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 mechanismů organických reakcí
Rozpoznávání elektrofilů a nukleofilů. Naznačování pohybu elektronů s pomocí zahnutých šipek.
Chceš se zapojit do diskuze?
Zatím žádné příspěvky.
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.