RJC
1
Substytucje Nukleofilowe
Substytucje Nukleofilowe
Substytucje Nukleofilowe
w Pochodnych Karbonylowych
w Pochodnych Karbonylowych
w Pochodnych Karbonylowych
O
O O
Nu
+ + Y
R C Y
C C
R Y R Nu
Nu
Slides 1 to 21
RJC
Addycje vs Podstawienia
Addycje vs Podstawienia
2
A
adunek ´+ zlokalizowany na atomie wÄ™gla grupy
A
adunek ´+ zlokalizowany na atomie wÄ™gla grupy
karbonylowej powoduje, \
e atak nukleofila mo\
e
karbonylowej powoduje, \
e atak nukleofila mo\
e
doprowadzić do utworzenia produktu addycji lub
doprowadzić do utworzenia produktu addycji lub
substytucji.
substytucji.
-
O
O´ OH
subn addn
C ´+
C R C X
R Nu
R X
Nu
Nu
RJC
Podstawienie (substytucja)
Podstawienie (substytucja)
3
Je\
eli grupa Y jest dobrÄ… grupÄ… odchodzÄ…cÄ…, to
Je\
eli grupa Y jest dobrÄ… grupÄ… odchodzÄ…cÄ…, to
preferowane jest powstawanie produktu substytucji.
preferowane jest powstawanie produktu substytucji.
O
O O
Nu
+ + Y
R C Y
C C
R Y R Nu
Nu
RJC
Diagram Energetyczny Reakcji
Diagram Energetyczny Reakcji
4
Podstawienie przy grupie karbonylowej jest
Podstawienie przy grupie karbonylowej jest
reakcjÄ… dwuetapowÄ….
reakcjÄ… dwuetapowÄ….
O
O
R C Y
C
Energia
O
Nu
R Nu
C
R Y
Postęp reakcji
RJC
Etap określający szybkość reakcji
Etap określający szybkość reakcji
5
...addycja cząsteczki Nu zazwyczaj określa
...addycja cząsteczki Nu zazwyczaj określa
szybkość reakcji; niemniej, odejście grupy Y mo\
e
szybkość reakcji; niemniej, odejście grupy Y mo\
e
równie\
wyznaczać najwolniejszy etap reakcji.
równie\
wyznaczać najwolniejszy etap reakcji.
-Y
Energia
+Nu
Postęp reakcji
RJC
Stan równowagi
Stan równowagi
6
Stan równowagi jest określony przez ró\
nicÄ™
Stan równowagi jest określony przez ró\
nicÄ™
względnych energii produktów oraz substratów, "Go.
względnych energii produktów oraz substratów, "Go.
O
Energia
C
O
R Nu
"Go
C
R Y
Postęp reakcji
RJC
Czynniki określające mo\
liwość
Czynniki określające mo\
liwość
7 ataku nukleofilowego
ataku nukleofilowego
Dwa czynniki majÄ…ce zasadnicze znaczenie dla
Dwa czynniki majÄ…ce zasadnicze znaczenie dla
ataku nukleofila Nu to:
ataku nukleofila Nu to:
Oddziaływania steryczne (przestrzenne)
Czynniki elektronowe (elektroujemność)
RJC
Czynniki steryczne (przestrzenne)
Czynniki steryczne (przestrzenne)
8
Sterycznie zatłoczone (wysoce podstawione)
Sterycznie zatłoczone (wysoce podstawione)
zwiÄ…zki karbonylowe sÄ… mniej podatne na atak
zwiÄ…zki karbonylowe sÄ… mniej podatne na atak
odczynnika nukleofilowego Nu.
odczynnika nukleofilowego Nu.
