ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΣΤΗΝ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ ΜΕΣΩ ΕΛΕΥΘΕΡΩΝ ΡΙΖΩΝ Αντιδράσεις Μεταξύ Μορίων Ελευθέρων Ριζών

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΣΤΗΝ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ ΜΕΣΩ ΕΛΕΥΘΕΡΩΝ ΡΙΖΩΝ 5.1. Αντιδράσεις Μεταξύ Μορίων Ελευθέρων Ριζών Οι αντιδράσεις ριζών-ριζών είναι σημαντικού συνθετικού ενδιαφέροντος γιατί οδηγούν στην εξουδετέρωση μορίων ριζών και τερματισμό αλυσιδωτών (αλυσωτών) αντιδράσεων. Υπάρχουν δύο τύποι αντιδράσεων μεταξύ ριζών: α) συνδυασμός (recombination) που οδηγεί σε ένα μόριο. β) δυσανάλογη κατανομή (disproportionation) που οδηγεί στη μεταφορά υδρογόνου από μία ρίζα σε μία άλλη, σχηματίζονται δύο μόρια, εκ των οποίων το ένα είναι κορεσμένο και το άλλο ακόρεστο k r recombination k d disproportionation = Οι αντιδράσεις συνδυασμού αποκαλούνται και αντιδράσεις σύζευξης (coupling) ή διμερισμού (dimerization), όταν οι ρίζες είναι όμοιες. Αρκετές έρευνες έχουν γίνει για το είδος αυτό αντίδρασης στην αέρια φάση και σε διάλυμα. Οι αντιδράσεις συνδυασμού είναι εξώθερμες (περίπου 80 kcal/mol). Στην αέρια φάση η ταχύτητα εξαρτάται από τη συχνότητα συγκρούσεων των ριζών. Στην περίπτωση της ρίζας μεθυλίου κάθε αντίδραση συμβαίνει για κάθε 4-6 συγκρούσεις. 66

2 ( 3 ) 3 ( 3 ) 3 ( 3 ) 3 ( 3 ) 3 Στην περίπτωση των αντιδράσεων δύο ριζών σε διάλυμα μπορούν να γίνουν οι παρακάτω συζεύξεις: α) οι ρίζες που δημιουργήθηκαν ξεχωριστά διαχέονται στο διάλυμα πριν συνενωθούν και η ταχύτητα επανένωσης περιορίζεται από την ταχύτητα διάχυσης. β) οι ρίζες παράγονται σε ζεύγη από πρόδρομο ουσία (καλούνται geminate) και συνενώνονται στoν κλωβό του διαλύτη (solvent cage), πριν την διάχυση. Οι διαλύτες που χρησιμοποιούνται είναι κυρίως κυκλοεξάνιο, βενζόλιο, τετραχλωράνθρακας, νερό κλπ, που έχουν χαμηλή ρευστότητα και οι ταχύτητες διάχυσης για τις διάφορες ρίζες δεν διαφέρουν μεταξύ τους. Η θερμοκρασία δεν παίζει σημαντικό ρόλο στην σταθερά ανασυνδυασμού (constant of recombination) ριζών (kr) 10 9 M -1 s -1 για ρίζες που είναι ελαφρά υποκατεστημένες. Για παράδειγμα στη ρίζα μεθυλίου, 3, η kr είναι Μ-1s-1 σε διάλυμα και 2.4x1010 Μ-1s-1 στην αέρια φάση. Η στερεοχημική παρεμπόδιση ή η φύση των υποκαταστατών παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στην σταθερά ανασυνδυασμού των ριζών. Οι ρίζες διtert-βουτυλομεθυλίο (1) και 2,4,6-τρι-tert-βουτυλοφαινύλιο (2), έχουν ημιζωή 6 και 0.1 δευτερόλεπτα και ο ανασυνδυασμός τους είναι δύσκολος λόγω στερεοχημικής παρεμπόδισης. 67

3 t - Bu t - Bu t - Bu t - Bu (1) (2) t-bu Για τον ίδιο λόγο η τριφαινυλομεθυλο- ρίζα δεν συνενώνεται σε ζεύγος αλλά δίνει ένα προϊόν προσθήκης στον αρωματικό πυρήνα. 2 Ph 3 Ph Ph Ph 3 Η θερμοδυναμική σταθερότητα που παρέχουν οι υποκαταστάτες είναι σχετική. Στην περίπτωση της επανένωσης της δι-κυανοαμινοαιθυλο- ρίζα η ενέργεια ενεργοποίησης είναι υψηλή (6.4 kcal/mol) και δεν οφείλεται στην στερεοχημική παρεμπόδιση αλλά στη δέσμευση του ασύζευκτου ηλεκτρονίου. 2 Ea = 6.4 kcal/mol P 2 2 Όταν δύο ρίζες επανενώνονται στον κλωβό του διαλύτη τότε ευνοείται και διατηρείται η στερεοχημεία του μορίου. Η θερμική αποσύνθεση των οπτικά ενεργών αζω- ενώσεων δείχνει ότι η αναστροφή της ρίζας είναι 15 φορές ταχύτερη από την ανασύνθεση. Ph Ph 3 2 Ph Ph 2 3 cage 2 Ph 2 2 Ph 3 68

4 Η δυσανάλογη ανακατανομή (disproportionation) γίνεται με μεταφορά του β υδρογόνου από το ριζικό κέντρο σε άλλη ρίζα δίνοντας ένα κορεσμένο μόριο και ένα ακόρεστο μόριο. Ph ad -ad 3 Η πιθανότητα να λάβει χώρα μια τέτοια αντίδραση αυξάνεται σύμφωνα με τον αριθμό των β υδρογόνων. Στην τρι-tert- βουτυλο- ρίζα, επειδή δεν υπάρχει β υδρογόνο, δεν γίνεται η δυσανάλογη ανακατανομή στο προϊόν, ενώ ο διμερισμός είναι αργός λόγω της στερεοχημικής παρεμπόδισης και η ρίζα είναι αρκετά σταθερή (χρόνος ημιζωής = 15 δευτερόλεπτα). Η φαινυλο- ρίζα δίνει μόνο προϊόντα επανένωσης, ενώ η δυσανάλογη ανακατανομή θα έδινε βενζίνιο το οποίο είναι εξαιρετικά ασταθές. t - Bu t - Bu t - Bu Η δυσανάλογη ανακατανομή μπορεί να λάβει χώρα με αργό ρυθμό από στερεοχημικούς παράγοντες και την στερεοδιαμόρφωση του μορίου. Η ρίζα τρι-ισοπροπυλομεθύλιο είναι σταθερή λόγω στερεοχημικής παρεμπόδισης αλλά και από την θέση των β-υδρογόνων που είναι ορθή γωνία ως προς το p τροχιακό που περιλαμβάνει το ασύζευκτο ηλεκτρόνιο, με αποτέλεσμα να μειώνεται η τάση προς δυσανάλογη ανακατανομή. Me Me Me Me Me Me 69

5 5.2. Αντιδράσεις Υποκατάστασης με Ελεύθερες Ρίζες Οι διμοριακές ομολυτικές αντιδράσεις υποκατάστασης (substitution reactions), που συμβολίζονται με 2, είναι σημαντικές ως πρωτογενείς αντιδράσεις σε αλυσιδωτούς μηχανισμούς. Στις αντιδράσεις αυτές οι ελεύθερες ρίζες λαμβάνουν μέρος σε διάφορες διεργασίες. Στην ένωση ad2a, ένα τμήμα της αντικαθίσταται από την ρίζα ad1 και σχηματίζεται μια νέα ρίζα ad2. ad1 ad2a ad1a ad2 Ο τύπος αυτός αντίδρασης φανερώνει τις μεγάλες διαφορές μεταξύ της χημείας των ριζών και της ιοντικής χημείας. Υποκαταστάσεις πάνω σε άνθρακα συνήθως εμφανίζονται στην ιοντική χημεία, ειδικά σε πυρηνόφιλες υποκαταστάσεις του τροχιακού sp3 του άνθρακα ή του τροχιακού sp2 στις ηλεκτρονιόφιλες υποκαταστάσεις. Αυτό συμβαίνει λόγω της πολικότητας του δεσμού που διασπάται, ενώ στη χημεία των ριζών το φαινόμενο αυτό είναι σπάνιο. Στις αντιδράσεις μεταφοράς ή απόσπασης, όπου υπάρχει μονοσθενές άτομο, δηλαδή υδρογόνο (Η) ή χλώριο (l), το πρώτο στάδιο διέρχεται από μια γραμμική και συντονισμένη ή συναρμοσμένη μεταβατική κατάσταση (concerted transition state), όπου ένας δεσμός διασπάται την ίδια στιγμή που ένας άλλος σχηματίζεται. Η ρίζα προσβάλει σε ευθεία μετωπική φάση το μόριο. 1 A 2 [ 1... A... 2 ]** 1 A 2 (όπου Α = Η ή l) Στην περίπτωση που το Α είναι πολυσθενές άτομο υπάρχουν δύο τύποι μηχανισμών : 70

6 α) εάν είναι υπεροξείδιο τότε ο μηχανισμός είναι διεργασία ενός σταδίου : β) εάν το Α είναι ένα άτομο φωσφόρου η αντίδραση αντικατάστασης γίνεται σε δύο στάδια με μεταβατική κατάσταση. Στην αρχή σχηματισμός μίας ενδιάμεσης ρίζας και μετά α-θραύση του ενδιαμέσου. P 3 P P 2 Οι αντιδράσεις μεταφοράς υδρογόνου, με τη δράση ελεύθερης ρίζας σε δεσμό, γίνονται μέσω μιας γραμμικής μεταβατικής κατάστασης που είναι παρόμοιες με τις αντιδράσεις 2 (πυρηνόφιλη υποκατάσταση), αλλά δεν έχουν στερεοεκλεκτικότητα στον άνθρακα και μόνο ασθενή στερεοπαρεμπόδιση. Στις αντιδράσεις αυτές μπορούμε να μετρήσουμε τη σχετική ταχύτητα της αντίδρασης και τη σχετική δραστικότητα συγκρίνοντας διάφορους υποκαταστάτες, εκ των οποίων ο ένας λαμβάνεται ως δείγμα αναφοράς, με την απόδοση του προϊόντος. Παράδειγμα η χλωρίωση της 2,3- διμεθυλοβουτάνιο όπου η αναλογία 1/2 του τριτοταγούς και πρωτοταγούς χλωριδίου είναι 6 : k 1 l 2 l 3 3 l k p 3 3 l l

