Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo

Fakulteta za naravoslovje in matematiko

Peter Krajnc

ORGANSKA KEMIJA I

2013/2014

GRADIVO ZA INTERNO RABO

1

Dodatna literatura: Pine Stanley H.; Organic Chemistry, McGraw-Hill, 1987 Fox, Whitesell; Organic Chemistry, Jones and Bartlett Publishers, 1997 Vollhardt, Schore; Organic chemistry, W.F. Freeman and Company, 1998 Tiler Miha; Organska kemija, DZS, 1982 Stanovnik Branko; IUPAC : nomenklatura organskih spojin : sekcije A, B, C in D, DZS, 1984 Poglavja: Tvorba vezi in hibridizacija Nomenklatura organskih spojin Izomerija organskih molekul Stereokemija Resonanca in vplivi skupin Kislost in bazinost Tavtomerija Tipi organskih reakcij Nukleofilne adicije na karbonilno skupino aldehidov in ketonov Nukleofilne substitucije na karbonilni skupini kislin in derivatov Nukleofilne substitucije in eliminacije na sp3 C atomu Elektrofilne adicije na nenasienih C atomih Seminar 1 Seminar 2 Seminar 3

2

1. poglavje: Tvorba vezi in hibridizacija Ogljik: le 0.12 % (masni dele) v loveku dostopnem delu Zemlje Elektronska konfiguracija C (He) 2s2 2p2

Tvori 4 vezi. Ogljikov atom ima v osnovnem stanju izpolnjene 1s in 2s orbitale, preostala dva elektrona pa sta v 2p orbitalah. Z dodatkom energije lahko en elektron v 2s orbitali vzbudimo. Nastane razporeditev, kjer vsako orbitalo (2s, 2px, 2py, 2pz) zaseda po en elektron. Na razpolago imamo torej 4 elektrone za tvorbo vezi:

1s

2s

2p

E 1s

2s

2p

E

401kJ/mol

Energije vezi: C-C 347 kJ/mol C-Cl 330 kJ/mol C-F 485 kJ/mol C-H 414 kJ/mol C-O 343 kJ/mol C-Br 276 kJ/mol Povezave ogljika

grafit

diamant

fuleren C60

ogljikove nanocevke

3

Velika energija vezi C-C, C-H in ostalih omogoa nastanek velikega tevila organskih spojin. Teorija valenne vezi Elektroni se nahajajo v orbitalah. Orbitala je prostor, za katerega je 95% verjetnost nahajanja elektrona. Kovalentna kemijska vez je moneja pri intenzivnejem prekrivanju orbital obeh atomov (im veji je integral prekrivanja). vezi: elno prekrivanje vezi: bono prekrivanje

Hibridizacija je raunski postopek, s katerim s kombinacijo atomskih orbital dobimo hibridne orbitale.

Atomske orbitale. Tvorba hibridnih orbital: sp3 orbitale

2s orbitala 2px orbitala 2py orbitala 2pz orbitala

HIBRIDIZACIJA (vseh atomskih orbital)

4

tiri sp3 hibridizirane orbitale

Molekula metana sp3 hibridizacija.

Molekula etana sp3 hibridizacija.

sp2 orbitale

2s orbitala 2px orbitala 2py orbitala 2pz orbitala

HIBRIDIZACIJA (treh atomskih orbital (2s, 2px in 2py),

2pz orbitala ostane za vez)

tri sp2 hibridizirane orbitale ( in 2pz orbitala ostane za vez)

5

Molekula etena sp2 hibridizacija.

sp orbitale

2s orbitala 2px orbitala 2py orbitala 2pz orbitala

HIBRIDIZACIJA (dveh atomskih orbital (2s in 2px), 2py in 2pz orbitali ostaneta za dve

vezi bono prekrivanje)

dve sp hibridizirane orbitale (2py in 2pz orbitali ostaneta za dve vezi)

6

Molekula etina sp hibridizacija.

Tipi hibridizacije Hibridizacija orbital ogljikovega atoma je neposredno povezana s strukturo organskih spojin saj je od hibridizacije oziroma od delea s znaaja hibridne orbitale odvisna geometrija vezi. Tako je za sp hibridizirane ogljikove atome znailna linearna struktura, za sp2 hibridizirane ogljikove atome je znailna planarna struktura, za sp3 hibridizirane ogljikove atome pa je znailna piramidalna (tetraederska) struktura.

sp

sp2

sp3

sp hibridizirane orbitale; koti med njimi

sp2 hibridizirane orbitale; koti med njimi

sp3 hibridizirane orbitale; koti med njimi

Elektronegativnost Pauling (1932): sila, s katero atom v molekuli privlai elektrone

7

Mullikan (1934): povpreje ionizacijske energije in elektronske afinitete = 0.168 (IE+EA-1.23) (preraunano na Paulingovo skalo) Allred, Rochow (1958): = 0.359 Z/r +0.744 (Z-zasenitvena konstanta, r povprena razdalja elektrona od jedra; preraunano na Paulingovo skalo) Vpliv neveznih elektronskih parov Molekula ima takno strukturo, kjer so atomi okoli centralnega atoma razporejeni tako, da omogoajo maksimalni razmik elektronskih parov centralnega atoma (Sidgwick, Powell, 1940). Vendar: odboji med neveznimi elektronskimi pari so moneji kot med veznimi (Nyholm, Gillespie, 1957). Valence shell electron pair repulsion (Teorija o odboju valennih elektronskih parov). Jakost odboja

nevezni nevezni > nevezni vezni > vezni vezni

Kot H-O-H zmanjan iz 109 na 104,5 st

O

H H

Kot H-N-H zmanjan je 106,8 st

N

H

H

H

Vpraanja:

1. Zakaj tvori ogljik 4 vezi? 2. Kako se tvorijo kovalentne vezi? 3. Kaj je orbitala? 4. Kaj je hibridizacija? 5. Kakne so sigma in pi vezi glede na jakost in tip prekrivanja orbital? 6. Kako so prostorsko razporejene hibridne orbitale pri sp, sp2 in sp3 tipu hibridiziranega C

atoma? 7. Narii strukture metana, etana, etena in etina!

8

2.poglavje: Nomenklatura organskih spojin Zaradi velikega tevila organskih spojin je nujno potreben dogovor o pravilih, po katerih spojine poimenujemo. Za takna pravila so se dogovorili (in se e vedno sproti dogovarjajo o novostih in spremembah) na mednarodnem zdruenju za isto in uporabno kemijo. IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) nomenklatura organskih spojin prvi dogovor o poimenovanju spojin 1892 eneva od leta 1947 redna poroila o novih dodatkih pravilom Ogljikovodiki in spojine z enim tipom funkcionalne skupine Alkani So osnovni nasieni ogljikovodiki, vsi C atomi so sp3 hibridizirani. Grkemu tevniku dodamo konnico AN. Najdalja veriga ogljikovih atomov odloa o imenu.

t. C-atomov Alkan formula alkilna skupina formula

1 metan CH4 metil CH3

2 etan CH3CH3 etil CH3CH2

3 propan CH3CH2CH3 1-propil

2-propil

CH3CH2CH2

CH3CHCH3

4 butan

i-butan (2-metilpropan)

CH3(CH2)2CH3 (CH3)3CH

1-butil

2-metilprop-1-il

CH3(CH2)3 (CH3)2CHCH2

5 pentan CH3(CH2)3CH3 1-pentil CH3(CH2)4

6 heksan CH3(CH2)4CH3 1-heksil CH3(CH2)5

7 heptan CH3(CH2)5CH3 1-heptil CH3(CH2)6

8 oktan CH3(CH2)6CH3 1-oktil CH3(CH2)7

9 nonan CH3(CH2)7CH3 1-nonil CH3(CH2)8

10 dekan CH3(CH2)8CH3 1-decil CH3(CH2)9

Stranske verige dobijo konnico IL. Mesto vezave stranske verige na glavno se oznai z najnijo mono tevilko. e je stranskih skupin ve, se oznaijo s tevniki (enake skupine) oz. tako, da so stranske

skupine po abecedi. e je alkan ciklien, dodamo predpono CIKLO.

