If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Pokud používáš webový filtr, ujisti se, že domény: *.kastatic.org and *.kasandbox.org jsou vyloučeny z filtrování.

Hlavní obsah

Příprava amidů

Popis mechanismu tvorby amidů z karboxylových kyselin. Tvůrce: Jay.

Transkript

Začneme s karboxylovou kyselinou a přidáme k ní amoniak. Mohlo by nás napadnout, že amoniak bude fungovat jako nukleofil. Takže by mohl atakovat zde, došlo by ke ztrátě OH skupiny, a získali bychom amid. Avšak takto to při pokojové teplotě neprobíhá. Místo toho se amoniak chová jako báze, tedy přijímá kyselý atom vodíku a nechává elektrony na atomu kyslíku. Dojde ke vzniku karboxylátového aniontu, jelikož jsou na atomu kyslíku tři volné elektronové páry, a formální náboj minus jedna. Adicí protonu na amoniak vznikne amonný kation, NH₄⁺, takže získáme amonnou sůl. Zahříváním této soli může občas vzniknout amid. Ale rozhodně to není nejlepším způsobem jak získat amid. Mnohem lepší cestou je použití činidla, které má název DCC. Podíváme se, jak to DCC vypadá. Je to akronym pro dicyklohexylkarbodiimid. V názvu je D, pak C a pak C. Pokud je substituentem R'' cyklohexyl, pak tu máme DCC. Pokud máme karboxylovou kyselinu, ke které přidáváme amin, tak právě použití DCC umožňuje to, že se amin chová jako nukleofil, a proto dochází ke vzniku amidu. Podíváme se na mechanismus reakce. V prvním kroku se DCC chová jako báze. Tento volný elektronový pár na dusíku přijímá proton, tyto elektrony zůstávají na kyslíku. Dále ukážeme, že odstranění protonu z karboxylové kyseliny poskytuje karboxylátový anion, Takže tu nakreslíme karboxylátový anion. Na kyslíku jsou tři volné elektronové páry, má tedy formální náboj minus jedna. Atom dusíku přijímá proton, a proto získává formální náboj plus jedna. Podíváme se na elektrony. Tyto purpurové elektrony převezmou tento proton a zatím vytvoří tuto novou vazbu. Tyto elektrony přejdou sem na atom kyslíku a dojde ke vzniku karboxylátového aniontu. Nakreslíme zbytek molekuly. Mezi atomem dusíku a uhlíku máme dvojnou vazbu, tento uhlík má dvojnou vazbu s jiným atomem dusíku. Dále je tu volný elektronový pár a substituent R''. Jelikož došlo k protonaci dusíku, tento atom touží po elektronech, a proto může odtáhnout část elektronové hustoty z tohoto uhlíku. Tento uhlík ztratí část své elektronové hustoty a získá částečný kladný náboj. Tento uhlík je teď elektrofilní. V dalším reakčním kroku bude karboxylátový anion působit jako nukleofil. Dojde k nukleofilnímu ataku na elektrofil. Tyto elektrony přejdou na dusík. Vznikne dvojná vazba mezi uhlíkem a kyslíkem. Tento spodní kyslík teď vytvořil novou vazbu s tímto uhlíkem, tato nová vazba pochází z těchto modrých elektronů. A tento uhlík je vázán s dusíkem a také se substituentem R''. Označíme tyto elektrony zelenou barvou. Tyto elektronu se přemístily na dusík. Tento atom uhlíku má také dvojnou vazbu s tímto dusíkem a se substituentem R''. V dalším reakčním kroku bude amin reagovat v roli nukleofilu. Nakreslíme molekulu aminu. Máme dusík se dvěma atomy vodíku, máme substituent R'', volný elektronový pár na atomu dusíku, a proto tento amin teď může působit jako nukleofil. Tyto elektrony purpurově zvýrazním. Zde je atom kyslíku částečně záporný, a bude odtahovat část elektronové hustoty z tohoto atomu uhlíku, který proto bude částečně kladným. Máme tu nukleofil, který bude atakovat elektrofil. Amin bude atakovat tento uhlík, tyto elektrony se přesunou na tento atom kyslíku. Pojďme nakreslit výsledek tohoto nukleofilního ataku. Máme tu uhlík navázaný na atom kyslíku. Nakreslíme všechny elektronové páry. Formální náboj na kyslíku je roven minus jedné. Přemístěním těchto zelených elektronů na atom kyslíku získáme náboj minus jedna. Tento uhlík má vazbu se substituentem R, dále má vazbu s tímto dusíkem, který má formální náboj plus jedna. Přesunem těchto purpurových elektronů jsme získali jsme náboj +1 a novou vazbu. Pořád máme vazbu mezi tímto uhlíkem a kyslíkem. Nakreslíme volné elektronové páry. Je tu tento uhlík, dusík, substituent R'', atom vodíku a volný elektronový pár zde. Máme zde hodně atomů. Použitím DCC jsme získali dobře odstupující skupinu. Tohle všechno je velmi dobře odstupující skupina. Dále znovu dojde ke vzniku karbonylové skupinu. Tyto elektronu se přemístí sem a znovu se vytvoří karbonylová skupina. Tyto elektrony se přemístily sem na tento kyslík. Ukážeme si tento přesun. Zde máme proton, tyto elektrony převezmou tento proton a získali jsme výbornou odstupující skupinu. Vytvořili jsme