Základy organické chemie Jaromír Literák Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 1 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Prototypem aromatického uhlovodíku je benzen. COOH + CaO CaCO3+ Pryskyřice benzoe → benzoová kyselina → benzin → benzen. Styrax benzoin 1825 – Michael Faraday izoluje benzen ze svítiplynu. Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 2 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky 60. léta 19. století – návrhy cyklické struktury molekuly benzenu. J. J. Loschmidt F. A. Kekule Areny se svými vlastnostmi vymykají ze skupiny nenasycených uhlovodíků – neochota k adičním reakcím. Počet isomerů – existoval předpoklad rychlé isomerace: Br Br Br Br Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 3 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 4 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Neobvykle nízká hodnota hydrogenačního tepla benzenu: + H2 120 kJ/mol + 2 H2 232 kJ/mol + 3 H2 3 x 120 kJ/mol = 360kJ/mol hypotetický cyklohexa-1,3,5-trien bez konjugace + 3 H2 reálný benzen 208 kJ/mol 152 kJ/mol E Odhady rezonanční energie benzenu 130–150 kJ mol−1. Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 5 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky 1931 – Erich Hückel teoretická analýza vazebných poměrů cyklických konjugovaných π-systémů – dokázal vysvětli neobvyklou stabilitu benzenu. Cyklický konjugovaný π-systém obsahující 4n + 2 elektronů je velmi stabilní – aromatický. Cyklický konjugovaný π-systém obsahující 4n elektronů je velmi nestabilní – antiaromatický. n – nezáporná celá čísla (0, 1, 2,. . . ) Platí pro monocyklické systémy! Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 6 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Rezonanční struktury benzenu Kvadrupol molekuly benzenu: Nebenzoidní aromatické uhlovodíky Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 7 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Aromatické molekuly N H O N N H Antiaromatické molekuly [4+2] rychle distorze molekuly Polycyklické aromatické uhlovodíky (rezonanční energie) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 45 6 7 8 1 2 3 45 6 7 8 9 10 naftalen anthracen fenanthren pyren benzo[a]pyren 1 2 3 4 56 7 8 9 10 255 kJ/mol 347 kJ/mol 381 kJ/mol Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 8 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Elektrofilní aromatická substituce SEAr E+ E H E H H E E + π-komplex σ-komplex π-komplex E H E H E E σ-komplex π-komplex π-komplex E R.K. Krok určující rychlost reakce – často tvorba σ-komplexu. Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 9 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Halogenace arenů + X2 Lewisova kyselina + HX X Cl Cl Al Cl Cl Cl +Cl Al Cl Cl Cl Cl elektrofil Al Cl Cl Cl Cl H Al Cl Cl Cl + H Cl Obnovení katalyzátoru po SEAr: Reaktivní aromáty nevyžadují Lewisovu kyselinu jako katalyzátoru. + 3 Br2 bez katalyzátoru + 3 HBr OH H2O OH Br BrBr Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 10 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Sulfonace arenů SO3 S H2SO4 (oleum) OH O O elektrofil: SO3 nebo HSO3 Sulfonace je zvratná, ve zředěné kyselině dochází k desulfonaci (ipso substituce). SO3 S H2SO4 OH O O H2SO4 H2O (kat.) Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 11 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Sulfonace naftalenu H2SO4 rychle H2SO4 pomalu SO3H SO3H kinetický produkt termodynamický produkt SO3H HO3S H2SO4 H2O H2O + + + E Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 12 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Nitrace arenů HNO3 H2SO4 + H2O N O O N O H O O H O S O O OH − HSO3 N O H O O H O N O elektrofil − H2O Nitrace je nezvratná reakce. Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 13 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Alkylace arenů – Friedelova-Craftsova alkylace Lewisova + HX R R X+ kyselina CH3 H3C CH3 Br AlCl3 CH3 CH3H3C + AlCl3Br elektrofil Cl H3C AlCl3 Cl H3C AlCl3 δ elektrofil Zavedení uhlovodíkového zbytku na aromatické jádro zvyšuje jeho reaktivitu v SEAr – nebezpečí vícenásobné alkylace. AlCl3 CH3 CH3Br AlCl3 CH3 CH3Br H3C AlCl3 CH3 CH3Br H3C CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 14 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Alkylace arenů Reakci mohou doprovázet přesmyky karbokationtu. + +Cl AlCl3 H3C CH3 CH3 CH3 35 % 65 % Některé alkylace mohou být zvratné. + AlCl3 CH3 H3C CH3 CH3 CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 15 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Jiné metody generování karbokationtů H3C H3C H CH3 H3C H3C CH3 H3C O CH3 H H CH3 H3C O CH3 H H CH3 H3C H3C + H2O Z alkenu: Z alkoholu: Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 16 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Alkylace arenů + H2C CH2 HCl AlCl3 CH3 ZnO 630 °C − H2 H3C CH3 OH CH3 H3C H (kat.) H3C CH3 CH3H3C − H2O (kat.) OH CH3 + H3C H3C H2SO4 OH CH3 CH3 CH3 CH3 BHT 2 H3C CH3 CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 17 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Acylace arenů – Friedelova-Craftsova acylace 1. Lewisova + HX+ kyselina FeBr3 R X O (X = halogen, RCOO) 2. H2O R O R Br O − FeBr4 R O R O elektrofil − acyliový kation Na rozdíl od alkylací obvykle nedochází k vícenásobné acylaci. Místo halogenidu kyseliny lze použít také anhydrid kyseliny: + AlCl3 H3C O CH3 OO CH3 O AlCl3 − CH3COOH H2O CH3 O acetofenon Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 18 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Vliv substituentů na SEAr HNO3 O H I− a M+ efekt O H O H + NO2 NO2 56 % 44% Nitrace fenolu probíhá snadněji (rychleji) než nitrace benzenu. Z pohledu výchozí látky: O H O H O H O H O H Fenol reaguje s elektrofilem v ortho- a para-pozicích, koncentrace elektronové hustoty na jádře je zvýšena. Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 19 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Z pohledu energie tranzitního stavu vzniku σ-komplexu: E R. K. OH + NO2 OH H O2N H OH O2N H H OH H O2N H OH O2N H H OH O2N H H OH O2N H H OH H O2N H O H O2N H H OH H O2N H Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 20 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky HNO3 H2SO4 I− a M− efekt NO2 NO2 NO2 NO2 O2N O2N NO2 + + 6 % 93 % 1 % 100 °C Nitrace nitrobenzenu probíhá obtížněji (pomaleji) než nitrace benzenu. Z pohledu výchozí látky: N O O N O O N O O N O O N O O Nitrobenzen reaguje s elektrofilem v meta-pozici, koncentrace elektronové hustoty na jádře je snížena, především v ortho- a para-pozicích. Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 21 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Z pohledu energie tranzitního stavu vzniku σ-komplexu: E R. K. NO2 + NO2 NO2 H O2N H NO2 O2N H H NO2 H O2N H NO2 O2N H H NO2 O2N H H NO2 O2N H H NO2 H O2N H NO2 H O2N H nevýhodné NO2 má M− a I− efekt Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 22 / 55 Rozdělení substituentů podle směřování SEAr Efekt Substituent Vliv na SEAr Směřování E+ M+ a I+ O silně aktivující ortho a para M+ a I− NH2 NR2NHR O H O R NH O R O O R Ar aktivující ortho a para I+ CH3 Alkyl O O slabě aktivující ortho a para, stopy meta Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 23 / 55 Rozdělení substituentů podle směřování SEAr Efekt Substituent Vliv na SEAr Směřování E+ I− →M+ X (X = F, Cl, Br, I) deaktivující ortho a para (para převažuje) I− NH3 NR3 CCl3 CF3 deaktivující meta I− a M− R O C N OH O OR O SO3H H O N O O X O deaktivující meta Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 24 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Halogeny jsou deaktivující, ale vedou elektrofil do pozic ortho a para. Cl HNO3 H2SO4 I− a M+ efekt Cl + NO2 Cl NO2 + Cl NO2 30 % 1 % 69 % + NH2 3 Br2 + NH2 3 HBr Br Br Br rychle NH2 HNO3 H2SO4 velmi pomalu NH2 NO2 HNO3 H2SO4 N H O N H O NO2 + N H O NO2 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 25 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Vliv více substituentů: CH3 NO2 Br2 FeBr3 CH3 NO2 Br OH CH3 + CH3 CH3 H2SO4 (kat.) OH CH3 CH3 CH3 CH3 * ** * * * * * O O * * * * ** H2SO4 SO3 O O + SO3H O O SO3HHO3S * * Největší vliv mají substituenty aktivující. Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 26 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Využití zvratných reakcí: C H2SO4 **** H2SO4 SO3 CH3 H3C CH3 C CH3 H3C CH3 SO3H FeBr3 Br2 C CH3 H3C CH3 SO3H Br H2O C CH3 H3C CH3 Br HNO3 H2SO4 OH SO3 H2SO4 OH SO3H OH NO2 O2N NO2 fenol kyselina pikrová Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 27 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Oxidace arenů a jejich derivátů CH3 CH3 CH3 CH3 H3C CH3 COOH Na2Cr2O7 H2SO4, H2O Na2Cr2O7 H2SO4, H2O Na2Cr2O7 H2SO4, H2O bez reakce Průmyslově: O2 / V2O5 320−400 °C CH3 CH3 O O O o-xylen ftalanhydrid O2 / V2O5 320−400 °C O O O naftalen ftalanhydrid Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 28 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Průmyslově: O2 / V2O5 naftalen 1,4-naftochinon O O Katalytická hydrogenace H2 / Ni 100 atm 150 °C Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 29 / 55 Areny – aromatické uhlovodíky Birchova redukce Redukce alkalickým kovem v kapalném amoniaku v přítomnosti alkoholu. Na, CH3OH NH3 (l) Na, CH3OH NH3 (l) CH3 I+ efekt CH3 Na, CH3OH NH3 (l) I− a M− efekt O CH3 O CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 30 / 55 Nukleofilní aromatická substituce SNAr – nukleofilní aromatická substituce probíhající adičně-eliminačním mechanismem. Cl H2SO4 NO2 + NaOH O NO2 − NaCl OH NO2 Musí být přítomna odstupující skupina. Aromatický cyklus musí nést silně elektronakceptorní skupiny, tyto skupiny mají být ideálně v ortho- nebo para-pozici vůči X. Mechanismus: pomalu rychle CN X Nu CN Nu X Meisenheimeruv komplex CN Nu + X ° Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 31 / 55 Nukleofilní aromatická substituce Aromáty s větším počtem silně elektronakceptorních skupin poskytují pravděpodobně součinnou reakci (analogie SN2) bez Meisenheimerova meziproduktu. Sangerovo činidlo F NO2 NO2 + CH3NH2 N NO2 NO2 + HF H CH3 Čičibabinova reakce N +NH2 N NH2 H N H H N N NH2 N NH − H H H2O − OH N NH2 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 32 / 55 Nukleofilní aromatická substituce Substituce probíhající eliminačně-adičním mechanismem Cl CH3 NH2 CH3 + NaNH2 NH3 (l) CH3 NH2 Typicky absence elektronakceptorních skupin na aromatickém jádře, naopak nukleofil musí být velmi silnou bazí. CH3 NH2 Cl CH3 H NH2 − Cl − NH3 CH3 benzyn CH3 NH2 H2N CH3 NH2 H N HH NH2 NH2 CH3 H N HH NH2 CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 33 / 55 Nukleofilní aromatická substituce Dow: Cl 1. NaOH, 350 °C 2. H2SO4 OH Výroba 2,4,5-T: Cl ClCl Cl Cl Cl Cl O O O O O 2,4,5-T OH Na ClCl Cl Na OH Cl OH ClCl Cl NaOH O ClCl Cl Cl A H Cl Cl Cl O OH O SN2Ar SN2 –NaCl –H2O –NaCl Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 34 / 55 2,4-D a 2,4,5-T Indol-3-octová kyselina je přirozený rostlinný hormon řídící růst rostliny (auxin). N H COOH Syntetické auxiny 2,4-D a 2,4,5-T byly od 50. let používány jako herbicidy (defolianty) – působí selektivně na dvouděložné rostliny. O OH OCl Cl O OH OCl Cl Cl 2,4-Dichlorfenoxyoctová kyselina 2,4,5-Trichlorfenoxyoctová kyselina Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 35 / 55 2,4-D a 2,4,5-T Agent Orange – směs butylesterů 2,4-D a 2,4,5-T, ve Vietnamu užíván v letech 1965–1971. Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 36 / 55 2,4-D a 2,4,5-T Následky expozice Agent Orange V roce 1969 bylo publikováno, že za nežádoucí účinky Agent Orange zodpovídá TCDD – 2,3,7,8-tetrachlordibenzo-p-dioxin (byl obsažen v koncentraci až 3 ppm). Odhaduje se, že bylo rozptýleno celkem 150 kg TCDD. O OCl Cl Cl Cl Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 37 / 55 2,4-D a 2,4,5-T Vznik TCCD: O ClCl Cl A Cl O Cl Cl O ClCl Cl Cl O Cl Cl Cl Cl Cl O O Cl Cl O O Cl Cl Cl Cl Cl O O Cl Cl Cl Cl TCDD –Cl –Cl Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 38 / 55 Dioxiny 2,4,5-Trichlorfenol byl v letech 1961–1968 vyráběn ve Spolaně Neratovice. Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 39 / 55 Dioxiny 10. července 1976 – z výroby uniká asi 2 kg TCDD. Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 40 / 55 Aromáty s Möbiovou topologií Hückel: a a' b b' a-a' b-b' Möbiova topologie: a a' b b' a-b' b-a' Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 41 / 55 Aromáty s Möbiovou topologií 1964 – Edgar Heilbronner provedl analýzu aromaticity π-systému s Möbiovou topologií. 4n – aromatický 4n + 2 – antiaromatický Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 42 / 55 Aromáty s Möbiovou topologií 2003 – Příprava prvního aromátu s Möbiovou topologií (Rainer Herges). Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 43 / 55 Příklad č. 1 Napište hlavní produkt/y následující reakce. OH HNO3 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 44 / 55 Příklad č. 1 Napište hlavní produkt/y následující reakce. OH HNO3 Řešení: OH HNO3 OH NO2 + OH NO2 OH + O2N O2N Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 44 / 55 Příklad č. 2 Napište hlavní produkt/y následující reakce. CH3 SO3 CH3 H2SO4 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 45 / 55 Příklad č. 2 Napište hlavní produkt/y následující reakce. CH3 SO3 CH3 H2SO4 Řešení: CH3 SO3 CH3 SO3H + CH3 HO3S CH3 H2SO4 CH3CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 45 / 55 Příklad č. 3 Napište hlavní produkt/y následující reakce. CH3 KMnO4 ∆T SO3H oxidace Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 46 / 55 Příklad č. 3 Napište hlavní produkt/y následující reakce. CH3 KMnO4 ∆T SO3H oxidace Řešení: CH3 KMnO4 ∆T SO3H oxidace COOH SO3H Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 46 / 55 Příklad č. 4 Napište hlavní produkt/y následující reakce. CH3 AlCl3 2. H2O 1. H3C CH3 O O O CH3 CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 47 / 55 Příklad č. 4 Napište hlavní produkt/y následující reakce. CH3 AlCl3 2. H2O 1. H3C CH3 O O O CH3 CH3 Řešení: CH3 AlCl3 2. H2O 1. H3C CH3 O O O CH3 CH3 CH3 O H3C CH3 + CH3 O H3C CH3 + HO O CH3 CH3 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 47 / 55 Příklad č. 5 Napište hlavní produkt/y následující reakce. O O HNO3 H2SO4 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 48 / 55 Příklad č. 5 Napište hlavní produkt/y následující reakce. O O HNO3 H2SO4 Řešení: O O HNO3 H2SO4 O O O O + NO2 NO2 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 48 / 55 Příklad č. 6 Napište hlavní produkt/y následující reakce. O Cl2 H2O HO OH Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 49 / 55 Příklad č. 6 Napište hlavní produkt/y následující reakce. O Cl2 H2O HO OH Řešení: O Cl2 H2O HO OH O HO OH Cl + O HO OH Cl Cl + HCl Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 49 / 55 Příklad č. 7 Doplňte výchozí látku první reakce a produkt druhé reakce. AlCl3 2. H2O 1. + O CH3 Na + CH3OH NH3 (l) Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 50 / 55 Příklad č. 7 Doplňte výchozí látku první reakce a produkt druhé reakce. AlCl3 2. H2O 1. + O CH3 Na + CH3OH NH3 (l) Řešení: AlCl3 2. H2O 1. + O CH3 Na + CH3OH NH3 (l) O CH3 H H H H3C X O kde X = halogen nebo O CH3 O Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 50 / 55 Příklad č. 8 Napište mechanismus následující reakce a hlavní produkt/y. CH3CH2OH Cl NO2 NO2 + ∆T NH2 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 51 / 55 Příklad č. 8 Napište mechanismus následující reakce a hlavní produkt/y. CH3CH2OH Cl NO2 NO2 + ∆T NH2 Řešení: CH3CH2OH NO2 Cl NO2 NO2 + ∆T NO2 N H H Cl NH2 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 51 / 55 Příklad č. 9 Napište hlavní produkt/y následující reakce. HF (kat.) + Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 52 / 55 Příklad č. 9 Napište hlavní produkt/y následující reakce. HF (kat.) + Řešení: HF (kat.) + Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 52 / 55 Příklad č. 10 Napište hlavní produkt/y následující reakce. Cl OCH3 NaNH2 NH3 (l) Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 53 / 55 Příklad č. 10 Napište hlavní produkt/y následující reakce. Cl OCH3 NaNH2 NH3 (l) Řešení: Cl OCH3 NaNH2 NH3 (l) OCH3 NaNH2 NH3 (l) NH2 OCH3 + OCH3H2N Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 53 / 55 Příklad č. 11 Napište vzorce výchozích látek následující reakce. 1. AlCl3 2. H2O + O NO2 Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 54 / 55 Příklad č. 11 Napište vzorce výchozích látek následující reakce. 1. AlCl3 2. H2O + O NO2 Řešení: 1. AlCl3 2. H2O + O NO2 O X NO2 X = halogen nebo RCOO Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 54 / 55 Příklad č. 12 Napište hlavní produkt/y následující reakce. AlCl3 (kat.) + Cl Cl Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 55 / 55 Příklad č. 12 Napište hlavní produkt/y následující reakce. AlCl3 (kat.) + Cl Cl Řešení: AlCl3 (kat.) + Cl Cl Cl + Cl Jaromír Literák Základy organické chemie 19. dubna 2020 55 / 55