9

heptan

4-etil-5-propildekan

ciklopropan

4-metildekan

etilciklobutan

Alkeni So ogljikovodiki z vsaj eno C=C dvojno vezjo. Tradicionalno ime je olefini. Grkemu tevniku dodamo konnico EN. Najdalja veriga ogljikovih atomov, ki vsebuje dvojno vez, odloa o imenu (eprav bi bila

alkanska veriga dalja). Verigo otevilimo tako, da dobi dvojna vez najnijo tevilko. Mesto dvojne vezi v verigi se oznai s tevilko. Stranske verige dobijo konnico IL. Mesto vezave stranske verige na glavno se oznai s tevilko (veriga je otevilena glede na

dvojno vez). e je stranskih skupin ve, se oznaijo s tevniki (enake skupine) oz. tako, da so stranske

skupine po abecedi. e je alken ciklien, dodamo predpono CIKLO. e ima tudi stranska skupina dvojno vez, se ji doda konnica ENIL.

t. C-atomov alken formula alkenilna skupina formula

2 eten CH2=CH2 etenil (vinil) CH3CH

3 1-propen CH3CH=CH

propen-1-il

propen2-il

propen-3-il (alil)

CH3CH=CH

CH3C=CH2

CH2CH=CH2

4 1-buten CH3CH2CH=CH2 buten-1-il CH3CH2CH=CH

okt-2-en

5-propilnon-3-en

ciklopenten

3-etenilciklopenten

10

Alkini So ogljikovodiki z vsaj eno trojno vezjo med ogljikoma. Tradicionalno ime je acetileni. Grkemu tevniku dodamo konnico IN. Najdalja veriga ogljikovih atomov, ki vsebuje trojno vez, odloa o imenu (eprav bi bila

alkanska veriga dalja). Verigo otevilimo tako, da dobi trojna vez najnijo tevilko. Mesto trojne vezi v verigi se oznai s tevilko. Stranske verige dobijo konnico IL. Mesto vezave stranske verige na glavno se oznai s tevilko (veriga je otevilena glede na

trojno vez). e je stranskih skupin ve, se oznaijo s tevniki (enake skupine) oz. tako, da so stranske

skupine po abecedi. e je alkin ciklien, dodamo predpono CIKLO.

t. C-atomov alkin formula alkinilna skupina formula

2 etin CHCH etenil (vinil) CHC

3 propin CH3CCH propen-1-il CH3CC

4 1-butin CH3CH2CCH buten-1-il CH3CH2CC

hept-2-in

ciklodekin

nonan-2,6-diin

4-etiniloktan

Alkoholi Grkemu tevniku dodamo konnico OL. Verigo otevilimo tako, da dobi hidroksi skupina najnijo tevilko. Stranske verige dobijo konnico IL. Mesto vezave stranske verige na glavno se oznai s tevilko (veriga je otevilena glede na

hidroksi skupino). e je alkohol cilkien, dodamo predpono CIKLO.

11

OH

oktanol

OH

nonan-3-ol

OH

3-etil-6-propildekanol

OH

2-cikloheksiletanol

Tioli Kot pri alkoholih, le da je namesto kisika veplo. Fenoli e je hidroksi skupina vezana na benzenov obro, govorimo o fenolih. Oznaimo mesta vezave skupin na benzenov obro. Etri in tioetri

OR R

SR R

DIALKILETER

DIALKILTIOETER Dva naina poimenovanja: a) RO skupino poimenujemo alkoksi in jo obravnavamo kot substituent b) Kisik tejemo kot ogljik v verigi, imenu pa dodamo prepono OKSA. Poloaj kisika v verigi

oznaimo s tevilko, ki jo postavimo pred prepono Manje etre lahko poimenujemo tudi kot dialkil etre. Ciklini etri dobijo za prepono OKSA e CIKLO. Tioetri: namesto prepone ALKOKSI je prepona ALKILTIO

O

dietileter

(etoksietan)

O

etil metil eter (metoksietan)

O

ciklopentil metil eter

12

Amini

NH

H

H

NH

H

R

NH

R

R

NR

R

R

amonijak

primarni amin

sekundarni amin

terciarni amin

NH

H

Me

NHMe

Me

NMe

Me

Me

metilamin dimetilamin trimetilamin

Primarni amini: dodamo konnico AMIN, duikov atom se ne teje. Sekundarni in terciarni amini: alkilne skupine poimenujemo kot substituente, dodamo prepono N (ker je substituent vezan na duik). Drugi nain (substitucijski): dodamo konnico ILAMIN.

NH3CH

H

NH3CH

CH3

NH3CCH3

CH3 metanamin metilamin

N-metilmetanamin Dimetilamin

N,N-dimetilmetanamin Trimetilamin

NEt CH2CH2CH3

H

NMe CH2CH2C

Me Me

Me

Me

N-etilpropanamin etilpropilamin

3,3,N,N-tetrametilbutanamin 3,3,N,N-tetrametilbutilamin

Aromatski amini

NH2

NH3C Pr

N

Me

Me Pr

benzenamin

anilin N,N-metilpropilbenzenamin

N,N-metilpropilanilin 4-metil-N,N-metilpropilbenzenamin

4-metil-N,N-metilpropilanilin

13

Aldehidi in ketoni

RC

O

H R

C

O

R

aldehid keton

Geometrija molekule: planarna, ogljik je sp2 hibridiziran.

Ketoni: konnica ON Aldehidi: konnica AL Poloaj karbonilne skupine oznaimo s tevilko. Substitucijski nain: obe skupini ob karbonilni skupini poimenujemo kot alkilni in imenu

dodamo besedo KETON.

H

O

propanal

H

O

3-metilbutanal

O

pentan-3-on (dietil keton)

O

4-metilpentan-2-on

O

ciklopentanon

Karboksilne kisline

RC

O

OH Konnica: -OJSKA KISLINA Ogljik iz karboksilne skupine se teje!

CH3CH2CH2CH2COOH CH2CH2CH2CH2COOH

Br

pentanojska kislina 5-bromopentanojska kislina

Tradicionalno poimenovanje substituentov: z grkimi rkami (ogljik ob karboksilnem je ).

14

Derivati karboksilne kisline

C

O

XR

C

O

ORR

C

O

NR

C

O

ORC

O

R

kislinski halid ester amid anhidrid

Kislinski kloridi: verigi dodamo konnico OIL in dodamo besedo KLORID. Estri: alkoholni komponenti dodamo konnico IL, kislinskemu delu pa OAT. Amidi: verigi dodamo konnico AMID. Anhidridi: imenu ustrezne kisline dodamo (pred ime) besedo ANHIDRID.

O

Cl O

O

O

NH2

O

O O butanoil klorid etil propanoat butanamid anhidrid etanojske

kisline Vpraanja / naloge:

1. Poimenujte spojine v skladu z IUPAC nomenklaturo!

O

Cl

OH

NH2

O

H

O

O

O

2. Nariite strukturne formule naslednjih spojin! cikloheksanon, 5-etil-4,4-dimetildekan, prop-2-en-ol, etantiol, metoksimetan, pentan-3-on

15

IUPAC prioriteta funkcionalnih skupin (urejeno padajoe)

skupina konnica predpona

karboksilna k. -ojska kislina karboksi

anhidrid anhidrid -ojske kisline /

ester alkil -oat alkoksikarbonil-

kislinski halid -oil halid haloalkanoil-

amid amid karbamoil-

nitril nitril ciano-

aldehid -al alkanoil

keton -on -okso-

alkohol -ol hidroksi-

tiol -tiol merkapto-

amin -amin amino-

eter eter -oksa ali alkoksi-

tioeter (sulfid) tioeter (sulfid) -alkiltio-

alken -en alkenil-

alkin -in alkinil-

halid / halo-

nitro spojina / nitro-

alkan -an alkil

Skupina, vija po prioriteti, je v konnici imena. Torej: e poimenujemo spojino z ve funkcionalnimi skupinami, najprej doloimo prioriteto in spojino poimenujemo tako, da je konnica imena poimenovana po najviji skupini; ostale damo v predpono imena.

16

3. poglavje: Izomerija organskih molekul Izomeri so spojine z enako bruto formulo, a z razlino prostorsko razporeditvijo atomov ali funkcionalnih skupin. Tipi izomerije: STEREO (razlina prostorska razporeditev pri isti

sekvenci) KONSTITUCIJSKA (razlina sekvenca atomov)

STEREO (prostorska): konfiguracijska (R, S) konformacijska (rotacijska) geometrijska (cis, trans) ciklostereo KONSTITUCIJSKA: poloajna tavtomerija Konformacijska (rotacijska) izomerija: Molekule se razlikujejo glede na razline rotacije okoli enojnih vezi. Razlikujemo razline konformacije (kot rotacije se spreminja).

Newmannova projekcija palina projekcija

H H

H

H

HH

H H

H

HH

H60

H

H H

H

H

H 60

H

H

HH

H

H

rotacija okoli C-C vezi

17

Energija molekule se spreminja v odvisnosti od kota rotacije.

Hitrost rotacije okrog enojne vezi je odvisna od temperature in od velikosti skupin, ki so vezane na atoma, ki tvorita enojno vez. Pri nizkih temperaturah (npr. pri200C), je rotacija poasna in molekula se postavi v prostorsko najbolj ugodno konformacijo. Poznamo pa tudi primere spojin, pri katerih je rotacija poasna tudi pri sobni temperaturi. V teh primerih je rotacija upoasnjena predvsem zaradi velikosti substituentov in pa zaradi morebitnih interakcij substituentov (npr. tvorbavodikove vezi). Vzemimo za primer molekulo n-butana. Pri rotaciji okrog C(2)C(3) vezi, je monih ve razlinih konformacijskih izomerovrotamerov:

Konformacijska izomerija pri cikloalkanih Pri cikloalkanih je vrtljivost okoli C-C vezi omejena. Pri razlinih substituentih loimo ekvatorialne (ravninske) in aksialne (vzporedno z osjo molekule) poloaje. Stabilnost molekule je odvisna od sterinih interakcij, zato je v primeru cikloheksana konformacija stol stabilneja od konformacije kad.