7 Η μεταφορά αλογόνου (μονοσθενές άτομο) από το δεσμό γίνεται ή μπορεί να επιτευχθεί με μετωπική προσβολή της ελεύθερης ρίζας στο αλογόνο. Ενδιάμεσα υπάρχει γραμμική μεταβατική κατάσταση. Στην αντίδραση αυτή υπάρχουν σημαντικές διαφορές από την 2 αντίδραση, όπου το νουκλεόφιλο αντιδραστήριο προσβάλει το δεσμό. Η δραστικότητα της μεταφοράς αλογόνου από δεσμό με ανθρακο- ρίζα εξαρτάται από τις ενέργειες διάστασης του δεσμού. Το φθόριο είναι δύσκολο να μεταφερθεί, αλλά το ιώδιο μεταφέρεται ταχύτατα, με αποτέλεσμα να χρησιμοποιείται ως δεσμευτής ανθρακο- ριζών. Οι αντιδράσεις αυτές χρησιμεύουν για την παραγωγή βρωμο- και χλωρο- παραγώγων σε διαλύματα, όπως ο τετραχλωράνθρακας και το βρωμο-τριχλωρομεθάνιο. F < l < Br < I Όταν μία ένωση έχει ένα υδρογόνο και ένα αλογόνο στον ίδιο άνθρακα, τότε η αντίδραση είναι χημειο-εκλεκτική (chemoselective). Το υδρογόνο μεταφέρεται εκλεκτικά σε σχέση με τα χλωρο- παράγωγα, ενώ το αντίθετο συμβαίνει με τα βρωμο- και ιωδο-παράγωγα. = l = Br, I Η στερεοεκλεκτικότητα στις αντιδράσεις μεταφοράς με ελεύθερες ρίζες παίζει σημαντικό ρόλο. Στις περισσότερες περιπτώσεις η ανθρακο- ρίζα είναι πρακτικά επίπεδη και η αντίδραση μεταφοράς μπορεί να συμβεί από την μία ή την άλλη πλευρά του επιπέδου της. Η στερεοδιαμόρφωση των ατόμων και οι στερεο-ηλεκτρονικοί παράγοντες δημιουργούν διαφορές στις δύο πλευρές του 72

8 επιπέδου (ετεροτοπία, heterotopy). Αλλά ως γενικός κανόνας ισχύει το γεγονός ότι με την άνοδο της θερμοκρασίας η στερεο-εκλεκτικότητα μειώνεται σημαντικά. Παράδειγμα η ένωση 1-23 που αντιδρά με το αλκυλαλογονίδιο και δίνει δύο στερεοχημικά παράγωγα Υπάρχουν αρκετά παραδείγματα τέτοιων αντιδράσεων όπου η στερεοεκλεκτικότητα εξαρτάται από τη στερεοδιάταξη (π.χ. πυραμιδική δομή), στερεο-παρεμπόδιση (π.χ. σε κυκλικά συστήματα παίζει ρόλο η θέση της προσεγγισης της ρίζας) ή η χωροδιαμόρφωση των ατόμων που κάνει την προσβολή της ρίζας εκλεκτική. Όπως στο παράδειγμα όπου η ρίζα. προσβάλει στον άνθρακα που φέρει το μεθύλιο σε syn ή anti θέση, ανάλογα με τη στερεο-παρεμπόδιση που δέχεται. syn anti Y 3 cis trans Η μεταφορά αλογόνου, σε αντίθεση με το υδρογόνο που μπορεί να γίνει σε μεγαλύτερη ακτίνα (1,3- μεταφορά), είναι σπάνια. Το χλώριο υπόκειται σε 1,2- μεταφορά. Στο παράδειγμα, το χλώριο του μορίου l3 2Br υπόκειται σε μεταφορά, αλλά όχι το βρώμιο, μέσω της μεταβατικής κατάστασης. Φασματοσκοπικές μελέτες και υπολογισμοί 73

9 δείχνουν ότι η β-χλωροαιθυλο- ρίζα προτιμά την παρακάτω διαμόρφωση, όπου ο δεσμός l καλύπτει το p τροχιακό που φέρει το ασύζευκτο ηλεκτρόνιο. Η διαμόρφωση αυτή ευνοεί μια διασυμμετρική γεφυρωμένη δομή που δίνει τελικά την 1,2- μεταφορά. l l l 2 Br l 3 2 Br l 2 l 2 Br 5.3. Αντιδράσεις Προσθήκης με Ελεύθερες Ρίζες Οι αντιδράσεις προσθήκης ελευθέρων ριζών είναι μία από τις πιο συνηθισμένες μεθόδους δημιουργίας δεσμών ή Ε (Ε=ετεροάτομο) και στην παραγωγή προϊόντων με πολλαπλές χαρακτηριστικές ομάδες. Συνήθως στις αντιδράσεις αυτές η ρίζα προστίθεται σε ακόρεστο σύστημα = και. Η ταχύτητα της προσθήκης εξαρτάται από τους υποκαταστάτες στην ρίζα και στο διπλό δεσμό. ~2.27 A 0 β α β θ=107 0 α β α Γενικά, η προσθήκη ανθρακο- ρίζας σε διπλό δεσμό = είναι εξώθερμη αντίδραση με περίπου 20 kcal/mol, από την ενέργεια που χρειάζεται για τη θραύση του π δεσμού (54-59 kcal/mol) και την ενέργεια που εκλύεται με το σχηματισμό του (88 kcal/mol). Οι ενέργειες ενεργοποίησης είναι της τάξης των 3-8 kcal/mol. Η μεταβατική κατάσταση είναι αποτέλεσμα της εξωθερμικότητας της αντίδρασης και επιβεβαιώνεται από θεωρητικούς υπολογισμούς που δείχνουν ότι, α) εάν η δομή της 74

10 μεταβατικής κατάστασης είναι διασυμετρική, με γωνία που είναι περίπου 107ο, περίπου όσο και η τιμή για ένα τροχιακό του άνθρακα sp3 (109.5o), β) ο δεσμός που σχηματίζεται είναι σχετικά μακρύς ( 2.27 Angstrom αντί του 1.54 στην προπυλο- ρίζα) και γ) ο δεσμός που διασπάται είναι σχετικά ανέπαφος. Για την τροχιακή μετατροπή, στην περίπτωση της μεταβατικής κατάστασης που είναι κοντά στα αρχικά προϊόντα, μας επιτρέπει να την ερμηνεύσουμς με όρους μετωπικών τροχιακών αλληλεπιδράσεων (Fukui, 1964, Frontier orbital theory). Το τροχιακό M (ingly ccupied Molecular rbital) για την ρίζα και τα τροχιακά ΗΟΜΟ (ighest ccupied Molecular rbital) και LUM (Lowest Unoccupied Molecular rbital) για τον διπλό δεσμό, δηλαδή τα τροχιακά π και π*. Το τροχιακό M σταθεροποιείται με την αλληλεπίδραση με το τροχιακό M. Αυτό αποσταθεροποιείται με το ΗΟΜΟ και σταθεροποιείται με το LUM. Οσο πιο κοντά βρίσκονται οι ενέργειες των τροχιακών τόσο μεγαλύτερη η σταθεροποίηση. LUM (π*) Eνέργεια M M (π) Η αλληλεπίδραση M LUM είναι η πιο σημαντική για ρίζες με υποκαταστάτες που είναι ηλεκτρονιοδότες και στην αντίδραση με ολεφίνες που στερούνται ηλεκτρονίων (LUM). Η ρίζα συμπεριφέρεται ως πυρηνόφιλο αντιδραστήριο. Επίσης, οι υποκαταστάτες στον διπλό δεσμό παίζουν σημαντικό ρόλο στην αντίδραση προσθήκης με ελεύθερες ρίζες. Οι υποκαταστάτες στον α, όσο πιο ηλεκτρονιο- ελκτικοί είναι τόσο μεγαλύτερη η δραστικότητα με την 75

11 πυρηνόφιλη ρίζα. Κατά την υποβίβαση του LUM αυξάνεται η αλληλεπίδραση M LUM. Για παράδειγμα: α Z Z Η σταθερότητα της ρίζας που σχηματίζεται είναι σχετικά δευτερεύουσας σημασίας σε σχέση με τον πολικό παράγοντα. Στην περίπτωση που το Ζ είναι φαινύλιο, τότε η βενζυλο- ρίζα σταθεροποιείται μεν, αλλά η αντίδραση είναι 100 φορές πιο αργή από την περίπτωση όπου το Ζ είναι η ομάδα, που είναι ισχυρός ηλεκτρονιο-ελκτικός υποκαταστάτης. Η πολική επίδραση του υποκαταστάτη στην προσθήκη της ρίζας στο διπλό δεσμό είναι σημαντική. Για παράδειγμα, η πυρηνόφιλη προσθήκη της ρίζας στο ακρυλονιτρίλιο ευνοείται και παράγει μια ηλεκτρονιόφιλη ρίζα, η οποία είναι αδρανής προς το ακρυλονιτρίλιο. Αυτό σημαίνει ότι η μεταφορά υδρογόνου από τον διαλύτη προτιμάται σε σχέση με τον πολυμερισμό. 2 = ταχέως αργά = 2 ()- 2 - Η εκλεκτικότητα κατεύθυνσης (regioselectivity, από το λατινικό regio κατεύθυνση) είναι επίσης σημαντική στις αντιδράσεις ελευθέρων ριζών σε διϋποκατεστημένους διπλούς δεσμούς. Όπως η στερεοεκλεκτικότητα, έτσι και η εκλεκτικότητα ως προς την κατεύθυνση αποτελεί ένα χαρακτηριστικό που είναι υπολογίσιμα στις αντιδράσεις αυτές. Εάν έχουμε ένα διπλό δεσμό με διαφορετικούς υποκαταστάτες (Χ και Ζ) στους άνθρακες α και β τότε η στερεοπαρεμπόδιση λόγω του όγκου των 76

