Eliminace versus substituce: sekundární substrát

Podívejme se na eliminační a substituční reakce se sekundárním substrátem. Tento případ je těžší než s primárním nebo terciárním substrátem, protože nemůžeme vyloučit ani jeden z těchto čtyř mechanismů. O substrátu tedy můžeme říct, že je sekundární. Podívejme se teď na činidlo. Máme tu NaCl, což je Na⁺ a Cl⁻ a chloridový anion se chová výhradně jako nukleofil. Bude to tedy nějaká substituce. E1 a E2 můžeme vyloučit. Při rozhodování mezi SN1 a SN2 se sekundárním substrátem nám pomůže podívat se na rozpouštědlo. DMSO je polární aprotické rozpouštědlo, které preferuje mechanismus SN2. To jsme viděli v dřívějším videu. Bylo upřednostněno SN2, proto nyní škrtám SN1. Chloridový anion budeme považovat za nukleofil. Nakreslím to sem. Má formální náboj −1. Při SN2 mechanismu napadá nukleofil substrát a zároveň se odpojuje odstupující skupina. Nukleofil napadá uhlík označený červeně. Vytvoří se vazba mezi chlorem a tímto červeným uhlíkem. A ve stejnou chvíli se také odpojuje odstupující skupina. Tyto elektrony se přesunou na kyslík a víme, že tosyl je dobrá odstupující skupina. Nakreslíme si tedy do reakce produkt. Červeně označíme tento uhlík. Víme, že při SN2 mechanismu dochází k převrácení konfigurace. Nukleofil útočí z opačné strany, než je odstupující skupina. U odstupující skupiny jsme měli plný klínek, takže u chloru bude čárkovaný. Chlor nakreslíme přímo sem a toto je produkt naší SN2 reakce. V dalším příkladu máme sekundární alkylhalogenid. Opět nemůžeme na začátku vyloučit ani jeden z mechanismů. Všechny čtyři připadají v úvahu, dokud se nepodíváme na činidlo. V minulých videích jsme viděli, že DBN je silná báze a nechová se jako nukleofil. Můžeme tedy vyloučit SN1 a SN2. Silná báze znamená E2 reakci. Vyloučili jsme tedy i E1. Kdy už známe mechanismus, podívejme se na strukturu alkylhalogenidu. Uhlík, který se přímo váže na halogen je uhlík alfa a uhlíky přímo vedle něj jsou uhlíky beta. Označím jen ten vpravo, protože jsou oba vlastně stejné. Víme, že naše báze vezme proton z beta uhlíku. Nakreslím sem vodík. DBN je neutrální báze, nakreslím sem jen obecný vzorec pro bázi. Naše báze vezme tento proton a zároveň se tyto elektrony přesunou a vytvoří dvojnou vazbu. Tyto elektrony se odloučí a vytvoří bromidový anion. Konečným produktem je alken a fialově zvýrazněné elektrony vytvořily dvojnou vazbu. V dalším příkladu máme opět sekundární alkylhalogenid, takže všchny čtyři mechanismy jsou stále ve hře, dokud se nepodíváme na činidlo, což je tentokrát hydroxid sodný. Na⁺ a OH⁻. Víme, že hydroxidový anion se může chovat jako silný nukleofil nebo jako silná báze. Silný nukleofil nás směřuje k SN2 reakci a nikoli SN1. Silná báze zase naznačuje E2 mechanismus a nikoli E1. Reakce probíhá za zvýšené teploty a to favorizuje eliminační reakci. Hlavním reakčním mechanismem bude tedy E2. Když se podíváme na náš alkylhalogenid, uhlík navázaný přímo na halogen je alfa uhlík a uhlíky vážící se přímo na alfa uhlík jsou uhlíky beta. Máme tu dva beta uhlíky. Očísluju tento kruh. Alfa uhlík bude uhlík číslo 1 a půjdu po směru hodinových ručiček. 1, 2, 3, uhlík 4, uhlík 5 a nakonec uhlík 6. Dále si toto přepíšeme do naší židličkové konformace. Uhlík 1 bude tento uhlík a uhlík 2 bude tento uhlík. Toto bude uhlík 3, 4, 5, 6. Brom na alfa uhlíku směřuje směrem k nám, v nákresu tedy bude mířit nahoru. Když se podívám na uhlík 1, brom bude mířit axiálně nahoru. Na uhlíku číslo 2 máme methylovou skupinu směřující od nás za nákresnu, bude tedy mířit dolů. Na uhlíku číslo 2 bude tedy methylová skupina mířit axiálně dolů. Zajímá nás teď uhlík číslo 2. Zajímá nás tedy uhlík číslo 2, beta uhlík. Zajímá nás také uhlík číslo 6, což je další beta uhlík. Na těchto uhlících zakreslíme vodíky. Na uhlíku 2 máme ekvatoriální vodík mířící nahoru, a na uhlíku číslo 6 máme axiální vodík mířící dolů a ekvatoriální vodík směrem nahoru. Víme, že při E2 mechanismu silná báze odebírá proton a tento proton musí být postaven antiperiplanárně k halogenu. Zvýrazním tedy ten halogen, což je brom v axiální poloze. Musíme tedy vzít proton, který je antiperiplanární k tomuto bromu. Podívejme se nejdřív na uhlík číslo 2. Na uhlíku číslo 2 není žádný vodík umístěný antiperiplanárně k bromu. Na uhíku 6 ale takový máme. Je to ten axiální směřující dolů. Báze si tedy vezme tento proton... Nakresleme tedy hydroxidový ion, který je silnou bází. A tento hydroxidový ion si vezme ten proton a potom se tyto elektrony přesunou a vytvoří dvojnou vazbu. Současně tyto elektrony přeskočí na brom a vytvoří