VETERINÁRNÍ A FARMACEUTICKÁ UNIVERZITA
BRNO
FARMACEUTICKÁ FAKULTA
Ústav chemických léčiv
Organická chemie – pracovní sešit
Pavel Bobáľ, Hana Pížová
BRNO 2014
Tato výuková opora vznikla v rámci řešení projektu:
„Zvyšování pedagogických, manažerských a odborných dovedností pracovníků VFU“
s registračním číslem CZ.1.07/2.2.00/28.0110.
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem
a státním rozpočtem České republiky.
1
Název: Organická chemie – pracovní sešit
Autoři: Ing. Pavel Bobáľ, CSc.
Mgr. Hana Pížová, Ph.D.
Recenzenti: doc. PharmDr. Oldřich Farsa, Ph.D.
doc. Ing. Vladimír Šindelář, Ph.D.
Vydavatel: Veterinární a farmaceutická univerzita Brno
2
Obsah
Předmluva......................................................................................................................... 4 
1.  Úvod do organické chemie............................................................................................... 5 
1.1  Úlohy...................................................................................................................... 10 
2.  Alkany a cykloalkany..................................................................................................... 14 
2.1  Reaktivita alkanů ................................................................................................... 14 
2.2  Úlohy...................................................................................................................... 16 
3.  Alkeny a dieny ................................................................................................................ 18 
3.1  Reaktivita alkenů ................................................................................................... 18 
3.2  Úlohy...................................................................................................................... 19 
4.  Alkyny ............................................................................................................................. 24 
4.1  Reaktivita alkynů ................................................................................................... 24 
4.2  Úlohy...................................................................................................................... 25 
5.  Základy stereochemie .................................................................................................... 27 
5.1  Konformace............................................................................................................ 28 
5.2  Konfigurace............................................................................................................ 30 
5.3  Úlohy...................................................................................................................... 33 
6.  Halogenalkany................................................................................................................ 36 
6.1  Nukleofilní substituce............................................................................................ 36 
6.2  Eliminace ............................................................................................................... 38 
6.3  Úlohy...................................................................................................................... 40 
7.  Chemie aromatických sloučenin ................................................................................... 45 
7.1  Reaktivita aromátů................................................................................................. 45 
7.2  Úlohy...................................................................................................................... 47 
8.  Hydroxyderiváty............................................................................................................. 51 
8.1  Reaktivita alkoholů................................................................................................ 51 
8.2  Reaktivita fenolů.................................................................................................... 53 
8.3  Úlohy...................................................................................................................... 54 
9.  Ethery.............................................................................................................................. 59 
9.1  Reaktivita etherů.................................................................................................... 59 
9.2  Úlohy...................................................................................................................... 60 
10.  Organické sloučeniny síry ............................................................................................. 63 
10.1  Příprava thiolů, sulfidů a disulfidů......................................................................... 63 
3
10.2  Úlohy...................................................................................................................... 64 
11.  Karbonylové sloučeniny................................................................................................. 68 
11.1  Reaktivita aldehydů a ketonů................................................................................. 68 
11.2  Úlohy...................................................................................................................... 70 
12.  Karboxylové kyseliny a deriváty, nitrily ...................................................................... 74 
12.1  Reaktivita karboxylových kyselin.......................................................................... 74 
12.2  Reaktivita nitrilů .................................................................................................... 75 
12.3  Reaktivita funkčních derivátů karboxylových kyselin .......................................... 75 
12.4  Úlohy...................................................................................................................... 76 
13.  Deriváty kyseliny uhličité .............................................................................................. 82 
13.1  Úlohy...................................................................................................................... 85 
14.  Sloučeniny dusíku........................................................................................................... 87 
14.1  Aminy .................................................................................................................... 88 
14.2  Amoniové soli........................................................................................................ 88 
14.3  Nitrosloučeniny...................................................................................................... 88 
14.4  Nitrososloučeniny .................................................................................................. 90 
14.5  Azidy...................................................................................................................... 91 
14.6  Hydrazosloučeniny, azosloučeniny a azoxysloučeniny ......................................... 91 
14.7  Hydraziny a hydroxylaminy .................................................................................. 92 
14.8  Hydrazony a oximy................................................................................................ 92 
14.9  Nitrily a isonitrily................................................................................................... 93 
14.10  Amidy, acylazidy, hydrazidy a hydroxamové kyseliny ......................................... 93 
14.11  Diazoniové soli ...................................................................................................... 93 
14.12  Diazosloučeniny..................................................................................................... 94 
14.13  Úlohy...................................................................................................................... 95 
15.  Organokovové sloučeniny.............................................................................................. 99 
15.1  Organokovové sloučeniny přechodných kovů..................................................... 101 
15.2  Úlohy.................................................................................................................... 108 
16.  Základy fotochemie a pericyklické reakce..................................................................111 
16.1  Základy fotochemie ............................................................................................. 111 
16.2  Pericyklické reakce.............................................................................................. 114 
16.3  Úlohy.................................................................................................................... 115 
17.  Literatura...................................................................................................................... 120 
4
Předmluva
Základem organické chemie je uhlík, který je v organických sloučeninách čtyřvazný a
všechny vazby směřují do vrcholů tetraedru. Tyto uhlíkové atomy se mohou vzájemně vázat
jednoduchými nebo násobnými vazbami a mohou tvořit acyklické nebo cyklické řetězce.
Nejdůležitějšími zdroji organických látek jsou fosilní zdroje (ropa, uhlí, zemní plyn) a
obnovitelné zdroje (dřevo, tuky a oleje, sacharidy, atd.).
Organická chemie je v podstatě chemií uhlovodíků a jejich derivátů. Lze však do ní zařadit i
sloučeniny obsahující i jiné prvky (např. síra, fosfor, dusík, kyslík, křemík, atd.).
Tento pracovní sešit je určen zejména pro studenty farmaceutické fakulty. Nenahrazuje ani
není učebnicí organické chemie, ale slouží jen k doplnění a procvičování probíraného učiva a
z toho důvodu jsou některé kapitoly obsáhlejší než ostatní. Jako základní literatura by pro
studenty měla sloužit kniha Organická chemie od J. McMurryho, ze které autoři při
zpracování těchto skript vycházeli především.
Tato skripta obsahují stručné nastínění reaktivity uhlovodíků a jejich derivátů a na závěr
každé kapitoly si student může procvičit své znalosti na řadě úloh. Pracovní sešit však
neobsahuje názvosloví organické chemie ani chemii heterocyklických sloučenin, ty budou
předmětem samostatných skript. Taktéž nejsou obsahem skript teorie kovalentních vazeb a
teorie molekulových orbitalů, protože s touto problematikou by měli být studenti již
obeznámeni v rámci anorganické chemie a základů organické chemie, a jsou podrobně
rozepsány v základní předepsané učebnici.
Vzhledem k nedostatku literatury z organické chemie věříme, že tento pracovní sešit bude
cenným přínosem pro studium této nelehké a poměrně komplikované vědní disciplíny, a že
tak více studentů objeví krásy a tajemství organické chemie.
Závěrem bychom chtěli poděkovat recenzentům: doc. PharmDr. Oldřichu Farsovi, Ph.D. a
doc. Ing. Vladimíru Šindelářovi, Ph.D. za starostlivé přečtení rukopisu, praktické rady, cenné
připomínky a náměty, které ještě dopomohly zvýšit kvalitu těchto skript.
Brno 2014 Autoři
5
1. Úvod do organické chemie
V organických sloučeninách se vyskytují tři typy vazeb. Jsou to vazby jednoduché (σ vazby),
dvojné a trojné (π vazby). Pokud je uhlíkový atom vázán čtyřmi jednoduchými vazbami
(hybridizace sp3
), směřují tyto vazby do vrcholů tetraedru a svírají úhel 109.5°. Pokud je
vázán dvojnou vazbou (hybridizace sp2
), tak vazby leží v rovině a svírají úhel 120°. V rovině
leží i vazby uhlíku s trojnou vazbou (hybridizace sp) a tyto vazby svírají úhel 180°.
Elektronegativita je číslo, které vyjadřuje afinitu určitého atomu k elektronům (schopnost
vázat elektrony). Prvky, které mají vyšší elektronegativitu, přitahují elektrony silněji než
prvky s nižší elektronegativitou.
Paulingovy elektronegativity vybraných základních prvků
H
2,2
Li
1,0
Be
1,6
B
2,0
C
2,6
N
3,0
O
3,4
F
4,0
Na
0,9
Mg
1,3
Al
1,6
Si
1,9
P
2,2
S
2,6
Cl
3,2
K
0,8
Ca
1,0
Se
2,5
Br
3,0
Te
2,1
I
2,7
Elektronegativity některých dalších prvků: Zn 1,7; Sn 2,0; Fe 1,8; Ni 1,9; Co 1,9; Cu 1,9; Hg
2,0; Pd 2,2; Pt 2,3.
Podle rozdílu elektronegativit se vazby dělí na:
kovalentní (nepolární) – rozdíl elektronegativit do 0,4
kovalentní (polární) – rozdíl elektronegativit do 1,7
iontová – rozdíl elektronegativit nad 1,7
nepolární vazba polární vazba iontová vazba
Podle elektronegativit lze odhadnout reaktivitu sloučenin. Pokud látka obsahuje jen nepolární
vazby, elektronová hustota je rovnoměrně rozložena, bývá nereaktivní. Naopak látky
s nerovnoměrně rozloženou hustotou bývají reaktivní. Atom, který má vyšší elektronovou
6
hustotu nese parciální záporný náboj a atom, který je elekropozitivnější nese parciální kladný
náboj. Tomuto jevu se říká, že je vazba polarizovaná. Míra polarity vazby se vyjadřuje
dipólovým momentem.
Jev, kdy skupina nebo atom tímto způsobem odtahuje nebo dodává elektrony, se označuje
jako indukční (induktivní) efekt. Tento efekt může být záporný (-I),
nebo kladný (+I). Týká se především σ vazeb a se vzdáleností slábne.
Příklady skupin s +I efektem:
Příklady skupin s -I efektem:
Látky, ve kterých se střídají jednoduché vazby s násobnými, se označují jako konjugované.
Typické pro ně je, že jsou jejich elektrony delokalizované (tzn. rozptýlené po celém
konjugovaném systému). Pro tyto systémy lze napsat několik rezonančních struktur, které se
liší polohou elektronů. Obecně platí, čím více rezonančních struktur, tím je látka stabilnější.
Atomy (skupiny atomů), jejichž nevazebné elektronové páry nebo polární násobná vazba jsou
v konjugaci s násobnými uhlíkovými vazbami, vyvolávají posun π elektronů a tento efekt se
nazývá mezomerní (rezonanční). V důsledku toho se zvýší nebo sníží elektronová hustota na
reakčním centru a také reaktivita. Substituenty, které poskytují elektronový pár do konjugace,
vykazují kladný mezomerní efekt (+M)-elektrondonorní.
7
Naopak substituenty, které elektrony ze sousední dvojné vazby odčerpávají, vykazují záporný
mezomerní efekt (-M)-elektronakceptorní.
Příklady skupin s +M efektem:
Příklady skupin s -M efektem:
Rezonanční struktury-jediný rozdíl mezi rezonančními strukturami je umístění π elektronů a
nevazebných valenčních elektronů.
Samotné atomy v rezonančních strukturách zaujímají stejnou polohu a jsou spojeny stejným
způsobem. Jednotlivé rezonanční struktury nejsou skutečné, jsou jen imaginární. Skutečná
struktura je tzv. rezonanční hybrid různých rezonančních struktur.
Rezonanční struktury musí být skutečné Lewisovy struktury, musí splňovat pravidla
mocenství a nesmí být totožné. Obecně platí, že čím větší počet struktur jsme schopni udělat,
tím je sloučenina stabilnější.
Polarizovatelnost vazby je vlastnost změnit pravděpodobnost výskytu elektronů díky
působení vnějších elektrických nábojů, např. vlivem iontů v těsném okolí molekuly nebo
8
působením polárních molekul rozpouštědla. Polarizovatelnost vazby roste s poloměrem
vazebných partnerů.
Typickým příkladem jsou halogenvodíkové kyseliny a jejich síla. Iontovost vazby klesá od
fluoru k jodu. Vazba v jodovodíku je skoro nepolární (rozdíl elektronegativit 0,3). I tak je
jodovodík nejsilnější z halogenvodíkových kyselin. Je to právě kvůli snadné
polarizovatelnosti velkého atomu jodu, velkému zvýšení polarity vazby H-I a její následné
elektrolytické disociaci.
Pro každý atom je charakteristická tzv. běžná neboli typická vaznost, při které atom
nepřináší do molekuly žádný elektrický náboj. Normální vaznost některých lehkých prvků
uvádí následující tabulka.
C C
O
2
O O
S
9
Atom může nabýt i jinou vaznost v případě, když v zájmu zachování oktetu musí odevzdat
nebo přijmout elektrony, což se projeví v náboji na uvedeném atomu. Dochází ke vzniku
organických iontů.
TEORIE KYSELIN A ZÁSAD
Brönstedova definice
Brönstedova kyselina je látka, která poskytuje proton a báze je látka, která proton přijímá.
Síla dané kyseliny HA ve vodném roztoku je dána disociační konstantou Ka, ale standardně se
popisuje pomocí pKa (záporný dekadický logaritmus Ka). Silnější kyselina má nižší hodnotu
a slabší má vyšší hodnotu pKa. Silná kyselina vytváří slabší konjugovanou bázi a slabá
kyselina tvoří silnější konjugovanou bázi.
Předpovídání reakcí:
Silnější kyselina reaguje s bází, která tvoří slabší konjugovanou kyselinu. Kyselina dodává
proton bázi každé konjugované kyseliny, která má vyšší pKa než ona sama.
Báze konjugované kyseliny odtrhne proton každé kyselině, která má nižší pKa než ona sama.
Lewisova definice
Tato definice se neomezuje jen na sloučeniny poskytující nebo přijímající protony. Lewisova
kyselina je každá látka, která přijímá elektronový pár a Lewisova báze elektronový pár
poskytuje. Poskytnutý elektronový pár je pak sdílen kyselinou a bází v podobě kovalentní
vazby. Následující obrázek naznačuje skutečnost, že Brönstedovy kyseliny jsou pomyslnou
podmnožinou Lewisových kyselin.
Lewisovy kyseliny
Brønstedovy kyseliny
10
1.1 Úlohy
1. Doplňte ve strukturách nevazebné elektronové páry, efekty na vazbách a parciální
náboje:
H
CH Br
H
C O C C C N
NH2 NH3
H
C
H
C O
S O
O
O
H3C C
O
OH
O
O
O
a. b. c.
d. e. f.
g. h. i.
2. Které z následujících párů reprezentují rezonanční formy?
a
a.
a
a
a
a
b.
c.
d.
e.
3. Jaký je vztah mezi členy následujících párů struktur? Jsou identické, konstituční
isomery, geometrické isomery, nebo rezonanční formy?
O
O O
O
a
a. b.
N a N
a
c. d.
a
O
O
Cl Cl
4. Vypočítejte stupeň nenasycenosti látky se sumárním vzorcem C16H22ClFN2O3.
11
5. Vlivem kterých bází proběhne následující reakce?
Seznam bází s hodnotami pKa jejích konjugovaných
kyselin je uveden v tabulce.
6. Z vašich znalostí periodické tabulky předpovězte, jestli se každá z následujících látek
může chovat jako Lewisova kyselina?
a. chlorid hořečnatý
b. chlorid cíničitý
c. chlorid titaničitý
d. fluorid cesný
e. chlorid hlinitý
f. chlorid draselný
g. bromid železitý
h. fluorid boritý
7. Napište vzorec konjugované báze každé z uvedených kyselin:
a.
b.
c.
d.
e.
H2S
CH3OH
HClO3
H2SO3
(CH3)2OH
f.
HSO4
g.
(CH3)2NH
12
8. Napište vzorec konjugované kyseliny pro každou z uvedených bází:
a.
b.
c.
d.
e.
HS
CH3OH
HCOO
CF3CH2OH
(CH3)2O
f.
HSO4
g.
(CH3)2NH
9. Rozhodněte, jak se sníží rychlost uvedené reakce druhého řádu po spotřebování 50 %
výchozích látek?
10. Klasifikujte funkční skupiny v každé z následujících sloučenin:
11. Spočítejte všechny atomy v molekule glibenklamidu a určete sumární vzorec. Najděte,
zakroužkujte a pojmenujte všechny funkční skupiny v molekule.
O
H
N
H
N
S
O
O
N
H
O
Cl
O
12. Nakreslete tyto funkční skupiny a přiřaďte parciální náboje:
a. acylazid
b. hydrazon
c. sulfon
13
d. aldimin
e. hydroxamová kyselina
f. karbodiimid
g. oxim
h. ketal
ch. enol ether
i. ester
13. Určete, které z uvedených molekul nebo iontů jsou elektrofilní, nebo nukleofilní činidla.
14. Vysvětlete pojem: hyperkonjugace.
15. Vysvětlete pojem: polarizovatelnost vazby.
16. Vysvětlete pojem: elektrický dipólový moment.
14
2. Alkany a cykloalkany
Alkany jsou uhlovodíky, které mají obecný vzorec CnH2n+2. Ve své molekule obsahují uhlík
v hybridizaci sp3
. Rozdíl mezi nejbližšími alkany je skupina –CH2-, která se obvykle označuje
jako homologický přírůstek. Uhlovodíkový řetězec může být buď lineární, nebo rozvětvený.
Cykloalkany jsou uhlovodíky obecného vzorce CnH2n a ve své molekule obsahují jednoduché
vazby (C–C a C–H), stejně jako alkany, ale jejich struktura je cyklická.
Nižší alkany (methan až butan) jsou za normálních podmínek plyny, vyšší alkany jsou
kapaliny a alkany od C18 výše jsou pevné látky, které svým vzhledem připomínají vosk (proto
se někdy nazývají parafiny). Alkany mají nižší hustotu než voda a jsou v ní nerozpustné.
Všechny alkany jsou hořlavé a se vzduchem tvoří v určitých koncentracích výbušnou směs.
2.1 Reaktivita alkanů
Alkany patří mezi poměrně málo reaktivní sloučeniny. Heterolytické štěpení kovalentní vazby
je velmi málo pravděpodobné, takže vůči polárním a iontovým činidlům zůstávají netečné.
Pro alkany je charakteristické homolytické rozštěpení kovalentní vazby C-C. Poskytují
především radikálové substituční reakce, které probíhají řetězovým mechanismem a poskytují
směsi produktů.
Radikálová substituce probíhá ve třech stupních:
1) iniciace - vznik radikálů, který lze u alkanů vyvolat buď tepelně, fotochemicky nebo
chemicky (např. pomocí peroxidů). Vzhledem k tomu, že kovalentní vazby v alkanech
nejsou polarizované a jejich disociační energie je vysoká, štěpí se přednostně vazba v
molekule činidla – např. v molekule halogenu
.
15
2) propagace – radikály napadají molekuly substrátu za vzniku jednoho z možných produktů a
dalšího radikálu (řetězová reakce).
3) terminace (zakončení) – vzájemná rekombinace radikálů.
V následujícím schématu je uvedena jako příklad, radikálová chlorace methanu. Jak je vidět,
reakce probíhá až do čtvrtého stupně a vzniká tak směs produktů.
