wykłady
G. Patrick
Przekład Zbigniew
Zawadzki
Warszawa 2002 Wydawnictwo Naukowe P W N
SPIS TREŚCI Przedmowa
IX
S...
967 downloads
1307 Views
6MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
wykłady
G. Patrick
Przekład Zbigniew
Zawadzki
Warszawa 2002 Wydawnictwo Naukowe P W N
SPIS TREŚCI Przedmowa
IX
Sekcja A - S t r u k t u r a i w i ą z a n i a A l Struktura atomu węgla A2 Wiązania kowalencyjne i hybrydyzacja A3 Hybrydyzacja sp A 4 H y b r y d y z a c j a sp A 5 H y b r y d y z a c j a sp A6 Hybrydyzacja a wiązania
1 1 4 7 11 19 23
Sekcja B - A l k a n y i c y k l o a l k a n y BI Definicja B2 R y s o w a n i e w z o r ó w s t r u k t u r a l n y c h B3 N a z e w n i c t w o
27 27 28 30
Sekcja C - G r u p y f u n k c y j n e C l R o z p o z n a w a n i e g r u p funkcyjnych C 2 Alifatyczne i a r o m a t y c z n e g r u p y funkcyjne C 3 W i ą z a n i a m i ę d z y cząsteczko w e C4 W ł a ś c i w o ś c i i reakcje C 5 N a z e w n i c t w o z w i ą z k ó w zawierających g r u p y funkcyjne C6 Rzędowość związków organicznych — nazewnictwo
35 35 37 39 42 44 54
Sekcja D Dl D2 D3 D4
57 57 59 63 72
3
2
Stereochemia Izomery konstytucyjne I z o m e r y konfiguracyjne — a l k e n y i c y k l o a l k a n y I z o m e r y konfiguracyjne — i z o m e r y o p t y c z n e I z o m e r y konformacyjne
Sekcja E - N u k l e o f i l e i e l e k t r o f i l e E l Definicja E2 J o n y E3 N i e o r g a n i c z n e cząsteczki obojętne E4 Z w i ą z k i o r g a n i c z n e
79 79 81 84 88
Sekcja F - R e a k c j e i ich m e c h a n i z m y F I Reakcje F2 M e c h a n i z m y
91 91 93
Sekcja G - R e a k c j e k w a s ó w i z a s a d G l Kwasy i zasady Brensteda i Lowry'ego G2 Moc kwasów G 3 Moc zasad G4 K w a s y i zasady Lewisa G 5 Jony e n o l a n o w e
97 97 100 107 114 116
Sekcja H HI H2 H3
121 121 123
Alkeny i alkiny Otrzymywanie alkenów i alkinów Właściwości a l k e n ó w i a l k i n ó w A d d y c j a elektrofilowa d o a l k e n ó w p o d s t a w i o n y c h symetrycznie H 4 A d d y c j a elektrofilowa d o a l k e n ó w p o d s t a w i o n y c h niesymetrycznie H 5 Stabilizacja k a r b o k a t i o n u
126 134 137
H6 H7 H8 H9 H10 Hll
Redukcja i utlenianie a l k e n ó w Hydroborowanie alkenów A d d y c j a elektrofilowa d o a l k i n ó w Redukcja a l k i n ó w Alkilowanie alkinów terminalnych Sprzężone dieny
Sekcja I - C h e m i a z w i ą z k ó w a r o m a t y c z n y c h 11 C h a r a k t e r a r o m a t y c z n y 12 O t r z y m y w a n i e i właściwości z w i ą z k ó w a r o m a t y c z n y c h 13 Substytucja elektrofilowa b e n z e n u 14 S y n t e z a j e d n o p o d s t a w i o n y c h b e n z e n ó w 15 Substytucja elektrofilowa j e d n o p o d s t a w i o n y c h pierścieni a r o m a t y c z n y c h 16 S y n t e z a d w u p o d s t a w i o n y c h i t r ó j p o d s t a w i o n y c h b e n z e n ó w 17 Utlenianie i redukcja
140 144 147 150 152 154 159 159 162 164 173 177 188 193
Sekcja J - A l d e h y d y i ketony 195 Jl Otrzymywanie 195 J2 Właściwości 197 J3 A d d y c j a nukleofilowa 201 J4 A d d y q ' a nukleofilowa — n u k l e o n i e n a ł a d o w a n e 203 J5 Efekty indukcyjne i sferyczne 210 J6 A d d y c j a nukleofilowa — nukleofile zawierające a z o t 214 J7 A d d y c j a nukleofilowa — nukleofile zawierające tlen i siarkę 218 J8 Reakcje j o n ó w e n o l a n o w y c h 223 J9 a - H a l o g e n o w a n i e 231 J10 Redukcja i u t l e n i a n i e 233 J l l ajS-nienasycone a l d e h y d y i k e t o n y 236 Sekcja K - K w a s y k a r b o k s y l o w e i ich p o c h o d n e KI Struktura i właściwości K2 Substytucja nukleofilowa K3 Aktywność chemiczna K4 O t r z y m y w a n i e k w a s ó w k a r b o k s y l o w y c h K5 O t r z y m y w a n i e p o c h o d n y c h k w a s ó w k a r b o k s y l o w y c h K6 Reakcje K 7 Reakq'e j o n ó w e n o l a n o w y c h
239 239 242 246 250 253 258 269
Sekcja L - H a l o g e n k i a l k i l o w e L I O t r z y m y w a n i e i właściwości fizyczne L2 Substytuq'a nukleofilowa L3 C z y n n i k i sprzyjające m e c h a n i z m o m S N I i SN2 L4 Reakcja eliminacji L5 Eliminacja a substytucja L6 Reakcje h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h L7 Reakcje z w i ą z k ó w m e t a l o o r g a n i c z n y c h
275 275 277 283 289 294 297 300
Sekcja M Ml M2 M3 M4 M5 M6
303 303 304 306 310 318 322
A l k o h o l e , f e n o l e i Hole O t r z y m y w a n i e alkoholi O t r z y m y w a n i e fenoli Właściwości alkoholi i fenoli Reakcje alkoholi Reakcje fenoli C h e m i a tioli
Sekcja N - E t e r y , e p o k s y d y i s u l f i d y N I Otrzymywanie eterów, epoksydów i sulfidów N 2 Właściwości e t e r ó w , e p o k s y d ó w i s u l f i d ó w
325 325 328
N3
Reakcje e t e r ó w , e p o k s y d ó w i s u l f i d ó w
330
Sekcja O - A m i n y i n i t r y l e 0 1 Otrzymywanie amin 0 2 Właściwości a m i n 0 3 Reakcje a m i n 0 4 C h e m i a nitryli
337 337 342 348 355
Literatura uzupełniająca
359
Indeks
361
PRZEDMOWA Zamiarem autora niniejszego podręcznika było opracowanie zwięzłych i zrozumiałych notatek z c h e m i i o r g a n i c z n e j , p r z y d a t n y c h d l a s t u d e n t ó w k i e r u n k ó w , n a k t ó r y c h w y k ł a d a się c h e m i ę a l b o d y s c y p l i n y p o k r e w n e , o r a z d l a s ł u c h a c z y k u r s ó w , n a k t ó r y c h c h e m i a o r g a n i c z n a jest p r z e d m i o t e m p o m o c n i c z y m . K s i ą ż k a k o n c e n t r u j e się n a t e m a t a c h z a s a d n i c z y c h , w y k ł a d a n y c h na wszystkich kierunkach, n a których — p o w s t ę p n y m kursie chemii ogólnej — p r z y c h o d z i zająć się c h e m i ą o r g a n i c z n ą . C h e m i a o r g a n i c z n a jest n a u k ą , k t ó r a j e d n y c h s t u d e n t ó w w p r a w i a w e k s t a z ę , u i n n y c h z a ś w y w o ł u j e c h ę ć w b i c i a z ę b ó w w ś c i a n ę . N i e k t ó r z y „ z a ł a p u j ą " n a t y c h m i a s t , o c o w tej n a u c e c h o dzi, p o d c z a s g d y i n n i — niezależnie o d w ł o ż o n e g o w y s i ł k u — nie potrafią się z o r i e n t o w a ć , gdzie tu jest początek, a g d z i e koniec. Oczywiście, j e d n y m z g ł ó w n y c h p r o b l e m ó w p r z y n a u c e chemii organicznej jest rozległość m a t e r i a ł u , k t ó r y t r z e b a sobie p r z y s w o i ć . N i e k t ó r z y a d e p c i p r z e d m i o t u są p r z e r a ż e n i k o n i e c z n o ś c i ą z a p a m i ę t a n i a p o z o r n i e n i e s k o ń c z o n e g o s z e r e g u r e a kcji, a g d y p r z y c h o d z i d o s z k i c o w a n i a m e c h a n i z m ó w i r y s o w a n i a z a k r z y w i o n y c h s t r z a ł e k — są w s t a n i e z o b a c z y ć w t y m w s z y s t k i m j e d y n i e o s z a ł a m i a j ą c y l a b i r y n t p o p l ą t a n y c h linii, p r o w a d z ą c y c h z n i k ą d d o n i k ą d . S z c z e g ó l n i e p o j ę c i a z w i ą z a n e z m e c h a n i z m a m i reakcji c z ę s t o o k a zują się n i e d o o p a n o w a n i a . T r u d n o ś c i t e n a s i l a j e s z c z e fakt, ż e o b j ę t o ś ć w s p ó ł c z e s n y c h p o d r ę c z n i k ó w c h e m i i o r g a n i c z n e j p r z e k r a c z a z a z w y c z a j 1200 s t r o n , a i c h c e n a j e s t r ó w n i e n i e bagatelna. Niniejsza książka s t a n o w i p r ó b ę zmieszczenia w s z y s t k i e g o , co z a s a d n i c z e w chemii organi cznej, w p o d r ę c z n i k u o p o z w a l a j ą c e j z a p a n o w a ć n a d s o b ą objętości o k o ł o 300 s t r o n , p r z y j a z n y m s t u d e n t o w i i n a d o d a t e k takim, n a który nie trzeba przeznaczyć fortuny. Cel ten autor p r ó buje o s i ą g n ą ć , k o n c e n t r u j ą c s i ę w y ł ą c z n i e n a p o d s t a w a c h o m a w i a n e j d y s c y p l i n y , b e z w c h o d z e nia w w y c z e r p u j ą c ą d y s k u s j ę s z c z e g ó ł ó w , b e z m n o ż e n i a p r z y k ł a d ó w i l u s t r u j ą c y c h t o k w y k ł a d u . C o więcej, prezentując Hasła, otwierające k a ż d y temat, p o d s u m o w u j e zasadnicze fakty, c o p o m a g a s k u p i ć s i ę n a s p r a w a c h n a j w a ż n i e j s z y c h . C h e m i a o r g a n i c z n a t o p r z e d m i o t s z c z e g ó l n y , p o n i e w a ż i m b a r d z i e j się w nią z a g ł ę b i a m y , t y m staje się ł a t w i e j s z a . S t w i e r d z e n i e t o m o ż e s z o k o w a ć ; s z c z e g ó l n i e z b u l w e r s u j e o n o s t u d e n t a pierwszego roku, który walczy d o u p a d ł e g o o o p a n o w a n i e kilku najprostszych reguł n a z e w n i c t w a , p r ó b u j e z a p a m i ę t a ć k i l k a t u z i n ó w reakcji i z r o z u m i e ć c o k o l w i e k z i c h m e c h a n i z m u . A l e t a k t o w ł a ś n i e jest: t e p o d s t a w o w e pojęcia t w o r z ą f u n d a m e n t p r z e d m i o t u i k i e d y j u ż p o t r a f i m y sobie z n i m i r a d z i ć , c a ł y o b r a z się r o z j a ś n i a . R o z u m i e n i e m e c h a n i z m ó w reakcji o d g r y w a w t y m w s z y s t k i m r o l ę s z c z e g ó l n ą . W n o s i o n o l o g i k ę w ś w i a t reakcji c h a r a k t e r y s t y c z n y c h d l a p o s z c z e g ó l n y c h k l a s z w i ą z k ó w o r g a n i c z n y c h . To z k o l e i p r z e k s z t a ł c a całą d ł u g ą listę p o z o r n i e z e s o b ą n i e z w i ą z a n y c h f a k t ó w w s e n s o w n ą całość, d z i ę k i c z e m u t r u d z a p a m i ę t y w a n i a p o s z c z e g ó l n y c h reakcji z a m i e n i a się ( n o , p o w i e dzmy...) w „małe p i w o " . Kiedy o s i ą g a m y już ten szczęśliwy stan z a a w a n s o w a n i a , objawia się n a m n a g l e z w i ą z e k che mii organicznej z takimi d y s c y p l i n a m i , jak g e n e t y k a c z y b i o c h e m i a . R o z u m i e n i e chemii o r g a n i cznej p r z y n o s i l e p s z e r o z u m i e n i e c h e m i i ż y c i a i m o l e k u l a r n y c h p o d s t a w f u n k q ' o n o w a n i a o r g a n i z m ó w . P o m a g a t e ż p o j ą ć m o l e k u l a r n e m e c h a n i z m y c h o r ó b i n i e d o m a g a ń n a s z e g o ciała; s t ą d już tylko k r o k d o u ś w i a d o m i e n i a sobie, n a jakich z a s a d a c h opiera się p r o j e k t o w a n i e s t r u k t u r y n o w y c h l e k ó w , k t ó r e mają t e c h o r o b y z w a l c z a ć — a w i ę c d o z r o z u m i e n i a p o d s t a w f a r m a k o chemii.
To jeszcze nie koniec. Znajomość chemii organicznej p o m o ż e inżynierowi c h e m i k o w i pora dzić sobie z nieoczekiwanymi reakcjami u b o c z n y m i , towarzyszącymi p r o c e s o w i prze m y s ł o w e m u , a a g r o t e c h n i k o w i p o z w o l i z r o z u m i e ć procesy m o l e k u l a r n e decydujące o jakości plonów; ułatwi zaprojektowanie nowych, przyjaznych środowisku, herbicydów i fungicydów. Dzięki chemii organicznej policyjny specjalista z d o ł a o d p o w i e d z i e ć n a p y t a n i e d o t y c z ą c e nie pozornie wyglądającego białego proszku: heroina czy mąka? L i s t a z a g a d n i e ń n a u k o w y c h w i ą ż ą c y c h się z c h e m i ą o r g a n i c z n ą w y d a j e się n i e s k o ń c z o n a : projektowanie s k a f a n d r ó w kosmicznych, p o s z u k i w a n i e lepszych b a r w n i k ó w fotograficznych, n o w e t e c h n o l o g i e m o l e k u l a r n e w m i k r o e l e k t r o n i c e — t r u d n o d o p r a w d y t ę listę z a m k n ą ć . C h e m i a o r g a n i c z n a t o d y s c y p l i n a fascynująca, b o p r z y n o s i z r o z u m i e n i e c z ą s t e c z e k i i c h właściwości. K o l e j n o ś ć p r e z e n t a c j i t e m a t ó w n a j w c z e ś n i e j w tej k s i ą ż c e w p r o w a d z a n y c h jest i s t o t n a . P i e r w s z e d w i e sekcje d o t y c z ą s t r u k t u r y i w i ą z a ń , a w i ę c t e m a t ó w k l u c z o w y c h d l a r o z u m i e n i a d a l s z y c h części p o d r ę c z n i k a . D l a c z e g o właściwie a t o m w ę g l a t w o r z y cztery wiązania? C o t o jest hybrydyzacja? T r z e c i a sekcja, p o ś w i ę c o n a g r u p o m f u n k c y j n y m , m a z a s a d n i c z e z n a c z e n i e d l a w y r o b i e n i a u o s o b y u c z ą c e j się z d o l n o ś c i k a t e g o r y z a c j i r e a k c j i o r g a n i c z n y c h — n i e z b ę d n e j d o p o r u s z a n i a się p o p o z o r n y m l a b i r y n c i e p r o c e s ó w , w k t ó r y c h u c z e s t n i c z ą z w i ą z k i o r g a n i c z n e . P o t e m m o w a jest o s t e r e o c h e m i i , a w k o l e j n y c h sekcjach — E i F — p r e z e n t o w a n e są p o d s t a w y t e o r i i reakcji o r g a n i c z n y c h i ich m e c h a n i z m ó w . C o t o są n u k l e o f i l e i elektrofile? C o p r z e d s t a w i a m e c h a n i z m reakcji? C o o z n a c z a z a k r z y w i o n a s t r z a ł k a ? Z p o z o s t a ł y c h sekcji m o ż n a k o r z y s t a ć w d o w o l n e j kolejności, p r z y p a t r u j ą c s i ę o p i s a n y m t a m r e a k c j o m { w r a z z m e c h a n i z m a m i ) , j a k i m ulegają n a j p o w s z e c h n i e j s p o t y k a n e k l a s y z w i ą z k ó w organicznych, o największym znaczeniu w chemii i biochemii. A u t o r m a nadzieję, że studenci uznają ten p o d r ę c z n i k za u ż y t e c z n y i że — k i e d y zorientują s i ę j u ż , o c o w tej całej c h e m i i o r g a n i c z n e j c h o d z i — s i ę g n ą p o l e k t u r y o b s z e r n i e j s z e i w e j d ą n a d o b r e w fascynujący świat zjawisk m o l e k u l a r n y c h .
STRUKTURA ATOMU WĘGLA
Hasta Dla sześciu e l e k t r o n ó w znajdujących się w a t o m i e węgla d o s t ę p n e są następujące orbitale a t o m o w e : orbital s n a p i e r w s z e j p o w ł o c e elektronowej, orbital s należący d o drugiej p o w ł o k i i trzy orbitale p — r ó w n i e ż n a drugiej p o w ł o c e . O r b i t a l e l s i 2s mają kształt kulisty. Kształt orbitali 2p m o ż n a p o r ó w n a ć d o k s z t a ł t u hantli; p r z y p i s u j e się i m s y m b o l e 2p , 2p i 2p w zależności o d ich z o r i e n t o w a n i a w z d ł u ż o d p o w i e d n i c h osi u k ł a d u w s p ó ł r z ę d n y c h .
OfUtafe atomowe
x
y
z
Orbital l s m a niższą e n e r g i ę n i ż orbital 2s, k t ó r e g o energia jest z kolei niższa niż orbitali 2p. T r z y orbitale 2p mają j e d n a k o w ą e n e r g i ę ( m ó w i m y , że są z d e g e n e r o w a n e ) .
Węgiel p o ł o ż o n y jest w d r u g i m okresie u k ł a d u o k r e s o w e g o p i e r w i a s t k ó w ; m a o n sześć e l e k t r o n ó w , które zapełniają najpierw orbitale a t o m o w e o najniższej energii, a p o t e m — s t o p n i o w o — orbitale o c o r a z w y ż s z e j e n e r g i i (zasada r o z b u d o w y p o w ł o k e l e k t r o n o w y c h ) . N a k a ż d y m o r b i t a l u m o g ą się znaleźć najwyżej d w a e l e k t r o n y o p r z e c i w n y c h s p i n a c h (zakaz P a u l i e g o ) . Kiedy d o s t ę p n e są orbitale o j e d n a k o w e j energii, e l e k t r o n y najpierw zajmują je pojedynczo, a dopiero potem tworzą pary na poszczególnych orbitalach (reguła H u n d a ) . Tak w i ę c konfiguracja e l e k t r o n o w a a t o m u w ę g l a jest następująca: l s , 2 s , 2p , 2 p .
elektronowa
2
1
2
x
Tematy pokrewne
Orbitale atomowe
Wiązania k o w a l e n c y j n e i h y b r y d y z a c j a (A2)
W ę g i e l m a s z e ś ć e l e k t r o n ó w i z n a j d u j e się w d r u g i m o k r e s i e u k ł a d u o k r e s o w e g o p i e r w i a s t k ó w . O z n a c z a t o , ż e d l a e l e k t r o n ó w w ę g l a d o s t ę p n e są d w i e p o w ł o k i . Pierwsza, najbliższa jądra, zawiera tylko jeden orbital — l s . D r u g a p o w ł o k a s k ł a d a się z p o j e d y n c z e g o o r b i t a l u s (2s) i t r z e c h o r b i tali p (3 • 2p). A z a t e m s z e ś ć e l e k t r o n ó w w a t o m i e w ę g l a m a d o d y s p o z y c j i w s u m i e 5 o r b i t a l i a t o m o w y c h . O r b i t a l e s mają k s z t a ł t s f e r y c z n y ( k u l i s t y ) , p r z y c z y m o r b i t a l 2s jest z n a c z n i e w i ę k s z y n i ż o r b i t a l l s . O r b i t a l e p mają k s z t a ł t h a n t l i i są z o r i e n t o w a n e w z d ł u ż osi x, y i z. M ó w i m y w i ę c o o r b i t a l a c h a t o m o w y c h 2p , 2p i 2p (rys. 1). x
Poziomy energetyczne
1
y
y
z
O p i s a n e w y ż e j o r b i t a l e a t o m o w e r ó ż n i ą się e n e r g i ą (rys. 2). N a j n i ż s z a jest e n e r g i a o r b i t a l u l s . N a s t ę p n y p o d w z g l ę d e m e n e r g e t y c z n y m jest o r b i t a l 2s, a o r b i t a l e 2p mają n a j w y ż s z ą e n e r g i ę . T r z y o r b i t a l e 2p mają taką s a m ą e n e r g i ę ; m ó w i m y w i ę c , ż e są o n e z d e g e n e r o w a n e .
1s Rys. 1. Orbitale
2s
2p
2p
x
y
2p
z
atomowe
energia 2p
2p
2p
y
x
z
2s
18 Rys. 2. Poziomy energetyczne
Konfiguracja elektronowa
orbitali
atomowych
W ę g i e l p o ł o ż o n y jest w d r u g i m o k r e s i e u k ł a d u o k r e s o w e g o p i e r w i a s t k ó w i m a sześć e l e k t r o n ó w , które zapełniają orbitale a t o m o w e , zaczy nając o d o r b i t a l i o n a j n i ż s z e j e n e r g i i . R e g u ł a t a z n a n a jest j a k o z a s a d a roz b u d o w y p o w ł o k e l e k t r o n o w y c h . O r b i t a l l s z a p e ł n i a się, z a n i m z a c z n i e s i ę o b s a d z a n i e o r b i t a l u 2s, k t ó r y z k o l e i zostaje z a p e ł n i o n y p r z e d o r b i t a l a m i 2p. Z a k a z F a u l i e g o m ó w i , ż e n a d o w o l n y m o r b i t a l u m o g ą s i ę z n a leźć co najwyżej d w a elektrony, których spiny m u s z ą być p r z e c i w n e . A z a t e m p i e r w s z e c z t e r y e l e k t r o n y w y p e ł n i a j ą o r b i t a l e l s i 2s. N a k a ż d y m z t y c h o r b i t a l i znajdują się p o d w a e l e k t r o n y o p r z e c i w n y c h s p i n a c h ; n a rysunku 3 są o n e p r z e d s t a w i o n e w p o s t a c i s t r z a ł e k s k i e r o w a n y c h w g ó r ę i w dół. Z ogólnej liczby sześciu e l e k t r o n ó w p o z o s t a ł y więc d w a , k t ó r e m u s z ą r o z m i e ś c i ć s i ę n a o r b i t a l a c h 2p. E l e k t r o n y t e o b s a d z a j ą d w a o d d z i e l n e o r b i t a l e p; w r e z u l t a c i e m a m y z a t e m d w a o r b i t a l e p z a p e ł n i o n e połowicznie (po j e d n y m elektronie) i jeden pusty. Zawsze, kiedy dostę p n e są o r b i t a l e z d e g e n e r o w a n e (o j e d n a k o w e j e n e r g i i ) , e l e k t r o n y zaczyn nają s i ę n a n i c h p a r o w a ć d o p i e r o w ó w c z a s , g d y w s z y s t k i e o r b i t a l e są j u i z a p e ł n i o n e w p o ł o w i e . Z a s a d a t a z n a n a jest j a k o r e g u ł a H u n d a . energia
4
2
-U—
2s
Px
Rys. 3. Konfiguracja
4
elektronowa
2
Py
——
atomu
węgla
2p
z
1
l
K o n f i g u r a c j a e l e k t r o n o w a a t o m u w ę g l a t o l s , 2 s , 2p , 2p . Liczby p r z e d s t a w i o n e w t y m z a p i s i e j a k o g ó r n e i n d e k s y o z n a c z a j ą l i c z b ę ele k t r o n ó w n a k a ż d y m z o r b i t a l i . L i t e r y o d n o s z ą się d o t y p ó w o r b i t a l i a t o m o w y c h , a p o p r z e d z a j ą c e je l i c z b y — d o p o w ł o k , w s k ł a d k t ó r y c h o r b i tale te w c h o d z ą . 2
2
x
y
WIĄZANIA KOWALENCYJNE I HYBRYDYZACJA
Hasła K i e d y d w a a t o m y w o d o r u zbliżają się d o siebie, ich orbitale a t o m o w e l s oddziałują z e sobą, t w o r z ą c wiążący i a n t y w i ą ż ą c y orbital m o l e k u l a r n y (cząsteczkowy) (MO*). K i e d y wiążący orbital m o l e k u l a r n y z a p e ł n i a p a r a e l e k t r o n ó w , a orbital a n t y w i ą ż ą c y jest p u s t y , powstaje t r w a ł e w i ą z a n i e kowalencyjne.
Wiązania kowalencyjne
Wiązania sigma (a) są w i ą z a n i a m i silnymi o przekroju k o ł o w y m ; powstają o n e w w y n i k u c z o ł o w e g o n a k ł a d a n i a się d w ó c h orbitali atomowych.
Wiązania sigma
Z konfiguracji e l e k t r o n o w e j a t o m u w ę g l a w y n i k a , ż e p o w i n i e n o n t w o r z y ć d w a w i ą z a n i a . W i a d o m o j e d n a k , ż e w ę g i e l w rzeczywistości t w o r z y cztery w i ą z a n i a . K i e d y a t o m w ę g l a w c h o d z i w s k ł a d cząsteczki organicznej, n a j e g o p o w ł o c e walencyjnej m o ż l i w e jest „ w y m i e s z a n i e " orbitali 2s i 2p w procesie z w a n y m h y b r y d y z a c j ą . M o g ą istnieć trzy t y p y h y b r y d y z a c j i : s p , sp i sp.
Hybrydyzacja
3
Tematy
pokrewne
Struktura atomu węgla (Al) H y b r y d y z a c j a s p (A3) 3
Wiązania kowalencyjne
2
2
H y b r y d y z a c j a sp (A4) H y b r y d y z a c j a sp (A5)
Wiązanie kowalencyjne łączy d w a a t o m y w trwałą strukturę cząsteczk o w ą . P o w s t a j e o n o w ó w c z a s , g d y o r b i t a l e a t o m o w e n a k ł a d a j ą się, t w o r z ą c orbital m o l e k u l a r n y ( M O ) ; n a z w a ta o d z w i e r c i e d l a fakt, ż e orbi tal t a k i n a l e ż y d o całej c z ą s t e c z k i , a n i e d o k t ó r e g o ś z t w o r z ą c y c h ją a t o m ó w . P r o s t y m p r z y k ł a d e m t w o r z e n i a s i ę w i ą z a n i a k o w a l e n c y j n e g o jest p o w s t a w a n i e c z ą s t e c z k i w o d o r u (H2) z d w ó c h a t o m ó w . W k a ż d y m z a t o m ó w w o d o r u występuje z a p e ł n i o n y w p o ł o w i e orbital a t o m o w y ls; k i e d y d w a t a k i e a t o m y zbliżają się d o s i e b i e , o r b i t a l e a t o m o w e o d d z i a ł u j ą z e sobą, t w o r z ą c d w a o r b i t a l e m o l e k u l a r n e (liczba p o w s t a j ą c y c h M O m u s i b y ć r ó w n a liczbie w y j ś c i o w y c h o r b i t a l i a t o m o w y c h , rys. 1). O r b i t a l e m o l e k u l a r n e r ó ż n i ą s i ę e n e r g i ą . J e d e n z n i c h jest t r w a l s z y * * o d w y j ś c i o w y c h o r b i t a l i a t o m o w y c h i z w a n y jest w i ą ż ą c y m o r b i t a l e m m o l e k u l a r n y m . D r u g i — m n i e j t r w a ł y — o k r e ś l a się t e r m i n e m anty-
f
Od angielskiego Molecular Orbital — przyp. tłum. Ma niższą energię — przyp. tłum.
antywiążący orbital molekularny (pusty)
wiążący orbital molekularny (zapełniony)
3y$. 1. Orbitale
molekularne
w cząsteczce
wodoru
(Hs)
w i ą ż ą c y orbital m o l e k u l a r n y . W i ą ż ą c y M O — o k s z t a ł c i e p i ł k i d o r u g b y — powstaje z połączenia orbitali a t o m o w y c h l s . P o n i e w a ż z d w u u t w o r z o n y c h M O o r b i t a l w i ą ż ą c y jest t r w a l s z y , e l e k t r o n y w a l e n c y j n e ( p o j e d n y m z k a ż d e g o a t o m u w o d o r u ) lokują s i ę n a n i m i t w o r z ą p a r ę e l e k t r o nową. Orbital antywiążący m a w y ż s z ą energię i kształt d w ó c h zdeformo w a n y c h kul; pozostaje o n nie z a p e ł n i o n y . P o n i e w a ż wiążący M O jest t r w a l s z y n i ż w y j ś c i o w e o r b i t a l e a t o m o w e , zajęciu g o p r z e z o b a e l e k t r o n y towarzyszy wydzielenie energii, co sprzyja p o w s t a w a n i u wiązania. W d a l s z e j a n a l i z i e , o p i s u j ą c w i ą z a n i a w c z ą s t e c z k a c h i ich k s z t a ł t y , s k o n centrujemy się w y ł ą c z n i e n a w i ą ż ą c y c h M O ; n a l e ż y j e d n a k p a m i ę t a ć też 0 i s t n i e n i u orbitali a n t y w i ą ż ą c y c h .
Wiązania sigma
W i ą ż ą c y o r b i t a l m o l e k u l a r n y w c z ą s t e c z c e w o d o r u jest p r z y k ł a d e m w i ą z a n i a s i g m a (o); w i ą z a n i a t a k i e mają p r z e k r ó j k o ł o w y i p o w s t a j ą w w y n i k u c z o ł o w e g o n a k ł a d a n i a się orbitali a t o m o w y c h . O d d z i a ł y w a n i e t a k i e jest silne; t w o r z ą c e się w j e g o w y n i k u w i ą z a n i a s i g m a o k r e ś l a m y jako wiązania silne. W dalszych częściach książki p o z n a m y p r z y k ł a d y w i ą z a ń a powstających w procesie o d d z i a ł y w a n i a orbitali a t o m o w y c h innych niż orbitale l s .
Hybrydyzacja
A t o m y m o g ą tworzyć m i ę d z y sobą wiązania p r z e z u w s p ó l n i e n i e nie spa rowanych elektronów w taki sposób, ż e w skład k a ż d e g o wiązania wchodzą d w a uwspólnione elektrony — p o jednym od każdego atomu. W temacie A l stwierdziliśmy, ż e a t o m węgla ma d w a nie s p a r o w a n e elektrony; moglibyśmy zatem oczekiwać, że węgiel będzie tworzył d w a w i ą z a n i a . W i e m y j e d n a k , ż e w ę g i e l t w o r z y a ż c z t e r y w i ą z a n i a ! Jak t o m o ż l i w e , że — mając zaledwie d w a nie s p a r o w a n e elektrony — a t o m bierze udział w czterech wiązaniach? D o tej p o r y o p i s y w a l i ś m y k o n f i g u r a c j ę e l e k t r o n o w ą i z o l o w a n e g o a t o m u w ę g l a . K i e d y j e d n a k a t o m t a k i t w o r z y w i ą z a n i a i staje się częścią s t r u k t u r y cząsteczkowej, m o ż e nastąpić w n i m „ w y m i e s z a n i e " orbitali s 1 p w c h o d z ą c y c h w s k ł a d d r u g i e j (walencyjnej) p o w ł o k i e l e k t r o n o w e j . P r o c e s t e n z n a n y jest j a k o h y b r y d y z a c j a i t o o n w ł a ś n i e u m o ż l i w i a a t o m o w i węgla t w o r z e n i e czterech wiązań, które istotnie o b s e r w u j e m y doświadczalnie. Proces sposoby:
„mieszania
się" orbitali
może
przebiegać
na
trzy
różne
o r b i t a ! 2s m i e s z a s i ę z e w s z y s t k i m i t r z e m a o r b i t a l a m i 2p; m a m y w ó w 3
czas d o czynienia z hybrydyzacją sp ; o r b i t a l 2s m i e s z a s i ę z d w o m a s p o ś r ó d orbitali 2p; p r o c e s t a k i z w a n y 2
jest h y b r y d y z a c j ą s p ; o r b i t a l 2s m i e s z a się z j e d n y m z o r b i t a l i 2p; o k r e ś l a m y t o j a k o h y b r y d y zację sp.
A3
HYBRYDYZACJA
Hasła W procesie h y b r y d y z a c j i s p orbital s i orbitale p należące d o d r u g i e j p o w ł o k i e l e k t r o n o w e j zostają „ w y m i e s z a n e " , dając w rezultacie cztery z h y b r y d y z o w a n e orbitale sp o j e d n a k o w e j energii. 3
icja
3
K a ż d y z czterech z h y b r y d y z o w a n y c h orbitali z a w i e r a jeden nie s p a r o w a n y elektron; m o g ą w i ę c o n e brać u d z i a ł w czterech wiązaniach. 3
K a ż d a z h y b r y d s p m a k s z t a ł t z d e f o r m o w a n e j hantli, w której j e d n a z pętli jest z n a c z n i e w i ę k s z a o d drugiej. H y b r y d y rozmieszczają się w p r z e s t r z e n i tak, a b y jak najbardziej o d d a l i ć się o d siebie; w rezultacie w i ę k s z e pętle k a ż d e g o z orbitali s k i e r o w a n e są k u n a r o ż o m c z w o r o ś c i a n u f o r e m n e g o (tetraedru). M e c h a n i z m hybrydyzacji sp wyjaśnia w y s t ę p o w a n i e t e t r a e d r y c z n i e z o r i e n t o wanych wiązań węgla w łańcuchach węglowodorów nasyconych. 3
3
M i ę d z y d w o m a a t o m a m i w ę g l a o h y b r y d y z a c j i sp a l b o m i ę d z y a t o m e m w ę g l a (sp ) i a t o m e m w o d o r u m o g ą się t w o r z y ć silne w i ą z a n i a s i g m a (o). P o w s t a n i e w i ą z a n i a o m i ę d z y d w o m a a t o m a m i w ę g l a o hybrydyzacji sp w y m a g a nałożenia się d w ó c h — p o j e d y n c z o obsadzonych — hybryd sp pochodzących od każdego z atomów biorących u d z i a ł w w i ą z a n i u . W t w o r z e n i e w i ą z a n i a a m i ę d z y a t o m e m węgla o h y b r y d y z a c j i sp a a t o m e m w o d o r u z a a n g a ż o w a n y jest z a p e ł n i o n y w p o ł o w i e orbital s p a t o m u w ę g l a i — r ó w n i e ż z a p e ł n i o n y w p o ł o w i e — orbital l s a t o m u w o d o r u . 3
3
3
3
3
W a t o m a c h a z o t u , t l e n u i c h l o r u w c h o d z ą c y c h w skład cząsteczek o r g a n i c z n y c h r ó w n i e ż w y s t ę p u j e h y b r y d y z a c j a s p . O z n a c z a to, że w a t o m i e a z o t u są trzy z a p e ł n i o n e w połowie* orbitale sp , z d o l n e d o u t w o r z e n i a trzech w i ą z a ń o orientacji t e t r a e d r y c z n e j . A t o m t l e n u m a d w a orbitale s p z a p e ł n i o n e w p o ł o w i e i m o ż e u t w o r z y ć d w a w i ą z a n i a n a c h y l o n e d o siebie p o d k ą t e m z b l i ż o n y m d o 109° (kąt t e t r a e d r y c z n y ) . W a t o m i e c h l o r u w y s t ę p u j e j e d e n orbital s p z nie s p a r o w a n y m e l e k t r o n e m i m o ż l i w e jest u t w o r z e n i e p r z e z e ń tylko j e d n e g o w i ą z a n i a . W s z y s t k i e powstające w ten s p o s ó b w i ą z a n i a są w i ą z a n i a m i a. 3
3
3
3
Tematy pokrewne
Wiązania kowalencyjne i h y b r y d y z a c j a (A2)
H y b r y d y z a c j a a w i ą z a n i a (A6)
* Czwarty zajęty jest przez niewiążącą parę elektronów walencyjnych — przyp. tłum.
Definicja
3
P r z y hybrydyzacji s p orbital 2s zostaje w y m i e s z a n y z e w s z y s t k i m i t r z e m a o r b i t a l a m i 2p, w w y n i k u c z e g o p o w s t a j e z e s p ó l c z t e r e c h z h y b r y d y z o w a n y c h o r b i t a l i sp . (Liczba p o w s t a j ą c y c h h y b r y d m u s i b y ć r ó w n a liczbie w y j ś c i o w y c h , m i e s z a j ą c y c h się o r b i t a l i a t o m o w y c h . ) W s z y s t k i e p o w s t a ł e h y b r y d y mają t a k ą s a m ą e n e r g i ę , r ó ż n ą j e d n a k ż e o d e n e r g i i wyjściowych orbitali a t o m o w y c h . Ta różnica energii o d z w i e r c i e d l a u d z i a ł w procesie mieszania p o s z c z e g ó l n y c h orbitali a t o m o w y c h . Ener g i a k a ż d e j z h y b r y d s p jest w y ż s z a o d e n e r g i i w y j ś c i o w e g o o r b i t a l u s, a l e n i ż s z a o d e n e r g i i o r b i t a l i a t o m o w y c h p (rys. 1). 3
3
, energia
4
2p
x
4—
2p
2p
y
_t—4—*—4—
z
3
zhybrydyzowane orbitale sp
wyjściowe orbitale atomowe Rys. 1. Hybrydyzacja
Konfiguracja elektronowa
3
sp
5
N a z h y b r y d y z o w a n y c h o r b i t a l a c h sp m u s z ą z o s t a ć r o z m i e s z c z o n e elek t r o n y w a l e n c y j n e w ę g l a . P o c z ą t k o w o n a o r b i t a l a c h 2s i 2p z n a j d o w a ł y się w s u m i e cztery elektrony. Orbital s był z a p e ł n i o n y całkowicie ( d w a elektrony), a d w a z trzech orbitali p o b s a d z o n e były w połowie (po jed n y m elektronie). W w y n i k u hybrydyzacji m a m y d o czynienia z czterema h y b r y d a m i s p o jednakowej energii. Z reguły H u n d a wynika, że wszy stkie one zostaną w p o ł o w i e zapełnione elektronami, co oznacza cztery n i e s p a r o w a n e e l e k t r o n y w a t o m i e . M o ż l i w e jest w i ę c u t w o r z e n i e c z t e rech wiązań. 3
Geometria
3
K a ż d y z e z h y b r y d y z o w a n y c h orbitali s p m a taki s a m kształt, p r z y p o m i nający z d e f o r m o w a n ą h a n t l ę (rys. 2). K s z t a ł t t e n w y k a z u j e w i ę k s z e p o d o b i e ń s t w o d o o r b i t a l u p n i ż d o o r b i t a l u s, p o n i e w a ż w j e g o p o w s t a w a n i e ( „ m i e s z a n i e " ) z a a n g a ż o w a n a b y ł a w i ę k s z a liczba o r b i t a l i p n i ż s. K a ż d a z h y b r y d s p t a k o r i e n t u j e się w p r z e s t r z e n i , a b y b y ć j a k n a j d a l e j o d i n n y c h ; w efekcie kierują się o n e k u n a r o ż o m c z w o r o ś c i a n u fore m n e g o ( t e t r a e d r u ; rys. 3). N a r y s u n k u z a z n a c z o n o t y l k o j e d n ą — w i ę k s z ą — z d w ó c h pętli składających się n a k a ż d ą z h y b r y d sp ; kąt m i ę d z y o s i a m i p o s z c z e g ó l n y c h p ę t l i w y n o s i 109,5°. T a k i w ł a ś n i e a t o m m a się n a m y ś l i , m ó w i ą c o t e t r a e d r y c z n y m ( c z w o r o ś c i e n n y m ) a t o m i e w ę g l a . Trój w y m i a r o w ą strukturę t e t r a e d r y c z n e g o a t o m u w ę g l a m o ż n a o d d a ć n a 3
3
mniejsza pętla
fi
większa pętla
Rys. 2. Zhybrydyzowany
orbita!
3
sp
wiązanie w płaszczyźnie kartki
H ..,,,I,
H
, wiązanie „wystające" przed kartkę
kształt czworościenny (tetraedryczny) Rys. 3. Czworościenna
(tetraedryczna)
struktura
wiązanie „schowane" za kartkę
3
atomu węgla o hybrydyzacji
sp
p ł a s k i m r y s u n k u , z a z n a c z a j ą c n o r m a l n ą k r e s k ą t e w i ą z a n i a , k t ó r e leżą w p ł a s z c z y ź n i e p a p i e r u . D o z a z n a c z a n i a w i ą z a ń „ s c h o w a n y c h " za t ę p ł a s z c z y z n ę s ł u ż y k l i n s k ł a d a j ą c y się z k r e s e k , a w i ą z a ń „ w y s t a j ą c y c h " p r z e d p ł a s z c z y z n ę r y s u n k u — k l i n z a c z e r n i o n y (rys. 3). Wiązania
sigma
3
W p o ł o w i e z a p e ł n i o n a h y b r y d a sp n a l e ż ą c a d o j e d n e g o a t o m u w ę g l a m o ż e b r a ć u d z i a ł w t w o r z e n i u w i ą z a n i a z taką samą h y b r y d ą — r ó w n i e ż z a p e ł n i o n ą w p o ł o w i e — n a l e ż ą c ą d o i n n e g o a t o m u w ę g l a . N a rysunku 4a w i d z i m y b e z p o ś r e d n i e n a k ł a d a n i e się w i ę k s z y c h p ę t l i d w ó c h o r b i t a l i sp i t w o r z e n i e silnego wiązania o. Z d o l n o ś ć orbitali z h y b r y d y z o w a n y c h tworzenia silnych w i ą z a ń o tłumaczy, dlaczego w ogóle dochodzi d o hy brydyzacji. Struktura zdeformowanej hantli pozwala na daleko lepsze n a k ł a d a n i e się o r b i t a l i , n i ż b y ł o b y t o m o ż l i w e w p r z y p a d k u c z y s t y c h o r bitali s l u b p. W t w o r z e n i e w i ą z a n i a o m i ę d z y a t o m e m w ę g l a z h y b r y d y z o w a n y m sp a a t o m e m w o d o r u z a a n g a ż o w a n a j e s t j e d n a — w p o ł o w i e z a p e ł n i o n a — h y b r y d a sp a t o m u w ę g l a i — t a k ż e w p o ł o w i e z a p e ł n i o n y — o r b i t a l l s a t o m u w o d o r u (rys. 4b). 3
3
3
wiązanie sigma H
wiązanie sigma 3
Rys. 4. (a) Wiązanie o między dwoma atomami węgla o hybrydyzacji sp ; (b) wiązanie o między atomem węgla o hybrydyzacji sp i atomem wodoru 3
Azot, tlen i chlor
W atomach azotu, tlenu i chloru wchodzących w skład cząsteczek organi c z n y c h t a k ż e m o ż l i w a jest h y b r y d y z a c j a sp . A t o m a z o t u m a n a d r u g i e j powłoce elektronowej pięć elektronów walencyjnych. W w y n i k u hybry d y z a c j i p o w s t a j ą w n i m c z t e r y o r b i t a l e sp , z k t ó r y c h t r z y z a w i e r a j ą p o j e d n y m e l e k t r o n i e ( w p o ł o w i e z a p e ł n i o n e ) i są z d o l n e u t w o r z y ć t r z y wiązania. A t o m tlenu m a sześć elektronów walencyjnych. Hybrydyzacja 3
3
3
d o p r o w a d z i d o p o w s t a n i a d w ó c h p o ł o w i c z n i e z a p e ł n i o n y c h o r b i t a l i sp , m o g ą c y c h t w o r z y ć d w a w i ą z a n i a (i d w ó c h z a j ę t y c h p r z e z w o l n e p a r y elektronowe). A t o m chloru — ze swoimi siedmioma elektronami walencyjnymi — b ę d z i e mieć w w y n i k u hybrydyzacji j e d e n o b s a d z o n y poje d y n c z o o r b i t a l sp , c o p o z w o l i m u t w o r z y ć j e d n o w i ą z a n i e . W k a ż d y m z t y c h a t o m ó w c z t e r y h y b r y d y sp są r o z m i e s z c z o n e t e t r a e d r y c z n i e , p r z y c z y m j e d e n l u b więcej o r b i t a l i jest o b s a d z o n y c h p r z e z w o l n ą ( n i e w i ą ż ą c ą ) p a r ę e l e k t r o n o w ą . Jeśli p r z y j r z e ć się p o s z c z e g ó l n y m a t o m o m , m o ż n a z o b a c z y ć , ż e a z o t (n/s. 5a) t w o r z y c z w o r o ś c i a n , w k t ó r y m k ą t y m i ę d z y w i ą z a n i a m i są n i e c o m n i e j s z e n i ż 109,5° ( o k . 107°). O d p o w i e d z i a l n a za to zmniejszenie kąta m i ę d z y wiązaniami jest w o l n a p a r a elektronowa, zajmująca nieco większą przestrzeń niż p a r a tworząca wiązanie. D w a wiązania z udziałem tlenu tworzą wygięty kształt (rys. 5b), w k t ó r y m d w i e w o l n e p a r y e l e k t r o n o w e z m n i e j s z a j ą k ą t m i ę d z y w i ą z a n i a m i z e 109,5° d o 104°. 3
3
Rys. 5. (a) Geometria sp w atomie tlenu
hybrydyzacji
3
sp
w atomie azotu; (b) geometria
hybrydyzacji
3
Alkohole, a m i n y , halogenki alkilowe i etery zawierają w i ą z a n i a sigma, w których tworzeniu biorą udział atomy azotu, tlenu b ą d ź chloru. Wiązania m i ę d z y tymi pierwiastkami a w ę g l e m powstają w rezultacie n a k ł a d a n i a się p o j e d y n c z o o b s a d z o n y c h h y b r y d sp n a l e ż ą c y c h d o a t o m ó w biorących udział w wiązaniu. Wiązania a z udziałem a t o m ó w w o d o r u ( n p . O - H l u b N - H ) t w o r z ą się p o p r z e z n a k ł a d a n i e s i ę p o j e d y n czo o b s a d z o n y c h orbitali l s w o d o r u i zapełnionych w p o ł o w i e h y b r y d sp n a l e ż ą c y c h d o t l e n u l u b a z o t u . 3
3
A4
HYBRYDYZACJA sp
Hasła 2
W procesie h y b r y d y z a c j i s p orbital s zostaje „ w y m i e s z a n y " z d w o m a z trzech orbitali 2p, co daje w w y n i k u trzy h y b r y d y sp o j e d n a k o w e j energii. W a t o m i e w y s t ę p u j e t e ż j e d e n orbital 2p (nie biorący u d z i a ł u w h y b r y d y z a c j i ) , k t ó r e g o e n e r g i a jest nieco w y ż s z a niż e n e r g i a orbitali zhybrydyzowanych. 2
2
Koitfgracja et"
W atomie węgla każda z h y b r y d sp zawiera pojedynczy, nie s p a r o w a n y e l e k t r o n . N i e biorący u d z i a ł u w h y b r y d y z a c j i orbital 2p jest r ó w n i e ż o b s a d z o n y w p o ł o w i e . M o ż l i w e jest więc u t w o r z e n i e czterech w i ą z a ń . 2
K a ż d a z h y b r y d sp m a kształt z d e f o r m o w a n e j hantli, w której j e d n a z pętli jest z n a c z n i e w i ę k s z a o d d r u g i e j . P o z o s t a ł y — n i e biorący u d z i a ł u w h y b r y d y z a c j i — orbital 2p m a k s z t a ł t h a n t l i s y m e t r y c z n e j , o d w ó c h j e d n a k o w y c h pętlach. W i ę k s z e pętle t r z e c h z h y b r y d y z o w a n y c h orbitali s p s k i e r o w a n e są k u w i e r z c h o ł k o m trójkąta r ó w n o b o c z n e g o ; orbital 2p jest p r o s t o p a d ł y d o p ł a s z c z y z n y t e g o trójkąta. 2
2
K a ż d y a t o m w ę g l a o h y b r y d y z a c j i sp t w o r z y t r z y w i ą z a n i a a, wykorzystując t r z y h y b r y d y s p . M i ę d z y nie z h y b r y d y z o w a n y m orbitalem 2p a orbitalem 2p sąsiadującego a t o m u d o c h o d z i d o b o c z n e g o n a k ł a d a n i a się, w w y n i k u c z e g o p o w s t a j e w i ą z a n i e pi (TT). W i ą z a n i e Jt jest słabsze niż w i ą z a n i e a, ale d o s t a t e c z n i e silne, a b y z a p o b i e c rotacji w o k ó ł p o d w ó j n e g o w i ą z a n i a C = C . Z tego p o w o d u a l k e n y mają s t r u k t u r ę p l a n a r n ą (płaską), w której w i ą z a n i a w o k ó ł k a ż d e g o z a t o m ó w w ę g l a biorących u d z i a ł w p o d w ó j n y m w i ą z a n i u t w o r z ą t r y g o n a l n y , płaski kształt. 2
Grup?
W1
W obu atomach g r u p y karbonylowej — tlenu i węgla — występuje h y b r y d y z a c j a s p . W a t o m i e w ę g l a o b e c n e są t r z y h y b r y d y s p m o g ą c e u t w o r z y ć t r z y w i ą z a n i a a; j e d n o z n i c h w i ą ż e a t o m w ę g l a z a t o m e m tlenu. W t y m o s t a t n i m d o s t ę p n y jest j e d e n orbital o hybrydyzacji s p , k t ó r y m o ż e u t w o r z y ć w i ą z a n i e a z a t o m e m węgla*. N i e b i o r ą c e u d z i a ł u w h y b r y d y z a c j i orbitale p w a t o m a c h w ę g l a i t l e n u uczestniczą w p o w s t a w a n i u w i ą z a n i a JI. 2
2
2
W s k ł a d pierścienia a r o m a t y c z n e g o w c h o d z i sześć a t o m ó w w ę g l a o h y b r y d y z a c j i s p . K a ż d y a t o m w ę g l a t w o r z y t r z y w i ą z a n i a o, w w y n i k u czego p o w s t a j e p ł a s k i pierścień. P o z o s t a ł e w k a ż d y m z tych a t o m ó w orbitale 2p są p r o s t o p a d ł e d o p ł a s z c z y z n y pierścienia; 2
* Pozostałe zajęte są przez niewiążące pary elektronowe — przyp. tłum.
m o ż l i w e jest b o c z n e n a k ł a d a n i e się k a ż d e g o z tych orbitali z d w o m a a n a l o g i c z n y m i orbitalami 2p sąsiednich a t o m ó w węgla. W rezultacie w obrębie całego pierścienia powstaje orbital m o l e k u l a r n y ; sześć e l e k t r o n ó w biorących u d z i a ł w w i ą z a n i a c h jr ulega delokalizacji w obrębie pierścienia. Efektem delokalizacji jest z w i ę k s z o n a stabilność takiej s t r u k t u r y ; z t e g o w ł a ś n i e p o w o d u pierścienie a r o m a t y c z n e są mniej r e a k t y w n e n i ż a l k e n y . Dla u k ł a d ó w s p r z ę ż o n y c h ( s k o r u u g o w a n y c h ) , takich n p . jak s p r z ę ż o n e alkeny albo a^?-nienasycone z w i ą z k i k a r b o n y l o w e , c h a r a k t e r y s t y c z n e jest n a p r z e m i e n n e w y s t ę p o w a n i e w i ą z a ń p o j e d y n c z y c h i p o d w ó j n y c h . W u k ł a d a c h takich orbitale p z a a n g a ż o w a n e w t w o r z e n i e j e d n e g o w i ą z a n i a n m o g ą n a k ł a d a ć się z orbitalami p b i o r ą c y m i u d z i a ł w s ą s i e d n i m w i ą z a n i u JT; dzięki t e m u w i ą z a n i e p o j e d y n c z e występujące p o m i ę d z y d w o m a w i ą z a n i a m i p o d w ó j n y m i n a b i e r a — w n i e w i e l k i m s t o p n i u — cech w i ą z a n i a p o d w ó j n e g o . T e n efekt częściowej delokalizacji decyduje o zwiększonej trwałości u k ł a d u s p r z ę ż o n e g o .
Układy spizężone
Tematy
pokrewne
Definicja
Właściwości a l k e n ó w i a l k i n ó w (H2) Sprzężone dieny ( H l l ) C h a r a k t e r a r o m a t y c z n y (II)
Właściwości 02) a^5-Nienasycone a l d e h y d y i ketony (Jll) S t r u k t u r a a właściwości (KI)
2
H y b r y d y z a c j a sp p o l e g a n a w y m i e s z a n i u o r b i t a l u s z d w o m a o r b i t a l a m i 2p ( n p . 2p i 2p ); w r e z u l t a c i e p o w s t a j ą t r z y z h y b r y d y z o w a n e o r b i t a l e sp o j e d n a k o w e j e n e r g i i . N i e b i o r ą c y u d z i a ł u w h y b r y d y z a c j i o r b i t a l 2p p o z o s t a j e n i e z m i e n i o n y . E n e r g i a k a ż d e j z h y b r y d sp jest w y ż s z a n i ż e n e rgia w y j ś c i o w e g o o r b i t a l u s, a l e n i ż s z a n i ż e n e r g i a w y j ś c i o w y c h o r b i t a l i p. Energia nie biorącego u d z i a ł u w hybrydyzacji orbitalu p (w o p i s y w a n y m p r z y k ł a d z i e jest t o o r b i t a l 2p ) n i e u l e g a z m i a n i e (rys. 1). 2
x
z
y
2
y
Konfiguracja elektronowa
W a t o m i e w ę g l a są c z t e r y e l e k t r o n y w a l e n c y j n e , k t ó r e m u s z ą b y ć r o z l o k o w a n e n a t r z e c h z h y b r y d y z o w a n y c h o r b i t a l a c h sp i n a n i e b i o r ą c y m u d z i a ł u w h y b r y d y z a c j i o r b i t a l u 2p. P i e r w s z e t r z y z t y c h e l e k t r o n ó w r o z m i e s z c z a j ą się — z g o d n i e z r e g u ł ą H u n d a — p o j e d n y m n a k a ż d e j z h y b r y d , k t ó r e w t e n s p o s ó b zostają w p o ł o w i e o b s a d z o n e . P o z o s t a j e j e s z c z e j e d e n e l e k t r o n . T e o r e t y c z n i e m o ż l i w e jest a l b o j e g o s p a r o w a n i e 2
energia
-2P* - f — 2 p
2
Pz
-
—F—2p
4i-2s wyjściowe orbitale atomowe Rys. 1. Hybrydyzacja
2
sp
zhybrydyzowane orbitale s p
2
2
s i ę z e l e k t r o n e m z n a j d u j ą c y m się n a j e d n y m z o r b i t a l i sp , a l b o zajęcie p r z e z e ń p u s t e g o o r b i t a l u 2p . Z a z w y c z a j r e g u ł y m ó w i ą o c a ł k o w i t y m z a p e ł n i e n i u orbitali o j e d n a k o w e j energii p r z e d przejściem d o orbitali o w y ż s z e j e n e r g i i . Jeśli j e d n a k r ó ż n i c a p o z i o m ó w e n e r g e t y c z n y c h m i ę d z y o r b i t a l a m i jest n i e w i e l k a (jak w t y m p r z y p a d k u ) , a t o m m o ż e u z y s k a ć k o r z y s t n i e j s z ą k o n f i g u r a c j ę jeśli j e d e n z e l e k t r o n ó w z n a j d z i e się n a o r b i t a l u 2py (o w y ż s z e j e n e r g i i ) ; d a j e t o k o n f i g u r a c j ę c z t e r e c h n i e s p a r o w a nych elektronów na czterech — d o p o l o w y obsadzonych — orbitalach: t r z e c h z h y b r y d y z o w a n y c h o r b i t a l a c h sp i j e d n y m o r b i t a l u 2p (rys. 1). y
2
¥
Geometria
2
O r b i t a l 2p m a z w y k ł y k s z t a ł t h a n t l i . K a ż d a z h y b r y d sp m a k s z t a ł t h a n tli z d e f o r m o w a n e j , p o d o b n i e j a k w p r z y p a d k u h y b r y d y z a c j i s p . J e d n a k r ó ż n i c a w i e l k o ś c i m i ę d z y d u ż ą i m a ł ą p ę t l ą j e s t w p r z y p a d k u h y b r y d sp większa niż w hybrydach sp . O r b i t a l e z h y b r y d y z o w a n e i o r b i t a l 2p zajmują p r z e s t r z e n i e m o ż l i w i e n a j b a r d z i e j o d s i e b i e o d d a l o n e . P ę t l e o r b i t a l u 2p znajdują s i ę p o d i n a d p ł a s z c z y z n ą w y z n a c z a n ą p r z e z osie x i z (rys. 2a). H y b r y d y s p ( n a r y s u n k u p o k a z a n o j e d y n i e ich w i ę k s z e p ę t l e ) o r i e n t u j ą s i ę w p r z e s t r z e n i t a k , a b y j a k n a j b a r d z i e j o d d a l i ć s i ę o d s i e b i e n a w z a j e m i o d o r b i t a l u 2p . W r e z u l t a c i e w s z y s t k i e t r z y z h y b r y d y z o w a n e o r b i t a l e r o z m i e s z c z a j ą się w p ł a s z c z y ź n i e x-z, kierując s i ę k u w i e r z c h o ł k o m trójkąta (trójkątna s t r u k t u r a p l a n a r n a ; rys. 2b). Kąt m i ę d z y d u ż y m i p ę t l a m i t y c h o r b i t a l i w y n o s i 120°. S k o r o z n a m y j u ż p r z e s t r z e n n ą o r i e n t a c j ę orbitali w a t o m i e w ę g l a o h y b r y d y z a q * i s p , m o ż e m y p r z y j r z e ć się t w o r z o n y m p r z e z t e n a t o m wiązaniom. y
3
2
3
y
y
2
y
2
Rys. 2. (a) Geometria orbitali sp
orbitalu 2p ; y
(b) geometria
orbitalu 2p
y
i
zhybrydyzowanych
2
Alkeny
2
W w y n i k u hybrydyzacji s p powstają trzy obsadzone w połowie h y b r y d y o g e o m e t r i i p ł a s k i e g o trójkąta. U d z i a ł t y c h o r b i t a l i w t w o r z e n i u w i ą z a ń w y j a ś n i a k s z t a ł t , jaki p r z y b i e r a j ą c z ą s t e c z k i a l k e n ó w , n p . c z ą s t e c z k a e t e n u ( H z C ^ C H z ) . Jeśli c h o d z i o w i ą z a n i a C - H , p o w s t a j ą o n e p r z y udziale pojedynczo obsadzonego orbitalu ls atomu w o d o r u i pojedynczo o b s a d z o n e j h y b r y d y sp a t o m u w ę g l a ; r e z u l t a t e m n a k ł a d a n i a s i ę t y c h o r b i t a l i jest u t w o r z e n i e s i l n e g o w i ą z a n i a o (rys. 3a). M i ę d z y d w o m a a t o m a m i w ę g l a w e t e n i e m o ż e r ó w n i e ż u t w o r z y ć się s i l n e w i ą z a n i e a w w y n i k u n a k ł a d a n i a się h y b r y d s p k a ż d e g o z a t o m ó w (rys. 3b). 2
2
1s
2
sp
2
2
sp
sp
Rys. 3. (a) Tworzenie się wiązania o C-H; (b) tworzenie
się wiązania o C~C
Schemat uwzględniający wszystkie wiązania o w cząsteczce etenu p o k a z a n y jest n a rysunku 4a; j e g o u p r o s z c z o n ą w e r s j ę p r z e d s t a w i a rysu nek 4b. C z ą s t e c z k a e t e n u j e s t p ł a s k a i s z t y w n a , a w i ą z a n i a w o k ó ł k a ż d e g o z a t o m ó w węgla tworzą trójkątną s t r u k t u r ę planarną. W i d z i e l i ś m y już w c z e ś n i e j , ż e h y b r y d y z a c j a sp t ł u m a c z y t e n p ł a s k i , t r ó j k ą t n y k s z t a ł t , a l e n i e w y j a ś n i l i ś m y j e s z c z e , d l a c z e g o c z ą s t e c z k a jest s z t y w n a . G d y b y w c z ą s t e c z c e e t e n u w y s t ę p o w a ł y j e d y n i e w i ą z a n i a o, c z ą s t e c z k a j a k o 2
Rys. 4. (a) Wiązania o w etenie; (b) prosty zapis wiązań a w etenie H
H ^
c
^ _
'
c
H^j
u ^ H
f / C
rotacja
/
\ H
wokół wiązania Rys. 5. Rotacja wokół wiązania
Q
o
c a ł o ś ć n i e b y ł a b y p ł a s k a , g d y ż w o k ó ł w i ą z a n i a o C - C m o ż l i w a jest r o t a cja (nys. 5). M u s i w i ę c i s t n i e ć w c z ą s t e c z c e j e s z c z e i n n y , d o d a t k o w y efekt w i ą ż ą c y , k t ó r y „ u s z t y w n i a " jej p ł a s k i k s z t a ł t . W t o d o d a t k o w e w i ą z a n i e z a a n g a ż o w a n e są p o j e d y n c z o o b s a d z o n e o r b i t a l e 2p n a l e ż ą c e d o k a ż d e g o z d w ó c h a t o m ó w w ę g l a ; i c h b o c z n e n a k ł a d a n i e się p r o w a d z i d o y
2p
2p
y
" CO " wiązanie JT
Rys. 6. Powstanie
wiązania
n
p o w s t a n i a w i ą z a n i a p i (rc). J e d n a p ę t l a n a k ł a d a j ą c y c h się o r b i t a l i z n a j d u j e się n a d p ł a s z c z y z n ą c z ą s t e c z k i , d r u g a z a ś — p o d tą p ł a s z c z y z n ą (rys. 6). T o w ł a ś n i e w i ą z a n i e n z a p o b i e g a rotacji w o k ó ł w i ą z a n i a C - C ; w a r u n k i e m takiej rotacji b y ł o b y b o w i e m r o z e r w a n i e w i ą z a n i a n. Jest o n o s ł a b s z e n i ż w i ą z a n i e o, g d y ż b o c z n e o d d z i a ł y w a n i e , w k t ó r e z a a n g a ż o w a n e są o r b i t a l e 2\py, jest s ł a b s z e n i ż o d d z i a ł y w a n i e c z o ł o w e . O b e c n o ś ć w i ą z a n i a n w c z ą s t e c z c e t ł u m a c z y t e ż , d l a c z e g o a l k e n y są b a r d z i e j a k t y w n e c h e m i c z n i e n i ż a l k a n y : w i ą z a n i e n ł a t w i e j jest r o z e r w a ć , a z a t e m c h ę tniej u l e g a o n o r e a k c j o m . Grupa karbonylowa
Ten s a m mechanizm wyjaśnia n a t u r ę wiązań w obrębie g r u p y karbonyl o w e j ( C = 0 ) , w k t ó r e j o b a a t o m y — w ę g l a i t l e n u — mają h y b r y d y z a c j ę sp . P o n i ż s z y d i a g r a m p o z i o m ó w e n e r g e t y c z n y c h (rys. 7) p o k a z u j e , j a k w n a s t ę p s t w i e h y b r y d y z a c j i sp r o z l o k o w a n e są e l e k t r o n y w a l e n c y j n e w a t o m i e t l e n u . D w a s p o ś r ó d t r z e c h z h y b r y d y z o w a n y c h o r b i t a l i sp zajęte są p r z e z n i e w i ą ż ą c e p a r y e l e k t r o n o w e ; w t w o r z e n i e w i ą z a ń m o g ą w i ę c b y ć z a a n g a ż o w a n e p o z o s t a ł e d w a — o b s a d z o n e w p o ł o w i e — orbi tale a t o m u t l e n u . O r b i t a l sp m o ż e b y ć w y k o r z y s t a n y d o t w o r z e n i a sil n e g o w i ą z a n i a o, o r b i t a l 2p z a ś — d o t w o r z e n i a s ł a b s z e g o w i ą z a n i a n. P o w s t a w a n i e w i ą z a ń a i JT W g r u p i e k a r b o n y l o w e j p o k a z a n o n a rysun ku 8; w y n i k a z n i e g o , ż e g r u p a t a jest p ł a s k a , a a t o m w ę g l a jest w n i e j o t o czony trójkątnym, płaskim u k ł a d e m wiązań. Ten s a m rysunek tłumaczy 2
2
2
2
y
energia
4i-
2p*
H .-, 2
zhybrydyzowane orbitale sp
wyjściowe orbitale atomowe Rys. 7. Diagram poziomów
energetycznych
atomu tlenu o hybrydyzacji
2
sp
(a) H 2
sp
(b)
2Py
Rys. 8. (a) Powstawanie wiązania JT
;>c
2
sp
wiązanie sigma (o)
2p
y
karbonylowego
wiązania o; (b) powstawanie
karbonyiowego
r e a k t y w n o ś ć g r u p y k a r b o n y l o w e j : w i ą z a n i e n jest s ł a b s z e n i ż w i ą z a n i e o i łatwiej niż to ostatnie b i e r z e u d z i a ł w reakq'ach chemicznych. Pierścienie aromatyczne
W e wszystkich atomach węgla w pierścieniu a r o m a t y c z n y m występuje h y b r y d y z a c j a sp , c o o z n a c z a , ż e k a ż d y z t y c h a t o m ó w m o ż e u t w o r z y ć t r z y w i ą z a n i a o i j e d n o w i ą z a n i e it. W s z y s t k i e w i ą z a n i a p o j e d y n c z e z a z n a c z o n e n a rysunku 9a są w i ą z a n i a m i a, z a ś k a ż d e z p o k a z a n y c h t a m w i ą z a ń p o d w ó j n y c h s k ł a d a się z j e d n e g o w i ą z a n i a a i j e d n e g o JT. J e d nakże z o b r a z o w a n y n a t y m r y s u n k u pogląd n a b u d o w ę pierścienia a r o m a t y c z n e g o jest n a d m i e r n i e u p r o s z c z o n y . W i e m y n a p r z y k ł a d , ż e w i ą z a n i a p o d w ó j n e są k r ó t s z e n i ż p o j e d y n c z e ; g d y b y i s t o t n i e s t r u k t u r a b e n z e n u b y ł a t a k a w ł a ś n i e j a k n a rysunku 9a, p i e r ś c i e ń — z a w i e r a j ą c y dłuższe wiązania pojedyncze i krótsze podwójne — byłby zdeformo w a n y (rys. 9b). 2
(a)
|_|
(b)
Rys. 9. (a) Schemat pierścienia aromatycznego; (b) „zdeformowana" struktura benzenu wynikająca z trwałego charakteru wiązań podwójnych i pojedynczych
W r z e c z y w i s t o ś c i w s z y s t k i e w i ą z a n i a C - C w b e n z e n i e mają t a k ą s a m ą d ł u g o ś ć . Ż e b y z r o z u m i e ć , d l a c z e g o t a k s i ę dzieje, m u s i m y s i ę t y m w i ą z a n i o m p r z y j r z e ć b l i ż e j . N a rysunku 10a p o k a z a n e są w s z y s t k i e w i ą z a n i a o w b e n z e n i e , a c z ą s t e c z k a z o r i e n t o w a n a jest t a k , ż e p a t r z y m y n a nią w z d ł u ż p ł a s z c z y z n y p i e r ś c i e n i a b e n z e n o w e g o . P o n i e w a ż w s z y s t k i e a t o m y w ę g l a mają h y b r y d y z a c j ę sp , w k a ż d y m z n i c h p o z o s t a ł n i e b i o r ą c y u d z i a ł u w h y b r y d y z a c j i o r b i t a l 2p , k t ó r y m o ż e n a k ł a d a ć s i ę z o r b i t a l a m i 2p s ą s i e d n i c h a t o m ó w w ę g l a p o o b u s w o i c h s t r o n a c h (rys. lOb). W t e n s p o s ó b w o b r ę b i e c a ł e g o p i e r ś c i e n i a m o ż e d o j ś ć d o n a k ł a d a n i a się o r b i t a l i 2p z i c h s ą s i a d a m i . P r o w a d z i t o d o p o w s t a n i a o r b i t a l u m o l e k u l a r n e g o , w k t ó r e g o u t w o r z e n i e z a a n g a ż o w a n e są w s z y s t k i e o r b i t a l e 2p w c z ą s t e c z c e : g ó r n e i d o l n e p ę t l e p o s z c z e g ó l n y c h o r b i tali zlewają się, t w o r z ą c p o j e d n y m „ o b w a r z a n k u " n a d i p o d p ł a s z c z y z n ą 1
y
y
y
y
Rys. 10. (a) Wiązania o w benzenie;
(b) wiązania n w
benzenie
Rys. 11- (a) Wiążący orbital molekularny w cząsteczce benzenu; (b) sposób przedstawiania cząsteczki benzenu obrazujący delokalizację elektronów
p i e r ś c i e n i a (rys. Ha). P o w s t a ł y o r b i t a l m o l e k u l a r n y jest s y m e t r y c z n y ; o z a j m u j ą c y c h g o e l e k t r o n a c h m ó w i m y , ż e są z d e l o k a l i z o w a n e w o b r ę b i e p i e r ś c i e n i a a r o m a t y c z n e g o , g d y ż n i e są o n e ściśle z l o k a l i z o w a n e p o m i ę d z y którąkolwiek z par a t o m ó w węgla. A b y odzwierciedlić delokalizację e l e k t r o n ó w n, c z ę s t o u ż y w a s i ę d l a p i e r ś c i e n i a a r o m a t y c z n e g o s y m b o l u p o k a z a n e g o n a rysunku llb. D e l o k a l i z a c j a z w i ę k s z a t r w a ł o ś ć p i e r ś c i e n i a r o m a t y c z n y c h i s p r a w i a , ż e są o n e m n i e j r e a k t y w n e n i ż a l k e n y ( t z n . z n i s z c z e n i e z d e l o k a l i z o w a n e g o u k ł a d u e l e k t r o n ó w ir w p i e r ś c i e n i u a r o m a tycznym w y m a g a większego n a k ł a d u energii niż zerwanie izolowanego w i ą z a n i a JI W a l k e n a c h ) . Układy sprzężone
P i e r ś c i e n i e a r o m a t y c z n e n i e są j e d y n y m i s t r u k t u r a m i , w k t ó r y c h m o ż e w y s t ę p o w a ć d e l o k a l i z a c j a e l e k t r o n ó w n. D e l o k a l i z a c j a z a c h o d z i w u k ł a dach sprzężonych (skoniugowanych), w których naprzemiennie wystę pują w i ą z a n i a p o j e d y n c z e i p o d w ó j n e ( n p . w 1 , 3 - b u t a d i e n i e ) . W e w s z y stkich czterech a t o m a c h w ę g l a w 1,3-butadienie m a m y d o czynienia z hybrydyzacją sp , a więc k a ż d y z nich m a w p o ł o w i e o b s a d z o n y orbital p, k t ó r y m o ż e o d d z i a ł y w a ć z o r b i t a l a m i p i n n y c h a t o m ó w ; w w y n i k u t y c h o d d z i a ł y w a ń p o w s t a j ą w c z ą s t e c z c e d w a w i ą z a n i a n (rys. 12a). J e d n a k ż e m o ż l i w e jest też — d o p e w n e g o s t o p n i a — n a k ł a d a n i e się o r b i t a l i p należących d o d w ó c h ś r o d k o w y c h a t o m ó w węgla; w rezultacie wiązanie przedzielające d w a wiązania p o d w ó j n e r ó w n i e ż m a , częściowo, chara2
k t e r w i ą z a n i a p o d w ó j n e g o (rys. 12b). P r z e k o n u j ą c y m p o t w i e r d z e n i e m tego m e c h a n i z m u jest obserwacja, że w i ą z a n i e to jest krótsze n i ż t y p o w e w i ą z a n i e p o j e d y n c z e . T a k a d e l o k a l i z a c j a e l e k t r o n ó w Jt r ó w n i e ż n i e s i e z e sobą z w i ę k s z o n ą t r w a ł o ś ć cząsteczki. Trzeba j e d n a k pamiętać, ż e efekt s p r z ę ż e n i a w y s t ę p u j ą c y w s k o n i u g o w a n y c h a l k e n a c h n i e jest t a k s i l n y , jak w u k ł a d a c h a r o m a t y c z n y c h . W tych ostatnich elektrony n są całkowi cie z d e l o k a l i z o w a n e w o b r ę b i e całej c z ą s t e c z k i , a w s z y s t k i e w i ą z a n i a m i ę d z y a t o m a m i węgła mają taką s a m ą d ł u g o ś ć . W 1,3-butadienie e l e k t r o n y n są z d e l o k a l i z o w a n e t y l k o c z ę ś c i o w o i p r a w d o p o d o b i e ń s t w o ich w y s t ę p o w a n i a w d w ó c h skrajnych w i ą z a n i a c h jest w i ę k s z e n i ż w wiązaniu ś r o d k o w y m . Choć to ostatnie m a w p e w n y m stopniu cechy w i ą z a n i a -T, b a r d z i e j p r z y p o m i n a o n o j e d n a k w i ą z a n i e p o j e d y n c z e n i ż podwójne. Innymi przykładami układów sprzężonych mogą być a ^-nienasycone k e t o n y i a ^ - n i e n a s y c o n e e s t r y (rys. 13). T a k ż e i d l a t y c h z w i ą z k ó w c h a r a kterystyczna jest — wynikająca z e s p r z ę ż e n i a — z w i ę k s z o n a t r w a ł o ś ć .
