Uniwersytet Medyczny im. Piastw lskich we Wrocawiu

Wydzia Farmaceutyczny z Oddziaem Analityki Medycznej

Katedra i Zakad Chemii Organicznej

PREPARATYKA ORGANICZNA

Skrypt dla studentw Farmacji

Uniwersytetu Medycznego

we Wrocawiu

Wrocaw 2014

2

Autorzy:

mgr Ewa Drozd-Szczygie

dr Henryk Mastalarz

dr Marcin Mczyski

dr in. Beata Tyliska

mgr Aleksandra Sochacka-wika

Opracowanie merytoryczne:

prof. dr hab. Stanisaw Ryng

UWAGI DO CZYTELNIKW

Przy przygotowaniu materiau do niniejszego skryptu autorzy zaoyli, e Czytelnik

zaznajomiony jest z podstawami teorii orbitali atomowych i czsteczkowych, teori wizania

chemicznego oraz termodynamik i kinetyk reakcji chemicznej. Zagadnienia te, cho niezwykle

istotne dla zrozumienia podstawowych zasad chemii organicznej, zostay pominite. Nie opisano take

zagadnie zwizanych z nomenklatur zwizkw organicznych, z ktrej podstawami student powinien

zapozna si samodzielnie.

Na kolokwiach i przy egzaminie standardem jest wymaganie, aby student prawidowo napisa

rwnanie kadej reakcji z uwzgldnieniem wspczynnikw stechiometrycznych oraz wszystkich jej

produktw, nawet takich jak woda. W obecnej wersji skryptu niektre schematy tego wymogu nie

speniaj, dlatego student powinien zwrci uwag na te niedokadnoci i uzupeni je samodzielnie.

Skrypt tylko do uytku wewntrznego studentw UMED.

3

SPIS TRECI

REAKCJA CHEMICZNA W CHEMII ORGANICZNEJ ................................................................. 7

Termodynamiczne uwarunkowania reakcji chemicznych ................................................................... 9

Uwarunkowania kinetyczne ............................................................................................................... 11

Kinetyczna lub termodynamiczna kontrola reakcji chemicznych ...................................................... 12

KARBOKATIONY, KARBOANIONY, WOLNE RODNIKI I KARBENY .................................. 14

Karbokationy ...................................................................................................................................... 14

Tworzenie si karbokationw ........................................................................................................ 15

Reaktywno karbokationw ......................................................................................................... 15

Karboaniony ....................................................................................................................................... 16

Tworzenie si karboanionw ......................................................................................................... 18

Reaktywno karboanionw .......................................................................................................... 18

Wolne rodniki ..................................................................................................................................... 19

Tworzenie si wolnych rodnikw .................................................................................................. 19

Reaktywno wolnych rodnikw ................................................................................................... 20

Karbeny .............................................................................................................................................. 21

Tworzenie si karbenw ................................................................................................................ 22

Reaktywnos karbenw ................................................................................................................. 22

WPYW STRUKTURY ZWIZKW ORGANICZNYCH NA ICH REAKTYWNO .......... 24

Efekt indukcyjny ................................................................................................................................ 24

Efekt mezomeryczny (rezonansowy) ................................................................................................. 26

Hiperkoniugacja (nadsprzenie) ....................................................................................................... 28

Efekty steryczne ................................................................................................................................. 29

Inne czynniki ...................................................................................................................................... 29

REAKCJE PRZYCZANIA (ADDYCJI) DO WIZA WIELOKROTNYCH WGIEL-

WGIEL ................................................................................................................................................ 30

4

Reaktywno wiza wielokrotnych .................................................................................................. 32

Regioselektywno reakcji przyczania ............................................................................................ 33

Reakcje ............................................................................................................................................... 34

REAKCJE PRZYCZANIA (ADDYCJI) DO WIZA WIELOKROTNYCH WGIEL-

HETEROATOM ................................................................................................................................... 39

EFEKT PODSTAWNIKOWY W PIERCIENIACH AROMATYCZNYCH ............................... 45

REAKCJE AROMATYCZNEJ SUBSTYTUCJI ELEKTROFILOWEJ....................................... 49

Reakcja halogenowania benzenu........................................................................................................ 50

Reakcje nitrowania zwizkw aromatycznych .................................................................................. 53

Reakcje sulfonowania zwizkw aromatycznych .............................................................................. 55

Reakcje alkilowania zwizkw aromatycznych ................................................................................. 56

Reakcje acylowania zwizkw aromatycznych ................................................................................. 57

ZWIZKI METALOORGANICZNE ................................................................................................ 59

Organiczne zwizki litu ...................................................................................................................... 59

Organiczne zwizki magnezu ............................................................................................................. 61

Organiczne zwizki cynku ................................................................................................................. 64

Organiczne zwizki sodu ................................................................................................................... 64

REAKCJE ALIFATYCZNEJ SUBSTYTUCJI NUKLEOFILOWEJ ............................................ 67

Reakcje SN1 ........................................................................................................................................ 67

Reakcje SN2 ........................................................................................................................................ 68

REAKCJE AROMATYCZNEJ SUBSTYTUCJI NUKLEOFILOWEJ ......................................... 70

ALKOHOLE I FENOLE ..................................................................................................................... 73

Waciwoci kwasowe i zasadowe alkoholi i fenoli .......................................................................... 73

Najwaniejsze reakcje alkoholi i fenoli ............................................................................................. 75

Metody otrzymywania alkoholi i fenoli ............................................................................................. 80

Otrzymywanie fenoli .......................................................................................................................... 82

5

ETERY I EPOKSYDY ......................................................................................................................... 83

Najwaniejsze reakcje eterw i epoksydw ....................................................................................... 83

Metody otrzymywania eterw ............................................................................................................ 85

SYNTEZY OPARTE NA REAKCJACH KONDENSACJI ............................................................. 87

Kondensacja aldolowa (ketolowa) ..................................................................................................... 88

Kondensacja Perkina .......................................................................................................................... 92

Kondensacja Claisena ........................................................................................................................ 93

Kondensacja Dieckmanna .................................................................................................................. 95

Synteza Skraupa ................................................................................................................................. 96

AMINY W SYNTEZIE ORGANICZNEJ .......................................................................................... 98

Otrzymywanie amin ........................................................................................................................... 98

Reakcja acylowania amin ................................................................................................................. 100

SOLE DIAZONIOWE W SYNTEZIE ORGANICZNEJ ............................................................... 102

Wymiana grupy diazoniowej............................................................................................................ 103

Reakcja sprzgania diazoniowego.................................................................................................... 105

UTLENIANIE ZWIZKW ORGANICZNYCH.......................................................................... 107

Reakcje utleniania wglowodorw .................................................................................................. 109

Reakcje utleniania alkoholi i fenoli .................................................................................................. 115

Reakcje utleniania aldehydw .......................................................................................................... 118

Reakcje utleniania ketonw ............................................................................................................. 119

Reakcje utleniania amin i zwizkw nitrozowych ........................................................................... 121

Reakcje utleniania aromatycznych zwizkw heterocyklicznych ................................................... 122

REDUKCJA ZWIZKW ORGANICZNYCH ............................................................................. 125

Metody redukcji ............................................................................................................................... 125

Ugrupowania ulegajce redukcji ...................................................................................................... 127

Reakcje redukcji wiza wielokrotnych pomidzy atomami wgla ............................................ 128

6

Reakcje redukcji grupy karbonylowej ......................................................................................... 131

Reakcje redukcji grupy karboksylowej oraz jej pochodnych ...................................................... 135

Reakcje redukcji zwizkw nitrowych ........................................................................................ 137

KWASY KARBOKSYLOWE I ICH POCHODNE W SYNTEZIE ORGANICZNEJ ............... 140

Kwasy karboksylowe ....................................................................................................................... 140

Waciwoci kwasowo-zasadowe grupy karboksylowej ............................................................. 140

Reakcje kwasw karboksylowych ............................................................................................... 141

Otrzymywanie kwasw karboksylowych .................................................................................... 144

Pochodne kwasw karboksylowych ................................................................................................. 147

Halogenki acylowe ...................................................................................................................... 147

Bezwodniki kwasowe .................................................................................................................. 151

Estry kwasw karboksylowych ................................................................................................... 153

Amidy .......................................................................................................................................... 158

Nitryle ............................................................................................................................................... 160

Reakcje nitryli .............................................................................................................................. 161

Otrzymywanie nitryli ................................................................................................................... 162

PRZEPISY PREPARATYWNE ........................................................................................................ 164

7

REAKCJA CHEMICZNA W CHEMII ORGANICZNEJ

Dr Henryk Mastalarz

Reakcj chemiczn nazywamy proces przebiegajcy z wytworzeniem lub rozerwaniem

co najmniej jednego wizania chemicznego. W przypadku zdecydowanej wikszoci reakcji

organicznych pocztkowe stadium polega na rozerwaniu przynajmniej jednego wizania

kowalencyjnego. Rozrniamy trzy gwne sposoby rozerwania takiego wizania a mianowicie:

homolityczne, czyli takie, w ktrym kady z fragmentw czsteczki powstaych po rozerwaniu

wizania dysponuje jednym elektronem, tworzcym uprzednio to wizanie; powstae w wyniku

tego procesu ugrupowania atomw nazywamy wolnymi rodnikami;

heterolityczne, czyli takie, w wyniku ktrego caa para elektronowa tworzca uprzednio wizanie

pozostaje przy jednym z fragmentw czsteczki. Ten produkt, ktry jest nonikiem pary

elektronowej nazywamy czynnikiem nukleofilowym a produkt bdcy potencjalnym akceptorem

pary elektronw- czynnikiem elektrofilowym;

pericykliczne, czyli zachodzce rwnoczenie z tworzeniem si innego, nowego wizania.

Gdy reakcja polega na tworzeniu si nowego wizania chemicznego wtedy jednego z jej

partnerw okrela si jako czynnik atakujcy a drugiego jako substrat. Substratem jest nazywana

zawsze ta czsteczka (jon, rodnik), ktry dostarcza atomu wgla do nowo utworzonego wizania. Gdy

reakcja polega na utworzeniu wizania wgiel-wgiel wtedy wybr czsteczki substratu jest spraw

umown.

Reakcje, w ktrych czynnikiem atakujcym jest nukleofil nazywamy reakcjami

nukleofilowymi (np. podstawienie nukleofilowe) a reakcje spowodowane atakiem czynnika

elektrofilowego- reakcjami elektrofilowymi (np. addycja elektrofilowa). Mechanizm reakcji

przebiegajcej z udziaem wolnych rodnikw nosi nazw rodnikowego a gdy tworzenie i rozrywanie

wiza zachodzi rwnoczenie wtedy mwimy o mechanizmie pericyklicznym.

Wikszo reakcji opisywanych w chemii organicznej to reakcje tzw. zoone, czyli takie, ktre

mona zapisa jako cig przebiegajcych sekwencyjnie reakcji prostych. Mimo i w chemii

organicznej znana jest ogromna liczba reakcji chemicznych to prawie wszystkie mona

przyporzdkowa jednemu z szeciu gwnych kategorii okrelonych wedug ich tzw. mechanizmu,

czyli ustalenia sekwencji reakcji prostych, ktre s jej skadnikami oraz opisu tworzcych si w czasie

jej trwania produktw porednich i ubocznych. S to:

1. Reakcje podstawienia (substytucji)

8

a) elektrofilowego

A X Y A Y X+ +

b) nukleofilowego

A X Y A Y X+ +

c) rodnikowego

A X Y A Y X + +

2. Reakcje przyczania (addycji) do wiza wielokrotnych

a) elektrofilowego

A X Y W A X

Y

W A X

Y

W

+ +

b) nukleofilowego

A X Y W A X

Y

W A X

Y

W

+ +

c) rodnikowego

A X Y W A X

YW

A X

Y

W

CH3

CH3

YW Y + +

-+

d) reakcja przyczania jednoczesnego (pericyklicznego)

A X

YWA X

YW

Na podanym przykadzie skadniki reakcji jednoczesnej A i W wchodz w skad tej samej

czsteczki, ale rwnie dobrze mog pochodzi od dwch rnych moleku.

