Κεφάλαιο 2. Οι μεταβλητές των οργανικών αντιδράσεων

Transcript

1 Κεφάλαιο 2 Οι μεταβλητές των οργανικών αντιδράσεων Σύνοψη Στο κεφάλαιο αυτό αναφέρονται οι αντιδράσεις χωρίς τους μηχανισμούς τους, με στόχο να δοθεί έμφαση στις συνέπειες από τις μεταβολές ορισμένων χαρακτηριστικών παραγόντων. Οι μηχανισμοί αυτών ή ανάλογων αντιδράσεων βρίσκονται στα αντίστοιχα κεφάλαια (αντιδράσεις προσθήκης, αντιδράσεις υποκατάστασης). Για να κατανοηθεί ο συγκεκριμένος τρόπος με τον οποίο αντιδρούν οι λειτουργικές ομάδες, πρέπει να προσδιοριστεί πώς διαφορετικά μόρια και ιόντα αλληλεπιδρούν και ενώνονται. Προς το σκοπό αυτό, είναι σημαντικό να εξεταστούν ορισμένες μεταβλητές της αντίδρασης, οι οποίες θα παρατηρούνται και θα μετρώνται ενόσω η αντίδραση θα εξελίσσεται. Παρακάτω παρουσιάζονται οι πιο κοινές, χρήσιμες και σημαντικές από τις μεταβλητές αυτές, που αποτελούν σημαντικούς παράγοντες για το αποτέλεσμα και την εξέλιξη της αντίδρασης. Προαπαιτούμενη γνώση Ο αναγνώστης θα πρέπει να έχει εξοικειωθεί με τον τρόπο παραστατικής γραφής, τα στοιχεία και τα σύμβολα των αντιδράσεων. Θα πρέπει να γνωρίζει τα προκύπτοντα από τη ρήξη των δεσμών ενδιάμεσα, τη δομή και τη δραστικότητά τους. 2.1 Αντιδρώντα και αντιδραστήρια Α. Δομή αντιδρώντος: Μεταβολές στη δομή του αντιδρώντος μπορεί να έχουν χαρακτηριστική επιρροή στην πορεία μιας αντίδρασης, ακόμα κι αν η λειτουργική ομάδα παραμένει αμετάβλητη. Κατά συνέπεια, η αντίδραση 1-βρωμοπροπανίου με κυανιούχο νάτριο προχωρά ομαλά, σχηματίζοντας βουτανονιτρίλιο, ενώ το 1-βρωμο-2,2-διμεθυλοπροπάνιο αποτυγχάνει να δώσει οποιοδήποτε προϊόν και παραμένει αμετάβλητο. Αντίθετα, και τα δύο αλκυλο-βρωμίδια σχηματίζουν τα αντιδραστήρια Grignard (RMgBr) κατά την αντίδραση με μαγνήσιο. Β. Χαρακτηριστικά αντιδραστηρίων: Είναι προφανές ότι ελάχιστες μεταβολές σε ένα αντιδραστήριο μπορεί να προκαλέσουν σημαντική αλλαγή στη διάρκεια μιας αντίδρασης. Για παράδειγμα, το 2-βρωμοπροπάνιο υφίσταται αντίδραση υποκατάστασης με θειομεθοξείδιο του νατρίου (μεθυλικό θειούχο νάτριο), αλλά υποβάλλεται σε αντίδραση απόσπασης, η οποία κυριαρχεί κατά την επεξεργασία του με μεθοξείδιο του νατρίου. 2.2 Εκλεκτικότητα προϊόντος Α. Τοποεκλεκτικότητα (regioselectivity): Παρατηρούμε συχνά ότι αντιδράσεις προσθήκης και απόσπασης οδηγούν σε περισσότερα από ένα προϊόντα. Το 1-βουτένιο κατά την προσθήκη HBr μπορεί να δώσει είτε 1-βρωμοβουτάνιο είτε 2-βρωμοβουτάνιο, ανάλογα με το ποιος άνθρακας του διπλού δεσμού δέχεται το υδρογόνο και ποιος το βρώμιο. Εάν ένα προϊόν, από δύο ή περισσότερα πιθανά 23