(a)
(b> C—C
/
C~-C
\
H
/ C—CH
3
/
o
Rys. 13. (a) afi-Nienasycony
\
H
C—OCH
o keton; (b) afi-nienasycony
ester
3
HYBRYDYZACJA sp
Hasła W procesie hybrydyzacji sp orbital 2$ zostaje „ w y m i e s z a n y " z j e d n y m z trzech orbitali 2p, co daje w w y n i k u d w i e h y b r y d y sp o j e d n a k o w e j energii. W a t o m i e pozostają też d w a orbitale 2p (nie biorące u d z i a ł u w hybrydyzacji), których e n e r g i a jest nieco w y ż s z a niż e n e r g i a orbitali zhybrydyzowanych. W a t o m i e w ę g l a k a ż d a z h y b r y d sp z a w i e r a p o j e d y n c z y , nie s p a r o w a n y elektron. N i e biorące u d z i a ł u w h y b r y d y z a c j i orbitale 2p r ó w n i e ż są o b s a d z o n e w p o ł o w i e . M o ż l i w e jest więc u t w o r z e n i e czterech w i ą z a ń . K a ż d a z h y b r y d sp m a kształt z d e f o r m o w a n e j h a n t l i , w której j e d n a z pętli jest z n a c z n i e w i ę k s z a o d drugiej. Pozostałe — nie biorące u d z i a ł u w hybrydyzacji — orbitale 2p mają kształt hantli symetrycznej, o d w ó c h j e d n a k o w y c h p ę t l a c h . Jeśli p r z y j m i e m y , że orbitale 2p zajmują p o ł o ż e n i a w z d ł u ż osi y i z, t o d w a z h y b r y d y z o w a n e orbitale sp b ę d ą leżeć w z d ł u ż osi x, orientując się w p r z e c i w n y c h jej k i e r u n k a c h . W alkinach k a ż d y a t o m w ę g l a o h y b r y d y z a c j i sp m o ż e u t w o r z y ć d w a w i ą z a n i a o, wykorzystując d w i e h y b r y d y sp. M i ę d z y nie z h y b r y d y z o w a n y m i orbitalami 2p j e d n e g o a t o m u a o r b i t a l a m i 2p sąsiadującego a t o m u węgla n a s t ę p u j e b o c z n e n a k ł a d a n i e się, w w y n i k u k t ó r e g o powstają d w a w i ą z a n i a n. Cząsteczki a l k i n ó w mają kształt liniowy i — ze w z g l ę d u n a występujące w n i c h w i ą z a n i a n — charakteryzują się w y s o k ą r e a k t y w n o ś c i ą . W" a t o m a c h węgla i a z o t u w g r u p i e nitrylowej ( C s N ) w y s t ę p u j e hybrydyzacja sp. W a t o m i e w ę g l a o b e c n e są d w i e h y b r y d y sp, k t ó r e m o g ą u t w o r z y ć d w a w i ą z a n i a a; j e d n o z nich w i ą ż e a t o m w ę g l a z a t o m e m a z o t u . A t o m a z o t u m a j e d e n orbital sp, k t ó r y jest wykorzystywany d o tworzenia wiązania a z atomem węgla. Nie biorące u d z i a ł u w h y b r y d y z a c j i orbitale 2p w a t o m a c h w ę g l a i a z o t u uczestniczą w p o w s t a w a n i u d w ó c h w i ą z a ń it. Tematy pokrewne
Definicja
Właściwości a l k e n ó w i a l k i n ó w (H2)
C h e m i a nitryli ( 0 4 )
H y b r y d y z a c j a sp p o l e g a n a „ w y m i e s z a n i u " o r b i t a l u 2s z j e d n y m z o r b i t a l i 2p ( n p . 2p ), k t ó r e p r o w a d z i d o p o w s t a n i a d w ó c h h y b r y d sp o j e d n a k o w e j e n e r g i i . W a t o m i e p o z o s t a j ą j e s z c z e d w a n i e z m i e n i o n e o r b i t a l e 2p (2p i 2p ) o e n e r g i i n i e c o w y ż s z e j n i ż e n e r g i a o r b i t a l i z h y b r y d y z o w a n y c h x
¥
z
{rys.
1).
energia
-1—
2p
x
-4—
4—i
2p.
2p
y
2p
£
sp
-iizhybrydyzowane orbitale sp
wyjściowe orbitale atomowe Rys. 1. Hybrydyzacja
Konfiguracja elektronowa
sp atomu
węgla
W a t o m i e w ę g l a d w a p i e r w s z e e l e k t r o n y w a l e n c y j n e zajmują p o j e d n y m z o r b i t a l i sp, t a k a b y — z g o d n i e z r e g u ł ą H u n d a — n a k a ż d y m o r b i t a l u z n a j d o w a ł się j e d e n n i e s p a r o w a n y e l e k t r o n . Zostają j e s z c z e d w a e l e k trony, które mogą zostać sparowane z pojedynczymi elektronami na o r b i t a l a c h sp a l b o zająć n i e o b s a d z o n e o r b i t a l e 2p i 2p - R ó ż n i c a e n e r g e t y c z n a m i ę d z y d w i e m a g r u p a m i o r b i t a l i jest n i e w i e l k a i d l a t e g o k o r z y s t n i e j s z e jest z a j m o w a n i e o r b i t a l i o w y ż s z e j e n e r g i i n i ż p a r o w a n i e e l e k t r o n ó w . W r e z u l t a c i e w a t o m i e w ę g l a o h y b r y d y z a c j i sp b ę d z i e m y m i e l i d w a o b s a d z o n e d o p o ł o w y o r b i t a l e sp i d w a p o ł o w i c z n i e o b s a d z o n e o r b i t a l e 2p (rys. 1). M o ż l i w e j e s t w i ę c u t w o r z e n i e p r z e z t a k i a t o m c z t e r e c h wiązań. v
Geometria
z
O r b i t a l e 2p mają k s z t a ł t h a n t l i , a o r b i t a l e z h y b r y d y z o w a n e sp — k s z t a ł t h a n t l i z d e f o r m o w a n e j , w której j e d n a p ę t l a jest z n a c z n i e w i ę k s z a o d d r u giej. O r b i t a l e p i p są w z g l ę d e m s i e b i e p r o s t o p a d ł e (rys. 2o). W o l n ą p r z e s t r z e ń p o m i ę d z y n i m i zajmują h y b r y d y sp, p o ł o ż o n e w z d ł u ż osi x i z o r i e n t o w a n e w p r z e c i w n y c h jej k i e r u n k a c h ( n a rysunku 2b z a z n a c z o n o n a c z a r n o j e d y n i e w i ę k s z e p ę t l e o r b i t a l i sp). y
z
Rys. 2. (a) Orbitale 2p 12p atomu węgla o hybrydyzacji i hybrydy sp atomu węgla o hybrydyzacji sp Y
z
sp; (b) orbitale
2p , y
2p
z
C z ą s t e c z k a , w której w i ą z a n i e u t w o r z o n e jest p r z e z d w a o r b i t a l e sp, m a kształt liniowy. D w i e powszechnie spotykane klasy z w i ą z k ó w orga nicznych, w których takie wiązania występują, to alkiny i nitryle. Alkiny
Przyjrzyjmy się w i ą z a n i o m występującym w cząsteczce e t y n u (acetylenu; rys. 3). W i ą z a n i a C - H t o s i l n e w i ą z a n i a o u t w o r z o n e z u d z i a ł e m p o j e d y n c z o o b s a d z o n y c h o r b i t a l i l s a t o m u w o d o r u i o r b i t a l i sp a t o m u w ę g l a . D r u g i o r b i t a l sp w k a ż d y m z a t o m ó w w ę g l a w y k o r z y s t y w a n y jest d o
Rys. 3. Etyn
utworzenia silnego wiązania a w ę g i e l - w ę g i e l . Schemat w i ą z a ń o w cząs t e c z c e o d z w i e r c i e d l a jej k s z t a ł t l i n i o w y {rys Aa); w p o s t a c i u p r o s z c z o n e j jest o n p r z e d s t a w i o n y n a rysunku 4b. P o n i e w a ż k a ż d y z a t o m ó w w ę g l a m a jeszcze połowicznie o b s a d z o n e o r b i t a l e p, m o ż l i w e jest p o w s t a w a n i e d a l s z y c h w i ą z a ń . M i ę d z y o r b i t a l a m i 2pj, i 2p o b u a t o m ó w d o c h o d z i d o b o c z n e g o n a k ł a d a n i a s i ę z u t w o r z e n i e m d w ó c h w i ą z a ń n (rys. 5 ) . W i ą z a n i e n p o w s t a ł e w w y n i k u n a k ł a d a n i a się o r b i t a l i 2p z a z n a c z o n e jest n a rysunku 5 k o l o r e m c i e m n o s z a r y m , a w i ą z a n i e n, b ę d ą c e w y n i k i e m n a k ł a d a n i a s i ę o r b i t a l i 2p — k o l o r e m j a s n o s z a r y m . C z ą s t e c z k i a l k i n ó w są liniowe*; c h a r a k t e r y z u j e je wysoka reaktywność związana z w y s t ę p o w a n i e m w nich s t o s u n k o w o s ł a b y c h w i ą z a ń n. 2
y
z
(a)
^-r~*.
(3S>CEB
( b )
h
c
c
h
———
Rys. 4. (a) Wiązania o w etynie; (b) prosty zapis wiązań o w etynie
Rys. 5. Wiązania JI w etynie
Grupa nitrylową
Dokładnie w ten s a m sposób m o ż n a w y t ł u m a c z y ć p o w s t a w a n i e w i ą z a ń w grupie nitrylowej ( C = N ) , w której o b u a t o m a c h — węgla i a z o t u — w y s t ę p u j e h y b r y d y z a q ' a sp. N a s c h e m a c i e p o z i o m ó w e n e r g e t y c z n y c h (rys. 6) p o k a z a n o s p o s ó b r o z m i e s z c z e n i a e l e k t r o n ó w w a l e n c y j n y c h w a t o m i e a z o t u , w k t ó r y m n a s t ą p i ł a h y b r y d y z a c j a sp. N i e w i ą ż ą c a p a r a e l e k t r o n o w a z a j m u j e j e d e n z o r b i t a l i sp, a l e d r u g i z n i c h m o ż e b y ć w y k o r z y s t a n y d o u t w o r z e n i a s i l n e g o w i ą z a n i a a. Z n a k ł a d a n i a się o r b i t a l i 2p i 2p p o w s t a j ą d w a w i ą z a n i a JI. N a rysunku 7 wiązania o w cząsteczce H C N zaznaczono liniami prostymi; p o k a z a n o też, w jaki sposób p o z o s t a ł e o r b i t a l e 2p t w o r z ą d w a w i ą z a n i a n. y
z
* Ściśle mówiąc, kształt liniowy ma ten obszar cząsteczki, w którym występuje wiązanie potrójne — przyp. tłum.
energia
-ł—
2p 4— x
2
Py
4—
2p,~.-.--
::;:
4
1—
2
Py
2
Pz
4ł- . z
wyjściowe orbitale alomowe Rys. 6. Hybrydyzacja
sp atomu
Rys. 7. Wiązania JT w cząsteczce
zhybrydyzowane orbitale sp azotu
HCN
HYBRYDYZACJA A WIĄZANIA
Hasła K a ż d e w i ą z a n i e występujące w cząsteczce z w i ą z k u o r g a n i c z n e g o jest a l b o w i ą z a n i e m a, a l b o w i ą z a n i e m jt. K a ż d y a t o m w cząsteczce jest p o ł ą c z o n y z i n n y m za p o m o c ą j e d n e g o w i ą z a n i a a. Jeśli m i ę d z y jakąkolwiek p a r ą a t o m ó w w cząsteczce tych w i ą z a ń jest więcej — p o z o s t a ł e są w i ą z a n i a m i n.
Wią»aniaai;>i
W e w s z y s t k i c h a t o m a c h w c h o d z ą c y c h w s k ł a d cząsteczek o r g a n i c z n y c h — z wyjątkiem a t o m ó w w o d o r u — w y s t ę p u j e h y b r y d y z a c j a sp, sp albo sp . A t o m y p o ł ą c z o n e p o j e d y n c z y m w i ą z a n i e m mają h y b r y d y z a c j ę sp , a t o m y p o ł ą c z o n e w i ą z a n i a m i p o d w ó j n y m i * — h y b r y d y z a c j ę sp , zaś w a t o m a c h p o ł ą c z o n y c h w i ą z a n i a m i p o t r ó j n y m i * w y s t ę p u j e h y b r y d y z a q a sp. 2
3
3
2
3
Wiązania otaczające a t o m o h y b r y d y z a c j i sp przyjmują orientację tetraedryczną; w o k ó ł a t o m u o h y b r y d y z a c j i sp m a m y d o czynienia z geometrią p ł a s k i e g o trójkąta, n a t o m i a s t a t o m y węgla o hybrydyzacji sp t w o r z ą w i ą z a n i a z o r i e n t o w a n e liniowo. Zależności te determinują kształt g r u p funkcyjnych zawierających a t o m y o r ó ż n y c h t y p a c h h y b r y d y z a c j i . G r u p y zawierające a t o m y o hybrydyzacji s p są p ł a s k i e , a te, w k t ó r y c h występują a t o m y o hybrydyzacji sp — liniowe.
.-•eometria
2
2
G r u p y funkcyjne, w których występują w i ą z a n i a n, z r e g u ł y odznaczają się d u ż ą reaktywnością, p o n i e w a ż w i ą z a n i a n są słabsze n i ż w i ą z a n i a a i łatwiej ulegają z e r w a n i u . Tematy pokrewne
3
H y b r y d y z a c j a s p (A3)
H y b r y d y z a c j a sp (A5)
2
H y b r y d y z a c j a sp (A4) (* wyjątkiem są t u w i ą z a n i a w allenach R 2 C = C = C R z )
Wiązania a i n
U s t a l e n i e , g d z i e w c z ą s t e c z c e w y s t ę p u j ą w i ą z a n i a a, a g d z i e JT (rys. 1), n i e jest t r u d n e , jeśli p a m i ę t a s i ę o n a s t ę p u j ą c y c h r e g u ł a c h : • w s z y s t k i e w i ą z a n i a w y s t ę p u j ą c e w c z ą s t e c z k a c h o r g a n i c z n y c h są a l b o w i ą z a n i a m i t y p u s i g m a (o), a l b o t y p u p i (JE); • w s z y s t k i e w i ą z a n i a p o j e d y n c z e są w i ą z a n i a m i o; • w i ą z a n i e p o d w ó j n e s k ł a d a s i ę z j e d n e g o w i ą z a n i a a i j e d n e g o JE; • w i ą z a n i e p o t r ó j n e s k ł a d a s i ę z j e d n e g o w i ą z a n i a o i d w ó c h n.
Określanie typu hybrydyzacji
W e wszystkich a t o m a c h o b e c n y c h w cząsteczkach organicznych (z w y jątkiem a t o m ó w w o d o r u ) występuje jeden z trzech t y p ó w hybrydyzacji: sp, sp a l b o s p (rys. 2 ) . 2
3
CI
*
I
,CH H C' 3
/CH CH
C
3
^CH
HC
2
H I .* ^ C ^ . ^CH HC C
O
II
CH
3
3
3
H c^
3
2
^ r r
3
H F?ys. 7. Wszystkie
pokazane
wiązania są wiązaniami
o z wyjątkiem
3
Osp
I
II 3
3
3 3
HC
2
3
3
3
Osp
jako n
2
Cl sp
CH ^CH sp ^CH sp sp
HC sp
wiązań oznaczonych
C ^CH s p ^ C H sp
3
a
3
/
/
3
sp
C
C
H
^ N / 3 s p ^ C j S sp | H 3
HC sp 3
3
3
sp
2
H
I
r
H
s p
H C < P ^ O ^ sp sp 3
3
3
Rys. 2. Przykłady i sp
cząsteczek,
w których
obecne
są atomy o hybrydyzacji
sp,
2
sp
3
Przy ustalaniu t y p u hybrydyzacji występującej w poszczególnych ato m a c h p o m o c n e są n a s t ę p u j ą c e r e g u ł y : • w e w s z y s t k i c h a t o m a c h p o ł ą c z o n y c h w i ą z a n i a m i p o j e d y n c z y m i (z w y j ą t k i e m a t o m ó w w o d o r u ) w y s t ę p u j e h y b r y d y z a c j a sp ; • w o b u a t o m a c h p o ł ą c z o n y c h w alkenie w i ą z a n i e m p o d w ó j n y m (C=C) w y s t ę p u j e h y b r y d y z a c j a sp ;* • w g r u p i e k a r b o n y l o w e j ( C = 0 ) z a r ó w n o a t o m w ę g l a , jak i tlenu mają hybrydyzację sp ; • wszystkie atomy węgla w pierścieniu a r o m a t y c z n y m m u s z ą mieć hy brydyzację sp ; • w obu atomach połączonych wiązaniem potrójnym musi występować h y b r y d y z a c j a sp; • a t o m y w o d o r u wykorzystują p r z y tworzeniu w i ą z a ń orbital l s ; hybry dyzacja w tych a t o m a c h nie występuje. 3
2
2
2
W atomach w o d o r u nie m a hybrydyzacji. Mogą one przy tworzeniu w i ą z a ń w y k o r z y s t y w a ć j e d y n i e o r b i t a l s, p o n i e w a ż n a p i e r w s z e j p o w ł o c e elektronowej nie m a orbitali p . A t o m w o d o r u nie m o ż e więc b r a ć u d z i a ł u w w i ą z a n i u te. N a t o m i a s t w a t o m a c h t l e n u , a z o t u c z y f l u o r o w c ó w m o g ą t w o r z y ć się o r b i t a l e z h y b r y d y z o w a n e ; a l b o b i o r ą o n e u d z i a ł w t w o r z e n i u w i ą z a ń z i n n y m i a t o m a m i , a l b o zajęte są p r z e z w o l n e p a r y e l e k t r o n o w e .
* W związkach zwanych allenami (R C=C=CR ) obecny jest szczególny atom węgla o hybrydyzacji sp znajdujący się między dwoma wiązaniami podwójnymi; analiza struktury tych związków wykracza jednak poza zakres niniejszej książki. 2
2
Geometria
O k s z t a ł c i e c z ą s t e c z k i o r g a n i c z n e j i w y s t ę p u j ą c e j w niej g r u p y funkcyjnej d e c y d u j e t y p h y b r y d y z a c j i t w o r z ą c y c h ją a t o m ó w . N a p r z y k ł a d g r u p y f u n k c y j n e z a w i e r a j ą c e a t o m y o t r y g o n a l n e j h y b r y d y z a c j i sp są p ł a s k i e , a g r u p y z a w i e r a j ą c e a t o m y o h y b r y d y z a c j i sp — l i n i o w e : 2
• płaskie g r u p y funkcyjne występują w aldehydach, ketonach, alkenach, kwasach karboksylowych, chlorkach i bezwodnikach kwasowych, e s t r a c h , a m i d a c h ; p ł a s k i e są t e ż p i e r ś c i e n i e a r o m a t y c z n e ; • liniowe g r u p y funkcyjne to w i ą z a n i e potrójne w alkinach i g r u p a nitrylową; • atomy węgla o hybrydyzacji tetraedrycznej występują w łańcuchach węglowych, n p . w alkoholach, eterach, halogenkach alkilowych. Reaktywność
G r u p y funkcyjne zawierające w i ą z a n i a n odznaczają się d u ż ą r e a k t y w n o ścią c h e m i c z n ą , p o n i e w a ż w i ą z a n i a t e są s ł a b s z e n i ż w i ą z a n i a a i ł a t w i e j ulegają z e r w a n i u . D o p o w s z e c h n i e s p o t y k a n y c h s u b s t a n c j i z a w i e r a j ą c y c h wiązania n należą: związki a r o m a t y c z n e , alkeny, alkiny, a l d e h y d y , keto ny, k w a s y k a r b o k s y l o w e , estry, a m i d y , chlorki i b e z w o d n i k i k w a s o w e , nitryle.
831
DEFINICJA
Hasła A l k a n y są z w i ą z k a m i o r g a n i c z n y m i z b u d o w a n y m i w y ł ą c z n i e z a t o m ó w węgla i w o d o r u , p o ł ą c z o n y c h p o j e d y n c z y m i w i ą z a n i a m i o. W e wszystkich atomach węgla występuje hybrydyzaq'a s p i t e t r a e d r y c z n a orientacja w i ą z a ń . A l k a n y są z w i ą z k a m i t r w a ł y m i i n i e reagują z większością substanq'i c h e m i c z n y c h . Mają o n e w z ó r o g ó l n y
Alkany
3
C y k l o a l k a n y są a l k a n a m i o s t r u k t u r z e cyklicznej (pierścieniowej). Ich w z ó r o g ó l n y t o C„H2 . W i ę k s z o ś ć c y k l o a l k a n ó w nie reaguje z i n n y m i z w i ą z k a m i c h e m i c z n y m i . J e d n a k ż e pierścienie składające się z trzech lub czterech a t o m ó w są r e a k t y w n e z p o w o d u w y s t ę p u j ą c y c h w nich n a p r ę ż e ń ; w reakcjach zachowują się o n e p o d o b n i e d o a l k e n ó w . n
Tematy pokrewne
Alkany
3
H y b r y d y z a q ' a sp (A3)
I z o m e r y k o n f o n n a c y j n e (D4)
A l k a n y są z w i ą z k a m i o r g a n i c z n y m i o w z o r z e o g ó l n y m C H2n+2, z b u d o w a n y m i z a t o m ó w węgla i w o d o r u połączonych pojedynczymi w i ą z a n i a m i C - C i C - H . C z ę s t o o k r e ś l a s i ę te z w i ą z k i t e r m i n e m w ę g l o w o d o r y n a s y c o n e ; d r u g i c z ł o n tej n a z w y ( n a s y c o n e ) o z n a c z a , ż e w s z y s t k i e w y s t ę p u j ą c e w c z ą s t e c z c e w i ą z a n i a są w i ą z a n i a m i p o j e d y n c z y m i ; n a t o m i a s t określenie w ę g l o w o d o r y odzwierciedla to, iż występują w nich tylko atomy węgla i w o d o r u . W e wszystkich atomach w ę g l a w c z ą s t e c z c e a l k a n u w y s t ę p u j e h y b r y d y z a c j a sp i c h a r a k t e r y s t y c z n a d l a niej t e t r a e d r y c z n a g e o m e t r i a w i ą z a ń . W i ą z a n i a C - C i C - H t o s i l n e , n i e u l e g a j ą c e ł a t w o z e r w a n i u w i ą z a n i a a; z t e g o t e ż p o w o d u a l k a n y n i e wykazują reaktywności chemicznej w s t o s u n k u d o większości substancji. S p o ś r ó d a l k a n ó w w y o d r ę b n i a się c z a s e m a l k a n y ł a ń c u c h o w e , c z y l i a c y k l i c z n e , w o d r ó ż n i e n i u o d c y k l o a l k a n ó w , czyli z w i ą z k ó w p i e r ś c i e n i o w y c h (alicyklicznych). f!
3
Cykloalkany
Cykloalkany (związki alicykliczne) to w ę g l o w o d o r y pierścieniowe o o g ó l n y m w z o r z e C ,H2 ; a t o m y w ę g l a p o ł ą c z o n e są w n i c h w t a k i s p o s ó b , ż e t w o r z ą p i e r ś c i e ń . M o ż U w e jest istnienie p i e r ś c i e n i o d o w o l n e j w i e l k o ś c i . J e d n a k ż e najczęściej s p o t y k a n y w c h e m i i o r g a n i c z n e j c y k l o a l k a n m a pierścień sześcioczłonowy (cykloheksan). Większość cykloalkanów c h a r a k t e r y z u j e s i ę n i e w i e l k ą r e a k t y w n o ś c i ą c h e m i c z n ą . W y j ą t k i e m są p i e r ś c i e n i e m a ł e — o t r z e c h l u b c z t e r e c h c z ł o n a c h — k t ó r e są a k t y w n e c h e m i c z n i e i z a c h o w u j ą się p o d o b n i e j a k a l k e n y . P r z y c z y n ą m n i e j s z e j t r w a ł o ś c i t y c h z w i ą z k ó w są w y s t ę p u j ą c e w ich c z ą s t e c z k a c h s i l n e n a p r ę żenia w y w o ł a n e t y m , ż e wiązania, w których biorą udział a t o m y węgla, n i e m o g ą w n i c h p r z y j ą ć u p r z y w i l e j o w a n e j orientacji t e t r a e d r y c z n e j . f
n
RYSOWANIE WZORÓW STRUKTURALNYCH
Hasła Pomiiauie wiązań
W z o r y a l k a n ó w m o ż n a r y s o w a ć s z y b k o i s p r a w n i e , jeśli pomija się n a r y s u n k u wiązania C - H .
Wzory szkiełejowe I *
Wzory s z k i e l e t o w e pokazują j e d y n i e w i ą z a n i a C - C . Z a k ł a d a się, ż e w miejscu zetknięcia się d w ó c h w i ą z a ń znajduje się a t o m w ę g l a z w i ą z a n y z wystarczającą liczbą a t o m ó w w o d o r u , a b y u t w o r z y ć w sumie cztery w i ą z a n i a . G r u p y alkilowe (C„H2n+i) t o części a l k a n ó w o bardziej s k o m p l i k o w a n e j s t r u k t u r z e . Zapisuje się je a l b o z a p o m o c ą w z o r ó w szkieletowych, albo w z o r ó w g r u p o w y c h : C H 3 , C2H5 itd.
Tematy pokrewne
Pomijanie wiązań C - H
Definicja (BI)
Istnieje kilka s y s t e m ó w p r z e d s t a w i a n i a c z ą s t e c z e k o r g a n i c z n y c h n a rysunku. N a przykład cząsteczkę etanu m o ż n a narysować z uwzględnie n i e m w s z y s t k i c h w i ą z a ń C - C i C - H . Jest to j e d n a k k ł o p o t l i w e , z w ł a s z c z a w p r z y p a d k u s k o m p l i k o w a n y c h struktur; o wiele prościej jest pomijać p r z y t a k i m z a p i s i e w i ą z a n i a C - H (rys. 1). H
H
I
I
H— C — C — H
Wzory szkieletowe
Grupy alkilowe
H
H
Rys. t
Etan
=
H C —CH 3
3
D a l s z e , c z ę s t o s t o s o w a n e , u p r o s z c z e n i e p o l e g a n a z a z n a c z a n i u jedyni! wiązań węgiel-węgiel. Taki sposób zapisu n a z y w a się szkiełetowyn w z o r e m c z ą s t e c z k i (rys. 2 ) . P r z y s t o s o w a n i u t e g o t y p u w z o r ó w z a k ł a d się, ż e w k a ż d y m p u n k c i e z e t k n i ę c i a d w ó c h w i ą z a ń o b e c n y jest aton w ę g ł a i ż e a t o m y t e g o p i e r w i a s t k a w i ą ż ą się z d o s t a t e c z n ą liczbą a t o m ó ł w o d o r u , a b y k a ż d y z nich brał u d z i a ł łącznie w czterech wiązaniach. N i e rozgałęzione łańcuchy a l k a n ó w m o ż n a też przedstawiać, rysuia w i ą z a n i a C - C w p o s t a c i linii ł a m a n e j (rys. 3 ) . G r u p y a l k i l o w e (Cnlhn+i) m o ż n a t r a k t o w a ć jako łańcuchy alkanów* będące p o d s t a w n i k a m i w cząsteczkach o skomplikowanej strukturze
H
H,.
H H—C H— / H
Rys. 2. Wzór szkieletowy
H
H
H
I
I
I I
I
I
I I
H
H
H
C
H
X ^ / H
H \
\ H
H
cykloheksanu
H
H— C — C — C — C —H
—
H
Rys. 3. Wzór szkieletowy
butanu
Proste g r u p y alkilowe można zapisywać, używając w z o r ó w szkieleto w y c h {rys, 4a) a l b o w z o r ó w g r u p o w y c h : C H 3 , C H 2 C H 3 , C H 2 C H 2 C H 3 i t d . (rys.
4b).
W a r t o o d n o t o w a ć s p o s ó b o z n a c z e n i a g r u p y C H 3 n a rysunku 5 . Z a p i s p o k a z a n y n a rysunku Śa j e s t w ł a ś c i w s z y n i ż z a p i s z rysunku 5b; t e n p i e r w s z y w z ó r ukazuje b o w i e m , że wiązanie występuje m i ę d z y a t o m a m i węgla. (a)
(b) CH2CH2CH3 albo
H,C Rys. 4. Wzór cykloheksanu
z podstawnikami
alkilowymi
CH2CH2CH3
C H2CH2CH 3
Rys. 5. (a) Prawidłowe metylowej
oznaczenie
grupy metylowej;
(b) błędne
oznaczenie
grupy
NAZEWNICTWO
Hasła N a z w y p i e r w s z y c h dziesięciu a l k a n ó w n o r m a l n y c h to: m e t a n , e t a n , propan, butan, pentan, heksan, heptan, oktan, n o n a n i dekan. W cząsteczkach a l k a n ó w r o z g a ł ę z i o n y c h w y s t ę p u j ą p o d s t a w n i k i alkilowe s t a n o w i ą c e o d g a ł ę z i e n i a g ł ó w n e g o ł a ń c u c h a w ę g l o w e g o . Ustalając n a z w ę r o z g a ł ę z i o n e g o a l k a n u , n a l e ż y n a j p i e r w zidentyfikować w nim najdłuższy łańcuch węglowy i p o n u m e r o w a ć go, zaczynając o d k o ń c a znajdującego się najbliżej r o z g a ł ę z i e n i a . P o t e m trzeba z i d e n t y f i k o w a ć p o d s t a w n i k i jego pozycję w g ł ó w n y m ł a ń c u c h u . T w o r z y m y w ó w c z a s n a z w ę t y p u n-alkiloalkan, g d z i e n określa pozycję p o d s t a w n i k a , alkilo o d n o s i się d o t e g o p o d s t a w n i k a , a l k a n zaś — d o ł a ń c u c h a g ł ó w n e g o . Jeśli w cząsteczce m o ż n a w y r ó ż n i ć więcej niż j e d e n p o d s t a w n i k , n a z w y ich p o d a j e się w p o r z ą d k u alfabetycznym. Jeśli jakiś p o d s t a w n i k w y s t ę p u j e w cząsteczce więcej niż r a z , d o jego n a z w y dodaje się p r z e d r o s t e k di-, tri-, tetra- itd., ale p o r z ą d e k w y m i e n i a n i a p o d s t a w n i k ó w nadal o d p o w i a d a porządkowi alfabetycznemu n a z w , z p o m i n i ę c i e m d o d a n y c h p r z e d r o s t k ó w . Jeśli w tej samej odległości o d obu końców łańcucha występują d w a podstawniki, n a z w ę t w o r z y się tak, a b y pozycja p o d s t a w n i k a p i e r w s z e g o ze w z g l ę d u n a p o r z ą d e k alfabetyczny o z n a c z o n a b y ł a jak najmniejszą liczbą. O d r e g u ł y tej t r z e b a c z a s e m o d s t ą p i ć , jeśli w ł a ń c u c h u w y s t ę p u j e kilka p o d s t a w n i k ó w j e d n a k o w o o d l e g ł y c h o d o b u jego k o ń c ó w . Ich n a z w y zależą o d liczby a t o m ó w w ę g l a t w o r z ą c y c h pierścień; m a m y t u więc, kolejno, c y k l o p r o p a n (C3H6), c y k l o b u t a n (C4H8), c y k l o p e n t a n (C5H10), c y k l o h e k s a n (C6H12) itd. T w o r z ą c n a z w ę z w i ą z k u , w k t ó r y m pierścień c y k l o a l k a n o w y jest związany z alkanem łańcuchowym, zakładamy zwykle, że cykloalkan jest cząsteczką macierzystą, a a l k a n — p o d s t a w n i k i e m a l k i l o w y m (a w i ę c n a z w a m a p o s t a ć alkilocykloalkan). Jeśli j e d n a k część ł a ń c u c h o w a cząsteczki z a w i e r a więcej a t o m ó w w ę g l a n i ż pierścień, p o s t ę p u j e m y o d w r o t n i e : c y k l o a l k a n t r a k t u j e m y jako p o d s t a w n i k w łańcuchu (nazwa przybiera wówczas postać n-cykloalkiloalkan). C y k l o a l k a n y , w k t ó r y c h w y s t ę p u j e kilka p o d s t a w n i k ó w , n a z y w a się w taki s p o s ó b , a b y p o d s t a w n i k p i e r w s z y p o d w z g l ę d e m a l f a b e t y c z n y m z n a j d o w a ł się w pozycji 1 pierścienia. P o z o s t a ł e a t o m y
* Zwane też alkanami o łańcuchach nierozgałęzionych — ptzyp.
tłum.
31
Ł3 - N a z e w n i c t w o
n u m e r u j e się w ó w c z a s w k i e r u n k u , k t ó r y z a p e w n i a , że s u m a liczb o d p o w i a d a j ą c y c h p o z y c j o m w s z y s t k i c h p o d s t a w n i k ó w b ę d z i e jak najniższa. Tematy pokrewne
Alkany normalne
CH4
N a z w y najprostszych alkanów o łańcuchach nierozgałęzionych pokaza n e są n a rysunku 1.
H3C
metan
Definicja (BI)
—
CHg
^\
etan
heksan
oktan
heptan
dekan
nonan . Nazewnictwo
AJkany rozgałęzione
pentan
butan
propan
alkanów
normalnych
O alkanach rozgałęzionych m ó w i m y wtedy, gdy w g ł ó w n y m łańcuchu w ę g l o w y m występują odgałęzienia w postaci podstawników alkilowych. N a z w y t a k i c h z w i ą z k ó w t w o r z y się w e d ł u g n a s t ę p u j ą c e j p r o c e d u r y : • zidentyfikuj najdłuższy łańcuch w ę g l o w y w cząsteczce. W p o k a z a n y m p r z y k ł a d z i e (rys. 2o) w s k ł a d n a j d ł u ż s z e g o ł a ń c u c h a w c h o d z i p i ę ć a t o m ó w w ę g l a — jest t o w i ę c ł a ń c u c h p e n t a n u ; • p o n u m e r u j a t o m y n a j d ł u ż s z e g o łańcucha, zaczynając od końca bliż s z e g o p u n k t u r o z g a ł ę z i e n i a (rys. 2b); • z i d e n t y f i k u j a t o m w ę g l a , p r z y k t ó r y m z n a j d u j e się o d g a ł ę z i e n i e ( a t o m o n u m e r z e 2 n a rysunku 2b); • zidentyfikuj i nazwij g r u p ę stanowiącą odgałęzienie. W p o k a z a n y m p r z y k ł a d z i e jest t o g r u p a C H 3 . G r u p y t a k i e ( a l b o p o d s t a w n i k i ) n a z y w a się g r u p a m i a l k i l o w y m i ( a l k i l a m i ) (ich w z ó r o g ó l n y t o C n b ^ + i ) , w o d r ó ż n i e n i u o d a l k a n ó w (o w z o r z e o g ó l n y m C H2n+2)- Tak więc g r u p a C H 3 to metyl, a nie metan. n
• n a z w i j całą s t r u k t u r ę , z a c z y n a j ą c o d p o z y c j i i n a z w y p o d s t a w n i k a w ł a ń c u c h u , n a s t ę p n i e zaś określając najdłuższy ł a ń c u c h . Z w i ą z e k p o k a z a n y n a rys. 2 n o s i n a z w ę 2 - m e t y l o p e n t a n . W a r t o z w r ó c i ć u w a g ę , a
CH CH2 ^
H C 3
X
b
3
CH
^^CH CH
CH2 N
2
CH
3
H C** 3
5 Rys. 2. (a) Znajdź najdłuższy
łańcuch;
(b) ponumeruj
4
3
j^'"'
^ CH
2 2
3 najdłuższy
N
CH 1
łańcuch
3
że n a z w y p o d s t a w n i k a i łańcucha g ł ó w n e g o stanowią j e d n o słowoj p i s z e m y w i ę c 2 - m e t y l o p e n t a n , a nie 2 - m e t y l o - p e n t a n . Alkany o wielu rozgałęzieniach
Jeśli w c z ą s t e c z c e w y s t ę p u j e więcej n i ż j e d n a g r u p a a l k i l o w a , poszczę-? g ó l n e p o d s t a w n i k i w y m i e n i a się w n a z w i e z w i ą z k u w p o r z ą d k u alfabet t y c z n y m , p r z y c z y m ł a ń c u c h w ę g l o w y n u m e r u j e się — t a k j a k p o p r z e dnio — rozpoczynając od końca najbliższego w z g l ę d e m p o d s t a w n i k ó w . Z w i ą z e k p r z e d s t a w i o n y n a rys. 3 t o 4 - e t y I o - 3 - m e t y l o o k t a n , a nit 3-metylo-4-etylooktan.
Rys. 3.
4-£tylo-3-metylooktan
Jeśli w c z ą s t e c z c e w y s t ę p u j e k i l k a j e d n a k o w y c h p o d s t a w n i k ó w , ich l i c z b ę o k r e ś l a się z a p o m o c ą p r z e d r o s t k ó w d i - , tri-, t e t r a - i t d . N a p r z y k ł a d z w i ą z e k p o k a z a n y n a rysunku 4 n a z w i e m y 2 , 2 - d i m e t y I o p e n t a n e m , a nie 2 - m e t y l o - 2 - m e t y l o p e n t a n e m .
Rys. 4.
2,2-Dimetylopentan
P r z e d r o s t k i d i - , tri-, t e t r a - i t d . oznaczają, ż e w c z ą s t e c z c e w y s t ę p u j e kilka i d e n t y c z n y c h p o d s t a w n i k ó w . O kolejności w y m i e n i a n i a tych p o d s t a w n i k ó w w d a l s z y m c i ą g u d e c y d u j e j e d n a k a l f a b e t y c z n y p o r z ą d e k ich n a z w ( w t y m s e n s i e p r z e d r o s t k i d i - , tri-, t e t r a - i d a l s z e i g n o r u j e m y : n i e wpływają one na alfabetyczny porządek wymieniania podstawników). T a k w i ę c z w i ą z e k p o k a z a n y n a rysunku 5 n a z w i e m y 5 - e t y l o - 2 , 2 - d i m e t y l o d e k a n e m , a nie 2 , 2 - d i r n e t y l o - 5 - e t y l o d e k a n e m . Tę samą r e g u ł ę stosuje się także w p r z y p a d k a c h , w k t ó r y c h takie s a m e podstawniki występują w kilku różnych pozycjach łańcucha. N a przy k ł a d z w i ą z e k p o k a z a n y n a rysunku 6 o t r z y m a n a z w ę 5 - e t y l o - 2 , 2 , 6 - t r i m e tylodekan.
CH2CH3 Rys. 5.
5-Etylo-2,2-dimełyiodekan
CH2CH3
CH2CH3 =lys. 6.
CH2CH3
5-Etylo-2,2,6-trimetylodekan
W p r z y p a d k u n i e k t ó r y c h cząsteczek podjęcie decyzji, o d k t ó r e g o k o ń c a n a l e ż y r o z p o c z ą ć n u m e r o w a n i e ł a ń c u c h a , m o ż e o k a z a ć się t r u d n e . Przykładem tego będzie związek, w którym w jednakowej odległości od o b u k o ń c ó w ł a ń c u c h a znajdują się d w a r ó ż n e p o d s t a w n i k i . W t a k i c h p r z y p a d k a c h p o d s t a w n i k o w i występującemu wcześniej w p o r z ą d k u alfabetycznym przypisać m u s i m y pozycję o jak najniższym n u m e r z e . P r z y k ł a d p o k a z a n y jest n a rysunku 7a: m a m y t a m 3 - e t y l o - 5 - m e t y l o h e p t a n , a nie 5 - e t y l o - 3 - m e t y l o h e p t a n . (a)
(b)
=>ys. 7, (a) 3-Etylo-5-metyloheptan;
(c)
(b) niewłaściwy
sposób
numerowania;
(c)
5-etylo-3,3-dimetyloheptan
Istnieje w s z a k ż e i n n a r e g u ł a , k t ó r a m o ż e z n o s i ć d z i a ł a n i e z a s a d y p r z e d s t a w i o n e j w y ż e j . W z w i ą z k u p o k a z a n y m n a rysunku 7c w y s t ę p u j ą g r u p y etylowa i m e t y l o w e rozmieszczone w jednakowej odległości od obu końców łańcucha. M a m y t a m jednak dwie grupy metylowe, a tylko jedną etylową. Należy wybrać taki sposób n u m e r o w a n i a a t o m ó w węgla w ł a ń c u c h u , a ż e b y s u m a liczb, oznaczających pozycje w s z y s t k i c h p o d s t a w n i k ó w , b y ł a j a k n a j m n i e j s z a . W p r z y k ł a d z i e z rysunku 7c p o k a z a n y z w i ą z e k n a z w i e m y 5 - e t y l o - 3 , 3 - d i m e t y l o h e p t a n e m , a nie 3 - e t y l o - 5 , 5 - d i m e t y l o h e p t a n e m (rys. 7b), s u m a 5 + 3 + 3 = 11 jest b o w i e m m n i e j s z a n i ż s u m a 3 + 5 + 5 = 13. Cykloalkany
N a z w y c y k l o a l k a n ó w t w o r z y się p o p r o s t u p r z e z z i d e n t y f i k o w a n i e liczby a t o m ó w w ę g l a w pierścieniu i p o p r z e d z e n i e n a z w y a l k a n u p r z e d r o s t k i e m c y k l o - (rys. 8). (a)
>
(b)
Rys. 8. (a) Cyklopropan;
Cykloalkany rozgałęzione
(c)
^ \
• o O (b) cykiobutan;
(c) cykiopentan;
(d)
cykloheksan
T w o r z ą c n a z w y c y k l o a l k a n ó w s k ł a d a j ą c y c h się z r e s z t y c y k l o a l k a n o w e j związanej z resztą alkanową, traktujemy zazwyczaj pierścień cykloalkan o w y jako jednostkę macierzystą, a łańcuch alkanu jako p o d s t a w n i k alki l o w y . Z g o d n i e z tą z a s a d ą , z w i ą z e k p r z e d s t a w i o n y n a rysunku 9a n o s i
(b)
Rys. 9. (a) Metylocykloheksan;
(b) 1-cykioheksylooktan;
(c)
1-etylo-3-metylocykloheksan
n a z w ę m e t y l o c y k l o h e k s a n , a nie c y k l o h e k s y l o m e t a n . W a r t o z w r ó c i ć u w a g ę , że nie m a potrzeby n u m e r o w a n i a a t o m ó w w pierścieniach cykloa l k a n o w y c h , w k t ó r y c h o b e c n y jest t y l k o j e d e n p o d s t a w n i k . Jeśli c z ę ś ć ł a ń c u c h o w a c z ą s t e c z k i z a w i e r a w i ę c e j a t o m ó w w ę g l a n i ż p i e r ś c i e ń , t o w ł a ś n i e ł a ń c u c h staje s i ę j e d n o s t k ą m a c i e r z y s t ą , a p i e r ś c i e ń cykloalkanowy — p o d s t a w n i k i e m . N a przykład substancja p o k a z a n a na rysunku 9b n o s i n a z w ę 1 - c y k l o h e k s y l o o k t a n , a nie o k t y l o c y k l o h e k s a n . W t a k i c h p r z y p a d k a c h n u m e r o w a n i e staje s i ę k o n i e c z n e , g d y ż t r z e b a określić pozycję p o d s t a w n i k a cykloalkilowego w ł a ń c u c h u a l k a n o w y m . Cykloalkany o
wielu
rozgałęzieniach
R o z g a ł ę z i o n e c y k l o a l k a n y , w k t ó r y c h o b e c n e są r ó ż n e p o d s t a w n i k i , n u m e r u j e się t a k , a b y p i e r w s z y — z p u n k t u w i d z e n i a p o r z ą d k u a l f a b e t y c z n e g o — p o d s t a w n i k a l k i l o w y b y ł w p o z y c j i 1. K i e r u n e k n u m e r o w a n i a w y b i e r a się z k o l e i t a k , a b y s u m a liczb o k r e ś l a j ą c y c h p o z y c j e w s z y s t k i c h p o d s t a w n i k ó w b y ł a j a k n a j m n i e j s z a . P r z y k ł a d w i d z i m y n a rysunku 9c: p o k a z a n y t a m z w i ą z e k n a z w i e m y l - e t y l o - 3 - m e t y l o c y k l o h e k s a n e m , a nie 1 - m e t y l o - 3 - e t y l o c y k l o h e k s a n e m a n i t e ż nie l - e t y l o - 5 - m e t y l o c y k l o h e k s a n e m . Ta ostatnia n a z w a jest n i e p r a w i d ł o w a ze w z g l ę d u n a to, ż e s u m a l i c z b w y z n a c z a j ą c y c h p o z y q ' e p o d s t a w n i k ó w w y n o s i d l a niej 6 (5 + 1 ) , a w i ę c jest w y ż s z a n i ż w p r z y p a d k u n a z w y p r a w i d ł o w e j (1 + 3 = 4).
C1
ROZPOZNAWANIE GRUP FUNKCYJNYCH
Hasła G r u p y funkcyjne t o części cząsteczki zawierające a t o m y p i e r w i a s t k ó w i n n y c h niż węgiel i w o d ó r a l b o w i ą z a n i a i n n e n i ż C - C i C - H .
Definicja
D o najczęściej s p o t y k a n y c h w c h e m i i organicznej należą g r u p y funkcyjne występujące w a l k e n a c h , alkinach, pierścieniach a r o m a t y c z n y c h , nitrylach, a m i n a c h , a m i d a c h , z w i ą z k a c h n i t r o w y c h , alkoholach, fenolach, eterach, a l d e h y d a c h , k e t o n a c h , k w a s a c h k a r b o k s y l o w y c h , chlorkach k w a s o w y c h , b e z w o d n i k a c h k w a s o w y c h , estrach, h a l o g e n k a c h alkilowych, tiolach i sulfidach.
Często spotykane grupy funkcyjne
Tematy pokrewne
Definicja
Definicja (BI) R y s o w a n i e w z o r ó w s t r u k t u r a l n y c h (B2)
Alifatyczne i aromatyczne g r u p y funkcyjne (C2)
G r u p a f u n k c y j n a t o c z ę ś ć c z ą s t e c z k i o r g a n i c z n e j s k ł a d a j ą c a się z a t o m ó w pierwiastków innych niż węgiel i w o d ó r albo zawierająca wiązania inne n i ż C - C i C - H . E t a n (rys. la) j e s t a l k a n e m i s t a n o w i p r z y k ł a d z w i ą z k u nie zawierającego g r u p funkcyjnych. W jego skład w c h o d z ą jedynie atomy węgla i wodoru; występują w n i m wyłącznie wiązania C - C i C - H . I n a c z e j j e s t w k w a s i e o c t o w y m ( e t a n o w y m ; rys. Ib): c z ę ś ć c z ą s t e czki (obwiedziona n a r y s u n k u prostokątem) z a w i e r a a t o m y p i e r w i a stków innych niż węgiel i w o d ó r , a także wiązania inne niż C - H i C - C . T ę w ł a ś n i e c z ę ś ć c z ą s t e c z k i n a z y w a m y g r u p ą funkcyjną; w p o k a z a n y m p r z y k ł a d z i e jest t o g r u p a k a r b o k s y l o w ą . (a)
grupa funkcyjna kwasu karboksylowego
H3C—CH3
Rys. 1. (a) Etan; (b) kwas etanowy
(octowy)
Często
P o n i ż e j p r z e d s t a w i o n o n i e k t ó r e z najczęściej s p o t y k a n y c h g r u p
•p ot y k a n e g r u p y
cyjnych:
°
v
,
n
e
funk-
• g r u p y f u n k c y j n e z ł o ż o n e j e d y n i e z a t o m ó w w ę g l a i w o d o r u (rys. 2); • g r u p y f u n k c y j n e z a w i e r a j ą c e a z o t (rys. 3); • g r u p y f u n k c y j n e o p o j e d y n c z y c h w i ą z a n i a c h i z a w i e r a j ą c e t l e n (rys. 4);
(b)
(a) R
(c)
R \
=
C
R
R — C = C — R R
Rys. 2. (a) Alken; (b) alkin; (c) związek (a)
aromatyczny
(b)
(c>
R—C =
N
{d>
Q
R
ii
I
c
R - N ~ R
R /
Rys. 3. (a) Nitryl; (b) amina; (c) amid; (d)
R—N0
^ N R
2
2
nitrozwiązek
(b)
(a) R—OH
R Rys. 4. (a) Alkohol
•
albo alkanol;
(b) eter
g r u p y f u n k c y j n e o p o d w ó j n y c h w i ą z a n i a c h i z a w i e r a j ą c e t l e n (rys. 5);
(a)
(b)
o
R
0
/
C
(d)
(c)
Q
II
(
R
II
^„
R
(
o
X
9
)
O R
R ^
Rys. 5. (a) Aldehyd (d) chlorek
/
C
^
R
C
/
R
^
W
Q
M
o
II O
H
R
/
C
^
O
II C
II
(
h
o
< >^
c
'"
0
' '
^
H
N
**NR2
albo aikanal;
(b) keton albo alkanon;
kwasu karboksylowego;
(e) bezwodnik
c) kwas
karboksylowy;
kwasu karboksylowego;
(f) ester;
(g) amid; (h) fenol
•
g r u p y f u n k c y j n e , w s k ł a d k t ó r y c h w c h o d z i f l u o r o w i e c (rys. 6); (b)
(a)
s. 8.
koperta
pół-krzesło
Cyklopentan
D w a n a j w a ż n i e j s z e k s z t a ł t y c z ą s t e c z k i c y k l o h e k s a n u z n a n e są j a k o k o n f o r m a c j e k r z e s ł a i ł o d z i (rys. 9). K o n f o r m a c j a k r z e s ł o w a jest b a r d z i e j s t a b i l n a n i ż ł o d z i o w a , p o n i e w a ż w tej o s t a t n i e j w i ą z a n i a C - C i C - H p o ł o ż o n e są n a p r z e c i w k o s i e b i e . W y r a ź n i e w i d a ć t o w projekcji N e w m a n a (rys. 10),-która z o s t a ł a n a r y s o w a n a w t a k i s p o s ó b , ż e p a t r z y m y n a cząsteczkę jednocześnie w z d ł u ż d w ó c h wiązań: tego, które łączy a t o m y w ę g l a 2 i 3, o r a z w i ą z a n i a ł ą c z ą c e g o a t o m y 6 i 5, W k o n f o r m a q i k r z e słowej nie m a p o ł o ż o n y c h n a p r z e c i w siebie wiązań C - C . N a t o m i a s t w k o n f o r m a c j i ł o d z i o w e j w i ą z a n i e 1-2 p r z e s ł a n i a w i ą z a n i e 3 - 4 , a w i ą z a n i e 1-6 p r z e s ł a n i a w i ą z a n i e 5 - 4 . S p r a w i a t o , ż e k o n f o r m a c j a ł o d z i o w a jest mniej trwała o d krzesłowej i z d e c y d o w a n a większość cząsteczek cyklo h e k s a n u przyjmuje właśnie tę drugą konformację. Jednakże bariera ener-
lodź Rys. 9.
Rys. W. Projekcje
Newmana
Cykloheksan
konformacji
krzesłowej
i łodziowej
cykloheksanu
getyczna m i e d z y o b i e m a konformacjami jest n a tyle niska, ż e cząsteczka cykloheksanu m o ż e przechodzić przez konformację łodzi w procesie, k t ó r y m o ż n a b y określić jako „ p r z e n i c o w a n i e " (albo o d w r ó c e n i e , a n g . ring flipping) p i e r ś c i e n i a * (rys. 11). Ta z d o l n o ś ć p i e r ś c i e n i a d o u l e g a n i a „ n i c o w a n i u " jest s z c z e g ó l n i e i s t o t n a w p r z y p a d k u p o d s t a w i o n y c h p o c h o d n y c h cykloheksanu. K a ż d y a t o m w ę g l a w cząsteczce cyklohe k s a n u t w o r z y d w a w i ą z a n i a C - H ; w i ą z a n i a t e n i e są j e d n a k i d e n t y c z n e (rys. 12). J e d n o z n i c h o k r e ś l a m y j a k o e k w a t o r i a l n e , p o n i e w a ż j e s t ono p o ł o ż o n e mniej więcej w p ł a s z c z y ź n i e pierścienia. D r u g i e w i ą z a n i e C - H , prostopadłe d o płaszczyzny pierścienia, n a z y w a m y aksjalnym.
H
H
H
krzesło Rys. 11. „Przenicowanie"
.
H
krzesło pierścienia
w
cykloheksanie
Kiedy d o c h o d z i d o „ p r z e n i c o w a n i a " pierścienia z jednej konformacji k r z e s ł o w e j w d r u g ą , w i ą z a n i a a k s j a l n e stają się e k w a t o r i a l n e , w i ą z a n i a e k w a t o r i a l n e z a ś z a m i e n i a j ą się w a k s j a l n e . P r z e m i a n a ta n i e m a zna-] c z e n i a w c z ą s t e c z c e c y k l o h e k s a n u , a l e staje s i ę w a ż n a , k i e d y p r z y pier-' ś c i e n i u o b e c n e są p o d s t a w n i k i . N a p r z y k ł a d m e t y l o c y k l o h e k s a n możej p r z y j m o w a ć d w i e konformacje krzesłowe, w których g r u p a metylowaj m o ż e się z n a l e ź ć a l b o w p o ł o ż e n i u e k w a t o n a l n y m , a l b o aksjalnymj (rys. 13). * W innych polskich źródłach spotyka się np. określenie „przekręt" pierścienia — przyp. tłum.
H Rys. 12. (a) Ekwatorialne
krzesło -•• = 13. „Przenicowanie"
wiązania
C-H; (b) aksjalne
łódź pierścienia
w
wiązania
aks.
C-H
krzesło
metylocykloheksanie
D w i e k o n f o r m a c j e k r z e s ł o w e o z n a c z a j ą d w a r ó ż n e k s z t a ł t y tej s a m e j cząsteczki, m o g ą c e wzajemnie w siebie p r z e c h o d z i ć — w procesie „nico w a n i a " p i e r ś c i e n i a — d z i ę k i rotacji w o k ó ł w i ą z a n i a C - C . Te d w i e s t r u k t u r y k r z e s ł o w e — i z o m e r y k o n f o r m a c y j n e — r ó ż n i ą się j e d n a k t r w a ł o ś c i ą . B a r d z i e j s t a b i l n a jest ta k o n f o r m a q " a , w k t ó r e j g r u p a m e t y l o w a zajmuje położenie e k w a t o r i a l n e . W t y m w ł a ś n i e p o ł o ż e n i u w i ą z a n i e C - C łączące g r u p ę m e t y l o w ą z p i e r ś c i e n i e m t w o r z y kąt tor s y j n y 180° z w i ą z a n i a m i 5 - 6 i 3 - 2 w p i e r ś c i e n i u . N a t o m i a s t w p r z y p a d k u położenia aksjalnego, kąt torsyjny m i ę d z y tymi s a m y m i w i ą z a n i a m i ^•--••2::>rialna grupa metylowa
Sr-z = -a grupa metylowa
-•s
'4. Projekcje
Newmana
konformacjikrzesiowych
metylocykloheksanu
w y n o s i 60°. R ó ż n i c ę t ę d o b r z e ilustrują projekcje N e w m a n a o b u k o n f o r m e r ó w m e t y l o c y k l o h e k s a n u (rys. 34). W a r t o ś ć k ą t a t o r s y j n e g o m i ę d z y w i ą z a n i a m i C - C w y n o s z ą c a 60° p o c i ą g a z a s o b ą o d d z i a ł y w a n i a s y n k l i n a l n e ; a zatem p o d s t a w n i k m e t y l o w y w p o ł o ż e n i u a k s j a l n y m d o z n a j e t a k i c h o d d z i a ł y w a ń z dwoma wiązaniami w pierścieniu cykloheksanowym, podczas g d y p r z y położe niu ekwatorialnym oddziaływania synklinalne nie występują. W konsek w e n c j i , k o n f o r m a c j a z g r u p ą metylową w p o ł o ż e n i u e k w a t o r i a l n y m jest u p r z y w i l e j o w a n a i w k a ż d e j c h w i l i o k o ł o 9 5 % cząsteczek m e t y l o c y k l o h e ksanu przyjmuje tę właśnie konformaq'ę, podczas g d y jedynie w 5 % cząsteczek p o d s t a w n i k m e t y l o w y zajmuje p o ł o ż e n i e aksjalne.
E1
DEFINICJA
Hasła Nukleofile t o związki, k t ó r y c h cząsteczki są b o g a t e w e l e k t r o n y i k t ó r e reagują z elektrofilami.
Nukleofile Centrum nukleofilowe
C e n t r u m nukleofilowe to szczególny, b o g a t y w e l e k t r o n y a t o m — albo o b s z a r — w cząsteczce z w i ą z k u nukleofilowego. Elektronie to związki, w k t ó r y c h cząsteczkach w y s t ę p u j e deficyt e l e k t r o n o w y i które reagują z nukleofilami.
Elektrofile
C e n t r u m elektrofilowe t o specyficzny, charakteryzujący się deficytem e l e k t r o n o w y m a t o m — albo o b s z a r — w cząsteczce z w i ą z k u elektrofiłowego.
Centrum HektroffloWe
Tematy pokrewne
J o n y (E2)
Z w i ą z k i o r g a n i c z n e (E4)
N i e o r g a n i c z n e cząsteczki obojętne (E3)
ofile
W i ę k s z o ś ć reakcji w c h e m i i o r g a n i c z n e j p r z e b i e g a m i ę d z y c z ą s t e c z k a m i b o g a t y m i w e l e k t r o n y a c z ą s t e c z k a m i , w k t ó r y c h w y s t ę p u j e d e f i c y t ele k t r o n o w y . Reakcja c h e m i c z n a p o l e g a n a u t w o r z e n i u n o w e g o w i ą z a n i a , a ź r ó d ł e m p o t r z e b n y c h d o t e g o e l e k t r o n ó w są c z ą s t e c z k i b o g a t e w e l e k trony. Takie bogate w elektrony cząsteczki n a z y w a m y nukleofilami (z g r e c k i e g o „ l u b i ą c y j ą d r a " ) . N a j b a r d z i e j o c z y w i s t e są w ł a ś c i w o ś c i nukleofilowe w p r z y p a d k u ujemnie naładowanych jonów z wolną parą e l e k t r o n o w ą (jak n a p r z y k ł a d j o n h y d r o k s y l o w y ) , a l e t a k ż e c z ą s t e c z k i o b o j ę t n e m o g ą w y k a z y w a ć c h a r a k t e r n u k l e o f i l o w y , jeśli z a w i e r a j ą g r u p y funkcyjne b o g a t e w elektrony (np. g r u p ę a m i n o w ą ) .
Cantrum HŚrJeofilowe
W c z ą s t e c z k a c h s u b s t a n c j i n u k l e o f i l o w y c h z n a j d u j ą się s z c z e g ó l n e a t o m y — l u b o b s z a r y — b o g a t e w e l e k t r o n y . N a z y w a m y je c e n t r a m i n u k l e o f i l o w y m i . C e n t r u m n u k l e o f i l o w y m j o n u jest a t o m mający w o l n ą p a r ę ele ktronową i obdarzony ładunkiem ujemnym. Centrum nukleofilowym w obojętnej c z ą s t e c z c e jest z a z w y c z a j a t o m z n i e w i ą ż ą c ą p a r ą e l e k t r o n o w ą (np. a t o m a z o t u l u b tlenu) albo wiązanie wielokrotne (w alkenach, alkinach lub związkach aromatycznych).
Baktrofile
Związki, w których cząsteczkach w y s t ę p u j e deficyt e l e k t r o n o w y , n a z y w a m y e l e k t r o f i l a m i ( o d g r e c k i e g o „ l u b i ą c y e l e k t r o n y " ) . Reagują o n e z nukleofilami. W oczywisty s p o s ó b elektrofilami będą d o d a t n i o n a ł a d o w a n e j o n y , a l e m o g ą n i m i b y ć t a k ż e c z ą s t e c z k i o b o j ę t n e , o ile o b e c n e są w nich p e w n e g r u p y funkcyjne (np. g r u p y k a r b o n y l o w e albo halogenki alkilowe).
Centrum elektrofilowe
W c z ą s t e c z k a c h z w i ą z k ó w elektrofil o w y c h z n a j d u j e s i ę k o n k r e t n y a t o m — albo o b s z a r — w k t ó r y m w y s t ę p u j e deficyt e l e k t r o n o w y . Ta część c z ą s t e c z k i z w a n a jest c e n t r u m e l e k t r o f i ł o w y m . C e n t r u m e l e k t r o f i l o w e jonu dodatniego stanowi a t o m o b d a r z o n y ł a d u n k i e m d o d a t n i m (np. a t o m w ę g l a w k a r b o k a t i o n i e ) . W c z ą s t e c z c e obojętnej c e n t r u m e l e k t r o f i l o w e s t a n o w i a t o m z d e f i c y t e m e l e k t r o n o w y m , z n a j d u j ą c y się w o b r ę b i e g r u p y funkcyjnej ( n p . a t o m w ę g l a l u b w o d o r u z w i ą z a n y z a t o m e m p i e r wiastka elektroujemnego, jak tlen czy azot).
E2
JONY
I
Hasła Aniony
Ujemnie n a ł a d o w a n e j o n y z w o l n ą p a r ą e l e k t r o n o w ą są nukleofilami. A t o m o b d a r z o n y ł a d u n k i e m u j e m n y m s t a n o w i centrum nukleofilowe.
Kationy
D o d a t n i o n a ł a d o w a n e jony są elektrofilami. A t o m o b d a r z o n y ł a d u n k i e m d o d a m i m s t a n o w i c e n t r u m elektrofilowe. W danej serii a n i o n ó w — o ile c e n t r u m nukleofilowe s t a n o w i w nich a t o m t e g o s a m e g o p i e r w i a s t k a — w z g l ę d n y c h a r a k t e r nukleofilowy p o k r y w a się ze w z g l ę d n ą z a s a d o w o ś c i ą . To s a m o m o ż n a p o w i e d z i e ć o serii a n i o n ó w , w której centra n u k l e o f i l o w e stanowią a t o m y p i e r w i a s t k ó w p o ł o ż o n y c h w t y m s a m y m okresie tablicy M e n d e l e j e w a . W r o z p u s z c z a l n i k a c h p r o t y c z n y c h a n i o n y , w których centra nukleofilowe mają w i ę k s z e r o z m i a r y (tzn. stanowią je a t o m y p i e r w i a s t k ó w p o ł o ż o n y c h niżej w u k ł a d z i e o k r e s o w y m ) są słabiej s o l w a t o w a n e i wykazują silniejszy c h a r a k t e r n u k l e o f i l o w y . W r o z p u s z c z a l n i k a c h a p r o t y c z n y c h w z g l ę d n y c h a r a k t e r nukleofilowy ściślej p o k r y w a się z p o r z ą d k i e m z a s a d o w o ś c i .
Porównywanie charakteru nukleofilowego
Tematy pokrewne
Aniony
Moc k w a s ó w (G2)
M o c z a s a d (G3)
U j e m n i e n a ł a d o w a n y j o n — n p . j o n h y d r o k s y l o w y (rys. 1) — jest b o g a t y w e l e k t r o n y i w y k a z u j e c h a r a k t e r n u k l e o f i l o w y . A t o m , k t ó r y jest o b d a rzony ładunkiem ujemnym — i wolną parą elektronową — stanowi w takim jonie c e n t r u m nukleofilowe; w p r z y p a d k u jonu h y d r o k s y l o w e g o jest t o a t o m t l e n u . W n i e k t ó r y c h j o n a c h ( n p . w j o n i e k a r b o k s y l a n o w y m . ) ł a d u n e k u j e m n y m o ż e b y ć r o z d z i e l o n y m i ę d z y d w a l u b więcej a t o m ó w dzięki p r o c e s o w i z w a n e m u delokalizacja. W jonie k a r b o k s y l a n o w y m o b a a t o m y t l e n u d z i e l ą m i ę d z y s i e b i e ł a d u n e k u j e m n y i o b a są c e n t r a m i n u k l e o f i l o w y m i (rys. 1). (a)
centrum nukleofilowe
„ „,_ n £ L
L
:o: ! II ł o:e
H—o: —. s 1. Przykłady
czynników
centrum —kilowe
n n t
0..
:o:
^—^
x
nukleofilowych:
(a) jon hydroksylowy;
1
R (b) jon
>
/ C
^o:
karboksylanowy
Kationy
W d o d a t n i o n a ł a d o w a n y m jonie w y s t ę p u j e deficyt e l e k t r o n o w y i jon taki w y k a z u j e c h a r a k t e r e l e k t r o f i l o w y . A t o m , k t ó r y jest n o ś n i k i e m ł a d u n k u dodatniego, stanowi c e n t r u m elektrofilowe jonu. W p r z y p a d k u karbokat i o n u (rys. 2) jest n i m a t o m w ę g l a . W n i e k t ó r y c h s u b s t a n c j a c h ( n p . w j o n i e a l l i l o w y m ) istnieje m o ż l i w o ś ć d e l o k a l i z a c j i ł a d u n k u d o d a t n i e g o p o m i ę d z y d w a l u b więcej a t o m ó w ; w t a k i m p r z y p a d k u w s z y s t k i e a t o m y o b d a r z o n e częścią t e g o ł a d u n k u s t a n o w i ą c e n t r a e l e k t r o f i l o w e (rys. 2 ) .
