledem k celkové desaktivaci jádra odčerpáváním elektronů však elektrofilní substituce u látek nesoucích substituenty II. třídy probíhají velmi špatně nebo neprobíhají vůbec (např. Friedel-Craftsovy alkylace). Vliv substituentů na směr elektrofilní substituce a na reakční rychlost je enormní. Např. poměr rychlostních konstant nitrace fenolu, benzenu, chlorbenzenu a nitrobenzenu je 1000 : 1 : 0,03 : 6x10-8. V případě, že je na jádře před reakcí více substituentů, jejich dirigující vlivy jsou aditivní. Na následujícím schématu jsou uvedeny některé příklady:
42
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3 NO2+
NO2 + O2N
NO2+
NO2 O2N NO2+ nesnadno
NO2
NO2 OH
OH
OH
OH Br
OH Br2/AlCl3
Br + Br
Br2/AlCl3
NO2
Br Br2/AlCl3 snadno
Br
Br NO2
NO2
NO2 Cl2/AlCl3
ROH/H
COOH OH ROH/H+
+
Cl nesnadno
Br
R nevzniká
R
COOH OH
COOH OH
+ hlavní produkt
málo
R
Elektrofilní substituce v naftalenové řadě probíhá snadněji než u benzenu, např. bromace již bez přítomnosti katalyzátoru, nitrace působením zředěné kyseliny dusičné. V molekule jsou dvě rozdílně reaktivní polohy. V poloze α (1,4,5,8) je vyšší hustota elektronů a proto v ní probíhá substituce snadněji než v poloze β (2,3,6,7). V polohách 9 a 10 samozřejmě substituce nemůže probíhat. Nitrace, halogenace a alkylace probíhají výlučně do polohy α. Také sulfonace probíhá přednostně do polohy α za vzniku α-naftalensulfonové kyseliny, ale za vyšších teplot převládne termodynamické řízení reakce a primární produkt se isomerizuje na termodynamicky stabilnější isomer β . Tento přesmyk je možno pozorovat někdy i u acylačních reakcí. 8 (α)
Br
1 (α)
NO2
9
7 (β)
2 (β)
6 (β)
Br2
HNO3
3 (β) 10
H2SO4
SO3H
4 (α)
5 (α)
60°C
SO3H
160°C
160°C
Elektrofilní substituce monosubstituovaných naftalenů probíhají podle dirigujících vlivů substituentů, navíc hraje roli přednost reaktivnější α-polohy. Za přítomnosti elektrondonorového substituentu probíhá další substituce do α-polohy stejného jádra. Jestliže je však substituentem desaktivující elektronakceptorový substituent, vstupuje elektrofil do α-polohy druhého jádra. Obdobně jako u samotného naftalenu, může i u jeho derivátů s elektronakceptorovým substituentem vstupovat sulfoskupina do α-, ale za vyšší teploty i do β -polohy druhého jádra. Za přítomnosti více substituentů rozhoduje o místě vstupu elektrofilu jejich celkový efekt. OH
OH
E SO3H E+
E+
E
SO3H E
OH
SO3H
+
SO3H
E OH E+
SO3H
E
E
SO3H
+
+ E
Naftalen je prvním členem řady kondenzovaných aromatických uhlovodíků. Tři benzenová jádra obsahují anthracen a fenanthren, řada výše kondenzovaných uhlovodíků byla izolována z ropy a dehtu, např. karcinogenní uhlovodíky 1,2-benzanthracen a 1,2-benzpyren. Dokonale symetrickou strukturu má koronen:
anthracen
1,2-benzanthracen fenanthren
43
1,2-benzpyren
koronen
Nukleofilní substitucí nelze v aromatickém jádře nahradit vodík, ale pouze jiný nukleofil, např. halogen. Proto budou nukleofilní aromatické substituce probrány u příslušných substitučních derivátů aromatických uhlovodíků.
6.1.5. Alkylderiváty aromatických uhlovodíků Řadě důležitých přeměn podléhají alkylderiváty aromatických uhlovodíků. Jak jsme již poznali, reakce lze uskutečnit na aromatickém jádře (elektrofilní substituce). Lze je však uskutečnit také na postranním řetězci. Silná oxidační činidla (manganistan, dichromany v kyselém prostředí) oxidují alifatický řetězec v poloze α− a poskytují tak kyseliny nebo ketony. Oxidací p-xylenu vzduchem, katalyzovanou solemi kobaltu, se průmyslově vyrábí kyselina tereftalová, surovina pro přípravu polyethylentereftalátu. Průmyslově důležitou oxidací je také reakce kumenu se vzduchem, při které se tvoří kumenhydroperoxid. Ten se následně působením kyseliny sírové štěpí na fenol a aceton. Aceton se hydrogenuje na isopropylalkohol, kterým se alkyluje benzen na kumen a tím se celý reakční okruh uzavře: CH3 KMnO4
COOH
O H3C KMnO4
kyselina benzoová
O2, Co3+
acetofenon OOH O2 kumen
OH
H2SO4
CH3
HOOC
O
+
COOH
kyselina tereftalová
kumenhydroperoxid
V α-poloze postranního řetězce alkylhomologů aromatických uhlovodíků probíhá také radikálová halogenace. Např. chlorací toluenu lze připravit za podmínek elektrofilní substituce směs o- a p-chlortoluenu, za podmínek radikálové chlorace benzylchlorid, jehož další chlorací vzniká benzalchlorid až benzotrichlorid. Podobně probíhá radikálová bromace, jako činidlo se často používá N-bromsukcinimid: CH3
CH2Cl
CH3 Cl2 hν
CH3 Cl2
+ Cl Cl
AlCl3
Br
O
CCl3
O
N Br
+
CHCl2
+
N H O
O
Specifickou reaktivitou se vyznačují deriváty trifenylmethanu. Jejich radikálovou chlorací se dají snadno připravit halogenderiváty, které se snadno působením některých kovů (Ag, Na, Zn, Mg) v nepolárním prostředí redukují na stabilní trifenylmethylové radikály. Přebytkem kovu se radikály redukují na karbanionty: H
Cl
Cl2
kov
Na
Na+
Trifenylmethylové radikály se vyznačují dlouhou dobou života a v roztoku jsou v rovnováze s dimerem, který se dá izolovat. Trifenylmethylový radikál se dá také vytvořit redukcí karbokationtu (např. titanatými ionty): OH Ph Ph
Ph Ph Ph
Ph
Ph Ph
Ph H2SO4
Ph Ph
TiCl2
Ph
Celá řada derivátů trifenylmethanu patří do skupiny barviv. Můžeme uvést např. fuchsin, který se vyrábí oxidací směsi anilinu, o-toluidinu a p-toluidinu chloridem železitým v nitrobenzenu:
44
H2N
H3C
H2N
NH2
NH2
FeCl3 CH3
H2N
NH2 Cl
Cl
C6H5NO2
CH3
CH3
NH2
NH2
NH2
Důležitý acidobazický indikátor fenolftalein vzniká zahříváním ftalanhydridu s fenolem v prostředí kyseliny sírové. Ve slabě alkalickém prostředí se barví fialově v důsledku otevření laktonového kruhu a přeměny na semichinonový konjugovaný systém. V silně alkalickém prostředí však dojde k adici hydroxylové skupiny, semichinonové seskupení mizí a fenolftalein se odbarví: O
O O
_
O
H2SO4
_
_
COO OH
HO
COO OH
_ HO
O
OH
HO
_
fialový
O
bezbarvý
H O
OH
OH
OH
O
bezbarvý
6.2. Deriváty uhlovodíků 6.2.1. Halogenderiváty Metody přípravy alifatických i aromatických halogenderivátů byly probrány v kapitole 6.1. Reaktivita halogenuhlovodíků závisí především na charakteru uhlovodíkového zbytku. Alifatické halogenderiváty snadno reagují s řadou nukleofilů při substitučních reakcích (SN), ale působením nukleofilů podléhají také eliminačním reakcím za vzniku olefinů. 6.2.1.1. Substituční reakce halogenderivátů Poněvadž se pomocí alkylhalogenidů uvádí do organických sloučenin alkylová skupina, bývají také označovány jako alkylační činidla. Z hlediska charakteru halogenu jsou nejreaktivnější alkyljodidy, nejméně reaktivní jsou alkylfluoridy. Z hlediska struktury alkylové skupiny jsou nejvíce reaktivní ty halogenderiváty, které mají halogen vázaný na uhlíkovém atomu sousedícím s násobnou vazbou (allylový nebo propargylový typ) nebo aromatickým jádrem (benzylový typ). Zvýšená reaktivita těchto typů halogenderivátů vyplývá ze snadného oddisociování halogenidového anionu a tvorby karbokationtu stabilizovaného sousedícími π-elektrony. Na druhé straně halogenderiváty s halogenem navázaným na uhlíku dvojné vazby nebo na aromatickém jádře jsou při nukleofilních substitucích nereaktivní, poněvadž jejich n-elektrony se stávají součástí molekulového π-orbitalu, energie vazby C-halogen roste a pouze velmi špatně může dojít k disociaci: reaktivní halogenderiváty Br
CH2+
_ + Br
Cl
Br
nereaktivní halogenderiváty
nereaktivní halogen Br Br reaktivní halogen
Br
Cl
Alkylační reakce halogenderivátů patří do souboru nukleofilních substitučních reakcí, které mohou probíhat monomolekulárním (SN1) nebo bimolekulárním (SN2) mechanismem. Při SN1 reakci dochází nejprve k pomalé disociaci halogenderivátu na alkylový kation a halogenidový anion, ve druhém stupni proběhne rychlá reakce karbokationtu s nukleofilem, který má záporný náboj nebo volný elektronový pár. Štěpení halogenderivátů na ionty je energeticky náročné a proto tímto mechanismem reagují především molekuly se silně polarizovanou vazbou (např. terciární halogenderiváty) nebo takové molekuly, které poskytují štěpením karbokation stabilizovaný konjugací (allylové a benzylové typy). Reakce karbokationtu s nukleofilem není stereoselektivní a proto při SN1 reakcích chirálních výchozích látek vznikají racemické produkty. pomalu C X +
C
+
+
C X
+
Nu
C
C Nu
+
nebo
45
+ +
C
+
X
Nu
C Nu
Při SN2 reakci reaguje nukleofil svým volným elektronovým párem halogenderivát v jednom stupni za vzniku intermediátu s formálně pětivazným atomem uhlíku, který se následně rozpadá na produkt a halogenidový anion. Je-li výchozí látka chirální, vzniká opět chirální produkt, ale s opačnou absolutní konfigurací. _ Nu
+
C X
Nu
C
Nu C
X
_ +
X
Reakční koordináty (závislost potenciální energie systému Epot na meziatomové vzdálenosti l) SN1 a SN2 reakcí jsou znázorněny na následujícím obrázku. Hodnota Ea je aktivační energie reakce, ∆H je reakční entalpie, jejíž změna charakterizuje reakční teplo. Reakční koordináta SN1 reakce má dvě maxima, poněvadž má dva transitní stavy: první je aktivovaný komplex ve formě iontového páru, druhým pak karbokation, vznikající oddálením iontů působením rozpouštědla. SN2 reakce má pouze jeden intermediát a proto má její reakční koordináta jen jedno maximum.
Epot Ea
Epot
Ea
∆H
∆H
l
A
B
l
Reakční koordináta SN1 (A) a SN2 (B) reakce Příklady nukleofilních substitučních reakcí alifatických resp. alicyklických halogenuhlovodíků jsou uvedeny níže: alkylhalogenid
nukleofil H2O -
produkty R-OH + HX R-OH
název produktu alkohol alkohol
-
R-O-R´ + HX R-O-R´
ether ether
-
R-NH2 + HX R-NH-R´ + HX R-CN
primární amin sekundární amin nitrily
-
CH≡C-R + NaX
alkyny
HO R´-OH R´O NH3 R´-NH2
R-X
CN
CH≡C Na+
Reakce halogenderivátů s vodou jsou vratné, poněvadž vznikající halogenovodík může zpětně reagovat s alkoholem. Použitím přebytku vody se tento problém omezí. Reakce halogenderivátů s aminy poskytuje výše substituovaný amin a halogenovodík, který s produktem vytvoří sůl. Postupnou alkylací aminů lze připravit až -
kvarterní amoniové soli R4N+X . Reakce alkylhalogenidů s kyanidy se označuje jako nitrilová syntéza – hydrolýzou vzniklého nitrilu lze připravit karboxylovou kyselinu mající o jeden uhlík více než výchozí alkylhalogenid. Alkylace acetylidu sodného se používají k přípravě substituovaných alkynů. Jak již bylo uvedeno výše, aromatické halogenderiváty jsou velmi stabilní a proto nukleofilní substituce aromatických halogenderivátů probíhá jen velmi nesnadno. Např. fenolát sodný vzniká z chlorbenzenu působením taveniny hydroxidu sodného při 300°C. Při Raschigově postupu se dá fenol připravit tak, že katalytickou oxychlorací benzenu v plynné fázi vznikne chlorbenzen, který se v plynné fázi při 500°C hydrolyzuje na fenol. Relativně snadno však probíhá nukleofilní aromatická substituce u takových halogenderivátů, které nesou v jádře elektronakceptorové skupiny, odčerpávající elektrony. Např. pikrylchlorid poskytuje kyselinu pikrovou již při zahřívání ve vodném roztoku:
46
ONa CO2
Cl NaOH, 300°C
OH
Cl O 2N
OH O2 N
NO2
NO2
H2O Cl
OH
H2O
+ HCl + 1/2 O2
NO2 pikrylchlorid
500°C
kat.
NO2
6.2.1.2. Eliminační reakce halogenuhlovodíků Vedle substitučních reakcí probíhají u halogenuhlovodíků také eliminační reakce, tzv. dehydrohalogenace, za tvorby alkenů. Eliminace může probíhat monomolekulárním (E1) i bimolekulárním (E2) mechanismem a její průběh se řídí Zajcevovým pravidlem. Vodíkový atom se odštěpuje vždy z atomu uhlíku sousedícího s uhlíkem, na němž je vázán halogen (β -eliminace), a to z toho atomu uhlíku, který nese nejmenší počet vodíkových atomů, takže vždy vzniká více substituovaný olefin: E1:
H
E2:
Y
pomalu
X
H
+
H
H
+
X
Y rychle
X
Y H
-
CH3
+
HO
H2C CH3 nevzniká
+
X
H CH3 H3C C C CH3
HY
YH +
-
HO
H
+ X
CH3
CH3 H 3C produkt
Cl H
Eliminace většinou probíhá současně se substituční reakcí a její rozsah roste s rostoucí alkalitou prostředí a s rostoucím rozvětvením alkylu na uhlíku, na němž je umístěn halogen. Např. terc.-butylchlorid poskytuje v silně alkalickém prostředí výhradně isobuten, převážně isobuten vzniká ze stejné výchozí látky i působením alkalických kyanidů. Z ditopických halogenderivátů uhlovodíků lze odštěpit oba halogeny a vzniká konjugovaný dien: Cl
Cl
Cl
Cl
2 KOH
nebo
nebo Cl
+ 2 KCl Cl
6.2.1.3. Reakce halogenuhlovodíků s kovy Tato reakce probíhá různým způsobem podle způsobu provedení. Působením zinku v kyselém vodném prostředí dochází k redukci alkylhalogenidů za vzniku alkanů, např.: Br
-
+ Zn2+ + Br + Cl-
+ Zn + HCl
Reakcí halogenuhlovodíku se sodíkem v diethyletheru však dochází ke zdvojení molekuly, intermediátem je alkyl, resp. arylsodík: 2 C2H5Br + 2 Na 2
C2H5-C2H5 + 2 NaBr
Br + 2 Na
+ 2 NaBr
Br + C2H5Br + 2 Na
C2H5 + 2 NaBr
reakce Wurtzova reakce Fittigova
reakce Wurtz-Fittigova
Uvedené reakce mají nyní spíše historický charakter. Biaryly se dnes získávají ve vysokých výtěžcích reakcí arylhalogenidů s boronovými kyselinami, katalyzovanou komplexy paladia: OH Br
+
Pd komplex
B OH
47
6.2.1.4. Reakce halogenuhlovodíků s křemíkem Alkyl- nebo arylhalogenidy reagují s křemíkem za tvorby alkyl- nebo arylhalogensilanů: CH3Cl + Si
Cl
500°C Cu
+ Si
(CH3)2SiCl2 + CH3SICl3 + (CH3)3SiCl + CH3HSICl3 2% 3% 11% 77% 450°C Ag
Cl Si
SiCl3 +
Cl
Směsi produktů se čistí frakční destilací a následnou hydrolýzou dialkyl- nebo diaryldichlorsilanů vznikají nízkomolekulární polymery, v případě dimethyldichlorsilanu také jeho cyklický tetramer (oktamethylcyklotetrasiloxan). Nízkomolekulární lineární i cyklické polymery se polymerují působením kyselých katalyzátorů a vznikají polysiloxany (označované jako silikony). Podle délky řetězce a charakteru substituentů mají produkty polymerace odlišnou konsistenci: silikonové oleje, pasty, silikonový kaučuk. U silikonového kaučuku se cení především tepelná odolnost a stálost vůči benzinu a minerálním olejům. H3C CH3 Si O CH3 O Si CH3 H3C Si O H3C O Si CH 3 H3C
R1
1
R H2O
Si
Cl
Cl
H2O
HO
Si
O
H
2
2
R
R
n
6.2.2. Organokovové sloučeniny V organokovových sloučeninách je kov připojen na uhlíkový atom silně polarizovanou kovalentní vazbou. Je známo velké množství organokovových sloučenin různých kovů, ale významné místo mezi nimi zaujaly především organokovové sloučeniny lithia, hořčíku, hliníku a částečně také rtuti. V poslední době se stále více využívá i jiných organokovových sloučenin, ale popis jejich reakcí se již vymyká tomuto základnímu kursu. Organohořečnaté sloučeniny, nazývané podle jejich objevitele také Grignardova činidla, byly až donedávna nejrozšířenější. Připravují se působením alkyl- nebo arylhalogenidů na hořčíkové hobliny, nejčastěji v rozpouštědle etherového typu. Rozpouštědlo se koordinuje svými volnými elektronovými páry k vznikajícímu alkyl- resp. arylmagnesiumhalogenidu za tvorby komplexu, který je v systému rozpustný: R-X + Mg
ether
R-Mg-X
R R´ O Mg O R´ R´ X R´
Nejrychleji reagují jodderiváty, ale v praxi se nejčastěji používá chlorderivátů, které poskytují nejvyšší výtěžky, poněvadž vykazují nejmenší podíl vedlejších reakcí. Nejreaktivnější jsou primární alkylhalogenidy, lze však připravit i Grignardova činidla se sekundárními resp. terciárními alkyly, případně i aromatickými zbytky. Grignardova činidla jsou citlivá na stopy vlhkosti, reagují snadno i s kyslíkem a oxidem uhličitým. Těchto reakcí se dá využít k přípravě uhlovodíků, alkoholů a karboxylových kyselin. Obecně lze pomocí Grignardových sloučenin vyměnit za kov snadno vodíkové atomy, které mají kyselý charakter, např. v acetylenu. V důsledku silné polarizace vazby mezi uhlíkem a kovem (s kladným indukčním efektem) se chovají Grignardova činidla jako velmi silné uhlíkové nukleofily a používají se k nukleofilním adicím na aldehydy, ketony, resp. estery (viz dále). R-Mg-X + H2O
RH + MgXOH
-
RCOO (MgX)+
R-Mg-X + CO2 R-Mg-X + CH
2 H2O
2 ROMgX
2 R-Mg-X + O2
CH
CH
2 H2O
C
2 ROH + 2 MgXOH
2 R-COOH + 2 MgXOH MgX + R-H
Organolithné sloučeniny lze připravit reakcí alkyl- nebo arylhalogenidu s kovovým lithiem v nepolárním prostředí. Stejně jako Grignardova činidla reagují velmi snadno s vodou, kyslíkem a oxidem uhličitým a musí se proto připravovat a uchovávat v inertní atmosféře. Reagují také s acetylenem na acetylidy lithné. Hlavní použití organolithných sloučenin spočívá v jejich nukleofilních adicích na karbonylové sloučeniny.
48
S arylhalogenidy reagují alkyllithné sloučeniny za tvorby aryllithia, ve kterém je mezomerně stabilizovaný karbanion stabilnější. C4H9Cl + 2 Li
C4H9Li +
C4H9Li + LiCl
Br + 2 Li
Br + LiBr
Li + C4H9Br
Br
Organohlinité sloučeniny mají velký průmyslový význam, poněvadž jsou součástí tzv. ZieglerNattových polymeračních katalyzátorů. Hliník reaguje s alkylhalogenidy a poskytuje směs alkyl- a dialkylderivátů, která se dá dělit destilací. Trialkylhliníky se získají reakcí alkylhalogenidů se slitinou hořčíku a hliníku, dají se však připravit i z olefinů: 3 R-X + Al
RAlX2 + R2AlX 2 R3Al + 3 MgCl2
6 R-Cl + 2 Al + 3 Mg 6 (CH3)2C=CH2 + 3 H2 + Al
2 (CH3)2CH-CH2 3Al
Organortuťnaté sloučeniny jsou silně toxické a některé z nich se používaly dříve jako antiseptika a insekticida. Připravují se působením sodíkového amalgamu na alkylhalogenidy nebo působením chloridu rtuťnatého na Grignardova činidla. U aromatických nebo heterocyklických sloučenin lze zavést rtuť do jádra reakcí s octanem nebo chloridem rtuťnatým. Poněvadž merkuriacetátový nebo merkurichloridový substituent se dá vytěsnit z jádra působením jodu, dá se této reakce využít k přípravě některých aromatických jodderivátů, často obtížně dostupných elektrofilní substitucí: 2 R-Cl + 2 NaHgx
R2Hg + 2 NaCl + (2x-1) Hg
2 RMgCl + HgCl2
R2Hg + 2 MgCl2
Br
NH2
HgX2
Br
NH2
X = Cl, OCOCH3
HgX
I2+KI
Br
NH2 I
6.2.3. Hydroxyderiváty Podle charakteru uhlovodíkového zbytku se hydroxyderiváty uhlovodíků dělí na alkoholy (alifatický nebo alicyklický zbytek) a fenoly (aromatický zbytek). Podle počtu alkylů nebo arylů na uhlíku nesoucím hydroxylovou skupinu se alkoholy dělí na primární R-CH2OH, sekundární R2CH-OH a terciární R3C-OH. V porovnání s vodou se u alkoholů projeví kladný indukční efekt alkylové skupiny, který vyvolá zvýšení elektronové hustoty na kyslíku a znesnadní disociaci OH skupiny. Proto jsou alkoholy méně kyselé než voda a jejich kyselost klesá s rostoucím rozvětvením alkylu. Naproti tomu u fenolů arylová skupina svým záporným mezomerním efektem umožní zapojení volných elektronových párů na kyslíku do molekulového π-orbitalu, čímž se vazba O-H oslabí, fenoly snadněji disociují a mají kyselý charakter. Přítomnost hydroxylové skupiny v molekule alkoholů a fenolů také umožňuje vznik vodíkových vazeb a důsledkem je zvýšení bodu varu v porovnání s jinými sloučeninami s podobnými molekulovými hmotnostmi. 6.2.3.1. Reakce alkoholů a fenolů s kovy a se zásadami Alkoholy i fenoly reagují snadno s alkalickými kovy a poskytují příslušné alkoholáty nebo fenoláty. Alkoholáty, jako soli velmi slabých kyselin, se ve vodě rychle rozkládají na alkoholy a alkalické hydroxidy a proto se musí připravovat v bezvodém prostředí. Naproti tomu fenoly tvoří s alkalickými kovy fenoláty, které ve vodě jako soli slabých kyselin a silných zásad pouze disociují, ale nerozkládají se. Fenoly jsou natolik kyselé, že reagují na fenoláty i při jejich rozpouštění roztocích alkalických hydroxidů. Z alkalicky reagujících roztoků fenolátů lze uvolnit fenol působením minerální kyseliny (HCl, H2SO4), ale stačí k tomu už oxid uhličitý. Vzhledem k tomu, že fenoly jsou většinou podstatně méně kyselejší než karboxylové kyseliny, neposkytují soli s roztokem hydrogenuhličitanu sodného, zatímco karboxylové kyseliny je poskytují. Proto může být této reakce využito k dělení směsí fenolů a karboxylových kyselin.
49
C2H5OH + Na
C2H5ONa + 1/2 H2
C2H5ONa + H2O
C2H5OH + NaOH
OH + Na
ONa + 1/2 H2 ONa + H2O
OH + NaOH R-COOH + NaHCO3 (aq)
R-COONa v roztoku
OH
+ CO2 + H2O
OH nerozpustí se
OH + NaHCO3
Alkoholáty a fenoláty jsou vhodnými substráty pro alkylační reakce halogenparafinů nebo dialkylsulfátů, při kterých vznikají ethery: R-ONa + Alkyl-Br R-O-Alkyl R-ONa + Alkyl-O-SO2-O-Alkyl Williamsonova syntéza R = alkyl nebo aryl
6.2.3.2 Reakce alkoholů s minerálními kyselinami Alkoholy reagují jak s minerálními, tak organickými kyselinami. Reakce s organickými (karboxylovými) kyselinami (esterifikace) bude probrána ve stati o karboxylových kyselinách. Při reakci s minerální kyselinou vystupuje alkohol jako báze, která se příslušnou minerální kyselinou protonizuje na kyslíkovém atomu za vzniku oxoniové soli. Oxoniové soli jsou nestabilní a podléhají nukleofilní substituci, při níž se odštěpuje voda a vzniklý karbokation reaguje s příslušným anionem kyseliny za tvorby jejího esteru: H O R
+ H-A
O
H
R
R-A + H2O
A H
Formálně lze za estery kyseliny chlorovodíkové považovat alkylhalogenidy, které vznikají z alkoholů a halogenovodíkových kyselin výše uvedeným reakčním mechanismem. Estery kyseliny dusičné (nitráty R-ONO2) vznikají působením koncentrované kyseliny dusičné na alkoholy. Technicky důležitý trinitrát glycerolu (nesprávně nitroglycerin) vzniká z glycerolu působením nitrační směsi. Používá se jako výbušnina (po deaktivaci infusoriovou hlinkou pod názvem dynamit) a léčivo. HO
OH + 3 HNO 3
H2SO4
O2N-O
OH
ONO 2 O-NO 2
(CH3)2CHCH2CH2-OH + NaNO2 + H2SO4
+ 3 H2O
glycerol trinitrát
(CH3)2CHCH2CH2-O-NO + NaHSO4 + H2O isoamylnitrit
Estery kyseliny dusité (alkylnitrity R-ONO2) se připravují reakcí kyseliny sírové se směsí alkoholu a dusitanu sodného. Používají se k nitrosacím v nevodném prostředí místo kyseliny dusité, isoamylnitrit se používá stejně jako trinitrát glycerolu jako léčivo při angině pectoris. Kyselina sírová jako dvojsytná kyselina poskytuje s alkoholy monoestery (alkylsírové kyseliny nebo alkylhydrogensulfáty), které reakcí s další molekulou alkoholu přecházejí na diestery (dialkylsulfáty). Reakce kyseliny sírové s ethanolem může poskytovat podle reakčních podmínek diethylsulfát, ethylen, nebo diethylether (alchymisty nazývaný sirný ether). Diethylether vzniká zahříváním přebytku ethanolu s kyselinou sírovou na 140°C, meziproduktem je ethylsírová kyselina. Dialkylsulfáty působí jako alkylační činidla obdobně jako alkylhalogenidy. Nejběžnější z nich je dimethylsulfát, který se získává reakcí oxidu sírového s methanolem a následnou vakuovou destilací vzniklé kyseliny methylsírové. Sodné soli alkylhydrogensulfátů odvozených od vyšších alkoholů se používají jako tenzidy a vznikají reakcí vyšších alkoholů s kyselinou chlorsulfonovou: R-OH + H2SO4 H2SO4 + C2H5OH 2 CH3OH + 2 SO3 R-OH + HOSO2Cl
R-O-SO2-OH + H2O
R-OH
R-O-SO2-OR
C2H5-O-C2H5 nebo CH2=CH2 nebo C2H5O-SO2-OC2H5 2 CH3OSO2OH
CH3-O-SO2-OCH3 + H2SO4 NaOH HCl + R-OSO2OH R-OSO2ONa
Kyselina fosforečná je trojsytnou kyselinou a proto může s alkoholy poskytovat tři řady esterů: alkyldihydrogenfosfáty, dialkylhydrogenfostáty a trialkylfosfáty. Obecnou metodou pro přípravu trialkylfosfátů
50
nebo triarylfosfátů je reakce oxychloridu fosforečného s alkoholy nebo fenoly. Triarylfosfáty se používají jako změkčovadla plastů. Cl O P Cl Cl
OR O P OR + 3 HCl OR
+ 3 R-OH
Mono-, di- a triestery kyseliny fosforečné se uplatňují při biochemických reakcích. Jde o fosforečné estery sacharidů, nukleotidů, lipidů atd. Pomocí fosfodiesterové vazby jsou spojeny nukleotidy do řetězců nukleových kyselin.
6.2.3.3. Adiční reakce alkoholů Některé z adičních reakcí alkoholů byly probrány již dříve (adice na alkyny), některé budou probírány v dalších kapitolách (adice na aldehydy a ketony). Důležitou nukleofilní adiční reakcí alkoholů je reakce s isokyanáty. Produktem jsou alkylestery kyseliny karbamidové. Velký technický význam mají polyadice diolů na diisokyanáty, které poskytují polyuretany: H
O
R
H
R N C O
x HO
R
O H R N C OR
R N C O
(CH2)m
x OCN
O
+ (CH2)n
O
O
OH H
O
(CH2)m O
NH
NCO
H (CH2)n N
x
6.2.3.4. Dehydratace alkoholů Působením kyselých činidel (kyseliny sírové, kyseliny fosforečné) dochází k eliminační reakci alkoholů na olefiny. Reakce je zahajována adicí protonu na hydroxylovou skupinu za tvorby oxoniové soli, z níž po odštěpení vody vzniká karbokation. Ten odštěpí proton ze sousedního atomu uhlíku a přemění se na E-olefin. Eliminace probíhá podle Zajcevova pravidla: vodík se odštěpí z toho atomu uhlíku, který má vodíků méně. Snadnost eliminace je dána charakterem uhlíku nesoucího hydroxylovou skupinu a roste v pořadí primární < sekundární < terciární, což souvisí se stabilitou příslušných karbokationtů. Podobným mechanismem dochází k dvojnásobné eliminaci u 1,3-diolů. V případě 1,4-diolů je reakčním meziproduktem tetrahydrofuran, jako konečný produkt vzniká vždy konjugovaný dien. 1,2-glykoly poskytují eliminací nestabilní α,β -nenasycený alkohol (enol), který se stabilizuje přeměnou na karbonylovou sloučeninu: H+
OH
OH
OH2
- H+
- H2O
- H2O
- 2 H2O
HO
O
OH HO
- H2O
H+ OH
HO
- H2O OH2
HO
- H+
HO
OH
H3C CH O
Dehydratací primárních alkoholů na oxidu hlinitém při 250°C a za tlaku nedochází k dehydrataci na olefiny, ale voda se odštěpí intermolekulárně za vzniku etherů: 2 R-OH
Al2O3, 250°C
R-O-R + H2O
Při některých eliminačních reakcích alkoholů dochází k molekulárnímu přesmyku. Jestliže je v sousedství sekundární hydroxylové skupiny terciární uhlík, dochází u původně vzniklého sekundárního karbokationtu k migrací methylové skupiny za vzniku stabilnějšího terciárního karbokationtu a produktem přesmyku je tetrasubstituovaný olefin. Takový přesmyk nastává v případě pinakolinalkoholu (retropinakolinový přesmyk). Při dehydrataci 1,2-diolů typu pinakolu dochází k jinému přesmyku (pinakolinový přesmyk), který je také vyvolán přeměnou méně stabilního na stabilnější karbokation. Oba přesmyky patří do skupiny tzv. nukleofilních přesmyků, při nichž migruje atom nebo skupina s celým elektronovým párem.