9

3. Reakcje -eliminacji

A X

Y

W

A X W+

Y+ +

4. Reakcje przegrupowania

a) elektrofilowego (rzadko spotykane)

A X

W

A X

W

b) nukleofilowego (najczciej spotykane)

A X

W

A X

W

c) rodnikowego

A X

W

A X

W

5. Reakcje utlenienia/redukcji

Wikszo reakcji utleniania i redukcji zachodzi wedug mechanizmw opisanych powyej, ale

niektre nie daj si wpisa w ten schemat.

6. Reakcje bdce kombinacj powyszych procesw

UWAGA- strzaki na powyszych rysunkach oznaczaj zawsze przesunicie elektronw(u)

a nigdy jder atomowych ani adnego innego elementu czsteczki.

Termodynamiczne uwarunkowania reakcji chemicznych

Reakcja chemiczna zachodzi samorzutnie tylko wtedy, gdy sumaryczna entalpia swobodna

produktw jest mniejszy ni sumaryczna entalpia swobodna substratw (G reakcji musi mie warto

ujemn). Skadnikami entalpii swobodnej s entalpia i entropia reakcji wedug zalenoci

G= H- TS.

10

Zmiana entalpii reakcji jest w gruncie rzeczy rnic midzy entalpiami wiza (w tym entalpii

rezonansu czy solwatacji) midzy substratami a produktami, zatem moliwe jest jej obliczenie. Inaczej

jest ze zmian entropii, bdcej miar nieuporzdkowania (przypadkowoci) ukadu na zasadzie

im mniej uporzdkowania tym wysza entropia. Zgodnie z prawami przyrody preferowanym stanem

ukadu jest ten o moliwie maej sumarycznej entalpii oraz moliwie duej sumarycznej entropii

i reakcje chemiczne rwnie podlegaj tej zalenoci. W wielu przypadkach zmiany entropii ukadu

w wyniku reakcji s niewielkie, zatem za samorzutny jej przebieg odpowiedzialna jest w gwnej

mierze zmiana entalpii, jednake niekiedy czynnikiem dominujcym staj si efekty entropowe. Oto

kilka najpowszechniej spotykanych przykadw na potwierdzenie tej tezy:

1. Z reguy entropia gazw jest wiksza ni cieczy, za najmniejsz entropi wykazuj ciaa stae.

Zatem preferowana termodynamicznie jest kada reakcja, w ktrej np. substratami s ciecze

a co najmniej jeden z produktw jest gazowy.

2. Efekt entropowy reakcji, w ktrej liczba czsteczek substratw jest rwna lub mniejsza liczbie

czsteczek produktw (np. A+BC+D) jest zwykle niewielki w porwnaniu z reakcjami,

w ktrych liczba czsteczek produktw przewaa (np. AB+C). Zatem preferowane przez

czynnik entropowy s np. te reakcje, w ktrych dochodzi do fragmentacji czsteczki substratu na

dwie lub wicej czci. Warto przy tym zauway, e reakcje, w ktrych liczba moleku substratw

jest znacznie wiksza ni liczba produktw wykazuj spadek entropii, ktry musi by

z naddatkiem skompensowany przez zmniejszenie entalpii, aby reakcja taka moga zachodzi

samorzutnie.

3. Mimo i reakcje, w ktrych czsteczka rozpada si na dwa lub wicej fragmentw maj dodatni

efekt entropowy to wiele z nich nie zachodzi z powodu znacznego wzrostu entalpii. Przykadem

moe by rozpad etanu na dwa rodniki metylowe- rozerwaniu ulega wizanie C-C o energii ok. 79

kcal/mol a nie powstaje adne nowe wizanie, aby skompensowa tak znaczny wzrost entalpii.

Niemniej etan w rzeczywistoci ulega rozpadowi w bardzo wysokich temperaturach; w myl

zasady zmiany entropii s tym istotniejsze im bardziej wzrasta temperatura ukadu. Dzieje si

tak, poniewa czynnik entalpowy nie zaley od temperatury, podczas gdy skadnik entropowy

entalpii swobodnej maleje wprost proporcjonalnie do wzrostu temperatury absolutnej.

11

Uwarunkowania kinetyczne

Fakt, e dany proces chemiczny ma ujemn sumaryczn entalpi swobodn nie oznacza

automatycznie, e reakcja taka musi zaj w dajcym si przewidzie przedziale czasowym. Ujemna

warto G jest tu wprawdzie warunkiem koniecznym, lecz bynajmniej nie wystarczajcym.

Przykadowo reakcja H2+1/2O22H2O ma du ujemn warto Greakcji a mimo

to mieszanina tlenu z wodorem moe by przechowywana przez wiele stuleci bez adnych widocznych

oznak jej przebiegu. Dzieje si tak dlatego, e aby reakcja chemiczna zasza, trzeba najpierw

dostarczy jej energii pocztkowej zwanej entalpi swobodn aktywacji (Gakt). Ilustruje to wykres 1,

przedstawiajcy profil energetyczny prostej reakcji przebiegajcej bez tworzenia si produktw

porednich.

Wykres 1. Typowy profil energetyczny reakcji, ktrej produkty maj sumaryczn enegi swobodn

nisz ni substraty.

Gdy reakcja dojdzie do punktu odpowiadajcemu maksimum krzywej, pooenia wszystkich

atomw i elektronw biorcych w niej udzia nazywamy stanem przejciowym. Stan przejciowy moe

mie cile okrelon geometri i rozkad adunkw, ale trwa niemierzalnie krtko. Cay ukad

znajdujcy si w tym punkcie nazywamy kompleksem aktywnym, jego energi swobodn oznaczono

jako Gkpl.

Entalpia swobodna aktywacji skada si, podobnie jak kada entalpia swobodna zgodnie z jej

definicj, ze skadnika entalpowego i entropowego Gakt= Hakt-TSakt.

Entalpia aktywacji moe by zdefiniowana jako rnica midzy energi wiza w wyjciowych

czsteczkach a energi wiza ukadu w stanie przejciowym. Obrazuje ona konieczno czciowego

lub cakowitego zerwania wiza chemicznych w celu osignicia przez ukad stanu przejciowego.

12

Analogicznie entropi aktywacji zdefiniowa mona jako rnic entropii midzy substratami

reakcji a stanem przejciowym. Czynnik entropowy staje si istotny np. gdy do zajcia reakcji

niezbdne jest uoenie si dwch czsteczek w cile okrelonej orientacji przestrzennej. Czynnik ten

jest np. przyczyn trudnoci w przeprowadzeniu reakcji cyklizacji z utworzeniem piercieni wikszych

ni szecioczonowe.

Kinetyczna lub termodynamiczna kontrola reakcji chemicznych

W przypadku licznych reakcji organicznych substraty ulega mog, w zalenoci od warunkw

ich prowadzenia, rnym reakcjom konkurencyjnym dajcym w rezultacie kocowym odmienne

produkty. Oto najprostszy przykad tego typu reakcji:

CAB

Wykres 2 przedstawia jej przykadowy profil energetyczny:

Wykres 2. Profil energetyczny reakcji konkurencyjnych, ilustrujcy zjawisko kontroli

termodynamicznej i kontroli kinetyczej powstajcego produktu.

Produkt B jest produktem trwalszym termodynamicznie (GB< GC), lecz produkt C szybciej

si tworzy gdy ma mniejsz entalpi swobodn aktywacji. Jeeli adna z konkurencyjnych reakcji nie

jest odwracalna zwizek C bdzie si tworzy w wikszych ilociach. Innymi sowy powstawanie

produktu C jest kontrolowane kinetycznie. Gdyby jednak obie reakcje byy odwracalne sytuacja

mogaby okaza si odmienna. Oczywicie zatrzymanie obu reakcji zanim ukad osignie stan

13

rwnowagi nadal pozwolioby uzyska wicej szybko tworzcego si produktu C, lecz przeduenie

czasu ich trwania do momentu osigniecia stanu rwnowagi (lub nawet duej) spowodowaoby

otrzymanie wikszej iloci zwizku B, w skrajnym przypadku mgby on nawet by jedynym

wydzielonym produktem. Powstawanie produktu B okrela si czsto jako kontrolowane

termodynamicznie.

Literatura:

1. Michael B. Smith ,,Marchs Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms and Structure

7th Edition, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey 2013

14

KARBOKATIONY, KARBOANIONY, WOLNE RODNIKI I KARBENY

Dr Henryk Mastalarz

Zapocztkowanie reakcji organicznej rwnoznaczne jest z reguy z dostarczeniem takiej iloci

energii, ktra umoliwi powstanie krtko yjcych produktw porednich, w ktrych jeden z atomw

wgla ma wartociowo 2 lub 3. Wrd zwizkw wgla znane s cztery typy takich nietrwaych

produktw porednich: karbokationy, karboaniony, wolne rodniki i karbeny. Wrd nich jedynie

w karboanionach atom wgla dysponuje penym oktetem elektronw walencyjnych.

RC

+

R2

R1

RC

R2

R1

RC R1

RC

R2

R1

karbokation karboanion wolny rodnik karben

Schemat 1

Karbokationy

Karbokationy powstaj jako nietrwae produkty porednie w wielu reakcjach organicznych.

Najbardziej stabilne udaje si nawet niekiedy otrzyma w postaci staych soli, w roztworach mog

istnie zarwno jako wolne jony jak i jako pary jonowe. Te ostatnie dominuj zwaszcza

w rozpuszczalnikach niepolarnych. Z punktu widzenia teorii Lewisa karbokationy s kwasami.

Generalnie trwao prostych karbokationw zmienia si w sposb nastpujcy:

pierwszorzdowe

15

(a wic trudno tworzcych si) karbokationw nale metylowy CH3+, winylowy CH2=CH+ oraz

fenylowy C6H5+. Poniewa centralny atom wgla w karbokationach tworzy jedynie trzy wizania

chemiczne i nie posiada adnych innych elektronw walencyjnych, jego hybrydyzacja to sp2

a geometrycznie karbokation jest paskim trjktem.

Tworzenie si karbokationw

Znanych jest kilka podstawowych metod generowania karbokationw; zarwno tych trwaych

jak i nietrwaych. Najwaniejsze z nich to:

1. Bezporednia jonizacja- proces, w ktrym grupa funkcyjna poczona z atomem wgla

odchodzi wraz z wica par elektronow:

R-X R+ + X-

Przykadem tego typu reakcji moe by solwoliza niektrych halogenkw, siarczanw

i sulfonianw alkilowych.

2. Jonizacja zapocztkowana reakcj, ktra przeksztaca grup funkcyjn w tzw. grup

odchodzc. Przykadem moe tu by protonowanie alkoholi z wytworzeniem jonw

oksoniowych lub przeksztacanie amin I-rzdowych w sole diazoniowe:

R-OH + H+ R-OH2+ R+ + H2O

R-NH2 + HONO H2O + R-N2+ + OH- R+ + N2

3. Protonowanie alkenw lub alkinw, np:

R-CH=CHR + H+ R-CH2-CH+-R

4. Protonowanie (lub przyczenie innego naadowanego dodatnio czynnika) do wizania

podwjnego wgiel- heteroatom C=X (X to zazwyczaj O, S lub N):

RRC=X + H+ RRC+-XH

Reaktywno karbokationw

Karbokationy ulegaj zasadniczo czterem typom reakcji chemicznych.

