Transcript Wykład 1
Mechanizmy reakcji organicznych 1. Jak rozpocząć pisanie mechanizmu reakcji 2. Reakcje polarne zachodzące w warunkach zasadowych 3. Reakcje polarne w warunkach kwaśnych 4. Reakcje pericykliczne 5. Reakcje wolnorodnikowe 6. Reakcje promowane lub katalizowane metalami 7. Metody badania mechanizmów reakcji 1. Jak rozpocząć pisanie mechanizmu reakcji • Obrazowanie mechanizmów reakcji za pomocą strzałek • Kwasowość i zasadowość Brønsteda • Kinetyka i termodynamika (profile energii) • Kontrola kinetyczna i termodynamiczna w reakcjach organicznych • Klasyfikacja przemian w chemii organicznej • Klasyfikacja mechanizmów reakcji chemicznych Chemia organiczne jest dziedziną nauki która bada jak substancje organiczne są przekształcane od substratów w produkty Mechanizmy reakcji organicznych są opisami dróg przekształcania substratów w produkty. Cząsteczki z takimi samymi grupami funkcyjnymi reagują wedle podobnych mechanizmów. Na podstawie mechanizmów znanych reakcji można przewidzieć zachowanie się podobnych cząsteczek w analogicznych warunkach. Mechanizmy reakcji są więc tym co łączy podobne reakcje. Znając je, można wyjaśnić sposób powstawania produktów znanych reakcji, a także przewidzieć reaktywność cząsteczek organicznych. Science 31 Vol. 317 no. 5842 pp. 1189-1192 Obrazowanie mechanizmów reakcji za pomocą strzałek Wygięta strzałka przedstawia ruch pary elektronowej z orbitalu zapełnionego na pusty Gdy nukleofil atakuje niewiążący orbital jedna strzałka obrazuje powstawanie nowego wiązania, a druga pęknięcie starego Zachowanie ładunku na każdym etapie reakcji Elektrony mogą być dostarczane również z wiązania π. Strzałka zaczyna się w środku wiązania π. Zachowanie ładunku na każdym etapie reakcji Rozpad cząsteczek Spontaniczny rozpad cząsteczek - przyczyna – słabe spolaryzowane wiązanie σ Grupy funkcyjne, które „oddalają się” z elektronami z wiązania σ (Br, N2+, OH2+) są zwane grupami opuszczającymi, a tego typu rozpad określamy jako rozczepienie heterolityczne Homolityczne rozczepienie – tworzenie rodników Przemieszczanie elektronów wewnątrz cząsteczki Podsumowanie. Co oznaczają wygięte strzałki: • Wygięta strzałka pokazuje ruch pary elektronowej • Początek strzałki wskazuje źródło pary elektronowej, którym może być zapełniony orbital HOMO lub wolna para elektronowa wiązania π lub σ. • Grot strzałki pokazuje miejsce przemieszczenia pary elektronów, którym może być elektroujemny atom, który w wyniku tego przemieszczenie zyskuje ładunek ujemny (grupa opuszczająca), pusty orbital, gdy tworzone jest nowe wiązanie lub niewiążący orbital (σ* lub π*), gdy wiązanie jest przerywane. • Zachowany jest sumaryczny ładunek. Wskazówki do samodzielnego pisanie mechanizmów reakcji (Clayden str. 131) • Ustal strukturę każdego reagenta. • Ustal, który atom jest nukleofilowy, a który elektrofilowy. • Zaznacz wolną parę na nukleofilowym atomie. • Wygięte strzałki zawsze rysuj w tym samym kierunku. • Jeśli tworzysz nowe wiązanie z H, C, N lub O musisz zerwać już istniejące wiązanie. • Zaznacz wyraźnie ładunki w reagentach i produktach pośrednich. • Upewnij się, że ładunek całkowity w Twoim mechanizmie jest zachowany. Kwasowość i zasadowość Brønsteda • Kwasem jest substancja wykazująca skłonność do utraty protonu • Zasadą jest substancja wykazująca skłonność do przyłączenia protonu • Zasady mogą być anionowe lub neutralne, a kwasy neutralne bądź kationowe • Reakcje kwasowo zasadowe są reakcjami równowagowymi • Kwas i zasadę mamy po obu stronach reakcji równowagowej • Reakcja transferu protonu jest reakcją bardzo szybką szczególnie gdy proton jest transferowany z jednego heteroatomu na drugi Wartość pKa określa, jak bardzo kwasowy (lub jak mało) jest dany atom wodoru w rozpatrywanym związku. Jest to bardzo użyteczne, ponieważ w sytuacji, gdy pierwszym etapem reakcji jest protonowanie lub deprotonowanie jednego z substratów, trzeba wiedzieć, w którym miejscu związek ten może być protonowany bądź deprotonowany i jak mocny kwas lub zasada będzie tu potrzebna. Do zapamiętania: • Kwasowość wzrasta wraz ze wzrostem elektroujemności (porównaj: H3CH, H2NH, HOH) • Kwasowość wzrasta idąc w dół układu okresowego (porównaj: EtOH z EtSH). Jest to prawdopodobnie spowodowane