Föreläsning 20 F20 - chem.lu.seBioteknik/OrganAK/F20.pdf · En radikal, det vill säga en oparad elektron. En karbanjon, det vill säga en elektron för mycket. En minusladdning

• Sammanfattning1) Introduktion2) Organiska reaktioner3) Mekanismer

4) Reaktioner och reagens

Föreläsning 20 F20

A) RadikalreaktionerB) Joniska reaktioner

C6H6O

CH3CH2OH

C C

OH

H

H

H

H

H

Summaformeln anger hur många atomer det finns av varje slag utan att ge någon strukturinformation. Användbart vid sökning i kataloger och databaser.

Formeln ger viss strukturinformation. I detta fall ser vi att en metylgrupp och en hydroxylgrupp är bundna till en metylengrupp.

Streckformeln (dash formula) ger information om hur atomerna är bundna till varandra.

Ett förenklat skrivsätt (bond line formula) används oftast i organisk kemi. Varje vinkel eller avslutad linje symboliserar en kolatom. Alla heteroatomer (t.ex. kväve, syre, klor) markeras. Väten ritas normalt inte ut om de inte är bundna till en heteroatom eller behövs för att förtydliga.

Kulmodell (ball and stick) är ett sätt att rita en tredimensionell bild av en molekyl.

OH

H

H HOH

HH

Newmanprojektionen är ett annat sätt att åskådliggöra det tredimensionella utseendet hos en molekyl. Molekylen ritas sedd framifrån den centrala bindningen. De tre främre bindningarna ritas framför cirkeln och de tre bakre dolda bakom cirkeln. Beroende på konformationen kan Newmanprojektionen ritas i kryssform eller i eklipsform.

En kalottmodell (space filling) är den bästa ritade modellen av en molekyl. Här syns tydligt vilket volym som varje atom upptar. Tyvärr krävs oftast datorhjälp för att rita dessa.

H

H

H

OH

HH

kryssform eklipsform

21.1 Organisk-kemisk ritteknik

CH3

HO HHO H

CH3

H H

En Fischerprojektion är ett tredje sätt att åskådliggöra det tredimensionella utseende hos molekyler. Horisontella linjer representerar grupper som sticker ut från planet medan vertikala linjer representerar grupper som ligger i eller bakom planet.

HOH

CH3

H H

CH3

H OH

1. Introduktion F20

• Grundläggande kunskap

En karbokatjon, vilket innebär att en elektron saknas. Observera att laddningar oftast ritas med ring runt för att skilja från ett vanligt plustecken.

En radikal, det vill säga en oparad elektron.

En karbanjon, det vill säga en elektron för mycket. En minusladdning indikerar att det finns ett elektronpar som ibland ritas ut.

R-, R'-, R"- Olika odefinierade alkylgrupper.

Ar- En odefinierad aromatisk grupp.

Ph- - Olika sätt att rita en fenylgrupp.

X- En odefinierad grupp, ofta en halogen eller lämnande grupp.

En reaktionspil.

Flera reaktionssteg efter varandra.

En jämviktspil.

En resonanspil. Observera att resonanspilar endast får användas för resonansstrukturer. Dessa ska ritas inom hakparentes:

En krökt pil som används för att visa elektronflöden i reaktionsmekanismer. Krökta pilar ska alltid starta från nukleofilen och gå till elektrofilen.

En halv krökt pil (fiskkrokspil) som används för att visa att endast en elektron flyttas. Används framför allt i radikalmekanismer.

Pil för att markera dipolmoment. Pilspetsen går mot den atom som har högst elektronegativitet

R H Stereokemi indikerat i en struktur. Den feta linjen betyder att bindningen sticker ut från papperets plan medan den streckade linjen indikerar att bindningen ligger bakom papperets plan.

R HVåglinjer betyder att stereokemin är odefinierad, okänd eller att vi har att göra med en blandning av olika stereoisomerer.

En retrosyntespil.

21.2 Stereokemiska termer

E/Z

s-cis/s-trans

cis/trans

+/–

syn/anti

D/L

R/S

Används för alkener. E, entgegen, betyder att de två grupper med högst prioritet sitter på olika sidor av dubbelbindningens plan. Z, zuzammen, betyder att de två grupperna sitter på samma sida. (3.2)

Används för alkener. Cis betyder att två lika grupper sitter på samma sida om dubbelbindningens plan. Trans betyder att de två grupperna sitter på olika sidor. Cis/trans är ofta använt men inte lika entydigt som E/Z. (3.2)

E

Z

trans

cis

Används för diener. Med S-cis menas att de båda dubbelbindningarna sitter i ett plan och riktade åt samma håll. (12.3.2)

s-cis s-transAnvänds för föreningar som uppvisar optisk aktivitet vilket mäts i en polarimeter. (6.3)

Används vanligen för reaktioner. Med en syn-addition menas att två grupper kommer in från samma sida i en reaktion. Med anti menas att de kommer in från olika håll. (6.1)

Äldre sätt att ange stereokemi. Används dock fortfarande mycket framför allt inom kolhydrat- och aminosyrakemi. Med D, dextrorotatory, menas att stereocentrat har samma konfiguration som D-glyceraldehyd medan L, levorotatory, betyder att stereokemin är samma som för L-glyceraldehyd. (6.1)

exo/endo

CHOH OH

CH2OH

CHOHHO

CH2OH

D-glyceraldehyd L-glyceraldehyd

Används för grupper i bicykliska system. Med endo menas att gruppen sitter bort från den viktigaste bron, oftast den kortaste, medan exo innebär att den sitter riktad mot bron. (6.1)

syn

AB

anti

A

B

Cahn-Ingold-Prelogs system för stereocenter. Stereocentrat betraktas uppifrån med den lägst prioriterade gruppen nedåt. Om ordningen för de övriga tre är medsols anges stereocentret som R, om motsols som S. (6.1)