H
CH H
H
H
CH Cl
H
Cl2 h
H
CH Cl
Cl
H
CCl Cl
Cl
Cl
CCl Cl
Cl
Cl2 h
Cl2 h
Cl2 h
- HCl
- HCl
- HCl
- HCl
Mezi nejvýznamnější radikálové substituce alkanů patří halogenace (Cl2,
Br2
), nitrace
(HNO3
), sulfochlorace (SO2
+ Cl2
) a sulfoxidace (SO2
+ O2
).
Nižší cykloalkany jako jsou cyklopropan a cyklobutan, se od acyklických alkanů liší vyšší
reaktivitou. Tato reaktivita je zapříčiněna úhlovým napětím jejich kruhů. U cyklopropanu
svírají vazby úhel 60° a celý systém je proto napjatý a to se projeví zvýšeným obsahem
energie. Při reakci proto snadno dochází k otvírání kruhu, čímž se toto napětí uvolní.
Cyklobutan reaguje podobně, ale napětí kruhu už není tak velké jako u cyklopropanu.
Cyklopentan a cyklohexan jsou už málo reaktivní stejně jako acyklické alkany.
16
2.2 Úlohy
1. Nakreslete všechny isomery následujících uhlovodíků:
a. alkany C4H10
b. alkany C5H12
c. alkany C6H14
d. cykloalkany C5H10
e. cykloalkany C6H12
2. Vysvětlete pojem: disperzní síly.
3. Podívejte se na molekulu 1,2-dichlorethanu ve směru vazby C-C a nakreslete v
Newmanově projekci všechny konformery, nazvěte je, určete nejstabilnější a problém
vysvětlete.
4. Podívejte se na molekulu 2,3-dimethylbutanu ve směru vazby C2-C3 a nakreslete v
Newmanově projekci všechny konformery, určete nejstabilnější a problém vysvětlete.
5. Cis-1,2-dimethylcyklopropan je méně stabilní než trans-1,2-dimethylcyklopropan.
Vysvětlete? Určete, který isomer poskytne spálením více tepla.
6. Nakreslete obě židličkové konformace pro uvedené isomery:
a. cis-1,2-dimethylcyklohexan
b. trans-1,2-dimethylcyklohexan
c. cis-1,3-dimethylcyklohexan
d. trans-1,3-dimethylcyklohexan
e. cis-1,4-dimethylcyklohexan
f. trans-1,4-dimethylcyklohexan.
Zjistěte počty ekvatoriálních a axiálních skupin. Které z konformerů budou
preferovány?
7. Diskutujte stabilitu 1,1,2-trimethylcyklohexanu. Nakreslete všechny konformace, určete
nejstabilnější a problém vysvětlete.
8. Diskutujte stabilitu cis-1-terc-butyl-4-methylcyklohexanu. Nakreslete všechny
konformace, určete nejstabilnější a problém vysvětlete.
17
9. Nakreslete nejstabilnější konformací mentholu a neomentholu.
10. Diskutujte stabilitu trans-dekalinu a cis-dekalinu. Nakreslete všechny konformace,
určete nejstabilnější a problém vysvětlete.
11. Nakreslete reakční mechanismus radikálové chlorace ethanu do prvního stupně
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
12. Nakreslete reakční mechanismus radikálové chlorace propanu do prvního stupně
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
13. Kolik produktů může vzniknout chlorací pentanu do prvního stupně? Nakreslete
všechny produkty a určete, které z nich můžou byt opticky aktivní.
14. Nakreslete reakční mechanismus radikálové nitrace ethanu oxidem dusičitým za
zvýšené teploty do prvního stupně (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny
elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
15. Nakreslete reakční mechanismus radikálové nitrace cyklohexanu kyselinou dusičnou za
zvýšené teploty do prvního stupně (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny
elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
16. Vysvětlete, proč při nitraci propanu kyselinou dusičnou při 400 °C vzniká několik
produktů, včetně nitroethanu a nitropropanu? Nakreslete reakční schémata vzniku všech
produktů.
17. Které sloučeniny se mohou použít jako katalyzátory radikálových substitucí? Navrhněte
mechanismus iniciace radikálové bromace cyklohexanu těmito radikálovými iniciátory:
18
3. Alkeny a dieny
Alkeny jsou uhlovodíky, které obsahují dvojnou vazbu C=C ve své molekule. U uhlíku
v alkenech se uplatňuje sp2
hybridizace a molekula je planární. Dvojná vazba znemožňuje
otáčení, takže dva substituenty na různých atomech uhlíku dvojné vazby můžou být buď v
poloze cis- nebo trans-. Pro určení polohy více substituentů na dvojné vazbě používáme
označení E a Z (entgegen, zussammen) a porovnáváme prioritu substituenty na obou uhlících
dvojné vazby podle Cahn-Ingold-Prologových pravidel (viz kapitola 6).
Dieny jsou látky, které obsahují ve své struktuře dvě dvojné vazby. Podle poloh těchto vazeb
je dělíme na izolované, konjugované a kumulované.
3.1 Reaktivita alkenů
Alkeny jsou daleko reaktivnější než alkany. Dvojná vazba má nižší disociační energii a πelektrony
jsou delokalizovány. Proto je právě tato vazba místem, kde přednostně dochází k
chemickým reakcím. Typickými reakcemi nenasycených uhlovodíků jsou adice. Jsou to
reakce, kdy dvojná vazba mezi atomy uhlíku zanikne a na každý atom se váže jedna částice.
Adice na dvojnou vazbu alkenů může probíhat dvojím mechanismem. Iontová (adice
elektrofilní) nebo radikálová.
Markovníkovo pravidlo-při iontových adicích nesymetrických činidel na dvojnou vazbu se
kladná část činidla připojuje na uhlíkový atom dvojné vazby tak, aby na druhém konci mohl
vzniknout stabilnější karbokation.
U dienů závisí reaktivita na poloze dvojných vazeb. Dieny s izolovanými dvojnými vazbami
reagují obdobně jako jednoduché alkeny, protože se dvojné vazby vzájemně neovlivňují. U
konjugovaných dienů může docházet vedle klasické 1,2-adice (kinetický produkt) ještě k 1,4adici
(termodynamický produkt), což je způsobeno delokalizací π elektronů.
Mezi nejvýznamnější reakce 1,3-dienů s alkeny patří Dielsovy-Alderovy reakce, při kterých
vznikají sloučeniny se šestičlenným kruhem (viz kapitola 17).
19
Příklady adicí:
H OH
H H HO OHX X
X OH
HO OH
HO H
H
X2
O
O
Cl
Cl
O
H
+
H
Cl
Cl
OsO4
pyridin
H2/Pt
RCOOOH 1. RCOOOH
2. OH
1. Hg(OAc)2
2. NaBH4
1. BH3
2. H2O2/ OH
1. O3
2. Zn/H2OX2
H2O
3.2 Úlohy
1. Z následujících sloučenin určete, o jaký geometrický isomer se jedná:
2. 1-Methylcyklohexen a methylidencyklohexan existují v rovnováze, když jsou
rozpuštěny v silně kyselém prostředí. Za předpokladu, že stabilita alkenů řídí
20
rovnováhu, který alken je přítomen ve vyšší koncentraci?
3. Uspořádejte následující alkeny v pořadí jejich stabilit:
a. hept-1-en
b. trans-hept-3-en
c. 2-methylhex-2-en
d. cis-hept-2-en
e. 2,3-dimethylpent-2-en
4. U které látky byste předpokládali větší hydrogenační teplo? Problém vysvětlete.
a. cis-cyklookten a trans-cyklookten
b. cis-hexen a trans-hexen
5. Doplňte chybějící reagenty:
6. Nakreslete reakční mechanismus adice bromovodíku na 1-methylcyklohexen
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
7. Nakreslete reakční mechanismus adice bromovodíku na 3-methylbut-1-en
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
21
8. Nakreslete reakční mechanismus adice bromovodíku na 3,3-dimethylbut-1-en
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
9. Nakreslete reakční mechanismus adice bromu na cyklohexen ve vodném prostředí
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
10. Navrhněte způsob přípravy těchto sloučenin:
11. Nakreslete reakční mechanismus adice vody v přítomnosti HgSO4 a H2SO4 na hex-2-yn,
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
12. Nakreslete reakční mechanismus hydroborace 1-ethylcyklohexenu, po které následuje
oxidace (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky,
intermediáty, náboje, závorky,…). Vyjádřete konfiguraci produktu a regioselektivitu
reakce.
13. Nakreslete přípravu cyklopropanů – Simmonsova-Smithova reakce.
14. Nakreslete strukturu dichlorkarbenu. Diskutujte jeho nukleofilní nebo elektrofilní
charakter. Problém vysvětlete.
15. Působením oxidačních činidel na alkeny vznikají dioly, přičemž reakce má
stereospecifický průběh. Nakreslete tyto reakce tak, aby z but-2-enu vznikl trans-diol a
pent-2-enu cis-diol. Problém vysvětlete.
16. Nakreslete reakční mechanismus oxidace ethenu m-chlorperoxybenzoovou kyselinou
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
22
17. Nakreslete produkty a intermediáty reakce:
18. Jaký alken by při reakci s ozonem a následné redukci zinkem poskytl směs propanalu a
acetonu.
19. Jaké produkty byste očekávali při UV katalyzované reakci 1-methylcyklohexenu s NBS
v tetrachlormethanu? Nakreslete reakční mechanismus.
20. Uveďte produkty, které vzniknou v následujících reakcích. Je-li potřebné, označte
regioselektivitu, případně stereoselektivitu reakce.
21. Uveďte produkty, které vzniknou v následujících reakcích. Je-li potřebné, označte
regioselektivitu, případně stereoselektivitu reakce.
23
22. Začleňte jednotlivé sloučeniny do kategorií dienů: konjugované, izolované a
kumulované:
23. Nakreslete a pojmenujte produkty reakcí:
24. Doplňte produkty ve schématu:
24
4. Alkyny
Alkyny jsou alifatické uhlovodíky, které mají obecný vzorec CnH2n-2 a ve své molekule
obsahují trojnou vazbu. Uhlíkové atomy jsou v sp hybridizaci a vazby, které z nich vychází,
leží v jedné přímce se σ vazbou.
4.1 Reaktivita alkynů
Reaktivita alkynů je srovnatelná s alkeny, ale alkyny projevují menší tendenci k elektrofilním
adicím a větší k nukleofilním adicím. Elektrofilní adice bývají kysele katalyzované a při
použití nesymetrických alkynů se řídí Markovníkovým pravidlem.
Alkyny R–C≡C–H, které mají trojnou vazbu na konci, se také nazývají terminální alkyny.
Alkyny jsou mnohem kyselejší než alkeny (např. pKa acetylenu je ~ 25) a proto snadno tvoří
soli (acetylidy) působením silnější bází. Acetylidový anion je silně nukleofilní a tak snadno
probíhá jeho alkylace působením alkylhalogenidů.
Přehled reaktivity alkynů uvádí následující schéma.
25
4.2 Úlohy
1. Vyřešte rovnice chemických reakcí daných látek s ethynem:
a. butyllithium v hexanu,
b. amid sodný v kapalném amoniaku,
c. fenylmagnesiumchlorid v THF,
d. zředěná kyselina sírová s katalytickým množstvím Hg2+
iontů,
e. chlorovodík s katalytickým množstvím Hg2+
iontů.
2. Vysvětlete pojem: Lindlarův katalyzátor. Diskutujte jeho použití a stereoselektivitu.
3. Nakreslete produkty hydrogenace alkynů vodíkem na Lindlarově katalyzátoru:
a. 1,2-difenylethyn,
b. okt-2-yn,
c. nona-2,5-diyn,
d. (Z)-hex-2-en-4-yn.
4. Navrhněte produkt hydroborace but-1-ynu s následnou oxidací peroxidem vodíku
v bazickém prostředí a nakreslete reakční mechanismus této reakce (nezapomeňte na
volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
5. Nakreslete produkty následujících reakcí:
a. propyn a brom
b. acetylen a roztok AgNO3 v amoniaku
c. but-1-yn a kyselina octová za katalýzy octanem rtuťnatým
d. hept-1-yn a ethylmagnesiumchlorid
e. fenylacetylen a kyselina mravenčí.
6. Nakreslete reakční mechanismus a stereochemii redukce hex-2-ynu lithiem v kapalném
amoniaku (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky,
intermediáty, náboje, závorky,…).
7. Vysvětlete pojem: keto-enol tautomerie.
26
8. Uveďte produkty, které vzniknou v následujících reakcích. Je-li potřebné, označte
regioselektivitu, případně stereoselektivitu reakce.
9. Navrhněte syntézu:
a. fenylacetylenu ze styrenu
b. methoxyethenu z acetylenu.
10. Uveďte produkty, které vzniknou v následujících reakcích. Je-li potřebné, označte
regioselektivitu, případně stereoselektivitu reakce.
H2O, H2SO4
HgSO4
1. NaNH2
2. CH3I
1. BH3, THF
2. H2O2, NaOH
H2
Pd/BaCO3
HBr
CH3COOH
27
5. Základy stereochemie
Stereochemie se zabývá znázorněním molekul v prostoru. Je známo, že existuje jistá
souvislost mezi reaktivitou organických látek a jejich prostorovou stavbou.
Isomerie je jev, kdy mají sloučeniny stejný sumární vzorec, ale liší se svou strukturou. Tyto
typy sloučenin se nazývají isomery.
Základní typy isomerie:
- konstituční: sloučeniny se liší typy atomů a vazeb, kterými jsou vzájemně vázány.
- konformační: sloučeniny se liší uspořádáním, které vzniká rotací kolem jednoduché
vazby
- konfigurační (stereoisomery): sloučeniny se liší prostorovým uspořádání
jednotlivých atomů, skupin atomů a vazeb. Ta se dále dělí na geometrickou a
optickou.
Znázornění molekul v prostoru:
Ke znázornění prostorové stavby molekul se používají projekční vzorce (např. klínkové
vzorce).
Fischerovy vzorce: vodorovné linky směřují dopředu před rovinu a svislé zase za rovinu
nákresu. Vzorce lze otáčet o 180° nebo je možné točit třemi vazbami kolem osy a čtvrtá
zůstane pevná. Pokud má molekula více uhlíků, dává se nejdelší uhlíkový řetězec na svislou
osu.
Perspektivní vzorce: vzorce se orientují tak, aby uhlíkový řetězec směřoval svým spodním
koncem k pozorovateli a je možná rotace kolem jednoduché uhlíkové vazby.
Newmanovy vzorce: zobrazují molekulu ve směru C-C vazby. Přední atom se označuje
bodem a zadní kroužkem.
Klínkové vzorce: vazby, které vycházejí před rovinu, se označují tučným klínkem a vazby
směřující za rovinu zase čárkovaným klínkem.
28
5.1 Konformace
Konformací molekuly se označuje její různé uspořádání v prostoru vzniklé volnou rotací
kolem jednoduchých vazeb. Teoreticky může existovat nekonečně mnoho konformací, ale
prakticky jsou možné jen ty, které mají minimální potenciální energii. Molekula může plynule
přecházet mezi jednotlivými pravděpodobnými konformacemi, protože energetické bariéry
mezi nimi jsou malé. Jednotlivé konformery (rotamery) většinou nejdou při laboratorní
teplotě izolovat. Pokud se použijí nízké teploty, rotace se zpomalí a lze rotamery od sebe
oddělit. Může nastat i situace, kdy je molekula rigidní a je u ní jedna konformace preferována
a nepřechází na jinou.
Následující obrázek popisuje rotaci kolem jednoduché vazby v molekule butanu a vznik
příslušných konformerů.
Jednotlivé konformery se navzájem liší obsahem energie V případě butanu je antiperiplanární
konformace energeticky nejvýhodnější, a to zejména kvůli stérickým vlivům substituentů.
29
30
5.2 Konfigurace
Konfigurací se označují jednoznačné způsoby prostorového uspořádání atomů v molekule.
Sloučeniny se stejným strukturním vzorcem se mohou vyskytovat v různých konfiguracích,
které se liší svým prostorovým uspořádáním a nemohou na sebe vzájemně přecházet, aniž by
se přerušila a znovuvytvořila chemická vazba. Tyto látky se označují jako stereoisomery.
5.2.1 Geometrická isomerie
Vzhledem k tomu, že u dvojných vazeb nemůže docházet k volné rotaci a atomy spojené
dvojnou vazbou leží v rovině, mohou substituenty na těchto dvou atomech zaujmout dvě
různé polohy vůči rovině. Jestliže mají isomery stejné substituenty na stejné straně, označují
se cis (syn), pokud na opačné, označují se trans (anti). Toto označení se používá pro látky,
které mají na dvojné vazbě dva vodíkové atomy.
Pokud jsou to olefiny tri- nebo tetrasubstituované, používá se označení E a Z a pořadí priority
se určuje podle systému R/S podle Cahn-Ingold-Prelogových pravidel. U každé dvojice
navázané na jednotlivý konec dvojné vazby se určí priorita a potom se určuje, jsou-li
substituenty s větší prioritou na stejné straně roviny nebo ne. Pokud ano, označují se jako
(Z) a pokud jsou na opačné straně, označují se jako (E).
HOOC
H3C C2H5
Br HOOC
H3C Br
C2H5
(Z) (E)
Označení cis a trans se používá také pro cyklické systémy, protože tam je stejně jako u
olefinů vyloučená rotace kolem jednoduchých vazeb. Geometrické isomery nemohou
přecházet jeden v druhý, takže je možné je od sebe rozdělit.
5.2.2 Optická isomerie
Optické isomery jsou látky, které jsou svými zrcadlovými obrazy a jsou neztotožnitelné (např.
pravá a levá ruka). O takových látkách říkáme, že jsou chirální. Jsou asymetrické, tzn. nemají
střed ani rovinu symetrie. Tyto stereoisomery se označují enantiomery. Všechny ostatní
31
stereoisomery se nazývají diastereoisomery. Enantiomery mají stejné chemické i fyzikální
vlastnosti, ale liší se svými biologickými účinky. Každý z enantiomerů stáčí rovinu
polarizovaného světla na opačnou stranu. Ten, který ji stáčí doprava, se značí jako
pravotočivý (+) a ten, který ji stáčí o stejný úhel doleva je levotočivý (-). Jestliže je látka
ekvimolární směsí obou enantiomerů jedná se o racemát a ten nevykazuje žádnou optickou
aktivitu.
Absolutní konfigurace představuje prostorové uspořádání enantiomeru. Počet možných
enantiomerů je 2n
, kde n je počet asymetrických uhlíků. Asymetrický uhlík se označuje
hvězdičkou. Pokud látka obsahuje dva asymetrické uhlíky, může existovat ve čtyřech
isomerních formách. Pokud taková látka obsahuje na asymetrických uhlících stejné
substituenty (např. kyselina vinná), existuje ve třech formách. Dvě enantiomerní formy, třetí
je k nim ve vztahu diastereomerním a právě tato má rovinu symetrie, takže není chirální a
označuje se jako mesoforma.
COOH
H OH
COOH
HO H
COOH
HO H
COOH
H OH
COOH
H OH
COOH
H OH
COOH
HO H
COOH
HO H
enantiomery
diastereomery
mesoformy
kyselina L-(+)-vinná kyselina D-(-)-vinná
Stejně jako u geometrických isomerů se k popisu absolutní konfigurace používá:
Cahn-Ingold-Prelogova nomenklatura.