51
CH3 CH3 H3C
CH3 CH3
H+
OH
H3 C
OH2
CH3 H
CH3 CH3
- H2O
CH3 CH3
H3 C
CH3 H
H3C
CH3
CH3 H
H - H+
pinakolinalkohol CH3 CH3
CH3 CH3 CH3 H+ H3C
H3C
CH3 CH3 CH3
- H2O
H3C
CH3
OH OH2
OH OH pinakol
pinakolon
CH3 O
CH3
H3 C
CH3
OH
CH3
H3 C
H3 C
- H+
CH3
H3C
CH3 HO
OH
CH3
6.2.3.5. Dehydrogenace alkoholů a fenolů Primární a sekundární alkoholy se dehydrogenují na aldehydy a ketony. V průmyslovém měřítku se tato reakce provádí vedením par alkoholu přes dehydrogenační katalyzátor (oxidy Cu, Co a Cr) při teplotě asi 300°C. Terciární alkoholy se nedehydrogenují, ale za daných reakčních podmínek poskytují dehydratační produkty. U fenolů dochází působením slabých oxidačních činidel (nejčastěji chlorid železitý) v bezvodém prostředí k dehydrogenačnímu spojení kruhů za vzniku biarylderivátů: O
Cu2O
OH
300°C
2
OH
FeCl3
OH
H
HO
ether
Cu2O
O
300°C
OH
OH OH
OH FeCl3 ether
2
6.2.3.6. Oxidace alkoholů a fenolů K oxidaci alkoholů se používá nejčastěji chromová směs (K2Cr2O7 + H2SO4), CrO3 v prostředí kyseliny octové, nebo KMnO4 v neutrálním nebo alkalickém prostředí. Primární alkoholy se oxidují na aldehydy, při použití přebytku oxidačního činidla a za vyšší teploty však dochází k jejich další oxidaci až na karboxylové kyseliny. Při použití mírnějšího oxidačního činidla (MnO2 v nevodném prostředí) se oxidace zastaví ve stadiu aldehydu. Sekundární alkoholy se oxidují na ketony, terciární alkoholy se neoxidují, ale za drastických podmínek se mohou oxidovat za štěpení uhlíkového řetězce. H
K2Cr2O7
OH
H2SO4 OH
CrO3 AcOH
CH2OH
H2SO4
O OH
O
OH
K2Cr2O7 O
KMnO4
MnO2 CHCl3
+ CO2
CH=O
O
Vicinální dioly se silnými oxidačními činidly (KMnO4) oxidují tak, že dochází ke štěpení řetězce mezi uhlíkovými atomy nesoucími hydroxyskupiny. Podle charakteru substituce tak vznikají dvě molekuly kyseliny, nebo kyselina a keton, případně dvě molekuly ketonů. Selektivním oxidačním činidlem je kyselina jodistá, při jejímž použití se reakce zastaví ve stadiu aldehydu: CHO
HIO4
OH OH
KMnO4
+ CH2=O
CHO CHO
HIO4
OH
KMnO4
OH
OH OH COOH + CO 2
COOH COOH
KMnO4 nebo HIO4 O O +
Benzenové jádro je vůči oxidaci značně resistentní, oxidace fenolů však probíhá snadno. Působením alkalických peroxodisíranů dochází k hydroxylaci aromatického jádra v p-poloze k hydroxylu za vzniku
52
dvojsytných fenolů. Silná oxidační činidla (např. chromová směs nebo CrO3) oxidují fenoly až na chinony. Velmi snadno se na chinony oxidují vícesytné fenoly, které mají hydroxylové skupiny ve vzájemné poloze ortho nebo para, zatímco m-dihydroxybenzen (resorcinol) se za mírných podmínek neoxiduje. K oxidaci hydrochinonu nebo pyrokatecholu stačí již železité soli. Redukčních účinků hydrochinonu a resorcinolu se využívá ve vývojkách pro černobílou fotografii k redukci halogenidů stříbrných na stříbro. Cl
HO K2S2O8
Cl
OH OH
FeCl3
O
OH O
CrO3 O
Cl
OH
O
OH pyrokatechol
OH
FeCl3 HO
p-benzochinon
OH
O OH CrO3
O
hydrochinon 1,2-naftochinon OH
CrO3 HO OH
O o-benzochinon
O
OH
O
FeCl3
O
CrO3 O
1,4-naftochinon O
2,6-naftochinon
6.2.4. Ethery Ethery jsou organická analoga vody, v níž byly oba vodíky nahrazeny alkylovými nebo arylovými skupinami. Na rozdíl od vody a alkoholů jsou značně těkavé, poněvadž nemohou tvořit vodíkové můstky. Dialkylethery jsou chemicky netečné k mnoha činidlům (zejména v alkalickém prostředí) a poněvadž dobře rozpouštějí mnoho organických látek, používají se často jako rozpouštědla. V porovnání s alkoholy je zásaditost dialkyletherů značně zvýšena v důsledku kladného indukčního efektu dvou alkylů. Diarylethery jsou však jen nepatrně zásadité, poněvadž n-elektrony na kyslíkovém atomu jsou v konjugaci s aromatickým jádrem. Hraniční případ představují alkylarylethery, které jsou v důsledku kladného indukčního efektu alkylové skupiny ještě dostatečně zásadité, aby mohly reagovat se silnými kyselinami. V důsledku kladného mezomerního efektu alkyloxyskupiny budou však především reagovat v elektrofilních substitučních reakcích. O
O
O
Alkyl
Alkyl
Alkyl
6.2.4.1. Reakce etherů s minerálními kyselinami Působením minerálních kyselin na dialkyl- nebo alkylarylethery vznikají oxoniové soli. V případě kyseliny chlorovodíkové vzniká příslušný oxoniumchlorid, který je relativně stabilní. Kyselina bromovodíková nebo jodovodíková však s ethery poskytuje nestabilní oxoniové soli, které se rozkládají již za nízké teploty. Rozkladem dialkyloxoniových solí těchto kyselin vzniká směs obou možných alkylhalogenidů a alkoholů, pokud není molekula symetrická. V případě reakce dialkyletheru s přebytkem kyseliny jodovodíkové za tepla dochází k následné přeměně primárně vznikajícího alkoholu na alkylhalogenid, takže konečným produktem jsou dvě molekuly alkyljodidu. V případě alifaticko-aromatického etheru však i v přebytku HI za tepla vzniká alkyljodid a fenol. R1
O
R
HCl
2
R
1
O H
R O
HI
R2
-
Cl
R1
O
R2
HI, za chladu
R1, R2 = alkyl
nadbytek HI za tepla
R1-OH + R2-OH + R1-I + R2-I R1-I + R2-I
OH + R-I R = alkyl
Značně nestabilní jsou v kyselém prostředí alifatické allylethery, které se štěpí ve zředěné kyselině sírové za vyšší teploty na alkoholy. Ještě méně stabilní jsou aromatické allylethery. Za zvýšené teploty podléhají Claisenovu přesmyku, při kterém se allylové skupina přemístí cyklickým mechanismem do polohy ortho za vzniku o-allylfenolů. Mechanismus přesmyku byl potvrzen pomocí takové výchozí látky, ve které byl uhlíkový atom vedle kyslíku nahrazen isotopem l3C. Pokud je o-poloha obsazena, proběhne přesmyk do polohy para.
53
H2O
O
OH + CH3CH2OH
H2SO4
O
O
* CH2
*=
13
C
H C
CH
CH
H2C
OH
* CH2
C H2
C H2
CH2 *
6.2.4.2. Reaktivita cyklických etherů Nejdůležitější z cyklických etherů jsou tříčlenné heterocykly, které mají systematický název oxirany, běžně se však pro ně používá skupinové označení epoxidy. Zatímco alifatické ethery jsou málo reaktivní, epoxidy jsou v důsledku značného Bayerova napětí v tříčlenném kruhu mnohem méně stabilní a snadno podléhají různým chemickým přeměnám, při kterých dochází k otevření kruhu. Nejjednodušší látkou této skupiny je oxiran (ethylenoxid). Jeho kyselá hydrolýza probíhá přes nestabilní oxoniovou sůl a poskytuje ethylenglykol. Reakcí ethylenglykolu s přebytkem ethylenoxidu vzniká diethylenglykol a postupně až polyethylenglykol. Diethylenglykol se dá cyklodehydratací v kyselém prostředí převést na 1,4-dioxan, používaný jako rozpouštědlo. V kyselém prostředí reaguje ethylenoxid i s alkoholy a fenoly a poskytuje hydroxyethery, z nichž některé jsou důležitými rozpouštědly: H
H
H+ O H2O H
H
H
O
O
H
H
O
O
O
H O n polyethylenglykol
H
+ H+
O O H
O
O
H
O
O
O
O triethylenglykol
O
O H
H
O
O H O diethylenglykol H2SO4 - H20
+ H+ + R-OH
H
O
O
R
O
R = C2H5: Cellosolve
O 1,4-dioxan
Reakce ethylenoxidu s mastnými kyselinami poskytuje estery polyethylenglykolu, používané jako detergenty. K 1-monoacylglycerolům, používaným jako emulgátory zejména v potravinářském průmyslu, vede reakce glycidolu s vyššími mastnými kyselinami, katalyzovaná komplexy Cr3+: H R-COOH
+
O
n
O O
R
n O 3+
O CH3-(CH2)16COOH
Cr
+
O
komplex
CH2OH
CH2OH
O
16 1-monostearylglycerol
OH
Epoxidy reagují také s basemi. Ethylenoxid s amoniakem dává směs produktů, která se dá dělit destilací. Soli ethanolaminu s mastnými kyselinami se používají jako emulgátory, diethanolamin se cyklodehydratuje na morfolin (basické rozpouštědlo). Velmi dobře reagují epoxidy se silně nukleofilními Grignardovými činidly a vznikají alkoholy: NH3
O
HO
NH2 ethanolamin
1
+
H N
HO
OH
HO +
N
OH O
NH
OH morfolin
1
R
R
O
1) R2-Mg-X
OH R2
2) H2O
2-Chlormethyloxiran (epichlorhydrin) je základní surovinou pro výrobu epoxidových pryskyřic. Vyrábí se z allylchloridu, který adicí kyseliny chlorné poskytne 1,3-dichor-2-propan-2-ol a ten se působením hydroxidu vápenatého dehydrochloruje na epichlorhydrin. Alkylací bisfenolu A (2,2-bis(p-hydroxyfenyl)propan) epichlorhydrinem v alkalickém prostředí vznikají nízkomolekulární lineární polykondenzáty, které nesou na konci řetězce reaktivní epoxidové skupiny a dají se převést např. působením diaminů (např. ethylendiaminu,
54
diethylentriaminu) nebo anhydridů organických kyselin (maleinové, ftalové) na zesíťovanou epoxidovou pryskyřici. Cl
OH
HOCl Cl
O
O
O
Ca(OH)2
CH2Cl
O O n OH
NH2
O
OH N
O
O
CH2Cl + NaOH
O
OH
O
H2N
OH
Cl
O
O
HO
N
OH
OH
6.2.5. Hydroperoxidy a peroxidy Formální náhradou jednoho nebo dvou vodíkových atomů v molekule peroxidu vodíku alkylovou nebo arylovou skupinou odvozujeme hydroperoxidy a peroxidy. Touto cestou však můžeme alkylhydroperoxidy a dialkylperoxidy i připravit, a to působením alkylačních činidel na peroxid vodíku v alkalickém prostředí, např.: H H
O O
O O
NaOH H H
H3 C
+ CH3-OSO2-OCH3 + 2 CH3-OSO2-OCH3
2 NaOH
O
O
H3C
O
H
O
CH3
Alkylhydroperoxidy vytvářejí vodíkové můstky a jsou silnějšími kyselinami než alkoholy. Proto také dávají s alkalickými hydroxidy příslušné soli, které lze převést zpět na hydroperoxidy již působením slabé kyseliny uhličité. Ve vodě se chovají alkylhydroperoxidy podle charakteru reakčního partnera jako redukční nebo oxidační činidla. Redukují např. manganistanové ionty, ale oxidují jodidy na jod nebo siřičitany na sírany. Extrakce vodným roztokem siřičitanu sodného je běžná metoda k odstranění hydroperoxidů z organických rozpouštědel (R-OOH + Na2SO3 → R-OH + Na2SO4). Hydroperoxidy jsou termicky velmi nestabilní a zahříváním se rozkládají za vzniku radikálů. Proto jsou vhodným iniciátorem radikálových reakcí. Nejčastěji se k tomuto účelu používá terc.butylhydroperoxid, který je termicky stabilnější. O OH
O
O
+ OH
+
CH3
+ OH
Tvorba hydroperoxidů je prvním stupněm oxidace mnoha organických sloučenin. Na uhlíkový atom se naváže celá molekula kyslíku a vzniklý hydroperoxid se následně radikálově rozkládá. Peroxidy jsou termicky stabilnější než hydroperoxidy a chovají se jako slabá oxidační činidla. Proto se také jejich přítomnost dá prokázat reakcí s vodným roztokem jodidu draselného, při které se vylučuje jod a peroxid se mění na dvě molekuly alkoholu. Termickým rozkladem peroxidů se tvoří dva alkoxylové radikály, které se dále rozkládají: O O
2
O
2
O
+ 2
CH3
Peroxidy se používají jako iniciátory radikálových polymerací a také jako detonační iniciátory do motorové nafty, kde zvyšují hodnotu cetanového čísla.
6.2.6. Organické sloučeniny síry Nejjednodušší organické sloučeniny síry jsou určitou analogií kyslíkatých sloučenin. Např. analogií alkoholů a fenolů jsou thioalkoholy a thiofenoly, analogií etherů sulfidy a analogií peroxidů jsou disulfidy. Síra má však velkou schopnost tvořit vazby s kyslíkem a proto existuje mnoho sloučenin s vazbou C-S-O, formálně odvoditelných jako oxidační produkty thioalkoholů, thiofenolů, sulfidů a disulfidů. 6.2.6.1. Alifatické a aromatické thioly Jde o látky vyznačující se vesměs nepříjemným zápachem (butanthiol je součástí sekretu tchoře), které vznikají alkylací alkalických hydrogensulfidů alkylhalogenidy, případně reakcí alkoholů nebo olefinů se sulfanem za vyšší teploty a za přítomnosti katalyzátorů: R-Cl + KSH
R-SH + KCl
C2H5OH
H2S Al2O3, 200°C
55
C2H5SH
H2S MoS2, 200°C
CH2=CH2
Benzenthioly nelze připravit z arylhalogenidů nebo fenolů (SN reakce), dají se však snadno připravit redukcí arylsulfonylchloridů zinkem v kyselině chlorovodíkové, reakcí Grignardových sloučenin se sírou nebo z diazoniových solí (viz reakce diazoniových solí): Zn/HCl
SO2Cl
MgBr
KSH - N2
SH
N2+ Cl-
H2O
S
S-MgBr
Sloučeniny s –SH skupinou mají na rozdíl od alkoholů a fenolů jen velmi nepatrnou tendenci tvořit vodíkové můstky a proto jsou těkavější. Thioly jsou kyselejší než odpovídající alkoholy a fenoly a proto se snadno rozpouštějí v roztocích alkalických hydroxidů za vzniku příslušných thiolátů. S hydroxidy nebo oxidy těžkých kovů (např. s HgO) tvoří nerozpustné nebo nedisociované soli. Oxidační reakce probíhají na atomu síry různým způsobem podle typu oxidačního činidla. Mírnou oxidací (např. vzduchem nebo jodem) vznikají disulfidy, silná oxidační činidla (HNO3, KMnO4) poskytují postupně sulfenové, sulfinové. až sulfonové kyseliny: 2 R-SH + O2
R-S-S-R + H2O
R-SH
ox
ox
R-S-OH
R-SO2H
ox
R-SO3H
6.2.6.2. Sulfidy a disulfidy Dialkylsulfidy (thioethery) vznikají dvojnásobnou alkylací alkalických disulfidů alkylhalogenidy nebo alkylsulfáty. 2 R-Cl + Na2S
R-S-R + 2 NaCl
Pro přípravu nesymetrických dialkyl nebo alkylarylsulfidů je nutno jako výchozí látku použít příslušnou alkalickou sůl alifatického thiolu nebo benzenthiolu: S-Na
(RO)2SO2 nebo R-Cl
S-R
R1-S-Na + R2Cl
R1-S-R2 + NaCl
K přípravě libovolného typu organického sulfidu vede reakce Grignardova činidla se sírou a následná alkylace: R1-MgBr + S
R1-S-MgBr
R1-S-MgBr + R2-I
R1-S-R 2 + MgBrI
K důležitým reakcím organických sulfidů patří alkylace, při níž vznikají relativně stabilní sulfoniové soli, a dále oxidace. Oxidací peroxidem vodíku vznikají sulfoxidy, z nichž nejběžnější je dimethylsulfoxid, používaný jako vynikající polární aprotické rozpouštědlo. Oxidací kyselinou dusičnou nebo manganistanem draselným vznikají ze sulfidů nebo sulfoxidů sulfony: 1
R
R
S+ 3
R
2
R3-Cl
1
R
-
2
H2O2
1
R
S
R
S
Cl
O
2
R
HNO3 HNO3
O R1 S R2 O
Organické disulfidy jsou analoga organických peroxidů, ale na rozdíl od nich jsou stabilní vzhledem k silné tendenci síry tvořit nejen disulfidické vazby, ale i polysulfidické řetězce (např. při vulkanizaci kaučuku). Jak jsme již poznali (kap. 6.2.6.1), organické disulfidy vznikají snadno mírnou oxidací disulfidů. Dají se však připravit také z alkalických disulfidů alkylací solemi alkylsírových kyselin nebo arylací diazoniovými solemi: 2 RO-SO2-OK + K2S2 2
+
N2 Cl
-
R-S-S-R + 2 K2SO4 S
+ K 2S 2
S
+ 2 N2 + 2 KCl
Disulfidická vazba se běžně vyskytuje v bílkovinách, kde dehydrogenací aminokyseliny cysteinu vznikají intramolekulární nebo intermolekulární disulfidické spojovací můstky. Redukcí disulfidů vznikají thioly: R-S-S-R + Zn + 2 HCl
2 R-SH + ZnCl2
56
6.2.6.3. Sulfenové, sulfinové a sulfonové kyseliny Sulfenové kyseliny R-S-OH vznikají oxidací thiolů, ale nejsou stabilní. Stabilní jsou jejich chloridy, které se dají připravit reakcí disulfidů s chlorem. Sulfenylchloridy snadno reagují s amoniakem nebo primárními a sekundárními aminy a poskytují sulfenamidy, z nichž některé se používají jako urychlovače vulkanizace kaučuku. R-S-S-R + Cl2
2 R-S-Cl
R-S-Cl + R´-NH2
R-S-NH-R´ + HCl
Sulfinové kyseliny R-SO-OH vznikají oxidací thiolů nebo sulfenových kyselin, preparativně se dají získat reakcí Grignardových činidel s oxidem siřičitým: R-Mg-Br + SO2
R-SO2-Mg-Br + HCl
R-SO2-Mg-Br
R-SO-OH + MgBrCl
Jsou nestabilní a velmi snadno se oxidují na sulfonové kyseliny. Sulfonové kyseliny R-SO2-OH jsou konečnými produkty oxidace thiolů. Alifatické sulfonové kyseliny se připravují alkylací siřičitanu sodného primárními alkylhalogenidy, vyšší alifatické sulfonové kyseliny, používané k přípravě tenzidů, se připravují radikálovou sulfochlorací parafinů (viz kap. 6.1.1.) a následnou hydrolýzou sulfochloridů: R-CH2-Cl + Na2SO3
R-CH2-SO3Na + NaCl
R-H + SO2 + Cl2
R-SO2-Cl + HCl
R-CH2-SO3Na + HCl
R-CH2-SO3H + NaCl
R- SO2- Cl + H2O
R-SO3H + HCl
Novější způsob přípravy vyšších alifatických sulfonových kyselin spočívá v radikálové sulfoxidaci alkanů, katalyzované ultrafialovým světlem nebo peroxidy: 2 R-H + 2 SO2 + O2
2 R-SO3H
Aromatické sulfonové kyseliny se připravují téměř výlučně sulfonací aromatických uhlovodíků a jejich derivátů (kap. 6.1.4). Při zahřívání některých sulfokyselin se zředěnou kyselinou sírovou dochází snadno k jejich izomerizaci za vzniku termodynamicky stabilnějšího izomeru, např.: SO3H SO3H
H2SO4 100°C
Tato izomerizace probíhá také při sulfonaci naftalenu za teploty 160°C, kdy převládne termodynamické řízení reakce nad kinetickým a místo 1-naftalensulfonové kyseliny vzniká β -izomer. Jak alifatické, tak aromatické sulfonové kyseliny jsou velmi silnými kyselinami a jejich alkalické soli proto reagují ve vodném roztoku neutrálně. Používají se jako prací prostředky, jejichž výhodou oproti mýdlům je rozpustnost vápenatých a hořečnatých solí sulfonových kyselin, umožňující praní v tvrdé vodě. Mezi důležité deriváty sulfonových kyselin patří jejich chloridy (viz výše), ale také amidy, které vznikají reakcí sulfochloridů s amoniakem nebo primárními a sekundárními aminy. Vzhledem k silnému elektronovému tahu dvou kyslíkových atomů v sulfonamidech je vazba mezi dusíkem a vodíkem natolik oslabena, že snadno dochází k odštěpení protonu. Široce používaným sulfonamidem je diabetické sladidlo sacharin, řada sulfonamidů se používá jako chemoterapeutika. SO2Cl
SO2NH2
NH3
SO2NH2
KMnO4
CH3
CH3 O
O
S
NH
COOK O S
NaOH
O
HCl
O N Na+
O
sacharin
6.2.7. Organické sloučeniny dusíku Tato velká skupina organických sloučenin zahrnuje následující typy látek: R-NO2 nitrosloučeniny R4 N + X kvarterní amoniové soli R-NO nitrososloučeniny R-N(O)=N-R azoxysloučeniny R-NH-OH alkyl/arylhydroxylaminy R-N=N-R azosloučeniny R-NH2 primární aminy R-NH-NH-R hydrazosloučeniny R-NH-R sekundární aminy R-N3 azidy R3 N terciární aminy R-N2+ X diazoniové soli
57
6.2.7.1. Nitrosloučeniny Strukturu nitrosloučenin můžeme znázornit následujícími mezomerními vzorci: O R
O
N
R
N
O
O
Alifatické nitrosloučeniny se připravují radikálovou nitrací alifatických nebo alicyklických uhlovodíků (viz kap. 6.1.1.), při které vznikají vesměs směsi izomerů. Pro přípravu individuálních látek je proto výhodnější alkylace dusitanů v aprotickém polárním rozpouštědle (např. dimethylsulfoxid). Jako vedlejší produkty vznikají v malé míře izomerní estery kyseliny dusité (nitrity): R-Br + NaNO2
R-NO2 + NaBr ( + R-O-NO)
Reakce probíhá dobře u primárních a sekundárních alkylhalogenidů, při použití terciárních alkylhalogenidú však dochází především k dehydrohalogenaci za vzniku olefinů. Aromatické nitrosloučeniny se připravují elektrofilní nitrací aromatických látek (viz kap. 6.1.4.). Zvláště snadno (již při použití zředěné kyseliny dusičné) probíhá nitrace fenolů, při které vzniká směs o- a p-nitrofenolu, která se dá snadno dělit destilací s vodní parou, při které těká pouze o-nitrofenol s intramolekulárním vodíkovým můstkem. Nitrací fenolu nebo mononitrofenolů nitrační směsí vzniká 2,4-dinitrofenol až 2,4,6-trinitrofenol (kyselina pikrová): OH
OH O2N
NO2
OH NO2
HNO3 H2SO4
O
HNO3
O N O
HNO3 20%
H2SO4
NO2
H
+
NO2
O O2N
N
O H
OH
O
Primární a sekundární nitrosloučeniny mají kyselý charakter. Vazba k vodíkovému atomu v α-poloze k nitroskupině je oslabena elektronovým tahem kyslíkového atomu nitroskupiny, vodík se může odštěpit jako proton a vázat se na kyslík za vzniku tautomerní aciformy. V alkalickém vodném roztoku se primární a sekundární nitrosloučeniny rozpouštějí za vzniku příslušných alkalických solí aciformy: R R
O
C
R
N
C O
H
R
O H
N
R
+
O C
N
R
O
OH
R NaOH
O C
N
R
ONa
aciforma
nitroforma
Alkalické soli aciformy nitrosloučenin se působením zředěných roztoků silných kyselin přeměňují na aldehydy nebo ketony (Nefova reakce): 2
R 2
R1
O C
+ 2 H2SO4
N
C
2
1
R
O + N2O + 2 NaHSO4 + H2O
2
R
ONa
Odlišení primárních, sekundárních a terciárních nitrosloučenin lze provést na základě reakce s kyselinou dusitou. Primární nitrolátky poskytují bezbarvé nitrolové kyseliny, rozpustné v louhu za vzniku červeně zbarvených solí, zatímco sekundární nitrolátky poskytují modré pseudonitroly nerozpustné v louhu. Terciární nitrosloučeniny s kyselinou dusitou nereagují: R R
CH2 + O=N-OH NO2
R
C NO2
N
R
CH + HO-N=O
R R
C
N
O
OH NO2
NO2
Redukce nitrosloučenin se provádí nejčastěji u aromatických sloučenin, kde má průmyslový význam a podle povahy redukčního činidla a prostředí vznikají různé produkty. Redukce nitroaromátů zinkem v roztoku chloridu amonného poskytuje jako primární redukční produkt nitrososloučeniny, které se však nedají zachytit a redukují se dále na fenylhydroxylaminy:
58
NO2
Zn
NO
NHOH
NH4Cl (aq)
Při redukci nitroaromátů zinkem v alkalickém prostředí vzniká rovněž jako primární produkt nitrosobenzen, který se dále redukuje na fenylhydroxylamin. Ten v alkalickém prostředí kondenzuje s dosud nezreagovaným nitrosobenzenem na azoxybenzen. Azoxybenzen podléhá další redukci přes azobenzen až na hydrazobenzen: NO2
Zn
NO
NaOH (aq)
H H N N
HO-HN
hydrazobenzen N N N O
N azobenzen
azoxybenzen
Redukcí zinkem nebo železem v kyselém prostředí se aromatické nitrosloučeniny redukují až na aniliny. Stejný výsledek poskytuje i katalytická hydrogenace: Fe, HCl
NO2
NH2
nebo H2/kat
Přítomnost nitroskupiny na aromatickém jádře snižuje silně elektronovou hustotu v jádře, což znesnadňuje elektrofilní substituci. Např. Friedel-Craftsovy reakce v nitrobenzenu neprobíhají, chlorace, sulfonace a nitrace probíhají špatně do polohy meta. Na druhé straně se však podstatně usnadňuje nukleofilní substituce halogenu v polohách ortho a para. Např. pikrylchlorid poskytuje kyselinou pikrovou již působením vody: NO2
OH
Cl
NO2 O2 N
Cl2 AlCl3
NO2
H2O
NO2
O2N
Cl NO2
NO2
6.2.7.2. Nitrososloučeniny Tyto látky se většinou nedaří připravit redukcí nitrosloučenin. Alifatické nitrososloučeniny se dají připravit radikálovou reakcí alkanů s nitrosylchloridem. Primární a sekundární nitrososloučeniny se vyskytují ve dvou tautomerních formách – nitroso a isonitroso (oximy). Přeměny nitrosocyklohexanu na tautomerní oxim se využívá při syntéze ε-kaprolaktamu, výchozí látky pro přípravu polyamidu 6, která vzniká Beckmannovým přesmykem v kyselém prostředí: NOCl
N
O
N
∆H
OH
H+
NH
hν
O
Aromatické nitrososloučeniny vznikají nitrosací (elektrofilem je nitrosylový kation NO+ z dusitanu v kyselém prostředí) takových aromatických sloučenin, které nesou silné elektrondonorové substituenty. I zde se vyskytuje tautomerie nitroso – isonitroso forem. Například p-nitrosofenol přechází snadno na isonitrosoformu, tj. oxim p-benzochinonu: NO OH NaNO2 H2SO4
OH
OH
O
NO
N
OH NaNO2 H2SO4 OH
6.2.7.3. Aminy Vazebné úhly v amoniaku a aminech se blíží tetraedrickému uspořádání, poněvadž tři vazby jsou obsazeny atomy uhlíku nebo vodíku a čtvrtý orbital je obsazen volným elektronovým párem. Volný elektronový pár na dusíkovém atomu snadno váže proton za vzniku amoniových solí a proto aminy reagují zásaditě. Primární alifatické aminy jsou zásaditější než amoniak, což je dáno kladným indukčním efektem alkylové skupiny, zvyšujícím hustotu elektronů na dusíkovém atomu. Ještě zásaditější jsou sekundární alifatické aminy, kde se
59
projevuje kladný indukční efekt dvou alkylových skupin, a nejzásaditější jsou terciární alifatické aminy. To však platí obecně jen pro aminy nesoucí malé substituenty. Pokud jsou na dusíku větší substituenty, mohou znesnadnit přístup protonu k volnému elektronovému páru (sterický efekt), čímž dojde ke snížení zásaditosti. Arylaminy (aniliny) jsou podstatně méně basické než alifatické, poněvadž konjugace volného elektronového páru s πelektrony jádra sníží elektronovou hustotu na dusíkovém atomu. Zásaditost anilinů klesá s další substitucí arylem na dusíku, ale také s přítomností elektronakceptorových skupin v o- a p-polohách aromatického jádra (nitroskupina, halogen atd. se záporným indukčním efektem). H
H
N
R
N
H
H
R
R
N H
Ar
N
R
H
N H
H
R = alkyl
NO2
Příprava alifatických aminů postupnou alkylací amoniaku byla probrána v kap. 6.2.1.1. V důsledku zvyšující se basicity (a také nukleofility) aminu při postupné náhradě vodíku alkylem vznikají i při použití přebytku amoniaku směsi primárních, sekundárních a terciárních aminů a kvarterních amoniových solí, které je nutno složitě dělit. NH3
-
R-NH3+Cl
NH3 + R-Cl
R-Cl
R2NH
R-Cl
R-NH2 NH3
-
R3NH+Cl
R-Cl
R3N
NH3
-
R2NH2+Cl
-
R4N+Cl
Proto se pro přípravu alifatických aminů používají jiné metody, které vycházejí z takové látky, jejíž struktura neumožňuje vícenásobnou alkylaci. Primární alifatické aminy se připravují Gabrielovou syntézou, která vychází z draselné soli ftalimidu. Její alkylací vzniká N-substituovaný ftalimid, který se hydrolyzuje na hydrochlorid primárního aminu, poskytující alkalizací volný amin: O
O
N H
KOH
O
O
-
N K
+
R-Cl
COOH
N R