(a) H
, centrum elektrofilowe
(b)
centrum elektrofilowe eiewroniowe
l>
Rys. 2. Przykłady
X
czynników
Porównywanie charakteru nukleofiłowego
elektrofilowych:
H
H
H
I
^
I
(a) karbokation;
(b) kation
I
fc
centrum /elektrofilowe
H
|>
allitowy
W d a n e j serii a n i o n ó w — o ile c e n t r a n u k l e o f i l o w e s t a n o w i ą w n i c h atomy tego samego pierwiastka — względna nukleofilowość p o k r y w a się ze w z g l ę d n ą zasadowością. N a p r z y k ł a d w z g l ę d n a nukleofilowość w serii z w i ą z k ó w t l e n o w y c h ( R O " > H C r » R C O 2 ) o d p o w i a d a ich względnej zasadowości. To s a m o dotyczy anionów, w których centra nukleofilowe stanowią pierwiastki p o ł o ż o n e w t y m s a m y m okresie tablicy M e n d e ł e j e w a ( n p . C, N , O , F). A z a t e m s z e r e g n u k l e o f i l o w o ś c i a n i o n ó w R3C~ > R2N" > R O " > F~ jest t a k i s a m j a k s z e r e g i c h z a s a d o w o ś c i . P o r z ą d e k t e n o d z w i e r c i e d l a elektroujemność pierwiastków, których a t o m y stanowią centra nukleofi l o w e w a n i o n a c h . I m b a r d z i e j e l e k t r o u j e m n y a t o m ( n p . F ) , t y m silniej wiąże o n swoje elektrony i w t y m mniejszym stopniu mogą one b y ć w y k o r z y s t a n e d o t w o r z e n i a n o w y c h w i ą z a ń (tzn. t y m mniejsza nukleofi lowość anionu). O b r a z k o m p l i k u j e się, g d y p o r ó w n u j e m y a n i o n y , w k t ó r y c h c e n t r a nukleofilowe stanowią a t o m y z r ó ż n y c h o k r e s ó w tablicy Mendełejewa. Względna nukleofilowość niekoniecznie odzwierciedla w ó w c z a s wzglę d n ą z a s a d o w o ś ć . Istotny w p ł y w m a tu b o w i e m r o z p u s z c z a l n i k , w któ r y m p r z e b i e g a j ą reakcje. W r o z p u s z c z a l n i k a c h p r o t y c z n y c h , t a k i c h jak w o d a c z y a l k o h o l , silniejsze w ł a ś c i w o ś c i n u k l e o f i l o w e w y k a z y w a ć b ę d ą t e a n i o n y , w k t ó r y c h c e n t r a n u k l e o f i l o w e są w i ę k s z e , a w i ę c t w o r z o n e p r z e z a t o m y p o ł o ż o n e n i ż e j w u k ł a d z i e o k r e s o w y m ( n p . a n i o n S " jesl bardziej nukleofilowy — choć mniej z a s a d o w y — niż anion O ) . Wynika t o z f a k t u , iż r o z p u s z c z a l n i k i p r o t y c z n e m o g ą t w o r z y ć w i ą z a n i a w o d o r o w e z a n i o n a m i . I m m n i e j s z y a n i o n , t y m silniejsza j e g o s o l w a t a c j a i t y m trudniej w c h o d z i o n w reakcje jako nukleofil. -
2
2 -
( B >
O
II Me Rys. 3. (a) Dimetyloformamid
Me
(DMF); (b) sulfotlenek
dimetylowy
(DMSO)
W rozpuszczalnikach p r o t y c z n y c h p o r z ą d e k nukleofilowości dla kil k u p o w s z e c h n i e s p o t y k a n y c h a n i o n ó w jest następujący: S H " > C N " > T > O H " > N " > Br" > C H C 0 " > Cl" > F " 3
3
2
K i e d y reakcję p r o w a d z i się w r o z p u s z c z a l n i k u o r g a n i c z n y m n i e z d o l n y m d o tworzenia wiązań w o d o r o w y c h z anionem (np. D M F lub DMSO; rys. 3), p o r z ą d e k n u k l e o f i l o w o ś c i z m i e n i a się i ściślej o d p o w i a d a p o r z ą d k o w i zasadowości. N a przykład szereg nukleofilowości jonów halogenk o w y c h w D M S O jest n a s t ę p u j ą c y : F " > C l " > Br" > I"
NIEORGANICZNE CZĄSTECZKI OBOJĘTNE
Hasła M ó w i ą c , że w i ą z a n i e m i ę d z y d w o m a a t o m a m i ulega polaryzacji, m a m y n a m y ś l i to, iż w i ą ż ą c a p a r a e l e k t r o n o w a w w i ę k s z y m s t o p n i u n a l e ż y d o a t o m u p i e r w i a s t k a bardziej e l e k t r o u j e m n e g o . W w y n i k u polaryzacji t e n w ł a ś n i e a t o m staje się b o g a t s z y w e l e k t r o n y i m o ż e s t a n o w i ć c e n t r u m n u k l e o f i l o w e . D r u g i — mniej e l e k t r o u j e m n y — a t o m , z e w z g l ę d u n a swój deficyt e l e k t r o n o w y , staje się c e n t r u m elektrofilowym. Pierwiastki silnie e l e k t r o u j e m n e p o ł o ż o n e są w p r a w e j części u k ł a d u o k r e s o w e g o i z w y k l e mają w o l n e p a r y e l e k t r o n ó w walencyjnych. W z g l ę d n a r e a k t y w n o ś ć c e n t r ó w n u k l e o f i l o w y c h w obojętnych cząsteczkach z a l e ż y o d t e g o , jak potrafią one r a d z i ć sobie z ł a d u n k i e m d o d a t n i m , k t ó r y zyskują p o d c z a s reakcji. Najbardziej e l e k t r o u j e m n e a t o m y są najsłabszymi nukleofilami. Z g o d n i e z tą zależnością a z o t jest silniejszym nukleofilem n i ż tlen, k t ó r e g o nukleofilowość jest z kolei w i ę k s z a niż fluoru. W z g l ę d n a elektrofilowość a t o m ó w w o d o r u w cząsteczkach r ó ż n y c h z w i ą z k ó w z a l e ż y o d t r w a ł o ś c i powstającego p o d c z a s reakcji j o n u . A t o m w o d o r u z w i ą z a n y z a t o m e m a z o t u jest s ł a b y m elektrofilem; jego elektrofilowość w z r a s t a z n a c z n i e w cząsteczkach, w k t ó r y c h z w i ą z a n y jest z a t o m e m f l u o r o w c a . M o ż n a więc p o w i e d z i e ć , że elektrofilowość a t o m u w o d o r u z a l e ż y o d elektroujemności a t o m u z n i m sąsiadującego. Opierając się n a w z g l ę d n e j nukleofilowości l u b elektrofilowości o b e c n y c h w cząsteczce r e a k t y w n y c h c e n t r ó w , m o ż n a p r z e w i d z i e ć , czy b ę d z i e o n a r e a g o w a ć jako elektrofil, czy j a k o nukleofil. Tematy pokrewne
Wiązania spolaryzowane
Moc k w a s ó w
(G2)
M o c z a s a d (G3)
Jeżeli a t o m y d w ó c h p i e r w i a s t k ó w r ó ż n i ą c y c h s i ę e l e k t r o u j e m n o ś c i ą są z e sobą połączone chemicznie, u t w o r z o n e p r z e z nie wiązanie ulega polary zacji. O z n a c z a t o , ż e w i ą ż ą c a p a r a e l e k t r o n o w a zostaje p r z e s u n i ę t a w k i e r u n k u a t o m u pierwiastka bardziej elektroujemnego. Nadaje to t e m u ato m o w i niewielki ładunek ujemny i czyni zeń centrum nukleofilowe. W o d w r o t n e j sytuacji znajdzie się a t o m p i e r w i a s t k a o mniejszej elektrou jemności: w w y n i k u polaryzacji wiązania uzyskuje o n niewielki ł a d u n e k d o d a t n i i staje się c e n t r u m e l e k t r o f i l o w y m (rys. 2). I m dalej n a p r a w o
ó
:c\: ~ Al
HÓ +
H
—o:
\ = /
jon alkoksylowy
jon fenoksylowy
/
:o:
3
/ /
3
H
H C-C:
©
3
H
jon acetylenkowy Rys. 4. Przykłady
jon hydroksylowy zasad
karboanion
Br0nsteda-Lowry'ego
C z ą s t e c z k i e l e k t r y c z n i e o b o j ę t n e t e ż m o g ą z a c h o w y w a ć się j a k z a s a d y , o ile z a w i e r a j ą a t o m t l e n u l u b a z o t u . Najczęściej s p o t y k a n e p r z y k ł a d y t o a m i n y , ale r ó w n i e ż w o d a , etery i a l k o h o l e m o g ą w y k a z y w a ć właściwości z a s a d o w e (rys. 5). centrum zasadowe H
,-
centrum zasadowe H3C
H^C—N:-* \ H rs 5 Przykłady
-*
:O—CH
elektrycznie
obojętnych
zasad
3
centrum zasadowe H3C : O — H
Br0nsteda-Lowry'ego
y
centrum zasadowe H
,* : O — H
M O C KWASÓW
Hasła K w a s o w o ś ć p r o t o n ó w z a l e ż y o d elektroujemności a t o m ó w , z k t ó r y m i są o n e z w i ą z a n e . I m w i ę k s z a ta elektroujemność, t y m silniej k w a s o w e będą protony, A zatem atom wodoru związany z atomem fluorowca b ę d z i e bardziej k w a s o w y n i ż a t o m w o d o r u p o ł ą c z o n y z tlenem, a t e n z kolei b ę d z i e bardziej k w a s o w y niż a t o m w o d o r u z w i ą z a n y z a z o t e m . A t o m y w o d o r u z w i ą z a n e z w ę g l e m zazwyczaj w ogóle n i e wykazują c h a r a k t e r u k w a s o w e g o .
Elektroujemność
Miarą m o c y k w a s u jest p K . I m n i ż s z e p K k w a s u , t y m jest o n mocniejszy. p K jest u j e m n y m l o g a r y t m e m z K — stałej będącej m i a r ą dysocjacji (jonizacji) kwasu*. I m w i ę k s z a w a r t o ś ć K , t y m mocniejszy kwas. a
a
a
a
a
Efekty indukcyjne 1
Rezonans
Aminy i amidy
W p ł y w na trwałość s p r z ę ż o n e j z k w a s e m z a s a d y m o g ą mieć efekty indukcyjne, stabilizujące l u b destabilizujące ł a d u n e k ujemny. G r u p y wyciągające e l e k t r o n y — jak n p . a t o m y fluorowca -— zmniejszają ł a d u n e k i stabilizują s p r z ę ż o n ą z a s a d ę , zwiększając p r z e z t o m o c k w a s u . G r u p y b ę d ą c e d o n o r a m i e l e k t r o n ó w ( n p . g r u p y alkilowe) zwiększają u j e m n y ł a d u n e k sprzężonej z a s a d y i destabilizują ją, zmniejszając m o c k w a s u . Ł a d u n e k ujemny m o ż e też b y ć s t a b i l i z o w a n y przez r e z o n a n s , który p r o w a d z i d o r o z p r o s z e n i a ł a d u n k u na d w a l u b więcej a t o m ó w . K w a s o w y c h a r a k t e r k w a s ó w k a r b o k s y l o w y c h jest w y n i k i e m stabilizacji j o n u k a r b o k s y l a n o w e g o p r z e z delokalizację ł a d u n k u u j e m n e g o p o m i ę d z y d w a a t o m y tlenu. Fenole zawdzięczają swój k w a s o w y c h a r a k t e r t e m u , że j o n f e n o l a n o w y jest s t a b i l i z o w a n y p r z e z delokalizację ł a d u n k u n a j e d e n a t o m tlenu i trzy a t o m y w ę g l a . A l k o h o l e są słabo k w a s o w e , p o n i e w a ż ł a d u n e k powstającego w w y n i k u ich dysocjacji j o n u a l k o h o l a n o w e g o jest z l o k a l i z o w a n y n a a t o m i e tlenu i d e s t a b i l i z o w a n y przez efekt i n d u k c y j n y g r u p y alkilowej. A m i n y i a m i d y są b a r d z o s ł a b y m i k w a s a m i . Dzięki r e z o n a n s o w i i efektom i n d u k c y j n y m a m i d y są j e d n a k silniej k w a s o w e niż a m i n y .
Tematy p o k r e w n e N i e o r g a n i c z n e cząsteczki obojętne (E3) Z w i ą z k i o r g a n i c z n e (E4) Kwasy i zasady Br0nsteda-Lowry'ego (Gl)
M o c z a s a d (G3) Właściwości alkoholi i fenoli (M3) Właściwości a m i n ( 0 2 )
* JCj zwana jest stalą dysocjacji kwasowej albo stalą kwasowości — przyp. tłum.
Elektroujemność
K w a s o w o ś ć w o d o r u w r o z m a i t y c h c z ą s t e c z k a c h o r g a n i c z n y c h jest r ó ż n a i zależy od szeregu czynników, z których jeden to elektroujemność związanych z n i m pierwiastków. Porównajmy na przykład k w a s fluoro w o d o r o w y , k w a s o c t o w y ( e t a n o w y ) i m e t y l o a m i n ę (rys. 1). P r o t o n w k w a s i e f l u o r o w o d o r o w y m jest najbardziej k w a s o w y , p o n i e w a ż z w i ą z a n y jest z b a r d z o e l e k t r o u j e m n y m fluorem. Pierwiastek ten silnie polaryzuje wiązanie H - F , co p r o w a d z i d o wystąpienia na a t o m i e w o d o r u z n a c z n e g o deficytu e l e k t r o n o w e g o , sprzyjającego odłączeniu p r o t o n u . Jon f l u o r k o w y stabilizuje u j e m n y ł a d u n e k pozostały p o utracie protonu.
W
H - F -
^
b*
H
H
H—c — c
I
H—c
\
A Rys. 1. (a) Kwas fluorowodorowy;
H — N :
I
\
H
H
(b) kwas octowy (etanowy);
(c)
H
metyloamina
K w a s o w e p r o t o n y w c z ą s t e c z c e m e t y l o a m i n y są z w i ą z a n e z a t o m e m a z o t u , k t ó r y jest m n i e j e l e k t r o u j e m n y n i ż fluor. W i ą z a n i a N - H są s ł a b i e j s p o l a r y z o w a n e , a n a p r o t o n a c h w y s t ę p u j e mniejszy deficyt e l e k t r o n o w y . P o o d ł ą c z e n i u się j e d n e g o z p r o t o n ó w n a a z o c i e p o z o s t a j e ł a d u n e k uje m n y , k t ó r y nie m o ż e b y ć s t a b i l i z o w a n y tak w y d a j n i e , jak w jonie fluoro w c a . W s z y s t k o t o r a z e m o z n a c z a , ż e m e t y l o a m i n a jest z n a c z n i e s ł a b s z y m k w a s e m niż fluorowodór. K w a s o c t o w y zajmuje pozycję pośrednią m i ę d z y t y m i d w o m a z w i ą z k a m i , p o n i e w a ż e l e k t r o u j e m n o ś ć t l e n u jest pośrednia między elektroujemnością fluorowca i azotu. R ó ż n i c e w m o c y k w a s ó w m o ż n a z a d e m o n s t r o w a ć , jeśli w s z y s t k i e t r z y z w i ą z k i r o z p u ś c i się w w o d z i e . K w a s y nieorganiczne, jak H F , H C 1 , H B r i H J , są m o c n y m i k w a s a m i i c a ł k o w i c i e d y s o c j u j ą (ulegają jonizacji) (rys. 2 ) .
H-Cl:
+
..©
H-0:
— : C l :
©,
+
H Rys. 2. Dysocjacja
H
H-0:
H
kwasu solnego
(chlorowodorowego)
K w a s o c t o w y jest w w o d z i e z d y s o c j o w a n y c z ę ś c i o w o . W j e g o r o z t w o r z e u s t a l a się r ó w n o w a g a m i ę d z y k w a s e m k a r b o k s y l o w y m ( o k r e ś l a n y m j a k o w o l n y k w a s ) a j o n e m k a r b o k s y l a n o w y m (rys. 3). K w a s , k t ó r y d y s o cjuje c z ę ś c i o w o — t a k j a k k w a s o c t o w y — n a z y w a m y s ł a b y m k w a s e m .
li
II H 0: ?
HC 3
^ o '
Rys. 3. Częściowa
H dysocjacja
kwasu
octowego
3
C
V
,© Ć>:
H 0: 3
.©
Jeśli r o z p u ś c i s i ę w w o d z i e m e t y l o a m i n ę , ż a d e n z k w a s o w y c h p r o t o n ó w n i e o d ł ą c z a się o d c z ą s t e c z k i i z w i ą z e k t e n z a c h o w u j e s i ę n i e jak k w a s , a l e jak s ł a b a z a s a d a ; p o z o s t a j e o n w r ó w n o w a d z e z e s w o j ą formą p r o t o n o w a n ą (rys. 4). H
/ H C-N: H
H
.. H 0:
+
3
Rys. 4. Równowaga
©/ H C-N—H H
^=^=
2
kwasowo-zasadowa
podczas
..0 HO:
+
3
reakcji metyloaminy
z wodą
M e t y l o a m i n a m o ż e z a c h o w y w a ć s i ę j a k k w a s , a l e m u s i w t y m celi z o s t a ć p o t r a k t o w a n a silną z a s a d ą , jaką jest n p . b u t y l o l i t (rys. 5). A t o m y w o d o r u połączone z a t o m a m i węgla z reguły nie wykazuj) w ł a ś c i w o ś c i k w a s o w y c h , p o n i e w a ż w ę g i e l n i e jest e l e k t r o u j e m n y . Ist nieją j e d n a k o d s t ę p s t w a o d tej r e g u ł y ; o m ó w i m y je w t e m a c i e G 5 . H H C-N:
+
3
H 2
c
H Rys. 5. W reakcji z silną zasadą
pKa
(butyloiitem)
etyloamina
działa jak
kwas
I l o ś c i o w ą m i a r ą m o c y k w a s u jest p K . W w o d n y m r o z t w o r z e k w a s o c t o w e g o u s t a l a s i ę r ó w n o w a g a m i ę d z y k w a s e m k a r b o k s y l o w y m a ja n e m k a r b o k s y l a n o w y m (rys. 6). a
:0: II X. HC 3
M
:o:
„ H 0:
+
II _ ^C. „O H C ^ ^O:
2
.O^
Rys. 6. Równowaga
+
H 0:
©
3
3
kwasowo-zasadowa
w wodnym
roztworze
kwasu
octowego
P o s t a ć k w a s u w y s t ę p u j ą c ą p o lewej s t r o n i e r ó w n a n i a reakcji n a z ] w a r n y w o l n y m k w a s e m , jon k a r b o k s y l a n o w y zaś w i d o c z n y p o prawi s t r o n i e r ó w n a n i a o k r e ś l a s i ę j a k o s p r z ę ż o n ą z a s a d ę . Dysocjację (jonizacja k w a s u opisuje stała r ó w n o w a g i K : T
= r
[PRODUKTY] [SUBSTRATY]
+
=
[CH CQ2][H 0 ] 3
3
[CH C0 H][H 0] 3
2
2
P o m i a r u K d o k o n u j e się z w y k l e w r o z c i e ń c z o n y c h r o z t w o r a c h w o d n y c k w a s u ; s t ę ż e n i e w o d y w t y c h w a r u n k a c h jest d u ż e i m o ż n a je u z n a ć % stałe. M o ż n a więc zapisać r ó w n a n i e r ó w n o w a g i w prostszej formi w k t ó r e j K jest stałą dysocjacji k w a s o w e j (stałą k w a s o w o ś c i ) ; stężenj czystej w o d y (55,5 m o l / l ) j e s t w niej z a w a r t e : ; r
a
[CH C0 H] 3
2
S t a ł a dysocjacji k w a s o w e j jest m i a r ą dysocjacji d a n e g o k w a s u i m i a r ą j e g o k w a s o w o ś c i . I m m o c n i e j s z y jest k w a s , w t y m w i ę k s z y m s t o p n i u jest z d y s o c j o w a n y i t y m w i ę k s z e w a r t o ś c i osiągają s t ę ż e n i a p r o d u k t ó w w p o w y ż s z y m w z o r z e . O z n a c z a t o , ż e m o c n y k w a s m a d u ż e w a r t o ś c i K . Stałe dysocjacji K d l a serii p o c h o d n y c h k w a s u o c t o w e g o p o d a n e są p o n i ż e j w nawiasach; z p o r ó w n a n i a tych d a n y c h w y n i k a , ż e najmocniejszy w serii jest k w a s t r i c h l o r o o c t o w y . a
a
5
5
CI3CCO2H (23 200-10~ ) > C 1 C H C 0 H (5530-10~ ) > C l C H C 0 H 2
2
2
5
2
5
( 1 3 6 - K T ) > CH3CO2H (1,75 -10" ) O p e r o w a n i e liczbowymi wartościami K jest b a r d z o n i e w y g o d n e , dla t e g o u p o w s z e c h n i ł o się w y r a ż a n i e m o c y k w a s u z a p o m o c ą w a r t o ś c i pK . J e s t t o u j e m n y l o g a r y t m z K ( p K - - l o g i o K ) ; w i e l k o ś ć ta p r z y b i e r a w a r tości, k t ó r y m i z n a c z n i e w y g o d n i e j s i ę o p e r u j e . P o n i ż e j — w n a w i a s a c h — p o d a n e są w a r t o ś c i piC d l a serii p o c h o d n y c h k w a s u o c t o w e g o , o k t ó r e j m o w a była p r z e d chwilą. Najmocniejszy z tych k w a s ó w (kwas trichloro o c t o w y ) m a najmniejszą w a r t o ś ć p K . a
a
d
a
a
a
a
ClaCCC^H (0,63) < CI2CHCO2H (1,26) < CICH2CO2H (2,87) < CH3CO2H (4,76) T a k w i ę c i m m o c n i e j s z y k w a s , t y m większa w a r t o ś ć j e g o K i mniejsza w a r t o ś ć j e g o p K . E t y l o a m i n a ( C H 3 C H 2 N H 2 ) jest b a r d z o s ł a b y m k w a s e m ( p X = 40) w p o r ó w n a n i u z e t a n o l e m ( p K = 16). W y n i k a t o z o m ó w i o n e j wyżej różnicy w elektroujemności tlenu i azotu. Jednakże elektrouje m n o ś ć a t o m ó w s ą s i a d u j ą c y c h z a t o m e m w o d o r u n i e jest j e d y n y m c z y n n i k i e m w p ł y w a j ą c y m n a k w a s o w o ś ć . N a p r z y k ł a d w a r t o ś c i pKa k w a s u o c t o w e g o (4,76), e t a n o l u (16) i f e n o l u (10) p o k a z u j ą , ż e k w a s o c t o w y jest m o c n i e j s z y m k w a s e m n i ż fenol, k t ó r y z k o l e i jest b a r d z i e j k w a s o w y n i ż e t a n o l . R ó ż n i c e w k w a s o w o ś c i t y c h t r z e c h z w i ą z k ó w są d o ś ć w y r a ź n e , m i m o ż e w o d ó r jest w n i c h w s z y s t k i c h p o ł ą c z o n y z t l e n e m . P o d o b n i e jest w p r z y p a d k u p o c h o d n y c h k w a s u o c t o w e g o : CI3CCO2H (0,63), CI2CHCO2H (1,26), CICH2CO2H (2,87) i CH3CO2H (4,76) z n a c z n i e r ó ż n i ą s i ę w a r t o ś c i a m i pK , m i m o i ż k w a s o w y w o d ó r jest w e w s z y s t k i c h tych kwasach związany z tlenem. Wynika z tego, że m o c k w a s u m u s i zależeć także o d czynników innych niż elektroujemność. a
a
a
a
a
Efekty •Klukcyjne
W a ż n y m c z y n n i k i e m w p ł y w a j ą c y m n a m o c k w a s u jest m o ż l i w o ś ć stabilizowania ł a d u n k u ujemnego w sprzężonej zasadzie. Wszystko, co p o m a g a w takiej stabilizacji, z w i ę k s z a m o c k w a s u . P o d s t a w n i k i o b e c n e w c z ą s t e c z c e r ó w n i e ż m o g ą p r z y c z y n i a ć s i ę d o stabilizaq"i ł a d u n k u uje m n e g o za pośrednictwem efektu indukcyjnego. Wpływ podstawni k ó w m o ż n a p r z e ś l e d z i ć , p o r ó w n u j ą c w a r t o ś c i pK d w ó c h a l k o h o l i : CF3CH2OH i C H C H O H ( o d p o w i e d n i o 12,4 i 16). C F 3 C H 2 O H jest m o c n i e j s z y m k w a s e m n i ż C H 3 C H 2 O H . W y n i k a z t e g o , ż e a n i o n CF3CH2O" j e s t s t a b i l n i e j s z y n i ż a n i o n CH3CH2O" (rys. 7). F l u o r jest p i e r w i a s t k i e m silnie e l e k t r o u j e m n y m , c o s p r a w i a , ż e k a ż d e z w i ą z a ń C - F u l e g a z n a c z n e j p o l a r y z a c j i ; w jej w y n i k u b i o r ą c e u d z i a ł w t y c h w i ą z a n i a c h a t o m y w ę g l a stają s i ę s i l n i e e l e k t r o d o d a t n i e . T e n defi c y t e l e k t r o n o w y s p r a w i a z k o l e i , ż e a t o m y te w w i ę k s z y m s t o p n i u przyciągają elektrony z sąsiednich w i ą z a ń C - C . Takie „wyciąganie" elea
3
2
(a)
(b)
..©
..©
CH -o:
CH -0:
2
2
HC
FG
3
3
Rys. 7. (a) Jon 2,2,2-tńfluoroetoksylowy;
(b) jon etoksylowy
(etanoianowy)
k t r o n ó w p o w o d u j e , ż e deficyt e l e k t r o n o w y p r z e n o s i się także i n a sąsia n i e a t o m y w ę g l a . Efekt i n d u k c y j n y r o z p r z e s t r z e n i a się n a d a l s z e w i ą z n i a w c z ą s t e c z c e . C h o c i a ż s ł a b n i e o n w r a z z e w z r o s t e m o d l e g ł o ś c i o d al m ó w f l u o r u , d z i a ł a r ó w n i e ż n a u j e m n i e n a ł a d o w a n e a t o m y t l e n u . Pord w a ż efekt t e n p o l e g a n a „ w y c i ą g a n i u " e l e k t r o n ó w , w p ł y w a o n n a z r n n i s z e n i e u j e m n e g o ł a d u n k u n a a t o m i e t l e n u i p r z e z t o stabilizuje t e n ład n e k . S p r a w i a to, ż e p o c h o d n a f l u o r o w a łatwiej o d d a j e p r o t o n n i ż maci r z y s t y e t a n o l — a w i ę c jest m o c n i e j s z y m k w a s e m . Efekt i n d u k c y j n y t ł u m a c z y t e ż w z g l ę d n e k w a s o w o ś c i k w a s u o d | w e g o i j e g o c h l o r o w a n y c h p o c h o d n y c h : CI3CCO2H (0,63), C I 2 C H C O 3 J (1,26), C I C H 2 C O 2 H (2,87) i C H 3 C O 2 H (4,76). K w a s t r i c h l o r o o c t o w y je n a j m o c n i e j s z y m k w a s e m w tej g r u p i e , p o n i e w a ż s p r z ę ż o n ą z n i m zasad (jon k a r b o k s y l a n o w y ) s t a b i l i z u j e e f e k t i n d u k c y j n y w y w o ł a n y p r z e z tra e l e k t r o u j e m n e a t o m u c h l o r u . W r a z z e z m n i e j s z a n i e m się l i c z b y a t o m ó c h l o r u w c z ą s t e c z c e efekt i n d u k c y j n y s ł a b n i e . E f e k t y i n d u k c y j n e t ł u m a c z ą t e ż r ó ż n i c e w k w a s o w o ś c i etyloamiflj ( p K « 40) i a m o n i a k u ( p K « 33). W a r t o ś c i p K p o k a z u j ą , ż e a m o n i a k jej m o c n i e j s z y m k w a s e m z tej p a r y z w i ą z k ó w . W t y m w y p a d k u e f e k t i n d i kcyjny polega na o d d a w a n i u e l e k t r o n ó w . G r u p a alkilowa w etyloamini z w i ę k s z a ł a d u n e k u j e m n y w s p r z ę ż o n e j z a s a d z i e i p r z e z t o destabilizuj ją, z m n i e j s z a j ą c k w a s o w o ś ć z w i ą z k u w s t o s u n k u d o a m o n i a k u (rys. 8) a
(a)
a
a
(b)
H—N:
Rys. 8. Sprzężone
..© CH CH -»-N: 3
2
zasady (a) amoniaku;
(b)
etytoaminy
Ł a d u n e k u j e m n y w n i e k t ó r y c h s p r z ę ż o n y c h z a s a d a c h m o ż e b y ć stabiłj z o w a n y p r z e z r e z o n a n s . R e z o n a n s z w i ą z a n y jest z r u c h e m e l e k t r o n ó l walencyjnych w obrębie cząsteczki; w t y m procesie, z w a n y m delokalj zacją, d o c h o d z i d o r o z d z i e l e n i a ł a d u n k u p o m i ę d z y k i l k a r ó ż n y c h atfl m ó w . W p ł y w efektu r e z o n a n s o w e g o m o ż n a prześledzić, porównują k w a s o w o ś c i k w a s u o c t o w e g o ( p K = 4,76), f e n o l u ( p K = 10,0) i e t a n o l ( p K = 12,4). W a r t o ś c i pK t y c h z w i ą z k ó w p o k a z u j ą , ż e k w a s o c t o w y jej m o c n i e j s z y m k w a s e m n i ż fenol, t e n o s t a t n i z a ś — m o c n i e j s z y m ni etanol. a
a
a
a
Z r ó ż n i c o w a n ą k w a s o w o ś ć t r z e c h z w i ą z k ó w m o ż n a w y j a ś n i ć , anaB żując r ó ż n i c e w s t a b i l n o ś c i s p r z ę ż o n y c h z n i m i z a s a d (rys. 9). Ł a d u n e k j o n u k a r b o k s y l a n o w e g o jest s k o n c e n t r o w a n y n a a t o m i t l e n u ; c z y n n i k i e m s t a b i l i z u j ą c y m t e n ł a d u n e k jest e l e k t r o u j e m n y chara kter tlenu. J e d n a k ż e ł a d u n e k m o ż e b y ć w części p r z e n i e s i o n y t a k ż e n d r u g i a t o m tlenu, a więc m o ż e ulec delokalizacji. W rezultacie m a m y d
(a)
(b)
:o: y
H
3
C
/
©
(c)
©
CH3CH2—o:
. . ©
^o:
Rys. 9. Sprzężone
zasady
(a) kwasu octowego;
(b) fenolu;
(c)
etanolu
czynienia z oddziaływaniem rezonansowym, w którym udział bierze w o l n a p a r a e l e k t r o n ó w u j e m n i e n a ł a d o w a n e g o t l e n u i e l e k t r o n y 71 z g r u p y k a r b o n y l o w e j (rys. 10). W o l n a p a r a e l e k t r o n o w a n a „ d o l n y m " atomie tlenu tworzy n o w e wiązanie n z sąsiednim atomem węgla. W tym s a m y m c z a s i e z e r w a n e zostaje s ł a b e w i ą z a n i e JI w g r u p i e k a r b o n y l o w e j . T o istotny element całego procesu, g d y ż w p r z e c i w n y m razie a t o m węgla w g r u p i e k a r b o n y l o w e j t w o r z y ł b y p i ę ć w i ą z a ń , c o jest n i e d o p u s z c z a l n e . O b a e l e k t r o n y p i e r w o t n i e z a a n g a ż o w a n e w w i ą z a n i e n znajdują s i ę t e r a z n a „ g ó r n y m " atomie węgla, który m a na t y m etapie 3 w o l n e pary elektro n o w e i jest n a ł a d o w a n y u j e m n i e . Z w r ó ć m y u w a g ę , ż e w p r o c e s i e t y m w i ą z a n i e it i ł a d u n e k u j e m n y „ z a m i e n i ł y s i ę m i e j s c a m i " . D w i e s t r u k t u r y , które m o ż e m y tu wyróżnić, n a z y w a m y strukturami rezonansowymi; m o g ą o n e s w o b o d n i e p r z e c h o d z i ć j e d n a w d r u g ą . Ł a d u n e k u j e m n y jest w i ę c r o z d z i e l o n y m i ę d z y d w a a t o m y t l e n u — czyli z d e l o k a l i z o w a n y — i p r z e z t o s t a b i l i z o w a n y . T o w ł a ś n i e jest p o w o d e m , d l a k t ó r e g o k w a s o c t o w y jest m o c n i e j s z y m k w a s e m , n i ż m o ż n a b y s i ę s p o d z i e w a ć , g d y b y brać p o d u w a g ę jedynie elektroujemność tlenu. F e n o l jest s ł a b s z y m k w a s e m n i ż k w a s o c t o w y , a l e m o c n i e j s z y m n i ż etanol. Tę różnicę, p o d o b n i e jak p o p r z e d n i ą , m o ż n a w y t ł u m a c z y ć zjawi s k i e m r e z o n a n s u . Z a s a d ę s p r z ę ż o n ą z f e n o l e m n a z y w a m y j o n e m fenolan o w y m . W p r z y p a d k u t e g o j o n u z j a w i s k o r e z o n a n s u m o ż e objąć c z t e r y różne atomy, na których m o ż e zostać rozmieszczony ładunek ujemny: chodzi tu o a t o m tlenu i trzy a t o m y węgla z pierścienia aromatycznego (rys. 11). F a k t , ż e ł a d u n e k u j e m n y m o ż e z o s t a ć r o z d z i e l o n y m i ę d z y c z t e r y r ó ż n e a t o m y , w y d a j e s i ę w s k a z y w a ć , ż e a n i o n f e n o l a n o w y jest s t r u k t u r ą stabilniejszą n i ż jon k a r b o k s y l a n o w y ( r o z p r o s z e n i e ł a d u n k u n a większą
Rys. 10. Oddziaływania
3ys. 11. Oddziaływania
rezonansowe
rezonansowe
w jonie fenoksylowym
w jonie
karboksylanowym
(fenolanowym)
liczbę a t o m ó w ) . Jednakże w trzech z czterech struktur r e z o n a n s o w y c h j o n u f e n o l a n o w e g o ł a d u n e k u j e m n y z n a j d u j e się n a a t o m a c h w ę g l a , k t ó r y j e s t p i e r w i a s t k i e m z n a c z n i e m n i e j e l e k t r o u j e m n y m n i ż t l e n . Te t r z y s t r u k t u r y r e z o n a n s o w e odgrywają z a t e m z n a c z n i e mniejszą rolę niż stru k t u r a , w której ł a d u n e k u j e m n y znajduje się n a a t o m i e tlenu. W rezultacie s t o p i e ń d e l o k a l i z a c j i ł a d u n k u jest w j o n i e f e n o l a n o w y m m n i e j s z y n i ż w jonie o c t a n o w y m . Niemniej j e d n a k w p e w n y m zakresie delokalizacja w jonie f e n o l a n o w y m z a c h o d z i , w y w i e r a j ą c w n i m w p ł y w stabilizujący, k t ó r e g o b r a k w jonie e t a n o l a n o w y m . Przyjrzyjmy się n a koniec e t a n o l o w i . S p r z ę ż o n ą z n i m z a s a d ą jest jon e t a n o l a n o w y , w k t ó r y m stabilizacja p r z e z d e l o k a l i z a c j ę ł a d u n k u n i e j e s t m o ż l i w a , g d y ż n i e m o ż l i w y jest r e z o n a n s . W c z ą s t e c z c e n i e m a w i ą z a n i a K, k t ó r e m o g ł o b y w r e z o n a n s i e u c z e s t n i c z y ć . Ł a d u n e k u j e m n y jest w i ę c z l o k a l i z o w a n y n a a t o m i e tlenu. C o więcej, efekt i n d u k c y j n y sąsiedniej g r u p y alkilowej (etylowej) — polegający n a o d d a w a n i u e l e k t r o n ó w — z w i ę k s z a ł a d u n e k ujemny na atomie tlenu i działa destabilizująco (rys. 12). J o n e t a n o l a n o w y jest w r e z u l t a c i e n a j m n i e j s t a b i l n y z t r z e c h o m ó w i o n y c h p r z e d c h w i l ą a n i o n ó w . E t a n o l jest z a t e m w a n a l i z o w a n e j g r u p i e substancji najsłabszym k w a s e m .
CH CH *-O: 3
2
Rys. 12. Destabilizujący
Aminy i amidy
efekt indukcyjny
w jonie etoksylowym
(etanolanowym)
A m i n y i a m i d y są b a r d z o s ł a b y m i k w a s a m i i r e a g u j ą j e d y n i e z m o c n y m i zasadami. Wartości pK acetamidu i etyloaminy wynoszą, odpowiednio, 15 i 4 0 . P r o t o n w a c e t a m i d z i e m a w i ę c b a r d z i e j k w a s o w y c h a r a k t e r (rys. 13). M o ż n a t o w y j a ś n i ć z a p o m o c ą r e z o n a n s u i e f e k t ó w i n d u k c y j n y c h (rys. 14). a
(a)
:
.
0
(b)
II C
H C' ^NH 3
H C^^NH
2
3
Rys. 13. (a) Acetamid
© HC 3
Ą^NH
(etanoamid);
(b)
2
etyloamina
| C^..
— ^ HC 3
C H - * — NH 2
/
NH
Rys. 14. (a) Stabilizacja przez rezonans zasady (b) destabilizacja indukcyjna zasady sprzężonej
HsC sprzężonej z z etyloamina
acetamidem;
G3
Moc
ZASAD
Hasła Hekłroujetnność "j
Z a s a d o w o ś ć ujemnie n a ł a d o w a n y c h z w i ą z k ó w z a l e ż y o d elektroujemności a t o m ó w , niosących n a sobie ł a d u n e k u j e m n y . Im ta elektroujemność w i ę k s z a , t y m silniej a t o m y stabilizują ł a d u n e k i t y m mniejsza m o c z a s a d y . A z a t e m k a r b o a n i o n y są bardziej z a s a d o w e niż a n i o n y zawierające azot. Te ostatnie są zaś mocniejszymi z a s a d a m i niż a n i o n y t l e n o w e , a te z kolei są bardziej z a s a d o w e n i ż jony h a l o g e n k o w e . Z a s a d o w o ś ć cząsteczek elektrycznie obojętnych z a l e ż y o d stabilności s p r z ę ż o n y c h z n i m i , d o d a t n i o n a ł a d o w a n y c h , k w a s ó w . A m i n y są bardziej z a s a d o w e niż alkohole, p o n i e w a ż a z o t jest mniej e l e k t r o u j e m n y n i ż tlen i w w i ę k s z y m s t o p n i u m o ż e stabilizować ł a d u n e k d o d a t n i . H a l o g e n k i alkilowe są n i e z w y k l e s ł a b y m i z a s a d a m i , p o n i e w a ż kationy, które są s p r z ę ż o n y m i z n i m i k w a s a m i , w b a r d z o m a ł y m s t o p n i u m o g ą b y ć s t a b i l i z o w a n e p r z e z silnie elektroujemny atom fluorowca. M i a r ą m o c y z a s a d y jest pK\,. I m mniejsze pKb z w i ą z k u , t y m mocniejszą jest on zasadą. p K i pKb z w i ą z k u p o ł ą c z o n e są n a s t ę p u j ą c y m r ó w n a n i e m : pJC + pKj> = 14. Z n a j o m o ś ć wartości pKa k w a s u p o z w a l a więc n a w y l i c z e n i e pK^ s p r z ę ż o n e j z n i m z a s a d y i vice versa. a
a
Efekty indukcyjne
Efekty indukcyjne wpływają n a stabilność ł a d u n k u u j e m n e g o w n a ł a d o w a n y c h elektrycznie z a s a d a c h . G r u p y wyciągające e l e k t r o n y zmniejszają ł a d u n e k i stabilizują z a s a d ę , zmniejszając jej r e a k t y w n o ś ć i z a s a d o w o ś ć . G r u p y oddające e l e k t r o n y zwiększają ł a d u n e k u j e m n y i destabilizują z a s a d ę , p r z e z co jej z a s a d o w o ś ć rośnie. Efekty i n d u k c y j n e w p ł y w a j ą t a k ż e na m o c z a s a d e l e k t r y c z n i e obojętnych, p o n i e w a ż m o g ą stabilizować — l u b d e s t a b i l i z o w a ć — ł a d u n e k d o d a t n i w s p r z ę ż o n y m k w a s i e . G r u p y oddające e l e k t r o n y stabilizują ł a d u n e k d o d a t n i i, co za t y m idzie, s p r z ę ż o n y k w a s ; oznacza to, ż e p o w s t a j e o n łatwiej, a z a t e m m o c wyjściowej z a s a d y jest w i ę k s z a . P r z e c i w n y efekt wywierają g r u p y wyciągające e l e k t r o n y . Solwatacja w p ł y w a n a m o c z a s a d y . W w o d z i e j o n y a l k i l o a m o n i o w e ulegają hydratacji w w y n i k u p o w s t a w a n i a w i ą z a ń w o d o r o w y c h z u d z i a ł e m p r o t o n ó w N - H . Im w i ę k s z a liczba p r o t o n ó w N - H , t y m silniejsza solwatacja i t y m silniejszy efekt stabilizujący jon a l k i l o a m o n i o w y . Solwatacja jest silniejsza w p r z y p a d k u j o n ó w a l k i l o a m o n i o w y c h p o w s t a ł y c h z a m i n 1° n i ż w p r z y p a d k u j o n ó w p o w s t a ł y c h z a m i n 2° i 3°. D l a t e g o a m i n y 1° p o w i n n y być silniejszymi z a s a d a m i niż a m i n y w y ż s z y c h r z ę d ó w . Z d r u g i e j j e d n a k s t r o n y efekt i n d u k c y j n y g r u p a l k i l o w y c h jest bardziej z n a c z ą c y w p r z y p a d k u a m i n 3° niż w p r z y p a d k u a m i n 1° i 2°. N i e jest w i ę c m o ż l i w e p r z e w i d z e n i e w k a ż d y m p r z y p a d k u w z g l ę d n e j z a s a d o w o ś c i a m i n 1°, 2° i 3°.
Rezonans i R e z o n a n s stabilizuje ł a d u n e k u j e m n y p r z e z jego delokalizację n a d w a — — l u b więcej a t o m ó w . Stabilizacja ł a d u n k u o z n a c z a , że jon staje się mniej r e a k t y w n y i jego z a s a d o w o ś ć maleje. J o n y k a r b o k s y l a n o w e są s ł a b s z y m i z a s a d a m i n i ż jony f e n o l a n o w e , a te z kolei — s ł a b s z y m i n i ż j o n y a l k o k s y l o w e . A m i n y a r o m a t y c z n e (aryloaminy) są s ł a b s z y m i z a s a d a m i niż alkiloaminy, p o n i e w a ż w o l n a p a r a e l e k t r o n o w a m o ż e oddziaływać przez rezonans z pierścieniem aromatycznym, w wyniku czego maleje jej d o s t ę p n o ś ć d l a atakującego cząsteczkę p r o t o n u . A m i n y są s ł a b y m i z a s a d a m i . Mają o n e w o l n ą p a r ę elektronową, k t ó r a m o ż e w i ą z a ć p r o t o n i w r o z t w o r z e w o d n y m a m i n a jest w r ó w n o w a d z e ze s p r z ę ż o n y m k w a s e m . A m i d y nie mają właściwości z a s a d o w y c h , p o n i e w a ż w o l n a p a r a e l e k t r o n o w a n a a t o m i e a z o t u jest z a a n g a ż o w a n a w r e z o n a n s z sąsiadującą g r u p ą k a r b o n y l o w ą .
Aminy i amidy
Tematy pokrewne
Elektroujemność
N i e o r g a n i c z n e cząsteczki obojętne (E3) Związki o r g a n i c z n e (E4) Kwasy i zasady Br0nsteda-Lowry'ego (Gl)
M o c k w a s ó w (G2) Właściwości a m i n ( 0 2 )
E l e k t r o u j e m n o ś ć w y w i e r a i s t o t n y w p ł y w n a m o c z a s a d y . Jeśli p o r ó w n a m y jony: fluorkowy, h y d r o k s y l o w y , a m i d k o w y oraz karboanion m e t y l o w y , z a o b s e r w u j e m y , ż e ich z a s a d o w o ś ć u k ł a d a się w s z e r e g p o k a z a n y n a rysunku 1.
najmocniejsza zasada
najsłabsza zasada
~~~
h c-c: © 3
>
h—n:
H
karboanion Rys. 1. Porównanie
i>
:o-Y
i>
f^;
H
jon amidkowy
mocy różnych
jon hydroksylowy
jon fluorkowy
zasad
N a j m o c n i e j s z ą z a s a d ą w o m a w i a n e j g r u p i e jest k a r b o a n i o n , p o n i e w a ż w jego p r z y p a d k u ł a d u n e k u j e m n y s k o n c e n t r o w a n y jest n a a t o m i e naj m n i e j e l e k t r o u j e m n e g o p i e r w i a s t k a — w ę g l a . N a j s ł a b s z ą z a ś z a s a d ą jest j o n f l u o r k o w y , w k t ó r y m ł a d u n e k u j e m n y z n a j d u j e się n a a t o m i e n a j b a r dziej e l e k t r o u j e m n e g o p i e r w i a s t k a — f l u o r u . A t o m y o d u ż e j e l e k t r o u j e m n o ś c i , t a k i e j a k fluor, m o g ą s t a b i l i z o w a ć ł a d u n e k u j e m n y i z m n i e j s z a ć przez to reaktywność jonu w stosunku d o p r o t o n u — a więc jego zasado w o ś ć . Z e w z g l ę d u n a te s a m e efekty, a n i o n y p o w s t a ł e z a l k a n ó w , a m i n i alkoholi również m o ż n a uszeregować p o d w z g l ę d e m zasadowości w p o r z ą d k u o d p o w i a d a j ą c y m z r ó ż n i c o w a n e j e l e k t r o u j e m n o ś c i (rys. 2). E l e k t r o u j e m n o ś ć jest t e ż p r z y c z y n ą r ó ż n i c w z a s a d o w o ś c i z w i ą z k ó w , k t ó r y c h c z ą s t e c z k i są e l e k t r y c z n i e o b o j ę t n e , j a k a m i n y , a l k o h o l e i h a l o g e n k i a l k i l o w e (rys. 3). C z ą s t e c z k i t e są z n a c z n i e s ł a b s z y m i z a s a d a m i n i ż o d p o w i a d a j ą c e i m aniony, ale p o r z ą d e k z a s a d o w o ś c i pozostaje w ś r ó d nich taki s a m , jak
(a)
(b)
ii
H C-C: 0
>
3
(c) R—N:~
H
>
-o:®
H
najmocniejsza zasada
najsłabsza zasada
Rys. 2. Porównanie
zasadowości
(a) karboanionu;
(b) jonu amidkowego;
(c) jonu
alkoksylowego
(a)
W R
H
/
>
R—N: \
( C )
\ :o—H
R
\ >
:F:
H
najsłabsza ^ zasada
najmocniejsza zasada Rys. 3. Porównanie
zasadowości
(a) aminy; (b) alkoholu;
(c) fluorku
alkilowego
w ś r ó d a n i o n ó w ; p o r z ą d e k t e n staje się z r o z u m i a ł y , jeśli p r z e a n a l i z u j e się trwałość poszczególnych kationów powstałych z przyłączenia protonu d o c z ą s t e c z e k t y c h z w i ą z k ó w (rys. 4). A t o m a z o t u m o ż e s t a b i l i z o w a ć ł a d u n e k d o d a t n i lepiej n i ż a t o m fluoru, p o n i e w a ż p i e r w s z y z t y c h p i e r w i a s t k ó w jest mniej elektroujemny. A t o m y pierwiastków elektroujemnych wykazują skłonność d o groma dzenia n a sobie ł a d u n k u ujemnego, nie zaś d o d a t n i e g o . Elektroujemność fluoru jest t a k silna, ż e z a s a d o w o ś ć t e g o p i e r w i a s t k a jest z a n i e d b y w a l n a . Z p o w y ż s z y c h w z g l ę d ó w a m i n y w r o z t w o r a c h w o d n y c h są c z ę ś c i o w o z j o n i z o w a n e i z a c h o w u j ą się j a k s ł a b e z a s a d y . A l k o h o l e w y k a z u j ą cechy słabych zasad jedynie w kwaśnych roztworach, natomiast halo g e n k i alkilowe — n a w e t w r o z t w o r a c h k w a ś n y c h — nie przejawiają zasadniczo żadnych właściwości zasadowych. (a)
(b)
u
©/
R—N—H
(c)
\©
>
:o—H
\
\©
>
:F—H
/
H
H
najtrwalszy
najmniej trwały
Rys. 4. Porównanie c) fluorku
pKb
stabilności
kationów
utworzonych
z (a) aminy; (b)
alkoholu;
alkilowego
M i a r ą m o c y z a s a d y j e s t pJQ>. Jak p o k a z a n o n a rysunku 5, w r o z t w o r z e w o d n y m m e t y l o a m i n y u s t a l a się r ó w n o w a g a . M e t y l o a m i n ę w y s t ę p u j ą c ą p o lewej s t r o n i e r ó w n a n i a o k r e ś l a się t e r m i n e m w o l n a zasada, jon metyloamoniowy zaś widoczny p o prawej stronie H I
.. +
H C 3
H 0: 2
—
H
Rys. 5. Równowaga
^
H I,H ^ N ^ H C © H
„ 0 +
HO:
3
kwasowo-zasadowa
w wodnym
roztworze
metyloaminy
t o s p r z ę ż o n y k w a s . S t o p i e ń jonizacji — a l b o dysocjacji — w s t a n i e r ó w n o w a g i o k r e ś l a s t a ł a r ó w n o w a g i (K ): r
_ [PRODUKTY] N
[SUBSTRATY]
[CH NH^][HO~] 3
[CH NH ]JH 0]' 3
2
K
Q b
. _ [CH NHtj][HO~l 3
2
[CH NH ]
2
3
2
P o m i a r u K d o k o n u j e się z w y k l e w rozcieńczonych, w o d n y c h r o z t w o r a c h z a s a d y , w k t ó r y c h s t ę ż e n i e w o d y jest d u ż e i j e g o w a r t o ś ć m o ż e b y ć p r z y j ę t a j a k o stała. M o ż n a w i ę c z a p i s a ć r ó w n a n i e s t a n u r ó w n o w a g i w p r o s t s z e j p o s t a c i , w której Kb j e s t stałą z a s a d o w o ś c i zawierającą w s o b i e s t ę ż e n i e czystej w o d y (55,5 m o l / I ) . Z k o l e i pKb jest u j e m n y m l o g a r y t m e m Kb; w i e l k o ś ć t ę s t o s u j e się j a k o m i a r ę m o c y z a s a d y (pKb = -logioKb). D u ż a w a r t o ś ć pKb ś w i a d c z y , ż e m a m y d o c z y n i e n i a z e słabą z a s a d ą . N a p r z y k ł a d w a r t o ś c i pKb d l a a m o n i a k u i m e t y l o a m i n y w y n o s z ą , o d p o w i e d n i o , 4,74 i 3,36; a m o n i a k jest w i ę c s ł a b s z ą z a s a d ą n i ż m e t y l o a m i n a . pKb i p K z w i ą z a n e są r ó w n a n i e m : p K + pKb = 14. Jeśli w i ę c z n a m y p K k w a s u , m o ż e m y w y l i c z y ć pKb s p r z ę ż o n e j z a s a d y i vice versa. T
a
a
a
Efekty indukcyjne
Efekty i n d u k c y j n e w p ł y w a j ą n a m o c z a s a d o b d a r z o n y c h u j e m n y m ładunkiem elektrycznym, ponieważ mogą one oddziaływać z tym ładun k i e m . N a p r z y k ł a d g r u p y w y c i ą g a j ą c e e l e k t r o n y p o m a g a j ą w stabilizacji ł a d u n k u u j e m n e g o , o b n i ż a j ą c m o c z a s a d y . Z kolei g r u p y o d d a j ą c e ele ktrony będą destabilizować ładunek ujemny i przez to w p ł y w a ć na zwię k s z e n i e m o c y z a s a d y . A n a l i z o w a l i ś m y te efekty, o m a w i a j ą c t e m a t G 2 , kiedy p o r ó w n y w a l i ś m y względną m o c k w a s u octowego i jego p o c h o d n y c h : CI3CCO2H, CI2CHCO2H, CICH2CO2H i C H 3 C O 2 H . N a j m o c n i e j s z y m k w a s e m w tej g r u p i e jest k w a s t r i c h l o r o o c t o w y , p o n i e w a ż s p r z ę ż o n a z n i m z a s a d a (jon k a r b o k s y l a n o w y ) jest s t a b i l i z o w a n a p r z e z t r z y e l e k t r o u j e m n e a t o m y c h l o r u (rys. 6). A t o m y c h l o r u wyciągają e l e k t r o n y c o p o m a g a w stabilizacji ł a d u n k u u j e m n e g o . Stabilizacja t a k a s p r a w i a , ż e z a s a d a s p r z ę ż o n a z m o c n y m k w a s e m jest s ł a b a , a z a s a d a s p r z ę ż o n a z e s ł a b y m k w a s e m jest m o c n a . T a k w i ę c z a s a d o w o ś ć j o n ó w c h l o r o o c t a n o w y c h (ChCCOi', Cl2CHC02~, CICH2CO2" i C H 3 C O 2 ) r o ś n i e w p o r z ą d k u o d w r o t n y m d o k w a s o w o ś c i o d p o w i e d n i c h k w a s ó w ; j o n o c t a n o w y jest w tej serii najmocniejszą, a j o n trichlorooctanowy najsłabszą zasadą. Efekt i n d u k c y j n y w p ł y w a t e ż n a m o c z a s a d e l e k t r y c z n i e o b o j ę t n y c h ( n p . a m i n ) . pKb a m o n i a k u w y n o s i 4,74, a m e t y l o a m i n y , e t y l o a m i n y i p r o p y l o a m i n y — o d p o w i e d n i o — 3,36, 3,25 i 3,33. A l k i l o a m i n y są m o c n i e j szymi z a s a d a m i niż a m o n i a k z p o w o d u efektu indukcyjnego w y w i e r a n e g o p r z e z g r u p ę a l k i l o w ą n a j o n a l k i l o a m o n i o w y ( R N H 3 ; rys. 7) -
+
//
-
CI3C — c
//
^
ci o*-c 3
p_:
;OH
mocny kwas pK = 0,63
słaba sprzężona zasada (stabilizowana)
a
Rys. 6. Efekt indukcyjny
w zasadzie
sprzężonej
z kwasem
trichlorooctowym
© R — NH
2
+
H0 *"
^
2
7. Efekt indukcyjny
grupy alkilowej
R-*-NH
w jonie
3
+
. . 0 HOl **
_ *" efekt indukcyjny
alkiloamoniowym
G r u p y alkilowe oddają elektrony sąsiadującemu z n i m i c e n t r u m ł a d u n k u d o d a t n i e g o ; jest t o c z y n n i k i e m s t a b i l i z u j ą c y m j o n , p o n i e w a ż c z ę ś ć ł a d u n k u d o d a t n i e g o u l e g a r o z p r o s z e n i u w o b r ę b i e g r u p y a l k i l o w e j . Jeśli z a ś j o n jest s t a b i l n i e j s z y , r ó w n o w a g a k w a s o w o - z a s a d o w a p r z e s u w a się w j e g o k i e r u n k u , d z i ę k i c z e m u z w i ę k s z a się z a s a d o w o ś ć a m i n y . Efekt t e n jest t y m silniejszy, i m w i ę k s z a j e s t g r u p a a l k i l o w a . Skoro jedna grupa alkilowa m o ż e w p ł y w a ć na zasadowość aminy, t y m b a r d z i e j w i ę k s z a liczba p o d s t a w n i k ó w a l k i l o w y c h p o w i n n a w y w i e r a ć j e s z c z e silniejszy w p ł y w i n d u k c y j n y . M o ż n a b y s i ę w i ę c s p o d z i e w a ć , że d r u g o - i trzeciorzędowe a m i n y b ę d ą silniejszymi z a s a d a m i niż a m i n y p i e r w s z o r z ę d o w e . N i e k o n i e c z n i e j e d n a k t a k s i ę d z i e j e . N i e istnieje p r o s t a z a l e ż n o ś ć m i ę d z y z a s a d o w o ś c i ą a liczbą g r u p a l k i l o w y c h p o ł ą c z o n y c h z a t o m e m a z o t u . C h o ć efekt i n d u k c y j n y z p e w n o ś c i ą r o ś n i e w r a z z e w z r o s t e m l i c z b y p o d s t a w n i k ó w a l k i l o w y c h , n a l e ż y b r a ć też p o d u w a g ę p r z e c i w d z i a ł a j ą c y m u efekt s o l w a t a c j i . Efekt
5
solwatacji
Powstający jon a l k i l o a m o n i o w y jest s o l w a t o w a n y p r z e z cząsteczki w o d y (hydratacja). W procesie t y m powstają wiązania w o d o r o w e m i ę d z y ato m a m i tlenu z cząsteczek w o d y i g r u p a m i N - H o b e c n y m i w jonie alkiloa m o n i o w y m (rys. 8). H y d r a t a c j a jest c z y n n i k i e m s t a b i l i z u j ą c y m , o z n a c z e niu p o d o b n y m d o efektu indukcyjnego w y w o ł y w a n e g o przez g r u p y a l k i l o w e . Efekt h y d r a t a c j i j e s t t y m b a r d z i e j z n a c z ą c y , i m więcej w i ą z a ń w o d o r o w y c h m o ż e p o w s t a ć ; b ę d z i e o n w i ę c silniejszy w p r z y p a d k u j o n u alkiloamoniowego powstałego z a m i n y pierwszorzędowej niż dla jonu utworzonego z aminy trzeciorzędowej. W tym pierwszym bowiem występują trzy atomy w o d o r u N - H mogące brać udział w wiązaniach w o d o r o w y c h ; w jonie a l k i l o a m o n i o w y m p o w s t a ł y m z a m i n y trzeciorzę dowej taki a t o m w o d o r u N - H jest tylko jeden. W rezultacie, p i e r w s z o r z ę d o w y j o n a l k i l o a m o n i o w y b ę d z i e silniej s t a b i l i z o w a n y p r z e z r o p u s z c z a l n i k n i ż j o n t r z e c i o r z ę d o w y . O z n a c z a t o , ż e a m i n y t r z e c i o r z ę d o w e są generalnie słabszymi zasadami niż a m i n y pierwszo- i d r u g o r z ę d o w e . R
H
--- 4© N—H-
-OH
J
4© N—H
3
R
OH
4 N©— H
OH
3
2
/
wiązanie wodorowe "=..= 'niejsza stabilizacja zn~z rozpuszczalnik
^ = 8. Hydratacja Rezonans
mu
jonów alkiloamoniowych
utworzonych
najsłabsza stabilizacja przez rozpuszczalnik
z 1°, 2° i 3°
amin
O m ó w i l i ś m y j u ż wcześniej s p o s ó b , w jaki r e z o n a n s m o ż e stabilizować ujemny ł a d u n e k p o p r z e z jego delokalizację w obrębie d w ó c h — lub wię-
cej — a t o m ó w ( t e m a t G 2 ) . M e c h a n i z m t e n t ł u m a c z y , d l a c z e g o j o n k a r b o k s y l a n o w y jest t r w a l s z y n i ż j o n a l k o h o l a n o w y . Ł a d u n e k u j e m n y w t y m p i e r w s z y m m o ż e b y ć b o w i e m zdelokalizowany w obszarze dwóch ato m ó w tlenu, w t y m o s t a t n i m zaś — jest z l o k a l i z o w a n y n a j e d n y m a t o m i e t l e n u . Była j u ż m o w a o t y m , ż e r ó ż n i c a ta p o z w a l a z r o z u m i e ć , d l a c z e g o k w a s y k a r b o k s y l o w e są m o c n i e j s z y m i k w a s a m i n i ż a l k o h o l e . M o ż e m y odwrócić to rozumowanie, aby wytłumaczyć różnice w zasadowości m i ę d z y j o n e m k a r b o k s y l a n o w y m a a l k o h o l a n o w y m (n/s. 9). P o n i e w a ż t e n o s t a t n i jest m n i e j s t a b i l n y , w y k a z u j e o n w i ę k s z ą r e a k t y w n o ś ć i — w k o n s e k w e n c j i — jest m o c n i e j s z ą z a s a d ą .
H C—C 3
„
H3C
—
CH2
V Rys. 9. (a) Jon karboksylanowy;
3
(b) jon alkoksyiowy
(alkoholanowy)
E f e k t y r e z o n a n s o w e t ł u m a c z ą t e ż , d l a c z e g o a m i n y a r o m a t y c z n e (aryl o a m i n y ) są s ł a b s z y m i z a s a d a m i n i ż a l k i l o a m i n y . W o l n a p a r a e l e k t r o n o w a na atomie a z o t u m o ż e o d d z i a ł y w a ć z u k ł a d e m elektronów n pier ś c i e n i a a r o m a t y c z n e g o , d z i ę k i c z e m u m o ż l i w e jest i s t n i e n i e t r z e c h s t r u k t u r r e z o n a n s o w y c h o c h a r a k t e r z e j o n u o b o j n a c z e g o (rys. 10). 0on o b o j n a c z y — a l b o z n i e m i e c k i e g o zwitterion — t o o b o j ę t n a e l e k t r y c z n i e c z ą s t e c z k a , w której w y s t ę p u j e z a r ó w n o d o d a t n i , j a k i u j e m n y ł a d u n e k . ) P o n i e w a ż niewiążąca para elektronowa a t o m u azotu bierze udział w o d d z i a ł y w a n i a c h r e z o n a n s o w y c h , m o ż l i w o ś ć u t w o r z e n i a p r z e z nią w i ą z a n i a z p r o t o n e m jest o g r a n i c z o n a i — co z a t y m i d z i e — a m i n a staje się m n i e j z a s a d o w a .
Rys. 10. Struktury rezonansowe
Aminy i amidy
aniliny
A m i n y są s ł a b y m i z a s a d a m i . W k w a ś n y m ś r o d o w i s k u t w o r z ą o n e r o z p u s z c z a l n e w w o d z i e s o l e (rys. Ha), a w r o z t w o r a c h w o d n y c h p o z o s t a j ą w r ó w n o w a d z e z e s p r z ę ż o n y m i k w a s a m i (rys. llb). Z a s a d o w o ś ć a m i n w y n i k a z t e g o , ż e o b e c n a w ich c z ą s t e c z k a c h w o l n a p a r a elektronowa m o ż e t w o r z y ć wiązanie z p r o t o n e m . W cząsteczce a m i d u również występuje a t o m a z o t u z wolną parą elektronową, a jed n a k — w odróżnieniu od a m i n — a m i d y nie wykazują właściwości zasa-
(a)
H
H
0
©/
/ R — N I \
+
HC!
R—N—H
:ci:
\
H
H
wolna zasada rozpuszczalna sól (b)
H
/ R — N :
©
H
/ +
0/ H R—N—H
H—Ol
H—Ot
\ H wolna zasada Rys. 11. (a) Powstawanie
sprzężony kwas soli; (b) równowaga
kwasowo-zasadowa
d o w y c h . P o w o d e m jest o d d z i a ł y w a n i e r e z o n a n s o w e , w k t ó r e z a a n g a ż o w a n a j e s t w o l n a p a r a e l e k t r o n o w a a m i d o w e g o a z o t u (n/s. 12). Silą n a p ę d o w ą t e g o o d d z i a ł y w a n i a jest e l e k t r o u j e m n o ś ć a t o m u t l e n u w sąsia dującej z a z o t e m g r u p i e k a r b o n y l o w e j — a t o m u w y k a z u j ą c e g o „ g ł ó d " elektronów. Niewiążąca para elektronowa a t o m u azotu tworzy wiązanie u z s ą s i e d n i m a t o m e m w ę g l a . J e d n o c z e ś n i e z e r w a n e z o s t a j e w i ą z a n i e JI w grupie karbonylowej i oba biorące w n i m udział elektrony przenoszą się n a a t o m tlenu; u z y s k a n a p r z e z ten a t o m trzecia w o l n a p a r a elektro n o w a s p r a w i a , ż e staje s i ę o n c e n t r u m ł a d u n k u u j e m n e g o . Z a a n g a ż o w a n i e p a r y e l e k t r o n o w e j a z o t u w s t r u k t u r ę r e z o n a n s o w ą p o w o d u j e , ż e staje się ona nieosiągalna dla p r o t o n u . T e m u w ł a ś n i e należy p r z y p i s a ć b r a k właściwości zasadowych w amidach.
•°\\ C-
ą
© / c
/ =\
C— N — H \H H C/ 3
H C
H
w cząsteczce
amidu
3
Rys. 12. Oddziaływania
rezonansowe
KWASY I ZASADY LEWISA
Hasła K w a s a m i Lewisa n a z y w a m y z w i ą z k i , w k t ó r y c h w y s t ę p u j e deficyt e l e k t r o n o w y i które są z d o l n e d o przyjęcia p a r y elektronowej (w postaci w i ą z a n i a a t o m o w e g o ) o d substancji b o g a t y c h w elektrony; przyjęcie p a r y elektronowej p r o w a d z i d o zapełnienia p o w ł o k i walencyjnej w a t o m a c h w y s t ę p u j ą c y c h w cząsteczkach k w a s ó w Lewisa. P r z y k ł a d y k w a s ó w Lewisa t o BF3, AICI3, TiCU, SnCU.
Kwasy Lewisa
Z a s a d a m i Lewisa n a z y w a m y jony l u b obojętne elektrycznie cząsteczki zawierające a t o m z wolną parą e l e k t r o n o w ą . Z a s a d a Lewisa m o ż e b y ć d o n o r e m wolnej p a r y e l e k t r o n o w e j , t w o r z ą c y m w i ą z a n i e z k w a s e m Lewisa. Tematy pokrewne
Kwasy Lewisa
Kwasy i zasady Br0nsteda-Lowry'ego (Gl)
Substytucja elektrofilowa b e n z e n u (13)
K w a s y Lewisa to jony albo ubogie w elektrony cząsteczki, w któryeł występują a t o m y o nie zapełnionej p o w ł o c e walencyjnej. Klasyfikujem] je j a k o k w a s y n a tej p o d s t a w i e , ż e m o g ą p r z y j m o w a ć w o l n ą p a r ę e l e k t r o n o w ą o d i n n y c h s u b s t a n c j i i z a p e ł n i a ć s w o j e p o w ł o k i w a l e n c y j n e . L> k w a s ó w Lewisa należą wszystkie k w a s y Bronsteda-Lowry'ego, któn o m a w i a l i ś m y u p r z e d n i o , a t a k ż e j o n y ( n p . H , M g ) i c z ą s t e c z k i oboje tne, jak B F i AICI3. Z a r ó w n o A l , j a k i B n a l e ż ą d o g r u p y 13 u k ł a d u o k r e s o w e g o p i e r w i a s t k ó w i ich a t o m y mają n a s w o i c h z e w n ę t r z n y c h p o w ł o k a c h t r z y ele ktrony walencyjne. O z n a c z a to, że a t o m y tych pierwiastków m o g ą utwo r z y ć t r z y w i ą z a n i a , Istnieje j e d n a k n a d a l m o ż l i w o ś ć u t w o r z e n i a c z w a i t e g o w i ą z a n i a . N a p r z y k ł a d w BF3 a t o m b o r u o t o c z o n y jest p r z e z sześ e l e k t r o n ó w (trzy w i ą z a n i a , z k t ó r y c h k a ż d e z a w i e r a p o d w a e l e k t r o n y P o w ł o k a w a l e n c y j n a a t o m u b o r u m o ż e w s z a k ż e z m i e ś c i ć o s i e m elektrc n ó w ; m o ż l i w e jest w i ę c p o w s t a n i e c z w a r t e g o w i ą z a n i a , jeśli t y l k o czwai ty podstawnik przy atomie boru mógłby dostarczyć o b u potrzebnych d t e g o e l e k t r o n ó w . P o n i e w a ż z a r ó w n o b o r , jak i g l i n znajdują s i ę w ukł) d z i e o k r e s o w y m w g r u p i e 13, są o n e e l e k t r o d o d a t n i e i d l a t e g o chętni reagują z e s t r u k t u r a m i b o g a t y m i w elektrony, t w o r z ą c c z w a r t e w i ą z a n i W i e l e z w i ą z k ó w m e t a l i p r z e j ś c i o w y c h t a k ż e w y k a z u j e w ł a ś c i w o ś c i kw) s ó w L e w i s a ( n p . T1CI4 i S n C U ) . +
2 +
3
Zasady Lewisa
Cząsteczka z a s a d y Lewisa m o ż e dostarczać wolnej p a r y elektronów* a b y z a p e ł n i ć p o w ł o k ę w a l e n c y j n a w a t o m i e w y s t ę p u j ą c y m w kwasi
L e w i s a (rys. 1). Z a s a d ą L e w i s a m o ż e b y ć u j e m n i e n a ł a d o w a n y j o n — n p . jon h a l o g e n k o w y — albo elektrycznie obojętna cząsteczka takiego
z w i ą z k u , j a k n p . woda, amina czy eter; istotne jest, aby w z n a j d o w a ł się a t o m m a j ą c y w o l n ą p a r ę e l e k t r o n o w ą fluorowiec).
cząsteczce
(np. O, N
lub
W s z y s t k i e o m ó w i o n e w c z e ś n i e j z a s a d y B r o n s t e d a - L o w r y ' e g o są r ó w n i e ż z a s a d a m i w r o z u m i e n i u teorii L e w i s a . P o d s t a w o w y m w y r ó ż n i k i e m jest t u o b e c n o ś ć w o l n e j p a r y e l e k t r o n o w e j , m o g ą c e j u c z e s t n i c z y ć w p o w s t a w a n i u wiązania. A z a t e m w s z y s t k i e u j e m n i e n a ł a d o w a n e jony i oboję t n e c z ą s t e c z k i z a w i e r a j ą c e a t o m y a z o t u , t l e n u c z y fluorowca n a l e ż ą d o zasad Lewisa. R BF
:F—BF
3
3
kwas Lewisa
R—ó:
zasada Lewisa
BF
3
kwas Lewisa
•
Te R — O — BF ©
k * Reakcja
między
kwasem
a zasadą
Lewisa
3
JONY ENOLANOWE
Hasła A t o m y w o d o r u p o ł ą c z o n e z a t o m a m i w ę g l a nie mają zazwyczaj c h a r a k t e r u k w a s o w e g o ; jeśli j e d n a k a t o m w ę g l a sąsiaduje z g r u p ą k a r b o n y l o w ą , w s z y s t k i e z w i ą z a n e z n i m p r o t o n y ( p r o t o n y a) są potencjalnie p r o t o n a m i k w a s o w y m i .
Kwasowe protony grupy C - H
Ł a d u n e k u j e m n y powstający w w y n i k u u t r a t y p r o t o n u m o ż e b y ć s t a b i l i z o w a n y p r z e z r e z o n a n s , p o p r z e z który ulega o n p r z e m i e s z c z e n i u d o e l e k t r o u j e m n e g o a t o m u t l e n u . T w o r z ą c y się p r z y t y m jon nosi nazwę jonu enolanowego.
Stabilizacja
Proces p r z e b i e g a w z s y n c h r o n i z o w a n y s p o s ó b : j e d n o c z e ś n i e z utratą p r o t o n u t w o r z y się p o d w ó j n e w i ą z a n i e C = C i z e r w a n i u ulega w i ą z a n i e JI w g r u p i e k a r b o n y l o w e j ( O O ) . Przyczyną k w a s o w o ś c i p r o t o n ó w a jest elektroujemność k a r b o n y l o w e g o a t o m u tlenu.
Mechanizm
Jon e n o l a n o w y jest h y b r y d ą d w ó c h s t r u k t u r r e z o n a n s o w y c h , w k t ó r y c h ł a d u n e k u j e m n y jest z d e l o k a l i z o w a n y w obrębie trzech a t o m ó w o hybrydyzacji sp . A n a l i z a s c h e m a t ó w przedstawiających orbitale p o z w a l a p r z e w i d z i e ć , czy orientacja k w a s o w y c h p r o t o n ó w jest o d p o w i e d n i a , a b y nastąpiła ich u t r a t a . 2
Tematy
pokrewne
Kwasowe protony grupy C-H
Reakcje j o n ó w e n o l a n o w y c h (J8) (2-Halogenowanie (J9)
Reakcje j o n ó w e n o l a n o w y c h (K7)
W i ę k s z o ś ć p r o t o n ó w o c h a r a k t e r z e k w a s o w y m p o ł ą c z o n a jest z h e t e r o a t o m a m i , takimi jak fluorowce, tlen b ą d ź azot. P r o t o n y z w i ą z a n e z atom a m i w ę g l a z a z w y c z a j n i e mają k w a s o w e g o c h a r a k t e r u , a l e istnieją o d s t ę p s t w a o d tej r e g u ł y . Z j e d n y m z w y j ą t k ó w m a m y d o c z y n i e n i a w a l d e h y d a c h i k e t o n a c h , w k t ó r y c h o b o k g r u p y k a r b o k s y l o w e j znajduje się g r u p a C H R , CH2R a l b o CH3 (rys. 1). P r o t o n y w s k a z a n e s t r z a ł k a m i 2
grupa karbonylową protony , alfa " -
:
" Rys. 1. Kwasowe
••. węgiel alfa
H protony
a
m a j ą c h a r a k t e r k w a s o w y ; p o ł ą c z o n e są o n e z a t o m e m o k r e ś l a n y m j a k o w ę g i e l a (alfa). P r o t o n y te n a z y w a się w z w i ą z k u z t y m p r o t o n a m i a. R e z u l t a t e m d z i a ł a n i a z a s a d y jest u t r a t a j e d n e g o z k w a s o w y c h p r o t o n ó w a (rys. 2). Wolna para elektronowa hydroksylowego atomu tlenu tworzy n o w e w i ą z a n i e z p r o t o n e m a. W t y m s a m y m c z a s i e z e r w a n e zostaje w i ą z a n i e C - H . O b a elektrony biorące udział w t y m w i ą z a n i u p r z e n o s z ą się n a a t o m tlenu, tworząc t a m niewiążącą parę elektronową i nadając t e m u a t o m o w i ł a d u n e k ujemny (powstaje k a r b o a n i o n ) . P o w s t a w a n i e karboan i o n ó w jest z a z w y c z a j p r o c e s e m t r u d n y m d o p r z e p r o w a d z e n i a , s a m e k a r b o a n i o n y z a ś są b a r d z o r e a k t y w n e i n i e t r w a ł e . W o p i s y w a n y m p r z y p a d k u m u s z ą więc działać jakieś c z y n n i k i stabilizujące.
:o:
H
:o:
-X :0—H
Rys. 2. Oderwanie
Stabilizacja
;0—H
protonu
i powstanie
karboanionu
P o n i e w a ż węgiel nie m a charakteru elektroujemnego, nie m o ż e on stabi l i z o w a ć u j e m n e g o ł a d u n k u . M o ż l i w a jest t u j e d n a k stabilizacja p r z e z r e z o n a n s (rys. 3). W o l n a p a r a e l e k t r o n o w a k a r b o a n i o n u t w o r z y n o w e w i ą z a n i e JI z k a r b o n y l o w y m a t o m e m w ę g l a . J e d n o c z e ś n i e z e r w a n e zostaje słabe w i ą z a n i e n w g r u p i e k a r b o n y l o w e j , a oba uczestniczące w n i m e l e k t r o n y p r z e m i e s z c z a j ą się n a a t o m t l e n u . W r e z u l t a c i e ł a d u n e k u j e m n y z n a j d u j e się n a e l e k t r o u j e m n y m a t o m i e t l e n u , g d z i e jest b a r d z i e j s t a b i l n y . M e c h a n i z m t e n jest d o k ł a d n i e t a k i s a m j a k w c z e ś n i e j o p i s a n y m e c h a n i z m stabilizacji j o n u k a r b o k s y l a n o w e g o ( t e m a t G 2 ) . R ó ż n i c a p o l e g a n a t y m , że w p r z y p a d k u jonu k a r b o k s y l a n o w e g o obie s t r u k t u r y r e z o n a n s o w e są j e d n a k o w o t r w a ł e , n a t o m i a s t w o m a w i a n y m o b e c n i e p r z y p a d k u — n i e . S t r u k t u r a r e z o n a n s o w a , w której ł a d u n e k u j e m n y z n a j d u j e się n a a t o m i e t l e n u ( j o n e n o l a n o w y ) , jest t r w a l s z a n i ż w y j ś c i o w y k a r b o a n i o n . Dlatego jon e n o l a n o w y jest z d e c y d o w a n i e d o m i nującym składnikiem mieszaniny.