12 Χ και Ζ είναι πιο σημαντική από τη σταθερότητα της ρίζας που σχηματίζεται και παίζει ρόλο στην εκλεκτικότητα κατεύθυνσης : Y Y Y β α β α Z Z β α Z Επίσης, οι πολικοί παράγοντες μπορούν να προσδιορίσουν την εκλεκτικότητα κατεύθυνσης. Η κυκλοεξυλο- ρίζα (cy-611 ), η οποία είναι πυρηνόφιλη, προτιμάει να αντιδράσει με τον πλέον ηλεκτρονιόφιλο άνθρακα ενός διπλού δεσμού. Δηλαδή, στην πρώτη περίπτωση αντιδρά στον άνθρακα που φέρει το φθόριο, όπου λόγω της μεσομέρειας του φθορίου (δότης) αυξάνει τον ηλεκτρονιόφιλο χαρακτήρα του α, ενώ στη δεύτερη περίπτωση το έλκει ηλεκτρόνια πιο ισχυρά από ό,τι το Me και η ρίζα προσβάλει τον β παρά το μέγεθος του υποκαταστάτη. cy % 63% β α cy % 87% β α 2 3 Στην περίπτωση της ακετυλο- ρίζας (3= ), η εκλεκτικότητα της πυρηνόφιλης ρίζας σε σχέση με τους δύο διπλούς δεσμούς εξαρτάται από το πολικό φαινόμενο, το οποίο στην περίπτωση αυτή ξεπερνά τη στερεοπαρεμπόδιση

13 Η στερεοεκλεκτικότητα είναι ένα άλλο φαινόμενο που επηρεάζει την προσθήκη ρίζας στον διπλό δεσμό, όταν οι δύο επιφάνειες δεν είναι ισότιμες. Η στερεοεκλεκτικότητα εξαρτάται βέβαια από τη θερμοκρασία και την δραστικότητα των ενώσεων. Σύμφωνα με τον ammond, όσο λιγότερο δραστικό είναι ένα σύστημα, τόσο η μεταβατική του κατάσταση προσομοιάζει στα προϊόντα και τόσο μεγαλύτερη η επίδραση της στερεο-παρεμπόδισης. Μια αδρανής ρίζα είναι περισσότερο στερεοεκλεκτική. Στο παράδειγμα, η ρίζα 123 έχει διαφορετική εκλεκτικότητα ανάλογα με τα Z 3 Y Στην περίπτωση της κυκλοπεντυλο- ρίζας η οποία είναι επίπεδη, η παρουσία ενός υποκαταστάτη, όπως το μεθύλιο (3), ευνοεί την προσβολή αντί- κατά 92% (anti) σε σχέση με τη συν (syn) που γίνεται μόνο κατά 8%. anti % 3 3 syn 2 8% 3 2 Η προσθήκη ελευθέρων ριζών σε διάφορα ακόρεστα συστήματα έχει τις ιδιαιτερότητες που προαναφέραμε πιο πάνω. Η προσθηκη σε άνθρακαάνθρακα τριπλό δεσμό,, σε κετονικό δεσμό (>=), σε θειοκετονικό 78

14 (>=) σε δεσμό άνθρακα-άζωτο διπλό και άνθρακα-άζωτο τριπλό (>=, > ) ελευθέρων ριζών παρουσιάζεται στα παρακάτω παραδείγματα : α) η ρίζα προσβάλει πιο αργά τον τριπλό δεσμό σε σχέση με τον διπλό: β) η εκλεκτικότητα κατεύθυνσης στον καρβονυλικό δεσμό εξαρτάται από τον πολικό χαρακτήρα της ρίζας. Μία πυρηνόφιλη ρίζα (1 ) προστίθεται κατά προτίμηση στο οξυγόνο, ενώ η στερεοπαρεμπόδιση των 2 και 3 ευνοεί την ταχύτητα της ανάστροφης αντίδρασης,όπου η β-διάσπαση, k-c, είναι ταχύτατη k o k -o k c k -c γ) προσθήκη ελεύθερης ρίζας στον διπλό δεσμό = είναι πιο εύκολη και εξώθερμη

15 δ) προσθήκη ελεύθερης ρίζας στον δεσμό = είναι σπάνια σε ιμίνες, αλλά πολύ κοινή στις νιτρόνες που χρησιμοποιούνται ως δεσμευτές ριζών (spin traps) ε) ενώ τα νιτρίλια είναι αδρανή, τα ισονιτρίλια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το μετασχηματισμό μιας ανθρακο- ρίζας σε νιτρίλιο με διεργασία προσθήκης-διάσπασης: 1 t - Bu k add 1 t - Bu - t - Bu Αντιδράσεις Kατάτμησης με Ελεύθερες Ρίζες Οι αντιδράσεις κατάτμησης ή θρυμματισμού (fragmentation) είναι το αντίθετο των αντιδράσεων προσθήκης. Η διεργασία είναι συνήθως ενδόθερμη και ευνοείται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η δυναμικότητα της αντίδρασης εξαρτάται από την αύξηση της εντροπίας που έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό δύο ξεχωριστών ενώσεων από μία ένωση. Οι παράγοντες που προωθούν την κατάτμηση είναι αρκετοί και ανάλογοι με αυτούς της ενδομοριακής προσθήκης. Η ενθαλπία της αντίδρασης, δηλαδή σταθερότητα της ρίζας που σχηματίζεται, και ο στερεοηλεκτρονικός έλεγχος παίζουν ρόλο. Η ομόλυση μπορεί να γίνει σε ένα δεσμό είτε στο α ή β σημείο του κέντρου της ρίζας. Με τον τρόπο αυτό έχουμε δύο κατατμήσεις : α-fragmentation και β- fragmentation. 80

16 Η ισορροπία της ενθαλπίας παίζει κάποιο ρόλο. Ο σχηματισμός ισχυρού π δεσμού και η διάσπαση ενός ασθενούς σ δεσμού είναι σημαντικοί παράγοντες. Ο σχηματισμός της ρίζας μεθυλίου, 3, είναι λιγότερο ενδοθερμική όταν γίνεται από την tert-βουτυλο- ρίζα σε σχέση με τη νεοπεντυλο- ρίζα, με αποτέλεσμα η πρώτη αντίδραση να είναι ταχύτερη : Δ = 5 kcal/mol Δ = 20 kcal/mol Η περίπτωση της β-κατάτμησης ποικίλει ανάλογα με το πολλαπλό δεσμό που σχηματίζεται. Η σειρά δραστικότητας είναι = > > =. Οι αντιδράσεις κατάτμησης ευνοούνται όταν από μία ρίζα σχηματίζεται ένα σταθερό μικρού μοριακού βάρους. μόριο, όπως, 2, και μία δεύτερη ρίζα ( ). 2 στερεοηλεκτρονικός έλεγχος είναι σημαντικός για την β-κατάτμηση. Έτσι, η 2-βουτυλο- ρίζα βρίσκεται σε ισορροπία μεταξύ των δύο διαμορφώσεων. Η διαμόρφωση που δίνει πιο εύκολα την απόσπαση ( Χ.) είναι εκείνη όπου ο δεσμός καλύπτει το p τροχιακό. Εάν η περιστροφή γύρω από τον δεσμό, στην ισορροπία μεταξύ των δύο διαμορφο- 81

17 ισομερών, είναι ταχύτερη από την β-κατάτμηση, λαμβάνεται η σταθερότερη trans- ένωση. Αυτή είναι η περίπτωση όπου σε κανονική θερμοκρασία το Χ= Br, Bu3n, ή Ph2. Εάν η απόσπαση είναι ταχύτατη, τότε η αντίδραση γίνεται στερεοεκλεκτική και παράγει τη διαμόρφωση του αρχικού υποστρώματος Οι αλκοξυλο- ρίζες απαιτούν ιδιαίτερη προσοχή λόγω της εμφάνισής τους σε πολλές αντιδράσεις. Επειδή σχηματίζουν έναν ισχυρό δεσμό = είναι πολύ εύκολο να υποστούν β-κατάτμηση. Το καλύτερο παράδειγμα είναι αυτό της tert-βουτυλο- ρίζας : (3)3 (3)2= 3 Όταν οι αλειφατικοί υποκαταστάτες στον άνθρακα είναι διαφορετικοί, η β-κατάτμηση δίνει την σταθερότερη ρίζα, με τη θραύση του ασθενέστερου δεσμού. i - Pr 95% Me()Et i - Pr Me Et 3% <0.5% Me()i - Pr Et Et()i - Pr Me Παρόλα αυτά δεν συμβαίνει πάντοτε η ίδια κατάσταση. Στις παρακάτω αντιδράσεις, ο ισχυρότερος δεσμός θραύεται ( Ph 82

18 57kcal/mol, i3 76 kcal/mol). Αυτό συμβαίνει γιατί ο πολικός παράγοντας [το θείο () είναι πιο ηλεκτροαρνητικό από το πυρίτιο (i)] παίζει ρόλο στην τελικά κατεύθυνση της αντίδρασης κατάτμησης. 1 Ph i 3 Ph 1 Ph 1 Ph i 3 Ph Ph i 3 Αυτές είναι μερικές από τις περιπτώσεις των κατηγοριών αντιδράσεων και των αντίστοιχων μηχανισμών τους που συμβαίνουν σε κλασικές αντιδράσεις της Οργανικής Χημείας και στις οποίες οι ελεύθερες ρίζες παίζουν σημαντικό ρόλο. 83