Pokud látka obsahuje jen jeden asymetrický uhlík (uhlík se všemi čtyřmi různými
substituenty), určí se priorita substituentů podle následujících pravidel:
- klesající atomová čísla prvků, které jsou bezprostředně navázány na asymetrický uhlík.
- pokud jsou prvky stejné, rozhoduje se podle atomových čísel prvku dalších v řadě.
32
- pokud obsahuje substituent dvojnou vazbu, má to stejný význam, jako by obsahoval dvě
jednoduché vazby.
Až si určíme prioritu substituentů, určujeme dále, zda priorita substituentů 1-3 klesá ve směru
otáčení hodinových ručiček (R), nebo proti směru (S). Toto otáčení lze přirovnat k točení
volantem, přičemž substituent 4 je hřídel volantu. Pokud vede substituent s nejmenší prioritou
před rovinu, konfigurace se otočí.
Pokud látka obsahuje více asymetrických center, určí se absolutní konfigurace na všech těchto
centrech a konfigurace se napíše před název do kulaté závorky.
Prvky chirality:
Centrální chiralita: centrem chirality je např. asymetrický uhlík, ale může být i trojvazný
atom (např. N, P).
Axiální chiralita: je přítomna osa, která leží ve spojnici dvojice substituentů.
Planární chiralita: dva různé substituenty leží v jedné rovině a jeden substituent leží mimo
tuto rovinu.
Další označení: Existuje starší označení (D/L), které se dnes používá už jen u sacharidů a
aminokyselin. Přičemž aminokyseliny tvořící proteiny jsou L-aminokyseliny.
33
5.3 Úlohy
1. Na obrázku je zobrazeno léčivo určené pro léčbu hypertenze. Určete všechna
stereogenní centra této molekuly.
2. Určete, jestli jsou následující páry sloučenin enantiomery, diastereomery, konstituční
isomery, nebo identické látky.
3. Určete opticky aktivní a meso sloučeniny z uvedených látek:
Br ClBr
Cl
Cl
Br
Cl
Br
Cl
Cl
H
Me
H
Me HO
MeMe
H
OH Et
EtHO
H
OH
H H
a. b. d.c.
e. f. g.
4. Nakreslete všechny látky z úlohy 3 v části e, f, g v Newmanově projekci tak, aby vodíky
na chirálním centru byly v zákrytové konformaci.
5. Nakreslete struktury všech isomerů dimethylcyklobutanů a určete, které jsou chirální. U
těch, které jsou achirální, vyznačte vnitřní rovinu symetrie.
34
6. Určete absolutní konfiguraci následujících látek zobrazených ve Fischerově projekci.
7. Převeďte následující čtyři sloučeniny do Fischerovy projekce. Které z těchto sloučenin
jsou enantiomery nebo diastereomery?
8. Zobrazte ve Fischerově projekci tyto látky a určete absolutní konfiguraci:
9. Nakreslete následující sloučeniny s použitím rovinného zobrazení kruhu a klínových
vazeb. Určete, které jsou chirální. U meso sloučenin zakreslete vnitřní rovinu symetrie.
a. cis-1,2-dichlorcyklopentan
b. trans-1,2-dichlorcyklopentan
c. cis-1,3-dichlorcyklopentan
d. trans-1,3-dichlorcyklopentan
e. cis-1,2-dichlorcyklohexan
f. trans-1,2-dichlorcyklohexan
g. cis-1,3-dichlorcyklohexan
h. trans-1,3-dichlorcyklohexan
35
10. Určete absolutní konfiguraci každého chirálního centra u těchto látek:
11. Nakreslete v perspektivním znázornění každý ze stereoisomerů:
a. (R)-2-brompentan
b. (S)-3-brom-3-chlorhexan
c. (R)-2-fluor-2-chlorbutan
d. (1R,2S)-1-brom-2-fluorcyklohexan
12. Když rozpustíte 63,5 g kafru v 100 ml methanolu a změříte v kyvetě o délce 10 cm
optickou otáčivost, zjistíte, že je -2,88°. Vypočtěte, jaká je specifická optická otáčivost
kafru.
13. Při redukci D-(+)-xylózy vlivem NaBH4 vzniká xylitol. Když změříte optickou
otáčivost a vypočtete specifickou optickou otáčivost zjistíte, že v případě D-(+)-xylózy
je -9.3°, ale u xylitolu ji není možné změřit (je nulová). Vysvětlete tento fakt.
14. Co je příčinou optické aktivity substituovaných allenů?
36
6. Halogenalkany
Vzhledem k rozdílné elektronegativitě halogenů a uhlíkového atomu, je vazba mezi nimi
polarizovaná a tyto látky mají sklon k nukleofilním substitučním reakcím. Reaktivita
halogenuhlovodíků závisí hlavně na uhlovodíkovém zbytku. Alifatické halogenderiváty
snadno reagují s řadou nukleofilů při substitučních nukleofilních reakcích, ale působením
některých nukleofilů dochází k eliminačním reakcím za vzniku alkenů.
Nu+R X R Nu + X
nukleofil nukleofug
6.1 Nukleofilní substituce
Nukleofilní substituce mohou probíhat monomolekulárním (SN1) nebo bimolekulárním (SN2)
mechanismem.
6.1.1 Nukleofilní substituce monomolekulární (SN1)
Při SN1 dochází nejprve k disociaci halogenderivátu na alkylový karbokation a halogenidový
anion a ve druhém kroku reaguje vzniklý karbokation s nukleofilem. Tato reakce není
stereoselektivní a proto při reakcích chirálních výchozích látek vznikají racemické produkty.
Obecně platí, čím stabilnější karbokation vznikne, tím je reakce rychlejší. Vzhledem k tomu,
že k reakci s nukleofilem dochází až po kroku určujícího rychlost reakce (vznik
karbokationtu), je rychlost reakce SN1 nezávislá na použitém nukleofilu.
6.1.2 Nukleofilní substituce bimolekulární (SN2)
Při SN2 reaguje nukleofil s halogenderivátem v jednom kroku přes tranzitní stav s formálně
pětivazným uhlíkem, který se rozpadá na produkt a halogenidový anion. Pokud je výchozí
látka chirální, vzniká chirální produkt s opačnou absolutní konfigurací. Rychlost reakce závisí
jak na koncentraci halogenalkanu tak i nukleofilu.
37
Nukleofily a nukleofilita (míra toho, jak rychle nukleofil nahrazuje odstupující skupinu
v substrátu).
- neutrální nukleofily, jako voda, alkoholy a karboxylové kyseliny jsou mnohem slabšími
nukleofily než odpovídající báze.
- nukleofil se záporným nábojem je mnohem reaktivnější než neutrální látka, která má stejný
nukleofilní atom.
- nukleofilita má stejný trend jako bazicita. (pokud srovnáváme atomy ve stejné řadě
periodické tabulky, tak OHje
bazičtější a proto nukleofilnější než Fnebo
NH3 než H2O.
- toto neplatí při pohybu směrem dolů ve sloupcích periodické tabulky. Např. Ije
nejméně
bazický ze všech halogenidů, ale je nejnukleofilnější. Důvodem tohoto vztahu je rozdílná
solvatace těchto aniontů vodíkovými vazbami molekul rozpouštědla, protože malé anionty
mají vyšší hustotu náboje a jsou tedy silněji solvatované. K tomu, aby proběhla SN, musí
nukleofil přijít o část molekul rozpouštědla, které jej obklopují. Ftvoří
nejsilnější vodíkové
vazby s vodou a alkoholy a Inejslabší,
proto je nukleofilita Fmenší
než nukleofilita Cl,
Br-
i
I.
Obdobně je OHmenší,
více solvatovaný a méně nukleofilní než HS-
.
Nukleofilita má spojitost také s polarizovatelností, čím větší atom, tím polarizovatelnější, tím
nukleofilnější.
Vliv odstupující skupiny (nukleofugu):
- zpravidla konjugovaná báze silné kyseliny: Cl, Br, I, tosyláty, mesyláty, trifláty.
- kvalita dané odstupující skupiny roste s rostoucí kyselostí její konjugované kyseliny.
Vliv rozpouštědla:
SN1
Tranzitní stav je polárnější než výchozí látky, tzn. rychlost reakce budou zvyšovat polární
protická rozpouštědla (solvatace současně aniontu i kationtu), např. H2O, ROH, HCOOH.
38
SN2
Tranzitní stav je méně polární než výchozí látky nebo produkty, proto jsou pro reakce užívána
polární aprotická rozpouštědla, schopná rozpouštět soli. Tato rozpouštědla dobře solvatují
kation soli, ale tvoří mnohem volnější solvatační vrstvu kolem aniontu nukleofilu, např.
ketony, DMSO, DMF, acetonitril).
6.2 Eliminace
6.2.1 Eliminace monomolekulární (E1)
- rychlost reakce vzniku alkenu závisí pouze na koncentraci výchozího alkylhalogenidu.
- stupeň určující rychlost reakce je stejný jako u SN1. Dochází k disociaci za tvorby
karbokationtu a ten pak může podlehnout dvěma navzájem si konkurujícím reakcím – adici
nukleofilu nebo odštěpení protonu.
6.2.2 Eliminace bimolekulární (E2)
- E2 probíhá při reakci alkylhalogenidů se silnými nukleofily (tj. i silnými bázemi) a rychlost
tvorby alkenu závisí jak na koncentraci halogenalkanu tak i báze.
- silné báze jsou schopny atakovat vodíkový atom v sousedství odstupující skupiny (βeliminace)
ještě předtím, než se vytvoří karbokation.
- tato reakce je obecná pro všechny halogenalkany a v příp. primárních a sekundárních
konkuruje SN2 substituci.
39
Regioselektivita eliminací
Zajcevovo pravidlo: Při β-eliminaci přednostně vzniká nejvíce substituovaný alken.
Přednostní vznik termodynamicky stabilnějšího produktu-převažuje trans-isomer.
Hofmannovo pravidlo: Při použití stericky objemné báze vzniká nejméně substituovaný
alken. Kineticky řízená reakce, termodynamicky méně stabilní produkt vzniká rychleji (má
nižší aktivační bariéru).
Primární alkylhalogenidy
Primární alkylhalogenidy, které jsou stericky nebráněné reagují vždy bimolekulárním
mechanismem s převahou substitučních reakcí. Pokud dochází k reakci se silnými, stericky
bráněnými bázemi (t-BuOK), SN2 je zpomalena a převáží E2.
Nereagují se slabými nukleofily (MeOH).
Sekundární alkylhalogenidy
V závislosti na podmínkách je možná SN1,2 i E1,2.
Slabé nukleofily (MeOH)-převažuje SN1 a E1.
Silné nukleofily-převažuje SN2, báze –E2, U nukleofilů bazičtějších než alkoxidy a alkalické
hydroxidy převažuje E, méně bazické převažuje S (CH3S-
).
Terciární alkylhalogenidy
Působením silných bází dochází k E2 (alkoxidy), v nebazickém prostředí převažuje SN1
(H2O).
SN2 nebyla pozorována a E1 doprovází SN1.
40
6.3 Úlohy
1. Doplňte následující schémata:
HCl
I2 NBS
HBr SOCl2
h
1. NaNO2, H2SO4
2. Cu2Cl2
Cl2, H2O
a.
c.
A
C
b.
d.
B
D
OH
e.
F OH
f.
G
Cl2OH
g.
H
h.
CH
PCl5
AlCl3
NH2
ch.
J
i.
K
Cl2
h
E
I
2. Doplňte produkty reakcí včetně stereochemie ve schématech:
3. Doplňte následující schémata:
4. Vysvětlete rozdílnou reaktivitu následujících halogenderivátů, když x = 0, 1 a 2.
41
5. Rozhodněte, která z následujících párů sloučenin vyžaduje nižší energii při
heterolytickém štěpení C-X vazby. Vysvětlete proč?
I a I
OH
OH
I
I
Br Br
Br
Br
Br
a
a
a
a
a.
b.
c.
d.
e.
6. Zahříváním 3-brom-3-methylbut-1-enu získáme směs dvou bromoalkenů. Nakreslete
obě struktury a problém vysvětlete.
7. Při reakci 1-jod-2,2-dimethylpropanu s octanem stříbrným vzniká 1,1-dimethylpropylacetát.
Nakreslete reakční mechanismus a problém vysvětlete (nezapomeňte na volné
elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
8. Rozhodněte, který nukleofil z uvedených dvojic je lepší a volbu odůvodněte:
42
9. Napište produkty následujících nukleofilních substitucí a určete, jakým mechanismem
probíhají:
a. (S)-3-chlorhexan + NaSH,
b. (R)-2-brompentan + N(CH3)3,
c. (S)-2-jodbutan + PPh3,
d. (3R,4R)-4-jod-3-methyldekan + KSeCH3
10. Na příkladu reakce (R)-1-fenylpropan-2-yl 4-methylbenzensulfonátu s azidem sodným
v DMF vysvětlete mechanismus SN2 reakce. Definujte i kinetiku reakce.
11. Na příkladu reakce 2-brom-2-methylpropanu s vodou vysvětlete mechanismus SN1
reakce. Definujte i kinetiku reakce.
12. Na příkladu reakce 1-brombutanu s terc-butoxidem draselným vysvětlete mechanismus
E2 reakce. Definujte i kinetiku reakce.
13. Na příkladu reakce 2-brom-2-methylpropanu s ethanolem vysvětlete mechanismus E1
reakce. Definujte i kinetiku reakce.
14. Seřaďte následující bromderiváty podle snadnosti průběhu jejich hydrolýzy
mechanismem SN1.
15. Popište, jak faktor nukleofilu ovlivňuje průběh reakcí SN1 a SN2.
16. Popište, jak faktor rozpouštědla ovlivňuje průběh reakcí SN1 a SN2.
43
17. Nakreslete mechanismus reakce - jednostupňové přípravy 2-methylpropan-2-olu z 1brom-2-methylpropanu
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů –
šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
18. Rozhodněte, která z látek je nejreaktivnější a která je nejméně reaktivní v nukleofilních
substitučních reakcích. Seřaďte podle klesající reaktivity.
19. Zahříváním 2-brom-3,3-dimethylbutanu ve vodném roztoku chloridu sodného vzniká
směs pěti látek, ale pouze jedna z nich obsahuje atom chloru. Nakreslete struktury všech
pěti produktů a vysvětlete příčiny jejich vzniku.
20. Rozhodněte, které z činidel je nejvíce nukleofilní a které je nejméně nukleofilní.
Seřaďte podle klesající nukleofility.
21. Nakreslete produkt reakce a navrhněte, jakým mechanismem reakce probíhá a proč.
22. Nakreslete produkt reakce a navrhněte, jakým mechanismem reakce probíhá a proč.
23. (R)-3-Brom-3-methyloktan ztrácí optickou aktivitu po rozpuštění v nitromethanu.
Vysvětlete příčinu.
24. Vysvětlete, proč je sloučenina b. v ethanolu stabilní a sloučenina a. se rychle mění na
jiný produkt:
25. Jakou konfiguraci bude mít alken, který vznikne E2 (dehydrohalogenací) eliminační
reakcí (1S,2R)-1,2-dibrom-1,2-difenylethanu.
44
26. Jakou konfiguraci bude mít alken, který vznikne E2 (dehydrohalogenací) eliminační
reakcí 1-((1R,2R)-1,2-dibrom-3,3-dimethylbutyl)benzenu.
27. Nakreslete chemické rovnice reakcí uvedených látek s hořčíkem v etheru.
a. ethylendibromid
b. 1,2-dibrompropan
c. methyljodid
d. brombenzen
28. Vysvětlete, proč při dehydrobromaci z cis-1-brom-4-terc-butylcyklohexanu vzniká
příslušný 4-terc-butylcyklohexen 500x rychleji, než při reakci trans-1-brom-4-terc-
butylcyklohexanu?
29. Zjistilo se, že dehydrochlorace (E2 mechanismem) nejstabilnějšího isomeru 1,2,3,4,5,6hexachlorcyklohexanu
probíhá téměř 104
krát pomaleji, než kterýkoli z jeho
stereoisomerů. Vysvětlete příčinu tohoto pozorování.
Cl
ClCl
Cl
Cl
Cl
45
7. Chemie aromatických sloučenin
Základním aromatickým uhlovodíkem (arenem) je benzen. Jeho šestičlenný kruh se nazývá
benzenové jádro. Areny obsahují ve své struktuře systém konjugovaných vazeb uspořádaných
v jednom nebo více cyklech.
Aby byl systém aromatický, musí splňovat určitá pravidla: systém musí být planární, tzn.
konjugované dvojné vazby musí ležet v jedné rovině a musí obsahovat 4n+2π elektronů
(Hückelovo pravidlo). Pokud cyklické látky s konjugovaným π systémem obsahují 4nπ
elektronů, nazývají se antiaromatické a jsou vysoce nestabilní.
7.1 Reaktivita aromátů
Areny se vyznačují značnou stabilitou a neochotou k adičním reakcím. Vzhledem
k přítomnosti delokalizovaných π elektronů se aromatické uhlovodíky chovají jako slabé
Lewisovy báze a mají tendenci reagovat s elektrofilními činidly v substitučních reakcích.
7.1.1 Elektrofilní aromatická substituce (SEAr)
Typické SEAr jsou nitrace, sulfonace, halogenace, alkylace a acylace. Tyto reakce je nutné
katalyzovat, aby se vytvořila dostatečná koncentrace elektrofilních částic.
Při elektrofilní substituci již substituovaného arenu může další substituent vůči němu
vstupovat do různých poloh. Poloha substituce záleží na charakteru prvního substituentu (na
jeho indukčním, mezomerním a stérickém efektu).
Podle toho se substituenty dělí do dvou tříd:
Substituenty I. řádu (Elektrondonorní) - dirigují vstup do polohy o- a p- vůči sobě. Sem
patří substituenty, které mají: +M, +I efekty (alkylskupiny, NH2, NR2, OH, OR, NHCOCH3) a
aktivují benzenové jádro vůči vstupu dalších elektrofilů. Do této skupiny patří i substituenty s
kombinací efektů +M a –I (halogeny), které také dirigují do poloh o- a p-, ale jádro
desaktivují.
Substituenty II. řádu (Elektronakceptorní) - dirigují vstup do polohy m- vůči sobě. Sem
patří substituenty s –M a –I efektem případně s kombinací –M a –I (NH3
+
, NO2, COOH,
COOR, CHO, COR, SO3H, CONH2, CN). Tyto substituenty deaktivují benzenové jádro vůči
elektrofilním substitucím, které buďto probíhají špatně nebo vůbec (např. FriedelovyCraftsovy
alkylace).
46
CHO CHO CHO
CHO CHO CHO
CHO CHO
H H
Cl
H
Cl
H H
Cl
H
Cl
H
Cl
H
Cl
H Cl Cl Cl
benzaldehyd
ortho
para
meta
atak
atak
atak
nejméně
stabilní
19 %
9 %
72 %
O H+
-
CHO
nejméně
stabilní
CHO
Cl
CHO
CHO
Cl
Cl
AlCl4
AlCl4
AlCl4
Mechanismus chlorace (Cl2 + AlCl3) benzaldehydu.
