Příprava alkoholů s pomocí NaBH4

Než se dostaneme k přípravě alkoholů s použitím borohydridu sodného, podívejme se na několik dalších způsobů, jak vyrobit alkoholy, se kterými jsme se už setkali v předchozích videích. Například bychom mohli udělat alkoholy z alkenů. OH skupinu můžeme navázat ve smyslu Markovnikovova pravidla, nebo ji můžeme navázat proti Markovnikovovu pravidlu. To je jeden ze způsobů, jak připravit alkohol. Můžeme to také udělat z alkylhalogenidů. Tento způsob může probíhat mechanismem SN1 nebo SN2. A ještě jsme nemluvili o přípravě alkoholů z karbonylových sloučenin. To jde mnoha způsoby. Můžeme použít tetrahydridoboritan sodný, NABH₄, to si ukážeme v tomto videu. V dalším videu si povíme o tom, jak použít tetrahydridohlinitan lithný, tedy LiAlH4. Také lze použít organokovy, například Grignardova činidla. To sem taky napíšeme a v budoucnu na to budeme mít také video. Teď máme čas jen na tetrahydridoboritan sodný. Podívejme se na obecnou reakci přípravy alkoholů s použitím tetrahydridoboritanu sodného. Jak vidíte tady nalevo, začínáme s aldehydem nebo ketonem, Na karbonyl je buď připojen vodík, nebo R'. Přidáme tetrahydridoboritan sodný a potom zdroj protonu, to může být téměř cokoli. H⁺ bude fungovat. Dojde ke vzniku primárního, nebo sekundárního alkoholu, v závislosti na výchozích látkách. Tohle bude primární nebo sekundární alkohol. Podívejme se mechanismus přípravy alkoholů s použitím tetrahydridoboritanu sodného. Začneme s ketonem a ukážeme si reakci. Máme tu karbonyl, doplníme nevazebné alektronové páry a sem dáme R', abychom dostali keton. A přijde tetrahydridoboritan sodný. Nakreslíme si sem jeho strukturu. Na⁺, má kladný náboj. Potom je tu bor navázaný na 4 vodíky a ten má záporný náboj −1. To si taky nakreslíme. Mechanismus, který si teď ukážeme, je zjednodušený. Skutečný mechanismus je o něco komplikovanější, ale tenhle bude stačit. Ukážeme si zjednodušenou verzi. Nejdříve se musíme zastavit u karbonylu. Tento uhlík je dvojnou vazbou navázanou na kyslík. Uhlík a kyslík mají rozdílnou elektronegativitu. Jde o tenhle uhlík a tenhle kyslík. Kyslík je elektronegativnější, to znamená, že elektrony této dvojné vazby jsou posunuté blíž ke kyslíku. A díky tomu má kyslík parciální záporný náboj, Tady je vyšší elektronová hustota. Oproti tomu uhlík některé své elektrony ztrácí. Je částečně kladně nabitý. Pokud je uhlík částečně kladně nabitý, je v roli elektrofilu. Chce elektrony. Kde můžeme sehnat elektrony? Můžeme je vzít odsud. Dva elektrony z vodíku se přesunou sem a napadnou tento uhlík. To je nukleofilní část naší molekuly. Na uhlíku by však bylo moc vazeb, takže jedna z těchto pí vazeb přeskočí na kyslík. Přibudou tu dva elektrony. Nakreslíme si výsledek nukleofilního útoku. Máme tu R, uhlík a tady R'. Kyslík měl dva volné elektronové páry a získal jeden navíc, dohromady to jsou tři. Je na něm tedy záporný náboj −1. Přidali jsme sem vodík. Označíme si barevně některé elektrony, abychom viděli, kam který šel. Vodík a dva elektrony v této vazbě se stali tímto vodíkem a těmito elektrony. Tetrahydridoboritan sodný je vlastně zdrojem hydridových aniontů. Hydridový anion je vodík s dvěma elektrony a formálním záporným nábojem −1. Takhle musíme nad těmito činidly přemýšlet. Hydrid není nejlepším nukleofilem, protože není dostatečně polarizovatelný. Takhle malý atom nepůsobí sám o sobě jako dobrý nukleofil. Tohle je samozřejmě velmi zjednodušená verze. V dalším kroku našeho mechanismu se dostaneme k acidobazické reakci. Okolo plavou protony. Přidali jsme do roztoku nějaké H⁺, volný elektronový pár si vzal proton a jsme hotovi. Nakreslíme si produkt. Tím je tento alkohol. Nakreslíme si sem volné elektronové páry. Na tomto uhlíku je jen jeden vodík. Pokud začneme s ketonem, dostaneme sekundární alkohol, Zkusíme si nějakou konkrétní reakci. Začneme s vanilinem. Vanilin je molekula, která krásně voní. Pokud se podíváme na strukturu vanilinu, najdeme tu aldehydovou skupinu na aromatickém kruhu. Jsou tu i další funkční skupiny. Nakreslíme si sem zbytek molekuly vanilinu. V prvním kroku přidáme tetrahydridoboritan sodný a až zreaguje, přidáme zdroj protonů. HCl v této reakci funguje velmi dobře, máme tak zdroj H⁺. Když se v testu snažíme přijít na produkt reakce, není nutné psát ani ten zjednodušený mechanismus. Můžeme předstírat, že hydridový ion se bude chovat jako nukleofil, přestože jsme si ujasnili, že to tak úplně není. Máme tu hydridový nukleofil. Ten zaútočí na tenhle uhlík. To je uhlík