Download
1 / 44
480 likes | 837 Vues
به نام خدا. فصل چهارم گزينش پذيري در سنتز تركيبات آلي. جلسه دوازدهم. فهرست مطالب: مقدمه گزينش پذيري گزينش پذيري ناشي از عوامل فضائي فضاگزيني واكنشگر هاي اكسنده گزينش پذيري ناشي از عوامل الكتروني شيمي گزيني واكنشگر هاي گزينش پذير. مقدمه
E N D
فصل چهارم گزينش پذيري در سنتز تركيبات آلي
جلسه دوازدهم • فهرست مطالب: • مقدمه • گزينش پذيري • گزينش پذيري ناشي از عوامل فضائي • فضاگزيني واكنشگر هاي اكسنده • گزينش پذيري ناشي از عوامل الكتروني • شيمي گزيني • واكنشگر هاي گزينش پذير
مقدمه در واكنش هاي سنتزي هنگامي كه سابستريت داراي چندين مركز واكنشگر مي باشد كه امكان انجام واكنش را دارند، و يا شكل فضائي مولكول به گونه اي است كه امكان انجام واكنش از جهات فضائي مختلف رو ي سابستريت وجود دارد، شيميدانان با موضوع گزينش پذيري مواجه مي باشند كه داشتن علم كافي در اين زمينه امكان طراحي يك سنتز موفق را فراهم مي كند. گزينش پذيري از اختلاف سرعت انجام واكنش هاي مختلف نشات مي گيرد.
گزينش پذيري تعريف چند اصطلاح براي آشنايي بيشتر • فضاگزيني (Stereoselective): • هنگامي مطرح مي شود كه امكان انجام واكنش از موقعيت هاي فضائي مختلف سابستريت وجود داشته باشد. به عنوان مثال انجام واكنش در موقعيت پر ازدحام يا كم ازدحام سابستريت اصطلاح فضا گزيني را مي رساند. در واكنش هاي فضاگزين محصولات مختلف با درصدهاي متفاوت تشكيل مي شوند. • فضاويژه (Stereospecific): • هنگامي مطرح مي شود كه فضا گزيني به صورت 100 درصد اعمال شود و از بين محصولات مختلف كه امكان تشكيل شدن دارند، فقط يك محصول تشكيل شود. به عبارت ديگر فضا گزيني را مي توان به ارجحيت تشكيل يك يا چند محصول خاص كه تنها از لحاظ كنفيگوراسيون (Cofiguration) با هم تفاوت دارند تعريف كرد. • انانتيومرگزيني (Enantioselectivity) و دياستروئومرگزيني (Diastereoselectivity): • به عنوان زير مجموعه هاي فضا گزيني تعريف مي شوند كه در سنتز تركيبات كايرال كاربرد دارند. • جهت گزيني (Regioselectivity): • در گزينش پذيري بكار برده مي شود، اين اصطلاح هنگامي مطرح مي گردد كه امكان انجام واكنش روي يك يا چند مركز مولكول وجود داشته باشد و ايزومر هاي ساختاري تشكيل شوند. يعني محصولاتي تشكيل شوند كه تنها محل استخلاف هاي اضافه شده در آن ها متفاوت باشد. هنگامي كه جهت گزيني به تشكيل يك محصول منتهي گردد، واكنش جهت ويژه (Regiospecific) ناميده مي شود.
گزينش پذيري ناشي از عوامل فضائي ساده ترين نوع گزينش پذيري مربوط به فضاگزيني مي باشد كه در آن گزينش پذيري از طريق عوامل فضايي كنترل مي گردد. يك نمونه از اين واكنش ها، افزايش روي پيوند دوگانه در تركيب نوربورنن مي باشد. اين تركيب دو حلقه اي بوده طبق عوامل فضايي نزديك شدن واكنشگر از طريق اگزويعني از سمت حلقه كوچكتر مساعد تر مي باشد، زيرا تعداد كربن كمتر روي پل دارد. • حلقه با يك كربن روي پل حلقه با دو كربن روي پل
هنگامي كه موقعيت اگزو به وسيله استخلافهاي حجيم مسدود باشد، افزايش از موقعيت اندوصورت مي گيرد. ???