*o.j karboanion
|
' H
M
Rys. 3. Oddziaływanie
:o:
rezonansowe
między karboanionem
jon enolanowy
a jonem
enotanowym
Mechanizm
S k o r o u p r z y w i l e j o w a n ą s t r u k t u r ą r e z o n a n s o w ą jest j o n e n o l a n o w y , b a r dziej p o p r a w n y m m e c h a n i z m e m reakcji k w a s - z a s a d a m i ę d z y a l d e h y d e m a j o n e m h y d r o k s y l o w y m jest p o w s t a n i e , w w y n i k u u t r a t y p r o t o n u , j o n u e n o l a n o w e g o (rys. 4 ) . W r a z z u t w o r z e n i e m w i ą z a n i a m i ę d z y j o n e m h y d r o k s y l o w y m a k w a s o w y m p r o t o n e m p ę k a w i ą z a n i e C - H , a ele k t r o n y z t e g o w i ą z a n i a t w o r z ą w i ą z a n i e JI z k a r b o n y l o w y m a t o m e m w ę g l a . J e d n o c z e ś n i e z e r w a n e zostaje k a r b o n y l o w e w i ą z a n i e n, o b a z a ś e l e k t r o n y p r z e m i e s z c z a j ą się n a a t o m t l e n u . Z w r ó ć m y u w a g ę , ż e p r z y takiej i n t e r p r e t a c j i c z y n n i k i e m o d p o w i e d z i a l n y m z a k w a s o w o ś ć p r o t o n u a jest elektroujemny tlen.
:b- © :
v
1|
\
:o—H
:o—H
© Rys. 4. Mechanizm
Jon enolanowy
powstawania
jonu
enolanowego
S t r u k t u r y r e z o n a n s o w e r e p r e z e n t u j ą p e w n e g r a n i c z n e f o r m y , jakie m o ż e p r z y b r a ć d a n a c z ą s t e c z k a ; jej r z e c z y w i s t a s t r u k t u r a jest m i e s z a n i n ą ( h y b r y d ą ) o b u t y c h s t r u k t u r (rys. 5). S t r u k t u r a „ h y b r y d o w a " p o k a z u j e , ż e ł a d u n e k u j e m n y jest „ r o z s m a r o w a n y " — albo z d e l o k a l i z o w a n y — p o m i ę d z y trzy atomy o hybrydyzacji sp . Ze w z g l ę d u n a typ hybrydyza cji o r b i t a l e z h y b r y d y z o w a n e mają o r i e n t a c j ę p l a n a r n ą ( p ł a s k ą ) ; k a ż d y z a t o m ó w m a t e ż o r b i t a l 2p m o g ą c y o d d z i a ł y w a ć z t a k i m i s a m y m i o r b i t a lami swoich sąsiadów. P r o w a d z i to d o powstania orbitalu molekular n e g o i r o z p r o s z e n i a ł a d u n k u u j e m n e g o n a t r z y a t o m y (rys. 6). Mając t o n a uwadze, m o ż e m y dla poszczególnych a t o m ó w w o d o r u z grupy metylo w e j o c e n i ć p r a w d o p o d o b i e ń s t w o ich o d e r w a n i a o d c z ą s t e c z k i w p r o c e s i e t w o r z e n i a j o n u e n o l a n o w e g o . N a rysunku 7a a t o m w o d o r u , k t ó r y z o s t a nie o d e r w a n y , u m i e s z c z o n o w kółku. To właśnie w p r z y p a d k u tego a t o m u w i ą z a n i e o C - H jest o d p o w i e d n i o z o r i e n t o w a n e , a b y m o ż l i w e b y ł o o d d z i a ł y w a n i e z o r b i t a l e m JI g r u p y k a r b o n y l o w e j . S c h e m a t y c z n y r y s u n e k o r b i t a l i (rys. 7b) p o k a z u j e t o o d d z i a ł y w a n i e . Projekcja N e w m a n a p r z e d s t a w i o n a n a rysunku 7c z o s t a ł a n a r y s o w a n a t a k , j a k b y ś m y p a t r z y l i 2
:o:
:o: es
Q
o:
1 R
e ^ .ic
i R
Rys. 5. Struktury rezonansowe
i struktura
„hybrydowa"
jonu
enolanowego
struktura „hybrydowa"
Rys. 6. Powstawanie
orbitalu
molekularnego
w wyniku nakładania
(c)
W
się orbitali
2p
..o
HO:-y
=
. s . 7. (a) Proton a; (b) schemat
ilustrujący
oddziaływania
między orbitalami;
(c) projekcja
Newmana
n a cząsteczkę w z d ł u ż wiązania C - C ; w i d a ć n a t y m r y s u n k u względną orientację w o d o r u a, który zostanie o d e r w a n y . W t y m k o n k r e t n y m przy p a d k u p r o t o n bez t r u d u m o ż e przyjąć o d p o w i e d n i ą orientację, p o n i e w a ż istnieje s w o b o d a rotacji w o k ó ł p o j e d y n c z e g o w i ą z a n i a C - C . J e d n a k ż e w u k ł a d a c h p i e r ś c i e n i o w y c h a t o m y w o d o r u mają s t a ł e p o ł o ż e n i a i ich w z a j e m n a orientacja jest w a ż n y m c z y n n i k i e m w p ł y w a j ą c y m n a k w a s o w o ś ć p o s z c z e g ó l n y c h p r o t o n ó w a. J o n y e n o l a n o w e p o w s t a ł e z k e t o n ó w l u b a l d e h y d ó w mają o g r o m n e znaczenie p r z y syntezie bardziej złożonych z w i ą z k ó w organicznych ( t e m a t y J 8 i J9). Ł a t w o ś ć , z jaką t w o r z ą s i ę j o n y e n o l a n o w e , z a l e ż y o d k w a s o w o ś c i p r o t o n ó w a. p K p r o p a n o n u ( a c e t o n u ) w y n o s i o k o ł o 19,3. Z w i ą z e k t e n j e s t w i ę c m o c n i e j s z y m k w a s e m n i ż e t a n ( p K * 60), z n a c z n i e z a ś s ł a b s z y m n i ż k w a s o c t o w y ( p K = 4,7). O z n a c z a t o , ż e w p r o c e s i e a
a
a
Ił
II
:o: 11
zasada
:o: II
©^ H
H
O-. :o: H3C
H
C
:o:G
:o: II
:o: H,C'
CH3
H Rys. 8. Struktury rezonansowe
CH
I
3
H zasady
sprzężonej
z
1,3-diketonem
t w o r z e n i a j o n u e n o l a n o w e g o k o n i e c z n e jest u ż y c i e m o c n e j z a s a d y — takiej, jak w o d o r e k s o d u , a m i d e k s o d u czy d i i z o p r o p y l o a m i d e k litu (LiN(i-C H ) ). J e d n a k ż e k w a s o w o ś ć p r o t o n ó w a r o ś n i e , jeśli s ą s i a d u j ą o n e n i e z j e d n ą g r u p ą k a r b o n y l o w ą , a l e p o ł o ż o n e są m i ę d z y d w i e m a t a k i m i g r u p a m i , j a k n p . w 1 , 3 - d i k e t o n a c h (/3-diketonach) a l b o 1,3-diestrach (/J-oksoestrach). W z w i ą z k a c h t a k i c h istnieje m o ż l i w o ś ć stabilizacji u j e m n e g o ł a d u n k u j o n u e n o l a n o w e g o p r z e z o b i e g r u p y k a r b o n y l o w e , c z e g o w y n i k i e m są t r z y s t r u k t u r y r e z o n a n s o w e (rys. 8). W k o n s e k w e n c j i pK n p . 2 , 4 - p e n t a n o d i o n u w y n o s i 9. 3
7
2
a
H1
OTRZYMYWANIE ALKENÓW I ALKINÓW
Hasła Alkeny można otrzymać przez redukq'ę alkinów lub przez p r z e p r o w a d z e n i e reakcji eliminacji w h a l o g e n k a c h a l k i l o w y c h i alkoholach. Działanie n a alkeny b r o m e m p r o w a d z i d o p o w s t a n i a w i c y n a l n y c h d i b r o m k ó w . P o d c z a s t r a k t o w a n i a m o c n ą zasadą, n p . a m i d k i e m s o d u , d i b r o m e k traci d w i e cząsteczki b r o m o w o d o r u ( d e h y d r o h a l o g e n o w a n i e ) ; p o w s t a j e p r z y t y m alkin.
Alkiny
Tematy pokrewne
Alkeny
Redukcja a l k i n ó w (H9) Reakcja eliminacji (L4)
Reakcje alkoholi (M4)
Alkeny można otrzymać przez przekształcenie rozmaitych związków organicznych, n p . p r z e z redukcję a l k i n ó w (temat H9) albo p r z e z reakcję e l i m i n a c j i w h a l o g e n k a c h a l k i l o w y c h ( t e m a t L6) czy a l k o h o l a c h ( t e m a t M4). A l k e n y m o ż n a też o t r z y m a ć z wicynalnych d i b r o m k ó w , czyli związków, w których d w a a t o m y b r o m u występują przy sąsiednich ato m a c h w ę g l a . Reakcję t a k ą n a z y w a się d e b r o m o w a n i e m , a p r z e p r o w a d z a się ją, działając n a d i b r o m e k j o d k i e m s o d u w a c e t o n i e a l b o p y ł e m c y n k o w y m w k w a s i e o c t o w y m (rys. 1). Z n a c z e n i e p r a k t y c z n e tej reakcji jest o g r a n i c z o n e , p o n i e w a ż d i b r o m k i s y n t e t y z u j e się z a z w y c z a j z t y c h s a m y c h a l k e n ó w , k t ó r e o t r z y m u j e się p r z e z i c h d e b r o m o w a n i e ( t e m a t H 6 ) . R e a k q ' a ta b y w a j e d n a k u ż y t e c z n a jako sposób w p r o w a d z a n i a grup ochronnych. Podczas wieloetapowych s y n t e z m o ż e o k a z a ć się n i e z b ę d n e c h r o n i e n i e w i ą z a n i a p o d w ó j n e g o p r z e d u d z i a ł e m w n i e p o ż ą d a n y c h reakcjach. P r z y d a t n e b y w a w ó w c z a s p r z y ł ą c z e n i e d o t a k i e g o wiązania cząsteczki b r o m u i u t w o r z e n i e dibromku; na dalszych etapach syntezy można odtworzyć wiązanie podwójne przez debromowanie. R Br \ / R—C—C—R / \ Br R
Zn/HOAc albo Nal, aceton
Rys. 1. Synteza alkenu z wicynalnego
R \ / R dibrornku
C= C
R / \ R
Alkiny
Alkiny m o ż n a o t r z y m y w a ć z a l k e n ó w w d w u e t a p o w y m procesie obej mującym addycję elektrofilowa b r o m u do alkenu i utworzenie wicynalnego d i b r o m k u (temat H3), a następnie d e h y d r o h a l o g e n o w a n i e p r z y u ż y c i u silnej z a s a d y (rys. 2 ) . P o n i e w a ż w d r u g i m e t a p i e n a s t ę p u j e u t r a t a przez cząsteczkę d i b r o m k u d w ó c h cząsteczek b r o m o w o d o r u , konieczne jest u ż y c i e d w ó c h r ó w n o w a ż n i k ó w z a s a d y .
H
\ / CC4I
/ R
R
Br
2
C= C \ H
Rys. 2. Synteza alkinu z alkenu
H Br \ / R—C — C — R / \ Br H
NaNH ogrzewanie »2
R—C = C — R
+
2HBr
H2
WŁAŚCIWOŚCI ALKENÓW I ALKINÓW
Hasła W s ą s i e d z t w i e p o d w ó j n e g o wiązania cząsteczki a l k e n ó w są płaskie, a występujące w t y m o b s z a r z e wiązania t w o r z ą kąt 120°. W a t o m a c h węgla t w o r z ą c y c h w i ą z a n i e C = C w y s t ę p u j e hybrydyzacja sp ; w i ą z a n i e p o d w ó j n e s k ł a d a się z j e d n e g o w i ą z a n i a o i j e d n e g o n. O b s z a r w i ą z a n i a p o t r ó j n e g o w cząsteczkach a l k i n ó w jest liniowy, a w a t o m a c h w ę g l a połączonych t a k i m w i ą z a n i e m w y s t ę p u j e hybrydyzacja sp. W i ą z a n i e potrójne s k ł a d a się z j e d n e g o wiązania a i d w ó c h w i ą z a ń n. 2
wi^aittŁF**-!?^-! i n —m-i> • . . - '
Wiązanie C = C m a w y ż s z ą e n e r g i ę i jest k r ó t s z e n i ż p o j e d y n c z e w i ą z a n i e C - C . J e d n a k ż e d w a w i ą z a n i a składające się n a w i ą z a n i e C = C różnią się m i ę d z y sobą energią. W i ą z a n i e JT jest słabsze n i ż w i ą z a n i e a. Rotacja w o k ó ł wiązania C = C n i e jest m o ż l i w a , co — w zależności o d rodzaju obecnych w cząsteczce p o d s t a w n i k ó w — m o ż e p r o w a d z i ć d o izomerii. I m więcej p o d s t a w n i k ó w w y s t ę p u j e w cząsteczce a l k e n u , t y m jest o n a t r w a l s z a . Potrójne w i ą z a n i e w alkinach m a większą energię n i ż w i ą z a n i e pojedyncze C - C i p o d w ó j n e C = C D w a s k ł a d o w e w i ą z a n i a it o b e c n e w w i ą z a n i u p o t r ó j n y m są słabsze i bardziej r e a k t y w n e n i ż w i ą z a n i e a.
iffci0fcn«i«js \. i ' i.- i '
A l k e n y i alkiny t o związki n i e p o l a r n e , r o z p u s z c z a l n e w n i e p o l a r n y c h r o z p u s z c z a l n i k a c h i b a r d z o słabo r o z p u s z c z a l n e w w o d z i e . Mają o n e niskie t e m p e r a t u r y w r z e n i a , p o n i e w a ż j e d y n y m i o d d z i a ł y w a n i a m i m i ę d z y c z ą s t e c z k o w y m i , które m o g ą w nich w y s t ę p o w a ć , są słabe siły van der Waalsa. A l k e n y i alkiny zachowują się jak nukleofile i reagują z elektrofilami w reakcji z w a n e j addycja elektrofilowa. C e n t r a m i nukleofilowości w cząsteczkach a l k e n ó w i alkinów są w i ą z a n i a p o d w ó j n e i potrójne, w k t ó r y c h o b s z a r z e w y s t ę p u j e z w i ę k s z o n a gęstość e l e k t r o n o w a .
Tematy p o k r e w n e
Budowa
2
H y b r y d y z a c j a sp (A4) H y b r y d y z a c j a sp (A5) H y b r y d y z a c j a a wiązania (A6)
I z o m e r y konfiguracyjne — a l k e n y i c y k l o a l k a n y (D2) Z w i ą z k i o r g a n i c z n e (E4)
W i ą z a n i e p o d w ó j n e w y s t ę p u j ą c e w a l k e n a c h (R2C-CR2) m o ż e b y ć t r a k t o w a n e j a k o g r u p a f u n k c y j n a . Jest o n a p ł a s k a , a w a r t o ś ć k ą t a m i ę d z y w i ą z a n i a m i o t w o r z o n y m i p r z e z a t o m y w ę g l a , k t ó r e w c h o d z ą w jej
2
s k ł a d , w y n o s i 120°. W a t o m a c h t y c h w y s t ę p u j e h y b r y d y z a c j a sp . K a ż d y z n i c h m a t r z y o r b i t a l e z h y b r y d y z o w a n e sp w y k o r z y s t y w a n e d o t w o r z e n i a w i ą z a ń o, a n i e z h y b r y d y z o w a n y o r b i t a l p b i e r z e u d z i a ł w w i ą z a n i u Ti. W i ą z a n i e p o d w ó j n e s k ł a d a się w i ę c z j e d n e g o w i ą z a n i a a i j e d n e g o w i ą z a n i a JI (rys. 1). 2
centra o hybrydyzacji sp
wiązanie o R
1201 R C= C
/
R ,
)i20°
'iC=C«L.
,W R
płaski
120'
Rys. 1. Struktura grupy funkcyjnej
w
R \ R
, R ' / C=rc / \ \ R \ R wiązanie n
R
' * R
/ R
\ R
2
alkenach
G r u p ę funkcyjną wyróżniającą alkiny stanowią d w a a t o m y w ę g l a p o ł ą c z o n e w i ą z a n i e m p o t r ó j n y m . T e n fragment cząsteczki alkinu jest l i n i o w y , a k ą t y m i ę d z y w i ą z a n i a m i w y n o s z ą t a m 180° (rys. 2). W obu atomach węgla z a a n g a ż o w a n y c h w wiązanie potrójne wystę p u j e h y b r y d y z a c j a sp; k a ż d y z n i c h m a w i ę c d w a z h y b r y d y z o w a n e o r b i t a l e sp i d w a o r b i t a l e p. H y b r y d y sp w y k o r z y s t y w a n e są p r z y t w o r z e n i u w i ą z a ń a, a o r b i t a l e p — p r z y t w o r z e n i u d w ó c h w i ą z a ń JI. W i ą z a n i e p o t r ó j n e s k ł a d a się z a t e m z j e d n e g o w i ą z a n i a o i d w ó c h w i ą z a ń n. centra o hybrydyzacji sp
wiązanie o 180° R—CEC^R
R—C=C—R liniowy
R—C=C—R /
R—C=C—R
\
wiązanie n wiązanie JI Rys. 2. Struktura grupy
Wiązanie C = C
funkcyjnej
w
alkinach
- 1
W i ą z a n i e C = C m a w y ż s z ą e n e r g i ę (636,2 k j - m o l ) i jest krótsze! (0,133 n m ) n i ż p o j e d y n c z e w i ą z a n i e C - C ( o d p o w i e d n i o , 368,3 k j - m o l " i 0,154 n m ) . W i ą z a n i e C = C s k ł a d a s i ę z j e d n e g o w i ą z a n i a o i j e d n e g o JI; to o s t a t n i e jest s ł a b s z e n i ż w i ą z a n i e a. Jest t o fakt i s t o t n y d l a z r o z u m i e n i a chemicznej reaktywności alkenów. W o k ó ł p o d w ó j n e g o w i ą z a n i a C = C n i e jest m o ż l i w a rotacja, p o n i e w a ż w y m a g a ł a b y o n a z e r w a n i a w i ą z a n i a JI. Z t e g o p o w o d u w a l k e n a c h występuje izomeria zależna od wzajemnego położenia podstawników. M o ż l i w e i z o m e r y o k r e ś l a się c z a s a m i t e r m i n a m i cis i trans, a l e b a r d z i e j p o p r a w n e n a z w y t o i z o m e r y (Z) i ( £ ) ( p a t r z t e m a t D 2 ) . M o ż n a wyróżnić alkeny jedno-, d w u - , trzy- i czteropodstawione, w zależności o d liczby obecnych w ich cząsteczkach p o d s t a w n i k ó w . Im w i ę k s z a liczba p o d s t a w n i k ó w , t y m a l k e n j e s t t r w a l s z y . 1
Wiązanie
C=C
D ł u g o ś ć w i ą z a n i a p o t r ó j n e g o w y n o s i 0,120 n m , a j e g o e n e r g i a — 837,1 k J - m o H . W i ą z a n i a n są s ł a b s z e n i ż w i ą z a n i a a. O b e c n o ś ć w i ą z a ń n w y j a ś n i a , d l a c z e g o a l k i n y są b a r d z i e j r e a k t y w n e o d a l k a n ó w .
Właściwości
Swoimi właściwościami fizycznymi alkeny i alkiny przypominają alkany. Są s t o s u n k o w o n i e p o l a r n e , r o z p u s z c z a j ą się w r o z p u s z c z a l n i k a c h o r g a n i c z n y c h , n a t o m i a s t ich r o z p u s z c z a l n o ś ć w w o d z i e jest b a r d z o niewielka. M i ę d z y c z ą s t e c z k a m i z w i ą z k ó w n i e n a s y c o n y c h , t a k i c h j a k a l k e n y i al kiny, m o g ą w y s t ę p o w a ć jedynie słabe o d d z i a ł y w a n i a v a n der Waalsa. D l a t e g o z w i ą z k i t e mają n i ż s z e t e m p e r a t u r y w r z e n i a n i ż i n n e k l a s y związków organicznych.
Nukleofilowość
A l k e n y i a l k i n y w y k a z u j ą c h a r a k t e r n u k l e o f i l o w y i ł a t w o reagują z c z y n n i k a m i elektrofilowymi w procesie o k r e ś l a n y m jako addycja elektrofi l o w a . C e n t r u m n u k l e o f i l o w y m w c z ą s t e c z c e a l k e n u ( l u b a l k i n u ) jest p o d w ó j n e ( l u b p o t r ó j n e ) w i ą z a n i e (n/s. 3). W z w i ą z k u z o b e c n o ś c i ą e l e k t r o n ó w w i ą ż ą c y c h , są t o o b s z a r y o d u ż e j g ę s t o ś c i e l e k t r o n o w e j . T o w ł a ś n i e e l e k t r o n y z a a n g a ż o w a n e w w i ą z a n i a JT b i o r ą u d z i a ł w t w o r z e n i u w i ą z a ń z atakującymi elektrofilami. centrum nukleofilowe R \
/
R
centrum nukleofilowe
R C—C
/
R—C=C—R
\ R
Rys. 3. Centra nukleofilowe
w alkenie i alkinie
ADDYCJA ELEKTROFILOWA DO ALKENÓW PODSTAWIONYCH SYMETRYCZNIE
Hasła Reakcje
Alkeny podstawionej symetrycznie j i niesymetrycznie i
Addycja fluorowco wodoru
Addycja fluorowca
Przekształcenie i alkenów W alkohole
A l k e n y ł a t w o ulegają reakcjom addycji elektrofilowej. W reakcjach tych b i e r z e u d z i a ł w i ą z a n i e JT. N o w e p o d s t a w n i k i m o g ą p r z y ł ą c z a ć się d o każdego z końców wiązania podwójnego. A l k e n y p o d s t a w i o n e s y m e t r y c z n i e mają p o o b u s t r o n a c h w i ą z a n i a p o d w ó j n e g o takie s a m e p o d s t a w n i k i ; w n i e s y m e t r y c z n i e p o d s t a w i o n y c h a l k e n a c h p o d s t a w n i k i te są r ó ż n e . Działanie n a a l k e n f l u o r o w c o w o d o r e m p r o w a d z i d o u t w o r z e n i a h a l o g e n k u a l k i l o w e g o . P r o t o n z f l u o r o w c o w o d o r u przyłącza się d o j e d n e g o końca wiązania p o d w ó j n e g o , a a t o m fluorowca — d o d r u g i e g o . Addycja elektrofilowa to p r o c e s d w u e t a p o w y , w k t ó r y m p r o d u k t e m p o ś r e d r u m jest k a r b o k a t i o n . W p i e r w s z y m etapie a l k e n z a c h o w u j e się jak nukleofil, a h a l o g e n e k a l k i l o w y jest elektrofilem. W d r u g i m etapie j o n fluorowca s t a n o w i c z y n n i k nukleofilowy, a p o ś r e d n i k a r b o k a t i o n jest elektrofilem. A l k e n y reagują z b r o m e m i c h l o r e m , dając d i h a l o g e n k i w i c y n a l n e , w których a t o m y fluorowca p r z y ł ą c z o n e są d o o b u k o ń c ó w w i ą z a n i a p o d w ó j n e g o . Reakcja m a z n a c z e n i e p r a k t y c z n e — jako ochrona p o d w ó j n e g o w i ą z a n i a — p r z y o c z y s z c z a n i u a l k e n ó w , a także jako s p o s ó b s y n t e z y a l k i n ó w . C z ą s t e c z k a fluorowca — w m i a r ę zbliżania się d o w i ą z a n i a p o d w ó j n e g o w alkenie — ulega polaryzacji, dzięki c z e m u t w o r z y się w niej c e n t r u m elektrofilowe n i e z b ę d n e d o zajścia reakcji. Powstający p r o d u k t p o ś r e d n i określa się — w p r z y p a d k u p r z y ł ą c z a n i a b r o m u — jako j o n b r o m o n i o w y ; c z y n n i k i e m stabilizującym t e n jon jest to, ż e ł a d u n e k d o d a t n i m o ż e w n i m b y ć r o z d z i e l o n y — z d e l o k a l i z o w a n y — m i ę d z y trzy a t o m y . Jeśli reakcję p r o w a d z i się w ś r o d o w i s k u w o d n y m , w o d a m o ż e działać jako nukleofil, p r z e c h w y t u j ą c p o ś r e d n i k a r b o k a t i o n i tworząc halogenohydrynę — związek powstały z przyłączenia d o jednego k o ń c a w i ą z a n i a p o d w ó j n e g o a t o m u fluorowca, a d o d r u g i e g o — grupy hydroksylowej. A l k e n y m o ż n a p r z e k s z t a ł c a ć w alkohole, działając n a nie w o d n y m i r o z t w o r a m i k w a s ó w , n p . k w a s u siarkowego(VI). Reakcję m o ż n a p r o w a d z i ć w łagodniejszych w a r u n k a c h , jeśli zastosuje się octan rtęci pozwalający u t w o r z y ć r t ę c i o o r g a n i c z n y p r o d u k t p o ś r e d n i , redukowany następnie tetrahydroboranem sodu.
Tak jak reakcja z u d z i a ł e m o c t a n u r t ę c i / t e t r a h y d r o b o r a n u s o d u p r z e k s z t a ł c a a l k e n y w alkohole, tak p r o c e s , w k t ó r y m stosuje się trifluorooctan rtęci, p o z w a l a o t r z y m a ć z a l k e n ó w etery.
Przekształcenie "alkenów W etery
A l k e n y m o g ą r e a g o w a ć z e z w i ą z k a m i a r o m a t y c z n y m i , dając a r y l o a l k a n y . Proces t e n z n a n y jest jako a l k i l o w a n i e pierścieni aromatycznych metodą Friedela-Craftsa; m o ż e on być jednak t r a k t o w a n y j a k o jeszcze j e d e n p r z y k ł a d addycji elektrofilowej d o alkenu. Tematy pokrewne
Reakcje
P \
/
/
X
R R \ / X— C—C—X / \
2
—• \
.
Hydroborowanie alkenów -CH 2 równoważniki / N Br-. Br B r
H C—C = C — C H
c
izomer (E) Rys. t Reakcja 2-butynu
z (a) 1 równoważnikiem
bromu; (b) 2 równoważnikami
bromu
w o d o r u , przyłączenie nastąpi d w u k r o t n i e , a jego rezultatem będzie g e m i n a l n y d i b r o m o a l k a n , w k t ó r y m o b a a t o m y b r o m u znajdują s i ę p r z y t y m s a m y m a t o m i e w ę g l a (rys. 2b). P o w y ż s z e r e a k c j e a d d y c j i p o d o b n e są d o p r o c e s ó w , k t ó r y m ulegają alkeny (temat H 3 ) . Przebiegają o n e j e d n a k ż e z n a c z n i e wolniej n i ż w p r z y p a d k u a l k e n ó w , p o n i e w a ż a l k i n y są m n i e j r e a k t y w n e . M o ż n a b y oczekiwać, ż e alkiny b ę d ę silniejszymi nukleofilami, p o n i e w a ż obszar w i e l o k r o t n e g o w i ą z a n i a jest w n i c h b o g a t s z y w e l e k t r o n y : s z e ś ć e l e k t r o n ó w wiązania potrójnego wobec czterech elektronów w wiązaniu p o d w ó j n y m . J e d n a k ż e addycja elektrofilowa d o alkinu w i ą ż e się z u t w o r z e n i e m k a r b o k a t i o n u w i n y l o w e g o (rys. 3). T a k i k a r b o k a t i o n jest z n a c z n i e mniej stabilny niż jego o d p o w i e d n i k powstający p o d c z a s addycji elektro filowej d o a l k e n u . ( 3 )
H C 3
H C—C=C —CH 3
v
/ B
b
r
C= C
3
,/
1 równoważnik
H h C— C = C —CH 3
2 równoważniki
V-,.
Br
H CH3 z (a) 1 równoważnikiem bromowodoru;
Rys. 2. Reakcja 2-butynu
HC—C=C—CH 3
HBr ,
© / HC—C = C
3
3
I Rys. 3. Addycja
elektrofilowa
C
H
Br
H3C—C—C—CHa
*~
3
/
B, H (b) 2 równoważnikami bromowodoru
3
H
HBr
*
C
N
H
B
do alkinu przez stadium karbokationu
winylowego
\
™ ,
C—C
/
\
(I)
Z e w z g l ę d u n a obniżoną r e a k t y w n o ś ć alkiny reagują b a r d z o w o l n o z w o d n y m i r o z t w o r a m i k w a s ó w . K o n i e c z n e jest d o d a n i e d o m i e s z a n i n y r e a k c y j n e j s i a r c z a n u ( V I ) rtęci(II) j a k o k a t a l i z a t o r a . M o g l i b y ś m y o c z e k i w a ć , ż e p r o d u k t e m reakcji b ę d z i e d i o l (rys. 4 ) . W r z e c z y w i s t o ś c i j e d n a k d i o l n i e p o w s t a j e . P r o d u k t p o ś r e d n i (enol) ulega b o w i e m katalizowanemu przez k w a s p r z e g r u p o w a n i u d o ketonu (rys. 5). Z j a w i s k o t o n a z y w a m y t a u t o m e r i ą k e t o - e n o l o w ą ( t e m a t J2).
+
HaC — C = C — CH
H /H 0 ^ » HgS0 2
3
HoC \
4
H / C= C / \ HO CH 3
+
H /H 0 , ^ » HgS0 2
4
3
z wodnym roztworem
kwasu i siarczanem(VI)
J
3
3
produkt pośredni Rys. 4. Reakcja 2-butynu
HO H \ / H C — C — C —H / \ HO CH diol
rtęci(ll)
HC
H
3
c=c
CH H
HC
H
3
N
o'
3
CH
3
enol
Rys. 5. Tautomena
keto-enolowa
Tautomeria to określenie oznaczające szybkie wzajemne przekształce nia dwóch form izomerycznych (tautomerów) — w tym w y p a d k u keto n o w e g o i enolowego tautomeru ketonu. W p r z y p a d k u ketonów, tautom e r ketonowy w o g r o m n y m stopniu dominuje nad tautomerem enolow y m , o b e c n y m w m i e s z a n i n i e w n i e z w y k l e m a ł y c h ilościach (zwykle 0,0001%). A z a t e m f o r m a e n o l o w a — n a t y c h m i a s t p o jej u t w o r z e n i u w p o w y ż s z e j reakcji — t a u t o m e r y z u j e d o f o r m y k e t o n o w e j , c o z a p o b i e g a d a l s z e m u b i e g o w i reakcji a d d y c j i e l e k t r o f i l o w e j . Addycja do alkinów terminalnych
Jeśli a l k i n t e r m i n a l n y t r a k t u j e się n a d m i a r e m f l u o r o w c o w o d o r u , o b a a t o m y fluorowca przyłączają się d o k o ń c a wiązania potrójnego o w y ż s z y m s t o p n i u p o d s t a w i e n i a (rys. 6). Jest t o k o l e j n y p r z y k ł a d d z i a ł a n i a r e g u ł y M a r k o w n i k o w a , k t ó r a m ó w i , że kolejne a t o m y w o d o r u przyłączają się d o tego a t o m u węgla, p r z y któ r y m p o c z ą t k o w o z n a j d u j e się w i ę c e j a t o m ó w w o d o r u ( t e m a t y H 4 i H 5 ) . T a s a m a r e g u ł a o b o w i ą z u j e w p r z y p a d k u reakcji z k w a s e m i s i a r c z a n e m ( V l ) rtęci(II), co o z n a c z a , ż e w y n i k i e m p r o c e s u — o r a z n a s t ę p u j ą c e g o p o n i m d z i a ł a n i a t a u t o m e r i i k e t o - e n o l o w e j — jest k e t o n , a n i e a l d e h y d (rys. 7).
HBr
HaC^
H
Br
H
HC — C — C — H
3
3
N
produkt pośredni Rys. 6. Reakcja propynu
HC—C = 3
z HBr
C—H
H* HgS0
HC 3
H
/ HQ
+
H /H Q
z wodnym
H C^
H
O
H
3
2
2
4
HO
H
HgSOa
produkt pośredni Rys. 7. Reakcja propynu
\ H / B/ H
Br
HBr
HC —C = C —H
roztworem
kwasu i siarczanem
rtęci(ll)
REDUKCJA ALKINÓW
Hasła Alkiny t r a k t o w a n e g a z o w y m w o d o r e m n a katalizatorze p l a t y n o w y m ulegają redukcji d o a l k a n ó w . D o cząsteczki a l k i n u przyłączają się d w i e cząsteczki w o d o r u , a p r o d u k t e m p o ś r e d n i m jest alken. Redukcję m o ż n a z a t r z y m a ć na etapie a l k e n u , jeśli użyje się mniej a k t y w n e g o — albo z a t r u t e g o — katalizatora. P o n i e w a ż o b a a t o m y w o d o r u przyłączają się p o tej samej stronie w i ą z a n i a potrójnego, w reakcji p o w s t a j e s t e r e o i z o m e r (Z) a l k e n u .
Uwodornienie
Redukcja rozpuszczonymi metalami
A l k i n y m o ż n a z r e d u k o w a ć d o (E)-alkenów, działając n a nie s o d e m lub litem r o z p u s z c z o n y m w c i e k ł y m a m o n i a k u .
Tematy pokrewne
Uwodornienie
I z o m e r y konfiguracyjne — alkeny i c y k l o a l k a n y (D2) M e c h a n i z m y (F2)
Redukcja i utlenianie a l k e n ó w (H6)
W obecności m e t a l i c z n e g o katalizatora alkiny reagują z g a z o w y m w o d o r e m . P r o c e s t e n n o s i n a z w ę u w o d o r n i e n i a i jest p r z y k ł a d e m reakcji r e d u k c j i . Jeśli u ż y w a s i ę w y s o k o a k f y w n e g o k a t a l i z a t o r a , t a k i e g o j a k p l a t y n a , d o c z ą s t e c z k i a l k i n u p r z y ł ą c z a j ą się d w i e c z ą s t e c z k i w o d o r u , dając a l k a n (rys. 1). W t r a k c i e reakcji d o w i ą z a n i a p o t r ó j n e g o p r z y ł ą c z a s i ę n a j p i e r w j e d n a cząsteczka w o d o r u i powstaje p r o d u k t p o ś r e d n i — alken. Reaguje on n a s t ę p n i e z d r u g ą c z ą s t e c z k ą w o d o r u , t w o r z ą c a l k a n . Jeśli stosuje się m n i e j a k t y w n e k a t a l i z a t o r y , m o ż n a z a t r z y m a ć reakcję n a e t a p i e a l k e n u . S z c z e g ó l n y m p r z y k ł a d e m takiego p r o c e s u jest synteza (Z)-alkenów p r z e z redukcję alkinów g a z o w y m w o d o r e m w obecności katalizatora Lindlara (rys. 2). K a t a l i z a t o r L i n d l a r a t o m e t a l i c z n y p a l l a d o s a d z o n y n a w ę g l a n i e w a p n i a i t r a k t o w a n y o c t a n e m o ł o w i u i c h i n o l i n ą . C e l e m tej c h e m i c z n e j o b r ó b k i jest „ z a t r u c i e " (obniżenie a k t y w n o ś c i ) katalizatora. W rezultacie r e a k c j a a l k i n u z w o d o r e m p r o w a d z i d o a l k e n u , p o c z y m z a t r z y m u j e się. P o n i e w a ż w y j ś c i o w y s u b s t r a t jest z a a b s o r b o w a n y n a p o w i e r z c h n i k a t a l i z a t o r a , o b a a t o m y w o d o r u p r z y ł ą c z a j ą s i ę p o tej s a m e j s t r o n i e w i ą z a n i a p o t r ó j n e g o i w r e z u l t a c i e t w o r z y się w y ł ą c z n i e i z o m e r (Z).
2H
2
R — C = C —R Pt
Rys. 1. Redukcja
alkinu do
alkanu
R R \ / H— C— C H / \ H H
katalizator Lindlara albo katalizator P-2
R \
H
/ H
R—C=C—R
Rys. 2. Redukcja
R / C= C
alkinu do
2
\ H
(Z)-aikenu
I n n y m katalizatorem, za pomocą którego m o ż n a osiągnąć ten sam r e z u l t a t , jest b o r e k n i k l u (Ni2B) — k a t a l i z a t o r P - 2 . Redukcja rozpuszczonymi metalami
M o ż l i w a jest także redukcja alkinu d o (E)-alkenu. W t y m celu n a l e ż y u ż y ć metalicznego s o d u l u b litu r o z p u s z c z o n e g o w ciekłym a m o n i a k u ; reakcję p r o w a d z i s i ę w niskiej t e m p e r a t u r z e (rys. 3). P r o c e s t e n o k r e ś l a s i ę jako redukcję rozpuszczonymi metalami. W reakcji tej e l e k t r o n w a l e n c y j n y z a t o m u m e t a l u a l k a l i c z n e g o p r z y ł ą c z a n y jest d o c z ą s t e c z k i a l k i n u , d a j ą c a n i o n o r o d n i k (rys. 4). R o d n i k ten o d r y w a p r o t o n z cząsteczki a m o n i a k u , w w y n i k u czego powstaje rodnik winylowy. Przyłączenie elektronu pochodzącego od drugiego a t o m u m e t a l u alkalicznego p r o w a d z i d o p o w s t a n i a a n i o n u frons-winylow e g o , d o k t ó r e g o z k o l e i p r z y ł ą c z a się d r u g i p r o t o n ( o d d r u g i e j c z ą s t e c z k i a m o n i a k u ) ; p r o d u k t e m c a ł e g o p r o c e s u j e s t a l k e n o k o n f i g u r a c j i trans l u b (E). W a r t o z w r ó c i ć u w a g ę , ż e w z a p i s i e reakcji u ż y t e są z a k r z y w i o n e strzałki z p o j e d y n c z y m i g r o t a m i , p o n i e w a ż jest to reakcja r o d n i k o w a , w której m a m y d o czynienia z r u c h e m p o j e d y n c z y c h e l e k t r o n ó w ( t e m a t F2). 1. Na lub LI
wNH
3
R—C=C—R
R \
*
/
2. NH CI 4
H Rys. 3. Redukcja
+
e0
\
—C=C—R
0
0
„c=c
alkinu do
redukcji
\ R
(E)-alkenu
H-NH,
\
anionorodnik 3ys. 4. Mechanizm
H /
alkinu za pomocą
rodnik winylowy rozpuszczonego
anion winylowy metalu
1
10
ALKILOWANIE ALKINÓW TERMINALNYCH
Hasła Alkiny terminalne
A l k i n a m i t e r m i n a l n y m i n a z y w a m y takie alkiny, w k t ó r y c h p r z y jednym z atomów węgla połączonych wiązaniem potrójnym w y s t ę p u j e p o d s t a w n i k w o d o r o w y . W o d ó r w alkinach t e r m i n a l n y c h w y k a z u j e słabe właściwości k w a s o w e i m o ż n a g o u s u w a ć za p o m o c ą m o c n y c h z a s a d , takich jak a m i d e k s o d u , otrzymując a n i o n acetylenkowy.
Alkilowanie
Anion acetylenkowy pod w p ł y w e m pierwszorzędowego halogenku a l k i l o w e g o daje d w u p o d s t a w i o n y alkin.
Tematy p o k r e w n e K w a s y i z a s a d y Bransteda-Lowry'ego (Gl)
Alkiny terminalne
Substytuq"a nukleofilowa (L2) Reakcja eliminacji (L4)
Alkin, w którym p r z y j e d n y m z a t o m ó w węgla połączonych wiązaniem potrójnym występuje podstawnik w o d o r o w y , n a z y w a m y alkinem termi n a l n y m (rys. 1). W o d ó r t e n w y k a z u j e c h a r a k t e r k w a s o w y i d a j e s i ę u s u wać p o d w p ł y w e m mocnych zasad (np. amidku sodu NaNHz); w wy n i k u reakcji o t r z y m u j e m y a n i o n a c e t y l e n k o w y (rys. 2). Jest t o p r z y k ł a d reakcji k w a s - z a s a d a ( t e m a t G l ) .
R—C= —H C
Rys. 1. Alkin
terminalny
R—c=c—H kwas Rys. 2. Reakcja
Alkilowanie
+N : H— 0
2
zasada terminalnego
alkinu z mocną
0
R—c=c:
+ N :H 3
anion acetylenkowy zasadą
Działając n a p o w s t a ł y a n i o n a c e t y l e n k o w y h a l o g e n k a m i a l k i l o w y m i , m o ż e m y o t r z y m a ć a l k i n y o b a r d z i e j z ł o ż o n e j b u d o w i e (rys. 3). Z p u n k t u w i d z e n i a a n i o n u a c e t y l e n k o w e g o m a m y t u d o c z y n i e n i a z reakcją a l k i l o w a n i a , a z p u n k t u w i d z e n i a h a l o g e n k u a l k i l o w e g o jest t o s u b s t y t u c j a n u k l e o f i l o w a ( t e m a t L2).
a R — C = C: anion acetylenkowy
+
Rys. 3. Reakcja
R—X halogenek alkilu
R — C = C — R'
anionu acetylenkowego
z halogenkiem
alkilu
N a j ł a t w i e j reakcja z a c h o d z i p r z y u ż y c i u p i e r w s z o r z ę d o w y c h h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h . Jeśli d z i a ł a s i ę h a l o g e n k a m i d r u g o - l u b t r z e c i o r z ę d o w y m i , a n i o n a c e t y l e n k o w y z a c h o w u j e się j a k z a s a d a ; reakcja p r o w a d z i w ó w c z a s d o eliminacji f l u o r o w c o w o d o r u z h a l o g e n k u alkilowego i p o w s t a n i a a l k e n u ( t e m a t L4, rys. 4).
©
\
R — C = C:
+
anion acetylenkowy Rys. 4. Eliminacja
HBr
r
\
H—C — C —H / \ H CH 3
+~
R
C=C—H
+
/ H
/ C:=C
\ CH
& + 3
Br
!
1
SPRZĘŻONE DIENY
Hasła S p r z ę ż o n y dien z a w i e r a d w a w i ą z a n i a p o d w ó j n e p r z e d z i e l o n e wiązaniem pojedynczym.
Struktura
„ P o j e d y n c z e " w i ą z a n i e przedzielające d w a w i ą z a n i a p o d w ó j n e w s p r z ę ż o n y m d i e n i e w y k a z u j e c z ę ś c i o w o charakter w i ą z a n i a p o d w ó j n e g o . M o ż l i w e są d w a w y t ł u m a c z e n i a tego faktu. P o p i e r w s z e , w y k o r z y s t a n i e p r z y t w o r z e n i u w i ą z a n i a a orbitalu z h y b r y d y z o w a n e g o sp m o ż e p r o w a d z i ć d o p o w s t a n i a k r ó t s z e g o w i ą z a n i a . Po d r u g i e , u k ł a d y e l e k t r o n ó w o b u a l k e n o w y c h części cząsteczki m o g ą n a k ł a d a ć się n a siebie, dając w w y n i k u w i ą z a n i e o c z ę ś c i o w y m c h a r a k t e r z e wiązania p o d w ó j n e g o .
Wiązania
2
Addycja elektrofilowa d o d i e n u p r o w a d z i d o m i e s z a n i n y p r o d u k t ó w powstających w w y n i k u d w ó c h p r o c e s ó w : addycji 1,2 o r a z addycji 1,4. Reakcja z a c h o d z i p r z e z s t a d i u m k a r b o k a t i o n u aflilowego, który jest s t a b i l i z o w a n y p r z e z de!okaIizaq'ę i k t ó r y jest o d p o w i e d z i a l n y za powstawanie dwóch produktów.
Addycja elektrofilowa
O g r z e w a n i e s p r z ę ż o n e g o d i e n u z a l k e n e m w y k a z u j ą c y m deficyt e l e k t r o n o w y p r o w a d z i d o p o w s t a n i a pierścienia c y k l o h e k s e n o w e g o . Jest to z s y n c h r o n i z o w a n y p r o c e s przebiegający bez p r o d u k t ó w pośrednich.
Cykloaddycja Dielsa-Aldera
Tematy
pokrewne
2
H y b r y d y z a c j a sp (A4) M o c k w a s ó w (G2) J o n y e n o l a n o w e (G5)
A d d y c j a elektrofilowa d o a l k e n ó w p o d s t a w i o n y c h s y m e t r y c z n i e (H3) A d d y c j a elektrofilowa d o a l k e n ó w p o d s t a w i o n y c h n i e s y m e t r y c z n i e (H4)
Struktura
W s p r z ę ż o n y m dienie występują d w a wiązania podwójne przedzielone w i ą z a n i e m p o j e d y n c z y m (rys. la). D i e n y , w k t ó r y c h w i ą z a n i a p o d w ó j n e p r z e d z i e l o n e są w i ę c e j n i ż j e d n y m w i ą z a n i e m p o j e d y n c z y m , n a z y w a s i ę dienami niesprzężonymi.
Wiązania
C z ą s t e c z k a s p r z ę ż o n e g o d i e n u n i e z a c h o w u j e się j a k d w i e o s o b n e cząste-i c z k i a l k e n ó w . N a p r z y k ł a d d ł u g o ś ć „ p o j e d y n c z e g o " w i ą z a n i a łączącego; d w i e r e s z t y a l k e n o w e jest n i e c o m n i e j s z a n i ż w p r z y p a d k u t y p o w e g o ; w i ą z a n i a p o j e d y n c z e g o (0,148 n m z a m i a s t 0,154 n m ) , c o ś w i a d c z y o t y m , że w i ą z a n i e to m a częściowo c h a r a k t e r wiązania p o d w ó j n e g o . M o ż n a t o wyjaśniać na d w a sposoby. Po pierwsze, w s p o m n i a n e wiązanie łączy
\ —
H
\
H \
CH2 — CH3
C—CH3
/
C= C / \ C= C H / \ H3C H Rys. 1. (a) Dien sprzężony;
H \ / H3C (b) dien
//
CH — C
/ C= C \ H
2
\ H
niesprzężony
2
d w a a t o m y w ę g l a o h y b r y d y z a c j i sp , a n i e s p . T a k w i ę c p o j e d y n c z e w i ą z a n i e o jest w t y m w y p a d k u u t w o r z o n e p r z y w y k o r z y s t a n i u h y b r y d sp k a ż d e g o z a t o m ó w węgla*. P o n i e w a ż t e n t y p h y b r y d y w w i ę k s z y m s t o p n i u n i ż h y b r y d a s p m a c h a r a k t e r o r b i t a l u s, m o ż n a się s p o d z i e w a ć , ż e u t w o r z o n e z jej u d z i a ł e m w i ą z a n i e b ę d z i e k r ó t s z e . A l t e r n a t y w n y m w y j a ś n i e n i e m m o ż e b y ć n a k ł a d a n i e się o r b i t a l i 71 o b u g r u p a l k e n o w y c h , prowadzące do wiązania o częściowym charakterze wiązania podwój n e g o (rys. 2). 3
2
3
Rys. 2. Nakładanie
Addycja (przyłączenie) elektrofilowa
się orbitali
n
Jeśli p r z e a n a l i z u j e s i ę reakcje, j a k i m ulegają s p r z ę ż o n e d i e n y , w i d a ć , ż e charakterystyczny dla nich układ w i ą z a ń p o w i n i e n być traktowany jako o d r ę b n a g r u p a funkcyjna, a nie jak połączenie d w ó c h o s o b n y c h cząste c z e k a l k e n ó w . A d d y c j a e l e k t r o f i l o w a d o s p r z ę ż o n e g o d i e n u daje w r e z u l tacie m i e s z a n i n ę d w ó c h p r o d u k t ó w o t r z y m y w a n y c h w w y n i k u addycji 1,2 i a d d y c j i 1,4 (rys. 3). P r z y a d d y c j i 1,2 n a s t ę p u j e p r z y ł ą c z e n i e n o w y c h a t o m ó w d o o b u k o ń c ó w j e d n e g o i t e g o s a m e g o w i ą z a n i a p o d w ó j n e g o . Jest t o t y p o w a a d d y c j a e l e k t r o f i l o w a , d o b r z e n a m j u ż z n a n a ( t e m a t y H 3 i H 4 ) . Z kolei p o d c z a s a d d y c j i 1,4 n o w e a t o m y p r z y ł ą c z a j ą s i ę d o o b u k o ń c ó w c a ł e g o u k ł a d u d i e n o w e g o . C o więcej, t o w a r z y s z y t e m u przemieszczenie wiązania p o d w ó j n e g o ( i z o m e r y z a c j a ) d o p o z y c j i 2,3. Jeśli c h o d z i o m e c h a n i z m reakcji, a d d y c j a 1,4 r o z p o c z y n a s i ę t a k s a m o jak t y p o w a addycja elektrofilowa. Jako p r z y k ł a d r o z p a t r z y m y reakcję s p r z ę ż o n e g o d i e n u z b r o m o w o d o r e m (rys. 4). E l e k t r o n y 71 — t w o r z ą c e w d i e n i e j e d n o z w i ą z a ń p o d w ó j n y c h — w y k o r z y s t a n e zostają d o u t w o rzenia wiązania z elektrofilowym w o d o r e m p o c h o d z ą c y m z HBr. W t y m 3
* A nie sp , jak w przypadku typowego wiązania pojedynczego C-C — przyp- tłum.
CH
\
3
/
H
H \
c—c C—C /
\
H
\
/
C
H
H
]
CrzC /
\
C — C — H
a
3
[BrJ
3
a d d y q a 1.2 (b)
H
CH
3
C= C \
H
HBr
/
CH
H
3
/
H
3
CH
3
H
\
H C—C—C.
c=c
addycja 1.4
C—C
\
C—C
H
H C-C—(/
^
3
HC
d
3
£" addycja 1,4
addycja 1,2 fiys. 3. Addycja
elektrofilowa
do sprzężonego
H H CH
. . 0
3
:er:
C=c
H C7\
/
\ H
Cr^c
dienu: (a) bromu; (b) HBr
H CH HC-C —C ^ H
H
3
C= C
/
3
3
addycji
1,4 — pierwszy
/
3
H
^
H H
Y
o " Rys. 4. Mechanizm
CH
H C-C —C
3
/
3
C—C—H
HC-C—c/ j g
H
HC
CH
H
etap
s a m y m czasie z e r w a n i u ulega wiązanie H - B r , co p r o w a d z i d o p o w s t a n i a jonu b r o m k o w e g o . W p o ś r e d n i m karbokationie p o d w ó j n e wiązanie znaj duje się obok c e n t r u m ł a d u n k u d o d a t n i e g o ; p r o d u k t ten określamy jako karbokation allilowy. W p o w s t a ł y m p r o d u k c i e m o ż l i w e jest w y s t ę p o w a n i e zjawiska rezo n a n s u ( t e m a t y G 2 i G5) o b e j m u j ą c e g o p o z o s t a ł e w i ą z a n i e p o d w ó j n e i c e n -
^CHa
HC-C—C 3
H CH \ = C
3
H
\
H C—C—C
/
\
3
H
;śr:®
^
^
CH
3
HC-C—C ^ H 3
H
"
\
H
<Ms
N
H
C—C
//
HgC-C—C
addycja 1,2
Rys. 5. Mechanizm
H
addycja 1,4
addycji
1,2 i 1,4 — drugi
etap
H
\_
[Br]
H11 - S p r z ę ż o n e d i e n
157
t r u m ł a d u n k u dodatniego; w w y n i k u rezonansu następuje przemieszcza n i e się ł a d u n k u d o d a t n i e g o m i ę d z y a t o m a m i węgła 2 i 4. Delokalizacja p o w o d u j e stabilizację k a r b o k a t i o n u , c o z k o l e i t ł u m a c z y d w i e c h a r a k t e r y s t y c z n e c e c h y t e g o p r o c e s u . P o p i e r w s z e , m o ż l i w e jest p o w s t a n i e d w ó c h r ó ż n y c h p r o d u k t ó w , j a k o ż e w d r u g i m e t a p i e reakcji n a s t ę p u j e a t a k a n i o n u b r o m k o w e g o a l b o n a p o z y c j ę 2, a l b o n a p o z y c j ę 4 (rys. 5). P o d r u g i e , j a s n e s i ę staje, d l a c z e g o w reakcji n i e p o w s t a j e a l t e r n a t y w n y p r o d u k t a d d y c j i 1,2 (rys. 6). P r o w a d z ą c y d o t e g o p r o d u k t u k a r b o k a t i o n n i e m o ż e b o w i e m być stabilizowany przez rezonans. Proces przebiega więc przez stadium karbokationu allilowego.
H H
\
CH
/
CZZC
C= C
/
HC 3
H
3
HBr
\
c
® / - ? \ .H HC
H
Rys, 6. Niekorzystny
Cykloaddycja Dielsa-Aldera
3
mechanizm
\
3
/
C H 3
c=c
\
H
\
CH
c=c
H
H
H C - C — C/
\H
3
H
H
reakcji
Reakcja c y k l o a d d y c j i D i e l s a - A l d e r a j e s t w a ż n ą m e t o d ą s y n t e z y p i e r ś c i e n i s z e ś c i o c z ł o n o w y c h . W reakcji b i e r z e u d z i a ł s p r z ę ż o n y d i e n i z w i ą z e k z a w i e r a j ą c y w i ą z a n i e p o d w ó j n e (rys. 7). Z w i ą z k i t e g o t y p u o k r e ś l a s i ę j a k o d i e n o f i l e ( „ l u b i ą c e d i e n y " ) ; z w y k l e mają o n e g r u p y f u n k c y j n e wyciągające elektrony (np. g r u p ę karbonylową albo nitrylową). Mecha n i z m reakcji p o l e g a n a j e d n o c z e s n y m u t w o r z e n i u n o w y c h w i ą z a ń i z e r w a n i u w i ą z a ń s t a r y c h (rys. 8). W p r o c e s i e n i e p o w s t a j ą p r o d u k t y pośrednie.
Rys. 7. Cykloaddycja
Rys. 8. Mechanizm
Dielsa-Aldera
cykloaddycji
Dielsa-Aldera
CHARAKTER AROMATYCZNY
Hasła Z w i ą z k i a r o m a t y c z n e , takie jak b e n z e n , wykazują większą t r w a ł o ś ć , niż w y n i k a ł o b y t o z ich s t r u k t u r y . W c h o d z ą o n e w reakcje c h e m i c z n e , z a c h o w u j ą c swój pierścień a r o m a t y c z n y ; p o d w z g l ę d e m c h e m i c z n y m zachowują się inaczej n i ż alkeny i p o l i e n y .
Defmicja
Cząsteczki z w i ą z k ó w a r o m a t y c z n y c h są cykliczne i płaskie; z b u d o w a n e są z a t o m ó w , w których w y s t ę p u j e h y b r y d y z a c j a sp . Stosują się o n e d o r e g u ł y Hiickla i zawierają An + 2 e l e k t r o n ó w JT, g d z i e n = 1, 2, 3... U k ł a d y a r o m a t y c z n e m o g ą b y ć m o n o - l u b połicykliczne, elektrycznie obojętne l u b n a ł a d o w a n e .
Reguła Hiickla
2
Tematy pokrewne
Definicja
2
H y b r y d y z a c j a sp (A4)
N a z w ę aromatyczny zastosowano początkowo w odniesieniu d o ben zenu i jego p o c h o d n y c h ze w z g l ę d u n a charakterystyczny zapach tych związków, ale w e współczesnej chemii termin ten m a inne znaczenie. Z w i ą z k i a r o m a t y c z n e ulegają c h a r a k t e r y s t y c z n y m r e a k c j o m , k t ó r e o d r ó żniają j e o d i n n y c h t y p ó w z w i ą z k ó w o r g a n i c z n y c h . Są t o s u b s t a n c j e d w y s o k i m s t o p n i u nienasycenia, ale w p o r ó w n a n i u z a l k e n a m i i alkin a m i są o n e s t o s u n k o w o m a ł o r e a k t y w n e i w c h o d z ą w reakcje c h e m i czne, które pozwalają i m z a c h o w a ć charakter nienasycony. P o w o d y szczególnej trwałości pierścienia b e n z e n o w e g o p r z e d y s k u t o w a l i ś m y już w t e m a c i e A 4 . P i e r ś c i e ń b e n z e n o w y jest s t r u k t u r ą s z e ś c i o c z ł o n o w ą , w k t ó r e j f o r m a l n i e m o ż n a w y r ó ż n i ć t r z y w i ą z a n i a p o d w ó j n e (rys. la). J e d n a k ż e s z e ś c i u e l e k t r o n ó w JI o b e c n y c h w c z ą s t e c z c e n i e d a s i ę z l o k a l i z o w a ć m i ę d z y k o n k r e t n y m i a t o m a m i w ę g l a . Są o n e z d e l o k a l i z o w a n e w o b r ę b i e c a ł e g o p i e r ś c i e n i a , c o jest p r z y c z y n ą z w i ę k s z o n e j j e g o trwałości. Z tego właśnie p o w o d u często u ż y w a n y symbol b e n z e n u m a w ś r o d k u kółko, które podkreśla delokalizację sześciu elektronów n (rys. Ib). Reakcje, k t ó r e z n o s z ą m o ż l i w o ś ć d e l o k a l i z a c j i e l e k t r o n ó w J T , n i e zachodzą łatwo, ponieważ prowadzą d o mniej trwałych p r o d u k t ó w ; dla-
Rys. 1. Symbole
benzenu
tego b e n z e n w c h o d z i p r z e d e w s z y s t k i m w te reakcje, które pozwalają zachować układ aromatyczny. Wszystkie sześć a t o m ó w węgla w pier ś c i e n i u m a h y b r y d y z a c j ę sp ; c z ą s t e c z k a j e s t c y k l i c z n a i p ł a s k a , c o jest n i e z b ę d n e , a b y n i e b i o r ą c e u d z i a ł u w h y b r y d y z a c j i o r b i t a l e a t o m o w e 2p w s z y s t k i c h a t o m ó w w ę g l a m o g ł y się n a k ł a d a ć , a t o z k o l e i jest w a r u n k i e m delokalizacji e l e k t r o n ó w . 2
Reguła Hiickła
C e c h y c h a r a k t e r y s t y c z n e z w i ą z k ó w a r o m a t y c z n y c h to płaskie i cykliczne cząsteczki ze s p r z ę ż o n y m u k ł a d e m w i ą z a ń p o d w ó j n y c h , z b u d o w a n e z a t o m ó w w ę g l a o h y b r y d y z a q ' i sp . Z w i ą z k i t e m u s z ą t a k ż e s t o s o w a ć się d o r e g u ł y H i i c k l a . M ó w i o n a , ż e l i c z b a e l e k t r o n ó w JI w u k ł a d z i e a r o m a t y c z n y m m u s i b y ć r ó w n a 4n + 2, g d z i e n = 1, 2, 3 i t d . T a k w i ę c c h a r a k t e r a r o m a t y c z n y mają te u k ł a d y p i e r ś c i e n i o w e , w k t ó r y c h liczba e l e k t r o n ó w jt w y n o s i 6 , 1 0 , 1 4 i t d . B e n z e n s p e ł n i a r e g u ł ę H i i c k l a , p o n i e w a ż m a 6 e l e k t r o n ó w JT. C y k l o o k t a t e t r a e n m a o s i e m e l e k t r o n ó w n, a z a t e m n i e s p e ł n i a 2
Rys. 2. (a) Cyklooktatetraen;
(b) 18-członowy
pierścień
aromatyczny
reguły Hiickła. C h o ć w e wszystkich a t o m a c h węgla w cząsteczce cyklook t a t e t r a e n u w y s t ę p u j e h y b r y d y z a c j a sp , z w i ą z e k t e n z a c h o w u j e się j a k s p r z ę ż o n y a l k e n . J e g o c z ą s t e c z k a n i e j e s t p ł a s k a , e l e k t r o n y JI n i e są z d e l o kalizowane, a w pierścieniu występują na przemian wiązania pojedyncze i p o d w ó j n e (rys. 2o). N a t o m i a s t 1 8 - c z ł o n o w a s t r u k t u r a c y k l i c z n a z rysurtku 2b s p e ł n i a r e g u ł ę H i i c k l a (dla n - 4); j e s t t o p ł a s k a c z ą s t e c z k a o c h a r a k t e r z e a r o m a t y c z n y m i z u k ł a d e m z d e l o k a l i z o w a n y c h e l e k t r o n ó w n. 2
Rys. 3. (a) Anion cyklopentadienylowy;
Rys. 4. (a) Naftalen;
(b) antracen;
(c)
benzofajpiren
(b) kation
cykloheptatńenylowy
i»1
M o ż l i w e jest też istnienie a r o m a t y c z n y c h jonów. Z a r ó w n o anion c y k l o p e n t a d i e n y l o w y , j a k i k a t i o n c y k l o h e p t a t r i e n y l o w y (rys. 3) mają c h a r a k t e r a r o m a t y c z n y . O b i e s t r u k t u r y są c y k l i c z n e i p ł a s k i e , z a w i e r a j ą p o 6 e l e k t r o n ó w jt, a w s z y s t k i e a t o m y w p i e r ś c i e n i u m a j a h y b r y d y z a cję sp . U k ł a d y bicykliczne i policykliczne r ó w n i e ż mogą mieć charakter aro m a t y c z n y (rys. 4 ) . 2
OTRZYMYWANIE I WŁAŚCIWOŚCI ZWIĄZKÓW AROMATYCZNYCH
Hasła Proste z w i ą z k i a r o m a t y c z n e , takie jak b e n z e n , t o l u e n czy naftalen, w y o d r ę b n i a się z s u r o w c ó w n a t u r a l n y c h i przekształca w bardziej z ł o ż o n e substancje a r o m a t y c z n e .
Otrzymywanie
Wiele z w i ą z k ó w a r o m a t y c z n y c h m a c h a r a k t e r y s t y c z n y z a p a c h i spala się k o p c ą c y m p ł o m i e n i e m . Są t o substancje n i e p o l a r n e i h y d r o f o b o w e , lepiej r o z p u s z c z a l n e w r o z p u s z c z a l n i k a c h o r g a n i c z n y c h n i ż w w o d z i e . Cząsteczki z w i ą z k ó w o r g a n i c z n y c h m o g ą o d d z i a ł y w a ć w z a j e m n i e z e sobą z a p o ś r e d n i c t w e m sił v a n d e r W a a l s a albo — w obecności k a t i o n ó w — jako d i p o l e i n d u k o w a n e . Z w i ą z k i a r o m a t y c z n e w c h o d z ą w te reakcje c h e m i c z n e , w k t ó r y c h ich a r o m a t y c z n y c h a r a k t e r zostaje z a c h o w a n y . Najczęściej s p o t y k a n y m t y p e m takich reakcji jest substytucja elektrofilowa. W p e w n y c h w a r u n k a c h m o ż l i w a jest j e d n a k r ó w n i e ż redukcja pierścienia.
Właściwości
Tematy p o k r e w n e
Substytucja elektrofilowa b e n z e n u (13)
Utlenianie i redukcja (17)
Otrzymywanie
W p r a k t y c e laboratoryjnej n i e p r z e p r o w a d z a się pełnej syntezy związ k ó w a r o m a t y c z n y c h z prostych s u b s t r a t ó w . Większość substancji a r o m a tycznych o t r z y m u j e się z b e n z e n u l u b i n n y c h prostych z w i ą z k ó w a r o m a tycznych (np. t o l u e n u i naftalenu), k t ó r e z kolei w y o d r ę b n i a się z e źródeł naturalnych, n p . z p r o d u k t ó w p r z e r o b u węgla lub ropy naftowej.
Właściwości
Wiele z w i ą z k ó w a r o m a t y c z n y c h m a c h a r a k t e r y s t y c z n y z a p a c h i pali się k o p c ą c y m p ł o m i e n i e m . Są t o s u b s t a n c j e h y d r o f o b o w e , n i e p o l a r n e , r o z puszczalne w ropuszczalnikach organicznych i słabo rozpuszczalne w w o d z i e . Cząsteczki związków aromatycznych mogą oddziaływać mię d z y sobą z a p o ś r e d n i c t w e m m i ę d z y c z ą s t e c z k o w y c h sił w i ą ż ą c y c h v a n d e r W a a l s a (rys. la). W o b e c n o ś c i j o n ó w a l k i l o a m o n i o w y c h a l b o j o n ó w m e t a l i m o ż l i w e są t e ż o d d z i a ł y w a n i a m i ę d z y d i p o l a m i i n d u k o w a n y m i . Pod w p ł y w e m dodatniego ł a d u n k u kationu w pierścieniu aromatycz n y m zostaje w y i n d u k o w a n y d i p o l . C e n t r a l n a c z ę ś ć p i e r ś c i e n i a staje s i ę ośrodkiem cząstkowego ł a d u n k u ujemnego, a jego brzegi — ośrodkiem c z ą s t k o w e g o ł a d u n k u d o d a t n i e g o (rys. Ib). K a t i o n zostaje s c h w y t a n y m i ę d z y d w a pierścienie aromatyczne. Z w i ą z k i a r o m a t y c z n e są n i e z w y k l e s t a b i l n e i n i e r e a g u j ą w s p o s ó b c h a r a k t e r y s t y c z n y d l a a l k e n ó w . C h ę t n i e j ulegają r e a k c j o m , w k t ó r y c h
(b)
R—NH ©
oddziaływania van der Waalsa
3
oddziaływania między dipolami indukowanymi Rys. 1. Wiązania międzycząsteczkowe
z udziałem
pierścieni
aromatycznych
t r w a ł y p i e r ś c i e ń a r o m a t y c z n y zostaje z a c h o w a n y . Najczęściej s p o t y k a n y m r o d z a j e m reakcji, k t ó r y m ulegają p i e r ś c i e n i e a r o m a t y c z n e , jest s u b s t y t u c j a e l e k t r o f i l o w a , a l e m o ż l i w a jest t e ż r e d u k c j a p i e r ś c i e n i a .
SUBSTYTUCJA ELEKTROFILOWA BENZENU
Hasła Substytucja ( p o d s t a w i e n i e ) elektrofilowa o z n a c z a z a m i a n ę j e d n e g o c z y n n i k a elektrofilowego ( p r o t o n u ) o b e c n e g o w pierścieniu a r o m a t y c z n y m n a i n n y . Pierścień a r o m a t y c z n y n i e zostaje w w y n i k u reakcji n a r u s z o n y . Substytucja elektrofilowa p r z e b i e g a w d w ó c h e t a p a c h . W etapie p i e r w s z y m d w a e l e k t r o n y it z pierścienia t w o r z ą w i ą z a n i e z elektrofilem, w w y n i k u czego p o w s t a j e d o d a t n i o n a ł a d o w a n y p r o d u k t p o ś r e d n i . W d r u g i m e t a p i e o d pierścienia odłącza się p r o t o n , a e l e k t r o n y z z e r w a n e g o w i ą z a n i a C - H służą d o o d t w o r z e n i a p i e r w o t n e g o u k ł a d u e l e k t r o n ó w JI i p r z y w r ó c e n i a a r o m a t y c z n e g o c h a r a k t e r u pierścienia. Stabilizacja
D o d a t n i o n a ł a d o w a n y p r o d u k t p o ś r e d n i jest s t a b i l i z o w a n y p r z e z r e z o n a n s p r o w a d z ą c y d o delokalizacji ł a d u n k u d o d a t n i e g o . Ta d o d a t k o w a stabilizacja p r o d u k t u p o ś r e d n i e g o p o w o d u j e , że substytucja elektrofilowa z a c h o d z i łatwiej. B e n z e n m o ż n a p o d s t a w i ć c h l o r e m l u b b r o m e m . P o t r z e b n y jest p r z y t y m k w a s Lewisa, taki jak FeBr3 albo FeCl3, a b y a k t y w o w a ć fluorowiec i z w i ę k s z y ć jego elektrofilowy c h a r a k t e r .
Alkilowanie i acylowanie metodą Friedela-Craftsa
Sulfonowanie i nitrowanie
Ł a ń c u c h y alkilowe m o ż n a p o d s t a w i a ć d o b e n z e n u p r z e z alkilowanie m e t o d ą F r i e d e l a - C r a f t s a , w której stosuje s i ę chlorek alkilu i k w a s Lewisa. T e n ostatni s k ł a d n i k jest istotny, p o n i e w a ż u m o ż l i w i a p o w s t a n i e k a r b o k a t i o n u , k t ó r y w reakcji b i e r z e u d z i a ł jako elektrofil. P i e r w s z o r z ę d o w e chlorki alkilowe n i e najlepiej nadają się d o reakcji F r i e d e l a - C r a f t s a , p o n i e w a ż powstające z n i c h p i e r w s z o r z ę d o w e k a r b o k a t i o n y m o g ą się p r z e g r u p o w y w a ć d o bardziej t r w a ł y c h , 2° i 3° k a r b o k a t i o n ó w . D o alkilowania m e t o d ą F r i e d e l a - C r a f t s a m o ż n a też u ż y ć a l k e n u albo a l k o h o l u w obecności k w a s u n i e o r g a n i c z n e g o . A c y l o w a n i e m e t o d ą F r i e d e l a - C r a f t s a p o l e g a n a reakq'i b e n z e n u z c h l o r k i e m k w a s o w y m i k w a s e m Lewisa. Elektrofilem jest w t y m w y p a d k u powstający w procesie jon acyliowy; m a o n tę p r z e w a g ę n a d k a r b o k a t i o n e m , ż e n i e ulega p r z e g r u p o w a n i u . P r o d u k t e m reakq'i jest a r o m a t y c z n y k e t o n . G r u p ę k e t o n o w ą m o ż n a z r e d u k o w a ć , otrzymując ł a ń c u c h alkilowy, k t ó r y t r u d n o b y ł o b y w p r o w a d z i ć d o pierścienia p r z e z alkilowanie m e t o d ą F r i e d e l a - C r a f t s a . Benzen ulega s u l f o n o w a n i u p o d w p ł y w e m s t ę ż o n e g o k w a s u siarkowego(Vl). Elektrofilem b i o r ą c y m u d z i a ł w reakcji jest tlenek siarki(VI). N i t r o w a n i e z a c h o d z i p o d w p ł y w e m m i e s z a n i n y s t ę ż o n e g o
k w a s u a z o t o w e g o ( V ) i k w a s u s i a r k o w e g o ) V I ) . K w a s siarkowy(VI) o d g r y w a t u rolę k w a s o w e g o katalizatora p o w s t a w a n i a elektrofilowego j o n u n i t r o n i o w e g o . C z y n n i k i elektrofilowe biorące u d z i a ł w o b u tych p r o c e s a c h — s u l f o n o w a n i u i n i t r o w a n i u — s ą na tyle silne, ż e n i e jest w y m a g a n a o b e c n o ś ć k w a s u Lewisa. Tematy pokrewne
M o c k w a s ó w (G2) K w a s y i z a s a d y Lewisa (G4) J o n y e n o l a n o w e (G5) A d d y c j a elektrofilowa d o a l k e n ó w podstawionych symetrycznie (H3)
Definicja
Stabilizacja k a r b o k a t i o n u (H5) Sprzężone dieny ( H l l ) Substytucja elektrofilowa jednopodstawionych pierścieni a r o m a t y c z n y c h (15)
P i e r ś c i e n i e a r o m a t y c z n e ulegają s u b s t y t u c j i ( p o d s t a w i e n i u ) e l e k t r o f i l o w e j . P r z y k ł a d e m takiej.reakcji m o ż e b y ć b r o m o w a n i e b e n z e n u (rys. 1). Reakcja p o l e g a n a z a s t ą p i e n i u j e d n e g o c z y n n i k a e l e k t r o f i l o w e g o ( H ) i n n y m elektrofilem (Br ), p r z y c z y m pierścień a r o m a t y c z n y pozostaje nie zmieniony. Zastąpienie jednego czynnika elektrofilowego i n n y m n a z y w a się w ł a ś n i e s u b s t y t u c j ą e l e k t r o f i l o w a . ( N a o b e c n y m e t a p i e n i e z a j m u j e m y się m e c h a n i z m e m p o w s t a w a n i a k a t i o n u b r o m o w e g o ) . +
+
Rys. 1. Substytucja
Mechanizm
elektrofilowa
benzenu
M e c h a n i z m s u b s t y t u c j i e l e k t r o f i l o w e j p r z e d s t a w i o n y jest n a rysunku 2. Pierścień a r o m a t y c z n y działa jako nukleofil i dostarcza d w ó c h elektro n ó w ii, k t ó r e t w o r z ą w i ą z a n i e z j o n e m B r . P i e r ś c i e ń jest n a t y m e t a p i e reakcji p o z b a w i o n y j e d n e g o z t r z e c h f o r m a l n y c h w i ą z a ń p o d w ó j n y c h ; w rezultacie na j e d n y m z a t o m ó w węgla powstaje ładunek dodatni. Ten e t a p reakq'i p r z e b i e g a p o d o b n i e j a k o p i s a n a w c z e ś n i e j a d d y c j a elektrofi l o w a d o a l k e n ó w . D o d a t n i o n a ł a d o w a n y p r o d u k t p o ś r e d n i jest w i ę c o d p o w i e d n i k i e m karbokationu — p r o d u k t u pośredniego przy addycji e l e k t r o f i l o w e j . J e d n a k ż e w d r u g i m e t a p i e r e a k q ' i z a z n a c z a się r ó ż n i c a +
produkt pośredni ^ '.'echanizm
substytucji
elektrofilowej
m i ę d z y substytucją a addycja elektrofilowa. P o d c z a s g d y karbokation p o w s t a j ą c y z a l k e n u r e a g u j e z n u k l e o f i l e m , dając p r o d u k t a d d y c j i , p r o d u k t p o ś r e d n i t w o r z ą c y się z p i e r ś c i e n i a a r o m a t y c z n e g o traci p r o t o n . W i ą z a n i e a C - H zostaje z e r w a n e , b i o r ą c a z a ś w n i m u d z i a ł p a r a e l e k t r o n o w a p r z e s u w a się d o pierścienia, odtwarzając w i ą z a n i e n oraz a r o m a t y c z n y c h a r a k t e r c z ą s t e c z k i , a t a k ż e zobojętniając ł a d u n e k d o d a t n i n a a t o m i e węgla. Ten s a m m e c h a n i z m opisuje każdą substytucję elektrofilowa. R ó ż n i c e p o l e g a j ą j e d y n i e n a r o d z a j u c z y n n i k a e l e k t r o f i l o w e g o (rys. 3).
