DINAMIČKA STEREOHEMIJASTEREOHEMIJA REAKCIJA

Jedan od osnovnih ciljeva organske sinteze je dobijanje čistog proizvoda(stereoizomera) koji se može dalje koristiti.

Ukoliko želimo da sintetišemo molekul koji sadrži n hiralnih centara, brojmogućih stereoizomera je 2n. Bez mogućnosti stereohemijske kontrolereakcija čak i sinteza jedinjenja sa manjim brojem hiralnih centara bila bineefikasna.

1. STATIČKA (stereohemija molekula)

2. Struktura stereizomera.

3. Energija stereoizomera.

4. Fizičke i spektralne osobine stereizomera.

1. Broj stereoizomera koji je moguć kada imamo jedinjenje datekonstitucije.

2. DINAMIČKA (stereohemija reakcija)Uticaj stereohemijskih efekata na hemijsku reaktivnost i stereohemijskiishod reakcije, a to je povezano sa proučavanjem reakcionih mehanizama.

Na osnovu stereohemijskih osobina reakcije se mogu podeliti na:

1. STEREOSELEKTIVNE REAKCIJE

2. STEREOSPECIFIČNE REAKCIJE

STEREOSELEKTIVNE REAKCIJE su one reakcije u kojima se jedanstereoizomer stvara u višku u odnosu na druge stereoizomere.Ukoliko su stereoizomeri enantiomeri tada se radi o enantioselektivnojreakciji, odnosno o enantioselektivnosti.Ukoliko su stereoizomeri diastereoizomeri tada se radi odiastereoselektivnoj reakciji, odnosno o diastereoselektivnosti.

STEREOSPECIFIČNE REAKCIJE su one reakcije u kojima polaznesupstance koje se razlikuju samo u konfiguraciji daju stereoizomernorazličite proizvode. Prema ovoj definiciji stereospecifična reakcija je uveki stereoselektivna, dok obrnuto ne važi, tj. stereoselektivna reakcija nemože biti stereospecifična.

STEREOSPECIFIČNE REAKCIJE

Bimolekulske nukleofilne supstitucije (SN2 reakcije).

(R)-2-brombutan

(S)-2-brombutan

(S)-2-butantiol

(R)-2-butantiol

Reakcije koje idu sa potpunom inverzijom konfiguracije.

H OSO2C6H4CH3_p

C(CH3)3H

NaSPh

PhS H

C(CH3)3H

p -H3CC6H4O2SO H

C(CH3)3H

NaSPh

H SPh

C(CH3)3H

H3C CH3

H H Br2H3C CH3

H HBr

Br

a b

Br

Br CH3H

H3CH

Br

BrH3CH

CH3H

a

b

H3C H

H CH3 Br2H3C H

H CH3Br

Br

a b

Br

Br HCH3

H3CH

Br

BrH3CH

HCH3

a

b

Adicija broma na diastereomerne alkene (cis i trans)

(2S,3S)-2,3-dibrombutan

(2R,3R)-2,3-dibrombutan

Racemska smesa

Mezo-2,3-dibrombutan

(2S,3R)-2,3-dibrombutan

E2-Eliminacija

treo-izomer

eritro-izomer

E-alken

Z-alken

Neophodan uslov za E2-eliminaciju je da vodonik i odlazeća grupa budu uantiperiplanarnom položaju.

H N(CH3)2

Ph HH3C CH3

O

115 oC H3C

Ph

CH3

H

H N(CH3)2

Ph CH3H3C H

O

115 oC H3C

Ph

H

CH3

Piroliza amino-oksida (Cope-ova eliminacija)

U ovom slučaju radi se o monomolekulskoj syn-eliminaciji.

H3C(H2C)7 (CH2)8OH

H H CH3CO3H

H3C(H2C)7 (CH2)8OH

H HO

H (CH2)8OH

H3C(H2C)7 H CH3CO3H

H (CH2)8OH

H3C(H2C)7 HO

Epoksidacija alkena

Epoksidacija je syn-adicija.

H3C CH3

H H CHBr3t-BuOK

H3C CH3

H HBr Br

H CH3

H3C H CHBr3t-BuOK

H CH3

H3C HBr Br

Adicija dibromkarbena na dvostruku vezu

I u ovom slučaju se radi o syn-adiciji na dvostruku vezu.

STEREOSELEKTIVNE REAKCIJE

Moguć je napad sa dve strane: sa aksijalne, tako da nastane ekvatorijalnialkohol i sa ekvatorijalne, tako da nastane aksijalni alkohol.

Nukleofili koji nisu sterno veliki napadaju sa aksijalne strane.Ekvatorijalan napad se dešava u slučaju sterno velikih nukleofila i kada jeotežan prilaz sa aksijalne strane.

Adicija nukleofila na konformaciono fiksiran cikloheksanon

Ishod ove reakcije je kontrolisan termodinamičkom stabilnosti proizvoda.Reakcije koje vode stvaranju više supstituisanog alkena slede Saytzev-ljevo pravilo. Trans-alken je stabilniji od cis-alkena i zbog toga nastaje uvišku.

Dobijanje alkena iz haloalkana E2-eliminacijom

Prethodna dva primera se odnose na diastereoselektivnu sintezuahiralnih jedinjenja.

Stereoselektivna sinteza hiralnih jedinjenjaDiastereoselektivna sinteza

CHOPh

HH3C

CH3MgI

Ph

OHHH3C H

CH3

+Ph

OHHH3C CH3

H

U ovom primeru postoji asimetrična indukcija.Asimetrična indukcija označava građenje enantiomera ili diastereomera u višku uodnosu na drugi enantiomer ili diastereomer u asimetričnoj sintezi. Do ovogadolazi pod uticajem hiralnog elementa koji može biti prisutan u supstratu,reagensu, katalizatoru.

Ishod ovakvih reakcija se može predvideti:Cram-ovo pravilo, Felkin-ov model i Prelog-ovo pravilo.

eritro-izomer67%

treo-izomer33%

Asimetrična sinteza je reakcija u kojoj se iz ahiralnog prekursora stvara hiralnojedinjenje, pri čemu se jedan enantiomer dobija u višku. Proširenje ove definicijeobuhvata dominantno građenje proizvoda određene konfiguracije u slučaju kadasupstrat već sadrži bar jedan hiralni element. Za ovakve sinteze se upotrebljavajui termini stereoselektivna sinteza, odnosno enantioselektivna idiastereoselektivna sinteza.

Cram-ovo pravilo

O

H

Ph

H3C HCH3MgI

OH

CH3H

Ph

HH3C+

OH

HH3C

Ph

HH3C(Mali)(Srednji)

(Veliki)

Cram-ovo pravilo razmatra sa koje strane reagens prilazi karbonilnojgrupi. Cram je postavio pravilo prema veličini grupa vezanih za hiralnicentar u susedstvu karbonilne grupe. Po Cram-u, optimalna konformacijaza reakciju je ona u kojoj velika grupa ima anti položaj u odnosu nakarbonilnu grupu. Nukleofilni reagens prilazi karbonilnoj grupi sa onestrane koja je manje zaštićena, odnosno sa strane na kojoj se nalazi malagrupa, jer je tu prilaz slobodniji.

eritro-izomer treo-izomerglavni proizvod

Felkin-ov modelCram je imao u vidu konformaciju u osnovnom stanju, a Felkin jepredložio najpovoljniju konformaciju u prelaznom stanju. On jepretpostavio da je torzioni napon u prelaznom stanju bitan faktor kojiutiče na stereohemijski ishod reakcije. Prema Felkinu najpovoljnijaorijentacija u prelaznom stanju je ona u kojoj je velika grupa (V)ortogonalna u odnosu na karbonilnu grupu, a srednja grupa (S)orijentisana gauche prema karbonilnoj grupi.

