Synteza - Zakład Chemii Organicznej

BI
OT
H N O
E C
L
OG
CHEMIA
ORGANICZNA
IA
Synteza
1. Substytucja nukleofilowa we fluorowcopochodnych
1a) Etery dialkilowe można otrzymywać w reakcji pierwszorzędowych fluorowcopochodnych
z ALKOHOLANAMI. Jest to reakcja Williamsona.
OR
R1 CH2 X
R1 CH2 OR
Etery alkilowo-arylowe można otrzymać w analogicznej reakcji pierwszo- i drugorzędowych
fruorowcopochodnych z FENOLANAMI
OAr
R1 CH2 X
R1 CH2 OAr
OAr
R1 CH X
R1 CH OAr
R2
R2
Obie reakcje są reakcjami substytucji SN2.
1b)
Etery dialkilowe otrzymuje się także w reakcji drugo- i trzeciorzędowych
fluorowcopochodnych oraz pierwszorzędowych fluorowcopochodnych
typu allilowego lub
benzylowego z ALKOHOLAMI. Jest to niestereospecyficzna substytucja SN1
H
R1
H
H
R1
ROH
C
R1
+
C OR
X
RO C
R2
R2
R2
Analogiczna reakcja z fenolami nie przebiega z uwagi na znacznie mniejszą nukleofilowość fenoli w
porównaniu z alkoholami.
2. Otrzymywanie eterów metylowych
2a) Etery metylowe można otrzymywać w reakcji alkoholi lub fenoli z siarczanem dimetylu w
środowisku zasadowym.
R OH
(CH3)2SO4
R OCH3
Ar
OH
(CH3)2SO4
Ar
OCH3
OH
OH
2b) Etery metylowo-arylowe można także otrzymywać w reakcji fenoli z DIAZOMETANEM
CH2N 2
Ar OCH3
Ar OH
CH2
N
N
CH2
DIAZOMETAN
N
N
OT
BI
H N O
E C
L
OG
CHEMIA
ORGANICZNA
IA
Własności chemiczne
Rozpad pod wpływem jodowodoru
Etery DIALKILOWE
I
R1
H
O
H
R1
kation oksoniowy
H
H
I
H
H
O
I
R2
O
R2
R1
+
O
R1
R2
R1
kation oksoniowy
H
I
R1
I
+
O
R2
H
H
O
R2
H
kation oksoniowy
R2
I
Etery ALKILOWO-ARYLOWE
H
H
Ar
H
O
R2
I
O
Ar
R2
kation oksoniowy
O
Ar
+
R2
I
BI
OT
H N O
E C
L
OG
CHEMIA
ORGANICZNA
IA
Synteza
1. Substytucja nukleofilowa we fluorowcopochodnych
Nitrozwązki ALIFATYCZNE (pierwszo- i drugorzędowe) otrzymuje się z odpowiednich
fluorowcopochodnych w reakcji z azotynami litowców lub azotynem srebra. W reakcji tej – oprócz
nitrozwiązków – tworzą się jako produkty uboczne, azotyny organiczne.
O
O
R X
0
0
R - alkil 1 , 2
+
R
N
O
N
+
O
NITROZWIĄZEK
R NO2
R O N
O
AZOTYN
(prod. uboczny)
Trzeciorzędowe nitrozwiązki alifatyczne otrzymuje się przez utlenianie odpowiednich amin
pierwszorzędowych
2. Reakcja nitrowania węglowodorów aromatycznych
Nitrozwiązki AROMATYCZNE otrzymuje się w reakcji elektrofilowego nitrowania
węglowodorów aromatycznych lub ich pochodnych.
HNO 3
Ar NO2
Ar H
H2SO 4
BI
OT
H N O
E C
L
OG
CHEMIA
ORGANICZNA
IA
Własności chemiczne
1. C–H kwasowość (kwasowość atomów wodoru przy węglu )
Nitrozwązki ALIFATYCZNE zawierające atomy wodoru przy węglu  (atom węgla związany z
atomem azotu grupy nitrowej).wykazują własności kwasowe. (C–H kwasowość – kwasowość wiązania
C–H ). Przejawem tych własności jest fakt rozpuszczalności nitrozwiązków I-rz i II-rz. w roztworze
NaOH.
R1
R
C
R1
O
N
+
NaOH
R
N
C
O
H
R1
O
R
C
O
Na
N
O
+
H2O
O
pKa większości nitrozwiązków nitrowych mieści się w zakresie 7 – 11. :
H
H C
H
NO2
CH3
H
CH3
NO2
C
CH3
C
NO2
H
nitrometan
H
nitroetan
H
2-nitropropan
pKa = 10,2
pKa = 8,5
pKa = 7,8
C
NO2
H
fenylonitrometan
pKa = 8,2
Jeżeli przy tym samym atomie węgla występują dwie albo trzy grupy nitrowe kwasowość
wodoru związanego z tym atomem węgla odpowiednio wzrasta
H
H
NO2
C NO2
C NO2
H
NO2
dinitrometan
NO2
trinitrometan
pKa = 3,6
pKa = 1
C–H kwasowość nitrozwiązków I-rz i II-rz można wyjaśniać dwojako:
a) Większą polaryzacją wiązania C-H w nitrozwiązkach spowodowaną indukcyjnym wpływem grupy
nitrowej.