Br ;
S ~ 0
0= N=0
O Rys. 3. Przykłady
Stabilizacja produktu pośredniego
czynników
C— R
R— C=
eiektrofilowych
stosowanych
0
W
R w substytucji
elektrofilowej
E t a p e m d e c y d u j ą c y m o s z y b k o ś c i s u b s t y t u c j i e l e k t r o f i l o w e j jest p o w s t a w a n i e d o d a t n i o n a ł a d o w a n e g o p r o d u k t u p o ś r e d n i e g o ; s z y b k o ś ć reakcji zależy więc od energii stanu przejściowego, prowadzącego d o p r o d u k t u pośredniego. Stan przejściowy p r z y p o m i n a s w y m charakterem p r o d u k t p o ś r e d n i i d l a t e g o w s z y s t k i e c z y n n i k i stabilizujące p r o d u k t p o ś r e d n i będą też stabilizowały stan przejściowy i o b m ż a ł y energię aktywacji p r o c e s u . Jeśli w i ę c t r w a ł o ś ć d o d a t n i o n a ł a d o w a n e g o p r o d u k t u p o ś r e d n i e g o m o ż e b y ć d o d a t k o w o z w i ę k s z o n a , s u b s t y t u c j a e l e k t r o f i l o w a staje s i ę b a r dziej p r a w d o p o d o b n a . T a k ą d o d a t k o w ą stabilizację d a j e r o z p r o s z e n i e ł a d u n k u d o d a t n i e g o w o b s z a r z e k i l k u a t o m ó w , czyli j e g o d e l o k a l i z a c j a . Proces, za sprawą którego taka delokalizaq'a zachodzi, nosi n a z w ę rezo n a n s u (rys. 4; p a t r z t a k ż e t e m a t y H l l , G 2 i G 5 ) .
Rys. 4. Stabilizacja
naładowanego
produktu
pośredniego
przez
rezonans
P r o c e s r e z o n a n s u p o l e g a n a z m i a n i e p o ł o ż e n i a d w ó c h e l e k t r o n ó w JI w obrębie pierścienia, w w y n i k u której p r z y d o d a t n i o n a ł a d o w a n y m ato m i e w ę g l a t w o r z y się c z w a r t e w i ą z a n i e , neutralizujące jego ł a d u n e k . W w y n i k u tej z m i a n y i n n y a t o m w ę g l a z o s t a j e p o z b a w i o n y j e d n e g o w i ą z a n i a i staje się z k o l e i c e n t r u m ł a d u n k u d o d a t n i e g o . N a s t ę p n e p r z e sunięcie p a r y elektronów p o z w a l a zobojętnić ten ładunek, przemiesz czając g o k u t r z e c i e m u a t o m o w i w ę g l a . S t r u k t u r y p r z e d s t a w i o n e n a rysunku 4 n a z y w a m y s t r u k t u r a m i r e z o n a n s o w y m i ( a l b o g r a n i c z n y m i ) . Haiogenowanie
Trwałość pierścienia aromatycznego oznacza, że związki aromatyczne słabiej r e a g u j ą z e l e k t r o f i l a m i n i ż a l k e n y . P r z y k ł a d e m m o ż e b y ć reakcja z Br2, k t ó r e j ulegają a l k e n y , a l e n i e z w i ą z k i a r o m a t y c z n e . Jeśli c h c e m y w i ę c p r z e p r o w a d z i ć reakcję m i ę d z y p i e r ś c i e n i e m a c z ą s t e c z k ą Br2,
m u s i m y albo z a k t y w o w a ć pierścień (wzmocnić jego charakter nukleofi l o w y ) , a l b o z a k t y w o w a ć b r o m ( t z n . z w i ę k s z y ć j e g o c h a r a k t e r elektrofi l o w y ) . W p ł y w , jaki obecność w pierścieniu p o d s t a w n i k ó w dostar czających e l e k t r o n y w y w i e r a n a z w i ę k s z e n i e n u k e l o f i l o w o ś c i p i e r ś c i e n i a , o m ó w i m y w t e m a c i e 15. T u z a ś s k u p i m y s i ę n a a k t y w a c j i c z ą s t e c z k i Br2 z w i ę k s z a j ą c e j jej c h a r a k t e r e l e k t r o f i l o w y . A k t y w a c j ę t a k ą m o ż n a p r z e p r o w a d z i ć , d o d a j ą c d o ś r o d o w i s k a reakcji k w a s L e w i s a , j a k n p . F e C k , FeBr3 a l b o AICI3 ( t e m a t G 4 ) . C e c h ą w s p ó l n ą t y c h z w i ą z k ó w jest o b e c n o ś ć w n i c h silnie elektrofilowego a t o m u c e n t r a l n e g o (żelaza lub glinu), o p o w ł o c e walencyjnej niecałkowicie zapełnionej elektronami. A t o m taki m o ż e w i ę c b y ć a k c e p t o r e m w o l n e j p a r y e l e k t r o n o w e j , p r z y j m u j ą c ją n a w e t o d słabo nukleofilowych a t o m ó w , jak n p . a t o m y fluorowców. W p o k a z a n y m t u p r z y k ł a d z i e (rys. 5) w o l n a p a r a e l e k t r o n o w a w a t o m i e b r o m u b i e r z e u d z i a ł w u t w o r z e n i u w i ą z a n i a z a t o m e m ż e l a z a z FeBrj; a t o m b r o m u zyskuje przez to ł a d u n e k d o d a t n i . Tak a k t y w o w a n y b r o m staje s i ę e l e k t r o f i l e m i ł a t w i e j r e a g u j e z c z y n n i k i e m n u k l e o f i l o w y m (pier ścieniem aromatycznym) za pośrednictwem normalnego m e c h a n i z m u substytucji elektrofilowej. W p o d o b n y s p o s ó b m o ż n a c h l o r o w a ć pierścień a r o m a t y c z n y , stosując CI2 w o b e c n o ś c i F e C k .
^.s 5. Mechanizm
aktywowania
elektrofilowego
przez kwas
acylowanie
•netodą Fri e d e l a - C r a f t s a
(b)
o
cr
R-CI AICU
= / S 6. (a) Alkilowanie
Lewisa
A l k i l o w a n i e i a c y l o w a n i e m e t o d ą F r i e d e l a - C r a f t s a (rys. 6) t o k o l e j n e d w a p r z y k ł a d y substytucji elektrofilowej wymagającej obecności k w a s u L e w i s a ; są t o reakcje o s z c z e g ó l n y m z n a c z e n i u , p o n i e w a ż p o z w a l a j ą n a k o n s t r u o w a n i e większych cząsteczek organicznych przez d o d a w a n i e b o c z n y c h ł a ń c u c h ó w a l k i l o w y c h (R) l u b a c y l o w y c h ( R C O ) d o p i e r ś c i e n i a aromatycznego.
Alkilowanie i
bromu jako czynnika
metodą
11 .cl AICI,
Friedela-Craftsa;
(b) acylowanie
metodą
Friedela-Craftsa
P r z y k ł a d e m a l k i l o w a n i a m e t o d ą F r i e d e l a - C r a f t s a j e s t reakcja b e n z e n u z 2 - c h l o r o p r o p a n e m (rys. 7). O b e c n o ś ć k w a s u L e w i s a (AICI3) s p r z y j a t w o r z e n i u s i ę k a r b o k a t i o n u n i e z b ę d n e g o d o zajścia reakcji. AICI3 d z i a ł a jako akceptor wolnej pary elektronowej a t o m u chloru; powstaje p r z y t y m n i e t r w a ł y p r o d u k t p o ś r e d n i , k t ó r y r o z p a d a s i ę n a k a r b o k a t i o n i AICLr (rys. 8). P o w s t a ł y k a r b o k a t i o n r e a g u j e j a k o elektrofil z p i e r ś c i e n i e m a r o m a t y c z n y m z g o d n i e z o p i s a n y m wyżej m e c h a n i z m e m substytucji elektrofilowej. CH
Rys. 7. Reakcja
H
3
Friedela-Craftsa
między benzenem
H
\ CH
Ci:
2-ch!oropropanem
* \
AIC!
®
H3C
3
powstawania
©
h
3
C
CH-7-CI — AICI3
3
HC Rys. 8. Mechanizm
a
3
^
\
©CH
.
O
: Cl —AICI3
HC 3
karbokationu
Istnieją p e w n e p r a k t y c z n e o g r a n i c z e n i a a l k i l o w a n i a m e t o d ą Frie d e l a - C r a f t s a . N a p r z y k ł a d reakcja 1-chlorobutanu z b e n z e n e m p r o w a d z i do dwóch produktów, przy czym wydajność produktu pożądanego w y n o s i j e d y n i e 3 4 % (rys. 10). W y n i k a t o z t e g o , i ż p o w s t a j ą c y p o c z ą t k o w o p i e r w s z o r z ę d o w y k a r b o k a t i o n p r z e g r u p o w u j e się d o t r w a l s z e g o karbokationu d r u g o r z ę d o w e g o ; p r z e g r u p o w a n i e wiąże się z przesunię ciem w o d o r u (wraz z parą elektronów a tworzących wiązanie C - H ) d o
Rys. 9. Mechanizm
alkilowania
metodą
Friedela-Craftsa
CH2CH3
Rys. 10. Reakcja
Friedela-Craftsa
między benzenem
a
1-chiorobutanem
©
©
H2C — CHCH2CH3
H2C — CHCH2CH3
H H Rys. 11. Przesunięcie
wodorkowe
s ą s i e d n i e g o a t o m u w ę g l a (rys. 21). Z j a w i s k o t o z n a n e jest j a k o p r z e s u n i ę cie w o d o r k o w e (migracja j o n u w o d o r k o w e g o ) . Z a c h o d z i o n o d l a t e g o , ż e d r u g o r z ę d o w y k a r b o k a t i o n jest t r w a l s z y n i ż p i e r w s z o r z ę d o w y ( t e m a t H 5 ) . P r z e g r u p o w a n i a t e g o t y p u o g r a n i c z a j ą z a k r e s reakcji a l k i l o w a n i a , k t ó r e m o ż n a p r z e p r o w a d z a ć , stosując m e t o d ę F r i e d e l a - C r a f t s a . Jak w i ę c m o ż n a — w obliczu p o w y ż s z y c h ograniczeń — otrzymać z d o b r ą wydajnością takie związki, jak 1-butylobenzen? O d p o w i e d z i ą n a t o p y t a n i e j e s t a c y l o w a n i e m e t o d ą F r i e d e l a - C r a f t s a (rys. 12). D z i a ł a n i e na b e n z e n chlorkiem b u t a n o i l u — z a m i a s t 1-chlorobutanem, — p r o w a d z i do podstawienia w pierścieniu czterowęglowego łańcucha, który nie ule ga przy tym ż a d n y m przegrupowaniom. Następnie m o ż n a z powstałego z w i ą z k u u s u n ą ć g r u p ę k a r b o n y l o w ą p r z e z jej r e d u k c j ę w o d o r e m n a d katalizatorem p a l l a d o w y m , co p r o w a d z i d o p o ż ą d a n e g o p r o d u k t u . M e c h a n i z m y a c y l o w a n i a i a l k i l o w a n i a m e t o d ą F r i e d e l a - C r a f t s a są w z a s a d z i e t a k i e s a m e ; p r z y a c y l o w a n i u w reakcji — z a m i a s t k a r b o k a tionu — bierze udział jon acyliowy. Acylowanie, p o d o b n i e jak alkilowa nie, w y m a g a obecności k w a s u Lewisa, który u m o ż l i w i a p o w s t a n i e jonu a c y l i o w e g o ( R - C = 0 ) . Inaczej j e d n a k n i ż k a r b o k a t i o n , jon acyliowy nie u l e g a p r z e g r u p o w a n i u , p o n i e w a ż jest d o d a t k o w o s t a b i l i z o w a n y p r z e z r e z o n a n s , w k t ó r y m b i e r z e u d z i a ł a t o m t l e n u (rys. 23). +
CH2CH2CH2CH3 ^ys.
12. Synteza
1-butyiobenzenu
przez
acylowanie
CH3CH2
metodą
C.
Friedela-Craftsa
3
©6
tli
©y
c
I
CH2CH3
CH CH3 2
..
©
: c— i AICI3 Rys. 13. Powstawanie
jonu
acyliowego
redukcję
CH CH ^
AlCIs
:o:
i
2
Q C I —AICI3
Alkilowanie metodą Friedela-Craftsa m o ż e także przebiegać przy uży ciu alkenów zamiast h a l o g e n k ó w alkilowych. Stosowanie k w a s u Lewisa n i e jest w ó w c z a s k o n i e c z n e , a l e n i e z b ę d n y j e s t m o c n y k w a s n i e o r g a n i czny. Działanie k w a s u na alken p r o w a d z i d o powstania karbokationu, który reaguje następnie z pierścieniem a r o m a t y c z n y m z g o d n i e z opisa n y m j u ż m e c h a n i z m e m s u b s t y t u c j i e l e k t r o f i l o w e j (rys. 14). Jeśli a n a l i z o w a ć reakcję p o d k ą t e m a l k e n u , m a m y t u d o c z y n i e n i a z k o l e j n y m p r z y k ł a d e m addycji elektrofilowej, w której d o j e d n e g o końca wiązania p o d w ó j n e g o p r z y ł ą c z a się w o d ó r , a d o d r u g i e g o — g r u p a f e n y l o w a (temat H3).
Rys. 14. Alkilowanie
benzenu
metodą
Friedela-Craftsa
przy użyciu
alkenu
W reakcjach Friedela-Craftsa m o ż n a t e ż stosować alkohole w obecno ści m o c n y c h k w a s ó w n i e o r g a n i c z n y c h . P o d w p ł y w e m k w a s u d o c h o d z i d o e l i m i n a c j i c z ą s t e c z k i w o d y z c z ą s t e c z k i a l k o h o l u i, w k o n s e k w e n c j i , d o powstania alkenu, który m o ż e zostać przekształcony w karbokation z g o d n i e z o p i s a n y m j u ż m e c h a n i z m e m (rys. 15). O t r z y m y w a n i e a l k e n ó w z alkoholi w środowisku k w a ś n y m będzie o m ó w i o n e w temacie M4.
Rys. 15. Alkilowanie
Sulfonowanie i nitrowanie
benzenu
metodą
Friedela-Craftsa
przy użyciu
alkoholu
S u l f o n o w a n i e i n i t r o w a n i e t o reakcje s u b s t y t u c j i e l e k t r o f i l o w e j , w k t ó r y c h u d z i a ł biorą silne czynniki elektrofilowe, nie w y m a g a j ą c e obecności k w a s u L e w i s a (rys. 16). C z y n n i k i e m e l e k t r o f i l o w y m d z i a ł a j ą c y m p r z y s u l f o n o w a n i u j e s t t l e n e k s i a r k i ( V I ) (SO3), p o w s t a j ą c y w k w a ś n y m ś r o d o w i s k u reakcji (rys. 17). P r o t o n o w a n i e j e d n e j z g r u p O H w k w a s i e s i a r k o w y m p r o w a d z i d o p o w s t a n i a p r o d u k t u p o ś r e d n i e g o I. P o n i e w a ż a t o m t l e n u u z y s k u j e p r z y t y m ł a d u n e k d o d a t n i , staje się o n d o b r ą g r u p ą o p u szczającą; u t r a t a p r z e z p r o d u k t p o ś r e d n i c z ą s t e c z k i w o d y g e n e r u j e t l e n e k siarki(VI). Z w i ą z e k ten — c h o ć nie jest n a ł a d o w a n y d o d a t n i o — m a silne właściwości elektrofilowe. A t o m siarki jest w n i m b o w i e m z w i ą z a n y z t r z e m a elektroujernnymi a t o m a m i tlenu, które „wyciągają" z niego ele k t r o n y i w y t w a r z a j ą n a n i m deficyt e l e k t r o n o w y (nabiera o n w i ę c chara k t e r u e l e k t r o f i l o w e g o ) . P o d c z a s s u b s t y t u c j i e l e k t r o f i l o w e j (rys. 18) p i e r ścień a r o m a t y c z n y t w o r z y wiązanie z a t o m e m siarki, a jednocześnie
stęż. H S 0 2
SO3H
4
sulfonowanie
cr
stęż. H2SO4 .—i
stęż. HNO3 nitrowanie Rys. 16. (a) Sulfonowanie
benzenu;
:0:
..
:0:
It ..
..
: o—s=o
c
(b) nitrowanie
benzenu
:o:^-
-H
II ..
+
:o—s=o /-> l > "
H 0 2
H
Rys. 17. Powstawanie
tlenku
siarki(VI)
:o.
.0:
:o.
.0:
%t. © o:
\ H
u© Rys. 18. Sulfonowanie
benzenu
j e d n o z w i ą z a ń JI m i ę d z y a t o m a m i s i a r k i i t l e n u zostaje z e r w a n e . O b a ele ktrony przesuwają się d o bardziej elektroujemnego a t o m u tlenu, tworząc t a m t r z e c i ą p a r ę n i e w i ą ż ą c ą ; a t o m t e n z o s t a j e p r z y t y m n a ł a d o w a n y uje mnie. Ładunek ulega zobojętnieniu w momencie, w którym wolna para e l e k t r o n o w a zostaje u ż y t a d o z w i ą z a n i a p r o t o n u . Podczas nitrowania k w a s siarkowy(VI) służy jako k w a s o w y kataliza tor p r o c e s u p o w s t a w a n i a j o n u n i t r o n i o w e g o ( N 0 2 ) ; jon ten t w o r z y się z kwasu azotowego(V) według mechanizmu bardzo podobnego d o m e c h a n i z m u p o w s t a w a n i a tlenku siarki(VI) z k w a s u siarkowego(VI) (rys. 19). +
© -
y
H
Z/
:0:
0 1
0 —N © H
:o:
:o:
;
" 0 Rys. 19. Powstawanie
jonu
nitroniowego
M e c h a n i z m n i t r o w a n i a b e n z e n u jest b a r d z o zbliżony d o m e c h a n i z m u s u l f o n o w a n i a (rys. 20). J e d n o c z e ś n i e z t w o r z e n i e m s i ę w i ą z a n i a m i ę d z y pierścieniem aromatycznym a elektrofilowym a t o m e m azotu następuje z e r w a n i e w i ą z a n i a 7t m i ę d z y a t o m a m i N i O ; o b a e l e k t r o n y zostają p r z e niesione d o a t o m u t l e n u . Inaczej n i ż to się dzieje p r z y s u l f o n o w a n i u , a t o m ten zachowuje swój u j e m n y ł a d u n e k i nie wiąże się z p r o t o n e m . Działa o n b o w i e m jako przeciwjon w s t o s u n k u d o sąsiadującego z n i m dodatniego ładunku na atomie azotu.
Rys. 20. Nitrowanie
benzenu
SYNTEZA JEDNOPODSTAWIONYCH BENZENÓW
Hasła Wielu g r u p funkcyjnych n i e m o ż n a w p r o w a d z i ć d o pierścienia a r o m a t y c z n e g o b e z p o ś r e d n i o , d r o g ą substytucji elektrofilowej. M o ż n a je j e d n a k o t r z y m a ć , przekształcając i n n e , w p r o w a d z o n e u p r z e d n i o , g r u p y . W y n i k i e m redukcji g r u p y n i t r o w e j jest g r u p a a m i n o w a , która z kolei n a d a j e się d o d a l s z y c h p r z e k s z t a ł c e ń p r o w a d z ą c y c h d o s z e r e g u i n n y c h g r u p funkcyjnych. U t l e n i a n i e g r u p alkilowych daje w w y n i k u g r u p ę k a r b o k s y l o w ą , o d której r ó w n i e ż p r o w a d z i d r o g a d o wielu innych grup.
Przekształcenia graj I naikcyjttych','
P r z y p l a n o w a n i u s y n t e z y z w i ą z k u a r o m a t y c z n e g o najlepiej a n a l i z o w a ć p o s z c z e g ó l n e e t a p y o d końca, czyli o d o s t a t e c z n e g o p r o d u k t u (retrosynteza). Jeśli p o ż ą d a n y p o d s t a w n i k nie m o ż e b y ć b e z p o ś r e d n i o w p r o w a d z o n y d o pierścienia a r o m a t y c z n e g o , trzeba się z a s t a n o w i ć , jaką inną g r u p ę funkcyjną m o ż n a przekształcić tak, a b y otrzymać docelowy podstawnik.
Projektowanie
Tematy p o k r e w n e
Przekształcenia grup funkcyjnych
Substytucja elektrofilowa b e n z e n u (13) Substytucja elektrofilowa j e d n o p o d s t a w i o n y c h pierścieni a r o m a t y c z n y c h (15)
Reakcje a m i n ( 0 3 )
Niektórych p o d s t a w n i k ó w nie m o ż n a bezpośrednio w p r o w a d z i ć d o pierś c i e n i a a r o m a t y c z n e g o m e t o d ą s u b s t y t u c j i e l e k t r o f i l o w e j . D o k a t e g o r i i tej n a l e ż ą n a s t ę p u j ą c e g r u p y : - N H , - N H R , - N R , -NHCOCH3, - C 0 H , ~ C N , - O H . C h o ć p o d s t a w n i k ó w tych n i e d a się w p r o w a d z i ć d o pierście n i a b e z p o ś r e d n i o , m o ż e m y je o t r z y m a ć , p r z e k s z t a ł c a j ą c i n n e g r u p y f u n k c y j n e , k t ó r y c h w p r o w a d z e n i e z a p o m o c ą s u b s t y t u c j i e l e k t r o f i l o w e j jest możliwe. T r z y s p o ś r ó d n a j w a ż n i e j s z y c h p r z e k s z t a ł c e ń t e g o t y p u p o k a z a n e są n a rysunku 1. 2
2
2
G r u p y : nitrową, alkilową i acylową — ł a t w o dające się w p r o w a d z i ć d o pierścienia p r z e z substytucję elektrofilowa — m o ż n a później p r z e kształcać, o d p o w i e d n i o , w grupy: a m i n o w ą , karboksylową i alkilową. P o u z y s k a n i u g r u p a m i n o w e j i k a r b o k s y l o w e j m o ż n a p o d d a ć je d a l s z y m transformacjom prowadzącym d o bardzo wielu różnych pochodnych, takich j a k d r u g o - i t r z e c i o r z ę d o w e a m i n y , a m i d y , sole d i a z o n i o w e , h a l o g e n k i , n i t r y l e , e s t r y , f e n o l e , a l k o h o l e i e t e r y ( t e m a t 0 3 i sekcja K ) . Projektowanie syntezy
Przy planowaniu syntezy związku aromatycznego kluczowe znaczenie m a w i e d z a o reakcjach substytucji elektrofilowej i m o ż l i w y c h p r z e k s z t a ł c e n i a c h g r u p f u n k c y j n y c h . P r o j e k t u j ą c s y n t e z ę , najlepiej o b m y ś l a ć
Rys. 1. Przekształcenia aromatycznych
grup funkcyjnych
często stosowane
w chemii
związków
poszczególne etapy od końca: w y c h o d z ą c od p r o d u k t u końcowego, m o ż e m y z a s t a n o w i ć się, z c z e g o m o g l i b y ś m y g o o t r z y m a ć . T a k i s p o s ó b p l a n o w a n i a n a z y w a m y retrosyntezą. P r z y k ł a d e m m o ż e być projekt syn t e z y e s t r u a r o m a t y c z n e g o (rys. 2). E s t r o w a g r u p a f u n k c y j n a n i e m o ż e zostać dołączona bezpośrednio d o pierścienia aromatycznego metodą substytucji elektrofilowej; m u s i m y w i ę c z a p l a n o w a ć p r o c e s kilkuetap o w y . Z w y k l e e s t r y o t r z y m u j e się z c h l o r k ó w k w a s o w y c h , k t ó r e z k o l e i można syntezować z kwasów karboksylowych. Metoda alternatywna polega na bezpośrednim otrzymaniu estru z k w a s u karboksylowego w k a t a l i z o w a n e j k w a s e m reakcji z a l k o h o l e m ( t e m a t y K 2 i K5). W k a ż d y m p r z y p a d k u do otrzymania pożądanego estru potrzebować b ę d z i e m y kwasu benzoesowego. G r u p y karboksylowej również nie da się w p r o w a d z i ć d o pierścienia a r o m a t y c z n e g o b e z p o ś r e d n i o , n a l e ż y więc p o s z u k a ć i n n e j g r u p y funkcyjnej, k t ó r ą m o ż n a w s t a w i ć d o p i e r ś c i e n i a i następnie przekształcić w g r u p ę karboksylową. Ten ostatni w a r u n e k s p e ł n i a g r u p a m e t y l o w a : m o ż n a ją u t l e n i ć d o g r u p y k a r b o k s y l o w e j ( t e m a t 17). C o w i ę c e j , g r u p y m e t y l o w e m o ż n a b e z p o ś r e d n i o p o d s t a w i a ć d o p i e r ś c i e n i a w reakcji a l k i l o w a n i a m e t o d ą F r i e d e l a - C r a f t s a . T a k w i ę c c i ą g reakcji p r o w a d z ą c y c h d o d o c e l o w e g o p r o d u k t u m ó g ł b y w y g l ą d a ć t a k , j a k p o k a z a n o n a rysunku 2. Przy tak zaprojektowanej syntezie p e w n ą komplikację stanowi niebez p i e c z e ń s t w o w i e l o k r o t n e g o m e t y ł o w a n i a , d o którego m o ż e dojść w pier w s z e j z p l a n o w a n y c h reakcji. Jest t o n i e b e z p i e c z e ń s t w o c a ł k i e m r e a l n e , p o n i e w a ż p r o d u k t (toluen) będzie tu bardziej r e a k t y w n y niż substrat ( b e n z e n ; t e m a t 15). J e d n y m z e s p o s o b ó w z m n i e j s z e n i a t e g o r y z y k a mogłoby być użycie dużego n a d m i a r u benzenu. O
Rys. 2. Jedna z możliwych
dróg syntezy aromatycznego
estru
Innego p r z y k ł a d u p l a n o w a n i a syntezy organicznej m o ż e dostarczyć p r o j e k t o t r z y m a n i a a r o m a t y c z n e j a r n i n y (rys. 3). G r u p y a l k i l o a m i n o w e j n i e d a się w p r o w a d z i ć b e z p o ś r e d n i o d o p i e r ś c i e n i a , a w i ę c m u s i o n a p o w s t a ć m e t o d ą modyfikacji innej g r u p y funkcyjnej. Obmyślając poszczególne etapy od końca, m o ż e m y zaplanować, że docelową grupę alkiloaminową otrzymamy przez alkilowanie grupy aminowej ( - N H 2 ) . R ó w n i e ż i ta g r u p a nie m o ż e zostać b e z p o ś r e d n i o dołączona d o pierście n i a ; m o ż n a ją j e d n a k o t r z y m a ć p r z e z r e d u k c j ę g r u p y n i t r o w e j . T ę o s t a t n i ą z a ś można w p r o w a d z i ć b e z p o ś r e d n i o j a k o p o d s t a w n i k w p i e r ś c i e n i u a r o m a t y c z n y m . A z a t e m cały cykl s y n t e t y c z n y obejmie w t y m w y p a d k u nitrowanie, redukcję i alkilowanie.
Rys. 3. Jedna
z możliwych
dróg prowadzących
do aromatycznej
aminy
Z w r ó ć m y u w a g ę , ż e istnieją d w i e m e t o d y p r z e k s z t a ł c e n i a a n i l i n y (PhNH2) w k o ń c o w y p r o d u k t . A l k i l o w a n i e to s p o s ó b b e z p o ś r e d n i , ale niekiedy lepsze wydajności — m i m o dołożenia jednego e t a p u — osiąga się p r z e z a c y l o w a n i e , a n a s t ę p n i e r e d u k q ę . W y n i k a to z tego, ż e c z a s e m t r u d n o jest z a t r z y m a ć a l k i l o w a n i e n a e t a p i e p o j e d y n c z e g o p o d s t a w i e n i a . Jako ostatni p r z y k ł a d r o z w a ż y m y syntezę aromatycznego eteru (rys. 4). G r u p a e t o k s y l o w a jest t u p o ł ą c z o n a z p i e r ś c i e n i e m a r o m a t y c z n y m . N i e m o ż n a jej w p r o w a d z i ć b e z p o ś r e d n i o d o p i e r ś c i e n i a ; m u s i m y w i ę c p o s z u k a ć s p o s o b u n a o t r z y m a n i e jej z i n n e j g r u p y f u n k c y j n e j . A l k i -
Rys. 4. Jedna
z możliwych
dróg prowadzących
do aromatycznego
eteru
lowanie fenolu d o p r o w a d z i ł o b y co p r a w d a d o p o w s t a n i a p o ż ą d a n e g o e t e r u , a l e r ó w n i e ż i g r u p y h y d r o k s y l o w e j n i e d a się w p r o w a d z i ć b e z p o ś r e d n i o d o p i e r ś c i e n i a . M o ż e m y j e d n a k z s y n t e z o w a ć fenol, p r z e kształcając g r u p ę a m i n o w ą , a tę z kolei o t r z y m a ć z g r u p y nitrowej. Reakq'ę n i t r o w a n i a m o ż n a p r z e p r o w a d z i ć b e z p o ś r e d n i o n a p i e r ś c i e n i u a r o matycznym. Cały proces będzie więc obejmował nitrowanie, redukcję z w i ą z k u n i t r o w e g o , p r z e k s z t a ł c e n i e a m i n y w sól d i a z o n i o w ą ( p a t r z temat 0 3 ) , hydrolizę i — na końcu — alkilowanie.
15
SUBSTYTUCJA ELEKTROFILOWA JEDNOPODSTAWIONYCH PIERŚCIENI AROMATYCZNYCH
Hasła W j e d n o p o d s t a w i o n y m pierścieniu a r o m a t y c z n y m substytucja elektrofilowa m o ż e się d o k o n a ć w trzech r o ż n y c h pozycjach. Położenia te określa się j a k o pozyq"e orto, meta i para. P o d s t a w n i k o b e c n y w pierścieniu a r o m a t y c z n y m m o ż e a k t y w o w a ć l u b d e z a k t y w o w a ć pierścień n a dalszą substytucję elektrofilowa. M o ż e o n też k i e r o w a ć kolejne p o d s t a w n i k i a l b o w pozycję meta, albo w pozycje orto i para. W p ł y w kierujący u w a r u n k o w a n y jest efektami i n d u k c y j n y m i i r e z o n a n s o w y m i . M o ż n a w y o d r ę b n i ć cztery g r u p y p o d s t a w n i k ó w w zależności o d tego, czy działają o n e aktywująco, czy d e z a k t y w u j ą c o , i o d w y w i e r a n e g o p r z e z nie w p ł y w u kierującego. E t a p e m p r z e s ą d z a j ą c y m o szybkości substytucji elektrofilowej jest p i e r w s z y e t a p . Łatwość, z jaką o n a p r z e b i e g a , zależy o d energii aktywacji tego e t a p u , która z kolei u z a l e ż n i o n a jest o d trwałości s t a n u przejściowego. Stan przejściowy p r z y p o m i n a p o ś r e d n i karbokation; d l a t e g o czynniki stabilizujące k a r b o k a t i o n stabilizują także s t a n przejściowy o p i s y w a n e j reakcji i obniżają e n e r g i ę aktywacji.
w połóż&me »rto ^ i para poprzez efekty indukcyjae
dezaktywajlce— Iderujące poprzez efekry indukcyjne
Grupy aktywujące - kieruj 4ce i part) poprzez
P o d s t a w n i k i alkilowe aktywują pierścień a r o m a t y c z n y , ułatwiając dalszą substytucję elektrofilowa; dzieje się tak za s p r a w ą w y w o ł y w a n e g o p r z e z nie efektu i n d u k c y j n e g o : odpychają o n e e l e k t r o n y i zwiększają gęstość elektronową w pierścieniu. Z w i ę k s z a to nukleofilowy c h a r a k t e r pierścienia i u ł a t w i a reakcje z elektrofilami, a t a k ż e stabilizuje d o d a t n i o n a ł a d o w a n y p r o d u k t p o ś r e d n i . O b e c n o ś ć p o d s t a w n i k ó w alkilowych w pierścieniu faworyzuje atak w pozycjach orto i para w p o r ó w n a n i u z a t a k i e m w pozycji meta. W skład g r u p , które wywierają w p ł y w d e z a k t y w u j ą c y w w y n i k u efektu i n d u k c y j n e g o , w c h o d z i p o ł ą c z o n y b e z p o ś r e d n i o z pierścieniem a t o m wykazujący deficyt e l e k t r o n ó w . D o p o d s t a w n i k ó w takich należą g r u p y : n i t r o w a , acylowa, karboksylową, s u l f o n o w a i nitrylową. Odznaczają się o n e zdolnością wyciągania e l e k t r o n ó w z pierścienia, k t ó r y staje się p r z e z to s ł a b s z y m nukleofilem, mniej r e a k t y w n y m w o b e c c z y n n i k ó w elektrofilowych. A t a k w pozycji meta jest u p r z y w i l e j o w a n y w p o r ó w n a n i u z a t a k i e m w pozycjach orto i para. P o d s t a w n i k i obecne w takich z w i ą z k a c h , jak fenole, etery, a m i n y i a m i d y , aktywują pierścień a r o m a t y c z n y i kierują d a l s z e p o d s t a w n i k i w pozycje orto i para. W e w s z y s t k i c h tych p o d s t a w n i k a c h obecny jest
a t o m a z o t u l u b t l e n u z wolną p a r ą e l e k t r o n o w ą , p o ł ą c z o n y b e z p o ś r e d n i o z pierścieniem i o d d z i a ł u j ą c y z n i m p o p r z e z r e z o n a n s . Efekt r e z o n a n s o w y p r z e w a ż a n a d e f e k t e m p r z y c i ą g a n i a e l e k t r o n ó w p r z e z elektroujemny tlen czy azot. W a m i d a c h d z i a ł a n i e aktywujące jest słabsze niż w a m i n a c h . Różnica ta okazuje się p o ż y t e c z n a , p o n i e w a ż dzięki niej m o ż n a p r z e j ś c i o w o p r z e k s z t a ł c a ć a m i n ę w a m i d , a b y obniżyć r e a k t y w n o ś ć z w i ą z k u i s k i e r o w a ć kolejne p o d s t a w n i k i elektrofilowe w pozycję para. W p r z y p a d k u substytucji f l u o r o w c a m i o b s e r w u j e m y efekt i n d u k c y j n y d e z a k t y w u j ą c y pierścień na dalszą substytucję elektrofilowa. P o d s t a w n i k i te są silnie elektroujemne; p o w o d u j ą one „ w y c i ą g a n i e " e l e k t r o n ó w z pierścienia, zmniejszając jego nukleofilowość i r e a k t y w n o ś ć . Jeśli j e d n a k w takich z w i ą z k a c h d o c h o d z i j u ż d o substytucji elektrofilowej, fluorowce kierują p o d s t a w n i k i w pozycje orto i para; dzieje się t a k za s p r a w ą efektu r e z o n a n s o w e g o , k t ó r y u ł a t w i a delokalizację ł a d u n k u d o d a t n i e g o , znajdującego się n a a t o m i e fluorowca. Efekt r e z o n a n s o w y okazuje się w t y m w y p a d k u silniejszy n i ż efekt indukcyjny, k t ó r y k i e r o w a ł b y kolejny p o d s t a w n i k w pozycję meta.
©rapy dezaktywujące - ; kierujące w położenie orto i para poprzez efekty rezonansowe
Tematy pokrewne
Substytucja meta i para
Stabilizacja k a r b o k a t i o n u (H5) Substytucja elektrofilowa b e n z e n u (13)
Synteza dwupodstawionych i trójpodstawionych benzenów (16)
orto, Z w i ą z k i a r o m a t y c z n e z a w i e r a j ą c e j e d e n p o d s t a w n i k m o g ą u l e g a ć d a l s z e j substytucji elektrofilowej w trzech r ó ż n y c h pozycjach w z g l ę d e m t e g o p o d s t a w n i k a . R o z p a t r z m y p r z y p a d e k b r o m o w a n i a t o l u e n u (rys. 1). R e a kcja m o ż e d o p r o w a d z i ć d o p o w s t a n i a t r z e c h r ó ż n y c h p r o d u k t ó w r ó ż n i ą c y c h się lokalizacją b r o m u w p i e r ś c i e n i u . W z o r y c z ą s t e c z k o w e w s z y s t k i c h t y c h p r o d u k t ó w są j e d n a k o w e ; z w i ą z k i t e są w i ę c i z o m e r a m i k o n stytucyjnymi. M ó w i m y w t y m p r z y p a d k u , że pierścień a r o m a t y c z n y jest d w u p o d s t a w i o n y , a t r z y m o ż l i w e i z o m e r y o k r e ś l a s i ę j a k o orto, meta-. i para. M e c h a n i z m y p r o c e s ó w p r o w a d z ą c y c h d o p o s z c z e g ó l n y c h i z o m e r ó w p r z e d s t a w i o n e są n a rysunku 2.
FeBr
3
para
Rys. 1. Izomery orto. meta i para
Wpływ podstawnika
bromotoluenu
Z trzech i z o m e r ó w , które m o g ą p o w s t a ć w w y n i k u b r o m o w a n i a toluenu,' j e d y n i e d w a (orto i para) t w o r z ą s i ę w z n a c z ą c y c h i l o ś c i a c h . C o więcejj b r o m o w a n i e toluenu zachodzi z większą szybkością niż b r o m o w a n i e
substytucja orto
produkt pośredni substytucja meta
H
produkt pośredni substytucja para
Rys. 2. Mechanizm
substytucji
elektrofilowej
w pozycjach
orto, meta i para
b e n z e n u . D l a c z e g o ? W y j a ś n i e n i e m jest w p ł y w , jaki p o d s t a w n i k m e t y l o w y m o ż e w y w i e r a ć n a s z y b k o ś ć w p r o w a d z a n i a i lokalizację k o l e j n y c h p o d s t a w n i k ó w . P o d s t a w n i k m o ż e a k t y w o w a ć albo d e z a k t y w o w a ć pier ś c i e ń n a d a l s z ą s u b s t y t u c j ę e l e k t r o f i l o w a ; d z i e j e się t o z a s p r a w ą e f e k t ó w i n d u k c y j n y c h l u b r e z o n a n s o w y c h . P o d s t a w n i k m o ż e też w y w i e r a ć w p ł y w k i e r u j ą c y d a l s z e p o d s t a w n i k i a l b o g ł ó w n i e w p o z y c j e orto i para, a l b o g ł ó w n i e w p o z y c j ę meta. W zależności od w p ł y w u w y w i e r a n e g o n a szybkość i pozycję podsta wienia, wyróżnić m o ż n a cztery g r u p y p o d s t a w n i k ó w : • g r u p y a k t y w u j ą c e , k i e r u j ą c e w p o z y c j e orto indukcyjnych; • g r u p y dezaktywujące, kierujące w pozycję efektów indukcyjnych; • g r u p y a k t y w u j ą c e , k i e r u j ą c e w p o z y c j e orto któw rezonansowych; • g r u p y dezaktywujące, kierujące w pozycje rezonansowych.
i para z a s p r a w ą e f e k t ó w meta w w y n i k u d z i a ł a n i a i para p o d w p ł y w e m efe meta z a s p r a w ą
efektów
N i e są z n a n e p o d s t a w n i k i o d z i a ł a n i u a k t y w u j ą c y m i kierujące w p o z y cję meta. Profil reakcji
Z a n i m p r z y s t ą p i m y d o wyjaśniania w p ł y w u , jaki wywierają p o s z c z e g ó l n e p o d s t a w n i k i , m u s i m y p r z e a n a l i z o w a ć p r z e b i e g s u b s t y t u c j i elektrofi l o w e j p o d k ą t e m relacji m i ę d z y e n e r g i ą s u b s t r a t u , p r o d u k t u p o ś r e d n i e g o
i p r o d u k t u k o ń c o w e g o . W y k r e s z m i a n e n e r g i i (rys. 3) i l u s t r u j e p r o f i l r e a kcji b r o m o w a n i a b e n z e n u . P i e r w s z y e t a p d e c y d u j e o s z y b k o ś c i całej r e a kcji; e t a p e m t y m jest p o w s t a w a n i e k a r b o k a t i o n u . Jest t o p r o c e s e n d o t e r miczny i zachodzi poprzez stan przejściowy, którego powstanie w y m a g a p e w n e j e n e r g i i a k t y w a c j i (AG*). W i e l k o ś ć AG* p r z e s ą d z a o s z y b k o ś c i , z j a k ą reakcja z a c h o d z i ; w i e l k o ś ć ta z a l e ż y z k o l e i o d t r w a ł o ś c i s t a n u przejściowego. Stan przejściowy p r z y p o m i n a karbokationowy p r o d u k t p o ś r e d n i i d l a t e g o w s z y s t k i e c z y n n i k i , k t ó r e stabilizują p r o d u k t p o ś r e d ni, z w i ę k s z a j ą t e ż t r w a ł o ś ć s t a n u p r z e j ś c i o w e g o i sprzyjają z a c h o d z e n i u reakcji. T a k w i ę c w d a l s z e j a n a l i z i e b ę d z i e m y się z a j m o w a ć t r w a ł o ś c i ą p o s z c z e g ó l n y c h k a r b o k a t i o n ó w , a ż e b y n a tej p o d s t a w i e s t w i e r d z i ć , k t ó r a z m o ż l i w y c h reakcji b ę d z i e u p r z y w i l e j o w a n a . stan przejściowy
postęp reakcji Rys. 3. Zmiany energii podczas
Grupy aktywujące
-
kierujące
w położenie orto i para p o p r z e z efekty indukcyjne
substytucji
elektrofilowej
P o d s t a w n i k m e t y l o w y jest p r z y k ł a d e m a k t y w u j ą c e g o e f e k t u i n d u k c y j n e g o . Z a j m i e m y się r a z j e s z c z e b r o m o w a n i e m t o l u e n u . W c e l u w y j a ś n i e n i a k i e r u j ą c e g o w p ł y w u g r u p y m e t y l o w e j m u s i m y p r z y j r z e ć się d o k ł a d niej m e c h a n i z m o m p r o w a d z ą c y m d o p o w s t a n i a i z o m e r ó w orto, meta i para (rys. 2). U p r z y w i l e j o w a n y b ę d z i e t e n p r o c e s , k t ó r y p r z e b i e g a z udziałem najtrwalszego p r o d u k t u pośredniego. Ponieważ grupa mety l o w a k i e r u j e w p o ł o ż e n i e orto i para, p r o d u k t y p o ś r e d n i e w y s t ę p u j ą c e przy o t r z y m y w a n i u tych izomerów m u s z ą być trwalsze niż p r o d u k t y p o ś r e d n i e p o w s t a j ą c e p r z y s u b s t y t u c j i meta. O d p o w i e d n i e p r o d u k t y p o ś r e d n i e i ich s t r u k t u r y r e z o n a n s o w e p o k a z a n e są n a rysunku 4. Jeśli p o r ó w n a m y w s z y s t k i e t e s t r u k t u r y r e z o n a n s o w e , d o s t r z e ż e m y j e d n ą s t r u k t u r ę orto i j e d n ą para ( n a rysunku 4 o b r y s o w a n e p r o s t o k ą t a m i ) , w których ł a d u n e k d o d a t n i u m i e j s c o w i o n y jest b e z p o ś r e d n i o o b o k p o d stawnika metylowego. G r u p a alkilowa m o ż e stabilizować występujący w jej s ą s i e d z t w i e ł a d u n e k d o d a t n i d z i ę k i e f e k t o w i i n d u k c y j n e m u w y w o ł a n e m u d o s t a r c z a n i e m e l e k t r o n ó w . Efekt t e n s p r a w i a , ż e c z ę ś ć ł a d u n k u d o d a t n i e g o zostaje r o z p r o s z o n a w o b r ę b i e g r u p y a l k i l o w e j . W r e z u l t a c i e m a m y d o czynienia z d o d a t k o w y m działaniem stabilizującym, możli w y m jedynie w p r z y p a d k u p r o d u k t ó w pośrednich powstających p r z y s u b s t y t u c j i orto i para. N i e istnieją n a t o m i a s t r ó w n o w a ż n e s t r u k t u r y r e z o n a n s o w e w p r z y p a d k u p r o d u k t u pośredniego powstającego przy substy-
produkt pośredni orto
produkt pośredni meta
produkt pośredni para
Rys. 4. Produkty
pośrednie
przy substytucji
orto, meta i para
tucji meta. O z n a c z a t o , ż e t r w a ł o ś ć p r o d u k t ó w p o ś r e d n i c h p r z y s u b s t y t u c j a c h orto i para jest w i ę k s z a n i ż p r z y s u b s t y t u c j i meta, a z a t e m d w a p i e r w s z e p r o c e s y są u p r z y w i l e j o w a n e w p o r ó w n a n i u z p r o c e s e m trzecim. Z t y c h s a m y c h p o w o d ó w t o l u e n jest b a r d z i e j r e a k t y w n y n i ż b e n z e n . Dostarczanie przez g r u p ę metylową elektronów pierścieniowi znacznie z w i ę k s z a jego nukleofilowość i r e a k t y w n o ś ć w z g l ę d e m c z y n n i k ó w elek t r o f i l o w y c h ; c o w i ę c e j , efekt t e n d o d a t k o w o stabilizuje p r o d u k t p o ś r e d ni, p o w s t a j ą c y w reakcji. P o d s u m o w u j ą c — p o d s t a w n i k i a l k i l o w e n a l e ż ą d o g r u p a k t y w u j ą c y c h i k i e r u j ą c y c h w p o z y c j e orto i para. N i t r o w a n i e t o l u e n u jest kolejną ilustracją t e g o e f e k t u (rys. 5). Jak m o ż n a s i ę s p o d z i e w a ć , s u b s t y t u c j a meta z a c h o d z i w s t o p n i u b a r d z o n i e -
N0 orto (58%) Rys. 5. Nitrowanie
toluenu
meta (4%)
2
para (38%)
w i e l k i m , a u p r z y w i l e j o w a n e są p r o d u k t y s u b s t y t u c j i orto i para. D l a c z e g o j e d n a k ilość p r o d u k t u orto p r z e w y ż s z a i l o ś ć p r o d u k t u para? O d p o w i e d ź jest p r o s t a : w c z ą s t e c z c e istnieją d w i e p o z y c j e orto, a t y l k o j e d n a para; d l a t e g o t e ż a t a k w p o z y c j i orto jest d w u k r o t n i e b a r d z i e j p r a w d o p o d o b n y n i ż a t a k w p o z y c j i para. O p i e r a j ą c s i ę w y ł ą c z n i e n a s t a t y s t y c e , m o g l i b y ś m y się s p o d z i e w a ć , ż e s t o s u n e k s u b s t y t u c j i orto d o para b ę d z i e j a k 2 : 1 . W rzeczywistości s t o s u n e k t e n jest b l i ż s z y 1,5:1. M ó w i ą c inaczej, p o w s t a j e m n i e j p r o d u k t u p o d s t a w i o n e g o w p o z y c j i orto, n i ż m o ż n a się b y ł o s p o d z i e w a ć . P o w o d e m jest b l i s k o ś ć p o z y c j i orto w s t o s u n k u d o g r u p y m e t y l o w e j ; r o z m i a r y p o d s t a w n i k a m e t y l o w e g o są ź r ó d ł e m e f e k t u s t e r y c z n e g o , z a k ł ó c a j ą c e g o a t a k w p o z y c j i orto. W i e l k o ś ć t e g o e f e k t u z a l e ż y o d w i e l k o ś c i g r u p y a l k i l o w e j : i m jest o n a w i ę k s z a , t y m b a r d z i e j u t r u d n i a a t a k w p o z y c j i orto.
kierujące w
położenie
meta
poprzez
efekty indukcyjne
G r u p y a l k i l o w e działają a k t y w u j ą c a i kierują p o d s t a w i e n i e w p o z y c j e orto i para. P o d s t a w n i k i w y c i ą g a j ą c e e l e k t r o n y (rys. 6) w y w i e r a j ą w p ł y w o d w r o t n y . D e z a k t y w u j ą one pierścień, zmniejszają jego nukleofilowość i r e a k t y w n o ś ć w z g l ę d e m c z y n n i k ó w e l e k t r o f i ł o w y c h . Efekt w y c i ą g a n i a e l e k t r o n ó w d e s t a b i l i z u j e t e ż p r o d u k t p o ś r e d n i reakcji i u t r u d n i a p r z e z t o jej p r z e b i e g . S k a l a d e s t a b i l i z a c j i jest w i ę k s z a w p r z y p a d k u p r o d u k t ó w p o ś r e d n i c h p o w s t a j ą c y c h w w y n i k u a t a k u orto i para; d l a t e g o w z w i ą z k a c h , w k t ó r y c h w y s t ę p u j ą t e g o t y p u p o d s t a w n i k i , f a w o r y z o w a n y jest a t a k w p o z y c j i meta. W e w s z y s t k i c h z w i ą z k a c h t e g o t y p u w y s t ę p u j e d o d a t n i o n a ł a d o w a n y a t o m albo a t o m z deficytem e l e k t r o n o w y m (tzn. c e n t r u m elektrofilowe) b e z p o ś r e d n i o p o ł ą c z o n y z pierścieniem a r o m a tycznym. Dzięki t e m u a t o m z deficytem e l e k t r o n o w y m m o ż e wyciągać elektrony z pierścienia.
OH Rys. 6. Przykłady
podstawników
R wyciągających
elektrony
G r u p y d e z a k t y w u j ą c e u t r u d n i a j ą zajście s u b s t y t u c j i e l e k t r o f i l o w e j , a l e reakcję t ę m o ż n a m i m o t o p r z e p r o w a d z i ć — o ile z a s t o s u j e się b a r d z i e j d r a s t y c z n e w a r u n k i . S u b s t y t u c j a jest w ó w c z a s k i e r o w a n a w y b i ó r c z o w p o z y c j ę meta. F a k t t e n m o ż n a w y j a ś n i ć , jeśli p r z e a n a l i z u j e się w s z y stkie m o ż l i w e struktury r e z o n a n s o w e powstające w w y n i k u ataku w p o z y c j a c h orto, meta i para. J a k o p r z y k ł a d n i e c h p o s ł u ż y reakcja b r o m o w a n i a n i t r o t o l u e n u (rys. 7). W ś r ó d w s z y s t k i c h m o ż l i w y c h s t r u k t u r r e z o n a n s o w y c h p o w s t a j ą c y c h w w y n i k u a t a k u w p o z y c j a c h orto, meta i para m o ż n a w y r ó ż n i ć d w i e ( p o w s t a j ą c e p r z y a t a k u orto i para), w k t ó r y c h ł a d u n e k d o d a t n i z n a j d u j e się b e z p o ś r e d n i o o b o k wyciągającej e l e k t r o n y g r u p y n i t r o w e j (rys. 8). S ą s i e d z t w o t o s p r a w i a , ż e s t r u k t u r y t e są w w y s o k i m s t o p n i u niestabilne. Destabilizacja t a k a nie w y s t ę p u j e w p r z y p a d k u ż a d n e j z e s t r u k t u r p o w s t a j ą c y c h w w y n i k u a t a k u w p o z y c j i meta; w y j a ś n i a t o , d l a c z e g o p o z y q a meta jest w t y m w y p a d k u f a w o r y z o w a n a .
NO2 Br, FeBr, orto
Rys. 7. Bromowanie
Br
para
nitrobenzenu
NO?
substytucja para
substytucja orto
Br Rys. 8. Destabilizacja w wyniku substytucji
struktur rezonansowych orto i para
produktów
pośrednich
H powstających
P r z y k ł a d e m podstawnika, który aktywuje pierścień aromatyczny za p o ś r e d n i c t w e m efektu r e z o n a n s o w e g o i kieruje substytucję w pozycje kierujące orto i para, jest g r u p a h y d r o k s y l o w a w f e n o l u . A t o m e l e k t r o u j e m n e g o w położenie orto t l e n u w y s t ę p u j e t u w s ą s i e d z t w i e p i e r ś c i e n i a a r o m a t y c z n e g o . Z e w z g l ę i para p o p r z e z d u na elektroujemność tlenu moglibyśmy się spodziewać, ż e podstawnik efekty O H będzie wyciągał elektrony i — w konsekwencji — dezaktywował pierścień. Fakt, ż e w rzeczywistości g r u p a fenolowa b a r d z o silnie akty rezonansowe wuje pierścień, w y n i k a z tego, że b o g a t y w elektrony a t o m tlenu m o ż e też działać jako nukleofil, dostarczając elektrony d o pierścienia za p o ś r e d n i c t w e m e f e k t u r e z o n a n s o w e g o . P r z y j r z y j m y się n a p r z y k ł a d r e a kcji n i t r o w a n i a f e n o l u (rys. 9). Dla k a ż d e g o z p r o d u k t ó w pośrednich powstających w w y n i k u ataku n a t r z y m o ż l i w e p o z y c j e p i e r ś c i e n i a istnieją t r z y s t r u k t u r y r e z o n a n s o w e . D w i e z n i c h — p o w s t a j ą c e w w y n i k u s u b s t y t u c j i orto i para — z a s ł u g u j ą n a s z c z e g ó l n ą u w a g ę (rys. W). W s t r u k t u r a c h t y c h ł a d u n e k d o d a t n i występuje obok podstawnika O H . G d y b y a t o m tlenu wywierał jedynie w p ł y w i n d u k c y j n y , s t r u k t u r y te b y ł y b y w y s o c e n i e s t a b i l n e . T l e n j e d n a k ż e m o ż e działać też jako nukleofil: jedna z jego w o l n y c h p a r elektrono w y c h m o ż e z o s t a ć w y k o r z y s t a n a d o u t w o r z e n i a n o w e g o w i ą z a n i a JT Grupy
aktywujące
-
OH H S 0 stęż. 2
4
HNO3 orto
meta
NO;
para
substytucja orto
0 N 2
Rys. 10. Struktury rezonansowe substytucji orto i para
produktów
pośrednich
powstających
w wyniku
z s ą s i e d n i m c e n t r u m e l e k t r o f i l o w y m (rys. 11). P r o w a d z i t o d o c z w a r t e j s t r u k t u r y r e z o n a n s o w e j , w k t ó r e j ł a d u n e k d o d a t n i zostaje p r z e n i e s i o n y p o z a pierścień, n a a t o m tlenu. Ta d o d a t k o w a delokalizacja ł a d u n k u z w i ę k s z a s t a b i l n o ś ć p r o d u k t u p o ś r e d n i e g o i u ł a t w i a p r z e b i e g reakcji.
0 N 3
H
Rys. 11. Oddziaływania tlenu
0 N 2
rezonansowe
H
między pierścieniem
aromatycznym
i atomem
C z w a r t a s t r u k t u r a r e z o n a n s o w a n i e istnieje w p r z y p a d k u p r o d u k t u p o ś r e d n i e g o s u b s t y t u c j i w p o z y c j i meta. W ż a d n e j z e s t r u k t u r r e z o n a n s e * w y c h o d p o w i a d a j ą c y c h t e m u a t a k o w i ł a d u n e k d o d a t n i n i e m o ż e się zna l e ź ć o b o k g r u p y f e n o l o w e j i — w k o n s e k w e n c j i — a t a k w tej p o z y c j i nifl jest f a w o r y z o w a n y . A z a t e m g r u p a f e n o l o w a jest p o d s t a w n i k i e m akty wującym, kierującym — ze w z g l ę d u n a efekt r e z o n a n s o w y — w pozycji orto i para. Efekt r e z o n a n s o w y p r z e w a ż a w t y m w y p a d k u n a d w s z e l k i m i w p ł y w a m i indukcyjnymi, które m o ż e wywierać atom tlenu. T o s a m o m o ż n a p o w i e d z i e ć o następujących g r u p a c h : alkoksylowej (-OR), estrowej (-OCOR), aminowej ( - N H , - N H R , - N R ) i amidowej ( - N H C O R ) . W e w s z y s t k i c h t y c h p r z y p a d k a c h b e z p o ś r e d n i o o b o k pier ś c i e n i a a r o m a t y c z n e g o z n a j d u j e się a t o m t l e n u l u b a z o t u . O b a o n e majł charakter nukleofilowy i dysponują w o l n y m i p a r a m i elektronów, któtt mogą być wykorzystane d o utworzenia d o d a t k o w y c h wiązań z pierście n i e m . Łatwość, z jaką d a n a g r u p a m o ż e u t w o r z y ć takie wiązanie, zależ] od nukleofilowości a t o m u sąsiadującego z pierścieniem i jego zdolność radzenia sobie z ł a d u n k i e m d o d a t n i m . 2
2
A z o t jest b a r d z i e j n u k l e o f i l o w y n i ż t l e n , p o n i e w a ż lepiej z n o s i p o w s t a jący w p r o d u k c i e p o ś r e d n i m ł a d u n e k d o d a t n i . Dlatego też w a m i n a c h a r o m a t y c z n y c h p i e r ś c i e ń j e s t silniej a k t y w o w a n y n i ż w a r o m a t y c z n y c h e t e r a c h . Z k o l e i g r u p a a m i d o w a a k t y w u j e słabiej n i ż a m i n o w a , p o n i e w a ż a t o m a z o t u j e s t w niej s ł a b s z y m n u k l e o f i l e m . P r z y c z y n ą jest p r z y c i ą g a n i e wolnej p a r y elektronowej a z o t u p r z e z g r u p ę karbonylową, co u t r u d n i a w y k o r z y s t a n i e tej p a r y d o u t w o r z e n i a w i ą z a n i a z p i e r ś c i e n i e m (rys. 12). Ta w ł a ś c i w o ś ć a m i d ó w b y w a w y k o r z y s t y w a n a w p r a k t y c e laboratoryj nej. P r z y p u ś ć m y na przykład, że chcemy otrzymać pora-bromoamlinę m e t o d ą b r o m o w a n i a a n i l i n y (rys. 13). T e o r e t y c z n i e p r o c e d u r a t a p o w i n n a p r o w a d z i ć d o p o ż ą d a n e g o p r o d u k t u . W praktyce jednak g r u p a - N H 2 tak silnie aktywuje pierścień, że b r o m o w a n i e z a c h o d z i trzykrotnie, p r o w a d z ą c d o tribromopochodnej, nie zaś d o z w i ą z k u j e d n o b r o m o w a n e g o . W celu zmniejszenia działania a k t y w u j ą c e g o g r u p y a m i n o w e j , m o ż n a ją p r z e k s z t a ł c i ć w słabiej a k t y w u j ą c ą g r u p ę a m i d o w ą ( t e m a t K 5 ; rys. 14). B r o m o w a n i e z a c h o d z i w ó w c z a s t y l k o r a z . O k a z u j e się t e ż , ż e s u b s t y t u c j a w p o z y c j i para jest u p r z y w i l e j o w a n e w z g l ę d e m s u b s t y t u c j i w p o z y c j i orto. P r z y c z y n ą są w i ę k s z e r o z m i a r y g r u p y a m i d o w e j w p o r ó w n a n i u z g r u p ą N H 2 ; w p e w n y m s t o p n i u c h r o n i w i ę c o n a p o z y c j e orto p r z e d a t a kiem. Po zakończeniu bromowania amid m o ż n a hydrolitycznie prze k s z t a ł c i ć z p o w r o t e m w a m i n ę ( t e m a t K6).
Rys. 12. Rezonans
w cząsteczce
amidu
NH
-.. s 13. Bromowanie
aniliny
2
NHCOCH3
H S 0 stęż.
Sn
HNO,
HCI
£
4
Rys. 14. Synteza
dezaktywujące kierujące
w położenie orto i para p o p r z e z rezonansowe
2
CH3COCI
h o 2
para-bromoanitiny
Grupy
efekty
NH
NHCOCH3
Czwartą — i ostatnią — grupą p o d s t a w n i k ó w w związkach aromatycz n y c h są f l u o r o w c e , k t ó r e d e z a k t y w u j ą p i e r ś c i e ń i kierują s u b s t y t u c j ę w p o z y c j e orto i para. D z i a ł a n i e t y c h p o d s t a w n i k ó w jest n a j t r u d n i e j s z e d o w y j a ś n i e n i a , p o n i e w a ż d e z a k t y w a c j a p i e r ś c i e n i a w y n i k a t u z i n n e g o efe k t u n i ż w p ł y w k i e r u j ą c y . F l u o r o w c e są p i e r w i a s t k a m i o d u ż e j e l e k t r o u j e m n o ś c i i m o ż n a się p o nich s p o d z i e w a ć silnego efektu indukcyjnego, wyciągającego e l e k t r o n y z pierścienia. Osłabiałoby to nukleofilowość pierścienia i jego r e a k t y w n o ś ć w s t o s u n k u d o c z y n n i k ó w elektrofilow y c h . P o z a t y m m i e l i b y ś m y też d o czynienia z destabilizacją p o ż ą d a n e g o p r o d u k t u p o ś r e d n i e g o , p o w s t a j ą c e g o p o d c z a s substytucji elektrofilo w e j . P o n i e w a ż f l u o r o w c e są j e d n a k s ł a b y m i n u k l e o f i l a m i , w s z e l k i e e w e n t u a l n e e f e k t y r e z o n a n s o w e , j a k i e m o g ą w y w o ł y w a ć , mają m n i e j s z e z n a czenie niż czynniki indukcyjne. Jeśli j e d n a k f l u o r o w c e d e z a k t y w u j ą p i e r ś c i e ń w ł a ś n i e z a s p r a w ą sil n y c h e f e k t ó w i n d u k c y j n y c h , t o d l a c z e g o n i e kierują s u b s t y t u c j i w pozyq"ę meta, t a k j a k i n n e g r u p y w y c i ą g a j ą c e e l e k t r o n y ? P r z y j r z y j m y się k o n k r e t nej r e a k c j i — n i t r o w a n i u b r o m o b e n z e n u (rys. 15). D l a k a ż d e g o z p r o d u - . któw pośrednich powstających w w y n i k u ataku w trzech różnych pozy cjach p i e r ś c i e n i a istnieją t r z y s t r u k t u r y r e z o n a n s o w e . J e d n a k n a j w a ż n i e j s z e d o p r z e a n a l i z o w a n i a są d w i e z n i c h : t e , w k t ó r y c h ł a d u n e k d o d a t n i znajduje się o b o k p o d s t a w n i k a . M o g ą o n e istnieć w p r z y p a d k u s u b s t y t u cji orto i para, a l e n i e d l a p r o d u k t u p o ś r e d n i e g o s u b s t y t u c j i meta (rys. 16). Są t o s t r u k t u r y r e z o n a n s o w e o k l u c z o w y m z n a c z e n i u , jeśli c h o d z i o z r o z u m i e n i e właściwości kierujących p o d s t a w n i k a . Skoro b r o m w y w o ł u j e efekt i n d u k c y j n y , d e s t a b i l i z u j e o n t e d w i e s t r u k t u r y i — w k o n s e k w e n c j i — p o w i n i e n k i e r o w a ć s u b s t y t u c j ę w p o z y c j e meta. W i e m y j e d n a k , ż e w r z e c z y w i s t o ś c i m a o n d z i a ł a n i e k i e r u j ą c e w p o z y c j e orto i para, m u s i więc stabilizować — a nie destabilizować — p r o d u k t y pośrednie substy tucji orto i para. J e d y n y m s p o s o b e m , w j a k i a t o m b r o m u m o ż e s t a b i l i z o w a ć s ą s i a d u j ą c y z n i m ł a d u n e k d o d a t n i , jest r e z o n a n s — p o d o b n i e j a k
H S 0 stęż. 2
4
HNO3 orto
meta
para
N0
2
substytucja orto
0 N 2
Rys. 16. Struktury rezonansowe
kluczowe
dla substytucji
orto i para
w p r z y p a d k u a t o m u a z o t u c z y t l e n u (rys. 17). T a k w i ę c b r o m z a c h o w u j e się jak nukleofil i w y k o r z y s t u j e jedną z e s w y c h w o l n y c h p a r elektrono w y c h d o u t w o r z e n i a n o w e g o w i ą z a n i a z s ą s i e d n i m c e n t r u m elektrofilo w y m . P o w s t a j e n o w e w i ą z a n i e n i ł a d u n e k d o d a t n i p r z e n o s i się n a a t o m b r o m u . E f e k t r e z o n a n s o w y jest t u s t o s u n k o w o n i e w i e l k i , p o n i e w a ż f l u o r o w c e są z n a c z n i e s ł a b s z y m i n u k l e o f i l a m i n i ż t l e n c z y a z o t i w m n i e j s z y m s t o p n i u p o t r a f i ą s t a b i l i z o w a ć ł a d u n e k d o d a t n i . J e d n a k ż e efekt t e n j e s t d o s t a t e c z n i e s i l n y , a b y k i e r o w a ć s u b s t y t u c j ę w p o z y c j e orto i para.
0 N 2
s. 17. Oddziaływania
rezonansowe
z udziałem
atomu
H
0 N 2
H
bromu
Tak więc w p r z y p a d k u p o d s t a w n i k ó w halogenowych w związkach a r o m a t y c z n y c h efekt i n d u k c y j n y — jako p r z y c z y n a dezaktywacji pier ś c i e n i a — o k a z u j e się w a ż n i e j s z y o d c z y n n i k ó w r e z o n a n s o w y c h . S k o r o j e d n a k s u b s t y t u c j a e l e k t r o f i l o w a w t a k i c h z w i ą z k a c h j u ż zachodzi, r e z o n a n s — j a k o ź r ó d ł o w p ł y w u k i e r u j ą c e g o — staje się w a ż n i e j s z y o d efe któw indukcyjnych.
SYNTEZA DWUPODSTAWIONYCH I TRÓJPODSTAWIONYCH BENZENÓW
Hasła
l.
1- -
Planując s y n t e z ę d w u p o d s t a w i o n e g o b e n z e n u , n a l e ż y b r a ć p o d u w a g ę w p ł y w kierujący o b u p o d s t a w n i k ó w . Jeśli p r o d u k t e m m a być orto/pflr«-dwupodstawiony b e n z e n , n a j p i e r w należy w p r o w a d z i ć d o cząsteczki p o d s t a w n i k kierujący w pozycje orto i para. Jeśli zaś zamierzamy otrzymać mefa-dwupodstawiony benzen, pierwszy w p r o w a d z o n y p o d s t a w n i k p o w i n i e n k i e r o w a ć w pozycję meta. W p e w n y c h p r z y p a d k a c h n a l e ż y w p r o w a d z i ć d o pierścienia p o d s t a w n i k i n n y n i ż d o c e l o w y t y l k o p o to, ż e b y u z y s k a ć p o ż ą d a n ą g e o m e t r i ę substytucji; p o t e m d o p i e r o p r z e k s z t a ł c a się w p r o w a d z o n y p o d s t a w n i k w jego docelową p o s t a ć .
benzeny
Grupa aminowa i grupa sulfonowa to przykłady powszechnie s p o t y k a n y c h p o d s t a w n i k ó w , k t ó r e ł a t w o dają się u s u w a ć z pierścienia. G r u p y te m o ż n a s t o s o w a ć w celu s k i e r o w a n i a substytucji w p o ż ą d a n e pozycje w pierścieniu l u b w celu z a b l o k o w a n i a w y b r a n y c h pozycji. G r u p a s u l f o n o w a jest szczególnie przydatna p r z y syntezie orfo-dwupodstawionych b e n z e n ó w .