HPh

CH3

H

O

Nu

H

CH3HOCH3

Ph H(CH3MgI)

H

O

H

OHH3CCH3

Ph HPh

H

H3CNu

(CH3MgI)

eritro-izomer (glavni proizvod)

treo-izomer

Prilaz nukleofila karbonilnoj grupi je sa suprotne straneu odnosu na veliku grupu.

MV

S

H

O

Nu

A

B

V velikiS srednjiM mali

H

PhCH3

H

O

Nu H

CH3HOCH3

Ph H

(CH3MgI)

H

O

H

OHH3CCH3

Ph HPh

H

H3CNu(CH3MgI)

Drugi pristup ovom razmatranju je da se uzme u obzir Bürgi-Dunitztrajektorija, odnosno da nukleofil prilazi pod uglom od 109 u odnosu naravan karbonilne grupe. Prema ovom pristupu može se smatrati da sukonformacije A i B slične energije, a da razlika u reaktivnosti potiče ododbojnih sternih interakcija koje se javljaju u konformaciji B.

A

B

109

Bürgi-Dunitz trajektorija

eritro-izomer

treo-izomer

H

PhR

H

O

Nu H

CH3HOR

Ph H

(CH3MgI)

CH3

H OH

R

H Ph

H

O

H

OHH3CR

Ph HPh

H

RNu(CH3MgI)

CH3

HO H

R

H Ph

Ph

RH

H

O

Nu H

CH3HOH

R Ph

(CH3MgI)

CH3H OH

R

H Ph

H

O

H

OHH3CPh

H RR

Ph

HNu(CH3MgI)

CH3

HO H

R

H Ph

A

B

C

D

U opštem slučaju, ako se voluminoznost R-supstituenta povećava mora se u obziruzeti i drugi par mogućih konformacija (C i D). Za slučaj R Me, Et najpovoljnijakonformacija je A, ali u slučaju R i-Pr konformacija D postaje značajnija i onadominira u slučaju R t-Bu.

R = Me, Et

R = i-Pr, t-Bu

Sa povećanjem voluminoznosti supstituenta R stereoselektivnost sepovećava.

Kompleksiranje karbonilne grupe sa katjonom metala iz reagensa ne utičena geometriju prelaznog stanja, samo povećava brzinu reakcije.

Ovo zapažanje se na osnovu Cram-ovog modela ne može objasniti, ali naosnovu Felkin-ovog može. Razlog je taj što se sa povećanjemvoluminoznosti supstituenta R još više favorizuje konformacija u kojoj jemali supstituent gauche u odnosu na grupu R.

ZADACI

PhCH(Me)COEt(R)-konf iguracija

MeLiEt2O

PhCH(Me)COPh(S)-konf iguracija

LiAlH4Et2O

PhCH(t-Bu)CHO(S)-konf iguracija

MeMgBrEt2O

Prisustvo polarnih grupa (OH, OR, NR2) na C-atomu susednomkarbonilnoj grupi bitno utiče na stereoselektivnost, zbog formiranjastabilnih helatnih kompleksa. Ukoliko takva grupa odgovara veličinisrednjeg supstituenta (S) stereoselektivnost se povećava, jer jeodgovarajuća konformacija još favorizovanija.

Ukoliko je polarna grupa najveća (V) ili najmanja (M) po veličini, tadapredominira tzv. anti-Cram-ov proizvod.

R

O

R

OHNuV

M SS

V

MNu

R

Nu OH

S

M V

glavni

Met+

MV

S

R

O

R

NuHOS

V MNu

R

HO Nu

S

M V

sporedni

PhCHOHCOPh(S)-konf iguracija

Et2OLiAlH4

ZADATAK

U prethodnim primerima u kojima je stereohemijski ishod objašnjen na osnovuCram-ovog pravila i Felkin-ovog modela su hiralni centar i karbonilna grupa upoložaju 1,2, tako da je to 1,2-asimetrična indukcija.

Prelog-ovo praviloPrelog-ovo pravilo omogućava predviđanje stereohemijskog ishoda reakcije uslučaju kada hiralni centar nije blizu mestu napada nukleofila. Odnosi se na tokasimetrične sinteze kada nukleofil reaguje sa estrima -ketokiselina i optičkiaktivnih alkohola.

Prelog je pretpostavio sledeće: 1) dve karbonilne grupe su u anti položaju 2)najpovoljnija je stepeničasta konformacija u kojoj je velika grupa (V) u ravni sadve karbonilne grupe. Nukleofil prilazi karbonilnoj grupi sa strane na kojoj senalazi mali supstituent (M), tj. sa sterno najmanje zaštićene strane.Hiralni centar i karbonilna grupa su u položaju 1,4, tako da se u ovom slučaju radio 1,4-asimetričnoj indukciji.

Pomoću Prelog-ovog pravila se na osnovu konfiguracije kiseline dobijenenakon hidrolize može utvrditi konfiguracija upotrebljenog alkohola,odnosno na osnovu konfiguracije upotrebljenog alkohola predvidetikonfiguracija proizvoda. U tom slučaju je važno da je saponifikacijakvantitativna.

Cela reakcija, od početka do kraja, je enantioselektivna.

ZADATAK

Adicijom fenilmagnezijum-bromida na estar pirogrožđane kiseline ioptički aktivnog 2-butanola i saponifikacijom dobijenog proizvodadobijena je kiselina S konfiguracije. Napisati reakciju, navesti sa kojestrane karbonilne grupe (Re ili Si) je došlo do napada nukleofila i odreditikonfiguraciju hiralnog alkohola.

REAKTIVNOST KONFORMACIONO KRUTIH SISTEMA

1. Biciklični molekuli sa mostom2. Anankomerni derivati cikloheksanona

Biciklični molekuli sa mostom

1. Redukcija2. Epoksidacija3. Hidroborovanje

egzoendo

Norbornen biciklo2.2.1hept-2-en

D2, Pd

1) B2H62) H2O2

DD

DD

+O

+

O

OH

OH +

ArCO3H

egzo (%) endo (%) egzo (%) endo (%)

B2H6

RCO3HH2 (D2), Pd

99,5 0,5 22 78

99,5 0,5 12 88 90 10 10 90

Norbornen biciklo2.2.1hepten 7,7-dimetilbiciklo2.2.1hepten

HH

HH

HH

CH3H3C

Norbornen biciklo2.2.1hepten

7,7-dimetilbiciklo2.2.1hepten

Napad reagensa se vrši sa one strane koja je slobodnija.

Zašto je egzo-napad povoljniji

Sa endo-strane je nepovoljan položaj dva endo-H atoma(slično aksijalnim vodonicima u cikloheksanu i derivatima).CH2-grupa u mostu pruža mali otpor za prilaz reagensa saegzo-strane (manji nego CH2CH2 fragment na endo-starni).