1. Mog reagowa z innymi czsteczkami atomami posiadajcymi niewice pary elektronowe

(zasadami Lewisa), czyli z nukleofilami.

16

R+ + Y- R-Y

Reakcje tego typu s bardzo szybkie, ich stae szybkoci s rzdu 1012 s-1.

2. Mog oddawa protony (rzadziej inne dodatnio naadowane jony) z utworzeniem obojtnych

elektrycznie czsteczek:

C+

HA AH

++

Oba powysze typy reakcji prowadz do utworzenia stabilnych produktw. Dwie kolejne

reakcje polegaj na utworzeniu karbokationw o innej budowie

3. Mog ulega przegrupowaniom:

Przegrupowania polegaj zwykle na migracji atomu wodoru (rzadziej grupy alkilowej czy

arylowej) wraz z wic par elektronow na centralny, dodatnio naadowany atom karbokationu,

co prowadzi do przemieszczenia adunku dodatniego w obrbie jego czsteczki. Typowym przykadem

jest tu przegrupowanie I-rzdowego karbokationu alkilowego do trwalszego, II-rzdowego, np:

CH3 CH2+

HH

CH3C

+

CH3

H

4. Mog ulega przyczaniu do wiza wielokrotnych, wytwarzajc adunek dodatni w nowym

pooeniu:

R+ C

+R+

Oczywicie nowe karbokationy, powstajce w wyniku reakcji 3 lub 4, bd ulega dalszym

reakcjom tak dugo dopki nie utworz stabilnej struktury; zazwyczaj odbywa si to na drodze reakcji

typu 1 lub 2.

Karboaniony

Z formalnego punktu widzenia karboanion to trjwizalny atom wgla posiadajcy woln,

niewic par elektronw i obdarzony adunkiem -1. W rzeczywistoci jedynie nieliczne

karboaniony nie maj w swojej strukturze dodatkowej grupy funkcyjnej, stabilizujcej adunek

ujemny. Czynnikiem stabilizujcym moe tu by zarwno delokalizacja adunku w wyniku rezonansu

17

jak i nakadanie si niewicej pary elektronowej karboanionu z orbitalami d ssiedniego atomu lub

z innymi niezapenionymi orbitalami atomu metalu.

Z powodu posiadania wolnej pary elektronowej kady karboanion jest zasad Lewisa.

Tworzenie prostych alkilowych karboanionw jest procesem stosunkowo rzadkim, o wiele

czciej zdarza si tworzenie wizania spolaryzowanego wizania wgiel-metal, w ktrym atom wgla

jest nonikiem czstkowego adunku ujemnego. Czsteczki zwizkw organicznych zawierajce

w swojej strukturze wizania wgiel-metal nazywamy zwizkami metaloorganicznymi (patrz str. 59).

Zwizki te o wzorze oglnym R3C-M (gdzie M to zazwyczaj atom litu, magnezu, rzadziej

innego metalu) traktowa mona jako namiastki karboanionw, bowiem znaczna wikszo ich reakcji

przebiega tak jakby byy rdami karboanionw. W odrnieniu od karbokationw proste

karboaniony alkilowe s bardzo niestabilne zarwno w roztworze jak i w fazie gazowej, dopiero

pewne szczeglne cechy struktury mog ow stabilno zwikszy. Najwaniejsze z nich to:

1. Sprzenie wolnej pary elektronowej z ukadem wiza wielokrotnych

C

R

Y R1

R2 R

Y R1

R2

W tym przypadku karboanion jest stabilizowany przez rezonans z elektronami wizania

wielokrotnego. Efekt ten odpowiedzialny jest za stabilno karboanionw typu benzylowego

i allilowego. Jeszcze silniejszy efekt stabilizujcy obserwuje si w przypadku sprzenia wolnej pary

elektronowej karboanionu z wizaniami podwjnymi typu C=N i C=O

2. Zwikszony udzia orbitalu s w hybrydyzacji karboanionowego atomu wgla, w wyniku czego

jego niewica para elektronowa znajduje si bliej jdra atomowego.Tak tumaczy si np.

malejc stabilno karboanionw w szeregu:

C CR C CH

R1

R2

Ar R CH2> ~ >

3. Stabilizacja w wyniku efektu indukcyjnego. Podstawniki elektroujemne generalnie zwikszaj

stabilno karboanionw dziki zwikszonej moliwoci delokalizacji adunku ujemnego.

4. Niektre karboaniony s szczeglnie stabilne gdy dziki adunkowi ujemnemu uzyskuj

aromatyczno. Najbardziej znanym przykadem jest tu anion cyklopentadienylowy:

18

CH

Struktura geometryczna prostych karboanionw jest prawdopodobnie tetraedryczna, jednak

wikszo obserwowanych karboanionw jest stabilizowana przez rezonans (np. jak w pkt. 1

powyej), co powoduje znaczne spaszczenie ich czsteczek.

Tworzenie si karboanionw

Znane s dwa gwne sposoby generowania karboanionw:

1. Oderwanie dodatnio naadowanej grupy funkcyjnej od atomu wgla; odchodzc grup

funkcyjn jest z reguy proton a czynnikiem odrywajcym odpowiednia zasada:

R-H R- + H+

2. Przyczenie anionu do wizania wielokrotnego wgiel-wgiel:

Y C Y+

Reaktywno karboanionw

Karboaniony ulegaj trzem gwnym typom reakcji. S to:

1. Koordynacja woln par elektronow do nonikw adunku dodatniego (najczciej jest nim

proton) lub innych czsteczek z niezapenionym orbitalem na powoce walencyjnej (kwasw

Lewisa):

R- + Y+ R-Y

Reakcj tego typu jest take np. tworzenie wizania z innymi atomami wgla obdarzonymi

czstkowym adunkiem dodatnim.

2. Reakcja z innym czterowizalnym atomem wgla polegajca na zastpieniu jednego

z podstawnikw:

R- + R3C-X R4C + X-

Reakcje tego typu nazywamy podstawieniem (substytucj) nukleofilowym.

19

3. Przyczanie do wiza wielokrotnych (zwykle do wizania podwjnego C=O grupy

karbonylowej) z wytworzeniem innego anionu:

O

RR

OX+ +

Wolne rodniki

Wolne rodniki (nazywane najczciej po prostu rodnikami) mona zdefiniowa jako czsteczki

chemiczne zawierajce w swojej strukturze jeden lub wicej niesparowanych elektronw. Podobnie

jak karboaniony i karbokationy, proste wolne rodniki alkilowe s bardzo reaktywne i nietrwae, ich

czas ycia w roztworach jest czsto niemierzalnie krtki a w fazie gazowej tylko nieco duszy.

Analogicznie jak w przypadku karbokationw, stabilno wolnych rodnikw wzrasta w szeregu:

pierwszorzdowe

20

Niemal kady zwizek organiczny poddany dziaaniu dostatecznie wysokiej temperatury

w fazie gazowej moe by rdem wolnych rodnikw. Dla wiza o energii 20-40 kcal/mol moliwe

jest nawet ich termiczny rozpad w fazie ciekej. Typowymi przykadami tego typu reakcji s rozpady

czsteczek nadtlenkw acylowych oraz azozwizkw pod wpywem temperatury:

R O

O

O R

O

R O

O

R

N N RR R

T2

-CO22

T2 + N2

Schemat 2

2. Fotochemiczny rozpad wizania chemicznego

Typowym przykadem tego typu reakcji mog by fotochemiczny rozpad czsteczek chloru

oraz rozpad ketonw w fazie gazowej:

Cl2 Cl

RR

O

C R

O

R

2

+

Schemat 3

Rodniki tworzy si mog take w wyniku reakcji innych rodnikw z czsteczkami zwizkw

organicznych oraz jako produkty reakcji utleniania bd redukcji, take tych prowadzonych metodami

elektrochemicznymi.

Reaktywno wolnych rodnikw

Reakcje wolnych rodnikw prowadz albo do powstania produktw nierodnikowych (takie

reakcje nazywamy reakcjami terminacji) albo do utworzenia innych rodnikw, ktre z uwagi

na posiadanie niesparowanego elektronu musz ulega kolejnym przeobraeniom (tzw. reakcje

propagacji). Najprostsz reakcj terminacji jest poczenie si dwch wolnych rodnikw w jedn

czsteczk:

21

R + R R-R

Najczciej spotykanymi reakcjami propagacji s:

1. Usunicie innej grupy funkcyjnej lub atomu (zazwyczaj wodoru) z czsteczki zwizku

organicznego, np.:

R + R-H R-H + R

2. Przyczenie rodnika do wizania wielokrotnego

R C R+

3. Rozpad rodnika, np.:

O

O

O

O

PhPh

O

O

Ph

C T2

-CO22

Schemat 4

Karbeny

Karbeny s wysoce reaktywnymi czsteczkami, w ktrych jeden dwuwizalny atom wgla

dysponuje dwoma niewicymi elektronami. Niewice elektrony karbenu mog si znajdowa

na jednym orbitalu (by sparowane) lub na dwch rnych (pozosta niesparowane). Oba te stany

elektronowe nazywamy odpowiednio singletowym, (gdy sumaryczny spin obu elektronw jest rwny

0, zgodnie z regu Hunda), lub trypletowym, (gdy sumaryczny spin obu niesparowanych elektronw

moe przybiera trzy wartoci: -1, 0 lub +1). W zalenoci od metody generowania oraz budowy

otrzyma mona karben w stanie singletowym bd trypletowym. Najprostszy karben :CH2 tzw.

metylen zwykle tworzy si jako czsteczka w stanie singletowym lecz ma tendencj do przechodzenia

w stan tripletowy (o nieco niszej energii), podczas gdy analogiczny dichlorokarben :CCl2 istnieje

wycznie w stanie singletowym.

Geometria czsteczki karbenu nie pozwala rozstrzygn jednoznacznie o hybrydyzacji atomu

wgla. Wyznaczony spektroskopowo kt miedzy wizaniami H-C-H dla metylenu w stanie

singletowym wynosi ok. 103, podczas gdy analogiczny kt midzy wizaniami w metylenie

trypletowym wynosi ok. 136.

22

Tworzenie si karbenw

Karbeny uzyskuje si zazwyczaj przy pomocy jednej z dwch metod:

1. W wyniku tzw. -eliminacji kolejno: podstawnika bez wicej pary elektronowej (zazwyczaj

jest nim proton) a nastpnie drugiego podstawnika wraz z wic par elektronow

(zazwyczaj jest nim jon fluorowca):

H

Cl

R

RC

Cl

R

RC

R

R

-H+ -Cl-

Najbardziej znanym przykadem tego typu reakcji jest generowanie dichlorokarbenu w wyniku

dziaania silnej zasady na chloroform

2. Rozpad niektrych zwizkw zawierajcych wizanie podwjne:

Y C + Y

Przykadami mog tu by fotoliza ketenu lub rozkad diazometanu:

CH2 C O CH2

CH2 N+

N CH2

+ CO

+ N2

Schemat 5

Reaktywnos karbenw

Karbeny mog ulega wielu rnym typom reakcji, wrd ktrych najczciej spotykane s:

1. Przyczanie dowiza wielokrotnych, np.:

H2C:+

Schemat 6

2. Reakcja insercji midzy wizania C-H np.:

23

H2C:CH3CH3CH3

CH3

CH3

CH3 CH3+ +

Schemat 7

Jest to reakcja bardzo charakterystyczna dla karbenw, nie daje jej jednak np. dichlorokarben.

3. Rozmaite reakcje przegrupowania, np.:

CH

CH R

O

O C C CH3H

Schemat 8

Przegrupowanie karbenw acylowych do ketenw nazywane jest przegrupowaniem Wolffa.

