Μηχανισμοί Οργανικών Αντιδράσεων

Transcript

1 1

2 ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ Ε. ΚΟΥΜΠΗΣ Αναπληρωτής Καθηγητής Οργανικής Χημείας, Τμήμα Χημείας, Α.Π.Θ. ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΑ Χ. ΦΥΛΑΚΤΑΚΙΔΟΥ Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Χημείας Οργανικών Ενώσεων, Τμήμα Μοριακής Βιολογίας και Γενετικής, Δ.Π.Θ. Μηχανισμοί Οργανικών Αντιδράσεων 2

3 Μηχανισμοί Οργανικών Αντιδράσεων Συγγραφή Αλέξανδρος Ε. Κουμπής Κωνσταντίνα Χ. Φυλακτακίδου Κριτικός αναγνώστης Αθανάσιος Γκιμήσης Συντελεστές έκδοσης ΓΛΩΣΣΙΚΗ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Αλέξανδρος Ε. Κουμπής, Κωνσταντίνα Χ. Φυλακτακίδου ΓΡΑΦΙΣΤΙΚΗ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Αλέξανδρος Ε. Κουμπής, Κωνσταντίνα Χ. Φυλακτακίδου ΤΕΧΝΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ: Νικόλαος Πάχτας ISBN: Copyright ΣΕΑΒ, 2015 Το παρόν έργο αδειοδοτείται υπό τους όρους της άδειας Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Όχι Παράγωγα Έργα 3.0. Για να δείτε ένα αντίγραφο της άδειας αυτής επισκεφτείτε τον ιστότοπο ΣΥΝΔΕΣΜΟΣ ΕΛΛΗΝΙΚΩΝ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΩΝ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΩΝ Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Ζωγράφου 3

4 4

5 5 στη Μαρίζα

6 Περιεχόμενα Περιεχόμενα... 6 Πίνακας συντομεύσεων-ακρωνύμια Πρόλογος Κεφάλαιο 1: Εισαγωγικές έννοιες Εισαγωγικές έννοιες Τα βέλη στους μηχανισμούς οργανικών αντιδράσεων Τυπικά φορτία Συντονισμός Ταυτομέρεια Οξέα και βάσεις Οξέα και βάσεις κατά Brønsted-Lowry Οξέα και βάσεις κατά Lewis Πυρηνόφιλα και ηλεκτρονιόφιλα Καρβοκατιόντα και καρβανιόντα Η αρωματικότητα Η ενεργειακή θεώρηση μιας αντίδρασης Ισοτοπική επισήμανση Ταξινόμηση των οργανικών αντιδράσεων Βιβλιογραφία/Αναφορές Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κεφάλαιο 2: Πυρηνόφιλη αλειφατική υποκατάσταση Πυρηνόφιλη αλειφατική υποκατάσταση Γενική περιγραφή μιας πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης

7 2.2 Ο μηχανισμός S N Ο μηχανισμός S N Σύγκριση των μηχανισμών S N 2 και S N Ιδιαίτερες κατηγορίες πυρηνόφιλων αλειφατικών υποκαταστάσεων Διάφορες αντιδράσεις πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης Βιβλιογραφία/Αναφορές Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κεφάλαιο 3: Αντιδράσεις απόσπασης Αντιδράσεις απόσπασης Γενική περιγραφή μιας αντίδρασης απόσπασης β-αποσπάσεις δ-αποσπάσεις α-αποσπάσεις Μελέτη του ανταγωνισμού υποκατάστασης και β-απόσπασης Διάφορες αντιδράσεις απόσπασης Βιβλιογραφία/Αναφορές Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κεφάλαιο 4: Ηλεκτρονιόφιλη αλειφατική υποκατάσταση Ηλεκτρονιόφιλη αλειφατική υποκατάσταση Γενική περιγραφή μιας αντίδρασης ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης Οι μηχανισμοί S E 2 και S E i Ο μηχανισμός S E Σύγκριση των μηχανισμών S Ε 2, S Ε i και S Ε Διάφορες αντιδράσεις ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης

8 Βιβλιογραφία/Αναφορές Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κεφάλαιο 5: Προσθήκες σε πολλαπλούς δεσμούς Προσθήκες σε πολλαπλούς δεσμούς Ηλεκτρονιόφιλες προσθήκες σε δεσμούς C=C Πυρηνόφιλες προσθήκες σε δεσμούς C=C Προσθήκες σε δεσμούς C C Προσθήκες σε δεσμούς C=Ο Προσθήκες σε δεσμούς C=Ν Προσθήκες στα ισονιτρίλια Βιβλιογραφία/Αναφορές Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κεφάλαιο 6: Αντιδράσεις ενολών και ενολικών ανιόντων Αντιδράσεις ενολών και ενολικών ανιόντων Γενική θεώρηση της δημιουργίας και των αντιδράσεων των ενολών και των ενολικών ανιόντων Ενόλες και ενολικά ανιόντα που προέρχονται από αλδεΰδες ή κετόνες Ενολικά ανιόντα που προέρχονται από εστέρες Ενολικά ανιόντα που προέρχονται από 1,3-δικαρβονυλικές ενώσεις Η αντίδραση Perkin Σταθεροποιημένα υλίδια P Αντιδράσεις εναμινών Ανασκόπηση των αντιδράσεων μέσω ενολών και ενολικών ανιόντων

9 Βιβλιογραφία/Αναφορές Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κεφάλαιο 7: Αρωματική υποκατάσταση Αρωματική υποκατάσταση Ηλεκτρονιόφιλη αρωματική υποκατάσταση Πυρηνόφιλη αρωματική υποκατάσταση Βιβλιογραφία/Αναφορές Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κεφάλαιο 8: Αντιδράσεις ριζών Αντιδράσεις ριζών Ορισμός Γενικές έννοιες Οι ελεύθερες ρίζες στη φύση και σε εφαρμογές της καθημερινής ζωής Δομή και δραστικότητα των ριζών Οι ελεύθερες ρίζες σε ένα αλυσιδωτό σχήμα Μη αλυσιδωτές αντιδράσεις ριζών Ο μηχανισμός S RN Διαφορές μεταξύ ιοντικών αντιδράσεων και αντιδράσεων ριζών Τυπικές αντιδράσεις μετατροπής που χωρούν μέσω ριζών Αντιδράσεις τύπου «cascade» που χωρούν με ρίζες Ανίχνευση ελεύθερων ριζών Βιβλιογραφία/Αναφορές

10 Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κεφάλαιο 9: Περικυκλικές αντιδράσεις Περικυκλικές αντιδράσεις Ταξινόμηση των περικυκλικών αντιδράσεων Ηλεκτροκυκλικές αντιδράσεις Αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης Σιγματοτροπικές αναδιατάξεις Η αντίδραση ενίου Βιβλιογραφία/Αναφορές Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κεφάλαιο 10: Μερικοί ακόμα μηχανισμοί οργανικών αντιδράσεων Μερικοί ακόμα μηχανισμοί οργανικών αντιδράσεων Αντιδράσεις οξείδωσης αλκοoλών Αντιδράσεις αναγωγής αλδεϋδών και κετονών προς αλκάνια Αντιδράσεις εστεροποίησης Αντίδραση Corey-Seebach Αντίδραση Staudinger Σύνθεση Gabriel Συμπύκνωση Pechmann Αντιδράσεις αναδιάταξης Αντιδράσεις σύζευξης

11 10.10 Ολεφινική μετάθεση Βιβλιογραφία/Αναφορές Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης Ευρετήριο όρων

12 Πίνακας συντομεύσεων-ακρωνύμια Αc ΑΙΒΝ Ar 9-BBN ΒΗΑ ΒΗΤ Bn Bu CAN mcpba CIDNP CM DBU DCC DDQ DEAD DIC DMAP DMF DMP DMSO DNA E EL EPR ESR Et FMO HMDS HMPA ΗΟΜΟ LDA LUMO Μe ΝΒS NCS Ακετυλο- Αζωδιισοβουτυρονιτρίλιο Αρυλ- 9-Βοροδικυκλο[3.3.1]εννεάνιο 3-tert-Βουτυλο-4-υδροξυανισόλη 3,5-Δι-tert-βουτυλο-4-υδροξυτολουόλιο Βενζυλ- Βουτυλ- Νιτρικό εναμμώνιο δημήτριο μ-χλωροϋπερβενζοϊκό οξύ Χημικά επαγόμενη δυναμική πυρηνική πόλωση Διασταυρούμενη μετάθεση ολεφίνης 1,8-Διαζαδικυκλο[5.4.0]ενδεκ-7-ένιο Δικυκλοεξυλοκαρβοδιιμίδιο 2,3-Διχλωρο-5,6-δικυανο-1,4-βενζοκινόνη Αζωδικαρβοξυλικός διαιθυλεστέρας Διισοπροπυλοκαρβοδιιμίδιο Ν,Ν-Διμεθυλαμινοπυριδίνη Ν,Ν-Διμεθυλοφορμαμίδιο Περιοδινάνιο Dess-Martin Διμεθυλοσουλφοξείδιο Δεσοξυριβοζονουκλεϊκό οξύ Ηλεκτρονιόφιλο Αιθενόλυση Φασματοσκοπία ηλεκτρονικού παραμαγνητικού συντονισμού Φασματοσκοπία ηλεκτρονικού συντονισμού Αιθυλ- Μετωπικό μοριακό τροχιακό Εξαμεθυλοδισιλαζάνιο Εξαμεθυλοφωσφοραμίδιο Υψηλότερης ενέργειας κατειλημμένο μοριακό τροχιακό Διισοπροπυλαμιδικό λίθιο Χαμηλότερης ενέργειας μη κατειλημμένο μοριακό τροχιακό Μεθυλ- Ν-Βρωμοσουκινιμίδιο Ν-Χλωροσουκινιμίδιο 12

13 NMR Νp Νu PCC PDC Ph PMB Pr py R RCM ROM ROS SET SOMO ΤΒΑF ΤΒS ΤΕΜΡΟ TFA ΤΗF THP ΤΜS ΤS Τs ΤTF UV Φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού Νεοπεντυλο- Πυρηνόφιλο Χλωροχρωμική πυριδίνη Διχρωμική πυριδίνη Φαινυλπ-Μεθοξυβενζυλ- Προπυλ- Πυριδίνη αλκυλ- Μετάθεση ολεφίνης με κλείσιμο δακτυλίου Μετάθεση ολεφίνης με άνοιγμα δακτυλίου Ενεργές μορφές οξυγόνου Μεταφορά μoνήρους ηλεκτρονίου Μονο-κατειλημμένο μοριακό τροχιακό Τετρα-n-βουτυλοαμμώνιο φθορίδιο tert-βουτυλο-διμεθυλοσιλυλ- 2,2,6,6-τετραμεθυλοπιπεριδιν-1-υλοξυ ρίζα Τριφθοροξικό οξύ Τετραϋδροφουράνιο Τετραϋδροπυρανυλ- Τριμεθυλοσιλυλ- Μεταβατική κατάσταση π-τολουλοσουλφονυλ- Τετραθειοφουλβαλένιο Υπεριώδες-ορατό 13

14 Πρόλογος Τι είναι ο μηχανισμός μιας αντίδρασης; Και σε τι εξυπηρετεί η μελέτη του μηχανισμού μιας οργανικής αντίδρασης; Αυτά είναι τα πρώτα, θεμελιώδη, ερωτήματα που δημιουργούνται στον αναγνώστη-φοιτητή ενός βιβλίου που αναφέρεται στους μηχανισμούς οργανικών αντιδράσεων. Όμως, αποτελούν και το σημείο εκκίνησης για τον διδάσκοντα που θέλει να εισαγάγει το ακροατήριό του σε αυτό το αντικείμενο. Τι είναι λοιπόν ο μηχανισμός μιας οργανικής αντίδρασης; Με απλά λόγια: είναι μια προσπάθεια να αναλύσουμε βήμα-βήμα τι ακριβώς συμβαίνει σε μια χημική αντίδραση. Να διερευνήσουμε συνολικά πώς τα αντιδρώντα μετατρέπονται στα προϊόντα. Και γιατί πρέπει να μελετήσουμε το μηχανισμό μιας οργανικής αντίδρασης; Από περιέργεια; Για να διευκρινίσουμε απλά τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η συγκεκριμένη μεταβολή; Όχι μόνο! Η βαθύτερη μελέτη και συστηματοποίηση των μηχανισμών μας προσφέρει επίσης πολύτιμη εμπειρία και μάς καθιστά έτσι ικανούς στο να σχεδιάσουμε μιαν αντίδραση και να προβλέψουμε την έκβασή της (π.χ. το στερεοχημικό της αποτέλεσμα, την απόδοσή της, την ταχύτητά της). Δηλαδή, καταρχήν γνωρίζοντας τον μηχανισμό μπορούμε να σχηματίσουμε μιαν εικόνα για τη δυνατότητα υλοποίησης μιας μεταβολής και να ρυθμίσουμε τις πειραματικές συνθήκες, ώστε να βελτιστοποιήσουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα μιας αντίδρασης. Σε πιο προχωρημένο δε επίπεδο μπορούμε να σχεδιάσουμε και να ανακαλύψουμε ένα νέο τύπο αντίδρασης. Η γνώση των μηχανισμών που διέπουν τις οργανικές αντιδράσεις είναι άρρηκτα και αμφίδρομα δεμένη με τη γνώση των υπόλοιπων αντικειμένων της οργανικής χημείας και φυσικά της χημείας ως σύνολο. Θα μπορούσε να ισχυριστεί κανείς ότι η μελέτη των μηχανισμών αποτελεί τη ραχοκοκαλιά της οργανικής χημείας, αφού μας οδηγεί στην πληρέστερη αντίληψη των τεκταινόμενων σε μια μεταβολή. Παράλληλα είναι και ένα εξαιρετικά δυναμικό εργαλείο σε ό,τι αφορά την κατανόηση μιας σειράς άλλων πεδίων γνώσης που σχετίζονται με την οργανική χημεία, όπως η βιολογία, η φαρμακευτική χημείας κ.ά. Διαφέρουν οι διάφοροι μηχανισμοί μεταξύ τους; Και ναι, και όχι. Οι χημικές οντότητες υπακούουν στους ίδιους κανόνες, τους δικούς τους κανόνες, τους κανόνες της φύσης. Εμείς στην πράξη αντιλαμβανόμαστε διαφορετικές μεταβολές τις οποίες καλούμαστε να εξετάσουμε, ερμηνεύσουμε και χρησιμοποιήσουμε. Γι αυτό και, προσπαθώντας να περιγράψουμε όσο το δυνατόν ευρύτερα και γενικότερα το σύνολο των μετατροπών που γνωρίζουμε (και αυτών που θα ανακαλύψουμε στο μέλλον ), αναγκαστήκαμε να εφεύρουμε τους δικούς μας όρους, τον δικό μας τρόπο αναπαράστασης, τη δικιά μας γλώσσα επικοινωνίας. Με άλλα λόγια όταν δύο μόρια συναντιούνται δεν «αποφασίζουν» τι θα συμβεί μεταξύ τους με βάση τους κανόνες που έχουμε θεσπίσει εμείς. Απλά το αποτέλεσμα της συνάντησης συμβαδίζει με ό,τι έχουμε εισαγάγει εμείς ως κανόνες (και όπως όλοι οι κανόνες πάντα με κάποιες εξαιρέσεις), όρους και προϋποθέσεις από την εμπειρία που αποκτήσαμε μελετώντας χιλιάδες αντιδράσεις. Πώς περιγράφουμε την πληθώρα των οργανικών αντιδράσεων μέσα από τη μηχανιστική σκοπιά; Καταρχήν ταξινομούμε τις αντιδράσεις με βάση κάποια κριτήρια. Ευτυχώς η ταξινόμηση αυτή οδηγεί σε μια λιγότερο πολύπλοκη και περισσότερο εύπεπτη μαθησιακά κατάσταση. Και πάλι όμως, υπάρχουν αλληλεπικαλύψεις και προβληματισμοί. Γιατί π.χ. ο μηχανισμός μιας αντίδρασης εμπίπτει σε αυτήν την κατηγορία και όχι στην άλλη; Πώς ταξινομώ το μηχανιστικό μονοπάτι μιας αντίδρασης που χωρεί με την παραδοχή επιμέρους σταδίων διαφορετικών κατηγοριών; Γι αυτό και ο ασχολούμενος με τους μηχανισμούς θα πρέπει να τους «διαβάζει» με κριτικό πνεύμα, με ενισχυμένη τη διάθεση απόκτησης μιας ευρύτερης αντίληψης, αντί να εγκλωβίζεται σε στερεοτυπικά δεδομένα. Ο σκοπός του συγκεκριμένου συγγράμματος είναι καταρχήν απλός: Πώς θα μάθει κάποιος να σχεδιάζει ένα «σωστό» μηχανισμό, πώς θα μάθει να χρησιμοποιεί τις γνώσεις του για να προβλέψει την έκβαση της «συνάντησης» δύο ή περισσοτέρων χημικών οντοτήτων σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον αντίδρασης; Αλλά, ως επιστέγασμα έχει να βοηθήσει τον αναγνώστη να συνδέσει ευρύτερα τις γνώσεις του (αυτές που ήδη έχει και αυτές που θα αποκτήσει μέσα από τη μελέτη και κατανόηση της παρούσας συγγραφικής εργασίας) με ένα από τα κεφαλαιώδη αντικείμενα της οργανικής χημείας και γενικότερα της χημείας: τη μετατροπή-μεταβολή των χημικών οντοτήτων (χημική σύνθεση). Στην προσπάθεια να γίνουμε περισσότερο συστηματικοί οι αντιδράσεις διακρίθηκαν σε 3 μεγάλες κατηγορίες: αυτές που χωρούν με πολικό μηχανισμό, αυτές που χωρούν μέσω ριζών και αυτές που συγκαταλέγονται στις περικυκλικές αντιδράσεις. Η ταξινόμηση αυτή είναι και η γενικά περισσότερο αποδεκτή σε διεθνές επίπεδο σε ό,τι αφορά την ικανότητα μετάδοσης της συγκεκριμένης γνώσης. Πρακτικά οι αντιδράσεις που χωρούν μέσω πολικών μηχανισμών περιγράφονται στα πρώτα κεφάλαια αυτού του 14

15 συγγράμματος (2-7), τα οποία συνοδεύονται από ένα εισαγωγικό κεφάλαιο (1) γενικότερων γνώσεων. Αντίθετα, οι αντιδράσεις ριζών και οι περικυκλικές αντιδράσεις συμπεριλήφθηκαν σε αυτούσια, μεμονωμένα κεφάλαια (8 και 9, αντίστοιχα). Τέλος, στο τελευταίο κεφάλαιο μελετώνται μηχανιστικά μερικές ακόμα αντιδράσεις, οι οποίες, λιγότερο ή περισσότερο, αντιστοιχίζονται σε όσες αναφέρθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια. Τι καλύπτει το συγκεκριμένο σύγγραμμα; Καλύπτει τους περισσότερους μηχανισμούς οργανικών αντιδράσεων και μεγάλο αριθμό παραδειγμάτων τους. Για το πρώτο δεν υπήρχε επιλογή. Η προσπάθεια ήταν να συμπεριληφθούν όσο το δυνατόν περισσότεροι μηχανισμοί. Παράλληλα, αναφέρονται μια σειρά από παραδείγματα, για κάθε περίπτωση. Πρακτικά ήταν εξαιρετικά δύσκολη η απόφαση να μη συμπεριληφθούν ορισμένες γνωστές αντιδράσεις στην παρούσα μελέτη. Αλλά κρίθηκε αναγκαίο, ώστε ο όγκος της, τόσο από άποψη φυσική (αριθμός σελίδων), όσο και από άποψη μαθησιακή να κινείται σε λογικά πλαίσια. Δόθηκε έτσι μεγαλύτερη βαρύτητα στην λεπτομερειακή περιγραφή της επιλεχθείσας γνώσης, ώστε ο αναγνώστης να μπορεί να ανταπεξέλθει μεταγενέστερα και σε προβλήματα που δεν περιγράφονται ή αναλύονται εδώ. Ποιος μπορεί να μελετήσει το παρόν σύγγραμμα; Κάθε προπτυχιακός φοιτητής που έχει αποκτήσει τις βασικές γνώσεις οργανικής χημείας είναι σε θέση να μελετήσει και να κατανοήσει το μεγαλύτερο μέρος του. Δεν χρειάζεται σε μια τέτοια φάση ανάγνωσης να θυμάται όλα τα ονόματα και τις προχωρημένες μεταβολές. Μπορεί όμως να τις κατανοήσει. Ο μεταπτυχιακός φοιτητής μπορεί επίσης, να αναγνωρίσει, μέσα από μια εντατικότερη προσπάθεια, ένα χρήσιμο εργαλείο για την αντιμετώπιση των σαφώς απαιτητικότερων μαθησιακών του αναγκών. Το παρόν σύγγραμμα διέπεται από μια σύγχρονη ενοποιημένη θεώρηση των μηχανισμών οργανικών αντιδράσεων. Περιλαμβάνει, στα πλαίσια της ιδιαιτερότητας του αντικειμένου του, ένα μεγάλο αριθμό στοιχείων αλληλεπίδρασης, όπως πολλαπλές διασυνδέσεις και videos. Επίσης, κάθε κεφάλαιο συνοδεύεται από μια σειρά διαδραστικών διαβαθμισμένων (από άποψη δυσκολίας) κριτηρίων αξιολόγησης, μερικά από τα οποία συγκαταλέγονται στην κατηγορία των ερωτήσεων πολλαπλών επιλογών. Με βάση αυτά τα κριτήρια, ο αναγνώστης μπορεί να διαπιστώσει σε ποιο βαθμό έχει κατανοήσει επαρκώς το μαθησιακό αντικείμενο κάθε κεφαλαίου. Οι συντελεστές του παρόντος συγγράμματος (συγγραφείς και λοιποί συντελεστές) εκφράζουν ένα μεγάλο ευχαριστώ στις οικογένειές τους, για την υπομονή τους κατά τη διάρκεια της συγγραφής και στον κριτικό αναγνώστη, Δρ. Αθανάσιο Γκιμήση (Τμήμα Χημείας, Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών), για την άψογη συνεργασία μαζί του και τις εύστοχες παρατηρήσεις του. Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν ιδιαίτερα το Δρ. Γεώργιο Μπουλουγούρη (Τμήμα Μοριακής Βιολογίας και Γενετικής, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης) για τις εύστοχες συμβουλές του σχετικά με τη δόμηση των κριτηρίων αξιολόγησης και τους κ. Δημήτριο Μπιτζένη και Δρ. Στέφανο Κωτούλα για τη μοναδική βοήθειά τους σε τεχνικά θέματα. Επίσης, οι συντελεστές του παρόντος συγγράμματος εύχονται στους αναγνώστες του καλή και δημιουργική μελέτη. 15

16 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγικές έννοιες Σύνοψη Το κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνει την εισαγωγή και μελέτη των κυριότερων παραμέτρων που επηρεάζουν τον μηχανισμό μιας οργανικής αντίδρασης. Μελετώνται οι έννοιες: τυπικό φορτίο, συντονισμός, ταυτομέρεια, οξέα και βάσεις, πυρηνόφιλο και ηλεκτρονιόφιλο, καρβοκατιόντα και καρβανιόντα, αρωματικότητα και ισοτοπικό φαινόμενο. Παρουσιάζεται επίσης η ενεργειακή θεώρηση μιας οργανικής αντίδρασης και δίνεται στο τέλος μια συστηματική κατηγοριοποίηση των διάφορων οργανικών αντιδράσεων. Η συγγραφή του κεφαλαίου βασίστηκε εν μέρει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-10]. Προαπαιτούμενη γνώση Για την ευκολότερη και καλύτερη κατανόηση αυτού του κεφαλαίου ο αναγνώστης θα πρέπει να είναι σε θέση να σχεδιάζει σωστές δομές Lewis, να κατέχει τους βασικούς κανόνες ονοματολογίας, να αναγνωρίζει τις διάφορες τάξεις οργανικών ενώσεων και να γνωρίζει πολύ καλά τις έννοιες: υβριδισμός, πολωμένος δεσμός και δεσμός Η, ηλεκτροθετικότητα και ηλεκτραρνητικότητα, επαγωγικό, συζυγιακό και υπερσυζυγιακό φαινόμενο, θεωρία των μετωπικών τροχιακών. Για τα αντικείμενα αυτά ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέξει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-10]. 1. Εισαγωγικές έννοιες 1.1 Τα βέλη στους μηχανισμούς οργανικών αντιδράσεων Για την περιγραφή των μηχανισμών των οργανικών αντιδράσεων χρησιμοποιείται μια σειρά συμβατικών βελών για να προσδιοριστούν διαφορετικά γεγονότα, Σχήμα 1.1. Τα απλά βέλη ( ) υποδηλώνουν την κατεύθυνση προς την οποία εξελίσσεται μια αντίδραση ή ένα στάδιο μιας αντίδρασης, (1) και (3). Τα διπλά αντίρροπα βέλη υποδηλώνουν τη χημική ισορροπία μεταξύ δύο ή περισσότερων ενώσεων, (2). Τα βέλη με διπλή κεφαλή ( ) χρησιμοποιούνται για να υποδηλώσουν τη σχέση μεταξύ δομών συντονισμού (δείτε και την παράγραφο 1.3), (4). Τα κυρτά βέλη χρησιμοποιούνται για να υποδηλώσουν τη μετακίνηση ζεύγους ηλεκτρονίων (και όχι ατόμων). Το ζεύγος ηλεκτρονίων μπορεί να είναι μονήρες ζεύγος, (3), ή ζεύγος ομοιοπολικού δεσμού, (4). Το κυρτό βέλος ξεκινά από το άτομο που προσφέρει τα ηλεκτρόνια και καταλήγει στον δέκτη. Η μετακίνηση αυτή μπορεί να δηλώνει είτε τον διαμοιρασμό των ηλεκτρονίων [στην (4), το Ο διαμοιράζεται τα ηλεκτρόνιά του με τον C για τη δημιουργία ενός νέου δεσμού], είτε ετερολυτική σχάση του δεσμού [στην (3), το Ι παραλαμβάνει όλο το ζεύγος του δεσμού C I]. Τα βέλη-άγκιστρα χρησιμοποιούνται για να υποδηλώσουν τη μετακίνηση μονήρων ηλεκτρονίων (δείτε και ελεύθερες ρίζες, Κεφάλαιο 8), (5). 16

17 Σχήμα 1.1 Είδη βελών σε έναν μηχανισμό. 1.2 Τυπικά φορτία Ένα σημαντικό στοιχείο για την κατανόηση και τη σωστή αποτύπωση των μηχανισμών οργανικών αντιδράσεων είναι το τυπικό φορτίο ενός ατόμου. Για τον υπολογισμό του χρησιμοποιείται ο γενικός τύπος: τυπικό φορτίο = (ηλεκτρόνια σθένους του ατόμου) (αριθμός των σ και π δεσμών) (αριθμός των αδεσμικών ηλεκτρονίων σθένους) Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους κάθε ατόμου αντιστοιχεί στον αριθμό της ομάδας του περιοδικού πίνακα στην οποία ανήκει. Από την παραπάνω σχέση προκύπτει και αντίστροφα πως τα αφόρτιστα άτομα C, N, O και των αλογόνων (Χ) με συμπληρωμένη την οκτάδα έχουν 4, 3, 2 και 1 δεσμούς, αντίστοιχα. Ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται σε άτομα όπως ο P και το S που έχουν την ικανότητα να σχηματίζουν επιπλέον δεσμούς με τα ζεύγη ηλεκτρονίων τους, Εικόνα 1.1. Εικόνα 1.1 Τυπικά φορτία διαφόρων ατόμων. Παρόλο που τα τυπικά φορτία βοηθούν στη σωστή αποτύπωση ενός μηχανισμού, αφού ηλεκτρόνια ούτε χάνονται ούτε περισσεύουν, δεν πρέπει να αποτελούν στοιχεία προσδιορισμού της χημικής δραστικότητας. Έτσι, π.χ. τα R 4 N + και R + έχουν εντελώς διαφορετική χημική συμπεριφορά. Το άθροισμα των τυπικών φορτίων των ατόμων που απαρτίζουν μια χημική οντότητα αποτελεί το φορτίο της. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί σε μιαν ένωση να υπάρχουν άτομα με τυπικό φορτίο, αλλά το συνολικό φορτίο της να είναι 0 (π.χ. το CH 3 NO 2 ). Οι ενώσεις αυτές καλούνται δίπολα (dipoles). 17

18 1.3 Συντονισμός Συχνά, για μια δεδομένη δομή, υπάρχουν περισσότεροι από έναν ορθοί τρόποι (δομές Lewis) με τους οποίους τα αδεσμικά και τα π ηλεκτρόνια μπορούν να διευθετηθούν. Οι διαφορετικοί αυτοί τρόποι παρουσίασης αποκαλούνται δομές συντονισμού (resonance structures). Στην πράξη οι δομές συντονισμού αναπαριστούν φανταστικούς εναλλακτικούς τρόπους απεικόνισης μιας και μοναδικής ένωσης. Η καθεμία από αυτές συνεισφέρει στην πραγματική δομή της χωρίς καμία τους να την προσδιορίζει από μόνη της. Η συνεισφορά αυτή μπορεί να είναι ισότιμη ή όχι. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ισότιμης συνεισφοράς αποτελεί το οξικό ανιόν, (1), Σχήμα 1.2, για το οποίο τα δύο οξυγόνα είναι ισότιμα λόγω των δομών συντονισμού. Αντίθετα, για την ακετόνη, (3), οι δομές συντονισμού δεν συνεισφέρουν το ίδιο. Σχήμα 1.2 Παραδείγματα δομών συντονισμού. Οι δομές συντονισμού θεωρούνται ευρύτερα συμβατικές μορφές απεικόνισης μιας ένωσης. Έτσι, η αληθινή ηλεκτρονική εικόνα για μιαν ένωση είναι ένας σχετικός μέσος όρος όλων των δομών συντονισμού που μπορούν να γραφούν και ονομάζεται υβρίδιο συντονισμού (resonance hybrids). Το πόσο συνεισφέρει κάθε δομή εξαρτάται από το πόσο σημαντική είναι για την περιγραφή της ένωσης. Οι δομές συντονισμού συσχετίζονται με ένα βέλος διπλής κεφαλής (δείτε και την παράγραφο 1.1), το οποίο δεν πρέπει να συγχέεται με το διπλό βέλος που περιγράφει τη χημική ισορροπία. Για μια συγκεκριμένη ένωση η δομή (ή οι δομές) συντονισμού με τη χαμηλότερη ενέργεια αποτελεί καλύτερο τρόπο περιγραφής της και συμμετέχει σε μεγαλύτερο ποσοστό στο υβρίδιο συντονισμού. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των ορθών δομών συντονισμού που μπορούν να γραφούν για μια δεδομένη ένωση τόσο περισσότερο σταθερή θα είναι αυτή και μάλιστα η σταθερότητα αυξάνεται όταν οι δομές συντονισμού έχουν την ίδια ενέργεια. Οι κανόνες που διέπουν τη σταθερότητα των δομών συντονισμού είναι, κατά σειρά σημασίας, οι παρακάτω: Τα άτομα της 1 ης σειράς του περιοδικού πίνακα δεν επιτρέπεται να έχουν παραπάνω από 8 ηλεκτρόνια στη στοιβάδα σθένους. Αντίθετα, βαρύτερα άτομα (όπως ο P και το S) δεν υπακούουν πλήρως σε αυτόν τον κανόνα, ενώ στα μεταβατικά στοιχεία δεν εφαρμόζεται καθόλου. Στις δομές συντονισμού τα άτομα που έχουν 8 ηλεκτρόνια στη στοιβάδα σθένους είναι περισσότερο σταθερά από τα ίδια άτομα με έλλειψη ηλεκτρονίων (σε άλλες δομές συντονισμού). Έλλειψη ηλεκτρονίων μπορούν να έχουν τα ηλεκτροθετικά άτομα (C και Β) και όχι τα ηλεκτραρνητικά (N, O, αλογόνα). Οι δομές συντονισμού στις οποίες εμφανίζεται διαχωρισμός φορτίου είναι υψηλότερης ενέργειας από αυτές στις οποίες τα φορτία είναι εξουδετερωμένα. Στις περιπτώσεις που εμφανίζεται διαχωρισμός φορτίου το αρνητικό φορτίο θα πρέπει να τοποθετείται στο ηλεκτραρνητικό άτομο και το θετικό στο ηλεκτροθετικό. Έτσι, στη (2) του Σχήματος 1.2 η πρώτη δομή, παρόλο που εμφανίζει θετικό φορτίο στο ηλεκτραρνητικό άτομο του Ο, είναι χαμηλότερης ενέργειας (αφού όλα τα άτομα έχουν 8 ηλεκτρόνια σθένους) από τη δεύτερη (στην οποία ο θετικά φορτισμένος C δεν έχει 8 ηλεκτρόνια σθένους). Επίσης, από τις δομές συντονισμού της ακετόνης [(3), Σχήμα 1.2] η πρώτη και η τρίτη είναι δομές υψηλότερης ενέργειας από τη 18