OH OH1

2 3

1

23

R S

endo

exo

huvudbrygga

1. Introduktion F20

• Grundläggande kunskap21.3 Isomeri

Är summaformelnsamma?

nej olika ämnen

Skiljer bara(-CH2-)n?

nej

Ja

homologer(3.1)

inte homologer

Är molekylerna identiska?

sammaämne

nej

Inte heller efter alla tänkbara

konformations-ändringar?

konformerer(4.4)

ex. metan,etan, propan

ex.

Isomerer

Kommer atomerna i samma följd?

strukturisomerer(konstitutionella isomerer, 4.1)

ex.

stereoisomerer(4.1)

Är molekylernaspegelbilderav varandra?

diastereomerer(6.1)

ex.

Finns symmetriplan? mesoförening(6.2)

enantiomerer(6.1)

ex.

Cl Cl

Br Br

ja

ja

jo

ja

nej

nej

ja

ja

nej

Nej

H

H

Cl

ClH

Cl

ClH

OHOH

ex.

symmetriplan

Cl

H Cl

H Cl

H H

ClCl Cl

Br Br

1. Introduktion F20

• Grundläggande kunskap21.5 Krafter inom och mellan molekyler

Interaktion Styrka Typ Exempel ÖvrigtJon-jonbindning Mycket stark

(mer än 500 kJ/mol,beroende avkristallstrukturen)

NaCl

NaCl, NaOAc, K2CO3 De starka bindningarna inom kristaller gör attsmältpunkten för joniska föreningar blir myckethög (300–1000°C). (1.4)

Kovalent bindning Stark(~150–550 kJ/mol)

H H

CH3 CH3

CH3 I

H-H (435kJ/mol)

CH3-CH3 (368 kJ/mol)

CH3-I (234 kJ/mol)

Finns i alla molekyler. Två atomer delarelektronpar för att uppnå full oktett. Styrkan hosbindningen beror på hur bra överlappet ärmellan orbitalerna. (1.5)

Jon-dipolinteraktion Medelstark

OH

HNa

bSalter upplösta i vatten Viktig vid upplösning av joner i polära

lösningsmedel (opolära lösningsmedel löseroftast joner dåligt). (5.3.1)

Dipol-dipolinteraktion Svag(ofta mindre än 5kJ/mol, väte-bindningarundantagna)

O Ob bbb

Aceton, metylklorid,dimetylformamid

Styrkan av dipol-dipolinteraktionen är beroendeav polariteten hos föreningen. Polariteteten mätssom dipolmoment. Hög polaritet ger högakokpunkter (t.ex. DMF, DMSO). (5.3.2)

Vätebindning Svag till medelstark(5–40 kJ/mol)

O

H

OHbb

H2O, EtOH, HF, NH3 Vätebindning är en form av stark dipol-dipolinteraktion som bildas mellan väteatomerbundna till kraftigt elektronegativa atomer(O,N,F) och fria elektronpar på dessa atomer.Ger höga kokpunkter (t.ex. EtOH 78°C, MeOMe-25°C). Mycket viktig i biologiska system. (5.3.3)

Dispersionskrafter(Londonkrafter ellervan der Waals-interaktioner)

Varierande(beror på molviktoch utseende)

b b

bb

bb

b

b

b

b

Metan, heptan Inducerade dipoler ger svaga interaktioner somgör att även opolära ämnen kan kondenseras.Storleken på interaktionerna beror påföreningens polariserbarhet och utseende.Långa molekyler har högre kokpunkt änkompakta (t.ex. n-butan, –138°C och t-butan,–160°C). (4.2)

21.4 Namngivning av enklare organiska föreningar1) Bestäm vilken funktionell grupp som har högst prioritet (se tabell 1). Denna grupp anges som suffix i namnet medan samtliga andra grupper blir prefix (se tabell 1 och 3).

störst antal funktionella grupperflest multipelbindningarlängst kedjaflest dubbelbindningarlägsta nummer på funktionella grupperlägsta nummer på multipelbindningarlägsta nummer på dubbelbindningarmaximalt antal substituenterlägsta nummer på substituenterlägst nummer på den substituent som står först i namnet

2) Välj huvudkolkedja som den funktionella gruppen ingår i enligt:

3) Huvudkolkedjans namn anges av hur många kolatomer som ingår i den (se tabell 2) samt med suffix för vilken typ av kolväte det är frågan om (-an för alkaner, -en för alkener och -yn för alkyner).

4) Numrera kolatomerna så att den viktigaste funktionella gruppen får så lågt nummer som möjligt, därefter så att övriga grupper får så lågt nummer som möjligt. Positionen för en substituent i kolkedjan kallas för lokant.

5) Ange eventuell stereokemi för dubbelbindningar och stereocentra (avsnitt 20.2).