bromidový anion. Nakresleme si tedy produkt této reakce. Máme tady uhlíkový kruh s dvojnou vazbou mezi uhlíky 1 a 6. Dvojná vazba tedy vzniká zde. A na uhíku 2 zůstává methylová skupina směřující od nás za nákresnu. Nakreslím ji. Tyto červené elektrony jsou špatně vidět. Zkuste si je tady představit. Tyto elektrony se přesunou a vytvoří tuto dvojnou vazbu mezi uhlíky 1 a 6. Znovu je očísluju. Uhlík číslo 1, uhlík číslo 6. Není to názvosloví podle IUPAC, jen nám to pomáhá srovnat náš produkt s původním reaktantem. Toto bude tedy hlavním produktem naší reakce, pokud poběží podle E2 mechanismu. Mohly by vznikat i další produkty podle SN2 mechanismu. Ale protože reakce probíhá za tepla, probíhá přednostně eliminace. Dále tu máme sekundární alkohol s kyselinou fosforečnou za tepla. Hodně podobných příkladů jsme viděli ve videu o eliminačních reakcích. Vyloučíme tedy mechanismy SN1 a SN2. Nemáme ani silnou bázi, takže E2 to nebude. Zbývá nám E1. Prvním krokem bude protonizace alkoholu, aby vznikla skupina, která se lépe odštěpuje. Kyselina fosforová je zdrojem protonů a v prvním kroku tedy protonizujeme kyslík. Nakreslím uhlíkový kruh a na kyslík se naváže proton. Máme tedy kyslík se dvěma vazbami na vodíky, volným elektronovým párem a formálním nábojem +1. Tento volný elektronový pár elektronů na kyslíku uzme proton z kyseliny fosforečné a vytvoří tuto vazbu. Nyní máme lepší odstupující skupinu, než byl hydroxidový ion. Tyto elektrony se přesunou na kyslík. Z tohoto červeného uhlíku odebereme vazbu, což nám dá sekundární karbokation. Nakreslíme tedy sekundární karbokation, tento uhlík je ten červený. Kladný náboj je na tomto uhlíku. Nakreslím ho sem. Nyní zde máme vodu, která se chová v E1 reakci jako slabá báze. Vezme tedy proton z uhlíku sousedícího s kladně nabitým uhlíkem. Může to být tento uhlík. Má na sobě dva vodíky. Nakreslím tu jen jeden. Voda se tedy chová jako báze, vezme tento proton a tyto elektrony se přesunou sem a vytvoří dvojnou vazbu. Nakreslíme tedy konečný produkt. Budeme mít kruh s dvojnou vazbou mezi těmito dvěma uhlíky. Elektrony zvýrazněné fialově se přesunuly a vytvořily dvojnou vazbu. Naším produktem je tedy cyklohexen. Sekundární alkohol podstoupí E1 reakci, pokud je činidlem kyselina sírová nebo fosforečná a směs zahřejeme. V následujícím příkladu reaguje sekundární alkylhalogenid s vodným roztokem kyseliny mravenčí. Kyselina mravenčí je slabý nukleofil a voda je polární protické rozpouštědlo. Slabý nukleofil a polární protické rozpouštědlo by nás měly navést k SN1 mechanismu, protože voda jako takové rozpouštědlo může stabilizovat vznikající karbokation. Nakreslíme si karbokation, který bude vznikat. Tyto elektrony se přesunou na brom a tomu červenému uhlíku vezmeme jednu vazbu. Červený uhlík tedy dostane formální náboj +1. Nakreslíme ten karbokation. Máme tu benzenový kruh, zakreslím π elektrony. Tento uhlík zvýrazním červeně, ten bude mít ten formální náboj. Jedná se o sekundární karbokation, ale má také aromatický charakter, takže kladný náboj bude vlastně delokalizován díky π elektronům v benzenovém kruhu. Je tedy stabilnější, než běžné sekundární karbokationty. Pokud uvažujeme o SN1 mechanismu, náš karbokation je zároveň elektrofil. Nukleofilem v tomto případě bude kyselina mravenčí. V předchozím videu jsme viděli, že kyslík v karbonylu je lepší nukleofil než tento kyslík. Volný elektronový pár na kyslíku v karbonylu zaútočí na ten červený uhlík. Dostaneme tedy… Nakreslíme si výsledek ataku nukleofilu. Nebudu ukazovat všechny kroky mechanismu, protože se tomu věnuji do detailu v předešlém videu. Toto je z našeho SN1, SN2 finálního souhrnného videa. Nakreslím tedy, co bude vznikat. Bude tu uhlík s dvojnou vazbou na kyslík a tady bude vodík. Toto je náš produkt a tento uhlík je chirálním centrem, a jelikož je to SN1 mechanismus a náš karbokation je planární, nukleofil může přijít z obou stran a výsledkem bude směs enantiomerů. Opakuji, pro detailnější rozbor SN1 mechanismu se podívejte na finální video o SN1 a SN2 mechanismech. Dále se zamysleme nad tím, co dalšího by se tam mohlo dít. Vyloučili jsme SN2, vytvořili jsme karbokation. E1 by připadalo v úvahu, karbokationt tu máme a máme také slabou bázi. Slabou bází může být třeba právě voda, nakreslím tu jen obecný vzorec pro bázi. Na tomto uhlíku zakreslíme proton. Naše báze by mohla tento proton vzít a tyto elektrony by se přesunuly a vytvořily dvojnou vazbu. Zakreslíme si tedy další možný produkt. Máme tu benzenové jádro, pak je tu dvojná vazba. E1 mechanismus je tedy další z možností pro tuto reakci.