19 δεύτερη, αφού έχουν διαχωρισμό φορτίου, και ανάμεσα σε αυτές η πρώτη συνεισφέρει ελάχιστα στη δομή της ένωσης, αφού έχει τα φορτία σε λάθος θέση σε ό,τι αφορά την ηλεκτροθετικότητα και την ηλεκτραρνητικότητα των ατόμων. Για τον ευκολότερο σχεδιασμό των δομών συντονισμού ακολουθούνται οι παρακάτω αρχές, Σχήμα 1.3: Τα κυρτά βέλη (παράγραφος 1.1) χρησιμοποιούνται για να δείξουν πώς τα ηλεκτρόνια μετακινούνται σε μια δομή συντονισμού για να δώσουν μιαν άλλη. Στην πράξη η χρήση τους αποτελεί μια συμβατική προσέγγιση ώστε να είναι ευκολότερη η πρόβλεψη των δομών συντονισμού αφού, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, οι δομές συντονισμού θεωρούνται φανταστικές μορφές απεικόνισης μιας ένωσης. Οι δομές συντονισμού μιας ένωσης διαφέρουν μεταξύ τους μόνο στη θέση των π ηλεκτρονίων και των μονήρων ζευγών ηλεκτρονίων, ενώ οι σ δεσμοί είναι ίδιοι σε όλες, δηλαδή δεν αλλάζει η συνδεσιμότητα των ατόμων. Είναι αυτονόητο πως ο αριθμός και το είδος των ατόμων είναι ίδιος, όπως και ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων και το συνολικό φορτίο της ένωσης. Ένα φτωχό ηλεκτρονικά άτομο μπορεί να διαμοιρασθεί το μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων γειτονικού άτομου. Το φτωχό ηλεκτρονικά άτομο μπορεί να είναι φορτισμένο θετικά, (1), ή ουδέτερο (2). Επισημαίνεται πως δεν μπορούν όλα τα θετικά φορτισμένα άτομα να γίνουν αποδέκτες ηλεκτρονίων. Ένα φτωχό ηλεκτρονικά άτομο μπορεί να διαμοιρασθεί τα ηλεκτρόνια του γειτονικού του π δεσμού, (3). Ένα άτομο με ζεύγος ηλεκτρονίων μπορεί να το αποδώσει στον γειτονικό του π δεσμό με παράλληλη μετατόπιση του π δεσμού και εμφάνιση ενός νέου ζεύγους ηλεκτρονίων, (4). Το ίδιο μπορεί να γίνει και με ένα αρνητικά φορτισμένο άτομο (αντιστοιχεί σε ζεύγος ηλεκτρονίων), (5). Στις περισσότερες αρωματικές ενώσεις υπάρχουν δομές συντονισμού που προκύπτουν από την κυκλική μετακίνηση των ηλεκτρονίων χωρίς την εμφάνιση φορτίων, αφού αυτά αλληλοεξουδετερώνονται, (6). Τα δύο ηλεκτρόνια ενός π δεσμού μπορούν να μετακινηθούν προς τη μία πλευρά του (προς το ηλεκτραρνητικότερο άτομο), (3), ή αμφίπλευρα δίνοντας μια δίρριζα, (7). Άτομα που φέρουν μονήρες ηλεκτρόνιο (ρίζα) μπορούν να το συνεισφέρουν μαζί με ένα ηλεκτρόνιο γειτονικού π δεσμού για τη δημιουργία ενός νέου π δεσμού, (8). Οι C και τα Ν με 4 σ δεσμούς δεν διαθέτουν ελεύθερα ζεύγη ηλεκτρονίων και δεν συμμετέχουν σε δομές συντονισμού. Τα ηλεκτραρνητικά άτομα της 1 ης σειράς του περιοδικού πίνακα διατηρούν πάντα συμπληρωμένη την οκτάδα ηλεκτρονίων τους, άσχετα με το αν διαμοιράζονται μερικά από τα ηλεκτρόνιά τους ή όχι. Η απόδοση ενός ή δύο ηλεκτρονίων σε ένα άτομο που έχει συμπληρωμένη την οκτάδα του οδηγεί αναγκαστικά στη διάσπαση κάποιου δεσμού του, (9). Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να αποδίδεται στους δεσμούς S=O και P=O αφού τα άτομου του S και του P μπορούν να έχουν περισσότερα ηλεκτρόνια σθένους. Σε αυτές τις περιπτώσεις, και σε αντίθεση με τις καρβονυλικές ενώσεις, (3), σταθερότερες θεωρούνται οι διπολικές δομές συντονισμού, (10) & (11). 19

20 Σχήμα 1.3 Παραδείγματα σχεδιασμού δομών συντονισμού. Η θεώρηση των δομών συντονισμού είναι πολύ χρήσιμη για: Την πρόβλεψη της σταθερότητας μιας χημικής οντότητας (ειδικότερα για τα ανιόντα, τα κατιόντα και τις ρίζες). Την πρόβλεψη της σχετικής σταθερότητας δύο παρόμοιων χημικών οντοτήτων και του μηχανιστικού σχήματος που ακολουθεί πιθανότατα μια αντίδρασή τους. Την πρόβλεψη του κέντρου αντίδρασης σε μιαν ένωση. 20

21 1.4 Ταυτομέρεια Οι ταυτομερείς ενώσεις (tautomeric compounds) είναι μεταξύ τους συντακτικά ισομερή που αλληλομετατρέπονται. Σε αντίθεση με τις δομές συντονισμού (παράγραφος 1.3) έχουν διαφορετική συνδεσιμότητα των ατόμων τους και οι ενώσεις αυτές διαφέρουν μεταξύ τους στη θέση μιας ομάδας. Η ταυτομερείωση είναι συνήθως μια διαδικασία χημικής ισορροπίας, η οποία λαμβάνει χώρα ταχύτατα, παρουσία οξέως ή βάσης. Με την ευρύτερη έννοια η ταυτομέρεια είναι μια διαδικασία αναδιάταξης Πρωτοτροπική ταυτομέρεια Πολύ συνηθισμένο είδος ταυτομέρειας είναι η πρωτοτροπική μεταβολή (πρωτοτροπία, prototropic tautomerism), δηλαδή η 1,3-μετακίνηση ενός Η σε ένα ακόρεστο σύστημα. Αντιπροσωπευτικότερο παράδειγμα αποτελούν οι καρβονυλικές ενώσεις (αλδεΰδες και κετόνες) και τα ενολικά τους ισομερή (Α και Β, Σχήμα 1.4). Η κετο-ενολική ισορροπία είναι συνήθως μετατοπισμένη προς τα αριστερά, αφού η καρβονυλική δομή είναι θερμοδυναμικά σταθερότερη. Γενικότερα όμως, εξαρτάται από τη σταθεροποίηση των δύο δομών με συντονισμό, τη δυνατότητα σχηματισμού ενδομοριακού δεσμού Η (στην ενόλη, Σχήμα 1.5) και τον διαλύτη (αύξηση της πολικότητάς του ευνοεί την κετο-μορφή, αφού αυτή είναι περισσότερο πολική). Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός πως τα αντίστοιχα ανιόντα (C και D), που προκύπτουν με την επίδραση βάσης στα Α και Β, αποτελούν όντως δομές συντονισμού (παράγραφος 1.3). Σχήμα 1.4 Η κετοενολική ισσοροπία. Σχήμα 1.5 Σταθεροποίηση ενολικής μορφής μέσω συντονισμού και ενδομοριακού δεσμού Η Ταυτομέρεια αλυσίδας-δακτυλίου Η ταυτομέρεια αλυσίδας-δακτυλίου αναφέρεται στις περιπτώσεις κατά τις οποίες μια ανοικτή αλυσίδα μετατρέπεται σε δακτύλιο με τη μετακίνηση Η. Εμφανίζεται κατά κύριο λόγο στις γ- και δ-υδροξυκετόνες (ή αλδεΰδες) και τα αντίστοιχα γ- και δ-κετοκαρβοξυλικά οξέα με τον σχηματισμό πενταμελών ή εξαμελών δακτυλίων, Σχήμα 1.6. Η ταυτομερείωση αυτή εμφανίζεται και στα σάκχαρα (ημιακεταλική μορφή). 21

22 Σχήμα 1.6 Γενικό σχήμα ταυτομέρειας αλυσίδας-δακτυλίου. 1.5 Οξέα και βάσεις Οξέα και βάσεις κατά Brønsted-Lowry Μια οξεοβασική αντίδραση περιλαμβάνει τη μεταφορά ενός πρωτονίου (Η + ) από ένα οξύ κατά Brønsted- Lowry (Brønsted-Lowry acid) σε μία βάση κατά Brønsted-Lowry (Brønsted-Lowry base). Δηλαδή, το οξύ είναι ο δότης πρωτονίου και η βάση ο δέκτης, Σχήμα 1.7. Σχήμα 1.7 Παραδείγματα οξεοβασικών αντιδράσεων κατά Brønsted-Lowry. Με την αφαίρεση ενός πρωτονίου από ένα οξύ προκύπτει η συζυγής βάση (conjugate base) και αντίστοιχα η πρωτονίωση μιας βάσης οδηγεί στο συζυγές οξύ (conjugate acid). Έτσι, στην αντίδραση (1) (Σχήμα 1.7) η πρωτονίωση της μεθυλαμίνης δίνει το συζυγές της οξύ (CH 3 NH 3 + ). Ανάλογα, στην αντίδραση (2), η συζυγής βάση του οξικού οξέος είναι το οξικό ανιόν (CH 3 COO ), ενώ το συζυγές οξύ της μεθυλαμίνης είναι και πάλι το CH 3 NH 3 +. Σημαντικά στοιχεία για την καλύτερη κατανόηση των όρων οξύ και βάση κατά Brønsted-Lowry: Οι βάσεις μπορεί να είναι ανιοντικές (φορτισμένες αρνητικά) ή ουδέτερες. Τα οξέα μπορεί να είναι κατιοντικά (φορτισμένα θετικά) ή ουδέτερα. Η οξεοβασική αντίδραση είναι στην πράξη μια ισορροπία. Η ισορροπία αυτή μπορεί να είναι μετατοπισμένη προς τη μία ή την άλλη πλευρά, ανάλογα με την ισχύ των οξέων/βάσεων και των συζυγών τους βάσεων/οξέων και μάλιστα προς την κατεύθυνση σχηματισμού των ασθενέστερων οξέων και βάσεων. Στην αντίδραση (6) (Σχήμα 1.7) το οξικό οξύ είναι ισχυρότερο οξύ από το νερό (συζυγές οξύ του NaOH) και το ΝaOH είναι ισχυρότερη βάση από το οξικό νάτριο (συζυγής βάση του οξικού οξέος). Κατά συνέπεια, η ισορροπία αυτή θα είναι μετατοπισμένη προς τα δεξιά. Σε κάθε πλευρά της ισορροπίας υπάρχει ένα οξύ και μία βάση. Ένα ισχυρό οξύ δίνει με αποπρωτονίωση τη συζυγή του βάση, η οποία είναι ασθενής, και το αντίστροφο. Ανάλογα μία ισχυρή βάση δίνει με πρωτονίωση το συζυγές της οξύ, το οποίο είναι ασθενές, και το αντίστροφο. 22

23 Η μεταφορά πρωτονίων είναι συνήθως μια πολύ γρήγορη διαδικασία, ειδικά όταν γίνεται από ένα ετεροάτομο σε ένα άλλο. Η οξεοβασική ισορροπία δεν πρέπει να συγχέεται με τον συντονισμό (παράγραφος 1.3). Το πρωτόνιο (Η + ) δεν πρέπει να συγχέεται με το άτομο (ή ρίζα) υδρογόνου (Η ) ή το ιόν υδριδίου (Η ) Οι τιμές pk a Η οξύτητα μετράται με την κλίμακα των pk a. O pk a για ένα οξύ ΗΧ αντιστοιχεί στο ph στο οποίο το οξύ διίσταται κατά 50%. Προσδιορίζεται από τη σχέση: pk a = log([[h + ] [X ]/[HX]) Όσο μεγαλύτερη η τιμή του pk a τόσο πιο ασθενές είναι το οξύ. Ισχυρά είναι τα οξέα με pk a < 1 ενώ όσα έχουν pk a > 4 θεωρούνται ασθενή. Διαφορετικές κατηγορίες οργανικών ενώσεων έχουν συνήθως διαφορετικές τιμές pk a. Γενικά, η διαφοροποίηση στη δομή μπορεί να επηρεάζει σημαντικά τις τιμές αυτές. O pk a μιας δεδομένης ένωσης εξαρτάται πάρα πολύ από τον διαλύτη, τη θερμοκρασία και τον τρόπο μέτρησής του. Πίνακας 1.1 Προσεγγιστικές τιμές pk a για διάφορα οργανικά οξέα. Σημαντικά στοιχεία για την καλύτερη κατανόηση του pk a, Σχήμα 1.8: Η οξύτητα αυξάνει όσο μετακινούμαστε δεξιά στον περιοδικό πίνακα σε συνδυασμό με την αύξηση της ηλεκτραρνητικότητας (π.χ. pk a CH 4 > pk a NH 3 > pk a H 2 O). Η οξύτητα αυξάνει όσο μετακινούμαστε χαμηλότερα στον περιοδικό πίνακα σε αντίθεση με τη μείωση της ηλεκτραρνητικότητας. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στη φτωχή αλληλοεπικάλυψη του πολύ μικρού s τροχιακού του Η με το πολύ μεγάλο τροχιακό σθένους του ατόμου με το οποίο συνδέεται (π.χ. pk a EtOH > pk a EtSH) και συμβαίνει μόνο όταν το όξινο πρωτόνιο είναι απευθείας συνδεδεμένο με το ετεροάτομο. Ένα συγκεκριμένο άτομο είναι συνήθως περισσότερο όξινο όταν φέρει θετικό φορτίο παρά όταν είναι ουδέτερο (π.χ. pk a ΝΗ + 4 < pk a ΝΗ 3 ). Κατά αντιστοιχία, ένα συγκεκριμένο άτομο είναι συνήθως περισσότερο βασικό όταν φέρει αρνητικό φορτίο παρά όταν είναι ουδέτερο. Η σύγκριση είναι δυνατή μόνο για παρόμοιες δομές. Σε ό,τι αφορά το επαγωγικό φαινόμενο, η οξύτητα του ΗΧ αυξάνει όταν στο Χ είναι συνδεδεμένες ομάδες δέκτες ηλεκτρονίων και ελαττώνεται όταν είναι συνδεδεμένες ομάδες δότες ηλεκτρονίων (π.χ. pk a CCl 3 COOH < pk a CH 3 COOH και pk a ΗΟΗ < pk a EtOH). 23

24 Το ΗΧ είναι περισσότερο όξινο όταν το μονήρες ζεύγος της συζυγούς βάσης σταθεροποιείται με συντονισμό (παράγραφος 1.3) [π.χ. pk a PhOH < pk a EtOH και pk a PhNH + 3 < pk a Et 3 NH +, (1) και (2)]. Το ΗΧ μπορεί να καταστεί ιδιαίτερα όξινο όταν αυτό το μονήρες ζεύγος μπορεί να απεντοπιστεί σε μια καρβονυλομάδα (απεντοπισμός αρνητικού φορτίου) ή, ακόμα περισσότερο, όταν μπορεί να απεντοπιστεί σε δύο καρβονυλομάδες [π.χ. pk a CH 3 CH 2 CH 3 > pk a CH 3 COCH 3 > pk a RO 2 CCH 2 CO 2 R, (3)]. Άλλες κοινές ομάδες που σταθεροποιούν το ανιόν της συζυγούς βάσης είναι η νιτροομάδα (ΝΟ 2 ), η σουλφονική ομάδα (RSO 2 ) και η ομάδα νιτριλίου ( CN). Σε ορισμένες περιπτώσεις περισσότεροι από ένας παράγοντες μπορεί να επηρεάζουν την οξύτητα μιας κατηγορίας οργανικών ενώσεων. Έτσι, π.χ. τα καρβοξυλικά οξέα είναι περισσότερο όξινα από τις αλκοόλες, λόγω τόσο του επαγωγικού φαινομένου του καρβονυλίου ( Ι), όσο και της σταθεροποίησης του προκύπτοντος ανιόντος μέσω συντονισμού (παράγραφος 1.3), (4). Για ένα συγκεκριμένο άτομο η οξύτητα αυξάνει όσο αυξάνει ο s χαρακτήρας του υβριδισμού του (π.χ. pk a pyrh + < pk a R 3 NH + και pk a ΗC CH < pk a PhH < pk a CH 3 CH 3 ). Η μη αρωματική ΗΧ είναι περισσότερο όξινη, αν η συζυγής της βάση είναι αρωματική [π.χ. pk a κυκλοπενταδιενίου < pk a CH 3 CH=CHCH 3, (5)]. Αντίστοιχα, μία ένωση ΗΧ είναι πολύ φτωχή βάση, αν η πρωτονίωση οδηγεί σε απώλεια της αρωματικότητας (παράγραφος 1.8). Άλλοι παράγοντες οι οποίοι μπορεί να επηρεάζουν την ισχύ των οξέων και των βάσεων είναι οι στερεοχημικές επιδράσεις, ο ενδομοριακός δεσμός Η και η πολικότητα του διαλύτη. Σχήμα 1.8 Δικαιολόγηση του όξινου χαρακτήρα ορισμένων ενώσεων Οξέα και βάσεις κατά Lewis Η έννοια του οξέος και της βάσης μπορεί να αποδοθεί και σε μη πρωτικά συστήματα. Έτσι, ένα οξύ κατά Lewis (Lewis acid) είναι η ένωση που μπορεί να γίνει αποδέκτης ζεύγους ηλεκτρονίων, ενώ μια βάση κατά Lewis (Lewis base) η ένωση που μπορεί να δώσει ζεύγος ηλεκτρονίων. Δηλαδή, συνολικά λαμβάνει χώρα μια αντίδραση μεταφοράς ηλεκτρονίων. Όπως γίνεται φανερό τα κυρτά βέλη (παράγραφος 1.1) ξεκινούν από τη βάση κατά Lewis και καταλήγουν στο οξύ κατά Lewis, Σχήμα

25 Σχήμα 1.9 Παραδείγματα οξεοβασικών αντίδρασεων κατά Lewis. Στην αντίδραση (2) (Σχήμα 1.9) το BF 3 λειτουργεί ως ο δέκτης (οξύ κατά Lewis) και η ΝΗ 3 ως ο δότης (βάση κατά Lewis). Σημαντικά στοιχεία για την καλύτερη κατανόηση των όρων οξύ και βάση κατά Lewis (και Σχήμα 1.9): Ως βάσεις κατά Lewis μπορούν να λειτουργήσουν ενώσεις με άτομα που μπορούν να διαθέσουν ζεύγος ηλεκτρονίων. Συνήθως πρόκειται για ενώσεις που περιέχουν άτομα οξυγόνου (με υβριδισμό sp 3 ή sp 2 ) ή αζώτου (με υβριδισμό sp 3 ). Ως οξέα κατά Lewis μπορούν να λειτουργήσουν ενώσεις με άτομα που έχουν χάσμα οκτάδας και μπορούν να συγκρατήσουν ηλεκτρόνια σθένους με τη χρήση d τροχιακών ή ενώσεις με πολωμένο δεσμό Η Χ [π.χ. αντίδραση (1)]. Στην πρώτη περίπτωση συγκαταλέγονται διάφορα κατιόντα μετάλλων (π.χ. Mg 2+ ), ενώσεις των στοιχείων της Ομάδας 3Α του Περιοδικού Πίνακα (Β, Al) και ενώσεις των στοιχείων μεταπτώσεως (Fe, Sn, Ti, Zn, κ.τ.λ.). Η έννοια του οξέος (ή της βάσης) κατά Lewis είναι ευρύτερη της αντίστοιχης κατά Brønsted- Lowry (παράγραφος 1.5.1). Δηλαδή ένα οξύ (ή μία βάση) κατά Brønsted-Lowry είναι και οξύ (ή βάση) κατά Lewis (π.χ. η NH 3 ) αλλά δεν ισχύει πάντα το αντίστροφο (π.χ. το BF 3 είναι οξύ κατά Lewis αλλά δεν είναι οξύ κατά Brønsted-Lowry). Συνέπεια της μεταφοράς ηλεκτρονίων από μία βάση κατά Lewis σε ένα οξύ κατά Lewis είναι η δημιουργία ενός ομοιοπολικού δεσμού. Μερικές ενώσεις (π.χ. αλκοόλες) μπορούν να δράσουν είτε ως οξέα είτε ως βάσεις κατά Lewis, ανάλογα με το περιβάλλον [αντιδράσεις (5) και (6)]. Η πλειοψηφία των οργανικών αντιδράσεων μπορεί να εξηγηθεί μέσω μηχανισμών που περιλαμβάνουν οξέα και βάσεις κατά Lewis Σκληρά και μαλακά οξέα Τα οξέα και οι βάσεις ταξινομήθηκαν από τον Pearson σε σκληρά και μαλακά (hard/soft). Τα πρώτα προκύπτουν από άτομα με μικρή διάμετρο και υψηλή οξειδωτική βαθμίδα και εμφανίζουν μικρή επιδεκτικότητα πόλωσης. Τα δεύτερα προκύπτουν από άτομα με μεγάλη διάμετρο (συνήθως με d ηλεκτρόνια) και χαμηλή (ή μηδενική) οξειδωτική βαθμίδα και εμφανίζουν μεγάλη επιδεκτικότητα πόλωσης, ενώ μερικά οξέα και βάσεις θεωρείται ότι ανήκουν σε ενδιάμεση κατηγορία, όπως το Br που είναι ενδιάμεση βάση. Γενικότερα γίνεται αποδεκτό ότι τα σκληρά οξέα προτιμούν να ενωθούν με σκληρές βάσεις και στην 25

26 περίπτωση αυτή ο προκύπτων δεσμός έχει ιοντικό χαρακτήρα. Αντίστοιχα, μαλακά οξέα προτιμούν να ενωθούν με μαλακές βάσεις, αλλά στην περίπτωση αυτή ο προκύπτων δεσμός έχει ομοιοπολικό χαρακτήρα. Πίνακας 1.2 Ταξινόμηση οξέων και βάσεων. 1.6 Πυρηνόφιλα και ηλεκτρονιόφιλα Πυρηνόφιλα αντιδραστήρια Πυρηνόφιλο (nucleophile, Nu) είναι μια ένωση που διαθέτει ένα σχετικά υψηλής ενέργειας ζεύγος ηλεκτρονίων και μπορεί να το χρησιμοποιήσει για τη δημιουργία ενός νέου δεσμού. Ένα πυρηνόφιλο άτομο μπορεί να είναι είτε ουδέτερο είτε φορτισμένο αρνητικά, με το τελευταίο να είναι ισχυρότερο (για παρόμοιες δομές). Πρακτικά τα πυρηνόφιλα μπορούν να διακριθούν σε τρεις κατηγορίες: τα πυρηνόφιλα με μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων, τα πυρηνόφιλα σ δεσμού και τα πυρηνόφιλα π δεσμού Πυρηνόφιλα με μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων Τα πυρηνόφιλα με μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων περιέχουν άτομο (ή άτομα) με μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων. Το ζεύγος αυτό χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός νέου δεσμού με ένα ηλεκτρονιόφιλο άτομο. Κλασικά παραδείγματα πυρηνόφιλων αυτού του τύπου αποτελούν οι αλκοόλες (ROH), τα αλκοξείδια (RO ), οι αμίνες (R 3 N), τα μεταλλικά αμίδια (R 2 N ), τα ανιόντα αλογόνων (X ), οι θειόλες (RSH), τα σουλφίδια (R 2 S), οι φωσφίνες (R 3 P), όπως και τα άτομα οξυγόνου στις καρβονυλικές ενώσεις (Y 2 C=O). Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις μετά τη δημιουργία του νέου δεσμού το φορτίο του πυρηνόφιλου αυξάνεται κατά 1, Σχήμα Σχήμα 1.10 Παραδείγματα αντίδρασης πυρηνόφιλων με μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων. Τα πυρηνόφιλα με ζεύγος ηλεκτρονίων που ταυτόχρονα είναι και ισχυρές βάσεις (π.χ. RO ) μπορούν να υφίστανται μόνο υπό βασικές συνθήκες. Αντίθετα, τα πυρηνόφιλα που είναι ταυτόχρονα ασθενείς βάσεις (π.χ. RCO 2 ) μπορούν να υφίστανται τόσο υπό βασικές όσο και υπό όξινες συνθήκες. Όπως αναφέρθηκε και στην παράγραφο 1.1, τα κυρτά βέλη χρησιμοποιούνται για να παραστήσουν τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το πυρηνόφιλο προς το ηλεκτρονιόφιλο. Η αρχή του βέλους τοποθετείται στο ζεύγος ηλεκτρονίων που θα χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία του νέου δεσμού, ενώ η κεφαλή του βέλους κατευθύνεται προς το ηλεκτρονιόφιλο άτομο Πυρηνόφιλα σ δεσμού 26

27 Τα πυρηνόφιλα σ δεσμού περιέχουν δεσμό μεταξύ ενός μετάλλου και ενός αμέταλλου ατόμου. Τα ηλεκτρόνια αυτού του δεσμού χρησιμοποιούνται για τη σύζευξη με το ηλεκτρονιόφιλο και τη δημιουργία ενός νέου δεσμού. Το πυρηνόφιλο άτομο μπορεί να είναι ετεροάτομο (όπως στην περίπτωση των KNH 2 και NaOH), άνθρακας [όπως στην περίπτωση των οργανομαγνησιακών αντιδραστηρίων (RMgX), των οργανολιθιακών αντιδραστηρίων (RLi) και των οργανοχαλκικών αντιδραστηρίων (R 2 CuLi)] ή ακόμα και υδρογόνο [όπως στην περίπτωση των μεταλλικών υδριδίων (NaH, NaBH 4, LiAlH 4 )]. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις το φορτίο του πυρηνόφιλου ατόμου (αμέταλλο) δεν αλλάζει. Αντίθετα το φορτίο του μετάλλου αυξάνει κατά 1, Σχήμα Σχήμα 1.11 Παράδειγμα αντίδρασης πυρηνόφιλου με σ δεσμό. Τα περισσότερα ισχυρά πυρηνόφιλα με σ δεσμό αντιδρούν συνήθως υπό βασικές συνθήκες (π.χ. RMgX, LiAlH 4 ), ενώ άλλα ασθενέστερα χρησιμοποιούνται σε όξινο περιβάλλον (π.χ. AlR 3, NaBH 3 CN). Πολλές φορές, λόγω της μεγάλης πόλωσης του δεσμού μετάλλου-αμετάλλου, θεωρείται ότι αυτός είναι ιοντικός και το πυρηνόφιλο περιγράφεται ως ανιόν (π.χ. για μια οργανομαγνησιακή ως R ). Στην περίπτωση αυτή είναι προφανές ότι τα πυρηνόφιλα σ δεσμού ταυτίζονται με τα πυρηνόφιλα με μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων Πυρηνόφιλα π δεσμού Τα πυρηνόφιλα π-δεσμού χρησιμοποιούν το ζεύγος ηλεκτρονίων του π δεσμού (συνήθως C=C) για να δημιουργήσουν ένα νέο σ δεσμό ανάμεσα σε ένα από τα άτομα του π δεσμού και το ηλεκτρονιόφιλο άτομο. Οι π δεσμοί των απλών αλκενίων και αρενίων είναι πολύ ασθενή πυρηνόφιλα. Όμως, όταν ο π δεσμός είναι ενωμένος με ετεροάτομα, τα προκύπτοντα πυρηνόφιλα είναι πολύ καλύτερα πυρηνόφιλα [π.χ. ενολικά ανιόντα (C=C O ), ενόλες (C=C OH), ενολαιθέρες (C=C OR) και εναμίνες (C=C NR 2 )]. Το φορτίο του πυρηνόφιλου ατόμου του π δεσμού δεν αλλάζει, αλλά το φορτίο του άλλου ατόμου του π δεσμού αυξάνει κατά 1, Σχήμα Σχήμα 1.12 Παραδείγματα αντίδρασης πυρηνόφιλων με π δεσμό. Μεταξύ των πυρηνόφιλων με π δεσμό οι ενολικοί εστέρες μπορούν να υφίστανται μόνο σε βασικό περιβάλλον, ενώ τα υπόλοιπα (π.χ. ενόλες) είτε σε όξινο είτε σε αλκαλικό. 27

28 Το κάθε άτομο του π δεσμού σε ένα αλκένιο μπορεί να δράσει ως πυρηνόφιλο και να δημιουργήσει ένα νέο σ δεσμό με το ηλεκτρονιόφιλο. Στην περίπτωση όμως διαφορετικής υποκατάστασης στους δύο sp 2 άνθρακες, ένας από αυτούς θα είναι περισσότερο πυρηνόφιλος. Ο άνθρακας που είναι λιγότερο ικανός να φέρει θετικό φορτίο (λιγότερο ικανός να σταθεροποιήσει το προκύπτον καρβοκατιόν (παράγραφος ) σχηματίζει τον νέο δεσμό. Έτσι, πρακτικά στα αλκένια που ο π δεσμός είναι απευθείας ενωμένος με ετεροάτομο με μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων (ενολικά ανιόντα, ενόλες, ενολαιθέρες και εναμίνες) ο β-c είναι το πυρηνόφιλο κέντρο και όχι ο α [(1), Σχήμα 1.12]. Επίσης, στα αλκυλο-υποκατεστημένα π συστήματα ο λιγότερο υποκατεστημένος άνθρακας είναι ο περισσότερο πυρηνόφιλος [(2) και (3), Σχήμα 1.12] Οι διαφορές πυρηνοφιλικότητας και βασικότητας Η πυρηνοφιλικότητα δεν πρέπει να συγχέεται ούτε να ταυτίζεται με τη βασικότητα (παράγραφος 1.5). Η θεμελιώδης διαφορά τους έγκειται στο γεγονός ότι η πυρηνοφιλικότητα (και κατ επέκταση η ηλεκτροφιλικότητα) είναι μια κινητική ιδιότητα (αναφέρεται στην ταχύτητα μιας αντίδρασης), ενώ η βασικότητα (και κατ επέκταση η οξύτητα) είναι μια θερμοδυναμική ιδιότητα (αναφέρεται στη σταθερά ισορροπίας μιας αντίδρασης). Επιπλέον, η μέτρηση της μίας ή της άλλης ιδιότητας στηρίζεται σε εντελώς διαφορετικές μεθόδους. Εξαιτίας των παραπάνω, μερικές καλές βάσεις είναι φτωχά πυρηνόφιλα και το αντίστροφο, δηλαδή η βασικότητα και η πυρηνοφιλικότητα δεν συμβαδίζουν. Παρόλα αυτά, όλα τα πυρηνόφιλα είναι βάσεις κατά Lewis (παράγραφος 1.5.3) και όλα τα ηλεκτρονιόφιλα είναι οξέα κατά Lewis (παράγραφος 1.5.3). Γενικά, γίνεται αποδεκτό ότι η αύξηση της βασικότητας συμβαδίζει με την αύξηση της πυρηνοφιλικότητας, εκτός από τις παρακάτω περιπτώσεις: Σε πρωτικούς διαλύτες η πυρηνοφιλικότητα αυξάνει όσο μετακινούμαστε χαμηλότερα στον περιοδικό πίνακα ενώ η βασικότητα μειώνεται (παράγραφος 1.5.2). Έτσι, το Ι είναι πολύ καλό πυρηνόφιλο, παρόλο που είναι ασθενής βάση. Αντίθετα, το Cl είναι ασθενέστερο πυρηνόφιλο. Κατά αναλογία το Et 2 S είναι σαφώς καλύτερο πυρηνόφιλο από τον Et 2 O. Για τα ανιοντικά πυρηνόφιλα το γεγονός αυτό οφείλεται στην καλύτερη επιδιαλύτωση που λαμβάνει χώρα στα μικρότερα άτομα και ουσιαστικά εξασθενίζει την ισχύ του πυρηνόφιλου. Για τα ουδέτερα πυρηνόφιλα το ίδιο γεγονός εξηγείται λόγω της αύξησης της πολωσιμότητας στα μεγάλα άτομα και τη συνεπακόλουθη αύξηση της πυρηνόφιλης ισχύς τους. Για τα περισσότερα πυρηνόφιλα σε πολικούς απρωτικούς διαλύτες η πυρηνοφιλικότητα αυξάνεται, όπως και η βασικότητα, αλλά σχετικά περισσότερο από ότι την τελευταία. Η πυρηνοφιλικότητα ελαττώνεται δραματικά με την αύξηση της υποκατάστασης κοντά στο πυρηνόφιλο κέντρο, ενώ η βασικότητα αυξάνεται λίγο. Έτσι, ενώ το EtO είναι και καλό πυρηνόφιλο και καλή βάση, το tbuo είναι συγκριτικά καλύτερη βάση αλλά πολύ ασθενές πυρηνόφιλο. Ο απεντοπισμός του φορτίου ελαττώνει τη βασικότητα περισσότερο από την πυρηνοφιλικότητα. Έτσι, ενώ το ανιόν (EtO 2 C) 2 CH είναι λιγότερο βασικό και ταυτόχρονα ασθενέστερο πυρηνόφιλο από το ανιόν EtO 2 CCH 2, η ελάττωση είναι πολύ μεγαλύτερη για τη βασικότητά του. Μερικές από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μη πυρηνόφιλες βάσεις στην οργανική χημεία δίνονται στην Εικόνα