6) Namnet konstrueras enligt:

a) lokant och stereokemi för dubbelbindningar och stereocentrab) prefix med multiplicerande prefix (se tabell 4) och lokant i bokstavsordningc) huvudkolkedjans namnd) kolvätesuffix med multiplicerande prefix samt eventuella lokanter för alkener och alkynere) funktionella gruppens suffix och eventuellt lokant och multiplicerande prefix

OHBr

O Viktigaste funktionell grupp. Suffix -syraOH

OHBr

OHuvudkolkedja är en alken med 8 kolatomer.

OH

OHBr

OHuvudkolkedjans namn blir okten

OH

OHBr

O

12345678

OH

OHBr

OOH

E-dubbelbindning i position 3R-stereocenter i position 5

(5R,3E)-8-Bromo-5-hydroxi-okta-3-ensyra

a)b)c)d)e)f)g)h)i)j)

1. Introduktion F20

• Namngivning

OH

O

OR

O

X

O

NH2

O

OH

O

OH

SH

NH2

CN

-karboxylsyra

Alkyl...-karboxylat

-karbonylhalid

-karboxamid

-karbonitril

-karbaldehyd

-on

-ol

-tiol

-amin

karboxy-

alkoxykarbonyl-

haloformyl-

karbamoyl-

cyano-

formyl- *

oxo-

hydroxi-

merkapto-

amino-

suffix(med kol)

prefix(med kol)

formel

SO3H -sulfonsyra sulfo-

suffix(utan kol)

-syra

---

Alkyl...-oat

-oylhalid

-amid

-nitril

-al

-on

* Om kolet inte räknas in kan även prefixet oxo- användas för aldehyder.

nummer prefix prefix*2345678

ditritetrapentahexaheptaokta

bistristetrakispentakishexakisheptakisoktakis

antal kol1234567891011121314151617181920212230313240506070100

namnmetanetan

propanbutanpentanhexanheptanoktannonandekan

undekandodekantridekan

tetradekanpentadekanhexadekanheptadekanoktadekannonadekan

eikosanheneikosan

dokosantriakontan

hentriakontandotriakontantetrakontanpentakontanhexakontanheptakontan

hektan

Tabell 1 Funktionella grupper Tabell 2 Kolvätenamn

Cl

Br

F

I

NO2

N3

OR

fenyl-

fluoro-

kloro-

bromo-

jodo-

nitro-

azido-

alkoxi-

Ofenoxi-

NO nitroso-

SR alkyltio-

Tabell 4 Multiplicerande prefixTabell 3 Substituenter

* Gäller för substituerade substituenter

2. Organiska reaktioner F20

• Grundreaktioner:Vad som sker:

H

O1) NaBH4

2) H2OOH

butanal 1-butanol

A) Syra-basreaktionerB) RedoxreaktionerC) SubstitutionerD) EliminationerE) AdditionerF) Omlagringar


A) Syra-basreaktioner-Protoner flyttas

-Mycket vanligt som delsteg i organiska reaktionsmekanismer

O

O

O

O + H3OH + H2O

H3O

O

HH H

O

H

H

H

H

Brønsteds definition (4.5.1)

Lewis definition (4.5.1)B

F

F

FNMe3

Lewissyra Lewisbas

B

F

F

F NMe3

Syrastyrka (4.5.5)HA + H2O H3O + A

Ka =[H3O ] [A ]

[HA]pKa = -lg10Ka

jämförs alltid med vattenju lägre pKa desto starkare syra

Vad påverkar syrastyrkan?

Hybridisering (4.5.6)H

H H

pKa

sp sp2 sp3

(% s-karaktär)2550

4433

5025

Periodiska systemet (5.5.2)50

CH4 NH338

H2O16

HF3

H2S7

HCl-7

H2Se4

HBr-9HI-10

i en rad ökar syrastyrkan åt höger eftersom H-X-bindningen polariseras mer ju kraftigare elektronegativ X äri en kolumn ökar syrastyrkan neråt eftersom atomerna blir större vilket minskar laddningstätheten och H-X-bindningen försvagas

Induktiva effekter (4.5.1)

Resonans (5.4.5, 15.1.1)

en syra är en protondonator och en bas är en protonacceptor

O

OH NMe3

O

O H-NMe3Brønstedtsyra Brønstedtbas

en syra är en elektronparsacceptoren bas är en elektronparsdonator

elektrondragande grupper stabiliserar anjoner

resonans kan stabilisera anjoner

O

OH F3C

O

OHpKa = 5 pKa = 1

O O O OOH Bas

pKa = 10

21.6 Syror och baser


A) Syra-basreaktioner

21.7 Viktiga pKa-värdensyra pKa kommentarerHI I + H -10 jodvätesyra

H2SO4 HSO4 + H -9 svavelsyra

HBr Br + H -9 bromvätesyra

HCl Cl + H -7 saltsyra

SO

OOH S

O

OO + H

-6 p-toluensulfonsyra,pTSA, viktig syra,löslig i mångaorganiskalösningsmedel

H3O H2O + H -2 oxoniumjon

HNO3 NO3 + H -1 salpetersyra

F3C

O

OH + HF3C

O

O0 trifluorättiksyra

HF F + H3 fluorvätesyra

varning, djupafrätskador!

