Tvorba halohydrinu

Zde je uvedená obecná reakční cesta vzniku halogenhydrinu z alkenu. Začneme tímto alkenem vlevo a přidáme k němu halogen a vodu. Vidíme, že hydroxyl a halogen jsou ve vzájemné anti poloze. Anti znamená, že substituenty jsou na opačných stranách od původní dvojné vazby. Mechanismus této reakce začíná stejně jako mechanismus halogenace. Máme halogen, který se přibližuje k alkenu. Jak víme z předchozích videí, halogen je nepolární, protože tyto dva atomy mají zcela stejnou elektronegativitu. Takže tyto modré elektrony se přitahují se stejnou sílou ke každému z těchto dvou atomů. Nicméně pokud se pí elektrony alkenu dostanou do těsné blízkosti s těmito modrými elektrony, může v molekule halogenu dojít ke vzniku indukovaného dipólu. Tyto modré elektrony jsou odpuzovány purpurovými elektrony, a tím jsou tlačeny nahoru směrem od dvojné vazby. Tímto horní halogen získává částečný záporný náboj, dolní halogen má proto částečný kladný náboj. Dolní halogen je teď elektrofilem, a proto chce elektrony. Může získat elektrony ze dvojné vazby, které provedou nukleofilní atak tohoto částečné kladně nabitého atomu. Tento volný elektronový pár vytváří vazbu s tímto uhlíkem a zároveň s tím tyto modré elektrony se přesunou na halogen. Když nakreslíme výsledek těchto elektronových pohybů, získáme novou vazbu mezi uhlíkem a halogenem, což znázorňují purpurové elektrony. Máme zde tu novou vazbu. Předtím jsme používali červené elektrony pro znázornění elektronů, které vytváří tuto novou vazbu s uhlíkem. Tento halogen má dva volné elektronové páry, a proto má formální náboj plus jedna. Tohle jsme v předchozím videu nazývali cyklickým haloniovým iontem. V tomto cyklickém haloniovém iontu je atom halogenu velmi elektronegativní. Tento halogen bude přitahovat purpurové elektrony směrem k sobě. Tím přitáhne k sebe část elektronové hustoty tohoto uhlíku dolů vpravo. Proto bude tento uhlík částečně kladně nabitý. Bude mít částečný charakter karbokationtu. V dalším kroku reakčního mechanismu přichází voda. Voda působí jako nukleofil. Jeden volný elektronový pár na kyslíku provede nukleofilní atak na elektrofil, kterým je tento uhlík. Po ataku uhlíku volným elektronovým párem kyslíku dochází k přenosu purpurových elektronů na halogen. Pojďme nakreslit produkt reakce. Vlevo máme uhlík, dále je tu halogen, který původně měl dva volné elektronové páry a pak získal třetí purpurový. Vpravo máme uhlík, vázaný na všechno, s čím měl vazbu předtím, a má i novou vazby s tím, co původně bylo molekulou vody. Kyslík má vazbu s uhlíkem, dvě vazby s vodíky a volný elektronový pár. Proto na kyslíku je formální kladný náboj plus jedna. Zvýrazníme tyto elektrony modrou barvou. Modré elektrony jsou ty, které vytvořily vazbu mezi kyslíkem a uhlíkem. Je to téměř hotové. Posledním krokem je acidobazická reakce. Přijde další molekula vody a jeden z volných elektronových párů bude působit jako báze a přijme proton. Proto ty dva elektrony zůstanou na kyslíku. Mechanismus je dokončen. Získali jsme halogenhydrin. Halogen je situován na jedné straně, hydroxylová skupina je na opačné straně. Pojďme dál a vyzkoušíme jeden příklad, abychom mohli procvičit stereochemii. Začneme tímto alkenem a k tomuto alkenu přidáme brom a vodu. Budeme zde uvažovat dvě různé reakční cesty. Začneme reakční cestou vlevo. Přidáváme brom a vodu. Pak se vrátíme a uděláme druhou reakční cestu vpravo. Znovu brom a voda. V prvním případě provedeme tvorbu bromoniového iontu. Podíváme se na tuto molekulu seshora. Bromoniový ion bude vypadat takto. Brom se bude vázat na dvojnou vazbu shora. Na tomto bromu budou dva volné elektronové páry. Proto má atom bromu formální kladný náboj plus jedna. Podíváme se na tento modrý uhlík, který je zde. Methylová skupina na tomto uhlíku bude směřovat v prostoru dolů. Po adici bromu vzniká tento intermediát. Teď nastane reakce s vodou, která je nukleofilem. Píši sem H₂O. Který ze dvou uhlíků bude atakovat kyslík? Máme zde dvě možnosti. Kyslík může atakovat uhlík vlevo, nebo může atakovat uhlík vpravo. Je prokázáno, že kyslík bude atakovat nejvíce substituovaný atom. Podíváme se na uhlík vlevo a řekneme, o jaký druh karbokationtů se jedná? Tento uhlík je vázán se dvěma dalšími uhlíky, proto nám připomíná sekundární karbokation, nebo má částečný charakter karbokationtu. Takže to můžeme považovat za částečný sekundární karbokation, kdyby tento uhlík byl částečně kladně nabitý. Nebo se můžeme podívat na tento červený