Mechanismy organických reakcí

1. Mechanismy organických reakcí mirka.rovenska@lfmotol.cuni.cz

2. Typy organických reakcí • Substituce – náhrada atomu/ů v molekule jiným(i) • Adice – přeměna násobných vazeb na jednoduché • Eliminace – z molekuly se odštěpují dva atomy (dvě skupiny) • Přesmyk – v molekule dochází k přeskupení atomů a vazeb a vzniká izomerní produkt

3. Mechanismus • Reakce může probíhat: • homolytickým mechanismem – každý fragment má jeden elektron, tzn. vystupují zde radikály: A–B  A• + B• • heterolytickým mechanismem – oba vazebné elektrony zůstávají jednomu z fragmentů, tzn. vystupují zde ionty: A–B  A+ + :B–

4. Činidla • Radikálová – mají nepárový elektron (Cl•) • Iontová: • nukleofilní – mají elektronový pár, který vnáší do substrátu s nedos-tatkem elektronů: • i) anionty (H–, OH–) • ii) neutrální molekuly (NH3, HOH) • elektrofilní – elektronově deficitní, takže vyhledávají v substrátu místa s vyšší elektronovou hustotou: • i) kationty (Br+) • ii) neutrální molekuly (např. Lewisovy kyseliny: AlCl3)

5. Lewisovy kyseliny a zásady • Lewisova báze: látka s volným elektronovým párem • Např. amoniak: NH3 • Lewisova kyselina: látka s elektronovou mezerou, na kterou se může napojit látka s volným elektronovým párem • Např.: AlCl3, FeCl3 – důležité katalyzátory (generují ionty): CH3–Cl + AlCl3 CH3+ + AlCl4- ••

6. Radikálová substituce - např.: peroxidace lipidů: • 1.Iniciace – tvorba radikálů: H2O  OH• + H• • 2.Propagace – radikál napadá substrát za tvorby nové molekuly a dalšího radikálu atd.: CH3CH2R + •OHCH3CHR CH3C–O–O• • 3.Terminace – reakce končí spojením (tj. zánikem) radikálů H R O2 • -H2O mastná kyselina CH3CH2R CH3CHR + CH3C–OOH • H R

7. Elektrofilní substituce • Činidlo s elektronovým deficitem reaguje s elektronově bohatým substrátem; původně vazebný elektronový pár zůstává substrátu, odštěpuje se kation (proton): R–X + E+ R–E + X+ • Charakteristická pro aromatické sloučeniny (elektronově bohatý aromatický kruh): • chlorace • nitrace etc.

8. Aromatická elektrofilní substituce s využitím Lewisových kyselin • Halogenace: • Často – připojení alkyluna benzenové jádro(Friedelova-Craftsova alkylace):

9. δ+ <δ+ <δ+ δ- CH3 CH2 CH2 Cl δ+ H CH3 δ+ δ- H C CH3 C δ+ H CH3 Indukční efekt • Trvalý posun vazebných elektronů  v molekule složené z atomů s rozdílnou elektronegativitou: • -I vyvolávají atomy/skupiny s velkou elektronegativitou, které přitahují σelektrony ze svého okolí, kde tak snižují el. hustotu: –Cl, –C=O, –NO2: • +I vyvolávají atomy/skupiny s menší elektronegativitou, které jsou induktivními donory elektronů: kovy, alkyly

10. Mezomerní efekt • Trvalý posun elektronové hustoty po vazbách (tzn. ve sloučeninách s násobnými vazbami, nejčastěji aromatických) • Kladný mezomerní efekt (+M) vyvolávají atomy/skupiny s volnými el. páry, které systému poskytují π elektrony: –NH2, –OH, halogeny • Záporný mezomerní efekt (–M) vyvolávají atomy/skupiny, které odčerpávají π elektrony ze systému: –NO2, –SO3H, –C=O

11. Aktivující/deaktivující skupiny • Pokud indukční a mezomerní efekt působí proti sobě, převládne ten silnější z nich • Podle toho je skupina navázaná na aromatickém kruhu: • aktivující – ve výsledku dodává elektrony do aromatického jádra, a tím usnadňuje elektrofilní substituci • a) +M >– I… –OH, –NH2 • b) jen +I…alkyly • deaktivující – ve výsledku odtahuje elektrony z aromatického jádra, a tím elektrofilní substituci zpomaluje: • a) –M a –I… –C=O, –NO2 • b) – I > +M…halogeny

12. Elektrofilní substituce & M, I- efekt • Substituenty s +M nebo +I efektem (aktivující skupiny, halogeny) vázané na aromatický kruh řídí vstup dalšího substituentu do polohy ortho, para: • Substituenty s –M a –I efektem (–C=O, –NO2) řídí vstup dalšího substi-tuentu do polohy meta:

13. + Nukleofilní substituce • Činidlo přináší do substrátu volný el. pár a nahrazovaný atom (skupina) se odštěpuje rovněž s el. párem: |Nu– + R–Y  Nu–R + |Y– • Jedná se o typickou reakci halogenalkanů: • Nukleofily: HS–, HO–, Cl– vzniká alkohol

14. Radikálová adice • Opět: iniciace (vznik radikálů), propagace (radikály napadají neutrální molekuly za vzniku dalších radikálů), terminace (ukončení řetězové reakce vzájemnou reakcí radikálů za vzniku stabilního produktu) • Např.: polymerace ethylenu katalyzovaná dibenzoylperoxidem:

15. Elektrofilní adice • Elektrofil tvoří kovalentní vazbu útokem na elektronově bohatou nenasycenouvazbu C=C • Reakce je typická pro násobné vazby alkenů a alkinů • Markovnikovo pravidlo: kladnější část činidla (v příkladu vodík) se aduje na uhlíkový atom dvojné vazby s větším počtem vodíků (menším počtem substituentů):

16. Nukleofilní adice • U sloučenin se silně polárními násobnými vazbami – typicky u sloučenin s karbonylovou skupinou, v níž je na atomu uhlíku +: • Nukleofily – voda, alkoholy, karbanionty – se adují na uhlík (δ+) karbonylové skupiny: metoda přípravy alkoholů

17. hemiacetal Hemiacetaly • Nukleofilní adicí alkoholu na karbonylovou skupinu vzniká hemiacetal: • V biochemii tvoří hemiacetaly monosacharidy: hemiacetalovéformy glukosa

18. 2-fosfoglycerát fosfoenolpyruvát Eliminace • Nejčastěji se obě skupiny odštěpují ze sousedních atomů uhlíku a vzniká násobná vazba – jde o tzv. -eliminaci • Eliminace vody = dehydratace; používá se k přípravě alkenů: • V biochemii – např. v glykolýze: – H2O

19. (keto forma) Přesmyk • V biochemii často přesun vodíku měnící polohu dvojné vazby • Keto-enol tautomerie karbonylových sloučenin: vzájemná přeměnamezi ketoformou a enolformou: • Např.: izomerizace monosacharidů:

20. Kontrolní otázky • 1. Jaký bude hlavní produkt sulfonace toluenu do 1. stupně? • 2. Jaký produkt očekáváte při bromaci kys. p-methylbenzoové? • 3. Co vzniká adicí HBr na 1-methylcyklohexen? • 4. Co vzniká reakcí ethylbromidu s KOH? • 5. Napište enolformu cyklohexanonu