1

RJC

Substytucje Nukleofilowe

Substytucje Nukleofilowe

w Pochodnych Karbonylowych

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

Ładunek

Ładunek





+

+

zlokalizowany na atomie węgla

zlokalizowany na atomie węgla

grupy karbonylowej powoduje, że atak

grupy karbonylowej powoduje, że atak

nukleofila może doprowadzić do utworzenia

nukleofila może doprowadzić do utworzenia

produktu addycji lub substytucji.

produktu addycji lub substytucji.

C

O



+



-

Nu

X

R

C

O

Nu

R

C

OH

R

X

Nu

add

n

sub

n

3

RJC

Podstawienie (substytucja)

Podstawienie (substytucja)

Jeżeli grupa Y jest dobrą grupą

Jeżeli grupa Y jest dobrą grupą

odchodzącą to preferowane jest

odchodzącą to preferowane jest

powstawanie produktu substyttucji.

powstawanie produktu substyttucji.

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

Podstawienie przy grupie karbonylowej

jest reakcją dwuetapową.

jest reakcją dwuetapową.

Energia

Postęp reakcji

C

O

R

Nu

C

O

R

Y

Nu

C

O

R

Y

5

RJC

Etap określający szybkość

Etap określający szybkość

reakcji

reakcji

...addycja cząsteczki Nu zazwyczaj

...addycja cząsteczki Nu zazwyczaj

określa szybkość reakcji; niemniej,

określa szybkość reakcji; niemniej,

odejście grupy Y może również

odejście grupy Y może również

wyznaczać najwolniejszy etap reakcji.

wyznaczać najwolniejszy etap reakcji.

Energia

Postęp reakcji



+Nu



-Y

6

RJC

Stan równowagi

Stan równowagi

Stan równowagi jest określony przez

Stan równowagi jest określony przez

różnicę względnych energii produktów

różnicę względnych energii produktów

oraz substratów,

oraz substratów,





G

G

o

o

.

.

Energia

Postęp reakcji



G

o

C

O

R

Nu

C

O

R

Y

7

RJC

Czynniki określające możliwość

Czynniki określające możliwość

ataku nukleofilowego

ataku nukleofilowego

Dwa czynniki mające zasadnicze

Dwa czynniki mające zasadnicze

znaczenie dla ataku nukleofila Nu to;

znaczenie dla ataku nukleofila Nu to;

Oddziaływania steryczne

(przestrzenne)

Czynniki elektronowe

(elektroujemność)

8

RJC

Czynniki steryczne

Czynniki steryczne

(przestrzenne)

(przestrzenne)

Sterycznie zatłoczone (wysoce

Sterycznie zatłoczone (wysoce

podstawione) związki karbonylowe są

podstawione) związki karbonylowe są

mniej podatne na atak odczynnika

mniej podatne na atak odczynnika

nukleofilowego Nu.

nukleofilowego Nu.

O

(CH

3

)

3

CCCl (CH

3

)

2

CHCCl

O

CH

3

CH

2

CCl

O

CH

3

CCl

O

wzrastająca reaktywność

wzrastająca reaktywność

9

RJC

Czynniki elektronowe

Czynniki elektronowe

(elektroujemność)

(elektroujemność)

Im większy ładunek

Im większy ładunek





+

+

na

na

karbonylowym atomie węgla, tym

karbonylowym atomie węgla, tym

bardziej jest on podatny na atak

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

acetamid

kwas octowy

kwas octowy

chlorek acetylu

chlorek acetylu

wzrastająca reaktywność

wzrastająca reaktywność

10

RJC

Otrzymywanie chlorków

Otrzymywanie chlorków

kwasowych

kwasowych

Kwasy karboksylowe reagują z

Kwasy karboksylowe reagują z

chlorkiem tionylu (SOCl

chlorkiem tionylu (SOCl

2

2

) dając chlorki

) dając chlorki

kwasowe (COCl).

kwasowe (COCl).

C

O

R

Cl

HCl

+ SO

2

+

C

O

R

OH

SOCl

2

+

11

RJC

Wykorzystanie chlorków

Wykorzystanie chlorków

kwasowych

kwasowych

Chlorki kwasowe są niezwykle

Chlorki kwasowe są niezwykle

użytecznymi odczynnikami, które łatwo

użytecznymi odczynnikami, które łatwo

ulegają reakcjom prowadzącym do...

ulegają reakcjom prowadzącym do...

Kwasów

Kwasów

Estrów

Amidów

12

RJC

Otrzymywanie kwasów karboksylowych

Otrzymywanie kwasów karboksylowych

z chlorków kwasowych

z chlorków kwasowych

Hydroliza chlorku kwasowego (COCl)

Hydroliza chlorku kwasowego (COCl)

(przy użyciu wody H

(przy użyciu wody H

2

2

O) prowadzi do

O) prowadzi do

regeneracji kwasu karboksylowego

regeneracji kwasu karboksylowego

(CO

(CO

2

2

H).

