Organická syntéza

Organická syntéza je specificky zaměřený obor chemické syntézy, který se zabývá stavbou organických sloučenin za pomoci organických reakcí. Organické molekuly jsou mnohdy složitější ve srovnání s čistě anorganickými sloučeninami, takže se syntéza organických sloučenin rozvinula v jedno z nejdůležitějších odvětví organické chemie. Dělení typů organických syntéz je velice ošidné z důvodu neustálého bouřlivého vývoje, a proto jsou zde uvedeny pouze základní reakce používané při organických syntézách.

Redukce

Úvod

Transformace organických sloučenin redukcí či oxidací patří mezi běžné a široce rozvinuté operace v organické syntéze. V anorganické chemii je redukce/oxidace definována jako přijímání/ztráta elektronů. +more To u organické chemie nejde, tudíž se při pozorování oxidačního stavu organické molekuly v organické chemii při redoxních reakcích používají určité účelové úpravy (zde jsou uvedeny jen ty nejvýznamnější):.

# Atomy uhlíku v uhlíkatém řetězci vystupují navzájem s oxidačním číslem 0. # Každá skupina s jedním atomem uhlíku je navenek bez náboje (elektroneutrální). +more # Atom vodíku má vždy formální oxidační číslo +I. # Atom kyslíku má s výjimkou peroxidů formální oxidační číslo -II.

Tudíž např. v molekulách ethanolu a ethanalu budou oxidační čísla následující:

-III . -I

CH3-CH2-OH

-III . +I

CH3-CH=O

Protože redoxní reakce jsou vždy reakcemi komplementárními, v níž se jedna sloučenina redukuje/oxiduje a druhá oxiduje/redukuje, posuzujeme v organické chemii tyto procesy z hlediska změny oxidačního čísla organické látky a sledujeme pouze změny, kterým podléhají konkrétní atomy, skupiny atomů a funkční skupiny.

Redukce: CH3-CH=O → CH3-CH2-OH (+I → -I)

Oxidace: CH3-CH2-OH → CH3-CH=O (-I → +I)

Reakce

Z mechanického hlediska se uvádí tři hlavní kategorie:

1) Připojení vodíku k násobné vazbě K těmto reakcím řadíme např.: Katalytickou hydrogenaci alkenů, alkynů a funkčních skupin s násobnými vazbami či katalytickou hydrogenolýzu vazeb.

R-CH=CH2 + H2 → R-CH2-CH3

Ar-CH2-N(CH3)2 + H2 → Ar-CH3 + (CH3)2NH

2) Adice elektronů, obvykle následována připojením protonu.

Soubor:Adice_Elektronů.PNG

3) Adice hydridového iontu, obvykle z komplexního hydridu, na polární násobné vazby např. C=O, COOR, C=N

Soubor:Adice_hydridového_iontu.PNG

Oxidace

Úvod

Oxidativní přeměny jsou po redukci jednou z nejdůležitějších metod změny oxidačního stavu funkčních skupin substrátu. Za oxidaci je považován každý proces, ve kterém sloučenina nebo skupina odevzdává elektrony. +more V organické syntéze se však většinou omezujeme na souhrn transformací při kterých dochází k jedné z následujících oxidativních přeměn organického substrátu:.

1) Přenos elektronu z organické molekuly na činidlo

Soubor:Přenos_elektronu_z_organické_molekuly_na_činidlo.PNG

2) Přijímání atomu kyslíku na atom uhlíku nebo heteroatom vázaný v molekule

RCHO + O → RCOOH

3) Snižování počtu atomů vodíku vázaných na atomu uhlíku nebo heteroatomu.

RCH2OH → RCHO + 2H

Reakce

Oxidativní přeměny probíhají řadou rozdílných mechanismů.

1) Jednoelektronové oxidace činidlem s vhodným redoxním potenciálem schopným jednoelektronové redukce (např. Fe3+ → Fe2+) probíhají úspěšně tehdy, vzniká-li oxidací relativně stálý radikál. +more Tímto mechanismem probíhá např. oxidace dvousytných fenolů na chinony.

Soubor:Jednoelektronová_oxidace.PNG

2) Dvouelektronová oxidace iontem kovu schopným dvouelektronové redukce obvykle probíhá přes stádium intermediátu, např. oxidace alkoholu na karbonylové sloučeniny.

Soubor:Dvouelektronová_oxidace.PNG

3) Odstraňování atomu vodíku na aktivovaném místě molekuly např. radikálová řetězová autooxidace aldehydů.

