Hlavní obsah
Kurz: Organická chemie > Kapitola 5
Lekce 5: SN1 a SN2- Rozpoznávání nukleofilních a elektrofilních center
- Jak správně používat zahnuté šipky v organické chemii
- Úvod do mechanismů organických reakcí
- Názvosloví a typy alkylhalogenidů
- Mechanismus SN1 reakcí: Kinetika a vliv výchozí látky
- Mechanismus SN1 reakcí: Stereochemie
- Úvod do stability karbokationtů a jejich přesmyků.
- Procvičování přesmyku karbokationtů
- Mechanismus SN1 reakcí: Přesmyk karbokationtu
- SN1 přesmyk karbokationtu (pokročilý)
- Mechanismus SN2 reakcí: Kinetika a vliv výchozí látky
- Mechanismus Sn1 reakcí: Stereospecificita
- Sn1 a Sn2: odstupující skupina
- SN1 versus SN2: Vliv rozpouštědla
- SN1 versus SN2: Shrnutí
Úvod do stability karbokationtů a jejich přesmyků.
Zakreslování karbokationtů pomocí Lewisových struktur. Model, na kterém je ukázán volný p orbital. Hyperkonjugace a přesmyky, které vedou ke stabilnějším karbokationtům.
Chceš se zapojit do diskuze?
Zatím žádné příspěvky.
Transkript
Máme zde tři různé obrázky
jednoho karbokationtu. Karbokation má v sobě kladně nabitý uhlík,
což obecně v chemii nazýváme kationtem. Spojením označení pro "uhlík"
a "kation" získáme název "karbokation". Nejprve se podíváme
na obrázek uprostřed. Tento uhlík je kladně nabitý. Obvykle má uhlík čtyři vazby,
ale zde je má jenom tři. Zde je první, zde druhá a třetí. Tím, že má pouze tři vazby,
uhlík získává formální náboj plus jedna. Karbokationty jsou velmi reaktivní,
protože uhlík chce vytvořit čtvrtou vazbu. Teď se podíváme na stejný
karbokation na obrázku vlevo. Uhlík nesoucí formální kladný náboj
je teď označen purpurově. Protože je to konformační vzorec,
ve které se nekreslí atomy, občas studenti zapomínají, že na uhlík nesoucí kladný náboj
je pořád navázán jeden vodík. Dávejte si na to pozor,
když se díváte na konformační vzorce. Pojďme si ale prozkoumat obrázek
karbokationtu vpravo. Purpurový uhlík nesoucí formální
kladný náboj je teď zde. Jelikož tento uhlík má pouze tři vazby,
je sp² hybridizovaný. Dobře víme z minulých videí, že sp² hybridizovaný uhlík
má nehybridizovaný p orbital. Ten nehybridizovaný
p orbital je zde. Dále dobře víme, že uspořádání atomů
u sp² hybidizovaného systému je planární. Pokusím se nakreslit planární
rovinu tak, aby bylo názorné, že atomy spojené s prostředním
uhlíkem leží v jedné rovině. Pojďme se podívat na model
tohoto karbokationtu. Zde je sp² hybridizovaný uhlík,
a zde je volný p orbital. Vlevo vidíme, že methylová skupina
je přímo připojená na kladně nabitý uhlík. Vpravo máme druhou přímo
navázanou methylovou skupinu. Takže máme dvě alkylové skupiny,
připojené ke kladně nabitému uhlíku, a proto nazýváme tento
karbokation sekundárním, protože má dvě alkylové skupiny
přímo vázané na kladně nabitý uhlík. Tyto alkylové skupiny přispívají
ke stabilizaci karbokationtu. Pojďme si to ukázat. Část elektronové hustoty z této vazby
může být sdílena s volným p orbitalem. Opačné náboje se přitahují,
proto sdílení elektronové hustoty pomáhá stabilizovat
kladný náboj na uhlíku. Takže alkylové skupiny
stabilizují karbokationty. Alkylová skupina vpravo dělá stejnou věc. Část elektronové hustoty C-H vazby
je sdílená s prázdným p orbitalem. Ale ten vodík vzadu nemůže
stabilizovat karbokation, protože nemůže sdílet elektronovou hustotu
s prázdným p orbitalem. To uspořádání není správné. Ještě jednou, alkylové skupiny
stabilizují karbokationty, zatímco vodíky nestabilizují. Se zvýšením počtu alkylových skupin
roste stabilizace karbokationtu. Viděli jsme, že alkylové skupiny
stabilizují karbokationty sdílením elektronové hustoty
s prázdným p orbitalem. Tento efekt se
nazývá hyperkonjugace. Se zvýšením počtu alkylových skupin
roste stabilizace karbokationtu. Podíváme se na karbokation vlevo. Máme jeden alkylový karbokation
na kladně nabitém uhlíku, proto se tento karbokation
nazývá primárním. Karbokation uprostřed má dvě alkylové
skupiny navázané na kladně nabitý uhlík. Tento karbokation bude sekundárním
stejně jako karbokation z modelu nahoře. Konečně máme karbokation
se třemi alkylovými skupinami navázanými na kladně nabitý uhlík
a ten se nazývá terciárním. Čím více tam máme alkylových skupin,
tím stabilnější je daný karbokation. Proto terciární karbokation
je stabilnější než sekundární. A sekundární karbokation
je mnohem stabilnější než primární. Primární jsou natolik nestabilní,
že dokonce můžou neexistovat. Proto se zaměříme na sekundární