NH3 NH2 + H 3–5 aromatiskaammoniumjoner

R

O

OH + HR

O

O4–5 karboxylsyror

H2CO3 HCO3 + H6 natriumvätekarbonat

vanlig vid extraktion

NH4 NH3 + H 9 ammoniumjon

OH O + H 10 fenol

O O

H H

O O

H+ H

9 mycket sur på grundav två elektron-dragande grupper

syra pKa kommentarerCH3NO2 CH2NO2 + H 10 nitrometan, relativt

sur på grund avinduktiv effekt frånnitrogruppen

RNH3 RNH2 + H 10–11 alifatiskaammoniumjoner

H H

+ H

16 cyklopentadien bliraromatisk vid deprotonering

H2O HO + H16 natriumhydroxid är

en viktig bas

ROH RO + H 16–18 natriummetoxid är envanlig bas

O

+ HH

HH

O

H

H 19–20 ketoner

CH3CN CH2CN + H25 nitriler är relativt sura

på grund avcyanogruppen

EtO

O

+ HH

HH

EtO

O

H

H 25 estrar är mindre suraär ketoner

H H H + H25 alkyner är relativt

sura på grund avsp-hybridisering

H2 H + H35 natriumhydrid är en

vanlig bas

NH3 NH2 + H38 litiumamid är en

vanlig bas

H

H H

H H

H H

+ H44 alkener är surare än

alkaner på grund avsp2-hybridisering

CH4 CH3 + H48 många

metallorganiskareagens är kraftigabaser ochnukleofiler,exempelvisMeMgBr och MeLi


A) Syra-basreaktioner


B) Redoxreaktioner

H

C

HO

O

metanoloxidationstal -II

H

C

H

OH C O

H

H

H

formaldehydoxidationstal 0

oxidation oxidation

myrsyraoxidationstal +II

metanoxidationstal -IV

H C H

H

H

oxidationC O

koldioxidoxidationstal +IV

oxidationO

Reduktion

Oxidation

Oxidation -ökning av bindningar till syre och/eller minskning av bindningar till väte (elektroner avges) Reduktion -minskning av bindningar till syre och/eller ökning av bindningar till väte (elektroner tas upp)

-Elektroner flyttas

21.20 Redoxreaktioner

C

H

H H

H O

CHH

O

COHH

C OH

H

H

H

O

C

O

koldioxidmyrsyraformaldehydmetanolmetan

oxidationreduktion

Med oxidation menas att andelen atomer som är mer elektronegativa än kol ökar i en förening. I organisk kemi brukar oxidation betyda att antalet bindningar till syre ökar och/ eller att antalet bindningar till väte minskar. Vid en oxidation avges elektroner.

Med reduktion menas att antalet bindningar till syre minskar och/eller att antalet bindningar till väte ökar. Vid en reduktion upptas elektroner.

Reduktionsreagenshydrogenering

RR

R R

H2, PtR

R

H2, PtR

R

R RH2, CaCO3 R R

alkalimetall i ammoniak

R RLi/ NH3 (l)

R

R

R NO2H2, Pt

R NH2

11.2.2

11.2.7

11.2.7

15.2

11.2.7

Li/ NH3 (l)

15.5

hydridreagens O

YR

LiAlH4 eller NaBH4

16.2.1

OH

YRH

O

XR

Y = R, H

Y = lämnande grupp

LiAlH4

17.2.1

OH

HRH

O

NHRR

LiAlH4

17.4.2

NHR

HRH

Oxidationsreagens

OHR

HH

O

HR

O

OHR

OHR

HH

OHR

HR

OHR

RR

O

RR

CrO3, H2O

CrO3, H2O

CrO3, H2O

PCC

kromtrioxid, CrO3

pyridiniumklorkromat, PCC

kaliumpermanganat, KMnO4R

R KMnO4

0°C

R R

HO OH

RR KMnO4

100°C2

O

OHR

R COOHKMnO4

100°C

osmiumtetraoxid, OsO4 RR

R R

HO OH

OsO4

persyror, RCOOOH

RR

R R

O

RCOOOH

O

R'R

O

OR'RRCOOOH

ozon, O3R

RO

HR

1) O3

2) Zn, HOAc

R R 2O

OHR

1) O3

2) Zn, HOAc

2

8.2.5

8.2.5

8.2.5

8.2.5

11.2.6

11.2.6

15.4.2

11.2.6

11.2.6

11.2.7

11.2.6

16.2.7


B) Redoxreaktioner


C) Substitutioner-Någon grupp byts ut

H3C Br BrCH3OHHODMF

22 °C

-Exempel 1: Bimolekylär Nukleofil substitution

-Exempel 2: Elektrofil aromatisk substitutionBr

Br2/FeBr3

-Exempel 3: Radikalhalogenering

CH4 Cl2 CH3Cl HClUV-ljus


D) Eliminationer-Någon grupp tas bort

-Exempel: Bimolekylär elimination

Br

H

MeO+ MeOH + Br


E) Additioner-Någon grupp läggs till

-Exempel 1: Addition till dubbelbindning

H

H X = Cl, Br, I

X H

HHH X

-Exempel 2: Addition till karbonylgrupp

HH

ORMgBrR OH

H

OR OH H OH

LiAlH4

or NaBH4

LiAlH4

or NaBH4

OR OH H OH

LiAlH4

or NaBH4

OMe

OR OH H OHR LiAlH43°

3°

2°

1° 1°

1°

2

1°

RMgBr

RMgBr

RMgBr

OHH

H


F) Omlagringar-Molekylen byggs om utan att vare sig lägga till eller ta bort

-Exempel 1: Omlagring av karbokatjon

-Exempel 2: Diels-Alderreaktionen

2° karbokatjon(mindre stabil)

CH3

övergångstillstånd 3° karbokatjon(mer stabil)

CH

H

H

H

CH

H

H

Hkarbanjon proton

CH

H

H

H

karbokatjon hydridjon

CH

H

H

Hradikaler

3. Mekanismer F20

• Reaktiva intermediat:

21.23 KarbanjonerFöreningar med negativ laddning på ett kol, oftast sp3-hybridiserade.

Karbanjoner genereras nästan alltid via syra-basreaktioner, syrastyrkan är ett mått på hur väl karbanjonen kan stabiliseras.