29 Εικόνα 1.2 Δομές μερικών μη πυρηνόφιλων βάσεων Ηλεκτρονιόφιλα αντιδραστήρια Ηλεκτρονιόφιλο (electrophile, E) είναι μία ένωση που διαθέτει ένα σχετικά χαμηλής ενέργειας κενό τροχιακό ικανό να σχηματίσει δεσμό. Το ηλεκτρονιόφιλο μπορεί να είναι ουδέτερο ή θετικά φορτισμένο. Πρακτικά τα ηλεκτρονιόφιλα μπορούν να διακριθούν σε τρεις κατηγορίες: ηλεκτρονιόφιλα που είναι οξέα κατά Lewis (παράγραφος 1.5.3), ηλεκτρονιόφιλα σ δεσμού και ηλεκτρονιόφιλα π δεσμού Ηλεκτρονιόφιλα-οξέα κατά Lewis Πρόκειται για ενώσεις με άτομο που έχει χάσμα οκτάδας και κατά συνέπεια διαθέτουν ένα χαμηλής ενέργειας μη δεσμικό τροχιακό (συνήθως p). Το ζεύγος ηλεκτρονίων ενός πυρηνόφιλου χρησιμοποιείται για τον σχηματισμό του νέου δεσμού, συμπληρώνοντας έτσι την οκτάδα. Το φορτίο του ατόμου αυτού ελαττώνεται κατά 1. Τυπικά ηλεκτρονιόφιλα αυτού του τύπου είναι τα καρβοκατιόντα και οι ενώσεις βορίου και αργιλίου, Σχήμα Σχήμα 1.13 Παραδείγματα αντίδρασης ηλεκτρονιόφιλων-οξέων κατά Lewis. Τα ηλεκτρονιόφιλα-οξέα κατά Lewis μπορούν να υφίστανται μόνο υπό όξινες συνθήκες Ηλεκτρονιόφιλα π δεσμού Πρόκειται για ενώσεις με ηλεκτρονιόφιλο άτομο το οποίο είναι συνδεδεμένο μέσω π δεσμού σε άτομο (ή ομάδα ατόμων) που μπορούν να γίνουν αποδέκτες ζεύγους ηλεκτρονίων. Όταν ένα πυρηνόφιλο προσβάλλει ένα ηλεκτρονιόφιλο π δεσμού, ο δεσμός διασπάται, τα ηλεκτρόνια μετακινούνται στο άλλο άτομο του π δεσμού (όχι αυτό που προσβάλλεται), το οποίο και μειώνει το φορτίο του κατά 1. Τυπικά ηλεκτρονιόφιλα αυτού του τύπου είναι ενώσεις με δεσμούς C=O, C=N και C N, στους οποίους το ηλεκτροθετικότερο άτομο είναι το ηλεκτρονιόφιλο κέντρο [π.χ. αντίδραση (1), Σχήμα 1.14]. Οι δεσμοί C=C και C C είναι ηλεκτρονιόφιλοι μόνον όταν είναι συνδεδεμένοι με ηλεκτρονιόφιλα άτομα (ή ομάδες ατόμων) (π.χ. αντίδραση (2)]. Στην περίπτωση αυτή προσβάλλεται ο β-c ώστε να είναι δυνατή η μετακίνηση των ηλεκτρονίων προς την ηλεκτρονιόφιλη ομάδα. 29

30 Σχήμα 1.14 Παραδείγματα αντίδρασης ηλεκτρονιόφιλων π δεσμού. Τα περισσότερα ηλεκτρονιόφιλα π δεσμού αντιδρούν καλύτερα με πυρηνόφιλα υπό βασικές συνθήκες. Μερικά κατιοντικά ηλεκτρονιόφιλα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν είτε ως ηλεκτρονιόφιλα-οξέα κατά Lewis είτε ως ηλεκτρονιόφιλα π δεσμού ανάλογα με τη δομή συντονισμού που θεωρείται σταθερότερη. Σχήμα 1.15 Δομές συντονισμού μερικών ηλεκτρονιόφιλων π δεσμού Ηλεκτρονιόφιλα σ δεσμού Πρόκειται για ενώσεις του τύπου Ε Χ στις οποίες το ηλεκτρονιόφιλο άτομο (Ε) είναι συνδεδεμένο με σ δεσμό με το άτομο (ή την ομάδα ατόμων) Χ. Το πυρηνόφιλο χρησιμοποιεί το ζεύγος ηλεκτρονίων του για να προσβάλλει το Ε αυξάνοντας έτσι το φορτίο του κατά 1, ενώ το Χ, που καλείται αποχωρούσα ομάδα (παράγραφος 2.2.3), είναι ο αποδέκτης των ηλεκτρονίων του προϋπάρχοντα σ δεσμού Ε Χ και μειώνει το φορτίο του. Το ηλεκτρονιόφιλο άτομο στην ένωση Ε Χ μπορεί να είναι είτε C, είτε ετεροάτομο (αλογόνο, Ο, S, Se). Σχήμα 1.16 Παραδείγματα αντίδρασης ηλεκτρονιόφιλων σ δεσμού. Τα περισσότερα ηλεκτρονιόφιλα σ δεσμού αντιδρούν καλύτερα με πυρηνόφιλα υπό βασικές συνθήκες Σκληρά και μαλακά πυρηνόφιλα και ηλεκτρονιόφιλα Κατά αναλογία με τα σκληρά/μαλακά οξέα και βάσεις (παράγραφος 1.5.4), τα πυρηνόφιλα και τα ηλεκτρονιόφιλα αντιδραστήρια μπορούν να ταξινομηθούν σε σκληρά και μαλακά. Σε ό,τι αφορά τη θεωρία των μετωπικών τροχιακών τα σκληρά πυρηνόφιλα αντιστοιχούν σε HOMO χαμηλής ενέργειας και συνήθως έχουν αρνητικό φορτίο, ενώ τα μαλακά πυρηνόφιλα αντιστοιχούν σε ΗΟΜΟ υψηλής ενέργειας και μπορεί να μην έχουν αρνητικό φορτίο. Αντίστοιχα, τα σκληρά ηλεκτρονιόφιλα αντιστοιχούν σε LUMO υψηλής ενέργειας και συνήθως έχουν θετικό φορτίο, ενώ τα μαλακά ηλεκτρονιόφιλα αντιστοιχούν σε LUΜΟ χαμηλής ενέργειας και μπορεί να μην έχουν θετικό φορτίο. Όπως αναφέρθηκε και στην παράγραφο 1.5.4, η αλληλεπίδραση των μετωπικών τροχιακών σκληρού πυρηνόφιλου και σκληρού ηλεκτρονιόφιλου οδηγεί στη δημιουργία ιοντικού δεσμού, ενώ η αλληλεπίδραση των μετωπικών τροχιακών μαλακού πυρηνόφιλου και μαλακού ηλεκτρονιόφιλου οδηγεί στη δημιουργία ομοιοπολικού δεσμού. Χαρακτηριστικά παραδείγματα σκληρού και μαλακού πυρηνόφιλου αποτελούν οι οργανολιθιακές ενώσεις (RLi) και οι οργανοχαλκικές ενώσεις (R 2 CuLi), αντίστοιχα. 30

31 1.6.4 Περισσότερα δεδομένα για τα πυρηνόφιλα και τα ηλεκτρονιόφιλα Πρόσθετα στοιχεία για τα πυρηνόφιλα και τα ηλεκτρονιόφιλα: Όπως τα στερεοχημικά παρεμποδισμένα πυρηνόφιλα είναι ασθενή, έτσι και τα στερεοχημικά παρεμποδισμένα ηλεκτρονιόφιλα παρουσιάζουν μειωμένη δραστικότητα. Στην ίδια ένωση μπορεί να συνυπάρχουν ηλεκτρονιόφιλα και πυρηνόφιλα κέντρα. Π.χ. στις καρβονυλικές ενώσεις ο C του καρβονυλίου είναι το ηλεκτρονιόφιλο κέντρο, ενώ το Ο είναι το πυρηνόφιλο. Στην ίδια ένωση μπορεί να συνυπάρχουν δύο πυρηνόφιλα κέντρα. Στις περιπτώσεις αυτές είναι δυνατόν να παρατηρηθεί αντίδραση και από τα δύο κέντρα δίνοντας μίγμα προϊόντων (Σχήμα 1.17). Τα πυρηνόφιλα αυτά καλούνται αμφιδραστικά. Η ίδια ένωση μπορεί να συμπεριφέρεται είτε ως πυρηνόφιλο, είτε ως ηλεκτρονιόφιλο, ανάλογα τις συνθήκες. Έτσι, π.χ. οι αλκοόλες στην αντίδραση (1), Σχήμα 1.10, δρουν ως πυρηνόφιλα, ενώ στην αντίδραση (2), Σχήμα 1.16, δρουν ως ηλεκτρονιόφιλα. Ειδικότερα τα αλκένια μπορούν να δράσουν είτε ως ηλεκτρονιόφιλα, είτε ως πυρηνόφιλα αντιδραστήρια. Η συμπεριφορά τους εξαρτάται από τη φύση των υποκαταστατών τους. Έτσι, αλκένια συνδεδεμένα με ηλεκτρονιόφιλες ομάδες [π.χ. COR, CO 2 R, CN, NO 2, CH 2 X (όπου Χ καλή αποχωρούσα ομάδα)] είναι ηλεκτρονιόφιλα. Αντίθετα, τα αλκένια συνδεδεμένα με πυρηνόφιλες ομάδες (π.χ. RO, R 2 N, CH 2 MgBr) και τα απλά αλκένια είναι πυρηνόφιλα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ένα πυρηνόφιλο αλκένιο μπορεί να καταστεί ηλεκτρονιόφιλο όταν αντιδράσει με ένα άλλο πολύ ισχυρότερο πυρηνόφιλο (π.χ. το BuLi αντιδρά με το CH 2 =CH 2 παρόλο που το τελευταίο, ως απλό αλκένιο, είναι επίσης πυρηνόφιλο). Ένα ετεροάτομο με συμπληρωμένη την οκτάδα του και θετικό φορτίο δεν είναι ηλεκτρονιόφιλο. Αντίθετα κάθε άτομο συνδεδεμένο με αυτό το ετεροάτομο είναι ηλεκτρονιόφιλο (π.χ. στο Η 3 Ο + το Ο δεν είναι ηλεκτρονιόφιλο, αλλά το Η είναι). Σε ορισμένες άλλες περιπτώσεις, γράφοντας την πιθανή δομή συντονισμού είναι δυνατόν να προσδιορισθεί ευκολότερα το ηλεκτρονιόφιλο κέντρο (δείτε και το Σχήμα 1.15). Ιδιαίτερη περίπτωση ασταθών οργανικών οντοτήτων αποτελούν οι ελεύθερες ρίζες (R ) (Κεφάλαιο 8) και τα καρβένια (R 2 C:) (παράγραφος 3.4). Και οι δύο αυτές κατηγορίες ασταθών οντοτήτων συμπεριφέρονται είτε ως πυρηνόφιλα, είτε ως ηλεκτρονιόφιλα ενδιάμεσα, με το δεύτερο ρόλο να κυριαρχεί τις περισσότερες φορές, αφού εμφανίζουν χάσμα οκτάδας. Σχήμα 1.17 Παραδείγματα αμφιδραστικών πυρηνόφιλων. 1.7 Καρβοκατιόντα και καρβανιόντα Καρβοκατιόντα 31

32 Τα καρβοκατιόντα (carbocations) είναι δραστικές χημικές οντότητες με τρισθενή άτομο C που φέρει 6 ηλεκτρόνια. Ο C αυτός έχει sp 2 υβριδισμό (επίπεδη τριγωνική διάταξη) και διαθέτει ένα κενό p τροχιακό που είναι κάθετο στο επίπεδο των τριών sp 2 τροχιακών (Εικόνα 1.3). Οι 3 υποκαταστάτες του κατευθύνονται προς τις γωνίες του ισόπλευρου τριγώνου που βρίσκεται στο επίπεδο των τριών sp 2 τροχιακών. Τα καρβοκατιόντα είναι φτωχά ηλεκτρονικά, συμπεριφέρονται ως οξέα κατά Lewis (παράγραφος 1.5.3) και γι αυτό αντιδρούν εύκολα με πυρηνόφιλα (παράγραφος 1.6.1). Γενικά, είναι πολύ συνηθισμένα ενδιάμεσα στις οργανικές αντιδράσεις. Εικόνα 1.3 Η δομή ενός καρβοκατιόντος Η σταθερότητα των καρβοκατιόντων Τα περισσότερα καρβοκατιόντα είναι πολύ ασταθή και δεν μπορούν να απομονωθούν. Υφίστανται μόνο ως ενδιάμεσα (παράγραφος 1.9.5) υψηλής ενέργειας στους μηχανισμούς των αντιδράσεων. Όσο σταθερότερα είναι τόσο πιο εύκολα μπορούν να δημιουργηθούν. Υπάρχουν τέσσερις τρόποι με τους οποίους μπορούν τα καρβοκατιόντα να σταθεροποιούνται χρησιμοποιώντας το κενό p τροχιακό τους: αλληλεπίδρασή του με ένα αδεσμικό ζεύγος ηλεκτρονίων [(1), Σχήμα 1.18], αλληλεπίδρασή του με έναν π δεσμό [(2) & (3), Σχήμα 1.18], αλληλεπίδρασή του με έναν σ δεσμό (υπερσυζυγιακό φαινόμενο, hyperconjugation, Εικόνα 1.4) και συμμετοχή του σε αρωματικό σύστημα (παράγραφος 1.8) [(4), Σχήμα 1.18]. Βέβαια, τα καρβοκατιόντα σταθεροποιούνται και διαμέσου των σ δεσμών τους, όταν οι υποκαταστάτες είναι επαγωγικοί δότες ηλεκτρονίων (π.χ. αλκύλια). Σχήμα 1.18 Σταθεροποίηση καρβοκατιόντων. Εικόνα 1.4 Σταθεροποίηση καρβοκατιόντοςμέσω του υπερσυζυγιακού φαινομένου. 32

33 Η σταθεροποίηση που επέρχεται λόγω της παρουσίας αδεσμικών ηλεκτρονίων στο συνδεδεμένο ως προς το καρβοκατιόν άτομο είναι η ισχυρότερη και ουσιαστικά μπορεί να αποδοθεί στη «μεταφορά» ηλεκτρονίων από το άτομο αυτό προς τον φορτισμένο C (δείτε και τον συντονισμό, παράγραφος 1.3). Η φύση του συνδεδεμένου ατόμου προσδιορίζει και την προσφερόμενη σταθεροποίηση: Η σταθεροποίηση αυξάνεται με συνδεδεμένα άτομα που βρίσκονται υψηλότερα στον περιοδικό πίνακα (π.χ. Ο > S). H σταθεροποίηση αυξάνεται με συνδεδεμένα άτομα που βρίσκονται πιο αριστερά στον περιοδικό πίνακα (π.χ. Ν > Ο > F). Η σταθεροποίηση που επέρχεται λόγω της παρουσίας ενός γειτονικού (συνδεδεμένου) π δεσμού στο άτομο του καρβακατιόντος (δείτε και τον συντονισμό, παράγραφος 1.3) είναι ασθενέστερη από αυτήν που προσφέρουν τα αδεσμικά ηλεκτρόνια, ενώ ακόμη ασθενέστερη είναι αυτή που προσδίδει η παρουσία σ δεσμών (όχι απευθείας συνδεδεμένων). Ο αριθμός των γειτονικών σ δεσμών (C C και C Η) καθορίζει το μέγεθος αυτής της σταθεροποίησης. Έτσι, τα περισσότερο υποκατεστημένα καρβοκατιόντα είναι και περισσότερο σταθεροποιημένα (3 ταγές > 2 ταγές > 1 ταγές, π.χ. Μe 3 C + > Μe 2 CH + > ΜeCH 2 + ). Ηλεκροθετικότερα του C άτομα (π.χ. Si) προσφέρουν ακόμα μεγαλύτερη σταθεροποίηση. Η σειρά σταθεροποίησης μέσω του υπερσυζυγιακού φαινομένου ταυτίζεται με τη σειρά σταθεροποίησης μέσω υποκατάστασης με επαγωγικούς δότες ηλεκτρονίων. Η σταθεροποίηση που επέρχεται από τη συμμετοχή σε αρωματικό σύστημα (παράγραφος 1.8) είναι πολύ μεγάλη ώστε μερικά τέτοια συστήματα να είναι απομονώσιμα και σε θερμοκρασία δωματίου. Σε σχέση με τον υβριδισμό του κατιοντικού C, η σταθεροποίηση μειώνεται όσο αυξάνει ο s χαρακτήρας του. Έτσι, τα βινυλικά (Α), αλκυνυλικά (Β), αρυλικά (C) και τα υποκατεστημένα με δέκτες ηλεκτρονίων καρβοκατιόντα (D) είναι ιδιαίτερα ασταθή (Εικόνα 1.5) και γι αυτό σπάνια παρατηρούνται. Εικόνα 1.5 Παραδείγματα πολύ ασταθών καρβοκατιόντων. Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ότι μη επιτυχής αλληλεπικάλυψη του p τροχιακού του καρβοκατιόντος με το τροχιακό του παράγοντα σταθεροποίησης, λόγω στερεοχημικών περιορισμών, δεν οδηγεί σε σταθεροποίηση. Στην Εικόνα 1.6 δίνεται μια γενική ταξινόμηση διαφόρων καρβοκατιόντων σε σχέση με τη σταθερότητά τους. Εικόνα 1.6 Ταξινόμηση καρβοκατιόνων με βάση τη σταθερότητά τους Η δημιουργία των καρβοκατιόντων Οι μέθοδοι δημιουργίας των καρβοκατιόντων μπορούν να διακριθούν σε τρεις κατηγορίες: ιονισμός του δεσμού C Χ +, αντίδραση του μονήρους ζεύγους του Χ στο σύστημα C=X με ένα οξύ κατά Lewis (παράγραφος 1.5.3) και αντίδραση του π συστήματος C=C με ένα οξύ κατά Lewis. Το οξύ κατά Lewis μπορεί να είναι και ένα άλλο καρβοκατιόν ή το πρωτόνιο (Η + ). Ο ιονισμός του δεσμού C Χ + εξαρτάται από τη σταθερότητα του προκύπτοντος καρβοκατιόντος, την ομάδα Χ που αποχωρεί και τον διαλύτη. Στις περισσότερες βέβαια περιπτώσεις είναι απαραίτητο για τον σχηματισμός του C Χ + να προηγηθεί πρωτονίωση [(1), Σχήμα 1.19] ή γενικότερα επίδραση ενός οξέος κατά 33

34 Lewis, (2). Αυτό βοηθά στο να προκύψει ένα καλύτερο ηλεκτρονιόφιλο ή μια καλύτερη αποχωρούσα ομάδα (Χ). Αντίστοιχα, ένα οξύ κατά Lewis μπορεί να δεσμευτεί από το μονήρες ζεύγος του ετεροατόμου του δεσμού C=X. Στην περίπτωση αυτή προκύπτει μια νέα ένωση, η οποία μπορεί να αποδοθεί με δύο πιθανές δομές συντονισμού [(3), Σχήμα 1.19]. Παρόλο που η δομή καρβοκατιόντος (Β) δεν είναι η σταθερότερη δίνει σημαντικές πληροφορίες για τη δραστικότητα του ιόντος. Ένα ηλεκτρονιόφιλο (οξύ κατά Lewis) αντιδρά και με έναν δεσμό C=C (Σχήμα 1.12) όπως αναφέρθηκε για τα πυρηνόφιλα π δεσμού (παράγραφος ). Σχήμα 1.19 Παραδείγματα δημιουργίας καρβοκατιόντων Η τύχη των καρβοκατιόντων Μετά τη δημιουργία τους τα καρβοκατιόντα υπόκεινται στις εξής τρεις πιθανές διεργασίες: προσθήκη ενός πυρηνόφιλου, διάσπαση προς ένα νέο καρβοκατιόν και αναδιάταξη. Στις πυρηνόφιλες προσβολές το καρβοκατιόν γίνεται αποδέκτης (μέσω του κενού p τροχιακού) ενός ζεύγους ηλεκτρονίων από το πυρηνόφιλο και σχηματίζεται ένας σ δεσμός. Αν το πυρηνόφιλο είναι αφόρτιστο και αντιδρά μέσω μονήρους ζεύγους (π.χ. ROH) ακολουθεί ένα δεύτερο στάδιο, αυτήν τη φορά αποπρωτονίωσης [(1), Σχήμα 1.20]. Με τη διάσπαση του καρβοκατιόντος προς ένα νέο κατιόν σχηματίζεται παράλληλα κι ένα π σύστημα. Το νέο κατιόν είναι συνήθως ένα πρωτόνιο ή ένα άλλο καρβοκατιόν, ενώ το π σύστημα που δημιουργείται μπορεί να είναι ένας δεσμός C=C ή C=O ή C=N [(2) & (3), Σχήμα 1.20]. Πρόκειται δηλαδή για την αντίστροφη διαδικασία της προσθήκης ενός ηλεκτρονιόφιλου σε έναν π δεσμό. Τα καρβοκατιόντα μπορούν να υποστούν αναδιάταξη (ισομερείωση), συνήθως προς ένα σταθερότερο καρβοκατιόν. Οι κύριοι μηχανισμοί ισομερείωσης περιλαμβάνουν την 1,2-μετατόπιση υδριδίου [(4), Σχήμα 1.20] και την 1,2-μετατόπιση αλκυλίου [(5), Σχήμα 1.20]. Είναι προφανές πως, αναλόγως το υπόστρωμα, οι δύο αυτοί τύποι αναδιάταξης ανταγωνίζονται ο ένας τον άλλον, αλλά σε κάθε περίπτωση οι ίδιες οι αναδιατάξεις αλλά και το είδος της αναδιάταξης ευνοούνται ανάλογα τη σταθερότητα των προκυπτόντων καρβοκατιόντων. Γενικά η ικανότητα μετακίνησης μιας ομάδας περιγράφεται από τη σειρά: Αr > R > H. Ιδιαίτερη περίπτωση αποτελεί η 1,2-πρωτοτροπική μεταφορά σε φαινυλικά ή άλλα ακόρεστα συστήματα. Εδώ γίνεται αποδεκτός ο σχηματισμός αρχικά ενός τριμελούς δακτυλίου από την προσθήκη ενός π δεσμού του ακόρεστου συστήματος στο καρβοκατιόν και μεταγενέστερα η διάσπαση του δακτυλίου αυτού προς ένα νέο καρβοκατιόν [(6), Σχήμα 1.20]. Πολλές φορές ένα αρχικό κυκλικό καρβοκατιόν δίνει ένα νέο καρβοκατιόν με μεγέθυνση του δακτυλίου ώστε να επέλθει επιπλέον σταθεροποίηση (εκτός της μετατροπής σε ένα περισσότερο υποκατεστημένο καρβοκατιόν) μέσω της ελαχιστοποίησης της τάσης δακτυλίου [(7), Σχήμα 1.20]. Ανταγωνισμός υφίσταται και μεταξύ των διαφορετικών πιθανών τρόπων αντίδρασης των καρβοκατιόντων και οι διάφορες παράμετροι της αντίδρασης ευνοούν τη μία ή την άλλη οδό (π.χ. η παρουσία ενός καλού πυρηνόφιλου είναι περισσότερο πιθανό να οδηγήσει σε πυρηνόφιλη προσθήκη). 34

35 Σχήμα 1.20 Παραδείγματα μετατροπής καρβοκατιόντων Καρβανιόντα Τα καρβανιόντα (carbanions) είναι χημικές οντότητες με άτομο C με 3 δεσμούς και 8 ηλεκτρόνια. Ο C αυτός έχει sp 3 υβριδισμό με τριγωνική πυραμιδική διάταξη όπου μία από τις κορυφές είναι κατειλημμένη από το ασύζευκτο ζεύγος (Εικόνα 1.7). Τα καρβανιόντα είναι πλούσια ηλεκτρονικά και αντιδρούν εύκολα με ηλεκτρονιόφιλα (παράγραφος 1.6.2). Εικόνα 1.7 Η δομή ενός καρβανιόντος Η σταθερότητα των καρβανιόντων Όπως και τα καρβοκατιόντα τα περισσότερα καρβανιόντα είναι πολύ ασταθή και δεν μπορούν να απομονωθούν. Υφίστανται μόνο ως μεταβατικά ενδιάμεσα υψηλής ενέργειας στους μηχανισμούς των αντιδράσεων. Υπάρχουν δύο τρόποι με τους οποίους μπορούν τα καρβανιόντα να σταθεροποιούνται: όταν υφίστανται συνδεδεμένοι υποκαταστάτες που είναι επαγωγικοί δέκτες ηλεκτρονίων (ένας ή περισσότεροι) και όταν υφίσταται απεντοπισμός του αρνητικού φορτίου μέσω συντονισμού (παράγραφος 1.3) [(3) & (4), Σχήμα 1.8]. 35

36 Όσο αυξάνει ο s χαρακτήρας του υβριδισμού αυξάνει και η σταθερότητα των καρβανιόντων. Έτσι από τα τελικά αλκύνια προκύπτουν πολύ εύκολα τα αντίστοιχα καρβανιόντα (μεταλλικά ακετυλίδια) με την επίδραση ισχυρής βάσης (Σχήμα 1.21). Σχήμα 1.21 Σύνθεση αλκυνυλο-ανιόντων Η δημιουργία των καρβανιόντων Πρακτικά όλες οι ενώσεις που περιέχουν έστω και έναν δεσμό C H μπορούν να θεωρηθούν ως πρόδρομες ενώσεις καρβανιόντων αρκεί να επιδράσει η κατάλληλη βάση. Την ισχύ της βάσης καθορίζει προφανώς η οξύτητα του συγκεκριμένου Η, δηλαδή η ευκολία με την οποία θα διασπαστεί ετερολυτικά ο συγκεκριμένος δεσμός C H. 1.8 Η αρωματικότητα Ορισμένα κυκλικά συζυγιακά συστήματα εμφανίζουν μιαν ιδιαίτερη συμπεριφορά: έχουν μεγαλύτερη της αναμενόμενης σταθερότητα, δεν δίνουν εύκολα αντιδράσεις προσθήκης αλλά δίνουν συνήθως αντιδράσεις υποκατάστασης και τα υδρογόνα τους εμφανίζονται στο NMR σε χαμηλότερες τιμές πεδίου (7-9 δ) από αυτά των κλασικών αλκενίων. Το σύνολο αυτών των ιδιοτήτων περιγράφει την αρωματικότητα (aromaticity). Αρωματικό χαρακτήρα εμφανίζουν οι ενώσεις που έχουν επίπεδο δακτύλιο με εναλλασσόμενους απλούς και διπλούς δεσμούς εφόσον ο αριθμός των εμπλεκόμενων ηλεκτρονίων του περιγράφεται από τη σχέση 4ν+2, όπου ν = 0, 1, 2, 3, (κανόνας του Hückel, Hückel s rule). Για τον προσδιορισμό των εμπλεκόμενων ηλεκτρονίων διακρίνονται οι εξής υποπεριπτώσεις (Εικόνα 1.8: Στον αριθμό ηλεκτρονίων προσμετρούνται μόνο τα π ηλεκτρόνια (Α). Στον αριθμό των ηλεκτρονίων προσμετράται και το μονήρες ζεύγος ενός ή περισσοτέρων ετεροατόμων (π.χ. Β). Στον αριθμό των ηλεκτρονίων προσμετράται και το ζεύγος ηλεκτρονίων που αντιστοιχεί σε ένα ή περισσότερα καρβανιόντα (π.χ. C και D). Στο σύστημα των εναλλασσόμενων απλών και διπλών δεσμών μπορεί να υπάρχει ένα άτομο με κενό τροχιακό (π.χ. E). Εικόνα 1.8 Παραδείγματα αρωματικών ενώσεων. Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις εάν ο αριθμός των εμπλεκόμενων ηλεκτρονίων περιγράφεται από τη σχέση 4ν (με ν = 0, 1, 2, 3, ) το σύστημα είναι αντιαρωματικό (antiaromatic), Εικόνα 1.9, και η ένωση είναι ιδιαίτερα ασταθής, ασταθέστερη ανάλογης ένωσης χωρίς την κυκλική διάταξη των εναλλασσόμενων απλών και διπλών δεσμών. Εφόσον σε μιαν ένωση δεν υφίσταται συνεπίπεδη κυκλική διευθέτηση εναλλασσόμενων π τροχιακών αυτή καλείται απλά μη αρωματική (non aromatic), Εικόνα Για τις αρωματικές ενώσεις όσο μικρότερος είναι ο αριθμός των ζευγών ηλεκτρονίων που εμπλέκονται τόσο μεγαλύτερη η σταθεροποίηση που επέρχεται. 36

37 Εικόνα 1.9 Παραδείγματα αντιαρωματικών ενώσεων. Εικόνα 1.10 Παραδείγματα μη αρωματικών ενώσεων. Τυπικά παραδείγματα αρωματικών ενώσεων αποτελούν το βενζόλιο και τα υποκατεστημένα παράγωγά του. Οι σημαντικότερες δομές συντονισμού (παράγραφος 1.3) του βενζολίου εξηγούν γιατί όλοι οι δεσμοί του βενζολίου έχουν τον ίδιο χαρακτήρα (μεταξύ απλού και διπλού δεσμού, Σχήμα 1.22). Όμως, και άλλες κατηγορίες ενώσεων παρουσιάζουν αρωματικότητα, όπως τα συμπυκνωμένα βενζολικά παράγωγα και διάφορες ετεροκυκλικές ενώσεις (Εικόνα 1.11). Η απόκτηση αρωματικότητας μπορεί να αποτελεί σημαντικό παράγοντα που οδηγεί μιαν αντίδραση να γίνει εύκολα (κινούσα δύναμη) [δείτε και την αντίδραση (5), Σχήμα 1.8]. Σχήμα 1.22 Αρωματικότητα του βενζολίου. Εικόνα 1.11 Παραδείγματα αρωματικών συμπυκνωμένων βενζολικών παραγώγων και ετεροκυκλικών ενώσεων. 1.9 Η ενεργειακή θεώρηση μιας αντίδρασης Πολύ σημαντικοί παράγοντες σε ό,τι αφορά την περιγραφή ενός μηχανισμού αντίδρασης είναι: οι ενέργειες των διαφόρων συντελεστών της (αντιδρώντων και προϊόντων) και η ταχύτητα με την οποία λαμβάνει χώρα αυτή Εξώθερμες και ενδόθερμες αντιδράσεις Φυσικοχημικά η απλοποιημένη μεταβολή Α Β περιγράφεται από τη σχέση: ΔG o = ΔΗ ο ΤΔS o 37

38 όπου ΔG o : η μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας της αντίδρασης κατά Gibbs, ΔΗ ο : η μεταβολή της ενθαλπίας, Τ: η θερμοκρασία στην οποία διεξάγεται η αντίδραση (σε βαθμούς kelvin) και ΔS o : η μεταβολή της εντροπίας. Για να ευνοείται μια αντίδραση, θα πρέπει να ισχύει ΔG o < 0 και όσο μικρότερη η τιμή της τόσο περισσότερο αυτή θα ευνοείται (Εικόνα 1.12). Η μεταβολή της ενθαλπίας (ΔΗ ο ) καθορίζει το αν μία αντίδραση είναι εξώθερμη (exothermic, ΔΗ ο < 0) ή ενδόθερμη (endothermic, ΔΗ ο > 0) και σχετίζεται με τη διαφορά της ενέργειας των δεσμών που διασπώνται από την ενέργεια των δεσμών που σχηματίζονται. Οι ενδόθερμες αντιδράσεις ευνοούνται μόνον όταν ο παράγοντας ΤΔS o είναι σχετικά μεγάλος (υψηλές θερμοκρασίες), δηλαδή ισχύει ΤΔS o > ΔΗ ο. Συνήθως για αντιδράσεις σε συνηθισμένες θερμοκρασίες ο όρος ΤΔS o είναι αμελητέος και η τιμή της ΔΗ ο ταυτίζεται με αυτήν της ΔG o. Εικόνα 1.12 Ενεργειακή απεικόνιση εξώθερμων και ενδόθερμων αντιδράσεων Η ταχύτητα της αντίδρασης Η μετατροπή Α Β δεν χωρεί αυθόρμητα αφού μεταξύ τους υφίσταται ένα ενεργειακό όρος (ενεργειακός φραγμός, energy barrier). Η ενέργεια που απαιτείται για την υπερπήδηση αυτού του φραγμού καλείται ενέργεια ενεργοποιήσεως (activation energy, ΔG ) και όσο μεγαλύτερη είναι τόσο μικρότερη θα είναι η ταχύτητα (v) της αντίδρασης (Εικόνα 1.13). Μεγάλη ΔG σημαίνει πως ο ενεργειακός φραγμός μπορεί να υπερπηδηθεί μόνο με την παροχή ενέργειας στο μίγμα της αντίδρασης (θέρμανση). Οι όροι ΔG o και ΔG δεν πρέπει να συγχέονται αφού ο πρώτος περιγράφει τη θερμοδυναμική θεώρηση της μεταβολής, ενώ ο δεύτερος την κινητική. Εικόνα 1.13 Εξάρτηση της ταχύτητας από τη ΔG. Στην κορυφή του ενεργειακού φραγμού υφίσταται η μεταβατική κατάσταση (transition state, ΤS), από την οποία είναι προφανές πως το σύστημα μπορεί να οδηγηθεί είτε προς το αντιδρών είτε προς το προϊόν. Αν οι ταχύτητες προς το αντιδρών και το προϊόν είναι ίσες ή παραπλήσιες τότε η αντίδραση καλείται αμφίδρομη (reversible) και, αντίστοιχα, τα προϊόντα θα βρίσκονται στο ίδιο ποσοστό με τα αντιδρώντα ή σε μια σταθερή αναλογία. Στην πραγματικότητα όλες οι αντιδράσεις έχουν μια ισορροπία, απλά σε όσες η σταθερά ισορροπίας είναι μεγαλύτερη του 10 3 πρακτικά παρατηρείται μόνο το προϊόν. Είναι προφανές πως η απομάκρυνση ενός των προϊόντων μιας αμφίδρομης αντίδρασης την οδηγεί προς την πλευρά των προϊόντων. Η σταθερά ισορροπίας (Κ) συνδέεται με τη μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας της αντίδρασης (ΔG o ) με τη σχέση: ΔG o = RTlnK 38