a terciární karbokationty. Jelikož už rozumíme
stabilitě karbokationtů, můžeme se posunout
ke karbokationtovým přesmykům. Jedním z možných
přesmyků je ten, kterému se říká
hydridový posun. Nejprve ale musíme zjistit,
co je to hydridový ion. Víme, že vodík má
jeden valenční elektron. Odstraněním toho elektronu
z atomu vodíku vznikne H plus, což je, jak dobře víme, proton. Po přidání elektronu k neutrálnímu atomu
vodíku bude mít hned 2 valenční elektrony. Nakreslím to sem. Tím získáme formální
záporný náboj minus jedna. A přesně to je hydridový ion. Vodík se dvěma elektrony a formálním
záporným nábojem minus jedna je hydrid. K hydridovému posunu může dojít, pokud je možná tvorba
více stabilního karbokationtu. Podíváme se na
tento karbokation. Víme, že tento uhlík má
formální náboj plus jedna. Zde je první alkylová skupina,
a zde je druhá. Tohle je sekundární karbokation. Můžeme provést
hydridový posun. Než tady ukážeme,
jak se kreslí hydridový posun, pojďme se podívat na video,
abychom to viděli na modelu. Zde máme náš
sekundární karbokation. Vidíme, že prostorové uspořádání sp²
hybridizovaného uhlíku je planární. Dále zde vidíme prázdný
nehybridizovaný p orbital, a dvě alkylové skupiny
přímo navázané na nabitý uhlík. Vpravo je methylová skupina. Vlevo je tato velká
alkylová skupina. Vzadu je vodík. Všimněte si, že sdílíme
elektronovou hustotu této vazby s volným p orbitalem. Víme, že tím dosahujeme
stabilizace karbokationtu. Odebereme zde volný p orbital
a ukážeme hydridový posun. Pamatujeme si, že hydrid
je vodík se dvěma elektrony. Vezmu si ten vodík se dvěma
elektrony tvořícími vazbu a provedu posun z toho uhlíku
na tento uhlík. Tohle je hydridový posun. Protože jsme odebrali
dva elektrony z této vazby, uhlík musí zůstat kladně nabitý
a musí zaujmout planární uspořádání. Protože jsem zde musel
použit tetraedrický uhlík, vezmu si nový model
se správnou novou hybridizací, ve které nový
kation bude planární. Uhlík vpravo teď
má být tetraedrický. Z hybridizace sp³ jsme
získali hybridizaci sp². Vezmu si nový model a podíváme se
na nové uspořádání karbokationtu. Tento uhlík má teď sp² hybridzaci
a dobře vidíme, že má planární uspořádání. Tohle je nový tetraedrický uhlík. Máme zde první methylovou skupinu,
druhou methylovou skupinu a ten velký alkyl tady. Terciární karbokationty jsou
stabilnější než sekundární. Dále vidíte, že se tento uhlík
stal sp³ hybridizovaným, a proto je teď tetraedrický. Z původního planárního uspořádání
přešel k tetraedrické. Pojďme nakreslit hydridový posun,
který jsme teď viděli ve videu. Víme, že na tomto uhlíku je vodík. Tento vodík se dvěma elektrony
se může přesunout na tento uhlík vpravo, a tím vytvořit
stabilnější karbokation. Nakreslíme ten
nový karbokation. Označím tento vodík červeně. Připomínám, že jsme odebrali celou vazbu
z tohoto uhlíku vlevo. Z toho tyrkysového uhlíku. Tohle už je terciární karbokation, takže sem napíšeme
formální náboj plus jedna. Všimnete si, že na tomto uhlíku
byl původně vodík a po přesmyku v novém karbokationtu
tam pořád zůstává. Tohle bylo názornější ve videu. Cílem přesmyku je vznik
stabilnějšího karbokationtu. Ze sekundárního karbokationtu vlevo
jsme získali terciární karbokation vpravo, který, jak víme, je stabilnější. Pojďme se ještě podívat na jeden
druh přesmyku karbokationtu. Tento přesmyk se
nazývá methylový posun. Máme tu tento
sekundární karbokation. Uhlík nesoucí kladný náboj je přímo
spojen s methylovou skupinou vpravo a s terc-butylovou skupinou vlevo. V případě methylového posunu
jedna methylová skupina migruje z tohoto uhlíku vlevo
na tento uhlík vpravo. Zvýrazním to pomocí barev. Označím uhlík vlevo červeně
a uhlík vpravo modře. Methylová skupina migruje
z červeného uhlíku na modrý uhlík. Podíváme se na výsledek
methylového posunu. Získáme karbokation,
který vypadá takhle. Červený uhlík ztrácí vazbu. Původně byl tetraedrický
sp³ hybridizovaný, ale po zániku vazby se z něj stává
planární sp² hybridizovaný uhlík s formálním nábojem plus jedna. Modrý uhlík byl původně planární
a sp² hybridizovaný, ale následně získal
methylovou skupinu. Tohle je methylová skupina,
kterou získal, a tohle je ten modrý uhlík. Tím z původní sp²
hybridizace se stává sp³. Pamatujeme si, že na tomto modrém
uhlíku původně byl vodík a po methylovému posunu
tam pořád zůstává. Získali jsme terciární karbokation, který je, jak víme,
stabilnější než sekundární. Takže methylový posun
vedl ke vzniku stabilnější struktury.