Stabilitet Karbanjoner har en hel negativ laddning och stabiliseras genom:

Struktur

Framställning

Reaktioner Karbanjoner fungerar vanligen som nukleofiler i organiska reaktioner. De är dock oftast tämligen basiska varför inga starkare syror får finnas närvarande vid reaktionen. Exempelvis förstör vatten omedelbart ett Grignardreagens.

1) elektrondragande grupperO

HO

H

H

OH

H

NO2HH

Metallorganiska reagens (16.2.2)

Enolatkemi (18)

Wittigreaktionen (16.2.6)

Nitriler och acetylenider (4.5.6, 17.5.1)

Nukleofil aromatisk substitution (15.3)

CN

NH2

X

HO Cl

SNAr Bensyn

M = Mg, Li, ZnbbR M

2) resonans

3) aromaticitet

4) hybridisering

Ph3P CR2

O

EtO OEt

O

H

3. Mekanismer F20

21.21 Karbokatjoner

Föreningar med positiv laddning på ett kol. Alltid sp2-hybridiserade

Karbokatjoner måste kunna anta en sp2-hybridisering för att kunna bildas:

Stabilitet Karbokatjoner har en hel positiv laddning och stabiliseras genom:

Struktur

Framställning

Reaktioner

1) elektrondonerande grupper

2) resonans

3) aromaticitet

Tom p-orbital

> >> > >

En dåligt stabiliserad karbokatjon omlagras lätt till en mer stabil:

Br

Nu SN1 (9.5)

E1 (10.1)-H

NuSubstitution/elimination

Addition till dubbelbindningar,följer Markovnikovs regel (11.2.1)

HBr+ HBr

X

E

X

E

XHE

Elektrofil aromatisk substitution (14)H

> > Me

21.22 Radikaler

Föreningar med oparade elektroner, oftast sp2-hybridiserade.

Radikaler genereras på i huvudsak fyra olika sätt:

1) alkalimetaller i flytande ammoniak

2) UV-ljus

3) Värme

4) användning av stabila radikaler

Stabilitet

> > > > >

Li/NH3 LihiCl2 2 Cl

ROOR värme 2 RO

Radikaler saknar en elektron och stabiliseras därför av:

Struktur

Framställning

Reaktioner Radikalhalogenering. Exempel på kedjereaktion (4.6)

Radikaladdition av vätebromid. Ger antimarkovnikovaddition. (11.2.4)

Polymerisation (11.2.5)

Reduktion av alkyner, ger antiaddition av vätgas (11.2.7)

Allylisk substitution, kräver låg koncentration av brom. (12.1)

Birchreduktion (15.5)

1) elektrondonerande grupper, exempelvis metylgrupper2) genom resonans, exemplevis allyliska och bensyliska radikaler

HBr

ROORBr

H

CH4

Cl2

UV-ljusCH3Cl + HCl

H H

n

ROOR

Li/NH3

H

H

HBr

ROORBr

H H

H H

Li/NH3/MeOH

Me > >

3. Mekanismer F20

A) Radikalreaktioner3. Mekanismer F20

Cl Clhi

(UV-ljus)Cl Cl

Cl

ClCH

HH

HHCl CH3

CH3 Cl Cl CH3Cl

ClCH3 CH3Cl

•initiering

•propagering

•terminering

B) Joniska reaktioner-Nukleofiler har gott om elektroner och en hel eller partiell minusladdning

-Elektrofiler har ont om elektroner och en hel eller partiell plusladdning

-Reaktioner styrs antingen av en bra elektrofil eller av en bra nukleofil

-Basiska reaktioner brukar styras av nukleofiler medan sura reaktioner brukar styras av elektrofiler

3. Mekanismer F20

B) Joniska reaktioner-Basiska reaktioner brukar styras av nukleofiler

Nu E Nu E

H3C Br BrCH3OHHODMF

22 °C

-Exempel 1: Bimolekylär nukleofil substitution

3. Mekanismer F20

B) Joniska reaktioner-Basiska reaktioner brukar styras av nukleofiler

Nu E Nu E

-Exempel 2: Nukleofil addition till karbonylgrupp

O

H3B-H

O

H

3. Mekanismer F20

B) Joniska reaktioner-Sura reaktioner brukar styras av elektrofiler

-Exempel 1: Elektrofil aromatisk substitution

Nu E Nu E

BrHBr

Br

FeBr4

nukleofil elektrofil σ-komplex(areniumjon)

+ HBr + FeBr3

3. Mekanismer F20

B) Joniska reaktioner-Sura reaktioner brukar styras av elektrofiler

-Exempel 2: Addition till karbonylgrupp under sur katalys

Nu E Nu E

O

H

ROH

H

O

H

H

ROH

OH

HRO

H

3. Mekanismer F20

B) Joniska reaktioner-Den lämnande gruppen är viktig

3. Mekanismer F20

OH

H3O

OH2

HO-, dålig lämnande gruppH2O, bra lämnande grupp

ClH

OHSN2

SN1

HO

E2

H

E1

A) Joniska reaktioner4) Reaktioner och reagens F20

• Grundläggande kunskapNamn SN2, bimolekylär nukleofil

substitution (9.3)SN1, monomolekylär nukleofilsubstitution (9.5)