R1
R
C
H
O
N
O
b)
Rezonansową stabilizacją anionu wynikającą z możliwości delokalizacji ładunku ujemnego na
grupę nitrową
R1
R
C
R1
O
N
R
C
O
N
O
O
NITROZWIĄZKI rozpuszczają się w wodnym roztworze NaOH
(są zatem mocniejszymi kwasami od wody i alkoholi)
Reakcja rozpuszczalności w stężonym, wodnym roztworze NaOH może być wykorzystywana w
chemii analitycznej (jako tzw. reakcja probówkowa) do szybkiego odróżniania ntrozwiążków I- i IIrzędowych od nitrozwiązków III-rzędowych. Efektem wizualnym w tej reakcji jest rozpuszczanie się
związku organicznego w fazie wodnej (roztwór NaOH). Przykładowo: dwa izomery:
CH3
CH2 NO2
NO2
p-nitrotoluen
fenylonitrometan
różnią się tym, że pierwszy z nich rozpuszcza się w wodnym roztworze NaOH, zaś drugi z nich
pozostaje w tym roztworze nierozpuszczalny.
Po zakwaszeniu soli nitrozwiązku często wytrąca się tautomer nitrozwiązku (tzw. FORMA „aci”),
który dopiero po pewnym czasie izomeryzuje tworząc wyjściowy nitrozwiązek.
R1
R
C
R1
O
N
R
C
O
H
N
O
Na
R1
R
C
R1
O H
R
N
O
O
forma "aci"
nitrozwiązku
(tautomer)
C
O
N
O
H
NITROZWIĄZEK
Nitrozwiązki są natomiast słabszymi kwasami od kwasu węglowego – kwas węglowy wypiera
nitrozwiązki z ich soli. Jeżeli zatem przepuści się strumień CO2 przez klarowny roztwór soli
nitrozwiązku w wodzie, wówczas wystąpi zmętnienie spowodowane wydzielaniem się
nierozpuszczalnego w wodzie nitrozwiązku lub wypadaniem formy aci.
R1
R
C
R1
O
N
R
C
O
+
N
O
mocniejsza
ZASADA
R1
O
CO2 + H2O
mocniejszy
KWAS
HCO3
słabsza
ZASADA
+
R
C
O
N
H
słabszy
KWAS
O
2.
Redukcja związków nitrowych
Nitrozwiązki można redukować do amin I-rzędowych za pomocą:
a) wodoru wobec katalizatora (np. Pt, Pd, Ni)
b) metali (np. Sn, Zn, Fe) i kwasu solnego
c) LiAlH4 (tylko nitrozwiązki alifatyczne)
d) wielosiarczków
W praktyce laboratoryjnej najczęściej stosuje się redukcję za pomocą metali i kwasu solnego:
R NO2
Sn / HCl
R NH2
R - alkil lub aryl
Redukcja biegnie poprzez następujące związki pośrednie (nitrozozwiązek oraz pochodną
hydroksyloaminy):
W przypadku redukcji NITROBENZENU reakcja przebiega następująco
O
C6H5
N
O
H
N
C6H5
H
O
H
C6H5 NH OH
fenylohydroksyloamina
nitrozobenzen
NITROBENZEN
C6H5 NH2
ANILINA
Gdy redukcja przebiega w środowisku zasadowym, pośrednie produkty reakcji mogą kondensować
ze sobą tworząc kolejno: azoksybenzen, azobenzen a następnie hydrazobenzen, który z kolei ulega
redukcji do aniliny.
O
NO +
NHOH
N N
H
azoksybenzen
H
N N
NH NH
azobenzen
hydrazobenzen
H
anilina
NH2
Gdy nitrozwiązek zawiera DWIE grupy nitrowe jedną z nich można redukować SELEKTYWNIE
za pomocą wielosiarczku sodu.