słabym nakładaniem się małych orbitali wodoru z rosnącymi walencyjnymi orbitalami atomów, z którymi jest połączony. • Kwasowość związku HA wzrasta kiedy indukcyjnie elektronoakceptorowe grupy są połączone z A ,a maleje gdy grupy elektronodonorowe są połączone z A (porównaj CCl3COOH z CH3COOH, i HOH z EtOH). • Dla neutralnych kwasów, kwasowość maleje ze wzrostem zawady przestrzennej (porównaj EtOH, t-BuOH). • Kwas (HA) jest zdecydowanie bardziej kwaśny kiedy wolna para sprzężonej zasady jest stabilizowana przez rezonans (porównaj: PhOH z EtOH i CH3CH=CH2 z alkanami). HA jest wyjątkowo kwaśny gdy wolna para jest delokalizowana z jedną lub dwoma grupami karbonylowymi. Kinetyka i termodynamika (profile energii) • reakcja faworyzowana lub utrudniona Reakcja jest uprzywilejowana gdy energia swobodna jest mniejsza od zera. Energia swobodna jest zależna od entalpii (ΔH) i entropii (ΔS), ΔGo= ΔHo -TΔSo. W praktyce to entalpie nie energie swobodną wykorzystuje się do określenia czy reakcja jest preferowana czy nie. Reakcja z ΔHo < 0 jest egzotermiczna, ΔHo > 0 endotermiczna. Kinetyka i termodynamika • reakcja szybka czy wolna Substraty po przekroczeniu bariery energetycznej przechodzą w produkty. Energia potrzebna by substraty osiągnęły szczyt bariery energetycznej to energia aktywacji, a szczyt bariery, w którym reagenty mogą równie łatwo wrócić do substratów lub przejść do produktów nazywamy stanem przejściowym. Szybkość reakcji jest zależna od wielkości bariery aktywacji. Kinetyka i termodynamika • stan przejściowy Kinetyka i termodynamika • stan przejściowy Kinetyka i termodynamika • postulat Hammonda (wczesny i późny stan przejściowy) Reakcje silnie egzotermiczne charakteryzują się wczesnym stanem przejściowym i wykazują małą selektywność. Reakcje silnie endotermiczne charakteryzują się późnym stanem przejściowym i wykazują wysoką selektywnością. Kontrola kinetyczna i termodynamiczna w reakcjach organicznych • Gdy w niskiej temperaturze powstaje jeden produkt, a w podwyższonej inny Kontrola kinetyczna i termodynamiczna w reakcjach organicznych • pierwsze doniesienie o kontroli kinetycznej i termodynamicznej Kontrola kinetyczna i termodynamiczna w reakcjach organicznych • [4+2] cykloaddycja W niższej temperaturze powstaje produkt endo 2, w wyższej produkt termodynamicznie trwalszy egzo 1. Produkt egzo posiada niższe zawady przestrzenne, a w stanie przejściowym prowadzącym do produktu 2 występuje skuteczniejsze nakładanie orbitali tworzących nowe wiązania. Kontrola kinetyczna i termodynamiczna w reakcjach organicznych • deprotonowanie niesymetrycznych ketonów Kontrola kinetyczna i termodynamiczna w reakcjach organicznych • addycja elektrofilowa Klasyfikacja przemian w chemii organicznej • Reakcje addycji •Reakcje eliminacji •Reakcje substytucji • Reakcje przegrupowania Klasyfikacja reakcji chemicznych • W reakcjach addycji dwa substraty łączą się dając jeden produkt. Zwykle wiązanie π, które jest jednym z substratów zostaje zastąpione dwoma wiązaniami σ Klasyfikacja reakcji chemicznych • W reakcjach eliminacji jeden substrat ulega podziałowi na dwa produkty. Zwykle dwa wiązania σ w materiale wyjściowym zostają zastąpione przez nowe wiązanie π Klasyfikacja reakcji chemicznych • W reakcjach substytucji atom lub grupa związana wiązaniem σ z resztą cząsteczki zostaje zastąpiona przez inny σ-związany atom lub grupę. Klasyfikacja reakcji chemicznych • W reakcjach przegrupowania pojedynczy materiał wyjściowy daje jeden produkt o innej strukturze. Klasyfikacja mechanizmów reakcji chemicznych • Reakcje polarne – procesy te polegają na ruchu par elektronowych z obszarów o wysokiej gęstości elektronowej (nukleofile) do obszarów o niskiej gęstości elektronowej (elektrofile), lub z pełnego orbitalu na orbital pusty. • Reakcje wolnorodnikowe polegają na ruchu pojedynczych elektronów. Nowe wiązanie powstaje wskutek połączenia dwóch połowicznie zapełnionych (half-filled) orbitali. • Reakcje pericykliczne charakteryzują się kołowym ruchem elektronów. • Reakcje promowane lub katalizowane metalami Mechanizmy Polarne – reakcje nukleofili z elektrofilami biegną zwykle w kwaśnych lub zasadowych warunkach. • Nukleofile to związki posiadające wolną aktywną parę elektronową