نمونه ديگري از دخالت عوامل فضايي در هدايت واكنش در جهت خاص واكنش پذيري آلكن هاي انتهائي نسبت به آلكن هاي غير انتهائي مشاهده مي شود. در حمله هيدروبوردار شدن، آلكن هاي با ممانعت فضايي كمتر وارد واكنش مي گردند، البته بين آلكن هاي انتهائي نيز، آلكني كه استخلاف بيشتري داشته باشد، سريعتر نسبت به آلكن انتهائي با استخلاف كمتر وارد واكنش هاي افزايشي مي گردد.
گزينش پذيري اعمال شده توسط عوامل فضايي در مولكول هاي صلب بيشتر قابل توجه مي باشد، در تركيب دو حلقه اي زير پيوند دوگانه از سمتي كه خلوت تر است واكنش افزايشي را انجام مي دهد. جهت بررسي گزينش پذيري در حلقه هاي شش تايي از استخلاف t-Bu بر روي اين حلقه ها استفاده مي گردد. اين استخلاف حجيم بوده و در موقعيت استوايي قرار مي گيرد و مانع وارونه شدن حلقه مي گردد، و جهت افزايش به حلقه مشخص مي باشد بنابر اين مبنا جهت افزايش به حلقه شش تائي مشخص مي گردد. واكنش از طريق انتقال هيدريد صورت مي گيرد. محصول عمده ايزومر ترانس مي باشد كه پايدارتر است.
ولي استفاده از معرف BH3 منجر به تشكيل ايزومر سيس به صورت عمده مي گردد، زيرا BH3 از طريق تشكيل يك حدواسط چهارتايي واكنش را پيش مي برد كه تشكيل اين حدواسط در موقعيت استوايي مساعدتر مي باشد. در نتيجه هيدريد از موقعيت استوائي به كربن كربنيلي منتقل شده و گروه هيدروكسي را در موقعيت محوري قرار مي دهد. اتان آمين براي جدا شدن بور در اين واكنش مورد استفاده قرار گرفته است.
در اكثر حذف هاي دو مولكوليE2 آرايش دو گونه حذف شونده نسبت به هم بايد آنتي باشد يا به عبارت ديگر حذف آنتينسبت به حذف سينسرعت بالاتري دارد و زاويه بين دو گونه اي كه از روي مولكول حذف مي شوند • در حالت آنتي 180 درجه و در حالت سين صفر درجه مي باشد. حذف در زواياي ديگر چندان مناسب نيست. • حذف در تركيب نوربورنان زير نمي تواند به خوبي صورت بگيرد، زيرا هيچكدام از هيدروژن ها نسبت به برم زاويه 180 درجه را فراهم نمي كنند پس حذف آنتي امكان پذير نيست و حذف سين با سرعت كمتر، انجام مي گيرد. همچنين در اين واكنش تشكيل آلكن پراستخلاف طبق قاعده برت(تشكيل پيوند پاي پل)، امكان پذير نيست.
چرا تركيب زير در مقابل واكنش حذفي غير فعال است؟ واكنش جانشيني چطور؟ • زيرا فاقد هيدروژن آنتي نسبت به برم مي باشد و از طرفي كنفورماسيون حلقه شش تايي بر خلاف سيستم نوربورنان آرايش هندسي سين با زاويه صفر درجه بين برم و هيدروژن را فراهم نمي كند، پس واكنش حذفي صورت نمي گيرد. از طرفي به علت حجيم بودن باز، واكنش جانشيني نيز صورت نمي گيرد. (طبق كنفورماسيون مربوطه زاويه بين هيدروژن هاي سين نسبت به برم 60 درجه مي باشد كه حذف در اين زوايا صورت نمي گيرد. )
نكته: • تهيه آلكن ها از طريق واكنش حذفي E2در اكثر موارد از قاعده سايتزف (Saytzeff `S Rule) يعني تشكيل آلكن پراستخلاف تر تبعيت مي كند. ولي در صورت وجود هيدروژن آنتي، حذف آن هيدروژن ارجح تر از رعايت قاعده سايتزف است.