18

Cikloheksan-konformaciji stol in kad

A

E

A

E

A

E

E

A

E

AE

A

Ekvatorialni substituenti leijo priblino v ravnini molekule.

Energija molekule v odvisnosti od konformacije pri cikloheksanu.

Geometrijska izomerija Gre za poloaj substituentov ob dvojni vezi (sp2 hibridizacija). Rotacija okoli dvojne vezi ni mona,

ker bi se v tem primeru prekinila vez.

C CA

H

B

H

C CH

A

B

H

CIS TRANS

19

Cis-trans izomerija je mona le, e sta vezana dva substituenta in dva vodika. V primeru vezave treh ali tirih sunstituentov se uporablja E, Z asignacija.

C CA

H

B

Y

C CH

A

B

Y

Z (zusammen) E (entgegen) Doloiti moramo prioriteto substituentov. Prioriteta se doloi po atomskem tevilu atoma, vezanem na sp2 ogljikov atom. Primer:

C CBr

H

Cl

CH3

C CBr

H

CH3

Cl

Z (zusammen) E (entgegen) Prioriteta substituentov: Br, Cl, CH3. Pri Z izomeru sta na isti strani substituenta Br in Cl, ki imata vijo prioriteto od metilne skupine. e sta atoma, vezana na sp2 ogljik enaka, doloimo prioriteto z naslednjim atomom v funkcionalni skupini.

Vpraanja:

1. Poimenujte naslednje spojine v skladu z IUPAC nomenklaturo?

F

F

20

4. poglavje: Stereokemija

tudij prostorske razporeditve atomov v molekulah. Kiralna molekula ima vsaj en kiralni center in nima ravnine simetrije. Akiralna molekula ima ravnino simetrije. Molekuli, ki se razlikujeta po vezavi substituentov na kiralnem ogljikovem atomu, imenujemo enantiomera.

Risanje prostorskih formul

C

D

A

H

B

C

D

A

B

H

R-ENANTIOMER S-ENANTIOMER

pred ravninoza ravnino

21

Fischerjeve projekcije

A

H

D

BC BH

D

A

Pravila pri manipulaciji s Fischerjevimi projekcijami Konfiguracije ne spremenimo, e:

celo formulo zasuemo za 180 soasno zamenjamo mesta 3 skupin, v enakem vrstnem redu.

B

D

A C

A

D

C B

C

D

B A

Spojine z ve centri kiralnosti Razlikovanje na vseh centrih kiralnosti: enantiomeri Razlikovanje na enem centru kiralnosti: diastereoizomeri

Me

Me

H Br

Cl H

Me

Me

Br H

H Cl

Me

Me

H Br

H Cl

Me

Me

Br H

Cl H

S

S

S

S

R

R

R

R enant.

enant.

diastereoizomeri

22

Doloanje absolutne konfiguracije iz Fischerjevih projekcij V skladu s pravili premikanja substituentov prevedemo formulo v obliko, da je substituent z najnijo prioriteto na vrhu. Razpored ostalih treh v ravnini lista nam da absolutno konfiguracijo.

a

c

d b

d

c

b a

S

Stereokemija policikloalkanov

H

H

trans-dekalin

H

H

cis-dekalin

Trans je stabilneji zaradi manjega odboja.

23

Mezo spojine in racemati Maksimalno tevilo stereoizomerov 2n (n= tevilo kiralnih centrov). Spojine z ravnino simetrije imajo manj stereoizomerov. Spojina z dvema ali ve centri kiralnosti in ravnino simetrije je mezo spojina. Ne sue polarizirane svetlobe.

Racemat je meanica R in S enantiomera (dveh spojin), obeh v enakih koliinah. Lastnosti stereoizomerov

Specifine interakcije Zaradi specifinih interakcij prepozna receptor le en enantiomer, ki se zato vee na receptorsko mesto. Tipien primer je par substrat-encim. Sunost polarizirane svetlobe

CH3

H Br

BrH

CH3

CH2

CH2CH3

Br H

BrH

CH2CH3

H

OH

H

OH

CH3

H Br

BrH

CH3

CH3

Br H

BrH

CH3

CH3

H Br

HBr

CH3

1 2 3

24

Kiralne molekule so optino aktivne. e en enantiomer zasue polarizirano svetlobo za doloen kot, jo njegov zrcalni enantiomer za enak kot v nasprotno smer. Molekule so lahko desnosune ali levosune. Desnosune oznaujemo z D ali +, levosune pa z L ali -. Oznaevanje absolutne konfiguracije (R ali S) nima zveze z D ali L, R enantiomer je lahko desno ali levosuen. Pri mezo spojinah ne opazimo kota zasuka, ker en del molekule sue v nasprotno smer kot drugi.

Stereokemija reakcij: regioselektivnost, stereoselektivnost in stereospecifinost Regioselektivna reakcija

A B + C Tvori se ve enega produkta (B ali C); B in C sta konstitucijska izomera. Stereoselektivna reakcija

A B + C Tvori se ve enega produkta (B ali C); B in C sta stereoizomera. Stereospecifina reakcija

A B

C D A in C sta stereoizomera, B in D sta stereoizomera (iz A lahko nastane le B, iz C le D). Reakcije so lahko bolj ali manj stereo in regio selektivne. Primer: adicija HBr na alken. Ker lahko napade Br- karbokation iz obeh strani, reakcija ni stereoselektivna.

C

H

CH3

CH2CH3 + Br

C H

CH3

CH2CH3

Br

C CH3

H

CH2CH3

Br

(S)-2-bromobutan

(R)-2-bromobutan

25

Regioselektivne reakcije

CH3CH CCH3

CH3

HI CH3CH2CCH3

CH3

I

CH3CHCHCH3

I

CH3

2-metil-2-buten

2-iodo-2-metilbutan 2-iodo-3-metilbutan

(prevladujo produkt)

Vpraanja / naloge:

1. Naslednjim spojinam poiite kiralne centre in jim doloite absolutno konfiguracijo (z deskriptorjema R oz. S)!

CH3 OH

COOH

H

CH3

CH3

H Br

Cl H

CH3 H

Br Cl

CH3

HBr BrCH3

CH3

Br

1-metilcikloheksen1-bromo-1-metil-cikloheksan

1-bromo-2-metil-cikloheksan

(prevladujo produkt)

26

5. poglavje: Resonanca in vplivi skupin Glavni tipi vplivov skupin na reaktivnost molekule so:

induktivni (elektrostatini) sterini resonanni (konjugacijski)

Resonanni vplivi Molekule niso natanno opisane z eno samo formulo. Za isto spojino lahko napiemo ve razlinih strukturnih formul. Primer:

H3C CO

OH3C C

O

O

Elektronski par lahko prispeva k vezavi ve kot dveh atomskih jeder (tvori ve kot eno vez). Tak elektronski par je delokaliziran. Elektronska delokalizacija je energetsko ugodna (znia energijo sistema). Resonanni hibrid je dejanska spojina z delokaliziranimi elektroni, resonanne oblike pa posamezne formule s popolnoma lokaliziranimi veznimi elektronskimi pari in predstavljajo prispevek k dejanski strukturi spojine. Resonanni hibrid ima ves as isto strukturo in se ne spreminja (ne skae od ene do druge resonanne strukture). Pravila pri pisanju resonannih struktur:

Premikajo se le elektroni, nikoli jedra atomov.

CH2 CH C N CH2 CH C N CH CCH2 N

Resonanne strukture morajo imeti isto tevilo parnih in neparnih elektronov.

Nevezni elektronski par se lahko donira v vez.

N CH CH CO

H

Me

MeN CH CH C

O

H

Me

Me

Moen je premik enega elektrona v primeru radikalov.

CH2 CH CH2 CH2 CH CH2

27

Lestvica resonannega efekta (-M, +M): NO2 > COR > CN > COOR > Ph > CH=CH2 > Ph > O

- > R2N > OR > F > Cl > Br > I Prispevki resonannih oblik k hibridu

H3C CO

OHH3C C

O

OH

A B Resonanni hibrid ocetne kisline je precej bolj podoben strukturi A kot strukturi B. V strukturi B je naboj loen, poleg tega ima kisik pozitivni naboj, kar je energetsko neugodno (je elektronegativen). Coulombov zakon: loevanje nasprotnih nabojev zahteva energijo.

Velja splono: oblike z loenim nabojem (dipolarne) prispevajo manj kot oblike brez zunanjega naboja.

Strukture z oktetom so bolj pomembne od tistih brez.

C

O

H H

CH H

O

A B Pri strukturi B ima ogljik le tri zunanje elektrone, oktet ni izpolnjen, zato ta struktura prispeva manj kot struktura A.

Strukture z negativnim nabojem na bolj elektronegativnih jedrih prispevajo bolj kot strukture z negativnim nabojem na manj elektronegativnih jedrih.

