1

RJC

Substytucje Nukleofilowe

w Pochodnych Karbonylowych

Substytucje Nukleofilowe

Substytucje Nukleofilowe

w Pochodnych Karbonylowych

w Pochodnych Karbonylowych

Slides 1 to 21

C

O

R

Nu

Y

+

C

O

R

Y

Nu

+

Nu

C

O

R

Y

2

RJC

Addycje vs Podstawienia

Addycje vs Podstawienia

Ł

Ł

adunek

adunek

δ

δ

+

+

zlokalizowany na atomie w

zlokalizowany na atomie w

ę

ę

gla grupy

gla grupy

karbonylowej powoduje,

karbonylowej powoduje,

ż

ż

e atak nukleofila mo

e atak nukleofila mo

ż

ż

e

e

doprowadzi

doprowadzi

ć

ć

do utworzenia produktu addycji lub

do utworzenia produktu addycji lub

substytucji.

substytucji.

C

O

δ

+

δ

-

Nu

X

R

C

O

Nu

R

C

OH

R

X

Nu

add

n

sub

n

3

RJC

Podstawienie (substytucja)

Podstawienie (substytucja)

Je

Je

ż

ż

eli grupa Y jest dobr

eli grupa Y jest dobr

ą

ą

grup

grup

ą

ą

odchodz

odchodz

ą

ą

c

c

ą

ą

,

,

to

to

preferowane jest powstawanie produktu substytucji.

preferowane jest powstawanie produktu substytucji.

C

O

R

Nu

Y

+

C

O

R

Y

Nu

+

Nu

C

O

R

Y

4

RJC

Diagram Energetyczny Reakcji

Diagram Energetyczny Reakcji

Podstawienie przy grupie karbonylowej jest

Podstawienie przy grupie karbonylowej jest

reakcj

reakcj

ą

ą

dwuetapow

dwuetapow

ą

ą

.

.

Energia

Postęp reakcji

C

O

R

Nu

C

O

R

Y

Nu

C

O

R

Y

5

RJC

Etap okre

Etap okre

ś

ś

laj

laj

ą

ą

cy szybko

cy szybko

ść

ść

reakcji

reakcji

...addycja cz

...addycja cz

ą

ą

steczki Nu zazwyczaj okre

steczki Nu zazwyczaj okre

ś

ś

la

la

szybko

szybko

ść

ść

reakcji; niemniej, odej

reakcji; niemniej, odej

ś

ś

cie grupy Y mo

cie grupy Y mo

ż

ż

e

e

r

r

ó

ó

wnie

wnie

ż

ż

wyznacza

wyznacza

ć

ć

najwolniejszy etap reakcji.

najwolniejszy etap reakcji.

Energia

Postęp reakcji

+Nu

-Y

6

RJC

Stan r

Stan r

ó

ó

wnowagi

wnowagi

Stan r

Stan r

ó

ó

wnowagi jest okre

wnowagi jest okre

ś

ś

lony przez r

lony przez r

ó

ó

ż

ż

nic

nic

ę

ę

wzgl

wzgl

ę

ę

dnych energii produkt

dnych energii produkt

ó

ó

w oraz substrat

w oraz substrat

ó

ó

w,

w,

∆

∆

G

G

o

o

.

.

Energia

Postęp reakcji

∆

G

o

C

O

R

Nu

C

O

R

Y

7

RJC

Czynniki okre

Czynniki okre

ś

ś

laj

laj

ą

ą

ce mo

ce mo

ż

ż

liwo

liwo

ść

ść

ataku nukleofilowego

ataku nukleofilowego

Dwa czynniki maj

Dwa czynniki maj

ą

ą

ce zasadnicze znaczenie dla

ce zasadnicze znaczenie dla

ataku nukleofila Nu to

ataku nukleofila Nu to

:

:

Oddziaływania steryczne (przestrzenne)

Czynniki elektronowe (elektroujemność)

8

RJC

Czynniki steryczne (przestrzenne)

Czynniki steryczne (przestrzenne)

Sterycznie zat

Sterycznie zat

ł

ł

oczone (wysoce podstawione)

oczone (wysoce podstawione)

zwi

zwi

ą

ą

zki karbonylowe s

zki karbonylowe s

ą

ą

mniej podatne na atak

mniej podatne na atak

odczynnika nukleofilowego Nu.

odczynnika nukleofilowego Nu.

