Nukleofilní acylová substituce

Podívejme se na mechanismus nukleofilní acylové substituce. Máme tu derivát karboxylové kyseliny a víme, že tento uhlík tvoří elektrofilní část molekuly. Je částečně kladně nabitý. Kyslík si přitahuje část elektronové hustoty. O reaktivitě derivátů karboxylových kyselin jsme mluvili v minulém videu. Nukleofil zaútočí na tento uhlík. Nukleofil zaútočí tady a elektrony přeskočí na kyslík. Nakreslíme si výsledek. Máme tu R skupinu, uhlík, nalevo je kyslík se třemi volnými elektronovými páry, které mu dávají formální záporný náboj −1. Řekněme, že tyto růžové elektrony přešly na kyslík, takže formální náboj je −1. Napravo máme substituent Y a nukleofil, nyní navázaný na uhlík. Vyznačíme si tyto elektrony modře. Modré elektrony zaútočily na uhlík a vytvořily tuhle vazbu. Abychom se z tetraedrického meziproduktu dostali k produktu, musí se znovu zformovat karbonyl. Tyto elektrony se přesunou sem a odsunou tyto elektrony na substituent Y. Y je záporně nabité. Na Y vznikl záporný náboj, když na něj přeskočily tyto elektrony. Vyznačme si je zeleně. Tyto elektrony přeskočily na Y a díky tomu má formální náboj −1. Toto je naše odstupující skupina. Vidíme konečný výsledek. Ve výsledku jsme nahradili Y substituent nukleofilem a této části se říká acyl. Je to tedy nukleofilní acylová substituce, jelikož nukleofil nahradil skupinu Y. V tomto mechanismu je více prvků, o kterých se musíme zmínit. O reaktivitě derivátů karboxylových kyselin jsme už mluvili v minulém videu. Co udělá s reaktivitou substituent? Jak ovlivní parciální kladný náboj na karbonylovém uhlíku? Viděli jsme, že acylchloridy jsou nejreaktivnější. Porovnali jsme induktivní a rezonanční efekt u derivátů karboxylových kyselin. Dalším faktorem, který by mohl mechanismus ovlivnit, je sterické bránění. Podívejme se na R skupinu na derivátu karboxylové kyseliny. Pokud by R skupina byla methyl versus terc-butyl, terc-butylová skupina by zvýšila sterické bránění, je o hodně větší. To by nukleofilu mohla zabránit v útoku. Na sterické efekty se nesmí zapomínat. Nad reaktivitou derivátů karboxylových kyselin se také musí přemýšlet. Další věcí, na kterou musíme myslet, je síla nukleofilu. Chceme silný nukleofil, aby napadl uhlík karbonylu. V tomto videu se nejvíc zaměříme na odstupující skupinu, na stabilitu odstupující skupiny. Chceme něco stabilního s formálním záporným nábojem −1. Snáze odstoupí, pokud je stabilní. Podívejme se na konkrétní příklad. Pokusíme se identifikovat odstupující skupinu. Která z nich je nejstabilnější a proč? Podívejme se na tuto reakci. Máme tu acylchlorid. Acetylchlorid necháme reagovat s mravenčanem sodným. Tohle je reaktivní část acetylchloridu. Kyslík je elektronegativnější, chlor je elektronegativnější, takže tenhle uhlík má částečný kladný náboj. Tohle je náš elektrofil. Nukleofilem je mravenčan sodný. Na kyslíku má záporný formální náboj −1, takže tohle je nukleofil, který napadne elektrofil. Tyto elektrony přejdou na kyslík. Nakreslíme si meziprodukt. Tady máme kyslík, teď má tři volné elektronové páry, takže formální náboj −1. Podívejme se na tyto elektrony. Růžové elektrony se přesunuly na kyslík. A co dalšího máme navázané na tento uhlík? Nalevo máme CH₃, napravo máme chlor. Dokreslíme chloru volné elektronové páry. Tenhle kyslík je nyní navázaný k tomuto uhlíku. Dokončíme to a nakreslíme si sem ke kyslíku volné elektronové páry Musíme být konzistentní. Ukážeme si, jak modré elektrony vytvořily tuto vazbu mezi uhlíkem