4. Odrywanie atomw wodoru od czsteczek zwizkw organicznych z wytworzeniem dwch

rodnikw, np:

CH2 CH3 CH3 CH3

CH3 CH2 + +

Schemat 9

Tak reagowa mog wycznie karbeny w stanie trypletowym ze wzgldu na ich

dwurodnikow struktur elektronow.

Literatura:

1. Michael B. Smith ,,Marchs Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms and Structure

7th Edition, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey 2013

24

WPYW STRUKTURY ZWIZKW ORGANICZNYCH NA ICH

REAKTYWNO

Dr Henryk Mastalarz

Wiele zwizkw organicznych, mimo pozornych podobiestw w budowie, rni si midzy

sob reaktywnoci. Niekiedy rnice te s tak due, e uniemoliwiaj zajcie konkretnej reakcji lub

prowadz do otrzymania zupenie rnych jej produktw. Dzieje si tak, poniewa na reaktywno

atomu (lub atomw) bdcych centrum danej reakcji wpywaj take pozostae atomy czsteczki.

Wpyw struktury zwizku organicznego na jego reaktywno podzieli mona na trzy gwne

typy:

1. efekt indukcyjny oraz cile z nim zwizany tzw. efekt pola (w literaturze anglojzycznej

nazywany field effect);

2. efekt mezomeryczny (rezonansowy);

3. efekty steryczne.

Efekt indukcyjny

Wizanie C-C w etanie jest wizaniem niespolaryzowanym (idealnie kowalencyjnym),

poniewa czy dwa atomy o identycznej elektroujemnoci. Wystarczy jednak podstawi przy jednym

z atomw wgla inny, znacznie rnicy si elektroujemnoci, atom (np. atom chloru), aby

spowodowa czciowe spolaryzowanie takiego wizania. Wizanie C-C w chloroetanie jest wic

czciowo spolaryzowane

+ + -

CH3 CH2 Cl

a jego polaryzacja jest sum dwch efektw:

Pierwszy to zmniejszenie gstoci elektronowej na atomie wgla grupy metylenowej CH2,

bezporednio zwizanym z atomem Cl, spowodowane wiksz elektroujemnoci chloru. Efekt ten jest

czciowo kompensowany nieznacznym przesuniciem elektronw wizania C-C w kierunku atomu C

grupy metylenowej, na ktrym wystpuje deficyt elektronw. Rezultatem jest spolaryzowanie tego

wizania (ma ono charakter tzw. dipola indukowanego) i pojawienie si niedoboru elektronw

(czciowego dodatniego adunku) take na atomie wgla grupy metylowej CH3, niezwizanej

bezporednio z elektroujemnym chlorem.

25

Taka polaryzacja wizania chemicznego spowodowana bliskoci innego wizania

spolaryzowanego nazywana jest efektem indukcyjnym. Efekt ten jest najsilniejszy w przypadku

wiza bezporednio ze sob ssiadujcych, ale moe by take zauwaalny przypadku wiza

bardziej oddalonych; w przypadku chloroetanu daje si np. zauway take nieznaczn polaryzacj

wiza C-H grupy metylowej. Efekt indukcyjny uwaa si za zaniedbywalnie may w przypadku

odlegoci wikszej ni trzy wizania od grupy funkcyjnej powodujcej polaryzacj.

Drugi efekt, oddziaywanie polarnych grup funkcyjnych nie za porednictwem wiza

chemicznych, ale bezporednio przez przestrze, nazywany jest efektem pola. Zwykle rozrnienie

skutkw dziaania kadego z tych efektw z osobna jest trudne, czsto w pimiennictwie chemicznym

s wic one traktowane cznie i nazywane w jzyku polskim efektem indukcyjnym (w literaturze

anglojzycznej efektem pola). Istniej jednak wane powody do twierdzenia, e efekt pola

ma znacznie wikszy wpyw na gsto elektronowej czsteczki ni efekt indukcyjny. Przykadem

szczeglnie silnego efektu pola jest np. wewntrzczsteczkowe wizanie wodorowe.

Wszystkie grupy funkcyjne obecne w czsteczce mona podzieli ze wzgldu na wywierany

efekt indukcyjny na dwie zasadnicze grupy: zabierajce elektrony (-I), wywierajce ujemny efekt

indukcyjny) i oddajce elektrony (+I), wywierajce dodatni efekt indukcyjny); podstaw do takiego

uszeregowania jest zwykle porwnanie wpywu danej grupy funkcyjnej na rozkad elektronw

w czsteczce z wpywem atomu wodoru, ktry uznaje si za pozbawiony efektu indukcyjnego.

Potocznie okrela si grupy funkcyjne jako elektronodonorowe (+I) i elektronoakceptorowe (-I) cho

w rzeczywistej czsteczce nie obserwuje si adnego oddawania ani przyjmowania elektronw ale

raczej znieksztacenie gstoci elektronowej lub zmian jej rozkadu. Terminy oddawanie:

i zabieranie elektronw s jedynie wygodnymi w uyciu okreleniami, przybliajcymi rnic

w rozkadzie elektronw spowodowan rnicami elektroujemnoci midzy danym podstawnikiem

a hipotetycznym atomem H, podstawionym zamiast rozwaanego podstawnika (atomu lub grupy

funkcyjnej). Tabela 1 zawiera najczciej spotykane podstawniki uszeregowane pod wzgldem siy

wywieranego efektu indukcyjnego.

26

+I -I

O- NR3+ COOH OR

COO- SR2+ F COR

CR3 NH3+ Cl SH

CHR2 NO2 Br SR

CH2R SO2R I OH

CH3 CN COOR Ar

Tabela 1. Efekt indukcyjny wybranych podstawnikw w porwnaniu do atomu wodoru. Podstawniki

zostay uszeregowane wedug zmniejszania si wywieranego wpywu.

Wikszo grup funkcyjnych to, w porwnaniu z atomem wodoru, grupy

elektronoakceptorowe. Grupami elektronodonorowymi s przede wszystkim te obdarzone adunkiem

ujemnym, atomy o maej elektroujemnoci (Si, Li, Mg) oraz, w wikszoci przypadkw, grupy

alkilowe. Znanych jest jednak cay szereg reakcji, w ktrych grupy alkilowe wykazuj w porwnaniu

z atomem wodoru, tendencj do zabierania elektronw.

Efekt mezomeryczny (rezonansowy)

Wiele czsteczek zwizkw organicznych moe by z wystarczajc dokadnoci opisanych

przez tzw. struktury Lewisa- diagramy opisujce atomy, wizania oraz niewice pary elektronowe.

Struktury te uwidoczniaj kady atom obecny w czsteczce przez uycie jego symbolu chemicznego,

wizania kowalencyjne midzy atomami wyobraone s w postaci kresek (zamiennie moe by uyta

para kropek) a niewice elektrony walencyjne przedstawia si zwykle w postaci pary kropek

(zamiennie moe by uyta kreska) narysowanych w pobliu atomu, do ktrego nale. Jednak

w przypadku wielu innych czsteczek ta metoda zawodzi z uwagi na obecno w nich tzw. wiza

zdelokalizowanych. Najbardziej znanym przykadem tego typu molekuy jest czsteczka benzenu.

1 2 3 4 5

Schemat 1

Wzory kanoniczne czsteczki benzenu. Strzakami o dwch grotach oznacza si istnienie

rezonansu pomidzy poszczeglnymi strukturami granicznymi.

27

W opisie czsteczki tzw. metod wiza walencyjnych brane s pod uwag wszystkie struktury

graniczne (wzory Lewisa) bdce czciowym odzwierciedleniem rzeczywistej struktury czsteczki

(tzw. struktury graniczne) a ona sama jest uwaana za redni waon tych struktur. Ten sposb

przedstawiania struktury elektronowej nazywamy rezonansem, podobnie jak sam fakt stabilizujcego

efektu delokalizacji wiza chemicznych. Zaznaczy przy tym naley, e rezonans nie polega

bynajmniej na szybkim przeskakiwaniu czsteczki z jednej struktury granicznej w kolejn

a struktury kanoniczne 1 i 2 oraz wzory Dewara 3, 4 i 5 w schemacie 1 s jedynie przyblieniem

rzeczywistego rozkadu elektronw.

Metody obliczeniowe mechaniki kwantowej wykazay, e energia obliczona dla czsteczki

benzenu przy zaoeniu urednienia granicznych stanw elektronowych 1-5 jest nisza od energii

obliczonej dla ktrejkolwiek ze struktur granicznych. T rnic energii nazywamy energi rezonansu.

Obliczenia wykonane metod wiza walencyjnych wykazay 39% udzia kadej ze struktur 1

i 2 oraz 7.3% udzia kadej ze struktur 3-5 w rzeczywistej strukturze elektronowej benzenu. Rzd

wizania (ilo par elektronowych tworzcych wizanie) midzy bezporednio poczonymi ze sob

atomami wgla w czsteczce benzenu obliczono jako rwny 1.463.

W chemii organicznej znane s trzy podstawowe typy struktur, wykazujcych zjawisko

delokalizacji elektronw:

1. Ukad tzw. sprzonych wiza wielokrotnych (podwjnych lub potrjnych)

Ukad tego typu wystpuje w omawianym wczeniej piercieniu benzenu, ale moliwy jest

take w czsteczkach acyklicznych, takich jak np. 1,3-butadien. W rzeczywistej strukturze

elektronowej tego zwizku udzia maj nastpujce struktury graniczne:

CH2 CHCH

CH2 CH2+

CH

CH

CH2 CH2+

CH

CH

CH2

1 2 3

Schemat 2

Udzia struktur granicznych 2 i 3 (schemat 2) w rzeczywistej strukturze elektronowej

czsteczki butadienu w stanie podstawowym jest niewielki, zatem jej stabilizacja w wyniku rezonansu

praktycznie nie ma miejsca. Jednak to dziki nim czsteczka butadienu jest planarna (paska).

2. Sprzenie wizania wielokrotnego (podwjnego lub potrjnego) z orbitalem typu p

ssiedniego atomu.

28

Typowym przykadem moe chlorek winylu CH2=CH-Cl. Cho orbitale p atomu chloru

s zapenione, mog si nakada z orbitalami wizania podwjnego jak na poniszym rysunku:

Struktury graniczne chlorku winylu przedstawi mona nastpujco:

CH2 CHCl CH2 CH

Cl+

Schemat 3

Innym przykadem tego typu efektu jest delokalizacja karbokationu, karboanionu i wolnego

rodnika allilowego:

CH2 CHCH2

+CH2

+CH

CH2

CH2 CHCH2 CH2 CH

CH2

CH2 CHCH2

CH2 C

HCH2

Schemat 4

Hiperkoniugacja (nadsprzenie)

Terminem tym okrela si wzajemne oddziaywanie elektronw wizania typu (zazwyczaj

C-H lub C-C) z ssiednim pustym (lub czciowo wypenionym) orbitalem typu p lub . Efekt ten jest

zazwyczaj uywany do wyjanienia stabilizacji stanw przejciowych (np. karbokationw alkilowych

lub wolnych rodnikw) i wyjania ich trwao w zalenoci od rzdowoci atomu wgla. Przykadem

moe by stabilizacja karbokationu izopropylowego:

CH3CH

+

CH3 CH3CH CH2

H+

CH3CHCH2

H+

Schemat 5

29

Efekty steryczne

Niejednokrotnie zdarza si, e reakcja zwizku organicznego zachodzi znacznie szybciej lub

znacznie wolniej ni mona by oczekiwa rozwaajc jedynie jej uwarunkowania elektronowe.