Soubor:Odstraňování_atomu_vodíku_na_aktivovaném_místě_molekuly.PNG

4) Další reakce

Přenos hydridového iontu na jinou molekulu (Cannizarrova reakce), připojení kyslíku do organické molekuly (Bayer-Villigerova oxidace), aj.

Halogenace

Úvod

Halogenací obecně označujeme nejen reakce, kdy halogen přímo působí na organický substrát, ale také všechny reakce, při kterých se vytváří vazba uhlík-halogen. Halogenderiváty hrají hlavní úlohu v alkylacích a arylacích při zavádění uhlíkatých řetězců do organické molekuly, neboť halogenové ionty patří mezi dobře odstupující částice. +more Z těchto důvodů obvykle halogenderiváty nepředstavují koncové produkty, ale reaktivní intermediáty v dalších transformacích.

Alifatické halogenderiváty

Pro zavedení halogenu do alifatického řetězce se využívá rozdílných substrátů a reakcí probíhající rozdílnými mechanismy, např. homolytickou substitucí alkenů a alkynů, nukleofilní substitucí kyslíkaté skupiny v alkoholech, etherech a karboxylových kyselinách, aj.

Reakce

;1) Halogenace adičními reakcemi

Adice halogenovodíků HX (X=F,Cl,Br,I) na alkeny a alkyny byla široce studována jak z mechanického hlediska, tak z praktického hlediska. Její význam je však limitován nežádoucími vedlejšími reakcemi. +more Snadnost adice halogenovodíků na jednoduché alkeny je v souladu s jejich klesající aciditou HI > HBr > HCl > HF. Adice obvykle probíhají regioselektivně a řídí se polarizací násobné vazby.

Stereoselektivita reakce závisí na mechanismu. Rozlišují se dva případy: via karbokation vznikající protonizací násobné vazby či termonukleární mechanismus spočívající v nukleofilním ataku na komplex alken-HX.

Soubor:Adice_halogenovodíku.PNG

Rozhodujícím faktorem určujícím typ mechanismu je stabilita intermediárního karbokationtu. Alkeny, které snadno vytvářejí stálý karbokation, preferují spíše mechanismus přes iontový pár a tedy cis-adici. +more termonukleární mechanismus preferuje trans-připojení na násobnou vazbu.

Dále můžeme zmínit adici halogenů, interhalogenů, hypohalogenkyselin a příbuzných činidel.

2) Substituční halogenace

Substituce vodíku halogenem. Alkany podléhají radikálové substituci fluorem, chlorem a bromem. +more Reakce s fluorem je nekatalyzovaná, substituci ostatních halogenů je nutno iniciovat vhodným způsobem (teplo, UV-záření, aj. ).

Soubor:Substituce_vodíku_halogenem.PNG

Substituce kyslíkatých funkčních skupin. Nejběžnějšími edukty halogenderivátů jsou odpovídající alkoholy. +more Protože hydroxyskupina je v nukleofilních substitucích skupinou špatně odstupující, musí se nejdříve aktivovat.

Soubor:Substituce_kyslíkatých_funkčních_skupin_halogenem.PNG

Substituce halogenů. Náhradou halogenu za jiný typ halogenu obvykle sledujeme změnu reaktivity halogenderivátu nebo změnu jeho užitných vlastností.

Soubor:Substituce_halogenů.PNG

Aromatické halogenderiváty

Zavádění halogenů na aromatické jádro elektrofilní substitucí je důležitým syntetickým pochodem. Chlor a brom jsou vůči aromatickým uhlovodíkům aktivní. +more Fluorace elementárním fluorem je silně exotermická, obtížně kontrolovatelná a zpravidla se volí činidla modifikovaná. Jodace elementárním jódem probíhá jen u reaktivních substrátů a provádí se obvykle aktivnějšími činidly. Mezi nejmírnější činidla pro chloraci a bromaci patří elementární halogeny, obvykle rozpuštěné v kyselině octové nebo v halogenovém rozpouštědle jako tetrachlormethan nebo chloroform.

Soubor:Elektrofilní_halogenace_aromatických_uhlovodíků.PNG

Nitrace, nitrosace a sulfonace

Při přípravě nitro- a nitrosolátek, resp. sulfonových kyselin využívá organická syntéza řadu postupů. +more Zde je zatím uvedena pouze substituce vodíkového atomu za nitro-, nitroso- či sulfoskupinu (za adice na dvojné vazbě).