U slučaju ovog jedinjenja napad sa egzo-strane je otežanzbog prisustva metil-grupe, pa je napad sa endo-stranedominantan.

Redukcija karbonilne grupe u bicikličnim molekulima

endo-alkohol(glavni proizvod)

egzo-alkohol(sporedni proizvod)

O

NaBH4

OH

+ OH

O

NaBH4

OH

+ OH

U ovom slučaju dominira egzo-napad.

endo-alkohol(sporedni proizvod)

egzo-alkohol(glavni proizvod)

Zbog prisustva metil-grupa u mostu, kod ovog jedinjenja dominira endo-napad.

norkamforbiciklo2.2.1heptan-2-on

7,7-dimetilbiciklo2.2.1heptan-2-on

O

1) RMgX

OH

+ OHR

R

2) H2O

O OH

+ OHR

R

1) RMgX2) H2O

Reakcija sa organometalnim reagensima

97-100% 0-3%

0% 100%

Redukcija karbonilne grupe u 2-egzo-metilbiciklo2.2.1heptan-7-onu

CH3

O

LiAlH4 CH3

OHH

100%

Adicija nukleofila na anankomerne cikloheksanone

Moguć je napad sa dve strane: sa aksijalne, pa nastaje ekvatorijalni alkohol i saekvatorijalne, pa nastaje aksijalni alkohol.

Za ovakve reakcije važe tri pravila:

1. Nukleofili koji nisu sterno veliki prilaze karbonilnoj grupi sa aksijalne strane,tako da se u višku stvara ekvatorijalni alkohol, kada je R R H.

2. Sterno veliki nukleofili prilaze sa ekvatorijalne strane, tako da je glavniproizvod aksijalni alkohol. U ovom slučaju aksijalni H-atomi na C-3 i C-5 (R R H) sternim interakcijama otežavaju prilaz nukleofila sa aksijalne strane.

3. Ukoliko postoji neka grupa (ili grupe) u aksijalnom položaju na C-3 i C-5,nukleofil prilazi sa ekvatorijalne strane. I u ovom slučaju su sterne interakcijeizmeđu supstituenta na C-3 i C-5 i nukleofila odgovorne za dominantan prilazsa ekvatorijalne strane. Ovo važi za sve nukleofile bez obzira na njihovuveličinu.

Zašto mali nukleofili prilaze sa aksijalne straneJedno objašnjenje jeste da je prelazno stanje u ovim reakcijama nalik proizvodimapa se stabilniji ekvatorijalni alkohol stvara u višku.

Felkin je svoj model primenio i na ciklične supstrate. U slučaju ekvatorijalnogprilaza, u prelaznom stanju se stvara torzioni napon između delimično formiraneCNu veze i dva susedna aksijalna H-atoma, zbog čega je za male nukleofilefavorizovan aksijalni prilaz. Za velike nukleofile, ili u prisustvu nekog aksijalnogsupstituenta, favorizovan je ekvatorijalni prilaz zbog nepovoljnih sternihinterakcija u slučaju aksijalnog prilaza.

CH3

H3C

H3C

OCH3

H3C

H3C

CH3

H3C

H3C

+

OH

OH

4-12%

LiAlH(t-BuO)3

88-96%O

+

OH

OH

93%

LiAlH(sec-Bu)3

7%

O

+

OH

OHNu

Nu

Reagens

HCCNa

CH3MgI

C2H5MgI

(CH3)2CHMgBr

(CH3)3CMgCl

Prinos aksijalnog alkohola (%)

12

53

71

82

100

ZADATAK

Prikazati proizvode sledeće reakcije i odrediti koji je glavni.

Uticaj orijentacije funkcionalne grupe na brzinu reakcije

OH

OH

3,23 1,00 relativna brzina oksidacije sa CrO3

1. Sterni efekat2. Stereoelektronski efekat

Sterni efekat: 1. Sterna pomoć2. Sterne smetnje

Sterna pomoć

OH

CrO3, glac. AcOHs.t.

O

Mehanizam reakcije

cis i trans4-terc-butilcikloheksanol

4-terc-butilcikloheksanon

R C

H

OH + H2CrO4 R C

H

H

O Cr

O

O

OH + H2O

H

1. Faza

2. Faza

brza

brza

3. Faza spora

OH

OH

aksijalni alkohol ekvatorijalni alkohol

Konformaciona slobodna energija OHgrupe (G°) je 0,5-1 kcal/mol (zavisno odrastvarača, što znači da je ekvatorijalnialkohol stabilniji od aksijalnog zanavedenu vrednost.

Energetski dijagram za oksidaciju

U prelaznom stanju dolazi do promenehibridizacije C-atoma iz sp3 u sp2, zbog čegasu sterne interakcije u prelaznom stanjumanje. Zbog toga je razlika u energiji dvaprelazna stanja niža nego razlika u energijidva alkohola (G G), a kao posledicatoga G

aks G ekv .

U ovom slučaju se radi o sternoj pomoći.

Gekv

Gaks

Go

G Go

OH

OH

OH

CH3

H3C

H3C

CH3

H3C

H3C

OH OH

Relativne brzine oksidacije prikazanih alkohola

A13,0

B4,02

C7,52

D252,5

E5,53

Brzina reakcije je veća što je nagomilavanje oko OH grupe veće, jer je tadasmanjenje sternog napona u prelaznom stanju veće.A B (molekul se oslobođa dve OH/H 1,3-sinaksijalne interakcije)

C B (molekul se oslobađa jedne CH3/H 1,3-sinaksijalne interakcije)D reaguje najbrže, jer u osnovnom stanju postoji OH/CH3 i OH/H 1,3-sinaksijalneinterakcije.Brzina reakcije molekula E je intermedijarna i zavisi od molskog odnosaaksijalnog i ekvatorijalnog konformera i njihove reaktivnosti.

Sterne smetnjeReakcija esterifikacije anankomernih cikloheksanola

1,0 3,7 relativna brzina acetilovanja

OH

OH

O C

CH3

OAc

OH

Ac2O

O C

CH3

OAc

OH

Ac2O

Gekv

Gaks

Go

G Go

aksijalni alkohol ekvatorijalni alkohol

Stvaranje tetraedarskog intermedijera je faza kojaodređuje brzinu reakcije. U slučaju aksijalnogalkohola, u prelaznom stanju, koje vodi stvaranjutetraedarskog intemedijera, su sterne interakcije jošveće nego u osnovnom stanju, pa je razlika uenergiji dva prelazna stanja viša nego razlika uenergiji dva alkohola (G G), a kao posledicatoga Gaks

Gekv .

Reakcija saponifikacije anankomernih etil-cikloheksankarboksilata

CO2Et

CO2Et

1,0 19,8 relativna brzina saponifikacije

C

OH

OH

O OEt

C

OH

OH

OEt

O

U osnovnom stanju je C-atom estarske grupe sp2 hibridizovan, a u prelaznomstanju, koje vodi stvaranju tetraedarskog intermedijera, on postaje sp3

hibridizovan. Kako su konformacione energije grupa sa sp3 hibridizovanimatomima generalno više od konformacionih energija grupa sa sp2 hibridizovanimatomima, u slučaju aksijalnog estra sterne interakcije u prelaznom stanju postajuveće nego u osnovnom stanju, pa je G

aks G ekv. U ovom slučaju postoji još i

efekat solvatacije. Negativno naelektrisana grupa je više solvatisana od neutralnegrupe, što još više povećava sterne interakcije u prelaznom stanju za reakcijuaksijalnog alkohola.