a kyslíkem. Máme tu tetraedrický meziprodukt. Dalším krokem mechanismu nukleofilní acylové substituce je obnova karbonylu. Na uhlíku však nemůžeme mít 5 vazeb takže něco musí pryč jako odstupující skupina. Máme tu několik možností. Jednou z možností je, že tyto elektrony přejdou na chloridový anion, což bude odstupující skupina. Nakreslíme si to sem jako jednu z možností. Chloridový anion by mohl odstoupit. Chloridový anion má formální náboj −1. Tohle je jedna z možností. Další možností jak obnovit karbonyl je nechat tyto elektrony přejít na kyslík. Tím bychom získali zpět náš původní formiátový anion. To je další možnost. Načrtneme si to tu. Další možností odstupující skupiny je formiátový anion. Nakreslíme si ho s H tady. Další možností je přesunout tyto elektrony na CH₃, takže vznikne karbanion. Nakreslíme si CH₃, volný elektronový pár a formální záporný náboj −1. Toto jsou tři možné odstupující skupiny. Abychom zjistili, která odstupující skupina je nejlepší, napíšeme si k nim konjugované kyseliny. Konjugovaná kyselina k chloridovému aniontu je samozřejmě HCl. Nakreslíme si sem HCl. Můžeme sem dát volné elektronové páry. Konjugovaná kyselina k formiátovému aniontu je kyselina mravenčí. Nakreslíme si sem kyselinu mravenčí. Konjugovaná kyselina ke karbaniontu je samozřejmě methan, čili CH₄. Musíme si určit pKa hodnoty těchto kyselin. pKa kyseliny chlorovodíkové je zhruba −7, pKa mravenčí kyseliny je asi 5 a pKa methanu a obecně alkanů je obvykle kolem 50. Máme různé hodnoty pKa. Pamatujte si, co nám říká pKa. Čím nižší pKa, tím silnější kyselina. Jak se pohybujeme tímto směrem, vzrůstá kyselost. Kyselina chlorovodíková je nejkyselejší z těchto tří, o kterých jsme mluvili. Proč je nejkyselejší? Je nejkyselejší, protože nejochotněji daruje proton. Je nejochotnější darovat proton, protože konjugovanou bazí je chloridový anion, který je extrémně stabilní. Stabilita chloridového anionty znamená, že kyselina chlorovodíková je nejochotnější darovat proton. Už tedy známe odpověď. Chloridový anion je nejstabilnější z těchto tří možných odstupujících skupin. Zjistili jsme to z hodnot pKa konjugovaných kyselin. Vrátíme se zpět k mechanismu. Odstoupí chloridový anion. Tyto zelené elektrony se přesunou na chlor a my si můžeme nakreslit výsledný produkt. Obnovili jsme karbonyl, nalevo máme CH₃ a napravo máme kyslík, který byl... potom jdeme sem a tady máme vodík. Toto je náš konečný produkt. Nakreslíme si chloridový anion jako odstupující skupinu. Na chloridovém aniontu je záporný formální náboj −1. Zelené elektrony přeskočily sem na odstupující skupinu a vznikl produkt, kterým je anhydrid kyseliny. Když si tento anhydrid pojmenujeme, dostaneme směsný anhydrid kyseliny octové a mravenčí. Dostali jsme smíšený anhydrid kyseliny octové a mravenčí z acylchloridu, určili jsme si stabilitu odstupujících skupin. Zjistili jsme, že chloridový anion je nejstabilnější odstupující skupina. Obecně se můžeme podívat na hodnoty pKa konjugované kyseliny. Můžeme tohle nazvat pKa a, pokud chcete, H hodnoty - pKa konjugované kyseliny. Máme tu naše odstupující skupiny. Když se díváme na pKa konjugované kyseliny, víme, že čím je nižší pKaH, tím je to lepší odstupující skupina. Tímto směrem se zlepšují odstupující skupiny. Chloridový anion je lepší odstupující skupina než forminátový anion, který je lepší odstupující skupina než karbanion. Jde o jednoduchý způsob jak porovnat odstupující skupiny v mechanismu. Odhalit konjugovanou kyselinu a vzpomenout si na pKa.