Substytucje Nukleofilowe w Pochodnych Karbonylowych

RJC
1
Substytucje Nukleofilowe
w Pochodnych Karbonylowych
O
O
+ Nu
C
R
Y
R C
Nu
O
Y
+
C
R
Y
Nu
Slides 1 to 21
RJC
Addycje vs Podstawienia
2
Ładunek δ zlokalizowany na atomie węgla grupy
karbonylowej powoduje, Ŝe atak nukleofila moŜe
doprowadzić do utworzenia produktu addycji lub
substytucji.
+
Oδ
-
O
subn
Cδ
+
C
R
Nu
addn
R
OH
R C
X
Nu
Nu
X
RJC
Podstawienie (substytucja)
3
JeŜeli grupa Y jest dobrą grupą odchodzącą, to
preferowane jest powstawanie produktu substytucji.
O
O
+ Nu
C
R
Y
R C
Nu
O
Y
+
C
R
Nu
Y
RJC
Diagram Energetyczny Reakcji
4
Podstawienie przy grupie karbonylowej jest
reakcją dwuetapową.
O
R C
Energia
O
Nu
C
R
Y
Postęp reakcji
O
Y
C
R
Nu
RJC
Etap określający szybkość reakcji
5
...addycja cząsteczki Nu zazwyczaj określa
szybkość reakcji; niemniej, odejście grupy Y moŜe
równieŜ wyznaczać najwolniejszy etap reakcji.
-Y
Energia
+Nu
Postęp reakcji
Stan równowagi
RJC
6
Stan równowagi jest określony przez róŜnicę
o
względnych energii produktów oraz substratów, ∆G .
Energia
O
O
∆Go
C
R
Y
Postęp reakcji
C
R
Nu
RJC
7
Czynniki określające moŜliwość
ataku nukleofilowego
Dwa czynniki mające zasadnicze znaczenie dla
ataku nukleofila Nu to:
Oddziaływania steryczne (przestrzenne)
Czynniki elektronowe (elektroujemność)
RJC
8
Czynniki steryczne (przestrzenne)
Sterycznie zatłoczone (wysoce podstawione)
związki karbonylowe są mniej podatne na atak
odczynnika nukleofilowego Nu.
O
(CH3)3CCCl
O
(CH3)2CHCCl
O
CH3CH2CCl
wzrastająca reaktywność
O
CH3CCl
RJC
9
Czynniki elektronowe (elektroujemność)
Im większy ładunek δ+ na karbonylowym atomie
węgla, tym bardziej jest on podatny na atak
odczynnika nukleofilowego Nu.
CH3
O
O
O
C
C
C
NH2
acetamid
CH3
OH
kwas octowy
wzrastająca reaktywność
CH3
Cl
chlorek acetylu
RJC
Otrzymywanie chlorków kwasowych
10
Kwasy karboksylowe reagują z chlorkiem tionylu
(SOCl2) dając chlorki kwasowe (COCl).
O
C
R
O
+ SOCl2
OH
+ SO2 + HCl
C
R
Cl
RJC
11
Wykorzystanie chlorków kwasowych
Chlorki kwasowe są niezwykle uŜytecznymi
odczynnikami, które łatwo ulegają reakcjom
prowadzącym do...
Kwasów
Estrów
Amidów
RJC
Otrzymywanie kwasów karboksylowych
z chlorków kwasowych
12
Hydroliza chlorku kwasowego (COCl) (przy
uŜyciu wody H2O) prowadzi do regeneracji kwasu
karboksylowego (CO2H).
O
C
R
O
••
+
Cl
H2O
+
C
••
R
OH
HCl
RJC
Otrzymywanie estrów z chlorków kwasowych
13
Reakcje chlorków kwasowych (COCl) z
alkoholami (ROH) prowadzą do estrów (CO2R).
O
C
R
O
••
+
Cl
ROH
+
C
••
R
OR
HCl
RJC
Niemniej ... najwaŜniejsza metoda
otrzymywania estrów to …
14
reakcje kwasów karboksylowych (CO2H) z alkoholami
(ROH) w obecności katalizatora kwasowego.
••
OH
OH
ROH
O
••
C
R
C
OH
R
C
OH
R
+
OR
H2O
RJC
15
Stan równowagi w reakcji estryfikacji
Równowaga pomiędzy estrem (CO2R) i kwasem
karboksylowym (CO2H), w warunkach katalizy
kwasowej, zaleŜy od względnych stęŜeń alkoholu
[ROH] oraz wody [H2O].
••
OH
OH
ROH
••
C
R
C
••
OH
HOH
••
R
OR
RJC
Otrzymywanie amidów z chlorków
kwasowych
16
Amidy I-rzędowe (CONH2) moŜna łatwo otrzymać
w reakcji chlorków kwasowych (COCl) z
amoniakiem (NH3).
O
C
R
O
••
+
Cl
NH3
C
R
+
NH2
HCl
RJC
17
Otrzymywanie amidów bezpośrednio z kwasów
Reakcja kwasu karboksylowego (CO2H) z
amoniakiem (NH3) nie prowadzi bezpośrednio do
amidu (CONH2) z powodu konkurencyjnej reakcji
kwas-zasada.
O
C
R
O
••
+
OH
NH3
C
R
O
NH4
RJC
Otrzymywanie amidów z estrów
18
Amidy I-rzędowe (CONH2) moŜna otrzymać na
drodze reakcji estrów (CO2R) z amoniakiem (NH3)
(tzw. aminoliza estrów).
O
C
R
O
••
+
OR
NH3
+
C
R
NH2
ROH
RJC
19
Zasadowa hydroliza estrów/amidów/chlorków
kwasowych
Hydroliza pochodnych kwasowych COX (gdzie X
= OR, NH2 lub Cl) w środowisku zasadowym
(zmydlanie) i następne zakwaszenie roztworu
prowadzą do odpowiedniego kwasu
karboksylowego (CO2H). Zasadowa hydroliza
pochodnych kwasowych jest nieodwracalna !
O
O
+
C
R
X
HO
+
C
R
OH
HX
RJC
Kwasowa hydroliza
estrów/amidów/chlorków kwasowych
20
Hydroliza pochodnych kwasowych COX
(gdzie X = OR, NH2 lub Cl) w środowisku
kwasowym prowadzi bezpośrednio do
odpowiedniego kwasu karboksylowego (CO2H).
Jest to reakcja odwracalna !
R
OH
OH
C
C
X
R
O
H2O
C
X
R
+
OH
HX
RJC
Podsumowanie
21
Podstawienie nukleofilowe przy grupie C=O
Etap określający szybkość reakcji i równowagi
Szybkość reakcji : czynniki steryczne vs czynniki
elektronowe
Chlorki kwasowe
Kwasy
Amidy
Estry
Hydroliza : zasadowa (zmydlanie) vs kwasowa