2 προϊόντα, σχηματίζεται κατά προτίμηση, τότε η αντίδραση λέγεται τοποεκλεκτική. Συνήθως, οι απλές αντιδράσεις υποκατάστασης δεν θεωρούνται τοποεκλεκτικές, δεδομένου ότι εξ ορισμού μόνο ένα συντακτικά ισομερές προϊόν είναι δυνατό. Εντούτοις, είναι γνωστό ότι αντιδράσεις μετάθεσης εμφανίζονται στη διάρκεια ορισμένων αντιδράσεων. Τέτοιου είδους αντιδράσεις μετάθεσης πραγματοποιούνται για να σχηματιστεί σταθερότερο ενδιάμεσο. Τίποτα δεν μπορεί να εμποδίσει τη μετατροπή, όταν υπάρχει η δυνατότητα, ένα πρωτοταγές (ή δευτεροταγές) καρβοκατιόν να μετασχηματιστεί στο σταθερότερο τριτοταγές. Β. Στερεοεκλεκτικότητα (stereoselectivity): Εάν τα προϊόντα αντίδρασης είναι τέτοια ώστε να επιτρέπουν τη διαμόρφωση στερεοϊσομερών, τότε η αντίδραση που παράγει ένα και μόνο στερεοϊσομερές ονομάζεται στερεοεκλεκτική. Για παράδειγμα, στην αντίδραση προσθήκης βρωμίου στο κυκλοεξένιο, το cis και το trans-1,2-διβρωμοκυκλοεξάνιο είναι (αρχικά), και τα δύο, πιθανά προϊόντα. Δεδομένου ότι το trans-ισομερές είναι το μόνο σχηματιζόμενο προϊόν, τότε η συγκεκριμένη αντίδραση είναι στερεοεκλεκτική. Γ. Στερεοειδικότητα (stereospeciticity): Αυτός ο όρος χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις στις οποίες τα στερεοϊσομερή αντιδρώντα συμπεριφέρονται διαφορετικά σε δεδομένη αντίδραση. Υπάρχουν οι εξής περιπτώσεις: (α) Σχηματισμός διαφορετικών στερεοϊσομερών προϊόντων, όπως στην αντίδραση των εναντιομερών 2-βρωμοβουτανίων με θειομεθοξείδιο του νατρίου (μεθυλικό θειούχο νάτριο). Στην περίπτωση αυτή, το (R)-αντιδρών δίνει το στερεοϊσομερές αντίθετης απεικόνισης. Με άλλα λόγια, το (S)-προϊόν και το (S)-αντιδρών δίνει το στερεοϊσομερές αντίθετης απεικόνισης, δηλαδή το (R)-προϊόν. (β) Διαφορετικές ταχύτητες αντίδρασης, όπως στην καταλυόμενη από βάση απόσπαση των cis και trans-4-t-βουτυλοκυκλοεξυλοβρωμιδίων. 24