E1, monomolekylärelimination (10.1)

E2, bimolekylär elimination(10.2)

Mekanism

H

HX

HNu

H

HNu

HX

X

Nu

NuX

HBas

XHBas

Kinetik v = k [substrat] [nukeofil] v = k [substrat] v= k [substrat] v = k [substrat] [bas]

Energidiagram

TS

�G‡

�G

�G°

H

HX

H

H

HNu

H

H

HNu

HXbb

Xbb

TS1 TS2

�G‡(1)

�G

�G‡(2)

X �G°

Nu

Nub b

Xbb

TS1 TS2

b

�G‡(1)

�G

�G‡(2)

HBas

b

X �G°

TS

�G‡

�G

�G°

XHBas

b

b

Antiperiplant TS krävs

XH

Stereokemi/regiokemi

Inversion Racemisering. Nukleofilen kanattackera från båda sidorna avden plana karbokatjonen

Följer oftast Zaitsevs regel.Den mest substitueradealkenen bildas

Följer oftast Zaitsevs regel.Undantag vid mycket hindradebaser

Substrat(elektrofil elleralkylhalogenid)

Metyl > primär > sekundär >> neopentyl > tertiär.Praktiskt sett sker inte SN2med tertiär och neopentyl.

Reaktiviteten bestäms av hurlätt karbokatjonen kan bildas. Tertiära, allyliska och bensyliska substrat reagerar lätt enligt

Se SN1 Antiperiplant övergångs-tillstånd krävs. Primärt, sekundärt eller tertiärtsubstrat går bra.

Lämnandegrupp

Relativt stabil, svag bas.ex. TfO , TsO , I

Svag bas som är stabiliserad ipolärt protiskt lösningsmedelex. H2O, I , Br

Se SN1 Se SN2

Lösningsmedel Polärt aprotisktex. DMF, DMSO

Polärt protisktex. H2O, EtOH

Se SN1 Polära, oftast protiska,lösningsmedel

Nukleofil/bas Negativt laddade, ohindradejoner ex. OH , F

Svaga, ofta oladdade, ohindradenukleofiler. Solvolys

Svaga, hindrade baser, oftalösningsmedlet.

Starka hindrade baserex. KtOBu

Övrigt E1 är ofta en bireaktion. SN1gynnas av lägre temperatur.

SN1 är ofta en bireaktion. E1gynnas av högre temperatur.

E2 gynnas av högretemperatur.

SN1

21.9 Substitutioner och eliminationer

4) Reaktioner och reagens F20

• Nukleofiler är reagens som söker sig till positiva center (9.2.1)• En negativt laddad jon är alltid en bättre nukleofil än vad dess konjugerade syra är ex. HO- är starkare än H2O• Steriska hinder minskar nukleofiliciteten ex. tBuO- är en relativt stark bas men en dålig nukleofil• Nukleofiliciteten är beroende av lösningsmedlet:

vatten

dimetylsulfoxid (DMSO)

dimetylformamid (DMF)

acetonitril

metanol

etanol

aceton

metylenklorid

ättiksyra

dietyleter

bensen

heptan

H2O

SO

H

O

NMe2

CH3CN

CH3OH

CH3CH2OH

O

CH2Cl2

O

OH

O

78

47

37

36

33

25

21

9

6

4

2

2

¡Vanliga lösningsmedel (5.5.3)

Polära protiska lösningsmedel (till exempel vatten)•Polära protiska lösningsmedel kan solvatisera både anjoner och katjoner

•Solvatiseringsförmågan beror av jonens laddningstäthet; en liten jon har högre laddningstäthet och solvatiseras därmed kraftigare. Detta gör att den blir en sämre nukleofil.• Nukleofilicitetsordning i polära protiska lösningsmedel (9.3.5):

HS > CN > I > HO > N3 > Br > AcO > Cl > F > H2O

Polära aprotiska lösningsmedel (till exempel DMF och DMSO)•Polärt aprotiska lösningsmedel kan bara solvatisera katjoner

•Nukleofiliciteten följer därför i stort basiciteten•Nukleofilicitetsordning i polära aprotiska lösningsmedel (9.3.2):

NH2 > OH > RS > CN > HS > N3 > F > Cl > Br > I

HO

H FNa

Na SO

21.8 Nukleofiler


PBr3 eller SOCl2

8.2.1

H2SO4

8.2.2

PCC

8.2.5

17.3.1

X

O

O

O

1) Na2)

8.2.2

Br

Cl

O

, pyridin O

Williamsons etersyntes

H

O

OH

OHCrO4

8.2.5

SO

OMe Cl

9.3.4O S

O

OR

Nu

Nu, SN2

OH , SN2

9.3X

X

, SN1

9.5

1) BH32) H2O2, OH

OR

O LiAlH4, RMgBr

17.2

O NaBH4, RMgBr

17.2

KMnO4, 0°C

1) RCOOOH2) OH

R-OH

Markovnikovaddition

antimarkovnikovaddition11.2.3

anti-diol11.2.6

X = Cl, Br

, E1

10.1.1

11.2.1

syn-diol11.2.6

H3O

H3O

H3O

21.11 Alkoholers reaktioner


R-NH2

RNR

R-X

8.3.1

17.4.1

16.2.5R' H

NR

oxidation

8.4.2R

HN

OH

RR

R NHR

OLiAlH4

17.4.2

R-CNLiAlH4

17.5.2

R-NO2H2, Pt

15.2

R' NHR

OR' Cl

O

R' H

O

21.13 Aminers reaktioner (för aromatiska aminer se avsnitt 21.19)

17.4.1R' NHR

OR' O

O

R'

