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

Úvod do mechanismů organických reakcí

Rozpoznávání elektrofilů a nukleofilů. Naznačování pohybu elektronů s pomocí zahnutých šipek.

Chceš se zapojit do diskuze?

Zatím žádné příspěvky.
Umíš anglicky? Kliknutím zobrazíš diskuzi anglické verze Khan Academy.

Transkript

V předešlém videu jsme si řekli něco o nukleofilech a elektrofilech. A nyní se podíváme na některé jednoduché mechanismy v organické chemii. Naučíme se určit, který z reaktantů je nukleofil a který elektrofil. A také se naučíme zaznamenávat pohyb elektronů v rámci mechanismů. Vzpomeňme si z lekcí z obecné chemie, že mechanismy reprezentují jednotlivé kroky, ve kterých daná reakce probíhá. Koukněme se nyní na tento halogenalkan na levé straně této rovnice. Víme, že chlor má větší elektronegativitu než uhlík, bude tedy odčerpávat část elektronové hustoty od tohoto uhlíku, v důsledku bude uhlík mít kladný parciální náboj. Z předešlého videa víme, že pokud je tento uhlík kladně nabitý, bude pak sloužit jako elektrofilní centrum v molekule. Zaměříme se teď na tento hydroxidový iont, který jsme mohli dostat z hydroxidu sodného. Víme, že tento kyslík, jenž má záporný náboj, bude představovat nukleofilní centrum. Hydroxidový iont se bude chovat jako nukleofil. A tento uhlík v našem halogenalkanu se bude chovat jako elektrofil. Víme, že opačné náboje se přitahují, takže tento záporně nabitý kyslík bude přitahován k uhlíku halogenalkanu, na němž je kladný parciální náboj. Říkáme, že nukleofil atakuje elektrofil. Můžeme zde nakreslit zakřivenou šipku, abychom naznačili pohyb páru elektronů směrem k uhlíku. Zároveň se tyhle dva elektrony přemístí na atom chloru. Chlor měl na začátku tedy tři volné elektronové páry a nyní jsme mu přidali ještě jeden pár navíc. Zvýrazněme si jej růžově. Takže tyto dva elektrony se přemístily na chlor. Jsou to třeba tyhle dva. V důsledku bude na chloru záporný náboj, stane se z něj tedy chloridový iont a říkáme, že je odstupující skupinou. Mezi kyslíkem a kladně nabitým uhlíkem se vytvoří vazba. Řekněme tedy, že tento volný elektronový pár na kyslíku vytvoří výslednou vazbu. Ve výsledném produktu, jímž je alkohol, zmíněné dva elektrony jsou elektrony, které tvoří právě vzniklou vazbu. Toto je tedy jednoduchý příklad organicko-chemického mechanismu. Měli jsme zde pouze jeden krok, v němž došlo k nukleofilnímu ataku a zároveň oddělení odstupující skupiny. Naším cílem zatím není dopodrobna porozumět celému mechanismu. Naším cílem je pouze pochopit, jak se koncept nukleofility a elektrofility používá při řešení mechanismů v organické chemii, a procvičit si intuici v práci se zakřivenými šipkami při znázorňování pohybu elektronů. Koukněme se nyní na další mechanismus. Začneme tím, že si určíme, co je nukleofil a co elektrofil. Koukněme se nyní na tuto molekulu. Víme, že kyslík má vyšší elektronegativitu než uhlík. Kyslík tedy odčerpá část elektronové hustoty z tohoto uhlíku. Tento chlor udělá to samé, neboť chlor má rovněž vyšší elektronegativitu než uhlík. Tento uhlík má tedy málo elektronů, a má tím pádem kladný parciální náboj a bude se chovat jako elektrofil. K molekule přidáme octanový aniont, který jsme mohli dostat třeba z octanu sodného. Tenhle kyslík má záporný formální náboj a bude sloužit jako nukleofilní centrum. Octanový iont se bude tedy chovat jako nukleofil. Opačné náboje se přitahují, takže