-•
Tematy pokrewne
Dwupodstawione benzeny
Synteza jednopodstawionych b e n z e n ó w (14)
Substytucja elektrofilowa j e d n o p o d s t a w i o n y c h pierścieni a r o m a t y c z n y c h (15)
Przy planowaniu syntezy dwupodstawionych związków aromatycznych k l u c z o w e znaczenie m a p e ł n e z r o z u m i e n i e w p ł y w u kierującego, jaki poszczególne podstawniki wywierają podczas procesu dalszego podsta wiania w pierścieniu. N a przykład p r z y projektowaniu syntezy p-bromon i t r o b e n z e n u z b e n z e n u trzeba d o k o n a ć w y b o r u jednej z d w ó c h możli w y c h d r ó g (rys. 1): c z y z a c z ą ć o d b r o m o w a n i a , a n a s t ę p n i e p r z e p r o w a d z i ć nitrowanie, czy też najpierw nitrować, a p o t e m b r o m o w a ć ? W w y b o r z e najwłaściwszego s p o s o b u p o m o ż e n a m w i e d z a o t y m , jak poszczególne p o d s t a w n i k i wpływają na proces dalszej substytucji elektrofilowej. W p r z y p a d k u pierwszej z powyższych dróg, a więc przy nitrowaniu p o p r z e d z a j ą c y m b r o m o w a n i e , o t r z y m a l i b y ś m y g ł ó w n i e i z o m e r meta k o ń c o w e g o p r o d u k t u ; byłby to rezultat w p ł y w u kierującego w położenie meta, w y w i e r a n e g o p r z e z g r u p ę n i t r o w ą . L e p s z a jest w i ę c d r u g a d r o g a , p o n i e w a ż w p ł y w kierujący b r o m u sprzyja n a s z e m u z a m i a r o w i . Musieli b y ś m y c o p r a w d a w t y m p r z y p a d k u o d d z i e l i ć o t r z y m a n y i z o m e r para o d
- Synteza dwupodstawionych i trójpodstawionych benzenów
-ys. 1. Planowanie
syntezy prowadzącej
do dwupodstawionych
189
benzenów
p r o d u k t u orto, a l e i t a k w y d a j n o ś ć tej p r o c e d u r y b y ł a b y w i ę k s z a n i ż p r o cedury pierwszej. Zaplanowanie syntezy m-toluidyny w y m a g a dłuższego namysłu (rys. 2). O b i e g r u p y : m e t y l o w a i a m i n o w a n a l e ż ą d o p o d s t a w n i k ó w a k t y w u j ą c y c h i kierują w p o ł o ż e n i e orto /para. A j e d n a k o b a p o d s t a w n i k i mają się z n a l e ź ć w p o ł o ż e n i u meta w z g l ę d e m s i e b i e . A b y w y w o ł a ć s u b s t y t u c j ę meta, m u s i m y w p r o w a d z i ć d o p i e r ś c i e n i a g r u p ę i n n ą n i ż m e t y l o w a c z y a m i n o w a : t a k ą , k t ó r a skieruje k o l e j n y p o d s t a w n i k w p o ł o ż e n i e meta. C o więcej, w n a s t ę p n y m etapie s y n t e z y p o d s t a w n i k kierujący w położenie meta m u s i z o s t a ć p r z e k s z t a ł c o n y w j e d e n z p o ż ą d a n y c h p o d s t a w n i k ó w . I d e a l n y m w y b o r e m jest t u g r u p a n i t r o w a , p o n i e w a ż w y w i e r a o n a w p ł y w k i e r u j ą c y w p o ł o ż e n i e meta i daje się p r z e k s z t a ł c a ć w g r u p ę a m i n o w ą .
m-toluidyna -ys. 2. Synteza
m-toiuidyny
Ta s a m a strategia m o ż e b y ć z a s t o s o w a n a p r z y syntezie całego s z e r e g u meta-dwupodstawionych z w i ą z k ó w aromatycznych, w których oba p o d s t a w n i k i w y w i e r a j ą w p ł y w kierujący orto/para; g r u p a n i t r o w a d a j e się b o w i e m przekształcić w g r u p ę a m i n o w ą , którą n a s t ę p n i e m o ż n a z a m i e n i a ć w s z e r e g i n n y c h g r u p f u n k c y j n y c h ( p a t r z t e m a t y 14 i 0 3 ) . P r z y kładem innego typu związków, których synteza w y m a g a pomysłowości, jest k w a s p - n i t r o b e n z o e s o w y (rys. 3); c h o d z i t u o z w i ą z k i , w k t ó r y c h d w a p o d s t a w n i k i k i e r u j ą c e w p o ł o ż e n i e meta znajdują się w z g l ę d e m s i e b i e w p o z y c j a c h orto l u b para. W t a k i c h p r z y p a d k a c h w p r o w a d z a się d o p i e r ś c i e n i a p o d s t a w n i k m e t y l o w y , k i e r u j ą c y w p o ł o ż e n i e orto/para. Następ-
CHut CH CI_ 3
(|
AICU
Q
^1
GH* H S0 stęż. 2
A
4
HN0
(|
C0 H 2
^1
KMn0
4
3
kwas p-nitrobenzoesowy NO? Rys. 3. Synteza kwasu
p-nitrobenzoesowego
n y m k r o k i e m jest n i t r o w a n i e ; o t r z y m a n y i z o m e r para o d d z i e l a się o d o t r z y m a n e g o w tej s a m e j reakcji i z o m e r u orto. K o ń c o w y m e t a p e m jest utlenienie g r u p y metylowej d o docelowego p o d s t a w n i k a — g r u p y karboksylowej. W c e l u z w i ę k s z e n i a p r o p o r c j i m i ę d z y o t r z y m a n y m i z o m e r e m para a i z o m e r e m orto m o ż n a s t o s o w a ć w i ę k s z e g r u p y a l k i l o w e ; w s z y s t k i e o n e m o g ą b y ć p o t e m u t l e n i o n e d o k w a s u k a r b o k s y l o w e g o ( t e m a t 17). Podstawniki usuwalne
C z a s a m i k o r z y s t n e jest, a b y w p i e r ś c i e n i u o b e c n y b y ł p o d s t a w n i k , k t ó r y w y w i e r a p o ż ą d a n y w p ł y w kierujący l u b blokujący i który — p o w p r o w a d z e n i u d o c z ą s t e c z k i d o c e l o w y c h p o d s t a w n i k ó w — d a się u s u n ą ć . N a rysunku 4 p r z e d s t a w i o n o n i e k t ó r e r e a k c j e s t o s o w a n e d o u s u w a n i a p o d s t a w n i k ó w z pierścieni aromatycznych.
SQ H
NHr
3
H 0 / H® 2
Rys. 4. Reakcje
usuwania
rf^^l
podstawników
fi^l
z pierścieni
a
) b) N aHN 0P 0 3
2
2
-łP
aromatycznych
Przykładu zastosowania u s u w a l n y c h p o d s t a w n i k ó w dostarcza syn t e z a 1 , 3 , 5 - t r i b r o m o b e n z e n u (rys. 5). Z w i ą z k u t e g o n i e m o ż n a o t r z y m a ć b e z p o ś r e d n i o p r z e z b r o m o w a n i e b e n z e n u . A t o m y b r o m u m a j ą się b o w i e m z n a l e ź ć w p o ł o ż e n i u meta w z g l ę d e m s i e b i e , a n a l e ż ą o n e d o p o d s t a w n i k ó w k i e r u j ą c y c h w p o ł o ż e n i e orto/para. C o w i ę c e j , b r o m j e s t p o d stawnikiem dezaktywującym i bezpośrednie w p r o w a d z e n i e trzech takich a t o m ó w d o b e n z e n u b y ł o b y t r u d n e . T r u d n o ś c i te m o ż n a p o k o n a ć p r z e z z a s t o s o w a n i e g r u p y silnie akty w u j ą c e j , kierującej w p o ł o ż e n i e orto/para i dającej się u s u n ą ć w o s t a t n i m etapie syntezy. I d e a l n y m w y b o r e m jest tu g r u p a a m i n o w a ; p e ł e n p r z e b i e g s y n t e z y z jej z a s t o s o w a n i e m p o k a z a n y jest n a rysunku 5. Z kolei o t r z y m y w a n i e orto-bromotoluenu ilustruje z a s t o s o w a n i e w p r o c e s i e s y n t e z y g r u p y s u l f o n o w e j . M o ż n a s o b i e w y o b r a z i ć , ż e o-bromotoluen m o ż n a otrzymać albo przez b r o m o w a n i e toluenu, albo przez a l k i l o w a n i e b r o m o b e n z e n u m e t o d ą F r i e d e l a - C r a f t s a (rys. 6). J e d n a k ż e w reakcjach tych o t r z y m y w a l i b y ś m y t a k ż e p r o d u k t substytucji w pozycji para, t y m b a r d z i e j , ż e c z y n n i k i s t e r y c z n e u t r u d n i a ł y b y w t y m w y p a d k u
- Synteza dwupodstawionych i trójpodstawionych benzenów
Br Rys. 5. Synteza
191
Br 1,3,5-tribromobenzenu
Rys. 6. Możliwe drogi syntezy
orto-bromotoluenu
z b l i ż a n i e s i ę c z y n n i k a e l e k t r o f i l o w e g o d o a t o m u w ę g l a w p o z y c j i orto. A l t e r n a t y w n e p o d e j ś c i e d o tej s y n t e z y m o ż e p o l e g a ć n a c e l o w e j s u b s t y t u cji p i e r ś c i e n i a w p o z y q ' i para p r z e d p r z y s t ą p i e n i e m d o b r o m o w a n i a . W p r o w a d z o n y p o d s t a w n i k b l o k o w a ł b y w ó w c z a s p o z y c j ę para i w y m u s z a ł b y b r o m o w a n i e w p o z y q ' i orto w z g l ę d e m g r u p y m e t y l o w e j . Jeśli g r u p ę b l o k u j ą c ą d a ł o b y się n a s t ę p n i e u s u n ą ć , o t r z y m a l i b y ś m y p o ż ą d a n y p r o d u k t . Szczególnie p r z y d a t n a w o p i s a n y m procesie m o ż e być g r u p a s u l f o n o w a , g d y ż p o z a k o ń c z e n i u s y n t e z y ł a t w o m o ż n a ją u s u n ą ć (rys. 7).
S0 H 3
Rys. 7. Synteza
orto-bromotoluenu
SO3H
W a r t o zwrócić uwagę, że sulfonowanie toluenu mogłoby teoretycznie z a c h o d z i ć z a r ó w n o w p o z y c j i orto, j a k i para. J e d n a k ż e elektrofil — S O 3 — jest w t y m w y p a d k u n a t y l e d u ż y , ż e p o z y c j a para jest u p r z y w i l e j o w a n a ze w z g l ę d ó w sferycznych. K i e d y g r u p a s u l f o n o w a jest już obecna w pier ścieniu, z a r ó w n o ona, jak i g r u p a m e t y l o w a wywierają p o d c z a s b r o m o w a n i a w p ł y w k i e r u j ą c y w t ę s a m ą p o z y c j ę : orto w z g l ę d e m g r u p y m e t y l o w e j , c z y l i meta w z g l ę d e m g r u p y s u l f o n o w e j .
7
UTLENIANIE I REDUKCJA
Hasła Pierścienie a r o m a t y c z n e są o d p o r n e n a u t l e n i a n i e , o d m i e n n i e n i ż ł a ń c u c h y a l k i l o w e p o ł ą c z o n e z pierścieniem. P o d s t a w n i k i alkilowe zawierające b e n z y l o w y w o d ó r utleniają się d o k w a s ó w karboksylowych. Pierścień a r o m a t y c z n y jest m a ł o p o d a t n y n a r e d u k c j ę w o d o r e m ; p r o c e s ten w y m a g a d r a s t y c z n y c h w a r u n k ó w , w ł ą c z n i e z u ż y c i e m w y s o k i e g o ciśnienia i wysokiej t e m p e r a t u r y , o r a z silnych k a t a l i z a t o r ó w , takich jak r o d . W w y n i k u reakcji otrzymuje się p o c h o d n e c y k l o h e k s a n o w e . O d p o r n o ś ć pierścienia a r o m a t y c z n e g o na redukcję pozwala na wybiórcze redukowanie podstawników, n p . g r u p y k e t o n o w e j albo nitrowej, bez w p ł y w a n i a na s a m pierścień.
Redukcja
Tematy pokrewne
•fenianie
Substytucja elektrofilowa b e n z e n u (13)
Synteza d w u p o d s t a w i o n y c h i t r ó j p o d s t a w i o n y c h b e n z e n ó w (16)
P i e r ś c i e n i e a r o m a t y c z n e są n i e z w y k l e o d p o r n e n a u t l e n i a n i e i d z i a ł a n i e takich c z y n n i k ó w utleniających, jak m a n g a n i a n ( V I I ) ( n a d m a n g a n i a n ) p o t a s u c z y c h r o m i a n ( V I ) ( d i c h r o m i a n ) s o d u . J e d n a k ż e p o d s t a w n i k i alki l o w e w p i e r ś c i e n i a c h a r o m a t y c z n y c h są z k o l e i z a s k a k u j ą c o p o d a t n e n a utlenianie. Różnicę tę m o ż n a z p o ż y t k i e m w y k o r z y s t a ć p r z y syntezie z w i ą z k ó w a r o m a t y c z n y c h , p o n i e w a ż m o ż l i w e jest u t l e n i e n i e p o d s t a w nika alkilowego d o k w a s u karboksylowego b e z utlenienia s a m e g o pier ś c i e n i a ( p a t r z t e m a t 16; rys. I ) . M e c h a n i z m tej reakcji n i e jest w p e ł n i z r o z u m i a ł y , ale w i a d o m o , ż e m u s i być w cząsteczce o b e c n y w o d ó r b e n z y -
Rys, 1. Utlenianie bocznych kwasów karboksylowych
łańcuchów
alkilowych
prowadzące
do
aromatycznych
I o w y (tzn. a t o m w ę g l a b e z p o ś r e d n i o p o ł ą c z o n y z pierścieniem m u s i b y ć z w i ą z a n y z a t o m e m w o d o r u ) (rys. 1). G r u p y a l k i l o w e p o z b a w i o n e w o d o r u b e n z y l o w e g o n i e ulegają u t l e n i e n i u . Redukcja
Uwodornianie pierścieni aromatycznych p r o w a d z i d o p o c h o d n y c h c y k l o h e k s a n u , j e d n a k ż e reakcja m u s i b y ć p r z e p r o w a d z o n a w d r a s t y c z nych warunkach, przy użyciu katalizatora niklowego, w wysokiej tempe r a t u r z e i p o d w y s o k i m c i ś n i e n i e m (rys. 2); w y m a g a n e są w a r u n k i z n a c z nie bardziej drastyczne niż w p r z y p a d k u redukcji alkenów (temat H6). Dzieje się t a k z a s p r a w ą c h a r a k t e r y s t y c z n e j t r w a ł o ś c i p i e r ś c i e n i a r o m a t y cznych (temat II). Redukcję m o ż n a też p r z e p r o w a d z i ć przy użyciu w o d o r u p o d w y s o k i m ciśnieniem i katalizatora p l a t y n o w e g o albo w o d o ru i katalizatora rodowo-węglowego. Zastosowanie tego ostatniego kata lizatora — silniejszego niż p o p r z e d n i o w y m i e n i o n e — p o z w a l a n a p r o w a d z e n i e reakcji w t e m p e r a t u r z e p o k o j o w e j i p o d c i ś n i e n i e m a t m o s ferycznym.
Hg/Ni wysoka temperatura wysokie ciśnienie Rys. 2. Redukcja
benzenu
do
cykloheksanu
O d p o r n o ś ć z w i ą z k ó w a r o m a t y c z n y c h n a r e d u k c j ę jest d o ś ć p r z y d a t n a , p o n i e w a ż m o ż n a z r e d u k o w a ć g r u p y funkcyjne połączone z pierścieniem bez redukcji s a m e g o pierścienia. N a p r z y k ł a d g r u p ę karbonylową w ketonach aromatycznych można zredukować przy użyciu w o d o r u nad katalizatorem palladowym; proces ten nie w p ł y w a na pierścień aromaty c z n y (rys. 3). P o z w a l a t o n a s y n t e z ę p i e r w s z o r z ę d o w y c h a l k i l o b e n z e n ó w , których nie m o ż n a otrzymać bezpośrednio przez alkilowanie metodą F r i e d e l a - C r a f t s a ( p a t r z t e m a t 13). W a r t o z a u w a ż y ć , ż e p i e r ś c i e ń a r o m a t y c z n y s p r a w i a , iż g r u p a k e t o n o w a staje s i ę b a r d z i e j p o d a t n a n a r e d u k c j ę . Ketony alifatyczne w takich s a m y c h w a r u n k a c h nie uległyby redukcji. Związki nitrowe m o ż n a w p o d o b n y sposób — nie zaburzając struktury pierścienia aromatycznego — r e d u k o w a ć d o amin. O
U
Rys. 3. Redukcja
aromatycznego
ketonu
OTRZYMYWANIE
Hasła Przekształcenia g r u p funkcyjnych pozwalają n a o t r z y m a n i e g r u p y funkcyjnej a l d e h y d u l u b k e t o n u b e z i n g e r o w a n i a w szkielet w ę g l o w y cząsteczki. A l d e h y d y m o ż n a o t r z y m a ć p r z e z utlenienie 1° alkoholi albo p r z e z redukcję e s t r ó w , c h l o r k ó w k w a s o w y c h b ą d ź nitryli. D o k e t o n ó w p r o w a d z i u t l e n i a n i e alkoholi 2°. K e t o n y m e t y l o w e m o ż n a syntezować z tenninalnych alkinów.
Przekształcenia gruj funkcyjnych
Reakcje p r o w a d z ą c e d o a l d e h y d ó w i k e t o n ó w , a polegające n a t w o r z e n i u n o w y c h w i ą z a ń C ~ C , pozwalają s y n t e z o w a ć z w i ą z k i o b a r d z o z ł o ż o n y m szkielecie w ę g l o w y m z p r o s t y c h substancji wyjściowych. K e t o n y m o ż n a o t r z y m y w a ć w reakcji c h l o r k ó w k w a s o w y c h z o d c z y n n i k a m i m i e d z i o o r g a n i c z n y m i albo w reakcji nitryli z o d c z y r i n i k a m i G r i g n a r d a b ą d ź z e z w i ą z k a m i litoorganicznymi. Ketony aromatyczne m o ż n a syntezować przez acylowanie pierścienia a r o m a t y c z n e g o m e t o d ą Friedela-Craftsa.
Tworzenie wiązań C-C
Aldehydy i ketony można otrzymywać przez ozonolizę odpowiednio podstawionych alkenów.
Rozszczepienie wiązania C - C Tematy pokrewne
Przekształcenia grup funkcyjnych
Redukcja i utlenianie a l k e n ó w (H6) Addycja elektrofilowa d o a l k i n ó w (H8) Substytucja elektrofilowa b e n z e n u (13)
Reakcje (K6) Reakcje alkoholi (M4) C h e m i a nitryli ( 0 4 )
Przekształcenia g r u p funkcyjnych pozwalają n a otrzymanie g r u p y funkcyjnej a l d e h y d u l u b k e t o n u b e z i n g e r o w a n i a w s z k i e l e t w ę g l o w y c z ą s t e czki. Aldehydy m o ż n a otrzymać przez utlenienie pierwszorzędowych a l k o h o l i ( t e m a t M 4 ) a l b o p r z e z r e d u k c j ę e s t r ó w ( t e m a t K6), c h l o r k ó w k w a s o w y c h ( t e m a t K6) b ą d ź n i t r y l i ( t e m a t 0 4 ) . P o n i e w a ż n i t r y l e z kolei m o ż n a s y n t e z o w a ć z h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h ( t e m a t L6), ciąg p r z e kształceń m o ż e p r o w a d z i ć d o a l d e h y d u ( g r u p a C H O ) od h a l o g e n k u alki l o w e g o (rys. 1). O KCN R—X
1. DIBAH", toluen 2. H 0 © 3
halogenek alkilowy Rys. 1. Synteza aldehydu atom
II
R — C—U
FT
nitryl
z halogenku
alkilowego
z wydłużeniem
węgla
* Skrót od ang. diisobutytalummium hydride — przyp. tłum.
łańcucha
o jeden
Ketony m o ż n a otrzymać przez utlenianie d r u g o r z ę d o w y c h alkoholi (temat M4). K e t o n y m e t y l o w e m o ż n a s y n t e z o w a ć z terminalnych alki n ó w (temat H8). Tworzenie wiazan C - C
Reakcje p r o w a d z ą c e d o k e t o n ó w d r o g ą t w o r z e n i a n o w y c h w i ą z a ń w ę g i e l - w ę g i e l są n i e z w y k l e w a ż n e , p o n i e w a ż m o ż n a je s t o s o w a ć d o o t r z y m y w a n i a z w i ą z k ó w o b a r d z o z ł o ż o n y m szkielecie w ę g l o w y m z p r o s t y c h s u b s t a n c j i w y j ś c i o w y c h . K e t o n y m o ż n a o t r z y m y w a ć w reakcji c h l o r k ó w k w a s o w y c h z o d c z y n n i k a m i m i e d z i o o r g a n i c z n y m i ( t e m a t K6) a l b o w reakcji n i t r y l i z o d c z y n n i k a m i G r i g n a r d a b ą d ź z e z w i ą z k a m i l i t o o r g a m ę ż n y m i (temat 0 4 ) . Ketony a r o m a t y c z n e m o ż n a s y n t e z o w a ć p r z e z acy l o w a n i e p i e r ś c i e n i a a r o m a t y c z n e g o m e t o d ą F r i e d e l a - C r a f t s a ( t e m a t 13).
Rozszczepienie
Aldehydy i ketony można otrzymywać przez ozonolizę odpowiednio podstawionych alkenów (temat H6).
wiązania
C-C
WŁAŚCIWOŚCI
Hasła Grupa kąrbonylowaj
O k r e ś l e n i e „ g r u p a k a r b o n y l o w ą " o z n a c z a g r u p ę C = 0 . Jest o n a p l a s k a , składa się z d w ó c h a t o m ó w o h y b r y d y z a c j i sp (C i O), a kąty m i ę d z y t w o r z o n y m i p r z e z nie w i ą z a n i a m i o w y n o s z ą 120°. M i ę d z y a t o m e m t l e n u i węgla występuje silne w i ą z a n i e a i słabsze wiązanie JI. G r u p a k a r b o n y l o w ą jest s p o l a r y z o w a n a w taki s p o s ó b , ż e a t o m tlenu o b d a r z o n y jest c z ą s t k o w y m ł a d u n k i e m u j e m n y m , a a t o m w ę g ł a — cząstkowym ładunkiem dodatnim. W aldehydach i ketonach występują p o d s t a w n i k i następujących rodzajów: g r u p y alkilowe, pierścienie a r o m a t y c z n e , a t o m y w o d o r u . 2
T e m p e r a t u r y w r z e n i a a l d e h y d ó w i k e t o n ó w są w y ż s z e niż a l k a n ó w 0 p o r ó w n y w a l n y c h m a s a c h c z ą s t e c z k o w y c h . Jest t o r e z u l t a t e m polarności g r u p y k a r b o n y l o w e j . Z w i ą z k i te mają j e d n a k n i ż s z e t e m p e r a t u r y w r z e n i a n i ż p o r ó w n y w a l n e alkohole czy k w a s y o r g a n i c z n e ; ta różnica z kolei w y n i k a z b r a k u w i ą z a ń w o d o r o w y c h w a l d e h y d a c h i k e t o n a c h . N i s k o c z ą s t e c z k o w e a l d e h y d y i k e t o n y są rozpuszczalne w wodzie, ponieważ mogą tworzyć między c z ą s t e c z k o w e w i ą z a n i a w o d o r o w e z cząsteczkami w o d y . A l d e h y d y 1 k e t o n y o w i ę k s z y c h m a s a c h c z ą s t e c z k o w y c h są n i e r o z p u s z c z a l n e w w o d z i e , p o n i e w a ż h y d r o f o b o w y c h a r a k t e r ł a ń c u c h ó w alkilowych czy pierścieni a r o m a t y c z n y c h p r z e w a ż a n a d w p ł y w e m polarnej g r u p y karbonylowej. Tlen w g r u p i e k a r b o n y l o w e j jest c e n t r u m n u k l e o f i l o w y m , a k a r b o n y l o w y węgiel — c e n t r u m elektrofilowym.
Centra nukleofilowe
K e t o n y pozostają w r ó w n o w a d z e z e s w o i m i i z o m e r a m i — e n o l a m i . K e t o n y i enole określa się m i a n e m t a u t o m e r ó w , a p r o c e s ich szybkiej, wzajemnej p r z e m i a n y t o t a u t o m e r i a k e t o - e n o l o w a . Proces t e n m o ż e być katalizowany k w a s e m lub zasadą.
Tautomeria keto-enolowsF
Tematy pokrewne
Grupa karbonylową
2
H y b r y d y z a c j a sp (A4) Rozpoznawanie grup funkcyjnych ( C l )
W i ą z a n i a m i ę d z y c z ą s t e c z k o w e (C3) Z w i ą z k i o r g a n i c z n e (E4) J o n y e n o l a n o w e (G5)
Z a r ó w n o a l d e h y d y , jak i k e t o n y zawierają g r u p ę karbonylową ( C = 0 ) . P o d s t a w n i k i p o ł ą c z o n e z g r u p ą k a r b o n y l o w ą określają, c z y m a m y d o c z y n i e n i a z a l d e h y d e m , c z y z k e t o n e m i c z y jest t o z w i ą z e k a l i f a t y c z n y , czy a r o m a t y c z n y (tematy C l i C2). G r u p a k a r b o n y l o w ą jest p ł a s k a , a w i ą z a n i a t w o r z ą m i ę d z y sobą k ą t y 120° ( t e m a t A 4 ; rys. 1). W k a r b o n y l o w y c h a t o m a c h w ę g l a i t l e n u w y s t ę -
:o:
120°
płaski
Rys. 1. Geometria
grupy
karbonylowej
2
p u j e h y b r y d y z a c j a sp , a p o d w ó j n e w i ą z a n i e m i ę d z y t y m i a t o m a m i s k ł a d a s i ę z j e d n e g o s i l n e g o w i ą z a n i a o i s ł a b s z e g o w i ą z a n i a n. W i ą z a n i e k a r b o n y l o w e jest k r ó t s z e n i ż p o j e d y n c z e w i ą z a n i e C - O ( o d p o w i e d n i o , 0,122 n m (1,22 A ) i 0,143 n m (1,43 A)) i silniejsze o d n i e g o ; w j e g o skład w c h o d z i przecież nie jedno, lecz d w a wiązania (odpowiednio, 732 kj • m o l i 385 kj • m o l ) . G r u p a k a r b o n y l o w ą jest bardziej r e a k t y w n a niż a t o m y C i O połączone wiązaniem pojedynczym, ze w z g l ę d u na obe c n o ś ć s t o s u n k o w o s ł a b e g o w i ą z a n i a n. - 1
- 1
G r u p a k a r b o n y l o w ą jest s p o l a r y z o w a n a w t a k i s p o s ó b , ż e n a a t o m i e t l e n u z n a j d u j e się c z ą s t k o w y ł a d u n e k u j e m n y , a n a a t o m i e w ę g l a — c z ą s t k o w y ł a d u n e k d o d a t n i . Z a r ó w n o p o l a r n o ś ć g r u p y k a r b o n y l o w e j , jak i o b e c n o ś ć s ł a b e g o w i ą z a n i a n t ł u m a c z ą b a r d z o w i e l e c h e m i c z n y c h i fizy cznych właściwości a l d e h y d ó w i k e t o n ó w . Polaryzacja wiązania oznacza też, ż e g r u p a k a r b o n y l o w ą o b d a r z o n a jest m o m e n t e m d i p o l o w y m . Właściwości
Ze względu na polarny charakter grupy karbonylowej aldehydy i ketony mają w y ż s z e t e m p e r a t u r y w r z e n i a n i ż a l k a n y o p o d o b n e j m a s i e c z ą s t e c z k o w e j . M i ę d z y g r u p a m i k a r b o n y l o w y m i n i e m o g ą j e d n a k t w o r z y ć się w i ą z a n i a w o d o r o w e i t o z k o l e i s p r a w i a , ż e a l d e h y d y i k e t o n y mają n i ż sze temperatury wrzenia niż alkohole czy k w a s y karboksylowe. N i s k o c z ą s t e c z k o w e a l d e h y d y i k e t o n y ( n p . f o r m a l d e h y d i a c e t o n ) są r o z p u s z c z a l n e w w o d z i e . Dzieje się t a k z a s p r a w ą m i ę d z y c z ą s t e c z k o w y c h w i ą z a ń w o d o r o w y c h , jakie m o g ą p o w s t a w a ć m i ę d z y g r u p a m i kar b o n y l o w y m i a c z ą s t e c z k a m i w o d y ( t e m a t C 3 ; rys. 2 ) . W m i a r ę w z r o s t u m a s y c z ą s t e c z k o w e j u j a w n i a s i ę c o r a z silniejszy c h a rakter hydrofobowy p o d s t a w n i k ó w alkilowych połączonych z grupą karbonylową; zaczyna on d o m i n o w a ć n a d efektem oddziaływania g r u p y karbonylowej z wodą i sprawia, że wysokocząsteczkowe aldehydy i k e t o n y nie rozpuszczają się w w o d z i e . A r o m a t y c z n e k e t o n y i a l d e h y d y r ó w n i e ż są n i e r o z p u s z c z a l n e w w o d z i e z e w z g l ę d u n a h y d r o f o b o w y c h a rakter pierścienia aromatycznego.
:b-
H
wiązanie | wodorowe _ . h :o:-""**
n H3C
CH3
Rys. 2. Wiązania wodorowe
między cząsteczkami
ketonu i wody
Centra nukleofilowe i elektrofilowe
Z e w z g l ę d u n a polarność g r u p y karbonylowej, w cząsteczkach aldehyd ó w i k e t o n ó w z n a j d u j e się c e n t r u m n u k l e o f i l o w e n a a t o m i e t l e n u i c e n t r u m e l e k t r o f i l o w e n a a t o m i e w ę g l a , t a k j a k p o k a z a n o to p o n i ż e j d l a p r o p a n a l u (rys. 3; t e m a t E 4 ) . C z y n n i k i n u k l e o f i l o w e r e a g u j ą w i ę c z elektrofi l o w y m w ę g l e m , a czynniki elektrofilowe — z nukleofilowym tlenem aldehydów i ketonów. centrum__^. '.Ql°nukleofilowe' 11 centrum U
H
+ CH3CH3 +
/
NiS
R ^ R
-r 0
H
+
:a:
w i ą z a n i e JI z o s t a j e o d t w o r z o n e , a j e d n o c z e ś n i e w i ą z a n i e a C - C l — z e r w a n e . O b a e l e k t r o n y z t e g o w i ą z a n i a trafiają d o o p u s z c z a j ą c e g o c z ą s t e czkę jonu chlorkowego jako czwarta wolna para elektronowa. Anion chlorkowy m o ż e na koniec odebrać p r o t o n od C H 3 0 H 2 , tworząc HC1 i m e t a n o l (nie p o k a z a n e n a r y s u n k u ) . W zasadzie p o w y ż s z y m e c h a n i z m jest taki s a m jak w p r z y p a d k u reak cji c h l o r k u e t a n o i l u z m e t a n o l a n e m s o d o w y m ; j e d y n a r ó ż n i c a p o l e g a n a konieczności usunięcia protonu w j e d n y m z etapów procesu. Z g o d n i e z t a k i m s a m y m m e c h a n i z m e m o d b y w a się substytucja n u k l e ofilowa innych p o c h o d n y c h k w a s ó w karboksylowych obojętnymi nukle o f i l a m i . N a rysunku 7 m e c h a n i z m t e n z o s t a ł z a p i s a n y w p o s t a c i u o g ó l n i o n e j . W p r a k t y c e d o ś r o d o w i s k a reakcji d o d a j e się c z ę s t o k w a s u l u b z a s a d y , aby z w i ę k s z y ć w y d a j n o ś ć p r o c e s u . Szczegółowe p r z y k ł a d y rea kcji o p i s a n e są w t e m a c i e K 5 . +
Rys. 7. Ogólny mechanizm
Addycja a substytucja
substytucji
CH — C-j-R(H) 3
| V
R m a t y c z n y m i , dając a r o m a t y c z n e k e t o n y (rys. 13). Reakcja p o l e g a n i utworzeniu z chlorku k w a s o w e g o jonu acyliowego, a następnie n a s u b stytucji e l e k t r o f i l o w e j p i e r ś c i e n i a a r o m a t y c z n e g o ( t e m a t 13). O
Rys. 13. Acylowanie
Reakcja Grignarda
Friedela-Craftsa
Chlorki k w a s o w e i estry mogą reagować z d w o m a r ó w n o w a ż n i k a n o d c z y n n i k a G r i g n a r d a ( t e m a t L 7 ) , t w o r z ą c t r z e c i o r z ę d o w y alkohol w którym d w i e n o w e g r u p y alkilowe pochodzą z odczynnika Grignard (rys. U). W i s t o c i e z a c h o d z ą t u d w i e reakcje (rys. 25). C h l o r e k k w a s o w y r e a g u j z pierwszym równoważnikiem odczynnika Grignarda w typowym pm cesie s u b s t y t u c j i n u k l e o f i l o w e j p r o w a d z ą c y m d o p o ś r e d n i e g o k e t o m Keton t e n m o ż e j e d n a k u l e g a ć dalszej reakq'i z o d c z y n n i k a m i Grignardj
(a)
(b) O II
a) 2 RMgł
Q H C^
X
3
W
OH
C I
B
)H 0©
OH
iI
Q
0
H.C^I^R
3
0
I
I
a) 2 RMgl ^
H C ^^OR' 3
B )
Q
H 0©
H C^j ^ R
3
3
R
Rys. 14. Otrzymywanie
trzeciorzędowego
R
alkoholu
w reakcji
Grignarda
(a) z chlorku
kwasowego;
(b) z estru
H©
Ha?
GR*
.
\JX.
^
C
"*- \-C?!'
f
GR* r > „
_c,© -a" ^
reakcji
I
H C^R
Grignarda
z udziałem
chlorku
|
^H C-C—H
3
T
: OH
A
H.O©
H C-C—R
*
3
R
Rys. 15. Mechanizm
: o ; —^
^ »
3
R
R
kwasowego
reaguje on niezwłocznie z d r u g i m r ó n o w a ż n i k i e m odczynnika z g o d n i e z m e c h a n i z m e m addycji nukleofilowej o p i s a n y m dla a l d e h y d ó w i keto n ó w ( t e m a t J4). K w a s y k a r b o k s y l o w e w c h o d z ą z o d c z y n n i k a m i G r i g n a r d a w reakcję kwas-zasada prowadzącą do powstania jonu karboksylanowego i alkanu (rys. 26). Reakcja ta n i e m a p r a k t y c z n e g o z a s t o s o w a n i a w s y n t e z i e o r g a n i c z n e j . I s t o t n e jest n a t o m i a s t , a b y c h r o n i ć g r u p ę k a r b o k s y l o w ą , k i e d y c h c e s i ę p o d d a ć reakcji z o d c z y n n i k i e m G r i g n a r d a i n n ą c z ę ś ć c z ą s t e c z k i związku organicznego. Zapobiega to zużywaniu odczynnika Grignarda przez g r u p ę karboksylową.
:o:
:o:
_
J^.T) R
O
Rys. 16. Reakcja
H
0 © ^:R
kwas-zasada
Reakcje ze związkami litoorganicznymi
między
^
MgBr
J^..Q
odczynnikiem
Grignarda
©
^o \
R
a kwasem
+
H — R
MgBr karboksylowym
E s t r y reagują z d w o m a r ó w n o w a ż n i k a m i z w i ą z k u H t o o r g a n i c z n e g o , dając t r z e c i o r z ę d o w y a l k o h o l , w k t ó r y m d w i e z t r z e c h g r u p a l k i l o w y c h p o c h o d z ą z o d c z y n n i k a m e t a l o o r g a n i c z n e g o (rys. 27). R e a k q ' a p r z e b i e g a w e d ł u g t a k i e g o s a m e g o m e c h a n i z m u j a k o p i s a n y d l a reakcji G r i g n a r d a ; jest to więc również substytucja nukleofilowa p r o w a d z ą c a d o k e t o n u , O || C H C^ 3
X
OH a) 2 RLi OR'
Rys. 17. Otrzymywanie litoorganicznym
> b)H 0©
H C^|
trzeciorzędowego
alkoholu
3
3
R
w reakcji
estru ze
związkiem
a w k o l e j n y m e t a p i e — n a s t ę p u j e a d d y c j a n u k l e o f i l o w a . P o d c z a s reakcji k o n i e c z n e j e s t c h r o n i e n i e g r u p y k a r b o k s y l o w e j — o ile jest o n a o b e c n a w reagującym związku — ponieważ jeden r ó w n o w a ż n i k odczynnika l i t o o r g a n i c z e g o b y ł b y z u ż y t y w reakcji k w a s - z a s a d a z u d z i a ł e m tej grupy. Reakcje z e związkami miedzioorganicznymi
C h l o r k i k w a s o w e reagują z d i o r g a n o m i e d z i a n a m i ( t e m a t L7), dając k e t o n y (rys. 18). P o d o b n i e j a k w p r z y p a d k u reakcji G r i g n a r d a , w p r o c e s i e t y m g r u p a alkilowa p o d s t a w i a jon c h l o r k o w y , t w o r z ą c keton. Inaczej jedn a k n i ż w t a m t e j reakcji, p r z e k s z t a ł c e n i a z a t r z y m u j ą się n a e t a p i e k e t o n u . P r z y p u s z c z a się, ż e reakcja n i e p o l e g a n a s u b s t y t u c j i n u k l e o f i l o w e j , lecz b i o r ą w niej u d z i a ł w o l n e r o d n i k i . N i e z a c h o d z i o n a z k w a s a m i k a r b o ksylowymi, b e z w o d n i k a m i k w a s o w y m i , estrami ani amidami.
0 © R Cu HC
O
Li
2
Ci
3
HC
R
3
Rys. 18. Otrzymywanie
Redukcja
ketonu w reakcji chlorku kwasowego
z
diorganomiedzianem
K w a s y karboksylowe, chlorki k w a s o w e , b e z w o d n i k i i estry m o ż n a zre d u k o w a ć d o p i e r w s z o r z ę d o w y c h alkoholi przez traktowanie tetrahydryd o g l i n i a n e m litu ( L i A I H j ; rys. 19). Reakcja p o l e g a n a s u b s t y t u c j i n u k l e o f i lowej p r z e z jon w o d o r k o w y z u t w o r z e n i e m p o ś r e d n i e g o a l d e h y d u . Pro d u k t u tego nie m o ż n a wyizolować, ponieważ natychmiast ulega on rea kcji a d d y c j i n u k l e o f i l o w e j z n a s t ę p n y m j o n e m w o d o r k o w y m ( t e m a t J4; rys. 20). S z c z e g ó ł o w y m e c h a n i z m p r o c e s u p r z e d s t a w i o n y jest n a rysun ku 21. A m i d y r ó ż n i ą się o d k w a s ó w k a r b o k s y l o w y c h i i n n y c h p o c h o d n y c h k w a s o w y c h p r z e b i e g i e m i c h reakcji z LiAlH4. Z a m i a s t p i e r w s z o r z ę d o w y c h a l k o h o l i r e d u k c j a a m i d ó w d a j e a m i n y (rys. 22). M e c h a n i z m reakcji (rys. 23) p o l e g a n a p r z y ł ą c z e n i u j o n u w o d o r k o w e g o i u t w o r z e n i u p r o d u ktu pośredniego, który ulega przekształceniu w pośredni związek glinoo r g a n i c z n y . W y j ą t k o w y m e l e m e n t e m m e c h a n i z m u n a t y m e t a p i e jest O
a) LiAlHi
Ił
b) H 3 0
R
Rys. 19. Redukcja chlorków pomocą tetrahydrydoglinianu
kwasowych, litu
O
3
Rys. 20. Redukcja
bezwodników
kwasowych
i estrów
II
LiAIH* •—
"OEt
substytucja nukleofilowa
estru przy użyciu
UAIHĄ
HC 3
za
OH
O
11 H C
Y = OH, Cl, OCOR', OR'
OH
I
LłAlHi addycja nukleofilowa
H C^/ 3
^H H alkohol 1°
H©
W -C. . .
^
..
3
V
Rys. 21. Mechanizm
redukcji
estru do pierwszorzędowego
: H
T
3
H
3
|
e
H O®
H C—C
HC— C
H
3
|
|
H
H
3
H : H
*~
H 0 © 3
H
3
2
H C' 3
"OEl
aldehydu
Przy redukcji k w a s ó w karboksylowych d o p i e r w s z o r z ę d o w y c h alko h o l i j a k o ś r o d e k r e d u k u j ą c y m o ż e być" s t o s o w a n y b o r a n (B2H6). P r z e w a g a tego związku n a d LiAlHi polega n a tym, że nie redukuje o n g r u p nitro w y c h (LLAIH4 r e d u k u j e g r u p y n i t r o w e -NO2 d o a m i n o w y c h -NH2). W a r t o z a u w a ż y ć , ż e k w a s ó w k a r b o k s y l o w y c h a n i ich p o c h o d n y c h n i e m o ż n a zredukować łagodniejszym środkiem redukującym — tetrahyd r o b o r a n e m s o d u (NaBtL;). O d c z y n n i k t e n m o ż e w i ę c b y ć s t o s o w a n y d o redukcji a l d e h y d ó w i ketonów; proces t e n nie będzie miał w p ł y w u n a o b e c n e w ś r o d o w i s k u reakcji k w a s y k a r b o k s y l o w e czy ich p o c h o d n e . Dehydratacja
P o d w p ł y w e m o d c z y n n i k ó w odwadniających, takich jak chlorek tionylu (SOCI2), t l e n e k fosforu(V) (P2O5), t r i c h l o r e k f os f or ylu ( P O C l ) c z y b e z w o d n i k o c t o w y , p i e r w s z o r z ę d o w e a m i d y ulegają d e h y d r a t a c j i d o n i t r y l i (rys. 25).
pierwszorzędo-
3
wych amidów
SOCI
2
H C —C = N 3
•H 0
H C
2
3
Rys. 25. Przekształcenie
pierwszorzędowego
amidu w nitryl
Mechanizm odwodnienia a m i d u za pomocą chlorku tionylu przedsta w i o n y jest n a rysunku 26. C h o ć efekt k o ń c o w y reakcji jest t a k i s a m j a k p r z y reakcji d e h y d r a t a c j i , r y s u n e k p o k a z u j e , ż e w istocie w p r o c e s i e t y m n i e n a s t ę p u j e e l i m i n a c j a c z ą s t e c z k i w o d y . Siłą n a p ę d o w ą reakcji jest utrata jednej cząsteczki g a z o w e g o tlenku siarki(IV).
1 Cl'
O-
ci
:o: J \ \ S
:o
c CH ^ 3
_^JH
*2
ci
!
.c
H
N
v :cr *-
CH ^ © N j
r — - ; zasada
odwodnienia
H
3
C H — C = N ; + so (gaz)+Cl
x
3
^
' u H
N
Rys. 26. Mechanizm
G
,c
C
3
xi
M
pierwszorzędowego
^ — - 1 zasada amidu z utworzeniem
nitrylu
2
REAKCJE JONÓW ENOLANOWYCH
Hasła W cząsteczkach e s t r ó w w y s t ę p u j ą p r o t o n y et, których u s u n i ę c i e za pomocą mocnych zasad p r o w a d z i d o powstania jonów enolanowych. W reakcji stosuje się z a s a d y o d u ż y c h r o z m i a r a c h cząsteczki, a b y zapobiec substytucji nukleofilowej. M a l o n i a n dietylu m o ż n a przekształcić w stabilny jon e n o l a n o w y za p o m o c ą e t a n o l a n u s o d u jako zasady.
Jony e n o l a n o w e
J o n y e n o l a n o w e m o ż n a a l k i l o w a ć za p o m o c ą h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h . M a l o n i a n dietylu m o ż n a a l k i l o w a ć d w u k r o t n i e , a n a s t ę p n i e p o d d a ć hydrolizie i dekarboksylacji, otrzymując d w u p o d s t a w i o n y k w a s octowy.
Alkilowanie
W o d p o w i e d n i c h w a r u n k a c h d w i e cząsteczki e s t r ó w m o g ą ulec kondensacji p r o w a d z ą c e j d o u t w o r z e n i a ^ - o k s o e s t r u . Reakcja p o l e g a n a u t w o r z e n i u z jednej cząsteczki estru j o n u e n o l a n o w e g o , k t ó r y n a s t ę p n i e ulega substytucji nukleofilowej p r z e z d r u g ą cząsteczkę estru. M o ż l i w a jest m i e s z a n a kodensacja Claisena z u d z i a ł e m d w ó c h r ó ż n y c h e s t r ó w albo z u d z i a ł e m estru i k e t o n u . Tematy pokrewne
Jony enolanowe
Jony e n o l a n o w e (G5) Reakcje j o n ó w e n o l a n o w y c h (J8)
Substytuq"a nukleofilowa (L2)
J o n y e n o l a n o w e m o g ą p o w s t a w a ć z a l d e h y d ó w i k e t o n ó w ( t e m a t J8) z a w i e r a j ą c y c h p r o t o n y p r z y w ę g l u a. R ó w n i e ż z e s t r ó w — o ile w i c h c z ą s t e c z k a c h w y s t ę p u j ą p r o t o n y p r z y w ę g l u a — m o g ą t w o r z y ć się j o n y e n o l a n o w e (rys. 1). P r o t o n y te w y k a z u j ą s ł a b o k w a s o w y c h a r a k t e r ( t e m a t G5) i m o g ą o d d y s o c j o w y w a ć p o d w p ł y w e m m o c n y c h z a s a d , j a k n p . d i i z o p r o p y l o a m i d e k litu (LDA*). Z e w z g l ę d u n a d u ż e r o z m i a r y c z ą s t e c z k i L D A , z a p o b i e g a j ą c e jej a t a k o w i n a g r u p ę k a r b o n y l o w ą w r e a kcji s u b s t y t u c j i n u k l e o f i l o w e j , z w i ą z e k t e n d z i a ł a w t y m p r z y p a d k u j a k o zasada, a nie jako nukleofil. P o w s t a w a n i e j o n ó w e n o l a n o w y c h jest ł a t w i e j s z e , jeśli r e s z t y e s t r o w e znajdują się p o o b u s t r o n a c h w ę g l a a. P r o t o n y a b o w i e m są w t y c h w a r u n k a c h bardziej k w a s o w e . Z taką sytuaq'ą m a m y d o czynienia w m a lonianie dietylowym, w którym protony a m o ż n a usunąć p r z y użyciu z a s a d s ł a b s z y c h n i ż L D A ( n p . e t a n o l a n s o d u ; rys. 2). P o w s t a j ą c y w t y m p r z y p a d k u j o n e n o l a n o w y jest b a r d z i e j s t a b i l n y , p o n i e w a ż ł a d u n e k u j e m n y m o ż e być zdelokalizowany w obrębie obu g r u p karbonylowych. * Skrót od ang. łithium diisopropylamide — przyp. tłum.
..0 R
C
OR
w
X
V : N(Pr')
QR
+ HN(PH)
2
2
© enolanowego
Rys. 7, Powstewan/e yonu
II EtO'
II ^C^ H
N
NaOEt 0Et
EtOH
H
..0 :o:
©..
;o;
:o; !
:o;
:o:
:o;
.c. EtO'
ftys. 2. Tworzenie
Alkilowanie
"C'
^OR
EtO'
się jonu enolanowego
z malonianu
^QR
EtO'
q C
"'OR
dietylu
J o n y e n o l a n o w e m o ż n a a l k i l o w a ć h a l o g e n k a m i a l k i l o w y m i , k t ó r e ulegaj reakcji s u b s t y t u c j i n u k l e o f i l o w e j S N 2 ( t e m a t L 2 ; rys. 3 ) . Choć proste estry r ó w n i e ż m o ż n a przekształcać w jony enolanow i a l k i l o w a ć , r e a k c j a jest o w i e l e b a r d z i e j w y d a j n a w p r z y p a d k u takie z w i ą z k ó w , jak m a l o n i a n d i e t y l o w y . W y n i k a t o z f a k t u , iż p r o t o n y w t y m z w i ą z k u ( p K = 1 0 - 1 2 ) są b a r d z i e j k w a s o w e n i ż p r o t o n y c w p n s t y m e s t r z e , jak n p . o c t a n e t y l u (pK = 2 5 ) i m o ż n a je u s u n ą ć p r z y u ż y c i ł a g o d n i e j działającej z a s a d y . D l a k a ż d e j k o n k r e t n e j z a s a d y m o ż n a p r a widzieć, czy jest o n a wystarczająco m o c n a d o usunięcia p r o t o n ó w . z c z ą s t e c z k i e s t r u : jeśli p K s p r z ę ż o n e g o z z a s a d ą k w a s u jest w y ż s z e ni pKa e s t r u , dysocjacja p r o t o n ó w a jest m o ż l i w a . N a p r z y k ł a d k w a s a s p r z ę ż o n y m z j o n e m e t o k s y l o w y m jest e t a n o l ( p K = 1 6 ) ; k a ż d y e s | o pfC n i ż s z y m o d 1 6 u l e g n i e w i ę c w o b e c n o ś c i j o n u e t o k s y l o w e g o dyai a
a
a
a
a
:o; U
D
R
:o: a) LDA/THF
>
b,CH , 3
H Rys. 3. a-Alkilowanie
L'
n
>
^OR CH;13
estru
cjacji. D o j d z i e d o niej w p r z y p a d k u m a l o n i a n u d i e t y l o w e g o , a l e n i e w p r z y p a d k u o c t a n u etylu. W a r t o też z a u w a ż y ć , że jon e t o k s y l o w y jest wystarczająco mocną zasadą, aby w jego obecności nastąpiło całkowite, ilościowe d e p r o t o n o w a n i e m a l o n i a n u d i e t y l o w e g o . U s u w a to r y z y k o zaj ścia k o n k u r e n c y j n e j reakcji — k o n d e n s a c j i C l a i s e n a ( p a t r z niżej), p o n i e w a ż ten ostatni proces w y m a g a obecności nie zmienionego estru. Malo nian dietylu m o ż n a więc za p o m o c ą jonu etoksylowego ilościowo prze kształcić w jon e n o l a n o w y , n a s t ę p n i e alkilować p r z y użyciu h a l o g e n k u alkilowego, potraktować d r u g i m równoważnikiem zasady i alkilować p o n o w n i e , używając n p . innego h a l o g e n k u alkilowego niż za p i e r w s z y m r a z e m (rys. 4). P r z e p r o w a d z o n a n a s t ę p n i e h y d r o l i z a i d e k a r b o k s y l a c j a alkilowanego estru dietylowego p r o w a d z i do powstania k w a s u karbo k s y l o w e g o . W m e c h a n i z m i e d e k a r b o k s y l a c j i (rys. 5) k l u c z o w ą r o l ę o d g r y w a o b e c n o ś ć d r u g i e j g r u p y k a r b o n y l o w e j w pozycji fi w z g l ę d e m pierwszej. Produkt końcowy m o ż n a traktować jako d w u p o d s t a w i o n y k w a s octowy (etanowy). Teoretycznie, p o w i n n o być możliwe otrzymanie tego p r o d u k t u także z octanu etylu. Jednakże zastosowanie m a l o n i a n u diety l o w e g o jest w y g o d n i e j s z e , p o n i e w a ż o b e c n o ś ć d w ó c h g r u p k a r b o k s y l o wych ułatwia powstawanie pośrednich jonów enolanowych.
:o:
:o;
jJ
[j
E,0-
-OE, H
R.|
»
Q
:o: II
:o: NaOEt / EtOH
'
> ( H
H 0
R
y
:o:
X R'
[J
R
:o: -C0
3
HO'
2
(gaz)
^OH R'
Rys. 4. Dwukrotne
:o;
^ « » '
H
ogrzewanie
:o: NaOEt / EtOH
alkilowanie
R'
R
malonianu
^cr
H
R
dietylu
-C0 (gazj 2
OH R'
R
| OH
OH
OH Rys. 5. Mechanizm
Kondensacja Claisena
dekarboksylacji
Kondensacja Claisena polega na z w i ą z a n i u ze sobą (kondensacji) d w ó c h c z ą s t e c z e k e s t r u i u t w o r z e n i u / 7 - o k s o e s t r u (rys. 6). Reakcja ta m o ż e b y ć t r a k t o w a n a j a k o o d p o w i e d n i k r e a k c j i a l d o l o w e j ( t e m a t J8) d l a e s t r ó w
".o:
:o:
M
||
HC
OEt
3
HC
OEt
3
:o:
:o:
||
||
a) NaOEt / EtOH b) H 0 ^ 3
HC
^OEt
3
H Rys. 6. Kondensacja
H
Claisena
(zamiast a l d e h y d ó w i ketonów). Kondensacja Claisena polega n a u t w o rzeniu jonu e n o l a n o w e g o z cząsteczki estru, a następnie jego substytucji n u k l e o f i l o w e j p r z e z d r u g ą c z ą s t e c z k ę e s t r u (rys. 7, e t a p 1). J o n e t o k s y l o w y u t w o r z o n y w e t a p i e 2 u s u w a p r o t o n a z / J - o k s o e s t r u ( e t a p 3), dając trwały jon e n o l a n o w y . Jego p o w s t a w a n i e p r z e s u w a położenie stanu r ó w n o w a g i w k i e r u n k u p r o d u k t ó w reakcji. A b y w y i z o l o w a ć k o ń c o w y p r o d u k t , d o rnieszaniny reakcyjnej dodaje się k w a s u , który p r o t o n u j e powstały jon enolanowy.
Rys. 7. Mechanizm
kondensacji
Claisena
W kondensacji Claisena m o g ą wziąć udział d w a r ó ż n e estry. W a r u n k i e m jest, a b y j e d e n z n i c h n i e m i a ł p r o t o n ó w a i n i e m ó g ł u t w o r z y ć j o n u e n o l a n o w e g o (rys. 8). W m i e s z a n e j k o n d e n s a c j i C l a i s e n a z u d z i a ł e m e s t r u i k e t o n u m o ż n a o t r z y m a ć ^ - d i k e t o n (rys. 9). T a k j a k p o p r z e d n i o — w c e l u
:o;
:o:
II
II X
Ph^
+
0Et
Rys. 8. Kondensacja
b)H 0©
3
Claisena z udziałem
:o;
P
h
3
dwóch różnych
OEt
Rys. 9. Kondensacja
C
H C^ 3
a) LDA/THF
N .
•
^CH
Claisena z udziałem
II
H
^pf H
^OEt H
:o:
II ^
+
^
:o:
estrów
:o:
II
PrT
a) L DA/TH F
H C ^ ^OEt
:o:
3
ketonu i estru
II
M
7s *-
hlH.O©
:o: /
P
h
HPv H
\ C H
3
z a p o b i e ż e n i a k o n k u r e n c y j n e j reakcji k o n d e n s a c j i — d o b r z e jest u ż y ć estru, który nie m o ż e u t w o r z y ć jonu e n o l a n o w e g o . W obu ostatnich przykładach u ż y t o b a r d z o mocnej zasady — LDA. Pozwalało to n a ilościowe utworzenie jonu enolanowego (odpowiednio, z o c t a n u e t y l u i a c e t o n u ) . W t y c h w a r u n k a c h m o ż l i w e jest j e d y n i e zajście kondensacji mieszanej, a autokondensacja* Claisena jest w y k l u c z o n a .
* Kondensaq'a z udziałem dwóch cząsteczek tego samego estru — przyp.
tłum.
OTRZYMYWANIE I WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE
Hasła A l k e n y przekształca się w h a l o g e n k i a l k i l o w e w reakcji z fluorowcowodorami. Traktowanie alkenów fluorowcami prowadzi d o d i h a l o g e n o a l k a n ó w . H a l o g e n k i a l k i l o w e m o g ą p o w s t a w a ć z 3° alkoholi t r a k t o w a n y c h f l u o r o w c o w o d o r a m i , n a t o m i a s t 1° i 2° alkohole ulegają t a k i e m u p r z e k s z t a ł c e n i u p o d w p ł y w e m c h l o r k u tionylu lub b r o m k u fosforu(III).
Otrzymywanie
H a l o g e n k i a l k i l o w e składają się z g r u p y alkilowej połączonej z a t o m e m fluorowca. W a t o m i e w ę g l a z w i ą z a n y m z f l u o r o w c e m w y s t ę p u j e t e t r a e d r y c z n a h y b r y d y z a c j a sp . D ł u g o ś ć wiązania w ę g i e l - f l u o r o w i e c rośnie, a m o c w i ą z a n i a maleje w m i a r ę w z r o s t u rozmiarów fluorowca.
Struktura
3
"Wiązania
M i ę d z y a t o m a m i w ę g l a i fluorowca ( C - X ) w y s t ę p u j e wiązanie CT, k t ó r e jest s p o l a r y z o w a n e w taki s p o s ó b , ż e n a a t o m i e fluorowca w y s t ę p u j e niewielki ł a d u n e k ujemny, a n a a t o m i e w ę g l a — niewielki ł a d u n e k d o d a t n i . M i ę d z y cząsteczkami d o c h o d z i d o słabych oddziaływań van der Waalsa.
Właściwości
Cząsteczki h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h w y k a z u j ą m o m e n t d i p o l o w y . Z w i ą z k i te słabo rozpuszczają się w w o d z i e , d o b r z e zaś — w r o z p u s z c z a l n i k a c h o r g a n i c z n y c h . Zachowują się o n e jak elektrofile, p r z y c z y m c e n t r u m elektrofilowe s t a n o w i w n i c h a t o m w ę g l a . H a l o g e n k i alkilowe ulegają reakcjom substytucji nukleofilowej i elinunacji.
Tematy pokrewne
Otrzymywanie
3
H y b r y d y z a c j a sp (A3) Wiązania m i ę d z y c z ą s t e c z k o w e (C3) Właściwości i reakcje (C4)
A d d y q ' a elektrofilowa d o symetrycznie podstawionych a l k e n ó w (H3) Reakcje alkoholi (M4)
T r a k t o w a n i e a l k e n ó w f l u o r o w c o w o d o r a m i (HX = H O , H B r i HI) l u b h a l o g e n a m i (CI2 i Br2) p r o w a d z i d o o t r z y m a n i a , o d p o w i e d n i o , h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h l u b d i h a l o g e n o a l k a n ó w ( t e m a t H3). N i e z w y k l e u ż y t e c z n ą m e t o d ą o t r z y m y w a n i a h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h jest d z i a ł a n i e f l u o r o w c o w o d o r e m n a a l k o h o l . Najlepiej r e a g u j ą a l k o h o l e t r z e c i o r z ę d o w e ( t e m a t M4). P i e r w s z o - i d r u g o r z ę d o w e a l k o h o l e m o ż n a s k u t e c z n i e j p r z e kształcić w h a l o g e n k i alkilowe, działając n a nie chlorkiem tionylu
(SOCI2) l u b b r o m k i e m fosforuflll) (PBr3). Ś r o d o w i s k o tej reakcji jest m n i e j k w a ś n e i m n i e j s z e jest n i e b e z p i e c z e ń s t w o zajścia k a t a l i z o w a n y c h p r z e z kwas przegrupowań. Struktura
H a l o g e n k i a l k i l o w e składają się z g r u p y a l k i l o w e j p o ł ą c z o n e j z a t o m e m f l u o r o w c a (F, Cl, Br l u b 1) p o j e d y n c z y m w i ą z a n i e m o. A t o m w ę g l a związany z a t o m e m fluorowca ulega hybrydyzacji sp , czego w y n i k i e m jest j e g o t e t r a e d r y c z n a g e o m e t r i a z k ą t a m i m i ę d z y w i ą z a n i a m i w y n o s z ą c y m i o k o ł o 109°. D ł u g o ś ć w i ą z a n i a w ę g i e l - h a l o g e n r o ś n i e w r a z z e w z r o s t e m r o z m i a r ó w a t o m u fluorowca; towarzyszy temu zmniejszenie e n e r g i i w i ą z a n i a . N a p r z y k ł a d w i ą z a n i a C - F są k r ó t s z e i silniejsze n i ż wiązania C - C l . 3
Wiązania
W i ą z a n i e w ę g i e l - f l u o r o w i e c ( o z n a c z a ć je b ę d z i e m y C - X ) jest w i ą z a n i e m o. U l e g a o n o p o l a r y z a c j i , p o n i e w a ż f l u o r o w i e c jest b a r d z i e j e l e k t r o ujemny niż węgiel. W w y n i k u polaryzacji n a atomie fluorowca występuje niewielki ł a d u n e k ujemny, a na atomie węgla — niewielki ł a d u n e k d o d a tni. M i ę d z y cząsteczkami h a l o g e n k ó w alkilowych nie m o g ą t w o r z y ć się wiązania w o d o r o w e ani j o n o w e ; najważniejszymi międzycząsteczkowym i s i ł a m i w i ą ż ą c y m i są w p r z y p a d k u t y c h z w i ą z k ó w s ł a b e o d d z i a ł y w a nia van der Waalsa.
Właściwości
Polaryzacja wiązania C - X oznacza, że halogenki alkilowe wykazują z n a c z ą c y m o m e n t d i p o l o w y . S ł a b o r o z p u s z c z a j ą się o n e w w o d z i e , są natomiast dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Pod względem temperatur wrzenia przypominają one alkany o porównywal nej m a s i e c z ą s t e c z k o w e j . P o l a r n o ś ć w i ą z a n i a C - X s p r a w i a t e ż , ż e a t o m węgla stanowi centrum elektrofilowe, a atom fluorowca — centrum n u k l e o f i l o w e . P o n i e w a ż j e d n a k h a l o g e n o w e c e n t r a n u k l e o f i l o w e są b a r d z o s ł a b e , n a j b a r d z i e j p r a w d o p o d o b n y m z a c h o w a n i e m h a l o g e n k ó w alki l o w y c h jest i c h d z i a ł a n i e j a k o c z y n n i k ó w e l e k t r o f i l o w y c h z w y k o r z y s t a n i e m centrów elektrofilowych na atomach węgla.
Reakcje
N a j w a ż n i e j s z e reakcje, j a k i m ulegają h a l o g e n k i a l k i l o w e , to: a ) s u b s t y t u cja n u k l e o f i l o w a , p o d c z a s k t ó r e j a t a k u j ą c y n u k l e o f i l z a s t ę p u j e fluorowiec (rys. la), o r a z b ) e l i m i n a c j a , p o d c z a s k t ó r e j h a l o g e n e k a l k i l o w y t r a c i c z ą s t e c z k ę H X i p r z e k s z t a ł c a się w a l k e n (rys. Ib).
0
(a)
R
R
R—
0
R \
..
I zasada
R
Rys. 1. Reakcje
substytucja nukleolilowa
/ C
/ R
R
halogenków
R \
H—c—c—x: R
:x:
— Nu
R
j2 rośnie w r a z z e w z r o s t e m nukleofilowości atakującego nukleofila. N a t o m i a s t n a szybkość reakq'i S N I rodzaj c z y n n i k a nukleofilowego nie m a w p ł y w u . Szybkość z a r ó w n o reakcji S N I , jak i S N 2 wzrasta, jeśli g r u p ą opuszczającą jest stabilny jon o właściwościach słabej z a s a d y . Jon j o d k o w y jest lepszą g r u p ą opuszczającą niż jon c h l o r k o w y . Fluorki alkilowe w ogóle nie ulegają reakcji substytucji nukleofilowej. P r a w d o p o d o b i e ń s t w o zajścia reakcji S N 2 jest mniejsze w p r z y p a d k u 3° h a l o g e n k ó w alkilowych n i ż w p r z y p a d k u h a l o g e n k ó w 1° lub 2°, g d y ż obecność trzech g r u p alkilowych z w i ą z a n y c h z r e a k t y w n y m c e n t r u m w y w o ł u j e efekt indukcyjny, obniżający r e a k t y w n o ś ć h a l o g e n k u . Poza t y m obecność trzech g r u p alkilowych o p o k a ź n y c h r o z m i a r a c h w sąsiedztwie centrum reaktywnego stanowi z a w a d ę przestrzenną utrudniającą zbliżanie się c z y n n i k ó w nukleofilowych. W 1° h a l o g e n k a c h alkilowych z r e a k t y w n y m c e n t r u m z w i ą z a n a jest tylko j e d n a g r u p a alkilowa, p r z e z c o d o s t ę p c z y n n i k ó w nukleofilowych jest łatwiejszy.
P o w s t a n i e p ł a s k i e g o k a r b o k a t i o n u w p i e r w s z y m e t a p i e reakcji S N I z a c h o d z i łatwiej w p r z y p a d k u 3° h a l o g e n k ó w alkilowych, p o n i e w a ż p r o c e s t e n zmniejsza p r z e s t r z e n n e zatłoczenie w t e t r a e d r y c z n y m substracie. K a r b o k a t i o n jest też łatwiej d o s t ę p n y dla zbliżających się c z y n n i k ó w nukleofilowych. P o w s t a n i u k a r b o k a t i o n u sprzyjają r ó w n i e ż c z y n n i k i e l e k t r o n o w e , obejmujące z a r ó w n o efekt i n d u k c y j n y , jak i h i p e r k o n i u g a c j ę z u d z i a ł e m trzech sąsiadujących g r u p alkilowych. Efekty i n d u k c y j n e i hiperkoniugacja występują w w i ę k s z y m s t o p n i u w k a r b o k a t i o n a c h u t w o r z o n y c h z 3° h a l o g e n k ó w alkilowych n i ż w tych, k t ó r e powstają z 1° l u b 2° s u b s t r a t ó w .
Jeśli z b a d a m y , w jakim s t o p n i u s z y b k o ś ć reakcji zależy o d s t ę ż e ń h a l o g e n k u a l k i l o w e g o i c z y n n i k a nukleofilowego, m o ż e m y ustalić, czy reakcja p r z e b i e g a w e d ł u g m e c h a n i z m u S N I , czy S N 2 . P o m i a r a k t y w n o ś c i optycznej p r o d u k t ó w substytucji nukleofilowej w a s y m e t r y c z n y m h a l o g e n k u a l k i l o w y m także pokazuje, z j a k i m t y p e m reakcji m a m y d o czynienia. W y ł ą c z n e l u b d o m i n u j ą c e p o w s t a w a n i e j e d n e g o e n a n c j o m e r u w s k a z u j e na m e c h a n i z m S N 2 . C z ę ś c i o w a l u b całkowita racemizacja p r o d u k t u ś w i a d c z y o mechanizmie SNI • Tematy pokrewne
S N 1 c z y S*|2?
M o c z a s a d (G3) Stabilizaq'a k a r b o k a t i o n u (H5)
Substytucja nukleofilowa (L2)
Reakcje substytucji nukleofilowej h a l o g e n k ó w alkilowych m o g ą p r z e b i e g a ć w e d ł u g d w ó c h m e c h a n i z m ó w . K i e d y p r o w a d z i s i ę je w p o l a r n y c h , a p r o t y c z n y c h r o z p u s z c z a l n i k a c h , f a w o r y z o w a n y jest m e c h a n i z m S N 2 . Reakcje p i e r w s z o r z ę d o w y c h h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h są w ó w c z a s s z y b sze niż h a l o g e n k ó w d r u g o r z ę d o w y c h , natomiast trzeciorzędowe halo g e n k i a l k i l o w e p r a w i e w o g ó l e w t y c h w a r u n k a c h n i e r e a g u j ą . Jeśli r e a k cja p r z e b i e g a w p r o t y c z n y m r o z p u s z c z a l n i k u i z u d z i a ł e m n i e z a s a d o w e g o czynnika nukleofilowego (np. podczas rozpuszczania halogenku a l k i l o w e g o w w o d z i e l u b a l k o h o l u ) , u p r z y w i l e j o w a n y jest m e c h a n i z m S N I , a p o r z ą d e k r e a k t y w n o ś c i jest o d w r o t n y niż p o d a n o wyżej (halo genki t r z e c i o r z ę d o w e reagują szybciej, niż d r u g o r z ę d o w e , a p i e r w s z o r z ę d o w e w o g ó l e n i e są r e a k t y w n e ) . Kilka c z y n n i k ó w p r z e s ą d z a o t y m , czy r e a k q a zajdzie w e d ł u g m e c h a n i z m u S N I / c z y S N 2 . O k r e ś l a j ą t e ż o n e s z y b k o ś ć , z jaką reakcja p r z e b i e g a . D o tych c z y n n i k ó w należy c h a r a k t e r u ż y t e g o nukleofila i t y p r o z p u s z czalnika. O względnej reaktywności h a l o g e n k ó w alkilowych o różnej rzędowości decydują R O H > H 0 ) (temat G3). W p o l a r n y c h , aprotycznych rozpuszczalnikach względna nukleofilowość jonów halog e n k o w y c h jest n a s t ę p u j ą c a : F " > C l > Br" > I . 2
2
-
-
P r z y d z i a ł a n i u m e c h a n i z m u S N I s z y b k o ś ć reakcji n i e jest w o g ó l e z a l e ż n a od atakującego czynnika nukleofilowego; także i nukleofilowość tego c z y n n i k a n i e m a w i ę c w p ł y w u n a s z y b k o ś ć reakcji S N I • Grupa •puszczająca
C h a r a k t e r g r u p y opuszczającej m a d u ż e znaczenie z a r ó w n o w p r z y p a d k u reakcji S N I , j a k i S N 2 : i m l e p s z a g r u p a o p u s z c z a j ą c a , t y m szybciej p r z e b i e g a r e a k c j a . W o b u t y p a c h reakcji g r u p a o p u s z c z a j ą c a u z y s k u j e w s t a n i e p r z e j ś c i o w y m c z ą s t k o w y ł a d u n e k u j e m n y ; i m l e p s z a stabilizacja t e g o ł a d u n k u , t y m trwalszy stan przejściowy i t y m większa szybkość rea kcji. D l a t e g o n a j l e p s z e są t e g r u p y o p u s z c z a j ą c e , k t ó r e t w o r z ą n a j b a r d z i e j s t a b i l n e a n i o n y . Jest t o t a k ż e z w i ą z a n e z z a s a d o w o ś c i ą : i m s t a b i l n i e j s z y anion, t y m słabsza zasada. Przykładem mogą być jony jodkowe i b r o m -
k o w e będące stabilnymi a n i o n a m i i słabymi z a s a d a m i i — co za t y m idzie — d o b r y m i g r u p a m i opuszczającymi. Jon chlorkowy, jako mniej stabilny i b a r d z i e j z a s a d o w y , jest g o r s z ą g r u p ą o p u s z c z a j ą c ą . N a t o m i a s t j o n fluor k o w y j e s t b a r d z o złą g r u p ą o p u s z c z a j ą c ą , w w y n i k u c z e g o f l u o r k i alki l o w e n i e ulegają s u b s t y t u c j i n u k l e o f i l o w e j . Z n a c z e n i e s t a b i l n e j g r u p y opuszczającej t ł u m a c z y też, dlaczego substytucji nukleofilowej nie ule gają a l k o h o l e , e t e r y a n i a m i n y : r e a k c j a w y m a g a ł a b y w ich p r z y p a d k u odejścia z c z ą s t e c z k i m o c n e j z a s a d y { n p . R O l u b R2N""). -
Halogenki alkilowe — S 2
D w a r o d z a j e c z y n n i k ó w w p ł y w a j ą n a s z y b k o ś ć , z jaką h a l o g e n e k alkiI o w y u l e g a reakcji S N 2 : e l e k t r o n o w e i s t e r y c z n e . D l a z i l u s t r o w a n i a r ó ż n i c w s z y b k o ś c i reakcji, j a k i m u l e g a j ą r ó ż n e h a l o g e n k i a l k i l o w e , p o r ó w n a m y h a l o g e n k i o r ó ż n e j r z ę d o w o ś c i (rys. I ) . G r u p y alkilowe/ k t ó r y c h efekt i n d u k c y j n y p o l e g a n a d o s t a r c z a n i u ele k t r o n ó w , obniżają elektrofilowość sąsiadującego z n i m i c e n t r u m n a ato mie węgla. Obniżenie elektrofilowości oznacza, że reaktywne centrum staje się m n i e j p o d a t n e n a r e a k c j ę z n u k l e o f i l a m i . A z a t e m t r z e c i o r z ę d o w e h a l o g e n k i a l k i l o w e b ę d ą m n i e j s k ł o n n e d o reakcji z n u k l e o f i l a m i n i ż h a l o g e n k i p i e r w s z o r z ę d o w e , p o n i e w a ż efekt i n d u k c y j n y p o c h o d z ą c y o d t r z e c h g r u p a l k i l o w y c h jest silniejszy n i ż e f e k t j e d n e j g r u p y .
N
A
(>
( B >
CH-
d-
I
CH
H
Rys. 1. (a) Jodoetan;
C
H
(b) 2-jodopropan,
(c)
)
.