Dobrym przykadem moe tu by estryfikacja 2,6-dwupodstawionych pochodnych kwasu

benzoesowego. Niezalenie od efektu indukcyjnego i mezomerycznego obecnych w czsteczce

podstawnikw zachodzi ona bardzo trudno w porwnaniu z ich dwupodstawionymi analogami,

w ktrych przynajmniej jedna z pozycji 2 lub 6 pozostaje niezajta. Uzna zatem naley,

e podstawniki w tych pozycjach stanowi przeszkod steryczn utrudniajc normalny przebieg

reakcji. Potwierdzeniem tego wniosku jest fakt, e na podobne trudnoci napotyka take reakcja

hydrolizy takich 2,6-dwupodstawionych benzoesanw.

Inne czynniki

Pord innych czynnikw wpywajcych na szybko i kierunek reakcji organicznej wymieni

naley jej warunki zewntrzne takie jak cinienie czy rodzaj uytego rozpuszczalnika (bd jego brak).

Literatura:

1. Michael B. Smith ,,Marchs Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms and Structure

7th Edition, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey 2013

30

REAKCJE PRZYCZANIA (ADDYCJI) DO WIZA WIELOKROTNYCH

WGIEL-WGIEL

Dr Henryk Mastalarz

Addycja do wiza wielokrotnych wgiel-wgiel moe zachodzi wedug jednego z czterech

podstawowych mechanizmw. Trzy z nich s procesami dwuetapowymi, inicjowanymi przez atak

czynnika nukleofilowego, elektrofilowego lub wolnego rodnika, w czwartym nastpuje jednoczesny

(symultaniczny) atak reagenta na obydwa atomy wizania wielokrotnego. O tym, ktry

z mechanizmw zachodzi w przypadku konkretnej reakcji decyduje z reguy budowa substratu

i czynnika atakujcego oraz warunki prowadzenia reakcji. Niektre reakcje przyczania mog

zachodzi, w zalenoci od ww. czynnikw, wedug kadego z czterech mechanizmw podstawowych.

1. Przyczanie elektrofilowe

W reakcjach tego typu pierwszym etapem jest atak reagenta kationowego (czsto protonu)

na wizanie wielokrotne oraz utworzenie nowego wizania w wyniku skoordynowania pary

eketronw przez czynnik elektrofilowy:

Etap 1: Y

+ C+

Y

+powoli

Etap 2: C

+Y

Y

W+ W-

W przypadku niektrych reakcji tego typu, zwaszcza gdy czynnikiem elektrofilowym jest

kation bromoniowy, stan przejciowy moe mie budow cykliczn:

Br BrBr

+Br

31

2. Przyczanie nukleofilowe

W pierwszym etapie tej reakcji czynnik nukleofilowy tworzy wizanie z jednym z atomw

wgla wizania wielokrotnego przy pomocy swojej pary elektronw niewicych z wytworzeniem

nietrwaego karboanionu, ktry w drugim etapie tworzy trway produkt kocowy w reakcji

z czynnikiem kationowym:

Etap 1: Y C

Y

+

Etap 2: C

YY

W+ W+

Reakcji tego typu szczeglnie atwo ulegaj alkeny o budowie >C=C-Z gdzie Z jest grup

aktywujc, zawierajc wizanie wielokrotne wgiel heteroatom lub heteroatom-heteroatom (np.

>C=O, -COOR, -CONH2, CN, -NO2, -SOR itp.) . Czynnik nukleofilowy czy si wtedy zawsze

z wglem nie poczonym bezporednio z grup Z, gdy utworzony w ten sposb karboanion jest

stabilizowany przez rezonans, np:

O

Y C

O

Y

O

Y

H+

O

Y

H

+

Reakcje tego typu okrela si w pimiennictwie chemicznym ADDYCJAMI MICHAELA.

3. Przyczanie rodnikowe

Wytworzony w wyniku innego procesu chemicznego wolny rodnik moe wstpi w reakcj

z alkenem bd alkinem:

Etap 1. Y C

Y

+

32

Etap 2. C

Y Y

WW Y Y

+ +

Etap drugi zwizany jest z reguy przeniesieniem jednego atomu, wic W jest niemal zawsze

jednowizalnym atomem- fluorowcem lub atomem wodoru.

4. Przyczanie o mechanizmie cyklicznym

W reakcjach tego typu oba atomy wgla wizania podwjnego reaguj jednoczenie a reakcja

przebiega na og z wytworzeniem czterocentrowego stanu poredniego:

Y W WY

Najwaniejsz reakcj tego typu jest reakcja Dielsa-Aldera.

5. Addycja do ukadu wiza sprzonych

Gdy reakcja przyczania zachodzi wedug mechanizmu elektrofilowego, w przypadku zwizku

z dwoma sprzonymi wizaniami podwjnymi otrzymuje si zwykle, obok produktu przyczenia

1,2, take drugi produkt bdcy rezultatem przyczenia 1,4:

Y+

C+

Y

C+

Y

W

Y

W+

Reaktywno wiza wielokrotnych

Podstawniki elektronodonorowe obecne przy wizaniu podwjnym C=C generalnie zwikszaj

jego podatno na przyczanie o mechanizmie elektrofilowym, obecno podstawnikw

elektronoakceptorowych ow podatno zmniejsza. W przypadku przyczania nukleofilowego

zaleno jest odwrotna, tego typu reakcje zachodz najchtniej z alkenami zawierajcymi trzy lub

cztery ugrupowania elektronoakceptorowe np. F2C=CF2 lub (NC)2C=C(CN)2. Zaleno jest tak

33

wyrana, e mona sformuowa ogln zasad: proste alkeny nie ulegaj przyczaniu

nukleofilowemu a policyjano- i polifluorowcoalkeny nie reaguj wedug mechanizmu elektrofilowego.

Zwizki posiadajce przy wizaniu wielokrotnym aktywujc grup typu Z (patrz wyej) niemal

zawsze ulegaj przyczeniu wedug mechanizmu nukleofilowego. Dowiadczalnie stwierdzono

ponadto, e wizanie podwjne jest na og bardziej podatne na przyczenie o mechanizmie

elektrofilowym od potrjnego, w przypadku przyczenia nukleofilowego zaleno jest odwrotna.

Przyczanie typu rodnikowego zachodzi moe z substratem kadego typu a gwnym

czynnikiem wpywajcym na jego szybko jest stenie wolnych rodnikw.

Regioselektywno reakcji przyczania

REGIOSELEKTYWNO definiuje si w chemii organicznej jako skonno do takiego

przebiegu tworzenia bd rozrywania wiza chemicznych ktry jest preferowany wzgldem innych

moliwoci.

Gdy niesymetryczny reagent ulega reakcji przyczenia do niesymetrycznego substratu

moliwe jest teoretycznie powstanie dwch rnych produktw reakcji. Praktyka wskazuje,

e w przypadku przyczania elektrofilowego jeden z teoretycznie moliwych produktw uzyskiwany

jest zwykle w znacznej przewadze lub wrcz wycznie. Jego budow mona przewidzie posugujc

si tzw. REGU MARKOWNIKOWA, ktra gosi: dodatnio naadowany fragment reagenta czy

si z tym atomem wgla wizania wielokrotnego, z ktrym poczonych jest wicej atomw wodoru

np:

CH3 CHCH2 H Cl CH3 CH

CH2

Cl

H

CH3 CHCH2

H

Cl

+

Tego typu regioselektywno spowodowana jest faktem, e reakcj rozpoczyna atak czynnika

elektrofilowego, co prowadzi musi do powstania bardziej trwaego (a wic o niszej energii)

karbokationu. W przypadku propenu bdzie to karbokation drugorzdowy:

34

CH3 CHCH2 CH3 CH

+CH2H

CH3 CHCH2

+H

H++

II rz, trwalszy I rz, mniej trway

std taka a nie inna budowa produktu kocowego.

Gdy addycja przebiega wedug mechanizmu wolnorodnikowego o jej przebiegu decyduj

przede wszystkim wzgldy steryczne, np. dla substratu o budowie CH2=CHR podstawieniu ulega

najpierw atom wgla grupy metylenowej niezalenie od rodzaju wolnego rodnika lub budowy grupy

R. W przypadku wolnorodnikowego (np. katalizowanego nadtlenkami) przyczania HBr oznacza

to, e reakcja przebiega bdzie niezgodnie z regu Markownikowa:

CH2

R

HBr C

CH2

R

H

BrCH2

R

H

Br

H Br +HBr

+

Naley jednak zaznaczy, e przeprowadzenie addycji wolnorodnikowej fluorowcowodoru

moliwej jest jedynie w przypadku HBr. Takie fluorowcokwasy jak HI, HCl, i HF ulegaj zawsze

przyczaniu wedug mechanizmu elektrofilowego.

Reakcje

Oprcz przyczania fluorowcowodorw najwaniejszymi z preparatywnego punktu widzenia

reakcjami przyczania do wiza wielokrotnych wgiel-wgiel s:

1. Przyczanie wody do wiza wielokrotnych

H OSO2OH H OHH+

HSO4-

H2O+ H2SO4

Przyczanie wody do wizania potrjnego Reakcja przyczania wody do wizania

podwjnego zachodzi pod wpywem katalizatora kwasowego a jej kierunek jest zwykle zgodny

z regu Markownikowa. Najczciej uywanym katalizatorem jest kwas siarkowy, ale stosowane by

mog take inne kwasy, ktrych aniony s sabymi nukleofilami, takie jak kwas nadchlorowy,

azotowy, tolueno- lub metanosulfonowy. Mechanizm tej reakcji jest zawsze elektrofilowy, rozpoczyna

35

j atak protonu na wizanie alkenu. Generowany w ten sposb karbokation jest nastpnie atakowany

przez pochodzcy od kwasu anion ( w przypadku kwasu siarkowego jest nim HSO4-), w wyniku czego

jako przejciowy produkt powstaje ester uytego kwasu, ktry z reguy atwo hydrolizuje

w rodowisku reakcji cho czasem moliwe jest jego wyizolowanie.

H

OHH

H

O

Hg2+ Hg

+

OH2+

Hg+

OH+H2O+Hg2+

tautomeryzacja

-H+

+H+

+ Hg2+

Reakcja przyczanie wody do wizania potrjnego jest z reguy katalizowana rozpuszczalnymi

solami rtci (np. octanem lub siarczanem). Powstajcy jako produkt przejciowy zwizek

rtcioorganiczny jest nietrway i szybko hydrolizuje do nienasyconego alkoholu- enolu, ktry

nastpnie tautomeryzuje do odpowiedniego ketonu. Jedynie przyczanie wody do acetylenu powoduje

powstanie aldehydu. W przypadku niesymetrycznych alkinw zwykle powstaj oba moliwe ketony.

Moliwe jest take przeprowadzenie tej reakcji przy uyciu mocnych kwasw, bez uycia katalizatora

rtciowego. Proste alkiny mog by przeksztacane w ketony w wyniku ogrzewania w kwasie

mrwkowym.

W analogiczny sposb addycji do wiza podwjnych ulegaj alkohole i fenole, przy czym

reakcje te mog by katalizowane zarwno kwasami jak zasadami, produktami takiej addycji

s odpowiednie etery. Rwnie kwasy karboksylowe i sulfonowe mog ulega reakcji przyczania

do wiza wielokrotnych, przy czym jako katalizatorw tej reakcji uy mona zarwno mocnych

kwasw Bronstedta jak i kwasw Lewisa. Produktami s odpowiednie estry, w przypadku addycji

do wizania potrjnego s to estry enoli.

2. Przyczanie wodoru do wiza wielokrotnych

Reakcja ta omwiona jest w rozdziale o redukcji zwizkw organicznych (patrz str. 128).

36

3. Przyczanie borowodoru do wiza wielokrotnych

W poczeniu z pniejszym utlenianiem reakcja ta jest dogodnym sposobem otrzymywania

alkoholi. Zostaa omwiona w rozdziale powiconym alkoholom i fenolom na stronie 81.