O
HCl COOH + R-NH2.HCl
O
Analogickým postupem je možno primární aminy připravit alkylací primárních sulfonamidů R-SO2NH2 působením např. alkylhalogenidů a následnou hydrolýzou vzniklého sekundárního sulfonamidu R-SO2NHR´. Kromě toho se dají primární aminy připravit redukcí nitrosloučenin, aldoximů, nitrilů a amidů vodíkem za přítomnosti hydrogenačního katalyzátoru nebo komplexními hybridy (např. LiAlH4). Primární aromatické aminy (aniliny) se téměř výlučně připravují redukcí nitrosloučenin železem nebo cínem v kyselém prostředí, případně katalytickou hydrogenací. R-CH2-NO2
R-CN NO2 Fe, HCl
R-CH2-NH2
NH2
R-CONH2
R-CH=N-OH
Redukcí sekundárního amidu vzniká primární amin, redukcí terciárního amidu sekundární amin. Sekundární aminy se nejčastěji připravují Wallach-Leuckartovou reakcí (reduktivní aminací), při níž se na aldehyd nebo keton působí kyselinou mravenčí a aminy. Vzniká derivát formamidu, který se následně hydrolyzuje na hydrochlorid sekundárního aminu: 1
2
R
R
R
1
2
R
3
O
+ R -NH2 + 2 HCOOH
- CO2, -2 H2O
3
R
N
1) HCl 2) NaOH
CH=O
1
R
2
R
3
R N H
Použije-li se při této reakci jako výchozí látka místo primárního aminu amoniak nebo formamid (HCONH2), vznikají primární aminy, při použití výchozího sekundárního aminu vzniká jako konečný produkt terciární amin. Pro přípravu naftylaminů je důležitá Buchererova reakce, ke které dochází při reakci naftolů se siřičitanem amonným a amoniakem:
60
OH
NH2
NH3, (NH4)2SO3 150°C
Acylace aminů probíhá působením halogenidů nebo anhydridů kyselin za vzniku amidů. Z primárních aminů tak vznikají sekundární amidy, ze sekundárních terciární amidy. Terciární aminy s acylačními činidly nereagují, proto je výhodné jejich použití při acylacích acylhalogenidy jako látek neutralizujících vznikající halogenovodík: NH2 + CH3CO-O-COCH3
R1
N H
R2
NHCOCH3
H+
acetanilid R1
+ R3-CO-Cl + R3N
R2 N + R3N.HCl CO-R3
Aminy mají sice zásaditý charakter, ale reagují snadno s Grignardovými činidly, která jsou silnějšími zásadami. Primární aminy reagují za studena s jednou, za tepla se dvěma molekulami Grignardova činidla. Sekundární aminy za studena nereagují, za tepla však ano. Ve všech případech vznikají vedle hořečnatých solí aminu uhlovodíky odpovídající alkylu v použitém Grignardově činidle: za chladu
R-NH2 + R´MgX
za tepla
R-NH2 + 2 R´MgX
R-NH-MgX + R´H R-N(MgX)2 + 2 R´H
za tepla R N-MgX + R´H 2
R2NH + R´MgX
Charakteristickou reakcí pro primární alifatické i aromatické aminy je tvorba isonitrilů při zahřívání s chloroformem a alkalickým hydroxidem. Isonitrily se vyznačují odporným zápachem: R-NH2 + CHCl3 + 3 KOH
R-N C + 3 KCl + 3 H2O
Anilin reaguje s koncentrovanou kyselinou sírovou za vzniku příslušné soli, která se při teplotě nad 200°C dehydratuje na fenylsulfamovou kyselinu a následně dochází k molekulárnímu přesmyku sulfoskupiny do p-polohy za vzniku kyseliny sulfanilové: NH2
NH2
NH-SO 3H
NH3.OSO 3H
200°C
H2SO4 - H2O
SO3H
S kyselinou dusitou, vznikající in situ reakcí alkalického dusitanu s kyselinou sírovou nebo chlorovodíkovou, reagují primární aminy za vzniku diazoniových solí. Diazoniové soli alifatických aminů jsou nestabilní a ihned uvolňují molekulu dusíku za vzniku karbokationtu, který přechází substitucí na alkohol nebo eliminací protonu na olefin, případně vzniká směs obou látek. Aromatické diazoniové soli jsou však v důsledku stabilizace mezomerním efektem poměrně stabilní. Reakce se označuje jako diazotace a je úvodním krokem celé řady dalších přeměn (viz dále). R
1
HNO2 2
R
NH2
HCl
R
1
R
2
1
R CH2 N nestabilní
CH2
N - N2
Cl
H2O
2
R
R R
1
2
OH
- H+ NH2
R HNO2 HCl
N N Cl
1
CH2
stabilní
2
R
Sekundární alifatické i aromatické aminy poskytují reakcí s kyselinou dusitou nitrosaminy, které jsou potenciálními karcinogeny. V případě alifaticko-aromatických nitrosaminů dochází snadno k přesmyku na pnitroso-N-alkylaniliny:
61
CH3
CH3
N
N
H
HNO2
CH3 O
N
NH
HCl (g) O N
Terciární alifatické aminy s kyselinou dusitou nereagují, v případě N,N-dialkylanilinů však dochází k nitrosaci v p-poloze benzenového jádra: N
CH3
NaNO2, HCl
CH3
O°C
ON
CH3
N
CH3
6.2.7.4. Kvarterní amoniové soli Tyto látky vznikají reakcí aminů s přebytkem alkylhalogenidu: 2
1
R
3 R
NH2
2
R
2
Cl
1
R
R 2
N
- 2 HCl
R
2
AgOH
1
R
R
2
Cl
R
2
N
HO
R
Mají hydrofilní charakter, kvarterní amoniové soli s vyššími alkyly jsou však amfifilní a používají se jako kationaktivní tenzidy. Reakcí kvarterních amoniových solí s vlhkým oxidem stříbrným nebo s anexy vznikají kvarterní amoniové zásady, které nejsou termicky stabilní a při zahřívání se rozkládají na trialkylamin, olefin a vodu. Reakce je popisována v literatuře jako Hofmannova eliminace a probíhá proti Zajcevovu pravidlu – vzniká tedy méně substituovaný olefin: CH3 H2CH2CH3C
N
CH3
∆ CH2CH3
CH3
H2CH2CH3C
HO
N
+ CH2 CH3
CH2 + H2O
6.2.7.5. Aromatické diazoniové soli Aromatické diazoniové soli, vznikající diazotací aromatických primárních aminů (viz 6.2.7.3), jsou cenným materiálem pro přípravu různých aromatických sloučenin, které vznikají náhradou diazoniové skupiny za jiný atom nebo funkční skupinu. Zahříváním diazoniových solí v kyselém vodném prostředí dochází k odštěpení molekuly dusíku a vznikají fenoly, v roztoku alkalického jodidu se mění na aromatické jodidy, připravit se dají touto cestou i aromatické fluoridy a sloučeniny síry: NH2
N N
NaNO2 H2SO4
H 3C NaNO2 HCl
- N2
H3C
CH3
N N H 3C
SO3H
H 3C
OH
H2O
S
Na2S2
Cl
S
H3C
KI I
- N2
NH2
NaNO2
N N
∆
F
F
HF
H3C
Mezi důležité přeměny diazoniových solí patří Sandmeyerova reakce. Provádí se za přítomnosti měďných solí (v případě Gattermanovy modifikace stačí i měděný prášek a příslušná alkalická sůl) a diazoniová skupina se dá snadno nahradit nejen halogenem, ale i nitrilovou skupinou, nitroskupinou a jinými skupinami: Cl
Br Cu2Cl2 X = Cl
N N X
CN Cu2(CN)2
Cu2Br2 X = SO3H KNO2, Cu X = Cl
X = SO3H
62
NO2
Redukcí diazoniových solí vznikají arylhydraziny, působením kyseliny fosforné se diazoniová skupina eliminuje: 1) Na2SO3 NH NH2 2) HCl-H O 2
N N Cl
Cl
Cl
Cl
H3PO2 - N2
Při kopulačních reakcích diazoniových solí s aromatickými aminy nebo fenoly nedochází k odštěpení molekuly dusíku, ale vznikají azosloučeniny, z nichž řada se používá jako barviva. V případě fenolů dochází ke kopulaci ve slabě alkalickém prostředí a vznikají přímo azosloučeniny, v případě anilinu dochází ve slabě kyselém prostředí nejprve k tvorbě diazoaminobenzenu, který se následně přesmykuje na p-aminoazobenzen: N N
OH
+
HO
N N
OH
Cl NH2
+
H N N N
N N
NH2
6.2.8. Aldehydy a ketony Aldehydy a ketony tvoří důležitou skupinu organických sloučenin, které se vyznačují přítomností karbonylové skupiny C=O. V důsledku posunu π-elektronů směrem k elektronegativnějšímu atomu kyslíku je karbonylová skupina polarizována. Na uhlíku je elektronový deficit a proto je na něm zahajována iontová adice nukleofilních činidel. Nukleofilní adice je typickou reakcí aldehydů a ketonů, možnost radikálových adicí je vzhledem k polárnímu charakteru vazby C=O potlačena. R
R
O δδ+ H
aldehydy
R δ+
O ketony δ-
Alkylové skupiny zvyšují svým kladným indukčním efektem hustotu elektronů na uhlíkovém atomu a tím snižují jeho reaktivitu vůči nukleofilním činidlům. Proto také reaktivita karbonylových sloučenin klesá od nejreaktivnějšího formaldehydu přes vyšší aldehydy až ke ketonům. Reaktivitu ovlivňuje také sterický efekt – čím je alkylová skupina objemnější, tím více snižuje reaktivitu karbonylové skupiny. Pokud je ke karbonylové skupině připojeno aromatické jádro, zvyšuje se elektronová hustota na karbonylovém uhlíku a proto klesá reaktivita příslušného aldehydu nebo ketonu ve srovnání a alifatickým analogem. Příprava aldehydů a ketonů byla probrána v předchozích kapitolách. Připomeňme jen adici vody na alkyny (6.1.3), přímou oxidaci uhlovodíků (6.1.5), acylaci aromatických uhlovodíků (6.1.4), oxidaci alkoholů (6.2.3.5 a 6.2.3.6), další přípravy budou probrány v kapitolách o reakcích derivátů kyselin.
6.2.8.1. Redukce a oxidace aldehydů a ketonů Redukce aldehydů a ketonů za vzniku primárních resp. sekundárních alkoholů probíhá působením vodíku za přítomnosti vhodného hydrogenačního katalyzátoru – např. platiny, palladia, nebo Raneyova niklu: 1
R
CH O
H2/kat.
R R
O
CH2 OH
H2/kat.
R1 OH R2
R2
Redukci lze provést také sodíkem nebo sodíkovým amalgamem. Při těchto redukcích se aduje na karbonylovou skupinu hydridový ion, vznikající reakcí protonu se dvěma elektrony kovu. Redukce komplexními hydridy (LiAlH4, NaBH4) probíhá podobným mechanismem: H+ + 2 e
R
1
R
2
2
R
1
1
R AlH4
H+
CH O
O
H
H
1
R
R O
Li
AlH3
CH O Li
+
2
2
R
R
63
H+
R
1
R
2
R
1
R
2
CH OH
CH OH
Redukce amalgamovaným zinkem v kyselině chlorovodíkové (Clemmensenova redukce) vede až k tvorbě uhlovodíků: O R
Zn/Hg
R
HCl
Při redukci ketonů amalgamovaným hořčíkem dochází ke zdvojení molekuly za vzniku vicinálních glykolů: R2 R2
R1
Mg/Hg
2
R1
O
R1
2
R
OH OH
K redukci aldehydů nebo ketonů dochází také při jejich reakci s Grignardovými sloučeninami nebo organolithnými sloučeninami. Alkylová nebo arylová skupina organokovového činidla se jako silný nukleofil aduje na uhlík karbonylové skupiny a vzniklý alkoholát se hydrolyzuje vodou na alkohol. Z formaldehydu vznikají primární alkoholy, z aldehydů sekundární alkoholy a z ketonů terciární alkoholy: O R1
M R
R2
δ+
R1
δ-
R
2
OM
H2O
R
1
OH MOH
+
R2
R
R
M = MgX nebo Li
Za mírných podmínek a selektivně probíhá redukce podle Meerwein-Ponndorfa. Aldehydy nebo ketony se reakcí s přebytkem isopropylalhoholu přeměňují na příslušné alkoholy, reakce je katalyzována isopropylalkoholátem hlinitým. Jde o rovnovážnou reakci, jejíž směr se dá obrátit nadbytkem acetonu (Oppenauerova oxidace): R1
H3C
[(CH3)2CHO]3Al
+
O 2
H3C OH
OH R2
H3C
R
R1
O
+ H3C
Za redukčně-oxidační reakci lze považovat Cannizarovu reakci a benzoinovou kondenzaci. K oběma reakcím dochází u takových aldehydů, které nemají v α-poloze k aldehydické skupině žádné vodíkové atomy. Cannizarova reakce nastává při působení roztoku alkalického hydroxidu. Dochází k nukleofilní adici hydroxylové skupiny na aldehydickou skupinu za vzniku aduktu, který se stabilizuje odštěpením hydridového iontu, redukujícího druhou molekulu aldehydu. Ze dvou molekul aldehydu tedy vzniká jedna molekula aldehydu a jedna molekula alkalické soli karboxylové kyseliny. H
H
OH O
O
OH
OH
O
O
O
- H+
-H H
H H
H
H +
O
O
H
H OH
Cannizarova reakce se dá uskutečnit i mezi dvěma různými aldehydy. Například reakcí benzaldehydu s formaldehydem v alkalickém prostředí vzniká benzylalkohol a formiátový anion. Reakce se tedy dá výhodně využít k redukci aromatických aldehydů: CH=O
-
+
CH2=O
OH
CH2OH +
H-COO
-
Benzoinová kondenzace je katalyzována kyanidovým iontem, který se nukleofilně aduje na aldehydickou skupinu za vzniku aduktu, který se však v důsledku silného záporného indukčního vlivu kyanidové skupiny stabilizuje odštěpením protonu. Vzniklý karbanion je silným nukleofilem a aduje se na druhou molekulu aldehydu za vzniku dianionu, který protonizací a následným odštěpením kyanovodíku poskytne benzoin:
64
H
H
CN O
CN
CN
O
O
- H+
O
O CN
H
NC O
O
OH
+ 2 H+
H
H
- HCN O
Oxidace aldehydů na karboxylové kyseliny probíhá velmi snadno, často již působením vzdušného kyslíku. Jako běžná oxidační činidla se používají oxid chromový, manganistan draselný, nebo halogeny ve vodném prostředí. Ketony jsou vůči oxidaci resistentní, teprve při působení kyseliny dusičné dochází k neselektivnímu štěpení na směs kyselin. V případě cyklických ketonů se dá reakce preparativně využít k získání dikarboxylových kyselin: O
COOH HNO3 COOH
6.2.8.2. Adice nukleofilů na karbonylové sloučeniny a přeměny aduktů Jak již bylo uvedeno, typickou reakcí aldehydů a ketonů je nukleofilní adice. Některé příklady nukleofilní adice byly uvedeny již ve stati o redukci (adice hydridového iontu, Cannizarova reakce, benzinová kondenzace). Tato část se zabývá adicí alkoholů, thioalkoholů, hydrogensiřičitanového iontu, hydrazinu, hydroxylaminu a kyanovodíku. Adicí alkoholů na aldehydy za přítomnosti stopového množství anorganických kyselin vznikají poloacetaly (hemiacetaly). Při jejich reakci s nadbytkem alkoholu vznikají nukleofilní substitucí acetaly. Reakcí alkoholů s ketony vznikají poloketaly nebo následně ketaly. Velmi dobře probíhá reakce s vícemocnými alkoholy, při níž se intramolekulární nukleofilní substitucí primárních aduktů tvoří cyklické acetaly nebo ketaly: R O
H
H
H
H
OH
OR
R-OH
O
OR
OR
2
R O
1
R
1
R
H
O R
1
R
OH OR
1
2
1
R O
OR
R2-OH
OR
2
2
O
+ OH OH
R2
2
R
O
Acetaly a ketaly jsou velmi stabilní v alkalickém prostředí, rychle se však přeměňují na aldehydy nebo ketony již působením zředěných minerálních kyselin. Proto se dají využít k chránění zejména aldehydické skupiny při oxidaci nebo redukci jiných funkčních skupin v molekule. Podobně jako alkoholy se adují na karbonylovou skupinu za vzniku thioacetalů nebo thioketalů i alkylhydrogensulfidy. Reakce se dá opět využít k chránění karbonylové skupiny, ale také k přípravě uhlovodíků desulfurací působením Raneyova niklu: R1
R1 O R2
+
R
SH SH
2
S
R RaNi
R
1
2
S
S nasyceným roztokem alkalického hydrogensiřičitanu reagují aldehydy a některé ketony (methylalkylketony a cyklické ketony) za vzniku solí α-hydroxysulfonových kyselin (aldehydbisulfity nebo ketonbisulfity), rozpustných ve vodě. Reakce se dá využít k oddělení aldehydů nebo ketonů od jiných látek nerozpustných ve vodě, poněvadž okyselením vodné fáze dochází k rozštěpení aduktů na původní složky: R
OH
CH
S
O
O
O
OH
O
R CH SO3
R CH SO3H
65
H+ R
H C
O +
SO2
Adicí kyanovodíku na aldehydy a ketony vznikají nitrily α-hydroxykyselin (kyanhydriny), které se dají hydrolyzovat v kyselém prostředí na α-hydroxykyseliny. Reakce je zahajována kyanidovým iontem: CN
R1
R1
CN
O R
2
2
R
R1
H2O
R1
HCl/H2O
2
- OH
O
CN
2
R OH kyanhydrin
R
COOH OH
Na aldehydickou a (výjimečně) ketonickou skupinu se aduje také amoniak a primární a sekundární aminy. Reakcí s amoniakem vzniklý adukt se trimerizuje za odštěpení 3 molekul vody a vznikají deriváty triazinu. Formaldehyd za těchto podmínek reaguje se 4 molekulami amoniaku za vzniku symetrického hexamethylentetraminu (urotropinu). Aromatické aldehydy poskytují s primárními aminy tzv. Schiffovy báze: 3 R
O + 3 R
R1
NHR1
N 6 CH2=O + 4 NH3
N
3 R
NH2 N
N
N
R1
R
OH 1
N R N
urotropin
R1
R 1
CH=O
CH=N-R
+ R
NH2
Reakcí aldehydů a ketonů se sekundárními aminy vznikají α,β -nenasycené aminy (enaminy). Tyto látky se dají snadno alkylovat v β -poloze k dusíkovému atomu a následnou hydrolýzou alkylačních produktů vznikají α-substiotuované aldehydy nebo ketony: CH3 N
O +
CH3I
HN
CH3 N
-
O
H2O
I
enamin
pyrrolidin
Na karbonylovou skupinu se snadno aduje také hydrazin a jeho substituční deriváty Primární adiční produkty nejsou stabilní a dehydratují se na hydrazony. Při zahřívání nesubstituovaných hydrazonů aldehydů nebo ketonů s práškovým hydroxidem draselným dochází k jejich rozkladu za vzniku uhlovodíku a elementárního dusíku (redukce podle Wolffa a Kižněra): H
H O +
H
NHNH2
N-NH2
OH
H2N-NH2
- H2 O
CH3
hydrazon benzaldehydu
CH3
O +
N-NH-C6H5
C6H5NHNH2
fenylhydrozon acetofenonu R
R N-NH2
KOH
N
R CH2
NH
Hydroxylamin se aduje na aldehydy nebo ketony aminoskupinou, která je více nukleofilní než hydroxyskupina, po odštěpení vody vzniká oxim. Oximy se mohou vyskytovat ve dvou geometricky isomerních formách Z nebo E (dříve syn- a anti-). Stabilnější je E-isomer, ale energetický rozdíl mezi oběma izomery je malý a většinou vznikají jejich směsi. E-isomer ve směsi převládá, někdy je jediným púroduktem. H
H O + H2N-OH
- H2O
syn-benzaldoxim Z-benzaldoxim CH3
CH3 N - H2O
H N + OH
OH
CH3 O + H2N-OH
H NHOH
OH syn-fenylmethylketoxim anti-methylfenylketoxim Z-fenylmethylketoxim nevzniká
66
+
N
N
OH
anti-benzaldoxim E-benzaldoxim OH
anti-fenylmethylketoxim syn-methylfenylketoxim E-fenylmethylketoxim jediný produkt
Oximy se přeměňují působením silných minerálních kyselin, nejčastěji koncentrované kyseliny sírové. Zatímco aldoximy za těchto podmínek ztrácejí molekulu vody a mění se na nitrily karboxylových kyselin, ketoximy podléhají Beckmannovu přesmyku a mění se na amidy kyselin. Reakce je zahajována protonizací hydroxyskupiny, načež dojde k odštěpení molekuly vody za současné nukleofilní migrace skupiny, která je v anti-poloze k oxoniové skupině. Vzniká karbokation, který po adici vody a odštěpení protonu poskytuje enolformu amidu, konečným produktem je amid kyseliny. Poněvadž ve většině případů vzniká při reakci ketonů s hydroxylaminem směs Z- a E-izomerů, vzniká po provedení Beckmannova přesmyku směs dvou amidů a reakce pak nemá preparativní význam. Významnou je však v případech symetrických ketonů, zvláště cyklických: H
H N
OH
C N
H2SO4
H2SO4
- H2O
N OH Z-benzaldoxim
- H2O
E-benzaldoxim CH3 N
CH3 OH
N
H+
OH2
+
-H
N
E-fenylmethylketoxim CH3
HO
N H OH Z-fenylmethylketoxim
N-OH
N acetanilid H
N
CH3 +
CH3
CH3
H2O
CH3
OH H2O N CH3 - H+
N OH2
O
O
N CH3
NHCH3 N-methylbenzamid O
N-OH H2SO4
H2SO4
NH
N O H isopropylamid kyseliny isomáselné
ε-kaprolaktam
6.2.8.3. Aldolizace a aldolové kondenzace Aldolizace je jednou z nejdůležitějších reakcí takových aldehydů a ketonů, které mají v α-poloze ke karbonylové skupině alespoň jeden atom vodíku. Nejčastěji je katalyzována zásadami. Působením zásady na aldehyd nebo keton se vodík z α-polohy odštěpí jako proton a vznikne karbanion, který se jako silný nukleofil aduje na karbonylovou skupinu druhé molekuly aldehydu nebo ketonu za vzniku anionu, jehož reakcí s vodou vznikne β -hydroxyaldehyd (aldol) nebo β -hydroxyketon. Aldolizace samotných ketonů probíhá jen ve velmi omezeném rozsahu. Jestliže se použije směs aldehydu a ketonu, dochází k adici vždy na reaktivnější aldehydické skupině: O CH2-R H
OH- H2O
O
O
(-)
R
CH-R H
(-)
O
-
- OH
H
O
H
CH2-R
H2O
CH2R
O
R OH
H aldol H
CH2R
H O
OHCH2-R
R
- H2O
O
O
(-)
R
R
(-)
O
CH-R R
O
H
CH2-R
O
H2O - OH
CH2R
R OH
-
R H
CH2R
H
Reakce mezi dvěma různými aldehydy, majícími vodíkový atom v α-poloze ke karbonylové skupině, má jen omezený význam, poněvadž vznikají směsi čtyř aldolů v různém poměru. Jiná situace však nastává při reakci mezi dvěma aldehydy, z nichž jeden nemá v α-poloze vodíkový atom a může tedy působit pouze jako pasivní složka aldolizační reakce. Například při reakci acetaldehydu s přebytkem formaldehydu v alkalickém prostředí vzniká karbanion z acetaldehydu a aduje se na karbonylovou skupinu formaldehydu. Vzniká β -hydroxypropanal, který má v α-poloze ještě dva vodíkové atomy schopné v alkalickém prostředí odštěpit proton a vytvořit karbanion, adující se na další molekulu formaldehydu za vzniku dimethylolacetaldehydu. Ten však má v αpoloze ještě jeden vodíkový atom a je tedy schopen reagovat s další molekulou formaldehydu za vzniku trimethylolacetaldehydu. Ani tato látka však není konečným reakčním produktem. Nemá v α-poloze žádný vodíkový atom a je tedy schopna reagovat s další molekulou formaldehydu ve smyslu Cannizarovy reakce a konečným produktem je pentaerythritol:
67
CH2OH H C
H 3C
H2C
O
H2 H C C
O HOH2C
-
OH
H2C
O
O
-
OH
OH
-
-
HOH2C
+
C
H 2C
CH2OH
CH2OH
H 2C
O O
CH2OH
CH2OH H-COO
H C
CH
HOH2C
pentaerythritol
O
HOH2C
-
C
H C
O
OH
CH2OH
Podobným způsobem reaguje v alkalickém prostředí směs acetaldehydu s benzaldehydem. Karbanion vytvořený z acetaldehydu se aduje na karbonylovou skupinu benzaldehydu. Vytvořený aldol však již nereaguje s další molekulou formaldehydu, ale dehydratuje se za vzniku aldehydu kyseliny skořicové, který je produktem aldolové kondenzace. Hnací silou dehydratace je tvorba konjugovaného systému dvojných vazeb: -
O H
O
OH - H2O
CH3
H
CH2
- OH H
O
CH=O
H2O
O=HC
-
O
K tvorbě α,β -nenasycených aldehydů nebo ketonů dochází i u jiných aldolů nebo ketolů, provádí-li se aldolizační reakce za vyšší teploty, nebo zahřeje-li se směs po reakci a následném okyselení minerální kyselinou. U sloučenin dovolujících vytvoření konjugovaného systému dvojných vazeb probíhá aldolová kondenzace většinou samovolně. V důsledku konjugace dvojné vazby s karbonylovou skupinou se v celém systému α,β -nenasycených karbonylových sloučenin projevuje mesomerní efekt, který ovlivňuje reaktivitu karbonylové skupiny. Na rozdíl od olefinů může dojít k nukleofilní adici halogenovodíků nebo kyanovodíku. V obou případech jde o 1,4-adici, vzniklý enol se izomerizuje na β -halogen- nebo β -kyano- aldehyd nebo keton. V případě α,β -nenasycených aldehydů však může dojít i k normální 1,2-adici za vzniku nenasyceného kyanhydrinu: O
-
X
O
H+ X
X
-
R O akrolein
-
-
X = Cl , Br , CN
X
OH
R
O R
R CN
HCN H
H
OH
6.2.8.4. Halogen, hydroxy a aminoderiváty aldehydů a ketonů Vznik β -halogen a β -hydroxyderivátů aldehydů a ketonů byl probrán již v kapitole 6.2.8.3. Nejdůležitějšími látkami této skupiny jsou však ty, které mají příslušný substituent umístěn v poloze α ke karbonylové skupině. Aldehydy a ketony se snadno halogenují chlorem nebo bromem za vzniku α-halogenderivátů. Vzhledem k oxidačnímu působení halogenů se aldehydy halogenují zpravidla ve formě acetalů za přítomnosti látek zachycujících vznikající halogenovodík, vzniklý halogenacetal se pak rozloží zředěnou kyselinou. Trichloracetaldehyd (chloral) se připravuje chlorací ethanolu. Produktem reakce je jeho diethylacetal, který se působením kyseliny sírové převede na chloral. Silně elektronegativní trichlormethylová skupina snižuje hustotu elektronů na karbonylovém uhlíku, takže se snadno aduje molekula vody za vzniku stabilního chloralhydrátu. Při působení halogenů na methylketony v alkalickém prostředí vzniká nejprve halogenanový anion, který postupně nahradí všechny vodíkové atomy methylové skupiny halogenem. Vzniklý trihalogenderivát se pak hydrolyticky štěpí na sůl kyseliny a příslušný haloform (haloformová reakce): O H3C
CH3
C2H5OH
Cl2
- HBr H3C
-
R
CH3
RH2C
OR1
OR1 CaCO3 Cl
OR1
OC2H5 H3C
Cl2
Cl3C
OC2H5
H
-
R
Cl2
H2O, H+ R
OC2H5 H SO 2 4 OC2H5
XO
-
R
CH2X
XO
Cl3C CH=O H2O OH
-
O
CH=O
Cl
Cl3C
X + XO + H2O
-
O
CH2Br
O C H OH 2 5
H3C
X2 + 2 OH
OR1
O
Br2
O R
-
CHX2
68
XO
O R
-
CX3
OH
O R
-
OH
O + CHX3
Z α-halogenaldehydů nebo α-halogenketonů se připravují odpovídající hydroxyderiváty a aminoderiváty. α-Aminokarbonylové sloučeniny vznikají působením amoniaku nebo aminů. Jsou to vesměs nestabilní sloučeniny, které snadno dimerizují za vzniku pyrazinových derivátů. α-Hydroxykarbonylové sloučeniny vznikají působením hydroxidu stříbrného. Dají se však připravit i acyloinovou kondenzací diesterů působením sodíku. Acyloiny se dají redukovat zinkem v kyselině chlorovodíkové na cyklické (až dvanáctičlenné) ketony: R1
R O R
1
R NH2
R1
N
R
R
1
R
O
NHR
CH2Br
HO
R HN
O
1
N 1 R
R AgOH
N
- 2 H2O
OH
N 1 R
R
COOC2H5 O R
OC2H5 ONa H2O ONa OC2H5
Na
(CH2)n CH2OH
COOC2H5
O Zn HCl OH
O
Velmi důležité jsou hydroxy- a amino- deriváty aromatických aldehydů a ketonů. m-Amino deriváty se dají připravit z aromatických aldehydů a ketonů nitrací a následnou redukcí nitroskupiny. m-Hydroxyderiváty lze získat z m-aminoderivátů diazotací a následnou hydrolýzou. K aromatickým aldehydům a ketonům substituovaným aminoskupinou v o- a p-poloze vede např. Friedel-Craftsova acylace fenoletherů nebo anilidů a následná hydrolýza: R
O
R
O
R
RCOCl AlCl3
R
NO2 OCH3 COR + HBr
COR
HBr
O
+
COR HCl
COR HO
OH
NHCOCH3 COR RCOCl AlCl3 HCl
+ COR
-
N2 X
NHCOCH3
OCH3
O
H2SO4
NH2
OH
R
HNO2
Fe/HCl
HNO3 H2SO4 OCH3
O
NHCOCH3
COR COR
NH2
H2N
Důležitou reakcí k přípravě aromatických hydroxyaldehydů je Reimer-Tiemannova reakce. Reakcí fenolu s chloroformem v alkalickém prostředí vzniká směs o-hydroxybenzaldehydu (salicylaldehydu) a phydroxybenzaldehydu. Salicylaldehyd, který tvoří intramolekulární vodíkový můstek, se dá ze směsi získat destilací s vodní parou: OH
H C
CHCl3 NaOH
O
H O salicylaldehyd
CH=O
+ HO
Výše uvedené příklady jsou jen ilustrativní. Syntetických postupů vedoucích k aromatickým hydroxykarbonylovým a aminokarbonylovým sloučeninám je velké množství a jejich podrobné probírání se vymyká rozsahu tohoto skripta.