7.1.2 Nukleofilní aromatická substituce halogenaromátů (SNAr)
Aromatické látky jsou daleko méně reaktivní při nukleofilní substituci než např.
halogenalkany, ale lze ji uskutečnit za speciálních podmínek.
Rozeznáváme dva základní mechanismy SNAr.
Adičně-eliminační mechanismus: - v ortho nebo para poloze vůči halogenu musí být
elektronakceptorní skupina (např. nitroskupina), která stabilizuje nestabilní Meisenheimerův
adukt (cyklohexadienylový anion), který vzniká během reakce za porušení aromatického
systému. Nejlépe odstupující skupinou je fluor (reaktivita klesá v řadě: F > Cl > Br > I) a to
z toho důvodu, že díky své nejvyšší elektronegativitě, nejvíce odčerpává elektrony z aromátu
a zvyšuje tím rychlost tvorby aniontu.
Eliminačně-adiční mechanismus: - při použití velmi silných bází (např. amidů alkalických
kovů, organolithných sloučenin) nebo drastických reakčních podmínek probíhá u
47
arylhalogenidů substituce snadno i bez přítomnosti elektronakceptorních substituentů.
V prvním kroku dojde k dehydrohalogenaci pomocí báze a vzniká produkt s formální trojnou
vazbou na aromatickém jádře zvaný benzyn. V druhém kroku se aduje na tuto vazbu amidový
anion a vznikne karbanion, který odtrhne proton z amoniaku a vzniká produkt, např. anilin.
Zajímavá je také regioselektivita reakce, protože se amidový anion váže nejen na uhlík, na
který je vázán halogen, ale i na sousední uhlík. Lze to vysvětlit právě pomocí vznikajícího
benzynu.
KNH2, NH3
-33 °C
Br NH2
NH2
+
7.2 Úlohy
1. S použitím Hückelova pravidla předpovězte, který z následujících uhlovodíků vykazuje
aromatický charakter?
2. Nakreslete podrobná reakční schémata generace těchto elektrofilních činidel:
3. Nakreslete a popište reakční mechanismus nitrace chlorbenzenu (nezapomeňte na volné
elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
4. Nakreslete a popište reakční mechanismus sulfonace nitrobenzenu (nezapomeňte na
volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
48
5. Určete hlavní produkty nitrací daných látek do 1. stupně. Uvažujte použití nitrační
směsi:
a. fenol
b. methyl-benzoát
c. toluen
d. nitrobenzen
e. chlorbenzen
f. difenylsulfon
g. 2-nitrotoluen
h. 2,4-dinitrofenol
6. Navrhněte hlavní produkty reakcí daných látek s chlorem v přítomnosti chloridu
hlinitého:
a. toluen
b. chlorbenzen
c. nitrobenzen
d. benzonitril
e. fenylacetonitril
f. p-bromnitrobenzen
g. benzaldehyd
h. difenylketon
ch. o-nitroacetanilid
i. m-dichlorbenzen
7. Rozhodněte, která z látek je nejreaktivnější a která je nejméně reaktivní v elektrofilních
substitučních reakcích. Seřaďte podle klesající reaktivity.
8. Rozhodněte, jaké produkty vzniknou reakcí benzenu s následujícími činidly:
a. 2-methylpropan-2ol a kyselina sírová,
b. bromcyklopentan a fluorid boritý,
c. cyklohexen a kyselina fosforečná.
49
9. Navrhněte hlavní produkty reakcí daných látek s bromem v přítomnosti bromidu
hlinitého:
a. ethyl-benzoát
b. methoxybenzen
c. 1-fenyl-2,2-dimethylpropan-1-on
d. kyselina p-methylbenzoová
e. kumen
f. p-nitrotoluen
g. trifluoromethylbenzen
10. Nakreslete a popište reakční mechanismus FeBr3 katalyzovanou bromaci bifenylu
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
11. Rozhodněte, jaké produkty vzniknou sulfonací daných látek do 1. stupně. Určete také
činidlo, které je nezbytné pro provedení těchto reakcí.
a. benzen
b. brombenzen
c. fenol
d. toluen
e. nitrobenzen
f. p-nitrotoluen
g. kyselina 4-hydroxybenzensulfonová
h. naftalen
12. Nakreslete a popište reakční mechanismus Friedelovy-Craftsovy methylace
methoxybenzenu (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky,
intermediáty, náboje, závorky,…).
13. Nakreslete a popište reakční mechanismus nukleofilní aromatické substituce probíhající
adičně-eliminačním mechanismem (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny
elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…). Definujte podmínky reakce a
uveďte příklad.
50
14. Rozhodněte, která z látek je nejreaktivnější a která je nejméně reaktivní v nukleofilních
substitučních reakcích. Seřaďte podle klesající reaktivity.
15. Nakreslete a popište reakční mechanismus nukleofilní aromatické substituce probíhající
eliminačně-adičním mechanismem (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny
elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…). Definujte reakční podmínky a
uveďte příklad.
16. Vysvětlete, proč reakcí amidu sodného v kapalném amoniaku s m-chlortoluenem vzniká
směs o-, m- a p-toluidinů v poměru 1 : 2 : 1?
17. Uveďte produkty, které vzniknou v následujících reakcích. Je-li potřebné, označte
regioselektivitu, případně stereoselektivitu reakce.
18. Rozhodněte, jaký produkt vznikne reakcí toluenu s chlorem při působení ultrafialového
záření do 1. stupně? Nakreslete a popište reakční mechanismus této reakce
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
19. Rozhodněte, jaké produkty vzniknou reakcí ethylbenzenu s následujícími činidly:
a. brom a bromid železitý,
b. oxid seleničitý,
c. manganistan draselný,
d. NBS v přítomnosti dibenzoylperoxidu,
e. acetylchlorid a chlorid hlinitý.
51
8. Hydroxyderiváty
Hydroxyderiváty obsahují OH (hydroxylovou) skupinu, která je vázaná na uhlíkový atom.
Alkoholy mají tuto skupinu vázanou na sp3
hybridizovaný uhlík, zatímco u fenolů je OH
skupina vázána na uhlík v sp2
hybridním stavu a tento uhlík je součástí aromatického cyklu.
Z tohoto důvodu mají tyto látky různé vlastnosti i reaktivitu. Stejně jako u halogenderivátů je
OH skupina vázána na primární, sekundární nebo terciární uhlíkový atom.
8.1 Reaktivita alkoholů
Při reakcích alkoholů může docházet ke štěpení buďto vazby O–H, nebo se může štěpit vazba
C–O. A navíc se mohou uplatňovat i volné elektronové páry na kyslíkovém atomu a tak
mohou alkoholy vystupovat v chemických reakcích jako nukleofily a báze. Reaktivita
alkoholů je tedy ovlivněna strukturou alkylového zbytku, zjn. větvením řetězce na uhlíku
nesoucím hydroxylovou skupinu.
Struktura alkoholů je podobná struktuře vody a jsou také slabě kyselé, protože kyslík je
elektronegativnější než uhlík i vodík, takže nese parciální záporný náboj a atomy uhlíku a
vodíku nesou parciální kladný náboj a to umožňuje disociaci protonu hydroxylové skupiny.
Alkoholy mají amfoterní charakter podobně jako voda. Alkoholy jsou slabšími kyselinami a
silnějšími bázemi než voda.
Při reakcích s alkalickými kovy vzniká alkoholát a uvolňuje se vodík. Tyto alkoholáty jsou
silné báze a lze je použít v řadě reakcí.
V přítomnosti silných kyselin na sebe vážou proton a vzniká alkoxoniová sůl a tyto soli potom
dále reagují substitučně s různými nukleofily za odštěpení vody. Bez této protonace by reakce
neprobíhala, protože OH skupina je špatně odstupující skupinou.
52
Reakce vedoucí k halogenalkanům
Reaktivita alkoholů klesá v řadě: R3COH > R2CHOH > RCH2OH > CH3OH
Pro přípravu primárních halogenalkanů se využívají halogenace za pomoci činidel, jakými
jsou thionylchlorid nebo halogenidy fosforité nebo fosforečné.
Dehydratace
Při dehydrataci dochází k odštěpení vody a vzniká alken. Reakci je třeba katalyzovat silnou
kyselinou (např. H2SO4, H3PO4, P2O5, atd.) a probíhá při vyšší teplotě. Tento typ reakce se
řídí Zajcevovým pravidlem (vzniká termodynamicky stabilnější produkt s více substituovanou
dvojnou vazbou).
Při kysele katalyzovaném zahřívání primárních alkoholů mohou vznikat také ethery.
Dehydratací primárních a sekundárních 1,2-diolů (vicinálních) vznikají karbonylové
sloučeniny, ale v případě terciárních 1,2-diolů (pinakolů) se setkáváme s přesmyky alkylů.
Tento přesmyk se nazývá pinakolový.
OHHO
O
H
OHO H
H
- H2O
HO
OHOH
53
Oxidace
Podle struktury alkoholů a použitého činidla, vznikají oxidací:
primárních alkoholů: aldehydy nebo až karboxylové kyseliny
RH2C OH
oxidace
R
O
H R
O
OH
aldehyd karboxylová kyselina
oxidace
- pokud se použije jako oxidační činidlo PCC (pyridinium chlorochromát) nebo PDC
(pyridinium dichromát), nebo jiné mírné a selektivní oxidační činidlo, zastaví se oxidace
alkoholu ve stádiu aldehydu.
sekundárních alkoholů: ketony
terciárních alkoholů: jsou za normálních podmínek stálé.
8.2 Reaktivita fenolů
Fenoly jsou kyselejší než alkoholy (pKa fenolu je 10, zatímco pKa alkoholů je 16-19). Je to
z toho důvodu, že disociací vzniká fenoxidový ion, který má delokalizovaný náboj a ten je
stabilizován konjugací s aromatickým jádrem. Díky kyselosti fenolů je lze převést na jejich
soli (fenoláty) použitím už alkalického hydroxidu ve vodě.
Pokud chceme zvýšit kyselost fenolů, lze zavést na jádro elektronakceptorní substituent,
elektrondonory naopak kyselost snižují.
Fenoly lze alkylovat nebo acylovat na kyslíku hydroxylové skupiny. Alkylace se provádí ve
slabě bazickém prostředí pomocí alkylačních činidel (např. alkylhalogenidy, dialkylsulfáty,
atd.) a vznikají při ní ethery. Acylace se provádí pomocí halogenidů nebo anhydridů
54
karboxylových kyselin a vznikají arylestery. Pokud by se reakce prováděla v přítomnosti
Lewisovy kyseliny, docházelo by k reakci na aromatickém jádře.
OH
NaOH
X
O
R
O
O
O
R
RR X
Fenoly lze snadno oxidovat pomocí sloučenin Cr(VI), Mn(IV), Ag2O, Fremyho solí nebo
Oxonem®
(2KHSO5
.
KHSO4
.
K2SO4) a vznikají odpovídající benzochinony.
Typickými reakcemi fenolů jsou elektrofilní aromatické substituce (viz chemie aromatických
sloučenin).
8.3 Úlohy
1. Na modelových sloučeninách – ethanol a fenol vyznačte elektronové efekty a určete
místa možného nukleofilního a elektrofilního ataku.
2. Vyznačte elektronové efekty u následujících hydroxysloučenin a stanovte pořadí jejich
kyselosti v porovnání s vodou:
a. 2,4,6-trinitrofenol
b. 2-methylpropan-2-ol
c. fenol
d. methanol
55
3. Každou z uvedených sloučenin klasifikujte jako primární, sekundární nebo terciární
alkohol:
4. Fenol rozpuštěný v ethanolu vytváří intermolekulové vodíkové vazby. Nakreslete je a
určete, které jsou nejpevnější?
5. Pro každou z uvedených reakcí navrhněte sekvenci činidel a podmínek, které umožní
jejich provedení.
a.
OH
b. OH
c.
OH
d.
OH
OH
6. Které z následujících sloučenin budou reagovat s vodným roztokem hydroxidu sodného
za vzniku sodných solí, které lze potom získat jednoduchým odpařením vody z reakční
směsi?
a. benzylalkohol
b. fenol
c. ethanthiol
d. terc-butylalkohol
e. benzenthiol
f. 4-nitrofenol
7. Určete produkty, které získáme působením kovů na dané hydroxysloučeniny:
a. methanol a hořčík v přítomnosti katalytického množství jodu
b. propan-1-ol a hořčík v přítomnosti katalytického množství jodu
c. methanol a sodík
d. 4-terc-butylfenol a sodík
56
e. benzylalkohol a sodík
f. terc-butylalkohol a draslík
g. fenol a lithium
h. butan-1-ol a vápník
8. Nakreslete a pojmenujte produkty reakcí a - d:
OH
OH
HO OH
OH
HO NO2
O
P
OH
OHHO
O
S
O
OHHO
H3C OH H
O
OH
A
a.
B
b.
C
c.
D
d.
9. Seřaďte následující isomery v pořadí od nejrychlejšího po nejpomalejší při kyselinou
katalyzované dehydrataci:
10. Navrhněte způsob přípravy trifenylmethanolu z ethyl-benzoátu.
11. Nakreslete reakční mechanismus pro obě následující transformace a vysvětlete hnací
síly přesmyků, ke kterým dochází v průběhu těchto reakcí (nezapomeňte na volné
57
elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
12. Navrhněte, jak byste z (R)-butan-2-olu připravili (R)-but-2-ylmethylsulfid. Nakreslete
reakční schéma a vysvětlete mechanismy všech syntetických kroků (nezapomeňte na
volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
13. Navrhněte, jaké produkty vznikají při dehydrataci 2,2-dimethylpropanolu kyselinou
sírovou.
14. Nakreslete reakční mechanismus pro obě následující transformace a vysvětlete hnací
síly přesmyků, ke kterým dochází v průběhu těchto reakcí (nezapomeňte na volné
elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
15. Rozhodněte, jaké produkty vzniknou oxidací daných látek:
a. propan-1-ol s dichromanem sodným v kyselém vodném prostředí
b. 2-methylpropan-1-ol s vodném roztokem manganistanu draselného
c. cyklohexanolu s pyridinium-chlorochromátem v dichlormethanu
d. butan-2-ol s dichromanem sodným v kyselém vodném prostředí
e. citronelol s pyridinium-chlorochromátem v dichlormethanu
f. hydrochinon s dichromanem sodným v kyselém vodném prostředí
g. propan-1,2,3-triol s jodistanem sodným v kyselém vodném prostředí
16. Rozhodněte, jaké produkty vzniknou reakcemi daných látek:
a. butan-1-ol s thionylchloridem
b. přebytek fenoxidu sodného s trichloridem fosforylu
c. allylalkohol s koncentrovanou kyselinou chlorovodíkovou
d. allylalkohol s bezvodým chlorovodíkem
58
e. cyklohexan-1,4-diol s přebytkem bromidu fosforitého
f. terc-butylalkohol s koncentrovanou kyselinou bromovodíkovou
17. Doplňte produkty, případně substráty ve schématu. Je-li potřebné, označte
regioselektivitu, případně stereoselektivitu reakce.
18. Nakreslete reakci butanolu s thionylchloridem a popište detailní mechanismus této
přeměny (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky,
intermediáty, náboje, závorky,…).
19. Nakreslete produkty reakcí fenolu s následujícími činidly:
a. dusitan sodný a kyselina sírová
b. směs kyselin dusičné a sírové
c. diazomethan v etheru
d. benzendiazonium-chlorid
e. brom v kyselině octové
f. chloroform a hydroxid sodný
g. oxid uhličitý a hydroxid sodný
h. chlorethan a chlorid hlinitý.
20. Doplňte produkty, případně substráty ve schématu. Je-li potřebné, označte
regioselektivitu, případně stereoselektivitu reakce.
59
9. Ethery
Ethery mají obecný vzorec R1
-O-R2
, kde R1
,R2
jsou alkylové nebo arylové zbytky. Pokud
R1
=R2
, jedná se o ethery symetrické, pokud jsou odlišné, jedná se o ethery nesymetrické.
Ethery jsou těkavé látky, charakteristického zápachu. Jsou málo reaktivní a jsou stabilní vůči
řadě činidel, a proto se v hojné míře používají jako rozpouštědla. Na vzduchu a světle vytváří
peroxidické deriváty a při jejich kumulaci může dojít k explozi.
9.1 Reaktivita etherů
Ethery lze štěpit v kyselém prostředí.
R1
O R2 HX
R1
X + R2
OH
HX
H2O
R1
X + R2
X
Williamsonova syntéza:
+ R1
CH2X ROCHR1
+ XRO
Pokud není použit primární alkylhalogenid dochází k eliminační reakci.
Reaktivním zástupcem etherů je cyklický oxiran. Jeho reaktivita je způsobena napětím jeho
kruhu. Lze jej snadno otevřít pomocí kyselé nebo bazické katalýzy. Pokud je epoxid
substituovaný, regioselektivita reakce záleží na použitých podmínkách.
60
9.2 Úlohy
1. Molekulová hmotnost n-butanolu a diethyletheru je stejná. Teploty varu uvedených
látek se značně liší. Která z látek bude vřít při vyšší teplotě a vysvětlete proč.
2. Nakreslete vzorce 2-methyloxiranu, diethyletheru a anisolu. Vyznačte jednotlivé efekty
na daných sloučeninách a určete možná místa ataku nukleofilů, elektrofilů a radikálů.
3. Navrhněte výchozí látky pro syntézu následujících etherů. Pokud je více než jedna
možnost uveďte obě.
4. Halohydriny v bazickém prostředí reagují intramolekulární SN2 reakcí. Jaké budou
produkty těchto reakcí? Nakreslete reakční mechanismus.
5. Doplňte následující schémata:
A
CH3OH
a. b.
H2O2
C
C
MCPBA
c. d.
I
OH D
KOH
H2SO4
HOOC COOH
Na2WO4
E
CH3ONa
e. f.
F
CH2N2
Br
OH
61
6. Nakreslete reakční mechanismus Williamsonovy syntézy etherů (nezapomeňte na volné
elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
Diskutujte omezení této metody z hlediska struktury substrátu.
7. Nakreslete reakční mechanismus reakce jodovodíku s 1,2-epoxy-1methylcykloheptanem
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů –
šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
8. Doplňte produkty ve schématu:
9. Napište strukturu halogenderivátu, který převedením na Grignardovo činidlo reaguje
s ethylenoxidem za vzniku uvedených produktů.
OH
OH
OH
a.
b.
c.
10. Na základě znalostí chemické reaktivity etherů vysvětlete vznik produktů A - F:
O A
HIa.
O C
BF3
b.
B
O
D
HBrc.
O F
PhMgBrd.
E
62
11. Nakreslete a pojmenujte produkty reakcí:
12. Vyřešte následující syntézu – napište struktury sloučenin A – CH.
13. Napište pro každý z níže uvedených párů sloučenin chemickou reakci, která umožní
jejich rozlišení.
O
OH
a.
a
b.
c.
d.
e.
a
O a
O a
O OHa
OH
f.
OH a OH
63
10. Organické sloučeniny síry
Síra, jako atom prvků druhé periody periodické tabulky, může obsahovat až 12 vazebných
elektronů a tím tak vytvářet 6 kovalentních vazeb, což umožňuje její vázání v molekule
různým způsobem. Vzhledem k rozmanitosti sloučenin síry se zaměříme pouze na jejich
malou část.