O


PBr3 eller SOCl2

8.2.1

RO

R'

Williamsons etersyntes (SN2)

R H

R

R

X2, OH

18.1.3

R-X

R

R

R'O

8.2.2

R OH

Cl2 eller Br2, UV-ljus

4.6.1

HBr, ROOR(antimarkovnikov)

11.2.4

Br2, H2O

11.2.1

HBr(Markovnikov)

11.2.1

Br2, UV-ljus(allylisk substitution)

12.1R

R

O

R Nu

R Nu

RR

Nu , SN2

9.3

NuH , SN1

9.5

Bas , E2

10.2R

R-Mg-X

R-LiLi

16.2.2

Mg, eter

16.2.2

R

Friedel-Craftsalkylering

Grignardering

AlCl3, aktiverad aromat

18.2.4

Zn

16.2.2

Bas , E1

10.1R

R

R-Zn (framförallt för _-bromoestrar)

21.14 Alkylhalogeniders reaktioner

Br2

11.2.1


B) π-system (C=C)4) Reaktioner och reagens F20

• π-bindningens elektroner är lättrörliga• alkener kan därför fungera som nukleofiler

HX

11.2.1

H3O

11.2.1

Br2

11.2.1

Br2, H2O

11.2.1

1) BH32) H2O2, OH

11.2.3

syra eller R•

11.2.5

HBr, peroxider

11.2.4

KMnO4,OH , 100°C

11.2.6

KMnO4, 0°Celler OsO4

11.2.6

H2, Pd eller Pt

11.2.2

1) RCOOOH2) OH

HX

HOH

BrBr

BrOH

HH

OHH

BrH

antimarkovnikovaddition

antimarkovnikovaddition

hydrogenering

polymerisation

OHOH

OHOH

OH

O

H OH

O

BrBr2

ljus eller peroxider

12.1O

HH

O

H

1) O32) Zn, HOAc

Markovnikovs regel: I en jonisk addition av ett osymmetriskt reagens till en dubbelbindning kommer den positiva delen av reagenset att hamna så att den stabilaste karbokatjonen bildas.

allylisk substitution

ozonolys

epoxidering följt av öppning av epoxidenger anti-addition

+

+

syn-addition

11.2.6

11.2.6

Zaitsevs regel: Vanligtvis bildas den mest substituerade dubbelbindningen.

OH

Br

H

H2, Pd/CaCO3

11.2.7

Li / NH3

11.2.7

E2

10.2

E1

10.1

anti-addition av vätgas

syn-addition av vätgas

21.10 Alkeners reaktionerB) π-system (C=C)

4) Reaktioner och reagens F20

H2, Pd eller Pt

11.2.7

H2, Pd/CaCO3

11.2.7

Li / NH3

11.2.7

Br2 (1 ekv.)

11.2.7

Br

BrBr

Br

Br

Br

Br

HBr (1 ekv.)

11.2.7

1) O32) HOAc/Zn

11.2.71) KMnO4, OH

2) Syra

11.2.7

OH

O

2

OH

O

2

HBr (2 ekv.)

11.2.7

Br

Br

CaC2 + H2Obara för etyn

10.3

NaNH2

10.3.1

SN2

10.3.1

Br2 (2 ekv.)

11.2.7

H

H

H

HH H

H

H

H

H

Br

H

Br

21.11 Alkyners reaktioner

B) π-system (C=C)4) Reaktioner och reagens F20

cykliskt system:

plant system:

helt konjugerat:

4n + 2 π-elektroner:

ej aromatiska

ej aromatiskej aromatisk

ej aromatisk

C) π-system (aromatiska system)4) Reaktioner och reagens F20

21.18 Elektrofil aromatisk substitution

Generell mekanism (14.1):

X

E

X

E

Bas

XHE

m-komplex(areniumjon)

elektrofil

Framställning av elektrofiler:halogenering(14.2.1)

X2 + FeX3 FeX4 + X (X = Cl, Br)

nitrering(14.2.2)

1/2 I2 + HNO3 + H I + NO2 + H2O

H2SO4 + HNO3 NO2 + HSO4 + H2O

2 H2SO4 H3O + HSO4 + SO3sulfonering(14.2.3)

Cl AlCl3AlCl4Friedel-Crafts-

alkylering(14.2.4)

Friedel-Crafts-acylering(14.2.4) AlCl3

O

ClC O

C O

+ AlCl4

Substituentens påverkan (14.3):

NH2

NR2

OH

OR OCORNHCOR

Cl

Br

COOH

CONHR

COH

COR SO3H

NO2

NR3

CF3

CN

aktiverande deaktiverande

orto/para-styrande meta-styrande


OH

NH2 ClCH3

ONO2

Br CN CF3

NH3

O

O

HN

O

O

alkyl

ökande aktivering ökande deaktivering

orto/para-styrning meta-styrning

-ordningen stämmer ofta även i andra reaktioner!


