Mechanizmy reakcji

organicznych

1. Jak rozpocząć pisanie mechanizmu reakcji

2. Reakcje polarne zachodzące w warunkach zasadowych

3. Reakcje polarne w warunkach kwaśnych

4. Reakcje pericykliczne

5. Reakcje wolnorodnikowe

6. Reakcje promowane lub katalizowane metalami

7. Metody badania mechanizmów reakcji

1. Jak rozpocząć pisanie mechanizmu reakcji

•

Obrazowanie mechanizmów reakcji za pomocą strzałek

•

Kwasowość i zasadowość Brønsteda

•

Kinetyka i termodynamika (profile energii)

•

Kontrola kinetyczna i termodynamiczna w reakcjach organicznych

•

Klasyfikacja przemian w chemii organicznej

•

Klasyfikacja mechanizmów reakcji chemicznych

Chemia organiczne jest dziedziną nauki która bada jak substancje
organiczne są przekształcane od substratów w produkty

Mechanizmy reakcji organicznych są

opisami dróg

przekształcania substratów w produkty. Cząsteczki z takimi

samymi grupami funkcyjnymi reagują

wedle podobnych

mechanizmów. Na podstawie mechanizmów znanych reakcji

można przewidzieć zachowanie się podobnych cząsteczek w

analogicznych warunkach. Mechanizmy reakcji są więc tym co

łączy podobne reakcje. Znając je, można wyjaśnić sposób

powstawania produktów znanych reakcji, a także przewidzieć

reaktywność cząsteczek organicznych.

Science 31 Vol. 317 no. 5842 pp. 1189-1192

Obrazowanie mechanizmów reakcji za pomocą strzałek

Wygięta strzałka przedstawia ruch pary elektronowej z orbitalu zapełnionego na pusty

Gdy nukleofil atakuje
niewiążący orbital jedna
strzałka obrazuje
powstawanie nowego
wiązania, a druga
pęknięcie starego

Zachowanie ładunku na każdym etapie reakcji

Elektrony mogą być dostarczane
również z wiązania π. Strzałka
zaczyna się w środku wiązania π.

Zachowanie ładunku na każdym etapie reakcji

Rozpad cząsteczek

Spontaniczny rozpad cząsteczek - przyczyna – słabe spolaryzowane wiązanie σ

Grupy funkcyjne, które
„oddalają się” z
elektronami z wiązania σ
(Br, N

2

+

, OH

2

+

) są zwane

grupami opuszczającymi,
a tego typu rozpad
określamy jako
rozczepienie
heterolityczne

Homolityczne rozczepienie – tworzenie rodników

Przemieszczanie elektronów wewnątrz cząsteczki

Podsumowanie. Co oznaczają wygięte strzałki:

•

Wygięta strzałka pokazuje ruch pary elektronowej

• Początek strzałki wskazuje źródło pary elektronowej, którym może być zapełniony

orbital HOMO lub wolna para elektronowa wiązania π lub σ.

• Grot strzałki pokazuje miejsce przemieszczenia pary elektronów, którym może być

elektroujemny atom, który w wyniku tego przemieszczenie zyskuje ładunek ujemny

(grupa opuszczająca), pusty orbital, gdy tworzone jest nowe wiązanie lub niewiążący

orbital (σ* lub π*), gdy wiązanie jest przerywane.

• Zachowany jest sumaryczny ładunek.

Wskazówki do samodzielnego pisanie mechanizmów reakcji

(Clayden str. 131)

• Ustal strukturę każdego reagenta.

• Ustal, który atom jest nukleofilowy, a który elektrofilowy.

• Zaznacz wolną parę na nukleofilowym atomie.

• Wygięte strzałki zawsze rysuj w tym samym kierunku.

• Jeśli tworzysz nowe wiązanie z H, C, N lub O musisz zerwać już istniejące wiązanie.

• Zaznacz wyraźnie ładunki w reagentach i produktach pośrednich.

• Upewnij się, że ładunek całkowity w Twoim mechanizmie jest zachowany.