O

(CH

3

)

3

CCCl

(CH

3

)

2

CHCCl

O

CH

3

CH

2

CCl

O

CH

3

CCl

O

wzrastająca reaktywność

9

RJC

Czynniki elektronowe (elektroujemno

Czynniki elektronowe (elektroujemno

ść

ść

)

)

Im wi

Im wi

ę

ę

kszy

kszy

ł

ł

adunek

adunek

δ

δ

+

+

na karbonylowym atomie

na karbonylowym atomie

w

w

ę

ę

gla, tym bardziej jest on podatny na atak

gla, tym bardziej jest on podatny na atak

odczynnika nukleofilowego Nu.

odczynnika nukleofilowego Nu.

C

O

CH

3

NH

2

C

O

OH

CH

3

C

O

Cl

CH

3

acetamid

kwas octowy

chlorek acetylu

wzrastająca reaktywność

10

RJC

Otrzymywanie chlork

Otrzymywanie chlork

ó

ó

w kwasowych

w kwasowych

Kwasy karboksylowe reaguj

Kwasy karboksylowe reaguj

ą

ą

z chlorkiem tionylu

z chlorkiem tionylu

(SOCl

(SOCl

2

2

) daj

) daj

ą

ą

c chlorki kwasowe (COCl).

c chlorki kwasowe (COCl).

C

O

R

Cl

HCl

+ SO

2

+

C

O

R

OH

SOCl

2

+

11

RJC

Wykorzystanie chlork

Wykorzystanie chlork

ó

ó

w kwasowych

w kwasowych

Chlorki kwasowe s

Chlorki kwasowe s

ą

ą

niezwykle u

niezwykle u

ż

ż

ytecznymi

ytecznymi

odczynnikami, kt

odczynnikami, kt

ó

ó

re

re

ł

ł

atwo ulegaj

atwo ulegaj

ą

ą

reakcjom

reakcjom

prowadz

prowadz

ą

ą

cym do...

cym do...

Kwas

Kwas

ó

ó

w

w

Estrów

Amidów

12

RJC

Otrzymywanie kwas

Otrzymywanie kwas

ó

ó

w karboksylowych

w karboksylowych

z chlork

z chlork

ó

ó

w kwasowych

w kwasowych

Hydroliza chlorku kwasowego (COCl) (przy

Hydroliza chlorku kwasowego (COCl) (przy

u

u

ż

ż

yciu wody H

yciu wody H

2

2

O) prowadzi do regeneracji kwasu

O) prowadzi do regeneracji kwasu

karboksylowego (CO

karboksylowego (CO

2

2

H).

H).

C

O

R

OH

+ HCl

C

O

R

Cl

H

2

O

+

••

••

13

RJC

Otrzymywanie estr

Otrzymywanie estr

ó

ó

w z chlork

w z chlork

ó

ó

w kwasowych

w kwasowych

Reakcje chlork

Reakcje chlork

ó

ó

w kwasowych (COCl) z

w kwasowych (COCl) z

alkoholami (ROH) prowadz

alkoholami (ROH) prowadz

ą

ą

do estr

do estr

ó

ó

w (CO

w (CO

2

2

R).

R).

C

O

R

O

R

+ HCl

C

O

R

Cl

R

OH

+

••

••

14

RJC

Niemniej ... najwa

Niemniej ... najwa

ż

ż

niejsza metoda

niejsza metoda

otrzymywania estr

otrzymywania estr

ó

ó

w to

w to

…

…

reakcje kwas

reakcje kwas

ó

ó

w karboksylowych (CO

w karboksylowych (CO

2

2

H) z alkoholami

H) z alkoholami

(ROH) w obecno

(ROH) w obecno

ś

ś

ci katalizatora kwasowego.

ci katalizatora kwasowego.

C

O

R

O

R

+ H

2

O

C

O

H

R

OH

R

OH

••

••

C

O

H

R

OH

15

RJC

Stan r

Stan r

ó

ó

wnowagi w reakcji estryfikacji

wnowagi w reakcji estryfikacji

R

R

ó

ó

wnowaga pomi

wnowaga pomi

ę

ę

dzy estrem (CO

dzy estrem (CO

2

2

R) i kwasem

R) i kwasem

karboksylowym (CO

karboksylowym (CO

2

2

H), w warunkach katalizy

H), w warunkach katalizy

kwasowej, zale

kwasowej, zale

ż

ż

y od wzgl

y od wzgl

ę

ę

dnych st

dnych st

ęż

ęż

e

e

ń

ń

alkoholu

alkoholu

[ROH] oraz wody [H

[ROH] oraz wody [H

2

2

O].

O].