Nitrace

;1) Nitrace alifatických sloučenin

Přímá nitrace alkanů kyselinou dusičnou nebo oxidy dusíku (N2O4,N2O5) má využití pouze v průmyslové sféře. V laboratoři je význam těchto metod značně omezen na jednoduché alkany a cykloalkany, přesto nitrací vznikají obvykle směsi sloučenin. +more Alifatické nitrosloučeniny vznikají např. adicí halogenidu nitrilu na dvojnou vazbu.

Soubor:Nitrace_alkenů.PNG

2) Nitrace aromatických sloučenin

Elektrofilní aromatická nitrace je důležitá metoda nejen pro tvorbu aromatických dusíkatých sloučenin. Transformací nitroskupiny a následnými přeměnami lze do aromatického jádra zavést řadu funkčních skupin. +more Aromatické nitraci podléhají i velmi málo reaktivní substráty, neboť dnes je k dispozici široká nabídka nitračních činidel. Nitrací fenolů a fenoletherů (již zředěnou kyselinou dusičnou) lze připravit monoderiváty.

Soubor:Nitrace_fenolů.PNG

Při nitraci fenolů do vyšších stupňů je třeba eliminovat nežádoucí oxidační působení nitrační směsi. Fenol se proto nejprve sulfonuje koncentrovanou kyselinou sírovou a pak teprve následuje nitrace.

Soubor:Nitrace_fenolů_do_vyšších_stupňů.PNG

Nitrosace

;1) Nitrosace alifatických sloučenin

Radikálová nitrosace alkanů není preparativně rozšířená, realizuje se v průmyslovém měřítku působením chloridu nitrosylu za iniciace ultrafialovým zářením.

Soubor:Nitrosace_cyklohexanu.PNG

2) Nitrosace aromatických sloučenin

Na rozdíl od nitrace podléhají elektrofilní nitrosaci jen aktivované substráty, tj. aminy a fenoly. +more Nejběžnějšími nitrosačními činidly jsou kyselina dusitá uvolňovaná obvykle z alkalického dusitanu a minerální kyseliny. Omezeně byl pro nitrosace používán i chlorid nitrosylu a oxid dusitý. Nitrosace fenolů probíhá přednostně do p-polohy, pouze v případě, kdy je tato poloha obsazena, vstupuje nitrososkupina do polohy ortho.

Soubor:Nitrosace_aromatických_sloučenin.PNG

Sulfonace

Sulfonací se v obvyklém slova smyslu rozumí reakce, při níž se substitucí atomu vodíku v molekule substrátu zavádí sulfoskupina SO3H nebo skupiny od ní odvozené, přitom vzniká vazba C-S.

1) Sulfonace alifatických sloučenin

Alifatické sloučeniny podléhají sulfonaci oxidem sírovým nebo činidly od něj odvozenými jen zřídka. Běžně se pro přípravu sulfonových kyselin využívají radikálové reakce s účastí oxidačního činidla (sulfochlorace, sulfooxidace) nebo reakce alkylační.

Soubor:Sulfonace_alyfatických_sloučenin.PNG

2) Sulfonace aromatických sloučenin

Sulfonace aromatických sloučenin je mnohostranně využitelná reakce a podléhá jí většina aromatických systémů včetně kondenzovaných. Na reaktivitě substrátu - analogicky jako při nitraci - závisí volba činidla. +more Sulfonace je z elektrofilních aromatických substitucí výjimečná v tom, že je vratná a sulfoskupinu je možno z molekuly aromatické sloučeniny opět odstranit. Dalším fenoménem sulfonace je možnost ovlivnit distribuci produktů kinetickým nebo termodynamickým řízením reakce. Tuto skutečnost lze dokumentovat na příkladu sulfonace fenolu koncentrovanou kyselinou sírovou.

Soubor:Sulfonace_fenolu.PNG

Alkylace a acylace

Alkylací a acylací nazýváme reakce, při nichž dochází k připojení alkylu nebo acylu k atomu uhlíku nebo heteroatomu (P,S,O,N,atd. ). +more Za alkylační reakce lze považovat také přípravu halogenderivátu nebo alkylaci kovů.

Alkylace alifatických sloučenin

V alifatických substrátech probíhají reakce obecně tímto způsobem:

Soubor:Alkylace_alifatických_sloučenin.jpg

Alkylační činidlo jakožto elektrofil reaguje s nukleofilem, který má k dispozici volný elektronový pár. Mechanismus reakce závisí především na povaze alkylačního činidla, charakteru nukleofilu a reakčních podmínkách. +more Síla alkylačního činidla se určuje podle síly kyseliny, od které je činidlo odvozeno. Mezi silná alkylační činidla patří např. dialkyl-sulfáty, naopak mezi slabé spadají např. halogenderiváty nebo estery arensulfonových kyselin.