Induktivni vplivi Induktivni vpliv povzroi polarizacijo vezi zaradi sosednje polarne vezi ali funkcionalne skupine. Induktivni vpliv je najveji pri sosednjih vezeh in z razdaljo hitro upada. Primer:

Cl CH2 CH3 Klor je elektronegativen (precej bolj od ogljika), zato pritegne elektrone iz vezi C-Cl, posledino pa tudi elektrone iz vezi C-C. Atomi in skupine, ki pritegnejo elektrone, imajo negativni (-I) induktivni efekt, skupine, ki jih odbijajo pa pozitivni (+I). Po definiciji ima vodikov atom induktivni efekt ni.

28

Lestvica induktivnega vpliva:

F > NO2 > Cl > Br > I > OH> OMe > Ph > H > Me > Et > Me2CH > Me3C > C C > konjug. C=C > C=C Primer:

-I efekt +I efekt

H C

H

H

C

H

H

C

H

H

H

H C

H

H

C

H

H

C

H

F

H

+ + +

-

-I

CH3

CH3 C

CH3

CH3

C

CH3

CH3

C H

CH3

propan 1-fluoropropan Izo-dekan

nepolarizirane CC in CH vezi mono polarizirana CF vez inducira polarizacijo CC in CH vezi; celotna propilna skupina

je elektronsko revneja kot propan

metilne skupine donirajo elektrone v sistem; izo-dekan

je elektronsko bogateji od propana

Induktivni vplivi na pKa vrednosti Moneji kot je induktivni (negativni) efekt substituenta, bolj ta stabilizira anion, ki nastane po odcepu protona, zato je taka kislina moneja. Primer: primerjava kislosti (pKa vrednosti) ocetne, kloroocetne in dikloroocetne kisline

C COH

O

H

H

H

C COH

O

Cl

H

H

C COH

O

Cl

H

Cl

pKa=4.8 pKa=2.9 pKa=1.3 Sterini vplivi O sterinih vplivih govorimo takrat, kadar je potek reakcije pospeen, upoasnjen ali spremenjen zaradi prostorskih dimenzij funkcionalne skupine. Primer: pri substituiranem etanu je energetska razlika med sinklinalno in antiklinalno konformacijo veja, e so substituenti prostorsko veliki. Vpraanja / naloge:

1. Napiite razline resonanne strukture in jih razvrstite po prispevku k resonannemu hibridu!

C OO

H3CCH3

29

6. poglavje: Kislost in bazinost Brnsted: kislina je snov, ki donira proton(e), baza je snov, ki proton(e) sprejema.

HA + B A + BH

HA + AH2O H3O+

HA

A

H2O

H3OKeq =

HA

AH3OKa = Keq H2O =

Voda je lahko tudi kislina, npr. pri reakciji z amoniakom:

+ H2ONH3 NH4 OH+ pKa vrednosti pKa = -log Ka pH= -log [H3O

+] Trije razredi kislin: O-kisline C2H5OH pKa=16

Et O H N-kisline C2H5NH2 pKa=35

Et NH

H C-kisline C2H6 pKa=50

Me C

H

H

H

30

Uporaba pKa lestvice

doloanje kislosti nija pKa vrednost > bolji proton donor

C COH

O

H

H

H

C COH

O

Cl

H

H

C COH

O

Cl

H

Cl

pKa=4.8 pKa=2.9 pKa=1.3

doloanje bazinosti vija pKa vrednost konjugirane kisline > bolji proton akceptor

N

NH4

N

H

NH3

pKa=5.2 pKa=9.2

izstopajoe skupine nija pKa vrednost pomeni boljo izstopajoo skupino

31

pKa lestvica kislina konjug.baza

32

33

34

Vpraanja / naloge:

2. Razvrstite spodnje spojine glede na kislost oz. bazinost! Razvrstitev utemeljite!

OH

NO2

OH OH

Et

CH3COOHCF3COOH

35

7. poglavje: Tavtomerija Izomerizacija, ki vkljuuje soasno premestitev vodikovega atoma in dvojne vezi v sklopu treh atomov, je tavtomerija. Posamezne izomere imenujemo tavtomeri. A

H

B C A B C

H Primer: keto enol tavtomerija

C

O

CH

CC

OH

Druge pogoste oblike tavtomerije:

C

H

CN

C CNH

imin/enamin

C

H

CS

C CSH

tioketon/tioenol

N

H

CO

N COH

laktam/laktim

Vpraanja / naloge:

1. Za spodnjo spojino napiite razline tavtomerne oblike!

HNSH

OH

36

8. poglavje: Tipi organskih reakcij

Termodinamika reakcij

G=H-TS H entalpija (energija vezi) S entropija (red vs. nered)

Tipi reakcij

Adicija- hidracija dvojne vezi

H

H

+ OH2H

+

H

H

OH

H

Adicija- katalitsko hidrogeniranje

H

H

+ H2Pt

H

H

H

H

REAKTANT (I) PRODUKT (I)

REAKTANT (I) PRODUKT (I) INTERMEDIAT (I)

SUBSTITUCIJA ADICIJA

ELIMINACIJA

REDOKS PROCESI SINHRONE REAKCIJE (CIKLOADICIJE, PREMESTITVE)

37

Eliminacija z mono bazo

H

H

H

Br

NaOEtH

H- HBr

+ NaBr + HOEt

Eliminacija- dehidracija alkohola

H

H

OH

H

H3O+ H

H

+ OH2

Substitucija- fotokemino

HH

+ Br Brhv

HBr

+ HBr

Kombinacija- kondenzacija (adicija-substitucija)

CH3C

OH

O

+H

+

CH3C

O

O

CH3+ OH2OH CH3

Kombinacija- kondenzacija (aldolna kondenzacija)

CH3C

CH3

O

+CH3

CCH3

O

H+

CH3C C

CH3

CH3 O

+ OH2

Premestitev- Beckmannova premestitev

H3O+CH3

C

CH3

N

OH

O

C

CH3

N

H

CH3

Premestitev- pinakolna premestitev

H3O+

C C

OH OH

CH3 CH3

CH3CH3 CH3C

C

O

CH3

CH3

CH3+ OH2

Kinetski in termodinamski vpliv na potek reakcije: Termodinamsko kontrolirana reakcija- nastane bolj stabilen produkt (na stabilnost vplivajo resonanni, induktivni in sterini efekti).

Kinetsko kontrolirana reakcija- nastane hitreji produkt (tisti, ki hitreje nastaja).

38

+O

sobna temperatura O

H

H

ciklopentadien furan

izomerendo

80 C

+O

H

H

O

ciklopentadien furan

izomerekso

80 C

Ekso izomer je bolj stabilen, spodnja reakcija je TD kontrolirana. Reakcije so ponavadi TD kontrolirane, ko je razlika med aktivacijskima energijama za reakcijo v desno in levo majhna. Zato razlika v energiji produkta odloa o tipu produkta (v skladu z zakoni termodinamike). Reakcije so kinetsko kontrolirane, e je razlika med aktivacijskima energijama za reakcijo v desno in levo velika. V tem primeru ni ravnoteja, o tipu produkta pa odloa razlika v aktivacijski energiji.

39

Reaktant- spojina, ki vstopa v reakcijo Substrat- spojina, ki vstopa v reakcijo, ponavadi veja molekula Reagent- spojina, ki vstopa v reakcijo, ponavadi manja molekula Prehodno stanje- stanje reaktantov med zaetno in konno (ali vmesno) strukturo, ni dejanska spojina in ga ne moremo izolirati. Intermediat- vmesna, manj stabilna spojina, lahko ga izoliramo. Rate determining step- tista stopnja v vestopenjski reakciji, ki je najpoasneja in odloa o celotni hitrosti reakcije. Reaktivni intermediati

karbokation

karboanion

radikal

karben-singlet

karben triplet

-e

kation radikal

40

Mehanizem organske reakcije: natanen opis vseh sprememb reaktantov po stopnjah do produktov; opis toka elektronov. Zakaj tudirati mehanizem reakcije? Namesto da bi se uili na tisoe reakcij, se nauimo osnovne tipe mehanizmov in za novo reakcijo predvidevamo po kateri poti bo la. Smisel poznavanja mehanizmov reakcij je monost odgovoriti na 4 osnovna vpraanja:

Pri znanih reaktantih in reakcijskih pogojih, kakni bodo produkti? Pri znanih reaktantih in produktih, kakni reakcijski pogoji so ugodni za to pretvorbo? Pri znanem produktu in razlinih reaktantih, kateri reaktanti bodo dali eljen produkt? Kateri intermediati so prisotni in s kaknim tokom elektronov razloimo njihov nastanek in

pretvorbo v produkte? Organska sinteza: veja organske kemije, ki se ukvarja s problemi pridobitve eljene nove molekule iz enostavnejih, e znanih. Mehanistina organska kemija: tudij mehanizmov z metodami fizikalne in organske kemije. Retrosintetska analiza: zanemo z eljeno ciljno molekulo, ki jo razgrajujemo do enostavnih zaetnih molekul.