حذف هافمن (Hofmann Elimination ): • هنگامي كه پيوند گروه ترك شونده و كربن محكم باشد واكنش از طريق مكانيسم شبه كربانيوني (E1cb)انجام مي گيرد. يعني ميزان جدا شدن پروتون بيشتر از جدا شدن گروه ترك شونده بوده و مقدار جزئي بار منفي روي كربني كه هيدروژن از آن جدا مي شود، تشكيل مي گردد. يعني هيدروژن هاي متصل به كربن هاي نوع پايين تر يا هيدروژن هايي كه در موقعيت α نسبت به گروه هاي الكترون كشنده فعال قرار دارند - خاصيت اسيدي بالائي دارند- حذف مي شوند، اين حذف را حذف هافمن (Hofmann Elimination ) مي نامند. • هنگامي كه گروه ترك شونده تركيبات نيتروژن، گوگرد يا فلوئور باشد حذف هافمن مشاهده مي گردد، زيرا در اين تركيبات پيوند بين هترو اتم (F, N, S) و اتم كربن محكم مي باشد. كربانيون هائي كه استخلاف كمتري دارند، راحت تر حلال پوش و پايدار مي گردند.
گزينش پذيري در باز شدن حلقه هاي سه ضلعي فعال : • هنگامي كه هترو اتم در حلقه سه ضلعي داراي بار مثبت باشد، مكانيسم شبه كربوكاتيوني (شبه SN1) مشاهده مي گردد و هسته دوست به كربن پر استخلاف تر كه دانسيته بار مثبت بيشتري دارد- حمله مي كند. ولي در حلقه هاي سه ضلعي كه هترو اتم فاقد بار مثبت بوده حمله هسته دوستي از موقعيت خلوت تر صورت مي گيرد، زيرا در اين حالت عوامل فضايي كنترل كننده مي باشند. همچنين كنفورماسيون هسته دوست نسبت به هترو اتم آزاد شده آنتي مي باشد. هنگامي كه هترو اتم در حلقه سه تائي توانائي پذيرش پروتون را داشته باشد، باز شدن حلقه در محيط اسيدي شبه SN1 و در محيط بازي يا خنثي شبه SN2مي باشد.
؟ نكته: گاهي وجود يك استخلاف كه با واكنشگر برهمكنش دارد انجام واكنش را از يك سمت خاص (عليرغم ممانعت فضايي بيشتر) مساعد تر مي نمايد. به عنوان مثال گروه هاي استخلافي كه داراي زوج الكترون هاي آزاد قابل برهمكنش با واكنشگر مانند گروه هاي −OH يا −NH2را دارند مي توانند تشكيل محصول با آرايش سين را مساعد تر نمايند. حذف ان اُكسايد نمونه ديگري از واكنش هاي فضا گزين مي باشد. در اين واكنش آمين نوع سوم در واكنش با يك عامل اكسنده مشابه پر اسيد يا H2O2 به ان اُكسايد تبديل شده كه به عنوان باز درون مولكولي عمل نموده و حذف سين را منجر مي گردد.
تشكيل انولها در محيط هاي اسيدي طبق قاعده سايتزف است، ولي مي توان از طريق عوامل فضايي به صورت گزينشي انولهايي تهيه نمود، كه خلاف قاعده سايتزف باشند.
فضاگزيني واكنشگر هاي اكسنده معرف هاي اكسنده واكنشگر هايي هستند، كه هنگام اثر روي مركز واكنش دهنده عدد اكسايش آن را افزايش مي دهند. در اينجا به اكسايش پيوندهاي دوگانه توسط واكنشگر هاي مختلف اشاره مي گردد. • در اين واكنش حدواسط تشكيل شده افزايش دي ال سين را منجر مي شود. • براي تهيه ترانس- 1، 2- دي اُل از پيوندهاي دوگانه، مي توان اپوكسيداسيون و سپس هيدروليز آن را انجام داد.
وقتي تعداد گروه هاي عاملي كاملا يكسان در مولكول افزايش مي يابد، علي رغم گزينش پذيري، محصولات متنوعي تشكيل مي گردد. هيدروكسيل دار شدن 1، 3- سيكلوهگزادي ان توسط اسميم تتراكسيد از اين دست واكنش ها مي باشد.