4. Przyczanie fluorowcw

W wikszoci przypadkw przyczanie do wiza podwjnych bromu i chloru zachodzi atwo.

Szybko reakcji przyczania jodu jest z reguy duo mniejsza, dodatkowi wicynalne dijodopochodne

s najczciej nietrwae i rozkadaj si z wydzieleniem jodu i odtworzeniem alkenu. Mechanizm

przyczenia fluorowcw jest z reguy elektrofilowy, cho stosujc promieniowanie UV lub inicjatory

wolnych rodnikw mona przeprowadzi addycj wolnorodnikow. Przyczanie fluoru moe

zachodzi jedynie w niskich (ok. -80C) temperaturach, w temperaturach wyszych zachodzi

jednoczesna reakcja podstawiania, co prowadzi do uzyskania mieszaniny produktw.

5. Przyczanie kwasw podfluorowcowych

Tlenowe kwasy fluorowcw na +1 stopniu utlenienia (HOCl, HOBr i HOI) ulegaj addycji

do alkenw tworzc tzw. fluorowcohydryny (np. chlorohydryny). HOBr i HOCl otrzymuje si in situ

dziki reakcji wody z chlorem bd bromem, utworzenie HOI wymaga obecnoci czynnika

utleniajcego np. HIO3. Mechanizm tej reakcji jest elektrofilowy, przy czym z uwagi na silnie

elektroujemny charakter tlenu czynnikiem atakujcym jest w niej odpowiedni kation halogeniowy

(chloroniowy Cl+ , bromoniowy Br+) tworzcy si w wyniku heterolitycznego rozpadu wizania tlen-

fluorowiec. Analogiczna reakcja prowadzona w rodowisku alkoholi prowadzi do otrzymania

fluorowcoeterw.

X OH(R)R(H)OH

X2

6. Przyczanie zwizkw fluorowcoorganicznych

Fluorowcopochodne alkilowe i acylowe ulegaj addycji do wiza podwjnych w obecnoci

mocnych kwasw Lewisa, najczciej uywanym katalizatorem jest w tym przypadku bezwodny

AlCl3. Reakcji ulegaj III- i II-rzdowe fluorowcoalkany, a z I-rzdowych jedynie te, ktre w reakcji

37

z katalizatorem mog ulec przegrupowaniu do trwalszego karbokationu. Fluorowcopochodne etylu

i metylu s wic w tym przypadku niereaktywne.

X R

X R

O

R-X

AlCl3

RCO-Cl

AlCl3

7. Reakcja Dielsa- Aldera

Jest to reakcja addycji do ukadu sprzonych wiza podwjnych takich jak 1,3-dieny.

Ulegaj jej tzw. dienofile, ktrymi najczciej s zwizki nienasycone w ktrych wizanie podwjne

sprzonej jest z ugrupowaniem Z wykazujcym silny ujemny efekt indukcyjny i/lub mezomeryczny

(Z= -CHO, -COR, COOR, -CN, NO2 itp.). Reakcja ta zachodzi moe bez udziau katalizatora,

ale uycie kwasw Lewisa lub Bronstedta albo nawietlanie promieniami UV moe zwikszy

jej szybko.

z z

+

Szczegowe omwienie wanych z punktu widzenia teorii chemii organicznej uwarunkowa

stereochemicznych i elektronowych reakcji Dielsa-Aldera przekracza zakres tego opracowania.

8. Addycja karbenw

Karbeny ulegaj addycji do wiza podwjnych wgiel z utworzeniem pochodnych

cyklopropanu:

H H

+ :CH2

38

Literatura:

1. Michael B. Smith ,,Marchs Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms and Structure

7th Edition, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey 2013

39

REAKCJE PRZYCZANIA (ADDYCJI) DO WIZA WIELOKROTNYCH

WGIEL-HETEROATOM

Dr Henryk Mastalarz

Niemal wszystkie tego typu reakcje organiczne polegaj na addycji do wizania podwjnego

wgiel-tlen, wgiel-azot oraz wgiel-siarka albo do potrjnego wizania wgiel-azot. Mechanizmy

tego typu addycji s zwykle znacznie prostsze ni przyczenia do wiza wielokrotnych wgiel-

wgiel, albowiem wizania C=O, C=N i CN s silnie spolaryzowane ze wzgldu na znaczn rnic

elektroujemnoci tworzcych je atomw. Atom wgla posiada w nich niemal zawsze czstkowy

adunek dodatni (Uwaga- wyjtkiem s tu izocyjaniany N=C=O ) wic nie ma wtpliwoci

co do kierunku reakcji asymetrycznego przyczania do tego typu wiza- czynnik nukleofilowy

zawsze czy si z atomem C a czynnik elektrofilowy z atomem azotu lub tlenu. Reakcje przyczania

do wizania podwjnego C=S zachodz znacznie rzadziej i mona niekiedy w ich przypadku

zaobserwowa odwrotny kierunek (tzw. addycja tiofilowa).

Reakcje przyczenia do wizania wgiel-heteroatom omwione zostan na przykadzie

najczciej spotykanej addycji do grupy karbonylowej, cho pamita naley, e zachodz one take

w przypadku jej siarkowych oraz azotowych analogw C=S i C=N-R. W wikszoci s to reakcje

odwracalne i rozpoczynaj si albo od ataku czynnika nukleofilowego, np:

A B

O Y O

A B

Y OH

A B+ Y-

powoli H+

Schemat 1

albo od ataku czynnika elektrofilowego (z reguy protonu), np:

A B

O

C+

OH

A B

Y OH

A B+H+

szybko powoli+Y-

Schemat 2

Najwaniejszymi z punktu widzenia syntezy organicznej tego typu reakcjami jest addycja

wody lub alkoholi do grupy karbonylowej aldehydw i ketonw, prowadzca odpowiednio

do tworzenia geminalnych dioli lub hemiacetali/hemiketali:

40

R R'(H)

O OH OR"(OH)

R R'(H)+R''(H)-OH

H+

Schemat 3

W zalenoci od charakteru grup A i B oraz warunkw prowadzenia reakcja zachodzca

od ataku nukleofilowego moe zatrzyma si na etapie prostej substytucji lub przebiega dalej wedug

schematu 6. W przypadku reakcji aldehydw i ketonw z alkoholami prowadzi to do otrzymania

odpowiednio acetali i ketali:

R R'(H)

O R''O OR"

R R'(H)+ 2R''OH

H++ H2O

Schemat 4

Kolejne reakcje adduktu mog zachodzi take wedug tzw. mechanizmu tetraedrycznego,

prowadzc w efekcie do utworzenia produktu podstawienia:

R X

O O

A Y

Y O

A X+Y- +X

-

Schemat 5

Podobne podstawienie niejednokrotnie zachodzi rwnie w przypadku reakcji zapocztkowanej

przez atak czynnika elektrofilowego:

R X

O O

R YC

+OH

R X

OH

R X

YC

+OH

R Y+X-+H+ +Y- +H+

Schemat 6

W niektrych przypadkach produkty addycji reagowa mog dalej take wedug jednego

z poniszych schematw:

Y

O

W

HA OH

Y W Y

A

W+AH2

-H2O

Schemat 7

41

Y

O

W

A OH

Y W

A

Y W

X+AH

X-+OH-

Schemat 8

Najwaniejszymi reakcjami zachodzcymi wedug mechanizmu tetraedrycznego s nastpujce

reakcje:

1. Hydroliza i alkoholiza pochodnych kwasw karboksylowych (chlorkw kwasowych,

bezwodnikw, estrw i amidw)

RCOX + HOHRCOOH +HX (patrz str. 147)

RCOX + ROHRCOOR +HX

RCOR + HOHRCOOH +ROH

RCOR + ROHRCOOR + ROH (reakcja transestryfikacji) (patrz str. 154)

RCONR2 + HOHRCOOH + R2NH (R= H, alkil, aryl)

RCOOCOR + HOH2RCOOH

RCOOCOR + ROHRCOOH + RCOOR

2. Estryfikacja kwasw karboksylowych

RCOOH + ROHRCOOR + H2O (patrz str. 153)

3. Reakcje kwasw karboksylowych i ich pochodnych z aminami

RCOOH + R2NH RCONR2 + H2O (patrz str. 141)

RCOX + 2R2NH RCONR2 + R2NH2+X- (patrz str.148)

RCOOR + R2NH RCONR2 +OH

RCOOCOR+ R2NH RCONR2 + RCOOH

4. Reakcja kwasw karboksylowych z chlorkiem tionylu

RCOOH + SOCl2RCOCl + SO2 + HCl (patrz str. 141)

5. Reakcja chlorkw kwasowych z solami kwasw karboksylowych

RCOX + RCOO- RCOOCOR (patrz str. 151-152)

42

Wedug mechanizmu addycji do wizania wgiel-heteroatom zachodz natomiast nastpujce

reakcje, wane z punktu widzenia preparatyki organicznej:

1. Hydroliza wizania podwjnego C=N

w takich zwizkach jak zasady Schiffa, hydrazony, oksymy czy semikarbazony.

2. Hydroliza nitryli (patrz str. 161)

Podobna reakcja, prowadzona w rodowisku bezwodnego alifatycznego alkoholu I-rzdowego

(tzw. alkoholiza), prowadzi do przeksztacenia nitryli w estry. W przypadku uycia alkoholi II- i III

rzdowych zachodzi konkurencyjna reakcja Rittera (patrz str. 44).

3. Addycja amin do aldehydw lub ketonw

Reakcja amoniaku ze zwizkami zawierajcymi grup karbonylow nie prowadzi do

wydzielenia adnych trwaych produktw. W przypadku uycia amin I- i II rzdowych moliwe jest

wydzielenie stabilnych produktw- imin (zasad Schiffa) lub enamin.

O

RR

OH NHR1R

R

NR1R

R

NR1R2R

R

R1NH2 -H2OR1R2NH

iminaenamina

4. Addycja, hydroksyloaminy lub monopodstawionych pochodnych hydrazyny do grupy

karbonylowej

Obie reakcje zachodz z utworzeniem wizania podwjnego C=N i wydzieleniem czsteczki

wody. Ich produktami s odpowiednio oksymy lub (podstawione bd niepodstawione) hydrazony.

Gdy reakcja aldehydu z hydroksyloamin zostanie przeprowadzona w rodowisku kwasu

mrwkowego wwczas produktem kocowym jest nitryl.

43

O

R R(H)

N

R R(H)

NHRN

R R(H)

OH

RNHNH2+ H2O

NH2OHH2O +

oksym hydrazon

HCOOH-H2O

RCN

5. Reakcja grupy karbonylowej z PCl5

Alifatyczne aldehydy i ketony ulegaj pod wpywem piciochlorku fosforu przeksztaceniu

w geminalne dichloropochodne. Reakcj t zapocztkowuje atak jonu PCl4+ na atom tlenu grupy

karbonylowej, po czym do karbonylowego atomu wgla ulega przyczeniu anion chlorkowy.

O OPCl4C

+

Cl OPCl4 Cl Cl+ PCl4

+- POCl3Cl-

6. Przyczanie zwizkw magnezo- i litoorganicznych do grupy karbonylowej lub wizania

wielokrotnego wgiel-azot

Reakcje te zostay omwione w rozdziale powiconym zwizkom metaloorganicznym (patrz

str. 59).

7. Przyczanie karboanionw do grupy karbonylowej

Reakcje tego typu zostay omwione w rozdziale powiconym reakcjom kondensacji (patrz

str. 87).

8. Reakcja grupy karbonylowej z cyjanowodorem lub cyjankami

Produktem reakcji aldehydw i ketonw z cyjanowodorem lub cyjankami metali alkalicznych

s cyjanohydryny, ktre nastpnie mona hydrolizowa do kwasw - hydroksykarboksylowych.