Da bi se utvrdila relativna reaktivnost jedinjenja sa različito orijentisanimgrupama potrebno je:1. Razmotriti mehanizam2. Razmotriti razliku u konformacionoj energiji za odgovarajuće supstituente3. Predvideti strukturu intermedijera (prelaznog stanja)4. Predvideti vrednost konformacione energije u prelaznom stanju.

Kiselost anankomernih cikloheksankarboksilnih kiselinaCO2H

CO2H

CO O

HH

pKa 8,23 pKa 7,79

Solvatacija anjona je bolja u slučaju ekvatorijalnoorijentisane karboksilne grupe. U slučaju aksijalnoorijentisane karboksilne grupe postoji sternainterakcija sa aksijalnim H-atomima.

Stereoelektronski efekatStereoelektronski efekat je uticaj orijentacije veznih ili neveznihelektronskih parova na reaktivnost.

BrBr

IBr

IBr

Trans-izomer reaguje 11 puta brže od cis-izomera.

BrBr

I

Br

Br

Br

I

Br

IBr

Br

I

Br

E2 Eliminacija

Uslov za E2 eliminaciju je antiperiplanarna orijentacija grupa kojeučestvuju u reakciji. U prvom primeru takva orijentacija ne postoji ustabilnijem diekvatorijalnom konformeru, ali postoji u diaksijalnomkonformeru koji je reaktivni oblik.

U slučaju cis-izomera prvo dolazi do SN2 supstitucije broma jodidnimanjonom (spora faza) pri čemu se stvara trans-proizvod, koji zatim brzopodleže E2 eliminaciji.

Razlika u brzini reakcije u ova dva primera potiče od razlike u brzinibimolekulske supstitucije i bimolekulske eliminacije.

Ph

OH

Br

OH, H2Oili Ag2O

Ph

O

Ph

O

Br

H

OHPh

OH

BrAg

Konformaciona slobodna energija (G°) Ph grupe je 2,8 kcal/mol, zbog čega seona nalazi u ekvatorijalnom položaju, odnosno ona čini da je ovaj molekulkonformaciono zaključan.

U obe prikazane reakcije dve funkcionalne grupe su u pogodnom položaju(antiperiplanarna orijentacija) da dođe do stvaranja epoksidnog prstena. Uprisustvu OH jona nukleofil je O, a u drugom slučaju Ag preuzima bromidnianjon, čineći ugljenik elektron-deficitarnim, tako da on sada lako podleže napaduOH grupe kao nukleofila. Ovo su reakcije stvaranja prstena.

cis-epoksid

Analiziramo reakcije 4 moguća diastereomera bromhidrina izvedenog iz 4-fenilcikloheksena

Ph OHBr

Ph

OH

BrOH

Ph

O

U ovom slučaju molekul reaguje u manje stabilnoj konformaciji dajući trans-epoksid.

trans-epoksid

U prisustvu Ag jona se odvaja ekvatorijalni Br, a pošto je CC veza iz prstena uantiperiplanarnom položaju u odnosu na njega ona migrira tako da dolazi dokontrakcije prstena i stvaranja cis-3-fenilciklopentankarbaldehida.

Ph OH

Br

H

OHili Ag2O

O

Ph

Ph OH

Br

HOH OH

Ph

O

Ph

Ovde je H-atom antiperiplanaran bromu. U prisustvu OH jona dolazi doeliminacije HBr i stvaranja enola, koji zatim prelazi u stabilniji keto-oblik.

U prisustvu Ag jona dolazi do odvajanja bromidnog anjona i migracije hidridnoganjona (antiperiplanarna orijentacija) i stvaranja protonovanog ketona, kojideprotonovanjem daje krajnji proizvod.

Ovaj diastereomer reaguje u manje stabilnoj konformaciji dajući isti proizvod, kaoi u prethodnom primeru, 4-fenilcikloheksanon.

Princip najmanjeg kretanja: kada su grupe koje učestvuju u reakcijiantiperiplanarne odgovarajuće orbitale su u najpogodnijoj orijentaciji (u istojravni) da odmah dođe do njihovog preklapanja.

Da li će baza apstrahovati aksijalni ili ekvatorijalni H-atom

Anjon koji se stvara je rezonancioni hibrid prikazanih struktura, odnosno prilikompreuzimanja protona dolazi do delimične rehibridizacije karbanjonskog C-atomaradi delokalizacije negativnog naelektrisanja. Da bi do ovakve delokalizacijemoglo da dođe, orbitala na karbanjonskom C-atomu treba da bude u ravni sa p-orbitalom karbonilne grupe. To će biti slučaj ako baza preuzme aksijalni H-atom. Uslučaju preuzimanja ekvatorijalnog H-atoma orbitala sa elektronskim parom i p-orbitale karbonilne grupe su u različitim ravnima.

Učešće susedne grupe (anhimerna pomoć)Radi se o supstratima kod kojih je u susedstvu reaktivne grupe pogodnoorijentisana nukleofilna grupa, koja olakšava određenu reakciju.

Y:

X

12

Opšta formula takvih supstrata je:

Reaktivno mesto je C-1.U položaju 2, ili nekom drugom, je grupa Y. Ova grupa mora imatinukleofilni karakter i mora biti blizu reakcionog mesta.

U slučaju reakcija koje se dešavaju uz anhimernu pomoć se menjajunjihove osnovne karakteristike: a) stereohemija i b) kinetika (one seobično odigravaju brže nego reakcije bez anhimerne pomoći).

Solvoliza cis- i trans-2-acetoksicikloheksil-p-toluensulfonata

OTs

OAc

AcOH, AcONaOAc

OAc

1

2

OTs

OAc

AcOH, AcONaOAc

OAc+

OAc

OAc

1

2

Dolazi do SN2 supstitucije i inverzije konfiguracije na C-1 atomu.cis trans-diacetat

optički aktivan ili racemska smesa

racemski trans-diacetat

OTs

O

O

O

OAcO

a

b

OAc

OAc+

OAc

OAc(put a) (put b)

50% 50%

Acetatna grupa je pogodno orijentisana (antiperiplanarna u odnosu na odlazećugrupu u diaksijalnoj konformaciji) za napad na atom C-1 pri čemu se stvarasimetričan (ahiralan) ciklični intermedijer, koji je rezonanciono stabilizovan. Ovoje brza faza reakcije.

U sledećoj fazi acetatni anjon sa podjednakom verovatnoćom napada C-1 i C-2dajući racemat kao proizvod.

Kod cis-izomera ne postoji pogodna orijentacija za anhimernu pomoć.

Postojanje cikličnog intermedijera je dokazano izvođenjem reakcije u prisustvuetanola, koji je reagovao sa karbokatjonom:

O

O EtOH

O

O O

Učešće etarskog kiseonikaReakcija solvolize aril-sulfonata

R Relativna brzina

CH3(CH2)2 1,0CH3O(CH2) 0,1CH3O(CH2)2 0,3CH3O(CH2)3 461,0CH3O(CH2)4 32,6CH3O(CH2)5 1,13

Mogućnost stvaranja petočlanog ili šestočlanog oksonijum-jona kao intermedijeraznatno ubrzava ovu SN2 reakciju.