dicyklohexylmočovinu. Tohle všechno je dicyklohexylmočovina. Ukážeme si, co nastane dál. Dojde ke vzniku karbonylové skupiny... Tyto elektrony označíme červeně. Tyto elektrony se přemístí sem. Nyní tu máme substituent R, dvojnou vazbu mezi uhlíkem a kyslíkem, Kyslík má pouze dva volné elektronové páry, takže pomocí těchto červených elektronů jsme znovu získali karbonylovou skupinu. Tento uhlík pořád má vazbu s dusíkem. Nakreslíme atom dusíku. Změníme barvy a ukážeme bázi, která utrhne tento proton a nechá tam tyto elektrony. Takže tyto elektrony zůstanou na tomto atomu dusíku. Označíme je modrou barvou. Teď na tomto dusíku máme pouze jeden atom vodíku a také substituent R'. Takže kromě dicyklohexylmočoviny jsme získali i amid. Použití DCC umožnilo použit amin v roli nukleofilu. Podíváme se na příklady využití DCC. Jedním z nejznámějších využití DCC je tvorba peptidů z jednotlivých aminokyselin. Pokud tu máme aminokyselinu se substituentem R1, a zde vpravo máme aminokyselinu s jiným substituentem R2... Zatím neřešíme stereochemii. Tak můžeme spojit tyto aminokyseliny pomocí DCC. Podíváme se na funkční skupinu karboxylové kyseliny vlevo, a na funkční skupinu aminu vpravo. Víme, že využitím DCC získáme amid. Ale musíme být velmi opatrní, protože i v molekule vlevo máme amin a v molekule vpravo máme karboxylovou kyselinu. Musíme proto použít chránící skupiny. Takže musíme ochránit tuto část levé molekuly a musíme ochránit tuto část kyseliny, například převodem OH skupiny na OR skupinu. Chceme získat ester místo karboxylové kyseliny. Dále použijeme DCC, na který budeme koukat jako na dehydratační agent, protože během reakce dojde ke vzniku vody. Ukážeme to. Dojde ke ztrátě OH skupiny z karboxylové kyseliny a ke ztrátě protonu z aminu. Vznikne voda. Při ztrátě vody se tyto dvě aminokyseliny spojí dohromady. Provedeme to. Budeme mít karbonylovou skupinu spojenou s dusíkem, který je spojen s tímto vodíkem. Dále máme substituent R a pak je tu karboxylová kyselina. Přidáme zde skupinu OR', protože jsme ochránili karboxylovou kyselinu převodem na ester. Zde máme substituent R1, dusík s vodíkem a chránící skupinu, kterou jsme použili. Například použijeme Boc. Vytvořili jsme dipeptid. Zde vpravo máme R-amid, a zde máme nově vzniklou peptidovou vazbu. Tento postup byl objeven kolem 1950 na MIT ve vědecké skupině doktora Sheehana a byl poprvé publikován kolem roku 1955. Říká tomu dehydratace, jak jsme tomu říkali my, Odtrhneme OH skupinu jedné molekuly, proton druhé molekuly, a zbytek spojíme dohromady. Není to nejlepší představa reakčního mechanismu, ale může to pomoci správně odhadnout reakční produkt, když spojujete dvě aminokyseliny za vzniku dipeptidu. Skupina doktora Sheehana k tomu používala DCC, a proto to stalo standardem pro reakce podobného typu. Samozřejmě teď existuje několik variant této reakce, ale v 50. letech to bylo velkým průlomem. Doktor Sheehan byl také spojen se slavnostní totální syntézou penicilinu v 50. letech. Předtím používal DCC jako spojovací agent pro tvorbu peptidů, a pak to využil při syntéze penicilinu. Podíváme se na strukturu penicilinu. Zde vpravo je penicilinová sůl, která právě vznikla díky totální syntéze penicilinu doktora Sheehana. V roce 1957 byl prvním, kdo to udělal. Zde vidíme amin a zde vidíme karboxylovou skupinu, takže můžeme provést naší spojovací reakci, odebereme tuto OH skupinu a proton, vznikne nám voda a vytvoří se cyklická molekula amidu. Tento amid se nazývá laktam. Konkrétně tohle je beta-laktam. Penicilin patří ke skupině beta-laktamových antibiotik. Nazývá se to beta-laktam, protože uhlík vedle karbonylové skupiny je alfa-uhlíkem, a proto další uhlík bude beta-uhlíkem. Zde máme v našem beta-laktamu čtyřčlenný kruh. Použití DCC pro tvorbu takových malých kruhů fungovalo dobře, zatímco jiné standardní syntetické cesty nebyly moc úspěšné. Během druhé světové války se několik laboratoří snažilo provést totální syntézu penicilinu O tom doktor Sheehan psal ve své knize 'Začarovaný kruh', protože syntéza tohoto beta-laktamového kruhu byla opravdu velmi náročná. Jak syntetizovat beta-laktamový kruh? Většina chemiků neznala odpověď na tuto otázku. Ale použití DCC umožňuje provádět tuto reakci ve vodě, dokonce za pokojové teploty, takže za zcela normálních reakčních podmínek. Proto byl doktor Sheehan prvním, kdo provedl totální syntézu penicilinu. Ve své knize psal, že to nebylo žádné soupeření, a že pravděpodobně většina chemiků byla prostě unavená nefungujícími pokusy. V příštím videu se budeme bavit o penicilinu ještě více.