Z uwagi na odwracalno reakcji tworzenia cyjanohydryn wydajnoci w przypadku ketonw

alifatyczno-aromatycznych s niewielkie, a ketony dwuaromatyczne w ogle nie ulegaj tej reakcji.

O OH CN OH COOH+ HCN

H+

2 H2O+ NH4

+

44

Aldehydy aromatyczne ulegaj pod wpywem cyjankw metali alkalicznych reakcji tzw.

kondensacji benzoinowej:

O

Ar H

O

Ar H

CNC

Ar

NC

OH

O

Ar H H Ar

Ar

O

OHCN

H

Ar

Ar

OH

O

+ CN- +

- CN-

benzoina

9. Addycja alkoholi do grupy nitrylowej (reakcja Rittera)

Alkohole II i III-rzdowe oraz niektre I-rzdowe (benzylowe, allilowe) ulegaj

katalizowanemu kwasowo przyczeniu do potrjnego wizania wgiel-azot z utworzeniem

N-monopodstawionych amidw. Proste alkohole I-rzdowe nie ulegaj reakcji Rittera, poniewa

nie s zdolne do wygenerowania wystarczajco trwaych karbokationw w reakcji z kwasem.

R CNR C

+N

R'R C N

R'OH

R C NH

R'O

R'-OHH+

H2O + R'+H2O

tautomeryzacja

+ H+

Literatura:

1. Michael B. Smith ,,Marchs Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms and Structure

7th Edition, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey 2013

45

EFEKT PODSTAWNIKOWY W PIERCIENIACH AROMATYCZNYCH

Dr Marcin Mczyski

W niepodstawionej czsteczce benzenu wszystkie atomy wgla i wodoru s rwnocenne.

Ta rwnocenno zostaje naruszona w momencie pojawienia si w piercieniu jakiegokolwiek

podstawnika. Pojawiaj si wtedy dwa rwnocenne pooenia w pozycji 2 (orto), dwa oddzielone

od podstawnika jednym atomem wgla identyczne pooenia 3 (meta) oraz jedno najbardziej oddalone

od podstawnika w pozycji 4 (para). Obecno jednego podstawnika w czsteczce nie tylko znosi

rwnocenno atomw, ale wpywa na zdolno czsteczki do przyjcia drugiego podstawnika. Ten

wpyw podstawnika nazywa si wpywem kierujcym i polega na uatwieniu lub utrudnieniu dalszego

podstawienia oraz na kierowaniu wchodzcego atomu lub grupy w odpowiednie pooenie w stosunku

do miejsca zajmowanego przez podstawnik. Podstawniki lub grupy znajdujce si w piercieniu mog

zwiksza szybko reakcji podstawienia elektrofilowego w porwnaniu do odpowiedniej szybkoci

w niepodstawionej czsteczce benzenu, nazywamy podstawnikami aktywujcymi piercie, a te, ktre

odpowiednio zmniejszaj szybko, dezaktywujcymi. Podstawniki, ktre aktywuj piercie czyni

go bardziej reaktywnym ni benzen, a te, ktre dezaktywuj, czyni go mniej reaktywnym

od niepodstawionego benzenu.

Zalenie od rodzaju podstawnika znane s dwa rne sposoby kierowania kolejnego

podstawnika, a mianowicie kierowanie w pooenia 2 (orto) i 4 (para) oraz 3 (meta). Pozycje

te przedstawiono na schemacie 1. Podstawniki kierujce w pozycje orto i para nazywane byy

podstawnikami pierwszego rodzaju. Obecnie nazywane s podstawnikami aktywujcymi (wikszo)

oraz dezaktywujcymi (tylko chlorowce) kierujcymi w pozycje orto i para. Do tej kategorii nale

podstawniki posiadajce woln par lub pary elektronw na atomie zwizanym z piercieniem

aromatycznym. Nale tu wszystkie grupy aktywujce, dostarczajce elektrony do piercienia

i stabilizujce karbokation, np. -O-, -NR2, -NHR, -NH2, -OH, -OR, -OCOR, -NHCOR, -SH, -CH=CH2,

-CH3, -C6H5, -CR3, oraz niektre grupy dezaktywujce, wycigajce elektrony z piercienia

i destabilizujce karbokation, np. chlorowce, -CH2Cl, -CH=CH-COOH, -CH=CH-NO2.

Podstawniki kierujce w pozycj meta nazywane byy podstawnikami drugiego rodzaju.

Obecnie nazywa si je podstawnikami dezaktywujcymi kierujcymi w pozycj meta. Zaliczamy tutaj

podstawniki posiadajce peny lub czstkowy adunek dodatni na atomie zwizanym z piercieniem

aromatycznym, np. -CO-R-, -CHO, -COOR, -CONH2, -COOH, -SO3H, -CN, -NO2, -CCl3, -CF3, -

NH3+.

46

Xortoorto

meta meta

para

Schemat 1

Podstawnik obecny w piercieniu benzenowym wpywa na reaktywno i orientacj

w omawianych niej typach substytucji elektrofilowej. Efekty elektronowe s kontrolowane poprzez

efekt indukcyjny, efekt mezomeryczny (rezonansowy) oraz poprzez wpyw sprzenia i efekty

przestrzenne. Efekt indukcyjny (zwizany z elektroujemnoci atomw i polarnoci wiza, jest

przenoszony przez wizania ). Efekt rezonansowy (mezomeryczny) zwizany jest z nakadaniem si

orbitali p podstawnika oraz piercienia aromatycznego i jest przenoszony przez wizania .

Im wiksz ruchliwo wykazuje wolna para elektronowa podstawnika, tym wikszy jest jej efekt

rezonansowy i silniejsze sprzenie. Efekt ten maleje ze wzrostem elektroujemnoci atomu pierwiastka

ulegajcego sprzeniu N>O>chlorowce. Wywnioskowa mona, e im bardziej elektroujemny jest

pierwiastek, tym silniej przyjmuje on wolne pary elektronowe i tym atwiejsza jest ich ruchliwo.

Oba te efekty mog wystpowa jednoczenie i wpywa sumarycznie bd przeciwnie

do siebie. Wana jest take sia danego efektu, bo to ona czasem moe determinowa wpyw kierujcy.

Halogeny indukcyjnie wycigaj elektrony z piercienia (efekt silny), a rezonansowo oddaj elektrony

do piercienia. Grupy karbonylowe, nitrylowe, nitrowe indukcyjnie oraz rezonansowo wycigaj

elektrony z piercienia (efekt silny). Grupy alkilowe indukcyjnie dostarczaj elektrony do piercienia

(efekt saby) oraz nie wykazuj efektu rezonansowego. Grupy hydroksylowa, alkoksylowa, aminowa

rezonansowo dostarczaj elektrony do piercienia (efekt silny), a indukcyjnie wycigaj elektrony

z piercienia.

Poniej przedstawiono reakcj nitrowania metoksybenzenu, czyli anizolu (schemat 2) oraz

reakcj bromowania nitrobenzenu (schemat 3).

47

Schemat 2

Schemat 3

Uznajc, e pozycje orto i para w reakcjach podstawienia elektrofilowego s rwnocenne oraz,

e w monopodstawionym piercieniu benzenowym s dwie pozycje orto i jedna para naley

spodziewa si powstania izomeru orto w dwukrotnie wikszej iloci ni izomeru para. Z bada

wynika, e stosunek izomeru orto do izomeru para jest zwykle mniejszy ni dwa, a czasami mniejszy

od jednego, tumaczy si to wpywami przestrzennymi obecnego w piercieniu podstawnika, ktry

uatwia bd utrudnia wejcie nowego podstawnika w pozycj orto. Na efekt przestrzenny skadaj si

efekty przesaniania, przestrzennego zahamowania rezonansu oraz elektrostatycznego oddziaywania

podstawnika na wstpujc grup. Oddziaywanie to polega na elektrostatycznym przyciganiu si obu

grup (powstaje wicej izomeru orto) lub odpychaniu (powstaje wicej izomeru para). Przykadem

48

s reakcje nitrowania aniliny oraz acetanilidu w kwasie octowym. W przypadku aniliny otrzymujemy

mieszanin izomerw o-nitroaniliny i p-nitroaniliny, a w przypadku acetanilidu w 90% otrzymujemy

p-nitroacetanilid. Grupa acetyloaminowa swoja wielkoci zasania pozycje orto i utrudnia atak

elektrofila na t pozycj powodujc powstanie tylko izomeru para.

Generalnie mona stwierdzi, e sumaryczny wpyw obecnego w piercieniu podstawnika

na reakcje substytucji elektrofilowej zaley od wszystkich opisanych efektw.

Literatura:

1. J. McMurry ,,Chemia organiczna PWN, Warszawa 2007

2. R. T. Morrison, R. N. Boyd ,,Chemia organiczna PWN, Warszawa 1985

3. P. Mastalerz ,,Chemia organiczna PWN, Warszawa 1986

4. B. Bobraski Chemia organiczna PWN, Warszawa 1992

5. T. Drapaa Chemia organiczna PWN, Warszawa 1986

49

REAKCJE AROMATYCZNEJ SUBSTYTUCJI ELEKTROFILOWEJ

Dr Marcin Mczyski

Reakcje aromatycznej substytucji elektrofilowej s reakcjami charakterystycznymi

dla wszystkich piercieni aromatycznych. Do reakcji tego typu zaliczamy: halogenowanie, nitrowanie,

sulfonowanie, alkilowanie oraz acylowanie piercienia aromatycznego. Reakcje te przebiegaj wedug

podobnego mechanizmu. Przykadowe reakcje bd przedstawiane na podstawowym ukadzie

aromatycznym benzenie. Piercie benzenu posiada sze elektronw w cyklicznym ukadzie

wiza skoniugowanych (sprzonych). Elektrony s uoone prostopadle do paszczyzny piercienia

(poniej i powyej). W reakcjach tego typu benzen jest donorem elektronw (zasad Lewisa,

nukleofilem).

Dotychczasowe badania dokadnie scharakteryzoway czsteczk benzenu (Schemat 1):

jest on gwnie hybryd rezonansow dwch rwnowanych tzw. struktur Kekulego;

dugo wizania C-C odpowiada ok.1,5 wizania chemicznego;

jego czsteczka ma jedn struktur;

struktury rezonansowe rni si jedynie pooeniem elektronw w czsteczce;

rne struktury rezonansowe nie musz by rwnocenne;

im wicej znale mona takich struktur granicznych tym czsteczka jest bardziej stabilna.

50

Schemat 1

Reakcja halogenowania benzenu

Bezporednie halogenowanie piercienia aromatycznego odnosi si tylko do otrzymywania

chloro- i bromopochodnych. Fluoropochodne otrzymuje si porednio poprzez sole diazoniowe

a jodopochodne w reakcji z udziaem aktywatora.

Reakcja bromowania czy chlorowcowania przebiega w trzech etapach z udziaem katalizatora

(FeBr3, FeCl3) (Schemat 2):

tworzenie czynnika elektrofilowego, katalizator powoduje, e czsteczka halogenu staje si

w wyniku polaryzacji bardziej elektrofilowa.

utworzenie karbokationu (produktu przejciowego Whelanda, kompleksu )

niearomatycznego produktu poredniego opisanego za pomoc trzech struktur

rezonansowych. Jest to etap powolny, warunkujcy szybko reakcji.

eliminacja H+ .