OHCH3CONH

FGI

OHNH2

(CH3CO)2O

FGI

OHNO2

NO2

Sn/HCl

OH N2+

NH2SO3H

NO2

H2SO4, SO3

KOH

segrevanje

H2O

vrenje HONO

-

-

Kakne reakcije lahko poteejo med dvema reaktantoma? Analiza strukture obeh reaktantov: kje so moni nukleofilni in kje elektrofilni napadi? Nukleofil reagira z elektrofilom in obratno.

41

Nukleofil: reagent, bogat z elektroni (nabit ali nenabit). Npr. OH-, OR-, OAr-, SH-, S2

-, RCOO-, CN-, X-, NH3, RNH2, R2NH, R3N, H2O, ROH, RSH, RCOOH, H2O2 Nukleofilnost ni direktno povezana z bazinostjo. Elektrofil: reagent, ki mu primanjkuje elektronov. Npr. karbokationi. Primer mehanizma: adicija amina na karbonilno skupino in sledea eliminacija klora.

C

O

ClN

H H

C2H5 C

O

NH C2H5

+

Amini so nukleofili (prost elektronski par na duiku!). Elektrofilni del v kislinskem kloridu je karbonilni ogljik (delno pozitiven naboj zaradi elektronegativnosti kisika).

NH H

C2H5

C

O

Cl C

O

ClN H

HC2H5

C

O

ClN H

HC2H5

C

O

NH

H C2H5Cl

ClC

O

NH

H C2H5

C

O

NH C2H5

H Cl

42

9. poglavje: Nukleofilne adicije na karbonilno skupino aldehidov in ketonov

C

O

H RC

O

R R Reaktivnost ketonov in aldehidov vs. derivatov karboksilne kisline.

C

O

R L

Karbonilne spojine so polarne.

C O

C O

CH3

CH3

CH3 C

H

O

= 2.84 D = 2.73 D

C O

C O

+ -

A B

Poleg nenasienih spojin z multiplimi vezmi ogljik-ogljik so nenasiene spojine s polarnimi dvojnimi vezmi ogljik-heteroatom najveja skupina organskih spojin, s katerimi potekajo adicije. Aldehidi in ketoni so industrijsko pomembne spojine, uporabljajo se kot zaetne spojine v sintezah in kot topila, npr. 2-propanon (aceton) in 2-butanon. Metanal (formaldehid) se uporablja za konzervacijo ivalskih tkiv, benzaldehid pa je sestavina mnogih naravnih materialov. Aldehidi in ketoni se pojavljajo tudi kot funkcionalne skupine tevilnih kompleksnejih biolokih spojin, npr. ogljikovih hidratov in steroidnih hormonov. Aldehidi in ketoni so na oksidacijski lestvici organskih spojin med alkoholi in karboksilnimi kislinami, kar pomeni da jih lahko pridobimo z oksidacijo alkoholov ali redukcijo kislin.

CHOHredukcija

C Ooksidacija

C

OH

O

(CH3)3C CH3 + Na2Cr2O7

CH3CO2H/H2O(CH3)3C O

4-tert-butilcikloheksanol natrijev dikromat 4-tert-butilcikloheksanon

43

+ CrO3ClCH2Cl2

CH3(CH2)5CH2OH piridin CH3(CH2)5C

H

O

heptanol piridinijev klorokromat heptanal

+ NaOClOH

CH3CO2H/H2O

O

ciklopentanol natrijev hipoklorid ciklopentanon Zaradi polarnosti karbonilne skupine sta moni tako nukleofilna kot elektrofilna adicija.

Nu:- + C O Nu C O -

(a)

E+ +C O

C O E+

C O E+

(b)

Ker elektronegativnost kisika olaja nukleofilni napad na ogljik, se veina reakcij tako zane, kona pa z abstrakcijo protona iz topila. V primeru kislinske katalize se najprej zgodi reakcija b:

H+ +C O

C O H+

C O H+

Nu: + Nu C O H

C O H+

C O H+

+

Induktivni in sterini faktorji pri adiciji na ketone/aldehide Aldehidna karbonilna skupina je bolj elektrofilna od ketonske. Vzrok je v rahlem pozitivnem induktivnem vplivu alkilnih skupin (v primerjavi z vodikom). Sterini vplivi so pomembneji pri ketonih. Nukleofil napade iz obeh strani enako verjetno, intermediat (sp3) pa je bolj sterino utesnjen pri ketonih.

44

Nu: - C O

+Nu: - C

O

R R

~120

CR R

Nu O

~109

-

trikotna tetraedrina

Reakcije nukleofilne adicije so torej hireje z aldehidi. Cianhidrinska reakcija- adicija HCN

C O + HCN C OH

CN

2-hidroksinitril (cianohidrin)

+CN- C OH3C

CN

H

H3C CO

H

-

Cianidni anion (nukleofil) se adira na karbonil, nastane alkoksid (mona baza).

C OH3C

CN

H

-+ HCN C OHH3C

CN

H

CN-+

Alkoksid abstrahira proton iz nove molekule HCN, nastane cianhidrin in nov anion. Cianohidrini v naravi

O

HOHO

CH2OH

OH

OO

HOHO

CH2

OH

O CHC6H5

CNO

HOHO

CO2H

OH

O CHC6H5

CN

amigdalin laetril Ogljikohidratni derivat benzaldehidnega cianohidrina v semenih marelice amigladin je prekurzor laetrila, protitumorne uinkovine.

C6H5CHOH

CNEncim

C6H5CHO + HCN Vrsta afrike stonoge se brani z izloanjem cianida. Skladii ga v obliki cianhidrina, ki ga ob nevarnosti encim pretvori nazaj v benzaldehid in sprosti se cianid.

45

Adicija drugih kislin

C O + HCl C OH

ClK

K>>1

Energetsko neugodna, produkta ne moremo izolirati. Razlog: entalpije (energije vezi). Adicija alkoholov Tvorba polacetalov ali polketalov. Tvorba acetalov ali ketalov.

C

O

H R

C

O

R R

R1 OH

C

OR1

OH

H

R

C

OR1

OH

R

R

POLACETAL

POLKETAL

R1 OHC

OR1

OR1

H

R

C

OR1

OR1

R

R

ACETAL

KETAL

C

O

H PrC OH

H

H

H

CPr

H

OH

OCH3+

butanal metanol 1-hidroksibutil metil eter

C

O

Me Et

C OH

H

H

H

CMe

Et

OH

OCH3+

2-butanon metanol 2-hidroksi-2-butil metil eter

46

Mehanizem reakcije

CH3CH2CH2CO

H+ H

CH3OH

CH3CH2CH2COH

H

CH3CH2CH2COH

H

+ CH3OH

CH3CH2CH2COH

H

CH3CH2CH2COH

H

CH3CH2CH2CHOH

HOCH3

1

2

A

B

CH3CH2CH2CHOH

OCH3

+ H

Adicija drugega mola alkohola vodi do acetalov in ketalov

CH3CH2CH OCH3

OH

+ H

CH3CH2CH OCH3

OH H

CH3CH2CH OCH3

OH2

CH3CH2CHO + CH3OH + H

CH3CH2CH OCH3

CH3CH2CH OCH3

+ H2O

propanalmetoksi-protoniran

hidroksi-protoniran

1-metoksi-1-propanol

(propanal-metanol hemiacetal)

CH3CH2CH OCH3

CH3CH2CH OCH3

+ CH3OH CH3CH2CH OCH3

OCH3H

CH3CH2CH OCH3

OCH3

+ H

1,1-dimetoksipropan

(propanal-metanol acetal)

Tvorba polacetalov in polketalov je energetsko neugodna, konstante ravnoteja so manj kot 1. Ciklini polacetali in polketali so bolj pogosti, konstante ravnoteja so vije zaradi entropijskega efekta. Primer: ogljikovi hidrati

47

HOCH2 CH CH CH CH CHO

OH OH OH OHO

H

HOHO

H H

CH2OH

OH

H

OH

H

Cikline polacetale ali cikline polketale lahko dobimo iz aldehidov in ketonov, ki imajo vezano OH skupino ali iz diolov.

(CH3)2CHCCH3

O

(CH3)2CHC OCH3

OH

CH3

+ CH3OHH

K < 1

3-metil-2- metanol 2-hidroksi-3-metil-2-butil metil eter butanon

HOCH2CH2CH2CHOH

O OH

K > 1

4-hidroksibutanal 2-hidroksioksaciklopentan (2-hidroksitetrahidrofuran)

O + HOCH2CH2OHH

O

O

+ H2O

Adicija vode

CH3CH

OH

OHCH3CO

H

+ H2O

etanal etan-1,1-diol hidrat Sintetsko ni pomembna reakcija, ravnoteje je pomaknjeno v levo za veino aldehidov in ketonov. Formalin: hidrat formaldehida (metanala)

HCO

H+ H2O

Kf

krC OHH

OH

H

Kf=2000

formaldehid metandiol

48

Adicija tiolov- tvorba tioacetalov in tioketalov

C6H5CH2CCH3

O

+ 2C2H5SHHCl

C6H5CH2C(SC2H5)2

CH3

+ H2O 1-fenil-2-propanon etantiol 2,2-dietiltio-1-fenilpropan (etil merkaptan) thioketal Reagirajo hitreje kot alkoholi, ker je veplo bolj nukleofilno kot kisik. Tioketali so dovolj stabilni za izolacijo. Iz ustreznih ditiolov lahko dobimo cikline produkte (analogno kot pri adiciji diolov).