39 όπου R: η σταθερά των αερίων Αντιδράσεις πρώτης και δευτέρας τάξεως Θεωρώντας την απλοποιημένη μετατροπή Α + Β Γ και προσδιορίζοντας την ταχύτητά της (v) διακρίνονται δύο περιπτώσεις (k: η σταθερά ταχύτητας): Η ταχύτητα εξαρτάται μόνο από τη συγκέντρωση ενός των αντιδρώντων και η αντίδραση είναι πρώτης τάξης: v = k[a] Η ταχύτητα εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις και των δύο αντιδρώντων και η αντίδραση είναι δευτέρας τάξης: v = k[a][β] Θερμοδυναμικός και κινητικός έλεγχος μιας αντίδρασης Σε πολλές οργανικές αντιδράσεις υπάρχει η δυνατότητα να σχηματιστούν ακριβώς με τις ίδιες συνθήκες δύο διαφορετικού τύπου προϊόντα: αυτά που προκύπτουν ταχύτερα (κινητικός έλεγχος, kinetic control) και αυτά που είναι σταθερότερα (θερμοδυναμικός έλεγχος, thermodynamic control). Σε άλλες οργανικές αντιδράσεις το προϊόν κινητικού ελέγχου ταυτίζεται με το προϊόν θερμοδυναμικού ελέγχου. Στις περιπτώσεις δύο δυνατών προϊόντων αρχικά σχηματίζεται το κινητικά ευνοούμενο Β (ΔG ΑC > ΔG AB) το οποίο με την πάροδο του χρόνου μετατρέπεται στο θερμοδυναμικά σταθερότερο C μέσω του αντιδρώντος (Α) (Εικόνα 1.14). Η διαδικασία αυτή μπορεί να σταματήσει στο κινητικό προϊόν Β εφόσον η αντίδραση διακοπεί πρόωρα ή γίνει σε χαμηλότερη θερμοκρασία ώστε να μην παρέχεται στο σύστημα το κατάλληλο ποσό ενέργειας για την αντίστροφη μετατροπή της Β στην Α (ΔG BA > ΔG AB) ή/και της Α στη C. Δηλαδή, θα πρέπει τουλάχιστον η μετατροπή του Α στο Β να πάψει να είναι αμφίδρομη. Εικόνα 1.14 Ο σχηματισμός κινητικού και θερμοδυναμικού προϊόντος Το ενδιάμεσο μιας αντίδρασης Σε πολλές αντιδράσεις εκτός της μεταβατικής κατάστασης υφίσταται και ένα ενδιάμεσο (intermediate, Ε). Ενώ το ενεργειακό όρος (ΤS) περιγράφει μιαν κατάσταση υψηλής ενέργειας, το ενδιάμεσο μιας αντίδρασης περιγράφει μιαν κατάσταση με ενέργεια χαμηλότερη της TS και υψηλότερη του προϊόντος [(1), Εικόνα 1.15]. Γι αυτό και ενώ οι TS 1 και ΤS 2 εξαφανίζονται ταχύτατα (χρόνος ζωής της τάξης των sec), τα ενδιάμεσα Ε μπορούν σε ορισμένες περιπτώσεις να επιζήσουν μέχρι και για λεπτά. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ενδιάμεσων αποτελούν τα καρβοκατιόντα (παράγραφος 1.7.1). Είναι προφανές πως μερικές αντιδράσεις 39

40 μπορεί να λαμβάνουν χώρα χωρίς τη μεσολάβηση ενδιάμεσων (Εικόνα 1.13), ενώ άλλες μπορεί να χωρούν με τη μεσολάβηση περισσότερων από ένα ενδιάμεσων [(2), Εικόνα 1.15]. Όταν σχηματίζεται ενδιάμεσο (ή ενδιάμεσα) η μεταβατική κατάσταση με την υψηλότερη τιμή ενέργειας είναι αυτή που καθορίζει την ταχύτητα της αντίδρασης [π.χ. στην (1), Εικόνα 1.15, η TS 1 καθορίζει την ταχύτητα της μετατροπής]. Εικόνα 1.15 Ο σχηματισμός ενδιάμεσου ή ενδιάμεσων σε μιαν αντίδραση Το αξίωμα Hammond Σύμφωνα με το αξίωμα Hammond (Hammond s postulate) η μεταβατική κατάσταση (TS) δομικά προσομοιάζει περισσότερο στη γειτονική της σταθεροποιημένη δομή (πρώτη ύλη, προϊόν ή ενδιάμεσο) με την υψηλότερη ενέργεια. Αφού ουσιαστικά η TS προσδιορίζει την ταχύτητα της αντίδρασης συνεπάγεται ότι η ταχύτητα αυτή θα σχετίζεται με την ενέργεια της γειτονικής σταθεροποιημένης δομής με την υψηλότερη ενέργεια. Έτσι, π.χ. στην (1) της Εικόνα 1.15 η μεταβατική κατάσταση TS 1 (με τη μεγαλύτερη ενέργεια) καθορίζει την ταχύτητα της αντίδρασης. Επειδή μεταξύ των γειτονικών σταθεροποιημένων δομών της TS 1, αντιδρών Α και ενδιάμεσο Ε, το δεύτερο έχει την υψηλότερη ενέργεια προκύπτει ότι η ταχύτητα της αντίδρασης θα σχετίζεται με την ενέργεια του ενδιάμεσου Ε. Αντίστοιχα, στις εξώθερμες αντιδράσεις της Εικόνας 1.13, στις οποίες δεν υφίσταται ενδιάμεσο, η ταχύτητα της αντίδρασης σχετίζεται περισσότερο με το αντιδρών παρά με το προϊόν (πρόωρη μεταβατική κατάσταση) Ισοτοπική επισήμανση Η ισοτοπική επισήμανση (isotopic labeling) αποτελεί χρήσιμο εργαλείο για τη διερεύνηση ενός μηχανισμού. Συνίσταται στην αντικατάσταση ενός ισοτόπου από ένα άλλο (συνήθως βαρύτερο) και επιτυγχάνεται στις απλούστερες περιπτώσεις με ισοτοπική ανταλλαγή (isotopic exchange) σε ενώσεις με όξινα κυρίως Η [(1), Σχήμα 1.23]. Σε άλλες περιπτώσεις, όπως π.χ. επισήμανσης C, ακολουθείται μια περισσότερο πολύπλοκη διαδικασία, η οποία χρησιμοποιεί την ενσωμάτωση του ισότοπου (κυρίως 14 C) ξεκινώντας από επισημασμένο CO 2 [(2), Σχήμα 1.23]. Η ισοτοπική επισήμανση μπορεί να μας δώσει πληροφορίες μέσω παρακολούθησης της κατανομής του ισότοπου στα προϊόντα ή της αλλαγής της ταχύτητας της αντίδρασης (ισοτοπικό φαινόμενο, isotopic effect). 40

41 Σχήμα 1.23 Παραδείγματα ισοτοπικής επισήμανσης Διερεύνηση της κατανομής του ισότοπου στα προϊόντα Η θέση στην οποία εμφανίζεται ένα ισότοπο στα προϊόντα μπορεί να μας δώσει πολύτιμες πληροφορίες για τον μηχανισμό της αντίδρασης στην περίπτωση που αυτός είναι αμφιλεγόμενος. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η αλκαλική υδρόλυση των εστέρων η οποία μπορεί να γίνεται είτε μέσω μηχανισμού σχάσης αλκυλίου (οδός α) είτε μέσω μηχανισμού σχάσης ακυλίου (οδός β, Σχήμα 1.24). Είναι προφανές πως ανάλογα τον μηχανισμό προκύπτουν διαφορετικά επισημασμένα προϊόντα. Σχήμα 1.24 Παράδειγμα διερεύνησης μηχανισμού από τη θέση του ισότοπου στα προϊόντα Ισοτοπικό φαινόμενο Με την αλλαγή ενός ατόμου από ένα ισότοπό του παρατηρείται διαφοροποίηση της ταχύτητας της αντίδρασης (ισοτοπικό φαινόμενο, isotopic effect) η οποία εκφράζεται από τη σχέση: ΙΦ = k Ε / k Β όπου ΙΦ: το ισοτοπικό φαινόμενο, k Ε : η σταθερά της ταχύτητας για το ελαφρύτερο ισότοπο και k Β : η σταθερά της ταχύτητας για το βαρύτερο ισότοπο. Όταν το καθοριστικό μεταβατικό στάδιο συμβαίνει στο επισημασμένο άτομο (δηλαδή δημιουργείται ή διασπάται ένας δεσμός του) το ισοτοπικό φαινόμενο είναι εύκολα μετρήσιμο. Η περίπτωση αυτή καλείται πρωτεύον (κινητικό) ισοτοπικό φαινόμενο [primary (kinetic) isotopic effect] και η διαφοροποίηση οφείλεται κυρίως στη διαφορετική ενέργεια των πρώτων υλών, αφού οι ενέργειες των μεταβατικών καταστάσεων είναι παραπλήσιες ή ίσες (Εικόνα 1.16). Περισσότερο μελετημένα παραδείγματα αποτελούν το ζεύγος Η/D όπου το φαινόμενο εμφανίζεται αρκετά έντονο και συνήθως με ΙΦ = 6 10 και το ζεύγος 12 C/ 13 C με ΙΦ 1,04 (Σχήμα 1.25). Εικόνα 1.16 Εξήγηση του ισοτοπικού φαινομένου μέσω των ενεργειών. 41

42 Σχήμα 1.25 Γενικευμένα παραδείγματα πρωτεύοντος ισοτοπικού φαινομένου. Η διαφοροποίηση των ταχυτήτων είναι αισθητά ασθενέστερη (ΙΦ 1,1) όταν στο καθοριστικό μεταβατικό στάδιο δεν εμπλέκεται το άτομο που φέρει το ισότοπο. Η περίπτωση αυτή καλείται δευτερεύον (κινητικό) ισοτοπικό φαινόμενο [secondary (kinetic) isotopic effect] και χαρακτηρίζεται ως α-, β-, κ.ο.κ. ανάλογα με την απόσταση του ισότοπου από το κέντρο της αντίδρασης (Σχήμα 1.26). Τις περισσότερες φορές οφείλεται στην αλλαγή της σταθεροποίησης της μεταβατικής κατάστασης μέσω του υπερσυζυγιακού φαινόμενου. Σχήμα 1.26 Παραδείγματα δευτερεύοντος ισοτοπικού φαινομένου. Για την περίπτωση του ζεύγους Η/D υπάρχουν και αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στο άτομο που είναι επισημασμένο αλλά ισχύει k H < k D, δηλαδή αντίστροφο ισοτοπικό φαινόμενο (reverse isotopic effect), κυρίως σε αντιδράσεις που υφίσταται αλλαγή υβριδισμού από sp 2 σε sp 3, π.χ. Σχήμα Σχήμα 1.27 Παράδειγμα αντίστροφου ισοτοπικού φαινομένου Ταξινόμηση των οργανικών αντιδράσεων Κάθε αντίδραση περιλαμβάνει τη δημιουργία και διάσπαση δεσμών. Ο λεπτομερής τρόπος με τον οποίο γίνεται αυτό περιγράφεται με τον μηχανισμό της αντίδρασης (reaction mechanism) και δίνει πληροφορίες για το κάθε στάδιο της αντίδρασης, δηλαδή τον τρόπο και τη σειρά με τον οποίο δημιουργούνται ή διασπώνται οι δεσμοί και τις ταχύτητες κάθε μεταβολής. Οι πληροφορίες που αποκομίζονται από τη σωστή αποτύπωση ενός 42

43 μηχανισμού είναι σημαντικές όχι μόνο για την κατανόηση του τι συμβαίνει σε μιαν αντίδραση, αλλά και την πρόβλεψη των επιμέρους παραμέτρων που είναι απαραίτητες είτε για να λαμβάνει χώρα αυτή, είτε για να βελτιστοποιηθεί. Η ταξινόμηση των οργανικών αντιδράσεων μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: ταξινόμηση με βάση τα είδη των μεταβολών (σχέση των αντιδρώντων και των προϊόντων και κατ επέκταση η ολική μετατροπή) και ταξινόμηση ανάλογα με τον τρόπο (τον μηχανισμό) που αυτές χωρούν Τα είδη των μεταβολών Ανάλογα με τις μεταβολές που πραγματοποιούνται οι οργανικές αντιδράσεις μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως εξής: Δύο αντιδρώντα προστίθενται για να δώσουν ένα νέο προϊόν, συνήθως με τη δημιουργία δύο σ δεσμών και την ανόρθωση ενός π δεσμού (αντιδράσεις προσθήκης, addition reactions): Α + Β Γ Ένα αντιδρών δίνει δύο προϊόντα, συνήθως με τη δημιουργία ενός π δεσμού και την αφαίρεση δύο σ δεσμών (αντιδράσεις απόσπασης, elimination reactions): Α Β + Γ Δύο αντιδρώντα δίνουν δύο νέα προϊόντα με την ανταλλαγή κάποιας ομάδας (αντιδράσεις υποκατάστασης, substitution reactions): Α Β + Γ Δ Α Γ + Β Δ Ένα αντιδρών δίνει ένα νέο ισομερές προϊόν με αναδιάταξη δεσμών και ατόμων (αντιδράσεις αναδιάταξης, rearrangement reactions): Α Β Είναι προφανές πως σε έναν μηχανισμό μιας συγκεκριμένης αντίδρασης μπορεί να εμπλέκονται και περισσότερα από ένα είδη μεταβολών Ο τρόπος με τoν οποίo γίνονται οι μεταβολές Οι μεταβολές με τις οποίες πραγματοποιούνται οι οργανικές αντιδράσεις μπορούν να γίνουν με τους παρακάτω γενικούς τρόπους (Σχήμα 1.28): Ετερολυτική διάσπαση ή ετερογονική δημιουργία (heterolysis) ενός δεσμού (πολικές αντιδράσεις, polar reactions), (1) και (2). Ομολυτική διάσπαση ή ομογονική δημιουργία (homolysis) ενός δεσμού (αντιδράσεις ριζών, radical reactions), (3) και (4). Ταυτόχρονη δημιουργία και διάσπαση δεσμών χωρίς τη μεσολάβηση κατιόντων/ανιόντων ή ελεύθερων ριζών (περικυκλικές ή σύγχρονες αντιδράσεις, pericyclic reactions), (5). 43

44 Σχήμα 1.28 Γενικευμένοι τρόποι μεταβολής σε έναν μηχανισμό Πολικές αντιδράσεις Οι περισσότερες οργανικές αντιδράσεις χωρούν μέσω πολικών μηχανισμών. Σε μιαν πολική αντίδραση διάσπασης το ζεύγος ηλεκτρονίων που αντιπροσωπεύει έναν πολωμένο δεσμό μετακινείται σε ένα από τα δύο άτομά του δίνοντας ένα κατιόν και ένα ανιόν [(1), Σχήμα 1.28]. Η μετακίνηση αυτή γίνεται προς το ηλεκτραρνητικότερο άτομο και μάλιστα ευκολότερα με τους περισσότερο πολωμένους δεσμούς (Σχήμα 1.29). Αντίστροφα, στην περίπτωση της πολικής αντίδρασης δημιουργίας δεσμού ένα ανιόν προσφέρει το ζεύγος του σε ένα κατιόν λόγω της έλξης που ασκείται μεταξύ τους [(2), Σχήμα 1.28], ενώ μια περισσότερο γενικευμένη θεώρηση αποδέχεται πως ηλεκτρονικά πλούσιες οντότητες αντιδρούν με ηλεκτρονικά φτωχές. Σχήμα 1.29 Παραδείγματα πολωμένων δεσμών. Οι διάφορες κατηγορίες πολικών αντιδράσεων διακρίνονται περαιτέρω σε αυτές που γίνονται υπό όξινες συνθήκες και αυτές που γίνονται υπό βασικές συνθήκες. Ορισμένα γενικά βήματα που πρέπει να ακολουθούνται για τον ορθότερο σχεδιασμό του μηχανισμού μιας πολικής αντίδρασης: Συμπληρώνονται τα μονήρη ζεύγη ηλεκτρονίων των ετεροατόμων. Προσδιορίζονται τα κέντρα των αντιδραστηρίων που λειτουργούν ως οξέα ή βάσεις κατά Lewis (παράγραφος 1.5.3) Χρησιμοποιούνται κυρτά βέλη (παράγραφος 1.1) για να καταδειχθεί η ροή των ηλεκτρονίων από το άτομο που προσφέρει ζεύγος ηλεκτρονίων ή π ηλεκτρόνια στο φτωχό ηλεκτρονικά άτομο. Προσδιορίζονται τα τυπικά φορτία (παράγραφος 1.2) των ατόμων που εμπλέκονται στις μετατροπές. Σε αντιδρώντα με περισσότερες από μία λειτουργικές ομάδες που μπορούν να προσφέρουν ζεύγος ηλεκτρονίων ή π ηλεκτρόνια αναζητείται εκείνο που πιθανά οδηγεί σε σταθερότερο ενδιάμεσο. Επιπλέον, θεωρείται σημαντικό να ακολουθούνται οι παρακάτω αρχές (Σχήμα 1.30): 44

45 Η δραστικότητα των πυρηνόφιλων και ηλεκτρονιόφιλων αντιδραστηρίων τις περισσότερες φορές διαφέρει αναλόγως του αν οι συνθήκες αντίδρασης είναι όξινες ή βασικές (δείτε την παράγραφο και την παράγραφο 1.6.2). Σε μιαν αντίδραση που χωρεί παρουσία οξέος δεν επιτρέπεται να συμπεριληφθούν στον μηχανισμό ισχυρές βάσεις, (1). Σε μιαν αντίδραση που χωρεί παρουσία βάσης δεν επιτρέπεται να συμπεριληφθούν στον μηχανισμό ισχυρά οξέα, (2). Μία ασθενής σχετικά βάση μπορεί να αντιδράσει με ένα ασθενές οξύ για να δώσει μιαν ισχυρότερη βάση ακόμη και στις περιπτώσεις που το pk b της βάσης είναι μέχρι και 6-8 φορές μικρότερο του pk a του οξέος. Παρόλο που η συγκεκριμένη μετατροπή δεν ευνοείται, είναι αρκετά γρήγορη ώστε να δικαιολογείται ο σχηματισμός της ισχυρής βάσης και η εμπλοκή της στον μηχανισμό, (3) και (4). Σχήμα 1.30 Μερικές βασικές αρχές για τους πολικούς μηχανισμούς. Οι πολικές αντιδράσεις αναλύονται διεξοδικά στα Κεφάλαια Αντιδράσεις ριζών Σε μιαν ομολυτική αντίδραση διάσπασης το ζεύγος ηλεκτρονίων που αντιπροσωπεύει έναν δεσμό διαμοιράζεται μεταξύ των δύο ατόμων του δίνοντας ελεύθερα άτομα ή ρίζες (εφόσον το άτομο με το μονήρες ηλεκτρόνιο είναι υποκατεστημένο). Αντίστροφα, στην περίπτωση της ομογονικής δημιουργίας ενός δεσμού δύο οντότητες με μονήρες ηλεκτρόνιο το προσφέρουν αμοιβαία [(3) και (4), Σχήμα 1.28]. Σε κάθε περίπτωση η μετακίνηση των ηλεκτρονίων υποδεικνύεται με ένα βέλος-άγκιστρο (παράγραφος 1.1). Οι 45

46 αντιδράσεις αυτές μπορεί να είναι αλυσιδωτές ή όχι και χωρούν παρόλο που οι ρίζες είναι τις περισσότερες φορές αφόρτιστες, λόγω της έλλειψης ηλεκτρονίων που έχουν αυτές. Οι αντιδράσεις ριζών δεν είναι τόσο συνηθισμένες όσο οι πολικές αντιδράσεις, αλλά έχουν σημαντική συμβολή σε ορισμένους τομείς της Οργανικής Χημείας. Περιγράφονται στο Κεφάλαιο Περικυκλικές αντιδράσεις Στις περικυκλικές αντιδράσεις η δημιουργία και διάσπαση των δεσμών γίνεται ταυτόχρονα σε ένα και μόνο μεταβατικό στάδιο χωρίς τη μεσολάβηση ενδιάμεσων, μέσω κυκλικής κίνησης ηλεκτρονίων [π.χ. (5), Σχήμα 1.28]. Οι αντιδράσεις αυτής της κατηγορίας μπορούν να γίνονται σε ουδέτερο, βασικό και όξινο περιβάλλον, όπως και οι πολικές. Ορισμένες γενικές αρχές που διέπουν τις περικυκλικές αντιδράσεις είναι: Ένας τουλάχιστον π δεσμός είτε δημιουργείται είτε διασπάται. Δεν υπάρχουν φορτισμένα ενδιάμεσα. Είναι στερεοεκλεκτικές (τις περισσότερες φορές). Οι διάφορες περικυκλικές αντιδράσεις αναλύονται στο Κεφάλαιο 9. Βιβλιογραφία/Αναφορές [1] Ν. Ε. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία: Δομή-Φάσματα-Μηχανισμοί, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Ζήτη, 1985, Τεύχη Α και Β. [2] A. Βάρβογλης, Χημεία Οργανικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Παρατηρητής, [3] R. B. Grossman, The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Springer, [4] W.C. Groutas, Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Wiley, [5] Μ. Στρατάκης, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Α. [6] Μ. Β. Smith, J. March, Advanced Organic Chemistry, 5 th Ed., John Wiley & Sons, Inc., [7] Α. Βάρβογλης, Επίτομη Οργανική Χημεία, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Ζήτη, [8] J. McMurry, Οργανική Χημεία, (Μετάφραση Α. Βάρβογλης, Μ. Ορφανόπουλος, Ι. Σμόνου, Μ. Στρατάκης), Ηράκλειο, Ελλάς: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, [9] P. Vollhardt, N. Schore, Οργανική Χημεία: Δομή και Λειτουργικότητα (Μετάφραση: Ε. Μαλαμίδου, Ν. Ρόδιος, Σ. Σπυρούδης), Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Αφοί Κυριακίδη, 2012, Τόμοι Α και Β. [10] Θ. Μαυρομούστακος, Θ. Τσέλιος, Κ. Παπακωνσταντίνου, Θεμελιώδεις Αρχές Οργανικής Χημείας, Αθήνα, Ελλάς, Εκδόσεις Συμμετρία, Κριτήρια αξιολόγησης 46

47 Κριτήριο αξιολόγησης 1 Κριτήριο αξιολόγησης 2 Κριτήριο αξιολόγησης 3 Κριτήριο αξιολόγησης 4 Κριτήριο αξιολόγησης 5 Κριτήριο αξιολόγησης 6 Κριτήριο αξιολόγησης 7 Κριτήριο αξιολόγησης 8 Κριτήριο αξιολόγησης 9 Κριτήριο αξιολόγησης 10 Κριτήριο αξιολόγησης 11 Κριτήριο αξιολόγησης 12 47

48 Κεφάλαιο 2: Πυρηνόφιλη αλειφατική υποκατάσταση Σύνοψη Το κεφάλαιο αυτό ασχολείται με τη μελέτη των αντιδράσεων πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (μηχανισμοί S N 1 και S N 2) και τις παραμέτρους που επηρεάζουν την πορεία και έκβασή τους (επίδραση του ηλεκτρονιόφιλου, του πυρηνόφιλου, της αποχωρούσας ομάδας και του διαλύτη). Γίνεται επίσης αναφορά σε ιδιαίτερες περιπτώσεις αντιδράσεων, όπως π.χ. αυτές που χωρούν με το μηχανισμό S N i και τη συμμετοχή γειτονικής ομάδας. Η συγγραφή του κεφαλαίου βασίστηκε εν μέρει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-11]. Προαπαιτούμενη γνώση Για την ευκολότερη και καλύτερη κατανόηση αυτού του κεφαλαίου ο αναγνώστης θα πρέπει να είναι σε θέση να σχεδιάζει σωστές δομές Lewis, να έχει εξοικειωθεί με τη χρήση κυρτών βελών, να κατέχει τους βασικούς κανόνες ονοματολογίας και στερεοχημείας, να αναγνωρίζει τις διάφορες τάξεις οργανικών ενώσεων και να γνωρίζει πολύ καλά τις έννοιες: ηλεκτρονιόφιλο, πυρηνόφιλο, καρβοκατιόντα, καρβανιόντα, θερμοδυναμική θεώρηση μιας οργανικής αντίδρασης (και ό,τι σχετίζεται με αυτήν). Για τα αντικείμενα αυτά ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέχει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-11] και στο Κεφάλαιο 1 του παρόντος συγγράμματος. 2. Πυρηνόφιλη αλειφατική υποκατάσταση 2.1 Γενική περιγραφή μιας πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης Τα ηλεκτρονιόφιλα (δείτε την παράγραφο 1.6.2) που φέρουν μιαν αποχωρούσα ομάδα (leaving group, Χ) συνδεδεμένη με έναν sp 3 C μπορούν να υποστούν μιαν αντίδραση πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (nucleophilic aliphatic substitution reaction). Σε μιαν τέτοια αντίδραση ο σ δεσμός μεταξύ του ηλεκτρονιόφιλου και της αποχωρούσας ομάδας (δείτε την παράγραφο 2.3.3) αντικαθίσταται από έναν νέο σ δεσμό μεταξύ του πυρηνόφιλου και του ηλεκτρονιόφιλου (Σχήμα 2.1). Σχήμα 2.1 Παραδείγματα πυρηνόφιλων αλειφατικών υποκαταστάσεων. Οι αντιδράσεις πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης υπάγονται συνήθως σε δύο μεγάλες κατηγορίες: αυτές που χωρούν μέσω του μηχανισμού S N 1 και αυτές που χωρούν μέσω του μηχανισμού S N 2. 48

49 2.2 Ο μηχανισμός S N 2 Οι υποκαταστάσεις μέσω μηχανισμού S N 2 λαμβάνουν χώρα, συνήθως υπό βασικές ή ουδέτερες συνθήκες, σε πρωτοταγείς ή δευτεροταγείς C και πολύ σπάνια σε τριτοταγείς C (σε ενδομοριακές αντιδράσεις). Σύμφωνα με αυτόν τον μηχανισμό, το πυρηνόφιλο (Nu ή Nu:) προσβάλλει το ηλεκτρονιόφιλο κέντρο (ουδέτερο ή κατιόν) στην αντίθετη πλευρά από αυτήν που υφίσταται ο δεσμός C-αποχωρούσας ομάδας (Χ) (Σχήμα 2.2). Η δημιουργία του δεσμού Νu-C γίνεται ταυτόχρονα με τη διάσπαση του δεσμού C-X (σύγχρονη αντίδραση, synchronous reaction) και η μεταβατική κατάσταση έχει πολύ μικρό χρόνο ζωής (~10-13 sec) και γεωμετρία τριγωνικής διπυραμίδας. Σχήμα 2.2 Γενική περιγραφή μιας υποκατάστασης με τον μηχανισμό S N 2. Τα κυρτά βέλη (παράγραφος 1.1) αναπαριστούν κατά τα γνωστά τη μετακίνηση των ηλεκτρονίων. Ο σχηματισμός του δεσμού Nu-C γίνεται ταυτόχρονα με τη διάσπαση του δεσμού C-X, γι αυτό και η στερεοχημεία στον προσβαλλόμενο C αναστρέφεται (στερεοειδική αντίδραση, stereospecific reaction). Η αναστροφή αυτή καλείται αναστροφή κατά Walden (Walden inversion). Η ύπαρξη ενός και μοναδικού σταδίου κατά τη διάρκεια της αντίδρασης εξηγεί και την κινητική θεώρηση του μηχανισμού S N 2: πρόκειται για μια διαδικασία δευτέρας τάξεως [διμοριακός μηχανισμός (bimolecular mechanism), παράγραφος 1.9.3], η ταχύτητα της οποίας είναι ανάλογη της συγκέντρωσης τόσο του υποστρώματος όσο και του πυρηνόφιλου: ταχύτητα αντίδρασης = k[υπόστρωμα][νu] Στην Εικόνα 2.1 δίνεται το ενεργειακό διάγραμμα μιας αντίδρασης που χωρεί με μηχανισμό S N 2. Εικόνα 2.1 Το ενεργειακό διάγραμμα μιας αντίδρασης με μηχανισμό S N 2. Για τον μηχανισμό S N 2 δείτε το Video 2.1. Video 2.1 Ο μηχανισμός S N 2. Υπάρχουν και μερικές περιπτώσεις αντιδράσεων υποκατάστασης που χωρούν μέσω του μηχανισμού S N 2 σε πολύ όξινες συνθήκες. Αν και οι όξινες συνθήκες ευνοούν τον μηχανισμό S N 1 (δείτε την παράγραφο 2.3), όταν ο ηλεκτρονιόφιλος C δεν μπορεί να σταθεροποιήσει ένα καρβοκατιόν και το πυρηνόφιλο είναι πολύ ισχυρό τότε λαμβάνει χώρα ο S N 2. Αντιπροσωπευτικό παράδειγμα αποτελεί η αντίδραση μετατροπής μιας πρωτοταγούς αλκοόλης στο αντίστοιχο αλογονοαλκάνιο (Σχήμα 2.3). 49

50 Σχήμα 2.3 Υποκατάσταση με τον μηχανισμό S N 2 σε όξινο περιβάλλον. Διάφοροι παράγοντες επηρεάζουν την έκβαση μιας αντίδρασης που χωρεί μέσω του μηχανισμού S N 2: η φύση του πυρηνόφιλου (παράγραφος 1.6.1), η φύση του ηλεκτρονιόφιλου (παράγραφος 1.6.2), η αποχωρούσα ομάδα (παράγραφος 2.3.3) και ο διαλύτης. Οι επιμέρους αυτές παράμετροι αναλύονται παρακάτω, σε μερικές περιπτώσεις και συνδυαστικά. Αντιδράσεις μέσω αυτού του μηχανισμού μπορούν να λάβουν χώρα και σε ηλεκτρονιόφιλα κέντρα που δεν είναι C (π.χ. S), αυτό όμως ξεφεύγει από το περιεχόμενο της συγκεκριμένης παρουσίασης Ο παράγοντας πυρηνόφιλο Τα πιο συνηθισμένα πυρηνόφιλα σε έναν μηχανισμό S N 2 είναι αυτά που έχουν μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων (φορτισμένα ή αφόρτιστα). Αντίθετα, τα πυρηνόφιλα σ δεσμού (παράγραφος ) ή π δεσμού (παράγραφος ) δεν συμμετέχουν τόσο συχνά σε τέτοιου είδους αντιδράσεις. Για τα πυρηνόφιλα σ δεσμού εξαιρέσεις αποτελούν οι αντιδράσεις αλογονοαλκανίων και εποξειδίων με LiAlH 4 και εποξειδίων με οργανομεταλλικές ενώσεις (Σχήμα 2.4). Σχήμα 2.4 Αντιδράσεις πυρηνόφιλων σ δεσμού μέσω του μηχανισμού S N 2. Για τα πυρηνόφιλα π δεσμού (παράγραφος ) εξαιρέσεις αποτελούν οι εναμίνες και τα ενολικά ανιόντα [(1) και (2), αντίστοιχα, Σχήμα 2.5], τα οποία αντιδρούν σχετικά εύκολα με αλογονοαλκάνια μέσω των δομών συντονισμού τους (δείτε και την παράγραφο 6.2.1). Σχήμα 2.5 Αντιδράσεις εναμινών και ενολικών ανιόντων μέσω του μηχανισμού S N 2. 50