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΚΤΟ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΚΥΚΛΟΠΟΙΗΣΗΣ, ΜΕΤΑΘΕΣΕΩΝ, ΑΡΩΜΑΤΙΚΗΣ ΥΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΩΝ ΕΛΕΥΘΕΡΩΝ ΡΙΖΩΝ 6.1. Αντιδράσεις Κυκλοποίησης με Eλεύθερες Ρίζες Οι κυκλοποιήσεις με ελεύθερες ρίζες (cyclizations) είναι κυρίως ενδομοριακές προσθήκες σε διπλό ή τριπλό δεσμό. Εχουν μεγάλη σημασία γιατί επιτρέπουν τη σύνθεση ευρείας ποικιλίας 5- και 6- μελών κυκλικών ενώσεων με μεγάλη εκλεκτικότητα κατεύθυνσης και με ικανοποιητική στρεοεκλεκτικότητα. Μερικές κυκλοποιήσεις γίνονται μέσω ενδομοριακής ομολυτικής υποκατάστασης. Στο μηχανισμό κυκλοποίησης μέσω ενός διπλού δεσμού = έχουμε την εμφάνιση δύο δυνατών κυκλοποιήσεων, την exo- και την endoκυκλοποίηση, όπου η πρώτη προτιμάται κινητικά: exo k exo k endo endo Έχουν γίνει αρκετές μελέτες για τη θερμοδυναμική της κυκλοποίησης της 5-εξενυλο-ρίζας. Το προϊόν 1 της exo-κυκλοποίησης (exo cyclization) παράγεται σε μεγαλύτερη απόδοση 98% λόγω της ευνοϊκής ενθαλπίας ενεργοποίησης, ενώ το προϊόν 2 της endo-κυκλοποίησης (endo cyclization) είναι λιγότερο σταθερό και παράγεται μόνο σε ποσοστό 2%. 84

20 exo 1 (98%) endo 2 (2%) Οι παράγοντες που επηρεάζουν τις κυκλοποιήσεις είναι η εκλεκτικότητα κατεύθυνσης και στερεοεκλεκτικότητας. Η ταχύτητα με την οποία σχηματίζονται τα exo και endo προϊόντα κυκλοποίησης εξαρτάται από το μήκος της αλυσίδας. Για ρίζες με το γενικό τύπο 2=-(2)n-2 η κυκλοποίηση είναι δύσκολη και είναι συνήθως μόνο exo για n = 1 και 2, αλλά για n = 3-5 σχηματίζεται to endo-προϊόν σε μεγαλύτερο ποσοστό. Για την περίπτωση που ο αριθμός είναι πάνω από n = 5, όπως στη ρίζα 2= -(2)10-2 η κυκλοποίηση endo- είναι η επικρατούσα, αν και στην περίπτωση αυτή η μακροκυκλοποίηση δεν ευνοείται λόγω του παράγοντα της εντροπίας. Η στερεοεκλεκτικότητα επίσης παίζει ρόλο στις κυκλοποιήσεις. Οι υποκαταστάτες στις διάφορες θέσεις επηρεάζουν την στερεοεκλεκτικότητα. Στην περίπτωση της ρίζας 2=-22 3, όταν το μεθύλιο είναι σε 1- ή 3- θέση τότε το προϊόν είναι το cis- ενώ σε οποιαδήποτε άλλη θέση το προϊόν θα είναι το trans-. Η στερεο-εκλεκτικότητα αυτή εξηγείται από τη μεταβατική κατάσταση που έχει διαμόρφωση ανακλίντρου με τους υποκαταστάτες σε ισημερινή θέση. 85

21 1 x 10 5 s -1 cis trans Η φύση της ελεύθερης ρίζας παίζει επίσης σημαντικό ρόλο. Στην περίπτωση της αλκενυλοαρυλο- ρίζας η ταχύτητα της κυκλοποίησης αυξάνεται κατά φορές γιατί ο αρωματικός δακτύλιος προκαλεί απώλεια στην ευλυγισίας του μορίου και της υψηλής δραστικότητας της αρυλο- ρίζας. Εάν η αρχική ρίζα σταθεροποιείται, τότε η κυκλοποίηση αναστρέφεται και τα προϊόντα σχηματίζονται κάτω από θερμοδυναμικό έλεγχο με προτίμηση σε εξαμελή δακτύλιο. Στο παρακάτω παράδειγμα η ρίζα έχει σε α- θέση την κυανό ομάδα και τον εστέρα (έλκουν ηλεκτρόνια και σταθεροποιούν την ρίζα) Η κυκλοποίηση άλλων συστημάτων μέσω ελευθέρων ριζών μπορεί να γίνει σε ακόρεστα συστήματα, όπου υπάρχει τριπλός δεσμός και καρβονύλιο. Η κυκλοποίηση ρίζας με τριπλό δεσμό γίνεται πάντοτε σε μορφή exo (η k exo /k endo 50). k exo / k endo ~50 exo endo Η κυκλοποίηση ρίζας που φέρει καρβονυλική ομάδα παρατηρείται πιο συχνά σε σχέση με ενδομοριακή προσθήκη. Η κυκλοποίηση συμβαίνει είτε 86

22 στον άνθρακα (exo) είτε στο οξυγόνο (endo). Η στερεοεκλεκτικότητα εξαρτάται από το μέγεθος του δακτυλίου. Για n=2 η κυκλοποίηση συμβαίνει αποκλειστικά στο οξυγόνο (endo), ενώ για n=1, 3 ή 4 η κυκλοποίηση γίνεται στον άνθρακα (exo). ( 2 ) n exo 2 ( 2 ) n 2 ( 2 ) n endo Κυκλοποιήσεις μπορούν να λάβουν χώρα με ενδομοριακή αντίδραση υποκατάστασης (i, intramolecular substitution) σε δισθενή άτομα (οξυγόνο, θείο) δίνοντας κυκλικά προϊόντα. Η υποκατάσταση του θείου εμφανίζεται να είναι μια αντίδραση προσθήκης-απόσπασης, ενώ για το οξυγόνο η αντίδραση είναι μια άμεση υποκατάσταση. Στην περίπτωση της ρίζας με θείο, η αντίδραση είναι αποτελεσματική όταν το άτομο του θείου και η ρίζα που φεύγει είναι σε ευθεία γραμμή. Ενδιάμεσα σχηματίζεται η σουλφουρανυλο- ρίζα = 3, t - Bu, Ph Στην περίπτωση της κυκλοποίησης ρίζας με οξυγόνο η ενδομοριακή μετατόπιση (intramolecular displacement) περιλαμβάνει έναν ασθενή υπεροξειδικό δεσμό. Από τη θέση του ριζικού κέντρου και τη φύση του δεσμού Ο Ο (διαλκυλο υπεροξείδιο ή υπεροξυ- εστέρα) λαμβάνονται κυκλικοί αιθέρες ή λακτόνες. 87

23 1 (2 ) n ( 2 ) n 2 1 ( 2 ) 2 t - Bu t - Bu Αντίθετα με τις κυκλοποιήσεις υπάρχουν και αντιδράσεις διάνοιξης δακτυλίων (ring openings) από ριζικά κυκλικά συστήματα. Οι αντιδράσεις διάνοιξης δακτυλίων είναι εξώθερμες, όπως για την κυκλοπροπυλική και κυκλοβουτυλική ρίζα (ΔΗ = -23 kcal/mol και ΔΗ = -5 kcal/mol αντίστοιχα). ΔΗ = -23 kcal/mol ΔΗ = -5 kcal/mol 2 Οι αντιδράσεις αυτές είναι πολύ αργές και σχεδόν δεν παρατηρούνται κάτω από συνήθεις συνθήκες. Όταν όμως στις κυκλικές ρίζες υπάρχουν μεθυλένια που φέρουν το ασύζευκτο ηλεκτρόνιο, τότε οι αντιδράσεις είναι ταχύτερες και συνηθισμένες. 2 k o = 2 x 10 8 s -1 2 k c = 1.8 x 10 4 s -1 2 k o = 24.7x 10 3 s -1 k c = 1 s -1 2 Η σταθερότητα της ρίζας που σχηματίζεται δεν είναι ο καθοριστικός παράγοντας για την β-κατάτμηση. Έτσι οι ρίζες με δύο συμπυκνωμένους δακτυλίους δίνουν αντιδράσεις διάνοιξης των δακτυλίων. Η θραύση ενός εξωτερικού κυκλικού δεσμού προτιμάται σε σχέση με τη θραύση ενδοκυκλικού δεσμού, αν και με τον άλλο τρόπο παράγεται σταθερή βενζυλική ρίζα. Αυτά τα παραδείγματα είναι χαρακτηριστικά του ρόλου του στερεοηλεκτρονικού παράγοντα, όπου γίνεται έκλειψη του δεσμού που διασπάται με μονήρες κατειλημμένο τροχιακό. 88

24 Παρόλα αυτά σε πολλές περιπτώσεις η σταθερότητα της ρίζας που σχηματίζεται είναι ο παράγοντας που ρυθμίζει την αντίδραση. Στην περίπτωση της διάνοιξης ενός εποξειδίου με το ριζικό κέντρο σε α-θέση, η θραύση δεσμού ή εξαρτάται από τη σταθερότητα της ρίζας που σχηματίζεται (όπου 2 = αλκύλιο, φαινύλιο ή βινύλιο) =αλκύλιο =φαινύλιο ή βινύλιο Με δικυκλικά ριζικά συστήματα, δύο συμπυκνωμένων δακτυλίων, η β- κατάτμηση οδηγεί σε διεύρυνση του δακτυλίου, πράγμα που χρησιμεύει σε συνθέσεις στην Οργανική Χημεία. 89