Nukleofilem může být každá částice s nesdíleným elektronovým párem.

Příprava a reakce organokovových sloučenin

Jako organokovové sloučeniny nazýváme látky, v nichž je atom kovu M vázán na atom uhlíku. Vlastnosti vazby mezi uhlíkem a kovem závisí především na vlastnostech kovu, rozpouštědle a také na struktuře uhlíkatého zbytku.

Příprava organokovových sloučenin

Náhrada funkční skupiny kovem

Nejdůležitější metoda přípravy organokovových sloučenin je Reakce halogenderivátů s kovy. Nejpoužívanější k těmto reakcím jsou především skupiny halogenidů.

Soubor:Příprava_organokovových_sloučenin.jpg

Náhrada vodíku kovem

Reakci, při níž dojde k náhradě vodíku za kov, umožňují pouze velmi silné C-kyseliny. Význam reakcí je však pouze omezený. +more Mezi nejběžnější patří např. tvorba organolithných sloučenin.

Výměna kovu za kov

Výměna kovu za kov (tzv. transmetalace) je velmi často používanou a univerzální metodou přípravy organokovových sloučenin. +more Nejjednodušším způsobem, jak dosáhnout transmetalace je přímá substituce organokovové sloučeniny kovem jiným. Toho je možné dosáhnout pouze v případě, že kov, kterým chceme substituovat je elektropozitivnější, než kov vázaný ve sloučenině. Tímto postupem je možno dosáhnout velmi čistých organokovů bez příměsí jakýchkoliv solí.

Soubor:Výměna_kovu_za_kov.jpg

Druhá metoda zahrnuje výměnu kovu mezi organokovovým činidlem (nejčastěji Grignardovým) a halogenidem kovu.

Soubor:Výměna_kovu_mezi_organokovovým_činidlem_a_halogenidem_kovu.jpg

Velmi ojedinělou metodu představuje výměnná reakce mezi dvěma organokovovými činidly. Tato metoda se využívá především k přípravě organolithných činidel.  

Příprava a reakce diazoniových solí

Tvorba diazoniových solí

Diazoniové soli vznikají pouze v kyselém prostředí při reakci primárních aminů s kyselinou dusitou. Princip diazotace je v reakci elektrofilního nitrosoniového iontu s nukleofilním dusíkem aminu.

Diazotaci podléhají jak alifatické, tak aromatické aminy. První jmenované jsou však velmi nestabilní a rozpadají se na molekulární dusík a reaktivní karbokation. +more Aromatické diazoniové ionty jsou za nízkých teplot relativně stabilní. Za určitých podmínek mohou být diazoniové ionty izolovány jako soli (např. BF4-; CF3COO-, atd. ).

Reakce diazoniových solí

# Monomolekulární rozklad diazoniového iontu #: Při této reakci vzniká velmi nestabilní fenylový kation, díky tomu se ke iontu může připojit jakýkoliv nukleofil za vzniku neutrální molekuly. # Jednoelektronový přenos #: Tento mechanismus se uplatňuje v reakcích, kde jako katalyzátor vystupuje měď nebo její soli. +more  .

Eliminace

Rozlišujeme 2 základní typy eliminace.

1. α-eliminace

Při tomto druhu eliminace se dva atomy nebo skupiny atomů oddělí z jednoho a téhož atomu. Výsledkem je nestálá částice.

2. β-eliminace V tomto případě se atomy nebo skupiny atomů oddělí ze dvou sousedních atomů za vzniku násobné vazby.

a. Monomolekulární reakce

b. Bimolekulární reakce

Dehydratace

Dehydratace alkoholů

Dehydratací alkoholů rozumíme eliminaci vody z alkoholů účinkem kyselých katalyzátorů, nejčastěji se provádí pomocí kyseliny sírové nebo fosforečné. Nejčastěji se dehydratují terciární alkoholy, dehydratace sekundárních a primárních alkoholů vyžaduje koncentrovanou kyselinu a vysoké teploty.

Extruze

Extruze jsou tepelně nebo fotochemicky vyvolané reakce, při nichž atom, nebo skupina atomů Y vázaná k jiným atomům X, Z, se eliminuje z molekuly substrátu za vzniku nového produktu X-Z.

Soubor:Extruze.jpg

Extruze se využívá především k výrobě alkenů a cyklických sloučenin.

Externí odkazy

Literatura

Kategorie:Chemická syntéza Kategorie:Organická chemie