3
CH
3
CH
3
2-jodo-2-mety1opropan
Czynniki steryczne także odgrywają rolę w u t r u d n i a n i u trzeciorzędo w y m h a l o g e n k o m a l k i l o w y m u d z i a ł u w reakcji S N 2 . R o z m i a r y g r u p y a l k i l o w e j •— w p o r ó w n a n i u z a t o m e m w o d o r u — są d o ś ć z n a c z n e ; g r u p a ta m o ż e w i ę c s t a n o w i ć z a w a d ę p r z e s t r z e n n ą d l a a t a k u j ą c e g o c z y n n i k a n u k l e o f i l o w e g o (rys. 2). T r z e c i o r z ę d o w y h a l o g e n e k a l k i l o w y m a t r z y takie g r u p y w cząsteczce, a p i e r w s z o r z ę d o w y — tylko jedną. A z a t e m w p r z y p a d k u h a l o g e n k ó w t r z e c i o r z ę d o w y c h jest z n a c z n i e b a r d z i e j p r a w d o p o d o b n e , ż e zbliżający się nukleofil zostanie z e p c h n i ę t y z e s w e g o toru i nie dotrze d o c e n t r u m elektrofilowego.
•—CNI,... -*"-Ni!
; i
H
H
(-CH.
H
1° halogenek alkilowy. Elektrofilowy atom węgla jest łatwo dostępny Rys. 2. Czynniki steryczne
C , , , ,
2° halogenek alkilowy. Elektrofilowy atom węgla jest nieco ..ściśnięty" wpływające
na substytucję
nukleofilowa
3° halogenek alkilowy. Elektrofilowy atom węgla jest niedostępny
287
L 3 - Czynniki sprzyjające m e c h a n i z m o m S » 1 i Spj2
Halogenki alkilowe — SN1
C z y n n i k i s t e r y c z n e i e l e k t r o n o w e mają t e ż w p ł y w n a s z y b k o ś ć reakq"i S N I - Ponieważ w trzeciorzędowych halogenkach alkilowych z a w a d a p r z e s t r z e n n a , jaką s t a n o w i ą t r z y d u ż e g r u p y a l k i l o w e , u t r u d n i a n u k l e o f i l o w i d o t a r c i e d o e l e k t r o f i l o w e g o c e n t r u m w reakcji S N 2 , z w i ą z k i te u l e gają s u b s t y t u c j i n u k l e o f i l o w e j r a c z e j z g o d n i e z m e c h a n i z m e m S N I M e c h a n i z m ten ułatwia ominięcie p r o b l e m ó w sferycznych, p o n i e w a ż utrata jonu halogenkowego powoduje powstanie płaskiego karboka t i o n u , w k t ó r y m g r u p y a l k i l o w e są p o ł o ż o n e z n a c z n i e d a l e j o d s i e b i e i w k t ó r y m c e n t r u m elektrofilowe jest łatwiej d o s t ę p n e . P o w s t a n i e k a r b o kationu zmniejsza też n a p r ę ż e n i a związane ze stłoczeniem p o d s t a w ników. Również czynniki elektronowe pomagają w utworzeniu karboka tionu, p o n i e w a ż jego d o d a t n i ł a d u n e k m o ż e być s t a b i l i z o w a n y p r z e z efe kty indukcyjne i p r z e z hiperkoniugację z u d z i a ł e m trzech g r u p alkilo w y c h ( p o r . t e m a t H 5 ; rys. 3). Z a r ó w n o czynniki indukcyjne, jak i hiperkoniugacja odgrywają więk szą r o l ę w c z ą s t e c z k a c h , w k t ó r y c h z c e n t r u m k a r b o k a t i o n u z w i ą z a n e są trzy g r u p y alkilowe, niż w p r z y p a d k u cząsteczek z jedną czy d w i e m a takimi g r u p a m i . Dlatego też z trzeciorzędowych h a l o g e n k ó w alkilowych znacznie łatwiej powstają stabilne p o ś r e d n i e k a r b o k a t i o n y niż z h a l o g e n k ó w pierwszego lub d r u g i e g o r z ę d u . N a l e ż y sobie uświadomić, że szyb k o ś ć reakcji z a l e ż y o d stabilizacji stanu przejściowego najwolniejszego e t a p u . W o m a w i a n e j tu sytuacji, k i e d y powstaje p r o d u k t p o ś r e d n i o wysokiej energii wewnętrznej (tzn. karbokation), p r o w a d z ą c y d o niego stan przejściowy będzie bardziej zbliżony d o tego p r o d u k t u niż d o wyj ś c i o w e g o s u b s t r a t u . A z a t e m w s z e l k i e c z y n n i k i , k t ó r e stabilizują p o ś r e d n i k a r b o k a t i o n , stabilizują r ó w n i e ż s t a n p r z e j ś c i o w y i — w k o n s e k w e n c j i — zwiększają s z y b k o ś ć reakcji.
efekt indukcyjny stabilizuje karbokation
Rys. 3. Efekty indukcyjne
stabilizujące
karbokation
Określanie
N a o g ó ł n i e p o m y l i m y się, t w i e r d z ą c , ż e s u b s t y t u q ' a n u k l e o f i l o w a p i e r -
mechanizmu
wszorzędowego halogenku alkilowego przebiegnie zgodnie z mechaniz m e m SN2, a w przypadku halogenku trzeciorzędowego — będzie r e a k c j a w e d ł u g m e c h a n i z m u S N I - Jeśli reakcji p o d d a j e m y
to
drugorzędowy
h a l o g e n e k a l k i l o w y , najczęściej b a r d z i e j p r a w d o p o d o b n y b ę d z i e m e c h a n i z m S N 2 , ale p r z e w i d y w a n i e to b ę d z i e j e d n a k obciążone d u ż y m r y z y k i e m b ł ę d u . J e d y n y m s p o s o b e m u z y s k a n i a p e w n o ś c i co d o r z e c z y w i s t e g o m e c h a n i z m u jest p r z e p r o w a d z e n i e r e a k c j i i z b a d a n i e , c z y jej s z y b kość zależy o d stężeń o b u r e a g e n t ó w (SN2), czy tylko od stężenia halo genku alkilowego (SNI)-
Jeśli w y j ś c i o w y h a l o g e n e k a l k i l o w y jest z w i ą z k i e m c h i r a l n y m , m o ż e m y zmierzyć aktywność optyczną powstającego p r o d u k t u i stwierdzić, c z y jest t o c z y s t y e n a n c j o m e r , c z y n i e . W p i e r w s z y m p r z y p a d k u mieli ś m y d o c z y n i e n i a z reakcją S 2 , w d r u g i m — z reakcją S 1 N
N
REAKCJA ELIMINACJI
Hasła H a l o g e n k i alkilowe w obecności c z y n n i k ó w nukleofilowych l u b z a s a d ulegają reakcji eliminacji, w której cząsteczka traci f l u o r o w c o w o d ó r i przekształca się w alken. P o w s z e c h n i e s p o t y k a się d w a m e c h a n i z m y takich reakq'i. M e c h a n i z m E2 jest najskuteczniejszym s p o s o b e m s y n t e z y a l k e n ó w z h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h i m o ż e działać w p r z y p a d k u h a l o g e n k ó w 1 ° , 2° i 3 ° . Reakcje przebiegające w e d ł u g m e c h a n i z m u E l nie są szczególnie u ż y t e c z n y m n a r z ę d z i e m s y n t e t y c z n y m ; konkurują o n e w p e w n y c h sytuacjach z reakcjami S ^ l . Z g o d n i e z t y m m e c h a n i z m e m m o g ą r e a g o w a ć 3° — i niektóre 2° — h a l o g e n k i alkilowe, ale n i e h a l o g e n k i 1°.
Definicja
Protony fi podatne 1
Reakcja przebiegająca z g o d n i e z m e c h a n i z m e m E2 jest zsynchronizowanym, jednoetapowym procesem, w którym udział biorą z a r ó w n o halogenek alkilowy, jak i nukleofil. Jest to w i ę c reakcja d r u g i e g o r z ę d u , zależna o d stężenia o b u s u b s t r a t ó w .
Mechanizm E2
Reakcja przebiegająca z g o d n i e z m e c h a n i z m e m E l jest p r o c e s e m d w u e t a p o w y m ; p o l e g a o n a n a utracie j o n u h a l o g e n k o w e g o i u t w o r z e n i u k a r b o k a t i o n u , a n a s t ę p n i e — utracie p o d a t n e g o p r o t o n u i p o w s t a n i u a l k e n u . Szybkość całego procesu określa e t a p p i e r w s z y , czyli u t r a t a j o n u h a l o g e n k o w e g o . Jest to więc reakcja p i e r w s z e g o r z ę d u , której szybkość zależy j e d y n i e od stężenia h a l o g e n k u a l k i l o w e g o . P o ś r e d n i k a r b o k a t i o n jest s t a b i l i z o w a n y p r z e z p o d s t a w n i k i alkilowe.
MECHANIZM EL
Reakcje E2 są bardziej u ż y t e c z n e niż reakcje E l j a k o n a r z ę d z i e s y n t e z y a l k e n ó w . U ż y c i e mocnej z a s a d y w p r o t y c z n y m r o z p u s z c z a l n i k u faworyzuje eliminaq'ę E2 k o s z t e m eliminacji E l . Reakcje E l z a c h o d z ą w p r z y p a d k u 3 ° h a l o g e n k ó w alkilowych, r o z p u s z c z o n y c h w protycznym rozpuszczalniku.
Porównanie reakcji EziEl
Tematy pokrewne
Definicja
Eliminacja m o ż e zajść w t e d y , g d y h a l o g e n e k alkilowy z a w i e r a o d p o w i e d n i o p o d a t n y p r o t o n fi, k t ó r y m o ż e zostać u s u n i ę t y z cząsteczki p o d c z a s reakcji. P r o t o n y fi to te, które występują p r z y atomie węgla związanym z grupą C-X.
Addycja elektrofilowa d o s y m e t r y c z n i e podstawionych alkenów ( H 3 )
Reakq"e alkoholi (M4)
H a l o g e n k i a l k i l o w e , w k t ó r y c h c z ą s t e c z k a c h o b e c n y jest p r o t o n z w i ą z a n y z a t o m e m w ę g l a fi ( s ą s i a d u j ą c y m z g r u p ą C - X ) , m o g ą u l e g a ć reakcji eli m i n a c j i , p r o w a d z ą c e j d o p o w s t a n i a a l k e n u i f l u o r o w c o w o d o r u (rys. T).
©
:nu
R \
R—C —C —R
C=C
/ R
Rys. 1. Eliminacja
w halogenku
R /
H—X
\ R
alkilowym
Z a s a d n i c z o p r o c e s ten s t a n o w i o d w r o t n o ś ć addycji elektrofilowej fluoro w c o w o d o r u d o a l k e n u ( t e m a t H 3 ) . Instnieją d w a m e c h a n i z m y , z g o d n i e z k t ó r y m i m o ż e z a c h o d z i ć t e g o t y p u eliminacja, określane jako m e c h a n i z m E2 o r a z E l . R e a k c j e E2 są n a j b a r d z i e j u ż y t e c z n y m s p o s o b e m s y n t e z y a l k e n ó w z halogenków alkilowych i m o g ą zachodzić w p r z y p a d k u halogenków p i e r w s z o - , d r u g o - i t r z e c i o r z ę d o w y c h . N a t o m i a s t r e a k c j e E l n i e są — z p u n k t u widzenia syntezy organicznej — szczególnie p r z y d a t n e . W p r z y p a d k u t r z e c i o r z ę d o w y c h h a l o g e n k ó w alkilowych reakcje te kon kurują z procesami S N I . Pierwszo- i d r u g o r z ę d o w e halogenki alkilowe zazwyczaj nie reagują w e d ł u g tego m e c h a n i z m u . H a l o g e n e k a l k i l o w y m o ż e u l e g a ć reakcji eliminacji w ó w c z a s , g d y w j e g o c z ą s t e c z c e p r z y a t o m i e w ę g l a fi (a w i ę c p o s ą s i e d z k u z g r u p ą C - X ) z n a j duje się p o d a t n y n a tę reakcję p r o t o n . P r o t o n taki — w r a z z j o n e m halog e n k o w y m — p o d c z a s ehminacji zostaje z cząsteczki u s u n i ę t y . Daje się tu z a u w a ż y ć p e w n e p o d o b i e ń s t w o m i ę d z y h a l o g e n k a m i a l k i l o w y m i a z w i ą z k a m i k a r b o n y l o w y m i (rys. 2). W h a l o g e n k a c h a l k i l o w y c h m o g ą w y s t ę p o w a ć p o d a t n e p r o t o n y w p o z y c j i fi, n a t o m i a s t w z w i ą z k a c h k a r b o n y l o w y c h m a m y d o c z y n i e n i a z p r o t o n a m i k w a s o w y m i w p o z y c j i a. Jeśli p o r ó w n a m y obie g r u p y z w i ą z k ó w , stwierdzimy, że k w a s o w e l u b p o d a t n e n a e l i m i n a c j ę p r o t o n y z n a j d u j ą się p r z y a t o m a c h w ę g l a s ą s i a d u j ą c y c h z w ę g l o w y m i centrami elektrofilowymi.
P r o t o n y fi podatne
na
eliminację
halogenki alkilowe
związki karbonylowe
: x : d-
:o:«-
X = CI, Br, I
R R—
R
V .
R -—C
podatny " proton
proton
kwasowy Rys. 2. Porównanie
M e c h a n i z m E2
związków
karbonylowych
R
z halogenkami
alkilowymi
C h a r a k t e r y s t y c z n y dla m e c h a n i z m u E2 jest z s y n c h r o n i z o w a n y u d z i a ł w reakcji z a r ó w n o h a l o g e n k u a l k i l o w e g o , j a k i c z y n n i k a n u k l e o f i l o w e g o . W k o n s e k w e n c j i , s z y b k o ś ć reakcji z a l e ż y o d s t ę ż e ń o b u r e a g e n t ó w ; m a m y t u d o c z y n i e n i a z k i n e t y k ą d r u g i e g o r z ę d u (E2 o z n a c z a e l i m i n a c j ę d r u g i e g o r z ę d u ) . A b y z i l u s t r o w a ć t e n m e c h a n i z m , p r z y j r z y m y s i ę reakcji 2 - b r o m o p r o p a n u z j o n e m h y d r o k s y l o w y m (rys. 3).
H
\
/
Br
H— C— C— H / \ H
„
+
0
H O— H
\
*~
H
CH3
Rys. 3. Reakcja 2-bromopropanu
z jonem
/
H
C= C / \
H
+
\
^
O— H
+
0
Br
CH3
hydroksylowym
M e c h a n i z m reakcji (rys. 4) p o l e g a n a u t w o r z e n i u w i ą z a n i a m i ę d z y j o n e m h y d r o k s y l o w y m a p r o t o n e m fi. J e d n o c z e ś n i e z p o w s t a w a n i e m tego wiązania z e r w a n i u ulega wiązanie C - H . Oba elektrony z tego w i ą z a n i a m o g ł y b y się p r z e n i e ś ć n a a t o m w ę g l a fi, a l e w s ą s i e d z t w i e z n a j duje się inny, elektrofilowy a t o m t e g o pierwiastka, przyciągający ele k t r o n y . W w y n i k u t e g o p r z y c i ą g a n i a e l e k t r o n y t w o r z ą w i ą z a n i e TZ m i ę d z y oboma atomami węgla. Jednocześnie zerwaniu ulega wiązanie C-Br, a o b a e l e k t r o n y z t e g o w i ą z a n i a p r z e n o s z ą się n a a t o m b r o m u , k t ó r y o p u szcza cząsteczkę jako jon b r o m k o w y . E l i m i n a c j a E2 j e s t s t e r e o s p e c y f i c z n a i p r z e b i e g a z z a c h o w a n i e m g e o m e t r i i a n t y p e r i p l a n a r n e j . Projekcje p r z e d s t a w i o n e n a rysunku 5 p o k a z u j ą , ż e c z t e r y a t o m y b i o r ą c e u d z i a ł w reakcji leżą w j e d n e j p ł a s z c z y ź n i e , p r z y c z y m a t o m y H i Br znajdują się p o p r z e c i w n y c h s t r o n a c h c z ą s t e c z k i . S c h e m a t y p o k a z u j ą c e o r b i t a l e (rys. 6) p o z w a l a j ą w y j a ś n i ć s t e r e o s p e c y f i c z n o ś ć reakcji E 2 . W s t a n i e p r z e j ś c i o w y m w i ą z a n i a a C - H i C - B r są r o z r y w a n e . W m i a r ę z a c h o d z e n i a t e g o p r o c e s u o r b i t a l e z h y b r y d y z o w a n e s/7 , w y k o r z y s t y w a n e d o u t w o r z e n i a w i ą z a ń o, z m i e n i a j ą s i ę w o r b i t a l e p, k t ó r y c h w z a j e m n e o d d z i a ł y w a n i a p r o w a d z ą d o p o w s t a n i a w i ą z a n i a 71. A b y w s z y s t k i e t e p r o c e s y m o g ł y zajść w j e d n y m s t a n i e p r z e j ś c i o w y m , n i e z b ę d n a jest g e o m e t r i a a n t y p e r i p l a n a r n a . 3
.© :Br:
^CH
3
H \ , O—H
K_*to—H
© Rys. 4. Mechanizm
eliminacji
E2
konformacja antyperiplanarna
atomy wyróżnione kółkami leżą w jednej płaszczyźnie RYS. 5. Wzajemna
orientacja
atomów biorących
udział w eliminacji
E2
Mechanizm El
Z m e c h a n i z m e m El m a m y zazwyczaj d o czynienia wtedy, kiedy haloge n e k alkilowy zostaje r o z p u s z c z o n y w p r o t y c z n y m r o z p u s z c z a l n i k u , k t ó r y m o ż e g r a ć r o l ę n i e z a s a d o w e g o c z y n n i k a n u k l e o f i l o w e g o . Są t o t a k i e s a m e w a r u n k i j a k t e , k t ó r e sprzyjają r e a k c j o m SNI; i s t o t n i e , o b a p r o cesy zachodzą z w y k l e jednocześnie, p r o w a d z ą c d o m i e s z a n i n y p r o d u k t ó w , j a k o p r z y k ł a d działania m e c h a n i z m u E l m o ż e m y p o t r a k t o w a ć reakq"ę 2 - j o d o - 2 - m e t y l o b u t a n u z m e t a n o l e m (rys. 7). H C^ 3
^CH
CH3
H C^
3
3
H—C—C
/ H
1
C=C
HO—Me
\
/
CH
CH
H
3
Rys. 7. Reakcja eliminacji
w
HI \ 3
2-jodo~2-metylobutanie
W m e c h a n i z m i e t y m m o ż e m y w y r ó ż n i ć d w a e t a p y (rys. 8). P i e r w s z y z n i c h p r z e b i e g a d o k ł a d n i e t a k s a m o j a k w p r o c e s i e SNI i p o l e g a n a r o z szczepieniu wiązania C - X z utworzeniem płaskiego, pośredniego karbo k a t i o n u , w k t ó r y m ł a d u n e k d o d a t n i s t a b i l i z o w a n y jest p r z e z trzy ota-
..0 CH
CH
3
H C 3
H C 3
0/
3
H C 3
H—jc-rc H
H CH
CH
3
•;OMe
Rys. 8. Mechanizm
E1
/
H 3
C
=
.CH
3
CH
3
© H OMe
C
2
czające g o g r u p y a l k i l o w e . W d r u g i m e t a p i e p o w s t a j e w i ą z a n i e m i ę d z y m e t a n o l e m a p r o t o n e m z n a j d u j ą c y m s i ę p r z y w ę g l u fi. W i ą z a n i e C - H zostaje z e r w a n e , a o b a t w o r z ą c e j e e l e k t r o n y b i o r ą u d z i a ł w u t w o r z e n i u wiązania n z sąsiednim, karbokationowym atomem węgla. Pierwszy e t a p reakcji o k r e ś l a s z y b k o ś ć c a ł e g o p r o c e s u , a p o n i e w a ż jest o n z a l e ż n y wyłącznie od stężenia halogenku alkilowego, m a m y tu d o czynienia z reakcją p i e r w s z e g o r z ę d u ( E l o z n a c z a eUrninację p i e r w s z e g o r z ę d u ) . Reakcja ta n i e o d z n a c z a s i ę j a k ą k o l w i e k s t e r e o s p e c y f i c z n o ś c i ą i m o ż e prowadzić do powstania mieszaniny izomerów, przy czym faworyzo w a n e j e s t p o w s t a w a n i e i z o m e r u t r w a l s z e g o (o w y ż s z y m s t o p n i u podstawienia). Porównanie r e a k c j i E 2 i El
E l i m i n a c j a E2 z a c h o d z i w p r z y p a d k u u ż y c i a m o c n e j z a s a d y (takiej j a k wodorotlenek albo jon alkoksylowy) w p r o t y c z n y m rozpuszczalniku ( t a k i m j a k e t a n o l c z y w o d a ) . Z r e a k c j a m i E2 s t y k a m y się częściej n i ż z r e a k c j a m i E l i są t e ż o n e b a r d z i e j p r z y d a t n e z p r a k t y c z n e g o p u n k t u w i d z e n i a . W s z y s t k i e h a l o g e n k i a l k i l o w e m o g ą u l e g a ć reakcji e l i m i n a c j i E 2 , która stanowi użyteczną metodę otrzymywania alkenów. Reakcji E l sprzyjają t a k i e s a m e w a r u n k i j a k t e , w k t ó r y c h z a c h o d z ą procesy S N I (tzn. profyczny r o z p u s z c z a l n i k i n i e z a s a d o w y nukleofil). A z a t e m r e a k q ' i E l ulegają z w y k l e t y l k o t r z e c i o r z ę d o w e h a l o g e n k i a l k i l o w e ; p r o c e s t e n k o n k u r u j e w ó w c z a s z reakcją S N I .
ELIMINACJA A SUBSTYTUCJA
Hasła Wprowadzenie
J
P r o p o r q ' e m i ę d z y p r o d u k t a m i substytucji i eliminacji powstającymi z h a l o g e n k u a l k i l o w e g o zależą o d w a r u n k ó w reakcji, a t a k ż e o d rodzaju c z y n n i k a n u k l e o f i l o w e g o i właściwości h a l o g e n k u a l k i l o w e g o . Z a z w y c z a j 1° h a l o g e n k i a l k i l o w e łatwiej ulegają reakcjom substytucji S N 2 n i ż r e a k q o m eliminaq'i E 2 . J e d n a k ż e r e a k q a E2 jest uprzywilejowana wtedy, g d y w reakqi bierze udział mocna zasada 0 p o k a ź n y c h r o z m i a r a c h cząsteczek, a p r o c e s o w i t o w a r z y s z y o g r z e w a n i e m i e s z a n i n y reakcyjnej. Jeśli w reakcji b i e r z e u d z i a ł nukleofil b ę d ą c y słabą z a s a d ą , a p r o c e s p r o w a d z o n y jest w p o l a r n y m , a p r o t y c z n y m r o z p u s z c z a l n i k u , substytucja w e d ł u g m e c h a n i z m u S N I jest u p r z y w i l e j o w a n a w s t o s u n k u d o eliminaq"i E 2 . Sytuacja o d w r o t n a występuje w ó w c z a s , g d y u ż y t y nukleofil jest m o c n ą zasadą, a ś r o d o w i s k i e m reakcji jest p r o t y c z n y r o z p u s z c z a l n i k . Eliminacji d o d a t k o w o sprzyja o g r z e w a n i e m i e s z a n i n y reakcyjnej. Reakcje S N I i E l m o g ą z a c h o d z i ć p o d c z a s r o z p u s z c z a n i a 2° h a l o g e n k ó w alkilowych w p r o t y c z n y c h rozpuszczalnikach. W p r o t y c z n y m r o z p u s z c z a l n i k u , p o d c z a s t r a k t o w a n i a 3° h a l o g e n k u a l k i l o w e g o mocną zasadą, z a c h o d z i n i e m a l w y ł ą c z n i e eliminacja E2. N a t o m i a s t o g r z e w a n i e m i e s z a n i n y reakcyjnej n a j p r a w d o p o d o b n i e j d o p r o w a d z i d o p o w s t a n i a m i e s z a n i n y p r o d u k t ó w substytucji S N I 1 elurunacji E l p r z y u p r z y w i l e j o w a n i u p i e r w s z e g o z t y c h p r o c e s ó w .
Tematy
pokrewne
M o c z a s a d (G3) Substytucja nukleofilowa (L2)
C z y n n i k i sprzyjające m e c h a n i z m o m S N I i SN2 (L3) Reakq'a eliminaq'i (L4)
Wprowadzenie
H a l o g e n k i a l k i l o w e m o g ą u l e g a ć z a r ó w n o r e a k q ' o m s u b s t y t u c j i , j a k i eli minacji. N i e należy d o r z a d k o ś c i o t r z y m y w a n i e m i e s z a n i n y p r o d u k t ó w o b u t y c h p r o c e s ó w . Ich w z a j e m n e p r o p o r c j e z a l e ż ą o d w a r u n k ó w reakcji, rodzaju u ż y t e g o nukleofila i h a l o g e n k u alkilowego.
Pierwszorzędo
W o b e c n o ś c i w i e l u c z y n n i k ó w n u k l e o f i l o w y c h ( n p . RS"", I", CN~", N H 3 l u b B r ) i w p o l a r n y c h r o z p u s z c z a l n i k a c h a p r o t y c z n y c h (takich jak h e k s a m e t y l o t r i a m i d fosforylu, H M P A * , [ ( C H a h N k P O ) p i e r w s z o r z ę d o w e h a l o g e n k i a l k i l o w e ulegają r e a k c j o m w e d ł u g m e c h a n i z m u S N 2 . Z a w s z e j e d -
we
halogenki
alkilowe
* Skrót od ang. hexamethylphosphoramute
— przyp.
tłum.
n a k istnieje p r a w d o p o d o b i e ń s t w o j e d n o c z e s n e g o zajścia reakcji e l i m i n a cji E 2 . S u b s t y t u c j a jest z w y k l e u p r z y w i l e j o w a n a w z g l ę d e m eliminacji, n a w e t jeśli s t o s u j e się m o c n e z a s a d y , t a k i e j a k O H " c z y EtO~. Jeśli p o ż ą d a n ą reakcją h a l o g e n k u a l k i l o w e g o jest e l i m i n a c j a E2, p r o c e s t e n m o ż n a w e s p r z e ć , u ż y w a j ą c m o c n e j z a s a d y o d u ż y c h c z ą s t e c z k a c h , takiej jak jon, terf-butoksylowy [(CEfebC-O"]. D u ż e rozmiary cząsteczek z a s a d y f a w o r y z u j ą r e a k c j ę eliminacji, p o n i e w a ż c z ą s t e c z k i t e n a p o t y k a j ą w i ę k s z e u t r u d n i e n i a p r z e s t r z e n n e w zbliżeniu się d o elektrofilowego a t o m u w ę g l a n i ż w a t a k u n a k w a s o w y p r o t o n fi. A z a t e m t r a k t o w a n i e p i e r w s z o r z ę d o w e g o h a l o g e n k u (rys. 1) j o n e m etoksylowym doprowadzi prawdopodobnie do powstania mieszaniny e t e r u , u t w o r z o n e g o w reakcji s u b s t y t u c j i S N 2 , i a l k e n u , o t r z y m a n e g o w reakcji e h m i n a c j i E 2 ; e t e r b ę d z i e t u p r o d u k t e m u p r z y w i l e j o w a n y m . Jeśli n a t o m i a s t u ż y j e m y w tej reakcji j o n u terr-butoksylowego, uprzywile jowane będzie powstawanie alkenu. P o d n o s z e n i e t e m p e r a t u r y reakcji t a k ż e s p r z y j a r e a k q ' i eliminacji k o s z t e m substytucji SN2. Energia aktywacji jest b o w i e m w y ż s z a w p r o c e s i e e l i m i n a c j i (więcej w i ą z a ń m u s i u l e c z e r w a n i u ) . W p r z y p a d k u p i e r w s z o r z ę d o w y c h h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h w o g ó l e n i e z a c h o d z ą reakcje SNI i El.
" * \ H3C
/
NaOEl CH — C H — I
Rys. 1. Reakcja
2
*~ HMPA
M T V , K A
H
a
C
H
\
HC
'
CH — CH — OC H CH 2
Drugorzędowe halogenki alkilowe
z etanoianem
3
+ HC
3
i-jodo-2-metylopropanu
2
C
' \
3
/ /
C=TX
\ H
sodu
D r u g o r z ę d o w e h a l o g e n k i a l k i l o w e ulegają z a r ó w n o r e a k c j o m S N 2 , j a k i E 2 , dając m i e s z a n i n ę p r o d u k t ó w . Jeśli ś r o d o w i s k i e m reakcji jest p o l a r n y , a p r o t y c z n y r o z p u s z c z a l n i k , a u ż y t y n u k l e o f i l jest słabą z a s a d ą , u p r z y w i l e j o w a n y m p r o d u k t e m w tej m i e s z a n i n i e jest p r o d u k t s u b s t y t u cji. P r o c e s eliminacji b ę d z i e n a t o m i a s t d o m i n o w a ł w t e d y , g d y j a k o n u k l e ofila u ż y j e m y m o c n e j z a s a d y i p r z e p r o w a d z i m y r e a k c j ę w p o l a r n y m , p r o t y c z n y m rozpuszczalniku. W takim w y p a d k u użycie wielkocząstecz kowej zasady nie m a szczególnego znaczenia: n p . zastosowanie jonu etok s y l o w e g o w e t a n o l u p r o w a d z i d o p r z e w a g i p r o d u k t u eliminacji n a d p r o d u k t e m s u b s t y t u c j i . P o d n i e s i e n i e t e m p e r a t u r y reakcji f a w o r y z u j e eli m i n a c j ę E2 k o s z t e m s u b s t y t u c j i S N 2 — z p r z y c z y n w y j a ś n i o n y c h w y ż e j . Jeśli r e a k c j ę p r o w a d z i się w r o z p u s z c z a l n i k a c h p r o t y c z n y c h i p r z y użyciu słabo z a s a d o w e g o — albo n i e z a s a d o w e g o — czynnika nukleofilo w e g o , zajść m o g ą reakcje eliminacji i s u b s t y t u c j i , o d p o w i e d n i o , w e d ł u g m e c h a n i z m ó w S N I i E l . O t r z y m u j e się w ó w c z a s m i e s z a n i n ę p r o d u k t ó w .
Trzeciorzędowe halogenki alkilowe
T r z e c i o r z ę d o w e h a l o g e n k i a l k i l o w e są w z a s a d z i e n i e r e a k t y w n e w w a r u n k a c h sprzyjających p r o c e s o m S N 2 — a w i ę c w o b e c n o ś c i s i l n y c h n u k l e o ń l i w p o l a r n y c h , a p r o t y c z n y c h r o z p u s z c z a l n i k a c h . Z w i ą z k i te, t r a k t o w a n e mocną zasadą w protycznym rozpuszczalniku, mogą ulegać e l i m i n a c j i E2; z w y k l e w t a k i c h p r z y p a d k a c h w y d a j n o ś c i są w y s o k i e ,
p o n i e w a ż reakcja S N 2 z a c h o d z i t y l k o w m i n i m a l n y m s t o p n i u . W n i e z a s a dowych warunkach w rozpuszczalnikach protycznych zachodzi zarów n o eliminaq'a E l , jak i substytucja S N I . Z trzeciorzędowego halogenku alkilowego p o d w p ł y w e m metanolanu s o d u m o ż e p o w s t a ć e t e r l u b a l k e n (rys. 2 ) . W p o k a z a n y m p r z y p a d k u z a s t o s o w a n o rozpuszczalnik p r o t y c z n y , co faworyzuje m e c h a n i z m y S N I i E l . J e d n o c z e ś n i e u ż y t o j e d n a k m o c n e j z a s a d y , co s p r z y j a m e c h a n i z m o w i E2. M o ż n a więc oczekiwać p r o d u k t u substytucji alkenu jako g ł ó w n e g o w y n i k u reakcji, z n i e w i e l k i m d o d a t k i e m p r o d u k t u s u b s t y t u c j i powstającego w e d ł u g m e c h a n i z m u SN2. Ogrzewanie tego samego halo g e n k u alkilowego w metanolu (bez d o d a t k u metanolanu) oznacza pro w a d z e n i e reakcji w p r o t y c z n y m r o z p u s z c z a l n i k u i p r z y u ż y c i u n i e z a s a d o w e g o nukleofila ( M e O H ) . Takie w a r u n k i p o w i n n y z kolei p r o w a d z i ć d o m i e s z a n i n y p r o d u k t ó w eliminacji i substytucji, powstających w e d ł u g mechanizmów S N I i El. Faworyzowany będzie przy tym produkt substytucji.
H—C—C—I
H — C—C—OMe
+
C=C H
H
CH
H
3
Rys. 2. Reakcja
1-jodo-2-metylobutanu
CH
z jonem
3
metoksylowy/
CH
3
REAKCJE HALOGENKÓW ALKILOWYCH
Hasła Substytucja nukleofilowa
1° i 2° h a l o g e n k i alkilowe m o ż n a p r z e k s z t a ł c a ć w cały s z e r e g r ó ż n o r o d n y c h z w i ą z k ó w o r g a n i c z n y c h , takich jak alkohole, etery, tiole, sulfidy, estry, a m i n y , a z y d k i i p o c h o d n e zawierające a t o m i n n e g o fluorowca niż z w i ą z e k wyjściowy. M o ż l i w e jest też wydłużanie łańcuchów węglowych przez działanie na halogenki alkilowe j o n a m i c y j a n k o w y m i , a c e t y l e n k o w y m i l u b e n o l a n o w y m i . Reakcje substytucji 3 ° h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h z a c h o d z ą trudniej i przebiegają z niższą wydajnością.
Reakcje eliminacji
Reakcje eliminaq'i w h a l o g e n k a c h a l k i l o w y c h pozwalają n a o t r z y m y w a n i e a l k e n ó w i przebiegają najlepiej w p o d w y ż s z o n e j t e m p e r a t u r z e w obecności silnej z a s a d y w p r o t y c z n y m r o z p u s z c z a l n i k u . W s z y s t k i e h a l o g e n k i alkilowe — niezależnie o d r z ę d o w o ś c i — ulegają tej reakcji. W p r z y p a d k u 1° h a l o g e n k ó w alkilowych zalecane jest s t o s o w a n i e z a s a d y o d u ż y c h cząsteczkach. Jeśli m o ż l i w e jest p o w s t a n i e w tej reakq'i kilku r ó ż n y c h a l k e n ó w , p r o d u k t e m u p r z y w i l e j o w a n y m jest a l k e n najbardziej r o z g a ł ę z i o n y .
Tematy pokrewne
Substytucja nukleof iłowa
Substytucja nukleofilowa (L2)
Reakcja elinunacji (L4)
S u b s t y t u c j a n u k l e o f i l o w a h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h jest j e d n ą z n a j s k u t e c z niejszych m e t o d o t r z y m y w a n i a szeregu z w i ą z k ó w o rozmaitych g r u p a c h funkcyjnych. M o ż n a więc przekształcać wiele różnych pierwszo- i drug o r z ę d o w y c h h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h w a l k o h o l e , e t e r y , tiole, s u l f i d y , e s t r y , a m i n y i a z y d k i (rys. 1). M o ż l i w e jest t e ż o t r z y m y w a n i e j o d k ó w i chlorków alkilowych z h a l o g e n k ó w zawierających początkowo a t o m innego fluorowca. H a l o g e n k a m i a l k i l o w y m i m o ż n a się też p o s ł u ż y ć d o w y d ł u ż e n i a łań c u c h a w ę g l o w e g o . P r o s t y m p r z y k ł a d e m t a k i e g o p r o c e s u jest reakcja h a l o g e n k u a l k i l o w e g o z j o n e m c y j a n k o w y m (rys. 2). Jest t o r e a k c j a o d u ż y m z n a c z e n i u , p o n i e w a ż p o w s t a j ą c e w niej n i t r y l e m o ż n a p o d d a w a ć hydrolizie, która p r o w a d z i d o k w a s u karboksylowego (temat 0 3 ) . Reakcja j o n u a c e t y l e n k o w e g o z p i e r w s z o r z ę d o w y m h a l o g e n k i e m a l k i l o w y m p o z w a l a o t r z y m a ć d w u p o d s t a w i o n ę a l k i n y (rys. 3a). R ó w n i e ż jony enolanowe powstające z estrów lub ketonów m o ż n a alkilować przy użyciu halogenków alkilowych. P r o w a d z i to d o utworzenia dłuższych ł a ń c u c h ó w w ę g l o w y c h {rys. Sb; t e m a t y K 7 i J9). N a j l e p s z e r e z u l t a t y o s i ą g a się w p r z y p a d k u p i e r w s z o r z ę d o w y c h h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h .
0,SR
NaOR"
NaOH R—OH
R—X
R—X
R—X
R—OR"
alkohol
R—SR" sulfid
eter
0
0
0
SH R—SH
R—X
R—I
R—X
tiol
R—Cl chlorek
R—X
jodek
0
R"C0Na —
a) R"NH *•
2
R—X
R—N
R—X
3
3
R—OCOR"
azydek Rys. 1. Reakcje
substytucji
halogenków
H,0
NaCN • — R — C N
Rys. 2. Synteza
dłuższych
amina
alkilowych
n i , r y l
•
R—NHR*
'
ester
nukleofilowej
R— X
R—X
łańcuchów
R—C0 H 2
węglowych
z halogenku
alkilowego
W p r z y p a d k u h a l o g e n k ó w d r u g o - i trzeciorzędowych m o ż e zachodzi* k o n k u r e n c y j n a reakcja elirrrinacji, s z c z e g ó l n i e w ó w c z a s , g d y n u k l e o f i biorący u d z i a ł w procesie jest m o c n ą zasadą. Substytucję trzeciorzędo w y c h h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h najlepiej p r o w a d z i ć w p r o t y c z n y m r o z p u szczalniku i w obecności słabo z a s a d o w y c h czynników nukleofilowych. J e d n a k ż e n a w e t w takich w a r u n k a c h reakcja m o ż e przebiegać z niską wydajnością. Reakcje eliminacji
Reakcje eliminacji w h a l o g e n k a c h a l k i l o w y c h ( d e h y d r o h a l o g e n o w a n i e ) są u ż y t e c z n y m n a r z ę d z i e m s y n t e z y a l k e n ó w . N a j l e p s z e r e z u l t a t y o s i ą g a się, p r o w a d z ą c r e a k c j ę d r u g o - i t r z e c i o r z ę d o w e g o h a l o g e n k u a l k i l o w e g o w p r o t y c z n y m rozpuszczalniku (EtOH) w obecności mocnej z a s a d y (np. N a O E t ) . Proces p r z e b i e g a z g o d n i e z m e c h a n i z m e m E2. O g r z e w a n i e m i e s z a n i n y reakcyjnej z w i ę k s z a p r a w d o p o d o b i e ń s t w o eliminacji w s t o s u n k u d o substytucji. W p r z y p a d k u p i e r w s z o r z ę d o w y c h h a l o g e n k ó w alkilowych zaleca się u ż y c i e z a s a d y o d u ż y c h c z ą s t e c z k a c h ( n p . NaOBu*)- D u ż y p o d s t a w n i k u t r u d n i a zajście reakcji s u b s t y t u c j i w e d ł u g m e c h a n i z m u S N 2 i s p r z y j a eli m i n a c j i z g o d n e j z m e c h a n i z m e m E 2 . Z a l e t ą m e c h a n i z m u E2 jest w y ż s z a (b)
W
0
Yk
e
R".
©0 Na
*C=C—R'
R"
R".
R" R— CSC-R" R
Rys. 3. (a) Synteza
dwupodstawionego
alkinu; (b) alkilowanie
jonu
enolanowego
w y d a j n o ś ć reakcji n i ż w p r z y p a d k u m e c h a n i z m u E l , a t a k ż e s t e r e o s p e c y ficzność p r o c e s u . O geometrii o t r z y m a n e g o p r o d u k t u decyduje a n t y p e r i p l a n a r n a geometria s t a n u przejściowego. N a p r z y k ł a d eliminacja p o k a z a n a n a rysunku 4 p r o w a d z i w y ł ą c z n i e d o i z o m e r u (E).
Rys. 4. Stereochemią
reakcji eliminacji
E2
Jeśli e l i m i n a c j a p r z e b i e g a z g o d n i e z m e c h a n i z m e m E l , b a r d z i e j p r a w d o p o d o b n a jest k o n k u r e n c j a z e s t r o n y r e a k q ' i S N I ; W w y n i k u o t r z y m u j e się m i e s z a n i n ę p r o d u k t ó w e l i m i n a c j i i s u b s t y t u c j i . E l i m i n a c j a w e d ł u g m e c h a n i z m u E2 w y m a g a o b e c n o ś c i p r o t o n u fi w c z ą s t e c z c e . Jeśli m o ż l i w e jest p o w s t a n i e k i l k u p r o d u k t ó w , o t r z y m u j e się m i e s z a n i n ę kilku a l k e n ó w , ale p r o d u k t e m u p r z y w i l e j o w a n y m jest a l k e n najbardziej r o z g a ł ę z i o n y — i najstabilniejszy ( r e g u ł a Zajcewa; rys. 5). S t a n p r z e j ś c i o w y w t y m p r o c e s i e jest b a r d z i e j z b l i ż o n y d o p r o d u k t u n i ż d o s u b s t r a t u . D l a t e g o c z y n n i k i stabilizujące p r o d u k t w p ł y w a j ą s t a b i lizująco r ó w n i e ż n a s t a n p r z e j ś c i o w y i z w i ę k s z a j ą p r a w d o p o d o b i e ń s t w o zajścia tej w ł a ś n i e reakcji ( p a t r z t e m a t L4). O d w r o t n ą z a l e ż n o ś ć m o ż n a z a o b s e r w o w a ć w p r z y p a d k u reakcji, w k t ó r e j j a k o z a s a d y u ż y w a się tertb u t a n o l a n u p o t a s u . U p r z y w i l e j o w a n y m p r o d u k t e m jest w ó w c z a s mniej rozgałęziony alken.
CH
3
NaOEl
H C^
^CH
3
H C 3
EtOH Br
/ H
reguły
Zajcewa
C= C \ CH
69%
H
X
C= C
CH3CH2—C—CH3
Rys. 5. Przykład działania
3
/ 3
\
CH CH2
H
3
31%
L7
REAKCJE ZWIĄZKÓW METALOORGANICZNYCH
Hasła O d c z y n n i k i G r i g n a r d a o t r z y m u j e się z h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h p r z e z t r a k t o w a n i e ich m e t a l i c z n y m m a g n e z e m w s u c h y m eterze. A t o m m a g n e z u zostaje z w i ą z a n y m i ę d z y a t o m a m i w ę g l a i fluorowca w w y j ś c i o w y m w i ą z a n i u C - X ; jego obecność z m i e n i a elektrofilowy charakter atomu węgla w charakter nukleofilowy. Odczynniki G r i g n a r d a reagują tak, jakby b y ł y ź r ó d ł e m k a r b o a n i o n ó w . Są o n e szczególnie p r z y d a t n e p r z y s y n t e z i e d ł u g i c h ł a ń c u c h ó w w ę g l o w y c h ; stosuje się je p r z y o t r z y m y w a n i u alkoholi, k e t o n ó w i k w a s ó w karboksylowych. H a l o g e n k i alkilowe m o ż n a p r z e k s z t a ł c a ć w z w i ą z k i litoorganiczne, traktując je m e t a l i c z n y m l i t e m w a l k a n a c h jako r o z p u s z c z a l n i k a c h . Reagują o n e p o d o b n i e jak o d c z y n n i k i G r i g n a r d a .
ZWIĄZKI
H a l o g e n k i alkilowe m o ż n a p r z e k s z t a ł c a ć w związki litoorganiczne, które n a s t ę p n i e dają się p r z e k s z t a ł c a ć w z w i ą z k i m i e d z i o o r g a n i c z n e . Te ostatnie stosuje się p r z y s p r z ę ż o n e j addycji d o a ^ - n i e n a s y c o n y c h z w i ą z k ó w k a r b o n y l o w y c h o r a z p r z y reakcji z h a l o g e n k a m i alkilowymi. Tematy
pokrewne
Odczynniki Grignarda
H a l o g e n k i a l k i l o w e w s z y s t k i c h r z ę d ó w (1°, 2° i 3°) reagują z m e t a l i c z n y m m a g n e z e m w s u c h y m eterze, tworząc odczynniki Grignarda, w któ r y c h a t o m m a g n e z u zostaje „ w s t a w i o n y " m i ę d z y a t o m f l u o r o w c a i g r u p ę a l k i l o w ą (rys. 1). O d c z y n n i k i te są n i e z w y k l e u ż y t e c z n e w s y n t e z i e o r g a n i c z n e j i z n a j dują z a s t o s o w a n i e w c a ł y m s z e r e g u reakcji. I c h r e a k t y w n o ś ć o d z w i e r c i e d l a p o l a r n o ś ć a t o m ó w w y s t ę p u j ą c y c h w ich c z ą s t e c z k a c h . M a g n e z j a k o
6+6-
Mg
6+
ó-
H C—X
H C—Mg
3
3
\
eter
odczynnika
ł
Grignarda
ó-
X
©
. =
H C: 3
\
* centrum elektrofilowe Rys. 1. Powstawanie
Reakcje (K6) Reakcje e t e r ó w , e p o k s y d ó w i sulfidów (N3) C h e m i a nitryli ( 0 4 )
A d d y c j a nukleofilowa — nukleofile n a ł a d o w a n e (J4) or^-Nienasycone a l d e h y d y i ketony (Jll)
(X=Ci,
Br, I)
centrum nukleofilowe
„karboanion"
metal m a charakter elektrododatni, co oznacza, że elektrony w w i ą z a n i u C - M g przebywają dłużej w bliskości a t o m u węgla, nadając m u cząst k o w y ł a d u n e k ujemny i zmieniając g o w c e n t r u m nukleofilowe. Modyfi kuje to c h a r a k t e r t e g o a t o m u w p o r ó w n a n i u z w y j ś c i o w y m h a l o g e n k i e m a l k i l u , w k t ó r y m s t a n o w i ł o n c e n t r u m e l e k t r o f i l o w e ( t e m a t E4). W z a s a dzie odczynnik Grignarda m o ż n a traktować jako źródło jednego r ó w n o w a ż n i k a karboanionu. Karboanion nie występuje jako o d r ę b n e indywi d u u m c h e m i c z n e , ale w i e l e reakcji p r z e b i e g a tak, jakby b r a ł o n w n i c h udział. O d c z y n n i k i G r i g n a r d a w r e a k c j i z w o d ą m o g ą z a c h o w y w a ć się j a k z a s a d y ; powstają z n i c h w ó w c z a s a l k a n y . Jest to j e d e n ze s p o s o b ó w p r z e k s z t a ł c a n i a h a l o g e n k u a l k i l o w e g o w a l k a n . P o d o b n a reakcja t y p u k w a s - z a s a d a m o ż e zachodzić z całym szeregiem substancji będących d o n o r a m i p r o t o n ó w ( k w a s a m i Bronsteda), n p . ze z w i ą z k a m i z a w i e rającymi takie g r u p y funkcyjne, jak a l k o h o l o w a (hydroksylowa), k a r b o k s y l o w ą i a m i n o w a (rys. 2). R e a k t y w n o ś ć ta m o ż e s t a n o w i ć u t r u d n i e n i e , jeśli c e l e m u ż y c i a o d c z y n n i k a G r i g n a r d a jest d o p r o w a d z e n i e d o j e g o w y b i ó r c z e j reakcji z p e w n ą c z ę ś c i ą p r z e k s z t a ł c a n e j c z ą s t e c z k i . W t a k i c h p r z y p a d k a c h występujące w cząsteczce g r u p y funkcyjne zawierające wiązanie X - H (gdzie X oznacza heteroatom) muszą być chronione. R e a k c j e , k t ó r y m ulegają o d c z y n n i k i G r i g n a r d a , o m ó w i o n o w i n n y c h m i e j s c a c h p o d r ę c z n i k a . M i ę d z y i n n y m i są t o r e a k c j e z a l d e h y d a m i i k e t o n a m i p r o w a d z ą c e d o p o w s t a n i a a l k o h o l i ( t e m a t J4), r e a k c j e z c h l o r k a m i k w a s o w y m i i estrami, w w y n i k u k t ó r y c h tworzą się trzeciorzędowe alko h o l e ( t e m a t K 6 ) , reakcje z d i t l e n k i e m w ę g l a , dające k w a s y k a r b o k s y l o w e (temat K4), reakcje z n i t r y l a m i p r o w a d z ą c e d o k e t o n ó w (temat 0 4 ) i rea kcje z e p o k s y d a m i d a j ą c e a l k o h o l e ( t e m a t N 3 ) . H 0 lub ROH lub R C 0 H lub RNH 2
Mg R
R — MgX
Rys. 2. Przekształcenie
Związki litoorganiczne
2
X
odczynnika
Grignarda
2
R
H
w alkan
Halogenki alkilowe m o ż n a przekształcić w związki litoorganiczne dzial a n i e m m e t a l i c z n e g o litu w a l k a n o w y m r o z p u s z c z a l n i k u (rys. 3). Z w i ą z k i litoorganiczne reagują p o d o b n i e d o o d c z y n n i k ó w G r i g n a r d a . N a p r z y k ł a d w reakcji z a l d e h y d a m i i k e t o n a m i n a s t ę p u j e a d d y c j a n u k l e ofilowa, p r o w a d z ą c a d o p o w s t a n i a , o d p o w i e d n i o , d r u g o - lub trzeciorzę d o w y c h alkoholi (temat K6). Li R
x
R
Lt
pentan Rys. 3. Powstawanie
Z w i ą z k i m i e d z i oorganiczne
związków
litoorganicznych
Z w i ą z k i m i e d z i o o r g a n i c z n e (kolejna g r u p a substancji reagująca jak ź r ó d ł o k a r b o a n i o n ó w ) p o w s t a j ą p o d c z a s reakcji j e d n e g o r ó w n o w a ż n i k a jodku miedzi(I) z d w o m a r ó w n o w a ż n i k a m i związku litoorganicznego (rys. 4).
Cul 2
Li
CH
*~
3
Rys. 4. Powstawanie
związków
+
Li (Me Cu-) 2
miedzioorganicznych
Z w i ą z k i t e są u ż y t e c z n y m n a r z ę d z i e m p r z y ł ą c z a n i a g r u p a l k i l o w y c h w p o z y c j a c h 1,4 a ^ - n i e n a s y c o n y c h z w i ą z k ó w k a r b o n y l o w y c h (te m a t J l l ) ; m o ż n a je t e ż p o d d a w a ć reakcji z h a l o g e n k a m i a l k i l o w y m i p r o w a d z ą c e j d o p o w s t a n i a a l k a n ó w o w i ę k s z y c h c z ą s t e c z k a c h (rys. 5 ) . S ą d z i się, ż e w t y m o s t a t n i m p r o c e s i e b i o r ą u d z i a ł w o l n e r o d n i k i .
© © R" Cu 2
Li
R—x Rys. 5. Reakcja związku
R—R" miedzioorganicznego
X=Br, I z halogenkiem
alkilowym
OTRZYMYWANIE ALKOHOLI
Hasła Przekształcanie grup funkcyjnych j
A l k o h o l e powstają też w w y n i k u t w o r z e n i a się w i ą z a ń C - C p o d c z a s reakcji e p o k s y d ó w , a l d e h y d ó w , k e t o n ó w , e s t r ó w i c h l o r k ó w k w a s o w y c h z o d c z y n n i k a m i G r i g n a r d a albo ze z w i ą z k a m i litoorganicznymi.
Tworzenie wiązań C-C
Tematy
Alkohole m o g ą p o w s t a w a ć w w y n i k u p r z e k s z t a ł c e ń takich z w i ą z k ó w , jak h a l o g e n k i alkilowe, k w a s y k a r b o k s y l o w e , estry, alkeny, a l d e h y d y , k e t o n y i etery.
pokrewne
Addycja elektrofilowa d o alkenów podstawionych s y m e t r y c z n i e (H3) H y d r o b o r o w a n i e a l k e n ó w (H7) A d d y c j a nukleofilowa — nukleofile n a ł a d o w a n e (J4)
Reakcje (K6) Reakcje h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h (L6) Reakcje e t e r ó w , e p o k s y d ó w i sulfidów (N3)
Przekształcanie grup funkcyjnych
Alkohole m o ż n a otrzymać przez substytucję nukleofilowa halogenków a l k i l o w y c h ( t e m a t L6), h y d r o l i z ę e s t r ó w ( t e m a t K6), r e d u k q ę k w a s ó w k a r b o k s y l o w y c h l u b e s t r ó w ( t e m a t K6), r e d u k c j ę a l d e h y d ó w i k e t o n ó w ( t e m a t J4), a d d y c j ę e l e k t r o f i l o w a d o a l k e n ó w ( t e m a t H 3 ) , h y d r o b o r o w a nie alkenów (temat H7) albo substytucję w eterach (temat N3).
Tworzenie wiązań C - C
Alkohole m o g ą też p o w s t a w a ć w reakcjach e p o k s y d ó w (temat N3), aldeh y d ó w ( t e m a t y J4 i H 1 0 ) , e s t r ó w { t e m a t K6) i c h l o r k ó w k w a s o w y c h — j a k o w y n i k t w o r z e n i a w i ą z a ń C - C . Reakcje t e p o l e g a j ą n a p r z y ł ą c z e n i u r ó w n o w a ż n i k a karboanionu w w y n i k u działania odczynników Gri g n a r d a a l b o z w i ą z k ó w l i t o o r g a n i c z n y c h ; są o n e o p i s a n e s z c z e g ó ł o w o w innych częściach książki.
M2
OTRZYMYWANIE FENOLI
Hasła G r u p a h y d r o k s y l o w a m o ż e z o s t a ć w p r o w a d z o n a d o pierścienia aromatycznego przez sulfonowanie, a następnie przekształcenie p o c h o d n e j sulfonowej w fenolową p o d w p ł y w e m o g r z e w a n i a w obecności silnej z a s a d y . P r z y d a t n o ś ć tej m e t o d y o g r a n i c z o n a jest d o fenoli p o d s t a w i o n y c h g r u p a m i a l k i l o w y m i . S p o s o b e m a l t e r n a t y w n y m m o ż e b y ć n i t r o w a n i e , redukcja n i t r o p o c h o d n e j d o aniliny, p r z e k s z t a ł c e n i e jej w sól d i a z o n i o w ą i, na koniec, h y d r o l i z a . C h o ć jest t o p r o c e d u r a d ł u ż s z a , m a o n a bardziej u n i w e r s a l n y c h a r a k t e r i m o ż n a jej p o d d a w a ć związki o z n a c z n i e w i ę k s z y m w a c h l a r z u podstawników. H y d r o l i z a e s t r ó w fenolowych p r o w a d z i d o o t r z y m a n i a m a c i e r z y s t e g o k w a s u k a r b o k s y l o w e g o i fenolu. Rozszczepienie e t e r ó w a r y l o w y c h p r z e z o g r z e w a n i e w obecności H I l u b HBr daje h a l o g e n e k a l k i l o w y i fenol. Tematy pokrewne
Wprowadzania grupy O H do pierścienia
Synteza j e d n o p o d s t a w i o n y c h b e n z e n ó w (14) Reakcje (K6)
Reakcje e t e r ó w , e p o k s y d ó w i s u l f i d ó w (N3) Reakcje a m i n ( 0 3 )
G r u p a h y d r o k s y l o w a m o ż e zostać w p r o w a d z o n a d o pierścienia aromat y c z n e g o p r z e z s u l f o n o w a n i e ( t e m a t 14), a n a s t ę p n i e s t o p i e n i e o t r z y m a n e g o p r o d u k t u z w o d o r o t l e n k i e m s o d u , p r z e k s z t a ł c a j ą c e g r u p ę sulfo n o w ą w h y d r o k s y l o w ą (rys. 2). W a r u n k i tej reakcji są d o ś ć d r a s t y c z n e i m o ż n a ją s t o s o w a ć t y l k o d o o t r z y m y w a n i a fenoli p o d s t a w i o n y c h g r u pami alkilowymi. B a r d z i e j u n i w e r s a l n y m s p o s o b e m s y n t e z y fenoli jest h y d r o l i z a soli diazoniowych (temat 0 3 ) , otrzymanych z pochodnych anilinowych ( t e m a t 14; rys. 2). S0 H 3
S0 H SO 3
2
a) NaOH
d
b)H 0 3
Rys. 1. Synteza fenolu przez
sulfonowanie
P r z e k s z t a ł c a l i ie grup funkcyjnych
Rys. 3. Przekształcenia
F e n o l e m o ż n a o t r z y m y w a ć p r z e z p r z e k s z t a ł c a n i e r o z m a i t y c h g r u p fun kcyjnych. G r u p y sulfonowa i a m i n o w a zostały w s p o m n i a n e już wcześ niej. M o ż n a też h y d r o l i z o w a ć estry fenolowe, jak o p i s a n o w temacie K6 (rys. 3a). R o z s z c z e p i e n i e e t e r ó w a r y l o w y c h o p i s a n o w t e m a c i e N 3 (rys. 3b). W p r o c e s i e t y m w y b i ó r c z e m u r o z s z c z e p i e n i u u l e g a w i ą z a n i e m i ę d z y g r u p ą alkilową a tlenem, p o n i e w a ż w i ą z a n i e A r - O H jest dosta t e c z n i e s i l n e , a b y w y t r z y m a ć w a r u n k i reakcji.
grup funkcyjnych
prowadzące
do fenolu
WŁAŚCIWOŚCI ALKOHOLI I FENOLI
Hasła W cząsteczkach alkoholi, w a t o m i e tlenu i p o ł ą c z o n y m z n i m a t o m i e w ę g l a w y s t ę p u j e h y b r y d y z a c j a sp , a z a t e m kąt m i ę d z y w i ą z a n i a m i C - O - H w y n o s i o k o ł o 109°. W i ą z a n i a w o d o r o w e sprawiają, ż e a l k o h o l e mają w y ż s z e t e m p e r a t u r y w r z e n i a niż a l k a n y o p o r ó w n y w a l n e j m a s i e cząsteczkowej. N i s k o c z ą s t e c z k o w e a l k o h o l e rozpuszczają się w w o d z i e i m o g ą z a c h o w y w a ć się jak słabe k w a s y l u b słabe z a s a d y . A l k o h o l e są z w i ą z k a m i p o l a r n y m i . A t o m t l e n u s t a n o w i w n i c h c e n t r u m n u k l e o f i l o w e , a sąsiadujące z n i m a t o m y w ę g l a i w o d o r u są s ł a b y m i c e n t r a m i elektrofilowymi. A l k o h o l e nie reagują z nukleofilami, ale z m o c n y m i z a s a d a m i w c h o d z ą w reakcje typu kwas-zasada, tworząc jony alkoksylowe. Wiązanie C - O w a l k o h o l a c h m o ż n a r o z s z c z e p i ć , jeśli p r z e k s z t a ł c i się g r u p ę h y d r o k s y l o w ą w lepszą g r u p ę opuszczającą. 3
W fenolach g r u p a O H p o ł ą c z o n a jest b e z p o ś r e d n i o z p i e r ś c i e n i e m a r o m a t y c z n y m . W a t o m i e tlenu w y s t ę p u j e hybrydyzacja sp , a w a r y l o w y m ato mie w ę g l a — h y b r y d y z a c j a sp . Fenole są związkami polarnymi, zdolnymi d o tworzenia międzycząsteczkowych w i ą z a ń w o d o r o w y c h . Z t e g o p o w o d u fenole mają w y ż s z e t e m p e r a t u r y w r z e n i a n i ż i n n e substancje a r o m a t y c z n e o p o r ó w n y w a l n e j m a s i e cząsteczkowej. Wiązania w o d o r o w e są też p o w o d e m u m i a r k o w a n e j r o z p u s z c z a l n o ś c i fenoli w w o d z i e . W w o d n y c h r o z t w o r a c h fenole zachowują się jak słabe k w a s y . Są o n e mocniejszymi k w a s a m i n i ż alkohole, ale s ł a b s z y m i niż k w a s y k a r b o k s y l o w e . W p o s t a c i soli f e n o l a n o w y c h rozpuszczają się o n e w r o z t w o r a c h w o d o r o t l e n k u s o d u , ale są n i e r o z p u s z c z a l n e w roztworach wodorowęglanu sodu.
Fenole ' "••'
3
2
Tematy pokrewne
3
H y b r y d y z a c j a s p (A3) H y b r y d y z a q a sp (A4) W i ą z a n i a m i ę d z y c z ą s t e c z k o w e (C3) Właściwości i reakcje (C4) 2
Alkohole
Z w i ą z k i o r g a n i c z n e (E4) M o c k w a s ó w (G2) M o c z a s a d (G3) Reakcje alkoholi (M4)
G r u p a funkcyjna w a l k o h o l a c h ( R 3 C - O H ) m a taką samą g e o m e t r i ę jak w o d a . Kąt m i ę d z y w i ą z a n i a m i C - O - H w y n o s i o k o ł o 109°. Z a r ó w n o w a t o m i e w ę g ł a , j a k i t l e n u w y s t ę p u j e h y b r y d y z a q ' a sp . O b e c n o ś ć g r u p y O H umożliwia powstawanie międzycząsteczkowych wiązań wodoro wych, odpowiedzialnych za wyższe temperatury wrzenia alkoholi w po równaniu z alkanami o podobnej masie cząsteczkowej. Wiązania w o d o r o w e s p r a w i a j ą t e ż , ż e a l k o h o l e są lepiej r o z p u s z c z a l n e w p r o t y c z n y c h rozpuszczalnikach niż alkany o p o r ó w n y w a l n y c h masach cząsteczko3
w y c h . N i s k o c z ą s t e c z k o w e a l k o h o l e ( m e t a n o l , e t a n o l , p r o p a n o l i tert-buta n o l ) w ł a ś c i w i e m i e s z a j ą się z w o d ą b e z o g r a n i c z e ń . W a l k o h o l a c h o w i ę kszych cząsteczkach h y d r o f o b o w y charakter łańcucha alkilowego bierze górę n a d p o l a r n y m charakterem g r u p y alkoholowej i w rezultacie w y s o k o c z ą s t e c z k o w e a l k o h o l e n i e r o z p u s z c z a j ą się w w o d z i e . P o n i e w a ż t l e n jest p i e r w i a s t k i e m e l e k t r o u j e m n y m , w i ą z a n i a O - H i C - O są s p o l a r y z o w a n e w t a k i s p o s ó b , ż e a t o m t l e n u o b d a r z o n y jest n i e wielkim ładunkiem ujemnym, a atomy węgla i w o d o r u — niewielkim ł a d u n k i e m d o d a t n i m . Z tego p o w o d u a t o m tlenu stanowi w cząsteczce alkoholu centrum nukleofilowe, natomiast atomy w o d o r u i węgla w y k a zują s ł a b e w ł a ś c i w o ś c i e l e k t r o f i l o w e ( t e m a t E 4 ; rys. 1).
6
.:
:o—H R
/
X
*
centrum nukleofilowe / centrum elektrofilowe ../ „-'(kwasowe)
+
.'O — H ' ' /
I
R
Rys. 1. Polaryzacja
wiązań
/ v* ~ * - - _ słabe p. centrum elektrofilowe
oraz centra
nukleofilowe
i
elektrofilowe
Z p o w o d u obecności w cząsteczce nukleofilowego a t o m u tlenu i ele ktrofilowego p r o t o n u alkohole w roztworach w o d n y c h mogą zachowy w a ć się z a r ó w n o j a k s ł a b e k w a s y , j a k i j a k s ł a b e z a s a d y (rys. 2). J e d n a k ż e w o b u p r z y p a d k a c h s t a n r ó w n o w a g i p r z e s u n i ę t y jest p r a w i e c a ł k o w i c i e w kierunku formy nie zjonizowanej. Alkohole ł a t w o reagują z elektrofilami silniejszymi niż w o d a . Mniej p r a w d o p o d o b n e n a t o m i a s t są ich reakcje z n u k l e o f i l a m i , c h y b a ż e są t o jednocześnie m o c n e zasady; w takich p r z y p a d k a c h cząsteczce alkoholu zostaje o d e b r a n y p r o t o n i p o w s t a j e j o n a l k o k s y l o w y (RO"; rys. 3). J o n y a l k o k s y l o w e są n i e z w y k l e p o ż y t e c z n y m i r e a g e n t a m i w s y n t e z i e o r g a n i O : o .* 'O
H/
: o—H /
CH CH 3
\ © , O—H / CH3CH2
2
słaba zasada Rys. 2. Kwasowo-zasadowe
:o / R
" R
c
H
\ O
/
CH CH
CH3CH2
słaby kwas
3
2
mocna zasada
:o—H
mocny kwas właściwości
alkoholi
0
..e
: NU
reakcja kwas-zasada mocna zasada
•o: R
jon alkoksylowy
+
H
Nu
.\© /
O —H
cznej. N i e m o g ą o n e j e d n a k b y ć u ż y w a n e w ś r o d o w i s k u w o d n y m , p o n i e w a ż w o b e c n o ś c i w o d y z a c h o w u j ą się j a k z a s a d y : n a s t ę p u j e w ó w c z a s odebranie cząsteczce w o d y p r o t o n u i o d t w o r z e n i e alkoholu. Dlatego też reakcje z u d z i a ł e m j o n ó w a l k o k s y l o w y c h n a l e ż y p r o w a d z i ć w ś r o d o w i sku alkoholowym, a nie w o d n y m . N u k l e o f i l e b ę d ą c e j e d n o c z e ś n i e m o c n y m i z a s a d a m i chętniej r e a g u j ą z elektrofilowym w o d o r e m z cząsteczki alkoholu niż z elektrofilowym w ę g l e m . Atak nukleofilowy n a a t o m węgla p r o w a d z i ł b y d o substytucji n u k l e o f i l o w e j p o ł ą c z o n e j z u t r a t ą j o n u h y d r o k s y l o w e g o ( t e m a t L2). N i e jest t o w s z a k ż e r e a k c j a u p r z y w i l e j o w a n a , p o n i e w a ż j o n h y d r o k s y l o w y jest m o c n ą z a s a d ą i s ł a b ą g r u p ą o p u s z c z a j ą c ą (rys. 4 ) . N i e m n i e j j e d n a k reakcje p r z e b i e g a j ą c e z r o z s z c z e p i e n i e m w i ą z a n i a C - O w a l k o h o l u są m o ż l i w e , o ile a l k o h o l z o s t a n i e u p r z e d n i o „ z a k t y w o w a n y " p r z e z przekształcenie g r u p y hydroksylowej w lepszą g r u p ę opuszczającą ( t e m a t M 4 ; rys. 5). J e d n a z m e t o d takiej a k t y w a c j i p o l e g a n a z a s t o s o w a n i u środowiska kwaśnego, w którym grupa hydroksylowa — przed atakiem c z y n n i k a n u k l e o f i l o w e g o — u l e g a p r o t o n o w a n i u (rys. 5a). R o z s z c z e p i e n i e w i ą z a n i a C - O jest w ó w c z a s b a r d z i e j p r a w d o p o d o b n e , p o n i e w a ż o b o j ę t n a c z ą s t e c z k a w o d y jest z n a c z n i e l e p s z ą g r u p ą o p u s z c z a j ą c ą n i ż j o n h y d r o k s y l o w y . Alternatywą m o ż e być potraktowanie alkoholu czynni k i e m elektrofilowym, przekształcającym g r u p ę O H w g r u p ę OY, o w ł a ś c i w o ś c i a c h l e p s z e j g r u p y o p u s z c z a j ą c e j (rys. 5b). W o b u p r z y p a d k a c h a l k o h o l w y s t ę p u j e w roli c z y n n i k a n u k l e o f i l o w e g o , z a t o m e m t l e n u jako c e n t r u m nukleofilowym. U t w o r z o n y p r o d u k t pośredni działa nastę p n i e j a k o elektrofil, w y k o r z y s t u j ą c a t o m w ę g l a j a k o c e n t r u m e l e k t r o filowe.
Nu
0
reakcja S 2
:NU
Rys. 4. Substytucja
nukleofilowa
•
V
Fenole
alkoholi nie jest reakcją
R
staba grupa opuszczająca
uprzywilejowaną
dobra grupa opuszczająca
(b)
„LI n
l O—Y
mocny kwas
R—C R Rys. 5. Aktywacja
R
N
dobra grupa opuszczająca
(m)
..0 :OH
-/
R—-C
R
R
c
~ \ R
c
~ \
--
R
alkoholu
W f e n o l a c h g r u p a O H jest p o ł ą c z o n a b e z p o ś r e d n i o z p i e r ś c i e n i e m a r o m a t y c z n y m . T l e n jest w i ę c w n i c h c e n t r u m h y b r y d y z a c j i s p , a a r y l o w y a t o m w ę g l a — h y b r y d y z a c j i sp . C h o ć f e n o l e mają p e w n e c e c h y w s p ó l n e z a l k o h o l a m i , w y k a z u j ą o n e o d r ę b n e w ł a ś c i w o ś c i i ulegają o d r ę b n y m reakcjom, odróżniającym tę g r u p ę z w i ą z k ó w o d alkoholi. 3
2
Fenole mogą brać udział w międzycząsteczkowych wiązaniach w o d o r o w y c h , sprawiających, że substancje te cechuje u m i a r k o w a n a r o z p u s z czalność w w o d z i e i w y ż s z e temperatury wrzenia niż w p r z y p a d k u związków aromatycznych pozbawionych grupy hydroksylowej. Fenole są s ł a b y m i k w a s a m i i w r o z t w o r a c h w o d n y c h f o r m a n i e z j o n i z o w a n a w y s t ę p u j e w r ó w n o w a d z e z j o n e m f e n o k s y l o w y m (rys. 6a). P o d c z a s d z i a ł a n i a z a s a d y f e n o l e zostają i l o ś c i o w o p r z e k s z t a ł c o n e w j o n y f e n o k s y l o w e (rys. 6b).
fenol Rys. 6. Reakcje
jon fenoksylowy ilustrujące
kwasowy
charakter
fenol
jon fenoksylowy
fenolu
J o n y f e n o k s y l o w e są s t a b i l i z o w a n e p r z e z r e z o n a n s i p r z e z d e l o k a l i z a cję u j e m n e g o ł a d u n k u w o b r ę b i e p i e r ś c i e n i a ( t e m a t y G 2 / G 3 ) , c o s p r a w i a , ż e są o n e s ł a b s z y m i z a s a d a m i n i ż j o n y a l k o k s y l o w e . T o z k o l e i o z n a c z a , ż e f e n o l e są m o c n i e j s z y m i k w a s a m i n i ż a l k o h o l e , a l e s ł a b s z y m i n i ż k w a s y k a r b o k s y l o w e . W a r t o ś ć pK d l a w i ę k s z o ś c i fenoli w y n o s i o k . 1 1 , d l a a l k o h o l i — o k . 18, a d l a k w a s u o c t o w e g o w a r t o ś ć ta w y n o s i 4,74. A w i ę c f e n o l e dysocjują p o d w p ł y w e m z a s a d s ł a b s z y c h n i ż te, k t ó r e są p o t r z e b n e d o zjonizowania alkoholi; w p r z y p a d k u k w a s ó w karboksylowych d y s o cjacja z a c h o d z i p o d w p ł y w e m j e s z c z e s ł a b s z y c h z a s a d . F e n o l e ulegają dysocjacji w o b e c n o ś c i n a p r z y k ł a d w o d o r o t l e n k u s o d u , a l e n i e p o d w p ł y w e m słabszej z a s a d y — w o d o r o w ę g l a n u s o d u . Alkohole, b ę d ą c e s ł a b s z y m i k w a s a m i , n i e ulegają dysocjacji p o d w p ł y w e m ż a d n e j z t y c h z a s a d , p o d c z a s g d y k w a s y k a r b o k s y l o w e dysoq'ują w obecności obu. a
P o w y ż s z e reakcje t y p u k w a s - z a s a d a s t a n o w i ą p o d s t a w ę p r o s t e g o s p o s o b u r o z r ó ż n i a n i a w i ę k s z o ś c i k w a s ó w k a r b o k s y l o w y c h , fenoli i a l k o h o l i . P o n i e w a ż sole u t w o r z o n e p o d c z a s reakcji k w a s - z a s a d a są r o z p u s z czalne w wodzie, poszczególne g r u p y związków m o ż n a odróżnić n a p o d s t a w i e ich rozpuszczalności w r o z t w o r a c h w o d o r o w ę g l a n u s o d u i w o d o r o t l e n k u s o d u . T e s t t a k i n i e jest w i a r y g o d n y w p r z y p a d k u z w i ą z k ó w niskocząsteczkowych, takich jak m e t a n o l czy etanol, p o n i e w a ż s u b s t a n c j e t e r o z p u s z c z a j ą się w w o d z i e n a w e t b e z u t w o r z e n i a soli.