6.2.8.5. Dikarbonylové sloučeniny Dvě karbonylové skupiny v molekule organické látky mohou být od sebe různě vzdáleny a podle jejich vzdálenosti dělíme tuto skupinu sloučenin na α (1,2), β (1,3), γ (1,4), dialdehydy nebo diketony, případně aldehydoketony. U α-dikarbonylových sloučenin, které se dají připravit např. oxidací vicinálních diolů nebo ahydroxyketonů, si zachovávají obě karbonylové skupiny svou polaritu. Tím se zvětšuje elektronový deficit na karbonylovém uhlíku a reaktivita karbonylových skupin roste. Adiční reakce s nukleofily (např. s HCN, H2NNH2, H2N-OH) probíhají snadno na obou karbonylových skupinách. Např. reakcí biacetylu s hydroxylaminem
69
vzniká dioxim, používaný jako analytické činidlo tvořící komplexy s kovy. Benzil a jeho deriváty podléhají v alkalickém prostředí benzilovému přesmyku a vzniká kyselina benzilová nebo její derivát: 1
2
R
1
R
HO
250°C
OH HO
glyoxal R1 = R2 = H: R1 =H, R2 = CH3: methylglyoxal R1 = R2 = CH3: biacetyl
2
O2 (Cu) R
R
O
O
O H3C
CH3
O
CH3
HO-N
O
N-OH
benzoin
HNO3 O
H3C
2 H2N-OH
O
O
O
HO
-
COOH
H2O
OH
HO
-
- OH
benzil
Důležitější jsou β -dikarbonylové sloučeniny, vznikající Claisenovou syntézou z aldehydů nebo ketonů a esterů karboxylových kyselin. Jde o reakci aldolového typu, která je katalyzována silnou zásadou (sodík, ethylalkoholát sodný, amid sodný atd.). Z aldehydu nebo ketonu vzniká enolát, který je v rovnováze s karbaniontem. Karbanion se jako silný nukleofil aduje na karbonylovou skupinu esteru a z adičního produktu se odštěpí ethanol. Např. reakcí ethylacetátu s acetonem za přítomnosti ethylalkoholátu sodného vzniká acetylaceton: H3C
CH3 H2C C2H5ONa
CH3
H3C
O
O
CH3 OC2H5
O
H3C
OC2H5
H3C
CH3 O
O
CH2
- C2H5OH
O
O
O H3C
β -Dikarbonylové sloučeniny mají v důsledku silného elektronového tahu dvou karbonylových skupin značně kyselé vodíkové atomy v α-poloze. Proto se u nich vyskytuje keto-enol tautomerie. Vznik enolformy je usnadněn tvorbou intramolekulární vodíkové vazby v šestičlenném kruhu, poměr obou tautomerních forem v roztoku je ovlivněn polaritou rozpouštědla. Kyselé vodíkové atomy v α-poloze lze nahradit kovem a alkylací takto získaných solí se dají připravit různě alkylované β -dikarbonylové sloučeniny. Alkylace se dá provádět opakovaně a dají se tak nahradit oba vodíkové atomy. Alkylované β -dikarbonylové sloučeniny se dají využít k přípravě jinými metodami těžko dostupných ketonů, poněvadž se ve vodném alkalickém prostředí štěpí na sůl kyseliny a keton.: H3C
CH3 O
- H3C
H
CH3
OH
O
O
O
1
H 1
R -X -X
1
R
H3C
CH3 O
R
- H3C
OH
O
O
CH3
O R2-X -X
H3C
CH3 O
H
-
CH3COO
O
2
+ H3C
R
1
R
H
H2O NaOH
O
2
H3C
1
R
R
O
O
CH3
Dikarbonylové sloučeniny s větší vzdáleností obou karbonylů (γ, δ) se obvykle připravují přeměnou heterocyklických sloučenin. Např. reakcí pyrrolu s hydroxylaminem vzniká dioxim, který hydrolýzou poskytne sukcindialdehyd. Glutardialdehyd se dá připravit obdobným postupem z 1,4-dihydropyridinu. NH
N-OH
2 H2N-OH - NH3
N-OH
H2 N
H+, H2O
O=HC
2 H2N-OH N H
HO-N
70
CH=O H+, H2O N-OH
CH=O CH=O
6.2.8.6. Chinony Zváštním případem diketonů jsou chinony, které obsahují dvě ketoskupiny v konjugovaném aromatickém systému. Od benzenu se dají odvodit dva chinony: 1,2-benzochinon (o-benzochinon) a 1,4benzochinon (p-benzochinon). Vznikají snadno z příslušných dihydroxybenzenů, aminofenolů nebo diaminů působením slabých oxidačních činidel. Technicky důležitý p-benzochinon se průmyslově získává oxidací anilinu. Anilin se nejprve oxiduje na fenylhydroxylamin, který přesmykuje na p-aminofenol. Jeho další oxidací vzniká chinonimin, který se hydrolyzuje na p-benzochinon: OH
O
oxidace
OH
NH2
H2SO4
O o-benzochinon O
OH oxidace O
HO
NHOH
K2Cr2O7
NH2
NH
H2O
HO
O
p-benzochinon
Chinony naftalenové řady (je jich celkem 6) se dají připravit mírnou oxidací příslušných aminonaftolů nebo energickou oxidací uhlovodíků chromovou směsí nebo vzduchem za katalýzy V2O5. Obdobně se dají připravit chinony anthracenové řady: NH2
OH
O OH H2O, H+, FeCl3
O
O
HgO H2O
1,2-naftochinon
1,4-naftochinon O O2 V2O5
NH2
O K2Cr2O7 H2SO4 O 9,10-anthrachinon
Redukce chinonů probíhá již působením slabých redukčních činidel a vznikají příslušné dihydroxyderiváty. Reakce chinonů s hydroxylaminem probíhá za tvorby monoximů, které jsou v tautomerní rovnováza s nitrosoformou. Reakce s hydrazinem a jeho deriváty však probíhá odlišně a dochází k redukci. Chinony tvoří s hydrochinony pevné molekulové komplexy (např. chinhydron). V literatuře se uvádí, že obě složky jsou propojeny dvěma vodíkovými vazbami, nebo donor-akceptorovou vazbou. Chinhydron tvoří základ chinhydronové elektrody s přesně definovanou hodnotou redox potenciálu: O
O
H
NaHSO3 HO nebo H2N-NH2
OH
O
O
H2N-OH O
OH
O
OH
O
nebo HO
N-OH
N=O
O
O H
p-nitrosofenol
p-benzochinonoxim
chinhydron
Adiční reakce na chinony probíhají buď jako cykloadice (Diels-Alderovy reakce) nebo jako nukleofilní 1,4-adice. Reakcí p-benzochinonu s 1,3-dieny vznikají tetrahydronaftochinony, chlorovodík, anilin a acetanhydrid se adují za vzniku trisubstituovaných derivátů benzenu. Při působení chlorovodíku v oxidačním prostředí dochází až ke vzniku perchlorovaného derivátu (chloranil): O
O
O
OH
Cl O O cis-5,8,9,10-tetrahydro-1,4-naftochinon O Cl
O
Cl
O
O (CH3CO)2O HCl + H2SO4 OCOCH3 Cl
Cl
H
OH
Cl OH OH
H2O
Cl chloranil
71
OCOCH3 OCOCH3
OH OH
Elektrofilní substituční reakce (halogenace, nitrace, sulfonace) jsou důležité zejména u 9,10anthrachinonu, kde substituent vstupuje do polohy α, při sulfonaci za vyšší teploty však vzniká β -substituovaný derivát. Získané produkty jsou důležitými surovinami pro výrobu anthrachinonových barviv.
6.2.9. Karboxylové kyseliny Karboxylová skupina vzniká formálně kombinací karbonylové a hydroxylové skupiny. Karboxylové kyseliny, které tuto skupinu obsahují, jsou vlastně metakyselinami, které se formálně dají odvodit od orthokyselin odštěpením molekuly vody. Orthokyseliny (geminální trioly) existují pouze výjimečně, stabilní jsou ve formě některých solí, ale hlavně ve formě esterů (orthoestery): OR´
OH
O R
R
OH karboxylové kyseliny (meta-kyseliny)
R
OH
OR´ OR´
OH orthokyseliny
orthoestery
Podle charakteru zbytku R rozlišujeme kyseliny alifatické (nasycené a nenasycené), alicyklické (nasycené a nenasycené) a aromatické. Podle počtu karboxylových skupiun je pak dělíme na monokarboxylové, dikarboxylové atd., Příprava karboxylových kyselin byla popsána již u jiných skupin organických sloučenin. Např. oxidací uhlovodíků, alkoholů, aldehydů a ketonů, nitridovou syntézou z halogenderivátů, hydrolýzou nitrilů, adicí Grignardových sloučenin na oxid uhličitý a Perkinovou syntézou. Některé karboxylové kyseliny se vyrábějí speciálními postupy. Např. reakcí oxidu uhličitého s hydroxidem sodným vzniká mravenčan sodný, z něhož se okyselením minerální kyselinou získá kyselina mravenčí, nebo dehydrogenací za vysoké teploty šťavelan sodný. Karbonylací tetrahydrofuranu se vyrábí kyselina adipová (surovina pro výrobu Nylonu 6): O NaOH + CO O 2 H ONa
O
H+
H
H O
ONa O
360°C - H2
+
OH O
O
O
2 CO + H2O
COOH
Ni(CO)4 + NiS4
COOH
H NaO
ONa
HO
OH
Některé aromatické kyseliny se vyrábějí izomerizací jejich alkalických solí. Např. výroba kyseliny tereftalové (pro výrobu PET) vychází z ftalanu sodného. Dá se však realizovat také z benzoanu sodného, který disproporcionuje na tereftalan sodný a benzen: COONa COONa
COONa
400°C NaOOC
H+
COOH
HOOC COONa
COONa 2
+ NaOOC
Organické kyseliny jsou většinou slabé kyseliny, které se vyznačují značně vyšší teplotou varu nebo teplotou tání, což je způsobeno tvorbou vodíkových můstků, vytvářejících většinou dimerní struktury. Dvojná vazba karbonylové skupiny je polarizována. Posun elektronů směrem k elektronegativnějšímu kyslíku má za následek indukovaný posun elektronů na vazbě mezi kyslíkem a vodíkem a odštěpení protonu. Disociace karboxylové skupiny (a tím i kyselost příslušné kyseliny) je silně ovlivňována charakterem atomů nebo skupin navázaných v α-poloze ke karboxylové skupině. Disociaci karboxylu snižují elektrondonorové skupiny , např. alkyly (I+ efekt). Proto je nejsilnější alifatickou kyselinou kyselina mravenčí, slabější je kyselina octová a s růstem délky řetězce a s rostoucím rozvětvením v α-poloze kyselost dále klesá. Opačný efekt vykazují elektronakceptorové skupiny (I- efekt). Kyselina chloroctová je podstatně silnější kyselinou než kyselina octová, kyselina dichloroctová je ještě silnější kyselinou a velmi silnou kyselinou je kyselina trifluoroctová. Podobný efekt vykazují skupiny –NO2, -CN, -CO-, -COOH, -OH, NH2 atd. V důsledku mesomerního efektu vykazují ve srovnání s nasycenými alifatickými kyselinami vyšší kyselost i α,β -nenasycené kyseliny a aromatické kyseliny:
72
O H
R
O O
O
O
O
O
H H
H
O
H3 C
CH3
pKa 3,77 O
H+
R
R
H O
O
R
pKa 4,76 O
O
H H C pK 4,85 O 3 a
CH3
O H
pKa 4,88
O
O H CH3 pKa 5,05
H
klesající acidita O
H
O
Cl
O
Cl
H3CCH2 O
pKa 4,88
H
O
Cl
O
O H pK 2,86 a
H
O
Cl
Cl
H
pKa 4,26
O
H3 C
H3CCH2
O
H
H
rostoucí acidita
O
Cl
pKa 1,29
H
pKa 0,65
Organické kyseliny tvoří soli s anorganickými hydroxidy a uhličitany, tvoří však také amoniové soli s aminy. Dikarboxylové kyseliny tvoří dvě řady solí. Ze solí se uvolní organické kyseliny působením minerálních kyselin. Při zahřívání organických kyselin nebo jejich solí dochází k jejich dekarbonylaci nebo dekarboxylaci. Kyselina mravenčí poskytuje za vyšší teploty nebo působením konc. kyseliny sírové oxid uhelnatý, kyselina malonová při zahřívání dekarboxyluje na kyselinu octovou, poměrně snadno termicky nebo působením zásad dekarboxylují α,β -nenasycené a aromatické kyseliny: O
H2SO4
H
COOH COOH
CO + H2O
OH
H2SO4
CO2 + CO + H2O COOH
COOH
140°C
CH3-COOH + CO2
COOH ∆ + CO2
COOH
COOH
COOH 160°C - CO2 COOH
CaO, ∆ - CO2
1,4- a 1,5-Dikarboxylové kyseliny se zahříváním dehydratují za vzniku cyklických anhydridů: O COOH COOH
O
- H2O
kys. jantarová
O COOH
∆
COOH kys. ftalová
O sukcinanhydrid
180°C - H2O
O ftalanhydrid O
Kyselina mravenčí má redukční vlastnosti (redukuje např. amoniakální komplexy stříbra na stříbro a oxiduje se přitom na oxid uhličitý). Na oxid uhličitý se oxiduje také kyselina šťavelová působením manganistanu draselného.
6.2.10. Funkční deriváty karboxylových kyselin Funkční deriváty karboxylových kyselin lze formálně odvodit náhradou hydroxylové skupiny jiným atomem nebo skupinou. Nejdůležitějšími funkčními deriváty kyselin jsou halogenidy, anhydridy, estery a amidy. Mezi funkční deriváty kyselin patří také nitrily, ve kterých jsou formálně nahrazeny jak hydroxylová skupina, tak karbonylový kyslík dusíkovým atomem. Acylhalogenidy vznikají působením halogenidů fosforu nebo síry na kyseliny nebo jejich soli. Výhodné je použití thionylchloridu, který poskytuje plynné vedlejší produkty: O
O R
R
+ PCl5 OH + SOCl2 O + SO2 + HCl Cl
R Cl
+ POCl3 + HCl O
O 3 R
73
+ PBr3 OH
3 R
+ H3PO3 Br
Jsou to velmi reaktivní sloučeniny, které se působením vody rychle přeměňují zpět na kyseliny. Působí jako acylační činidla, jejich reakcí s nukleofily (alkalické soli karboxylových kyselin, alkoholy, aminy) dochází k substituční reakci za vzniku jiných substitučních derivátů kyselin: O R OR
O
R1-OH - HCl
1
R
Cl NH3 - HCl R1NH2 HCl O O
R
O
R1-COONa
anhydrid
O
(R1)2NH
1
R O
- HCl
R
R
NHR1 sekundární amid
NH2 primární amid
O
R
N(R1)2 terciární amid
S terciárními aminy halogenidy kyselin nereagují, takže přídavek terciárního aminu (triethylamin, pyridin) do reakční směsi se dá využít k neutralizaci vznikajícího halogenovodíku. Za přítomnosti Lewisových kyselin vystupují acylhalogenidy jako elektrofilní acylační činidla při Friedel-Craftsově acylaci (kap. 6.1.4.). Anhydridy kyselin vznikají výše uvedenou reakcí halogenidů kyselin s alkalickými solemi karboxylových kyselin, cyklické anhydridy dikarboxylových kyselin vznikají termickou dehydratací 1,4- nebo 1,5-dikarboxylových kyselin (kap. 6.2.9). Maleinanhydrid a ftalanhydrid vznikají oxidací benzenu nebo naftalenu vzduchem za katalýzy oxidem vanadičným (kap. 6.1.4). Nejdůležitějším anhydridem je acetanhydrid, který lze připravit adicí kyseliny octové na keten. Keten vzniká pyrolýzou acetonu: O H3 C
∆ CH4 + CH2=C=O keten
CH3
CH3COOH
(CH3CO)2O
Anhydridy jsou o něco méně reaktivní než halogenidy kyselin a analogicky přecházejí působením alkoholů na estery nebo působením aminů na amidy (acylační reakce). Estery kyselin se dají připravit acylací alkoholů acylhalogenidy nebo anhydridy, nejběžnější metodou přípravy je však esterifikace. Jde o rovnovážnou reakci karboxylových kyselin s alkoholy, která je kysele katalyzovaná (stopy minerální kyseliny). Reakční mechanismus předpokládá adici protonu na hydroxyl karboxylové skupiny. Dalším reakčním stupněm je nukleofilní atak alkoholu, následuje odštěpení protonu O
H+
R
OH
O R OH2
OH
R
1
OH
O
R
1
R
H
O
R
OH
O O
R OH H
- H2O 1
R
R - H+
O H
OR
1
Mechanismus byl potvrzen použitím alkoholu obsahující isotop 18O, který byl nalezen po reakci jako součást esteru. Rovnováhu esterifikační reakce lze posunout ve prospěch esteru buď odstraňováním jednoho z produktů (voda nebo ester), nebo použitím velkého přebytku jedné z výchozích látek. Estery terciárních alkoholů a fenolů se většinou nedají esterifikací připravit a k jejich přípravě je nutno použít acylace terciárních alkoholů acylhalogenidy nebo anhydridy. Výhodnou reakcí k přípravě methylesterů je reakce kyselin s diazomethanem, který však reaguje nejen s karboxylovou skupinou, ale i se sloučeninami obsahujícími kyselé vodíky (např. fenoly): O
COOH 2 CH N 2 2
O
+ CH2N2 OH
R
+ N2
R
OCH3
OH
COOCH3
- 2 N2
OCH3
Estery jsou látky neutrálního charakteru a jejich reaktivita je mnohem nižší než reaktivita acylhalogenidů a anhydridů. Vodou se hydrolyzují na kyseliny za katalýzy minerálními kyselinami nebo zásadami. Mechanismus kysele katalyzované hydrolýzy esterů představuje vlastně obrácený pochod uvedený výše pro esterifikaci. Posun reakční rovnováhy ve prospěch kyseliny se dosáhne použitím velkého přebytku vody. Při alkalické katalýze hydrolýzy esterů je reagující částicí hydroxylový anion, který atakuje uhlík karbonylové skupiny, produktem reakce je sůl kyseliny a příslušný alkohol: O R
O 1
OR HO
R
1
OR OH
O R
+ R1-O OH
74
O R O
+ R1-OH
Analogickým mechanismem probíhá aminolýza esterů amoniakem nebo primárními a sekundárními aminy, při které vznikají primární, sekundární nebo terciární amidy. Průmyslově důležitou reakcí je reesterifikace, při které dochází k výměně alkoxylové skupiny mezi esterem a alkoholem. Jde o rovnovážnou reakci, která může být katalyzována kyselinami nebo běžněji zásadami. Rovnováha reakce se nejčastěji porušuje oddestilováváním vznikajícího alkoholu, jako je tomu např. při přeměně dimethyltereftalátu ethylenglykolem na diethylenglykoltereftalát, z něhož se polykondenzací vyrábí polyethylentereftalát (PET): COOCH 3
COOCH 2CH2OH
CH3ONa
+ 2 HOCH2CH2OH
+ 2 CH3OH HOH 2CH2COOC
H3COOC
Působením basických katalyzátorů (Na, NaNH2) dochází k autokondenzaci esterů majících v α-poloze alespoň jeden vodíkový atom, při které vznikají β -ketoestery (Claisenova kondenzace). Jde o reakci aldolového typu, při které z jedné molekuly esteru vzniká karbanion a aduje se na karbonylovou skupinu druhé molekuly esteru. Působením sodíku v alkoholickém prostředí však dochází k redukci esteru na alkohol (BouveaultBlancova redukce). Reakcí esterů se sodíkem v nepolárním prostředí (uhlovodíky) dochází k tvorbě radikálů, po jejichž zdvojení a následné redukci vznikají acyloiny (acyloinová kondenzace, viz také kap. 6.2.8.4.). Redukci esterů na alkoholy lze uskutečnit také působením LiAlH4 v bezvodém prostředí: 1
1
O
R
CH
1
O
R
Na
C
R2
OR3
2 R O R
3 R OR 2
1
O
R
C
R
3
O
R 2
COOR3
3 O OR
3
R O
R2 R1
CH Na/C2H5OH nebo LiAlH4/ether R
R
R1
O
1
R
1
O
1
R
2
R1
R1
O
Na/hexan
CH
CH2OH + R3-OH
R2
2
R
R2 + R3O-
R2
OR3
OH
R2 acyloin
Amidy kyselin lze připravit z acylhalogenidů, anhydridů nebo esterů kyselin (viz výše). Reakcí dikarboxylových kyselin s amoniakem nebo primárními aminy vznikají imidy kyselin: ∆ HOOC
COOH NH3
COOH
- H2O O
O N H sukcinimid
COOH
O CH3NH2, ∆
N-CH3
- H2O
N-methylftalimid O
V důsledku konjugace volného elektronového páru na dusíku s karbonylovou skupinou nejsou amidy zásadité, ale vodíkové atomy na dusíku mají slabě kyselý charakter (zvláště u imidů). To také umožňuje alkylaci amidů působením alkylačních činidel v silně zásaditém prostředí, nebo jejich reakci s organokovy: MgX N R O
Na
H N
RMgX - RH
R
N
Na
O
R
CH3 N R
(CH3O)2SO2
O
O
Terciární amidy se při reakci s Grignardovým činidlem redukují na ketony, dimethylformamid s Grignardovým činidlem poskytuje aldehydy. Formamid, methylformamid a dimethylformamid jsou vynikající rozpouštědla, která se dají připravit přímou syntézou z odpovídajícího aminu a oxidu uhelnatého za vysokého tlaku: O CO + R2NH
H
O H
NR2
1) R-MgX 2) H2O H
N(CH3)2 O R
75
1) R-MgX 2) H2O N(CH3)2
O + (CH3)2NH R O + (CH3)2NH
R R
Hydrolýza amidů probíhá obvykle velmi obtížně. Primární amidy se dají výhodně přeměnit na kyseliny působením kyseliny dusité. Působením alkalických halogenanů nebo halogenu v alkalickém prostředí se amidy nejprve halogenují na aminoskupině. V důsledku silného elektronového tahu karbonylové skupiny a atomu halogenu má vodíkový atom vzniklého halogenamidu kyselý charakter a poskytne sůl, ze které po odštěpení NaCl vzniká nestabilní nitren. Ten přesmykne na isokyanát, který se v alkalickém prostředí hydrolyzuje na amin. Tato reakce je označována jako Hoffmannovo odbourání amidů: O
O
HO-NO
R
O
R N
NH2
N
- N2
OH
R OH
NaOCl O
O
O
Cl NaOH R
R
Cl R Na - NaCl
N
NH
R
N
C
O
H2O
R
NH2
N
Nitrily kyselin se dají připravit nitrilovou syntézou (u alifatických sloučenin) nebo Sandmayerovou reakcí z aromatických diazoniových solí. Obě reakce byly probrány již dříve. K nitrilům také vede dehydratace primárních amidů nebo aldoximů. Při dehydrataci se dá také vycházet z amonných solí, např. při přípravě adipodinitrilu jako výchozí látky pro syntézu Nylonu 66: O R
N-OH
P2O5
R
CN
(CH3CO)2O - H2O
- H2O NH2
H4NOOC-(CH2)4-COONH4
R
250°C, H3PO4 -2 H2O
H2NOC-(CH2)4-CONH2
-2 H2O
NC-(CH2)4-CN
Technicky důležitý akrylonitril pro syntézu PAN se dá získat adicí kyanovodíku na acetylen, nověji se však připravuje t.zv. amoxidací: HC
CH
H H2C C CN
HCN, Cu2Cl2 NH4Cl
NH3, 1,5 O2
H C
H2C
CH3
Hydrolýza nitrilů probíhá relativně špatně a dá se vést do stadia primárního amidu nebo až kyseliny. Z nitrilů lze redukcí vodíkem na hydrogenačním katalyzátoru nebo působením hydridu lithnohlinitého získat primární aminy, redukce chloridem cínatým v etheru za přítomnosti chlorovodíku vede přes imidchlorid k aldiminu, jehož hydrolýzou vzniká aldehyd (Stephenova redukce). Ketony se dají z nitrilů získat redukcí Grignardovými činidly: R
NH2
H2/kat
R
δ+
δ-
C
1) R´
N
2) H2O
nebo LiAlH4 Cl
CN
C HCl
NH
R´
MgBr
H C
SnCl2 + 2 HCl
R
NH2 H
NH2+ Cl-
- SnCl4
C H2O
O
- NH4Cl
Adicí alkoholů na nitrily za přítomnosti chlorovodíku vznikají imidoestery, které se působením přebytku alkoholu přeměňují na orthoestery. Orthoestery jsou vhodným činidlem k přeměně karbonylových sloučenin na acetaly nebo ketaly. Reakce se využívá především k přípravě ketalů, které jsou v řadě případů nedostupné přímou reakcí ketonu s alkoholem: OC2H5
H3C H3C
C
2 C2H5OH
+
N + C2H5OH + HCl
NH
- NH4Cl
C2H5O OC2H5 H3C
OC2H5 + OC2H5
O
C2H5O R
OC2H5 R
OC2H5
OC2H5 orthooctan ethylnatý O
+ H3C
76
H3C
OC2H5
Isomerní s nitrily jsou isonitrily (isokyanidy), které vznikají jako vedlejší produkty při reakci alkylhalogenidů s alkalickými kyanidy. Při reakci alkylhalogenidů s málo disociovaným kyanidem stříbrným vzniká isonitril jako jediný produkt, obecnou metodou k přípravě isonitrilů je však reakce primárních aminů s chloroformem v přebytku louhu. Z chloroformu vzniká jako přechodně nestabilní dichlorkarben, který reaguje s aminem na výsledný produkt: R
N
AgCN
C
R
NaCN
X
Cl
-
HO
H
R
N + R
C
N
C
Cl Cl
R
C
-
- H2O, -Cl
R
N
C
- 2 HCl
Cl
Cl
NH2
Isonitrily se zahříváním isomerizují na nitrily a na rozdíl od nitrilů se velmi snadno hydrolyzují za vzniku příslušného aminu a kyseliny mravenčí. Jejich hydrogenací lze připravit sekundární N-methylaminy: HCOOH + R
H 2O
NH2
R
N
H2/Pt
C
R
NH CH3
Organické peroxykyseliny mají především význam jako činidla k přípravě epoxidů z olefinů (viz kap. 2.2.3), diacylperoxidy slouží hlavně jako iniciátory radikálových reakcí. Oba typy látek lze získat působením peroxidu vodíku na acylhalogenidy. Pro iniciaci radikálových reakcí se často používá dibenzoylperoxid, který se termicky rozkládá na fenylové radikály a oxid uhličitý: O
O 2 H2O2
2 R
O
H2O2
2 R
R
R
Cl
O OH O O
O
O O O
∆
2
2
O O
+ 2 CO2
O
6.2.11. Deriváty kyseliny uhličité Kyselina uhličitá je slabá a nestabilní anorganická kyselina, která se rozkládá na oxid uhličitý a vodu. Formální náhradou jedné hydroxylové skupiny v molekule kyseliny uhličité halogenem nebo aminoskupinou vzniká nestabilní kyselina chloromravenčí nebo kyselina karbamová, stabilní jsou však jejich estery. Běžnější jsou ty deriváty kyseliny uhličité, ve kterých jsou nahrazeny obě hydroxylové skupiny jinými skupinami nebo atomy. Základním derivátem kyseliny uhličité je fosgen COCl2. Tento velmi jedovatý bojový plyn se získává reakcí oxidu uhelnatého s chlorem a chová se jako chlorid karboxylové kyseliny. Je velmi reaktivní – vodou se hydrolyzuje na oxid uhličitý a chlorovodík a lze z něj připravit téměř všechny ostatní deriváty kyseliny uhličité. Reakcí fosgenu s alkoholy vznikají podle molárního poměru estery kyseliny chloromravenčí nebo estery kyseliny uhličité, chloromravenčany reagují snadno s aminy za vzniku esterů kyseliny karbamové (urethanů): CO + Cl2 hν
OR
2 ROH
O
Cl
O
OR
Cl
ROH
R´NH2
O
R´NH O
OR
Cl
OR
Technicky důležité jsou polyurethany, vznikající polyadicí diolů na diisokyanáty (kap. 6.2.3.3). Reakcí fosgenu s jednou molekulou aminu vznikají karbamoylchloridy, se dvěma molekulami aminu pak substituované močoviny: NHR O
2 RNH2
Cl O Cl
NHR
RNH2
Cl O NHR
Technicky nejdůležitějším derivátem kyseliny uhličité je její diamid, který má triviální název močovina (H2N-CO-NH2). Močovina byla první organickou látkou získanou z anorganického materiálu, a to termickým přesmykem kyanatanu amonného (Wöhler 1828). Průmyslově se vyrábí tlakovou syntézou z oxidu uhličitého a
77
amoniaku. Nejprve vzniká nestálá kyselina karbamová, která reakcí s další molekulou amoniaku přechází na karbaman amonný, dehydratující se na močovinu: OH CO2 + NH3
O
NH2
NH3
O -
NH2
NH2
- H2 O
O NH4
∆
O
+
NH4NCO
NH2
Močovina má schopnost tvořit adukty (tzv. klathráty) s řadou organických látek s nerozvětveným řetězcem. Krystaly močoviny totiž tvoří dutý šestiboký hranol, jehož vnitřek může být vyplněn hostující látkou. Tvorby klathrátů se dá využít např. k odstraňování nerozvětvených uhlovodíků z motorových paliv. Aminoskupiny v močovině mají rozdílný charakter. Jedna se chová jako amidická, druhá má podobný charakter jako aminoskupina v aminech, má tedy zásaditý charakter. Se silnými kyselinami vznikají z močoviny její soli, např. dusičňan močoviny, který se dá dehydratovat za vzniku nitromočoviny. Ve vodném kyselém nebo alkalickém prostředí se močovina hydrolyzuje: H2O
CO2 + 2 NH3
NH2 O
HNO3
NH2
H2SO4
O
NH2 O
NH3+ NO3
NH2
NH-NO2
Působením kyseliny dusité se močovina rozkládá za vzniku oxidu uhličitého, vody a dusíku. Této reakce se často využívá k odstraňování přebytečné kyseliny dusité z reakční směsi po diazotaci anilinů. K podobnému rozkladu dochází také působením alkalických chlornanů: NH2
2 HNO2
CO2 + 3 H2O + N2
O
3 BrO- + 2 HO- N + CO 2- + 3 Br- + 3 H O 2 3 2
NH2
Kondenzací močoviny s formaldehydem ve slabě alkalickém prostředí vzniká nejprve dimethylolmočovina, která se postupně polykondenzuje za vzniku termoplastické močovinoformaldehydové pryskyřice. Tento aminoplast má podobné využití jako fenolformaldehydová pryskyřice: NH2 O
NH-CH2OH
+ 2 CH2=O NH2
O NH-CH2OH
O
H2 C - H2O
N
N
CH2
CH2
N
CH2
N
O
CH2
CH2
Reakcí močoviny s deriváty kyselin (halogenidy, anhydridy, estery) vznikají acylované močoviny (ureidy kyselin). Provede-li se tato reakce s deriváty dvojsytných kyselin, vznikají cyklické dvojnásobné ureidy. Např. kondenzací substituovaných malonanů s močovinou vznikají barbituráty, používané jako sedativa a hypnotika: NH2 O NH-COR
RCO-X - HX
O
X = Cl, OCOR, OR
NH2 + NH2
O
COOC 2H5 R
- 2 C2H5OH COOC 2H5
NH R
O NH O
Zahříváním močoviny nad teplotu tání vzniká po odštěpení amoniaku velmi nestabilní kyselina isokyanatá, na kterou se ihned aduje další molekula močoviny za vzniku biuretu. Při zahříváním močoviny na vyšší teplotu se vzniklá kyselina isokyanatá trimerizuje za vzniku kyseliny kyanurové: O NH2 O
H2N-CO-NH2
biuret NH-CO-NH2
H-N=C=O
∆ O - NH3
NH2 NH2
∆ - NH3
NH H-N=C=O
HN
O NH
O
Estery kyseliny isokyanaté (isokyanáty, viz kap. 6.2.3.3 a 6.2.10) jsou na rozdíl od kyseliny isokyanaté poměrně stabilní látky, které se dají připravit alkylací alkalických kyanatanů alkylhalogenidy: R-X + NaOCN
R-N=C=O
Průmyslově důležitými látkami jsou nitrily odvozené od kyseliny chloromravenčí nebo kyseliny karbamové. Chlorkyan Cl-CN vzniká působením chloru na kyanidy, případně reakcí chloru s kyanovodíkem a
78