51 Τα τελικά αλκύνια δίνουν με την επίδραση ισχυρών βάσεων (π.χ. αλκυλολίθια, οργανομαγνησιακές ενώσεις, NaNH 2 ) αλκυνυλο-ανιόντα που είναι δραστικά πυρηνόφιλα και αντιδρούν με πρωτοταγή αλογονοαλκάνια μέσω του μηχανισμού S N 2 (Σχήμα 2.6). Οι αντιδράσεις με δευτεροταγή κα τριτοταγή υποστρώματα οδηγούν σε απόσπαση και όχι σε υποκατάσταση. Σχήμα 2.6 Αντίδραση αλκυνυλο-ανιόντος μέσω του μηχανισμού S N 2. Παρακάτω εξετάζονται ποιες παράμετροι επιδρούν στη δραστικότητα ενός πυρηνόφιλου σε έναν μηχανισμό S N Το είδος του πυρηνόφιλου ατόμου και το φορτίο του Για παρόμοιες δομές η ισχύς του πυρηνόφιλου σχετίζεται γενικά με τη βασικότητα (για εξαιρέσεις δείτε την παράγραφο ). Έτσι, όσο μετακινούμαστε δεξιότερα στον περιοδικό πίνακα τόσο μειώνεται η ισχύς του πυρηνόφιλου, π.χ. Η 2 Ν > ΗΟ > F. Επίσης, όπως αναφέρθηκε και στην παράγραφο 1.6.1, για παρόμοιες δομές το φορτισμένο πυρηνόφιλο είναι πάντα ισχυρότερο του αφόρτιστου, π.χ. ΗΟ > Η 2 Ο Ο όγκος του πυρηνόφιλου Όσο περισσότερο στερεοχημικά παρεμποδισμένο είναι το πυρηνόφιλο τόσο λιγότερο δραστικό θα είναι αυτό. Το φαινόμενο αυτό έχει σημαντικότερη επίδραση στην ισχύ του πυρηνόφιλου εφόσον η στερεοχημική παρεμπόδιση υφίσταται εγγύτερα στο πυρηνόφιλο κέντρο, π.χ. CH 3 O > CH 3 CH 2 O > (CH 3 ) 2 CHO > (CH 3 ) 3 CO. Πρακτικά τα πολύ παρεμποδισμένα πυρηνόφιλα συμπεριφέρονται σχεδόν αποκλειστικά ως βάσεις (δείτε και την παράγραφο ) Ο παράγοντας ηλεκτρονιόφιλο Η δομή του ηλεκτρονιόφιλου καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τη δραστικότητά του. Όσο περισσότερο στερεοχημικά παρεμποδισμένο είναι το υπόστρωμα μιας αντίδρασης S N 2 τόσο λιγότερο δραστικό θα είναι αυτό. Το φαινόμενο αυτό έχει σημαντικότερη επίδραση στην ισχύ του ηλεκτρονιόφιλου όταν η στερεοχημική παρεμπόδιση υφίσταται εγγύτερα στο ηλεκτρονιόφιλο κέντρο, π.χ. CH 3 Ι > CH 3 CH 2 Ι > (CH 3 ) 2 CHΙ > (CH 3 ) 3 CΙ. Ιδιαίτερες περιπτώσεις ηλεκτρονιόφιλων αποτελούν τα εποξείδια και τα αλλυλικά ηλεκτρονιόφιλα. Τα εποξείδια διανοίγονται πολύ εύκολα με πυρηνόφιλη προσβολή λόγω της μεγάλης τάσης δακτυλίου. Σε βασικό ή ουδέτερο περιβάλλον η διάνοιξη γίνεται με μηχανισμό S N 2, όπως οι αντιδράσεις με LiAlH 4 και οργανομεταλλικές ενώσεις [αντιδράσεις (2) και (3), αντίστοιχα, Σχήμα 2.4] με μιαν τοποεκλεκτική διαδικασία προσβολής του λιγότερου υποκατεστημένου άνθρακα. Μπορεί να γίνει όμως διάνοιξη και σε όξινο περιβάλλον, παρουσία κατάλληλων πυρηνόφιλων (π.χ. αλκοόλες, υδραλογόνα) με μια σχετικά εκλεκτική διαδικασία προσβολής του περισσότερο αυτήν τη φορά υποκατεστημένου άνθρακα, κυρίως στις περιπτώσεις που ο ένας από τους δύο άνθρακες του εποξειδίου είναι τριτοταγής (Σχήμα 2.7). Για τη διάνοιξη του εποξειδικού δακτυλίου υπό όξινες συνθήκες γίνεται δεκτός και πάλι ένας S N 2 μηχανισμός, αν και από πολλούς θεωρείται ότι χωρεί μέσω του S N 1 μηχανισμού. Εντούτοις, ισχύει και στην περίπτωση αυτή η αναστροφή της στερεοχημείας. 51

52 Σχήμα 2.7 Διάνοιξη εποξειδικού δακτυλίου σε όξινο περιβάλλον. Τα αλλυλικά ηλεκτρονιόφιλα αντιδρούν γενικά με μεγάλη ταχύτητα σε αντιδράσεις S N 2 λόγω του ισχυρότερου ηλεκτρονιόφιλου χαρακτήρα του προσβαλλόμενου άνθρακα. Όμως, στα μη συμμετρικά αλλυλικά υποστρώματα η προσβολή μπορεί να γίνει είτε στον α-c, είτε στον γ-c του αλλυλικού συστήματος με ταυτόχρονη μετακίνηση του διπλού δεσμού (μηχανισμός S N 2 ) (Σχήμα 2.8). Η υποκατάσταση στη γ-θέση ευνοείται ιδιαίτερα με την αύξηση της στερεοχημικής παρεμπόδισης γύρω από τον α-c και την αύξηση του μεγέθους του πυρηνόφιλου. Σχήμα 2.8 Αντιδράσεις S N 2 και S N 2 σε αλλυλικά ηλεκτρονιόφιλα. Τα βινυλικά αλογονίδια δεν δίνουν κατά κανόνα αντιδράσεις πυρηνόφιλης υποκατάστασης Ο παράγοντας αποχωρούσα ομάδα Οι αποχωρούσες ομάδες διαφέρουν ως προς την ικανότητα απόσπασής τους. Στην πράξη η ικανότητα αποχώρησης μιας ομάδας σχετίζεται στενά με την τιμή pk b της. Έτσι, όσο ασθενέστερη βάση είναι η αποχωρούσα ομάδα τόσο ευκολότερα αποσπάται. Στον Πίνακα 2.1 δίνονται μερικές αποχωρούσες ομάδες κατά σειρά ικανότητας απόσπασης (υψηλότερα βρίσκονται οι καλύτερες ομάδες σε κάθε κατηγορία). Πίνακας 2.1 Ταξινόμηση αποχωρουσών ομάδων. Επιπλέον στοιχεία για την καλύτερη κατανόηση της ικανότητας μιας ομάδας να λειτουργεί ως αποχωρούσα: Το υδρίδιο (Η ) όπως και τα μη σταθεροποιημένα καρβανιόντα (R 3 C ) συγκαταλέγονται μεταξύ των χειρότερων αποχωρουσών ομάδων. Η βασικότητα (παράγραφος 1.5) μιας ομάδας δεν αποτελεί απόλυτο κριτήριο για την πρόβλεψη της ικανότητάς της να λειτουργεί ως αποχωρούσα. Ο ηλεκτρονιόφιλος χαρακτήρας της όπως και η φύση του μίγματος αντίδρασης παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο. 52

53 Οι συζυγείς βάσεις ισχυρών οργανικών οξέων που σταθεροποιούνται με συντονισμό (παράγραφος 1.3) αποτελούν πολύ καλές αποχωρούσες ομάδες (π.χ. τα σουλφονικά ανιόντα, RSO 3 ). Σε ορισμένες περιπτώσεις, η εξάλειψη της τάσης δακτυλίου (τριμελής ή τετραμελής) αποτελεί σημαντικό παράγοντα για την ικανότητα αποχώρησης μιας ομάδας, παρόλο που η ίδια δεν θεωρείται καλή αποχωρούσα ομάδα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν τα εποξείδια τα οποία διανοίγονται πολύ εύκολα, παρόλο που τα προκύπτοντα αλκοξείδια (Nu CH 2 CH 2 O ) δεν είναι καλές αποχωρούσες ομάδες (Σχήμα 2.9). Αν και οι περισσότερες αντιδράσεις υποκατάστασης με τον μηχανισμό S N 2 γίνονται σε βασικό ή ουδέτερο περιβάλλον, συγκεκριμένες από αυτές χωρούν σε όξινο περιβάλλον. Σε αυτές τις περιπτώσεις η αντίδραση σε όξινο περιβάλλον ευνοείται λόγω του σχηματισμού καλύτερης αποχωρούσας ομάδας, π.χ. η αλογόνωση των πρωτοταγών αλκοολών και η διάσπαση των αιθέρων, (1) & (2), Σχήμα Σχήμα 2.9 Διάνοιξη εποξειδικού δακτυλίου με πυρηνόφιλο. Σχήμα 2.10 Η πρωτονίωση οδηγεί σε καλύτερη αποχωρούσα ομάδα Ο παράγοντας διαλύτης Η φύση του διαλύτη μπορεί να έχει δραματικές συνέπειες στην έκβαση μιας αντίδρασης που χωρεί με τον μηχανισμό S N 2. Ο διαλύτης επιδρά κατά κύριο λόγο στη δραστικότητα του πυρηνόφιλου. Έτσι, για το ίδιο πυρηνόφιλο παρατηρείται μια πολύ σημαντική αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης κατά τη μετάβαση από έναν πρωτικό διαλύτη (π.χ. νερό, αλκοόλες) σε έναν πολικό απρωτικό διαλύτη (π.χ. ακετόνη, CH 3 CN, DMF, DMSO, HMPA). Αυτό εξηγείται λόγω της μεγαλύτερης επιδιαλύτωσης του πυρηνόφιλου στους πρωτικούς διαλύτες. Επιπλέον, όπως αναφέρθηκε και στην παράγραφο , η καλύτερη επιδιαλύτωση των μικρών σχετικά πυρηνόφιλων σε πρωτικούς διαλύτες οδηγεί σε μειωμένη δραστικότητά τους σε σχέση με τα μεγαλύτερα πυρηνόφιλα, π.χ. RS > RO και I > Br > Cl > F αλλά και Η 2 S > H 2 O. Αντίθετα, σε απρωτικούς διαλύτες το φαινόμενο της επιδιαλύτωσης είναι πολύ ασθενέστερο και η σειρά δραστικότητας του πυρηνόφιλου ακολουθεί τη σειρά βασικότητας, δηλαδή I < Br < Cl < F. Οι μη πολικοί διαλύτες (π.χ. αιθέρας, βενζόλιο) επιβραδύνουν επίσης τις αντιδράσεις που χωρούν μέσω του μηχανισμού S N Περιπτώσεις στις οποίες δεν ισχύει ο κανόνας της αναστροφής Σε συγκεκριμένες περιπτώσεις αντιδράσεων με μηχανισμό S N 2 ο κανόνας της αναστροφής μπορεί πρακτικά να μην ισχύει. Αυτές περιλαμβάνουν αντιδράσεις στις οποίες παρατηρείται ρακεμοποίηση (racemization) ή διατήρηση της στερεοχημείας του προσβαλλόμενου κέντρου. Η ρακεμοποίηση μπορεί να λαμβάνει χώρα, λόγω των συνθηκών αντίδρασης (π.χ. βασικές συνθήκες) στο υπόστρωμα ή στο προϊόν ανεξάρτητα της πυρηνόφιλης υποκατάστασης [(1) και (2), αντίστοιχα, Σχήμα 2.11]. Με πυρηνόφιλα τα οποία συμπεριφέρονται ταυτόχρονα και ως καλές αποχωρούσες ομάδες (όπως το Ι ) 53

54 παρατηρείται επίσης σταδιακή ρακεμοποίηση, (3), Σχήμα 2.11). Αυτό συμβαίνει γιατί πριν ολοκληρωθεί η πρώτη αντίδραση υποκατάστασης το σχηματιζόμενο προϊόν αντιδρά περαιτέρω. Σχήμα 2.11 Παραδείγματα ρακεμοποίησης σε μιαν αντίδραση S N 2. Η διατήρηση της στερεοχημείας του προσβαλλόμενου κέντρου οφείλεται συνήθως σε δύο διαδοχικές πυρηνόφιλες υποκαταστάσεις με τη συμμετοχή γειτονικής ομάδας (neighboring group participation), Σχήμα 2.12, δείτε και την παράγραφο Σχήμα 2.12 Παράδειγμα διατήρησης της στερεοχημείας σε μιαν αντίδραση S N Ο μηχανισμός S N 1 Οι υποκαταστάσεις μέσω μηχανισμού S N 1 λαμβάνουν χώρα σε τριτοταγείς ή δευτεροταγείς C υπό όξινες συνθήκες και πολύ σπάνια σε πρωτοταγείς (π.χ. αλλυλικά υποστρώματα). Ο μηχανισμός αυτός περιλαμβάνει δύο στάδια (Σχήμα 2.13). Το πρώτο στάδιο είναι αυτό στο οποίο αποσπάται η αποχωρούσα ομάδα (παράγραφος 2.3.3) δίνοντας ένα καρβοκατιόν και είναι το πιο αργό, και άρα αυτό που καθορίζει την ταχύτητα της αντίδρασης. Όσο σταθερότερο το σχηματιζόμενο καρβοκατιόν (δείτε και την παράγραφο ) τόσο ευκολότερα (ταχύτερα) θα γίνεται το στάδιο αυτό. Στο δεύτερο στάδιο γίνεται η προσβολή του ενδιάμεσου επίπεδου καρβοκατιόντος από το πυρηνόφιλο. Σχήμα 2.13 Γενική περιγραφή μιας υποκατάστασης με τον μηχανισμό S N 1. Επειδή το ενδιάμεσο καρβοκατιόν είναι επίπεδο (ο C έχει sp 2 υβριδισμό) η προσβολή από το πυρηνόφιλο μπορεί να γίνει είτε από τη μία πλευρά του, είτε από την άλλη (εφόσον δεν συντρέχουν άλλοι λόγοι). Έτσι, για ένα οπτικά ενεργό υπόστρωμα, το αποτέλεσμα είναι το προϊόν που σχηματίζεται να είναι ρακεμικό (racemic). Στην πράξη, στις περισσότερες αντιδράσεις με μηχανισμό S N 1 παρατηρείται ο σχηματισμός ενός σκαλεμικού μίγματος (scalemic mixture), με το προϊόν αναστροφής να βρίσκεται σε μικρή περίσσεια. Το γεγονός αυτό εξηγείται με την παραδοχή μη πλήρους διάστασης του κατιόντος του υποστρώματος και του ανιόντος Χ, δηλαδή στην ύπαρξη ζεύγους ιόντων στο οποίο η μία πλευρά 54

55 προσέγγισης είναι παρεμποδισμένη. Για αλλές συγκεκριμένες διαφοροποιήσεις από τoν αναμενόμενο σχηματισμό ρακεμικού μίγματος δείτε την παράγραφο και την παράγραφο Η ύπαρξη δύο σταδίων κατά τη διάρκεια της αντίδρασης με μηχανισμό S N 1, από τα οποία αυτό της απόσπασης της αποχωρούσας ομάδας είναι το βραδύτερο, εξηγεί και την κινητική θεώρηση του μηχανισμού S N 1: πρόκειται για μια διαδικασία πρώτης τάξεως [μονομοριακός μηχανισμός (monomolecular mechanism), παράγραφος 1.9.3], η ταχύτητα της οποίας είναι ανάλογη της συγκέντρωσης μόνο του υποστρώματος: ταχύτητα αντίδρασης = k[υπόστρωμα] Στην Εικόνα 2.2 δίνεται το ενεργειακό διάγραμμα μιας αντίδρασης που χωρεί με μηχανισμό S N 1. Στις περιπτώσεις που υφίστανται στάδια πρωτονίωσης (δείτε την παράγραφο 2.3.3) ή/και αποπρωτονίωσης (παράγραφος 2.3.1) το διάγραμμα αυτό διαμορφώνεται ανάλογα, χωρίς όμως να μεταβληθεί η βασική αρχή ότι το στάδιο της απόσπασης είναι αυτό που καθορίζει την ταχύτητα της αντίδρασης. Εικόνα 2.2 Το ενεργειακό διάγραμμα μιας αντίδρασης με μηχανισμό S N 1. Για τον μηχανισμό S N 1 δείτε το Video 2.2. Video 2.2 Ο μηχανισμός S N 1. Η διάκριση ενός S N 1 από έναν S N 2 μηχανισμό μπορεί να γίνει πειραματικά και από τη μέτρηση του πρωτεύοντος (κινητικού) ισοτοπικού φαινόμενου (δείτε και την παράγραφο ) για τον προσβαλλόμενο άνθρακα ( 12 C/ 13 C), αφού γενικά οι τιμές ΙΦ είναι μεγαλύτερες για τον μονομοριακό μηχανισμό από αυτές για τον διμοριακό (λόγω μεγαλύτερης μεταβολής της τάξης δεσμού στη μεταβατική κατάσταση). Χαρακτηριστικές αντιδράσεις που χωρούν με μηχανισμό S N 1 είναι η υδρόλυση (hydrolysis) και η αλκοόλυση (alcoholysis) ή γενικότερα διαλυτόλυση (solvolysis) των αλογονοαλκανίων [(1) & (2) αντίστοιχα, Σχήμα 2.14]. Σχήμα 2.14 Παραδείγματα υδρόλυσης ή αλκοόλυσης αλογονοαλκανίων. Διάφοροι παράγοντες επηρεάζουν την έκβαση μιας αντίδρασης που χωρεί μέσω του μηχανισμού S N 1: η φύση του πυρηνόφιλου, η φύση του ηλεκτρονιόφιλου, η αποχωρούσα ομάδα και ο διαλύτης. Οι επιμέρους αυτές παράμετροι αναλύονται παρακάτω Το πυρηνόφιλο Το πυρηνόφιλο σε μία αντίδραση με μηχανισμό S N 1 μπορεί να είναι ουδέτερο ή ανιονικό, αλλά στην τελευταία περίπτωση θα πρέπει να είναι οπωσδήποτε ασθενής βάση. Τα ουδέτερα πρωτικά πυρηνόφιλα (π.χ. 55

56 νερό, αλκοόλες) δίνουν προϊόντα που τελικά αποπρωτονιώνονται (Σχήμα 2.15). Στην πράξη η αποπρωτονίωση γίνεται από ένα άλλο μόριο του ίδιου του πυρηνόφιλου που δρα πλέον ως βάση, αλλά τις περισσότερες φορές το τελευταίο παραλείπεται από τον μηχανισμό γράφοντας απλά την απομάκρυνση του Η +. Σχήμα 2.15 Τελική αποπρωτονίωση στον μηχανισμό S N 1. Επίσης, τα πυρηνόφιλα π δεσμού (παράγραφος ) αντιδρούν σχεδόν πάντα μέσω του S N 1 μηχανισμού, αφού είναι φτωχά πυρηνόφιλα. Λόγω του μονομοριακού χαρακτήρα μιας αντίδρασης με μηχανισμό S N 1 η ταχύτητά της δεν εξαρτάται από το πυρηνόφιλο Το ηλεκτρονιόφιλο Όπως αναφέρθηκε παραπάνω η σταθερότητα του ενδιάμεσου καρβοκατιόντος καθορίζει την ταχύτητα της αντίδρασης. Έτσι, είναι προφανές ότι τα περισσότερο υποκατεστημένα υποστρώματα (στον προσβαλλόμενο C) αντιδρούν ταχύτερα, δηλαδή ισχύει: 3 ταγής C > 2 ταγής C > 1 ταγής C. Ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται όταν το ενδιάμεσο καρβοκατιόν μπορεί να ισομερισθεί (πλήρως ή μερικώς), συνήθως μέσω μιας διαδικασίας 1,2- αναδιάταξης υδριδίου ή αλκυλίου, προς ένα σταθερότερο καρβοκατιόν (παράγραφος & Σχήμα 2.16). 56

57 Σχήμα 2.16 Παραδείγματα ισομερείωσης του ενδιάμεσου καρβοκατιόντος. Κατά αναλογία με τη συμμετοχή γειτονικής ομάδας σε έναν μηχανισμό S N 2, σε έναν μηχανισμό S N 1 η συμμετοχή γειτονικής ομάδας μπορεί επίσης να οδηγήσει, λόγω παρεμπόδισης, σε διατήρηση της στερεοχημείας (δείτε και την παράγραφο 2.5.2) Η αποχωρούσα ομάδα Στην πράξη, για την αποχωρούσα ομάδα σε έναν μηχανισμό S N 1 ισχύει ό,τι έχει αναφερθεί για τον μηχανισμό S N 2 στην παράγραφο Σε πολλές περιπτώσεις είναι κι εδώ απαραίτητη η πρωτονίωση του υποστρώματος, προκειμένου αυτό να αποκτήσει καλύτερη αποχωρούσα ομάδα, πριν το στάδιο της απόσπασής της (Σχήμα 2.17). Σχήμα 2.17 Πρωτονίωση του υποστρώματος στον μηχανισμό S N Ο διαλύτης Η ταχύτητα μιας αντίδρασης που χωρεί με τον μηχανισμό S N 1 αυξάνει με την αύξηση της πολικότητας του χρησιμοποιούμενου διαλύτη, αφού η μεταβατική κατάσταση είναι ιδιαίτερα πολική. Επιπλέον, η δυνατότητα 57

58 περαιτέρω σταθεροποίησης της μεταβατικής κατάστασης με δεσμούς υδρογόνου εξηγεί τη δραματική αύξηση της ταχύτητας μιας αντίδρασης S N 1 σε πρωτικούς διαλύτες σε σχέση με τους απρωτικούς. 2.4 Σύγκριση των μηχανισμών S N 2 και S N 1 Στον Πίνακα 2.2 γίνεται μια συνοπτική σύγκριση των μηχανισμών S N 2 και S N 1. Πίνακας 2.2 Σύγκριση των μηχανισμών S N 2 και S N Ιδιαίτερες κατηγορίες πυρηνόφιλων αλειφατικών υποκαταστάσεων Ο μηχανισμός S N i Η αντίδραση μιας αλκοόλης με θειoνυλο-χλωρίδιο (SOCl 2 ) οδηγεί σε διαφορετικά αποτελέσματα παρουσία ή όχι πυριδίνης. Έτσι, ενώ η παρουσία πυριδίνης οδηγεί σε χλωροαλκάνιο με αναστραμμένη τη στερεοχημεία (κλασικός μηχανισμός S N 2), η ίδια αντίδραση χωρίς πυριδίνη δίνει το χλωροαλκάνιο με διατήρηση της στερεοχημείας (Σχήμα 2.18). Το αποτέλεσμα αυτό εξηγείται με την παραδοχή εσωτερικής (ενδομοριακής) πυρηνόφιλης υποκατάστασης (intramolecular nucleophilic substitution, S N i), κατά την οποία η προσβολή από το αλογόνο γίνεται από την ίδια πλευρά του δεσμού C-O με ταυτόχρονη αποβολή SO 2. Σχήμα 2.18 Ο μηχανισμός S N i. 58

59 2.5.2 Η συμμετοχή γειτονικής ομάδας Όπως περιγράφηκε στην παράγραφο και στην παράγραφο η συμμετοχή γειτονικής ομάδας (γειτονική υποβοήθηση) μπορεί να προκαλέσει διαφοροποιήσεις στη στερεοχημική έκβαση μιας πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (S N 2 ή S N 1). Μια άλλη σημαντική παράμετρος που επηρεάζεται είναι η ταχύτητα της αντίδρασης, η οποία τις περισσότερες φορές αυξάνεται σημαντικά. Η υποβοήθηση αυτή μπορεί να γίνει από μιαν ομάδα με μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων, έναν π δεσμό, έναν δακτύλιο μικρού μεγέθους ή έναν αρωματικό δακτύλιο. Ένα από τα πιο γνωστά παραδείγματα γειτονικής υποβοήθησης με μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων είναι αυτό των αντιδραστηρίων τύπου «αερίου μουστάρδας», (1), Σχήμα Η σταθεροποίηση της μεταβατικής κατάστασης μέσω του π τροχιακού ενός αλκενίου είναι μεγάλη σε συγκεκριμένα συστήματα. Έτσι, το παράγωγο της (2) στο Σχήμα 2.19 (αντι-ισομερές) αντιδρά υπό συνθήκες διαλυτόλυσης (συνθήκες S N 1) φορές ταχύτερα από το αντίστοιχο κεκορεσμένο παράγωγο και 10 7 φορές ταχύτερα από το συν-ισομερές και μάλιστα δίνει το προϊόν με διατήρηση της στερεοχημείας στο στερεογονικό κέντρο. Το ενδιάμεσο καρβοκατιόν Α θεωρείται μη κλασικό καρβοκατιόν (non-classic carbokation). Ένα μη κλασικό καρβοκατιόν (Β) εμπλέκεται και στην υδρόλυση του κυκλοπροπυλομεθυλοχλωριδίου, (3), Σχήμα Η διεργασία αυτή (συνθήκες S N 1) δίνει σε ίσες σχεδόν ποσότητες την κυκλοπροπυλομεθανόλη και την κυκλοβουτανόλη, γεγονός που μπορεί να εξηγηθεί μόνο με την παραδοχή ενός μη κλασικού καρβοκατιόντος. Εντελώς ανάλογη είναι και η περίπτωση υποβοήθησης από έναν αρωματικό δακτύλιο. Για παράδειγμα η διαλυτόλυση (συνθήκες S N 1) με οξικό οξύ του τοζυλεστέρα C, (4) στο Σχήμα 2.19, δίνει τα δύο κύρια προϊόντα σε αναλογία 1:1 πράγμα που μπορεί να συμβαίνει μόνο αν οι δύο προσβαλλόμενοι άνθρακες είναι ισοδύναμοι. 59

60 Σχήμα 2.19 Αντιδράσεις με συμμετοχή γειτονικής ομάδος. 2.6 Διάφορες αντιδράσεις πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης Στο Σχήμα 2.20 δίνεται μια σειρά από χαρακτηριστικές αντιδράσεις πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης: (1): Αντίδραση αιθεροποίησης κατά Williamson (Williamson etherification). (2): Υδρόλυση τριτοταγών αλογονοαλκανίων (παρασκευή αλκοολών). (3): Αλκοόλυση τριτοταγών αλογονοαλκανίων (παρασκευή αιθέρων). (4): Σύνθεση συμμετρικών αιθέρων από πρωτοταγείς αλκοόλες σε όξινο περιβάλλον. (5): Αλογόνωση πρωτοταγών αλκοολών. (6): Σύνθεση θειαιθέρων. (7): Σύνθεση νιτριλίων. (8): Σύνθεση αμμωνιακών αλάτων. (9): Σύνθεση φωσφωνιακών αλάτων. (10): Αναγωγή αλογονοαλκανίων προς αλκάνια. 60

61 (11): Αλκυλίωση ενολικών ανιόντων. (12): Διάνοιξη εποξειδίων σε αλκαλικό περιβάλλον. (13): Διάνοιξη εποξειδίων σε όξινο περιβάλλον. (14): Μετατροπή αλογονοαλκανίων σε αλκοόλες (μέσω εστέρων). (15): Αλκυλίωση τελικών αλκυνίων. (16): Μονο- και δι-αλκυλίωση διθειανίων (αντιστροφή πολικότητας, umpolung). Σχήμα 2.20 Αντιδράσεις πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης. 61

62 Βιβλιογραφία/Αναφορές [1] Ν. Ε. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία: Δομή-Φάσματα-Μηχανισμοί, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Ζήτη, 1985, Τεύχος Α. [2] A. Βάρβογλης, Χημεία Οργανικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Παρατηρητής, [3] R. B. Grossman, The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Springer, [4] W.C. Groutas, Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Wiley, [5] M. G. Moloney, Reaction Mechanisms at a Glance, Oxford, UK: Blackwell Science, [6] Μ. Στρατάκης, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Α. [7] Δ. Παπαϊωάννου, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Β. [8] Μ. Β. Smith, J. March, Advanced Organic Chemistry, 5 th Ed., John Wiley & Sons, Inc., [9] J. McMurry, Οργανική Χημεία, (Μετάφραση Α. Βάρβογλης, Μ. Ορφανόπουλος, Ι. Σμόνου, Μ. Στρατάκης), Ηράκλειο, Ελλάς: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, [10] P. Vollhardt, N. Schore, Οργανική Χημεία: Δομή και Λειτουργικότητα (Μετάφραση: Ε. Μαλαμίδου, Ν. Ρόδιος, Σ. Σπυρούδης), Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Αφοί Κυριακίδη, 2012, Τόμος Α. [11] Θ. Μαυρομούστακος, Θ. Τσέλιος, Κ. Παπακωνσταντίνου, Θεμελιώδεις Αρχές Οργανικής Χημείας, Αθήνα, Ελλάς, Εκδόσεις Συμμετρία, Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης 1 Κριτήριο αξιολόγησης 2 Κριτήριο αξιολόγησης 3 Κριτήριο αξιολόγησης 4 Κριτήριο αξιολόγησης 5 Κριτήριο αξιολόγησης 6 62

63 Κεφάλαιο 3: Αντιδράσεις απόσπασης Σύνοψη Το κεφάλαιο αυτό ασχολείται με τις αντιδράσεις απόσπασης. Δίνεται βαρύτητα στις β-αποσπάσεις και ειδικότερα στους μηχανισμούς Ε1 και Ε2 και τις παραμέτρους που σχετίζονται με αυτούς. Περιγράφονται επίσης ορισμένες ιδιαίτερες κατηγορίες β-αποσπάσεων, όπως οι μηχανισμοί Ε1cb και Εi. Ακόμη αναφέρονται οι α- και δ- αποσπάσεις. Στο τέλος γίνεται μια συστηματική μελέτη του ανταγωνισμού μεταξύ των μηχανισμών πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης και απόσπασης και δίνεται ένας συνοπτικός οδηγός για τις αντιδράσεις υποκατάστασης και απόσπασης στα αλογονοαλκάνια. Η συγγραφή του κεφαλαίου βασίστηκε εν μέρει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-11]. Προαπαιτούμενη γνώση Για την ευκολότερη και καλύτερη κατανόηση αυτού του κεφαλαίου ο αναγνώστης θα πρέπει να είναι σε θέση να σχεδιάζει σωστές δομές Lewis, να έχει εξοικειωθεί με τη χρήση κυρτών βελών, να κατέχει τους βασικούς κανόνες ονοματολογίας και στερεοχημείας, να αναγνωρίζει τις διάφορες τάξεις οργανικών ενώσεων και να γνωρίζει πολύ καλά τους μηχανισμούς πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (Κεφάλαιο 2) και τις έννοιες: ηλεκτρονιόφιλο, πυρηνόφιλο, καρβοκατιόντα, καρβανιόντα, θερμοδυναμική θεώρηση μιας οργανικής αντίδρασης (και ό,τι σχετίζεται με αυτήν) και ισοτοπικό φαινόμενο. Για τα αντικείμενα αυτά ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέχει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-11] και στα προηγούμενα κεφάλαια του παρόντος συγγράμματος. 3. Αντιδράσεις απόσπασης 3.1 Γενική περιγραφή μιας αντίδρασης απόσπασης Σε μιαν αντίδραση απόσπασης (elimination reaction) υφίσταται απομάκρυνση μιας αποχωρούσας ομάδας (Χ) μαζί με μία ηλεκτροθετική ομάδα, η οποία τις περισσότερες φορές είναι ένα Η (Σχήμα 3.1), και σχηματίζεται ένας νέος π δεσμός. 63

64 Σχήμα 3.1 Παραδείγματα αντιδράσεων απόσπασης. Οι αντιδράσεις απόσπασης διακρίνονται ανάλογα με τη σχετική θέση των δύο ομάδων που απομακρύνονται (β-, δ- ή α-απόσπαση) και του μηχανισμού με τον οποίο γίνεται η απόσπαση. 3.2 β-αποσπάσεις Σε μια β-απόσπαση η αποχωρούσα ομάδα και η ηλεκτροθετική ομάδα βρίσκονται σε γειτονικά άτομα C και ένας νέος π δεσμός δημιουργείται μεταξύ των ατόμων αυτών, δηλαδή προκύπτει ένα αλκένιο, Σχήμα 3.2. Σχήμα 3.2 Γενική περιγραφή μιας αντίδρασης β-απόσπασης. Οι μηχανισμοί με τους οποίους χωρούν οι β-αποσπάσεις είναι ο Ε2, ο Ε1 και ο Ε1cb Ο μηχανισμός Ε2 Ο μηχανισμός Ε2 χωρεί σε ηλεκτρονιόφιλα που φέρουν μιαν αποχωρούσα ομάδα (Χ) συνδεδεμένη σε έναν sp 3 C ή σε έναν sp 2 C, υπό βασικές συνθήκες. Πρόκειται για έναν σύγχρονο μηχανισμό: Mια βάση (Β) αποσπά το άτομο Η που είναι συνδεδεμένο με τον ηλεκτρονιόφιλο C και ταυτόχρονα το ζεύγος ηλεκτρονίων του δεσμού H-C μετακινείται για να σχηματιστεί ένας π δεσμός με τον C που φέρει την αποχωρούσα ομάδα, ενώ η τελευταία απομακρύνεται, Σχήμα