H).

C

O

R

OH

+ HCl

C

O

R

Cl

H

2

O

+

••

••

13

RJC

Otrzymywanie estrów z chlorków

Otrzymywanie estrów z chlorków

kwasowych

kwasowych

Reakcje chlorków kwasowych (COCl) z

Reakcje chlorków kwasowych (COCl) z

alkoholami (ROH) prowadzą do estrów

alkoholami (ROH) prowadzą do estrów

(CO

(CO

2

2

R).

R).

C

O

R

O

R

+ HCl

C

O

R

Cl

R

OH

+

••

••

14

RJC

Niemniej ... najważniejsza

Niemniej ... najważniejsza

metoda otrzymywania estrów to

metoda otrzymywania estrów to

…

…

reakcje kwasów karboksylowych (CO

reakcje kwasów karboksylowych (CO

2

2

H) z

H) z

alkoholami (ROH) w obecności katalizatora

alkoholami (ROH) w obecności katalizatora

kwasowego.

kwasowego.

C

O

R

O

R

+ H

2

O

C

O

H

R

OH

R

OH

••

••

C

O

H

R

OH

15

RJC

Stan równowagi w reakcji

Stan równowagi w reakcji

estryfikacji

estryfikacji

Równowaga pomiędzy estrem (CO

Równowaga pomiędzy estrem (CO

2

2

R) i

R) i

kwasem karboksylowym (CO

kwasem karboksylowym (CO

2

2

H), w

H), w

warunkach katalizy kwasowej, zależy od

warunkach katalizy kwasowej, zależy od

względnych stężeń alkoholu [ROH] oraz

względnych stężeń alkoholu [ROH] oraz

wody [H

wody [H

2

2

O].

O].

C

O

H

R

O

R

R

OH

••

••

C

O

H

R

OH

HOH

••

••

16

RJC

Otrzymywanie amidów z chlorków

Otrzymywanie amidów z chlorków

kwasowych

kwasowych

Amidy I-rzędowe (CONH

Amidy I-rzędowe (CONH

2

2

) można łatwo

) można łatwo

otrzymać w reakcji chlorków

otrzymać w reakcji chlorków

kwasowych (COCl) z amoniakiem (NH

kwasowych (COCl) z amoniakiem (NH

3

3

).

).

C

O

R

NH

2

+ HCl

C

O

R

Cl

NH

3

+

••

17

RJC

Otrzymywanie amidów bezpośrednio

Otrzymywanie amidów bezpośrednio

z kwasów

z kwasów

Reakcja kwasu karboksylowego (CO

Reakcja kwasu karboksylowego (CO

2

2

H)

H)

z amoniakiem (NH

z amoniakiem (NH

3

3

) nie prowadzi

) nie prowadzi

bezpośrednio do amidu (CONH

bezpośrednio do amidu (CONH

2

2

) z

) z

powodu konkurencyjnej reakcji kwas-

powodu konkurencyjnej reakcji kwas-

zasada.

zasada.

C

O

R

O

C

O

R

OH

NH

3

+

••

NH

4

18

RJC

Otrzymywanie amidów z estrów

Otrzymywanie amidów z estrów

Amidy I-rzędowe (CONH

Amidy I-rzędowe (CONH

2

2

) można

) można

otrzymać na drodze reakcji estrów

otrzymać na drodze reakcji estrów

(CO

(CO

2

2

R) z amoniakiem (NH

R) z amoniakiem (NH

3

3

) (tzw.

) (tzw.

aminoliza estrów).

aminoliza estrów).

C

O

R

NH

2

C

O

R

OR

NH

3

+

••

ROH

+

19

RJC

Zasadowa hydroliza

Zasadowa hydroliza

estrów/amidów/chlorków kwasowych

estrów/amidów/chlorków 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

środowisku zasadowym (zmydlanie) i

środowisku zasadowym (zmydlanie) i

następne zakwaszenie roztworu

następne zakwaszenie roztworu

prowadzą do odpowiedniego kwasu

prowadzą do odpowiedniego kwasu

karboksylowego (CO

karboksylowego (CO

2

2

H). Zasadowa

H). Zasadowa

hydroliza pochodnych kwasowych jest

hydroliza pochodnych kwasowych jest

nieodwracalna !

nieodwracalna !

C

O

R

OH

C

O

R

X

HO

+

HX

+

20

RJC

Kwasowa hydroliza

Kwasowa hydroliza

estrów/amidów/chlorków

estrów/amidów/chlorków

kwasowych

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

środowisku kwasowym prowadzi

środowisku kwasowym prowadzi

bezpośrednio do odpowiedniego kwasu

bezpośrednio do odpowiedniego kwasu

karboksylowego (CO

karboksylowego (CO

2

2

H). Jest to reakcja

H). Jest to reakcja

odwracalna !

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