velmi snadno trimerizuje za vzniku kyanurchloridu. Kyanamid H2N-CN se dá připravit reakcí chlorkyanu s amoniakem. Stejně jako chlorkyan samovolně trimerizuje za vzniku melaminu, který je základní surovinou pro výrobu melaminových pryskyřic (aminoplasty analogické močovinoformaldehydovým pryskyřicím): H2N
Cl N
N
N
NH2
KCN + Cl2
N
Cl N
NH3
H2N-CN
H2N
N
Cl-CN
Cl
Důležitým derivátem kyseliny uhličité je také thiomočovina H2N-CS-NH2. Dá se připravit zahříváním thiokyanatanu amonného nebo působením sulfanu na kyanamid vápenatý. Vzhledem k neochotě atomu síry se thiomočovina uplatňuje při reakcích např. s alkylhalogenidy ve své tautomerní formě (se sulfanylovou skupinou) a poskytuje alkylisothiuroniové soli: ∆
NH4SCN
NH2
H2 N
R-X
S CaNCN + 2 H2S
H2 N
X R
NH2
- CaS
HN
H2N
SH
S
Reakcí primárních aminů se sirouhlíkem vznikají symetrické N,N´-disubstituované thiomočoviny, které působením oxidu rtuťnatého poskytují disubstituované karbodiimidy. Tyto látky se snadno hydrolyzují zpět na výchozí močoviny, ale se směsí aminu a karboxylové kyseliny reagují dokonce i ve vodném prostředí za tvorby amidů. Této reakce se využívá nejčastěji při syntéze peptidů z aminokyselin (viz kap. 10): 2
NH2
CS2
H N
- H2 S
H N
HgO N C N
- HgS, - H2O
S N C N
+ R-COOH + R´NH2
H N
R-CO-NH-R´ +
dicyklohexylkarbodiimid
H N O
Guanidin H2N-C(=NH)-NH2 je formálně amidinem karbamové kyseliny resp. diamidem imidouhličité kyseliny a vzniká adicí amoniaku na kyanamid. Je velmi silnou jednosytnou zásadou, což je důsledek stabilizace guanidiniového kationtu mesomerií. Guanidylový zbytek je součástí řady přírodních látek (např. aminokyseliny argininu, jejích metabolitů kreatinu a kreatininu a také antibiotika streptomycinu) a léčiv (např. sulfaguanidin). H2 N NH
H2N-CN + NH3
H+
H2N
H3 N NH2
H2N
H2 N
H2 N NH
H2 N
NH H3 N
6.2.12. Substituční deriváty karboxylových kyselin Substituční deriváty kyselin vznikají náhradou vodíkového atomu v uhlíkovém řetězci jiným atomem nebo skupinou. Podle vzdálenosti atomu nebo funkční skupiny se rozdělují na α-substituční, β -substituční, atd. deriváty kyselin. Nejdůležitější z této skupiny látek jsou halogenkyseliny, hydroxykyseliny a aminokyseliny, a to zejména ty, které jsou substituovány v poloze α. 6.2.12.1. Halogenkyseliny Halogenkyseliny jsou obecně silnějšími kyselinami než odpovídající nesubstituované kyseliny, což je dáno působením záporného indukčního efektu halogenu, usnadňujícího disociaci za vzniku protonu. Nejsilnější efekt způsobuje halogen v α-poloze, vliv halogenu klesá v řadě F > Cl > Br >I. V případě aromatických halogenkyselin klesá také kyselost se vzdáleností halogenového atomu od karboxylové skupiny: COOH X
O X
C H2
O
COOH COOH
H X
79
X
Alifatické α-halogenkyseliny se připravují působením halogenů na organickou kyselinu za přítomnosti červeného fosforu. Vlastním činidlem je in situ vytvořený halogenid fosforitý. Vznikne halogenid kyseliny, ve kterém silný elektronový tah halogenu oslabí vazbu mezi uhlíkem a vodíkem v α-poloze a vzniklý karbanion reaguje s halogenem za vzniku halogenidu α-halogenkyseliny, který reaguje s druhou molekulou kyseliny za vzniku α-halogenkyseliny a halogenidu kyseliny, který se vrací do další reakce: H
H
H PX3
OH
R
H X
R
O X
- H+
X
R
H X
R
X
H OH
+ R
O
X2
H X
R
- X-
O
O H
X
H
O H
H OH
R
O
H X
+ R
O
O
Popsaná reakce platí pro přípravu chlor, brom a jodkyselin. α-Fluorkyseliny se připravují speciálními postupy, např. kyselina fluoroctová vzniká vzájemným působením oxidu uhelnatého, fluorovodíku a formaldehydu, příprava velmi silné kyseliny trifluoroctové vychází z freonu 113:: 160°C tlak
HF + CH2=O + CO
ClF2C
AlCl3
CFCl2
F3C
CCl3
F-CH2-COOH
oleum, Hg2+ F3C - 2 HCl
COCl
H2O - HCl
F3C
COOH
Alifatické β -halogenkyseliny se připravují 1,4-adicí halogenovodíku na α,β -nenasycené kyseliny: H C
R
Oδ
H C
δ+
HCl
R
OH
H C
OH
H C
OH
Br
H2 C
H C
R
O OH
Br
Vyšší (γ a δ) halogenkyseliny se dají připravit reakcí laktonů s halogenovodíkem (viz dále). Postup přípravy aromatických halogenkyselin je závislý na vzájemné poloze karboxylové skupiny a halogenu. Přímou halogenací karboxylových kyselin vznikají m-halogenkyseliny. Aromatické o- a psubstituované halogenkyseliny vznikají buď diazotací příslušných aromatických aminokyselin a následnou Sandmayerovou reakcí, nebo oxidací příslušných halogentoluenů: COOH
COOH
COOH NH2 NaNO2, H+
Br2 AlBr3
Br
COOH N2+ ClCu2Cl2
COOH Cl
kyselina anthranilová
Hydrolýza alifatických α-halogenkyselin probíhá velmi snadno působením alkalických hydroxidů za vzniku α-hydroxykyselin. Snadnost nukleofilní substituce halogenu je dána kladným indukčním efektem karboxylátového aniontu: R
OH
Cl
O
NaOH
R
O
Cl
O
NaOH
R HO
ONa O
Při působení vodného louhu na β -halogenkyseliny dochází velmi snadno k eliminaci za vzniku α,β nenasycených kyselin. γ- a δ-Halogenkyseliny přecházejí působením jedné molekuly hydroxidu na příslušné laktony, které se v přebytku hydroxidu mění na soli příslušných hydroxykyselin: NaOH R Cl
HO
O
R NaOH Cl
O
O
O O γ-lakton
R
R
COONa OH
U monotopických dihalogenkyselin probíhá hydrolýza již vodou za vzniku α-ketokyselin, kyselina trichloroctová zahříváním ve vodném roztoku dekarboxyluje na chloroform: Cl2HC
COOH
H2O
O=HC
COOH
80
Cl3C
COOH
H2O
CHCl3 + CO2
Hydrolytické reakce neprobíhají u fluorkyselin, kde je vazba mezi uhlíkem a fluorem velmi silná. Neprobíhají většinou také u aromatických halogenkyselin, které jsou velmi stabilní a nukleofilní substituce u nich probíhají pouze za velmi výjimečných podmínek. Alifatické halogenkyseliny působí stejně jako halogenuhlovodíky jako alkylační činidla. Např. alkylací alkalického sulfidu chloroctanem sodným lze připravit thioglykolan sodný, který lze využít jako činidlo redukující disulfidickou vazbu bílkoviny keratinu. Působením chloroctanu sodného na roztok alkalického kyanidu vzniká kyanoctan sodný. Z něj připravená kyselina kyanoctová se dá esterifikovat na kyanoctan ethylnatý, který alkoholýzou poskytne malonan ethylnatý, důležitou látku pro organické syntézy: ClH2C
NaSH
COONa
HSH2C
COONa
2 R-SH + NaOOCH2C S S CH2COONa COONa + R-S-S-R disulfidická vazba dithioglykolan sodný v keratinu COONa COOC2H5 COOC2H5 1) H+ COONa + NaCN C2H5OH, H+ 2) C2H5OH CN CN COOC2H5
2 HSH2C
ClH2C
6.2.12.2. Hydroxykyseliny Alifatické α-hydroxykyseliny lze získat hydrolýzou α-halogenkyselin, jak bylo ukázáno v předešlé kapitole. Lze je získat také oxidací α-hydroxyaldehydů bromovou vodou, což přichází v úvahu především u sacharidů. Nejdůležitější metodou k přípravě α-hydroxykyselin je však kyanhydrinová syntéza, která byla probrána v kapitole 6.2.8.2. Estery alifatických β -hydroxykyselin se připravují Reformatského syntézou. Jde o reakci bromoctanu ethylnatého a jeho homologů s aldehydem nebo ketonem za přítomnosti zinku. Z bromoctanu vzniká přechodně organozinečnatá sloučenina, která se aduje na karbonylovou skupinu stejně jako Grignardovo činidlo: R1
R
Zn
COOC2H5
1
COOC2H5
Br
R2
BrZn
O R3 R2
R
1
R
3
R
H2O
R
R1
3
COOC2H5
OH
2
OZnBr
COOC2H5
γ- a δ-Hydroxykyseliny se dají získat hydrolýzou γ- a δ-halogenkyseliny (viz výše). Aromatické hydroxykyseliny lze získat hydrolýzou odpovídajících sulfokyselin nebo diazoniových solí. Jedna z nejdůležitějších aromatických kyselin –kyselina salicylová – se vyrábí tlakovou karboxylací fenolátu sodného: COOH
COOH
NaNO2, H2SO4
COOH
H2O, H2SO4
-
N2+ HSO4
NH2 ONa
COONa
COOH H2O, H2SO4
OH
SO3H
OH
OH CO2, p
COOH
OH
COOH
H+
kyselina salicylová
Řada α-hydroxykyselin se vyskytuje v přírodních materiálech. Vzhledem k přítomnosti asymetrického uhlíkového atomu se mohou vyskytovat ve dvou enantiomerních formách D a L, resp. R a S (viz kap. 4.4.2.1). U hydroxykyselin se stejně jako u aminokyselin a sacharidů běžně používá starší označení D a L. Např. kyselina mléčná se vyskytuje jako L(+)-enantiomer ve svalech jako produkt přeměny kyseliny pyrohroznové, v racemické formě se vyskytuje v kyselém mléce. Nitril D(-)-mandlové kyseliny je součástí glykosidu amygdalinu (hořké mandle), jeho L(+)-enatiomer je součástí glykosidu sambunigrinu (bez černý). V přírodě se vyskytují také kyseliny jablečná, citronová, vinná aj., vesměs v opticky aktivních formách. Kyselina citronová a isocitronová mají důležitou biochemickou úlohu :v tzv. cyklu trikarboxylových kyselin (Krebsův cyklus):
81
COOH HO
HOOC
COOH
H
H
OH
kys. jableèná
CH3 kys. D(-)-mléèná
CH3 kys. L(+)-mléèná
COOH
OH
OH
HOOC
COOH
COOH kys. citronová
COOH HO
OH
OH
HO
OH
HO
OH
kys. L(+)-mandlová
COOH
COOH
COOH
H
COOH
COOH
kys. (-)-vinná
kys. (+)-vinná
COOH kys. mesovinná
Hydroxykyseliny jsou silnějšími kyselinami než odpovídající nesubstituované kyseliny, jsou však méně kyselé než halogenkyseliny. Nejvýraznější vliv na kyselost má vzdálenost hydroxylu od karboxylové skupiny. Typickou reakcí α-hydroxykyselin je jejich přeměna v silně kyselém prostředí na aldehyd a kyselinu mravenčí. Při zahřívání se dvě molekuly α-hydroxykyselin vzájemně esterifikují za vzniku laktidů. β -Hydroxykyseliny se při zahřívání (zejména v kyselém prostředí) dehydratují, γ- a δ-hydroxykyseliny podléhají intramolekulární esterifikaci a tvoří laktony: O H3C
H3C O H+ 2 2 H3C HO OH kys. mléèná
∆ O
O
- 2 H2O CH3 laktid
O
O
COOH
γ-hydroxykyselina
∆ - H2O
O
COOH
∆ - H2O R β-hydroxykyseliny
HO
γ-butyrolakton
COOH
COOH
R HO
CH=O + 2 H
Hydroxykyseliny s větší vzdáleností hydroxylu od karboxylové skupiny tvoří za těchto podmínek lineární polyestery, aromatické hydroxykyseliny se při zahřívání často snadno dekarboxylují. Kyselina vinná se napřed dehydratuje a isomerizací vzniklá kyselina ketojantarová se dekarboxyluje na kyselinu pyrohroznovou: O
COOH HO
∆
(CH2)n
(CH2)n
- H2O
OH
HO
OH
H
OH
O (CH2)n polyester
OH pyrogallol
OH kys. gallová
COOH H
(CH2)n
OH ∆
OH
O
O
COOH
HO
O
COOH KHSO4, ∆ - H2O
COOH
H
H OH
COOH kys. mesovinná
COOH
H
O
O
COOH
+ CO2
CH3 kys. pyrohroznová
COOH kys. ketojantarová
Stejně jako nesubstituované kyseliny tvoří i hydroxykyseliny funkční deriváty jako jsou estery, amidy, nitrily atd. Velmi důležitou látkou léto skupiny je antipyretikum kyselina acetylsalicylová (Aspirin, Acylpyrin), vznikající účinkem acetanhydridu na kyselinu salicylovou: COOH OH
(CH3CO)2O - H2O
82
COOH O
COCH3
6.2.12.3. Aminokyseliny Stejně jako u ostatních substitučních derivátů kyselin jsou z této skupiny nejdůležitější α-aminokyseliny, které jsou součástí bílkovin. Dají se připravit alkylací amoniaku α-halogenkyselinami, vzhledem k snadné další alkylaci vzniklé α-aminokyseliny další molekulou α-halogenkyseliny však vznikají většinou směsi látek, i když se použije amoniak ve velkém nadbytku. Proto je výhodnější aminoskupinu zablokovat, např. tvorbou imidu při Gabrielově reakci. Reakcí ftalimidu draselného s esterem α-halogenkyseliny se připraví substituovaný ftalimid, který se nejprve alkalicky a pak kysele hydrolyzuje za vzniku α-aminokyseliny s primární aminoskupinou: O
O COOC2H5
R COOC2H5
NK + Br O
N
- KBr
R O
H2O, KOH - C2H5OH COOK
COOH
R +
COOH
H N
H2O, HCl
COOH H2 N
O
R COOK
Galatova syntéza umožňuje přípravu alifatických α-aminokyselin z alkylhalogenidů. Výchozí látkou je acetamidomalonan ethylnatý, který se alkyluje alkylhalogenidem. Následná alkalická hydrolýza meziproduktu poskytne substituovanou α-aminomalonovou kyselinu, která zahřátím dekarboxyluje: H3COC HN
COOC2H5 COOC2H5
H3COC COOC2H5 COOH 1) NaOH R-Br ∆ HN R N R H 2 + C2H5ONa 2) H COOC2H5 COOH
R H2N COOH
Pro přípravu derivátů fenylalaninu je vhodná Erlenmeyerova azlaktonová syntéza, která vychází z kyseliny hippurové (benzoylaminooctové). Její reakcí s benzaldehydem a acetanhydridem vzniká benzylidenazlakton, který po hydrogenaci a následné hydrolýze poskytne β -fenylalanin:
H2N
COOH + glycin
COCl NaOH
COOH
COOH HN
NH2 fenylalanin H2O O
CO-C6H5 kyselina hippurová O CH=O
COOH HN CO-C6H5
+ +
+ (CH3CO)2O
O
C6H5
H2
N
O
C6H5 HN
C6H5
C6H5
Vzhledem k důležitosti α-aminokyselin existuje velké množství syntetických metod k jejich přípravě, v tomto skriptu jsou uvedeny jen ty netypičtější. β -Aminokyseliny se dají připravit adicí amoniaku na některé nenasycené sloučeniny, např. na kyselinu akrylovou, γ-aminokyseliny vznikají Hofmannovým odbouráním cyklických imidů, δ- a ε-aminokyseliny se připravují z cyklických ketonů, a to Beckmannovým přesmykem jejich oximů: COOH + NH3
N
H2N β-alanin
COOH
OH H2SO4 O NH ε-kaprolaktam
NaOH + NaBrO + H2O O
N O H glutarimid
NH2 COOH kys. γ-aminomáselná
H2N COOH kys. ε-aminokapronová
Aromatické aminokyseliny se připravujhí většinou redukcí nitrobenzoových kyselin, oxidací a následnou hydrolýzou acetylovaných toluidinů, nebo Hofmannovým odbouráním ftalimidů:
83
COOH
COOH
CH3
Fe, HCl H3COCHN NO2
COOH
KMnO4 H3COCHN
NH2 kys. m-aminobenzoová
H2O
O
COOH
COOH NaOH + NaClO + H2O
NH
H2N kys. p-aminobenzoová
NH2 kys. anthranilová
O ftalimid
α-Aminokyseliny jsou základními stavebními jednotkami bílkovin, z nichž se dají získat hydrolýzou. Z biologických systémů jich bylo izolováno více než 300, jen 20 z nich však patří mezi t.zv. kódované aminokyseliny, vznikající přímo biosyntézou (viz kap. 10). S výjimkou glycinu (aminooctová kyselina) jsou všechny opticky aktivní a mají L-konfiguraci (odpovídá novějšímu označení S). Jen výjimečně se v přírodě vyskytují α-aminokyseliny sterické řady D (např. penicilamin z hydrolýzy antibiotika penicilinu): COOH H2N H
COOH NH2
H H3C
SH CH3 D-penicilamin
R L-aminokyseliny
α-Aminokyseliny získané synteticky jsou samozřejmě racemické a příslušný opticky aktivní enantiomer se z nich získává dělením solí jejich acylderivátů s opticky aktivními aminy a následnou hydrolýzou. Dnes však existují i stereoselektivní syntézy opticky aktivních aminokyselin, jejichž popis se však vymyká tomuto skriptu. Aminokyseliny jsou krystalické látky s relativně vysokou teplotou tání, dobrou rozpustností ve vodě a nerozpustností v nepolárních rozpouštědlech. Je to dáno jejich amfoterním charakterem. Přesunem protonu tvoří navenek neutrální vnitřní soli. Hodnota pH, při které dochází k vyrovnání kladného a záporného náboje, je dána hodnotou isoelektrického bodu pI, který je průměrem hodnot pK karboxylové a aminové skupiny. Jelikož hodnoty pK karboxylu a aminoskupin jsou přibližně 2,3 a 9,2, pohybuje se hodnota pI u většiny α-aminokyselin přibližně v rozmezí 5,6 – 6,0, pokud neobsahují další kyselou nebo basickou funkční skupinu. V kyselém prostředí přecházejí neutrální aminokyseliny adicí protonu na amoniové soli, v alkalickém prostředí proton ztrácejí a mění se na alkalické soli aminokyselin: R
COO
- H+
R
COOH
R
NH2
NH2
COO
H+
NH3
R
COOH NH3
pI = (pK1 + pK2)/2
Aminokyseliny poskytují reakce typické pro karboxylovou skupinu i pro aminoskupinu, ale i reakce, jichž se účastní obě funkční skupiny. Přeměnou karboxylové skupiny tvoři aminokyseliny funkční deriváty jako jsou halogenidy nebo estery kyselin, redukcí se dá přeměnit karboxylová skupina za vzniku aminoalkoholů. Působením barytové vody nebo enzymů dekarboxyláz se aminokyseliny dekarboxylují na aminy: R
COOH PCl5 NH2
R
COCl +
NH3 Cl CH3OH + HCl
CH3OH
R
-
COOCH3 +
NH3 Cl
NaOH
R
-
COOCH3 NH2 LiAlH4
Ba(OH)2 R
R
NH2
CH2OH NH2
Při zahřívání se aminokyseliny chovají podobně jako hydroxykyseliny. α-Aminokyseliny se dimerizují za vzniku dioxopiperazinů, β -aminokyseliny odštěpují amoniak, γ-, δ- a ε-aminokyseliny poskytují laktamy, aminokyseliny se vzdálenější aminoskupinou poskytují lineární polyamidy:
84
H2N
O R 2
COOH
H 2N
COOH ∆ - NH3
NH
∆ - 2 H2O
R
R HN O ∆ - H2O
COOH H 2N
∆ - n H2O
n+2 H2N-(CH2)5-COOH
COOH N O H δ-valerolaktam
Nylon 6 (Silon)
H2N-(CH2)5-CO-[NH-(CH2)5-CO]n-NH-(CH2)5-COOH
Působením kyseliny dusité na volné aminokyseliny vznikají hydroxykyseliny a ekvivalentní množství dusíku, který se dá volumetricky stanovit (Van Slykeova metoda analytického stanovení aminokyselin a aminoskupin v bílkovinách). Na aminoskupině probíhají snadno alkylační a acylační reakce. V přebytku alkylačního činidla vznikají vnitřní kvarterní amoniové soli, které se označují jako betainy (podle názvu trimethylaminiumacetátu, izolovaného z řepy cukrovky – Beta vulgaris). Při zahřívání betainy přesmykují. Při působení acylačních činidel, např. acetanhydridu, vznikají acylderiváty aminokyselin: R H2N
+ N2 HO
COOH CH3I R
(H3C)3N
R
HNO2
COOH
(CH3CO)2O
COObetainy
R
H3COC-HN
COOH
Alifatické α-aminokyseliny tvoří s měďnatými solemi barevné komplexy, kterých se dá využít k jejich fotometrickému stanovení. Velmi stabilní komplexy s různými kovovými ionty (např. s Ca2+) tvoří kyselina iminodioctová (Komplexon I) nebo kyselina ethylendiamintetraoctová (Komplexon II). Těchto kyselin se dá využít k maskování kovů, poněvadž jejich komplexy nepodléhají obvyklým srážecím reakcím: H2 N O
R COOH 2R
Cu2+
O HOOC
Cu
NH2
N H2
O
O
R H N
R
R
R
COOH Ca2+
R NH
O O
Ca
O O
6.2.12.4. Aldehydokyseliny a ketokyseliny Podle vzájemné polohy karboxylové skupiny a karbonylové skupiny rozlišujeme α-, β -, γ-, atd. oxokarboxylové kyseliny nebo jejich funkční deriváty. Z preparativního hlediska jsou z této skupiny látek nejdůležitější β -ketoestery. Nejjednodušší α-aldehydokyselinou je kyselina glyoxylová, která se dá připravit hydrolýzou kyseliny dichloroctové. Chová se současně jako kyselina i aldehyd. V důsledku silného záporného indukční efektu karboxylové skupiny snadno aduje vodu a poskytuje stabilní hydrát: Cl
O
O
O
Cl
OH
- HCl
HO
O
HO
OH
H2O
H2O H
OH
Ostatní aldehydokyseliny mají menší význam. Nejjednodušní α-ketokyselinou je kyselina pyrohroznová, důležitý metabolit t.zv. Krebsova cyklu. Připravuje se zahříváním kyseliny vinné s hydrogensíranem draselným (viz kap. 6.2.12.2). Nejjednodušší aromatickou α-ketokyselinou je kyselina fenylglyoxylová, která se připravuje oxidací kyseliny mandlové. V kyselém prostředí α-ketokyseliny snadno dekarboxylují na aldehydy. Při zahřívání α-ketokyselin a jejich esterů dochází k dekarbonylaci za vzniku kyseliny nebo jejího funkčního derivátu: OH HOOC
KHSO4
COOH OH kys. vinná
O R
OH
O
H3C
H
COOH KMnO4
COOH
kys. pyrohroznová
- CO2
kys. mandlová
O
H2O, H+ R
O
∆ COOR1 - CO
85
1 R COOR
COOH
kys. fenylglyoxylová
R1 = H nebo alkyl
β -Ketokyseliny jsou nestabilní sloučeniny, které snadno dekarboxylují. Stálé jsou však jejich estery, které se připravují Claisenovou kondenzací esterů karboxylových kyselin, které mají alespoň jeden vodík v αpoloze k esterové skupině (viz kap. 6.2.10). Pasivní složka Claisenovy kondenzace však v α-poloze ke karboxylu vodík mít nemusí. Karbanion se tvoří z aktivní komponenty reakce a vzniklý karbanion se aduje na pasivní komponentu, např. benzoan ethylnatý. Reakce může probíhat i intramolekulárně a pak ji označujeme jako Dieckmannovu kondenzaci: O H3C
O
C2H5ONa OC2H5
H2C
OC2H5
O
C6H5
O
O
OC2H5
C2H5O C6H5
O
C6H5 OC2H5 benzoyloctan ethylnatý
OC2H5 COOC 2H5
COOC2H5 C2H5ONa
C2H5OOC
O
- C2H5O-
2-oxocyklopentankarboxylan ethylnatý
adipan ethylnatý
O
β -Ketoestery představují rovnovážnou směs ketoformy a enolformy (keto-enol tautomerie). Vznik enolformy je usnadňován tvorbou intramolekulárního vodíkového můstku. Rovnováha je ovlivněna jak teplotou, tak volbou rozpouštědla. V nepolárních rozpouštědlech je preferována enolforma, zatímco v polárních je obsah enolformy snižován, poněvadž se tvoří intermolekulární vodíkové můstky mezi keformou a rozpouštědlem: R2-O-H O
R2-OH
O
O
O 1
R
OR1
R
O
OR
H
O
R
OR
1
Enolforma se dá prokázat barevnou reakcí s chloridem železitým. V důsledku záporného indukčního efektu karbonylové i karboxylové skupiny mají vodíkové atomy v a-poloze kyselý charakter a působením zásad se snadno nahradí alkalickým kovem. Sůl β -ketoesteru působí jako nukleofilní činidlo např. při reakcích s alkylhalogenidy. Produkt alkylace lze opět převést na sůl a dále alkylovat (pokud je k disposici vodíkový atom v α-poloze). Tímto postupem lze připravit α,α-dialkylované acetoctany, které lze hydrolyticky štěpit v kyselém nebo alkalickém prostředí. V prostředí minerální kyseliny dochází k hydrolýze β -ketoesteru na příslušnou kyselinu, která velmi snadno dekarboxyluje za vzniku ketonu (t.zv. ketonotvorné štěpení). V alkalickém prostředí dochází k adici hydroxylového iontu na ketoskupinu a vzniklý adukt se rozkládá na dva anionty kyselin, z nichž se volné kyseliny získají okyselením minerální kyselinou (t.zv. kyselinotvorné štěpení). Těmito postupy lze připravit nesymetrické ketony nebo rozvětvené kyseliny, obtížně získatelné jinými metodami: -
O H3C
O
HO COOC2H5
COOC2H5
H3C
acetoctan ethylnatý
O
R1-X
COOC2H5
H3C
-
1
R
O
O 1
R
H3C R
1
R
- CO2
2
COOH
H3C
2
R
1
+ CH3COO
COO 2
H3C
COOC2H5 2
R
OH COOC2H5 2
1
R
R
R
O
H3C 1 R HO
O
R
H2O, H+
1) HO 2) R2-X
Karbanionty β -ketoesterů, vytvořené působením basí, se dají také adovat na nenasycené sloučeniny, jejichž dvojná vazba je aktivována elektronakceptorovou skupinou (Michaelova adice). Např. acetoctan ethylnatý se při basické katalýze aduje na akrylan ethylnatý. Vzniklý α-acetylglutaran ethylnatý se dá štěpit ketonotvorně za vzniku γ-ketokyselin nebo kyselinotvorně za vzniku dikarboxylových kyselin: O H3C
O
base COOC2H5
-H
+
H3C
COOC2H5
C2H5OOC
COOC2H5 COCH3
COOC2H5 HOOC
H+
COOH
kys. glutarová
HO
-
+
H2O, H HOOC
- 2 C2H5OH - CO2 COCH3
kys. γ-acetylmáselná
86
Z ketokyselin se vzdálenější ketoskupinou je možno uvést kyselinu levulovou (β -acetylpropionovou), která vzniká kyselou hydrolýzou glukosy nebo škrobu, dá se však získat také acetoctanovou syntézou. Zahříváním tvoří dva isomerní nenasycené laktony: O COOC2H5
H3C
Br
+
O
-
HO
COOC2H5
COOC2H5
H3C
COOC2H5 H2O, H+ H3 C
O O α-angelikalakton
O O β-angelikalakton
O
∆ - H2O
+
H3 C
HCl H3C
COOH kyselina levulová
H2O
C6H12O6
7. Heterocyklické sloučeniny Neobyčejně rozsáhlou skupinu organických látek tvoří cyklické sloučeniny, které obsahují v cyklu kromě uhlíku i heteroatomy, a to nejčastěji kyslík, síru nebo dusík. Jsou velmi často podstatou různých přírodních látek a léčiv. Dají se členit do skupin podle velikosti kruhu, druhu a počtu heteroatomů a jejich vzdálenosti. Počet těchto kombinací je téměř neomezený, navíc k jednomu heterocyklu mohou být přikondenzovány další kruhy, a to jak karbocyklické, tak heterocyklické. Vzhledem k ohromné rozsáhlosti heterocyklické chemie mohou být v tomto skriptu probrány jen ty nejjednodušší a nejběžnější heterocykly. Jde o jednoduché heterocykly s pětičlenným a šestičlenným kruhem, případně s přikondenzovaným benzenovým jádrem. Systematické názvosloví heterocyklů představuje velmi obtížný problém a nebudeme se jím v tomto skriptu zabývat. Pro pětičlenné a šestičlenné heterocykly se používá téměř výhradně triviální názvosloví. Polohy kruhu se označují buď řeckými písmeny, nebo častěji číslovkami, přičemž heteroatom má prakticky vždy číslo 1. Pokud je v kruhu více stejných heteroatomů, čísluje se tak, aby heteroatomy měly nejnižší čísla. Pokud jsou v kruhu odlišné heteroatomy pocházející ze stejné skupiny periodické soustavy, dostává číslo 1 ten heteroatom, který má nejnižší atomové číslo. Pokud heteroatomy pocházejí z odlišných skupin periodické soustavy, dostane číslo 1 prvek z vyšší skupiny. Názvy radikálů odvozených od heterocyklů se tvoří až na výjimky změnou koncovky názvu na koncovku –yl s číselným označením polohy volné vazby. Pro některé heterocykly se používá záměnné názvosloví. Způsob číslování pěti a šestičlenných heterocyklů je názorně ukázán na následujících příkladech: 4
β´
3 O 1
furan γ
5
β´
3
4
2 N H1 imidazol
5
6
N
3 2
O1 oxazol
5
N3
5
6
2 1 pyrimidin
6
N
4
N S1
thiazol
4
3 6
3
7
O4
3 2
5
5
4
6
2 N2 7 N 7 1 8 8 1 indol chinolin isochinolin 4 6 5 N7 1 N3 N 4 5 2 3 8 N 2 N 9 6 N 4 N 2 H1 1 H 7 3 benzimidazol purin 1-azabicyklo[2,2,1]heptan N1 H
4
N3
thiofen
α S
2
α
N
5
3
5
pyridin
5
4
β
α´
2
N 1
4
S 1
β
β´ 2 α´
5
N H
pyrrol
3
4 α
α´
2 N1 H
β
β´
3
5
O
4
6
4 α
α´
2
5
β
5
3
6
2 O1 1,4-dioxan
N O 2-furyl
87
S 2-thienyl
S benzothiazol-2-yl
7.1. Pětičlenné heterocykly Základními heterocykly této skupiny jsou furan, pyrrol a thiofen. Kombinací 4 π-elektronů se dvěma nevazebnými elektrony se tvoří molekulový orbital, který je symetricky rozložen nad a pod rovinou kruhu. Delokalizací 6 elektronů se vytváří aromatický systém, který má podobné vlastnosti jako benzen a jeho deriváty, zejména odolnost vůči oxidaci a vysoká reaktivita s elektrofilními činidly. Proto se pětičlenné heterocykly někdy označují jako superaromatické sloučeniny. Po této stránce má nejaromatičtější charakter thiofen. Elektronegativita heteroatomu způsobuje nerovnoměrné rozložení elektronů v systému a usnadňuje vznik mezomerních polárních stavů, které jsou příčinou zvýšené reaktivity poloh 2 a 5 vůči elektrofilním činidlům:
O
O
O
Furan má z této skupiny látek nejelektronegativnější atom, který oslabuje aromatický charakter heterocyklu, poněvadž silněji váže elektronový pár, a proto se může uplatnit i v reakcích typických pro dieny, jako je např. dienová syntéza. Obecné syntetické metody k přípravě pětičlenných heterocyklů spočívají v přeměně γ-dikarbonylových sloučenin, které reagují ve své enolformě: R3
R3
2
R
R4 O O
R1
R3
2
R
R4 HO
P2O5
R1 OH
R4
R3
2
R O
R4
R1
R3
2
R
R4
R1
S
2
R N
P4S7
1
R
R
R-NH2
Furan vzniká dekarboxylací furan-2-karboxylové kyseliny (pyroslizové) nebo dekarbonylací furan-2karbaldehydu (furfuralu), jeho hydrogenací vzniká důležité rozpouštědlo tetrahydrofuran, který se dá také využit k přípravě butadienu (viz kap. 6.1.2): ∆, katal.