65 Σχήμα 3.3 Γενική περιγραφή του μηχανισμού Ε2. Ο σύγχρονος χαρακτήρας του Ε2 μηχανισμού αποδεικνύεται και από την μέτρηση του ισοτοπικού φαινομένου δευτερίου (ΙΦ = k D /k H >> 1), δηλαδή στο καθοριστικό στάδιο της αντίδρασης γίνεται η διάσπαση του δεσμού C-H ή C-D. Η ύπαρξη ενός και μοναδικού σταδίου κατά τη διάρκεια της αντίδρασης εξηγεί και την κινητική θεώρηση του μηχανισμού Ε2: πρόκειται για μια διαδικασία δευτέρας τάξεως (διμοριακός μηχανισμός), η ταχύτητα της οποίας είναι ανάλογη της συγκέντρωσης τόσο του υποστρώματος όσο και της βάσης: ταχύτητα αντίδρασης = k[υπόστρωμα][β] Επίσης, η ύπαρξη ενός και μοναδικού σταδίου κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης με μηχανισμό Ε2 εξηγεί τις συγκεκριμένες στερεοηλεκτρονικές απαιτήσεις για να λάβει χώρα η αντίδραση σε κεκορεσμένα συστήματα: οι αποσπώμενες ομάδες ή άτομα (Η και Χ) θα πρέπει να είναι ομοεπίπεδες και μάλιστα να καταλαμβάνουν αντίθετες πλευρές του υποστρώματος (διαβαθμισμένη αντι-διευθέτηση) ώστε να υπάρχει η μέγιστη αλληλεπικάλυψη των sp 3 τροχιακών που πρόκειται να δώσουν τον π δεσμό του αλκενίου. Το γεγονός αυτό μπορεί να προσδιορίσει όχι μόνο πόσο εύκολα (γρήγορα) γίνεται μια αντίδραση απόσπασης, αλλά και τη στερεοχημεία του προκύπτοντος αλκενίου, αφού η σχετική θέση των υποκαταστατών μεταφέρεται στη στερεοχημεία του αλκενίου (στερεοειδική αντίδραση), (1) και (2), Σχήμα 3.4. Η απόσπαση ομάδων που έχουν συν-διευθέτηση είναι γενικά πιο δύσκολη και απαιτούνται δραστικότερες συνθήκες (δείτε και την παράγραφο 3.2.4). Σχήμα 3.4 Στερεοηλεκτρονικές απαιτήσεις και στερεοειδικότητα του μηχανισμού Ε2. Για τον μηχανισμό E2 δείτε το Video 3.1. Video 3.1 Ο μηχανισμός E2. Βέβαια, στα μεθυλενικά συστήματα (-CH 2 -) με ελεύθερη περιστροφή η απόσπαση δύο διαφορετικών Η από τον ίδιο C οδηγεί σε μίγμα των δύο γεωμετρικών ισομερών. Συνήθως σχηματίζεται το trans-προϊόν σε μεγαλύτερη αναλογία (θερμοδυναμικά σταθερότερο), Σχήμα

66 Σχήμα 3.5 Σχηματισμός γεωμετρικών ισομερών μέσω του μηχανισμού Ε2. Ενώ στα άκυκλα συστήματα υφίσταται μια σχετική ευελιξία στην εξεύρεση της αντι-διευθέτησης των Η και Χ, στα κυκλικά συστήματα οι ευνοϊκές διευθετήσεις είναι περιορισμένες. Έτσι, στα κυκλοεξανικά συστήματα τα Η και Χ θα πρέπει να καταλαμβάνουν trans-διαξονικές θέσεις. Όσο πιο εύκολα εκπληρώνεται αυτή η προϋπόθεση τόσο πιο γρήγορη θα είναι η αντίδραση με τον μηχανισμό Ε2, ενώ αν δεν είναι δυνατή αυτή η διευθέτηση το σύστημα θα είναι ανενεργό σε αντίδραση απόσπασης Ε2, Σχήμα 3.6. Σχήμα 3.6 Αντιδράσεις απόσπασης Ε2 σε κυκλοεξανικά συστήματα. Στις περιπτώσεις υποστρωμάτων με δύο διαφορετικούς β-c (ως προς την αποχωρούσα ομάδα), οι οποίοι φέρουν Η, είναι δυνατό να σχηματισθούν δύο διαφορετικά προϊόντα (τοποϊσομερή). Η έκβαση της αντίδρασης απόσπασης Ε2 εξαρτάται από το είδος της χρησιμοποιούμενης βάσης. Έτσι, μη παρεμποδισμένες βάσεις δίνουν εκλεκτικά το περισσότερο υποκατεστημένο αλκένιο Α (θερμοδυναμικό προϊόν, κανόνας του Zaitsev, Zaitsev s rule), ενώ παρεμποδισμένες βάσεις δίνουν εκλεκτικά το λιγότερο υποκατεστημένο αλκένιο Β (κινητικό προϊόν, κανόνας του Hofmann, Hofmann s rule), Σχήμα 3.7. Σχήμα 3.7 Τοποεκλεκτικότητα του μηχανισμού Ε2. Ο κανόνας του Hofmann εξηγεί γιατί σχηματίζεται σε μεγαλύτερο ποσοστό το λιγότερο υποκατεστημένο αλκένιο και στην περίπτωση της επίδρασης Ag 2 O σε ένα τεταρτοταγές αμμωνιακό άλας (απόσπαση Hofmann, Hofmann elimination), Σχήμα 3.8. Εδώ το υπόστρωμα είναι τόσο παρεμποδισμένο, ώστε ευνοείται η απόσπαση του περισσότερο προσβάσιμου Η. Σχήμα 3.8 Απόσπαση Hofmann. Η διπλή απόσπαση Ε2 των Η και Χ (διπλή αφυδραλογόνωση) από ένα sp 3 και στη συνέχεια ένα sp 2 σύστημα (βινυλοαλογονίδιο) είναι χαρακτηριστική στην περίπτωση της παρασκευής αλκυνίων από 1,2- ή 1,1- διαλογονο-παράγωγα, (1) και (2) αντίστοιχα, Σχήμα

67 Σχήμα 3.9 Διπλή απόσπαση Ε2 για την παρασκευή αλκυνίων. Σε ορισμένα sp 2 συστήματα (βινυλοαλογονίδια) η απόσπαση Η μπορεί να γίνει τόσο από τον sp 2 C (για τον σχηματισμό αλκυνίου), όσο και από τη γειτονική αλλυλική sp 3 θέση (για τον σχηματισμό ενός αλλενίου), Σχήμα Σχήμα 3.10 Ανταγωνισμός σχηματισμού αλκυνίου και αλλενίου. Η αντίδραση σχηματισμού των αλκυνίων περιπλέκεται περισσότερο όταν μπορεί να σχηματιστούν δύο διαφορετικά αλκύνια και το ισομερές αλλένιο. Στις περισσότερες από αυτές τις περιπτώσεις, λόγω των συνθηκών της αντίδρασης χωρεί ισομερείωση προς το σταθερότερο τελικό αλκυνυλικό ανιόν, Σχήμα Σχήμα 3.11 Σχηματισμός του τελικού αλκυνίου. Χαρακτηριστικές ιδιαίτερες περιπτώσεις απόσπασης Ε2 είναι: Η β-απόσπαση υδραλογόνου σε αλογονωμένα βενζολικά παράγωγα που γίνεται με την επίδραση πολύ ισχυρών βάσεων οδηγώντας στο ιδιαίτερα ασταθές βενζύνιο (1), η β-απόσπαση υδραλογόνου σε αλογονίδια καρβοξυλικών οξέων, η οποία δίνει κετένες (2) και η απόσπαση σε 1,2-διαλογονωμένα παράγωγα με την επίδραση Zn, (3), Σχήμα

68 Σχήμα 3.12 Ιδιαίτερες περιπτώσεις απόσπασης Ε Ο μηχανισμός Ε1 Ο μηχανισμός Ε1 χωρεί σε ηλεκτρονιόφιλα που φέρουν μιαν αποχωρούσα ομάδα (Χ) συνδεδεμένη σε έναν sp 3 C, σε όξινες συνθήκες. Πρόκειται για έναν μηχανισμό που χωρεί σε δύο στάδια: Η αποχωρούσα ομάδα απομακρύνεται (συνήθως μετά από πρωτονίωση) για να δώσει ένα καρβοκατιόν, το οποίο διασπάται με την απομάκρυνση Η + (ή κάποιου άλλου κατιόντος) για τον σχηματισμό ενός π δεσμού, Σχήμα Είναι προφανές πως το πρώτο στάδιο είναι πανομοιότυπο με το πρώτο στάδιο ενός μηχανισμού S N 1 και, κατά αναλογία, σημαντικό ρόλο και σε αυτόν τον μηχανισμό παίζει η σταθερότητα του ενδιάμεσου καρβοκατιόντος. Σχήμα 3.13 Γενικό σχήμα του μηχανισμού Ε1. Η ύπαρξη δύο σταδίων κατά τη διάρκεια της αντίδρασης με μηχανισμό Ε1, από τα οποία αυτό της απόσπασης της αποχωρούσας ομάδας είναι το βραδύτερο, εξηγεί και την κινητική θεώρηση του μηχανισμού Ε1: πρόκειται για μια διαδικασία πρώτης τάξεως (μονομοριακός μηχανισμός) η ταχύτητα της οποίας είναι ανάλογη της συγκέντρωσης μόνο του υποστρώματος: ταχύτητα αντίδρασης = k[υπόστρωμα] Επιπλέον, παρατηρείται μόνο ένα δευτερογενές ισοτοπικό φαινόμενου δευτερίου (ΙΦ ~ 1-1,5), αφού το στάδιο διάσπασης του δεσμού C-H (ή C-D) δεν είναι το καθοριστικό για την ταχύτητα. Λόγω του σχηματισμού ενδιάμεσου καρβοκατιόντος ο μηχανισμός ευνοείται με υποστρώματα που φέρουν την αποχωρούσα ομάδα σε περισσότερο υποκατεστημένους C (3 ταγής > 2 ταγής >> 1 ταγής ), ενώ γενικά παρατηρείται ανταγωνισμός με τον αντίστοιχο μονομοριακό μηχανισμό υποκατάστασης (S N 1). Κατά την απόσπαση με μηχανισμό Ε1 δεν υφίστανται οι στερεοχημικοί περιορισμοί που αναφέρθηκαν για τον μηχανισμό Ε2. Έτσι, συνήθως σχηματίζεται σε μεγαλύτερο ποσοστό το περισσότερο υποκατεστημένο αλκένιο, ισχύει δηλαδή ο κανόνας του Zaitsev. Λόγω του σχηματισμού ενός ενδιάμεσου καρβοκατιόντος είναι πιθανό να μεσολαβήσει μια 1,2- αναδιάταξη υδριδίου ή αλκυλίου πριν την απόσπαση του Η +, (1) & (2) αντίστοιχα, Σχήμα

69 Σχήμα 3.14 Παραδείγματα αναδιάταξης του ενδιάμεσου καρβοκατιώντος σε έναν μηχανισμό Ε1. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η αφυδάτωση της 3,3-διμεθυλο-βουτανόλης-2, η οποία δίνει με 1,2-αναδιάταξη μεθυλίου του ενδιάμεσου καρβοκατιόντος το τετραμεθυλοαιθυλένιο (ρετροπινακολική αναδιάταξη, retropinacolic rearrangement), Σχήμα Σχήμα 3.15 Ρετροπινακολική αναδιάταξη Σύγκριση των μηχανισμών Ε2 και Ε1 Στον Πίνακα 3.1 γίνεται μια συνοπτική σύγκριση των μηχανισμών Ε2 και Ε1. 69

70 Πίνακας 3.1 Σύγκριση των μηχανισμών Ε2 και Ε Ο μηχανισμός Ε1cb Ο μηχανισμός Ε1cb χωρεί σε βασικό περιβάλλον με ηλεκτρονιόφιλα που φέρουν ένα πολύ όξινο Η και μιαν όχι και τόσο καλή αποχωρούσα ομάσα (Χ). Πρόκειται για έναν μηχανισμό που χωρεί σε δύο στάδια: Mια βάση (Β) αποσπά το όξινο Η και δίνει ένα σταθεροποιημένο καρβανιόν, το οποίο στο δεύτερο στάδιο σχηματίζει τον διπλό δεσμό με την απομάκρυνση της αποχωρούσας ομάδας (Σχήμα 3.16). Σχήμα 3.16 Μηχανισμός E1cb. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αντιδράσεων που χωρούν με μηχανισμό Ε1cb είναι η αφυδάτωση των αλδολών και η μετατροπή μιας ημιακετάλης στην αντίστοιχη καρβονυλική ένωση σε βασικό περιβάλλον, (1) και (2) αντίστοιχα, Σχήμα Σχήμα 3.17 Παραδείγματα μηχανισμού E1cb Ο μηχανισμός Εi 70

71 Ο μηχανισμός Εi χωρεί σε ένα κυκλικό στάδιο κατά το οποίο υφίσταται εσωτερική αντίδραση απόσπασης, δηλαδή η βάση είναι μέρος του υποστρώματος. Πρόκειται για μια συν-απόσπαση που δίνει (εφόσον τίθεται θέμα γεωμετρίας του διπλού δεσμού) το cis-ισομερές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιας αντίδρασης είναι η απόσπαση Cope (Cope elimination), Σχήμα 3.18 (δείτε και την παράγραφο 9.5.4). Σχήμα 3.18 Απόσπαση Cope: ένα παράδειγμα μηχανισμού Εi. 3.3 δ-αποσπάσεις Σε μια δ-απόσπαση η αποχωρούσα ομάδα και η ηλεκτροθετική ομάδα απέχουν 4 C και μεσολαβεί ένας π δεσμός. Χαρακτηριστικές περιπτώσεις είναι αυτές της απόσπασης υδραλογόνου για τον σχηματισμό 1,3- διενίων (1) και αρωματικών 1,4-σιλυλο-βρωμο-παραγώγων που δίνουν με την επίδραση F τα ασταθή ο- κινοδιμεθάνια (ο-quinodomethanes), (2), Σχήμα Ο μηχανισμός αυτός πολλές φορές περιγράφεται ως Ε2. Σχήμα 3.19 Μηχανισμός δ-απόσπασης. 3.4 α-αποσπάσεις Οι αντιδράσεις α-απόσπασης χωρούν στο ίδιο άτομο, δηλαδή απομακρύνονται δύο ομάδες ή άτομα (το ένα ως κατιόν και το άλλο ως ανιόν) από το ίδιο άτομο. Αυτό έχει ως συνέπεια το άτομο που χάνει το κατιόν και το ανιόν να απομένει με ένα μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων. Όταν το άτομο αυτό είναι C τότε η προκύπτουσα οντότητα είναι ένα καρβένιο (carbene), δηλαδή φέρει ένα ουδέτερο δισθενές άτομο C με μονήρες ζεύγος και ένα κενό τροχιακό. Η πιο γνωστή περίπτωση παρασκευής καρβενίων αφορά στην επίδραση πολύ ισχυρών βάσεων σε πολυαλογονοαλκάνια όπως τα αλοφόρμια, Σχήμα Σχήμα 3.20 Σχηματισμός καρβενίων με α-απόσπαση. Μεταξύ των χαρακτηριστικών αντιδράσεων που δίνουν τα καρβένια είναι οι αντιδράσεις με διπλούς δεσμούς [κυκλοπροπανίωση (cyclopropanation), δείτε την παράγραφο ]. Παρόμοια δραστικότητα 71

72 έχουν και ενώσεις που καλούνται καρβενοειδή (carbenoids), όπως το αντιδραστήριο Simmons-Smith (ICH 2 ZnI), τα οποία όμως στην πραγματικότητα δεν είναι καρβένια, Σχήμα Σχήμα 3.21 Σχηματισμός του αντιδραστηρίου Simmons-Smith. Η α-απόσπαση μπορεί να γίνει και σε άλλα άτομα, εκτός του C, όπως π.χ. το Ν. Έτσι, η α-απόσπαση σε Ν-αρυλοσουλφονυλοϋδραζόνες δίνει διαζωαλκάνια (αντίδραση Shapiro, Shapiro reaction) τα οποία διασπώνται προς αλκενυλο-ανιόντα, Σχήμα Σχήμα 3.22 α-aπόσπαση σε Ν-αρυλοσουλφονυλοϋδραζόνες. 3.5 Μελέτη του ανταγωνισμού υποκατάστασης και β-απόσπασης Ανταγωνισμός μεταξύ S N 2 και Ε2 Δύο είναι οι κύριοι παράγοντες που προσδιορίζουν το αποτέλεσμα της επίδρασης ενός αντιδραστηρίου με μονήρες ζεύγος σε ένα ηλεκτρονιόφιλο υπόστρωμα του τύπου C-X (όπου ο C με sp 3 υβριδισμό): α) Ο χαρακτήρας πυρηνόφιλου/βάσης του αντιδραστηρίου και β) η δομή του ηλεκτρονιόφιλου. Οι δύο αυτοί παράγοντες δρουν συνδυαστικά και κανένας δεν καθορίζει το αποτέλεσμα από μόνος του. Σε ό,τι αφορά τα αντιδραστήρια με το μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων διακρίνονται οι εξής περιπτώσεις: Αντιδραστήρια που είναι καλά πυρηνόφιλα αλλά ασθενείς βάσεις και προτιμούν να δώσουν αντιδράσεις S N 2. Εδώ συγκαταλέγονται ανιόντα ή ουδέτερες ενώσεις «μεγάλων» ατόμων, όπως Ι, Βr, RS, R 2 S και R 3 P, τα ανιόντα CN, Ν 3 και RCO 2, η ΝΗ 3, οι οργανοχαλκικές ενώσεις και τα σταθεροποιημένα ενολικά ανιόντα. Αντιδραστήρια που είναι καλά πυρηνόφιλα και ισχυρές βάσεις και τα οποία μπορούν να δώσουν τόσο αντιδράσεις με μηχανισμό S N 2 όσο και αντιδράσεις με μηχανισμό Ε2. Εδώ συγκαταλέγονται τα μη παρεμποδισμένα και σχετικά σταθεροποιημένα ανιόντα ή ουδέτερες ενώσεις«μικρών» ατόμων, όπως Cl, μη παρεμποδισμένα RO, R 2 N και R 3 N καθώς επίσης και οι εναμίνες, τα ενολικά ανιόντα και τα αλκυνυλικά ανιόντα. Αντιδραστήρια που είναι φτωχά πυρηνόφιλα και ισχυρές βάσεις και τα οποία προτιμούν να δώσουν αντιδράσεις με μηχανισμό Ε2. Εδώ συγκαταλέγονται τα παρεμποδισμένα και μη σταθεροποιημένα ανιόντα ή ουδέτερες ενώσεις «μικρών» ατόμων, όπως F, οι οργανομαγνησιακές και οργανολιθιακές ενώσεις και οι μη πυρηνόφιλες βάσεις που περιγράφηκαν στην παράγραφο Σε ό,τι αφορά το υπόστρωμα διακρίνονται οι εξής περιπτώσεις (στον όρο αλογονίδια συμπεριλαμβάνονται και τα ψευδοαλογονίδια): 72

73 Τα μεθυλοαλογονίδια (ΜeX) και τα βενζυλοαλογονίδια (BnX) δίνουν μόνο αντιδράσεις με μηχανισμό S N 2, αφού δεν διαθέτουν β-η. Τα πρωτοταγή αλογονίδια δίνουν αντιδράσεις με μηχανισμό S N 2, εκτός από τις περιπτώσεις που είναι στερεοχημικά παρεμποδισμένα ή το πυρηνόφιλο είναι πολύ ασθενές. Τα δευτεροταγή αλογονίδια δίνουν τόσο αντιδράσεις με μηχανισμό S N 2, όσο και αντιδράσεις με μηχανισμό Ε2 και η έκβαση της αντίδρασης καθορίζεται κυρίως από τον χαρακτήρα του πυρηνόφιλου/βάσης. Αν το τελευταίο είναι καλό πυρηνόφιλο, αλλά και καλή βάση, τότε άλλοι παράγοντες μπορεί να παίζουν επίσης ρόλο. Έτσι, π.χ. οι πολικοί απρωτικοί διαλύτες ευνοούν μιαν αντίδραση με μηχανισμό S N 2. Τα τριτοταγή αλογονίδια δεν δίνουν αντιδράσεις με μηχανισμό S N 2, αλλά αντιδράσεις με μηχανισμό Ε2. Εάν η βάση είναι πολύ ασθενής δεν γίνεται αντίδραση ούτε μέσω του μηχανισμού Ε2. Δύο άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν τον ανταγωνισμό μεταξύ της S N 2 υποκατάστασης και της Ε2 απόσπασης είναι η πολικότητα του διαλύτη και η θερμοκρασία. Γενικά μπορεί να υποστηριχθεί ότι η αύξηση της πολικότητας του διαλύτη μειώνει τον λόγο Ε2/S N 2, αφού στη μεταβατική κατάσταση της απόσπασης τα ομοειδή κλασματικά φορτία (δ ) είναι περισσότερο απομακρυσμένα. Επίσης, οι πρωτικοί πολικοί διαλύτες ευνοούν την απόσπαση, ενώ οι απρωτικοί πολικοί διαλύτες την υποκατάσταση. Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει τον λόγο Ε2/S N 2. Υπάρχουν δύο αιτίες που οδηγούν σε αυτήν τη διαφοροποίηση: Αφενός, επειδή η ενέργεια ενεργοποιήσεως είναι μεγαλύτερη για την απόσπαση, η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μεγαλύτερο ποσοστό σε απόσπαση. Επιπλέον σε μιαν αντίδραση απόσπασης έχουμε μεταβολή της εντροπίας και άρα μείωση της ΔG με την αύξηση της θερμοκρασίας Ανταγωνισμός μεταξύ S N 1 και Ε1 Στις περισσότερες περιπτώσεις η απόσπαση Ε1 είναι σπάνια η κύρια οδός αντίδρασης και συνήθως απλά συνοδεύει σε μικρό ποσοστό την υποκατάσταση S N 1. Και οι δύο αυτοί μηχανισμοί περιλαμβάνουν τη δημιουργία ενός καρβοκατιόντος. Αυτό μπορεί να υποστεί στη συνέχεια είτε υποκατάσταση (S N 1) είτε απόσπαση (Ε1). Η προσβολή από το πυρηνόφιλο ευνοείται όταν ο διαλύτης είναι υδροξυλικός (π.χ. νερό, αλκοόλες), ενώ η απόσπαση είναι περισσότερο πιθανή σε απρωτικούς διαλύτες. Επίσης, αν το πυρηνόφιλο/βάση προσβάλλει ενδομοριακά το υπόστρωμα προτιμάται η υποκατάσταση. Όπως και για το ζεύγος Ε2/S N 2, η αύξηση της θερμοκρασίας ευνοεί την απόσπαση (Ε1) σε βάρος της υποκατάστασης (S N 1). Στις αντιδράσεις που γίνονται παρουσία ενός οξέος (υποστρώματα αλκοόλες) η έκβαση της αντίδρασης καθορίζεται από το αν η συζυγής βάση του οξέος είναι ισχυρή ή όχι. Έτσι τα υδραλογόνα οδηγούν κυρίως σε υποκαταστάσεις, ενώ οξέα όπως το H 2 SO 4 και το H 3 PO 4 δίνουν αποσπάσεις, Σχήμα Σχήμα 3.23 Η προτίμηση για S N 1 ή Ε1 μηχανισμό κατά την αντίδραση μιας αλκοόλης με οξύ Σύνοψη των αντιδράσεων υποκατάστασης και β-απόσπασης σε ένα αλογονοαλκάνιο Για την πρόβλεψη της έκβασης της επίδρασης ενός πυρηνόφιλου-βάσης σε ένα αλογοναλκάνιο (ή ψευδοαλογονοαλκάνιο) ακολουθούνται κατά σειρά τα παρακάτω βήματα: 73

74 Βήμα 1: Το υπόστρωμα. α) Μεθυλο- και βενζυλο-υποστρώματα αντιδρούν μόνο μέσω του S N 2 μηχανισμού. β) Τα πρωτοταγή υποστρώματα δίνουν αντιδράσεις μέσω του S N 2 μηχανισμού, εκτός από τις περιπτώσεις που χρησιμοποιείται μια ισχυρή και παρεμποδισμένη βάση, οπότε χωρεί ο μηχανισμός Ε2. γ) Τα τριτοταγή υποστρώματα δεν δίνουν αντιδράσεις με τον μηχανισμό S N 2. Οι ισχυρές βάσεις (παρεμποδισμένες ή μη) δίνουν αποσπάσεις τύπου Ε2, ενώ οι ασθενείς βάσεις οδηγούν σε αντιδράσεις ταυτόχρονα μέσω των μηχανισμών S N 1 και Ε1. Βήμα 2: Το πυρηνόφιλο/βάση. α) Τα φορτισμένα πυρηνόφιλα/βάσεις ευνοούν τους μηχανισμούς S N 2 και Ε2. β) Τα φορτισμένα πυρηνόφιλα που είναι και ασθενείς βάσεις ευνοούν περισσότερο τον S N 2 παρά τον Ε2. γ) Τα μη φορτισμένα πυρηνόφιλα/βάσεις δίνουν αντιδράσεις μέσω των μηχανισμών S N 1 και Ε1. Βήμα 3: Ο διαλύτης. α) Οι πολικοί απρωτικοί διαλύτες ευνοούν τον S N 2 παρά τον Ε2 μηχανισμό, ενώ οι πολικοί πρωτικοί διαλύτες ευνοούν τον Ε2 παρά τον S N 2 μηχανισμό (για ένα δευτεροταγές υπόστρωμα και ένα φορτισμένο πυρηνόφιλο/βάση). β) Οι υδροξυλικοί διαλύτες ευνοούν τον S N 1 παρά τον Ε1 μηχανισμό, ενώ οι απρωτικοί διαλύτες ευνοούν τον Ε1 παρά τον S N 1 μηχανισμό (για ένα τριτοταγές υπόστρωμα και ένα μη φορτισμένο πυρηνόφιλο/βάση). Βήμα 4: Η θερμοκρασία: α) Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει τον λόγο Ε2/S N 2. β) Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει τον λόγο Ε1/S N 1. Στον Πίνακα 3.2 δίνονται συνοπτικά οι αντιδράσεις υποκατάστασης και β-απόσπασης ανάλογα με το υπόστρωμα (αλογονοαλκάνιο ή ψευδοαλογοναλκάνιο) και το πυρηνόφιλο (Νu)/βάση (B). Πίνακας 3.2 Σύνοψη αντιδράσεων υποκατάστασης και β-απόσπασης. 3.6 Διάφορες αντιδράσεις απόσπασης Στο Σχήμα 2.24 δίνεται μια σειρά από χαρακτηριστικές αντιδράσεις απόσπασης: (1): Αφυδραλογόνωση αλογονοαλκανίων (παρασκευή αλκενίων). (2): Αφυδάτωση αλκοολών (παρασκευή αλκενίων). (3): Διπλή αφυδραλογόνωση 1,2-διαλογονοπαραγώγων (παρασκευή αλκυνίων). (4): Απόσπαση Hofmann (παρασκευή αλκενίων από τεταρτοταγή αμμωνιακά άλατα). (5): Αφυδάτωση αλδολών (παρασκευή α,β-ακόρεστων-αλδεϋδών ή κετονών). (6): Απόσπαση Cope (παρασκευή αλκενίων από τεταρτοταγή Ν-οξείδια αμινών). (7): δ-απόσπαση (παρασκευή ο-κινοδομεθανίων). (8): α-απόσπαση (παρασκευή καρβενίων). 74

75 Σχήμα 2.24 Αντιδράσεις απόσπασης. Βιβλιογραφία/Αναφορές [1] Ν. Ε. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία: Δομή-Φάσματα-Μηχανισμοί, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Ζήτη, 1985, Τεύχος Α. [2] A. Βάρβογλης, Χημεία Οργανικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Παρατηρητής, [3] R. B. Grossman, The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Springer, [4] W.C. Groutas, Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Wiley, [5] M. G. Moloney, Reaction Mechanisms at a Glance, Oxford, UK: Blackwell Science, [6] Μ. Στρατάκης, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Α. [7] Δ. Παπαϊωάννου, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Β. [8] Μ. Β. Smith, J. March, Advanced Organic Chemistry, 5 th Ed., John Wiley & Sons, Inc., [9] J. McMurry, Οργανική Χημεία, (Μετάφραση Α. Βάρβογλης, Μ. Ορφανόπουλος, Ι. Σμόνου, Μ. Στρατάκης), Ηράκλειο, Ελλάς: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης,

76 [10] P. Vollhardt, N. Schore, Οργανική Χημεία: Δομή και Λειτουργικότητα (Μετάφραση: Ε. Μαλαμίδου, Ν. Ρόδιος, Σ. Σπυρούδης), Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Αφοί Κυριακίδη, 2012, Τόμος Α. [11] Θ. Μαυρομούστακος, Θ. Τσέλιος, Κ. Παπακωνσταντίνου, Θεμελιώδεις Αρχές Οργανικής Χημείας, Αθήνα, Ελλάς, Εκδόσεις Συμμετρία, Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης 1 Κριτήριο αξιολόγησης 2 Κριτήριο αξιολόγησης 3 Κριτήριο αξιολόγησης 4 Κριτήριο αξιολόγησης 5 Κριτήριο αξιολόγησης 6 Κριτήριο αξιολόγησης 7 Κριτήριο αξιολόγησης 8 76

77 Κεφάλαιο 4: Ηλεκτρονιόφιλη αλειφατική υποκατάσταση Σύνοψη Το κεφάλαιο αυτό ασχολείται με τη μελέτη των αντιδράσεων ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης [μηχανισμοί S E 1, S E 2 (εμπρόσθιος και οπίσθιος) και S E i] και τις παραμέτρους που επηρεάζουν την πορεία και έκβασή τους (επίδραση των υποκαταστατών στο υπόστρωμα, της ικανότητας απομάκρυνσης της αποχωρούσας ομάδας και του διαλύτη). Δίνονται κάποιες από τις σημαντικότερες αντιδράσεις που χωρούν με αυτού του είδους τις υποκαταστάσεις. Η συγγραφή του κεφαλαίου βασίστηκε εν μέρει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-7]. Προαπαιτούμενη γνώση Για την ευκολότερη και καλύτερη κατανόηση αυτού του κεφαλαίου ο αναγνώστης θα πρέπει να είναι σε θέση να σχεδιάζει σωστές δομές Lewis, να έχει εξοικειωθεί με τη χρήση κυρτών βελών, να κατέχει τους βασικούς κανόνες ονοματολογίας και στερεοχημείας, να αναγνωρίζει τις διάφορες τάξεις οργανικών ενώσεων και να γνωρίζει καλά τους μηχανισμούς πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (Κεφάλαιο 2) και τις έννοιες: ηλεκτρονιόφιλο, πυρηνόφιλο, καρβοκατιόντα, καρβανιόντα, θερμοδυναμική θεώρηση μιας οργανικής αντίδρασης (και ό,τι σχετίζεται με αυτήν) και ισοτοπικό φαινόμενο. Για τα αντικείμενα αυτά ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέχει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλίων των βιβλιογραφικών αναφορών [1-7] και στα προηγούμενα κεφάλαια του παρόντος συγγράμματος. 4. Ηλεκτρονιόφιλη αλειφατική υποκατάσταση 4.1 Γενική περιγραφή μιας αντίδρασης ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης Στην ηλεκτρονιόφιλη αλειφατική υποκατάσταση (electrophilic aliphatic substitution, S E ) μια ηλεκτρονιόφιλη οντότητα (Ε + ) αντικαθιστά μιαν ομάδα Υ (συνήθως Η) σε ένα υπόστρωμα, Σχήμα 4.1. Είναι προφανές πως η όλη θεώρηση προσομοιάζει με αυτήν της πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (Κεφάλαιο 2) με τη σημαντική διαφορά ότι, αντί για ένα πυρηνόφιλο, ένα ηλεκτρονιόφιλο λαμβάνει μέρος στην αντίδραση. Σχήμα 4.1 Το γενικό σχήμα μιας ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης. Οι αντιδράσεις S E είναι σπανιότερες και γενικά λιγότερο μελετημένες από τις αντίστοιχες πυρηνόφιλες αλειφατικές υποκαταστάσεις (Κεφάλαιο 2). Μπορούν να χωρούν μέσω τεσσάρων μηχανισμών: τον μονομοριακό, S E 1, και τους διμοριακούς, S E 2 (εμπρόσθιος) [S E 2 (front)], S E 2 (οπίσθιος) [S E 2 (back)] και S E i. Σημειώνεται ότι αρκετές από τις αντιδράσεις ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (π.χ. δείτε την παράγραφο και την παράγραφο 4.5.8) εμπίπτουν και στη χημεία των ενολών και των ενολικών ανιόντων (Κεφάλαιο 6). 4.2 Οι μηχανισμοί S E 2 και S E i Όπως και στον μηχανισμό S N 2 (παράγραφος 2.2), οι διμοριακοί μηχανισμοί S Ε 2 (εμπρόσθιος ή οπίσθιος) και S E i λαμβάνουν χώρα σε ένα στάδιο, μέσω ενός μεταβατικού σταδίου στο οποίο έχουμε ταυτόχρονα τη διάσπαση ενός σ δεσμού (C-Υ) και τον σχηματισμό ενός άλλου σ δεσμού (C-E) (σύγχρονη αντίδραση). Η βασική διαφορά με τον μηχανισμό S N 2 εντοπίζεται στη σχετική διευθέτηση στον χώρο της αποχωρούσας 77