tenhle záporně nabitý kyslík bude přitahován k tomuto kladně nabitému uhlíku. Nukleofil atakuje elektrofil a přenos elektronů zaznamenáme zakřivenou šipkou. Vazbu mezi mezi uhlíkem a kyslíkem zatím formálně nakreslit nemůžeme. Nejprve musíme tyto π elektrony přesunout na tento kyslík, neboť nesmíme přesáhnout elektronový oktet ve valenční sféře uhlíku. Pojďme si namalovat, jak se elektrony budou přesouvat. Kyslík tady nahoře bude mít tři volné elektronové páry, díky čemuž bude mít formální náboj minus jedna. Pokud si zaznamenáme pohyb elektronů, tento elektronový pár se přesune odsud ke kyslíku, což způsobí formální záporný náboj na kyslíku. Stále tu ale máme chlor navázaný na uhlík. Tak si ho tu taky namalujme. Chlor má tři volné elektronové páry. A teď jsme vytvořili novou vazbu, vazbu mezi tímto kyslíkem a tímto uhlíkem. Označme si příslušné elektrony červeně. Takže ty červené elektrony vytvořily vazbu mezi kyslíkem a uhlíkem. A tento kyslík stále má dva volné elektronové páry. Dokresleme si zbytek molekuly. Máme tu karbonylovou skupinu se dvěma volnými elektronovými páry. A pak tu máme methylovou skupinu. Prvním krokem mechanismu je tedy nukleofilní atak. Nukleofil atakuje elektrofil. A tento mechanismus bude dvoukrokový, kde se ve druhém kroku odpojí odstupující skupina. Ve druhém kroku se elektronový pár na kyslíku přesune zpět, obnoví se karbonyl. A protože na uhlíku nemůžeme překročit oktet, přesunou se tyto dva elektrony na chlor, tedy na naši odstupující skupinu za vzniku chloridového iontu. Dokresleme mu zbylé elektrony. Ve výsledku tu bude záporný náboj. Takže tyto elektrony si označme modře. Tyhle modré elektrony se přesunuly na chlor za vzniku chloridového iontu. Odstupující skupina se odpojila a obnovila se karbonylová skupina. Za vzniku našeho konečného produktu. Jak jsme si řekli, není potřeba se zaobírat detaily mechanismu. Naším cílem je identifikovat nukleofil a elektrofil, porozumět přesunu elektronů a zamyslet se nad jednotlivými kroky mechanismu. Nukleofilní atak je v reakcích běžný, stejně jako ztráta odstupující skupiny. Pojďme si projít ještě jeden mechanismus. Začneme tím, že si řekneme, co bude nukleofil a co elektrofil. Koukněme se tady na tu molekulu. Víme, že kyslík má větší elektronegativitu než uhlík. Kyslík tedy odčerpá část elektronové hustoty z uhlíku. V důsledku čehož uhlík získá kladný parciální náboj. Takže se stane elektrofilním centrem molekuly. V prvním kroku reakce přidáme propyllithium. Uhlík má větší elektronegativitu než lithium, takže k sobě bude přitahovat tyto dva elektrony. V důsledku bude mít uhlík záporný parciální náboj. Vzhledem k tomu, že je zde rozdíl elektronegativit tak veliký, můžeme vzít tyhle dva elektrony z téhle vazby a přidělit je uhlíku. Takže zde máme tři uhlíky, nakresleme si je tu. A na tomhle uhlíku budou dva elektrony. Zvýrazněme si je růžově. Takže růžové elektrony budou příslušet uhlíku, což mu dá formální náboj minus jedna. A dostaneme tedy karbanion. Díky svému zápornému náboji je karbanion skvělým nukleofilem a bude atakovat elektrofilní část molekuly, kterou jsme si již určili. Opačné náboje se přitahují, takže záporný náboj bude přitahován ke kladnému. A v prvním kroku našeho mechanismu bude nukleofil atakovat elektrofil. Vazbu mezi těmi dvěma uhlíky zatím nakreslit nemůžeme, protože bychom na uhlíku měli 10 elektronů, čímž bychom přesáhli elektronový oktet. Musíme