dostępną by wytworzyć nowe wiązanie. Nukleofil może być obojętny elektrycznie lub naładowany ujemnie. Istnieją trzy typy nukleofili: nukleofile posiadające wolna parę elektronową, σ-nukleofile i πnukleofile. • Nukleofile posiadające wolna parę elektronową. Wolna para jest wykorzystywane do tworzenia nowego wiązania z elektrofilem. Alkohole (ROH), aniony oksoniowe, aminy, aniony chlorkowe, tiole, fosfiny. • σ-nukleofile – posiadają wiązanie między niemetalem a metalem. Elektrony tworzące wiązanie pierwiastkiem (niemetalem) a metalem zostają użyte do wytworzenia nowego wiązania między niemetalem, a elektrofilem. Formalny ładunek atomu nukleofilowego się nie zmienia, a metalu wzrasta o 1. Atomem nukleofilowym może być heteroatom (NaNH2, KOH), związki metaloorganiczne (zw. Grignarda, Gilmana, lito- czy miedzioorganiczne) lub wodór jak w kompleksach wodorków NaBH4, LiAlH4 • π-nukleofile – wykorzystują parę elektronową wiązania π do wytworzenie wiązania σ między jednym atomem z wiązania π, a atomem elektrofilowym. Formalny ładunek nukleofilowego atomu w wiązaniu π się nie zmienia lecz drugi atom zespołu π staje się ubogi w elektrony. Proste alkeny i areny są słabymi π nukleofilami podczas gdy wiązania π bezpośrednio połączone z heteroatomami (enaminy, enolany, etery winylowe) to aktywne π nukleofile. Własności nukleofili • Nukleofilowość wzrasta posuwając się w dół układu okresowego, podczas gdy zasadowość maleje. Tak więc, I- jest świetnym nukleofilem podczas gdy Cl- słabym, Et2S to bardzo dobry nukleofil a Et2O bardzo słaby. • Nukleofilowość maleje dramatycznie ze wzrostem zawady przestrzennej wokół atomu nukleofilowego. • Delokalizacja ładunku zdecydowanie obniża zasadowość, a nieznacznie nukleofilowość. • Brak wiązania wodorowego w aprotycznych rozpuszczalnikach polarnych zwiększa zarówno nukleofilowość jak i zasadowość. Elektrofile i grupy upuszczające. • Elektrofile są to związki posiadające niskoenergetyczny wolny orbital dostępny do wytworzenia nowego wiązania. Elektrofile mogą być obojętne lub posiadać ładunek dodatni. Mamy trzy typy elektrofili: elektrofile będące kwasami Lewisa, π elektrofile i σ elektrofile. • Elektrofile będące kwasami Lewisa posiadają atom E który nie ma oktetu elektronowego, a posiada niskoenergetyczny niewiążący orbital (zwykle p). Wolna para elektronowa nukleofila jest wykorzystywana przez E by wytworzyć nowe wiązanie i uzupełnić elektrony do oktetu. Elektrofile i grupy upuszczające. • π elektrofile elektrofilowy atom E posiada oktet lecz jest połączony przez wiązanie π z atomem lub grupą, która może przyjąć parę elektronową Elektrofile i grupy upuszczające. • σ elektrofile mają strukturę E-X. Elektrofilowy atom E posiada oktet ale jest połączony wiązaniem σ z atomem bądź grupą X zwaną grupą odchodzącą Elektrofile i grupy upuszczające. • Grupy opuszczające można podzielić na dwie rodziny. Pierwsza z nich to grupy dobrze opuszczające, druga to grupy źle opuszczające. Skłonność danej grupy do przynależności do jednej z dwóch powyższych rodzin jest ściśle powiązana z pKb grupy. Reakcje wolnorodnikowe • Prawie wszystkie reakcje rodnikowe są reakcjami łańcuchowymi. Główne produkty reakcji powstają w etapie propagacji. Tylko niewielka ilość produktów ubocznych pochodzi z reakcji inicjacji i terminacji. Reakcje pericykliczne • Reakcje perycykliczne powodują utworzenie lub zerwanie co najmniej jednego wiązania podwójnego. Często substraty lub produkty zawierają dwa sprzężone wiązania π. • Reakcje pericykliczne są stereospecyficzne. Czyli, że z trans wiązania podwójnego powstaje jeden diestereoizomer, a z izomeru cis drugi Podsumowanie Jak zacząć pisać mechanizm reakcji? 1. Zaznacz ciężkie atomy w substratach i produktach 2. Zanotuj które wiązania σ uległy zerwaniu na drodze z substratów do produktów 3. Zaklasyfikuj sumaryczny przebieg reakcji (addycja, substytucja, eliminacja, przegrupowanie). Wiele procesów może składać się z dwóch lub więcej reakcji cząstkowych 4. Patrząc na warunki reakcji zakwalifikuj mechanizm (polarny w warunkach kwaśnych lub zasadowych, wolnorodnikowy czy promowany metalem) 5. Jeśli mechanizm jest polarny ustal nukleofilowość, elektrofilowość i kwasowość atomów gdzie wiązanie σ będzie tworzone lub zrywane.