CO H

HSCH2CH2CH2SH

S S

H+

+

Adicija hidrida na ketone in aldehide- redukcija do alkoholov Uporaba kovinskih hidridov- vodik s parom elektronov in negativnim nabojem. LiAlH4, NaBH4

H3Al H C

OLi

C O

H

Li AlH3 C O

H

AlH3Li

CHOAlH3Li + C O CHO 2AlH2Li

C O

CHO 3AlHLiC O

CHO 4Al-LiH3O

4 CHOH

Uporaba brezvodnega medija! LiAlH4 + 4H2O 4H2 + LiOH + Al(OH)3 Disproporcionacijske reakcije aldehidov (prenos hidrida z ogljika- Cannizzaro reakcija)

CO

HKOH

1) 60%KOH

2) H3O+

C6H5CH2OH C6H5COOH+ +2

49

HO + C6H5CO

HC6H5C H

O

OH

C6H5C H

O

OH

+ C6H5CO

HC6H5C

O

OH

+ C6H5CH2

O

C6H5CO

O

+ C6H5CH2OHH

C6H5CO2H+ C6H5CH2OH

Organokovinske spojine- ogljik kot nukleofil

- +

C M

Z vezavo kovine doseemo nukleofilni znaaj ogljika.

vez kovina-ogljik razlika v elektronegativnosti ionski karakter

C-K 1,8 51%

C-Na 1,7 47%

C-Li 1,6 43%

C-Mg 1,3 34%

C-Zn 0,9 18%

C-Cd 0,8 15%

C-Hg 0,6 9%

Priprava organokovinskih spojin-alkil ali aril halogenidi in kovina

C6H5Br + Mg C6H5MgBrEt2O

bromo- fenilmagnezijev benzen bromid

CH3CH2CH2CH2Cl + 2LiTHF

CH3CH2CH2CH2Li + LiCl 1-klorobutan butil litij

BrCH2CO2CH3 + ZnEt2O BrZnCH2CO2CH3

metilbromoacetat metil bromocink acetat (metil 2-bromoetanoat)

50

Organomagnezijevi halidi- Grignard-jevi reagenti RMgX Grignard-jeva reakcija z aldehidi in ketoni vodi do alkoholov in rezultira v tvorbi C-C vezi

CH3CH2MgBr

+ HCHO1) Et2O

2) H3OCH3CH2CH2OH

formaldehid 1-propanol

+ CH3CHO1) Et2O

2) H3OCH3CH2CHCH3

OH

acetaldehid 2-butanol

+ CH3CCH3

O1) Et2O

2) H3OCH3CH2C(CH3)2

OH

aceton 2-metil-2-butanol Mehanizem Grignard-jeve reakcije s keto skupino

C O + RMgX C O

R MgX

C OMgXR C OHRH3O

Magnezijev atom formira kompleks s karbonilnim kisikom in s tem povea elektrofilnost karbonilnega ogljika. Sledi napad nukleofilnega dela reagenta (ogljik!) na elektrofilni del keto skupine, t.j.ogljik, torej se tvori vez C-C. Po hidrolizi sledi tvorba alkohola. Adicija aminov na karbonilno skupino Adicija primarnih aminov- tvorba iminov.

+CH C O H2ONH2+ CH C N

Adicija sekundarnih aminov- tvorba enaminov.

CH C O NH+ CH C N + H2O

51

Nukleofilne adicije na analoge karbonilov Nukleofilna adicija na nitril

Nu + C N Nu C N

Nukleofilna adicija na imin

Nu + C N Nu C N

Aldolna kondenzacija

Reagirata dve karbonilni skupini (aldehid, keton) ena mora imeti na C atomu vodik.

Kot katalizator se najvekrat uporablja baza reakcija lahko poteka tudi v kislem mediju.

Reakcijo lahko razdelimo na tri osnovne stopnje: o Tvorba enolata

o Nukleofilna adicija

o Prenos H protona aldol

o Aldoli niso vedno konni produkti. Mnogokrat potee dehidracija v -nenasiene aldehide.

CH3

CCH2

O

H

OH

CH3

CCH2

O

CH3

CCH2

O

+ OH2

CH

O

CH3

CCH2

OC H

O

CH2 C

CH3

O

C H

O

CH2 C

CH3

O

H OH

C H

OH

CH C

CH3

O

H

C H

OH

CH C

CH3

O

H

OH

C H

OH

CH C

CH3

O

+ OH2

CHCH

CCH3

O

52

Reakcije aldehidov in ketonov povzetek Cianhidrinska reakcija

C

O

RC

OH

CNR+ HCN

Tvorba polacetalov in polketalov

C

O

RC

OH

OR'R+ R'OHH+ ali OH-

Tvorba acetalov in ketalov

C

O

R+ 2 R'OH C

OR'

OR'RH+

H2O+

Tvorba hidratov

C

O

RC

OH

OHR+

H+ ali OH-

H2O

Tvorba tioacetalov in tioketalov

C

O

R+ 2 R'SH C SR'R

SR'H+

H2O+

Tvorba alkoholov (redukcija) s prenosom hidrida

C

O

R+ LiAlH4 C

OH

HR

Tvorba alkoholov (redukcija) z dodatkom Grignard-jevega reagenta

C

O

R+ C

OH

R'RR'MgX

Tvorba iminov

C

O

R

R'NH2 CR N R'+ + H2O

53

10. poglavje: Nukleofilne substitucije na karbonilni skupini kislin in derivatov

R COH

O

R CNH2

O

R COR1

O

R CX

O

R C

O

O

S R

O

Substitucija vs. adicija

Nu + R CO

LR C

O

Nu+ L

Brez izstopajoe skupine

Nu + C

O

Nu C

OE

Nu C

OE

Z izstopajoo skupino

Nu + CL

OC L

O

Nu

CO

Nu+ L

54

Pri aldehidih bi moral izstopiti hidrid, pri ketonih pa alkil (pKa!)

Nu + CH

RO

C H

O

Nu

R R CO

Nu+ H

nefavorizirano

aldehid

Nu + CR R

O

C R

O

Nu

R R CO

Nu+ R

nefavorizirano

keton Izstopi Cl- (pKa!)

Nu + CCl

RO

C Cl

O

Nu

R R CO

Nu+ Cl

Reaktivnost karboksilnih kislin in derivatov za nukleofile Bolj stabilna izstopajoa skupina > bolj reaktivna spojina Kisik kot nukleofil- estri in karboksilne kisline

R COH

O

+ R1OH R CO

OR1+ H2O

Estrenje je ravnotena reakcija.

CH3CO2H + C2H5OHH

CH2CO2C2H5 + H2O

Mehanizem kislinsko kataliziranega estrenja

4

55

C6H5CO

OH+ H C6H5C

OH

OH

+ H2O C6H5CO

OCH3

+ H3OC6H5 C

OH

OCH3

CH3OH + C6H5COH

OHC6H5 C

OH

OH

OHCH3

A

C6H5 C

OH

OH2

OCH3

B

Sinteza estra z oznaenim alkoholom

C6H5CO

OH+ CH3

18OH H C6H5CO

18OCH3

+ H2O

Sterini vplivi na hitrost estrenja

CH3CO2H > (CH3CH2)2CHCO2H >CO2H

CH3

CH3

CH3 Veja sterina oviranost upoasni reakcijo Intramolekularno estrenje- tvorba laktonov (ciklinih estrov)

CO

OHHO

H+O O

Hidroliza estrov kislinska: H+ je katalizator bazina: OH- je reagent

CO

ORR' C

O

OHR' OR-+

56

Bazina hidroliza estrov se imenuje tudi saponifikacija. Mila Mila so natrijeve ali kalijeve soli dolgih karboksilnih kislin (trivialno ime: maobne kisline).

RCO2CH2

RCO2CH

RCO2CH2

+ 3NaOH H2O 3RCO2 Na +

CH2 OH

CH OH

CH2 OH

Milna micela

Hidrofilnost Lipofobnost

Hidrofobnost Lipofilnost

57

Kislinski kloridi- sinteza iz kislin

CO

OHR' C

O

ClR' +

SOCl2 SO2 HCl+

Reakcija kislinskega klorida in alkohola da ester.

CO

ORR'C

O

ClR' ROH

B+ BH Cl+ +

Hidroliza kislinskih kloridov in anhidridov Kislinski kloridi burno reagirajo z vodo, zato se morajo ustrezno shranjevati.

CO

OHR'C

O

ClR' H2O+ + HCl

Iz anhidridov po hidrolizi nastaneta dve molekuli kisline.