25 6.2. Mεταθέσεις σε Οργανικές Ενώσεις με Ελεύθερες Ρίζες Οι μοριακές μεταθέσεις (molecular rearrangements) είναι αρκετά γνωστές στην Οργανική Χημεία. Κατά τις αντιδράσεις αυτές μία χαρακτηριστική ομάδα μετατίθεται από ένα άτομο σε κάποιο άλλο του αυτού μορίου. Οι περισσότερες των μεταθέσεων γίνονται μεταξύ γειτονικών ατόμων και ονομάζονται 1,2-μετατοπίσεις (1,2-shifts). Υπάρχουν και μεταθέσεις που πραγματοποιούνται σε μεγαλύτερη απόσταση, όπως 1,3- και 1,4- μεταθέσεις, αλλά είναι πιο σπάνιες. Οι μοριακές μεταθέσεις ταξινομούνται σε 3 κατηγορίες, ανάλογα με τον αριθμό των δεσμικών ηλεκτρονίων που μεταφέρει μαζί της η μετατιθέμενη ομάδα: α) πυρηνόφιλες ή μεταθέσεις ελλείμματος ηλεκτρονίων (π.χ. η πινακολική μετάθεση), β) ηλεκτρονιόφιλες ή πλούσιες σε ηλεκτρόνια μεταθέσεις (π.χ. μετάθεση Wittig), και γ) μεταθέσεις ελευθέρων ριζών. Η τρίτη κατηγορία μεταθέσεων περιέχει αντιδράσεις κατά τις οποίες η μετατιθέμενη ομάδα μεταφέρει ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο, δηλαδή ελεύθερη ρίζα. Αλλά για να επιτευχθεί μια τέτοια μετάθεση είναι απαραίτητη προϋπόθεση η δημιουργία ελεύθερης ρίζας. Για κάθε μετάθεση οι δύο δυνατότητες είναι να περιλαμβάνει ενδομοριακή ή διαμοριακή μετάθεση, αν και με τον όρο μετάθεση εμπίπτουν στον ορισμό μόνο οι ενδομοριακές. Στις περιπτώσεις μεταθέσεων με ελεύθερες ρίζες η ομάδα που μετατίθεται είναι ακόρεστη. Ο μηχανισμός της μετάθεσης ελευθέρων ριζών είναι σε δύο στάδια, όπου στο πρώτο γίνεται κυκλοποίηση με ενδομοριακή προσθήκη και ακολουθεί διάνοιξη του δακτυλίου που είναι ασταθής. Στο παράδειγμα η ομάδα Χ=Υ μεταφέρεται από τον ένα άνθρακα στον διπλανό με ταυτόχρονη μεταφορά του ασύζευκτου ηλεκτρονίου. Y Y Y Οι πιο συχνές μοριακές μεταθέσεις αυτού του τύπου παρατηρούνται σε αρυλο-, βινυλο-, και ακετοξυ- ομάδες. Οι θερμοδυαναμικοί παράγοντες, 90

26 δηλαδή οι σχετικές σταθερότητες των αρχικών αντιδρώντων και των τελικών προϊόντων, ρυθμίζουν την αντίδραση της μετάθεσης. Η μετάθεση αρυλοομάδας λαμβάνει χώρα κατά το σχηματισμό μιας κυκλοεξαδιενυλο- ρίζας, φαινόμενο που έχει τεκμηριωθεί με την υπεριώδη φασματοσκοπία σε πειράματα φωτόλυσης λάμψης (flash photolysis). Η διάρκεια ημιζωής της ρίζας είναι που μικρή για να παρατηρηθεί με ΗΠΣ Η ταχύτητα της αντίδρασης μπορεί να μειωθεί με υποκαταστάτες στον αρωματικό δακτύλιο που είναι δότες ηλεκτρονίων (electron-donating). Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται η ενέργεια του μη κατειλημμένου τροχιακού του πυρήνα του αρωματικού δακτυλίου και μειώνεται η αλληλεπίδραση του μονήρους κατειλημμένου τροχιακού (M) στο ριζικό κέντρο. Εάν οι υποκαταστάτες στον αρωματικό δακτύλιο έλκουν ηλεκτρόνια, με αποτέλεσμα να μειώνεται η ενέργεια των μη κατειλημμένων τροχιακών του αρωματικού πυρήνα, τότε επιταχύνεται η αντίδραση. Μεταφορά φαινυλίου από άνθρακα σε οξυγόνο είναι ταχύτερη από άνθρακα σε άνθρακα, λόγω του ότι η ενέργεια διάσπασης δεσμού (BDE, bond dissociation energy) του δεσμού (Ph-) είναι μεγαλύτερη από το δεσμό (Ph- ). Η β-διάσπαση είναι σχετικά πολύ αργή. Ph k = 5 x s -1 Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph Όπως προαναφέραμε, οι 1,3-μεταθέσεις είναι σπάνιες, οι 1,4- και 1,5- μεταθέσεις (συμβολιζόμενες Ar1-5 και Ar2-6) πραγματοποιούνται αρκετά 91

27 εύκολα. Στην περίπτωση της 4-φαινυλοβουτυλο- ρίζας υπάρχει συναγωνισμός μεταξύ των δύο αντιδράσεων κυκλοποίησης. Η πρώτη μετάθεση οδηγεί στη μεταβατική κατάσταση της spiro- ρίζας και μετά με διάνοιξη του δακτυλίου δίνει την 1,4-μετάθεση του φαινυλίου. Στη δεύτερη περίπτωση δημιουργείται ενδιάμεσα η δικυκλική ρίζα και τελικά καταλήγει στο δικυκλικό προϊόν με απόσπαση υδρογόνου (Η ). Ar 1-5 Ar 2-6 ( - ) Μετάθεση μεταξύ πυριτίου-άνθρακα είναι δύσκολο να πραγματοποιηθεί. Στην περίπτωση της παρακάτω ρίζας, η 1,2-μετάθεση φαινυλίου από πυρίτιο σε άνθρακα δεν συμβαίνει γιατί η ρίζα σταθεροποιείται με την αλληλεπίδραση του τροχιακού της με το τροχιακό του πυριτίου. Ph Ph Ph i 2 Παρόλα αυτά έχουν παρατηρηθεί 1,4- και 1,5-μεταθέσεις φαινυλίου μεταξύ πυριτίου και άνθρακα: Ph i( 2 ) n 2 n = 2 ή 3 i( 2 ) n 2 Ph Οι 1,2-μεταθέσεις φαινυλίου από πυρίτιο σε οξυγόνο έχουν παρατηρηθεί και ευνοούνται από τη θετική ενθαλπία. Ph i Ph Ph i Ph Ph Ph Η μετάθεση βινυλίου έχει μελετηθεί λιγότερο σε σχέση με τις μεταθέσεις φαινυλίου, αλλά υπάρχουν αρκετές ενδείξεις για 1,2-μεταθέσεις βινυλίου σε 92

28 αλλυλοκαρβινύλια μέσω μιας ενδιάμεσης κυκλοπροπυλοκαρβονυλικής ρίζας. Η αντίδραση ευνοείται από το σχηματισμό μιας δευτερογενούς ρίζας από μια πρωτοταγή. Η μετάθεση ακετοξυλο- ομάδας έχει μελετηθεί σε μεγάλη έκταση και ιδιαίτερα ο μηχανισμός του. Ανάλογα με τη δομή της ρίζας, η μεταφορά συμβαίνει είτε με συναρμοσμένη διεργασία η οποία προκαλεί απεντοπισμό της ρίζας ή μέσω μιας ρίζας με ζεύγος ανιόν-κατιόν. 3 3 a b 1 2 Η 1,2-μετάθεση καρβοξυλίου μεταξύ ατόμων άνθρακα εφαρμόζεται στη σύνθεση των 2-δεοξυ-υδατανθράκων. Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Η μετάθεση υπεροξυλίου ( Ο Ο ) μεταξύ ατόμων άνθρακα (1,3-) έχει παρατηρηθεί σε αλλυλο υπεροξείδια. Ο μηχανισμός του αποτελείται από 93

29 συναρμοσμένη διεργασία (concerteted process) όπου ενδιάμεσα σχηματίζεται μία μη εντοπισμένη ριζική κατάσταση και ακολουθεί η μετάθεση Αντιδράσεις Αρωματικής Υποκατάστασης με Ελεύθερες Ρίζες Οι αντιδράσεις αρωματικής υποκατάστασης (aromatic substitution) είναι γενικά αντιδράσεις ομολυτικής υποκατάστασης που ακολουθούν το γενικό σχήμα: το φαυνύλιο φέρει κάποιον υποκαταστάτη -Χ, η ρίζα (ad ) προσβάλει τον δακτύλιο με αντικατάσταση ενός υδρογόνου (-Η ) και σε θέση που εξαρτάται από τον Χ : ad ( - ) x x Ο μηχανισμός της αρωματικής υποκατάστασης είναι μία διεργασία με αρχική προσθήκη ακολουθούμενη από απόσπαση : ad ad ( - ) Ar ( 6 5 ) Arad Arad ad k Ar k - Ar ad Ar Arad ( - ) ad ad Arad Arad Η προσθήκη δεν περιλαμβάνει αλυσιδωτό μηχανισμό, σε αντίθεση με τις ριζικές προσθήκες, λόγω του ότι η ρίζα Arad είναι αδρανής και δεν 94

30 μπορεί να πραγματοποιήσει μεταφορά και ανανέωση την ρίζα ad. Η ύπαρξη της ρίζας Arad έχει τεκμηριωθεί με φασματοσκοπία ΗΠΣ και με την ανίχνευση των προϊόντων διμερισμού και της δυσανάλογης ανακατανομής. διμερισμός ad ad 2 ad ad δυσανάλογη κατανομή ad ad Ο μηχανισμός της προσθήκης ρίζας σε αρωματικό δακτύλιο παρουσιάζει σταδιακές μεταβατικές καταστάσεις : πρώτα σχηματίζεται μία π* μεταβατική κατάσταση, ένα π σύμπλοκο, μία σ* μεταβατική κατάσταση και τελικά ένα σ σύμπλοκο. Το τελικό αυτό σύμπλοκο είναι η κυκλοεξαδιενυλορίζα (Arad ). Ορισμένα σημεία του μηχανισμού είναι δύσκολο να τεκμηριωθούν. Γενικά, το βήμα της προσθήκης είναι αντιστρεπτό. ad Στην περίπτωση των πυριδινών, η προσθήκη ρίζας έχει ορισμένες ιδιαιτερότητες που δεν έχουν διευκρινισθεί. Η μεταβατική κατάσταση στο στάδιο της προσθήκης είναι τύπου π*. Η προσθήκη μπορεί να ερμηνευθεί με δύο κανονικές δομές. Στο ένα γίνεται ηλεκτρονική μεταφορά από τη ρίζα στον υποκαταστάτη και σχηματίζεται καρβοκατιόν της ρίζας, ad. ad ad 95