Rel. brzina 1 0,014 0,14 48500solvolize

Transanularna participacija etarskog kiseonika

Jedinjenje 4 solvolizuje znatno brže od jedinjenja 1 zbog anhimerne pomoćietarskog kiseonika. Kao intermedijer se gradi oksonijum jon 7. Solvolizajedinjenja 2 i 3 se dešava bez anhimerne pomoći, jer bi oksonijum joni 5 i 6 bilipod velikim naponom, odnosno ne dolazi do njihovog stvaranja. Manja brzinasolvolize u odnosu na strukturu 1 se može objasniti destabilizacijom katjonskogintermedijera negativnim induktivnim efektom kiseonika.

CH3

H OTs

CH3

Ph HAcOH, AcONa

CH3

AcO H

CH3

H Ph

CH3

H OAc

CH3

Ph H+

Solvoliza eritro- i treo-(3-fenil-2-butil)-tozilata

treo-izomer racemska smesa

CH3

H OTs

CH3

Ph HAcOH, AcONa

CH3

AcO H

CH3

Ph H

Ako pretpostavimo da se reakcija odvija klasičnim SN2 mehanizmom trebalo bi dase dobije eritro-oblik, što nije slučaj.

treo-izomer eritro-izomer

treo-izomer treo-izomereritro-izomer(nije izolovan)

Ako bismo pretpostavili SN1 mehanizam trebalo bi da se dobije smesa eritro- itreo-oblika, međutim eritro-oblik nije izolovan.

CH3

H OTs

CH3

Ph H CH3

H OTs

CH3

Ph HHH3C

OTs

H3C H

H H

H3C CH3

AcOa b

PhH

H

H3C CH3

CH3

AcO H

CH3

H PhAcO

OAc

Ph H

H

CH3H3C

CH3

H OAc

CH3

Ph H

a

b

Ishod reakcije je objašnjen na sledeći način:

Ph-grupa ima nukleofilni karakter (6 elektrona) i nalazi se u antiperiplanarnompoložaju u odnosu na OTs grupu, tako da ona vrši intramolekulsku SN2 reakciju.Stvara se ciklični, simetričan intermedijer koji sadrži rezonanciono stabilizovancikloheksadienski katjon. Naredna faza je otvaranje prstena, koje se sapodjednakom verovatnoćom dešava na oba C-atoma.

ZADATAK

Šta će se dobiti ako pođemo od sledećeg supstrata:

CH3

TsO H

CH3

Ph H

racemat

glavni proizvod(u velikom višku)

I jedna i druga reakcija se dešavaju uz anhimernu pomoć nukleofilne fenil-grupe,koja je u antiperiplanarnom položaju u odnosu na tozil-grupu: u manje stabilnojkonformaciji jedinjenja 1, i najstabilnijoj konformaciji jedinjenja 2.

Intermedijer u ovoj reakciji postoji kao ravnotežna smesa dva enantiomernakonformera. Nukleofil napada C-atom koji je bliži aksijlnom H-atomu, pri čemu seprvo stvara diaksijalno disupstituisana konformacija stolice, a kao proizvodnastaje racemat. (Ako bi nukleofil reagovao sa drugim C-atomom prvo bi nastalakonformacija uvijene lađe i takav reakcioni put je energetski manje povoljan –slično kao kod reakcije bromovanja.)

U ovom slučaju je konformer sa ekvatorijalnom t-Bu grupom znatno stabilniji izastupljeniji, tako da se jedan proizvod stvara u velikom višku.

Solvoliza syn- i anti-7-norbornenil-tozilata

OTs TsO

anti syn107 1 relativna brzina solvolize (acetolize)

U slučaju anti-izomera reakcija se dešava uz retenciju konfiguracije

proizvod reakcije acetolize

OTs

Brzina reakcije i njen stereohemijski ishod u slučaju anti-izomera su objašnjeni nasledeći način:

-Elektroni dvostruke veze olakšavaju jonizaciju i stabilizuju katjonskiintermedijer.

Acetatni anjon napada sterno najslobodniji C-atom i to sa suprotne strane od onena kojoj se nalazi dvostruka veza, dajući proizvod sa retencijom konfiguracije.

AcO

OAc

Lakoća ciklizacije u funkciji veličine prstena

Lakoća ciklizacije zavisi od dva faktora:

1. Entalpija zatvaranja prstena (H)

2. Entropija zatvaranja prstena (S)

Entalpija zatvaranja prstena je u vezi sa stabilnosti prstena i obuhvata sve vrstenapona (ugaoni, torzioni i transanularni).

Entropija zatvaranja prstena ili faktor verovatnoće predstavlja verovatnoću sakojom će se krajevi otvorenog niza dovoljno približiti da dodje do stvaranja veze.Sa povećanjem veličine prstena ova verovatnoća kontinualno opada, jer što jeduži niz utoliko je manja verovatnoća da će krajevi tog niza doći jedan blizudrugog.

Generalno, u odsustvu nekih posebnih destabilizujućih ili stabilizujućih faktora,se 5-člani i 3-člani prstenovi stvaraju brže od 6-članih i 4-članih. Zatim dolaze 7-člani prstenovi. Srednji prstenovi se najsporije stvaraju, a veliki nešto brže.

H2C (CH2)nCl OH baza

H2C (CH2)nO

Dobijanje cikličnih etara iz -hloralkohola

n 1-4

Brzina ciklizacije opada sledećim redosledom: 5 3 6 4.

Brzina ciklizacije je najveća za petočlani prsten zbog povoljnog faktora napona,odnosno niske entalpije aktivacije (stvara se prsten koji nije pod naponom).

Iako je tročlani prsten pod najvećim naponom brzina njegovogstvaranja je velika zbog povoljnog entropijskom faktora, jer su triatoma uvek blizu da dođe do zatvaranja prstena.

O

Cl

Šestočlani prsten je stabilniji od petočlanog, ali se stvara sporije zbognepovoljnijeg entropijskog faktora (dva kraja koja treba da reaguju su udaljeniji).

Četvoročlani prsten se najsporije stvara jer su oba faktora nepovoljna. Entalpijskizbog toga što nastaje prsten pod naponom, a entropijski jer su u najstabilnijoj antikonformaciji dva atoma koja treba da reaguju udaljena jedan od drugog.

Srednji prstenovi (8-11 atoma) se generalno najsporije dobijaju zbog niskogfaktora verovatnoće i nepovoljnog entalpijskog faktora (transanularni napon). Odsrednjih prstenova se 8-člani prsten obično najbrže stvara.

Veliki prstenovi nastaju nešto brže od srednjih prstenova zbog povoljnijeg faktoranapona, dok se entropijski faktor samo malo smanjuje. Veliki prstenovi se običnoprave u velikom razblaženju, kako bi se umanjile bimolekulske reakcije.

H2C

Br

(CH2)nO

O

H2C

O

(CH2)n

O

Reakcija dobijanja laktona ciklizacijom soli -bromkiseline

Redosled reaktivnosti je: 5 6 4 7 3 8

Osmočlani prsten se najsporijestvara, a zatim se brzina malopovećava sa povećanjem broja atoma(br. atoma 8), mada se svi prstenovisrednje veličine stvaraju sporo.