گزينش پذيري ناشي از عوامل الكتروني نوع ديگري از گزينش پذيري توسط عوامل الكتروني اعمال مي گردد. انجام واكنش سنتزي مستلزم تشكيل و شكستن پيوند هايي خاص است، كه در اين واكنش ها مركز الكترون دوست و هسته دوست درگير آن مي باشند. حال در واكنش هايي كه چندين مركز الكترون دوست و هسته دوست درگير مي باشند مسئله گزينش پذيري مطرح مي گردد. رويكرد كلي براي توجيه گزينش پذيري، ميزان واكنش پذيري اين مراكز مي باشد. مراكز فعال تر سريعتر وارد واكنش مي گردند و همچنين نوع محصولات با توجه به ماده اوليه، واكنشگر، حد واسط و شرايط انجام واكنش تعيين مي گردد. جهت گزيني كه در افزايش ماركونيكوف ديده مي شود نمونه ديگر از گزينش پذيري ناشي از عوامل الكتروني است. در اينجا حدواسط يك كربوكاتيون بوده كه هرچه نوع كربن آن بالاتر باشد پايدارتر است (به دليل پايداري حاصل از هيپركانژوگيشن).
در اين نمونه واكنش ها، هالوژن با الكترونگاتيويته كمتر شبيه پروتون (H+) عمل مي كند و ميزان نزديكي اندازه هالوژن به كربن جهت تشكيل كربوكاتيون و به دنبال آن نوع واكنش را تعيين مي كند، هر چه هالوژن كوچكتر باشد از لحاظ اربيتالي بهتر مي تواند با رزونانس كربوكاتيون را پايدار كند. بنابر اين به صورت گزينشي كربوكاتيون نزديك به هالوژن (همسايه) تشكيل مي گردد. فعاليت پيوند هاي دوگانه در اثر رزونانس پيوند دوگانه با گروه هاي الكترون كشنده نظير گروه كربونيل (تركيبات α و β غير اشباع) كاهش پيدا مي كند، و برعكس در اثر استخلاف هترو اتم داراي زوج الكترون غير پيوندي، فعاليت پيوند دوگانه افزايش پيدا مي كند، كه خود مي تواند گزينش پذيري خاصي را اعمال نمايد. پيوند دوگانه فعال در مقابل الكترون دوست ها پيوند دوگانه غيرفعال در مقابل الكتروندوست ها
در واكنش زير پر اسيد روي كربن پر استخلاف تر واكنش مي دهد، زيرا اين آلكن غني از الكترون مي باشد. البته فعاليت بالاي آلكن هاي پر استخلاف به اين دليل است كه اين آلكن ها پايدارتر مي باشند، بنابراين اربيتال هاي HOMO و LUMO آنها در دسترس تر مي باشد و بهتر واكنش مي دهند. در مسير واكنش هاي شيميائي حدواسط هائي توليد مي گردند كه در اثر رزونانس محصولات متنوعي را تشكيل مي دهند، اما به دليل ارجحيت يكي از ساختار هاي رزونانسي گزينش پذيري ويژه در تهيه محصولات خاص مشاهده مي گردد. به عنوان مثال مي توان به واكنش افزايشي روي سيستم هاي غير اشباع مزدوج اشاره نمود. واكنش زير به صورت گزينشي از مسير (a) انجام مي گيرد.
در واكنش برماسيون ايزوپرن، محصول غالب كدام است؟ A B • در واكنش برماسيون ايزوپرن، محصول غالب 3، 4- دي برمو- 3- متيل- 1- بوتن است. زيرا حد واسط (A) كربوكاتيون آليليك نوع اول / نوع سوم از حدواسط (B) كه كربوكاتيون آليليك نوع دوم / نوع اول مي باشد، پايدارتر مي باشد.