O O O O
(CH3)3CCCl (CH3)2CHCCl CH3CH2CCl CH3CCl
wzrastająca reaktywność
RJC
Czynniki elektronowe (elektroujemność)
Czynniki elektronowe (elektroujemność)
9
Im wiÄ™kszy Å‚adunek ´+ na karbonylowym atomie
Im wiÄ™kszy Å‚adunek ´+ na karbonylowym atomie
węgla, tym bardziej jest on podatny na atak
węgla, tym bardziej jest on podatny na atak
odczynnika nukleofilowego Nu.
odczynnika nukleofilowego Nu.
O O O
C C C
CH3 NH2 CH3 OH CH3 Cl
acetamid kwas octowy chlorek acetylu
wzrastająca reaktywność
RJC
Otrzymywanie chlorków kwasowych
Otrzymywanie chlorków kwasowych
10
Kwasy karboksylowe reagujÄ… z chlorkiem tionylu
Kwasy karboksylowe reagujÄ… z chlorkiem tionylu
(SOCl2) dajÄ…c chlorki kwasowe (COCl).
(SOCl2) dajÄ…c chlorki kwasowe (COCl).
O
O
SOCl2
+ + SO2 + HCl
C
C
R OH
R Cl
RJC
Wykorzystanie chlorków kwasowych
Wykorzystanie chlorków kwasowych
11
Chlorki kwasowe sÄ… niezwykle u\
ytecznymi
Chlorki kwasowe sÄ… niezwykle u\
ytecznymi
odczynnikami, które łatwo ulegają reakcjom
odczynnikami, które łatwo ulegają reakcjom
prowadzÄ…cym do...
prowadzÄ…cym do...
Kwasów
Kwasów
Estrów
Amidów
RJC
Otrzymywanie kwasów karboksylowych
Otrzymywanie kwasów karboksylowych
12
z chlorków kwasowych
z chlorków kwasowych
Hydroliza chlorku kwasowego (COCl) (przy
Hydroliza chlorku kwasowego (COCl) (przy
u\
yciu wody H2O) prowadzi do regeneracji kwasu
u\
yciu wody H2O) prowadzi do regeneracji kwasu
karboksylowego (CO2H).
karboksylowego (CO2H).
O
O
" "
H2O
+ + HCl
C
C
" "
R Cl
R OH
RJC
Otrzymywanie estrów z chlorków kwasowych
Otrzymywanie estrów z chlorków kwasowych
13
Reakcje chlorków kwasowych (COCl) z
Reakcje chlorków kwasowych (COCl) z
alkoholami (ROH) prowadzą do estrów (CO2R).
alkoholami (ROH) prowadzą do estrów (CO2R).
O
O
" "
ROH
+ + HCl
C
C
" "
R Cl
R OR
RJC
Niemniej ... najwa\
niejsza metoda
Niemniej ... najwa\
niejsza metoda
14
otrzymywania estrów to &
otrzymywania estrów to &
reakcje kwasów karboksylowych (CO2H) z alkoholami
reakcje kwasów karboksylowych (CO2H) z alkoholami
(ROH) w obecności katalizatora kwasowego.
(ROH) w obecności katalizatora kwasowego.
" "
OH OH
ROH
O
" "
+ H2O
C C
C
R OH R OH
R OR
RJC
Stan równowagi w reakcji estryfikacji
Stan równowagi w reakcji estryfikacji
15
Równowaga pomiędzy estrem (CO2R) i kwasem
Równowaga pomiędzy estrem (CO2R) i kwasem
karboksylowym (CO2H), w warunkach katalizy
karboksylowym (CO2H), w warunkach katalizy
kwasowej, zale\
y od względnych stę\
eń alkoholu
kwasowej, zale\
y od względnych stę\
eń alkoholu
[ROH] oraz wody [H2O].
[ROH] oraz wody [H2O].
" "
OH OH
ROH
" "
C C
" "
HOH
R OH R OR
" "
RJC
Otrzymywanie amidów z chlorków
Otrzymywanie amidów z chlorków
16
kwasowych
kwasowych
Amidy I-rzędowe (CONH2) mo\
na łatwo otrzymać
Amidy I-rzędowe (CONH2) mo\
na łatwo otrzymać
w reakcji chlorków kwasowych (COCl) z
w reakcji chlorków kwasowych (COCl) z
amoniakiem (NH3).
amoniakiem (NH3).