Zašto se u reakciji stvaranja laktona tročlani prsten stvara sporije i od 4- i od 7-članog

O

O

Razlog je taj što u tročlanom cikličnom proizvodu postoji sp2 hibridizovan atomšto dodatno povećava napon.

Zašto se u ovom slučaju 8-člani prsten najsporije dobija

R

O

OR1

trans (Z)

Z (trans) konformacija estarske grupe je znatno povoljnija od E (cis).

R

O

O

R1cis (E)

O O

Jedina moguća konformacija estarske grupe u 8-članom prstenu je cis (E), dok uvećim prstenovima ona može biti trans (Z). Ovo čini entalpijski faktornepovoljnijim za stvaranje 8-članog prstena.

OO

Stvaranje acetala iz glicerola i izobutiraldehida

Ako reaguju OH grupe sa C-1 i C-3 nastaje šestočlano prsten, a ako reaguju OHgrupe sa C-1 i C-2 ili C-2 i C-3 stvara se petočlani prsten.

Petočlani prsten se stvara brže (k5 k6), zbog čega će se on nalaziti u višku usmesi nakon završene reakcije. On je proizvod kinetičke kontrole.

Reakcija je povratna i kako je šestočlani prsten stabilniji, nakon dužeg stajanja onće biti glavni proizvod, tj. proizvod termodinamičke kontrole.

Sastav ravnotežne smese zavisi od temperature.

G RTlnK; K eG/RT

G H TS; K eH/RTeS/R

Sniženjem temperature se dobija više šestočlanog prstena u ravnotežnoj smesi.

Oba proizvoda nastaju kao smesa cis- i trans-izomera.

Lakoća zatvaranja prstena u funkciji vrste atoma i supstituenata

Srednji prstenovi se stvaraju najsporije zbog nepovoljnog entropijskog ientalpijskog faktora (transanularni napon).

Zamena CH2 grupa heteroatomima (O, S, NH) ili sp2 hibridizovanim atomima (CO,CHCH) bi trebalo da umanji napon u prstenu i ubrza ciklizaciju umanjujućientalpiju aktivacije.

U prikazanom primeru, gde su jedna ili dve CH2 grupe zamenjene kiseonikom,brzina ciklizacije ne pokazuje minimum kod stvaranja srednjih prstenova, većkontinualno opada sa povećanjem broja atoma i dostiže konstantnu vrednost kodvelikih prstenova.

X CH2, O

Thorpe-Ingold-ov efekat(gem-dialkil efekat) Relativna

brzina

1

252

11600

Brzina ciklizacije raste sa povećanjem broja metil-grupa (ili drugih alkilsupstituenata).

CH3

CH3H

H CH3

CH3H3C

H3C

112 109,5

109,5

Ako se dva H-atoma zamene metil-grupama ugao se smanjuje, što olakšavaciklizaciju jer su sada grupe koje reaguju bliže jedna drugoj. Ugaona deformacijado koje dolazi ciklizacijom se smanjuje, tako da se prsten brže stvara.

Ovaj efekat je najizraženiji u slučaju formiranja malih prstenova.

Zapažen je i kod formiranja običnih, srednjih i velikih prstenova, mada tu gotovoda i ne dolazi do promene u uglovima veza.

Br(CH2)nC(CH3)2CH2COO

kgem/kH: 6-člani (38,5), 9-člani (6,62), 10-člani (1,13), 11-člani (0,61), 16-člani (1,22)

Kod ovih prstenova ovaj efekat je objašnjen na drugi način:1. Zamena H-atoma alkil grupama povećava broj gauche interakcija u otvorenom

nizu. Kada se stvori prsten broj takvih interakcija se smanjuje, čime sesmanjuje nepovoljni entalpijski efekat gauche interakcija u otvorenom nizu,prilikom stvaranja šestočlanog prstena. Međutim, u slučaju prstenova srednjeveličine (8 – 11) kod kojih postoje intraanularne interakcije entalpijski faktorprilikom ciklizacije može biti nepovoljan.

2. Račvanje niza umanjuje njegovu pokretljivost, odnosno entropiju, ali ne utičemnogo na pokretljivost cikličnog molekula, pa je promena entropije do kojedolazi ciklizacijom niža (povoljnija) u prisustvu alkil supstituenata.

Metanoliza jedinjenja 1 se odvija 28 puta brže od metanolize jedinjenja 2.

Ovo zapažanje se može objasniti pomoću dva efekta: 1) Thorpe-Ingold-ov efekat i2) učešće susedne grupe (anhimerna pomoć). Supstitucija 2 H-atoma metil-grupama u strukturi 2 olakšava stvaranje četvoročlanog intermedijera 3, koji seotvara na više supstituisanom C-atomu dajući preuređen proizvod.

Baldwin-ova pravilaOva pravila se odnose na lakoću ciklizacije u zavisnosti od:1. Veličine prstena.2. Da li je veza koja se raskida prilikom stvaranja prstena unutar ili izvan

prstena.3. Da li je elektrofilni atom sp3, sp2 ili sp hibridizovan.

(CH2)n

X Z

(CH2)n

X Y

(CH2)n

XY

(CH2)n

X Y

(CH2)n

X Y

(CH2)n

X Y

egzo-tetendo-tet

egzo-trigendo-trig

egzo-dig

endo-dig

Zavisno od toga koliko atoma sadržiprsten koji se stvara ove reakcije seoznačavaju kao n-egzo-tet, itd., gdeje n ukupni broj atoma u prstenu.

(CH2)n

X Z

(CH2)n

X Y

egzo-tetendo-tet

Egzo-tet ciklizacije: veza koja se raskida je izvan prstena, a reaktivan atom jetetraedarski (sp3 hibridizovan). Ove ciklizacije su favorizovane za stvaranjeprstena bilo koje veličine, jer nukleofil uvek može prići sa zadnje strane odlazećegrupe.

Endo-tet reakcije nisu ciklizacije, jer ne dolazi do stvaranja prstena. One suklasične SN2 reakcije i nisu favorizovane u slučajevima kada je ukupan broj atoma≤ 6. U tim slučajevima molekul ne može da zauzme pogodnu konformaciju zareakciju u kojoj nukleofil prilazi sa zadnje strane u odnosu na odlazeću grupu(ugao od 180).

180

(CH2)n

XY

(CH2)n

X Y

egzo-trigendo-trig

Egzo-trig ciklizacije: veza koja se raskida je izvan prstena, a reaktivan atom jetrigonalan (sp2 hibridizovan). Prema Bürgi-Dunitz trajektoriji nukleofil prilazidvostrukoj vezi pod uglom od 109 u odnosu na ravan dvostruke veze. Ovo činisve egzo-trig reakcije favorizovanim.

Endo-trig reakcije: veza koja se raskida je unutar prstena, a atom na koji nukleofilnapada je trigonalan (sp2 hibridizovan). Ove ciklizacije nisu favorizovane zastvaranje 3-, 4- i 5-članih prstenova.

109

(CH2)n

X Y

(CH2)n

X Y

egzo-digendo-dig

Egzo-dig ciklizacije: veza koja se raskida je izvan prstena, a reaktivan atom jedigonalan (sp hibridizovan). S obzirom da nukleofil prilazi trostrukoj vezi poduglom koji je manji od 90, ove reakcije nisu favorizovane za stvaranje 3- i 4-članihprstenova.