NH2
NO2
Na2S n
NO2
m-dinitrobenzen
NO2
m-nitroanilina
Reakcja ta jest ważna z punktu widzenia syntezy organicznej ponieważ grupę aminową można
wymieniać (poprzez sole DIAZONIOWE) na wiele innych grup funkcyjnych. Tak więc w mnitroanilinie można wymienić grupę aminową na inną, a następnie zredukować grupę nitrową i
ponownie wymienić otrzymaną grupę aminową (w ten sposób można otrzymywać cały szereg mdipodstawionych pochodnych benzenu niemożliwych do otrzymania na innej drodze – np. mfluorojodobenzen)
N2
N2
NH2
NaNO2, HCl
NO2
m-nitroanilina
Cl
o
0C
F
NaBF4
BF4
T
NO2
NO2
NO2
Sn, HCl
F
F
F
KI
I
m-fluorojodobenzen
Cl
N2
NaNO2, HCl
0oC
NH2
BI
OT
H N O
E C
L
OG
CHEMIA
ORGANICZNA
IA
Synteza
TIOLE
1.
Reakcja fluorowcopochodnych pierwszo- I drugorzędowych
z wodoro-siarczkami metali alkalicznych (substytucja nukleofilowa SN2)
NaSH
R1 X
R SH
o
o
1 lub 2
2. Redukcja sulfochlorków
Sulfochlorki aromatyczne ulegają redukcji cynkiem w kwasie solnym z utworzeniem TIOLI
O
Ar
Zn / HCl
S Cl
Ar
SH
TIOFENOL
O
3. Addycja siarkowodoru do alkenów zawierających IV-rz atom
węgla sp2
Addycja przebiega zgodnie z regułą Markownikowa I otrzymuje się tiole III-rzędowe
R1
R
C
CH2
H2S
R1
R
C
CH3
SH
SULFIDY
W reakcji tiolanów z fluorowcopochodnymi
o
o
1 lub 2
R1 X
NaOH
R SH
R SNa
R S
R1
SULFID
SULFOTLENKI i SULFONY
W reakcji utleniania sulfidów
R S
R1
O
H2O2
R S
H2O2
R1
O
R S
R1
O
SULFOTLENEK
SULFID
SULFON
KWASY SULFONOWE
1. Sulfonowanie ARENÓW
Ar-H
H2SO4
Ar SO3H
2. Utlenianie tioli
R SH
KMnO4
O
R S OH
O
KWAS SULFONOWY
BI
OT
H N O
E C
L
OG
CHEMIA
ORGANICZNA
IA
Własności chemiczne
TIOLE
1. Kwasowość tioli alifatycznych jest WIĘKSZA od kwasowości alkoholi
a kwasowość tiofenoli jest WIĘKSZA niż kwasowość fenoli
Wyjaśnia się to większą długością i mniejszą energią wiązania S–H w stosunku do wiązania
O–H. Wiązanie S–H jest słabsze, ponieważ jest tworzone przez orbitale trzeciej powłoki elektronowej
Wartości pKa
R
tiol
R-SH
H
metyl
etyl
propyl
butyl
t-butyl
fenyl
7,0
10,3
10,6
10,6
10,6
11,1
6,6
alkohol (fenol)
R-OH
15,7
15,5
16
16,1
16,3
18
9,95
Ta duża różnica kwasowości tioli i alkoholi oraz tioli i wody oznacza, że równowagi:
R SH
+
R SH
mocniejszy
KWAS
OH
mocniejsza
ZASADA
mocniejszy
KWAS
+
OR1
mocniejsza
ZASADA
R S
+
słabsza
ZASADA
R S
słabsza
ZASADA
H2O
słabszy
KWAS
+
R1OH
słabszy
KWAS
są zdecydowanie przesunięte w prawo (mocniejszy kwas wypiera słabszy i mocniejsza zasada
wypiera słabszą). Chemiczna konsekwencja tego faktu jest następująca:
TIOLE rozpuszczają się w wodnym roztworze NaOH
oraz wypierają alkohole z ich soli (alkoholanów)
Reakcja rozpuszczalności w wodnym roztworze NaOH może być wykorzystywana jako tzw. reakcja
probówkowa do szybkiego odróżniania alkoholi od tioli. Efektem wizualnym w tej reakcji jest
rozpuszczanie się związku organicznego w fazie wodnej (roztwór NaOH). Przykładowo: dwa izomery:
CH3O CH2CH2CH2 SH
CH3S CH2CH2CH2 OH
3-metoksypropano-1-tiol
3-(metylotio)propan-1-ol
Różnią się tym, że pierwszy z nich rozpuszcza się w wodnym roztworze NaOH, zaś drugi z nich
pozostaje nierozpuszczalny.
Uwaga! Nie ma potrzeby stosowania tej metody do odróżniania prostych tioli od prostych alkoholi z
uwagi na drastyczną różnicę w zapachu obydwu związków.
Tiole są natomiast słabszymi kwasami od kwasu węglowego – kwas węglowy wypiera tiole z ich
soli. Jeżeli zatem przepuści się strumień CO2 przez klarowny roztwór alkilotiolanu sodu w wodzie,
wówczas wystąpi zmętnienie spowodowane wydzielaniem się nierozpuszczalnego w wodzie tiolu.