R2
= H, R, SR nebo halogen
R1
S R2
O
R2
= H, R, OH nebo halogen
R2
= R, SR, OH, NH2 nebo halogen
Vzhledem k umístění síry ve stejné skupině jako kyslík, pozorujeme při porovnání
organických sloučenin síry a kyslíku určitou analogii, ale také rozdíly. Alkoholům, etherům a
peroxidům odpovídají thioly, sulfidy a disulfidy: v těchto sloučeninách je síra, resp. kyslík
dvouvazebný. Síra má navíc neobsazené orbitaly typu d a proto může také tvořit sloučeniny
se čtyřmi nebo šesti vazbami, ze kterých nejdůležitější jsou oxidační produkty thiolů
(sulfenové, sulfinové a sulfonové kyseliny a jejich deriváty), sulfidů (sulfoxidy, sulfony a
jiné) a disulfidy.
Atom síry je větší než atom kyslíku, tím je více polarizovatelný, a proto jsou thioly
nukleofilnější a kyselejší než alkoholy. Rozdíly v chování alkoholů a thiolů je možné sledovat
při jejich oxidaci: alkoholy se oxidují na uhlíku a thioly na síře.
Thioly jsou těkavější než alkoholy, méně rozpustné ve vodě, což souvisí s neschopností
vytvářet pevné vodíkové vazby a mají nepříjemný zápach.
10.1 Příprava thiolů, sulfidů a disulfidů
Standartní metodou přípravy thiolů je reakce halogenalkanů s hydrogensulfidem sodným.
Nevýhodou této reakce je nutnost značného přebytku hydrogensulfidu neboť primárně
vznikající alkylthiolátový anion může reagovat s výchozí látkou za vzniku dialkylsulfidu. K
64
této reakci nedochází při použití thiomočoviny jako zdroje síry. Reakce probíhá přes
alkylthiouroniovů sůl, která se posléze rozloží vodným roztokem báze.
Disulfidy vznikají oxidací thiolů vzdušným kyslíkem nebo vlivem oxidačních činidel (např.
bromu nebo jodu).
Sulfidy je možné připravit přímou reakcí halogenalkanů s alkylthiolátovými anionty.
Sulfoxidy a sulfony se připravují oxidací příslušných sulfidů. V závislosti na použitém činidle
vznikají sulfoxidy (např. H2O2) nebo sulfony (např. peroxokyseliny).
10.2 Úlohy
1. Nakreslete a pojmenujte produkty reakcí:
2. Vysvětlete, proč jsou thioly těkavější než alkoholy?
65
3. Vyberte činidla vhodná pro sulfonaci aromatických sloučenin.
4. Jaká oxidační činidla jsou vhodná pro oxidaci sulfidů na sulfoxidy nebo sulfony?
5. K čemu dochází při stání vodního roztoku cysteinu na vzduchu? Vysvětlete.
6. Nakreslete vzorce produktů reakcí thiolů s oxidačními činidly.
a. butanthiol s jodem v alkalickém prostředí
b. ethanthiol s kyselinou dusičnou
c. benzenthiol se vzduchem
d. benzenthiol s kyselinou dusičnou
7. Doplňte následující schémata:
HN
O
HOSO2Cl
A
Zn, H2O
B
a.
8. Jaké sloučeniny vznikají oxidací dimethylsulfidu pomocí těchto činidel? Nakreslete.
a. ekvimolární množství peroxidu vodíku
b. přebytek peroxidu vodíku
c. vodný roztok peroxoboritanu sodného
d. kyselina dusičná
9. Vyřešte rovnice chemických reakcí daných látek:
a. p-toluensulfonová kyselina s thionylchloridem v dimethylformamidu
b. o-toluensulfonová kyselina s chloridem fosforečným
c. benzensulfonan sodný s chloridem fosforečným
d. p-toluensulfonylchlorid s amoniakem
e. benzensulfonylchlorid se zinkem v kyselině chlorovodíkové
f. benzensulfonylchlorid s ethanolem v prostředí terciárního aminu
g. p-toluensulfonylchlorid s vodným roztokem siřičitanu a hydroxidu sodného
10. Navrhněte syntézu sulfanilamidu z anilinu.
66
11. Doplňte produkty reakcí ve schématech:
12. Pevný sulfonamid sulfamethoxazol (na obrázku) je ve vodě nerozpustný, ale rozpouští
se ve vodném roztoku alkalického hydroxidu. Vysvětlete.
13. Vyberte a doplňte vhodné reagenty do schématu:
S
OO
S
Cl
O
O S
OCH3
O
O
S
NH2
O
O S
N
O
O
S
OH
O
S
OCH3
O
OH
S
OH
O
O
SH
S
O Na
O
A C
D
E
F
G
H
CH
J
I
B
1. K
2. L
14. Co vzniká přímou reakcí dimethylsulfoxidu s hydridem sodným?
67
15. Při zahřívání dimethylsulfoxidu s methyljodidem vzniká sůl, která působením hydridu
sodného poskytuje ylidy. Nakreslete reakční mechanismus této reakce (nezapomeňte na
volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
16. Napište pro každý z níže uvedených párů sloučenin chemickou reakci, která umožní
jejich rozlišení.
17. Nakreslete meziprodukty a produkty reakcí:
18. Nakreslete meziprodukty a produkty reakcí:
68
11. Karbonylové sloučeniny
Aldehydy a ketony se obecně označují karbonylové sloučeniny. Jsou to látky poměrně
reaktivní, protože ve své molekule obsahují karbonylovou funkci C=O. Jedná se o látky
polární. Atom kyslíku má vyšší elektronegativitu než atom uhlíku a proto jsou π elektrony
posunuty směrem k němu a vazba je silně polarizovaná. Na atomu kyslíku tak vzniká
parciální záporný náboj a na atomu uhlíku parciální kladný náboj.
11.1 Reaktivita aldehydů a ketonů
Typickými reakcemi karbonylových sloučenin jsou nukleofilní adiční reakce. Tyto typy reakcí
mohou probíhat dvěma základními mechanismy:
Příklady nukleofilních adicí aldehydů a ketonů:
R1
R2
O
R3
MgX
R1 R2
HO R3
H2O
R1 R2
HO OH
R3
OH
R1 R2
HO OR3
R1 R2
R3
O OR3
HCN
R1 R2
HO CN
oxidace
R2
= H
R1 OH
O
redukce
R1 R2
OH
Ph3P
R4
R3
R2
R3
R4
R1
H
H
H
R3
OH
Karbonylová skupina zvyšuje kyselost α-vodíků (vodíků na uhlíkovém atomu, který je
v sousedství s karbonylovou funkcí). Pokud dojde k odtržení tohoto vodíku, vzniká enolátový
69
anion, který je stabilizován konjugací s karbonylovou skupinou. Pokud přijme zpět proton,
který se připojí na kyslíkový atom, vzniká enolforma karbonylové sloučeniny.
Kysele a bazicky katalyzovaná enolizace:
Příklady reakcí:
ketoforma
enolforma
enolát
O
H
RNH2
R2NH
NH2NH2
KOH B
H
- H
O O
OHN
H
N
H
HH
R
RR
- HB
Aromatický vicinální diketon benzil podléhá při reakci s alkalickým hydroxidem za zvýšené
teploty tzv. benzilovému přesmyku, jehož mechanismus je naznačen na schématu.
OO
OH
O
OH
O O
O
O
H
OH
O
O
H3OCOOH
OH
70
11.2 Úlohy
1. Rozhodněte, která látka z následujících párů je ve vyšším oxidačním stupni. Vysvětlete
proč?
aH3C C N H3C C
NH
H
a H3C C
O
H
H3C C
O
OH
aH3C C N H3C CH2
NH2
a H3C C
O
OCH3
H3C C
O
OH
a H3C C
O
D
H3C C
O
H
a.
b.
c.
d.
e.
2. Seřaďte následující karbonylové sloučeniny podle reaktivity atomu uhlíku jejich C=O
skupiny k nukleofilní adici.
3. Nakreslete reakční mechanismus nukleofilní adice methanolu na aceton v kyselém
prostředí (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky,
intermediáty, náboje, závorky,…).
4. Nakreslete reakční mechanismus nukleofilní adice ethylenglykolu na cyklohexanon v
kyselém prostředí (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky,
intermediáty, náboje, závorky,…).
5. Nakreslete vzorce a napište názvy produktů vznikajících reakcemi daných látek
s fenylmagnesiumjodidem s následnou hydrolýzou meziproduktu vodou.
a. benzaldehyd
b. formaldehyd
71
c. acetofenon
d. benzofenon
6. Nakreslete reakční mechanismus reakce anilinu s acetaldehydem (nezapomeňte na
volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
7. Nakreslete reakční mechanismus reakce butylaminu s acetonem (nezapomeňte na volné
elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
8. Nakreslete reakční mechanismus reakce hydroxylaminu s acetofenonem (nezapomeňte
na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
9. Na příkladu Wittigovy reakce vysvětlete mechanismus nukleofilní adice fosfoniumylidů
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
10. Na příkladu benzoinové kondenzace vysvětlete adice kyanidů na karbonylové
sloučeniny (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky,
intermediáty, náboje, závorky,…).
11. Nakreslete mechanismus thiaminem katalyzované benzoinové kondenzace
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
12. Určete produkty, které získáme působením vodného roztoku hydroxidu sodného na
dané karbonylové sloučeniny:
a. benzaldehyd
b. formaldehyd
c. propanal
d. butan-2-on
e. acetaldehyd
f. 2,2-dimethylbutanal
g. směs benzaldehydu a acetaldehydu v ekvimolárním poměru
h. směs benzaldehydu a acetonu v ekvimolárním poměru
ch. směs benzaldehydu a acetonu v poměru 2 : 1
i. směs benzaldehydu a acetofenonu v ekvimolárním poměru
72
j. směs benzaldehydu a formaldehydu v ekvimolárním poměru
k. směs acetaldehydu a acetonu v ekvimolárním poměru
13. Na příkladu reakce diethylaminu (sekundárního aminu) s cyklopentanonem vysvětlete
mechanismus vzniku enaminů (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny
elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
14. Nakreslete mechanismus reakce benzaldehydu s vodným roztokem hydroxidu sodného
nebo draselného (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky,
intermediáty, náboje, závorky,…).
15. Doplňte produkty, případně substráty ve schématu:
KOH,
MgBr1.
2. H3O+
2. H3O+
1. NaBH4
NH2NH2
NH2OH
CH3COOH
1. O3
2. Zn, CH3COOH
H2SO4
Ph3P CH
AlCl3
H2, Pd/C
Ethanol
1-fenyl-2,2-dimethyl-
propan-1-on
HO OH
N
H
O
CH3COOH
COOCH3
16. Nakreslete reakční mechanismus benzilového přesmyku (nezapomeňte na volné
elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
17. Které z uvedených sloučenin dají pozitivní jodoformový test?
a. pentan-2-on
b. pentan-3-on
c. kyselina octová
d. ethyl-acetát
e. acetofenon
f. pentanal
73
18. Nakreslete reakční mechanismus haloformové reakce (nezapomeňte na volné
elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
19. Doplňte produkty, případně substráty ve schématu:
KOH,
2. H3O+
1. LiAlH4
NH2NH2
CH3COOH
1. O3
2. Zn, CH3COOH
Ph3P CH2
H2N
CH3COOH
N
H
H
Al
THF
KOH,
1-methylcyklopentan-
1-karbaldehyd
NaCN,
CrO3
H3O+
aceton
20. Vyřešte následující syntézu – napište struktury sloučenin A – CH.
74
12. Karboxylové kyseliny a deriváty, nitrily
Karboxylové kyseliny obsahují ve své struktuře jednu nebo více karboxylových skupin –
COOH. Typickou vlastností těchto látek je jejich kyselost, která závisí na typu atomů, které
jsou připojeny k řetězci. Pokud mají substituenty kladný indukční efekt, kyselost snižují a
pokud mají záporný indukční efekt, kyselost zvyšují. Se zvětšujícím se počtem substituentů se
efekt zesiluje.
Karboxylové kyseliny snadno vytvářejí soli i se slabými zásadami a tyto soli jsou rozpustné
ve vodě.
12.1 Reaktivita karboxylových kyselin
Typickými reakcemi karboxylových kyselin a jejich funkčních derivátů jsou nukleofilní
acylové substituce. Stejně jako karbonylové sloučeniny obsahují karboxylové kyseliny a
jejich deriváty polární karbonylovou funkci. Elektrofilita karbonylového uhlíku je však u
těchto látek snížena konjugačním efektem kyslíku hydroxylové skupiny. Nukleofilní acylace
probíhají adičně-eliminačním mechanismem. V prvním kroku se aduje nukleofil na
karbonylový uhlík, vzniká tetraedrický intermediát a posunem elektronů se opět regeneruje
karbonylová skupina a odštěpí se nejlépe odstupující skupina.
Karboxylové kyseliny lze redukovat pomocí redukčních činidel (LiAlH4) až na primární
alkoholy. Pokud se použije speciální redukční činidla (např. DIBAH - diisobutylaluminium
hydrid) zastaví se redukce esterů nebo nitrilů karboxylových kyselin ve fázi aldehydu.
Karboxylové kyseliny se nejčastěji připravují oxidací primárních alkoholů nebo aldehydů,
reakcí KMnO4 s alkeny, reakcí Grignardova činidla s CO2, nebo nitrilovou syntézou.
75
R C N
R
OH
N
OH H2O
R
OH
NH
OH
R
O
N
H
H
OH
R
O
NH2
OHOH
R
O
NH2
OH2O
- NH2
R
O
O
12.2 Reaktivita nitrilů
Nitrily se připravují reakcí alkylhalogenidu s kyanidy, nebo dehydratací amidů například
pomocí SOCl2.
Typické reakce nitrilů:
12.3 Reaktivita funkčních derivátů karboxylových kyselin
Mezi základní funkční deriváty karboxylových kyselin patří: acylhalogenidy, anhydridy,
amidy a estery. Jejich reaktivita klesá v pořadí: acylchlorid > anhydrid > ester > amid.
R
O
OH
R
O
X
R
O
OR
O
OR1
R
O
NH2
O
R(R1
)
amid
ester
acylhalogenid
anhydrid
Stejně jako u karboxylových kyselin, je typickou reakcí pro jejich funkční deriváty nukleofilní
acylová substituce s adičně-eliminačním mechanismem.
76
Příkladem těchto reakcí jsou solvolýzy derivátů karboxylových kyselin, které zahrnují reakce
s molekulami okolního prostředí (většinou se jedná o molekuly rozpouštědla).
-Hydrolýza (při použití chloridů, vzniká HCl, takže je nutné použít např. pyridin, u amidů je
tato reakce náročná, protože amidové seskupení je stabilní)
-Aminolýza (používá se primární nebo sekundární amin, u chloridů se použijí 2 ekvivalenty)
-Alkoholýza (rychlost reakce závisí na použitém alkoholu)
Funkční deriváty karboxylových kyselin lze také redukovat na příslušné primární alkoholy
nebo aldehydy. Amidy se redukují na aminy.
Acylhalogenidy také podléhají reakci s Grignardovými a Gilmanovými činidly.
12.4 Úlohy
1. Na konkrétním příkladu vysvětlete, proč:
a. jsou karboxylové kyseliny silnější kyseliny než alkoholy,
b. zabudování elektronakceptorní skupiny do řetězce karboxylové kyseliny zvyšuje její
kyselost,
c. zabudování elektrondonorní skupiny do řetězce karboxylové kyseliny snižuje její
kyselost.
2. Rozhodněte, která z látek je nejkyselejší a která je nejméně kyselá. Seřaďte podle
klesající kyselosti.
3. Nakreslete, co vznikne reakcí amoniaku s kyselinou benzoovou a amoniaku s methylbenzoátem.
Vysvětlete.
77
4. Rozhodněte, která z látek je nejkyselejší a která je nejméně kyselá. Seřaďte podle
klesající kyselosti.
5. Vyberte sloučeninu z každého z následujících párů, která by byla snadněji napadnutelná
nukleofilem na atomu uhlíku C=O vazby. Vysvětlete proč.
a. acetaldehyd a aceton
b. acetaldehyd a methyl-acetát
c. aceton a dimethylacetamid
d. acetamid a methyl-acetát
6. Určete, který vodík je nejkyselejší v uvedených strukturách:
7. Navrhněte syntézu protizánětlivého léku ibuprofenu z isobutylbenzenu.
8. Nakreslete schémata přípravy kyselin:
a. kyseliny 4-nitrobenzoové z toluenu,
b. kyseliny adipové z cyklohexenu,
c. kyseliny oktanové z oktan-1-olu,
d. kyseliny hexanové z hexanalu,
e. kyseliny fenyloctové z benzylbromidu,
f. kyseliny cyklohexankarboxylové z cyklohexankarbonitrilu.
9. Nakreslete reakční schéma přípravy kyseliny 3-fenylprop-2-enové z benzaldehydu a
kyseliny malonové.
10. Nakreslete reakční mechanismus reakce kyseliny benzoové s thionylchloridem
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
78
11. Nakreslete reakční mechanismus reakce kyseliny máselné s bromidem fosforitým
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
12. Nakreslete produkty reakce benzoylchloridu s:
a. amoniakem,
b. ethanolem,
c. fenylmagnesiumbromidem
d. azidem sodným,
e. vodou,
f. anilinem.
13. Na příkladu kyseliny propanové a ethanolu nakreslete reakční mechanismus Fischerovy
esterifikace (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky,
intermediáty, náboje, závorky,…).
14. Co bude produktem reakce benzamidu s:
a. oxidem fosforečným,
b. roztokem hydroxidu sodného,
c. LiAlH4.
15. Navrhněte syntézu protizánětlivého léku kyseliny acetylsalicylové (Aspirin) z fenolu.
16. Nakreslete schémata přípravy následujících látek z kyseliny chloroctové:
a. nitromethan,
b. kyselina malonová,
c. kyselina kyanoctová.
17. Vysvětlete, proč mají nitrily nižší teploty varu než příslušné karboxylové kyseliny.
18. Rozhodněte, která z látek je nejkyselejší a která je nejméně kyselá. Seřaďte podle
klesající kyselosti.
79
19. Nakreslete produkty reakcí:
20. Pro každou z uvedených reakcí navrhněte sekvenci činidel a podmínek, které umožní
jejich provedení:
OH CN
CN
CN
a.
b.
c.
21. Nakreslete reakční mechanismus Hofmannova odbourávání amidů (nezapomeňte na
volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
22. Nakreslete reakční mechanismus Curtiova odbourávání acylazidů (nezapomeňte na
volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
23. Nakreslete reakční schéma rozkladu ethyl-2-benzyl-3-oxobutanoátu účinkem zředěné
minerální kyseliny.
24. Navrhněte syntézu uvedených látek z ethyl-acetoacetátu nebo diethyl-malonátu.
25. Navrhněte přijatelnou syntézu následujících sloučenin z ethyl-acetoacetátu nebo
diethyl-malonátu.
