Hydrogenace alkenů

K hydrogenaci alkenu potřebujeme plynný vodík a kov jako katalyzátor, například platinu, palladium nebo nikl. Můžeme použít i mnoho dalších, ale tyto jsou nejčastěji používané. Dojde k tomu, že tyto dva vodíky... Plynný vodík se naváže na dvojnou vazbu. Oba atomy naváží na stejnou stranu zaniklé dvojné vazby. Takže se jedná o syn adici. Podívejme se, proč se jedná o syn adici vodíků. Kovový katalyzátor je zde. Nakreslím zde plochý kovový katalyzátor. Tyto kovy jsme vybrali, protože velmi dobře adsorbují vodík. To znamená, že pokud necháme vodík probublávat skrz katalyzátor, tak se vodík takto adsorbuje na povrch kovu. Pak se přiblíží alken. Alken má také plochý tvar. Tedy ta část molekuly, ve které se nachází dvojná vazba. Tyto dva uhlíky mají hybridizaci sp². To znamená, že uspořádání atomů v jejich okolí bude v jedné rovině. Tahle část molekuly má tedy placatý tvar. Takže cosi plochého se přibližuje k něčemu, co je také ploché. Takže jediný způsob, jak se tyto vodíky mohou navázat, je na stejnou stranu vazby. Pokud navážeme tento vodík k uhlíku nalevo a tento uhlík navážeme k uhlíku napravo, tak už zvládnete nakreslit zbylé vazby. Tohle bude natočené směrem k nám a tohle od nás. A tohle bude natočené směrem k nám a tohle od nás. Tyto dva vodíky se navázaly na stejnou stranu. Takže tyhle dva vodíky jsou tyhle dva vodíky a podílejí se na syn adici. Všimněte si, že zde napravo se mění hybridizace z sp² na sp³. Musíme proto v této reakci uvažovat i stereochemii produktů. Podívejme se na vlastní reakci. Snad nám to půjde. V mé reakci chci provést hydrogenaci tohoto alkenu. Přidám plynný vodík a vyberu si jeden z kovů jako katalyzátor. Naváži dva vodíky na stejnou strany. Stejně jako jsme to udělali nahoře. Teď u obou změníme hybridizaci z sp² na sp³. Musíme tedy pořešit natočení směrem k nám a od nás. Většinou to neuvidíte takhle nakresleno. Upřímně řečeno je to moc práce. Bylo by mnohem snazší říct, že stačí odebrat dvojnou vazbu a tohle je můj produkt. To platí pro některé reakce, ale ty jsou velmi jednoduché. Dojde k zániku dvojné vazby a vznikne produkt podobný alkenu. Podívejme se na oxidační čísla v této reakci. Reakci proto překreslím. Tentokrát sem nakreslím všechny atomy. Za chvíli sem nakreslím i elektrony. Nakreslím sem všechny atomy. Jsou zde i všechny tyto methylové skupiny. Tyto vazby jsou tvořeny elektrony. Každá z těchto vazeb se skládá ze dvou elektronů. Nakreslím je sem všechny. Teď určíme oxidační čísla uhlíků, které se podílí na dvojné vazbě. Začneme oxidačním číslem uhlíku nahoře. Zapamatujte si, že když určujeme oxidační čísla, tak nás zajímá elektronegativita. Oxidační čísla jsou hlavně o elektronegativitě. Podívejte se na předchozí videa o oxidačních číslech. Teď budeme porovnávat elektronegativity těchto dvou uhlíků. Samozřejmě jsou stejné. Takže v souboji o tyto elektrony se elektrony rozdělí mezi oba uhlíky. Každý uhlík dostane jeden z těchto elektronů. Tak to bude u všech těchto vazeb. Tento uhlík má kolem sebe čtyři elektrony. To samé platí pro tento uhlík. Tento uhlík má kolem sebe také čtyři elektrony. Při určování oxidační čísla vezmeme počet valenčních elektronů, který atom většinou má. V případě uhlíku jsou to samozřejmě čtyři. Od toho odečteme počet elektronů, které jsme právě nakreslili v elektronovém strukturním vzorci kolem něj. Každý z těchto uhlíků má kolem sebe čtyři elektrony. Takže tyto uhlíky mají oxidační číslo nula. Podívejme se na produkt reakce a zkusme mu také přiřadit oxidační číslo. Produkt reakce je tady napravo. Je tu uhlík a na něj jsou navázány methylové skupiny. Je zde také vodík navázaný při adici. Na každý z těchto uhlíků jsme přidali vodík. Doplním do těchto vazeb elektrony. Víme, že každá z těchto vazeb je tvořena dvěma elektrony. Pak je tady mezi uhlíky jednoduchá vazba. Teď určíme oxidační čísla. Již víme, že tyto dva uhlíky mají stejnou elektronegativitu. Takže přetahovaná o tyto dva elektrony skončí remízou. Zde je shoda. A co porovnání elektronegativit uhlíku a vodíku? Uhlík má větší elektronegativitu než vodík. V souboji mezi uhlíkem a vodíkem o tyto dva elektrony tedy vyhrává uhlík, protože má o trochu větší elektronegativitu. Takže tento elektron navíc bude patřit uhlíku. Tady opět porovnáváme uhlík a uhlík. Tento uhlík tedy bude mít také elektron. Stejně to bude tady dole. Tady je také shoda. Tady uhlík porazí