Endo-dig ciklizacije: veza koja se raskida je unutar prstena, a reaktivan centar jedigonalan (sp hibridizovan). Sve endo-dig ciklizacije su favorizovane.

90

X X

3-egzo-dig 4-egzo-dig

X

5-egzo-dig

X

6-egzo-dig

Y

X5-endo-dig

Y

X6-endo-dig

X Y

4-endo-dig

Y Y YY

3-egzo-tetH2NBr

NH

OH

OH

OH

O O

O

O O

O

5-egzo-trig

6-endo-dig

NH2

OEt

O

NH

OOEt

NH

O

5-endo-trig5-egzo-trig

O

OH Ar

OH

O

O Ar

O

O

Ar

protonovanje

O

O

Ar

4-Egzo-dig ciklizacija nije favorizovana, tako da u ovom slučaju dolazi do 5-endo-dig ciklizacije.

Izuzeci od Baldwin-ovih pravilaO

+ HOOH

TsOH kat. O O

Mehanizam reakcije:

Reakcije ciklizacije koje uključuju katjonske intermedijere često odstupaju odBaldwin-ovih pravila.

Ciklizacije koje obuhvataju iminijum jon kao reaktivnu vrstu

Ciklizacije u kojima je nukleofilan atom iz druge periode periodnog sistema

Sumporov atom je voluminozniji i dužine veza su veće, što omogućava da molekulzauzme pogodnu konformaciju za reakciju. Za elemente prve periode je to mnogoteže.

Drugo objašnjenje je molekulsko orbitalno. Elementi druge periode imaju prazned-orbitale, koje mogu primiti elektrone -orbitale dvostruke veze. Ovakvainterakcija dovodi do smanjenja ugla prilaza nukleofila sa 109 na približno 90,što olakšava reakciju.

AROMATIČNOSTBenzen je veoma stabilan molekul i iako sadrži tri dvostruke veze nepokazuje hemijsku reaktivnost tipičnu za alkene.

Na primer, alkeni lako reaguju sa molekulskim bromom dajući proizvodeadicije, 1,2-dibromoalkane.

R

R R

RBr2

Br

BrRR

RR

Br2

Br2, FeBr3

Br

BrBr

Benzen sa bromom reaguje znatno teže i to samo u prisustvu Lewis-ovihkiselina dajući proizvod supstitucije, pri čemu se zadržava strukturabenzena.

Ciklooktatetraen ima četiri dvostruke veze u prstenu: Kakva je njegovastruktura

Za razliku od benzena ovaj molekul nije planaran i ne postojidelokalizacija -elektrona.

Molekul sadrži 4 jednostruke CC veze (1,46 Å) i četiri dvostruke veze(1,33 Å). U pogledu reaktivnosti ciklooktatetraen se ponaša kao alken idaje adicioni proizvod.

1,3,5,7-Tetrametilciklooktatetraen sa jakim oksidacionim sredstvom dajedikatjon. Ovaj dikatjon je planaran i sve CC veze su iste dužine.

Tretiranjem ciklooktatetraena sa alkalnim metalima nastaje dianjon. I on jeplanaran, a sve CC veze su iste dužine.

2

Razlika između dikatjona, ciklooktatetraena i dianjona je u broju elektrona u sistemu: dikatjon ima 6, ciklooktatetraen 8, a dianjon 10 elektrona.

Toplote hidrogenizacijeRedukcijom dvostrukih veza sa H2 u prisustvu katalizatora nastajezasićen sistem. Ova reakcija je egzotermna.

96 kJ/mol

410 kJ/mol

120 kJ/mol

208 kJ/mol

ocekivana energijahidrogenizacije

energija stabilizacijebenzena

Hidrogenizacijom ciklooktatetraena oslobađa se približno 4 puta više toplote negohidrogenizacijom ciklooktena, što je i očekivano s obzirom da ciklooktatetraenima 4 dvostruke veze, a ciklookten jednu.

Međutim, toplota hidrogenizacije benzena nije tri puta veća od toplotehidrogenizacije cikloheksena, kao što bi se očekivalo na osnovu broja dvostrukihveza, već je manja. Razlika u očekivanoj toploti hidrogenizacije i oneeksperimentalno dobijene je energija stabilizacije benzena.

Molekulsko-orbitalna slika benzenaPreklapanjem 6 p-orbitala benzena nastaje 6 molekulskih orbitala različiteenergije. Najniže energije je jedna vezivna molekulska orbitala koja može primitidva elektrona. Sledeće dve vezivne orbitale su iste energije (degenerisane) i oneprimaju ukupno 4 elektrona. Slede još dve degenerisane orbitale i jedna orbitalanajviše energije.

energija izolovane p-orbitale

vezivne orbitale

antivezivne orbitale

Benzen ima sve vezivne orbitale popunjene, što čini stabilan zatvoren sloj.

Energetski dijagram molekulskih orbitala koje nastaju preklapanjem n p-orbitalase može lako predvideti modelom poligona.

Ako se pogledaju energetski nivoi orbitala za benzen uočava se da oni odgovarajuheksagonu, čiji je ugao orijentisan naniže.

Odgovarajući poligon (trougao, kvadrat, pentagon, heksagon, itd.) se prikaže takoda mu je jedan ugao orijentisan naniže i nacrta se krug oko njega, tako da sviuglovi poligona dodiruju kružnicu. Energije molekulskih orbitala će biti upravo namestima na kojima uglovi poligona dodiruju kružnicu. Sve kružnice moraju bitiiste veličine. Horizontalni prečnik kruga predstavlja energetski nivo p-orbitale.Ukoliko se energetski nivo neke molekulske orbitale nalazi na prečniku ona jenevezivna. Sve orbitale ispod prečnika su vezivne, a one iznad antivezivne.

Uvek postoji jedna molekulska orbitala najniže energije. Orbitale više energije suuvek u degenerisanim parovima (par orbitala iste energije). Ako molekul ima paranbroj atoma postoji i jedna orbitala najviše energije.

Pošto svaka orbitala može primiti 2 elektrona, da bi postojao stabilan zatvorensloj (closed shell) elektrona u orbitalama potrebno je (2 4n) elektrona (n 0, 1,2, itd.).Ovo je osnova Hückel-ovog pravila: planarni, potpuno konjugovani, monocikličnisistemi sa (4n 2) elektrona imaju zatvoren sloj elektrona i oni su aromatični.Analogni sistemi sa 4n elektrona se zovu antiaromatični.

Poređenje molekulsko-orbitalnog dijagrama za benzen i ciklooktatetraen

benzen ciklooktatetraen

Benzen, sa 6 elektrona ima potpuno popunjen sloj vezivnih orbitala i on jearomatičan. Ciklooktatetraen ima dva elektrone više. Oni će se nalaziti u dveorbitale narednog energetskog nivoa (Hund-ovo pravilo: degenerisane orbitale sepopunjavaju tako što svaku prvo zauzima po jedan elektron istog spina, a zatim seone popunjavaju sa još elektrona). Ciklooktatetraen nema popunjen sloj orbitala inije aromatičan. Da bi imao popunjen sloj potrebno je ili oduzeti mu 2 elektrona ilidodati mu 2 elektrona.

