Štěpení epoxidů pomocí silných nukleofilů

Epoxidy mají mnoho kruhového nebo úhlového pnutí, a jsou tedy značně náchylné k reakcím otevírajícím kruh. V tomto videu se podíváme na reakce epoxidů se silnými nukleofily. V prvním kroku tedy přidáme k epoxidu silný nukleofil. V druhém kroku přidáme nějaký zdroj protonů. Při reakci se otevře kruh epoxidu a nukleofil se naváže do polohy anti vzhledem k nově vzniklé OH skupině. Z pohledu regiochemie se nukleofil naváže na nejméně substituovaný uhlík. Naváže se tedy na tento uhlík. Pokud se podíváme zpět na epoxid vlevo, je to tento uhlík. A tento uhlík je navázaný na další dva uhlíky, takže je to sekundární uhlík, kdežto na uhlík vpravo se vážou další tři uhlíky, a je to tedy terciární uhlík. Tato reakce poběží SN2 mechanismem, což znamená že náš silný nukleofil zaútočí na stericky nejpřístupnější uhlík, což je ten vlevo, protože vodík zabírá méně místa než objemná R skupina tady vpravo. Tolik z pohledu regioselektvity. Z pohledu stereochemie je to otevírání kruhu v poloze anti následované anti-adicí nukleofilu. To může ovlivnit chirální centra molekuly, což později uvidíme na příkladech. Podíváme se na nějaké příklady silných nukleofilů. Může to být například alkoxidový anion, tedy něco takového. Mohli byste použít Grignardovo činidlo, které jak víme je zdrojem karbaniotů. To je uhlík se záporným nábojem, jako je tento. A nemusíte zapisovat Grignardovo činidlo jako tady. Můžete napsat jen RMgBr. Hydrid sám o sobě není silný nukleofil, ale pokud hydridový anion pochází z něčeho jako lithium aluminium hydrid, tak potom jako silný nukleofil funguje. Ukážeme si tedy, že tento hydrid pochází z lithium aluminium hydridu. V tomto případě bude mít hliník formální náboj –1. A lithium tedy bude mít formální náboj +1. Lithium aluminium hydrid je zdroj silného nukleofilu. Jde jen o to, že samotný hydridový ion není zrovna silný nukleofil. Potom můžeme mít třeba něco jako hydrogensulfidový anion, který také funguje jako silný nukleofil. Podívejme se na mechanismus reakce vzniku alkoholů. Opět začínáme epoxidem. Použiji stejný epoxid jako předtím. Takže tady bude R' a tady R'' směřující dozadu, vodík mířící směrem dopředu a R skupina směřující dozadu. Pokud se podíváme na rozdíly v elektronegativitě, víme, že kyslík má vyšší elektronegativitu než například tento uhlík. Tento kyslík si k sobě přitáhne elektrony z vazby mezi ním a tímto uhlíkem, což mu dá částečný záporný náboj. A protože je elektronová hustota dále od tohoto uhlíku, dostane parciální kladný náboj. Tento uhlík bude tedy působit jako elektrofil. Když se přiblíží nukleofil, bude mít volný elektronový pár a formální náboj –1. Nukleofil má dvě možnosti. Může napadnout uhlík vlevo nebo vpravo. A protože je to silný nukleofil, který upřednostňuje mechanismus SN2, zaútočí na uhlík vlevo. Uhlík vlevo je totiž prostorově nejpřístupnější. Vodík na něm není tak velký jako nějaká alkylová skupina, která je na uhlíku vpravo. Nukleofil tedy zaútočí na elektrofil. V tom okamžiku se přesunou dva elektrony a připojí se na kyslík. Můžeme si tedy nakreslit produkt této reakce nukleofilu. Nyní jsme rozpojili epoxidový kruh a na kyslíku máme jeden volný