Kwasowość i zasadowość Brønsteda

• Kwasem jest substancja wykazująca skłonność do utraty protonu

• Zasadą jest substancja wykazująca skłonność do przyłączenia protonu

• Zasady mogą być anionowe lub neutralne, a kwasy neutralne bądź

kationowe

• Reakcje kwasowo zasadowe są reakcjami równowagowymi

• Kwas i zasadę mamy po obu stronach reakcji równowagowej

• Reakcja transferu protonu jest reakcją bardzo szybką szczególnie gdy proton

jest transferowany z jednego heteroatomu na drugi

Wartość pKa określa, jak bardzo kwasowy (lub jak mało) jest dany

atom wodoru w rozpatrywanym związku. Jest to bardzo

użyteczne, ponieważ w sytuacji, gdy pierwszym etapem reakcji

jest protonowanie lub deprotonowanie jednego z substratów,

trzeba wiedzieć, w którym miejscu związek ten może być

protonowany bądź deprotonowany i jak mocny kwas lub zasada

będzie tu potrzebna.

Do zapamiętania:

• Kwasowość wzrasta wraz ze wzrostem elektroujemności (porównaj: H

3

CH, H

2

NH,

HOH)

• Kwasowość wzrasta idąc w dół układu okresowego (porównaj: EtOH z EtSH). Jest to

prawdopodobnie spowodowane słabym nakładaniem się małych orbitali wodoru z

rosnącymi walencyjnymi orbitalami atomów, z którymi jest połączony.

• Kwasowość związku HA wzrasta kiedy indukcyjnie elektronoakceptorowe grupy są

połączone z A ,a maleje gdy grupy elektronodonorowe są połączone z A (porównaj

CCl

3

COOH z CH

3

COOH, i HOH z EtOH).

• Dla neutralnych kwasów, kwasowość maleje ze wzrostem zawady przestrzennej

(porównaj EtOH, t-BuOH).

• Kwas (HA) jest zdecydowanie bardziej kwaśny kiedy wolna para sprzężonej zasady

jest stabilizowana przez rezonans (porównaj: PhOH z EtOH i CH

3

CH=CH

2

z

alkanami). HA jest wyjątkowo kwaśny gdy wolna para jest delokalizowana z jedną lub

dwoma grupami karbonylowymi.

Kinetyka i termodynamika (profile energii)

• reakcja faworyzowana lub utrudniona

Reakcja jest uprzywilejowana gdy energia swobodna jest mniejsza od zera.

Energia swobodna jest zależna od entalpii (∆H) i entropii (∆S), ∆G

o

= ∆H

o

-T∆S

o

. W

praktyce to entalpie nie energie swobodną wykorzystuje się do określenia czy

reakcja jest preferowana czy nie. Reakcja z ∆H

o

< 0 jest egzotermiczna, ∆H

o

> 0

endotermiczna.

Kinetyka i termodynamika
•

reakcja szybka czy wolna

Substraty po przekroczeniu bariery energetycznej przechodzą w produkty. Energia

potrzebna by substraty osiągnęły szczyt bariery energetycznej to energia aktywacji,

a szczyt bariery, w którym reagenty mogą równie łatwo wrócić do substratów lub

przejść do produktów nazywamy stanem przejściowym. Szybkość reakcji jest

zależna od wielkości bariery aktywacji.

Kinetyka i termodynamika
•

stan przejściowy

Kinetyka i termodynamika
•

stan przejściowy

Kinetyka i termodynamika
•

postulat Hammonda (wczesny i późny stan przejściowy)

Reakcje silnie egzotermiczne

charakteryzują się wczesnym

stanem przejściowym i

wykazują małą selektywność.

Reakcje silnie endotermiczne

charakteryzują się późnym

stanem przejściowym i

wykazują wysoką

selektywnością.