NO2 NH2

N2I

X

F

SO3H

O

R

NNMe2N

R

COOH

OHHO

HOOC

H2SO4 (rykande)EAS

14.2.3

Na, NH3 (liq)Birchreduktion

15.5

H2, Pd eller Pthydrogenering

15.5

RCOCl, AlCl3Friedel-Crafts-

acylering

14.2.5

RCl, AlCl3Friedel-Crafts-

alkylering

14.2.4KMnO4

oxidation av sidokedja

15.4.2

HNO3, H2SO4EAS

14.2.2

I2, H2SO4EAS

14.2.2

X2, FeX3EAS (X = Cl, Br)

14.2.1

H2, Pd eller Pthydrogenering

15.2

HONO, 5°Cdiazotering

15.2.2

KI

15.2.2

CuX (X = Cl, Br, CN)Sandmeyerreaktionen

15.2.2

NaNH2, bensyn, 15.3.1

H3PO4, 15.2.2

HBF4

15.2.2

Cu2O

15.2.2

aktiverad aromat

15.2.2

CO2, basKolbereaktionen

15.1.3

21.19 Aromaters reaktioner


orimlig resonansform

rimlig resonansform

O O

CH2 CH2

D) π-system (C=O, karbonylgruppen)4) Reaktioner och reagens F20

• Karbonylgruppen är kraftigt polär• Den kan attackeras av nukleofiler

O

X

Nu

O

XNu

X = H, R

OH

XNu

X = lämnande grupp

O

Nu+ X


• Karbonylgruppen är kraftigt polär• α-väten är sura

O

H H

Bas nukleofil(enolat)

O


• Enolat kan attackera andra karbonylföreningar

O

X

O

X = H, ROH

X

O

X = lämnande grupp

O+ X

O

O

X

O

O

X

elimination


•α,β-omättade föreningar

H

O

Nu

vanlignukleofiladdition

H

OH

Nu

H

O

Nu

konjugat-addition

H

Nu

OH

H

Nu

O

keto-formenol-form

F19

D) π-system (C=O, karbonylgruppen)

F204) Reaktioner och reagens

R CN

R OH R X

O

X = R', H

PCC

8.2.5

R'MgX

17.5.2

R OH

R'CrO3

8.2.5

R OH

R OH

R'

R X

OHOH

R X

OR'OR'

R X

OR'OH

R X

NR'

R X

R' R"

R OH

O

R OR'

O

LiAlH4 eller NaBH4

16.2.1

LiAlH4 eller NaBH4

16.2.1

H2O, syra eller bas

16.2.3

ROH, syra eller bas

16.2.4

ROH, syra

16.2.4

RNH2, syra

16.2.5

Ph3P, R'R"CHBr

16.2.6

RCOOOH

16.2.7

CrO3 (X = H)

8.2.5

21.15 Aldehyders och ketoners reaktioner


Till:

Från: R OH

O

R NHR'

O

R O

O

R

O

R X

O

R OR'

OR C N

R R'

OR NH2 R R'

HO R'R OH

R OH

O

karboxylsyra

R’NH2värme17.4.1

värme ellerRCOX och bas

17.6.2

SOCl2, PCl3eller PCl5

17.6.1

R’OH och syra 17.3.1

R’MgBr17.2.2

LiAlH417.2.1

R NHR'

O

amid

eller

17.4.2

P4O10,värme17.5.1

LiAlH417.2.1

R O

O

R

O

syraanhydrid17.1

R’NH217.4.1

R’OH ochpyridin17.3.1

R’MgBr17.2.2

LiAlH417.2.1

R X

O

syrahalid17.1

R’NH217.4.1

RCOOH, bas17.6.2

R’OH ochpyridin17.3.1

R’MgBr17.2.2

LiAlH417.2.1

R OR'

O

ester17.3.2

R’NH217.4.1

R’MgBr17.2.2

LiAlH417.2.1

R C Nnitril 17.5.2

R’MgBr17.5.2

LiAlH417.5.2

R R'

O

keton

X2, OH18.1.3

RCOOOH16.2.7

R R'

HO R'

3° alkohol

RCOOH, syra 17.3.1

R OH1° alkohol

KMnO418.2.5 17.3.1

H3OOH , värme

eller H3OOH

eller H3OOH

eller H3OOH

eller H3OOH , värme

RCOOH, syra

21.16 Omvandling av karboxylsyraderivat


21.17 Reaktioner via enolat

alkylering

halogenering

aldoladdition

aldolkondensation

korsad aldolkondensation

Claisen-Schmidtreaktion

cyklisk aldolkondensation

Michaelreaktion

Robinsonannulering

Claisenkondensation

Dieckmannkondensation

Dekarboxylering

O O

R

O O bas, RX18.1.2

OOH , X2

18.1.3 CX3

O

OH

O

H

O OH Obas

18.2.1

värme

18.2.1

bas

18.2.1

18.2.3

18.2.4

bas, värme

18.2.4

OH O O

H

O

Ph H

O O

Ph

O

Ph H

O O

Ph Ph

O

O

O

O O O O

O O OO

O

OEt

O

EtO

O ONaOEt

EtO

OOEt

O

NaOEtO

EtO

O

R

O

OEt

O

R

O

bas

18.2.1

bas

18.2.1

bas

18.2.2

O

O

bas

18.2.2

H

HH


Documents

Föreläsning 20 F20 - chem.lu.seBioteknik/OrganAK/F20.pdf · En radikal, det vill säga en oparad elektron. En karbanjon, det vill säga en elektron för mycket. En minusladdning