R S
CO2 + H2O
+
mocniejsza
ZASADA
HCO3
słabsza
ZASADA
mocniejszy
KWAS
+
R SH
słabszy
KWAS
TIOLE
jako mocniejsze kwasy od alkoholi ulegają tym wszystkim kwasowym reakcjom,
którym ulegają ALKOHOLE – reagują zatem z sodem z wydzieleniem wodoru, rozkładają
acetylenki, wodorek sodu, amidek sodu oraz związki lito- i magnezoorganiczne
2. Zasadowość
Tiole są znacznie słabszymi zasadami od alkoholi i pozostają nierozpuszczalne w wodnym
roztworze kwasu (nie ulegają protonowaniu)
3. Reakcje z kwasami halogenowodorowymi,
chlorkiem tionylu,
halogenkami fosforu oraz z bromem lub jodem w obecności fosforu nie
przebiegają, z powodu bardzo niskiej zasadowości tioli (tiole nie ulegają protonowaniu).
4. Utlenianie
W reakcjach utleniania tiole zachowują się różnie w zależności (między innymi) od czynnika
utleniającego
4a Utlenianie za pomocą łagodnych utleniaczy (np. tlen atmosferyczny)
W reakcjach tych powstaje MOSTEK DISIARCZKOWY. Tworzą się DISULFIDY
R SH
O2
R S
S R
DISULFID
Reakcje te mają ważne znaczenie biologiczne
4b Utlenianie za pomocą mocnych utleniaczy
W reakcjach tych tworzą się KWASY SULFONOWE
R SH
KMnO4
O
R S OH
O
KWAS SULFONOWY
5. Tworzenie SULFIDÓW (w reakcji tiolanów z fluorowcopochodnymi)
o
o
1 lub 2
R1 X
NaOH
R SH
R S
R SNa
R1
SULFID
SULFIDY
1. Utlenianie
Sulfidy pod wpływem utleniaczy przechodzą w SULFOTLENKI a następnie w SULFONY
R S
R1
O
H2O2
R S
O
H2O2
R1
R S
R1
O
SULFOTLENEK
SULFID
SULFON
2. Tworzenie soli sulfoniowych
Sulfidy reagują z fluorowcopochodnymi tworząc SOLE SULFONIOWE
o
o
1 lub 2
R2 X
R S
R1
R2
R S
R1
X
SULFID
SOLE SULFONIOWE
KWASY SULFONOWE
Wszystkie kwasy sulfonowe są bardzo dobrze ROZPUSZCZALNE w wodzie
1. Kwasowość tioli alifatycznych jest WIĘKSZA od kwasowości alkoholi
a kwasowość tiofenoli jest WIĘKSZA niż kwasowość fenoli
Kwasy sulfonowe są BARDZO MOCNYMI KWASAMI (kwasowość porównywalna z
kwasowością kwasów mineralnych). Można ją uzasadniać silną polaryzacją wiązania tlen-wodór (w
grupie sulfonowej) lub dużą trwałością tworzącego się mezomerycznego anionu. PKa kwasów
sulfonowych lokuje się w granicach: od 1 do -3.
Kwas BENZENOSULFONOWY
Kwas METANOSULFONOWY
O
CH3
S OH
O
pKa = – 2,6
O
C6H5
S OH
O
pKa = 0,7
2. Tworzenie sulfochlorków
Kwasu sulfonowe w reakcji z PCl5 tworzą SULFOCHLORKI
O
O
PCl5
R S
R S OH
Cl
O
O
R SO2Cl
R SO3H
Chlorek alkano- lub arenosulfonylu
Chlorki kwasów arenosulfonowych można także otrzymywać bezpośrednio z arenów w reakcji
CHLOROSULFONOWANIA
SO2Cl
HSO3Cl
kwas
chlorosulfonowy
CHLOREK BENZENOSULFONYLU
3. Tworzenie ESTRÓW (sulfonianów)
Estry kwasów sulfonowych otrzymuje się w reakcji benzenosulfochlorków z alkoholami (w
obecności aminy trzeciorzędowej, która wiąże wydzielający się chlorowodór)
O
R1
O
OH
R S OR1
R S Cl
O
O
4. Tworzenie SULFONAMIDÓW
Sulfochlorki reagują bardzo latwo z amoniakiem oraz aminami (Irz lub IIrz) tworząc
SULFONAMIDY
O
R1
R S Cl
NH2
O
R S NHR1
O
O
SULFONAMID
Sulfonamidy są ważnymi lekami przeciwbakteryjnymi
5. Redukcja sulfochlorków aromatycznych do TIOLI
Sulfochlorki aromatyczne ulegają redukcji cynkiem w kwasie solnym z utworzeniem TIOLI
O
Ar
S Cl
O
Zn / HCl
Ar
SH
TIOFENOL