vodík. Tady je opět shoda. Takže v elektronovém strukturním vzorci napravo má uhlík běžný počet valenčních elektronů, tedy čtyři. Od toho odečteme elektrony, které jsme zakreslili do okolí uhlíku. Odečteme tedy pět elektronů. Každý z těchto uhlíků má kolem sebe pět elektronů. Takže mají elektron navíc. Počítáme čtyři minus pět je minus jedna. Takže oxidační číslo těchto uhlíků je minus jedna. Vidíme, že původní oxidační číslo bylo nula a změnilo se na minus jedna. Došlo tedy k poklesu hodnoty oxidačního čísla. Snížení hodnoty oxidačního čísla je typické pro redukci. Tohle je proto redukční reakce. Došlo k redukci alkenu adicí těchto dvou vodíků. Můžete se setkat také s dalšími definicemi oxidačního čísla. Při redukci dojde k nárůstu počtu vodíků. Tato definice je hodně používaná v organické chemii. Ačkoliv je to pravda, tak mně přijde smysluplnější přiřadit oxidační čísla a pozorovat, jak se oxidační čísla změní po adici těchto vodíků. Tak tohle je redukce. Podívejme se na stereochemii hydrogenační reakce. Ukážeme si to na příkladu zahrnujícím stereochemii. Řekněme, že náš alken vypadá nějak takhle. Bude reagovat s vodíkem a platinou. Možná si řeknete, to je přece jednoduché. Prostě odeberu dvojnou vazbu a je to. Někdy to tak může být. Ale v tomto případě došlo ke vzniku dvou nových chirálních center. Tento horní uhlík je chirálním centrem. A také tento spodní uhlík je chirálním centrem. Někdy to tedy není úplně lehké. Když přemýšlíte o možných produktech této reakce, tak je třeba mít na paměti, že se jedná o syn adici vodíků. Zde tedy vzniknou dva produkty. Začněme tím nalevo. Jednou z možností je, že se tyto vodíky naváží na stejnou stranu a budou natočené směrem k nám. Oba uhlíky budou mít klínkovou vazbu. To by byla syn adice. To znamená, že tento uhlík nahoře, tato ethylová skupina musí být natočena směrem od nás. A methylová skupina na spodním uhlíku musí být natočená směrem od nás. Tohle je tedy jeden z možných produktů. Další možností je, že naše dva vodíky nebudou směřovat k nám, ale od nás. Tady je vodík na čárkovaném klínku. A tady je to samé. Na horní uhlík je navázána ethylová skupina, která směřuje k nám. Methylová skupina navázaná na spodní uhlík teď také směřuje k nám. Jsou tady tedy dvě možnosti. Když se podíváme na tyto dva produkty, tak vidíme, že se jedná o enantiomery. Jsou to zrcadlové obrazy. Takže tohle jsou enantiomery. Jsou to produkty této reakce. Dávejte tedy pozor, když se zabýváte těmito syn adicemi. Podívejme se ještě na jeden příklad hydrogenační reakce. Budeme se zabývat přemostěnou bicyklickou sloučeninu. Tohle je velmi známá přemostěná bicyklická sloučenina. Nakreslím ji tady. Tohle je ten můstek mezi cykly. Pak tu bude tato část. A zadní uhlík nakreslím trochu stranou. Dvojná vazba je tady. Tady je methylová skupina. Tady nahoře jsou dvě methylové skupiny. Tato sloučenina se nazývá alfa-pinen. Najdeme ho v terpentýnu. Vidíme, že je to také alken. Pokud bych tedy chtěl provést hydrogenaci této molekuly, mohu použít palladium a uhlík. Když přemýšlím o průběhu mechanismu, tak vím, že kov jako katalyzátor bude mít takovýto plochý tvar. Poté, co palladium adsorbuje vodík, dojde k adici těchto dvou vodíků na dvojnou vazbu. Představte si, že molekula alfa-pinenu je raketoplán. Tento raketoplán se blíží k přistávací stanici. Raketoplán pomalu klesá a přibližuje se k přistávací stanici. Je tady pouze jedna možnost, jak může na přistávací stanici přistát. A to je tím způsobem, jak jsme to nakreslili tady. Nemůže se otočit a přiblížit se obráceně, protože je tu sterické bránění methylových skupin. Takže molekula se přibližuje takto. Tato část alkenu je plochá. Proto je pro molekulu nejsnazší, přiblížit se tímto způsobem. Na přirovnání k raketoplánu to jde hezky pochopit. V této reakci vznikne pouze jeden produkt. Nakreslíme ho tady. Jak asi bude vypadat? Bude vypadat nějak takhle. Naše dvě methylové skupiny jsou tady. Vodíky se tedy naváží zespodu. Tento vodík se naváže sem. A tuto methylovou skupinu posune nahoru. Tato methylová skupina se posune poté, co se vodík naváže sem dolů. Druhý vodík se naváže na druhou stranu dvojné vazby. Teď uvidíme adici tohoto vodíku. Tohle je tedy syn adice dvou vodíků. Tady na uhlíku byl ještě jeden vodík. Tento další vodík byl také posunut nahoru. Tohle je tedy jediný produkt této reakce. Hydrogenační reakce jsou velmi citlivé na sterické podmínky.