elektronový pár navíc, což mu dává formální náboj –1. Tyto R skupiny na uhlíku vpravo se nezměnily. Přidali jsme ten nukleofil, nějak takto. To nám zvedne vodík z roviny nahoru. A pak je tam ještě alkylová skupina R. Nukleofil bude tedy útočit zespodu, protože kyslík je nahoře a nukleofil bude útočit na stéricky nejméně bráněný uhlík. Ve výsledku jsou nukleofil a kyslík proti sobě. V druhém kroku přidáme zdroj protonů, tedy třeba vodu. A dostaneme acidobazickou reakci, kde alkoxid vezme z vody proton, což tyto elektrony pošle na tento kyslík. A vznikne finální produkt, alkohol. Máme tu tedy alkohol. A R skupiny jsou opět nedotčené. Máme tu R' a R''. Nukleofil je navázán a vodík byl vytlačen nad rovinu. R skupina pořád zůstává vzadu. To je tedy mechanismus pro SN2 reakci. Vyřešíme teď příklad, kde hraje roli stereochemie, abychom se podívali, jak mechanismus reakce ovlivní stereochemii výsledného produktu. Pro začátek nakreslím epoxid směřující v prostoru přímo na mě. Na tomto horním uhlíku budu mít methylovou skupinu mířící ode mě. Toto je tedy můj reaktant. Použiju ethoxid sodný, který nakreslím sem. Jako rozpouštědlo použijeme ethanol. Když se podíváme na tento epoxid, je trochu obtížné vidět jeho stereochemii. Překreslíme si tedy tuto molekulu a podíváme se na ni z jiného úhlu. Pokud se na tento epoxid podívám z jiné perspektivy, dívám se na něj svrchu mírně dolů. Epoxidová skupina bude mířit mírně nahoru. Pak tu byl tento uhlík a na něm methyl směřující pod rovinu kruhu. A tento uhlík vlevo má na sobě vodík. Můj první krok bude identifikovat nukleofil, což bude samozřejmě ethoxidový anion. Můžu ho sem tedy nakreslit. Dále se zamyslíme nad tím, na které místo nukleofil zaútočí. Vím, že tento kyslík nahoře bude mít parciální záporný náboj, protože má vyšší elektronegativitu než uhlíky. Mám tedy dvě možnosti. Může to být uhlík vlevo nebo vpravo. Pokud vezmu v úvahu, že reakce se silným nukleofilem běží podle SN2 mechanismu, nukleofil napadne nejpřístupnější uhlík, což bude ten vlevo, a bude mít parciální kladný náboj. Nukleofil zaútočí na tento uhlík, což přemístí tyto elektrony na kyslík. Můžu nakreslit výsledek tohoto přesunu. Uhlíkový kruh zůstává, ale otevřel se kruh epoxidu. A nyní je tato vazba směrem ke kyslíku, který má tři volné elektronové páry a formální náboj –1. Zůstává tu také methylová skupina na tomto uhlíku mířící dolů. Nukleofil se navázal na tento uhlík. Nakreslím tedy kyslík a potom ethyl. Vodík byl vytlačen směrem vzhůru. V průběhu reakce byl tento pod rovinu směřující vodík vytlačen nahoru. Nyní tedy na tomto uhlíku míří vodík směrem nahoru. V posledním kroku budeme protonovat alkoxid. Volný elektronový pár vezme proton z ethanolu, což způsobí přesun těchto elektronů sem, a vytvoří se finální produkt, alkohol. Teď mám tedy v produktu skupinu OH a zůstává tu methyl mířící dolů. A tady máme kyslík a ethyl. Produkt nakreslený jako elektronový strukturní vzorec bude vypadat asi takto. Když se na něj podívám shora směrem dolů, můžu nakreslit, co vidím, Nakreslím kruh. Na tomto uhlíku je OH skupina vystupující směrem ke mně. Znázorním to pomocí plného klínku. Pak je tu methylová skupina mířící ode mě na tomto