51

Br2 Br- - Br+ + FeBr3 Br3Fe-.Br.Br+

saby elektrofil silny elektrofil

Br

HBr

H H

BrBr2

FeBr3+

+

+ +

Br

+ HBr

Schemat 2

Reakcja jodowania piercienia aromatycznego przebiega z udziaem aktywatora. Aktywator

ulega przemianie chemicznej w czasie reakcji i musi by uyty w stechiometrycznych ilociach. Jako

aktywatory stosowane s rodki utleniajce lub wicych wydzielajcy si jodowodr. I2 nie jest

reaktywny w stosunku do piercienia aromatycznego i dlatego ulega utlenieniu pod wpywem

aktywatora do kationu jodkowego I+, ktry reaguje dajc produkty substytucji (Schemat 3).

I2 + Cu2+

I+

Cu+

I+

H

I

I

I

I

2 2 + 2

+

+

2 + HI

+ 3I2 + 2HNO3 + 4H2O + 2NO

+ 3I2 + HgO + H2O + HgI2

6

2

6

2

Schemat 3

52

Halogenowanie alkilowych pochodnych benzenu wobec katalizatorw daje mieszanin orto

i para halogenopochodnych. Czynnikami wpywajcymi na powstanie wielohalogenowej pochodnej

s podwyszona temperatura i nadmiar halogenu.

Chlorowcowanie alkilowych pochodnych benzenu podczas nawietlania w podwyszonej

temperaturze i bez katalizatora przebiega wedug mechanizmu rodnikowego i prowadzi do mieszaniny

chlorku benzylu, chlorku benzylidenu oraz chlorku benzylidynu (Schemat 4). Podobny mechanizm

obserwujemy podczas reakcji bromowania z udziaem N-bromoimidu kwasu bursztynowego (NBS)

(Schemat 5).

CH3

Cl2

hv

CH2Cl CHCl2 CCl3

+ +

Schemat 4

CH2CH2CH3

N

O

O

Br

(PbCO2)2, CCl4CH CH2CH3

Br

+

NBS(N-bromoimid kwasu bursztynowego)

(1-bromopropylo)benzen

Schemat 5

Natomiast chlorowanie czy bromowanie alkilowych pochodnych benzenu wobec kwasw

Lewisa jako katalizatorw prowadzi do powstania mieszaniny 2- i 4- halogenotoluenw. W reakcji

chlorowania toluenu otrzymujemy mieszanin 2-chlorotoluenu oraz 4-chlorotoluenu (Schemat 6).

CH3

Cl2

FeCl3

CH3Cl

CH3

Cl

+

Schemat 6

53

Zwizki heterocykliczne picioczonowe (pirol, furan, tiofen) ulegaj reakcji chlorowcowania

atwiej ni benzen. Pirydyna, chinolina i ich pochodne reaguj trudniej. Fenol i aminy aromatyczne

pod wpywem wody bromowej tworz 2,4,6-trjbromopochodne. 4-bromofenol otrzymujemy

w wyniku bromowania fenolu w roztworze dwusiarczku wgla w niskiej temperaturze, natomiast

2-bromo czy 2-chlorofenole otrzymujemy z odpowiednich chlorowcoanilin poprzez reakcj

dwuazowania i zagotowania soli dwuazoniowej. Aby otrzyma pochodne aniliny o mniejszej liczbie

atomw chlorowca naley najpierw grup aminow zabezpieczy przez acylowanie, a nastpnie

przeprowadzi reakcj bromowania i hydroliz (Schemat 7).

NH2 NHCOCH3 NHCOCH3

Br

NH2

Br

Br2 H 2O(CH3CO)2O

Schemat 7

Reakcje nitrowania zwizkw aromatycznych

Zwizki aromatyczne ulegaj reakcji nitrowania. Jeeli grupa nitrowa zajmuje miejsce atomu

wodoru mamy do czynienia z nitrowaniem bezporednim, a gdy podstawiamy inn grup ni atom

wodoru mwimy o nitrowaniu porednim. Czynnikiem elektrofilowym jest kation nitroniowy (kation

nitroilu) NO2+, ktry powstaje z kwasu azotowego V w wyniku protonowania i utraty czsteczki wody

lub rozpadu innych zwizkw typu X-NO2 (piciotlenek azotu, azotany acylowe). Najczciej rdem

jonw nitroniowych s kwas azotowy o rnym steniu czy mieszanina nitrujca (mieszanina

stonego kwasu azotowego i stonego kwasu siarkowego w rnych steniach)

Reakcja jonu nitroniowego z benzenem jest reakcj egzotermiczn. W pierwszym etapie

powstaje produkt poredni karbokation (podobnie jak w reakcji halogenowania), z ktrego

eliminowany jest kation wodorowy H+ tworzc nitrobenzen (Schemat 8).

54

H

NO2

NO2

HNO3 + H2SO4 NO2 HSO4

NO2+

+

+

++

-+ H2O

+H3O

+

Schemat 8

Nitrobenzen z nadmiarem mieszaniny nitrujcej i w podwyszonej temperaturze prowadzi

do powstania 1,3-dinitrobenzenu oraz 1,3,5-trinitrobenzenu. Alkilowe pochodne benzenu ulegaj

atwiej reakcji nitrowania ni benzen, dajc mieszaniny 2- i 4-nitro pochodnych. Z kolei fenol ulega

nitrowaniu wedug innego mechanizmu. Synteza monopodstawionego nitrofenolu (orto lub para)

przebiega w obecnoci rozcieczonego kwasu azotowego V. Czynnikiem elektrofilowym jest jon

nitrozoniowy, ktry powstaje z kwasu azotowego III (obecnego w kwasie azotowym V), ktry atakuje

piercie aromatyczny tworzc nitrozofenol, a ten zostaje utleniona za pomoc kwasu azotowego V

do nitrofenolu (Schemat 9).

OHOH

H NO

OH

NO

OH

NO2

HNO2 + H H2O + NO

HNO3

++

Schemat 9

Nitrujc fenol przy uyciu mieszaniny nitrujcej otrzymamy 2,4,6-trinitrofenol (kwas

pikrynowy). Nitrowanie amin za pomoc czynnikw nitrujcych nie daje zadowalajcych efektw,

gdy grupa aminowa jest wraliwa na dziaanie czynnikw utleniajcych. Dlatego te grup aminow

poddaje si reakcji acylowania, w celu zabezpieczenia grupy aminowej i dopiero acylow pochodn

poddaje si reakcji nitrowania. Z aniliny otrzymujemy acetanilid, ktry w reakcji nitrowania tworzy

p-nitroacetanilid. Z tego ostatniego w reakcji hydrolizy kwasowej otrzymujemy p-nitroanilin

(Schemat 10).

55

NH2 NHCOCH3 NHCOCH3

NO2

NH2

NO2

nitrowanie H 2O(CH3CO)2O

Schemat 10

Reakcje sulfonowania zwizkw aromatycznych

Reakcja sulfonowania polega na wprowadzeniu grupy sulfonowej -SO3H w miejsce atomu

wodoru i zachodzi wedug tego samego dwuetapowego mechanizmu co reakcja halogenowania

czy nitrowania (Schemat 1). Najczciej stosowanymi rodkami sulfonujcymi s kwas siarkowy

o steniu 75%-100%, dymicy kwas siarkowy = oleum (mieszanina kwasu siarkowego i trjtlenku

siarki) czy kwas chlorosulfonowy.

Cech charakterystyczn reakcji jest to, e reakcja sulfonowania jest reakcj odwracaln,

sulfonowanie zachodzi w stonym kwasie siarkowym VI, a desulfonowanie w rozcieczonym jego

roztworze lub wodzie. Desulfonowanie jest przykadem reakcji substytucji elektrofilowej typu IPSO,

w ktrej atak elektrofilowy nastpuje na pozycj ju zajmowan przez inny podstawnik. W reakcji

sulfonowania otrzymujemy kwasy arylosulfonowe, ktre s wanymi pproduktami np. w syntezie

barwnikw oraz sulfonamidw.

H

SO3H

SO3H

SO3 + H2SO4 HSO3 HSO4

HSO3 H2SO4+

+

+

++

-

+

H

S O

O

O

SO3H

S

O

O

O+

+

-

Schemat 11

56

Wglowodory aromatyczne jednopiercieniowe ulegaj reakcji sulfonowania najtrudniej,

natomiast najatwiej ulegaj jej wglowodory aromatyczne wielopiercieniowe. Podstawniki

pierwszego rodzaju uatwiaj reakcj sulfonowania, natomiast podstawniki drugiego rodzaju w duym

stopniu j utrudniaj. Duy wpyw na t reakcj ma temperatura, ktra warunkuje przebieg reakcji.

Zwizki heterocykliczne ulegaj trudniej reakcji sulfonowania ni wglowodorowe zwizki

aromatyczne.

Aminy aromatyczne reaguj z czynnikami sulfonujcymi w tzw. metodzie spiekania. Metoda

ta polega na dodaniu do aminy aromatycznej (np. aniliny) stechiometrycznej iloci kwasu siarkowego

VI. Powstaje kwany siarczan aniliny, ktry podczas dugotrwaego ogrzewania w temperaturze 180C

traci czsteczk wody i przeksztaca si w kwas fenylosulfaminowy, a ten z kolei ulega

przegrupowaniu do kwasu sulfanilowego (Schemat 12).

NH2

H2SO4

NH3OSO3H NHSO3H NH2

SO3H

+H2O-

temp.przegrupowanie

Schemat 12

Reakcje alkilowania zwizkw aromatycznych

Reakcja alkilowania zwizkw aromatycznych zostaa opisana przez Charlesa Friedela

i Jamesa Craftsa w 1877 roku jako reakcja wprowadzenia grupy alkilowej pochodzcej z chlorku

alkilu, w obecnoci chlorku glinu jako katalizatora, do czsteczki benzenu. Czynnikiem

elektrofilowym jest karbokation tworzcy si w reakcji chlorku alkilu z katalizatorem. Chlorek glinu

katalizuje reakcje poprzez uatwienie jonizacji halogenku alkilu. Jako czynnikw alkilujcych mona

te uy olefin, alkoholi, eterw czy estrw. Nastpnie nastpuje reakcja pomidzy piercieniem

a wytworzonym karbokationem i powstaje nowy karbokation, z ktrego po utracie protonu

otrzymujemy oczekiwany produkt reakcji alkilowania oraz odtworzony katalizator (Schemat 13).

57

H

CH3

CH3

CH3Cl + AlCl3

CH3 HCl + AlCl3

CH3 AlCl4

+

+

+

++

-

+

Schemat 13

Istnieje kilka ogranicze przebiegu tego typu reakcji. W reakcji mona uywa jedynie

halogenkw alkilowych, gdy halogenki arylowe i winylowe nie reaguj. Piercie aromatyczny

nie moe by podstawiony podstawnikami wycigajcymi elektrony ani aminowymi. Powoduje

to praktycznie cakowity spadek reaktywnoci piercienia na omawiany typ reakcji. Aminy

aromatyczne I-rzdowe mona alkilowa przy uyciu alkoholi w obecnoci chlorku cynkowego jako

katalizatora. Czsto dochodzi do reakcji polialkilowania, czyli wprowadzenia kilku grup alkilowych

do piercienia. W okrelonych warunkach dochodzi moe do przegrupowania szkieletowego

co w gwnej mierze zaley od temperatury reakcji i rozpuszczalnika. Reakcji alkilowania ulegaj

take wglowodory aromatyczne wielopiercieniowe jak i zwizki heterocykliczne.

Reakcje acylowania zwizkw aromatycznych

Reakcja acylowania zwizkw aromatycznych metod Friedela-Craftsa jest metod syntezy

ketonw. Polega na wprowadzeniu do piercienia aromatycznego grupy acylowej pochodzcej

z chlorku kwasowego w obecnoci katalizatora (AlCl3). Mechanizm jest podobny do opisywanej

reakcji alkilowania. Chlorek kwasowy (chlorek acetylu) reaguje z katalizatorem (AlCl3) tworzc

kation acyliowy (karbokation, reaktywny czynnik