31 Οι αντιδράσεις προσθήκης είναι εξώθερμες λόγω απώλειας της αρωματικότητας και όχι από την προσθήκη σε διπλό δεσμό. Ο σχηματισμός του δεσμού με την προσθήκη και η ισχύς του εξηγεί γιατί η ρίζα Ar αντιδρά ταχύτερα με το βενζόλιο από την ρίζα n-bu. Το υποκατεστημένο βενζόλιο είναι πάντοτε πιο δραστικό από το βενζόλιο. Ο πολικός χαρακτήρας των υποκαταστατών σε αρωματικούς και ετερο-αρωματικούς δακτυλίους παίζει ρόλο στην προσθήκη. Η ύπαρξη υποκατάστατων που έλκουν ή απωθούν ηλεκτρονικό φορτίο καθιστά το δακτύλιο ικανό να ελκύσει ρίζες που είναι πυρηνόφιλες η ηλεκτρονιόφιλες. Ο ρόλος του πολικού παράγοντα φαίνεται από την προσθήκη της πρωτονιωμένης αμινυλο- ρίζας ( ΝΗ2) στο βενζόλιο. Η προσθήκη αυτή γίνεται σε συναγωνισμό με την ενδομοριακή μεταφορά υδρογόνου στην πρωτονιωμένη αμινυλο- ρίζα, όπου το είναι αλειφατική αλυσίδα. 2 k 2 Το πολικό αυτό φαινόμενο έχει χρησιμοποιηθεί από ερευνητές για την αντίδραση πυρηνόφιλων ριζών σε 4-υποκατεστημένες πυριδίνες, η οποία μετατρέπεται σε ηλεκτρονιόφιλη με την πρωτονίωσή της και από τον υποκαταστάτη που έλκει το ηλεκτρονικό φορτίο. Οι ταχύτητες των αντιδράσεων αυτών για τέτοιες ενώσεις είναι ταχύτερες από το βενζόλιο ή την ουδέτερη πυριδίνη, ενώ η αντίδραση είναι εκλεκτική ως προς την κατεύθυνση (regioselective) ιδιαίτερα για την 2-θέση. ad Το φαινόμενο του υποκαταστάτη είναι ενδεικτικό: όταν ο Χ έλκει ηλεκτρόνια η εκλεκτικότητα αυξάνει με την πυρηνοφιλία της ρίζας (t-bu > n- Bu ), ενώ όταν ο Χ είναι δότης ηλεκτρονίων μειώνει την εκλεκτικότητα. Η εκλεκτικότητα των ριζών σε σχέση με τις αρωματικές ενώσεις μπορεί να ερμηνευθεί με όρους πολικότητας ή τροχιακού ελέγχου. Το μοντέλο της σ* ad 96

32 μεταβατικής κατάστασης μπορεί να παρουσιασθεί από τα τροχιακά κατά την διεργασία της αντίδρασης. Το πρώτο είναι το τροχιακό M της ρίζας ad, το εντοπισμένο τροχιακό στον αρωματικό άνθρακα που προσβάλεται και τέλος το τροχιακό MΟ του εναπομένοντος αρωματικού συστήματος. ad ad ad x x x L 1 L 0 L 3 ad x ad x L 2 L 4 Η εκλεκτικότητα ως προς την κατεύθυνση (regioselectrivity) εξαρτάται από τον ηλεκτρονιόφιλο ή πυρηνόφιλο χαρακτήρα της ρίζας και του υποστρώματος.η εκλεκτικότητα ως προς την κατεύθυνση σε ορθο- (οrtho-), μετα- (meta-) και παρα- (para-) θέση σε βενζολικό δακτύλιο που φέρει έναν Χ υποκαταστάτη έχει μελετηθεί εκτενέστατα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η σειρά δραστικότητας είναι ortho > para>meta. Εάν ο υποκαταστάτης Χ έλκει ηλεκτρόνια τότε η o-/p- εκλεκτικότητα αυξάνεται με την πυρηνόφιλη δράση της ρίζας (cy-611 > Me > Ph > 2), εάν ο Χ είναι δότης ηλεκτρονίων τότε η εκλεκτικότητα είναι μειωμένη. Η ορθο-παρα εκλεκτικότητα ως προς την κατεύθυνση ελέγχεται από την κανονικότητα των δομών, όπου ένα ηλεκτρόνιο του ζεύγους από το π σύστημα εντοπίζεται (localized) από τον υποκαταστάτη Χ, ενώ το άλλο ηλεκτρόνιο αποεντοπίζεται (delocalized) σε ορθο- και παρα- θέσεις. Οι προσανατολισμοί αυτοί προσδιορίζονται από τη δομή των μοριακών τροχιακών των π συστημάτων. Αυτό δείχνει ότι η πυκνότητα του spin είναι μεγαλύτερη στην ορθο- και πάρα- θέσεις από τον υποκαταστάτη 97

33 Χ. Θεωρητικοί υπολογισμοί της δραστικότητας σε σχέση με τις δομές των π μοριακών τροχιακών συμφωνούν με τα αποτελέσματα. Η εκλεκτικότητα ως προς την κατεύθυνση μπορεί να εξηγηθεί και με τη σταθερότητα της κυκλοεξαδιενυλο- ρίζας που σχηματίζεται στην αντίδραση (σ σύμπλοκο). ortho ad ad ad para ad ad ad Όσο καλύτερα μπορεί να εντοπισθεί το ασύζευκτο ηλεκτρόνιο στο άτομο του άνθρακα, το οποίο συνδέεται με τον υποκαταστάτη Χ, τόσο μεγαλύτερη είναι η σταθερότητα της ρίζας. Αυτές οι καταστάσεις αφορούν τις προσθήκες της ρίζας σε ορθο- και παρα- θέσεις. Οι υποκαταστάσεις αυτές δεν είναι ανεξάρτητες από την φύση της ρίζας ad, αλλά εξαρτώνται και από τα πολικά φαινόμενα. Ένας υποκαταστάτης που είναι π-δότης τότε αυξάνει την ηλεκτρονική πυκνότητα σε ορθο- και παρα- θέσεις, ενώ εάν έλκει π-φορτία τότε μειώνει την ηλεκτρονική πυκνότητα στις ίδιες θέσεις. Κατά συνέπεια, μία πυρηνόφιλη ρίζα θα αντιδράσει κατά προτίμηση σε o- και p- θέσεις εάν ο Χ είναι π-δότης. Θα αντιδράσει όμως σε m-θέση εάν ο Χ έλκει π- φορτίο. Το αντίστροφο θα συμβεί εάν η ρίζα είναι ηλεκτρονιόφιλη. D D D D : π-δότης A A A A : π-δέκτης 98

34 Η κατάσταση αυτή δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί στην περίπτωση της m- θέσης, αλλά θα παρατηρηθεί μόνο ένα σχετικά αδύνατο επαγωγικό φαινόμενο. Ισχυρή στερεοχημική παρεμπόδιση συμβαίνει με υποκαταστάτη Χ = tert-bu, ο οποίος μειώνει την δραστικότητα για υποκατάσταση σε ορθοθέση και περισσότερο σε παρα- θέση. meta ad ad ad Στην περίπτωση που ο δακτύλιος είναι πυριδινικός και δεν είναι πρωτονιωμένος τότε η μεταβατική κατάσταση είναι τύπου σ*, όπου η εκλεκτικότητα ως προς την κατεύθυνση ελέγχεται από τα ίδια φαινόμενα όπως στο βενζόλιο (πυκνότητα του spin, απεντόπιση του τροχιακού, προτεραιότητα στη σταθερότητα των σ συμπλόκων). Στην περίπτωση των πρωτονιωμένων πυριδινών υπάρχουν αμφιβολίες για την ακριβή φύση της μεταβατικής κατάστασης σ* ή π*. Εάν η κατάσταση είναι τύπου σ*, τότε η εξήγηση που δίνεται παραπάνω για την εκλεκτικότητα ως προς την κατεύθυνση είναι παρόμοια και η δραστικότητα είναι μεγαλύτερη στις 2- και 4-θέσεις. Εάν η μεταβατική κατάσταση είναι τύπου π*, τότε μοιάζει με φορτισμένο σύμπλοκο μεταφοράς και προτιμάται η 2-θέση για πυρηνόφιλη ρίζα, ενώ για ρίζα που είναι ηλεκτρονιόφιλη προτιμάται η 4- θέση. Ο διαλύτης επηρεάζει την εκλεκτικότητα ως προς την κατεύθυνση. Στο νερό, που είναι ισχυρά πολικός διαλύτης, η ισορροπία εξαρτάται από τη σταθερότητα της ρίζας. Εάν όμως η πυριδίνη έχει έναν υποκαταστάτη που έλκει ισχυρά ηλεκτρόνια (-) στην 4-θέση, ο διαλύτης παίζει μικρότερο ρόλο στην εκλεκτικότητα ως προς την κατεύθυνση στην περίπτωση της πυρηνόφιλης ρίζας. 99

35 Στις αντιδράσεις απόσπασης με ελεύθερες ρίζες τα στάδια είναι διαφορετικά από τις αντιδράσεις ιονικής ηλεκτρονιόφιλης υποκατάστασης. Η "εκδίωξη" του υδρογόνου από την κυκλοεξαδιενυλο- ρίζα απαιτεί τη συμμετοχή ενός νέου αντιδρώντος (Σ): α) με δυσανάλογη ανακατανομή όπου η ρίζα παίζει το ρόλο του μέσου: Σ ad Σ ad β) με οξείδωση, όπου το οξειδωτικό μπορεί να είναι το οξυγόνο, ένα νιτροπαράγωγο, ένα υπεροξείδιο ή άλας μετάλλου: oξειδωτικό ad ad -e - Στον τομέα της αρωματικής υποκατάστασης με ελεύθερες ρίζες υπάρχουν πολλά παραδείγματα με διάφορα υποστρώματα. Η αρυλίωση του αρωματικού δακτυλίου είναι ένα από τα παραδείγματα που αναφέραμε πιο πάνω. Οι δραστικότητες και εκλεκτικότητες ως προς την κατεύθυνση έχουν μελετηθεί σε πολλές αντιδράσεις και με διάφορους συνδυασμούς ριζών Ar, διάφορες μεθόδους και με ποικιλία αρωματικών υποστρωμάτων. Η αλκυλίωση αρωματικών υποκαταστατών ακολουθεί το ίδιο σχήμα όπως η αρυλίωση, και οι αντιδράσεις αυτές μελετήθηκαν από την εποχή που υπάρχουν ικανοποιητικές μέθοδοι παραγωγής αλκυλο- ριζών. Η αμίνωση αρωματικών δακτυλίων γίνεται με πρωτονιωμένες αμινυλο- ρίζες, οι οποίες παράγονται με αναγωγή των Ν-χλωραμινών. Οι αντιδράσεις αυτές οδηγούν σε αρωματικές αμινο- ενώσεις με αλυσιδωτή (αλυσωτή) πορεία : 100