78 ομάδας Υ και του ηλεκτρονιόφιλου Ε. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το τελευταίο προσφέρει στο υπόστρωμα ένα κενό τροχιακό. Έτσι, στη μεταβατική κατάσταση του S Ε 2 (εμπρόσθιος) οι δύο υποκαταστάτες (Υ και Ε) βρίσκονται προς την ίδια κατεύθυνση και αυτό έχει ως συνέπεια τη διατήρηση της στερεοχημείας (1), ενώ στη μεταβατική κατάσταση του S Ε 2 (οπίσθιος) οι δύο υποκαταστάτες βρίσκονται προς αντίθετες κατευθύνσεις και αυτό έχει ως συνέπεια την αντιστροφή της στερεοχημείας (2). Τέλος, στον μηχανισμό S E i υφίσταται ενδομοριακή υποβοήθηση από το ηλεκτρονιόφιλο αντιδραστήριο σχηματίζοντας ταυτοχρόνως έναν δεσμό με την αποχωρούσα ομάδα Υ, αποτρέποντας έτσι την οπίσθια προσβολή και οδηγώντας σε διατήρηση της στερεοχημείας (3), Σχήμα 4.2. Σχήμα 4.2 Γενική περιγραφή μιας υποκατάστασης με τους μηχανισμούς S Ε 2 και S E i. Σύμφωνα με τα παραπάνω, για τους διμοριακούς μηχανισμούς S E (και για ασύμμετρο κέντρο) είναι σχετικά δύσκολο να γίνει διάκριση των S Ε 2 (εμπρόσθιος) και S Ε i από το στερεοχημικό αποτέλεσμα. Η μελέτη της αλλαγής της ταχύτητας με την προσθήκη αλάτων μπορεί να βοηθήσει σε αυτό το ζήτημα. Έτσι, η ταχύτητα της αντίδρασης μέσω του μηχανισμού S Ε 2 (εμπρόσθιος) επηρεάζεται σημαντικά από την προσθήκη αλάτων, αφού σε αυτόν η μεταβατική κατάσταση είναι φορτισμένη, ενώ η επίδραση αλάτων είναι συνήθως αμελητέα στην περίπτωση του μηχανισμού S Ε i, αφού σε αυτόν η μεταβατική κατάσταση δεν έχει φορτίο. Στην πράξη η πλειονότητα των αντιδράσεων ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης με διμοριακό μηχανισμό γίνεται με διατήρηση της στερεοχημείας. Στους μηχανισμούς S Ε 2 προϋπάρχοντες υποκαταστάτες που είναι δότες ηλεκτρονίων προκαλούν αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης, αφού σταθεροποιούν την ηλεκτρονικά φτωχή μεταβατική κατάσταση. Όμως, στον S Ε 2 (οπίσθιος) η στερεοχημική παρεμπόδιση παίζει σημαντικό ρόλο και κατά συνέπεια αύξηση του μεγέθους των υποκαταστατών του υποστρώματος έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της ταχύτητας. Στους διμοριακούς μηχανισμούς ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης όσο περισσότερο πολωμένος είναι ο δεσμός C-Y (C δ- -Υ δ+ ) τόσο ευκολότερα γίνεται η αντίδραση, δηλαδή ευνοούνται οι αντιδράσεις με περισσότερο ηλεκτροθετικές ομάδες Υ. Η αύξηση της πολικότητας του διαλύτη είναι γενικά ευνοϊκός παράγοντας για όλους τους διμοριακούς μηχανισμούς, με μικρότερη επίδραση στον S Ε i. 4.3 Ο μηχανισμός S E 1 Όπως και στον μηχανισμό S N 1 (παράγραφος 2.3), ο μηχανισμός S Ε 1 λαμβάνει χώρα σε δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο είναι αυτό στο οποίο αποσπάται η ομάδα Υ (ετερόλυση) με τον σχηματισμό ενός καρβανιόντος. Είναι το πιο αργό και συνολικά το καθοριστικό για την ταχύτητα της μετατροπής. Το καρβανιόν αυτό προσβάλλει ακολούθως την ηλεκτρονιόφιλη ομάδα Ε + για να δώσει το τελικό προϊόν (Σχήμα 4.3). 78

79 Σχήμα 4.3 Γενική περιγραφή μιας υποκατάστασης με τον μηχανισμό S Ε 1. Στον μηχανισμό S Ε 1 προϋπάρχοντες υποκαταστάτες που είναι δότες ηλεκτρονίων προκαλούν μείωση της ταχύτητας της αντίδρασης. Αυτό είναι αναμενόμενο: αφού τα ενδιάμεσα προϊόντα στις αντιδράσεις αυτού του μηχανισμού είναι καρβανιόντα ευνοούνται εκείνες οι μεταβολές στις οποίες αυτά σταθεροποιούνται. Έτσι, η σταθεροποίηση επιτυγχάνεται με υποκαταστάτες δέκτες ηλεκτρονίου μέσω του επαγωγικού ( Ι, π.χ. R 3 N + ) ή/και του συζυγιακού φαινομένου ( Ι και R, π.χ. ΝΟ 2, -CO-) (δείτε την παράγραφο 1.7.2). Το στερεοχημικό αποτέλεσμα μιας αντίδρασης με μηχανισμό S Ε 1, στην περίπτωση που το άτομο C του καρβανιόντος είναι ασύμμετρο, εξαρτάται σημαντικά από τη φύση του χρησιμοποιούμενου διαλύτη, Σχήμα 4.4. Έτσι, σε πολικούς απρωτικούς διαλύτες (π.χ. διμεθυλοσουλφοξείδιο) η επιδιαλύτωση του ενδιάμεσου καρβανιόντος γίνεται συμμετρικά και προκύπτει ρακεμικό μίγμα (1), ενώ μικρής πολικότητας απρωτικοί διαλύτες (π.χ. αρωματικοί υδρογονάνθρακες ή αιθέρες) οδηγούν σε διατήρηση της αρχικής στερεοχημείας, λόγω του σχηματισμού ιοντικού ζεύγους (ionic pair) (2). Σε πρωτικούς διαλύτες (π.χ αλκοόλες) τα μόρια του διαλύτη επιδιαλυτώνουν το υπόστρωμα πριν την απομάκρυνση της ομάδας Υ επιτρέποντας την προσβολή μόνο από την αντίθετη κατεύθυνση και οδηγώντας σε αναστροφή της στερεοχημείας, (3). Αναστροφή της στερεοχημείας μπορεί επίσης να παρατηρηθεί όταν το ενδιάμεσο καρβανιόν είναι ιδιαίτερα ασταθές. Σχήμα 4.4 Το στερεοχημικό αποτέλεσμα υποκατάστασης με τον μηχανισμό S Ε 1. Στον μηχανισμό S Ε 1, όπως και στους διμοριακούς μηχανισμούς ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (παράγραφος 4.2), αύξηση της πόλωσης του δεσμού C-Y επιταχύνει τις αντιδράσεις. Επίσης, λόγω του σχηματιζόμενου ενδιάμεσου καρβανιόντος, η αύξηση της πολικότητας του διαλύτη αυξάνει την ταχύτητα της αντίδρασης. 4.4 Σύγκριση των μηχανισμών S Ε 2, S Ε i και S Ε 1 Στον Πίνακα 4.1 γίνεται μια συνοπτική σύγκριση των μηχανισμών S Ε 2 και S Ε 1. 79

80 Πίνακας 4.1 Σύγκριση των μηχανισμών S Ε 2 και S Ε Διάφορες αντιδράσεις ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης Παρακάτω περιγράφονται αντιπροσωπευτικές αντιδράσεις ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης Υποκατάσταση αλλυλικών συστημάτων Με την ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση σε ένα αλλυλικό σύστημα είναι δυνατόν να σχηματισθούν δύο πιθανά προϊόντα, το αναμενόμενο Α, αλλά και αυτό που προκύπτει με μετακίνηση του διπλού δεσμού, Β (1). Ο μηχανισμός με τον οποίο συμβαίνει αυτό μπορεί να είναι ένας S Ε 1, κατά τον οποίο γίνεται αρχικά απόσπαση της ομάδας Υ + και στη συνέχεια το προκύπτον καρβανιόν μπορεί να αντιδράσει μέσω δύο δομών συντονισμού για να δώσει τα Α και Β, (2). Βέβαια, η σταθεροποίηση της μίας ή της άλλης δομής συντονισμού μπορεί να καθορίσει σε ποιο ποσοστό θα σχηματιστεί το κάθε προϊόν. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τη σταθεροποίηση αυτή είναι: η δυνατότητα επιπλέον συζυγίας με έναν άλλο διπλό δεσμό ή αρωματικό δακτύλιο και η θερμοδυναμική προτίμηση σχηματισμού αλκενίου (κανόνας του Zaitsev). Μπορεί επίσης να λάβει χώρα και ένας εναλλακτικός μηχανισμός. Σύμφωνα με αυτόν αρχικά γίνεται προσβολή του ηλεκτρονιόφιλου (Ε + ) από τον διπλό δεσμό και προκύπτει ένα καρβοκατιόν από το οποίο με απόσπαση της ομάδας Υ + προκύπτει μόνο το προϊόν μετακίνησης του διπλού δεσμού (Β), (3), Σχήμα

81 Σχήμα 4.5 Ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση αλλυλικών συστημάτων. Με παρόμοιο τρόπο αντιδρούν τα προπαργυλικά συστήματα για να δώσουν εσωτερικά αλκύνια μέσω ενός αλλενίου H κετο-ενολική ισορροπία Όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο 1.4.1, η κετο-ενολική ισορροπία (keto-enol equilibrium) αποτελεί χαρακτηριστική περίπτωση ταυτομέρειας. Η διαδικασία αυτή χωρεί μόνο με την παρουσία οξέος ή βάσης (ακόμα και ίχνη αρκούν), αποκλείοντας έτσι μηχανιστικά την απευθείας μετακίνηση του ατόμου Η από τον C στο Ο (ή το ανάποδο). Στην πράξη συμβαίνει μια σταδιακή μετακίνησή του Η, μέσω μηχανισμού ηλεκτρονιόφιλης υποκατάστασης με την κατάλυση από οξύ (1) ή βάση (2), Σχήμα 4.6. Σχήμα 4.6 Μηχανισμός κετο-ενολικής ισορροπίας Ακυλίωση αλκενίων Τα αλκένια ακυλιώνονται με την επίδραση ενός ακυλαλογονιδίου και ενός καταλύτη με χαρακτήρα οξύ κατά Lewis με μιαν αντίδραση που προσομοιάζει ουσιαστικά με μιαν ακυλίωση κατά Friedel-Crafts (Friedel-Crafts acylation, δείτε την παράγραφο ). Το αρχικό στάδιο δίνει ένα ακετυλο-κατιόν, το οποίο οδηγεί στο τελικό προϊόν είτε απευθείας, με απομάκρυνση ενός πρωτονίου, είτε με απομάκρυνση υδραλογόνου, Σχήμα 4.7. Σε ορισμένες περιπτώσεις η αποχωρούσα ομάδα μπορεί να είναι διαφορετική από το Η +. 81

82 Σχήμα 4.7 Μηχανισμός ακυλίωσης αλκενίων Αντιδράσεις οργανομεταλλικών ενώσεων και μετάλλων Μεγάλος αριθμός ηλεκτρονιόφιλων αλειφατικών υποκαταστάσεων γίνεται με οργανομεταλλικές ενώσεις (1)- (3), μέταλλα (4) και ισχυρές βάσεις (5), Σχήμα 4.8. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις ο παράγοντας για να είναι επιτυχής η αντίδραση είναι ο όξινος χαρακτήρας του υποστρώματος, δηλαδή ευνοείται ο σχηματισμός του ασθενέστερου οξέος (δείτε και την παράγραφο 1.5). Σχήμα 4.8 Ηλεκτρονιόφιλες αντιδράσεις οργανομεταλλικών ενώσεων και μετάλλων Νιτρόδωση αμινών Γίνεται με την επίδραση νιτρώδους οξέως (ΗΟΝΟ), με τη δημιουργία του δραστικού ηλεκτρονιόφιλου ΝΟ +, σε πρωτοταγείς και δευτεροταγείς αμίνες (Σχήμα 4.9). Οι νιτροζαμίνες που προκύπτουν είναι σταθερές όταν η αμίνη είναι δευτεροταγής αλλά μετατρέπονται ταχύτατα σε διαζωνιακά άλατα όταν είναι πρωτοταγής [R- N 2 +, αντίδραση διαζώτωσης (diazotization reaction), δείτε και την παράγραφο 8.6.2]. Με τον ίδιο τρόπο οι υδραζίνες μετατρέπονται σε αζίδια. 82

83 Σχήμα 4.9 Νιτρόδωση αμινών Αποκαρβοξυλίωση καρβοξυλικών οξέων και εστέρων Η θερμική αποκαρβοξυλίωση αλάτων των καρβοξυλικών οξέων μπορεί να γίνει είτε με τον μηχανισμό S Ε 2 είτε με τον μηχανισμό S Ε 1, ανάλογα με το είδος των υποκαταστατών στην ομάδα R, (1). Η διαδικασία αποκαρβοξυλίωσης των καρβοξυλικών οξέων είναι γενικά δύσκολη, εκτός εάν στην α- ή στη β-θέση της καρβοξυλομάδας υπάρχουν συγκεκριμένες ομάδες (π.χ. τα μηλονικά οξέα και τα α-κετο-οξέα αποκαρβοξυλιώνονται σχετικά γρήγορα) και η διαδικασία περιλαμβάνει ένα κυκλικό εξαμελές ενδιάμεσο, (2), οπότε πρόκειται για μηχανισμό S Ε i, Σχήμα Σχήμα 4.10 Αποκαρβοξυλίωση καρβοξυλικών οξέων. Η αποκαρβοξυλίωση β-κετο-εστέρων σε όξινο, ουδέτερο ή ασθενώς αλκαλικό περιβάλλον γίνεται με αρχική υδρόλυσή τους προς τα αντίστοιχα καρβοξυλικά οξέα και οδηγεί τελικά σε μεθυλο-κετόνες, Σχήμα Σχήμα 4.11 Αποκαρβοξυλίωση β-κετο-εστέρων α-αλογόνωση κετονών Η α-αλογόνωση κετονών (ή αλδεϋδών) γίνεται με όξινη [(1), μέσω μιας ενόλης] ή βασική κατάλυση [(2), μέσω της ενόλης ή του αντίστοιχου ενολικού ανιόντος], Σχήμα Και στις δύο περιπτώσεις γίνεται προσβολή από τον διπλό δεσμό της ενολικής δομής στο αλογόνο. Στην περίπτωση μη συμμετρικών κετονών προτιμάται η αλογόνωση στον περισσότερο υποκατεστημένο α-c (δηλαδή CH > CH 2 > CH 3 ), αν και μερικές φορές σχηματίζονται μίγματα προϊόντων. Ειδικότερα με βασικές συνθήκες παρατηρείται πολυαλογόνωση της μίας πλευράς, λόγω του χαρακτήρα δέκτη ηλεκτρονίων του αλογόνου, ο οποίος καθιστά τα εναπομείνοντα Η του μονοαλογονωμένου παραγώγου περισσότερο όξινα κ.ο.κ. 83

84 Σχήμα 4.12 α-αλογόνωση κετονών. Σύμφωνα με τον προηγούμενο μηχανισμό αλογόνωσης, υπό βασικές συνθήκες, οι μεθυλο-κετόνες αντιδρούν με μοριακά αλογόνα για να δώσουν μετά από τρεις διαδοχικές αλογονώσεις την ενδιάμεση κετόνη Α, η οποία δίνει με την επίδραση της βάσης ένα καρβοξυλικό οξύ και αλοφόρμιο (Β), Σχήμα Η μετατροπή αυτή καλείται αλοφορμική αντίδραση (haloformic reaction). Σχήμα 4.13 Μηχανισμός αλοφορμικής αντίδρασης α-αλογόνωση καρβοξυλικών οξέων Η α-αλογόνωση καρβοξυλικών οξέων (αντίδραση Hell-Volhard-Zelinski, Hell-Volhard-Zelinksi reaction) γίνεται με την επίδραση μοριακού χλωρίου ή βρωμίου και καταλυτικής ποσότητας PX 3. Η αντίδραση αυτή χωρεί μέσω του αντίστοιχου ακυλαλογονιδίου (Α), το οποίο βρίσκεται σε ισορροπία με την ενολική του μορφή. Το είδος του αλογόνου στον καταλύτη δεν παίζει κανένα ρόλο, Σχήμα Σχήμα 4.14 Mηχανισμός της αντίδρασης Hell-Volhard-Zelinsky. 84

85 4.5.9 Διάσπαση β-δικετονών και β-κετοεστέρων Η επίδραση πυκνών αλκάλεων σε β-δικετόνες οδηγεί σε διάσπαση του δεσμού C-C, προς καρβοξυλικά οξέα και κετόνες (1). Αντίστοιχα αντιδρούν και οι β-κετοεστέρες (2), Σχήμα Σχήμα 4.15 Διάσπαση β-δικετονών και β-κετοεστέρων Η αντίδραση εναμινών κατά Stork Κατά την επίδραση αλκυλο- ή ακυλο-αλογονιδίων σε εναμίνες (Α) προκύπτει με ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση το ενδιάμεσο άλας, το οποίο με υδρόλυση δίνει άμεσα το τελικό α-αλκυλο-παράγωγο ή τη β- δικετόνη, αντίστοιχα, Σχήμα 4.16 (αντίδραση εναμινών κατά Stork, Stork enamine reaction). Παρόμοια αντιδρούν ως ηλεκτρονιόφιλα και συζυγιακά συστήματα με δέκτες ηλεκτρονίων. Η σημασία της αντίδρασης έγκειται στο γεγονός ότι μια κετόνη (πρόδρομη ένωση της εναμίνης) αλκυλιώνεται ή ακυλιώνεται με εύκολο τρόπο στην α-θέση. Σχήμα 4.16 Αντίδραση εναμινών κατά Stork Η αντίδραση Chugaev H αντίδραση Chugaev (Chugaev reaction) είναι η θερμική διάσπαση ξανθογονικών εστέρων προς αλκένια. Η αντίδραση ακολουθεί S E i μηχανισμό, όπως και στην περίπτωση ορισμένων καρβοξυλικών οξέων (παράγραφος 4.5.6), αλλά συνήθως απαιτεί ηπιότερες συνθήκες, Σχήμα Η εύκολη σύνθεση των ξανθογονικών εστέρων από μιαν αλκοόλη καταδεικνύει τη χρησιμότητας αυτής της αντίδρασης για τη μετατροπή μιας αλκοόλης σε αλκένιο (ουσιαστικά είναι μια πολύ ήπια αφυδάτωση). Η μετατροπή αυτή μπορεί να θεωρηθεί και ως μια retro-αντίδραση ενίου (δείτε και την παράγραφο 9.5.4). 85

86 Σχήμα 4.17 Ο μηχανισμός της αντίδρασης Chugaev Η αναδιάταξη Stevens Θέρμανση με βάση ενός τεταρτοταγούς αμμωνιακού άλατος οδηγεί στον σχηματισμό ενός υλιδίου του Ν στο οποίο χωρεί μετακίνηση μιας των ομάδων (R ) που φέρει αυτό. Η αντίδραση γίνεται όταν ο υποκαταστάτης R είναι δέκτης ηλεκτρονίων, Σχήμα 4.18 (αναδιάταξη Stevens, Stevens rearrangement). Σχήμα 4.18 Μηχανισμός της αναδιάταξης Stevens Αντιδράσεις παρεμβολής καρβενίων Με τις αντιδράσεις αυτές ένα καρβένιο παρεμβάλλεται σε έναν δεσμό Α-Β (κατά σειρά προτίμησης Ζ-Η > C- H > C-C, όπου Ζ ετεροάτομο), Σχήμα Ο μηχανισμός αυτός (παρεμβολή καρβενίου, carbene insertion) δεν έχει πλήρως αποδειχθεί και εναλλακτικά είναι πιθανόν η αντίδραση να χωρεί μέσω ριζών. Σχήμα 4.19 Πιθανός μηχανισμός παρεμβολής καρβενίου. Βιβλιογραφία/Αναφορές [1] Ν. Ε. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία: Δομή-Φάσματα-Μηχανισμοί, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Ζήτη, 1985, Τεύχος Α. [2] A. Βάρβογλης, Χημεία Οργανικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Παρατηρητής, [3] Μ. Β. Smith, J. March, Advanced Organic Chemistry, 5 th Ed., John Wiley & Sons, Inc., [4] R. B. Grossman, The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Springer, [5] J. McMurry, Οργανική Χημεία, (Μετάφραση Α. Βάρβογλης, Μ. Ορφανόπουλος, Ι. Σμόνου, Μ. Στρατάκης), Ηράκλειο, Ελλάς: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, [6] P. Vollhardt, N. Schore, Οργανική Χημεία: Δομή και Λειτουργικότητα (Μετάφραση: Ε. Μαλαμίδου, Ν. Ρόδιος, Σ. Σπυρούδης), Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Αφοί Κυριακίδη, 2012, Τόμοι Α και Β. [7] Θ. Μαυρομούστακος, Θ. Τσέλιος, Κ. Παπακωνσταντίνου, Θεμελιώδεις Αρχές Οργανικής Χημείας, Αθήνα, Ελλάς, Εκδόσεις Συμμετρία,

87 Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης 1 Κριτήριο αξιολόγησης 2 Κριτήριο αξιολόγησης 3 Κριτήριο αξιολόγησης 4 Κριτήριο αξιολόγησης 5 Κριτήριο αξιολόγησης 6 87

88 Κεφάλαιο 5: Προσθήκες σε πολλαπλούς δεσμούς Σύνοψη Το κεφάλαιο αυτό ασχολείται με τη μελέτη των αντιδράσεων προσθήκης σε μεμονωμένους και συζυγιακούς δεσμούς C=C (ηλεκτρονιόφιλες και πυρηνόφιλες), σε δεσμούς C C, σε δεσμούς C=O (συμπεριλαμβανομένων των αντιδράσεων πυρηνόφιλης ακυλο-υποκατάστασης των παραγώγων των καρβοξυλικών οξέων) και σε δεσμούς C=N και C N. Γίνεται ανάλυση διαφόρων παραμέτρων που επηρεάζουν την πορεία και έκβασή τους και δίνονται κάποιες από τις σημαντικότερες αντιδράσεις που χωρούν με αυτού του είδους τις προσθήκες. Η συγγραφή του κεφαλαίου βασίστηκε εν μέρει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-11]. Προαπαιτούμενη γνώση Για την ευκολότερη και καλύτερη κατανόηση αυτού του κεφαλαίου ο αναγνώστης θα πρέπει να είναι σε θέση να σχεδιάζει σωστές δομές Lewis, να έχει εξοικειωθεί με τη χρήση κυρτών βελών, να κατέχει τους βασικούς κανόνες ονοματολογίας και στερεοχημείας, να αναγνωρίζει τις διάφορες τάξεις οργανικών ενώσεων και να γνωρίζει καλά τους μηχανισμούς πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (Κεφάλαιο 2), τους μηχανισμούς ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (Κεφάλαιο 4) και τις έννοιες: ηλεκτρονιόφιλο, πυρηνόφιλο, καρβοκατιόντα, καρβανιόντα, συντονισμός, θερμοδυναμική θεώρηση μιας οργανικής αντίδρασης (και ό,τι σχετίζεται με αυτήν) και ισοτοπικό φαινόμενο. Για τα αντικείμενα αυτά ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέχει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-11] και στα προηγούμενα κεφάλαια του παρόντος συγγράμματος. 5. Προσθήκες σε πολλαπλούς δεσμούς Οι αντιδράσεις προσθήκης σε πολλαπλούς δεσμούς διακρίνονται σε προσθήκες σε διπλούς και σε τριπλούς δεσμούς (C=A και C A, όπου Α: C, O, N). Οι προσθήκες αυτές, ανάλογα με τον μηχανισμό, κατατάσσονται σε ηλεκτρονιόφιλες και πυρηνόφιλες. Ένα μεγάλος μέρος των αντιδράσεων προσθήκης σε πολλαπλούς δεσμούς ανήκει στις περικυκλικές αντιδράσεις, οι οποίες μελετώνται χωριστά (Κεφάλαιο 9), ενώ οι αντιδράσεις που περιλαμβάνουν στον μηχανισμό τους ενόλες και ενολικά ιόντα μελετώνται στο Κεφάλαιο Ηλεκτρονιόφιλες προσθήκες σε δεσμούς C=C Γενική θεώρηση της ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε μεμονωμένους δεσμούς C=C Οι αιθυλενικοί διπλοί δεσμοί (μη συζυγιακοί) έχουν αυξημένη π ηλεκτρονική πυκνότητα και γι αυτό αντιδρούν εύκολα με ηλεκτρονιόφιλα αντιδραστήρια (οξέα κατά Lewis). Ο διπλός δεσμός λειτουργεί ως πυρηνόφιλο (βάση κατά Lewis) και δημιουργεί αρχικά με το ηλεκτρονιόφιλο τμήμα του χρησιμοποιούμενου αντιδραστηρίου (Α-Β) ένα π σύμπλοκο (π complex, C), το οποίο στη συνέχεια προσβάλλεται από το πυρηνόφιλο τμήμα του Α-Β, Σχήμα 5.1. Η προσθήκη αυτή χαρακτηρίζεται ως ηλεκτρονιόφιλη διότι η πρώτη ομάδα που εισέρχεται είναι η ηλεκτρονιόφιλη. Ανάλογα με τον τρόπο προσέγγισης του ηλεκτρονιόφιλου και του πυρηνόφιλου τμήματος του Α-Β, η διαδικασία μπορεί να είναι μια αντι-προσθήκη (anti-addition), δηλαδή οι ομάδες Α και Β τοποθετούνται σχετικά σε αντι-θέση, ή μια συν-προσθήκη (syn-addition), δηλαδή οι ομάδες Α και Β τοποθετούνται σχετικά σε συν-θέση, ή μπορεί να μην υφίσταται σημαντική εκλεκτικότητα. Η αντιπροσθήκη έχει παρατηρηθεί σε εκείνες τις περιπτώσεις στις οποίες σχηματίζεται ένα σταθεροποιημένο μη κλασικό καρβοκατιόν (1). Η συν-προσθήκη έχει παρατηρηθεί σε εκείνες τις περιπτώσεις που σχηματίζεται κυκλικό ενδιάμεσο μεταξύ του αλκενίου και του προστιθέμενου αντιδραστηρίου (2). Όταν το αρχικά σχηματιζόμενο π σύμπλοκο μετατρέπεται σε ένα κλασικό καρβοκατιόν (3), η αντίδραση δεν εμφανίζει εκλεκτικότητα. Το γεγονός αυτό δεν αποδίδεται στη δυνατότητας αμφίπλευρης προσβολής του καρβοκατιώντος από το B, αλλά στη δυνατότητα περιστροφής του δεσμού C + -C. 88

89 Σχήμα 5.1 Το γενικό σχήμα μιας ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε δεσμό C=C. Σε μη συμμετρικούς αλκυλο-υποκατεστημένους δεσμούς C=C και με αντιδραστήρια Α-Β για τα οποία ισχύει Α Β παρατηρείται συγκεκριμένη εκλεκτικότητα προσβολής (τοποεκλεκτικότητα, regioselectivity). Στην πράξη το πυρηνόφιλο τμήμα συνδέεται κατά προτίμηση με το περισσότερο υποκατεστημένο άτομο C (κανόνας Markovnikov, Markovnikov s rule), Σχήμα 5.2. Αυτό εξηγείται με την παραδοχή ότι στο ενδιάμεσο μη κλασικό καρβοκατιόν το κλασματικό θετικό φορτίο είναι κυρίως εντοπισμένο στον περισσότερο υποκατεστημένο άνθρακα, λόγω σταθεροποίησής του από το επαγωγικό φαινόμενο των αλκυλίων (+Ι). Το ίδιο αποτέλεσμα προκύπτει και με την ανάλυση της σταθερότητας στα αντίστοιχα κλασικά καρβοκατιώντα. Λόγω της παρουσίας καρβοκατιόντων είναι επίσης πιθανός ο σχηματισμός ισομερών προϊόντων, μέσω αναδιάταξής τους (παράγραφος ). Σχήμα 5.2 Εξήγηση του κανόνα Markovnikov. Για τον μηχανισμό προσθήκης υδραλογόνου σε ένα αλκένιο δείτε το Video 5.1. Video 5.1 Ο μηχανισμός προσθήκης υδραλογόνου σε ένα αλκένιο. 89

90 Η ίδια εκλεκτικότητα παρατηρείται και στα βινυλο-αλογονίδια, αφού το +R φαινόμενο του αλογόνου καθορίζει, μέσω της δομής συντονισμού Α, ποιος άνθρακας είναι περισσότερος ηλεκτρονιόφιλος και το πυρηνόφιλο τμήμα του αντιδραστηρίου συνδέεται με αυτόν, Σχήμα 5.3. Σχήμα 5.3 Προσθήκη σε βινυλοαλογονίδια. Η εκλεκτικότητα αντιστρέφεται όταν στο αλκένιο υπάρχουν δέκτες ηλεκτρονίων ( Ι, R). Στην περίπτωση αυτή (εφόσον δεν γίνεται συζυγιακή προσθήκη, παράγραφος 5.2), δεν ευνοείται η εμφάνιση κλασματικού θετικού φορτίου στον C που φέρει την ομάδα δέκτη ηλεκτρονίων και το αποτέλεσμα είναι ο σχηματισμός του αντι-markovnikov προϊόντος, π.χ. Σχήμα 5.4. Σημειώνεται ότι αντίθετη εκλεκτικότητα (αντι-markovnikov, anti-markovnikov) παρατηρείται και όταν ο μηχανισμός προσθήκης περιλαμβάνει ρίζες (δείτε την παράγραφο και την παράγραφο 8.7.3). Σχήμα 5.4 Κανόνας αντι-markovnikov. Η ταχύτητα της αντίδρασης προσθήκης αυξάνεται με υποκαταστάτες που είναι δότες ηλεκτρονίων και μειώνεται με δέκτες. Ειδικότερα, τα αλκένια στα οποία ο διπλός δεσμός είναι απευθείας συνδεδεμένος με άτομα με μονήρες ζεύγος είναι, λόγω της δομής συντονισμού, ιδιαίτερα δραστικά, Σχήμα 5.5. Τα αλογόνα, ως υποκατάστατες, μειώνουν την ταχύτητα, λόγω του επαγωγικού τους φαινομένου ( Ι). Σχήμα 5.5 Εξήγηση δραστικότητας αλκενίων με υποκαταστάτες δότες ηλεκτρονίων Γενική θεώρηση της ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε συζυγιακούς δεσμούς C=C Οι 1,3-συζυγιακοί δεσμοί C=C (απουσία δέκτη ηλεκτρονίων) δίνουν με ηλεκτρονιόφιλα, εκτός από την προβλεπόμενη 1,2-προσθήκη, και 1,4-προσθήκη, Σχήμα 5.6. Για παράδειγμα, η προσθήκη ενός ισοδύναμου Br 2 δίνει εκτός από το 1,2-διβρωμο- και το 1,4-διβρωμο-προϊόν. Το ποιο θα είναι το κύριο προϊόν εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Έτσι, σε υψηλή θερμοκρασία ευνοείται ο σχηματισμός του 1,4-προϊόντος (περισσότερο σταθερό, ως περισσότερο υποκατεστημένο αλκένιο και άρα θερμοδυναμικά ευνοούμενο), ενώ σε χαμηλή ο σχηματισμός του 1,2-προϊόντος (κινητικά ευνοούμενο). Η θερμοδυναμική θεώρηση της πορείας της αντίδρασης καταδεικνύει τη διαφορά μεταξύ των δύο ενεργειών ενεργοποίησης (ΔG ) και της ελεύθερης ενέργειας (ΔG ο ), Εικόνα 5.1. Η ίδια θεώρηση ισχύει και για την προσθήκη υδροβρωμίου. 90

91 Σχήμα 5.6 Εξήγηση της 1,4-προσθήκης σε συζυγιακούς δεσμούς C=C. Εικόνα 5.1 Ανταγωνισμός 1,2- και 1,4-προσθήκης Br 2 σε συζυγιακούς δεσμούς C=C Χαρακτηριστικές αντιδράσεις ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε δεσμούς C=C Προσθήκη αλογόνου Η προσθήκη αλογόνων (Cl 2, Br 2 ή Ι 2 ) γίνεται με αντι-προσθήκη με την παραδοχή σχηματισμού ενός σταθερού ενδιάμεσου τριμελούς δακτυλίου (π.χ. βρωμώνιο για την περίπτωση του Br 2 ), Σχήμα 5.7. Τα ενδιάμεσα αυτά ευνοούνται περισσότερο με το Br και το Ι και λιγότερο με το Cl. Είναι προφανές πως στις αντιδράσεις αυτού του τύπου δεν τίθεται θέμα τοποεκλεκτικότητας. Σχήμα 5.7 Το γενικό σχήμα προσθήκης αλογόνου σε δεσμό C=C. Όταν η προσθήκη αλογόνου γίνεται παρουσία νερού τότε προκύπτουν αλοϋδρίνες (Α), αντί για τα διαλογονωμένα παράγωγα, π.χ. Σχήμα 5.8. Η διαδικασία αυτή χωρεί και πάλι μέσω του αλογωνίου κατιόντος με αντι-προσθήκη και σύμφωνα με τον κανόνα του Markovnikov. Με παρόμοιο τρόπο αντιδρούν και οι αλκοόλες. 91

