Ozonolýza alkenů

V tomto videu se budeme věnovat dalšímu způsobu štěpení alkenové vazby, kterému se říká ozonolýza. Vlevo mám molekulu nějakého obecného alkenu. V prvním kroku k němu budeme přidávat ozon, O₃. V druhém reakčním kroku přidáme DMS, což je dimethylsulfid. V druhém kroku lze použit různá činidla, která mají různé účinky, takže na to dávejte pozor. Pokud budeme používat DMS, jako produkty získáme směs aldehydů a ketonů v závislosti na struktuře výchozího alkenu. Podíváme se na strukturu ozonu. Zde je uvedená jedna z možných struktur ozonu. Můžeme nakreslit rezonanční vzorec tak, že přemístíme tyto elektrony sem, a vytvoříme novou dvojnou vazbu mezi těmi kyslíky. Tyto elektrony proto budou vytlačeny vlevo na tento kyslík. Nakreslíme výslednou rezonanční strukturu. Teď budeme mít dvojnou vazbu mezi těmi dvěma kyslíky vpravo. Kyslík vpravo má teď dva volné elektronové páry. Kyslík uprostřed má jeden elektronový pár, zatímco kyslík vlevo má tři volné elektronové páry. Proto má kyslík vlevo formální náboj minus jedna a kyslík uprostřed má náboj plus jedna. To jsou dvě rezonanční struktury ozonu. Mějme na paměti, že skutečná struktura je vždy hybridem obou rezonančních struktur. Pojďme dál a vezmeme jednu z těchto rezonančních struktur. Vezmeme například strukturu vpravo. Překreslíme tuto rezonanční strukturu. Máme záporný náboj na kyslíku vlevo. Kyslík uprostřed má kladný náboj. Kyslík vpravo nemá žádný náboj v této rezonanční struktuře. Pojďme dál a nakreslíme alken. Tohle je náš alken s nějakými obecnými substituenty. Během reakčního mechanismu bude záporný náboj na kyslíku, tento volný elektronový pár, atakovat tento uhlík, Tím posune elektrony své pí vazby směrem ven. Tyto pí elektrony přejdou na tento kyslík, což způsobí, že se pí elektrony vazby mezi kyslíky přesunou na kyslík uprostřed. Je to součinný mechanismus. Pojďme nakreslit výsledek tohoto elektronového pohybu. Kyslík vlevo teď má vazbu s tímto uhlíkem vlevo. Uhlík vlevo už má jednoduchou vazbu s druhým uhlíkem. Uhlík vpravo má vazbu s kyslíkem vpravo. Levý a pravý kyslík mají jednoduchou vazbu s kyslíkem uprostřed. Každý kyslík má přesně dva volné elektronové páry. Hodně elektronů se pohybovalo zároveň, pojďme je proto označit barevně a podívat se na každý elektronový pohyb zvlášť. Tyto modré elektrony vytvořily vazbu mezi kyslíkem a uhlíkem. Tyto červené elektrony pí vazby vytvořily novou vazbu mezi uhlíkem a kyslíkem. A tyto purpurové elektrony pí vazby mezi kyslíky se přemístily na tento kyslík uprostřed. Tyto purpurové elektrony jsou teď zde. Vytvořila se nám tato struktura. Vazby kyslík-kyslík jsou relativně slabé. V molekule máme dvě vazby kyslík-kyslík, které jsou docela nestabilní. Proto bude v dalším reakčním kroku docházet ke štěpení jedné vazby kyslík-kyslík. Nehraje roli, kterou vazbu roztrhnu, protože je molekula symetrická. Tato vazba kyslík-kyslík se bude štěpit v dalším kroku reakčního mechanismu. Volný elektronový pár na kyslíku vpravo se přemístí sem, a proto dojde ke štěpení vazby uhlí-uhlík, protože na uhlíku bude příliš hodně vazeb. Vazba se rozštěpí, elektrony se přemístí sem a zelené elektrony přejdou na atom kyslíku uprostřed. Nestabilní