∆ COOH - CO2
O
O
H2/Ni, 60°C
- CO
O
CH=O H2/Ni, p
O
CH2OH
O
Technicky nejvýznamnější sloučeninou furanu je furfural, který se získává z přírodního materiálu obsahujícího pentosany (viz sacharidy), a to zahříváním s kyselinou chlorovodíkovou (Marckwaldovo štěpení) a následnou destilací. Na vzduchu se snadno oxiduje na kyselinu pyroslizovou. Při chemických reakcích se chová obdobně jako benzaldehyd, je však reaktivnější. Technické využití má furfural v plastikářském průmyslu při výrobě fenolfurfuralových pryskyřic (obdoba bakelitu), významná je také jeho hydrogenace na nestabilní furfurylalkohol, jehož kontrolované polymerace se také využívá k výrobě plastů. Elektrofilní substituce probíhají u furanu již působením slabých elektrofilů, vzhledem k snadné polymeraci působením kyselin je však nutné reakce provádět v nepolárním prostředí. Chlorace furanu probíhá již při -40°C. První atom chloru vstupuje do α-polohy, postupně se však obsadí všechny polohy a pak dojde ještě k 1,4-adici, takže konečným produktem chlorace je 2,2,3,4,5,5-hexachlordihydrofuran. Bromace, sulfonace a nitrace furanu probíhají do α-polohy, je však nutno použít speciálních elektrofilních činidel, ve kterých jsou brom, oxid sírový nebo kyselina dusičná vázány v komplexech, velmi snadno probíhá Friedel-Craftsova acylace:
Cl
Cl
Cl Cl
O Br Br
O
Br
O
Cl2
-
N SO3
O
O
CH3COONO2
Cl O
SO3H
O
Cl
88
NO2
Furan a jeho deriváty reagují také jako dieny, např. při Diels-Alderově reakci s maleinanhydridem vzniká anhydrid kyseliny 3,6-epoxy-4-cyklohexen-1,2dikarboxylové. Dienový charakter furanu se projevuje také v reakci s kyslíkem, při které vzniká ozonid, polymerující na pryskyřice: O O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O O
O
O
O
O n
Pyrrol se průmyslově získává reakcí furanu s amoniakem. Analogickým způsobem se dají získávat i Nalkylované pyrroly. Přestože je pyrrol sekundárním aminem, je velmi málo zásaditý, což je způsobeno zapojením volného elektronového páru na dusíku do konjugace s π-elektrony. Proto se dá pyrrol a jeho deriváty reakcí s alkalickými kovy nebo Grignardovými činidly snadno převádět na příslušné soli, reagující s alkylačními nebo acylačními činidly. Avšak zatímco u draselné soli pyrrolu proběhne reakce na dusíku, v případě pyrrolmagnesiumhalogenidů vznikají deriváty substituované v poloze 2: K - 1/2 H2
RNH2, Al2O3 O
450°C
N
N R
K
RX
R-MgX N H
- RH RX
RCOX
N COR
N R
N MgX RCOX
R
N H
N H
COR
Elektrofilním substitucím do polohy 2 a 5 podléhá pyrrol stejně snadno jako furan. Také v tomto případě je nutno použít speciálních elektrofilních činidel (viz výše), poněvadž v kyselém prostředí pyrrol velmi rychle polymeruje. Snadnost elektrofilních substitucí u pyrrolu dokumentuje jeho reakce s jodem, při které vzniká 2,3,4,5-tetrajodpyrrol (desinfenční přípravek Jodol). Ve srovnání s furanem má však pyrrol podstatně menší reaktivitu při adičních reakcích a k Diels-Alderově reakci dochází pouze u některých jeho derivátů.. Pyrrolové jádro se často vyskytuje v přírodních látkách, např. v aminokyselinách prolinu a hydroxyprolinu. Tetrapyrrolový cyklický systém porfinu, schopný komplexně vázat kovové ionty, se v různých obměnách vyskytuje v chlorofylu (komplex s Mg2+), hemoglobinu (komplex s Fe2+) a kobalaminu (vitamin B12, komplex s Co2+): HO
N H
COOH prolin
COOH N H 4-hydroxyprolin
N
N H N H N porfin
Benzoderivátem pyrrolu je indol, získaný jako produkt odbourání indiga a v přírodě se volně vyskytující jako vonná součást silic květů jasmínu, pomerančovníku a citrusů. Jeho 3-methylderivát (skatol), vznikající při rozkladu bílkovin z aminokyseliny L-tryptofanu, se naopak vyznačuje odporným zápachem. V důsledku přikondenzování benzenového kruhu k pyrrolovému jádru je v indolu preferována pro elektrofilní substituci poloha 3. Důležitým derivátem indolu je gramin, který se dá převést na kyselinu 3-indolyloctovou (rostlinný stimulátor heteroauxin): Br O N H
CH2N(CH3)2
O BrHBr
CH2O + (CH3)2NH N Mannichova reakce H N SO3 SO3H
N H
N gramin H 1) NaCN, 2) H+ CH2COOH
N heteroauxin H
89
Z mnoha v přírodě se vyskytujících derivátů indolu je historicky nejvýznamnější přírodní modré barvivo indigo, které vzniká enzymatickým štěpením a oxidací indikanu (β -glukosid enolformy indoxylu). Indigo se dnes vyrábí synteticky, a to následujícím postupem: ClCH2COONa NH2
NH
O
COO- Na+ NaNH2
O
H N
O2 N H
indoxyl
N H
O
indigo
Thiofen je stálou složkou technického benzenu získaného z černouhelného dehtu a vyrábí se dehydrogenací butanu sírou. Je to kapalina b.v. 84°C a proto jej nelze destilací ze surového benzenu (b.v. 80°C) odstranit. Odstranění thiofenu ze surového benzenu lze však provést na základě jeho velmi snadné elektrofilní substituce. Působením 95% kyseliny sírové za chladu se thiofen mění na kyselinu thiofen-2-sulfonovou, která je rozpustná ve vodě, zatímco benzen za těchto podmínek nereaguje: 4S
H2SO4
- 3 H2S
S
SO3H
S
Pro elektrofilní substituce thiofenu a jeho derivátů, které probíhají do polohy 2 a 5, platí totéž co bylo uvedeno u furanu a pyrrolu, thiofen je však méně citlivý na kyselé prostředí. Adiční reakce u thiofenu a jeho derivátů prakticky neprobíhají. Thiofenové jádro se vyskytuje v některých přírodních látkách, např. v biotinu (vitamin H). Z pětičlenných heterocyklů je významný imidazol, který je součástí aminokyseliny histidin a produktu její dekarboxylace histaminu. Poruchy metabolismu histaminu vedou k projevům alergie, které se dají potlačit podáváním t.zv. antihistaminik, např. antistinu. Derivátem histaminu je také známý přípravek Sanorin, stahující cévy a sliznice při jejich otocích: H2N
N
COOH N H
N N H
histidin
histamin
C6H5
N
NH2 N H
N
Sanorin
CH2C6H5
N
Antistin N H
Významnými deriváty thiazolu jsou sulfonamidové chemoterapeutikum Sulfathiazol a urychlovač vulkanizace kaučuku 2-sulfanylbenzthiazol (Captax). Tetrazol se připravuje reakcí kyanovodíku s azoimidem. Jde o nestabilní látku, vybuchující při zahřátí. Jeho významným derivátem je stimulátor srdeční činnosti Kardiazol: N
O O S N S H Sulfathiazol
N SH NH2
H
S Captax
+ N
N N
N N
N N tetrazol
N N H
N N N N Kardiazol
7.2. Šestičlenné heterocykly Nahrazením atomu uhlíku v benzenovém jádře dusíkem se odvodí pyridin. Tato látka splňuje podmínku aromaticity a molekulový orbital je tvořen 6 π-elektrony rozloženými nad a pod rovinou kruhu. Elektronegativní dusíkový atom však způsobí nerovnoměrné rozložení elektronové hustoty a desaktivuje jádro, takže reaktivitu pyridinu lze přirovnat k reaktivitě benzenových derivátů substituovaných elektronakceptorovou skupinou, např. k nitrobenzenu. Proto jsou pyridin a jeho deriváty nereaktivní při elektrofilních substitucích, na druhé straně podléhají nukleofilní substituci. Zdrojem pyridinu a jeho homologů je černouhelný dehet, obecnou metodou přípravy je Hantzschova syntéza. Kondenzací esterů β -ketokyselin s aldehydy za přítomnosti amoniaku vznikají dihydropyridiny, které se oxidují a produkty oxidace se po následné hydrolýze dekarboxylují:
90
R1 CH=O
O RO
O
R1 ROOC
OR
COOR ROOC HNO3
- H2O
O
R1
O
COOR
N H
NH3
N NaOH
1
1
R
R HOOC
∆
COOH
- 2 CO2
N
N
Pyridin je terciární amin, ale ve srovnání s alifatickými terciárními zásadami je jeho zásaditost nízká a je jen o něco málo vyšší než zásaditost anilinu. S kyselinami tvoří pyridiniové soli. Vzhledem k jeho vynikající rozpouštěcí schopnosti a snadné tvorbě solí se pyridinu často používá při chemických reakcích k otupování vznikající kyseliny (např. při acylacích). S alkylhalogenidy poskytují pyridin a jeho homology kvarterní soli, které působením louhu tvoří kvarterní amoniové zásady. Tyto jsou v rovnováze s t.zv. pseudozásadou, snadno se oxidující na 1-alkylpyridin-2-ony (1-alkyl-2-pyridony): R-I N
K3Fe(CN)6
NaOH N R
N R
I
N R
HO
OH
N R
O
V důsledku desaktivace pyridinového jádra dusíkovým atomem dochází u pyridinu k elektrofilní substituci až za drastických podmínek. Např. bromace probíhá až při 300°C, stejně tak nitrace a sulfonace, a výtěžky vznikajících 3-substituovaných derivátů jsou nízké. Friedel-Craftsovy alkylace a acylace neprobíhají vůbec. Snadno však probíhají elektrofilní substituce u pyridiniumoxidu, a to do polohy 2 nebo 4. Tyto reakce umožňují snadný přístup k řadě pyridinových derivátů, např.: NO2
NH2 H2/Pd
N H2O2
HNO3/H2SO4
(CH3CO)2O N -CH3COOH O pyridiniumoxid
N O
N NaOH
N
OCOCH3
N OH 2-hydroxypyridin
N O H 2-pyridon
Nukleofilní substituce probíhají u pyridinu a některých jeho derivátů poměrně snadno v poloze 2, kde je nízká elektronová hustota. Tímto způsobem lze získat nejen 2-pyridony a jejich azaanaloga, ale i 2-arylderiváty: Li H
H NaNH2
N Li
N
NH3
N
NH2
Na - LiH
N
N H
NH
KOH H
N
H2O - H2, - NaOH
N
OH K
H2O - H2, - KOH
N
OH
N H
O
Vodíkové atomy v α-poloze α- a γ-alkylderivátů pyridinu mají kyselý charakter v důsledku silné polarizace vlivem elektronegativního dusíkového atomu. Proto u těchto látek nukleofilní činidla nevstupují do jádra, ale odštěpují proton z α-polohy alkylu. Takto lze připravit např. z α-pikolinu α-pikolyllithium, výchozí látku pro přípravu různých derivátů pyridinu, ale aldolizační reakcí s formaldehydem také příslušný hydroxyethylderivát, které se dá dehydratovat na 2-vinylpyridin. γ-Pikolin reaguje obdobně, ale β -pikolin nemá dostatečně kyselý vodík v α-poloze alkylu a uvedené reakce neposkytuje.
91
CO2
C6H5Li H - C6H6 C H2 α-pikolin CH2O
N
OH
COOH
N
2-pyridyloctová kys. (CH3CO)2O
KOH dest.
N
Li
N
N
COCH3 α-pyridylaceton
N
2-vinylpyridin
Vůči oxidaci je pyridinové jádro resistentní a k reakci dochází na postranním řetězci. Např. β -pikolin se oxiduje na kyselinu nikotinovou, která byla poprve získána oxidací alkaloidu nikotinu. Kyselina nikotinová a její amid se řadí do skupiny vitaminů B a používají se jako léčiva proti pelagře, nikotinamid je ve formě nukleotidu složkou řady koenzymů: CH3
COOH KMnO4
KMnO4
N β-pikolin
N kys. nikotinová
CONH2
N CH3 nikotin
N
N
nikotinamid
Chinolin je 2,3-benzoderivátem pyridinu. Vyskytuje se v černouhelném dehtu, připravuje se Skraupovou syntézou z glycerolu a anilinu. Chinolinové jádro je také součástí alkaloidů chininu a cinchoninu. Reakce chinolinu jsou podobné jako u pyridinu. Na rozdíl od něj probíhá u chinolinu elektrofilní substituce, ale do polohy 5 a 8 karbocyklického kruhu. Nukleofilní činidla reagují s chinolinem v poloze 2: HO
CH=O
OH H2SO4
HO
O
ox.
+ H2N
N H
N
NO2 HNO3/H2SO4
+
KOH
N
N
N
250°C
N O H chinolin-2-on
NO2
Isochinolin je 3,4-benzoderivátem pyridinu. Vyskytuje se v černouhelném dehtu, v přírodě je součástí mnoha alkaloidů, jako je např. papaverin. Elektrofilní substituce u isochinolinu probíhají do polohy 5 a 8 karbocyklického kruhu, nukleofilní substituce do polohy 1. Šestičlenné kruhy s kyslíkovým atomem známe jako pyryliové soli, pyrony a pyrany. V přírodě jsou velmi rozšířeny jejich benzoderiváty – benzopyryliové soli, cyaniny a benzopyrony: Jsou součástí různých barviv květů rostlin, kumarin je vonným principem bílého jetele: O O X pyryliová sùl
O 2H-pyran
O 4H-pyran
O O α-pyron
O O 2-benzopyron (kumarin)
O 4-benzopyron (chromon)
Z šestičlenných kruhů se dvěma dusíkovými atomy je nejdůležitější pyrimidin. Jeho deriváty jsou součástí nejen nukleových kyselin, ale také vitaminů a řady syntetických léčiv. Obecná syntéza pyrimidinů vychází z β -dikarbonylových sloučenin nebo jejich prekurzorů a močoviny, resp. jejích analog. Např. kondenzací kyseliny jablečné s močovinou vzniká uracil, kondenzací kyseliny malonové s močovinou vzniká kyselina barbiturová, jejíž substituované deriváty se používají jako sedativa nebo hypnotika. COOH
CH=O +
H2SO4 OH HO
O OH O
HO
- HCOOH
O H2N
HO
O
N
NH2
H2N
- 2 H2O
O
HO
O
NH O
N H
92
OH uracil
OH
O NH2
N
O
N HO tautomery
N
OH kys. barbiturová
Triaziny jsou šestičlenné heterocykly se třemi atomy dusíku. Nejdůležitější z této řady jsou deriváty 1,3,5-triazinu, jako je kyanurchlorid, melamin a kyselina kyanurová (viz také kap. 6.2.11). Technický význam mají melaminové pryskyřice a 1,3,5-trinitrohexahydro-1,3,5-triazin, který vzniká zahříváním urotropinu s kyselinou dusičnou a používá se jako výbušina (hexogen): Cl N
NH2 N
N
Cl N Cl kyanurchlorid
H2N
OH
N
N
O2N
N N
N
N
N NH2 HO N OH melamin kys. kyanurová
HNO3
N
NO2
N
NH4NO3
N urotropin
N
NO2 hexogen
Purin (pyrimidinoimidazol) je v podobě různých derivátů široce rozšířený v přírodě. Deriváty purinu (adenin, guanin)´jsou spolu s deriváty pyrimidinu součástí nukleových kyselin, xanthiny (kofein, theofylin a theobromin) se vyskytují v různých přírodních materiálech (káva, čaj, kakao), kyselina močová je součástí guana a je produktem látkové výměny plazů a ptáků. U savců se kyselina močová tvoří ve větší míře při onemocnění ledvin. Usazuje se ve formě ledvinových nebo močových kamenů nebo v kloubech (dna, pakostnice, podagra). Kyselina močová je také výchozí látkou pro přípravu většiny derivátů purinu: OH N
N HO
Cl OH N H kys. mocová
N
N
N
POCl3
NH2 NH3
Cl
N Cl N H 2,6,8-trichlorpurin
N
N
Cl
Cl
N HI
HCONH2 OH N HO
N H
O
H3C
N
N N H xanthin
O
N
N
N
N
CH3I
NH2
CH3
N N H adenin
N N kofein CH3
8. Sacharidy Sacharidy (cukry, glycidy) jsou polyhydroxyaldehydy (aldosy) nebo polyhydroxyketony (ketosy) a sloučeniny, které je hydrolýzou poskytují. Jejich názvy vycházejí z charakteru funkční skupiny a z počtu uhlíkových atomů v molekule (aldohexosy, ketopentosy atd.). Jednoduché aldosy nebo ketosy (monosacharidy) se mohou spojovat glykosidickou vazbou za vzniku oligosacharidů (několik jednotek) nebo polysacharidů (mnoho jednotek). Tvorba sacharidů z vody a oxidu uhličitého za katalýzy chlorofylem a slunečním zářením (asimilace) je nejdůležitějším procesem biosféry.
8.1. Monosacharidy Nejjednodušší aldosou je aldotriosa (glyceraldehyd). Obsahuje jeden asymetrický uhlíkový atom a vyskytuje se tudíž ve dvou opticky aktivních enatiomerních formách a také ve formě racemátu. Pravotočivému enantiomeru přísluší konfigurace D, levotočivému L. Všechny sacharidy, které lze odvodit formální výstavbou z D-glyceraldehydu a mají tedy na asymetrickém uhlíku nejvzdálenějším od karbonylové skupiny stejné uspořádání, patří do řady D: CH=O H
OH CH2OH
D-(+)-glyceraldehyd
CH=O HO
H
H
OH CH2OH
CH2OH
D-sacharidy
L-(-)-glyceraldehyd
HO
H CH2OH
L-sacharidy
Předpona D- nebo L- souvisí pouze s konfigurací na atomu uhlíku nejvzdálenějším od karbonylové skupiny, ne se znaménkem otáčivosti, ani s absolutní konfigurací na ostatních asymetrických uhlíkových atomech. Absolutní konfiguraci R nebo S na těchto ostatních uhlíkových atomech můžeme odvodit použitím Cahn-Ingold-Prelogovy nomenklatury – viz kap. 4.4.2.1.). Počet diastereoisomerů je dán vzorcem 2n, kde n je
93
počet asymetrických uhlíků. Tento maximální počet se může snížit, pokud je v molekule přítomen nějaký prvek chirality. Počet možných racemátů je polovinou počtu možných diastereoisomnerů. V přírodě se až na řídké výjimky vyskytují sacharidy sterické řady D, většinou jde o hexosy a pentosy. K označení sacharidů se používají triviální názvy. Nejrozšířenější z 16 (24) diastereoisomerních aldohexos (8 řady D a 8 řady L) je D-glukosa, nejrozšířenější z 8 (23) diastereoisomerních ketos je D-fruktosa. Některé reakce monosacharidů (tvorba acetalů, reakce s hydrogensiřičitany) ukázaly, že aldehydická skupina není volná, ale je vázána ve formě poloacetalu (hemiacetalu) s některou ze vzdálenějších hydroxylových skupin. Vytváří se tak pětičlenný nebo šestičlenný kruh (deriváty furanu nebo pyranu) a vznikají furanosy nebo pyranosy, které lze znázornit Tollensovými vzorci: 1 CH=O 2
1
3
HO
4 5 6
CH2OH O
2
OH HO
OH OH
5 6
CH2OH
OH O OH
HO
6
OH O
HO
OH CH2OH
CH2OH
D-fruktosa
D-glukosa
OH 1
3 4
OH OH
OH 1
6
CH2OH
D-glukopyranosa D-fruktofuranosa Tollensovy vzorce
Fischerovy vzorce
Při uzavření furanosového nebo pyranosového kruhu dojde k přesunu vodíku z hydroxylové skupiny na kyslík karbonylové skupiny, čímž vzniká nové centrum chirality na uhlíku 1. Tím se zdvojnásobí počet možných diastereoisomerů (25 = 32) a např. D-glukopyranosa existuje ve dvou enantiomerních formách lišících se absolutní konfigurací na C-1, které se nazývají anomery a označují se symboly α− a β−. α-Anomery mají poloacetálový hydroxyl na C-l a skupinu –CH2OH na posledním asymetrickém uhlíku v trans-orientaci, u β anomerů jsou tyto skupiny v cis-uspořádání. U aldohexos je pohodlnější rozlišovat anomery podle vzájemné orientace hydroxylových skupin na C-1 a C-4 (cis- u α-anomeru, trans- u β -anomeru). Anomery se vzájemně liší fyzikálními vlastnostmi (odlišná teplota tání, optická otáčivost), poněvadž nejde o enantiomery, ale diastereoisomery. V roztoku existuje zpravidla mezi anomery rovnováha, což se projeví změnou optické otáčivosti roztoku v čase od rozpuštění látky až do vytvoření rovnováhy při dané teplotě (mutarotace). Poněvadž Tollensovy vzorce nevystihují dobře tvar molekuly, používají se dnes téměř výlučně názornější Haworthovy vzorce: OH
H HO
H
OH
OH
OH O
HO
HO
O
OH
CH2OH O
HOH2C
O
OH
CH2OH OH
Haworthovy HO vzorce
OH HO
HO
OH HO OH
CH2OH β-D-fruktofuranosa
HOH2C CH2OH
O
O OH
CH2OH α-D-fruktofuranosa
OH
HO
OH
OH
OH HO
O
Tollensovy vzorce
CH2OH β-D-glukopyranosa
CH2OH O
HO
HO
OH
CH2OH α-D-glukopyranosa
CH2OH
HOH2C
HO
Zatímco tetrahydrofuranosový kruh je téměř plánární, tetrahydropyranový kruh má podobnou konformaci jako cyklohexan. U aldopentos a aldohexos řady D převládá židličková konformace. Při rovnováze mezi dvěma anomery hrají úlohu sterické poměry, např. u D-glukopyranosy po mutarotaci převládá energeticky výhodnější β -anomer, který má poloacetálový hydroxyl v ekvatoriální poloze: HOH2C
HOH2C
O
OH OH OH α-D-ribofuranosa
OH
O
OH OH β-D-ribofuranosa
H OH
H OH H O
HO HO
H
H O HO HO
H
OH H OH α-D-glukopyranosa
H
OH H H β-D-glukopyranosa
94
OH
Sacharidy poskytují reakce jak aldehydů resp. ketonů, tak alkoholů. Hydroxylové skupiny se dají etherifikovat působením alkylhalogenidů nebo esterifikovat působením anhydridů nebo halogenidů kyselin. Charakter vazeb v etherech sacharidů je odlišný. Zatímco alkoxylové skupiny na uhlících C-.2, C-3, C-4 a C-6 jsou pevně vázány, alkoxyl na C-1 (acetalový) se dá snadno v kyselém prostředí odštěpit. Vazba od kyslíku na uhlíku C-l k alkylové skupině se označuje jako glykosidická a touto vazbou jsou sacharidy obvykle vázány na další molekulu sacharidu (oligo- a polysacharidy), nebo na jinou organickou molekulu (přírodní glykosidy). Z esterů monosacharidů jsou velmi důležité estery kyseliny fosforečné, které vystupují v metabolických procesech. CH2OCH3 O OCH3 H3CO
CH2OH O
CH3I
CH2OCOCH3 O
(CH3CO)2O
OH
OCH3 OCH3
OCOCH3
OH
HO
OCOCH3 OCOCH3
H3COCO
OH
Redukcí monosacharidů (vodíkem na katalyzátoru nebo sodíkovým amalgamem) vznikají alkoholické cukry (např. z D-glukosy D-sorbitol). Mírnou oxidací aldos (bromová voda, zředěná HNO3) vznikají aldonové kyseliny, které v kyselém prostředí laktonizují. Při působení silnějších oxidačních činidel (konc. HNO3) se oxiduje i primární alkoholická skupina a vznikají aldarové kyseliny (z glukosy kyselina cukrová): H HO H H
CH2OH OH H
H HO
red.
OH OH CH2OH
CHO OH H
H oxid. HO
H H
OH OH CH2OH D-glukosa
D-sorbitol
COOH OH H
H HO
H H
OH OH CH2OH D-glukonová kys. oxid.
H H
COOH OH H OH OH COOH
kys. cukrová
Mírnou oxidací ketos vznikají kyseliny 2-ketoaldonové. V přírodě se velmi často vyskytují kyseliny uronové, cukernou kyselinou je také kyselina askorbová (vitamin C). Kyselina askorbová má silné redukční vlastnosti, což je způsobeno přítomností endiolového seskupení, snadno se oxidujícího na diketon: COOH HO
CHO
O
H
H
HO
OH
H
OH
H
OH
H
OH
O
O
H
H
CH2OH 2-keto-D-glukonová kys.
OH
OH
HO
COOH kys. D-glukuronová
CH2OH OH
kys. L-askorbová
Důležitou reakcí monosacharidů je reakce s fenylhydrazinem. Reakcí s jednou molekulou fenylhydrazinu vzniká fenylhydrazon. Za přítomnosti nadbytku fenylhydrazinu v kyselině octové oxiduje druhá molekula fenylhydrazinu sousední hydroxylovou skupinu na karbonylovou skupinu, načež se reakcí s třetí molekulou fenylhydrazinu vytvoří osazon. Reakcí epimerních (lišících se pouze konfigurací na C-2) aldos a ketos (např. D-glukosy a D-fruktosy) vznikají identické osazony. Fenylhydrazony a osazony se využívají k izolaci nebo charakterizaci sacharidů. Hydrolýza osazonů poskytuje osony, jejichž oxidací alkalickým bromnanem vznikají 2ketoaldonové (osonové) kyseliny: CH=O OH R aldosa
C6H5NH-NH2 - H2O
CH=N-NH-C6H5
CH2OH
OH
N-NH-C6H5
C6H5NH-NH2 - H2O
R R fenylhydrazon ketosy fenylhydrazon aldosy 2 C6H5NH-NH2
CH=N-NH-C6H5 R
N-NH-C6H5 osazon
H2O
95
CH=O O R oson
oxidace
CH2OH O R ketosa
COOH R
O osonová kyselina
Molekulu aldos lze prodloužit o jeden uhlíkový atom, což umožňuje přípravu takových monosacharidů, které se nevyskytují v přírodě. Aldosa reaguje s kyanovodíkem za vzniku směsi dvou epimerních kyanhydrinů, které se hydrolyzují na příslušné γ-laktony aldonových kyselin. Redukcí těchto laktonů sodíkovým amalgamem pak vznikne aldosa o jeden uhlíkový atom větší než výchozí: CN
O
OH
H2O, H+
OH O R
OH
HCN
OH HCN
OH
R aldosa
R kyanhydrin II
CH=O
CH=O
HO
NaHgx
OH
OH
OH R kyanhydrin I
HO
CN
CH=O
HO
R
OH
OH
OH
OH
OH OH O
OH
lakton I
O H2O, H+
NaHgx R lakton II
R aldosa II
aldosa I
Při zahřívání laktonů aldonových kyselin s terciárními aminy dochází k epimeraci, t.j. změně konfigurace na uhlíkovém atomu v sousedství karboxylu. Reakce se dá využít k přípravě D-ribosy z D-arabinosy, která se průmyslově získává elektrooxidací D-glukosy: CH=O CH=O
OH
COOH
elektrolýza HO
HO
oxidace HO OH
OH
OH
OH
OH CH2OH
OH
CH2OH
CH2OH
D-arabinosa
D-glukosa
D-arabonová kys. R3N epimerace
O CH=O
COOH
O
OH OH
NaHgx
OH
OH H
OH OH
+
H
OH
OH
H
CH2OH
CH2OH
D-ribosa
D-ribonolakton
CH2OH
D-ribonová kys.