محصولات افزايش HCl, DCl به 1و3-سيكلوهگزادي ان زير چيست؟ • در افزايش HCl به مولكول 1- فنيل- 1، 3- بوتادي ان كه يك سيستم فوق مزدوج است چه محصولاتي محتمل است؟
در اين تركيب سه نوع پيوند غير اشباع جهت افزايش پروتون و تشكيل كربوكاتيون وجود دارد كه عبارتند از دو نوع پيوند دوگانه و سيستم غير اشباع آروماتيك، از بين اين سه موقعيت، پيوند دوگانه ابتداي زنجيره سريعتر وارد واكنش افزايشي مي شود زيرا رزونانس نسبي كمتري دارد. حلقه بنزني وارد اين واكنش افزايشي نمي گردد و پيوند دوگانه مزدوج با حلقه فنيلي پايداري رزونانسي بالائي دارد و آهسته تر وارد واكنش افزايشي مي شود. گذشته از اين اصول كه گزينش پذيري خاصي را اعمال مي كند، جهت افزايش به پيوند هاي دوگانه نيز مهم مي باشد. افزايش به گونه اي كه امكان رزونانس براي كربوكاتيون تشكيل شده وجود داشته باشد، مطلوب تر بوده و با سرعت بيشتري انجام مي گيرد. طبق اين توضيحات در افزايش از طريق مسيرهاي C و D اصل اول رعايت شده است و در افزايش از مسيرهاي A و B و D اصل جهت گزيني رعايت شده است. بنابراين تشكيل كربوكاتيون D از هر دو اصل فوق تبعيت مي كند و ارجحيت دارد و رزونانس آن هم در زنجيره جانبي و هم در حلقه بنزني گسترده است. بنابر اين محصول اصلي واكنش فوق 3- كلرو-1- فنيل-1- بوتن مي باشد.
شيمي گزيني(Chemoselectivity) • شيمي گزيني هنگامي مطرح مي گردد، كه بين دو يا چند گروه عاملي مستقر جهت انجام يك واكنش، فقط يكي از آنها واكنش مورد نظر را انجام مي دهد و تفاوت گروه ها فقط به شيمي و ماهيت گروه مربوط مي باشد. • به عنوان مثال در تركيب زير دو گروه OH و NH2 وجود دارد كه هر دو آنها قابليت آسيله شدن را دارند، ولي گروه NH2 بهتر زوج الكترون هاي خود را به عنوان هسته دوست وارد واكنش مي نمايد.
نمونه ديگر از شيمي گزيني در تركيب بالا مشاهده مي گردد، اين تركيب داراي يك گروه اسيدي و يك گروه OH فنلي بوده كه هر دو داراي پروتون اسيدي مي باشند و در محيط بازي پروتون زدايي صورت گرفته و يك دي آنيون تشكيل مي گردد كه از بين آنها اكسيژن فنلي نسبت به اكسيژن كربوكسيلات كمتر درگير رزونانس بوده و بهتر مي تواند به عنوان هسته دوست عمل كند. همچنين با توجه به فرم هاي رزونانسي دي آنيون تشكيل شده، فرم B به علت دافعه الكتروني چندان مناسب نيست و فرم رزونانسيA پايدارتر مي باشد و واكنش هسته دوستي را انجام مي دهد.
!!! واكنشگر گرينيارد نسبت به پروتون هاي اسيدي حساس مي باشد. در تركيباتي كه گروه عاملي اسيدي دارند و نياز به استفاده از واكنشگر گرينيارد باشد، بايد از مقادير اضافي اين واكنشگر استفاده شود. در واكنش بالا به سه اكي والان معرف گرينيارد نياز است.
نكته مهم در نوآرايي پيناكول در نوآرايي پيناكول از بين دو گروه هيدروكسي گروهي به صورت آب خارج مي گردد، كه با خروج خودش كربوكاتيون پايدارتر را ايجاد نمايد كه در اغلب موارد كربن پر استخلاف تر است. ولي هنگامي كه به جاي محيط اسيدي از توسيل كلريد TsCl استفاده گردد، اين تركيب گروه OH را به گروه ترك شونده مناسب تبديل مي كند. ولي TsCl به خاطر عوامل فضايي به OH متصل به كربن كم استخلاف تر متصل شده بنابراين محصول واكنش متفاوت از شرايط اسيدي مي باشد.