C

O

H

R

O

R

R

OH

••

••

C

O

H

R

OH

HOH

••

••

16

RJC

Otrzymywanie amid

Otrzymywanie amid

ó

ó

w z chlork

w z chlork

ó

ó

w

w

kwasowych

kwasowych

Amidy I

Amidy I

-

-

rz

rz

ę

ę

dowe (CONH

dowe (CONH

2

2

) mo

) mo

ż

ż

na

na

ł

ł

atwo otrzyma

atwo otrzyma

ć

ć

w reakcji chlork

w reakcji chlork

ó

ó

w kwasowych (COCl) z

w kwasowych (COCl) z

amoniakiem (NH

amoniakiem (NH

3

3

).

).

C

O

R

NH

2

+ HCl

C

O

R

Cl

NH

3

+

••

17

RJC

Otrzymywanie amid

Otrzymywanie amid

ó

ó

w bezpo

w bezpo

ś

ś

rednio z kwas

rednio z kwas

ó

ó

w

w

Reakcja kwasu karboksylowego (CO

Reakcja kwasu karboksylowego (CO

2

2

H) z

H) z

amoniakiem (NH

amoniakiem (NH

3

3

) nie prowadzi bezpo

) nie prowadzi bezpo

ś

ś

rednio do

rednio do

amidu (CONH

amidu (CONH

2

2

) z powodu konkurencyjnej reakcji

) z powodu konkurencyjnej reakcji

kwas

kwas

-

-

zasada.

zasada.

C

O

R

O

C

O

R

OH

NH

3

+

••

NH

4

18

RJC

Otrzymywanie amid

Otrzymywanie amid

ó

ó

w z estr

w z estr

ó

ó

w

w

Amidy I

Amidy I

-

-

rz

rz

ę

ę

dowe (CONH

dowe (CONH

2

2

) mo

) mo

ż

ż

na otrzyma

na otrzyma

ć

ć

na

na

drodze reakcji estr

drodze reakcji estr

ó

ó

w (CO

w (CO

2

2

R) z amoniakiem (NH

R) z amoniakiem (NH

3

3

)

)

(tzw. aminoliza estr

(tzw. aminoliza estr

ó

ó

w).

w).

C

O

R

NH

2

C

O

R

OR

NH

3

+

••

ROH

+

19

RJC

Zasadowa hydroliza estr

Zasadowa hydroliza estr

ó

ó

w/amid

w/amid

ó

ó

w/chlork

w/chlork

ó

ó

w

w

kwasowych

kwasowych

Hydroliza pochodnych kwasowych COX (gdzie X

Hydroliza pochodnych kwasowych COX (gdzie X

= OR, NH

= OR, NH

2

2

lub Cl) w

lub Cl) w

ś

ś

rodowisku zasadowym

rodowisku zasadowym

(zmydlanie) i nast

(zmydlanie) i nast

ę

ę

pne zakwaszenie roztworu

pne zakwaszenie roztworu

prowadz

prowadz

ą

ą

do odpowiedniego kwasu

do odpowiedniego kwasu

karboksylowego (CO

karboksylowego (CO

2

2

H). Zasadowa hydroliza

H). Zasadowa hydroliza

pochodnych kwasowych jest nieodwracalna !

pochodnych kwasowych jest nieodwracalna !

C

O

R

OH

C

O

R

X

HO

+

HX

+

20

RJC

Kwasowa hydroliza

Kwasowa hydroliza

estr

estr

ó

ó

w/amid

w/amid

ó

ó

w/chlork

w/chlork

ó

ó

w kwasowych

w kwasowych

Hydroliza pochodnych kwasowych COX

Hydroliza pochodnych kwasowych COX

(gdzie X = OR, NH

(gdzie X = OR, NH

2

2

lub Cl) w

lub Cl) w

ś

ś

rodowisku

rodowisku

kwasowym prowadzi bezpo

kwasowym prowadzi bezpo

ś

ś

rednio do

rednio do

odpowiedniego kwasu karboksylowego (CO

odpowiedniego kwasu karboksylowego (CO

2

2

H).

H).

Jest to reakcja odwracalna !

Jest to reakcja odwracalna !

C

O

R

OH

C

O

H

R

X

H

2

O

HX

+

C

O

H

R

X

21

RJC

Podsumowanie

Podsumowanie

Podstawienie nukleofilowe przy grupie C=O

Etap określający szybkość reakcji i równowagi

Szybkość reakcji : czynniki steryczne vs czynniki

elektronowe

Chlorki kwasowe

Kwasy

Amidy

Estry

Hydroliza : zasadowa (zmydlanie) vs kwasowa

Podstawienie nukleofilowe przy grupie C=O

Etap określający szybkość reakcji i równowagi

Szybkość reakcji : czynniki steryczne vs czynniki

elektronowe

Chlorki kwasowe

Kwasy

Amidy

Estry

Hydroliza : zasadowa (zmydlanie) vs kwasowa