Náhradou jedné nebo více hydroxylových skupin v molekule monosacharidu vodíkovými atomy se odvozují desoxycukry. Nejvýznamnější z nich je 2-desoxyribosa, která je součástí desoxyribonukleových kyselin. Náhradou hydroxylové skupiny (ne poloacetálové!) v molekule sacharidu aminoskupinou vznikají aminocukry, z nichž nejvýznamnější je D-glukosamin, který je součástí různých polysacharidů, např. chitinu: H
CH=O H
CH2OH O OH
OH OH
OH NH2
HO
CH2OH
α-D-glukosamin
2-desoxy-D-ribosa
8.2. Glykosidy a disacharidy Poloacetalová skupina cyklických forem monosacharidů je velmi reaktivní a snadno reaguje s alkoholy nebo fenoly za odštěpení vody a vytvoření glykosidické vazby (O-glykosidy). Necukerná složka glykosidu se označuje jako aglykon nebo genin a může mít různý chemický charakter. Glykosidy různého typu se často vyskytují v rostlinách (např. steroidní glykosidy nebo salicin). Poloacetálová hydroxyskupina však může reagovat také s aminoskupinou za tvorby N-glykosidů, nebo se sulfanylovou skupinou za tvorby S-glykosidů. N-glykosidy jsou nukleosidickou složkou nukleových kyselin (viz dále kap.11): HOH2C CH2OH O O OH HO OH
HOH2C
salicin
O
OH
96
N
OH nukleosid
K vytvoření glykosidické vazby může samozřejmě dojít i reakcí poloacetálové skupiny monosacharidu s některou z ostatních hydroxylových skupin druhé (stejné nebo jiné) molekuly monosacharidu. Tímto způsobem formálně vznikají oligosacharidy až polysacharidy. Z oligosacharidů jsou v přírodě široce rozšířené zejména disacharidy. Např. maltosa (z hydrolýzy škrobu) a celobiosa (z hydrolýzy celulosy) jsou disacharidy složené ze dvou molekul glukosy. Také způsob napojení glykosidické vazby je stejný (mezi 1. uhlíkem jedné a 4. uhlíkem druhé molekuly, t.j. 1,4-glykosidickou vazbou). Přesto se však liší ve vlastnostech. Je to způsobeno tím, že v případě maltosy jde o α-1,4-glykosidickou vazbu, zatímco v případě celobiosy o β -1,4-glykosidickou vazbu: CH2OH O
CH2OH O
OH
OH HO
CH2OH O HO
O OH celobiosa CH2OH
OH CH2OH O
OH
O HOH2C HO
OH HO
OH
OH OH
O OH maltosa
OH O
O OH sacharosa OH
CH2OH
Maltosa a celobiosa patří mezi t.zv. redukující cukry, poněvadž snadno redukují Fehlingův roztok (roztok hydroxidu měďnatého v roztoku vinanu sodno-draselného) na oxid měďný nebo Tollensovo činidlo (roztok oxidu stříbrného v amoniaku) na kovové stříbro. Je to způsobeno přítomností poloacetálové hydroxylové skupiny, která se snadno oxiduje na karboxylovou skupinu. Neredukujícím disacharidem je sacharosa (řepný cukr), která nemá volnou poloacetálovou skupinu.
8.3. Polysacharidy Polysacharidy jsou vysokomolekulární látky, které vznikají kondenzací monosacharidů za vzniku glykosidických vazeb. Mají lineární nebo větvené řetězce., většinou jde o polydispersní směsi s proměnlivou molekulovou hmotností. Homopolysacharidy jsou složeny ze stejných základních monosacharidických jednotek, v molekulách heteropolysacharidů jsou zabudovány molekuly různých monosacharidů a jejich derivátů. Heteropolysacharidy se nejčastěji vyskytují jako alternační kopolymery. V přírodě se vyskytují buď volné, nebo vázané na lipity, peptidy, bílkoviny, nukleové kyseliny atd. – t.zv. konjugované sacharidy. V organismech mají většinou reservní a stavební funkci. Z reservních polysacharidů jsou nejběžnější rostlinné škroby, které představují směs amylosy a amylopektinu, u živočichů má reservní funkci glykogen. Všechny tyto látky jsou složeny z molekul D-glukosy, spojených α(1,4)-glykosidickou vazbou. Zatímco amylosa má nerozvětvený řetězec a je rozpustná ve vodě, amylopektin má řetězec rozvětvený a je ve vodě nerozpustný. Amylosa vytváří šroubovicovou sekundární strukturu a počtem asi 6-8 jednotek glukosy na jeden závit. Řetězec tak vytváří dutinu, ve které mohou hostovat různé látky. V roztoku tvoří amylosa většinou neuspořádané globulární struktury. Reservní polysacharidy se snadno enzymaticky štěpí přes dextriny (6-8 jednotek) a maltosu až na fosforečné estery glukosy, které se pak v organismu odbourávají glykolýzou na pyrohroznovou kyselinu, přičemž se získává energie ve formě adenosintrifosfátu a také redukční činidlo pro biosyntézu. Základní strukturní jednotkou celulosy (nejběžnějšího stavebního polysacharidu) je celobiosa. Molekula, vytvořená spojením celobiosových jednotek β (1,4)-glykosidickou vazbou, má tvar nataženého pásu, fixovaného vodíkovými vazbami rovnoběžnými s osou řetězce. Toto uspořádání je ideální pro vznik vláknité (fibrilární) struktury, nerozpustné ve vodě. Podobnou prostorovou strukturu má chitin (u hmyzu, stavební jednotkou je β -D-glukosamin). Celulosu dovedou štěpit jen některé bakterie a kvasinky (bachor býložravců), produktem štěpení je methan, vodík, kyselina octová a kyseliny propionová a máselná, které se pak následně mění na aminokyseliny a lipidy. V přírodě se celulosa vyskytuje v prakticky čisté formě v bavlně, technicky se získává ze dřeva, kde je přítomna v množství cca 42% vedle hemicelulos a ligninu. Tyto látky se převedou na rozpustnou formu působením alkalií a redukčních činidel (hydrogensiřičitany), nerozpustný podíl představuje celulosu, která se zpracovává hlavně na papír. Získávají se však z ní i jiné technicky důležité látky: Působením kyseliny dusičné na celulosu vznikají estery označované jako nitrocelulosa. Podle reakčních podmínek vzniká diester (jeho plastifikací s kafrem byl připraven celuloid jako jeden z prvních plastů) nebo triester (výroba střelného prachu). Působením acetanhydridu vzniká z celulosy acetylcelulosa, používaná k výrobě nehořlavých filmů, folií a acetátového hedvábí. Působením koncentrovaného hydroxidu sodného na celulosu vzniká t.zv. alkalicelulosa, která je výchozí látkou pro přípravu etherů celulosy a viskosového vlákna. Z etherů jsou důležité methylcelulosa (spolu s ethylcelulosou nátěry, folie) a karboxymethylcelulosa (lepidla). Reakcí alkalicelulosy se sirouhlíkem vzniká xanthogenát, jehož koncentrovaný roztok se označuje jako viskosa. Protlačováním roztoku viskosy do kyselé srážecí lázně dochází k odštěpení xanthogenátových zbytků a vzniká regenerovaná celulosa ve formě
97
dlouhých vláken (výroba viskosového hedvábí a viskosové střiže při protlačování tryskami)) nebo folie (celofán při protlačování štěrbinou): HNO3
ONO2 "nitrocelulosa"
CH3I
regenerovaná celulosa
viskosa
OCH2COONa karboxymethylcelulosa sodná sùl
alkalicelulosa CS2 S
H2O, H+
OH
acetylcelulosa ClCH2COONa
ONa
methylcelulosa
OCOCH3
celulosa
NaOH
OCH3
(CH3CO)2O
OH
S- Na+
9. Lipidy, terpeny a steroidy Lipidy (λιποσ = řecky tuk) jsou přírodní látky nerozpustné ve vodě (hydrofobní), ale rozpustné v nepolárních rozpouštědlech (lipofilní). Mezi lipidy řadíme především tuky, oleje a vosky). V přírodě se vyskytují buď volné (tuky, vosky) nebo vázané (fosfoacylglyceroly, lipoproteiny, glykolipidy aj.). Jejich funkce v přírodě je energetická (zdroje a reserva energie), strukturní (biomembrány) a ochranná (hydrofobní vrstvy listů, srsti, peří, ochrana před ztrátou tepla, obalování orgánů – ledviny). Hlavní složkou lipidů jsou vyšší mastné kyseliny, kterých se v přírodě vyskytuje asi 50, mohou být nasycené nebo nenasycené a mají vesměs sudý počet uhlíkových atomů. Z nasycených mastných kyselin převládají kyselina palmitová (C16) a kyselina stearová (C18), z nenasycených kyselina olejová (C18, izolovaná dvojná vazba mezi C9 a C10). Více dvojných vazeb obsahují např. kyselina linolová (C16, dvě dvojné vazby) nebo kyselina arachidonová (C20, 4 dvojné vazby). Tuky a oleje jsou estery vyšších mastných kyselin s glycerolem (triacylglyceroly). V živočišných tucích (sádlo, máslo) převládají nasycené mastné kyseliny, v rostlinných tucích (většinou oleje) je vyšší obsah nenasycených mastných kyselin. Alkalickou hydrolýzou (zmýdelněním) tuků vzniká glycerol a sodné nebo draselné soli mastných kyselin, používané jako mýdla). Jelikož jde o alkalické soli slabých kyselin, vykazují v roztoku slabě alkalickou reakci. Hydrogenací rostlinných olejů vodíkem na hydrogenačním katalyzátoru (RaNi) dochází k nasycení dvojných vazeb nenasycených kyselin a vznikají t.zv. ztužené tuky. Vedle triacylglycerolů se v přírodě vyskytují i diacyl a monoacylglyceroly. Monoacylglyceroly se dají připravit parciální hydrolýzou nebo glycerolýzou triacylglycerolů a mají vynikající emulgační vlastnosti. CH2OCOR ROCO
CH2OH
NaOH
CH2OCOR
HO
+ CH2OH
CH2OH RCOONa mýdla
HO
monoacylglyceroly CH2OCOR
Vosky (např. včelí vosk, lanolin) jsou estery lineárních vyšších mastných kyselin (C24-C26) s vyššími alkoholy (C16-C36). Využívají se k výrobě krémů a mastí. Polární lipidy obsahují v hydrofobní molekule hydrofilní složku. Jejich amfifilní povaha umožňuje snadnou agregaci do micel a tvorbu dvojvrstev biomembrán. Lipidické dvojvrstvy tvoří např. fosfoacylglyceroly, které obsahují v polární části molekuly esterově vázanou kyselinu fosforečnou (místo jednoho z acylů mastné kyseliny), druhý hydroxyl kyseliny fosforečné je esterifikován aminoethanolem nebo jeho trimethylamoniovou solí (cholinem): OCOR
1
úsek lipidické dvojvrstvy
2
R OCO O lecithin
O
O P
N(CH3)3
polární zbytek s H3PO4 nepolární zbytek CH3(CH2)n
98
Nepolární charakter mají také terpeny a steroidy (t.zv. nezmýdelnitelné lipidy). Terpeny obsahují isoprenové stavební jednotky a podle jejich počtu se dělí na monoterpeny (C10), seskviterpeny (C12), diterpeny (C20), tritepreny (C30) atd. Jsou obsaženy v rostlinných olejích a silicích, odkud se získávají extrakcí nebo destilací s vodní parou (např. ze smrkové pryskyřice se získá směs terpenů označovaná jako terpentin, netěkavý zbytek je kalafuna). Mezi monoterpeny patří např. kafr, tetraterpenem je β -karoten, prekursor vitaminu A: H3 C
CH3
β-karoten
kafr H3 C
O
Steroidy obsahují jako základní strukturní jednotku tetracyklický uhlovodík steran. Působí jako regulátory, emulgátory, hormony, jejich syntetická analoga se používají v medicině. Známým steroidem je cholesterol, který je významnou součástí biomembrán. Z něj v organismu také vychází biosyntéza žlučových kyselin (amfifilní povrchově aktivní látky), pohlavních hormonů a kalciferolů (vitamin D). OH
CH3 CH3
steran
CH3
cholesterol
HO
HO
COOH
H
OH
kyselina cholová
H
10. Peptidy a bílkoviny Součástí peptidů a bílkovin jsou α-aminokyseliny, které mají schopnost vytvářet polykondenzací řetězce, v nichž jsou základní stavební jednotky propojeny peptidickou vazbou –CO-NH-. Podle velikosti řetězce rozeznáváme peptidy a bílkoviny, přičemž formální hranicí mezi těmito dvěma kategoriemi je molekulová hmotnost asi 10000, což odpovídá přibližně 100 aminokyselinám v řetězci. Základní řetězec peptidů a bílkovin (t.zv. páteř) má monotonní strukturu, ve které alternuje α-uhlík aminokyseliny s peptidickou vazbou. Všechny bílkoviny mají tedy stejnou páteř, která může mít pouze rozdílnou délku. Vzájemná odlišnost bílkovin vyplývá z charakteru a pořadí postranních řetězců R. O H2N 1
R
R N H
O
H N
R
Blokové schema peptidù a bílkovin
OH 2
O n R
P = peptidická vazba α-C
P
Jak již bylo uvedeno v kapitole 6.2.12.3, z biologických systémů bylo izolováno více než 300 αaminokyselin, z nichž některé jsou obecně rozšířené, některé jsou specifické. Nejdůležitějších je 20 t.zv. kódovaných α-aminokyselin, které vznikají přímou biosyntézou. Rostliny si syntetizují všechny potřebné aminokyseliny, živočichové však jen některé a ostatní musí přijímat potravou (t.zv. esenciální aminokyseliny). Naprostá většina α-aminokyselin patří ke sterické řadě L- (absolutní konfigurace S). Kódované aminokyseliny mají triviální názvy odvozené od jejich zdroje nebo vlastností (např. asparagin od lat. asparagus = chřest, tyrosin od řec. tyros = sýr, glycin od řec. glycis = sladký). K jejich označení se používá třípísmenkových zkratek, název acylu se odvozuje od názvu aminokyseliny připojením koncovky –yl. Podle charakteru postranního řetězce můžeme α-aminokyseliny rozdělit do několika skupin, jak ukazuje následující tabulka. Všechny kódované αaminokyseliny mají primární aminoskupinu s výjimkou prolinu, jehož aminoskupina je sekundární.
99
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Struktura kódovaných a-aminokyselin postranní řetězec R název H glycin CH3 alanin CH(CH3)2 valin CH2CH(CH3)2 leucin CH(CH3)CH2CH3 isoleucin CH2OH serin CH(OH)CH3 threonin CH2SH cystein CH2CH2-S-CH3 methionin CH2COOH kys. asparagová CH2CH2COOH kys. glutamová CH2CONH2 asparagin CH2CH2CONH2 glutamin (CH2)4NH2 lysin (CH2)3NH(=NH)NH2 arginin (4-imidazolyl)methyl histidin CH2C6H5 fenylalanin CH2C6H4(OH-p) tyrosin (3-indolyl)methyl tryptofan prolin N H
zkratka Gly Ala Val Leu Ile Ser Thr Cys Met Asp Glu Asn Gln Lys Arg His Phe Tyr Trp Pro
1-5: R je vodík nebo alifatický uhlovodíkový zbytek (jsou nepolární)
6-7: R obsahuje hydroxylovou skupinu (jsou polární) 8-9: R obsahuje síru (Cys tvoří snadno disulfid – cystin) 10-11: R obsahuje další karboxyl 12-13
R obsahuje amidickou skupinu
14-16: R obsahuje dusík
17-19: R obsahuje aromatický zbytek 20:
cyklická sekundární aminokyselina *) uvedena celá struktura
COOH
*)
10.1. Peptidy Spojením dvou aminokyselin peptidickou vazbou vzniká dipeptid, spojením tří aminokyselin tripeptid atd. Zápis struktury musí být proveden tak, že se postupuje zleva od t.zv. N-konce s volnou aminoskupinou po Ckonec s volným karboxylem. Peptidická vazba tedy musí mít vždy směr –CO-NH-. Názvy peptidů se tvoří tak, že na prvním místě je s koncovkou –yl název té aminokyseliny, jejíž karboxyl se účastní tvorby peptidické vazby. Např. významný tripeptid glutathion, který lze zapsat jako γ-Glu-Cys-Gly, má název γ-glutamoylcysteinylglycin. Předpona γ- označuje, že kyselina glutamová není zapojena do řetězce karboxylovou skupinou v α-poloze k aminoskupině, ale karboxylovou skupinou v γ-poloze k aminoskupině: HOH2C H2 N O Ser-Ala
CH3
O
H N
H2N
OH
O
CH3 serylalanin
Ala-Ser
COOH
O
H N
OH
NH COOH CH2SH glutathion γ-Glu-Cys-Gly γ-glutamoylcysteinylglycin
H2 N
CH2OH alanylserin
O
H N
O
V přírodě se vyskytující peptidy jsou vesměs biologicky aktivní (peptidové hormony, peptidová antibiotika, neuropeptidy, zoo- a fytotoxiny, peptidové alkaloidy atd.). Do počtu 10 aminokyselin v řetězci je označujeme jako oligopeptidy, nad 10 aminokyselin v řetězci jako polypeptidy. Peptidy vznikají v organismu přechodně jako degradační produkty bílkovin, biologicky významné peptidy však vznikají řízeným vyštěpováním z prekursorů biosyntézy nebo samostatnou biosyntézou. Proto také často obsahují i jiné než kódované aminokyseliny (např. D-aminokyseliny), ale také jiné typy peptidických vazeb než bílkoviny (γ-Glu, ε-Lys), dokonce i jiné vazby než peptidické (např. esterové), a také tvoří často cykly. Vedle výše uvedeného glutathionu, který je obsažen ve většině buněk a je kofaktorem řady enzymů, lze uvést pro ilustraci stukturu hormonů oxytocinu a vasopresinu (z hypofýzy), toxického principu muchomůrky zelené falloidinu a skupiny penicilinů s antibiotickým účinkem: (H2N)Gly-Leu-Pro S oxytocin
(H2N)Gly-Lys-Pro Cys Asn Gln
S Cys
Ile Tyr
S
Thr Cys Asn Gln
S vasopresin Cys
Phe Tyr
Ala O-Leu
falloidin
Try Hyp
Hyp = 4-hydroxyprolin
Cys Ala COR N
peniciliny O
100
S
HN COOH
Peptidovým hormonem je také insulin, který se skládá ze dvou řetězců obsahujících 21 a 30 aminokyselin, spojených disulfidickou vazbou. Vzhledem k tomu, že kondenzace dvou aminokyselin vede ke vzniku dioxopiperazinů (kap. 6.2.12.3), vyžaduje chemická syntéza peptidů aktivaci karboxylové skupiny a chránění (blokování) těch funkčních skupin, které nemají vytvořit peptidickou vazbu. Aktivace karboxylové skupiny se dosáhne např. převedením na chlorid, nověji se však používá karbodiimidů (kap. 6.2.11), za jejichž přítomnosti dochází ke snadné tvorbě peptidické vazby z volného karboxylu a volné aminoskupiny. K chránění aminoskupiny se používá nejčastěji tvorby urethanů, k chránění karboxylu tvorby methylesterů. C-chráněná aminokyselina se kondenzuje za přítomnosti diimidu (nejčastěji dicyklohexylkarbodiimid, DCCD) s N-chráněnou aminokyselinou a vytvoří se dipeptid s chráněnými funkčními skupinami. Při navazování další aminokyseliny se odstraní C-chránicí skupina a dipeptid s volným karboxylem se kondenzuje s další molekulou C-chráněné aminokyseliny. Tento postup se opakuje tolikrát, až se dosáhne požadované délky řetězce, načež se odstraní obě chránicí skupiny: 1
1
R
R COOH
X = OCH3
COOH
H2N
Y-HN
2
2
CO-X
R
H N
Y-HN
COOH H2N
1
R
DCCD
R
R
Y = -CO-O-C(CH3)3
1
CO-X 2
O
H N
Y-HN
R
COOH 2
O
R
H2N 1
R H2N
R
1
R N H
2
O
3
O
H N
R
COOH tripeptid
Y-HN O
3
O
H N R
2
3
R N H
R CO-X
CO-X H2N
Uvedený postup je velice pracný, např. syntéza insulinu (v r. 1965) vyžadovala 200 reakčních kroků a celkový výtěžek byl 1,4%. V r. 1962 byla vypracována nová koncepce syntézy peptidů (Merrifieldova syntéza na pevné fázi), která umožňuje postup automatizovat. Využívá zakotvení první C-koncové a N-chráněné aminokyseliny esterovou vazbou na zesíťovaný polystyren se zavedenou chlormethylovou skupinou. Po odstranění N-bloku se polymerní gel naplní do chromatografické kolony a prolévá se střídavě roztokem Nchráněné aminokyseliny s DCCD a činidla odstraňujícího N-chránicí skupinu. Po dosažení požadované délky řetězce se dipeptid uvolní z polymeru: R1 PS
CH2Cl
R1 CO-O CH2 PS
Y-HN
x
R
H2N
R1
O N H
O n
R1
O OH
R2 CO-O CH2 PS
Y-HN x
R
N H
O
C H2
R1
O
PS O
COOH
Y-HN DCCD
Y-HN 2
R
N H
PS O O
C H2
n
10.2. Bílkoviny Bílkoviny (proteiny) jsou vysokomolekulární útvary složené z aminokyselin. Počet možných kombinací aminokyselin v polypeptidickém řetězci je extrémně vysoký (Pn = n!). Např. kombinací 5 různých aminokyselin lze vytvořit 120 pentapetidů, kombinací 20 aminokyselin 20! = 2,4.1018 eikosapeptidů a s růstem délky řetězce počet kombinací samozřejmě enormně narůstá. Odhaduje se však, že v přírodě existuje jen asi 1010 různých bílkovin, které se dělí do skupin podle různých kriterií. Základní rozdělení je na jednoduché bílkoviny (proteiny) a složené bílkoviny, které kromě polypeptidické části obsahují ještě jiné složky. Jednoduché proteiny mohou být rozpustné (globulární sféroproteiny, kam patří např. albuminy a globuliny), nebo nerozpustné (skleroproteiny, kam patří např. kolagen a keratin). Složené bílkoviny (heteroproteiny) obsahují např. kyselinu fosforečnou (fosfoproteiny), sacharidy (glykoproteiny a proteoglykany), lipidy (lipoproteiny), nukleové kyseliny (nukleoproteiny), kovové ionty (metaloproteiny) atd. Bílkoviny lze také rozdělit podle jejich biologické funkce na stavební (kolagen, keratin), transportní (hemoglobin – přenos kyslíku, transferrin – přenos železa), mechanické (myosin a aktin ve svalech), řídící a regulační (enzymy a hormony), obranné a ochranné (imunoglobuliny v krevní plasmě, fibrinogen při srážení krve), atd. Řetězce bílkovin nejsou větvené, ale několik řetězců může být spojeno nebo zesíťováno disulfidickými vazbami, které vznikají dehydrogenací aminokyseliny cysteinu. Určení struktury bílkovin je komplikované. Poměrně jednoduché je určení aminokyselinového složení, což se provádí chromatografickou identifikací
101
aminokyselin v hydrolyzátu bílkovin (6 M HCl, 110°C, 20-72 h). Určení t.zv. primární struktury, která je dána pořadím aminokyselin v řetězci a určením polohy disulfidických vazeb, je principiálně možné velmi pracným chemickým nebo enzymatickým postupným odbouráváním a identifikací aminokyselin z N-konce nebo C-konce bílkovin. Uvolnění řetězců spojených nebo zesíťovaných disulfidickými vazbami se dosáhne redukcí pomocí thioalkoholů nebo oxidací kyselinou peroxomravenčí (-S-S- → 2-SO3H). Sekundární struktura bílkovin je určena vzájemným prostorovým vztahem dvou sousedících peptidických vazeb v řetězci. Peptidická vazba se může vyskytovat v planární cis- nebo trans-konfiguraci, ale i ve volně otáčivé amidické formě (resonanční hybrid, řád vazby asi 1.5): Cα
O
H
H
Cα
O N
N Cα
Cα
Cα
O N
H
Cα
Obecně je výhodnější trans-konfigurace, cis-peptidická vazba se vyskytuje jen výjimečně. Peptidická vazba představuje rigidní útvar, který ztužuje řetězec. K volné otáčivosti dochází na vazbách Cα-N a –CO-Cα. Roviny sousedících peptidických vazeb pak mají mezi sebou definované torsní úhly Φ resp. Ψ. Z hlediska prostorové a energetické náročnosti jsou preferovány určité hodnoty torsních úhlů a vznikne periodicky uspořádaná konformace. Uspořádané sekundární struktury bílkovin jsou charakterizovány buď jako šroubovice (α-struktury) fixované intramolekulárními vodíkovými vazbami mezi CO a NH skupinami ve směru osy šroubovice, nebo jako rovinné β -struktury (hřebenová struktura, struktura skládaného listu), fixované intermolekulárními vodíkovými vazbami mezi paralelně nebo antiparalelně uloženými řetězci. α-Struktury jsou typické pro globulární proteiny, zatímco β -struktury pro fibrilární proteiny. Nejběžnější z α-struktur je 3.613helix, u které tvoří 1 závit 3,6 aminokyselinových zbytků a je fixována vodíkovými můstky vytvářejícími 13členný kruh: O
N
Schema α−struktury R
Schema β−struktury
O
N
C R C
H N
HN
Cα O
NH
O
O
O
R
R
H N
N H
O
R
H N
N H
O
O
R N H
R
O
paralelní β-struktura
R N
H N
O R
NH
H
R N H
O
vodíkové mùstky
Cα
O R 1 závit 3,613-helix
N
C
C
N
R N H
R R
O N H
R
H N
O
O
R
H N
R O
R N H
O
O N H
H N
H N R
O
antiparalelní β-struktura
Terciární struktura popisuje prostorové vztahy i mezi nesousedícími peptidickými vazbami, je souborem sekundárních struktur a popisuje tedy celkovou topologii molekuly bílkoviny (je obecně nesymetrická). Pokud se několik molekul bílkoviny spojí do vyššího celku, vzniká symetrická kvarterní struktura. Kvarterní struktura může být vytvořena pouze z bílkovin, ale také spojením bílkovin s nebílkovinnými molekulami (heteroproteiny). Bílkoviny jsou významnou složkou enzymů (en zymé = řec. v kvasnicích). Enzymy jsou biokatalyzátory, které umožňují specifický průběh reakcí bez vedlejších produktů, jejich návaznost a koordinaci. Mají specifitu v typu katalyzované reakce (reakční nebo účinková specifita, určovaná většinou nebílkovinnou složkou – koenzymem nebo prostetickou skupinou, obecně kofaktorem) a ve struktuře přeměňovaného substrátu (substrátová nebo strukturní specifita, určovaná bílkovinnou složkou – apoenzymem). Enzymy pracují za mírných podmínek a jejich aktivita, která je mimořádná (l molekula enzymu přemění za 1s až 5.104 molekul substrátu). se dá regulovat. Aktivita enzymu se vyjadřuje v katalech (zkratka kat): 1 kat je množství enzymu, které přemění za standardních podmínek za 1 s 1 mol substrátu. Jde o velké číslo, proto se v praxi používá odvozených jednotek µkat (10-6 kat) nebo nkat (10-9 kat). Podle typu katalytické funkce se enzymy rozdělují na oxidoreduktázy (redox procesy), transferázy (přenos funkčních skupin), hydrolázy (hydrolýza peptidických, esterových, glykosidických a jiných vazeb), lyázy (nehydrolytické štěpení vazeb), izomerázy (přeměny izomerů) a ligázy (vznik energeticky náročných vazeb za současného rozkladu látek uvolňujících energii). Důležitou skupinou enzymů jsou proteázy, štěpící bílkoviny hlavně v trávicím ústrojí (např. pepsin vylučovaný žaludeční sliznicí, trypsin a chymotrypsin vylučované slinivkou břišní). Při biosyntéze vznikají v buňkách v neaktivní formě a aktivují se až po transportu na příslušné místo působení. Kofaktory enzymů jsou
102
obvykle heterocyklické sloučeniny, např. pyridinové koenzymy jsou dinukleotidy (viz kap. 11) složené z nikotinamidu, adeninu a difosforibosylové části a umožňují přenos vodíku přeměnou pyridiniového kruhu na dihydropyridinový a naopak: H
CONH2
H CONH2
2H -2H
N R
N R
11. Nukleové kyseliny Nukleové kyseliny jsou polymery nukleotidů, skládajících se z kyseliny fosforečné, monosacharidu (ribosy nebo desoxyribosy) a purinové či pyrimidinové báze. Mají schopnost přenášet a uchovávat informace, což je dáno pořadím basí v řetězci. Přenos informace se uskutečňuje biosyntézou bílkovin a proto musí mít bílkoviny a nukleové kyseliny analogické blokové schema: R
B
Blokové schema bílkovin
Blokové schema nukleových kyselin M = monosacharid F = fosfodiesterová vazba F
P = peptidická vazba α-C
Μ
P
B = dusíkatá báze
11.1. Nukleotidy Nukleotid je fosforylovaný nukleosid, který je tvořen furanosovým cyklem pentosy, na jehož poloacetálovém uhlíkovém atomu (C-1) je navázán N-glykosidickou vazbou heterocyklus (dusíkatá baze). V nukleových kyselinách se pravidelně vyskytuje celkem 5 dusíkatých bází, z nichž dvě jsou purinové (adenin a guanin) a tři pyrimidinové (cytosin, uracil a thymin): NH2 N
OH N
N
NH2 N
OH
N
N H2 N N N N H adenin (A) guanin (G) H
O
OH
N N H
O cytosin (C)
N N O H uracil (U)
CH3 N H thymin (T)
V uvedených vzorcích je kroužkem vyznačeno místo připojení příslušné báze na C-1 pentosy. Dusíkaté báze se mohou vyskytovat v několika tautomerních formách, např. u uracilu se mohou vyskytovat 4 tautomerní formy, z nichž však pouze první dvě mohou vytvořit nukleosid: O HN O
O
HN
N
N N H
O
OH
OH
HO
N H
N
HO
N
Tvorba tautomerních forem má významnou úlohu při t.zv. párování bází tvorbou vodíkových můstků (viz dále). Vedle výše uvedených 5 bazí se v nukleových kyselinách vyskytují vzácně i jiné báze (hlavně v transportní RNA). V daném typu nukleové kyseliny (DNA, kde pentosou je D-2-desoxyribofuranosa, nebo RNA, kde pentosou je D-ribofuranosa) se vyskytují vždy dvě purinové a dvě pyrimidinové báze. V DNA je to A, G, C a T, v RNA A, G, C. a U. Vytvořením N-glykosidické vazby mazi pentosou a dusíkatou bazí vzniká nukleosid, jehož název se tvoří koncovkou –osin u purinů nebo –idin u pyrimidinů. U analogů odvozených od desoxyribosy se před název dává předpona desoxy-. Tak např. z D-ribofuranosy a adeninu vzniká adenosin, z thyminu a D-desoxyribofuranosy vzniká 2-desoxythymidin. Navázáním kyseliny fosforečné na hydroxyl v poloze 5 pentosy pak vzniká příslušný nukleotid (t.j. nukleosidfosfát):
103
O
HOH2C
NH2
OH D-ribofurasosa
OH OH NH2
O
HOH2C
N
N
OH
O
H3PO4
O
O-P-OH2C
N
N
OH
OH adenosin
OH OH adenosin-5-fosfát
OH
OH
N
O
N H adenin
N HOH2C
N
N
- H2O
N
N
N
NH2
OH
H3C
H3C
N N O OH H D-2-desoxyribofuranosa N N O O O-P-OH2C O HOH2C O OH H3PO4 OH CH3 - H2O N OH H OH H 2-desoxythymidin O N 2-desoxythymidin-5-fosfát H thymin
Nukleotidy mohou obsahovat i více molekul kyseliny fosforečné. Např. adenosintrifosfát (ATP), v němž je v poloze 5 ribofuranosového cyklu navázána kyselina trifosforečná, působí v biosystémech jako universální přenašeč energie, nikotinamidadenindinukleotid (NAD+) je častou složkou enzymů, které při katabolických procesech aktivují vodíky odebrané ze substrátu a přenášejí je na vhodné akceptory (např. kyslík): NH2 O
O
N
O
O-P-O-P-O-P-OH2C O
O
N
N
O
O N
N
OH
OH
N
O
CH2O-P-O-P-OH2C OH HO O
O ATP
NH2
CONH2
O
O
N
N N
O NAD
+
OH
OH
11.2. Struktura a funkce nukleových kyselin Spojením nukleotidů (nukleosidfosfátů) vznikají nukleové kyseliny, ve kterých jsou pentosové zbytky propojeny 3,5-fosfodiesterovou vazbou:
B X O
O
O P OH2C OH
B
B X O
O
X O
O
O
O P O O P OH2C OH OH B = dusíkatá baze n X - H v DNA, OH v RNA
O P OH2C OH
Páteř řetězce nukleových kyselin tvoří pravidelné střídání rigidních cyklů ribofuranosy nebo desoxyribofuranosy s fosfodiesterovou vazbou, na páteř jsou glykosidickou vazbou navázány purinové nebo pyrimidinové báze, tvořící postranní skupiny. Volná hydroxylová skupina na atomu fosforu dodává nukleovým kyselinám kyselý charakter, takže je umožněna tvorba solí. Písemný zápis struktury řetězce lze provést pomocí jednopísmenkových zkratek příslušných 4 nukleosidů v dané nukleové kyselině, přičemž se zápis provádí od 5konce (vlevo) k 3-konci (napravo): pApGpGpGpCpTpC.......pGpCpApA nebo jednoduše: AGGGCTC......GCAA Nukleové kyseliny se vyskytují v každé buňce, ale i v nebuněčných strukturách jako jsou viry a bakteriofágy. Pořadí nukleotidů v řetězci udává primární strukturu nukleové kyseliny, na rozdíl od bílkovin nejsou v molekulách nukleových kyselin žádné příčné vazby. Baze jsou kódovacími znaky, jejich pořadí je základem genetické paměti. Trojrozměrné (sekundární) struktury nukleových kyselin vznikají natáčením základních plošných stavebních prvků – pentosových kruhů a dusíkatých basí. Pro fixaci sekundární struktury nukleové kyseliny má zásadní význam párování komplementárních bazí s geometricky doplňkovou strukturou. Pomocí vodíkových vazeb se vytvářejí dvojice A-T (u DNA), A-U (u RNA) a G-C (u obou):
104
H N H
H R
O H N
N N
N H N N C1´
O T (R = CH3) U (R = H)
N
C1´
N
O H
N N
N
N
A
C1´
C
C1´
N O
H
G
N H
Model struktury DNA odvodili v r. 1953 Watson a Crick na základě platnosti vztahu A/T a G/C = l a výsledků rentgenografické analýzy. Sekundární struktura DNA je uspořádaná a je tvořena dvěma šroubovicemi s opačnou polaritou (smyslem řetězce), které jsou stočeny kolem společné osy (dihelix) a vzájemně jsou fixovány vodíkovými vazbami mezi komplementárními bazemi, jejichž rovina je kolmá na osu dvoušroubovice. Model si lze nejsnadněji představit jako zkroucený žebřík, jehož břevna jsou páteří řetězce a příčky jsou páry dusíkatých bazí:
Ve šroubovici je obvykle 10 bazí na jeden závit. Na fixaci struktury mají také vliv t.zv. patrové interakce, vznikající překryvem π-elektronovývh systémů aromatických kruhů bazí. Molekula DNA je základním stavebním materálem chromosomů v jádře. RNA má několik typů. Nejběžnější je ribosomální rRNA, která má jednovláknovou strukturu a je uložena v ribosomech (buněčné organely), na nichž probíhá biosyntéza bílkovin. Transferová tRNA je relativně malá a má za úkol přenášet aktivované aminokyseliny z cytoplasmy na ribosomy. Informační (messenger) mRNA je přepisem části DNA (přesná kopie s tím rozdílem, že místo desoxyribofuranosy obsahuje ribofuranosu a místo T obsahuje U) a je v ní uložena informace pro syntézu přinejmenším jedné bílkoviny (1 gen). Je jednovláknová bez uspořádané struktury.