36 έναρξη 2 l M 2 M 2 l - διάδοση M 2 2 M τερματισμός 2 M 2 M 2 ( M = Fe 2, Ti 3, u ) Η υδροξυλίωση αρωματικών ενώσεων θα μπορούσε να είναι μια ενδιαφέρουσα σύνθεση φαινολών, αλλά η έλλειψη εκλεκτικότητας και εκλεκτικότητας ως προς την κατεύθυνση των υποστρωμάτων την έχει καταστήσει άχρηστη. Η ηλεκτρονιόφιλη ρίζα υδροξυλίου (ΗΟ ) προστίθεται ταχύτατα στον αρωματικό δακτύλιο, αλλά η αντίδραση είναι πιο σύνθετη από μία απλή προσθήκη-υποκατάσταση. Οι αρωματικές υποκαταστάσεις σε πολυπυρηνικά αρωματικά συστήματα με ελεύθερες ρίζες είναι επίσης σημαντικές συνθετικές τεχνικές για την προσθήκη διαφόρων υποκαταστατών. Όπως στο παράδειγμα του ανθρακενίου με την ρίζα Ph2, το οποίο οδηγεί σε προϊόν διμερισμού. 2 Ph Ph 2 διμερές Σε μερικά συστήματα με βενζολικούς δακτυλίους μπορεί να γίνει ενδομοριακή ομολυτική υποκατάσταση και να σχηματισθεί τελικό προϊόν πολυπυρηνικού συστήματος. Στο παράδειγμα που ακολουθεί η ενδομοριακή αντίδραση οδηγεί στο φαινανθρένιο: 101

37 u Αντιδράσεις Οργανικών Ενώσεων με Φορτισμένες Ελεύθερες Ρίζες Υπάρχουν αρκετά παραδείγματα φορτισμένων ελευθέρων ριζών όπου διατηρείται το ασύζευκτο μονήρες ηλεκτρόνιο και φέρουν αρνητικό ή θετικό φορτίο. Τέτοιες φορτισμένες ρίζες μπορεί να είναι σταθερές, μόρια που μπορούν να απομονωθούν ή να δημιουργηθούν ως ενδιάμεσα προϊόντα αντιδράσεων. Τα ανιόντα ελευθέρων ριζών (radical anions) έχουν δομές όπου το ασύζευκτο ηλεκτρόνιο είναι απεντοπισμένο και με αυτό τον τρόπο σταθεροποιείται το ανιόν του. Παράδειγμα ριζικού ανιόντος είναι το ναφθαλίνιο, το οποίο είναι σταθερότερο του ριζικού ανιόντος του βενζολίου, λόγω της ύπαρξης και δεύτερου αρωματικού δακτυλίου που επιτρέπει τον απεντοπισμό του ασύζευκτου ηλεκτρονίου. Σε ορισμένες περιπτώσεις και ανάλογα με τους υποκαταστάτες που φέρει ο αρωματικός δακτύλιος, τα ριζικά ανιόντα μπορούν να απομονωθούν σε κρυσταλλική μορφή. Παράδειγμα η ένωση 7,7,8,8-τετρακυανοκινοδιμεθάνιο, η οποία μπορεί να απομονωθεί σε κρυσταλλική μορφή και έχει διάφορα χρώματα ανάλογα με το μεταλλικό θετικό ιόν. Με λίθιο και νάτριο (Li, a ) είναι χρώματος πορφυρού, ενώ με μαγγάνιο, σίδηρο και κοβάλτιο (Mn2, Fe2, o2) είναι χρώματος κυανό. 102

38 M Η παραγωγή ριζικών ανιόντων γίνεται είτε με την πρόσληψη ενός ηλεκτρονίου από το χαμηλότερο κατειλημμένο μοριακό τροχιακό (LUM) είτε με την προσθήκη μίας ρίζας σε ένα ανιόν. M e - M ή M A MA Οι αντιδράσεις των ανιόντων ελευθέρων ριζών είναι ποικίλες: πυρηνόφιλη ριζική υποκατάσταση ( 1) διμερισμός, κατάτμηση, οξείδωση, δυσανάλογη ανακατανομή και πρωτονίωση. α. διμερισμός : MA (MA) 2 β. κατάτμηση : MA M A γ. οξείδωση : Y MA MA Y δ. δυσανάλογη κατανομή : MA MA 2 MA ε. πρωτονίωση : MA MA Η πιο ενδιαφέρουσα αντίδραση των ριζικών ανιόντων είναι η πυρηνόφιλη ριζική υποκατάσταση ( 1, subtitution, radical nucleophilic), που ακολουθεί στάδια έναρξης, διάδοσης και τελικά βήμα μεταφοράς ηλεκτρονίου. Το συνολικό αποτέλεσμα είναι η πυρηνόφιλη υποκατάσταση του Χ (το υπόστρωμα συμβολίζεται με ) από το πυρηνόφιλο u. Η αντίδραση είναι κατά αναλογία της 1, αλλά η μονομοριακή θραύση του δεσμού παράγει ρίζα και ανιόν, αντί καρβοκατιόν, και δεν υπάρχει στάδιο που να προσδιορίζει την σχετική ταχύτητα της αντίδρασης u- u - α) η έναρξη γίνεται από έναν δότη ηλεκτρονίου (αλκαλιμέταλλο, κάθοδος, διαλυτωμένο ηλεκτρόνιο κλπ) που ενεργοποιείται συνήθως φωτοχημικά : e

39 β) το στάδιο της κατάτμησης γίνεται γρήγορα όταν το Χ είναι αλογόνο: - Χ- γ) προσθήκη της ρίζας στο ανιόν (u = Ph-, Ar-, Phe-) u- u - u - u - Ο διμερισμός γίνεται εύκολος σε περίπτωση καρβονυλικής ομάδας η οποία δέχεται ένα ηλεκτρόνιο από μεταλλικό αναγωγικό μέσο, και συνήθως κάτω από απρωτικές και άνυδρες συνθήκες, όπου το ριζικό ανιόν διμερίζεται για να δώσει διόλη με οξίνιση. e - 2 Ο τύπος αυτός αντίδρασης όταν εφαρμόζεται σε διεστέρες και οδηγεί σε μεσαίους ή πολυ- ανθρακικούς δακτυλίους : Me 2 Me ( 2 ) 8 a ξυλόλιο ( 2 ) 8 ( 2 ) 8 2 Me Me Το υπεροξειδικό ανιόν (Ο2 -, superoxide anion) μπορεί να παραχθεί με κανονικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου σε p 7 και παρουσιάζει διττό χαρακτήρα ρίζας και ανιόντος. Το υπεροξειδικό ανιόν, που παράγεται φυσιολογικά σε βιολογικούς οργανισμούς, έχει μελετηθεί εκτενέστατα (όπως και το ένζυμο υπεροξειδική δισμουτάση, superoxide dismutase, που το 104

40 εξουδετερώνει). Τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι : ισχυρό οξειδωτικό κάτω από απρωτικές συνθήκες, ισχυρή βάση κατά Bronsted, αναγωγικός παράγοντας ενός-ηλεκτρονίου, παράγοντας οξείδωσης, λόγω της δημιουργίας Ο2 και Η2Ο2. Στο νερό είναι καλύτερος οξειδωτικό από το οξυγόνο. 2 Ο2-2Η Ο2 Η2 Ο2 Τα κατιόντα ελευθέρων ριζών (radical cations) λαμβάνονται με την απώλεια ενός ηλεκτρονίου από απομονωμένο ζεύγος, όπου το ηλεκτρόνιο και το φορτίο είναι στο ίδιο άτομο. Οι διστονικές ρίζες (distonic radicals), όπου το φορτίο και το ασύζευκτο ηλεκτρόνιο είναι σε διαφορετικά άτομα, συνήθως παρατηρούνται στη φασματομετρία μάζας, είναι περισσότερο σταθερές. 2(2)n2 2 2(2)n2 3 ενώσεις. Υπάρχουν επίσης ριζικά κατιόντα που λαμβάνονται από ακόρεστες - e - Η απεντόπιση του ασύζευκτου ηλεκτρονίου σε συζυγιακά συστήματα οδηγεί σε σταθερές ριζικά κατιόντα όπως τα παρακάτω άλατα Wuster (1), τα άλατα Weitz (2) και τις ανθρακενικές ενώσεις (3) (anthracenic compounds). Οι ενώσεις αυτές απομονώνονται και έχουν έντονα χρώμα-τα, κυανά ή ερυθρά, ανάλογα με τους υποκαταστάτες, με χαρακτηριστικά φάσματα υπεριώδους ή Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού (ΗΠΣ). Η σταθερότητά τους εξαρτάται από τα αλκύλια () και το p. 1 2 Y 3 Y =, 105