3 (γ) Διαφορετικές πορείες αντίδρασης οδηγούν σε διαφορετικά προϊόντα, όπως στην καταλυόμενη από βάση απόσπαση των cis και trans-2-μεθυλοκυκλοεξυλοβρωμιδίων. 2.3 Χαρακτηριστικά των αντιδράσεων A. Ταχύτητα αντίδρασης: Ορισμένες αντιδράσεις εξελίσσονται ταχύτατα και άλλες προχωρούν τόσο αργά ώστε σχεδόν δεν είναι ανιχνεύσιμες. Οι μεταβλητές που επηρεάζουν την ταχύτητα των αντιδράσεων είναι η θερμοκρασία (συνήθως οι αντιδράσεις εξελίσσονται ταχύτερα σε υψηλότερες θερμοκρασίες), ο διαλύτης και οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων. Χρήσιμες πληροφορίες για το μηχανισμό μιας αντίδρασης μπορεί να ληφθούν εξετάζοντας τον τρόπο με τον οποίο η ταχύτητα μιας αντίδρασης αλλάζει καθώς οι συγκεντρώσεις του αντιδρώντος και των αντιδραστηρίων μεταβάλλονται. Αυτός ο τομέας μελέτης καλείται κινητική. Β. Ενδιάμεσα: Πολλές αντιδράσεις προχωρούν μέσω σταδίων. Αυτό αποδεικνύεται πειστικά όταν τα ενδιάμεσα χημικά είδη μπορούν να απομονωθούν, ώστε να καταδειχθεί ότι σχηματίζονται, τα ίδια πάντα ενδιάμεσα, για τις ίδιες συνθήκες αντίδρασης. Μερικά ενδιάμεσα αποτελούν σχετικά σταθερές ενώσεις, ενώ άλλα είναι τόσο δραστικά ώστε η απομόνωσή τους είναι ανέφικτη. Εντούτοις, στοιχεία για την ύπαρξή τους μπορούν να ληφθούν με άλλα μέσα, συμπεριλαμβανομένης της φασματοσκοπικής παρατήρησης ή των συμπερασμάτων από κινητικά δεδομένα. 2.4 Παράγοντες που επηρεάζουν τις αντιδράσεις Ο προσδιορισμός ορισμένων γενικών χαρακτηριστικών γνωρισμάτων μιας αντίδρασης που έχουν σημαντική επιρροή στην εξέλιξή της είναι ιδιαίτερα χρήσιμος για την κατανόηση και τη διερεύνησή της. Μερικοί από τους σημαντικότερους παράγοντες που επηρεάζουν τις αντιδράσεις είναι: Α. Ενεργειακοί παράγοντες: Η δυναμική ενέργεια για ένα σύστημα στο οποίο εξελίσσεται αντίδραση μεταβάλλεται καθώς η αντίδραση προχωρεί. Η συνολική μεταβολή μπορεί να είναι εξώθερμη (έκλυση ενέργειας) ή ενδόθερμη (απορρόφηση ενέργειας). Ενώ υπάρχει και η ενέργεια ενεργοποίησης. Πίνακες πρότυπων ενεργειών δεσμών χρησιμοποιούνται ευρέως, για τον υπολογισμό της ενεργειακής μεταβολής σε μια δεδομένη αντίδραση. Κατά κανόνα, ενώσεις που συνίστανται από ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς είναι σταθερότερες από ενώσεις στις οποίες ενυπάρχουν ένας ή περισσότεροι σχετικά ασθενείς δεσμοί. Β. Ηλεκτρονιακοί παράγοντες: Η κατανομή ηλεκτρονίων επί των τμημάτων των μορίων στα οποία εξελίσσεται η αντίδραση (λειτουργικές ομάδες) είναι ένας ιδιαίτερα σοβαρός παράγοντας. Είδη ή ομάδες με έλλειψη ηλεκτρονίων, τα οποία μπορεί να είναι ή/και να μην είναι θετικά φορτισμένα, προσελκύονται από είδη ή ομάδες πλούσια σε ηλεκτρόνια, τα οποία μπορεί να έχουν ή/και να μην έχουν αρνητικό φορτίο. Τα είδη αυτά αναφέρονται ως ηλεκτρονιόφιλα και πυρηνόφιλα, αντίστοιχα. Γενικά, τα αντίθετα προσελκύονται και αντιδρούν μεταξύ τους. Η κατανομή φορτίων σε ένα μόριο εξετάζεται συνήθως σε συνδυασμό με δύο φαινόμενα αλληλεπίδρασης ηλεκτρονίων: το φαινόμενο της επαγωγικής επίδρασης, που είναι αποτέλεσμα των διαφορών ηλεκτραρνητικότητας που υπάρχει μεταξύ ατόμων (ή ομάδων) σε έναν ομοιοπολικό δεσμό, και το φαινόμενο του συντονισμού, κατά το οποίο μη δεσμικά ηλεκτρόνια κινούνται με ασυνεχή τρόπο μεταξύ των μερών ενός μορίου. Γ. Στερεοχημικοί (ή στερικοί) παράγοντες: Τα άτομα καταλαμβάνουν συγκεκριμένο χώρο. Όταν συσσωρεύονται μαζί, τότε οι απώσεις Van der Waals δημιουργούν ένα δυσμενές στερικό εμπόδιο. Το στερικό αυτό εμπόδιο μπορεί να επηρεάσει τις ισορροπίες των διαμορφώσεων, καθώς επίσης αποσταθεροποιεί τις μεταβατικές καταστάσεις των αντιδράσεων. Δ. Στερεοηλεκτρονιακοί παράγοντες: Σε πολλές αντιδράσεις, ατομικά ή μοριακά τροχιακά αλληλεπιδρούν με τέτοιον τρόπο ώστε παρατηρείται βέλτιστη ευθυγράμμιση στη διαμόρφωση ή τη γεωμετρία. Η απομάκρυνση από αυτήν την ευθυγράμμιση παρεμποδίζει την αντίδραση. Ε. Επίδραση διαλύτη: Οι περισσότερες αντιδράσεις εξελίσσονται σε διάλυμα και όχι σε αέρια φάση (οι αντιδράσεις στερεάς φάσης είναι εκτός του σκοπού της παρούσας έκδοσης). Ο διαλύτης που επι- 25