80
26. Nakreslete meziprodukty a produkty reakcí:
O
O
O
A
C
E
B
D
F
H2O
t-BuOH
kyselina
glutarová
H2N NH2
HN
NHO
27. Na příkladu reakce hexanové kyseliny s PBr3 a následné reakce s bromem a potom
s vodou vysvětlete reakční mechanismus Hellovy-Volhardovy-Zelinského reakce.
Nakreslete mechanismus jak vzniku acylbromidu, tak samotné α-bromace a následné
hydrolýzy. (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky,
intermediáty, náboje, závorky,…).
28. Nakreslete kompletní reakční mechanismus halogenace ketonů v alkalickém prostředí a
následující haloformové reakce (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny
elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
29. Nakreslete reakční mechanismus Dieckmannovy reakce (nezapomeňte na volné
elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
30. Nakreslete reakční mechanismus Robinsonovy anelace (nezapomeňte na volné
elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
31. Napište, jaký je rozdíl v reakci diazomethanu s karboxylovou kyselinou a chloridem
karboxylové kyseliny?
R
O
Cl
R
O
OH
C N N
H
H
81
32. Doplňte všechny produkty, a reakční činidla ve vícesměrce.
R20
R19
R18
R17
R3
R16
R15
R14
R13
R12
COOH
A
SOCl2

R8
H
I
CH2OH
C H
CN
K
SOCl2

R8
H3O+

R7H3O+

R7
PhCOONa
O
NH3R6
NH3R6
R3
D
PCC
CH2Cl2
R4
J
BAc2OR11
B
CH3OH
H+
R2
NH3R6

CH2OH
CR3
CH2NH2
N
G MNaN3
DMF
H2, Pd/C
E
CN
K
NH2OHR5
1. Li(CH3)2Cu
2. H3O+
1.Br2
NaOH
2.H3O+
R9
CH3OH
pyridin
D
DIBAH
1.CH3MgBr
2.H3O+
COOH
A
1. NaOH
2. CH3I
R1
L
1. NaOEt
2. CH3COOEt
3. H3O+
F
1.NaOEt
2.CH3CH2I
3.H3O+
, 
1.CH3MgI
2.H3O+
3.CrO3
R10
CH3COONa
R18 CH3OH
pyridin
R3
R21
82
13. Deriváty kyseliny uhličité
Do skupiny těchto látek patří sloučeniny, které vznikají nahrazením všech vodíkových atomů
v molekule methanu elektronegativními substituenty. Základním představitelem je kyselina
orthouhličitá, která je však látkou hypotetickou. Její halogenidy jako tetrachlormethan a
brommethan jsou už látky stabilní. První z nich se používá jako rozpouštědlo, dnes už
okrajově z důvodu vysoké toxicity. Druhá látka slouží jako prekursor pro přípravu alkylorthokarbonátů,
které našli uplatnění při chránění karbonylových sloučenin. Formální
dehydratací kyseliny orthouhličité vzniká kyselina uhličitá, která je také nestálá a rozkládá se
na oxid uhličitý a vodu.
kyselina
orthouhličitá
O C
Cl
Cl
fosgen kyselina uhličitá
O C
NHNH2
NH2
semikarbazid
chlorkyan karbodiimid
Br
C
Br
BrBr
tetrabrommethan kyselina
chlormravenčí
O C
NH2
OH
kyselina
karbamová
thiofosgen
kyanamid
dialkyl-
karbodiimid
tetrachlormethan
alkyl-
chlorformiát
O C
NH2
OR
alkyl-karbamát
(urethan)
thiomočovina
kyselina
kyanatá
kyselina
isokyanatá
alkylisokyanát
OR
C
OR
ORRO
alkyl-
orthokarbonát
karbamoyl-
chlorid
močovina thiosemikarbazid
kyselina
thiokyanatá
kyselina
isothiokyanatá
alkyl-
isothiokyanát
Funkční deriváty kyseliny uhličité vznikají nahrazením hydroxylové skupiny halogenem,
aminoskupinou nebo alkoxyskupinou. Samotná kyselina uhličitá a její deriváty s nahrazenou
jen jednou hydroxylovou skupinou jsou nestabilní (uvedeny v závorce) a samovolně se
rozkládají. Tabulka uvádí přehled základních funkčních derivátů kyseliny uhličité.
Nejznámějším zástupcem funkčních derivátů kyseliny uhličité je fosgen, neboli dichlorid
kyseliny uhličité, ale také chlorid kyseliny chlormravenčí. Připravuje se reakcí chloru
s oxidem uhelnatým, katalyzovanou ultrafialovým záření. Je to toxický plyn typického
83
zápachu, který se využívá zejména v chemickém průmyslu pro výrobu dalších derivátů
kyseliny uhličité nebo mnoha jiných intermediátů. Je vysoce reaktivní a reaguje
s nukleofilními činidly obdobně jako acylhalogenidy s tím rozdílem, že v případě fosgenu je
možně nahradit oba halogeny nukleofilem. S vodou se rozkládá na chlorovodík, vodu a CO2,
s jedním ekvivalentem alkoholu vznikají chlorformiáty a s přebytkem alkoholu karbonáty.
S přebytkem amoniaku vzniká močovina a analogicky s primárními a sekundárními aminy
poskytují alkylované močoviny. V případě použití pouze jednoho ekvivalentu primárního
aminu nebo méně dochází ke vzniku karbamoylchloridů, které zahříváním poskytnou alkylnebo
arylisokyanáty.
Chlorformiáty mají značné využití v organické syntéze. S amoniakem nebo primárními a
sekundárními aminy poskytují karbamáty (urethany), které jsou vlastně ester-amidy kyseliny
uhličité.
Močovina neboli diamid kyseliny uhličité je látka bazičtější než amidy karboxylových
kyselin, ale méně bazická než aminy. Lehce podléhá alkylaci alkylhalogenidy na kyslíku a
vytváří alkylisomočoviny. Alkylaci na dusíku je možné provést reakcí s alkylamonium
hydrochoridy. Močovina podléhá Hofmannovu odbourávání za vzniku hydrazinu a je také
možné ji acylovat. Deriváty vzniklé diacylací se nazývají ureidy. Mezi ně patří také deriváty
kyseliny barbiturové, které se používají jako léčiva a připravují se kondenzací
substituovaných diethyl-malonátů s močovinou.
Semikarbazid je amidem-hydrazidem kyseliny uhličité a používal se jako analytické činidlo
pro důkaz karbonylových sloučenin.
Guanidin se liší od močoviny tím, že C=O skupina v molekule je nahrazena skupinou C=NH.
Je to jedna z nejsilnějších organických bází a nalezneme ji jako funkční skupinu v bočním
řetězci aminokyseliny argininu.
84
Poslední skupinou látek z této kategorie jsou tzv. heterokumuleny, které obsahují ve své
struktuře kumulované dvojné vazby na centrálním atomu uhlíku s heteroatomy O, S nebo N.
Mezi charakteristické reakce heterokumulenů patří nukleofilní adice na centrální atom uhlíku.
Reakce isokyanátu s nukleofilem
Alkyl- a arylisokyanáty vznikají kromě reakce aminů s fosgenem taky při odbourávání
amidů (Hofmannovo), acylazidů (Curtiovo) nebo hydroxamových kyselin (Lossenovo).
S vodou reagují za vzniku nestabilních derivátů kyseliny karbamové, které se dále rozkládají
na amin a oxid uhličitý. Vzniklý amin může reagovat se zbytkem isokyanátu a produktem
bude disubstituovaná močovina. Adicí alkoholů dochází k tvorbě karbamátů (urethanů).
Obdobné reakce poskytují i sirné analogy isokynátů. Fenyl-isothiokyanát se využívá při
stanovení primární struktury peptidů (Edmanovo odbourávání).
Mezi heterokumuleny patří také karbodiimidy, které našli uplatnění jako dehydratační
činidla. Nejrozšířenější z nich je dicyklohexylkarbodiimid (DCC), který se používá jako
činidlo při přípravě esterů, amidů a případně anhydridů.
85
13.1 Úlohy
1. Napište, jak se průmyslově vyrábí fosgen a v čem spočívá jeho toxicita.
2. Nakreslete schéma reakce methyl-orthokarbonátu s cyklohexanonem. Čím je tato reakce
katalyzována?
3. Doplňte produkty ve schématu:
O
Cl
Cl
RNH2
N
CH3CH2OH
2 CH3CH2OH
HN
NH3(přebytek) H2O
(přebytek)
HO
NH2
4. Navrhněte produkt reakce močoviny s bromem v prostředí hydroxidu sodného.
5. Doplňte produkty ve schématu:
N C O
NH
CH3CH2OH
H2O
H2N
H
N
R
O R'
N
H
O
R''
6. Nakreslete reakční mechanismus Edmanova odbourávání peptidů (nezapomeňte na
volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
7. Nakreslete reakční mechanismus přípravy N-fenethylcyklohexankarboxamidu pomocí
dicyklohexylkarbodiimidu – DCC (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny
86
elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
8. Vysvětlete pojem polyurethany. Navrhněte mechanismus vzniku urethanu nukleofilní
adicí alkoholu na isokyanát.
9. Připravte močovinu, resp. thiomočovinu z fosgenu nebo thiofosgenu a nechte je
reagovat s benzylchloridem. Odůvodněte různý průběh reakce.
10. Insekticid Sevin (Karbaryl) má systematický název 1-naftyl-N-methylkarbamát.
Navrhněte jednoduchou syntézu této látky:
11. Alkyl-chlorformiáty patří mezi důležitá činidla pro chránění –OH, –SH a –NH2 skupin a
aktivaci –COOH skupiny. Navrhněte přípravu alkyl-chlorformiátů, nakreslete struktury
ochráněných zmíněných skupin a aktivované karboxylové skupiny. Určete druh alkylu,
který je vhodný pro odstranění v bazickém, kyselém a neutrálním (katalytickou
hydrogenolýzou na Pd) prostředí.
87
14. Sloučeniny dusíku
Do této kategorie patří sloučeniny, kde je atom dusíku přímo vázaný na atom uhlíku. Tyto
látky dělíme na:
Aminy
R1
NH
R2
R1
N
R2
R3
Hydrazony
Amoniové soli Oximy
R R(H)
N
OH
Nitrosloučeniny R N
O
O
Nitrily
Nitrososloučeniny Isonitrily R N C
Azidy R N N N Amidy
Azosloučeniny Hydrazidy
Azoxysloučeniny Acylazidy
Hydrazosloučeniny
Hydroxamové
kyseliny
Hydraziny R
N
H
H
N
H Diazoniové soli
Hydroxylaminy R
N
H
O
H Diazosloučeniny
88
14.1 Aminy
Aminy je možné považovat za deriváty amoniaku, kde atom nebo atomy vodíku jsou
nahrazeny alkylovou nebo arylovou skupinou. Rozeznáváme primární, sekundární a terciární
aminy podle toho, kolik atomů vodíku je nahrazeno uhlíkatým řetězcem nebo cyklem.
V případě, že jsou na atom dusíku navázány čtyři alkylové skupiny (formálně náhradou
vodíkových atomů v amoniovém iontu), hovoříme o kvarterních amoniových solích.
Struktura aminů je analogická amoniaku. Molekula má tetraedrické uspořádání, kde čtvrtým
substituentem je volný elektronový pár dusíku. Valenční uhel je závislý na typu aminu. Aminy
není možné rozdělit na jednotlivé enantiomery, protože dochází neustále k překlápění jedné
enantiomerní formy na druhou. Potřebná energie je pouze 25 KJ.mol-1
. Volný elektronový pár
na atomu dusíku je příčinou zásaditosti aminů. Ta se však mění vlivem elektronových efektů
substituentů, solvatací a sterických faktorů.
14.2 Amoniové soli
Kvarterní amoniové soli jsou tvořeny kladně nabitými kationty NR4
+
, kde R mohou být
alkylové nebo arylové skupiny a příslušným aniontem, nejčastěji to jsou halogenidy nebo
hydrogensulfáty. Připravují se tzv. kvarternizací, což je úplná alkylace amoniaku nebo jiných
aminů. Kvarterní amoniové sloučeniny se používají jako katalyzátory fázového přenosu pro
reakce v systémech dvou vzájemně nemísitelných rozpouštědel. Působením vodného roztoku
oxidu stříbrného přecházejí na kvarterní amoniové hydroxidy, které zahříváním poskytují
terciární amin, alken a vodu (Hofmannova eliminace). Na rozdíl od eliminačních reakcí, jako
je dehalogenace a dehydrohalogenace se Hofmannova eliminace neřídí Zajcevovým
pravidlem, ale Hofmannovým pravidlem. Podle Hofmannova pravidla vzniká vždy méně
substituovaný alken a to z důvodů sterických a elektronových.
14.3 Nitrosloučeniny
Nitrosloučeniny jsou látky, kde je na uhlíkový skelet navázána jedna, nebo více nitroskupin –
NO2. Nitroskupina se vyznačuje výrazným –I a –M efektem, což se projeví značným
ovlivněním chování molekuly. Atom dusíku je sp2
hybridizován a nese kladný náboj. Na
druhé straně se oba atomy kyslíku dělí o záporný náboj.
89
Z tohoto důvodu jsou nitrosloučeniny látky silně polární s poměrně vysokými teplotami varu.
Nitroalkany se nejčastěji připravují radikálovou nitrací alifatických nasycených uhlovodíků
kyselinou dusičnou nebo oxidy dusíku za zvýšené teploty a aromatické nitrosloučeniny
substituční elektrofilní nitrací nejčastěji pomocí nitrační směsi. V případě alifatických
nitrosloučenin je α–vodík kyselý. Karbanion vzniklý odtržením protonu je stabilizován
delokalizací záporného náboje na elektronegativnějším atomu kyslíku nitroskupiny. Je to
analogie tvorby enolátu z karbonylových sloučenin. Acidita alifatických nitrosloučenin je
vyšší než v případě aldehydů a ketonů. Nitroalkany tvoří soli již reakcí s vodnými roztoky
alkalických hydroxidů. Po následné acidifikaci dochází k protonizaci na kyslíkovém atomu a
získá se tautomerní forma nitrolátky - tzv. aciforma. Ta postupně přechází zpět na
termodynamicky stabilnější nitroformu.
Na obrázku jsou znázorněny reaktivní centra alifatických a aromatických nitrosloučenin.
CH N
O
O
R
H
B
E
Nu
N
O
O
E
Nu
E (SE)
Nu (SN)
Nu (SN)
Nitrosloučeniny se využívají nejvíce jako chemické intermediáty použitelné pro mnoho
chemických transformací. Redukcí aromatických nitrosloučenin je možné připravit řadu
sloučenin dusíku. Všeobecně probíhá redukce nitrobenzenu v prvním stupni na nitrosobenzen,
ten se pak dále redukuje na fenylhydoxylamin a posléze až na anilin. Jednotlivá stádia
redukce jsou popsána ve schématu.
90
Průběh redukce je do značné míry závislý na pH reakce. Například redukcí nitrobenzenu
kovem (Zn, Sn, Fe) v kyselém prostředí vzniká anilin stejně jako v případě redukce vodíkem
na povrchu hydrogenačních katalyzátorů (Pd, Pt, RaNi). V neutrálním prostředí vzniká
fenylhydroxylamin a v zásaditém v závislosti na dalších podmínkách azobenzen,
azoxybenzen nebo hydrazobenzen.
NO2
N
N
Zn/NaOH
N
N
O
Zn/AcOH, Ac2O
nebo
glukóza/NaOH
NH
HN
NH
OH
NH2
hydrazobenzen
azobenzen
azoxybenzen
anilin fenylhydroxylamin
Zn/NH4Cl
Znpřebytek/NaOH
Fe nebo Sn
HCl
nebo
H2, Pd/C
nebo
As2O3, NaOH
H2O
EtOH
V případě použití mírnějších podmínek může docházet ke kondenzaci nitrosobenzenu
s fenylhydroxylaminem a tím ke vzniku produktů jako je azobenzen, azoxybenzen nebo
hydrazobenzen.
14.4 Nitrososloučeniny
Nitrososloučeniny jsou látky obsahující nitrososkupinu navázanou na uhlíkatý zbytek přes
atom uhlíku (C-nitrososloučeniny) nebo přes atom dusíku (N-nitrososloučeniny). Aromatické
nitrososloučeniny je možno získat přímou nitrosací nitrosoniovým iontem NO+
jen v případě,
že aromatické jádro obsahuje aktivující skupinu. Alifatické primární a sekundární Cnitrososloučeniny
lehko isomerizují na příslušné oximy.
C-Nitrososloučeniny jsou látky nestálé, lehko dimerizují až polymerizují. Snadná je i oxidace
na nitrosloučeniny a v přítomnosti redukčních činidel zase na příslušné aminy. NNitrososloučeniny
vznikají reakcí sekundárních aminů s kyselinou dusitou a jsou také nestálé.
91
14.5 Azidy
Organické azidy jsou látky obsahující skupinu -N3 navázanou na uhlíkatý řetězec. Připravují
se zejména nukleofilní substitucí halogenalkanů s azidem sodným. Reaktivita organických
azidů značně závisí na reakčních podmínkách a je velice různorodá, což lze vysvětlit existencí
řady polárních rezonančních struktur.
Reaktivitu organických azidů vyjadřuje následující obrázek. Ve většině případů reagují
organické azidy s elektrofily na dusíku N-1 a s nukleofily na dusíku N-3.
R N N N
E Nu
1 2 3
14.6 Hydrazosloučeniny, azosloučeniny a azoxysloučeniny
Hydrazosloučeniny jsou vlastně N,N´-disubstituované hydraziny. Snadno se oxidují na
příslušné azosloučeniny.
Azosloučeniny vznikají kopulační reakcí diazoniových solí s elektronově bohatými
aromatickými sloučeninami (fenoly, aniliny), oxidativní dimerizací aromatických aminů nebo
redukcí nitrosloučenin v mírných podmínkách. Rovněž jsou produktem oxidace
hydrazosloučenin.
Azoxysloučeniny vznikají také redukcí nitrosloučenin v mírných podmínkách, nebo jsou
produktem oxidace azosloučenin např. peroxidem vodíku.
Vzhledem k přítomnosti dvojné vazby mohou azo a azoxysloučeniny existovat jako E a
Z isomery. Typickou vlastností azosloučenin je fotoisomerace. Termodynamicky stabilnější
trans-azobenzen, nebo taky trans-difenyldiazen přechází působením ultrafialového záření na
cis-isomer, který termicky isomeruje zpět na stabilnější.
92
14.7 Hydraziny a hydroxylaminy
Hydraziny se připravují zejména redukcí diazoniových solí. Jsou to látky bazické a reagují
s aldehydy a ketony za vzniku hydrazonů.
Aromatické hydroxylaminy vznikají redukcí nitrobenzenu v neutrálním prostředí, účinkem
minerálních kyselin se přesmykují na aromatické aminofenoly.
14.8 Hydrazony a oximy
Hydrazony a oximy, obdobně jako iminy, obsahují vazbu C=N a proto jsou funkčními
deriváty karbonylových sloučenin. Jsou ale stálejší než iminy. Připravují se kondenzačními
reakcemi aldehydů a ketonů s hydraziny nebo hydroxylaminem. Hydrazony se využívají jako
intermediáty při Wolfově-Kižněrově redukci karbonylových sloučenin. Oxidací hydrazonů
vznikají diazosloučeniny. Oximy mohou být vhodnými intermediáty pro přípravu primárních
aminů, v případě aldoximů vznikají nitrily (dehydratací). Oximy mají značné využití
v průmyslu. Beckmannův přesmyk cyklohexanon-oximu nalezl technické využití při výrobě
kaprolaktamu a posléze Nylonu 6. Je kysele katalyzován a jeho mechanismus je uveden ve
schématu.