41 Τα κατιόντα ελευθέρων ριζών λαμβάνονται με την αφαίρεση ηλεκτρονίου από ουδέτερες ενώσεις. Συνήθως η οξείδωση αυτή επιτυγχάνεται με οξειδωτικές ουσίες όπως η (4)228, πυκνό 24 με μεταλλικά ιόντα Mn3, e4 οξέα κατά Lewis All3, bl3 κλπ. Επίσης, κατιόντα ελευθέρων ριζών λαμβάνονται με ραδιόλυση ή ανοδική οξείδωση. M e M Επίσης, τα κατιόντα ριζών μπορούν να σχηματισθούν με την αντίδραση ουδετέρων ριζών με θετικά φορτισμένα μόρια: M M Τα κατιόντα ελευθέρων ριζών είναι πολύ δραστικά και συμπεριφέρονται ως ρίζες και κατιόντα. Ο ριζικός τους χαρακτήρας φαίνεται σε αντιδράσεις κατάτμησης, διμερισμού, δυσανάλογης ανακατανομής, προσθήκης και μεταφορά υδρογόνου, ενώ ως κατιόντα σε αντιδράσεις με ποικίλα πυρηνόφιλα. Επίσης, συμπεριφέρονται ως οξειδωτικά μέσα και ισχυρά οξέα. α) οξείδωση : 1 1 β) κατάτμηση : 2 3 γ) διμερισμός: 2 δ) δυσανάλογη κατανομή: 2 ε) με διπλό δεσμό = : στ) με πυρηνόφιλο (u) ή : u ή Οι αρωματικές ενώσεις μετατρέπονται σε ριζικά κατιόντα κατά την οξείδωση των αντίστοιχων υποστρωμάτων με άλατα τρισθενούς κοβαλτίου (o3) και μετά μπορούν να αντιδράσουν με το νουκλεόφιλο τμήμα του διαλύτη, όπως με το οξικό οξύ, δηλαδή το Ac-. Η αντίδραση μεταφοράς ηλεκτρονίου είναι το στάδιο που προσδιορίζει την ταχύτητα της αντίδρασης. 106

42 o 3 o 2 o III ( u) 3 o II 2 = 3 2 Υπάρχουν αρκετές αντιδράσεις των κατιόντων ελευθέρων ριζών με αλκυλο-αρωματικές ενώσεις, όπου ανάλογα με τον υποκαταστάτη οδηγεί σε προϊόντα υποκατάστασης. Επίσης οι φαινόλες μπορούν να οξειδωθούν σε ριζικά κατιόντα και με αποπρωτονίωση παράγονται οι ρίζες e 6 5 u 6 5 u Οι αντιδράσεις αυτές είναι ένα επιλεκτικό τμήμα των πολυάριθμων άλλων συνθετικών πρακτικών που εφαρμόζονται στην Οργανική Χημεία για τις φορτισμένες ρίζες. 107

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΒΔΟΜΟ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΕΛΕΥΘΕΡΩΝ ΡΙΖΩΝ ΣΤΗΝ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΣΥΝΘΕΣΗ 7.1. Εισαγωγή Οι βασικοί σκοποί της οργανικής σύνθεσης είναι να επιτευχθούν αντιδράσεις που έχουν ειδικά και ευνοϊκά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά (χαμηλές θερμοκρασίες, διαλύτες που απομακρύνονται εύκολα, μικρό χρόνο αντίδρασης, απομόνωση του προϊόντος, ικανοποιητικές αποδόσεις κλπ) με αναμενόμενη στερεοχημική εκλεκτικότητα και εκλεκτικότητα ως προς την κατεύθυνση. Οι σκοποί αυτοί όμως για να επιτευχθούν απαιτούν γνώση των θερμοδυναμικών δεδομένων, τις ενέργειες των δεσμών που διασπώνται και σχηματίζονται, τις στερεοχημικές παρεμποδίσεις, τις σχετικές ταχύτητες των διαφόρων αντιδράσεων, τη δραστικότητα και σταθερότητα αντιδρώντων και προϊόντων κλπ. Οι βασικές αρχές και οι γνώσεις που πρέπει να συγκεντρώσει ο ερευνητής για την οργανική σύνθεση μπορούν να συνoψισθούν: (α) Νόμοι θερμοδυναμικής για τις χημικές ενώσεις (πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής, δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, ελεύθερη ενέργεια). (β) Επίδραση της θερμοκρασίας στην ισορροπία των χημικών αντιδράσεων, ενέργειες των δεσμών αντιδρώντων και προϊόντων, σταθερότητα και αστάθεια χημικών ενώσεων. (γ) Βασικές αρχές της μοριακής δομής (κβαντική θεωρία, ηλεκτρονική δομή ατόμων και μορίων, μετωπική τροχιακή θεωρία, απεντόπιση ηλεκτρονικού τροχιακού κλπ). (δ) Βασικές αρχές χημικής κινητικής (σχετικές ταχύτητες αντιδράσεων, θεωρία των κρούσεων, επίδραση της θερμοκρασίας, συναγωνισμός θερμοδυναμικού ελέγχου σε σχέση με τον κινητικό έλεγχο των αντιδράσεων). 108

44 (ε) Βασικές γνώσεις για τη θεωρία της μεταβατικής κατάστασης, ενεργοποιημένα σύμπλοκα, την επίδραση του διαλύτη κλπ. Για το μηχανισμό των χημικών αντιδράσεων υπάρχουν πολλές πλευρές θεωρητικής και πρακτικής χημείας που πρέπει να ληφθούν υπόψη για να διευκρινισθούν τα στάδια του μηχανισμού. Τα κυριότερα γνωστικά εργαλεία για το μηχανισμό αντίδρασης είναι το είδος της θραύσης δεσμών αντιδρώντων (ομολυτική, ετερολυτική), ενέργειες δεσμών που σχηματίζονται, ενδομοριακές μεταθέσεις, μεταφορά ηλεκτρονίων, επίδραση υποκαταστατών (φαινόμενα επαγωγικό,συζυγιακό-συντονισμού, πολικός χαρακτήρας κλπ), στερεοχημικές παρεμποδίσεις και θερμοδυναμικά δεδομένα. Οι κυριότεροι τύποι αντιδράσεων που απαντούν στην Οργανική σύνθεση είναι: αντιδράσεις προσθήκης, αντιδράσεις απόσπασης, αντιδράσεις υποκατάστασης, αντιδράσεις συμπύκνωσης, μοριακές μεταθέσεις (ενδομοριακές και διαμοριακές), περικυκλικές αντιδράσεις (κυκλοπροσθήκες, ηλεκτροκυκλικές, σιγματροπικές μεταθέσεις), αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής. Οι μηχανισμοί στην Οργανική σύνθεση πρέπει να λάβουν επίσης υπόψη τους στερεοχημικούς παράγοντες (ασύμμετρο άτομο άνθρακα, cis-, trans- ισομερή, ασύμμετρες συνθέσεις), και στερεοηλεκτρονικούς παράγοντες (στερεοεκλεκτικές, στερεοειδικές, στερεοεκλεκτικές ως προς την κατεύθυνση). Η οργανική σύνθεση με ελεύθερες ρίζες έχει αρκετές πλευρές που ικανοποιούν τις βασικές απαιτήσεις της σύνθεσης αλλά και σημαντικά πρακτικά προβλήματα που σχετίζονται με την παραγωγή ελευθέρων ριζών, καθώς και τη σταθερότητά τους. Οι οργανικές ρίζες είναι δραστικές ενώσεις και πολλές φορές προσβάλουν σε ανεπιθύμητα σημεία τα οργανικά υποστρώματα. Αλλά σε πολλές οργανικές συνθέσεις προσφέρουν τα κατάλληλα εργαλεία και την στερεοεκλεκτικότητα που απαιτούν ορισμένες οργανικές συνθέσεις και δεν μπορούν να επιτευχθούν με άλλες μεθοδολογικές προσεγγίσεις. 109

45 7.2. Αντιδράσεις Υποκατάστασης με Ελεύθερες Ρίζες στην Οργανική Σύνθεση Οι κυριότερες αντιδράσεις υποκατάστασης με ελεύθερες ρίζες περιλαμβάνουν απομάκρυνση αλογόνου, αφαλογόνωση (dehalogenation,, όπου = αλογόνο), απομάκρυνση οξυγόνου, απο-οξυγόνωση (deoxygenation, ), απαμίνωση (2 ), απονίτρωση (denitration, ΝΟ2 Η), αναγωγική ομολυτική διάσπαση του δεσμού άνθρακα-θείου ( ), αντιδράσεις υποκατάστασης Σεληνίου (deselenation), αποκαρβοξυλίωση (decarbo-xylation), και ανταλλαγή χαρακτηριστικών ομάδων με τη χρήση οργανομεταλλικών παραγώγων Βορίου, Υδραργύρου και Κοβαλτίου (functional group interchange). Από τις αντιδράσεις στην οργανική σύνθεση αναφέρουμε ορισμένες επιλεκτικά Αντίδραση υποκατάστασης αλογόνου Η αναγωγική απομάκρυνση ενός ατόμου αλογόνου με τη βοήθεια υδριδίων κασσιτέρου θεωρείται πλέον κλασική αντίδραση στην οργανική σύνθεση. Η απλή αυτή αντίδραση είναι εξαιρετικά επιτυχής. Ο σχηματισμός του ισχυρού δεσμού n και η ταχύτατη αφαίρεση ενός ατόμου υδρογόνου από μία αλκυλο- ρίζα από τον ασθενή δεσμό n οδηγεί σε έναν εξαιρετικό θερμοδυναμικό συνδυασμό της σταθερής αναγέννησης αλυσιδωτής αντίδρασης που φέρει ρίζα κασσιτέρου και με αυτό τον τρόπο δημιουργεί μεγάλες ανθρακικές αλυσίδες. Το γενικό σχήμα της αντίδρασης δίδεται παρακάτω: ' 3 n ' 3 n ' 3 n Οι οργανοκασσιτερικές ενώσεις, υδρίδια, που χρησιμοποιούνται στις αντιδράσεις αυτές είναι κυρίως o τρι-n-βουτυλοκασσίτερος, nbu3n, o οποίος έχει αντικατασταθεί από το τρι-n-βουτυλογερμάνιο nbu3ge γιατί είναι αντίστοιχης εφαρμοσιμότητας σε αντιδράσεις ριζών, έχει καλές αποδόσεις, χαμηλό κόστος, είναι εύκολο στην προετοιμασία, λιγότερο τοξικό 110