Reakce derivátů karboxylových kyselin

Mám tu několik zástupců derivátů karboxylových kyselin. Všechny mají substituent Y navázaný na karbonyl. Víme, že karbonyl je reaktivní, protože si kyslík přitahuje elektrony uhlíku karbonylu. Díky tomu má uhlík částečně kladný náboj. U derivátů karboxylových kyselin je Y skupinou také elektronegativní atom, takže si od uhlíku karbonylu přitáhne ještě větší část elektronové hustoty. Napíšeme si první efekt, induktivní. Indukce se týká elektron-akceptoru. Odtahujeme elektrony od karbonylového uhlíku, a proto má tento uhlík částečný kladný náboj. Je elektrofilnější, a tím pádem bude snáze reagovat s nukleofilem. Indukční efekt zvyšuje reaktivitu derivátů karboxylových kyselin. Tento efekt zvyšuje reaktivitu. Proti induktivnímu efektu jde mezomerní (též rezonanční) efekt. Substituent Y má volný elektronový pár, který může dodat elektronovou hustotu na uhlík karbonylu. Pokud si to zakreslíme, bude mít kyslík nahoře formální náboj −1. A mezi uhlíkem a substituentem Y budeme mít pí vazbu. Y zároveň získá formální náboj +1. Na uhlíku karbonylu se zvýší elektronová hustota díky volnému elektronovému páru. Dojde ke zvýšení elektronové hustoty. Jde o elektron-donorní efekt. Pokud dodáváme elektronovou hustotu, snižujeme parciální kladný náboj. Děláme ho méně elektrofilní, a proto méně reaktivní pro nukleofil. Rezonance sníží reaktivitu derivátů karboxylových kyselin. Nyní máme dva soutěžící efekty, indukce versus rezonance. Který z nich vyhraje... Musíme se zamyslet nad touto rovnováhou, pokud chceme určit reaktivitu derivátů karboxylových kyselin. Začneme s acylem, nebo acylchloridem. Kyslík přitáhne induktivním efektem část elektronové hustoty z uhlíku karbonylu a to stejné i chlor. Máme velmi silný induktivní efekt. Pokud bychom chtěli jinou rezonanční strukturu, přesunuli bychom tyto elektrony sem a tyto elektrony na kyslík. Nakreslíme si možnou rezonanční strukturu. Opět máme na kyslíku formální náboj −1 a na chloru formální náboj +1. Chlor teď má kolem sebe jen dva volné elektronové páry. Podívejme se na tuto rezonanční strukturu. Máme v ní pí vazbu mezi uhlíkem a chlorem. Nakreslíme si pí orbital, uhlík je ve druhé periodě, Nakreslíme si pí orbital druhé periody. Chlor je ve třetí periodě, má větší pí orbital. Jak se ukázalo, pokud velikosti nesedí, nemůže dojít ke správnému překryvu. Špatný překryv orbitalů má za následek, že chlor nevěnuje uhlíku část své elektronové hustoty. V této rezonanční struktuře nejde o velký příspěvek. Proto bude dominantní induktivní efekt. Napíšeme si to. Použiju třeba tuhle barvu. Indukční efekt vyhraje. A pokud vyhraje indukční efekt, očekáváme, že acyly i acylchloridy budou extrémně reaktivní A tak to ve skutečnosti i je. Za pokojové teploty budou reagovat s vodou, někdy i výbušně. Podívejme se na další derivát karboxylové kyseliny, kterým je anhydrid. Jako první si ukážeme induktivní efekt. Kyslík si přitáhne část elektronové hustoty od karbonylového uhlíku. Stejně tak tenhle kyslík. Substituent Y tady má další kyslík, který může působit stejně. Opět tu máme silný induktivní efekt. Teď si prozkoumáme rezonanční strukturu. Volný elektronový pár přesuneme z kyslíku sem a odstrčíme tyto elektrony. Zamyslíme se nad překryvem orbitalů pro kyslík a uhlík. Je to lepší než minule, protože kyslík i uhlík jsou ve stejné periodě v periodické tabulce. Máme tu uhlík a kyslík. Jsou ve stejné periodě, mají podobně velké p-orbitaly, takže se budou lépe překrývat. Je tu mnohem větší přispění elektron-donorního efektu než minule. Volný elektronový pár z kyslíku zvyšuje elektronovou hustotu na uhlíku karbonylu, a proto dojde ke snížení reaktivity. Induktivní