93
14.9 Nitrily a isonitrily
Nitrily (organické kyanidy) jsou sloučeniny, které obsahují funkční skupinu -C≡N. Jsou
blízké karboxylovým kyselinám, protože nitrilová skupina je polarizovaná stejně jako
karbonylová. Chemii nitrilů se proto více věnuje kapitola pojednávající o karboxylových
kyselinách a jejich derivátech.
Organické isonitrily nebo také isokyanidy jsou látky, pro něž je charakteristická přítomnost
skupiny -N≡C (isomerní s nitrilovou skupinou) v jejich molekule. Isonitrilová skupina
existuje ve formě těchto rezonančních struktur:
Isonitrily jsou látky značně reaktivní a nalézají uplatnění zejména v organické syntéze.
14.10 Amidy, acylazidy, hydrazidy a hydroxamové kyseliny
Amidy se standardně připravují reakcí acylhalogenidů s aminy. V případě přípravy
hydrazidů se místo aminů použijí odpovídající hydraziny. Acylazidy vznikají působením
kyseliny dusité na hydrazidy nebo azidu sodného na chloridy kyselin. Hydroxamové
kyseliny je možné získat reakcí acylchloridů nebo esterů s hydroxylaminem v bazickém
prostředí. Všechny tyto sloučeniny patří mezi funkční deriváty karboxylových kyselin a více
se jim věnuje kapitola o karboxylových kyselinách a jejich derivátech.
14.11 Diazoniové soli
Diazoniové soli vznikají nitrosací (diazotací – reakcí kyseliny dusité generované in situ
z dusitanu sodného a minerální kyseliny) primárních aminů, ale jejich stabilita závisí hlavně
na charakteru uhlíkatého zbytku. Aromatické diazoniové soli jsou stabilnější (omezeně stálé
za nízké teploty) než alifatické, ale i přesto se většinou neizolují z reakční směsi s výjimkou
např. tetrafluoroborátů, které je možné izolovat v tuhém stavu.
94
Jejich typické reakce rozdělujeme na:
- substituční – molekula dusíku se eliminuje a diazoskupina je nahrazena substituentem (H,
OH, X, NO2, CN, NCS). Reakce je možné uskutečnit termicky nebo za přítomnosti měďného
katalyzátoru (Sandmayerovy reakce).
- kopulační – diazoniový kation je slabým elektrofilním činidlem a s aromatickými aminy a
fenoly se kopulují za vzniku azosloučenin.
Alifatické diazoniové soli jsou nestálé a ihned eliminují molekulu dusíku za vzniku
karbokationtu, který dále reaguje s přítomným nukleofilem, nebo dochází k přesmyku na
stabilnější karbokation, případně dochází k eliminaci.
Příkladem takové reakce může být diazotace kyseliny glutamové, při které vzniká
butyrolaktonkarboxylová kyselina.
14.12 Diazosloučeniny
Diazosloučeniny obsahují terminální skupinu C=N=N. Přestože alkyldiazoniové soli jsou
nestabilní, jejich konjugované báze t.j. diazoalkany jsou izolovatelné a dostatečně stabilní.
Diazoalkany jsou neutrální látky mající o jeden proton méně než alkyldiazoniové soli a jejich
strukturu lze vyjádřit několika rezonančními formami:
Z alifatických diazosloučenin je nejdůležitější diazomethan, nebo jeho difenylderivát.
Používají se hlavně jako alkylační činidla (např. esterifikace), k prodloužení řetězce a při
cykloadicích.
95
14.13 Úlohy
1. U následujících látek rozhodněte, zda se jedná o primární, sekundární nebo terciární
amin, nebo kvarterní amoniovou sůl.
2. Z každého z následujících párů vyberte molekulu, která má větší dipólový moment.
Vysvětlete vaši argumentaci.
a. NH3 a NF3
b. trimethylamin a 2-methylpropan
c. trifenylamin a trifenylmethan
3. Z každého z následujících párů vyberte molekulu, která má vyšší rozpustnost ve vodě.
Vysvětlete vaši argumentaci.
a. amoniak a triethylamin
b. methylamin a n-oktylamin
c. trimethylamin a n-propylamin
4. Rozhodněte, která z látek je nejbazičtější a která je nejméně bazická. Seřaďte podle
klesající bazicity:
5. Uveďte, jak byste jednoduše oddělili uvedené 4 sloučeniny ze směsi?
96
6. Nakreslete reakční mechanismus Gabrielovy syntézy (nezapomeňte na volné
elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
7. Nakreslete vzorce produktů, které se připravují redukcí nitrobenzenu uvedenými
činidly?
a. železné piliny ve zředěné kyselině chlorovodíkové
b. práškový zinek ve vodném roztoku hydroxidu sodného
c. práškový zinek ve vodném roztoku chloridu amonného
d. glukóza ve vodném roztoku hydroxidu sodného
8. Nakreslete libovolnou reakci, kterou lze převést halogenalkan na nitroalkan.
9. Nakreslete produkty následujících reakcí a navrhněte reakční mechanismus
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
10. Vysvětlete, proč je azobenzen na rozdíl od hydrazobenzenu barevný?
11. Naznačte průběh reakce fenylhydroxylaminu s nitrosobenzenem.
12. U jakých nitroarenů je možné očekávat nukleofilní substituci?
13. Jaký typ aromatických sloučenin je možné přímo nitrosovat a proč nemůžeme
nitrosovat všechny? Vysvětlete.
14. Popište katalyzátory fázového přenosu. Vysvětlete princip fázové transferové katalýzy.
15. Nakreslete reakční mechanismus Hofmannovy eliminace kvarterních amoniových solí vysvětlete
průběh reakce (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů –
šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
97
16. Určete produkty, které získáme uvedenou reakcí.
17. Jaký produkt (produkty) lze očekávat při reakci butan-1-aminu s vodným roztokem
dusitanu sodného ve zředěné kyselině sírové?
18. Jaký produkt (produkty) lze očekávat při reakci N-methylbutan-1-aminu s vodným
roztokem dusitanu sodného ve zředěné kyselině sírové?
19. Nakreslete vzorce produktů reakcí aminů s kyselinou dusitou v kyselém prostředí.
20. Jaký produkt (produkty) lze očekávat při reakci benzendiazonium-hydrogensulfátu ve
vodném roztoku:
a. s kyselinou fosfornou,
b. s oxidem měďným v roztoku dusičnanu měďného nebo zahřátím bez přidání dalších
činidel,
c. s jodidem sodným,
d. s chloridem měďným,
e. s kyanidem měďným,
f. s dusitanem sodným v přítomnosti mědi,
g. s thiokyanatanem měďným,
h. s kyanatanem draselným v přítomnosti mědi,
ch. s oxidem siřičitým v přítomnosti mědi,
98
i. s disulfidem sodným,
j. s tetrafluoroboritanem sodným a posléze tepelným rozkladem vzniklé sraženiny,
k. se siřičitanem sodným,
l. s fenolem.
m. s N,N-dimethylanilinem.
21. Nakreslete reakční mechanismus Sandmeyerovy reakce a kopulace diazoniových solí
(nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty,
náboje, závorky,…).
22. Nakreslete reakční schéma přípravy 1-naftolu z naftalenu.
23. Jak byste připravili tyto acidobazické indikátory?
24. Nakreslete reakční schéma přípravy 4-ethylanilinu z benzenu.
25. Nakreslete reakční schéma přípravy 4-hydroxyazobenzenu z anilinu.
26. Uveďte tři příklady použití diazometanu jako methylačního činidla.
99
15. Organokovové sloučeniny
Organokovové sloučeniny jsou látky, které ve své struktuře obsahují vazbu uhlík-kov.
V dnešní době našli praktické využití v mnoha stechiometrických a katalytických chemických
procesech. Organokovové sloučeniny slouží jako zdroj nukleofilních atomů uhlíku, které
mohou reagovat s elektrofilním uhlíkem za vzniku nové vazby uhlík-uhlík. To je velmi
důležité pro syntézu komplexních molekul z jednoduchých výchozích materiálů.
R X R' M R R' X M
elektrofil nukleofil
M = kov (elektropozitivnější prvek)
X = elektronegativnější prvek
(halogen, N, O, S obsahující skupina, ...)
Sloučeniny nepřechodných kovů jsou velice reaktivní, protože vazba C-kov je silně
polarizovaná a jejich reaktivita roste s polaritou této vazby. V reakcích většinou vystupují jako
nukleofily nebo báze, někdy také jako redukční činidla. Pokud se jedná o sloučeniny
alkalických kovů, má v těchto látkách vazba kov-uhlík částečně iontový charakter.
Organokovové sloučeniny lze všeobecně připravit několika způsoby:
1. Reakcí alkalického kovu s halogenalkanem;
2. Dehydrometalací následovanou transmetalací;
3. Dehalometalací následovanou transmetalací;
4. Oxidativní adicí na aktivovaný kov;
R Hal
M
R M Hal
M = Zn, Mg, Mn, ...
5. Hydrometalací nenasycených systémů;
100
R
HMXn
MXn = B(OR'')2, SnR''3, ZrCp2X, AlR''2, ...
H
R
MXn
6. Karbometalací nenasycených systémů;
R
R'MXn
MXn = B(OR'')2, SnR''3, AlR''2, ...
R'
R
MXn
7. Cross-coupling reakcí
V organické syntéze se nejčastěji používají sloučeniny hořčíku a lithia. Připravují se
především přímou reakcí kovu s příslušným halogenderivátem v bezvodém rozpouštědle.
Organohořečnaté sloučeniny se označují jako Grignardova činidla a vystupují v reakcích jako
nukleofily, organolithné jsou zase velmi silné báze. Pro substituční reakce jsou významné
organické sloučeniny mědi (organokupráty). Vzhledem k tomu, že má měď vyšší
elektronegativitu a d-elektrony, je vazba snadněji polarizovatelná a činidla jsou tak méně
bazická ve srovnání s Li a Mg. Nejvíce se používají dialkylkupráty. Typickou reakcí je 1,4adice
na dvojnou vazbu (Michaelova adice). Pokud by se použilo činidlo s Mg nebo Li,
probíhá přednostně 1,2-adice.
O
O
HO
R
R
1. RMgX
2. H /H2O
1. R2CuLi
2. H /H2O
Další skupinou organokovů jsou sloučeniny zinku. V syntéze se požívají méně, ale jsou
nezastupitelné při přípravě derivátů cyklopropanu při tzv. Simmonsově-Smithově reakci.
101
CH2I2 Zn/Cu
I ZnI
(karbenoid)
Další typickou reakcí je Reformatského syntéza, při které dochází k reakci Zn s α–
halogenkarbonylovými sloučeninami za vzniku organozinečnatého činidla, které může
atakovat karbonylovou sloučeninu za vzniku β–hydroxyesteru.
15.1 Organokovové sloučeniny přechodných kovů
Přechodné kovy jsou kovové prvky, které mají v základním, nebo některém běžném
oxidačním stavu neúplně obsazené d-orbitaly. Vazba uhlík-kov má u těchto typů látek spíše
kovalentní charakter, protože přechodné kovy mají vyšší elektronegativitu a z toho důvodu
jsou vůči mnoha činidlům stabilní. Vzhledem k tomu, že se tyto kovy vyskytují ve více
oxidačních stupních, probíhají u těchto sloučenin redoxní reakce (např. oxidativní adice,
reduktivní eliminace), které neprobíhají u kovů nepřechodných. Kromě reakcí, kde se
organokovové sloučeniny přechodných kovů používají ve stechiometrickém poměru jako
např. kupráty, nebo organozinečnaté sloučeniny, se tyto látky používají většinou jako
katalyzátory. Reakce probíhá přes několik po sobě jdoucích kroků a přechodný kov je na
konci opět ve stejném oxidačním stupni jako byl na začátku reakce, tzn., že se komplex
s kovem neustále regeneruje. Takový typ reakce se nazývá katalytický cyklus. Jako
katalyzátory se nejvíce používají sloučeniny palladia a niklu.
Reakční činidla a komplexy obsahující přechodné kovy jsou důležité v moderní organické
syntéze, protože umožňují relativně snadnou proveditelnost zdánlivě nemožných reakcí. U
většiny reakcí katalyzovaných komplexy přechodných kovů dochází k tvorbě vazeb C-C nebo
C-Heteroatom. Pro takové reakce se používá termínu: cross-coupling neboli crosscouplingové
reakce. V současnosti se těchto reakcí využívá mnohem častěji, hlavně ve
farmaceutickém průmyslu a při výrobě speciálních materiálů.
Základními typy reakcí, které probíhají u organokovových sloučenin přechodných kovů, jsou:
oxidativní adice, reduktivní eliminace, substituce ligandu a inzerce nenasycené sloučeniny.
102
Oxidativní adice: Jde o zavedení nového ligandu na kov za současného zvýšení oxidačního
stupně kovu.
Reduktivní eliminace: V podstatě je to opak oxidativní adice, tzn., uvolňuje se produkt
reakce z kovu a dochází ke snížení formálního oxidačního stavu. Zároveň dochází
k regeneraci katalyzátoru. Obě tyto reakce jsou u cross-coupling reakcí klíčové.
Výměna - substituce ligandu: Dochází k výměně ligandů. Např. Transmetalace – jeden
organokov si vyměňuje ligand s jiným organokovem.
Inzerce: Nenasycený ligand se vmezeří do vazby kov-ligand.
Katalyzátory cross-couplingových reakcí jsou komplexy přechodných kovů (např. Pd, Ni, Co,
Fe, Pt, Rh, Ir, Ru, Cu, a jiné), ale zejména palladia v oxidačním stupni 0 (Pd0
) s různými
ligandy. Sloučeniny s Pd0
jsou látky nestálé (např. Pd(PPh3)4), které jsou citlivé na přítomnost
kyslíku, a proto je nutné provádět reakce v inertní atmosféře. Proto se často generují
z jednoduchých sloučenin PdII
jako je PdCl2 a Pd(OAc)2 nebo jejich komplexů
(Pd(PPh3)2Cl2). Aktivita katalytického systému je významně ovlivněna charakterem ligandů a
to na základě elektronových a sterických vlivů. Ligandy se vážou s kovem dativní vazbou, při
které dochází k donaci elektronů z ligandů na kov. Ligandy mohou být Lewisovy báze (P ,O
,N donory, halogenidy, hydridy, …), uhlíkaté ligandy vázané σ– nebo π–vazbou. Příklady
některých používaných moderních P-ligandů uvádí následující obrázek.
P
P
P
P
Fe
Ph
Ph
Ph
Ph
PPh2
PPh2
PPh2
NMe2
P
P
P
Platí zde pravidlo 18 elektronů pro koordinační sloučeniny, které je obdobou oktetového
pravidla pro prvky druhé periody. Zpravidla organokovové sloučeniny, které mají 18
valenčních elektronů, jsou chemicky stabilní. Teorie tvorby komplexů přechodných kovů je
103
poněkud složitější a přesahuje rámec tohoto textu, proto pro úplné pochopení je nutné sáhnout
po literatuře z oblasti chemie koordinačních sloučenin.
Dle mechanismu rozdělujeme cross-couplingové reakce na:
- „klasické“ probíhající sledem kroků: oxidativní adice, transmetalace a reduktivní eliminace,
kterých mechanismus je naznačen na následujícím schématu,
- reakce s inzercí nenasycené sloučeniny, probíhající mechanismem: oxidativní adice,
inserce alkenu, syn β-eliminace alkenu a reduktivní eliminace,
- reakce s inzercí oxidu uhelnatého, sestávající se z: oxidativní adice, inserce oxidu
uhelnatého, nukleofilní substituce a reduktivní eliminace,
- reakce za vzniku vazby C-Heteroatom.
R X
Pd0
L2
R R'
oxidativní adice
transmetalace
reduktivní eliminace
X = halogen, OTf, N2.BF4,
OTs, OMs, ...
R, R' = alkyl, aryl, alkenyl
R PdII
L
L
R'
R' M
M = B(OH)2, B(OR'')2, ZnX,
MgX, SnR''3, AlR2, ...
R PdII
X
L
L
MX
Ts = SO2
Ms = H3C SO2
Tf = F3C SO2
preaktivace
Pd0
nebo PdII
prekatalyzátor
Cross-couplingové reakce se nejčastěji rozdělují podle organokovu použitého v
transmetalačním kroku.
1. Suzukiho-Miyaurova cross-couplingová reakce organoboronátů a boronových kyselin
Reakce organoboronátů a boronových kyselin s alkenyl- nebo arylhalogenidy katalyzované
komplexy palladia v přítomnosti bází patří mezi nejvýznamnější a nejvyužívanější typy
reakcí, hlavně proto, že tyto sloučeniny mají nízkou toxicitu a nevyžadují bezvodé prostředí.
104
2. Negishiho cross-couplingová reakce organozinečnatých sloučenin
Tyto reakce v transmetalačním stupni využívají organozinečnatých sloučenin (někdy i hliníku
nebo zirkonu). Negishiho reakce může být katalyzována kromě palladia také komplexy niklu
či mědi.
3. Stilleho cross-coupling stannanů – používá sloučeniny cínu R3SnR’
Organocíničité sloučeniny navzdory své reaktivitě, selektivitě a odolnosti vůči hydrolýze či
oxidaci jsou dnes v praxi používány omezeně z důvodu své toxicity.
4. Hiyamova cross-couplingová reakce organokřemičitých činidel
Rovněž použití netoxických organokřemičitých činidel pro cross-couplingové reakce je
okrajové z důvodu nízké reaktivity tetrakoordinovaného křemíku pro přenos organického
ligandu na palladium. Významnější jsou cross-couplingové reakce pentakoordinovaných
halosilikátů generovaných in-situ ze silanů nebo halosilanů přídavkem nukleofilu (aktivátoru,
např. TBAF).
5. Kumadova-Tamaova-Corriuova cross-couplingová reakce Grignardových činidel –
transmetalace pomocí Grignardových činidel
Je to jedna z prvních cross-couplingových reakcí vůbec. Její nevýhodou je vysoká reaktivita a
relativně nízká selektivita Grignardových činidel. Jako katalyzátory se nejčastěji používají
komplexy niklu a v poslední době také železa.
105
6. Sonogashirova cross-couplingová reakce – reakce alkynů s R-X za přítomnosti CuX
Sonogashirova reakce je jednou z nejpoužívanějších cross-couplingových reakcí. Je to reakce
terminálních alkynů, resp. in situ generovaných alkynylkuprátů, vznikajících z alkynů v
přítomnosti ko-katalyzátoru CuI a báze, s aryl- nebo alkenylhalogenidy. Reakce je
katalyzována palladiovým katalyzátorem.
7. Mizorokiho-Heckova cross-coupling reakce – reakce s inzercí alkenu
Mizorokiho-Heckova reakce je vlastně palladiem katalyzovaná olefinace bez
transmetalačního stupně. Je to reakce s inzercí alkenu, probíhající sledem kroků: oxidativní
adice, inserce alkenu, syn β-eliminace alkenu (produktu) a reduktivní eliminace (regenerace
katalyzátoru vlivem báze).