4 λέγεται για μια δεδομένη αντίδραση μπορεί να ασκήσει ισχυρή επίδραση στην εξέλιξή της. Οι διαλύτες είναι χημικές ουσίες και οι περισσότεροι από αυτούς συμμετέχουν στη χημική αντίδραση υπό κατάλληλες συνθήκες. 2.5 Ταξινόμηση των οργανικών αντιδράσεων Πίνακας 2.1: Κατάταξη των οργανικών αντιδράσεων. 26

5 2.6 Χαρακτηριστικά για κάθε κατηγορία οργανικών αντιδράσεων Πίνακας 2.2: Χαρακτηριστικά κάθε κατηγορίας οργανικών αντιδράσεων. 2.7 Εκλεκτικότητα των αντιδράσεων Κατά τις χημειοεκλεκτικές (chemoselective) αντιδράσεις, μια λειτουργική ομάδα αντιδρά κατά προτίμηση έναντι άλλης ή άλλων λειτουργικών ομάδων. Κατά τις τοποεκλεκτικές (regioselective) αντιδράσεις, σχηματίζεται κατά προτίμηση ένα συντακτικό ισομερές (constitutional/structural isomer). Κατά τις στερεοεκλεκτικές (stereoselective) αντιδράσεις, ένα εναντιομερές, ένα διαστερεοϊσομερές ή ένα γεωμετρικό ισομερές σχηματίζεται κατά προτίμηση έναντι των άλλων ισομερών. Κατά τις στερεοειδικές (stereospecific) αντιδράσεις, τα διαφορετικά στερεοϊσομερή αντιδρούν διαφορετικά. 27

6 Πίνακας 2.3: Εκλεκτικότητα των αντιδράσεων. 2.8 Στοιχεία εκμάθησης Οι σπουδαστές πρέπει να εξοικειωθούν με: τη χρήση βελών πλήρους και ημίσειας αιχμής, για την αναπαράσταση της κίνησης ηλεκτρονίων σε πολικές αντιδράσεις και αντιδράσεις ελεύθερων ριζών, αντίστοιχα, την αναγνώριση καρβοκατιόντων, καρβανιόντων και ελεύθερων ριζών, την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η υπερσυζυγία, η επαγωγική επίδραση και η επίδραση συντονισμού επηρεάζουν τη σταθερότητα ιόντων και ουδέτερων οργανικών μορίων, την αναγνώριση της δυνατότητας που έχει η στερική επίδραση να επηρεάσει τις οργανικές αντιδράσεις, την αναγνώριση και τη σύγκριση της σχετικής ισχύος πυρηνόφιλων και ηλεκτρονιόφιλων, την αναγνώριση της σημασίας που έχει η υπερκάλυψη τροχιακών (orbital overlap) στο συντονισμό (resonance) και τις οργανικές αντιδράσεις, τη γραφή μηχανισμών αντιδράσεων μεταξύ πυρηνόφιλων και ηλεκτρονιόφιλων, καθώς και τη σωστή χρήση των κυρτών βελών σε αυτούς, την αναγνώριση οργανικών οξέων και των παραγόντων που επηρεάζουν την ισχύ των οξέων αυτών, την αναγνώριση οργανικών βάσεων και των παραγόντων που επηρεάζουν την ισχύ των βάσεων αυτών, την αναγνώριση των οξεο-βασικών αντιδράσεων στις οποίες συμμετέχουν οργανικές ενώσεις, την κατηγοριοποίηση λειτουργικών ομάδων με βάση την οξειδωτική τους κατάσταση και τη χρήση αυτής της κατάστασης για την αναγνώριση οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων, την κατηγοριοποίηση των πολικών αντιδράσεων σε ηλεκτρονιόφιλες προσθήκες, πυρηνόφιλες προσθήκες, αποσπάσεις, πυρηνόφιλες υποκαταστάσεις, πυρηνόφιλες ακυλο-υποκαταστάσεις και ηλεκτρονιόφιλες υποκαταστάσεις, την αναγνώριση των σταδίων του μηχανισμού ελεύθερων ριζών (έναρξης, διάδοσης, τερματισμού), την αναγνώριση των αντιδράσεων Diels-Alder, ως παραδειγμάτων περικυκλικών αντιδράσεων, την αναγνώριση χημειοεκλεκτικών, τοποεκλεκτικών, στερεοεκλεκτικών και στερεοειδικών αντιδράσεων. 28