Kontrola kinetyczna i termodynamiczna w reakcjach organicznych
•

Gdy w niskiej temperaturze powstaje jeden produkt, a w podwyższonej inny

Kontrola kinetyczna i termodynamiczna w reakcjach organicznych
•

pierwsze doniesienie o kontroli kinetycznej i termodynamicznej

Kontrola kinetyczna i termodynamiczna w reakcjach organicznych

• [4+2] cykloaddycja

W niższej temperaturze powstaje produkt endo 2, w wyższej produkt

termodynamicznie trwalszy egzo 1. Produkt egzo posiada niższe zawady

przestrzenne, a w stanie przejściowym prowadzącym do produktu 2 występuje

skuteczniejsze nakładanie orbitali tworzących nowe wiązania.

Kontrola kinetyczna i termodynamiczna w reakcjach organicznych

• deprotonowanie niesymetrycznych ketonów

Kontrola kinetyczna i termodynamiczna w reakcjach organicznych

• addycja elektrofilowa

Klasyfikacja przemian w chemii organicznej

• Reakcje addycji

•Reakcje eliminacji

•Reakcje substytucji

• Reakcje przegrupowania

Klasyfikacja reakcji chemicznych

• W reakcjach addycji dwa substraty łączą się dając jeden produkt.

Zwykle wiązanie π, które jest jednym z substratów zostaje

zastąpione dwoma wiązaniami σ

Klasyfikacja reakcji chemicznych

• W reakcjach eliminacji jeden substrat ulega podziałowi na dwa

produkty. Zwykle dwa wiązania σ w materiale wyjściowym zostają

zastąpione przez nowe wiązanie π

Klasyfikacja reakcji chemicznych

• W reakcjach substytucji atom lub grupa związana wiązaniem σ z

resztą cząsteczki zostaje zastąpiona przez inny σ-związany atom lub

grupę.

Klasyfikacja reakcji chemicznych

• W reakcjach przegrupowania pojedynczy materiał wyjściowy daje

jeden produkt o innej strukturze.

Klasyfikacja mechanizmów reakcji chemicznych

• Reakcje polarne – procesy te polegają na ruchu par

elektronowych z obszarów o wysokiej gęstości elektronowej

(nukleofile) do obszarów o niskiej gęstości elektronowej (elektrofile),

lub z pełnego orbitalu na orbital pusty.

• Reakcje wolnorodnikowe polegają na ruchu pojedynczych

elektronów. Nowe wiązanie powstaje wskutek połączenia dwóch

połowicznie zapełnionych (half-filled) orbitali.

• Reakcje pericykliczne charakteryzują się kołowym ruchem

elektronów.

• Reakcje promowane lub katalizowane metalami

Mechanizmy Polarne – reakcje nukleofili z elektrofilami biegną zwykle
w kwaśnych lub zasadowych warunkach.

• Nukleofile to związki posiadające wolną aktywną parę elektronową
dostępną by wytworzyć nowe wiązanie. Nukleofil może być obojętny
elektrycznie lub naładowany ujemnie. Istnieją trzy typy nukleofili:
nukleofile posiadające wolna parę elektronową, σ-nukleofile i π-
nukleofile.

• Nukleofile posiadające wolna parę elektronową. Wolna para jest

wykorzystywane do tworzenia nowego wiązania z elektrofilem. Alkohole

(ROH), aniony oksoniowe, aminy, aniony chlorkowe, tiole, fosfiny.

• σ-nukleofile – posiadają wiązanie między niemetalem a metalem.

Elektrony tworzące wiązanie pierwiastkiem (niemetalem) a metalem

zostają użyte do wytworzenia nowego wiązania między niemetalem, a

elektrofilem. Formalny ładunek atomu nukleofilowego się nie zmienia, a

metalu wzrasta o 1. Atomem nukleofilowym może być heteroatom

(NaNH

2

, KOH), związki metaloorganiczne (zw. Grignarda, Gilmana, lito-

czy miedzioorganiczne) lub wodór jak w kompleksach wodorków

NaBH

4

, LiAlH

4

• π-nukleofile – wykorzystują parę elektronową wiązania π do

wytworzenie wiązania σ między jednym atomem z wiązania π, a

atomem elektrofilowym. Formalny ładunek nukleofilowego atomu w

wiązaniu π się nie zmienia lecz drugi atom zespołu π staje się ubogi w

elektrony. Proste alkeny i areny są słabymi π nukleofilami podczas gdy

wiązania π bezpośrednio połączone z heteroatomami (enaminy,

enolany, etery winylowe) to aktywne π nukleofile.