karbonylu. Bude částečně kladně nabitý. Tyto elektrony přeskočí sem na kyslík. Nakreslíme si meziprodukt reakce. Máme tu benzenové jádro. Přidáme sem ostatní funkční skupiny, které se neúčastní reakce. Nakreslíme si to sem. Jeden vodík už je na tento uhlík navázán, takže k němu jen přidáme další vodík. Dále tu máme kyslík se třemi volnými elektronovými páry, které mu dávají záporný formální náboj o velikosti −1. Když přidáme zdroj protonů, volný elektronový pár si vezme tyto protony a vznikne alkohol. Nakreslíme sem produkt. Znovu tu máme OH na aromatickém kruhu. Máme tuto část molekuly s etherem. Potom je tu alkohol. Tato molekula má podobnou strukturu jako vanilin a také krásně vanilkově voní. Je to velmi příjemné. Toto je velmi hezká laboratorní práce z organické chemie. Zkusíme identifikovat tento alkohol jako primární, sekundární nebo terciární. Pamatujeme si, že se podíváme na uhlík, který je přímo navázaný na OH skupinu. To je tenhle uhlík. Podíváme se, ke kolika uhlíkům je připojený. Je navázaný na jeden další uhlík. Tohle je příklad primárního alkoholu. Začneme s aldehydem, stejně jako jsme to udělali tady... tohle je náš aldehyd... jako produkt dostaneme primární alkohol. Uděláme ještě jeden. Tentokrát zkusíme keton. Nakreslíme si tu keton. Uděláme cyklohexanon. Tohle je náš keton. Přidáme k němu tetrahydridoboritan sodný - NaBH₄ a methanol. To uděláme najednou v jednom kroku. Znovu se budeme na hydridoboritan sodný dívat jako na zdroj hydridových aniontů. Přestože toto není přesný mechanismus, je to naše zjednodušená verze. Když budete psát test, toto je ten nejsnazší způsob. Zautočí na uhlík, tyto elektrony přeskočí na kyslík. Zde máme meziprodukty. Nakreslíme si je. Útokem hydridového aniontu dojde k tvorbě nové vazby k uhlíku, který býval karbonylem. Nyní má tento kyslík tři volné elektronové páry a záporný formální náboj −1. Vezme si proton z methanolu, který je teď zdrojem protonů. A tady si nakreslíme konečný produkt. Vodík si tu necháme, za chvíli uvidíte proč. Potom tu máme OH. Vytvoříme cyklohexanol jako produkt. Tohle je redukční reakce. Redukujeme tuto molekulu na alkohol. Nyní si proto určíme oxidační stavy jednotlivých molekul v reakci. Tím si potvrdíme, že se jedná o redukci. Jen si sem překreslíme keton ze začátku, tentokrát vyznačíme i nějaké atomy. Překreslíme si sem výchozí keton a produkt. Dáme sem uhlíky, přidali jsme vodík a vytvořili jsme alkohol. Zamyslíme se teď nad oxidačními čísly. Když určujeme oxidační čísla, musíme sem nakreslit elektrony. Dokreslíme sem elektrony. Vzpomeneme si, jak jsme to dělali v předchozích videích. Musíme znát hodnoty elektronegativit. Máme 4 elektrony mezi uhlíkem a kyslíkem, přičemž kyslík je elektronegativnější, takže dostane všechny tyto elektrony. Uhlík bojuje s uhlíkem o tyhle dva elektrony. Mají samozřejmě shodnou elektronegativitu, protože se jedná o stejný prvek. Každý uhlík dostane jeden elektron. Stejnou věc uděláme tady. Při výpočtu oxidačních čísel píšeme počet valenčních elektronů, které má uhlík normálně, to jsou samozřejmě 4. Od toho odečteme počet elektronů v okolí atomu. Oxidační číslo je +2. Nalevo má uhlík oxidační číslo +2. A co napravo? Nakreslíme si sem elektrony. Každá vazba se skládá ze dvou elektronů. Vyznačíme si je sem, dva elektrony do každé vazby. Znovu se podíváme na rozdíl elektronegativit. Uhlík proti uhlíku je remíza, můžeme si to zvýraznit takhle. Uhlík proti kyslíku, kyslík je elektronegativnější, takže si vezme elektrony k sobě. Uhlík proti vodíku, uhlík je o něco elektronegativnější, takže tyto dva elektrony si k sobě přitáhne uhlík. Uhlík má běžně 4. Tady má kolem sebe uhlík 4 elektrony, takže oxidační číslo tohoto uhlíku je 0. Jak se tedy změnilo oxidační číslo? Začali jsme s oxidačním číslem +2 a toto číslo se zmenšilo na 0. Jde o redukci. Můžeme použít několik různých definic. Redukce může být snížení oxidačního čísla, redukce oxidačního čísla. Nebo na ní můžeme koukat jako na získávání elektronů. Uhlík si tu vzal dva elektrony. A nebo to můžeme vzít tak, že uhlík ztratil jednu vazbu na kyslík. Tady nalevo měl dvě vazby na kyslík. Napravo už má uhlík jen jednu vazbu na kyslík a vytvořila se vazba s vodíkem. Zvýšil se počet vazeb k vodíku a snížil se počet vazeb ke kyslíku, to je další ze způsobů, jak definovat redukci. Určení oxidačních je asi nejlepší způsob. V dalším videu se podíváme, jak připravit alkoholy s použitím tetrahydridohlinitanu lithného, který je velmi podobný tetrahydridoboritanu sodnému.