Nejčastějšími substráty Mizorokiho-Heckovy reakce jsou organické halogenidy nebo pseudohalogenidy
(např. trifláty, tosyláty, diazoniové, …). Mohou být arylového, alkenylového nebo
heteroarylového typu. Pro zvýšení selektivity reakce se často používají přídavky stříbrných
nebo thallných solí jako aditivum. Použitý alken v těchto reakcích může být neutrální, bohatý
nebo chudý na elektrony. Nejvyšší selektivity je obvykle dosaženo v přítomnosti elektronově
chudých alkenů. Jednou z výhod této reakce je její výjimečná trans selektivita. MizorokihoHeckova
reakce pro svoji jednoduchost našla široké uplatnění i v průmyslovém měřítku.
Reakční mechanismus (katalytický cyklus) je naznačen na následujícím schématu.
106
8. Karbonylace
Karbonylace probíhá sledem kroků: oxidativní adice, inserce oxidu uhelnatého, nukleofilní
substituce a regenerace katalyzátoru. Vhodným substrátem jsou organické halogenidy a
pseudo-halogenidy. Karbonylace se provádí v přetlaku oxidu uhelnatého. V případě, že jsou
nukleofilem aminy, vzniknou amidy, v případě alkoholů estery a při použití organokovové
sloučeniny vznikají ketony.
R X
Pd0
L2
oxidativní adice
inzerce CO
R = alkyl, aryl, alkenyl
R PdII
X
L
L
preaktivace
Pd0
nebo PdII
prekatalyzátor
RCO PdII
X
L
L
H PdII
X
L
L
báze
CO
Nu HNu
R
O
Nu = OR, NRR', RM
- HX
X = halogen, OTf, N2.BF4, OTs, OMs, ...
Je to metoda hodně používána v průmyslu. Známé jsou: komplexy kobaltu nebo ruthenia
katalyzované hydroformylace (výroba aldehydů), reduktivní karbonylace nitrosloučenin
(vznik azosloučenin, aminů, isokyanátů, močovin, karbamátů, případně dusíkatých
heterocyklů), výroby léčiv (karboxylových kyselin, esterů, amidů), nebo také proces
107
velkotonážní produkce kyseliny octové, např. Monsanto proces, využívající karbonylaci
methanolu katalyzovanou komplexy rhodia v přítomnosti jodovodíku.
CH3OH CO
Rh
I CO
I CO
HI
CH3COOH
9. Buchwaldovy-Hartwigovy cross-couplingové reakce - alternativa nukleofilní
aromatické substituce
Je to jedna z nejnovějších palladiem katalyzovaných cross-couplingových reakcí, kdy reagují
arylhalogenidy s aminy, alkoholy a thioly a dochází k tvorbě aromatické vazby C-N, C-O
nebo C-S. Její výhoda spočívá v tom, že reagují také arylhalogenidy nebo pseudo-halogenidy,
které nereagují v podmínkách klasické nukleofilní substituce.
Značný vliv na výši konverze reakce má struktura ligandů. Mechanismus BuchwaldovýchHartwigovych
cross-couplingových reakcí je naznačen na uvedeném schématu.
R X
Pd0
L2
Y R'
oxidativní adice
reduktivní eliminace
X = halogen, OTf, OTs
R = aryl, R' = alkyl, aryl
R PdII
X
L
L
R' Y
Y = NH, NR'', O, S
R PdII
X
L
L
preaktivace
Pd0
nebo PdII
prekatalyzátor
H
R PdII
L
L
Y
R' báze
- HX
R
R' YH
108
Chemie organokovových sloučenin přechodných kovů je oblastí chemie, která se v posledních
letech dynamicky rozvíjí. Dovoluje tvorby vazeb, které byly v minulosti takřka
neproveditelné. Pomocí těchto reakcí lze snadněji syntetizovat složité struktury.
O významu chemie organokovových sloučenin přechodných kovů svědčí fakt, že za ní byly
uděleny tyto Nobelovy ceny:
Katalýza komplexy přechodných kovů.
2001: William S. Knowles, Ryoji Noyori, K. Barry Sharpless
2005: Yves Chauvin, Robert H. Grubbs, Richard R. Schrock
Palladiem katalyzované cross-coupling reakce.
2010: Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi, Akira Suzuki
15.2 Úlohy
1. Navrhněte, jak byste připravili terc-butyllithium, cyklopentylmagnesiumbromid,
ethylzinkiumjodid, trichlorethylsilan a lithiumdimethylkuprát?
2. Nakreslete a pojmenujte produkty reakcí
Bu Li H3C OH+ N NH + CH3CH2Li
CH3MgBr + HCl
EtMgBr + CH3H
- C2H6
H2O
O
O
1. 2 CH3MgBr
2. H /H2O
CO2
1. CH3MgBr
2. H /H2O
O
H
1. EtMgBr
2. H /H2O H
O
H
1. PhMgBr
2. H /H2O
a.
A
b.
B
+CH3CH2MgI
c.
C
d.
DH2O
e.
E F
f. g.
G H
h. ch.
CH I
109
3. Nakreslete produkty reakcí propylmagnesiumbromidu s látkami: těžká voda,
chlorovodík, kyselina octová, pyrrol, anilin, fenol, diethylamin, amoniak, propyn a
ethanthiol.
4. Nakreslete produkty reakcí methylmagnesiumjodidu a fenylmagnesiumchloridu
s látkami: PCl3, BBr3, POCl3, ZnCl2, SnCl4, HgCl2, CdCl2 a AlCl3.
5. Reakcí zinku s ethyl-bromoacetátem v etheru vzniká organokovová sloučenina, která
může reagovat s acetofenonem. Nakreslete schémata těchto reakcí a navrhněte reakční
mechanismus (nezapomeňte na volné elektronové páry, posuny elektronů – šipky,
intermediáty, náboje, závorky,…).
6. Doplňte produkty, případně substráty ve schématu. Je-li potřebné, označte
regioselektivitu, případně stereoselektivitu reakce.
7. Doplňte produkty, případně substráty ve schématu. Je-li potřebné, označte
regioselektivitu, případně stereoselektivitu reakce.
110
8. Doplňte chybějící produkty reakcí ve schématech:
B
OH
OH
OCH3 Br
Pd(OAc)2, PPh3
Na2CO3
AcHN
I
Pd(OAc)2, PPh3
CuI, TBAB
a.
b.
Cl
Br
Pd(PPh3)2Cl2
Na2CO3
c.
N
S SnBu3
A
B
C
Pd(OAc)2
NaOt
Bu
d.
D
Cl
H2N
P-ligand
9. Mizorokiho-Heckova cross-coupling reakce. Nakreslete reakční mechanismus Pd
katalyzované reakce fenyl-triflátu s butyl-akrylátem – katalytický cyklus této reakce.
10. Trans-anetol je aromatická látka s charakteristickou lékořicovou vůní a chutí. Navrhněte
jeho syntézu z fenolu a (E)-1-bromprop-1-enu. Pro syntézu využijte jednu
z cross-couplingových reakcí a použijte trimethyl-borát jako jedno z činidel v průběhu
syntézy. Nakreslete reakční mechanismus – katalytický cyklus této reakce.
11. Nakreslete produkty následujících transmetalačních reakcí:
2 n-BuLi CuI
MgBr Bu3SnBr
a.
b.
D
BA
C
SnBu3
c.
FEPd
I
111
16. Základy fotochemie a pericyklické reakce
16.1 Základy fotochemie
Studium chemických procesů a jejich důsledků, isomerizací a fyzikálního chování, které se
mohou projevit vlivem viditelného, nebo ultrafialového záření na molekuly látek, se nazývá
fotochemie. Je to oblast chemie, která studuje interakce mezi atomy nebo molekulami a
světlem. Na rozdíl od klasické chemie, která se zabývá studiem molekul v tzv. základním
singletovém stavu (S0), fotochemie se zabývá elektronově excitovaným stavem molekuly,
který vzniká po absorpci světla a může tak dojít k přímé chemické reakci za vzniku stabilního
produktu. Elektronově excitovaný stav molekuly se může také stát intermediátem, který může
iniciovat termické reakce.
Schéma zářivých a nezářivých přechodů fotoluminiscentní molekuly znázorňuje Jablonského
diagram.
4
3
2
1
0
4
3
2
1
0
4
3
2
1
0
4
3
2
1
0
Nezářivé přechody:
VR - vibrační relaxace (10-14
- 10-11
s)
IC - vnitřní konverze (10-14
- 10-11
s)
ISC - mezisystémová konverze
NRR - neradiační relaxace
Q - zhášení
DF - zpožděná fluorescence
NRR
Zářivé přechody:
A - absorpce (~10-15
s)
F - fluorescence (10-9
- 10-7
s)
P - fosforescence (10-3
- 102
s)
VR
VR
IC
A A
FF
PNRR
Q
DF
ISC
S0
S1
S2
T1
Excitovaný
tripletový stav
Excitovaný
singletový stav
Excitovaný
singletový stav
Vibrační energetické hladiny
Základní stav
Absorpce viditelného nebo ultrafialového světla molekulou představuje energii dostatečnou k
štěpení nebo reorganizovaní většiny kovalentních vazeb. Ze vztahu E = hc/λ, vidíme, že již
vlnová délka viditelného světla (400-800 nm), má nižší energii (300-150 kJ/mol), než světlo
112
kratší vlnové délky (200-400 nm), poblíž ultrafialové oblasti (600-300 kJ/mol). Z toho
důvodu se ultrafialové světlo nejčastěji používá k provedení fotochemických transformací.
Molekula látky absorbuje foton záření a elektrony přeskočí do jednoho z excitovaných
singletových stavů (S1-S2). Při přeskoku do stavu S2 elektrony nejdřív přejdou nezářivou
vibrační relaxací (VR) do nejnižší vibrační hladiny stavu S2, ze které vnitřní konverzí (IC)
přecházejí do stavu S1. Potom opět nezářivou vibrační relaxací přecházejí na nejnižší vibrační
hladinu a deexcitace molekuly látky nastává vyzářením fotonu záření, tzv. fluorescencí (F).
Elektrony z excitovaného stavu se bez změny spinu vrací na základní energetickou hladinu.
Fluorescence je proto spinově povolený zářivý přechod.
Pokud se uplatní při emisi záření metastabilní hladina, jde o fosforescenci (P). Excitované
elektrony přechází z energetického stavu S1 tzv. mezisystémovou konverzí (ISC) na některou
z vyšších vibračních hladin excitovaného tripletového stavu (T1) a v systému existují dva
elektrony se stejným spinem. Molekula má nadbytek vibrační energie a nejdříve přejde
nezářivou vibrační relaxací (VR) na základní vibrační hladinu (T1). Přechodem na základní
hladinu by nebyl dodržený Pauliho princip, a proto dochází při přechodu ke změně
elektronového spinu a doba vyhasínání je o hodně delší.
Absorpce ultrafialového záření nemusí vždy vést k chemické reakci. Může dojít ke změně
elektronové konfigurace molekuly, která umožní průběh reakce, která by za normálních
podmínek neprobíhala. Fotochemické aktivace se využívá při některých pericyklických
reakcí.
Na následujícím obrázku je znázorněno, že v konjugovaných systémech se na sp2
hybridizovaných uhlících vytváří interakcí p-orbitalů soubor π-molekulových orbitalů.
Vazebné molekulové orbitaly, které vznikly překryvem částí atomových orbitalů, mají menší
počet uzlů a nižší energii. Oproti tomu antivazebné molekulové orbitaly mají větší počet uzlů
a energii vyšší. Pokud dojde k ozáření molekuly UV zářením, přechází elektron z energeticky
nejvyššího obsazeného molekulového orbitalu (HOMO) do energeticky nejnižšího
neobsazeného orbitalu (LUMO). Tyto orbitaly se nazývají hraniční orbitaly a jsou důležité
především v pericyklických reakcích.
113
114
16.2 Pericyklické reakce
Většina organických reakcí probíhá přes iontové nebo radikálové intermediáty. Existuje však
také skupina reakcí, u kterých produkt vzniká jednostupňovým procesem, tzn. bez tvorby
reaktivních intermediátů. Pericyklické reakce probíhají přes cyklický tranzitní stav. Jejich
průběh je určen interakcí hraničních orbitalů (LUMO a HOMO). Vyžadují dodání energie
zářením (světlem) nebo ohřevem. Jsou vysoce stereospecifické. Mezi základní pericyklické
reakce patří: elektrocyklické reakce, cykloadiční reakce a sigmatropní přesmyky.
16.2.1 Elektrocyklické reakce
Elektrocyklické reakce jsou vratné intramolekulové reakce, při kterých dochází k uzavření
konjugovaného π systému do cyklu pomocí σ vazby, která vznikne na úkor jedné π vazby.
Na druhé straně elektrocyklické otevírání kruhu je reakce, kde se štěpí σ vazba cyklického
reaktantu a vzniká produkt s konjugovaným π systémem s jednou π vazbou navíc.
Způsoby cyklizace při termické a fotochemické iniciaci:
ΔT hν
4nπ elektronů Konrotace (antarafaciální) Disrotace (suprafaciální)
4n+2π elektronů Disrotace (suprafaciální) Konrotace (antarafaciální)
16.2.2 Cykloadiční reakce
Cykloadice jsou reakce, při kterých dochází k reakci dvou π systémů do cyklu, kdy dvě
dvojné vazby zanikají na úkor dvou σ vazeb. Čísla v závorkách označují počet atomů, které se
reakce účastní.
115
Způsoby adice při termické a fotochemické iniciaci:
ΔT hν
[2+2] Antarafaciální Suprafaciální
[4+2] Suprafaciální Antarafaciální
16.2.3 Sigmatropní přesmyky
Při sigmatropních přesmycích se štěpí σ vazba na úkor π vazby a na druhé straně molekuly
vzniká π vazba na úkor σ vazby.
16.3 Úlohy
1. Nakreslete a popište π-molekulové orbitaly v buta-1,3-dienu a hexa-1,3,5-trienu.
Definujte HOMO a LUMO v základním a excitovaném stavu.
2. Určete, které z uvedených reakcí jsou elektrocyklické, cykloadiční a které jsou
sigmatropní přesmyky:
116
3. Při zahříváním (1Z,3Z,5Z)-cyklonona-1,3,5-trienu vzniká bicyklický produkt. Co bude
produktem reakce? Má tato reakce konrotační nebo disrotační průběh? Jaká je vzájemná
prostorová orientace dvou atomů vodíku na spojení kruhu, cis nebo trans? Problém
vysvětlete pomocí teorie hraničních orbitalů.
4. Doplňte produkty elektrocyklických reakcí:
H
H
H
H
Ph
Ph
COOCH3
COOCH3
h
h
A
B
C
D
E
F
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
ch.
G
Ph
CH
I
Ph
h
h
Ph
Ph
i.
H
5. Zahříváním furanu s butyl-akrylátem vzniká produkt cykloadice. Nakreslete produkt
reakce. Pomocí teorie hraničních orbitalů určete druh cykloadice a jestli proběhne se
suprafaciální nebo antarafaciální stereochemií.
117
6. Jaký dien a dienofil byste použili pro přípravu uvedených sloučenin pomocí DielsovyAlderovy
cykloadice?
7. Doplňte produkty cykloadičních reakcí:
8. Teoreticky mohou každou z daných reakcí vznikat dva isomery, ale prakticky vzniká
pouze jeden. Nakreslete všechny isomery a určete, který vzniká ve skutečnosti a proč?
118
9. V navržených Dielsových-Alderových reakcích první (a) probíhá a druhá (b) ne.
Vysvětlete.
a. COOCH3
COOCH3
COOCH3
COOCH3
b.
10. Na základě teorie hraničních orbitalů předpovězte průběh termické a fotochemické [6 +
2] cykloadice.
11. Zahříváním cykloheptatrienonu s cyklopentadienem vzniká produkt cykloadice.
Nakreslete produkt reakce. Pomocí teorie hraničních orbitalů určete druh cykloadice a
jestli proběhne se suprafaciální nebo antarafaciální stereochemií.
12. Určete, které z uvedených sloučenin se nemohou zúčastnit Diels-Alderovy reakce jako
vhodný dien.
13. Klasifikujte následující sigmatropní přesmyk podle typu [x,y] a určete, jestli proběhne
se suprafaciální nebo antarafaciální stereochemií:
14. Klasifikujte následující sigmatropní přesmyk podle typu [x,y] a určete, jestli proběhne
se suprafaciální nebo antarafaciální stereochemií:
15. Nakreslete reakční mechanismus Claisenova přesmyku (nezapomeňte na volné
elektronové páry, posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…).
119
16. Rozhodněte, jaký produkt vznikne následující reakcí. Vysvětlete její průběh.
17. Doplňte produkty reakcí:
18. Doplňte produkty reakcí:
A B
Ph
Ph
C D
Ph
Ph
NC CN
CNNC
a.
b.
NC CN
CNNC
19. Následující schéma uvádí Fischerovu syntézu indolu. Rozepište struktury všech
intermediátů, navrhněte reakční mechanismus (nezapomeňte na volné elektronové páry,
posuny elektronů – šipky, intermediáty, náboje, závorky,…) a vysvětlete, proč právě
v této kapitole se tato reakce zmiňuje?
120
17. Literatura
1. McMurry, J.: Organická chemie, 1. vyd., Nakladatelství VUTIUM a VŠCHT, Praha,
2007.
2. McMurry, S.: Studijní příručka a řešené příklady k českému vydání učebnice John
McMurry: Organická chemie, VŠCHT, Praha 2009.
3. Literák, J.: Příklady ke speciálnímu semináři z organické chemie I, Masarykova
univerzita, přírodovědecká fakulta, Brno, 2014.
4. Literák, J.: Příklady ke speciálnímu semináři z organické chemie II, Masarykova
univerzita, přírodovědecká fakulta, Brno, 2013.
5. Klásek A.: Organická chemie - bakalářský směr. UTB, Zlín, 2006.
6. Svoboda, J.: Organická chemie I, VŠCHT Praha, 2005.
7. Potáček, M., Mazal, C., Janků, S. Řešené příklady z organické chemie, Masarykova
Univerzita Brno, 2009.
8. Knoppová, V., Floch, Ľ., Ilavský, D., Považanec, F., Stankovský, Š., Uher, M.
Organická chémia – Pracovný zošit, SVŠT Bratislava, 1988.
9. Hoček, M.: Tvorba C-C a C-X vazeb cross-coupling reakcemi katalyzovanými
komplexy přechodných kovů, Chem. Listy 97, 1145-1150 (2003).
10. Fox M. A., Whitesell K. J.: Organic Chemistry (2nd ed.), Jones & Bartlett Publishers,
London, 1994.
11. Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.: Organic Chemistry, Oxford University Press Inc.,
New York, 2012.
121
ISBN 978-80-7305-746-6
Autoři: Ing. Pavel Bobáľ, CSc., Mgr. Hana Pížová, Ph.D.
Název: Organická chemie – pracovní sešit
Ústav: Ústav chemických léčiv
Počet stran: 121
Vydání: První
Vydavatel: Veterinární a farmaceutická univerzita Brno