CO

OR'

CO

RH2O+ C

O

OHR' + R C

O

OH

Iz ciklinih anhidridov nastanejo di-karboksi kisline

H2O+O

O

O

HOOC COOH

Reakcija med tioli in kislinskimi kloridi vodi do tioestrov.

CO

SR'R +R C

O

ClR' SH HCl+

58

Reakcija med H2S in anhidridi pa vodi do tio kisline in karboksi kisline.

+

R

O

R

O

O

H2S

SH

R

O

OH

R

O

+

Reakcije z duikovimi nukleofili- sinteza amidov

R CL

O+ NH R C

N

O

+ HL

Mehanizem tvorbe kislinskih kloridov

R CO

OH+ SOCl2 R C

O

O

S Cl

O

+ HCl

Cl + R C

O

O

S Cl

O

R C O S

O

Cl

O

ClR C

Cl

O+ SO2 + Cl

Reaktivnost in medsebojne transformacije derivatov karboksilnih kislin

59

Sinteza amidov Iz kislinskih kloridov

R CO

ClR' NH2 R C

O

NHR'+ HCl+

Iz kislin

R CO

OHR' NH2 R C

O

O+ + R' NH3

R' NH3segr.

H2O-

R CO

OR C

O

NHR'

60

Sinteza najlona- reakcija med dikarboksi kislino in diaminom

O

OH

O

HOH2N

NH2

O

O

O

O

H3NNH3

O

NH

O

HONH

O O

NHNH2

n-1

n n+

segr.

-H2On

Laktami- ciklini amidi

O

OH

NH2

segr.

H2O-

N OMe

H

Duikovi analogi anhidridov- imidi

O

O

O

NH3

H2O

+ NH

O

O

anhidrid ftalne k. ftalimid

61

Reakcije kislin in derivatov-povzetek Sinteza estrov

R CO

OHR' OH R C

O

OR'+

R CO

Cl

R' OH+ R CO

OR'

+ H2O

R CO

O

CO

R

R' OH+ R CO

OR'R C

O

OH+

H+

H+

Sinteza tio kislin

R CO

Cl

+ H2S R CO

SH Sinteza tioestrov

R CO

Cl

R' SH R CO

SR'

+

Sinteza amidov

R CO

Cl+ R'NH R C

O

NHR'

R CO

O

CO

R

+ R'NH R CO

NHR'R C

O

OH+

Sinteza anhidridov

R CO

ClR' C

O

OH+

R CO

O

CO

R'

62

11. poglavje: Nukleofilne substitucije in eliminacije na sp3 C atomu

C L

Nu

R L L+R R Nu L+

Nu

R L R Nu L+

Monomolekularna vs. bimolekularna

C C

H

X

Nu

pocasna

stopnjaC C

H

Nu + X

C C

H

Xpocasna

stopnjaC C

H

+ X

hitra

stopnjaC C

H

NuC C

H

+ Nu

SN1 : unimolekularna nukleofilna substitucija Hitrost reakcije je odvisna le od koncetracije substrata.

C Cl

Me

Me

Me H2O+ C OH

Me

Me

Me HCl+

v= k1[Me3CCl]

SN1

SN2

63

C Cl

Me

Me

Me C

Me

Me

Me

C

Me

Me

Me OH2 C

Me

Me

Me OH2 C

Me

Me

Me OH-H

Energetski diagram

SN2: bimolekularna nukleofilna substitucija Hitrost reakcije je odvisna od koncetracije substrata in reagenta.

CH3CH2 Cl OH-

CH3CH2 OH Cl-+ +

v= k2[Et3Cl][OH

-]

64

Energetski diagram

Stereokemija SN2 Ohranitev konfiguracije

Nu :- + C L

Z

Y

X

C Nu

Z

Y

X

+ L :-

Inverzija konfiguracije

Nu :- + C L

Z

Y

X

CNu

Z

Y

X

+ L :-

Racemizacija

Nu :- + C L

Z

Y

X

CNu

Z

Y

X

+ L :-C Nu

Z

Y

X

+

Inverzija prevladuje. Prehodno stanje:

Nu :- + C L

Z

Y

X

CNu

Z

Y

X

+ L :-C

Z

Y XLNu

65

Stereokemija SN1 Intermediat je karbokation, ki je planaren. Zaradi geometrije intermediata dobimo veinoma racemat. Do delne inverzije lahko pride zaradi solvatacije karbokationov.

C6H5CHCH3

BrCH3OH

C6H5CHCH3

OCH3

1-bromo-1-feniletan 1-metoksi-1-feniletan (optino aktiven) (27 % inverzija, 73 % racemizacija)

C2H5OH/H2OCH3(CH2)4CHCH3

Br

CH3(CH2)4CHCH3

OC2H5

CH3(CH2)4CHCH3

OH

+ 2-bromoheptan 2-etoksiheptan 2-heptanol (optino aktiven) (74 % inverzija, (68 % inverzija, 26 % racemizacija) 32 % racemizacija)

Solvoliza: reakcija, pri kateri je nukleofil topilo. Pri simetrino solvatiranih karbokationih ne pride do stereospecifike.

C Br

p-ClC6H4

C6H5

H

+ CH3OHCH3OH

OH

CH3

OH

CH3C

H5C6 H

p-ClC6H4

simetricno solvatiran karbokation

CCH3O

p-ClC6H4

C6H5H

C CH3O

p-ClC6H4

C6H5H

+

(-H+)

racematni produkt Karbokationi s kratko ivljensko dobo so nesimetrino solvatirani, zato nukleofil laje napade iz ene strani. Posledica je inverzija konfiguracije.

66

C Br

CH3

nC5H11

H

CH3OHCH3OH

+ OH

CH3

C

HnC5H11

CH3

Br

nesimetricno solvatiran karbokation

(- H )

CH3O CCH3

nC5H11H

invertni produkt Vplivi na potek in hitrost SN reakcij Vpliv izstopajoe skupine: konjugirana baza moneje kisline je bolja izstopajoa skupina. Slaba izstopajoa skupina se lahko pretvori v dobro s protonacijo. Nukleofil: ne vpliva na hitrost reakcije SN1 (odloujo korak je tvorba karbokationa). Je izjemno pomemben pri SN2. Pri boljem nukleofilu so prosti elektroni laje dostopni; alkoholi so bolj nukleofilni kot fenoli (resonanna stabilizacija pri fenolih); duikov atom je bolj nukleofilen kot kisikov (je manj elektronegativen). Mesto substitucije: SN1- favorizirane na terciarnem ogljiku SN2- favorizirane na primarnem ogljiku Stabilnost karbokationov! Relativne hitrosti v odvisnosti od strukture substrata:

SN1

R k1 (rel.)

CH3 1

CH3CH2 1 RBr + H2O ROH

(CH3)2CH 12

(CH3)3C 1.200,000

SN2

R k1 (rel.)

CH3 30

R X + Nu R Nu

CH3CH2 1

RCH2CH2 0.4

(CH3)2CH 0.002

(CH3)3C 0.001

(CH3)3CCH2 0.00001

67

Vplivi topila Polarnost topila vpliva predvsem na SN1 reakcije, kjer je poasna stopnja tvorba karbokationa. Polarna topila stabilizirajo karbokation, zato pospeijo reakcijo. Primer: solvoliza 2-metil-2-bromopropana

Topilo rel. hitrost

100% H2O 1200

50% H2O, 50% EtOH 60

40% H2O, 60% EtOH 29

20% H2O, 80% EtOH 10

100% EtOH 1

SN1 vs. SN2 Reakcije potekajo velikokrat po vmesnem mehanizmu. SN1 in SN2 sta le opisa mejnih primerov. Substitucija vs. eliminacija

C C

H

X + Nu

C C

H

Nu + X

C C + NuH X+ e je nukleofil hkrati mona baza, lahko namesto substitucije potee eliminacija. 1,1-eliminacija- nastanek karbenov

CR

H

R

X R C

R

+ HX

1,2-eliminacija ( -eliminacija), 1,3-eliminacija ( -eliminacija ali cikloeliminacija)

R C C R

H X

H H

RCH CHR + HX

R C C C R

H H H

X H H

R R

68

Mehanizmi eliminacij: E2 (bimolekularna, enostopenjska)

R CH2 CHR1

X

+ B

HR

HR1

X

HB

RCH CH R1 + BH + X

E1 (monomolekularna, dvostopenjska)

RCH2CHR1

X

RCH2CHR1B

RCH CHR1 + BH

Reagenti in pogoji za prednostno usmerjanje reakcij

SN1 SN2 E1 E2

alkilhalogenid terc Me, prim, sek terc terc, sek

nukleofil ibek moan mona baza mona baza

Konc.nukl. nizka visoka nizka konc. baze visoka konc. baze

temperatura nija nija visoka visoka

topilo mono polarno ibko polarno ibko polarno ibko polarno

Stereokemijski potek eliminacij

Monih ve produktov, e je ve vodikovih atomov. Primer: eliminacija HBr iz 2-bromobutana

CH3CH2CHCH3

BrNaOEt/EtOH

CH3CH CHCH3 + CH3CH2CH CH2 2-bromobutan 2-buten 1-buten 81 % 19 % Nastanek bolj razvejanega (2-buten) alkena: orientacija po pravilu Zajceva (Saytzeff). Nastanek manj razvejanega (1-buten) alkena: orientacija po pravilu Hofmanna. Tvorba bolj razvejanega alkena (bolj stabilnega; po pravilu Zajceva) Pri E1 mehanizmu odloa o hitrosti reakcije tvorba karbokationa. Tvorba produkta je hitra in tvori se bolj stabilen produkt.