Własności nukleofili

• Nukleofilowość wzrasta posuwając się w dół układu okresowego,

podczas gdy zasadowość maleje. Tak więc, I

-

jest świetnym nukleofilem

podczas gdy Cl

-

słabym, Et

2

S to bardzo dobry nukleofil a Et

2

O bardzo

słaby.

• Nukleofilowość maleje dramatycznie ze wzrostem zawady

przestrzennej wokół atomu nukleofilowego.

• Delokalizacja ładunku zdecydowanie obniża zasadowość, a

nieznacznie nukleofilowość.

• Brak wiązania wodorowego w aprotycznych rozpuszczalnikach

polarnych zwiększa zarówno nukleofilowość jak i zasadowość.

Elektrofile i grupy upuszczające.

• Elektrofile są to związki posiadające niskoenergetyczny wolny orbital

dostępny do wytworzenia nowego wiązania. Elektrofile mogą być

obojętne lub posiadać ładunek dodatni. Mamy trzy typy elektrofili:

elektrofile będące kwasami Lewisa, π elektrofile i σ elektrofile.

• Elektrofile będące kwasami Lewisa posiadają atom E który nie ma

oktetu elektronowego, a posiada niskoenergetyczny niewiążący orbital

(zwykle p). Wolna para elektronowa nukleofila jest wykorzystywana

przez E by wytworzyć nowe wiązanie i uzupełnić elektrony do oktetu.

Elektrofile i grupy upuszczające.

• π elektrofile elektrofilowy atom E posiada oktet lecz jest połączony

przez wiązanie π z atomem lub grupą, która może przyjąć parę

elektronową

Elektrofile i grupy upuszczające.

• σ elektrofile mają strukturę E-X. Elektrofilowy atom E posiada oktet

ale jest połączony wiązaniem σ z atomem bądź grupą X zwaną grupą

odchodzącą

Elektrofile i grupy upuszczające.

• Grupy opuszczające można podzielić na dwie rodziny. Pierwsza z

nich to grupy dobrze opuszczające, druga to grupy źle opuszczające.

Skłonność danej grupy do przynależności do jednej z dwóch

powyższych rodzin jest ściśle powiązana z pK

b

grupy.

Reakcje wolnorodnikowe

• Prawie wszystkie reakcje rodnikowe są reakcjami łańcuchowymi.

Główne produkty reakcji powstają w etapie propagacji. Tylko niewielka

ilość produktów ubocznych pochodzi z reakcji inicjacji i terminacji.

Reakcje pericykliczne

• Reakcje perycykliczne powodują utworzenie lub zerwanie co najmniej

jednego wiązania podwójnego. Często substraty lub produkty

zawierają dwa sprzężone wiązania π.

• Reakcje pericykliczne są stereospecyficzne. Czyli, że z trans

wiązania podwójnego powstaje jeden diestereoizomer, a z izomeru cis

drugi

Podsumowanie

Jak zacząć pisać mechanizm reakcji?

1.Zaznacz ciężkie atomy w substratach i produktach

2.Zanotuj które wiązania σ uległy zerwaniu na drodze z substratów

do produktów

3.Zaklasyfikuj sumaryczny przebieg reakcji (addycja, substytucja,

eliminacja, przegrupowanie). Wiele procesów może składać się z

dwóch lub więcej reakcji cząstkowych

4.Patrząc na warunki reakcji zakwalifikuj mechanizm (polarny w

warunkach kwaśnych lub zasadowych, wolnorodnikowy czy

promowany metalem)

5.Jeśli mechanizm jest polarny ustal nukleofilowość, elektrofilowość i

kwasowość atomów gdzie wiązanie σ będzie tworzone lub zrywane.