REAKCJE ALKOHOLI
Hasła A l k o h o l e są s ł a b y m i k w a s a m i ; w reakcji z m o c n y m i z a s a d a m i powstają z nich jony a l k o k s y l o w e .
kwas-zasada
P o d c z a s o g r z e w a n i a z k w a s e m s i a r k o w y m ( V I ) alkohole ulegają o d w o d n i e n i u d o a l k e n ó w . Reakcja p r z e b i e g a z g o d n i e z m e c h a n i z m e m E l , z k a r b o k a t i o n e m jako p r o d u k t e m p o ś r e d n i m . Dlatego też a l k o h o l e 3° reagują łatwiej niż 2°, najmniej chętnie zaś reagują alkohole 1°. Jeśli m o ż l i w e jest p o w s t a n i e r ó ż n y c h a l k e n ó w , u p r z y w i l e j o w a n y jest a l k e n o n a j w y ż s z y m s t o p n i u p o d s t a w i e n i a . O d w o d n i e n i e 2° i 3° alkoholi m o ż l i w e jest też w łagodniejszych, z a s a d o w y c h w a r u n k a c h — p o d w p ł y w e m POCI3. Reakcja p r z e b i e g a w e d ł u g m e c h a n i z m u E2.
Eliminacja
Synteza halogenków . alkilowych
A l k o h o l e 3° — i n i e k t ó r e 2° — m o ż n a przekształcić w chlorki i b r o m k i alkilowe, działając na n i e , o d p o w i e d n i o , HCI lub HBr. M e c h a n i z m reakcji p o l e g a p o c z ą t k o w o n a p r o t o n o w a n i u g r u p y h y d r o k s y l o w e j , przekształcającym ją w d o b r ą g r u p ę opuszczającą; n a s t ę p n i e reakcja p r z e b i e g a w e d ł u g n o r m a l n e g o m e c h a n i z m u S N I - A l k o h o l e 1° i 2° przekształcają się w chlorki i b r o m k i a l k i l o w e p o d w p ł y w e m , o d p o w i e d n i o , c h l o r k u t i o n y l u l u b b r o m k u fosforu(III) — w reakcji przebiegającej w e d ł u g m e c h a n i z m u S N 2 . U ż y t e o d c z y n n i k i przekształcają g r u p ę h y d r o k s y l o w ą w lepszą g r u p ę opuszczającą, a t a k ż e służą jako ź r ó d ł o j o n ó w h a l o g e n k o w y c h .
Synteza metanosulfonianów * i p^el«exg>
P o d c z a s t r a k t o w a n i a c h l o r k a m i s u l f o n y l o w y m i a l k o h o l e tworzą substancje z w a n e s u l f o n i a n a m i . D w a często s p o t y k a n e p r z y k ł a d y takich z w i ą z k ó w t o metanosulfoniany* i p - t o l u e n o s u l f o n i a n y " . G r u p y m e t a n o s u l f o n o w a ( m e s y l o w a ) i p - t o l u e n o s u l f o n o w a (tosylowa) są d o s k o n a ł y m i g r u p a m i opuszczającymi; m e t a n o s u l f o n i a n y i p-toluenosulfoniany ulegają reakcjom S N 2 , p o d o b n i e jak h a l o g e n k i alkilowe. Ich p o w s t a w a n i e p r z e k s z t a ł c a słabą g r u p ę opuszczającą, jaką jest g r u p a h y d r o k s y l o w a alkoholu, w b a r d z o dobrą g r u p ę opuszczającą. P o d w p ł y w e m c h l o r o c h r o m i a n u p i r y d y n y (PCC) w d i c h l o r o m e t a n i e a l k o h o l e 1° ulegają u t l e n i e n i u d o a l d e h y d ó w , a p o d w p ł y w e m C1O3 w w o d n y c h r o z t w o r a c h k w a s ó w zostają o n e u t l e n i o n e d o k w a s ó w k a r b o k s y l o w y c h . P i e r w s z y z tych p r o c e s ó w z a t r z y m u j e się n a e t a p i e a l d e h y d u , p o n i e w a ż P C C jest ł a g o d n y m ś r o d k i e m utleniającym, a reakcja p r o w a d z o n a jest w d i c h l o r o m e t a n i e . W k w a ś n y m ś r o d o w i s k u w o d n y m i p r z y z a s t o s o w a n i u C1O3 j a k o ś r o d k a
Utlenianie
f
Zwyczajowo zwanych niekiedy mesylanami — przyp. Zwyczajowo zwanych niekiedy tosylanami — przyp.
tłum. Hum.
utleniającego alkohol 1° zostaje p r z e k s z t a ł c o n y w a l d e h y d , k t ó r y n a s t ę p n i e u l e g a hydratacji i d a l s z e m u utlenieniu d o k w a s u k a r b o k s y l o w e g o . A l k o h o l e 2° utleniają się d o k e t o n ó w , n a t o m i a s t a l k o h o l e 3° są o d p o r n e n a u t l e n i a n i e . Tematy pokrewne
Reakcje kwas-zasada
M o c k w a s ó w (G2) M o c z a s a d (G3) Stabilizacja k a r b o k a t i o n u (H5)
Substytucja nukleofilowa (L2) Reakcja eliminacji (L4)
A l k o h o l e są n i e c o s ł a b s z y m i k w a s a m i n i ż w o d a , c o o z n a c z a , ż e s p r z ę ż o n e z n i m i z a s a d y ( j o n y a l k o k s y l o w e ) są m o c n i e j s z e n i ż z a s a d a s p r z ę ż o n a z w o d ą (jon w o d o r o t l e n k o w y ) . N i e m o ż n a w i ę c o t r z y m a ć j o n u a l k o k s y l o w e g o , działając n a a l k o h o l w o d o r o t l e n k i e m s o d u j a k o z a s a d ą . A l k o h o l e n i e r e a g u j ą też z w o d o r o w ę g l a n e m s o d u a n i z a m i n a m i ; w c e l u o t r z y m a n i a j o n ó w a l k o k s y l o w y c h k o n i e c z n e jest u ż y c i e m o c n i e j s z e j z a s a d y , takiej j a k w o d o r e k l u b a m i d e k s o d u (rys. 1). A l k o h o l e m o ż n a t a k ż e p r z e k s z t a ł c i ć w j o n y a l k o k s y l o w e , działając m e t a l i c z n y m p o t a s e m , s o d e m lub litem. Również niektóre związki organiczne — jak n p . odczynniki Grignarda albo związki litoorganiczne — m o g ą być zastoso w a n e jako m o c n e zasady.
t zasada
Rys. 1. Powstawanie
jonu
l OI / R
H
zasada
alkoksylowego
J o n y a l k o k s y l o w e ulegają w w o d z i e z o b o j ę t n i e n i u i d l a t e g o reakcje z ich u d z i a ł e m p o w i n n y b y ć p r o w a d z o n e w a l k o h o l u , z k t ó r e g o p o w s t a ł y , czyli n p . reakcje z u d z i a ł e m e t a n o l a n u s o d u najlepiej p r z e b i e gają w e t a n o l u . T y p o w a w a r t o ś ć pK a l k o h o l i w y n o s i 1 5 , 5 - 1 8 , c o m o ż n a p o r ó w n a ć z w a r t o ś c i ą p K e t y n u ( a c e t y l e n u ) w y n o s z ą c ą 25, a m o n i a k u — 3 8 i e t a n u — 50. a
a
Eliminacja
A l k o h o l e , t a k jak h a l o g e n k i a l k i l o w e , m o g ą u l e g a ć r e a k c j o m e l i m i n a q ' i z u t w o r z e n i e m a l k e n ó w ( p a t r z t e m a t L 4 ; rys. 2 ) . P o n i e w a ż eliminacji u l e g a c z ą s t e c z k a w o d y , r e a k q ' ę t ę o k r e ś l a się c z ę s t o j a k o d e h y d r a t a c j ę (odwodnienie). P o d o b n i e j a k w p r z y p a d k u h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h , e l i m i n a c j a w al k o h o l a c h w y m a g a o b e c n o ś c i p o d a t n e g o n a tę r e a k c j ę p r o t o n u w p o z y c j i fi w z g l ę d e m g r u p y h y d r o k s y l o w e j (rys. 3). Podczas g d y eliminaqa w halogenkach alkilowych przebiega w środo w i s k u z a s a d o w y m , e l i m i n a c j a w a l k o h o l a c h p r o w a d z o n a jest w w a r u n k a c h k w a s o w y c h . W ś r o d o w i s k u z a s a d o w y m e l i m i n a c j a E2 w y m a g a ł a b y u t r a t y jonu h y d r o k s y l o w e g o jako g r u p y opuszczającej. Jednakże jon ten — j a k o m o c n a z a s a d a — n i e jest d o b r ą g r u p ą o p u s z c z a j ą c ą . Z t e g o w z g l ę d u p r z e p r o w a d z e n i e reakcji e l i m i n a c j i w ś r o d o w i s k u z a s a d o w y m jest b a r d z o t r u d n e .
3
| HO — C — CH
20%H SO »~ 2
3
HC
d
H
3
C= C
+
H 0 2
U Rys. 2. Eliminacja
w cząsteczce
alkoholu
halogenki alkilowe
alkohole
..ó-
,.d-
:o—H
:x: X=CI, Br, I
U+
0
H
---
ld+
0
podatny
H
podatny
proton Rys. 3. Protony fi podatne
P na eliminację
w halogenku
alkilowym
r o t o n
i alkoholu
L e p s z e w y n i k i daje e l i m i n a c j a w w a r u n k a c h k w a s o w y c h , p o n i e w a ż grupa hydroksylowa ulega najpierw protonowaniu i następnie opuszcza cząsteczkę jako obojętna cząsteczka w o d y (dehydratacja), a w i ę c jako z n a c z n i e l e p s z a g r u p a o p u s z c z a j ą c a . Jeżeli w reakcji m o g ą p o w s t a ć r ó ż n e i z o m e r y c z n e a l k e n y , u p r z y w i l e j o w a n e jest p o w s t a w a n i e a l k e n u o n a j w y ż s z y m s t o p n i u p o d s t a w i e n i a , co jest kolejnym p r z y k ł a d e m d z i a ł a n i a r e g u ł y Z a j c e w a (rys. 4). Reakcja daje n a j l e p s z e r e z u l t a t y w p r z y p a d k u alkoholi trzeciorzędowych, p o n i e w a ż przebiega ona w ó w c z a s w e d ł u g m e c h a n i z m u E l ( t e m a t L4). M e c h a n i z m p r o c e s u (rys. 5) p o l e g a n a w y k o r z y s t a n i u p r z e z n u k l e o f i l o w y a t o m tlenu jednej z w o l n y c h p a r elektronowych d o u t w o r z e n i a wiązania z protonem. Powstaje wówczas naładowany produkt pośredni ( e t a p 1). W c z ą s t e c z c e , w której n a s t ą p i ł o p r o t o n o w a n i e t l e n u , o b e c n a jest o wiele lepsza g r u p a opuszczająca — w o d a — która m o ż e zostać usu-
CH I HO — C — CH CH l 3
0H3
2
20% H SO 2
H
3
d
3
ogrzewanie
\
H
/ C= C
^
H
\
w alkoholach
przebiega
zgodnie
z regułą
,CH CH 2
3
C= C H
produkt główny Rys. 4. Eliminacja
v
+ '
\
produkt uboczny
Zajcewa
H
A Hr%Ł
/
;o—H
H
|
\
etapl
H
CH3 Rys. 5. Mechanizm
eliminacji
E1 w
I
CH3
alkoholach
H
e t a
P
2
H
e t a
®| CH
3
P
3
| CH
3
_
n i ę t a w p o s t a c i o b o j ę t n e j c z ą s t e c z k i . D a l s z a c z ę ś ć reakcji p r z e b i e g a z g o d nie z n o r m a l n y m m e c h a n i z m e m El. Następuje utrata w o d y i powstaje k a r b o k a t i o n ( e t a p 2). W e t a p i e 2 w o d a w y s t ę p u j e w roli z a s a d y w y k o r z y stującej j e d n ą z e s w o i c h w o l n y c h p a r e l e k t r o n o w y c h d o u t w o r z e n i a w i ą z a n i a z p r o t o n e m w p o z y c j i fi k a r b o k a t i o n u . W i ą z a n i e C - H z o s t a j e z e r w a n e , a o b a w c h o d z ą c e w j e g o s k ł a d e l e k t r o n y t w o r z ą w i ą z a n i e JT między d w o m a atomami węgla. Ponieważ m a m y tu d o czynienia z reak cją E l , a l k o h o l e t r z e c i o r z ę d o w e r e a g u j ą lepiej n i ż p i e r w s z o - i d r u g o rzędowe. Reakcja E l n i e jest i d e a l n y m s p o s o b e m d e h y d r a t a q i p i e r w s z o - i d r u g o r z ę d o w y c h alkoholi, p o n i e w a ż w y m a g a ona intensywnego ogrzewa nia, które m o ż e p r o w a d z i ć d o p r o c e s ó w p r z e g r u p o w a n i a . Dlatego korzy sta s i ę z a l t e r n a t y w n y c h s p o s o b ó w . T a k i e o d c z y n n i k i , j a k t l e n o c h l o r e k fosforu (POCI3), o d w a d n i a j ą d r u g o - i t r z e c i o r z ę d o w e a l k o h o l e w ł a g o d n y c h , z a s a d o w y c h w a r u n k a c h , w p i r y d y n i e j a k o r o z p u s z c z a l n i k u (rys. 6). T l e n o c h l o r e k fosforu s ł u ż y t u d o a k t y w a c j i a l k o h o l u , p r z e k s z t a ł c a j ą c g r u p ę h y d r o k s y l o w ą w lepszą g r u p ę opuszczającą. M e c h a n i z m reakq'i polega n a tym, że w p i e r w s z y m etapie alkohol działa jako nukleofil. A t o m tlenu wykorzystuje swą wolną parę elektronową d o utworzenia w i ą z a n i a z e l e k t r o f i l o w y m a t o m e m fosforu z POCI3, p r z y c z y m n a s t ę p u j e u t r a t a j o n u c h l o r k o w e g o ( e t a p 1). P i r y d y n a u s u w a z p o w s t a ł e j s t r u k t u r y proton, co p r o w a d z i d o p o w s t a n i a p o ś r e d n i e g o dichlorofosforanu (etap 2). G r u p a d i c h l o r o f o s f o r a n o w a j e s t z n a c z n i e l e p s z ą g r u p ą o p u s z c z a j ą c ą niż jon h y d r o k s y l o w y , dzięki c z e m u p r o d u k t pośredni m o ż e ulec t y p o w e j reakcji eliminacji w e d ł u g m e c h a n i z m u E 2 . P i r y d y n a d z i a ł a p r z y t y m j a k o z a s a d a , u s u w a j ą c p r o t o n z p o z y c j i fi; w t y m s a m y m c z a s i e e l e k t r o n y z z e r w a n e g o w i ą z a n i a C - H zostają w y k o r z y s t a n e d o u t w o r z e n i a w i ą z a n i a 71, w s k u t e k c z e g o u s u n i ę t a zostaje g r u p a o p u s z c z a j ą c a ( e t a p 3 ) .
C
c
:
ci — p = o
H
:
e?-
\ J
c/
\//°
0
ci
^
CH
'
C' H
Rys. 6. Mechanizm
Synteza halogenków alkilowych
3
3
C l - P
H
H
e t a
P
dehydratacji
1 H
ci C
H
v
^
alkoholu
CH
3
H
H
3
pod wpływem
Cl-P
e^P 2
N /
o CH3
CH 3
H
M
^
etap 3 Hc
H
H
3
POCI3
A l k o h o l e t r z e c i o r z ę d o w e m o g ą u l e g a ć reakcji S N I Z w y t w o r z e n i e m t r z e c i o r z ę d o w y c h h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h ( p o r . t e m a t L 2 ; rys. 7). P o n i e w a ż r e a k c j a t a w y m a g a u s u n i ę c i a g r u p y h y d r o k s y l o w e j (będącej słabą g r u p ą opuszczającą), trzeba zastosować p e w i e n „trik" polegający n a p r z e kształceniu reszty hydroksylowej w lepszą g r u p ę opuszczającą. M o ż n a t o osiągnąć p r z e z użycie HCI lub H B r w ś r o d o w i s k u k w a ś n y m . K w a s
CH,
:o—c—CH
3
H
— etap 1
/ CH
3
Rys. 7. Przekształcenie
alkoholu
w halogenek
alkilowy
służy tu d o protonowania g r u p y hydroksylowej w p i e r w s z y m etapie p r o c e s u ; n a s t ę p n i e m o ż e j u ż zajść n o r m a l n a reakcja S N I , W k t ó r e j n a s t ę puje utrata cząsteczki w o d y i p o w s t a n i e p o ś r e d n i e g o karbokationu. W k o l e j n y m •— t r z e c i m — e t a p i e j o n h a l o g e n k o w y t w o r z y w i ą z a n i e z centrum ł a d u n k u dodatniego w karbokationie. P i e r w s z e d w a e t a p y p o w y ż s z e j reakcji p r z e b i e g a j ą d o k ł a d n i e t a k s a m o jak w o p i s a n y m p o p r z e d n i o procesie eliminacji. O b a p r o c e s y p r o w a d z i się w w a r u n k a c h k w a s o w y c h i u z a s a d n i o n e m o ż e b y ć p y t a n i e , d l a c z e g o p o d c z a s reakcji z H C I l u b H B r n i e z a c h o d z i e l i m i n a c j a . R ó ż n i c a m i ę d z y t y m i d w i e m a r e a k c j a m i p o l e g a n a t y m , ż e j o n y h a l o g e n k o w e są dobrymi nukleofilami i występują w dużych stężeniach. Wcześniej opi s a n y p r o c e s eliminacji p r o w a d z i s i ę p r z y u ż y c i u s t ę ż o n e g o k w a s u s i a r k o w e g o i w obecności słabego czynnika nukleofilowego (wody) w m a ł y m s t ę ż e n i u . M i m o tej r ó ż n i c y t a k ż e i p o d c z a s reakcji a l k o h o l i z f l u o r o w c o w o d o r a m i z a c h o d z i — w p e w n y m s t o p n i u — eliminacja i p r o d u k t a m i u b o c z n y m i p o w s t a j ą c y m i o b o k h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h są t u a l k e n y . Ponieważ alkohole pierwszorzędowe — i niektóre d r u g o r z ę d o w e — n i e ulegają reakcji S N I , ich s u b s t y t u c j a n u k l e o f i l o w a m u s i p r z e b i e g a ć z g o d n i e z m e c h a n i z m e m S N 2 . W t y m p r z y p a d k u t a k ż e n i e z b ę d n e jest w p i e r w s z y m etapie p r o t o n o w a n i e g r u p y O H . Dalsze e t a p y polegają n a j e d n o c z e s n y m ataku j o n u h a l o g e n k o w e g o i odejściu cząsteczki w o d y . Reakcję m o ż n a p r z e p r o w a d z i ć p r z y u ż y c i u s i l n y c h c z y n n i k ó w n u k l e o f i l o w y c h , t a k i c h jak j o n j o d k o w y c z y b r o m k o w y , a l e z a w o d z ą p r ó b y jej p r z e p r o w a d z e n i a p r z y z a s t o s o w a n i u mniej nukleofilowego jonu chlor k o w e g o . W t y m o s t a t n i m p r z y p a d k u k o n i e c z n e jest d o d a n i e d o m i e s z a n i n y reakcyjnej k w a s u L e w i s a ( t e m a t G 4 ) . K w a s L e w i s a t w o r z y k o m pleks z t l e n e m z g r u p y alkoholowej, co p r o w a d z i d o p o w s t a n i a z n a c z n i e l e p s z e j g r u p y o p u s z c z a j ą c e j , b i o r ą c e j u d z i a ł w p ó ź n i e j s z e j reakcji S N 2 . Reakcje p i e r w s z o - i d r u g o r z ę d o w y c h a l k o h o l i z f l u o r o w c o w o d o r a m i mogą być źródłem p e w n y c h p r o b l e m ó w z p o w o d u towarzyszących im c z ę s t o n i e p o ż ą d a n y c h reakcji p r z e g r u p o w a n i a . A b y i m z a p o b i e c , o p r a c o w a n o p r o c e d u r y a l t e r n a t y w n e , w k t ó r y c h stosuje się ł a g o d n i e j s z e w a r u n ki z a s a d o w e i o d c z y n n i k i , t a k i e j a k c h l o r e k t i o n y l u c z y b r o m e k fosforu(III) (rys. 8). O d c z y n n i k i t e działają j a k o elektrofile i reagują z a l k o h o l o w y m a t o m e m tlenu, tworząc p r o d u k t y pośrednie, w których g r u p a O H zostaje p r z e k s z t a ł c o n a w l e p s z ą g r u p ę o p u s z c z a j ą c ą . Z z a s t o s o w a n y c h o d c z y n n i k ó w u w a l n i a n y jest w t r a k c i e reakcji j o n h a l o g e n k o w y m o g ą c y p e ł n i ć funkcję n u k l e o f i l a w p ó ź n i e j s z e j reakcji S N 2 . P o d c z a s reakcji z c h l o r k i e m t i o n y l u d o m i e s z a n i n y reakcyjnej d o d a j e się trietyloanuny, która w y ł a p u j e powstający H C I . P r z e b i e g o w i p r o c e s u
chlorosiarczan(IV) alkilowy
]
C |
S=o
0
.. CO—CH CH ?
C
l
3
0
" \ © 0 —CH CH ?
- Et NH
C
|
- " \ ^ lO-^C^CH^
3
3
+~
'.C\—CH?CH
3
( s a z )
to
0
+
• s^o ^ \ -c i -
Q
Br P—Br
Br
: 0 —CH CH 2
^
3
0jO-^CH CH 2
H
H
:8r — C H C H
3
2
V .. © ^:Br:
^ys. S. Przekształcenie
alkoholu
w halogenek
3
f + HOPBr
alkilowy za pomocą
(a) chlorku
2
tionylu; (b) bromku
fosforu(lil)
s p r z y j a t e ż t o , ż e j e d e n z j e g o p r o d u k t ó w (SO2) o p u s z c z a ś r o d o w i s k o r e a kcji j a k o g a z , c o p r z e s u w a p o ł o ż e n i e r ó w n o w a g i w k i e r u n k u p r o d u k t ó w . W c z ą s t e c z c e b r o m k u fosforu(III) o b e c n e są t r z y a t o m y b r o m u i d l a t e g o k a ż d a c ą s t e c z k a PBr3 m o ż e r e a g o w a ć z t r z e m a c z ą s t e c z k a m i a l k o h o l u , dając t r z y c z ą s t e c z k i b r o m k u a l k i l o w e g o . Synteza
metano-
sulfonianów i p-toluenosulfonianów
C z a s a m i p r z y d a t n e m o ż e b y ć d y s p o n o w a n i e a k t y w o w a n ą formą alko h o l u , której m o ż n a u ż y ć w p r o c e s a c h s u b s t y t u q i nukleofilowej, tak jak h a l o g e n k u a l k i l o w e g o . D o t a k i c h z a s t o s o w a ń n a d a j ą się p o c h o d n e s u l f o nianowe, których przykładami m o g ą być metanosulfoniany i p-toluenos u l f o n i a n y . O t r z y m u j e się je, t r a k t u j ą c a l k o h o l e o d p o w i e d n i m i c h l o r k a m i s u l f o n y l o w y m i w o b e c n o ś c i z a s a d y , jak n p . p i r y d y n y l u b t r i e t y l o a m i n y (rys. 9). Z a s a d a s ł u ż y t u d o „ w y m i a t a n i a " t w o r z ą c e g o s i ę H C I i z a p o b i e g a katalizowanym przez k w a s y reakcjom przegrupowania.
W
RCH — OH 2
+
O M Cl — s II
O
-CH
II CH, o-s / II RCH O p-toluenosulfonian (tosylan)
3
o
2
chlorek p-toluenosulfonylu (b)
RCH — OH 2
+
O II Cl — S — C H II O
3
3
CH2O2
(b)
/ RCH
2
II O-S—CH II O
3
metanosuHonian (mesylan)
chlorek metanosulfonylu ys. 9. Synteza (a) p-toiuenosulfonianu;
O
NEt
metanosulfonianu
M e c h a n i z m reakcji (rys. 10) p o l e g a n a d z i a ł a n i u a l k o h o l o w e g o a t o m u tlenu jako centrum nukleofilowego i podstawieniu przezeń jonu chlorko w e g o w s u l f o n i a n i e . O b e c n a w ś r o d o w i s k u reakcji z a s a d a u s u w a z p r o d u k t u pośredniego proton, co p r o w a d z i d o powstania sulfonianu. Ż a d e n z etapów procesu nie m a w p ł y w u na stereochemię alkoholowego a t o m u w ę g l a , a z a t e m w p r z y p a d k u a l k o h o l i c h i r a l n y c h ich k o n f i g u r a c j a zostaje zachowana. G r u p y m e t a n o s u l f o n i a n o w a i p - t o l u e n o s u l f o n i a n o w a są d o s k o n a ł y m i g r u p a m i o p u s z c z a j ą c y m i i m o ż n a je t r a k t o w a ć j a k o o d p o w i e d n i k i j o n ó w halogenkowych. Metanosulfoniany i p-toluenosulfoniany mogą więc ule g a ć r e a k c j o m S N 2 W t a k i s a m s p o s ó b jak h a l o g e n k i a l k i l o w e (rys. 11).
©
f~ • NEt
3
H f~\
V i :o—S—CH
RCH —o: 2
/© u
RCH? Rys. 10. Mechanizm
i
o
powstawania
O
O II
.. 3
O
3
II
:c~s—CH /
M
RCH
O
2
H-NB
3
metanosulfonianu
\=S trwały jon p-toluenosulfonianowy
Rys. 11. Substytucja
Utlenianie
nukleofilowa
w
p-toluenosulfonianie
Z p u n k t u w i d z e n i a s y n t e z y o r g a n i c z n e j u t l e n i a n i e a l k o h o l i jest n i e z m i e r n i e w a ż n ą reakcją. P i e r w s z o r z ę d o w e a l k o h o l e m o g ą b y ć u t l e n i o n e d o a l d e h y d ó w , a l e w reakcji tej k r y j e s i ę p e w n a p u ł a p k a : istnieje n i e b e z p i e czeństwo utlenienia zbyt daleko idącego — d o k w a s ó w karboksylowych. Jeśli p o ż ą d a n y m p r o d u k t e m j e s t l o t n y a l d e h y d , m o ż e o n b y ć o d d e s t y ł o * w y w a n y z m i e s z a n i n y r e a k c y j n e j w m i a r ę p o w s t a w a n i a . S p o s ó b ten z a w o d z i w p r z y p a d k u a l d e h y d ó w mniej lotnych. Problem m o ż n a poko n a ć , stosując ł a g o d n y ś r o d e k u t l e n i a j ą c y o n a z w i e c h l o r o c h r o m i a n p i r y d y n y — P C C * (rys. 12o). Jeśli u ż y j e się silniejszego c z y n n i k a u t l e n i a j ą c e g o w ś r o d o w i s k u w o d n y m ( n p . C1O3 w w o d n y m r o z t w o r z e k w a s u s i a r k o w e g o ( V I ) ) , p i e r w s z o r z ę d o w e a l k o h o l e u l e g n ą u t l e n i e n i u d o k w a s ó w kar* b o k s y l o w y c h (rys. 12b), n a t o m i a s t a l k o h o l e d r u g o r z ę d o w e u t l e n i ą się do ketonów. M o ż l i w o ś ć z a t r z y m a n i a p r o c e s u utleniania za p o m o c ą P C C n a etapie a l d e h y d u z a l e ż y o d s t o s o w a n e g o r o z p u s z c z a l n i k a . Reakcję p r o w a d z i sk; w chlorku metylenu, natomiast ś r o d o w i s k i e m utleniania p r z y użyciu OO3 jest w o d n y r o z t w ó r k w a s u . W ś r o d o w i s k u w o d n y m a l d e h y d u t w o r z o n y w w y n i k u u t l e n i e n i a a l k o h o l u u l e g a u w o d n i e n i u , p r z e z c o staje sk;
* Skrót od ang. Pyridinium Chlorochromate — przyp.
tłum.
znacznie bardzie] p o d a t n y na dalsze utlenianie niż w o l n y aldehyd (rys. 13). W c h l o r k u m e t y l e n u u w o d n i e n i e n i e z a c h o d z i i p o w s t a j ą c y a l d e h y d jest bardziej o d p o r n y n a d a l s z e utlenianie. Mechanizm utleniania drugorzed owych alkoholi przy użyciu CrCb (rys. 14) p o l e g a n a r e a k q ' i n u k l e o f i l o w e g o a t o m u t l e n u z o d c z y n n i k i e m utleniającym, prowadzącej d o n a ł a d o w a n e g o p r o d u k t u pośredniego z a w i e r a j ą c e g o c h r o m . P r o d u k t t e n u l e g a reakcji eliminacji, w k t ó r e j u t r a c o n y zostaje p r o t o n a w r a z z r e s z t ą c h r o m i a n o w ą i p o w s t a j e z w i ą z e k k a r b o n y l o w y . M o ż n a przyjąć, że ebminacja przebiega w e d ł u g m e c h a n i z m u E2, z t y m t y l k o z a s t r z e ż e n i e m , ż e t w o r z o n e i z r y w a n e są t u i n n e wiązania niż p o d c z a s t y p o w e j reakcji E2. P o n i e w a ż p r o c e s w y m a g a u s u nięcia p r o t o n u a z w i ą z a n e g o z a l k o h o l o w y m a t o m e m węgla, trzeciorzę d o w e a l k o h o l e — n i e z a w i e r a j ą c e t a k i e g o p r o t o n u — n i e ulegają u t l e n i a niu. M e c h a n i z m ten wyjaśnia także, dlaczego powstający p r o d u k t alde h y d o w y jest o d p o r n y n a d a l s z e u t l e n i a n i e , o ile r e a k q ' a p r o w a d z o n a jest w c h l o r k u m e t y l e n u (a w i ę c k i e d y w p r o d u k c i e t y m n i e o b e c n e są g r u p y O H z d o l n e d o d a l s z e j reakcji z e z w i ą z k i e m c h r o m u ) . W ś r o d o w i s k u w o d n y m a l d e h y d zostaje u w o d n i o n y , w w y n i k u c z e g o d w i e k o l e j n e g r u p y O H m o g ą wiązać się z CrOs; p r o w a d z i to d o dalszego utleniania cząsteczki.
(•)
(b)
0 Cr0 CI 3
0 h
OR—CH OH
o
PCC
CrO
CrO,
a
R —C
2
\
alkohol 1°
R—-CHjOH 2
aldehyd
Rys. 12. Utlenianie
\
H SO.
H alkohol 1°
R—C
R—CHOH
I
OH
H SQ 2
R alkohol 2°
kwas karboksylowy
alkoholi
HO
H0
OH
2
podatny na utlenianie H Rys. 13. Uwodnienie
OH
/ R —C / \ R H
Rys. 14. Mechanizm
Cr0
O O—Cr0
3
H S0 2
utleniania
aldehydu
4
e E2 3
R —C
/V R
drugorzędowego
H
alkoholu za pomocą
OO3
4
keton
REAKCJE FENOLI
Hasła • ,• Reakcje ; kwas-zasada
Przekształcenia gruj ~ funkcyjnych
Elektrofilowa
Utlenianie Przegrupowanie Claisena.
Tematy pokrewne
Fenole są mocniejszymi k w a s a m i niż alkohole i p o d w p ł y w e m w o d o r o t l e n k u s o d u ulegają p r z e k s z t a ł c e n i u w j o n y f e n o l a n o w e . Są one j e d n a k s ł a b s z y m i k w a s a m i n i ż k w a s y k a r b o k s y l o w e i nie reagują z wodorowęglanem sodu. Związane z pierścieniem podstawniki wyciągające e l e k t r o n y zwiększają k w a s o w o ś ć fenoli, n a t o m i a s t p o d s t a w n i k i oddające e l e k t r o n y — osłabiają c h a r a k t e r k w a s o w y . Z n a c z e n i e m a tu t a k ż e p o ł o ż e n i e d a n e g o p o d s t a w n i k a w s t o s u n k u d o g r u p y fenolowej. Fenole reagują z c h l o r k a m i o r a z b e z w o d n i k a m i k w a s o w y m i , dając estry. T r a k t o w a n i e fenoli w o d o r o t l e n k i e m s o d u , a n a s t ę p n i e halogenkiem alkilowym p r o w a d z i do utworzenia eterów arylowo-alkilowych. A l k o h o l e ulegają p e w n y m reakcjom, k t ó r e nie są m o ż l i w e w p r z y p a d k u fenoli. N a p r z y k ł a d n i e d a się o t r z y m a ć e s t r ó w fenylowych, działając n a fenole k w a s e m k a r b o k s y l o w y m w ś r o d o w i s k u k w a ś n y m . Fenole nie ulegają też r e a k q ' o m z w i ą z a n y m z rozszczepieniem arylowego wiązania C - O . G r u p a h y d r o k s y l o w a w fenolach jest p o d s t a w n i k i e m silnie a k t y w u j ą c y m pierścień i kierującym substytucję elektrofilowa w pozycje orto i para. S u l f o n o w a n i e i n i t r o w a n i e fenoli p r o w a d z i d o p o w s t a n i a p r o d u k t ó w orto i para. R e z u l t a t e m b r o m o w a n i a jest n a t o m i a s t w p r o w a d z e n i e trzech a t o m ó w b r o m u , zajmujących pozycję para i obie p o z y q e orto. A k t y w u j ą c y c h a r a k t e r g r u p y fenolowej m o ż n a osłabić, przekształcając ją w g r u p ę estrową; r e z u l t a t e m b r o m o w a n i a tak z m o d y f i k o w a n e g o z w i ą z k u jest w p r o w a d z e n i e tylko j e d n e g o p o d s t a w n i k a b r o m o w e g o , p r z y c z y m pozycja para jest w ó w c z a s u p r z y w i l e j o w a n a w p o r ó w n a n i u z pozycją orto. Fenole są p o d a t n e n a u t l e n i a n i e d o c h i n o n ó w . Fenole m o ż n a p r z e k s z t a ł c a ć w jony fenolanowe, a n a s t ę p n i e t r a k t o w a ć je b r o m k i e m allilu, co p r o w a d z i d o p o w s t a n i a e t e r ó w alHlowo-fenylowych. P o d c z a s o g r z e w a n i a w eterach takich z a c h o d z i reakcja p r z e g r u p o w a n i a , w w y n i k u której g r u p a allilowa zostaje p r z e n i e s i o n a o d g r u p y fenolowej d o w ę g l a znajdującego się w pierścieniu w pozycji orto. Reakcja ta jest użyteczną m e t o d ą o t r z y m y w a n i a fenoli orto-alkilowych, p o n i e w a ż w n a s t ę p n y m etapie m o ż n a u w o d o r n i ć p o d w ó j n e w i ą z a n i e w g r u p i e allilowej. M o c k w a s ó w (G2) M o c z a s a d (G3) Substytucja elektrofilowa j e d n o p o d s t a w i o n y c h pierścieni a r o m a t y c z n y c h (15)
Reakcje (K6) Reakcje h a l o g e n k ó w alkilowych (L6)
MS ~ Reakcje f e n o l i
Reakcje kwas-zasada
319
F e n o l e są m o c n i e j s z y m i k w a s a m i n i ż a l k o h o l e i r e a g u j ą z z a s a d a m i , t a k i m i j a k w o d o r o t l e n e k s o d u , d a j ą c j o n y f e n o l a n o w e ( t e m a t M 3 ) . Są o n e jednak słabszymi k w a s a m i niż k w a s y karboksylowe i nie reagują z wodorowęglanem sodu. F e n o l e mają c h a r a k t e r k w a s o w y , p o n i e w a ż w o l n a p a r a e l e k t r o n o w a a t o m u tlenu m o ż e uczestniczyć w procesie rezonansu obejmującym pier ś c i e ń a r o m a t y c z n y (rys. 1). M o ż l i w e są t r z y s t r u k t u r y r e z o n a n s o w e , w których atom tlenu uzyskuje ł a d u n e k dodatni, a pierścień — ł a d u n e k u j e m n y . W s t r u k t u r z e w y p a d k o w e j n a a t o m i e t l e n u z n a j d u j e się n i e w i e l ki ł a d u n e k d o d a t n i , co t ł u m a c z y k w a s o w o ś ć z w i ą z a n e g o z n i m p r o t o n u . T r z y s p o ś r ó d a r o m a t y c z n y c h a t o m ó w w ę g l a o b d a r z o n e są n i e w i e l k i m ładunkiem ujemnym. Typ p o d s t a w n i k ó w p r z y pierścieniu a r o m a t y c z n y m m a o g r o m n e zna c z e n i e d l a k w a s o w o ś c i fenoli. P o d s t a w n i k i m o g ą b o w i e m a l b o s t a b i l i z o wać, albo destabilizować cząstkowy ł a d u n e k ujemny pierścienia. Im bar d z i e j ł a d u n e k t e n jest s t a b i l i z o w a n y , t y m silniejszy j e s t w p ł y w r e z o n a n s u i t y m m o c n i e j s z y m k w a s e m staje s i ę f e n o l . G r u p y w y c i ą g a j ą c e e l e k t r o n y , jak n a p r z y k ł a d g r u p a n i t r o w a , zwiększają k w a s o w o ś ć fenolu, p o n i e w a ż stabilizują o n e ł a d u n e k u j e m n y z a p o ś r e d n i c t w e m e f e k t u i n d u k c y j n e g o . G r u p y n i t r o w e w p o ł o ż e n i u orto l u b para w s t o s u n k u d o g r u p y h y d r o k s y l o w e j w y w i e r a j ą j e s z c z e silniejszy w p ł y w . W y n i k a t o z f a k t u , ż e p o j a w i a się w ó w c z a s kolejna, c z w a r t a s t r u k t u r a r e z o n a n s o w a , co d o d a t k o w o z w i ę k s z a d e l o k a l i z a c j ę c z ą s t k o w e g o ł a d u n k u (rys. 2). P o d s t a w n i k i dostarczające elektrony (np. g r u p y alkilowe) wywierają o d w r o t n y w p ł y w i z m n i e j s z a j ą k w a s o w o ś ć fenoli.
Rys. 1. Struktury rezonansowe
fenolu
Rys. 2. Udział grupy nitrowej
w pozycji
para w zjawisku
rezonansu
w fenolu
Przekształcenia grup funkcyjnych
Rys. 3. Przekształcenia
Fenole m o ż n a przekształcać w estry w reakcji z c h l o r k a m i l u b b e z w o d n i k a m i k w a s o w y m i ( t e m a t K 6 ) , w e t e r y z a ś — w reakcji z h a l o g e n k a m i a l k i l o w y m i w ś r o d o w i s k u z a s a d o w y m ( t e m a t L6; rys. 3). R e a k c j e t e m o ż n a prowadzić w łagodniejszych w a r u n k a c h niż w p r z y p a d k u alko h o l i . W y n i k a t o z w i ę k s z e j k w a s o w o ś c i fenoli; z a jej s p r a w ą d o p r z e k s z t a ł c e n i a fenoli w j o n y f e n o l a n o w e w y s t a r c z y u ż y ć w o d o r o t l e n k u s o d u zamiast s o d u w postaci metalicznej.
grupy funkcyjnej
w fenolu
C h o ć p o w y ż s z y m r e a k c j o m ulegają z a r ó w n o a l k o h o l e , j a k i f e n o l e , ist nieją i n n e p r o c e s y , k t ó r e m o ż n a p r z e p r o w a d z i ć z u ż y c i e m a l k o h o l i , a l e n i e fenoli — i o d w r o t n i e : p r o c e s y , k t ó r y m ulegają j e d y n i e f e n o l e . N a p r z y k ł a d , i n a c z e j n i ż w p r z y p a d k u a l k o h o l i , fenoli n i e m o ż n a p r z e kształcić w estry w r e a k q i z k w a s e m k a r b o k s y l o w y m w obecności k w a s o w e g o k a t a l i z a t o r a . F e n o l e n i e ulegają r e a k c j o m z w i ą z a n y m z r o z s z c z e pieniem wiązania C - O . Wiązanie C - O z udziałem arylowego atomu w ę g l a jest silniejsze n i ż a n a l o g i c z n e w i ą z a n i e z u d z i a ł e m w ę g l a a l k i l o w e g o — jak w alkoholach. Substytucja elektrofilowa
Obecność g r u p y h y d r o k s y l o w e j sprzyja reakcjom substytuq'i elektrofilow e j , g r u p a ta b o w i e m d z i a ł a a k t y w u j ą c o i kieruje p o d s t a w i e n i e w p o z y cje orto i para ( t e m a t 15). F e n o l e ulegają z a r ó w n o reakcji s u l f o n o w a n i a , j a k i n i t r o w a n i a , w k t ó r y c h p o w s t a j ą p r o d u k t y p o d s t a w i e n i a orto i para. W niektórych p r z y p a d k a c h g r u p a fenolowa m o ż e okazać się p o d s t a w n i k i e m z b y t silnie a k t y w u j ą c y m i w ó w c z a s t r u d n o jest z a t r z y m a ć reakcję n a e t a p i e j e d n o k r o t n e g o p o d s t a w i e n i a . P r z y k ł a d e m takiej s y t u a c j i m o ż e być b r o m o w a n i e fenolu, p r o w a d z ą c e — n a w e t w nieobecności k w a s u L e w i s a — d o 2 , 4 , 6 - t r i b r o m o f e n o l u (rys. 4). Br
Rys. 4. Bromowanie
fenolu
Aktywujące działanie g r u p y h y d r o k s y l o w e j m o ż n a osłabić, p r z e k s z t a ł c a j ą c fenol w e s t e r , z k t ó r e g o — p o p r z e p r o w a d z e n i u s u b s t y t u c j i e l e k t r o f i l o w e j — m o ż n a o d z y s k a ć fenol p r z e z h y d r o l i z ę (rys. 5). P o n i e w a ż g r u p a e s t r o w a a k t y w u j e p i e r ś c i e ń słabiej n i ż g r u p a h y d r o k s y l o w a , p o d s t a w i e n i e m o ż e zajść t y l k o r a z . C o w i ę c e j , z e w z g l ę d u n a p o k a ź n e r o z m i a r y g r u p y e s t r o w e j , s u b s t y t u c j a w p o z y c j i para jest u p r z y w i l e j o w a n a w z g l ę d e m s u b s t y t u c j i w p o z y c j i orto.
15 - Reakcje fenoli
Rys. 5. Synteza
321
para-bromofenolu
Na Cr 07 2
2
lub (KS0 )aNO 3
Rys. 6. Utlenianie
fenolu
Utlenianie
F e n o l e p o d a t n e są n a u t l e n i a n i e d o c h i n o n ó w (rys. 6).
Przegrupowanie
Użyteczną metodą w p r o w a d z a n i a podstawnika alkilowego w pozyq'ę orto w z g l ę d e m g r u p y h y d r o k s y l o w e j jest p r z e g r u p o w a n i e C l a i s e n a (rys. 7). F e n o l zostaje p r z e k s z t a ł c o n y w j o n f e n o l a n o w y , a n a s t ę p n i e p o t r a k t o w a n y 3 - b r o m o p r o p e n e m ( b r o m k i e m allilu), c o p r o w a d z i d o otrzymania eteru. Podczas ogrzewania tego ostatniego grupa allilowa (-CH2-CH=CH2) zostaje o d e r w a n a o d g r u p y f e n o l o w e j i p r z e n i e s i o n a w p o z y c j ę orto p i e r ś c i e n i a a r o m a t y c z n e g o . M e c h a n i z m p r o c e s u — z w a nego reakcją pericykliczną — polega na jednoczesnym p o w s t a w a n i u i r o z r y w a n i u w i ą z a ń (rys. 8). Reakcja p r o w a d z i d o s t r u k t u r y k e t o n o w e j , k t ó r a n a t y c h m i a s t t a u t o m e r y z u j e , dając p r o d u k t k o ń c o w y . W p r o c e s i e t y m m o ż n a stosować rozmaite związki allilowe, a p o d w ó j n e wiązanie w p r o d u k c i e k o ń c o w y m daje się r e d u k o w a ć . C a ł y p r o c e s p o z w a l a z a t e m w p r o w a d z a ć d o cząsteczki łańcuchy a l k a n o w e bez naruszania struktury pierścienia aromatycznego.
Claisena
^ys. 7. Przegrupowanie
~/s. 8. Mechanizm
Claisena
przegrupowania
Claisena
CHEMIA TIOLI
Hasta Tiole m o ż n a o t r z y m y w a ć , traktując h a l o g e n k i alkilowe K O H i n a d m i a r e m s i a r k o w o d o r u . T w o r z y się w ó w c z a s a n i o n w o d o r o s i a r c z k o w y , k t ó r y w c h o d z i w reakcję z h a l o g e n k i e m a l k i l o w y m w e d ł u g m e c h a n i z m u S N 2 . N a d m i a r s i a r k o w o d o r u jest k o n i e c z n y , a b y o g r a n i c z y ć d a l s z y b i e g reakcji, k t ó r a m o ż e d o p r o w a d z i ć d o sulfidu. A l t e r n a t y w n ą m e t o d ą m o ż e b y ć t r a k t o w a n i e h a l o g e n k u alkilowego t i o m o c z n i k i e m , p r o w a d z ą c e d o soli S-alkiloizoriouroniowej, którą n a s t ę p n i e p o d d a j e się h y d r o l i z i e w w o d n y m roztworze zasady, Produktem hydrolizy jesttiol. Również redukcja d i s u l f i d ó w c y n k i e m w obecności k w a s u p r o w a d z i d o tioli.
Otrzymywanie
W i ą z a n i a w o d o r o w e w h o l a c h są b a r d z o słabe, co p o w o d u j e , ż e związki te mają t e m p e r a t u r y w r z e n i a n i ż s z e o d o d p o w i e d n i c h alkoholi, z b l i ż o n e d o t e m p e r a t u r w r z e n i a p o r ó w n y w a l n y c h sulfidów. Cząsteczki tioli (RSH) zawierają d u ż y , p o l a r y z o w a l n y a t o m siarki. W i ą z a n i e S - H jest słabsze niż w i ą z a n i e O - H w alkoholach, co z w i ę k s z a p o d a t n o ś ć tioli n a utlenianie. J o n y t i o l a n o w e są ś w i e t n y m i nukleofilami, a j e d n o c z e ś n i e s ł a b y m i z a s a d a m i . Tiole są m o c n i e j s z y m i k w a s a m i n i ż alkohole. Tiole m o ż n a utleniać b r o m e m lub j o d e m , otrzymując disulfidy. T r a k t o w a n i e tiolu z a s a d ą p r o w a d z i d o u t w o r z e n i a j o n u t i o l a n o w e g o .
|k*kcje Tematy pokrewne
Otrzymywanie
W i ą z a n i a m i ę d z y c z ą s t e c z k o w e (C3) Substytucja nukleofilowa (L2)
Reakcje h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h (L6)
Tiole m o ż n a o t r z y m y w a ć , t r a k t u j ą c h a l o g e n k i a l k i l o w e K O H i n a d m i a r e m s i a r k o w o d o r u (rys. la). Z a c h o d z i w ó w c z a s r e a k c j a S N 2 , w której udział bierze p o w s t a ł y a n i o n w o d o r o s i a r c z k o w y ( H S ~ ) . Reakcję k o m p l i kuje t o , ż e jej p r o d u k t m o ż e u l e c dysocjacji i p r z e r e a g o w a ć z d r u g ą c z ą s t e c z k ą h a l o g e n k u a l k i l o w e g o , c o p r o w a d z i ł o b y d o s u l f i d u (RSR) j a k o p r o d u k t u u b o c z n e g o . W c e l u u n i k n i ę c i a t e g o p r o b l e m u s t o s u j e się z w y kle nadmiar siarkowodoru. A b y zapobiec p o w s t a w a n i u sulfidu, m o ż n a też z a s t o s o w a ć alterna t y w n ą p r o c e d u r ę , polegającą na d z i a ł a n i u n a h a l o g e n e k alkilowy tiomo c z n i k i e m (rys. Ib). T i o m o c z n i k d z i a ł a j a k o n u k l e o f i l w reakcji p r z e b i e gającej w e d ł u g m e c h a n i z m u S N 2 . P o w s t a j e w ó w c z a s sól S - a l k i l o i z o t i o u r o n i o w a , którą p o d d a j e się n a s t ę p n i e hydrolizie p r o w a d z ą c e j d o tiolu. H y d r o l i z ę p r o w a d z i się w w o d n y m r o z t w o r z e z a s a d y .
(a)
KOH/H S *~ 2
R—X
R—SH
tiol
0
X
(b)
NH © R—X
+
S—C / R
/
'
2
NaOH R — SH
S= C \ NH,
H 0 2
+
0 = C
tiol
sól S-alkiloizotiouroniowa (c) R—SH
R—S —S—R
disulfid Rys. 1. Synteza
tioli
Tiole m o ż n a t e ż o t r z y m y w a ć , r e d u k u j ą c d i s u l f i d y c y n k i e m w o b e c n o ści k w a s u (rys. lc). Właściwości
W tiolach powstają n i e z w y k l e słabe w i ą z a n i a w o d o r o w e — znacznie słabsze niż w alkoholach — co sprawia, że p o d w z g l ę d e m temperatur w r z e n i a związki te przypominają p o r ó w n y w a l n e sulfidy; t e m p e r a t u r y te są n i ż s z e n i ż w p r z y p a d k u a l k o h o l i o p o d o b n y c h m a s a c h c z ą s t e c z k o w y c h . N a p r z y k ł a d e t a n o t i o l w r z e w t e m p e r a t u r z e 37°C, p o d c z a s g d y t e m p e r a t u r a w r z e n i a e t a n o l u w y n o s i 78°C. Z n a n ą cechą n i s k o c z ą s t e c z k o w y c h tioli jest i c h o d r a ż a j ą c y z a p a c h .
Reaktywność
T i o l e są s i a r k o w y m i o d p o w i e d n i k a m i a l k o h o l i (RSH). A t o m s i a r k i jest w i ę k s z y i łatwiej ulega polaryzacji n i ż a t o m tlenu, co s p r a w i a , ż e związki s i a r k o w e mają g e n e r a l n i e silniejszy c h a r a k t e r n u k l e o f i l o w y n i ż o d p o w i e d n i e z w i ą z k i t l e n o w e . J o n y t i o l a n o w e ( n p . CH3CH2S") są s i l n i e j s z y m i n u k l e o f i l a m i i s ł a b s z y m i z a s a d a m i n i ż j o n y a l k o k s y l o w e (CH3CH2O"). I o d w r o t n i e : t i o l e są m o c n i e j s z y m i k w a s a m i n i ż o d p o w i a d a j ą c e i m alkohole. Różnica wielkości m i ę d z y a t o m e m siarki i tlenu oznacza też, ż e orbi t a l e b i o r ą c e u d z i a ł w w i ą z a n i a c h są w p r z y p a d k u s i a r k i b a r d z i e j r o z m y t e niż orbitale w atomie tlenu. W rezultacie, o d d z i a ł y w a n i a wiążące m i ę d z y s i a r k ą a w o d o r e m są s ł a b s z e n i ż m i ę d z y t l e n e m a w o d o r e m , a z a t e m w i ą z a n i e S - H jest s ł a b s z e n i ż w i ą z a n i e O - H ( o d p o w i e d n i o , 335 k j • m o l " i 4 1 9 k j - m o l " ) . W i ą z a n i e S - H w t i o l a c h jest, w k o n s e k w e n c j i , b a r d z i e j p o d a t n e n a utlenianie niż wiązanie O - H w alkoholach. 1
1
Br lub ! *~ 3
R — SH
2
tiol Rys. 2. Utlenianie
R— S
S—R
disulfid tioii
Reakcje
P o d w p ł y w e m ł a g o d n y c h ś r o d k ó w utleniających, takich jak b r o m czy j o d , t i o l e ł a t w o się u t l e n i a j ą d o d i s u l f i d ó w (rys. 2). T i o l e r e a g u j ą z z a s a d a m i , dając j o n y t i o l a n o w e , k t ó r e w y k a z u j ą s i l n e w ł a ś c i w o ś c i n u k l e o f i l o w e ( t e m a t L6; rys. 3).
zasada
©
R—SH
R—S
tiol
jon tiolanowy
Rys. 3. Powstawanie
jonów
tiolanowych
R'X *~
R—S
N
OTRZYMYWANIE ETERÓW, EPOKSYDÓW I SULFIDÓW
Hasła Etery powstają w reakcji SN2 zachodzącej m i ę d z y h a l o g e n k a m i a l k i l o w y m i a j o n a m i alkoksyl o w y m i . M e t o d a ta działa najlepiej w p r z y p a d k u 1° h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h . Etery powstają też w reakcji alkoholi z h a l o g e n k a m i a l k i l o w y m i w obecności t l e n k u srebra. D o p o w s t a n i a e t e r ó w p r o w a d z i r ó w n i e ż reakq'a elektrofilowej addycji alkoholi d o a l k e n ó w w obecności trifluorooctanu rtęci. E p o k s y d y m o ż n a o t r z y m a ć z a l k e n ó w i k w a s u meta-chloroperoksyb e n z o e s o w e g o . Inną m e t o d ą jest p r z e k s z t a ł c e n i e a l k e n u w h a l o g e n o h y d r y n ę i p o t r a k t o w a n i e jej zasadą; z a c h o d z i w ó w c z a s w e w n ą t r z c z ą s t e c z k o w a reakcja S N 2 , w której u s u n i ę t y zostaje a t o m fluorowca. R ó w n i e ż a l d e h y d y i k e t o n y m o ż n a p r z e k s z t a ł c a ć w e p o k s y d y , traktując je y l i d a m i s i a r k o w y m i . Sulfidy otrzymuje się w reakq'i S N 2 m i ę d z y h a l o g e n k i e m a l k i l o w y m a j o n e m t i o l a n o w y m . S y m e t r y c z n e sulfidy m o ż n a o t r z y m a ć , traktując h a l o g e n k i alkilowe K O H i s i a r k o w o d o r e m , k t ó r y w tej reakcji nie powinien występować w nadmiarze. Tematy pokrewne
Etery
Addycja elektrofilowa d o a l k e n ó w p o d s t a w i o n y c h s y m e t r y c z n i e (H3) Redukcja i utlenianie a l k e n ó w (H6) Substytucja nukleofilowa (L2)
Reakcje h a l o g e n k ó w a l k i l o w y c h (L6) Reakcje alkoholi (M4) C h e m i a tioli (M6) Reakcje eterów, e p o k s y d ó w i sulfidów (N3)
N a j l e p s z ą m e t o d ą o t r z y m y w a n i a e t e r ó w jest r e a k c j a W i l l i a m s o n a (rys. la). P r o c e s t e n p o l e g a n a reakcji S N 2 m i ę d z y a l k o h o l a n e m m e t a l u a p i e r w s z o r z ę d o w y m halogenkiem — lub /7-toluenosulfonianem — alki l o w y m ( t e m a t L2). A l k o h o l a n p o t r z e b n y d o reakcji o t r z y m u j e się p r z e z t r a k t o w a n i e a l k o h o l u silną z a s a d ą , t a k ą j a k w o d o r e k s o d u ( t e m a t M 4 ) . Alternatywna procedura polega na bezpośrednim traktowaniu alkoholu (a)
»~ R0H/THF 2
C —C
C— C /
H \
3
H
alkoholu
E p o k s y d y m o ż n a otrzymać, traktując a l d e h y d y i ketony ylidami siarko w y m i (temat N3). M o ż l i w a jest także ich s y n t e z a z a l k e n ó w , w reakcji z k w a s e m m-chloroperoksybenzoesowym (temat H6). Alternatywną m e t o d ą o t r z y m y w a n i a e p o k s y d ó w z a l k e n ó w jest d w u e t a p o w y p r o c e s p o k a z a n y n a rysunku 4. P i e r w s z y e t a p p o l e g a n a e l e k t r o f i l o w e j a d d y c j i fluorowca w środowisku w o d n y m i prowadzi d o otrzymania halogenoh y d r y n y ( t e m a t H 3 ) . Z kolei p o t r a k t o w a n i e h a l o g e n o h y d r y n y z a s a d ą p o w o d u j e dysocjację g r u p y a l k o h o l o w e j , k t ó r a m o ż e n a s t ę p n i e d z i a ł a ć j a k o n u k l e o f i l (rys. 5). A t o m t l e n u w h a l o g e n o h y d r y n i e w y k o r z y s t u j e wolną p a r ę elektronową d o utworzenia wiązania z sąsiednim, elektro filowym a t o m e m węgla, usuwając p r z y t y m z cząsteczki a t o m fluorow ca; z a c h o d z i t u w i ę c w e w n ą t r z c z ą s t e c z k o w a r e a k c j a s u b s t y t u c j i w e d ł u g mechanizmu SN2.
R
R \ C=
/
R
/ C
\
R
X /H 0 2
R / X — C — C — OH \
2
»R
Rys. 4. Synteza epoksydu
R poprzez
/
\
R
halogenohydrynę
NaOH
O / \ R— C— C — R R
/
\
R
Rys. 5. Mechanizm
Sulfidy
powstawania
epoksydu
z
halogenohydryny
S u l f i d y o t r z y m u j e s i ę w reakcji S N 2 m i ę d z y p i e r w s z o - l u b d r u g o r z ę d o w y m i h a l o g e n k a m i a l k i l o w y m i z a n i o n e m t i o l a n o w y m (RS") ( t e m a t L ó , rys. 6). P r o c e s t e n p r z y p o m i n a o t r z y m y w a n i e e t e r ó w w reakcji W i l liamsona. S y m e t r y c z n e sulfidy m o ż n a o t r z y m y w a ć , traktując halogenki alkilowe K O H i j e d n y m r ó w n o w a ż n i k i e m s i a r k o w o d o r u . W reakcji p o w s t a j e t i o l , k t ó r y p o d w p ł y w e m K O H u l e g a dysocjacji i r e a g u j e z kolejną c z ą s t e c z k ą halogenku alkilowego (temat M 6 ) .
R — SR" disulfid Rys. 6. Synteza disulfidu
z halogenku
alkilowego
N2
WŁAŚCIWOŚCI ETERÓW, EPOKSYDÓW I SULFIDÓW
Hasła :
¥
3
"'" "'"1&0ty« ""•''i • •• *" '
^ eterach występuje a t o m t l e n u o h y b r y d y z a c j i sp p o ł ą c z o n y pn on ji e d yv n c z yv m i w i ą z a n i a m i a z d w on m a a t o m a m i w ęe ge l a . Tpśli Jeśli z a t o m e m tlenu p o ł ą c z o n e są d w i e g r u p y alkilowe, m ó w i m y o e t e r z e a l k i l o w y m . Etery a r y l o w e z kolei to takie związki, w których tlen łączy się z j e d n y m l u b d w o m a p i e r ś c i e n i a m i a r o m a t y c z n y m i . P o n i e w a ż etery nie m o g ą t w o r z y ć w i ą z a ń w o d o r o w y c h , mają o n e n i ż s z e t e m p e r a t u r y w r z e n i a n i ż p o r ó w n y w a l n e alkohole; p o d w z g l ę d e m t e m p e r a t u r w r z e n i a etery p r z y p o m i n a j ą a l k a n y o p o d o b n e j m a s i e cząsteczkowej. M o ż l i w e jest j e d n a k p o w s t a w a n i e w i ą z a ń w o d o r o w y c h m i ę d z y cząsteczkami e t e r u a c z ą s t e c z k a m i p r o t y c z n e g o r o z p u s z c z a l n i k a , co p o w o d u j e , że p o d w z g l ę d e m r o z p u s z c z a l n o ś c i w w o d z i e e t e r y p o d o b n e są d o alkoholi o zbliżonej m a s i e cząsteczkowej. Etery są s t o s u n k o w o m a ł o r e a k t y w n e , p o n i e w a ż występujące w n i c h centra n u k l e o f i l o w e i elektrofilowe są słabe. E p o k s y d y są t r ó j c z ł o n o w y m i e t e r a m i c y k l i c z n y m i . Charakteryzują się w y ż s z ą r e a k t y w n o ś c i ą n i ż i n n e — cykliczne i acykliczne — etery, c o s p o w o d o w a n e jest n a p r ę ż e n i a m i w y s t ę p u j ą c y m i w trójczłonowych pierścieniach. E p o k s y d y — z a p o ś r e d n i c t w e m swoich elektrofilowych a t o m ó w w ę g l a — reagują z nukleofilami w e d ł u g m e c h a n i z m u S N 2 .
~1 y 1-^-1
Sulfidy są s i a r k o w y m i o d p o w i e d n i k a m i e t e r ó w . P o l a r y z o w a l n y a t o m siarki m o ż e stabilizować ł a d u n e k u j e m n y n a s ą s i e d n i m a t o m i e w ę g l a ; w p ł y w a to n a z w i ę k s z e n i e k w a s o w o ś c i p r o t o n ó w z w i ą z a n y c h z t y m atomem. 3
Tematy pokrewne
H y b r y d y z a c j a sp (A3) H y b r y d y z a c j a sp (A4) Wiązania m i ę d z y c z ą s t e c z k o w e (C3) 2
Etery
Właściwości i reakcje (C4) Związki o r g a n i c z n e (E4) Reakcje e t e r ó w , e p o k s y d ó w i sulfidów (N3)
C h a r a k t e r y s t y c z n a d l a cząsteczek e t e r ó w jest obecność a t o m u tlenu p o ł ą c z o n e g o w i ą z a n i a m i o z d w o m a a t o m a m i w ę g l a . W e t e r a c h alifatycz nych (ROR) w e wszystkich tych trzech atomach występuje hybrydyzacja sp , a k ą t y m i ę d z y w i ą z a n i a m i są r ó w n e 112°. W e t e r a c h a r o m a t y c z n y c h a t o m t l e n u p o ł ą c z o n y jest z j e d n y m l u b d w o m a p i e r ś c i e n i a m i a r o m a t y c z nymi (ArOR lub ArOAr); w tych p r z y p a d k a c h w atomie (atomach) węgla z w i ą z a n y m z t l e n e m w y s t ę p u j e h y b r y d y z a c j a sp . 3
2
W i ą z a n i a C - O są s p o l a r y z o w a n e w t a k i s p o s ó b , ż e n a a t o m i e t l e n u z n a j d u j e się c z ą s t k o w y ł a d u n e k u j e m n y , a n a a t o m i e w ę g l a — c z ą s t k o w y
ł a d u n e k dodatni. Ze w z g l ę d u n a polaryzację wiązań C - O etery w y k a zują n i e w i e l k i m o m e n t d i p o l o w y . E t e r y n i e z a w i e r a j ą j e d n a k g r u p X - H (X = h e t e r o a t o m ) i i c h c z ą s t e c z k i n i e m o g ą o d d z i a ł y w a ć m i ę d z y sobą z a p o ś r e d n i c t w e m w i ą z a ń w o d o r o w y c h . D l a t e g o t e ż ich t e m p e r a t u r y w r z e n i a są n i ż s z e n i ż p o r ó w n y w a l n y c h a l k o h o l i i z b l i ż o n e d o t e m p e r a t u r w r z e n i a a l k a n ó w o p o d o b n e j m a s i e c z ą s t e c z k o w e j . M o ż l i w e jest j e d n a k p o w s t a w a n i e w i ą z a ń w o d o r o w y c h m i ę d z y cząsteczkami eteru a cząste czkami protycznego rozpuszczalnika, w w y n i k u czego rozpuszczal ność eterów p r z y p o m i n a rozpuszczalność alkoholi o zbliżonej masie cząsteczkowej. A t o m tlenu stanowi w cząsteczce eteru centrum nukleofilowe, a s ą s i e d n i e a t o m y w ę g l a są c e n t r a m i e l e k t r o f i l o w y m i ; j e d n a k ż e j e d e n i d r u g i t y p w ł a ś c i w o ś c i z a z n a c z o n y jest w t y c h z w i ą z k a c h r a c z e j s ł a b o {rys. 1). D l a t e g o e t e r y są s t o s u n k o w o m a ł o r e a k t y w n e . słabe centra elektrofilowe ó-
I R
1
I^R
\
* ' i
I
R
R
R
R
sfabe centrum nukleofilowe Rys. 1. Właściwości
Epoksydy
eterów
E p o k s y d y ( z w a n e też oksiranami) to etery cykliczne o trójczłonowym pierścieniu. Różnią się o n e o d i n n y c h e t e r ó w — cyklicznych i acyklicz n y c h — tym, że wykazują d u ż ą r e a k t y w n o ś ć w s t o s u n k u d o wielu róż n y c h z w i ą z k ó w . P r z y c z y n ą tej r e a k t y w n o ś c i są n a p r ę ż e n i a w t r ó j c z ł o n o w y m p i e r ś c i e n i u . Reakcje z n u k l e o f i l a m i m o g ą p r o w a d z i ć d o o t w a r c i a pierścienia i zlikwidowania n a p r ę ż e ń . O b i e k t e m ataku czynników nukle o f i l o w y c h , p r z e b i e g a j ą c e g o w e d ł u g m e c h a n i z m u S N 2 , staje s i ę j e d e n z d w ó c h elektrofilowych a t o m ó w w ę g l a obecnych w cząsteczce epo k s y d u (rys. 2). O6+ • ..uC
/
centrum nukleofilowe
A
6+ R
R
..nC R
CI-.R \
;
R
centra elektrofilowe Rys. 2. Właściwości
Sulfidy
epoksydów
S u l f i d y ( R S R ) są s i a r k o w y m i o d p o w i e d n i k a m i e t e r ó w ( R O R ) . P o n i e w a ż a t o m y s i a r k i są p o l a r y z o w a l n e , m o g ą o n e s t a b i l i z o w a ć ł a d u n e k u j e m n y n a sąsiednich atomach węgla. Z tego p o w o d u a t o m y w o d o r u związane z a t o m a m i w ę g l a s ą s i a d u j ą c y m i z s i a r k ą są b a r d z i e j k w a s o w e n i ż o d p o w i e d n i e atomy w o d o r u w eterach.
REAKCJE ETERÓW, EPOKSYDÓW I SULFIDÓW
Hasła Etery sa z w i ą z k a m i n i e r e a k t y w n y m i , ale m o ż n a je rozszczepiać z a p o m o c ą m o c n y c h k w a s ó w , takich jak H I l u b HBr. Etery 1° i 2° reagują w t y m procesie z g o d n i e z m e c h a n i z m e m SN2, dając h a l o g e n e k alkilowy o m o ż l i w i e najmniejszym s t o p n i u p o d s t a w i e n i a i alkohol. Jeśli w w y n i k u reakcji powstaje alkohol 1 ° , m o ż l i w e jest jego dalsze przekształcenie w h a l o g e n e k alkilowy. Etery 3 ° ulegają rozszczepieniu w łagodniejszych w a r u n k a c h i z g o d n i e z m e c h a n i z m e m S N I - M o ż l i w a jest j e d n a k ż e w takich p r z y p a d k a c h reakcja eliminacji (El), k o n k u r e n c y j n a w z g l ę d e m p r o c e s u S N I . P r o w a d z i o n a d o p o w s t a n i a alkoholu i a l k e n u . Z a m i a s t H X m o ż e t u być s t o s o w a n y k w a s trifluorooctowy. Większość e t e r ó w reaguje p o w o l i z tlenem z p o w i e t r z a , dając n a d t l e n k i i w o d o r o n a d t l e n k i , często o właściwościach w y b u c h o w y c h . E p o k s y d y są bardziej r e a k t y w n e w s t o s u n k u d o c z y n n i k ó w nukleofilowych n i ż etery, reakcja SN2 likwiduje b o w i e m n a p r ę ż e n i a w pierścieniu e p o k s y d o w y m p r z e z jego otwarcie. H y d r o l i z a w w a r u n k a c h k w a s o w y c h l u b z a s a d o w y c h przekształca e p o k s y d y w cykliczne 1,2-diole o k o n f i g u r a q i trans. P o d w p ł y w e m f l u o r o w c o w o d o r ó w z e p o k s y d ó w t w o r z ą się 1,2-halogenohydryny, traktowanie zaś odczynnikami Grignarda prowadzi d o powstania nowych wiązań C - C z jednoczesnym utworzeniem alkoholu. W p r z y p a d k u n i e s y m e t r y c z n y c h e p o k s y d ó w nukleofile — w w a r u n k a c h z a s a d o w y c h — atakują najmniej p o d s t a w i o n y a t o m w ę g l a . W w a r u n k a c h k w a s o w y c h n a t o m i a s t f a w o r y z o w a n y jest a t a k c z y n n i k ó w n u k e l o f i l o w y c h n a najbardziej p o d s t a w i o n y a t o m w ę g l a .
Sulfidy wykazują właściwości nukleofilowe. A t o m siarki m o ż e s t a n o w i ć c e n t r u m n u k l e o f i l o w e i uczestniczyć w reakcji S N 2 z h a l o g e n k a m i a l k i l o w y m i , p r o w a d z ą c e j d o soli trialkilosulfoniowych (R2SR' ). T e z kolei — t r a k t o w a n e z a s a d a m i — dają y l i d y s i a r k o w e (R2S -CR2~), w których a t o m siarki stabilizuje sąsiadujący z n i m ł a d u n e k ujemny. Ylidy s i a r k o w e m o g ą s ł u ż y ć d o o t r z y m y w a n i a e p o k s y d ó w z a l d e h y d ó w l u b k e t o n ó w . Sulfidy dają się utleniać d o sulfotlenków i sulfonów, a ich redukcja p r o w a d z i d o a l k a n ó w . +
+
Tematy
pokrewne
Substytucja nukleofilowa (L2) Reakcja eliminacji (L4)
Reakcje alkoholi (M4) Właściwości e t e r ó w , e p o k s y d ó w i sulfidów (N2)
Etery
G e n e r a l n i e r z e c z b i o r ą c , e t e r y są z w i ą z k a m i n i e r e a k t y w n y m i , a ich j e d y n a reakcja znajdująca p r a k t y c z n e z a s t o s o w a n i e to rozszczepienie p o d w p ł y w e m m o c n y c h k w a s ó w — takich jak H I lub HBr — p r o w a d z ą c e d o p o w s t a n i a h a l o g e n k u a l k i l o w e g o i a l k o h o l u (rys. 1). Na p o c z ą t k u reakcji eter ulega p r o t o n o w a n i u przez k w a s , następnie zaś zachodzi substytucja n u k l e o f i l o w a , w k t ó r e j funkcję c z y n n i k a n u k l e o f i l o w e g o p e ł n i j o n h a l o g e n k o w y . P i e r w s z o - i d r u g o r z ę d o w e etery reagują z g o d n i e z m e c h a n i z m e m S[si2 ( t e m a t L2). J o n h a l o g e n k o w y a t a k u j e n a j m n i e j p o d s t a w i o n y a t o m w ę g l a , a p r o d u k t y reakcji t o h a l o g e n e k a l k i l o w y i a l k o h o l (rys. 2 ) . Początkowe protonowanie eteru m a kluczowe znaczenie, p o n i e w a ż prze k s z t a ł c a o n o s ł a b ą g r u p ę o p u s z c z a j ą c ą (jon a l k o k s y l o w y ) w d o b r ą (alkohol). HI / H 0 2
^ CH CH 3
Rys.
CH(CH )2
2
1. Rozszczepienie
CH CH I 3
+
2
HO—CH(CH ) 3
2
ogrzewanie
3
eteru i powstanie
halogenku
alkilowego
oraz
alkoholu
H
*CHjCYh'
CH{CH )
»" CH CH