vazba kyslík-kyslík se rozštěpila. Nakreslíme, co vznikne v tomto reakčním kroku. Na levé straně máme uhlík. Tento uhlík má dvě vazby s kyslíkem. Kyslík má dva volné elektronové páry. Vznikne karbonylová funkční skupina. Vpravo má uhlík dva substituenty a dále má dvojnou vazbu s kyslíkem. Tento kyslík teď má pouze jeden elektronový pár a má vazbu s dalším kyslíkem. Tento kyslík má tři volné elektronové páry, čímž získává formální náboj minus jedna. Máme záporný náboj na tomto kyslíku, a máme kladný náboj na tomto kyslíku. Máme oxid karbonylové sloučeniny. Taková molekula se nazývá karbonyl oxid. V dalším kroku mechanismu se podíváme na karbonylovou sloučeninu vlevo. Máme v ní dvojnou vazbu mezi uhlíkem a kyslíkem. Kyslík má větší elektronegativitu a posouvá elektronovou hustotu na sebe. Tím se na kyslíku vytváří částečný záporný náboj. Uhlík proto ztrácí část své elektronové hustoty, a získává tak částečný kladný náboj. Vidíme, že máme částečně záporný karbonylový kyslík vedle částečně záporného kyslíku karbonyl oxidu. Samozřejmě že bude docházet ke vzájemnému odpuzování. Proto karbonylovou sloučeninu převrátíme a nakreslíme to celé znovu. Nakreslím převracenou karbonylovou sloučeninu a původní karbonyl oxid. Karbonyl vlevo máme otočený a karbonyl oxid máme orientovaný stejně, jak to bylo původně. Přidáme všechny volné elektronové páry a formální náboje. Zde je záporný formální náboj, zde je kladný formální náboj. Na tomto kyslíku jsou dva volné elektronové páry. Budeme potřebovat více volného místa. Znovu si zopakujeme, že karbonylová funkční skupina je polarizovaná. Kyslík je částečně záporný, uhlík je částečně kladný. V dalším kroku reakčního mechanismu bude docházet k nukleofilnímu ataku. Tento záporný kyslík bude atakovat tento kladný uhlík v karbonylu. Kyslík vytváří vazbu s uhlíkem, na uhlíku ale máme příliš mnoho vazeb, proto se tyto elektrony pí vazby přemístí sem na tento uhlík. To vyvolá přesun těchto pí elektronů vazby uhlík-kyslík na tento kyslík. Znovu tu máme pohyb velkého množství elektronů. Pojďme se podívat na pohyb každého elektronu zvlášť a nakreslit výsledek tohoto reakčního kroku. Zde máme tento uhlík, který má vazbu s kyslíkem. Tento kyslík má vazbu s uhlíkem, který předtím patřil karbonyl oxidu. Tento uhlík má dva substituenty a má vazbu s kyslíkem. Tento kyslík se vázán s dalším kyslíkem, který je vázán na první uhlík. Doplníme volné elektronové páry. Každý kyslík teď má přesně dva volné elektronové páry. Pojďme se podívat zvlášť na každý elektronový pohyb. Nejprve se podíváme na tyto modré elektrony. Elektrony na záporně nabitém kyslíku provádí nukleofilní atak na tomto karbonylovém uhlíku a vytváří novou vazbu uhlík-kyslík. Tato modrá vazba představuje modré elektrony. Podíváme se na červené pí elektrony karbonylové vazby. Tyto elektrony budou vytvářet vazbu mezi tímto kyslíkem a uhlíkem. A tyto pí elektrony se z karbonyl oxidu přemístí na tento kyslík. Získali jsme takovouto strukturu. Tohle je všechno k prvnímu kroku mechanismu, kterým je adice ozonu na výchozí alken. Teď už můžeme pokračovat dále a přidat dimethylsulfid. Nakreslíme strukturu dimethylsulfidu. Máme atom síry, který je vázaný se dvěma methylovými