11.3. Přenos informace a biosyntéza bílkovin Molekuly DNA jsou depositářem genetického kódu, který je dán pořadím nukleotidů v řetězci. Úsek nesoucí informaci pro syntézu jedné bílkoviny (enzymu) je gen, soubor genů je genom. Protože genom obsahuje veškerou genetickou informaci, musí se při dělení buněk kompletně přenést do nově vznikající buňky. To se děje t.zv. replikací (biosyntézou DNA). Z DNA se část genetického kódu (nejméně jeden gen) překládá do struktury mRNA (transkripce, biosyntéza RNA) a teprve potom dochází k přenosu (translaci) kódu do pořadí aminokyselin v bílkovině: replikace
DNA
transkripce
mRNA
translace
bílkovina
Kód nukleových kyselin je čtyřpísmenkový (A,G,C,U), zatímco kód bílkovin je dvacetipísmenkový (20 kódovaných aminokyselin). K přeložení kódu nukleových kyselin do kódu aminokyselin tedy nestačí, aby kódové slovo bylo určeno jedním nukleotidem, ale ani pořadím dvou nukleotidů (jen 42 = 16 kombinací). Teprve kódové slovo (kodon) dané pořadím tří nukleotidů poskytuje 43 = 64 kombinací, což je sice nadbytečný počet, ale všechny kombinace jsou využívány (některé aminokyseliny jsou kódovány více kodony, některé kodony mají také význam interpunkčních znamének - iniciační kodon pro začátek biosyntézy, terminační kodony pro ukončení řetězce). Kód je tedy degenerovaný - např. aminokyselina Leu je kódována kodonem (tripletem) CUA, CUG, CUC a CUU, aminokyselina Arg kodonem CGA, CGG, CGC a CGU, aminokyselina Ile kodonem AUA, AUC a AUU. Degenerace kódu má biologický význam v tom, že je omezena pravděpodobnost náhodných změn při translaci, které by vedly k zásadním změnám ve struktuře bílkoviny. Biosyntéza DNA (replikace) probíhá při dělení buněk tak, že dihelix se přerušováním vodíkových vazeb rozplétá. Ke každému uvolněnému vláknu se pak připojí geometricky komplementární desoxyribonukleosidtrifosfáty, které DNA-polymeráza spojí za odštěpení dvou molekul kyseliny fosforečné do řetězce a vytvoří se duplikátní DNA pro novou buňku: DNA-polymeráza
desoxyribonukleotidtrifosfáty
105
Biosyntéza mRNA (transkripce) probíhá obdobně jako replikace, překládá se však jen část genomu. Část řetězce DNA se rozplete, k uvolněné části se připojí geometricky komplementární ribonukleosidtrifosfáty, které se propojí působením RNA-polymerázy. Biosyntéza bílkovin (proteosyntéza) je velmi složitý proces, který probíhá na ribosomech a účastní se ho více než 100 makromolekulárních i nízkomolekulárních látek. Detailní popis tohoto procesu se vymyká účelu tohoto skripta. Velmi zjednodušeně lze říci, že pomocí enzymu se naváže aminokyselina na tRNA a tento útvar (aminoacyl-tRNA) se váže pomocí charakteristického t.zv. antikodonu na kodon mRNA, který je právě v akceptorovém centru ribosomu. Následuje tvorba peptidické vazby přenosem řetězce, uvolní se tRNA, řetězec se posune do peptidového centra a v akceptorovém centru se uvolní nový kodon pro navázání další aminoacyltRNA. Proces se opakuje tolikrát, až se dosáhne programované délky řetězce, načež se bílkovina z ribosomu uvolní a zaujme charakteristickou konformaci, čímž se lineární genetický kód převede do trojrozměrné struktury. Celý proces je regulován (již ve stadiu transkripce) a kontrolován. Vzniklá bílkovina často není konečným produktem, ale je dále upravována buď již při biosyntéze,nebo až po ní (např. proteolytické enzymy – nemohou být aktivní ihned po vzniku, ale až po transportu na místo určení). Katabolickým přeměnám podléhá pouze RNA, v případě DNA dochází k jejímu odbourání pouze po zániku buněk. Nukleové kyseliny z potravy se při trávení hydrolyzují na stavební jednotky. Dusíkaté baze se oxidačně odbourávají a nevyužijí se jako zdroj energie, proto nukleové kyseliny nejsou živiny. Pyrimidinové baze se odbourávají na β -aminokyseliny, purinové base na kyselinu močovou (kap. 7.2.)
12. Spektrální metody v organické chemii Molekuly organických látek interagují s elektromagnetickým zářením s různou vlnovou délkou a tedy i různou energií (podle vztahu E = hν = h.c/λ, kde h je Planckova konstanta, c rychlost světla, ν vlnočet a λ vlnová délka). Důsledkem této interakce je ovlivnění energetických hladin látky. Přechody mezi energetickými hladinami, které jsou závislé na struktuře látky, využívají spektroskopické metody. Většinou jsou založeny na měření absorpce záření při průchodu látkou v závislosti na vlnové délce, která se při měření plynule mění. Závislost absorpce záření na vlnové délce se znázorní absorpční křivkou, kde na vodorovné ose je vlnová délka (nebo vlnočet) a na svislé absorbance A. Hodnota A je záporný dekadický logaritmus transmitance T (A = -log T), vyplývající z Lambert-Beerova zákona, postihujícího vliv koncetrace látky a tloušťky vrstvy na absorpci záření: T = I/I0 = 10-ε.c.l kde T je transmitance, I0 a I jsou intensity vstupujícího a vystupujícího záření, ε je molární absorptivita, l je tloušťka vrstvy a c je molární koncentrace látky v roztoku. Absorbance A je tedy lineárně závislá na koncentraci látky a tloušťce vrstvy: A = ε.c.l. Absorpce záření je závislá na struktuře látky, čehož se dá využít k určování její struktury nebo alespoň určení strukturních fragmentů, které interagují pouze se zářením určité vlnové délky. Vyhodnocování absorpčních křivek (spekter) je velmi obtížné a je většinou doménou specialistů v různých oblastech spektroskopie. V tomto skriptu si pouze ukážeme, jaké metody a k jakým účelům lze použít. Přehled interakcí v závislosti na vlnové délce záření ukazuje následující tabulka: vlnová délka (nm) 10-1 - 100 102 - 103 103-105 106 - 108
109 - 1010
druh záření Röntgenovo ultrafialové a viditelné (UV a VIS) infračervené (IR) mikrovlny
radiovlny
interakce difrakce excitace valenčních elektronů absorpce složek polarisovaného světla excitace vibračních stavů molekul excitace rotačních stavů molekul excitace nepárových elektronů v magnetickém poli excitace jader v magnetickém poli
106
aplikace (metoda) v org. chemii Röntgenová difrakce UV a VIS absorpční spektroskopie Ramanova spektroskopie ORD a CD spektroskopie IR absorpční spektroskopie mikrovlnná absorpční spektroskopie eletronová paramagnetická resonance (EPR) nukleární magnetická resonance (NMR)
Ultrafialová (UV) spektroskopie využívá oblast záření s vysokou energií (λ = 200 – 380 nm), vyvolávající excitaci π a n elektronů, které jsou v látce volněji vázány než σ-elektrony. Tím dojde při určité vlnové délce k absorpci světla, která se projeví na absorpční křivce. Existují tři základní typy elektronových přechodů, které se dají zaznamenat v UV-spektru: π→π* přechody vznikají excitací π−elektronu z vazebného do antivazebného molekulového orbitalu (bez změny hodnoty spinu) a vyskytují se u nenasycených a aromatických látek (C=C) n→π* přechody jsou způsobeny excitací n-elektronů z nevazebného atomového orbitalu do antivazebného molekulového π*-orbitalu a vyskytují se u látek s π-elektrony a volnými elektronovými páry (C=O, C=S atd.) n→σ* přechody vznikají přechodem n-elektronů z nevazebného atomového orbitalu do antivazebného σ* orbitalu. Vyžadují velkou energii a vyskytují se u některých nasycených látek (např. R-NH2). Taková seskupení atomů, která vyvolávají absorpci v UV-epektru, označujeme jako chromofory (např. C=C, C=O). Molekuly, které mají stejné chromofory, mají podobná spektra. Jestliže jsou v blízkosti chromoforu skupiny, které samy neabsorbují (auxochromy, např. OH, halogen), dochází k ovlivnění spektra, t.j. posunu absorpčních maxim k jiné vlnové délce a změně jejich intenzity. Např. olefiny mají absorpční maxima v oblasti cca 180 nm, kde se běžně nedá měřit (pouze ve vakuu, jinak je záření v této oblasti absorbováno vzduchem). U konjugovaných dienů se absorpční maxima posunují do oblasti nad 200 nm, přičemž poloha maxim je ovlivněna substituenty na dvojné vazbě:
λmax (nm)
217
222
227
237
247
Ulrafialová spektra lze tedy použít pouze pro studium nenasycených konjugovaných systémů. Jsou relativně jednoduchá, jak ukazuje následující obrázek:
NH2 N O
HOH2C
A
OH
200
N
N N
OH
Ultrafialové spektrum adenosinu 400 (nm)
300
Jestliže obsahuje molekula chromofory s větším počtem násobných vazeb v konjugaci, posune se abrorpce z ulrafialové do viditelné oblasti a látky se jeví jako barevné. Čím je větší konjugace, tím více se absorpce posunuje k červené části spektra (rozmezí 380-770 nm). Využití spektroskopie ve viditelné oblasti spočívá především v kvantitativní analýze barevných látek, nebo takových látek, které poskytují s určitým činidlem barevnou reakci.
Infračervená (IR) spektroskopie využívá záření v oblasti vlnových délek 800 nm až 1000 µm, což odpovídá vlnočtům 12500 až 10 cm-1. Infračervené záření má již malou energii na to, aby vyvolalo excitaci elektronů na vyšší energetickou hladinu, ale interakcí s chemickými vazbami vyvolává změny rotačních a vibračních stavů molekul. Při pořizování IR spektra látky se zaznamenává závislost transmitance T na vlnočtu, a to nejčastěji v oblasti ν = 4000 – 600 cm-1, která odpovídá valenčním (VV, protahování a zkracování vazeb) a deformačním (DV, změny valenčních úhlů) vibracím vazeb mezi atomy, např.: H
H H
H
C
H
H
C
H
H
H
VV (CH3) asymetrické symetrické
DV (CH2)
107
H C
C
Typický vzhled IR spektra, které je mnohem komplikovanější než UV spektrum, ukazuje následující obrázek s IR spektrem adeninu:
Pro jednoduché funkční skupiny jsou charakteristické absorpce při určitém vlnočtu; např. alkoholy a fenoly absorbují v oblasti 2500-3500 cm-1 (poloha je ovlivněna zejména vodíkovými vazbami), karbonylové skupiny intensivně absorbují v oblasti 1620-1870cm-l, přičemž se podle polohy absorpčního pásu dají odlišit aldehydy, ketony, kyseliny, estery atd. (hodnoty jsou tabelovány). Podrobná interpretace IR spekter je záležitostí specialistů, organickému chemikovi slouží IR spektra především jako zdroj informací o přítomnosti určitých funkčních skupin v molekule, pro srovnávání identity sloučenin a jako kriterium jejich čistoty. Je zajímavé, že neexistují dvě látky, které by měly identická IR spektra v oblasti 800-1200 cm-1 (oblast „otisku palce“).
Hmotnostní spektrometrie je metoda k určování hmotnosti molekul a jejich částí, založená na ionizaci molekul na kladné nebo záporné ionty (molekulové ionty) a jejich následnému rozpadu na menší částice. Tyto objekty se po urychlení elektrickým polem pohybují ve vakuu v magnetickém poli, které je vychyluje z jejich dráhy. Velikost odchylky závisí na poměru náboje ionizované částice z a její hmotnosti m, dá se vhodně detekovat a graficky znázornit v čárovém spektru, kde poloha čar závisí na velikosti hodnot m/z a jejich intenzita na množství příslušného iontu. Poněvadž při ionizaci vznikají hlavně ionty s jednotkovým nábojem (z = l), určuje hodnota m/z zároveň hmotnost příslušného iontu. Látky vstupují do hmotnostního spektrometru v plynném stavu, k jejich ionizaci může dojít různým způsobem – např. přímým bombardováním elektrony o energii cca 70 eV nebo t.zv. chemickou ionizací, při které jsou primárním zdrojem energie opět elektrony, ale přenášejí se na látku pomocí reakčního media (nejčastěji methan). Z látky vznikne molekulový kation, který se následně rozpadá na ionty a radikály, případně přesmykuje nebo reaguje s neutrální molekulou: ABCD + eionizace +
ABCDA + BCD
+ ABCD
ABCD+ + 2 e-
+
AB+ + CD
AD + BC A+ + BCD
+
CD + AB
atd.
A+ + B + A + B
Fragmentace molekulového iontu je velmi komplikovaná (zvláště u složitějších molekul) a její interpretace vyžaduje specialistu. Organického chemika zajímá v první fázi především relativní molekulová hmotnost měřené látky, která se dá ve většině případů z hmotového spektra odečíst, přesně se dá naměřit na přístrojích s vysokým rozlišením (přesnost 5 míst za desetinnou čárkou). Z klasifikačního hlediska nepatří hmotová spektrometrie ke spektrálním metodám, poněvadž hmotové spektrum je výsledkem reaktivity molekul, její použití však běžně doplňuje spektrální metody. Následující obrázek ukazuje hmotové spektrum adenosinu (C10H13N5O4, M+ 267):
108
Nukleární magnetická resonance (NMR) je nejdůležitější identifikační metoda používaná k určování struktury organických látek. Je založena na excitaci atomových jader do vyšších spinových stavů jako důsledek interakce spinů s radiofrekvenčním polem za přítomnosti silného magnetického pole. Jádro atomu má v důsledku rotace magnetický moment. Zatímco elektrony mají spinové kvantové číslo1/2 nebo -1/2, jádra atomů mohou mít různá spinová kvantová čísla podle počtu protonů a neutronů. Při sudém počtu protonů a neutronů dochází ke kompenzaci magnetických momentů složek, jádra mají spinové kvantové číslo 0 a jsou nemagnetická (např. 42He, 12 16 2 14 6C, 8O). Mohou mít také spinové kvantové číslo 1, pokud mají lichý počet protonů a neutronů ( 1H, 7N), 11 31 nebo zlomkové (obecně 2k+1)2 při lichém počtu protonů nebo neutronů ( 5B, 15P). Jádra s nenulovým spinovým kvantovým číslem jsou diamagnetická nebo paramagnetická a absorbují radiofrekvenční záření. Poněvadž efekty vyvolané jaderným spinem leží u různých prvků v různých oblastech a vzájemně se neovlivňují, je možno je studovat nezávisle a určit způsob vazby atomů. Pro organickou chemii má největší význam určení způsobu vazby vodíku a uhlíku v organických sloučeninách. Vodík má spinové kvantové číslo 1, uhlík kvantové číslo 0. Avšak nenulové kvantové číslo (1/2) má isotop 136C, který se v přírodním uhlíku vyskytuje v množství asi 1% a na základě tohoto výskytu se dá na moderních NMR přístrojích s vysokým rozlišením měřit 13C-NMR spektrum. Princip metody spočívá v tom, že magnetické momenty jednotlivých jader, které jsou orientovány zcela náhodně, se po vložení roztoku látky mezi póly silného magnetu orientují ve směru tohoto magnetického pole a jejich potenciální energie je E = –µ.B0, kde µ je magnetický moment jádra a B0 je indukce magnetického pole (v jednotkách Tesla, závisí na síle magnetu přístroje). Na roztok látky se pak působí radiofrekvenčním polem s měnící se frekvencí, orientovaným kolmo na směr magnetického pole. Absorpcí energie z tohoto pole přejdou jádra na vyšší energetickou hladinu –µ1.B1 Jestliže frekcence oscilátoru se rovná frekvenci daného jádra, dojde ke splnění resonanční podmínky ν = γ.B0/2π, kde ν je resonanční frekvence daného nuklidu (v Hz, s-1) a γ je gyromagnetická konstanta daného jádra. Tím dojde k resonanci, která indukuje napětí v přijímací cívce s osou kolmou na směr obou uvedených polí. Po zesílení se signál převede do zapisovače, který zapíše NMR spektrum jako závislost intensity signálu na hodnotě chemického posunu δ, což je rozdíl resonančních frekvencí signálů (Hz) a standardní sloučeniny dělený pracovní frekvencí oscilátoru přístroje (Hz) a udává se v jednotkách ppm: δ = (νvzorku – νstand)/νosc . 106 (ppm). Intenzita signálu v NMR spektru je charakterizována jeho plochou, vzájemný poměr ploch signálů v NMR spektru je dán poměrem ekvivalentních jader, takže se dají snadno stanovit počty atomů stejného typu. Resonanční podmínky jsou pro stejné jádro různé v různých sloučeninách, poněvadž elektrony v okolí jádra vytvářejí slabé magnetické pole, ovlivňující intensitu magnetického pole jádra (t.zv. stínění). Hodnoty chemických posunů atomů příbuzného typu se pohybují v poměrně úzkých rozmezích (např. signály vodíků CH3C 0,8-1,9 ppm, CH3-C=C 1,6-2,7 ppm, CH3-N 2,7-3,1 ppm, CH3-O 3,1 – 4,0 ppm, CH2=C 4,6-5,1 ppm, atd.) a jsou tabelovány. Celkové rozmezí hodnot δ v 1H-NMR spektrech je 0-20 ppm. Atomy vodíků na sousedních uhlících se vzájemně ovlivňují spinovou interakcí, zprostředkovanou vazebnými elektrony. Hodnoty spinových interakcí nezávisí na vnějším magnetickém poli a jsou vyjadřovány interakční konstantou J (v Hz). Sousední atomy vodíku ve spektru pak vykazují multiplety (rozštěpení signálu) se stejnou hodnotou J, což usnadňuje jejich přiřazení. Počet linií v multipletu u atomů vodíku je dán výrazem 2nI + 1, kde n je počet interagujících jader se spinem I. Hodnota chemického posunu se udává pro střed multipletu. Např. v NMR spektru ethanolu CH3CH2OH jsou protony CH3 skupiny (vzájemně ekvivalentní) v interakci s protony sousední CH2 skupiny a vykazují multiplet s (2.2.1/2) +1 = 3 liniemi (triplet) při 1,23 ppm s interakční konstantou J1:
109
1
H-NMR spektrum ethanolu
Vodík OH skupiny je v interakci s protony methylenové skupiny a vykazuje také triplet (při 2,61 ppm), ale s interakční konstantou J2. Protony CH2 skupiny jsou v interakci jak s protony CH3 skupiny, tak s protonem OH skupiny, a proto vykazují komplexní multiplet: kvadruplet (2.3.1/2+ 1 = 4) při 3,68 ppm s interakční konstantou J1, jehož každý člen je ještě štěpen na dublet (2.1.1/2 + 1 = 2) s interakční konstantou J2. Tvorba interakcí umožňuje určit způsob navázání jednotlivých skupin atomů v molekule a tím určit její strukturu. Při řešení struktur látek se využívá kombinace více spektrálních metod. Příkladem takového řešení je určení struktury látky, jejíž analýzou byl stanoven empirický vzorec C4H8O2. V UV spektru látka nevykázala žádnou absorpci, neobsahuje tedy konjugovaný systém. V IR-spektru látka vykázala silnou absorpci v oblasti karbonylů, podle polohy pravděpodobně esterové skupiny. Z toho vyplývá, že zkoumaná látka může být pravděpodobně ethyl acetát nebo methyl propionát. O správné variantě rozhodlo 1H-NMR spektrum (A), které vykazovalo přítomnost tří skupin vodíkových atomů v poměru intenzit 2:3:3. Triplet methylové skupiny u 1,26 ppm ukazuje, že tato skupina je navázána na skupinu CH2 (kvadruplet se stejnou J). Poloha signálu CH2 skupiny (4,12 ppm) odpovídá navázání na elektronegativní atom kyslíku a neznámá látka je tedy ethyl acetát (spektrum A). Zbývající singlet methylové skupiny odpovídá svou polohou (2,04 ppm) vazbě na uhlík stíněný elektronegativním kyslíkem v sousedství. V případě, že by šlo o druhou eventualitu (methyl propionát), musel by být singlet methylové skupiny při nižší hodnotě pole (3,67 ppm) a kvadruplet CH2 skupiny při vyšší hodnotě pole (2,32 ppm), jak ukazuje spektrum B.
A: 1H-NMR spektrum ethyl acetátu
B: 1H-NMR spektrum methyl propionátu
Pěkným příkladem analytického využití NMR spekter je určení rovnováhy mezi keto a enol formou acetylacetonu: H H 3C
CH3 O
H3C
O
CH3 OH
110
O
Pokud by byl aceton pouze v ketoformě, vykazoval by pouze singlet dvou methylových skupin při 2,24 ppm a singlet methylenové skupiny při 3,61 ppm. V čisté enolformě by vykazoval obecně dva singlety CH3 skupin, v tomto případě však dochází k jejich sjednocení na jeden singlet při 2,04 ppm. Navíc by tam byl singlet olefinického protonu při 5,52 ppm. Naměřené spektrum (spektrum C) však ukazuje, že mezi oběma formami existuje rovnováha a z poměru ploch signálů lze vypočítat poměr tautomerů. Rovnováhu lze sledovat v závislosti na teplotě, pH, rozpouštědle atd. a určit tak hodnoty rovnovážných konstant za různých podmínek.
C: 1H-NMR spektrum acetylacetonu
D: 13C-NMR spektrum kyseliny L-askorbové
Uvedené příklady jsou poměrně jednoduché. 1H-NMR spektra složitějších látek jsou nepoměrně komplikovanější a jejich interpretace je velmi obtížná. U 13C-NMR spektroskopie jsou hodnoty chemických posunů uhlíkových atomů závislé především na hybridizaci a posunují se v pořadí δ(sp2) < δ(sp) δ(sp3) k vyšší hodnotě pole. Jsou ovlivněny indukčními, konjugačními a sterickými efekty a vyskytují se v rozmezí 0-250 ppm. Nízký přirozený výskyt isotopu 13C způsobuje, že pravděpodobnost interakce 13C-13C je velmi nízká a není ve spektrech pozorovatelná. Signály atomů uhlíku se ve spektru objevují jako poměrně ostré linie a jejich počet odpovídá počtu uhlíkových atomů v látce. Pokud jsou v látce naprosto ekvivalentní uhlíkové atomy, poskytují jeden signál a počet linií ve spektru se snižuje. Pro ilustraci je na obrázku D uvedeno 13C-NMR spektrum kyseliny L-askorbové (vitamin C). Při řešení struktur organických látek se používají současně jak 1H, tak 13C NMR spektra, a jejich kombinací při aplikaci speciálních technik lze vyřešit struktury i velice složitých látek. NMR technik se využívá i v medicině (magnetická rezonanční tomografie).
Röntgenová difrakce je metoda, využívající záření s velmi krátkou vlnovou délkou, srovnatelnou s délkou vazeb ve sloučeninách. Při průchodu Röntgenova záření krystalem látky dochází na jednotlivých místech molekuly k ohybu (difrakci) paprsků. Úhel ohybu je závislý na vlnové délce záření a na prostorovém rozložení atomů. Tím se dají měřit vzdálenosti a úhly mezi atomy a určit tak prostorovou strukturu molekuly. Ze všech popsaných metod ke zkoumání struktury látek je tato metoda nejdokonalejší, jak ukazuje následující obrázek. Vyhodnocení naměřených hodnot vyžaduje velice drahý přístroj a náročný matematický aparát, hlavním problémem je nutnost vypěstování monokrystalu zkoumané látky.
1 9
O S
O2
C9
N1
C8 C7
C9b
C2
3
C9a
C5a
C6
S3
5
6
N
CH2CH2CH2CH3 O
C12
C11
C26
N5
C4 C3a
C25 O4
C21 C24
C14 C13 C22 C23
Struktura látky
Výsledek Röntgenostrukturní analýzy
111
Optická rotační disperse (ORD) a cirkulární dichroismus (CD) jsou metody založené na jevech, ke kterým dochází interakcí lineárně polarizovaného záření různých vlnových délek s molekulami opticky aktivních látek. Lineárně polarizované záření se skládá ze dvou cirkulárně polarizovaných složek (levotočivé a pravotočivé). Prochází-li opticky aktivním prostředím, je jedna z těchto složek více absorbována než druhá. Metoda optické rotační disperse sleduje závislost molární otáčivosti [Φ]λt na vlnové délce λ při konstantní teplotě t. Molární otáčivost je definována jako [Φ]λt = [α]t.M/100, kde M je relativní molekulová hmotnost látky a [α]t je specifická otáčivost látky: [α]t = α.100/c.l, kde α je naměřený úhel stočení roviny polarizovaného světla, l je tloušťka vrstvy (kyvety) a c je koncentrace roztoku (g/100 ml). Takto získaná závislost se nazývá křivkou optické rotační disperse (ORD). Metoda cirkulárního dichroismu sleduje závislost hodnoty ∆ε, která je rozdílem molárních absorptivit levotočivě a pravotočivě cirkulárně polarizované složky záření (∆ε = εL - εR), na vlnové délce λ. Obě metody úzce souvisejí s ultrafialovým spektrem látky, t.j. s absorpčními pásy vyvolanými elektronovými přechody, které jsou u ORD a CD ovlivněny prostorovým uspořádáním látky v okolí chromoforu.
log E
ORD
UV
τ
[Φ]
CD
∆ε
λ
λ Cottonùv efekt:
positivní
λ negativní
Maxima na křivkách ORD nebo CD se označují jako t.zv. Cottonův efekt, který je buď positivní nebo negativní (viz obrázek). Obou metod se používá k určování absolutní konfigurace opticky aktivních látek, a to pomocí korelací smyslu Cottonových efektů zkoumané látky a strukturně blízké látky se známou absolutní konfigurací.
13. Použitá a doporučená literatura 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17.
Šimoníková J., Klásek A.: Chemie II. Skripta FT VUT, Brno 1982. Kafka S.: Cvičení z chemie. ES VUT, Brno 1992. Kafka S.: Příklady a úlohy z obecné, anorganické a organické chemie. 2. vyd. UTB, Zlín 2002. Cram D.J., Hammond G.S.: Organická chemie. Akademia, Praha 1969. Červinka O., Dědek V., Ferles M.: Organická chemie. Informatorium, Praha 1991. Kováč J., Kováč Š.: Organická chémia. Alfa, Bratislava 1977. Hrnčiar P.: Organická chémia. SPN, Bratislava 1977. Mc Murry J.: Organic Chemistry. 4th. Ed., Brooks/Cole Publish. Co., Pacific Grove 1996. ČervinkaO.: Mechanismy organických reakcí. SNTL, Praha 1981. Kolektiv: Chemie organických sloučenin I, II. SNTL/Alfa, Praha, Bratislava 1985. Klásek A.: Nauka o polymerech II – Biopolymery. Skripta FT VUT, SNTL, Praha 1980. Bláha K. a kol.: Nomenklatura organických sloučenin. Academia, Praha 1985. Panico R. aj.: Průvodce názvoslovím organických sloučenin podle IUPAC. Academia, Praha 2000. Milata V., Seg´la P.: Spektrálné metódy v chémii. STU, Bratislava 2004. Spectral Database for Organic Compounds SDBS. National Institute of Advanced Industrial Science and Technology: http://www.aist.go.jp/RIODB/SDB“. S. Vodrážka Z., Krechl J.: Bioorganická chemie. SNTL, Praha 1991. Voet D., Voetová J.G.: Biochemie. Viktoria Publ., Praha 1995.
112
Název
Organická chemie
Autor
prof. Ing. Antonín KLÁSEK, DrSc. Fakulta technologická
Vydavatel
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
Vydání
první
Vyšlo
2006
Náklad
300 výtisků
Tisk
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně Academia Centrum
Publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou
ISBN 80–7318–483–4