uhlíku. Tato methylová skupina míří pryč od mě. Znázorním to pomocí přerušovaného klínku. Na druhém uhlíku máme kyslík a ethyl, které směřují pryč ode mě. Nakreslím je tedy opět čárkovaně směrem ode mě. Je to tato část molekuly. Toto je finální produkt reakce. Podíváme se, co se stalo s prostorovým uspořádáním. Začneme tady na horním uhlíku. Tento uhlík nahoře měl methylovou skupinu, která mířila dozadu, a kyslík, který směřoval dopředu. Pokud se podíváme sem, uspořádání zůstalo stejné. Methylová skupina jde od nás a kyslík míří směrem k nám. Absolutní konfigurace na tomto uhlíku zůstala tedy stejná. Podívejme se na ten druhý, spodní, uhlík. Na molekule vlevo má kyslík mířící směrem k nám. Na molekule vpravo je tam kyslík mířící směrem od nás. V tomto případě vidíme, že se konfigurace převrátila. Tady došlo z pohledu stereochemie k převrácení konfigurace. Plný klínek se změnil na přerušovaný. Tato změna je důsledkem mechanismu reakce. Nukleofil atakoval chirální centrum, na kterém došlo k převrácení konfigurace. Uděláme ještě jeden příklad pro reakci silného nukleofilu s epoxidem. Tentokrát použijeme jako výchozí látku Grignardovo činidlo. Začneme s fenylmagnesiumbromidem. Ten jsme si již připravili předem. V prvním kroku přidáme ethylenoxid, nejjednodušší epoxid. V druhém kroku přidáme hydroxoniové kationty, H₃O⁺. To bude náš zdroj protonů. Zdroj protonů ale musíme přidat až v druhém kroku, nelze přidávat oba reagenty současně, protože by proběhla acidobazická reakce Grignardova činidla s H₃O⁺ ionty. Fenylmagnesiumbromid můžeme nakreslit takto, nebo ho překreslím, aby byl zřetelnější karbanion. Co se děje s elektrony ve vazbě uhlík-hořčík? Uhlík má vyšší elektronegativitu než hořčík. Můžeme si tedy ty dva elektrony představit na uhlíku, což uhlíku dá formální náboj –1. Teď tedy máme karbanion a pak je tu MgBr⁺. To bude náš nukleofil. Potom je tu ethylenoxid, to je stejná situace. Kyslík je elektronegativnější než uhlík, bude mít parciální záporný náboj a tyto uhlíky, které jsou symetrické, budou mít částečný kladný náboj. Tyto modré elektrony budou nukleofil. Atakují elektrofil a vystrčí tyto elektrony pryč. Zakreslím produkt nukleofilního ataku. Tady je kruh. A výsledkem bude takovýto alkoxid. Zvýrazním ty modré elektrony. Tyto elektrony vytvořily novou vazbu uhlík-uhlík. Modré elektrony vytvořily novou vazbu uhlík-uhlík, proto jsou organokovové sloučeniny tak užitečné. Můžete s jejich pomocí vytvářet nové vazby uhlík-uhlík. Tyto dva uhlíky vpravo, tento a tento uhlík přišly z ethylenoxidu. V posledním kroku dojde k acidobazické reakci. Tento alkoxid vezme proton od H₃O⁺ v druhém kroku. Volný pár elektronů vezme proton a vystrčí tyto elektrony pryč. Nakreslím produkt reakce. Opět začnu kruhem. Alkoxid se naprotonoval a vytvořil alkohol. Ten alkohol se bude jmenovat… Toto je uhlík 1, toto uhlík 2. Mám tu fenyl navázaný na ethanol, takže to bude 2-fenylethanol. Jméno tohoto produktu je 2-fenylethanol. Ten je znám tím, že je součástí růžového oleje. Tato molekula tedy voní jako růže a používá se při výrobě parfémů. Toto je jeden ze způsobů jak 2-fenylethanol připravit. Těch způsobů je více. Ale chemie parfémů je podle mě velice zajímavá.