با توجه به مقدار باز استفاده شده در وانش زير محصولات مورد انتظار را پيش بيني كنيد. طبق اين واقعيت كه هرچه اسيد قويتر باشد، باز مزدوج آن ضعيف تر است، مي توان نتيجه گرفت كه پروتوني كه سريعتر جدا مي گردد آنيون حاصل از آن پايدار تر بوده و كندتر وارد واكنش مي گردد. از اين خاصيت در گزينشي نمودن واكنش هاي هسته دوستي استفاده مي گردد. روش كلي اين است كه دو مول از باز استفاده نموده كه هم هيدروژن اسيدي تر را جدا مي كند و هم پروتوني كه قدرت اسيدي كمتري دارد. در اين حالت يك دي آنيون تشكيل شده كه با افزايش يك مول الكترون دوست، يك واكنش گزينشي بين آنيون فعالتر و مركز الكترون دوست مشاهده مي گردد. به عنوان مثال در تركيب β- دي كربونيل زير اين روش به كار گرفته شده است.
قدرت اسيدي پروتون هاي استيلني نسبتا زياد است و پروتون هاي پروپارژيلي قدرت اسيدي كمتري دارند، ولي در حضور دو اكي والان از باز قوي، هر دو پروتون جدا شده و يك دي آنيون تشكيل مي شود، كه آنيون موقعيت پروپارژيلي فعالتر بوده و در واكنش هسته دوستي بعدي شركت مي كند.
با افزايش دو اكيوالان بوتيل ليتيم (كه فقط نقش باز دارد) يك دي آنيون تشكيل ميگردد، ابتدا پروتون گروه كربوكسيليك اسيد جدا ميشود و مول دوم n-BuLi پروتون اسيدي متيلن را جدا ميكند. در مرحله بعد در اثر افزايش يك مول الكترون دوست (R-X) حمله از طريق كربن صورت ميگيرد. بار منفي كربوكسيلات توسط دو فرم رزونانسي همارز پايدار ميشود. ولي بار منفي روي كربن متيلني توسط دو فرم رزونانسي ناهم ارز پايدار شده است، که به اندازه آنيون کربوکسيلات پايدار نيست. از طرفي به علت الکترونگاتيوي پايين کربن نسبت به اکسيژن، بار منفي روي کربن متيلني فعالتر بوده و حمله هسته دوست را انجام ميدهد.
واكنشگر هاي گزينش پذير اين معرفها با توجه به فعاليت سابستريت، نوع حد واسط تشكيل شده و فعاليت خود معرف، واكنش خاصي را انجام مي دهند. يکي از معرفهاي گزينشپذير MnO2 ميباشد، اين تركيب يك اكسنده ملايم بوده و فقط قادر به اكسايش گروههاي هيدروكسي آليلي، پروپارژيلي، بنزيلي و صرفا تا مرحله آلدهيدي ميباشد. و روي ساير گروه هاي هيدروکسي تاثيري ندارد. • الكل آليلي: الكل پروپارژيلي: الكل بنزيلي:
در طرح فوق روش هائي جهت اكسايش گزينشي گروه هيدروكسيل در موقعيت بنزيلي در حضور گروه هيدروكسي غير بنزيلي آورده شده است. اكسنده هاي HIO4، HIO3 و تري كلرو سيانوريك اسيد در حضور مقادير كاتاليزوري پتاسيم برميد به صورت كاملا گزينشي واكنش اكسايش را انجام مي دهند.
N- پيريدين اكسايد، كربن هاي بنزيليك و آليليك، هر دو واكنش هاي SN1 و SN2 را به خوبي انجام مي دهند. بنابراين حمله به كربن پر استخلاف تر در استايرن اكسيد صورت پذيرفته است.
نكته: يك واكنش جالب جهت تهيه آلدئيدها از آلكيل هاليدهاي نوع اول بنزيلي و ... ، استفاده از پيريدين N- اُكسايد مي باشد. در اين واكنش آلكيل هاليد مورد حمله الكترون دوستي اكسيژن N- اكسايد قرار مي گيرد و نمك N- آلكوكسي پيريدينيوم تشكيل مي شود كه تحت تاثير باز يا حرارت آلدئيدها را توليد مي كند.
واكنشگر دي اكسيد سلنيم SeO2 براي اكسايش گروه هاي متيلني فعال به گروه هاي كربونيل بكار گرفته مي شود. مكانيسم اين واكنش از طريق حمله گروه متيلني فعال به صورت هسته دوست به SeO2 مي باشد. روش ديگر تهيه α- دي کتون ها :