O
O
" "
NH3
+ + HCl
C
C
R Cl
R NH2
RJC
Otrzymywanie amidów bezpośrednio z kwasów
17 Otrzymywanie amidów bezpośrednio z kwasów
Reakcja kwasu karboksylowego (CO2H) z
Reakcja kwasu karboksylowego (CO2H) z
amoniakiem (NH3) nie prowadzi bezpośrednio do
amoniakiem (NH3) nie prowadzi bezpośrednio do
amidu (CONH2) z powodu konkurencyjnej reakcji
amidu (CONH2) z powodu konkurencyjnej reakcji
kwas-zasada.
kwas-zasada.
O
O
" "
NH3
+
C
C
R OH
NH4
R O
RJC
Otrzymywanie amidów z estrów
Otrzymywanie amidów z estrów
18
Amidy I-rzędowe (CONH2) mo\
na otrzymać na
Amidy I-rzędowe (CONH2) mo\
na otrzymać na
drodze reakcji estrów (CO2R) z amoniakiem (NH3)
drodze reakcji estrów (CO2R) z amoniakiem (NH3)
(tzw. aminoliza estrów).
(tzw. aminoliza estrów).
O
O
" "
NH3 ROH
+ +
C
C
R OR
R NH2
RJC
Zasadowa hydroliza estrów/amidów/chlorków
Zasadowa hydroliza estrów/amidów/chlorków
19
kwasowych
kwasowych
Hydroliza pochodnych kwasowych COX (gdzie X
Hydroliza pochodnych kwasowych COX (gdzie X
= OR, NH2 lub Cl) w środowisku zasadowym
= OR, NH2 lub Cl) w środowisku zasadowym
(zmydlanie) i następne zakwaszenie roztworu
(zmydlanie) i następne zakwaszenie roztworu
prowadzÄ… do odpowiedniego kwasu
prowadzÄ… do odpowiedniego kwasu
karboksylowego (CO2H). Zasadowa hydroliza
karboksylowego (CO2H). Zasadowa hydroliza
pochodnych kwasowych jest nieodwracalna !
pochodnych kwasowych jest nieodwracalna !
O
O
HO HX
+ +
C
C
R X
R OH
RJC
Kwasowa hydroliza
Kwasowa hydroliza
20
estrów/amidów/chlorków kwasowych
estrów/amidów/chlorków kwasowych
Hydroliza pochodnych kwasowych COX
Hydroliza pochodnych kwasowych COX
(gdzie X = OR, NH2 lub Cl) w środowisku
(gdzie X = OR, NH2 lub Cl) w środowisku
kwasowym prowadzi bezpośrednio do
kwasowym prowadzi bezpośrednio do
odpowiedniego kwasu karboksylowego (CO2H).
odpowiedniego kwasu karboksylowego (CO2H).
Jest to reakcja odwracalna !
Jest to reakcja odwracalna !
OH OH
O
H2O
HX
+
C C
C
R X R X
R OH
RJC
Podsumowanie
Podsumowanie
21
Podstawienie nukleofilowe przy grupie C=O
Podstawienie nukleofilowe przy grupie C=O
Etap określający szybkość reakcji i równowagi
Etap określający szybkość reakcji i równowagi
Szybkość reakcji : czynniki steryczne vs czynniki
Szybkość reakcji : czynniki steryczne vs czynniki
elektronowe
elektronowe
Chlorki kwasowe
Chlorki kwasowe
Kwasy
Kwasy
Amidy
Amidy
Estry
Estry
Hydroliza : zasadowa (zmydlanie) vs kwasowa
Hydroliza : zasadowa (zmydlanie) vs kwasowa