Aromatični molekuli: Planarni, ciklični sistemi koji imaju konjugovane dvostrukeveze i (4n 2) delokalizovana elektrona. Karakteriše ih:

1. Stabilnost (niža energija u poređenju sa sličnim sistemom koji nijearomatičan).

2. Tendencija ka izjednačavanju dužina veza. Kod benzena su sve veze istedužine (1,39 Å).

3. Kada se nađu u magnetnom polju normalnom na ravan prstena stvarajudiatropne (diamagnetne) elektronske struje. Posledica ovakvih struja jepovećana magnetna zaštita (shielding) u oblasti iznad, ispod ravni prstena i unjegovom centru, a smanjena zaštita (deshielding) u ravni oko prstena.

Antiaromatični molekuli: Planarni, ciklični sistemi koji imaju konjugovanedvostruke veze i (4n) elektrona, koji nisu delokalizovani.

1. Termodinamički su manje stabilni.2. Sadrže jednostruke i dvostruke veze koje se razlikuju u dužini.3. Kada se nađu u magnetnom polju normalnom na ravan prstena stvaraju

paratropne (paramagnetne) elektronske struje. Posledica ovakvih struja jesmanjena magnetna zaštita (deshielding) u oblasti iznad, ispod ravni prstena iu njegovom centru, a povećana zaštita (shielding) u ravni oko prstena.

1ciklodekapentaen

10anulen

Anuleni su ciklični molekuli koji imaju naizmenično jednostruke i dvostruke veze.Nazivaju se nanuleni, gde je n broj C-atoma u prstenu. Po ovoj nomenklaturibenzen bi bio 6anulen, a ciklooktatetraen 8anulen, ali se ovi nazivi za njih neupotrebljavaju.

Da bi 10anulen bio planaran ugao veza bi trebalo da bude 144, što bi bilo velikoodstupanje od normalnog ugla za sp2 hibridizovan atom (struktura 1). U strukturi 2ugaonog napona nema, ali bi sterni napon bio izuzetno veliki, jer bi dva H-atomazauzimala isti prostor. Zbog toga ovaj molekul nije planaran i zbog toga nije niaromatičan iako ima 10 elektrona.

1,6-metano10anulen

Metilenski most u strukturi 3 omogućava planarnost 10anulenskog sistema, takoda je jedinjenje 3 aromatično.

Za razliku od 10anulena, 18anulen je planaran molekul sa (4n 2) elektrona (n 4) i on jeste aromatičan.

18anulen

naftalen

U Hückel-ovoj definiciji aromatičnosti se spominje da molekul mora bitimonocikličan. Ovo pravilo možemo primeniti i na policiklične sisteme ako ihposmatramo kao veće prstenove sa odgovarajućim brojem elektrona.

KOH

Hückel-ovo pravilo nam omogućava da lako predvidimo koji sistem je aromatičan.

ciklopentadien ciklopentadienilni anjon

Ciklopentadien ima dve konjugovane dvostruke veze, međutim čitav sistem nijekonjugovan zbog metilenske grupe. Deprotonovanjen nastaje stabilan anjon sa 6 elektrona.

++

+

+

Ciklopropenijum katjon je aromatičan sistem sa 2 elektrona.ciklopropenijum katjon

ciklobutadien

Ciklobutadien sa 4 elektrona je antiaromatičan sistem. Vrlo je nestabilan i nikad nije izolovan.

ciklopropenil-anjon

ciklopentadienil-katjon

cikloheptatrienil-katjon

(tropilijum-katjon)

cikloheptatrienil-anjon

(antiaromatičan) (antiaromatičan) (antiaromatičan)(aromatičan)

1 Dazulen

Azulen je aromatični ugljovodonik plave boje. Parcijalno negativno naelektrisanjese nalazi u petočlanom prstenu, a parcijalno pozitivno u sedmočlanom prstenu,na šta ukazuje i dipolni momenat od 1 D.

pentalen

Pentalen je antiaromatičan sistem sa 8 elektrona.

Centralni prsten u prikazanoj strukturi je 1,3,5-cikloheksatrien, sa dužinama veza:CC 1,54 i CC 1,33 Å. Tri spoljna prstena jesu aromatični.

Zašto centralni prsten nije delokalizovan

Ako bi centralni prsten postao delokalizovan i aromatičan, tada bi triciklobutanova prstena postala antiaromatična, svaki sa 4 elektrona. Aromatičnastabilizacija centralnog prstena ustvari vodi povišenju ukupne energije molekulazbog dobijanja tri antiaromatična prstena.

ciklopentadienilidencikloheptatrien

Ovo jedinjenje nije u celini aromatično, jer su dva prstena povezana dvostrukomvezom (ne može se posmatrati kao monociklično jedinjenje). Međutim, svakiprsten može postati delimično aromatičan: ciklopentadienilni prsten uzima dvaelektrona iz dvostruke veze (prikazane rezonancione strukture), tako da sadasvaki prsten ima 6 elektrona.

Heterociklični aromatični molekuli

N

Piridin, slično kao i benzen, ima 6 elektrona (5 od C-atoma i jedan od azota). Naazotu postoji slobodan elektronski par, zbog čega se piridin ponaša kao baza.

Pirol se, međutim, ponaša kao slaba kiselina i nema izražene bazne osobine.

Pirolov prsten je aromatičan sa 6 elektrona (4 potiču od C-atoma, a 2 od azotovog atoma). Preuzimanjem protona ostaje stabilizovan anjon.Ako bi se pirol protonovao narušio bi se njegov aromatični karakter, što je nepovoljno.

aromatičan

imidazol

NH

N

Imidazol je bazniji od pirola, jer slobodan elektronski par na jednom azotu nijeuključen aromatični sekstet.

ovaj elektronski par nije uključen u sekstet

Borazin

(Neorganski benzen)

Izoelektronski sa benzenom. Sve veze su iste dužine (1,43 Å).

Da li je borazin aromatičan molekul

Još uvek ne postoji definitivan odgovor na ovo pitanje. Po nekim istraživačima -elektroni borazina su potpuno lokalizovani na azotovim atomima, a po drugimaizvesna delokalizacija (aromatičnost) postoji ali manja nego kod benzena, a to jeposledica razlike u elektronegativnosti azota (3,1) i bora (2,0).

-AROMATIČNOST

H

HH

H

H

H

HH

HH

HH

Dužina CC veze kod ciklopropana je 1,51 Å, dok je dužina CC veze kod etana1,54 Å. Ako su kod ciklopropana orbitale preklopljene pod uglom, odnosno vezeslabije, zašto su one kraće od normalnih CC veza

0,22 ppm

Ukupni napon u ciklopropanu (27,5 kcal/mol) je samo malo viši od napona uciklobutanu (26,3 kcal/mol).

Hemijsko pomeranje protona u ciklopropanu je 0,22 ppm, dok je u npr. ucikloheksanu 1,44 ppm.

1,51 Å

Ovo se objašnjava stabilizacijom ciklopropana zbog postojanja -aromatičnosti,odnosno delokalizacije šest -elektrona. Nisko hemijsko pomeranje protonaukazuje na postojanje diamagnetnih elektronskih struja, koje se stvaraju kada semolekul nađe u spoljašnjem magnetnom polju normalnom na ravan prstena.Posledica diamagnetnih elektronskih struja je povećana magnetna zaštita uoblasti iznad i ispod prstena, odnosno tamo gde su smešteni protoni.