CH3CH2CH2CHCH3

BrKOEt/EtOH C

CH3CH2

HC

CH3

H+ +CCH3CH2

HC

H

CH3CH3CH2CH2CH CH2

2-bromopentan E-2-penten (trans) Z-2-penten (cis) 1-penten 51 % 18 % 31 %

69

(CH3)3CCH2CHOTs

CH3HOAc

70CC

(CH3)3C

HC

CH3

H+ C

(CH3)3C

HC

H

CH3+ (CH3)3CCH2CH CH2

4,4-dimetil-2- E-4-4-dimetil-2- Z-4-4-dimetil-2- 4-4-dimetil-1-penten pentiltosilat penten (trans) penten (cis) 75 % 1 % 24 %

CH3CH2C(CH3)2

BrC2H5OH

25CCH3CH C(CH3)2 + CH3CH2C CH2

CH3

2-bromo-2-metilbutan 2-metil-2-buten 2-metil-1-buten 80 % 20 % Tvorba manj razvejanega alkena (po pravilu Hofmanna)

Pri E2 eliminaciji baza laje abstrahira vodik z manj substituiranega ogljika (sterine interakcije).

CH3CH2CHCH3

N(CH3)3OH

CH3CH2CH CH2 + CH3CH CHCH3-

N,N,N-trimetil-2-butil- 1-buten 2-buten amonijev hidroksid 95 % 5 %

CH3CH2CHCH3

S(CH3)2Br

KOEt/EtOHCH3CH2CH CH2 + CH3CH CHCH3

dimetil-2-butilsulfonijev 1-buten 2-buten bromid 74 % 26 %

70

12. poglavje: Elektrofilne adicije na nenasienih C atomih

C CH

H

H

HCH3CH2OHH2O+

Pomembni elektrofili

HB C

C NO2 SO3

proton boran karbokation

karben nitronijev ion

veplov trioksid

Mehanizem AdE2

C CCH3

CH3

H

H

H Cl CH3 C

CH3

CH3 Cl+ +

CH3 C

CH3

CH3 Cl+ CH3 C

Cl

CH3

CH3

kinetika 2. reda v=k (CH3)2C=CH2 HCl e bi se nukleofil adiral na dvojno vez:

Nu:- + C C Nu C C:-

energetsko neugodno

Nu:- + C O Nu C O -

energetsko ugodno

71

Vpliv skupin ob dvojni vezi na hitrost reakcije

H2C CR

R*+ H2O

H+H3C C

OH

R

R*

R = CH3; R* = HR = R* = CH3

krel = 1,0

krel = 103

H2C C R + Br2

HOAcBrCH2 C

Br

R

R = HR = CH3R = CO2C2H5

krel = 1,0krel = 11

krel = 3 x 10-7

25 C

Regioselektivnost adicij

C C C + HX

C C C

X

H

C C C

H

X

C C C + HX

C C CH

X

C CH CX

Veinoma so popolnoma regiospecifine. Markovnikovo pravilo: proton (elektrofilni del reagenta) se adira na tisti ogljikov atom, ki e ima vezanih ve vodikov. Bolj splono: elektrofilni del reagenta se vee na dvojno vez tako, da nastane bolj stabilen karbokation.

H3C CH CH2 + HCl H3CCHCH3

Cl

72

CH3 + HI

CH3

I

H3C C CH + HCl H3CC

Cl

CH2

+ H2OH+

(H3C)2C CH2 (H3C)2C CH3

OH

Stereokemija adicije

E+ C C

Sin adicija: elektrofil in nukleofil se adirata iz iste strani.

C CZB

A Y

E+ Nu-

C CZBYA

NuE

Anti adicija: elektrofil in nukleofil se adirata iz nasprotnih strani.

C CZB

A Y

E+

C CBA

E ZY

Nu

Nu-

73

SEMINAR 1 tvorba vezi, IUPAC nomenklatura, izomerija organskih molekul 1. Razloite strukturo naslednjih spojin s hibridizacijo atomskih orbital (nariite)!

propan, buten, pentin, 3-metiloktan, etanol, metanal

2. Poimenujte naslednje spojine v skladu z IUPAC pravili!

a) b) c)

N

d)

e)

f)

O Cl

O

Br

Br

g)

h)

i)

OH

O

Br

OHOH

O

O O

3. Nariite formule naslednjih spojin!

a) 2-(N,N-dimetilamino)ciklopentanol b) metilfenilketon c) anhidrid propanojske kisline

d) ciklopropen e) 2,4-dibromo-5-metil heksan f) 3-fluorociklopenten

g) 3-metilbutan-2-on h) cikloheksil propanoat i) pentanoil bromid

4. Naslednje spojine nariite v Newmanovi projekciji!

NH2

Br

Et

Me

OHCl

SHBr

Et

FCl

Me

74

5. Naslednje spojine nariite v palini projekciji!

MeMe

H

Cl

Et

Br

MeCl

F

H

Ph

H

6. Poimenujte spojine v skladu z IUPAC nomenklaturo (cis, trans, Z, E)!

a) b) c)

C C

Cl

HH

Cl

C C

H

ClH

Cl

C C

H

HCl

Cl

d) e) f)

C C

CH3

BrF

Cl

C C

Br

CH3F

Cl

C C

Br

HF

Cl

75

SEMINAR 2 stereokemija, resonanca in vplivi skupin, kislost in bazinost, tavtomerija 1. Doloite absolutne konfiguracije kiralnih centrov v naslednjih spojinah!

Me Et

Ph H

Ph H

Me Et

Br

F

H

I H Ph

Et Me

Me Et

Br Ph

H Et

Ph Br

Et H

F NH2

Et Me

Cl Ph

CN Cl

I Ph

Et

F

Me

Cl

I

Ph

HO

F

Cl Et Cl Et

HMe

Et Cl Cl Et

HEt

H

Cl OH

OH

CH3

F

F

Cl OH

OH

CH3

F

H

Cl OH

OH

H

Cl

H

Cl OH

Cl

H

OH

H Cl

MeEt H

FH Cl

MeF H

EtH Me

ClF H

Et

2. Napiite razline resonanne strukture in jih razvrstite po prispevku k resonannemu hibridu!

O

NO2

O

NO2

OMe

O

OH

O

H2N OH

O

76

3. Razvrstite glede na kislost oz. bazinost ter napiite priblino pKa vrednosti! Razvrstitev

utemeljite!

OH

NO2

OH OH

NO2

NO2O2N

OH

NO2

OH

OMe

OH

Et

NN

H

CH3COOHCF3COOH

NH3 EtNH2CH2ClCOOH

4. Napiite razline tavtomerne oblike!

OMe

O

OH

O

H2N OH

O

HNCOOH

HNCOOH

OH

COOH

OH

H2N

77

SEMINAR 3 Tipi organskih reakcij, Nukleofilne adicije na karbonilno skupino aldehidov in ketonov, Nukleofilne substitucije na karbonilni skupini kislin in derivatov, Nukleofilne substitucije in eliminacije na sp3 C atomu, Elektrofilne adicije na nenasienih C atomih

1. Napii produkte naslednjih reakcij s HCl in Br2!. Napii mehanizem 2. primera!

Me

Me

Me

Me

Me

Cl

Me Cl

Br

I

I

Cl

Br

Cl

NO2

2. Napii prevladujo tip mehanizma in produkt za naslednje reakcije!

produkt tip mehanizma

A

C

Me

Me

ClMe0.5M NaOH

B

Pr Cl

Me Et0.5M NaOH

C H3CCl

0.5M NaOH

78

D

H Cl

Me Et0.5M NaOH

E

C

Me

Me

ClMe3M NaOH

3. Napiite strukture spojin A, B in C!

O

O

O

CH3OH+ ASOCl2

BCH3NH2

C

79

4. Napii produkte naslednjih reakcij. Napii mehanizem 2. in 6. primera!

OMeOH, H+

O PhMgBr,H3O+

OH3O

+

OH

OMeOH, H+

OH

ONaOHaq

OEt

ONaOHaq

5. Iz katerih ketonov/aldehidov ter Grignardevih reagentov dobimo sledee produkte?

OH

Et

OH

Et

OH

Ph

OHOH

80

6. Napii produkte naslednjih reakcij!

O

HOCH2CH2CH2OH

O

HSCH2CH2CH2OH

O

HSCH2CH2CH2SH

O

HOCH2CH2OH