uhlík. Když se na to podíváme jako na karbokation, tak je vázaný s jedna, dvěma, třemi jinými uhlíky. Tohle je jako terciární karbokation. Víme, že terciární karbokationty jsou stabilnější než sekundární. I když to není úplný karbokation, tak tento červený uhlík vykazuje větší karbokationtový charakter. V tento okamžik nastane nukleofilní atak vodou. Nukleofil atakuje elektrofil. Proto dochází k ataku na červeném uhlíku vpravo, protože tento uhlík vykazuje podobnost s terciárním karbokationtem. Jelikož dochází k ataku na uhlíku vpravo, elektrony přestoupí na atom bromu. Nakreslíme výsledek tohoto nukleofilního ataku. Co jsme tím získali? Nejprve nakreslíme kruh. Atom bromu bude navázán na uhlík vlevo a má teď tři volné elektronové páry. Methylová skupina, která původně byla dolů vzhledem k rovině kruhu, bude zvednuta nahoru v důsledku nukleofilního ataku vody na tento uhlík. Methylová skupina se otočila nahoru a kyslík se váže na tento uhlík. Pořád máme dva vodíky na kyslíku a jeden volný elektronový pár, proto je na kyslíku formální náboj plus jedna. Zvýrazníme tyto elektrony. Nakreslím je modrou barvou. Tyto elektrony vytvořily tuhle novou vazbu. Vrátíme se zpět a budeme uvažovat tvorbu tohoto cyklického bromoniového iontu jiným způsobem. Vlevo jsem ukazoval případ, když se brom váže seshora. Ve výchozím alkenu zároveň může docházet ke tvorbě bromoniového iontu pod rovinou kruhu. Pojďme nakreslit vpravo výsledek této reakce . Zde je druhý možný bromoniový anion. A tentokrát atom bromu bude vytvářet vazbu pod rovinou cyklohexanového kruhu. Tím získá dva volné elektronové páry a formální náboj plus jedna. Řeknu, že tohle bude náš uhlík s methylovou skupinou. Nakreslíme i methylovou skupinu. Udělám to takhle. Zde je CH₃. A teď si položíme otázku, z jaké strany bude probíhat nukleofilní atak vody? Je to stejný princip s porovnáním uhlíků na každé straně. Podíváme se na tento a na tento uhlík. Tento uhlík vpravo bude nejvíc stabilním částečným karbokationtem. Nakreslíme částečný karbokation. Tento karbokation bude nejstabilnějším. To je místo, kde dojde k nukleofilnímu ataku. Tyto volné elektronové páry kyslíku budou atakovat tento uhlík a tyto elektrony přejdou na atom bromu. Nakreslíme výsledek tohoto nukleofilního ataku. Podíváme se, co tím získáme. Máme cyklohexanový kruh. Zde máme vazbu s kyslíkem, který pořád má na sebe dva vodíky. Dále ten kyslík má jeden volný elektronový pár, díky čemuž má náboj plus jedna. Nukleofilní atak vede k vytlačení methylové skupiny směrem dolů. Methylová skupina je teď směrem dolů vzhledem k rovině kruhu. Na tomto uhlíku je methyl dolů, atom bromu proto zůstane na uhlíku vlevo. Tohle je nová poloha atomu bromu. Teď nastává poslední krok. V posledním kroku u obou kyslíku dojde ke ztratě protonu. Tohle je acidobazická reakce. Ukažme to na příkladu vody. K molekule vlevo se přiblíží voda a přijme na sebe proton. Tyto elektrony přejdou na kyslík, a tím jsme získali finální produkt. Pro kreslení produktu se podíváme dolů. Na tohle se budeme dívat jako na horní uhlík. Na tomto uhlíku máme methylovou skupinu nahoru. Po ztrátě protonu tento modrý uhlík bude mít methylovou skupinu nahoru vzhledem k rovině kruhu. Dále budeme mít hydroxylovou skupinu dolů. Takže nakreslíme toto OH, směřující v prostoru od nás. Zbude nám atom bromu. Tento brom bude v prostoru směřovat k nám. Nakreslím to směrem k nám. Tohle je jeden z možných produktů reakce. Vpravo také nakreslíme finální produkt. Uděláme to stejným způsobem. Podíváme se na produkt shora dolů. Tento uhlík bude horním uhlíkem. Nakreslíme cyklohexanový kruh. OH skupina po ztratě protonu bude směřovat na nás. Vedle můžu nakreslit molekulu vody a ukázat poslední krok mechanismu. Volný elektronový pár vody přijme proton, a tím získáme OH skupinu, směřující v prostoru na nás. Proto methylová skupina bude v prostoru směřovat od nás. Nakreslím methylovou skupinu od nás. A atom bromu bude také směřovat od nás. Získali jsme dva různé produkty reakce a můžeme je porovnat. Vidíme, že to jsou enantiomery. Jsou to různé molekuly. Můžeme se rychle podívat na jejích absolutní konfigurace. Zde máme uhlík směřující k nám a kyslík směřující od nás. Vpravo to máme obráceně. Kyslík tentokrát směřuje k nám, uhlík směřuje od nás. Vlevo bude atom bromu směřovat k nám, vpravo bude atom bromu směřovat od nás. Vidíme, že máme odlišné absolutní konfigurace na obou stereogenních centrech. A proto jsou tyto dvě molekuly enantiomery.