efekt je ale stále silnější než mezomerní efekt. Jak si to vysvětlit? Máme tu soutěžící rezonanční strukturu. Volný elektronový pár se může přesunout sem a tyto elektrony přeskočí na kyslík. Část elektronové hustoty, ne všechna, přejde na karbonylový uhlík nalevo. Část elektronové hustoty přejde na karbonylový uhlík napravo. Rezonance tedy nemá tak velký vliv jako indukce, takže induktivní efekt stále vyhrává. Je znatelně silnější. Napíšeme si to. Induktivní efekt je mnohem silnější než rezonanční. Očekáváme, že anhydrid bude docela reaktivní, protože induktivní efekt zvyšuje reaktivitu. Opět to můžeme pozorovat. Anhydridy kyselin reagují s vodou. Něco jako acetanhydrid bude reagovat s vodou i za pokojové teploty. Induktivní efekt opět vyhrál. Posuneme se k dalšímu derivátu karboxylových kyselin, to bude ester. Začneme zase induktivní efektem. Kyslík si přitáhne část elektronové hustoty a stejně tak tenhle. Teď mezomerní efekt, přesuneme tento volný elektronový pár sem a přesuneme tyto elektrony na kyslík. Tentokrát tu nemáme žádnou konkurenční rezonanční strukturu, takže mezomerní efekt je o trochu důležitější než předtím. Tato rezonanční struktura je důležitější než předtím. Je tu lepší rovnováha mezi induktivním a mezomerním efektem. I přesto induktivní efekt vyhraje. Induktivní efekt je silnější, ale rozdíl je menší než v předchozích příkladech. Induktivní efekt je silnější. Přesuneme se k poslednímu derivátu karboxylových kyselin. Tím bude amid. Jako vždy si kyslík přitáhne část elektronové hustoty od tohoto uhlíku. Dusík je o něco málo elektronegativnější než uhlík, takže je tu také tato možnost. U mezomerního efektu přesuneme tento volný elektronový pár sem a tyto elektrony přeskočí na kyslík. Nakreslíme rezonanční strukturu amidu. Horní kyslík má formální náboj −1 a dusík má dvojnou vazbu na uhlík. Dáme sem vodíky a na dusíku bude formální náboj +1. V tomto případě jde o velký příspěvek k celkové hybridní struktuře. Máme tu rezonanční strukturu. Označíme si ji. Jde o velký příspěvek k celkové hybridní struktuře. Víme to díky tomu, že vazba uhlík-dusík má výrazný charakter dvojné vazby, právě díky této rezonanční struktuře. Tohle je mnohem důležitější rezonanční struktura než ta, kterou jsme nenakreslili, ale odpovídala by této struktuře u esteru. Je to proto, že dusík není tak elektronegativní jako kyslík. Dusík je ochotnější darovat svůj volný elektronový pár než kyslík. Proto tato struktura přispívá víc. Jiný způsob, jakým to říct, je, že nejméně elektronegativní prvek bude mít pravděpodobně formální náboj +1. Přesouváme velkou část elektronové hustoty na karbonylový uhlík, tím snižujeme reaktivitu. Protože jde o velký příspěvek k celkovému hybridu, bude rezonanční efekt silnější než induktivní efekt. Tentokrát si napíšeme: "vyhrává rezonanční efekt". Rezonance porazila induktivní efekt. Když je rezonanční efekt silnější než induktivní, očekáváme, že amidy nebudou moc reaktivní. A to můžeme samozřejmě i pozorovat. Mluvili jsme o induktivním a rezonančním efektu u derivátů karboxylových kyselin a našli jsme určitý trend, co se týče reaktivity, Jak se posouváme nahoru tímto směrem, dostáváme reaktivnější deriváty. Acyly nebo acylchloridy jsou nejreaktivnější, protože převažuje induktivní efekt. Amidy jsou nejméně reaktivní, protože převažuje rezonanční efekt. Je důležité porozumět tomuto trendu u reaktivity, zvlášť pokud se budeme věnovat biologii. V lidském těle je hodně esterů a amidů. To jsou dva nejméně reaktivní z těch, o kterých jsme mluvili. Nejsou tam žádné ale acylchloridy nebo anhydridy. Byly by pro lidské tělo moc reaktivní. Takže opět vidíme využití v biologii a medicíně.