skupinami. Síra má dva volné elektronové páry. Jeden z těchto volných elektronových párů bude atakovat tento kyslík. Elektronový pár atakuje kyslík. A znovu máme slabou vazbu kyslík-kyslík. Znázorníme tuto slabou vazbu kyslík-kyslík. Zde je tato vazba, která se bude štěpit. Tyto elektrony se budou přemísťovat sem. Na tomto uhlíku bude příliš mnoho vazeb, proto tyto červené elektrony přejdou sem. A tyto modré elektrony přejdou na tento horní kyslík. Pojďme to nakreslit. K čemu dojde? Vlevo budeme mít atom uhlíku, který má dvojnou vazbu s tímto kyslíkem. Tento kyslík má dva volné elektronové páry. Tento uhlík vpravo má dvojnou vazbu s kyslíkem a také má další dva substituenty z původní dvojné vazby. Síra teď má vazbu s kyslíkem, který má nyní tři volné elektronové páry, čímž získává formální náboj roven minus jedna. Síra je dále vázaná se dvěma methylovými skupinami a má jeden volný elektronový pár. Proto má atom síry formální náboj plus jedna. Pojďme nakreslit rezonanční vzorec pro atom síry. Tyto elektrony můžeme přesunout sem. Nakreslíme rezonanční strukturu a získáme síru, která má dvojnou vazbu s kyslíkem, vazbu se dvěma methylovými skupinami a jeden volný elektronový pár. Možná jste poznali, že se jedná o DMSO, neboli dimethylsulfoxid. Vzniklo nám tedy DMSO a zároveň jsme získali dvě karbonylové sloučeniny. V závislosti na struktuře výchozí látky můžeme získat aldehyd nebo keton. Takže dochází ke vzniku aldehydů nebo ketonů. Podíváme se na pohyb elektronů. Tyto červené elektrony vlevo se přemístily na karbonylovou sloučeninu. Zelené elektrony vlevo se přemístily na druhou karbonylovou sloučeninu. Ve výsledku tohoto dlouhého mechanismu jsme získali směs aldehydů a ketonů. Pojďme vyzkoušet tuto reakci na jednom příkladu, abyste tuhle reakci uměli použít. Podíváme se na alken. Zde máme výchozí alken. V prvním kroku budeme přidávat k alkenu ozon, O₃. Ve druhém kroku použijeme dimethylsulfid, neboli DMS. Ukážeme si jednoduchý způsob uvažování o této reakci. Překreslím výchozí látky. Víme, že bude docházet ke štěpení dvojné vazby. A víme, že štěpení nastane v tomto místě. Na dvojné vazbě máme methylovou skupinu a zde máme vodík. Vlevo jsme nekreslili atom vodíku, ale víme, že tam je. Dvojnou vazbu budeme štěpit v tomto místě. Jeden ze způsobů je smazat tuhle část. Proto smažeme tuhle dvojnou vazbu a přidáme kyslíky ke každému uhlíku. Přidáme sem kyslík. A také přidáme kyslík sem dolů. Nevypadá to moc přehledně, proto to raději překreslíme. Dole máme karbonyl sloučeninu, která je ketonem. Nahoře máme aldehyd. To je výsledný produkt reakce. Není to nejjednodušší způsob jak to nakreslit. Pojďme to překreslit do trochu lepší podoby. Nakreslíme rovný uhlíkový řetězec. Kolik máme dohromady uhlíků? Máme jedna, dva, tři, čtyři, pět, šest uhlíků. Trochu narovnáme naši molekulu. První uhlík, na druhém máme keton. To jsou dva uhlíky. Tři, čtyři, pět, šest uhlíků. Zde máme aldehyd. Tohle je aldehyd, což je tento uhlík na struktuře nahoře. Dohromady máme sedm uhlíků. Jedna, dva, tři, čtyři, pět, šest, sedm. Tato reakce vede ke vzniku aldehydu a ketonu. Ale buďte opatrní s druhým reakčním krokem, jelikož lze použit různá činidla, která působí jinak.