některé z elektronů přesunout jinam. Můžeme vzít tyhle dva elektrony a přesunout je na kyslík. Takže v prvním kroku nukleofil atakuje elektrofil, za vzniku vazby uhlík-uhlík. Máme tu tedy kyslík se třemi volnými elektronovými páry, které mu dávají formální náboj minus jedna. Zvýrazněme si elektrony, o nichž je řeč, modře. Takže elektrony přejdou ke kyslíku a dají mu formální náboj minus jedna. Teď si nakresleme onu vazbu mezi dvěma uhlíky. V tomhle lidé občas dělají chybu. Spočítat si správně všechny uhlíky může být ošemetné. Náš nukleofil obsahoval tři uhlíky. A zároveň jsme vytvořili jednu vazbu. Při kreslení se můžeme inspirovat produktem reakce na pravé straně. Jsou tam tři uhlíky. A růžově označené elektrony tvoří tuto vazbu. Dokončeme tedy kreslení našeho meziproduktu. Napojíme tři uhlíky, zvýrazněme si je tu. Jeden, druhý, třetí. A ty růžové elektrony budou tvořit vazbu mezi těmito dvěma uhlíky. Takže růžové elektrony tvoří vazbu mezi těmito dvěma uhlíky. Toto je tedy náš meziprodukt. Prvním krokem byl tedy nuklefilní atak. Pro druhý krok tu máme zdroj protonů. Zde používáme hydroxoniový kationt. V rychlosti si ho tu namalujme. Máme H tři O plus, takže kladný formální náboj na kyslíku. A druhým krokem mechanismu bude acidobazická reakce. Konkrétně přenos protonu. Tento záporně nabitý kyslík na našem meziproduktu se bude chovat jako zásada a přijme proton. Řekněme tedy, že třeba tento elektronový pár si vezme vodík z hydroxoniového aniontu a na kyslíku nechá tyto elektrony. Zvýrazněme si ty elektrony červeně. Takže ty červené elektrony se naváží na vodík. Budou vytvářet tuhle vazbu. A tohle je ten vodík. Výsledným produktem bude alkohol. Naším cílem je opět pouze se seznámit s tím, jak fungují nukleofily a elektrofily. Reakce podobné této budeme podrobněji probírat později. Poslední věc, o které si v tomto videu řekneme, je něco, čemu říkám Schwartzovy principy. Dr. Schwartz byl mým profesorem organické chemie na vysoké škole a byl nejlepším učitelem, jakého jsem kdy měl. Jednou mi řekl, že v organické chemii jde jen o pět věcí. Je třeba dávat pozor na valenční elektrony. Je třeba rozumět elektronegativitě. Je třeba chápat acidobazické reakce. Musíme znát oxidačně-redukční reakce. A v neposlední řadě je nutné chápat nukleofilitu a elektrofilitu. Vraťme se teď k tomu poslednímu mechanismu. A pojďme v něm najít všech pět Schwartzových principů. Zaměřme se první na valenční elektrony. Ve chvíli, kdy používáme zakřivené šipky, naznačujeme přesun valenčních elektronů. Elektronegativitu jsme používali hodně. Pomocí ní jsme si určovali, co bude nukleofil a co elektrofil. Třetí Schwartzův princip se týkal acidobazických reakcí. To jsme si ukázali, že byl vlastně druhý krok našeho mechanismu. V organické chemii se acidobazické reakce vyskytují poměrně hodně. Čtvrtý princip se týkal oxidačně-redukčních reakcí. Tahle reakce je oxidačně-redukční. Když atomům přiřadíme oxidační čísla, všimneme si, že naše výchozí látka podstupuje redukci. Počáteční keton je zredukován na alkohol. A posledním principem je nukleofilita a elektrofilita. Toho se týkal první první krok téhle reakce. Tím jsme se v našem povídání zabývali hodně. Není nutné mít všech pět principů v jednom mechanismu. To, že se všechny sešly v tom našem, je náhoda. Chtěl jsem vás jen seznámit se Schwartzovými principy. Pokud jim velmi dobře porozumíte, mechanismy se stanou jednoduššími.