92 Σχήμα 5.8 Σχηματισμός αλοϋδρινών Προσθήκη υδραλογόνου Η προσθήκη υδραλογόνων (ΗΧ) γίνεται συνήθως μέσω κλασικών καρβοκατιόντων (προκύπτει μίγμα στερεοϊσομερών) σύμφωνα με τον γενικό μηχανισμό, Σχήμα 5.9, και με εφαρμογή του κανόνα Markovnikov. Ωστόσω, υπάρχουν και περιπτώσεις (εξαρτάται όχι μόνο από το υπόστρωμα, αλλά και τις πειραματικές συνθήκες) που σχηματίζεται ως κύριο το προϊόν αντι- ή συν-προσθήκης. Σχήμα 5.9 Το γενικό σχήμα προσθήκης υδραλογόνου σε δεσμό C=C Προσθήκη νερού και αλκοολών Η προσθήκη νερού γίνεται μόνο με τη χρήση όξινων καταλυτών (π.χ Η 2 SO 4 ) σύμφωνα με τον κανόνα Markovnikov, Σχήμα Με τον ίδιο τρόπο γίνεται και η προσθήκη αλκοολών. Η προσθήκη νερού επιτυγχάνεται με σχετικά χαμηλές συγκεντρώσεις οξέος και σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες και με τη χρήση πυκνών διαλυμάτων οξέων ευνοείται η αντίστροφη πορεία, δηλαδή η αφυδάτωση της αλκοόλης προς αλκένιο. Σχήμα 5.10 Το γενικό σχήμα προσθήκης νερού σε δεσμό C=C. Η προσθήκη νερού επιτυγχάνεται και με ηπιότερες συνθήκες, χρησιμοποιώντας οξικό υδράργυρο. Η διαδικασία αυτή καλείται οξυυδραργύρωση (oxymercuration) και περιλαμβάνει δύο στάδια: ηλεκτρονιόφιλη προσθήκη του υδραργυρικού αντιδραστηρίου στον διπλό δεσμό (σχηματισμός του υδροαργυρωνίου ιόντος Α) και κατεργασία με NaBH 4, η οποία προκαλεί αφυδραργύρωση, Σχήμα Λόγω του σχηματισμού του Α η διαδικασία είναι μια αντι-προσθήκη. 92

93 Σχήμα 5.11 Αντίδραση οξυυδραργύρωσης. Με παρόμοιο τρόπο προστίθενται και οι αλκοόλες (αλκοξυδραργύρωσης, alkoxymercuration) και προκύπτουν αιθέρες με μια κατά Markovnikov διαδικασία, Σχήμα Σχήμα 5.12 Αντίδραση αλκοοξυυδραργύρωσης Υδροβορίωση Η προσθήκη νερού γίνεται φαινομενικά με αντι-markovnikov τρόπο με τη χρήση διβορανίου, το οποίο είναι το διμερές του βορανίου (υδροβορίωση, hydroboration). Η μετατροπή αυτή χωρεί μέσω δύο σταδίων. Στο πρώτο, το βοράνιο δίνει με συν-προσθήκη ένα κυκλικό ενδιάμεσο με αποτέλεσμα ένα προϊόν σύμφωνα με τον κανόνα Markovnikov, λόγω του γεγονότος ότι στο βοράνιο το Η είναι το πυρηνόφιλο τμήμα, αλλά και λόγω μικρότερης στερεοχημικής παρεμπόδισης. Στο δεύτερο στάδιο επιτελείται οξείδωση (με Η 2 Ο 2 ) σε βασικό περιβάλλον και τελικά προκύπτει η λιγότερο υποκατεστημένη αλκοόλη, Σχήμα Η υδροβορίωση μπορεί να επιτευχθεί και με τριαλκυλοβοράνια, τα οποία είναι περισσότερο σταθερά και εκλεκτικά (π.χ το 9-ΒΒΝ, το οποίο αντιδρά εκλεκτικά μόνο με μη παρεμποδισμένους δεσμούς C=C). 93

94 Σχήμα 5.13 Υδροβορίωση του δεσμού C=C Εποξείδωση Η εποξείδωση (epoxidation) του δεσμού C=C γίνεται με τη χρήση υπεροξέων (RCOOOH, συνήθως το mcpba, μ-χλωρο-υπερβενζοϊκό οξύ) μέσω μιας συν-προσθήκης που περιλαμβάνει τη δημιουργία σ δεσμών και από τους δύο ολεφινικούς άνθρακες με το ίδιο άτομο οξυγόνου, Σχήμα Η αντίδραση είναι στερεοειδική, δηλαδή ένα cis-αλκένιο δίνει το cis-εποξείδιο, ενώ ένα trans-αλκένιο δίνει το trans-εποξείδιο. Με την προσθήκη ασύμμετρων καταλυτών είναι δυνατόν να σχηματισθεί εκλεκτικά τα ένα από τα δύο διαστερεοϊσομερή (ασύμμετρη εποξείδωση, asymmetric epoxidation). Σχήμα 5.14 Το γενικό σχήμα εποξείδωσης του δεσμού C=C Διυδροξυλίωση Η διυδροξυλίωση (dihydroxylation) του δεσμού C=C μπορεί να επιτευχθεί έμμεσα με τη διάνοιξη των προϊόντων εποξείδωσης. Σχηματίζονται 1,2-διόλες (γλυκόλες). Η μετατροπή αυτή γίνεται με υδατικό οξύ και είναι μια αντι-διαδικασία, Σχήμα

95 Σχήμα 5.15 Διυδροξυλίωση του δεσμού C=C μέσω εποξειδίου. Υπάρχουν όμως και μέθοδοι με τις οποίες η διυδροξυλίωση γίνεται με συν-προσθήκη. Έτσι, με επίδραση αραιού διαλύματος KMnO 4 σε αλκένια προκύπτει ένα κυκλικό ενδιάμεσο, το οποίο υδρολύεται για να δώσει μιαν 1,2-διόλη, Σχήμα Εντούτοις, η διυδροξυλίωση με KMnO 4 περιπλέκεται πολλές φορές από την παράπλευρη αντίδραση διάσπασης του ενδιάμεσου προς δύο καρβονυλικές ενώσεις (διάσπαση δεσμού C-C). Σχήμα 5.16 Διυδροξυλίωση του δεσμού C=C με KMnO 4. Εναλλακτικά η διυδροξυλίωση με συν-προσθήκη μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση OsO 4 (οσμυλίωση, osmylation), χωρίς να παρατηρηθεί διάσπαση του δεσμού C-C. Η διάσπαση του κυκλικού οσμικού εστέρα Α γίνεται συνήθως με κατεργασία με όξινο θειώδες νάτριο ή Η 2 S, Σχήμα Σχήμα 5.17 Διυδροξυλίωση του δεσμού C=C με OsO Υδρογόνωση Η υδρογόνωση (hydrogenation) του δεσμού C=C γίνεται με μοριακό υδρογόνο παρουσία ενός καταλύτη (ετερογενής κατάλυση, π.χ. Pd, Pt, PtO 2, Ra-Ni), Σχήμα Η μεταφορά των δύο ατόμων υδρογόνου γίνεται από τον καταλύτη και μάλιστα από την ίδια πλευρά, τη λιγότερο παρεμποδισμένη (συν-προσθήκη). Με τη χρήση χειρόμορφων καταλυτών μπορεί να επιτευχθεί ασύμμετρη υδρογόνωση (asymmetric hydrogenation). 95

96 Σχήμα 5.18 Υδρογόνωση του δεσμού C=C Προσθήκη καρβενίου Η προσθήκη καρβενίων (carbene addition) στον δεσμό C=C είναι μια ηλεκτρονιόφιλη διαδικασία, αφού αυτά συμπεριφέρονται ως ηλεκτρονιόφιλα αντιδραστήρια (έχουν χάσμα οκτάδας). Η αντίδραση είναι στερεοειδική, όπως και στην περίπτωση της εποξείδωσης (παράγραφος ), και οδηγεί σε κυκλοπροπανικά παράγωγα, Σχήμα Ανάλογα αντιδρούν και τα νιτρένια τα οποία δίνουν αζιριδίνες. Οι αντιδράσεις αυτές θεωρούνται και αντιδράσεις [2+1] κυκλοπροσθήκης (δείτε την παράγραφο 9.3.4). Σχήμα 5.19 Προσθήκη καρβενίου στον δεσμό C=C. Τα καρβένια παρασκευάζονται, εκτός από τις αντιδράσεις α-απόσπασης (παράγραφος 3.4), και από διαζωενώσεις (π.χ. το μεθυλένιο παρασκευάζεται από το διαζωμεθάνιο, Σχήμα 5.20). Σχήμα 5.20 Διάσπαση διαζωμεθανίου Προσθήκη όζοντος Η προσθήκη όζοντος στον δεσμό C=C (οζονόλυση, ozonolysis) εμπίπτει στις αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης γι αυτό και μελετάται στο σχετικό κεφάλαιο (παράγραφος ) Σύνοψη των αντιδράσεων ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε δεσμούς C=C 96

97 Στον Πίνακα 5.1 δίνεται μια περίληψη των αντιδράσεων ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε δεσμούς C=C. Πίνακας 5.1 Σύνοψη των αντιδράσεων ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε δεσμούς C=C. 5.2 Πυρηνόφιλες προσθήκες σε δεσμούς C=C Η πυρηνόφιλη προσθήκη σε δεσμό C=C γίνεται μόνον όταν αυτός βρίσκεται σε συζυγία με έναν δέκτη ηλεκτρονίων (π.χ. καρβονύλιο, νιτροομάδα και σουλφονική ομάδα), σε αντίθεση με τους άλλους αιθυλενικούς διπλούς δεσμούς. Αυτό εξηγείται με βάση τη δομή συντονισμού ενός τέτοιου δεσμού, στην οποία ο συζυγιακός άνθρακας είναι ηλεκτρονιόφιλος, π.χ. Σχήμα Με βάση αυτήν τη διαδικασία (1,4- προσθήκη ή συζυγιακή προσθήκη, 1,4-addition ή conjugated addition), η οποία χωρεί με βασική κατάλυση, μπορεί να προστεθεί μια ποικιλία πυρηνόφιλων (π.χ. αλκοόλες, θειόλες, αμίνες, οργανομεταλλικές ενώσεις). Η αντίδραση με πυρηνόφιλα που είναι σταθεροποιημένα καρβανιόντα καλείται αντίδραση Michael (Michael 97

98 addition, δείτε την παράγραφο και την παράγραφο 6.4.2), ενώ γενικότερα η 1,4-προσθήκη καλείται και προσθήκη τύπου Michael (Michael type addition). Σχήμα 5.21 Εξήγηση της πυρηνόφιλης προσβολής σε έναν συζυγιακό δεσμό C=C που φέρει δέκτη (C=O). Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η προσθήκη οργανομαγνησιακών (ή άλλων οργανομεταλλικών) αντιδραστηρίων σε α-ακόρεστες καρβονυλικές ενώσεις, Σχήμα Σχήμα 5.22 Παράδειγμα πυρηνόφιλης 1,4-προσθήκης. Στα ίδια συζυγιακά συστήματα μπορεί να γίνει και προσβολή από H χρησιμοποιώντας αναγωγικά αντιδραστήρια, όπως το NaBH 4 και το LiALH 4. Στις περιπτώσεις όμως που ο δέκτης είναι καρβονύλιο η αναγωγή χωρεί τόσο στον δεσμό C=C, όσο και στον δεσμό C=O. Με τον ίδιο τρόπο αντιδρούν και συζυγιακοί δεσμοί C C. 5.3 Προσθήκες σε δεσμούς C C Γενική θεώρηση της προσθήκης σε δεσμούς C C Η ηλεκτρονιόφιλη προσθήκη σε δεσμούς C C είναι γενικά δυσκολότερη από ότι στα αλκένια γιατί το ενδιάμεσο καρβοκατιόν (βινυλικό) είναι εξαιρετικά ασταθές και σχηματίζεται πολύ αργά Χαρακτηριστικές αντιδράσεις προσθήκης σε δεσμούς C C Προσθήκη αλογόνου Η προσθήκη αλογόνου σε έναν δεσμό C C μπορεί να οδηγήσει στο διαλογονωμένο ή στο τετρααλογονωμένο παράγωγο, ανάλογα με την ποσότητα του μοριακού αλογόνου που χρησιμοποιείται και τις πειραματικές συνθήκες, Σχήμα Στην περίπτωση μη συμμετρικά υποκατεστημένου δεσμού C C η προσθήκη ενός ισοδύναμου αλογόνου δίνει το trans-προϊόν. 98

99 Σχήμα 5.23 Αλογόνωση δεσμού C C Προσθήκη υδραλογόνου Η προσθήκη υδραλογόνου σε έναν δεσμό C C γίνεται με τη διαδοχική προσθήκη δύο μορίων υδραλογόνου, σύμφωνα με τον κανόνα Markovnikov (προκύπτουν τα gem-διαλογονωμένα παράγωγα), Σχήμα Στην περίπτωση μη συμμετρικά υποκατεστημένου δεσμού C C η προσθήκη ενός ισοδύναμου υδραλογόνου δίνει το προϊόν στο οποίο το Η και το αλογόνο έχουν trans σχετική διευθέτηση. Σχήμα 5.24 Προσθήκη υδραλογόνου σε δεσμό C C Προσθήκη νερού Η προσθήκη νερού σε ακραίο αλκύνιο γίνεται με τη χρήση Η 2 SO 4 /HgSO 4 κατά Markovnikov. Ενδιάμεσα σχηματίζεται το ευδιάλυτο στο υδατικό μέσο σύμπλοκο Α. Η προσθήκη δίνει αρχικά μιαν ενόλη (Β), η οποία ταυτομερίζεται στην αντίστοιχη μεθυλο-κετόνη, Σχήμα Η αντίδραση γίνεται και με εσωτερικά αλκύνια, αλλά στην περίπτωση αυτή έχει περιορισμένη πρακτική σημασία γιατί σχηματίζεται μίγμα των δύο ισομερών κετονών. Σχήμα 5.25 Προσθήκη νερού σε δεσμό C C Υδροβορίωση 99

100 Η προσθήκη νερού στον δεσμό C C γίνεται επίσης με τη χρήση διβορανίου, όπως και στα αλκένια (παράγραφος ). Η διαδικασία αυτή δίνει μιαν αλδεΰδη όταν το αλκύνιο είναι ακραίο, (1), ή μιαν κετόνη όταν είναι εσωτερικό, (2), Σχήμα Σχήμα 5.26 Υδροβορίωση του δεσμού C C Υδρογόνωση Η υδρογόνωση του δεσμού C C γίνεται, όπως και στην περίπτωση των αλκενίων, με μοριακό υδρογόνο και καταλύτη. Πρακτικά είναι πολύ δύσκολο να σταματήσει η αναγωγή στο πρώτο στάδιο και προκύπτουν τα πλήρως αναγμένα προϊόντα (1). Η χρήση όμως συγκεκριμένων «δηλητηριασμένων» καταλυτών, όπως το Lindlar, επιτρέπει την εκλεκτική αναγωγή μέχρι το στάδιο του αλκενίου (2), Σχήμα Στην περίπτωση αυτή σχηματίζεται το cis-αλκένιο. Το trans-αλκένιο μπορεί να παραχθεί κάνοντας την αναγωγή με διαλυόμενα μέταλλα (π.χ. Νa σε υγρή αμμωνία). Όμως, ο μηχανισμός αυτός περιλαμβάνει ρίζες (δείτε την παράγραφο ). Σχήμα 5.27 Υδρογόνωση του δεσμού C C. 5.4 Προσθήκες σε δεσμούς C=Ο Γενική θεώρηση της προσθήκης σε δεσμούς C=Ο Σε αντίθεση με τους αιθυλενικούς διπλούς δεσμούς, οι δεσμοί C=O είναι πολωμένοι και έχουν έτσι άνιση κατανομή των π ηλεκτρονίων. Είναι προφανές, με βάση τη δομή συντονισμού ενός δεσμού C=O, ότι αυτός μπορεί εύκολα να προσβληθεί από πυρηνόφιλα, στον C, Σχήμα Κατά αναλογία, το Ο προσβάλλεται εύκολα από ηλεκτρονιόφιλα. Σχήμα 5.28 Εξήγηση της πυρηνόφιλης προσβολής σε έναν δεσμό C=Ο. 100

101 Σε βασικό περιβάλλον, και εφόσον υπάρχει α-η, μπορεί να συμβεί ενολοποίηση οπότε η αντίδραση παίρνει άλλη τροπή (δείτε το Κεφάλαιο 6). Οι αντιδράσεις προσθήκης σε δεσμούς C=O καταλύονται τόσο σε βασικό όσο και σε όξινο περιβάλλον. Στην πρώτη περίπτωση [πυρηνόφιλη προσθήκη, (1)] η βάση αυξάνει τον πυρηνόφιλο χαρακτήρα του Nu, ενώ στη δεύτερη [ηλεκτρονιόφιλη προσθήκη, (2)] το οξύ πρωτονιώνει το Ο του καρβονυλίου και κάνει έτσι τον C περισσότερο ηλεκτρονιόφιλο, Σχήμα Ακόμα και ασθενή οξέα ή βάσεις καταλύουν αυτήν τη διαδικασία. Σχήμα 5.29 Βασική και όξινη κατάλυση της πυρηνόφιλης προσβολής σε έναν δεσμό C=Ο Χαρακτηριστικές αντιδράσεις προσθήκης στις αλδεΰδες και τις κετόνες Προσθήκη νερού Η προσθήκη νερού στις αλδεΰδες και τις κετόνες δίνει υδρίτες (gem-διόλες), Σχήμα Η διαδικασία είναι αντιστρεπτή και, πρακτικά, ο υδρίτης είναι απομονώσιμος μόνο για λίγες αλδεΰδες. Καταλύεται τόσο από οξέα όσο και από βάσεις, σύμφωνα με τον γενικό μηχανισμό. Σχήμα 5.30 Προσθήκη νερού στον δεσμό C=Ο Προσθήκη αλκοολών Η προσθήκη αλκοολών στις αλδεΰδες και τις κετόνες δίνει ημιακετάλες (hemiacetals), (1), Σχήμα Η διαδικασία καταλύεται από οξύ και είναι αντιστρεπτή: περίσσεια αλκοόλης δίνει την ημιακετάλη, ενώ περίσσεια νερού οδηγεί πίσω στην καρβονυλική ένωση. Με τα ίδια αντιδραστήρια, αλλά ισχυρότερες συνθήκες, οι ημιακετάλες μετατρέπονται σε ακετάλες (acetals), (2), Σχήμα Η προσβολή από το δεύτερο μόριο αλκοόλης είναι στην πραγματικότητα μια διαδικασία S N 1 (δείτε την παράγραφο 2.3). Η μετακίνηση της ισορροπίας προς την ακετάλη μπορεί να επιτευχθεί με την απομάκρυνση του νερού [αζεοτροπική απόσταξή του, χρήση μοριακών κοσκίνων ή αφυδραντικών αντιδραστηρίων, όπως οι ορθοφορμικοί εστέρες, ΗC(OR) 3 ]. Οι αλδεΰδες αντιδρούν γενικά πιο γρήγορα. Λόγω της ευκολίας μετατροπής σε ακετάλες (και αντίστροφα στις αρχικές καρβονυλικές ενώσεις), η διαδικασία αυτή χρησιμοποιείται ευρύτατα για την προστασία των αλδεϋδών και των κετονών. Επιπλέον, σύμφωνα με το ίδιο σκεπτικό χρησιμοποιείται και για την προστασία διολών. 101

102 Σχήμα 5.31 Προσθήκη αλκοόλης στον δεσμό C=Ο Προσθήκη θειολών Η προσθήκη θειολών στις αλδεΰδες και τις κετόνες δίνει θειοακετάλες (thioacetals), (Α), Σχήμα Η διαδικασία αυτή μοιάζει πολύ με τη διαδικασία σύνθεσης ακεταλών (καταλύεται επίσης από οξύ), αλλά δεν είναι αντιστρεπτή. Η σύνθεση θειοακεταλών χρησιμοποιείται επίσης ως μέθοδος προστασίας αλδεϋδών και κετονών. Λόγω της μη αντιστρεπτότητας της αντίδρασης, η αποπροστασία γίνεται με υδρόλυση παρουσία αλάτων του Hg 2+. Σχήμα 5.32 Προσθήκη θειολών στον δεσμό C=Ο Επίδραση ΗΟ Η επίδραση αλκαλίων σε αλδεΰδες με α-η οδηγεί σε αλδολική συμπύκνωση (δείτε την παράγραφο 6.2.5). Όταν όμως αυτές δεν έχουν α-η δίνουν την αντίδραση Cannizzaro (Cannizzaro reaction), η οποία είναι στην πράξη μια οξειδοαναγωγή: ένα μόριο αλδεΰδης οξειδώνεται προς καρβοξυλικό οξύ και ένα άλλο ανάγεται προς αλκοόλη, Σχήμα Σχήμα 5.33 Αντίδραση Cannizzaro. Ιδιαίτερη περίπτωση επίδρασης ΗΟ αποτελεί η βενζιλική αναδιάταξη (benzilic rearrangement). Αυτή λαμβάνει χώρα με την επίδραση αλκάλεων σε 1,2-δικετόνες και οδηγεί σε α-υδροξυοξέα, Σχήμα

103 Σχήμα 5.34 Η βενζιλική αναδιάταξη Προσθήκη οργανομεταλλικών ενώσεων Η προσθήκη οργανομαγνησιακών ενώσεων στις αλδεΰδες και τις κετόνες (αντίδραση Grignard, Grignard reaction) δίνει αλκοόλες, Σχήμα Πιο συγκεκριμένα, η φορμαλδεΰδη δίνει πρωτοταγείς αλκοόλες με ανοικοδόμηση κατά ένα άτομο C, οι υπόλοιπες αλδεΰδες δίνουν δευτεροταγείς αλκοόλες και, τέλος, οι κετόνες δίνουν τριτοταγείς αλκοόλες. Ανάλογα με τις αλδεΰδες και τις κετόνες αντιδρά και το διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο δίνει με αυτόν τον τρόπο καρβοξυλικά οξέα. Παρόμοια αντιδρούν και οι οργανολιθιακές ενώσεις. Σχήμα 5.35 Προσθήκη οργανομαγνησιακών ενώσεων στον δεσμό C=Ο Αναγωγή Η αναγωγή των αλδεϋδών και των κετονών δίνει πρωτοταγείς και δευτεροταγείς αλκοόλες. Τα αναγωγικά αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι το NaBH 4, Σχήμα 5.36, και το LiAlH 4, Σχήμα 5.37, ή ανάλογά τους. Και στις δύο περιπτώσεις γίνεται παραδεκτό ότι το αναγωγικό αντιδραστήριο προσφέρει και τα τέσσερα υδρογόνα του με τη μορφή του υδριδίου ιόντος (Η ), αλλά, ενώ η αναγωγή με NaBH 4 γίνεται παρουσία μιας αλκοόλης, το LiAlH 4 (ως πιο δραστικό) απαιτεί ξηρές συνθήκες. Η αναγωγή μπορεί να γίνει και με βοράνιο (διβοράνιο) ή αλκυλο-βοράνια με έναν μηχανισμό παρόμοιο της υδροβορίωσης του δεσμού C=C. Ενδιάμεσα σχηματίζονται βορικοί εστέρες, οι οποίοι υδρολύονται προς τις αντίστοιχες αλκοόλες. Σχήμα 5.36 Αναγωγή του δεσμού C=Ο με ΝaBH

104 Σχήμα 5.37 Αναγωγή του δεσμού C=Ο με LiAlH Προσθήκη αζωτούχων αντιδραστηρίων Η προσθήκη αζωτούχων αντιδραστηρίων του γενικού τύπου A-NH 2 οδηγεί σε αντιδράσεις συμπύκνωσης, αφού η αρχική προσθήκη (πυρηνόφιλη προσβολή) από το Ν ακολουθείται από απόσπαση νερού με τη δημιουργία ενός δεσμού C=N. Οι αντιδράσεις αυτές καταλύονται σε ασθενώς όξινο περιβάλλον, λόγω πρωτονίωσης του καρβονυλικού οξυγόνου, σύμφωνα με τη γενική αντίδραση (1), Σχήμα Αλλά, καταλύονται και σε βασικό περιβάλλον, με την υποβοήθηση της απόσπασης του νερού, σύμφωνα με τη γενική αντίδραση (2), Σχήμα Ανάλογα με το αζωτούχο αντιδραστήριο μπορούν να προκύψουν: ιμίνες, συμπεριλαμβανομένων των βάσεων Schiff (οι ιμίνες διακρίνονται σε: αλδιμίνες, αν η καρβονυλική ένωση είναι αλδεΰδη ή κετιμίνες, αν η καρβονυλική ένωση είναι κετόνη), οξίμες, υδραζόνες, κ.τ.λ. Σχήμα 5.38 Προσθήκη αζωτούχων αντιδραστηρίων στον δεσμό C=Ο. Οι δευτεροταγείς αμίνες δίνουν αρχικά ένα ιμινιακό κατιόν (Α) το οποίο, εφόσον έχει στην α-θέση ως προς το καρβονύλιο έναν δέκτη ηλεκτρονίων, οδηγείται στην εναμίνη (Β), Σχήμα

105 Σχήμα 5.39 Σύνθεση εναμίνης. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η αντίδραση προσθήκης αμμωνίας ή μιας αμίνης με παράλληλη εφαρμογή αναγωγικών συνθηκών (συνήθως NaCNBH 3 ή καταλυτική υδρογόνωση). Η μετατροπή αυτή καλείται αντίδραση αναγωγικής αμίνωσης (reductive amination reaction) και δίνει, ανάλογα και με τη χρησιμοποιούμενη καρβονυλική ένωση, πρωτοταγείς, δευτεροταγείς και τριτοταγείς αμίνες, Σχήμα Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται αρχικά η αμμωνία ή μια πρωτοταγής αμίνη γίνεται αποδεκτό ότι μεσολαβεί η ιμίνη A. Σχήμα 5.40 Αντίδραση αναγωγικής αμίνωσης Προσθήκη κυανιούχων Η προσθήκη HCN στις αλδεΰδες και τις κετόνες δίνει σύμφωνα με το γενικό σχήμα κυανυδρίνες, Σχήμα Σχήμα 5.41 Προσθήκη HCN στον δεσμό C=Ο. Η αντίδραση προσθήκης κυανιούχων παίρνει άλλη τροπή σε ορισμένες αλδεΰδες (κυρίως αρωματικές). Στην περίπτωση αυτή το κυανιούχο ανιόν καταλύει τη σύνδεση δύο μορίων της πρώτης ύλης (δημιουργία δεσμού C-C), μέσω πυρηνόφιλης προσβολής στον δεσμό C=O. Οι ενώσεις που προκύπτουν (αυδροξυκετόνες) καλούνται βενζοΐνες και η διαδικασία συμπύκνωση βενζοΐνης (benzoin condensation), Σχήμα

106 Σχήμα 5.42 Συμπύκνωση βενζοΐνης Ολεφινοποίηση Η προσθήκη υλιδίων του P (Α) στις αλδεΰδες και τις κετόνες οδηγεί στα αντίστοιχα αλκένια, Σχήμα Τα υλίδια αυτά είναι ασταθή και δημιουργούνται in situ, εκτός από τις περιπτώσεις που το R είναι δέκτης ηλεκτρονίων, οπότε είναι απομονώσιμα και σε θερμοκρασία δωματίου. Γίνεται παραδεκτό ότι ενδιάμεσα σχηματίζεται ένα οξαφωσφετάνιο (Β), το οποίο διασπάται για να δώσει το επιθυμητό αλκένιο και φωσφινοξείδιο. Με τα σταθεροποιημένα υλίδια το αλκένιο που σχηματίζεται έχει συνήθως Ε-στερεοχημεία, αλλά, ανάλογα τις συνθήκες, μπορεί το κύριο προϊόν να είναι το Ζ. Αντίθετα, τα μη σταθεροποιημένα υλίδια δίνουν συνήθως ως κύριο προϊόν το Ζ. Η ολεφινοποίηση αυτή καλείται αντίδραση Wittig (Wittig reaction). Σχήμα 5.43 Ολεφινοποίηση Wittig. Η ολεφινοποίηση μπορεί να επιτευχθεί με παρόμοιο τρόπο και με υλίδια που προκύπτουν από φωσφονικούς εστέρες, Σχήμα Η αντίδραση αυτή καλείται αντίδραση Wittig-Horner (Wittig-Horner reaction) ή Horner-Wadsworth-Emmons. Πλεονεκτεί έναντι της κλασικής ολεφινοποίησης Wittig, αφού τα υλίδια αυτά είναι πιο δραστικά και το παραπροϊόν της αντίδρασης είναι υδατοδιαλυτό και απομακρύνεται ευκολότερα από το μίγμα της αντίδρασης. Επιπλέον, η αντίδραση αυτή δίνει σχεδόν αποκλειστικά τα Ε- αλκένια. 106

107 Σχήμα 5.44 Ολεφινοποίηση Wittig-Horner. Εναλλακτικά, η ολεφινοποίηση επιτυγχάνεται σε αλδεΰδες ή κετόνες με την επίδραση των λιθιακών (ή οργανομαγνησιακών) παραγώγων τριαλκυλοσιλανίων. Η μετατροπή αυτή καλείται αντίδραση ολεφινοποίησης Peterson (Peterson olefination reaction) ή αλλιώς αντίδραση σιλυλο-wittig (silyl-wittig reaction) και το R μπορεί να είναι μεταξύ άλλων και COOR ή SO 2 R), Σχήμα Η ολεφινοποίηση αρωματικών αλδεϋδών με ανυδρίτες καλείται αντίδραση Perkin (Perkin reaction), δείτε την παράγραφο 6.5. Σχήμα 5.45 Ολεφινοποίηση Peterson. Διευκρινίζεται ότι, όταν το ανιόν σταθεροποιείται από ένα καρβονύλιο, οι παραπάνω αντιδράσεις (Wittig, Wittig-Horner, Peterson) εμπίπτουν στην κατηγορία αντιδράσεων των ενολικών ανιόντων (Κεφάλαιο 6). Παρατίθενται όμως εδώ, μαζί με τις μη σταθεροποιημένες εκδοχές τους, για λόγους συνέχειας. 107

108 Ειδικότερα η μεθυλενίωση μπορεί να γίνει και με το σύμπλοκο του τιτανίου Α (αντιδραστήριο Tebbe, Tebbe reagent). Αυτό δίνει με την καταλυτική επίδραση βάσης το μεταλλο-καρβενοειδές Β, το οποίο προστίθεται σε δεσμούς C=O, ακόμη και στην περίπτωση των εστέρων και των αμιδίων (αντίδραση ολεφινοποίησης Tebbe, Tebbe olefination reaction), Σχήμα Με παρόμοιο τρόπο αντιδρά και το αντιδραστήριο Petasis (Petasis reagent, Me 2 TiCp 2 ). Σχήμα 5.46 Αντίδραση ολεφινοποίησης Tebbe. Κατά μία θεώρηση οι αντιδράσεις ολεφινοποίησης με υλίδια του P ή με αντιδραστήρια τύπου Tebbe αποτελούν διαδικασίες [2+2] κυκλοπροσθήκης (παράγραφος 9.3.1) Προσβολή από ενόλες και ενολικά ανιόντα Μεγάλος αριθμός αντιδράσεων που σχετίζονται με την προσθήκη στον δεσμό C=O αφορούν σε αντιδράσεις ενολών και ενολικών ανιόντων. Αυτές μελετώνται στο Κεφάλαιο Η σύνθεση ενολαιθέρων από 1,3-δικετόνες Οι ενολαιθέρες των 1,3-δικετονών (C) προκύπτουν από τις μητρικές δικετόνες και αλκοόλες με όξινη κατάλυση, Σχήμα Η αντίδραση χωρεί μέσω της ενόλης Α και του πολύ σταθεροποιημένου καρβοκατιόντος Β, το οποίο προσβάλλεται από το πυρηνόφιλο (αλκοόλη). Στην αντίστοιχη αντίδραση με απλές κετόνες ο ενολαιθέρας δεν είναι εύκολα απομονώσιμος, αφού υδρολύεται άμεσα σε όξινο περιβάλον. Σχήμα 5.47 Σύνθεση ενολαιθέρα. 108

109 Σύνοψη των αντιδράσεων προσθήκης σε δεσμούς C=Ο Στον Πίνακα 5.2 δίνεται μια περίληψη των αντιδράσεων προσθήκης σε δεσμούς C=Ο. Πίνακας 5.2 Σύνοψη των αντιδράσεων προσθήκης σε δεσμούς C=Ο Αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στα παράγωγα των καρβοξυλικών οξέων Η δραστικότητα του καρβονυλίου δεν είναι ίδια σε όλες τις καρβονυλικές ενώσεις. Έτσι, ανάλογα με το είδος των υποκαταστατών του, το καρβονύλιο μπορεί να είναι περισσότερο ή λιγότερο επιδεκτικό στις πυρηνόφιλες προσβολές. Οι υποκαταστάτες επηρεάζουν τη δραστικότητα του καρβονυλίου μέσω των ηλεκτρονικών φαινομένων τους (οι δότες ηλεκτρονίων ελαττώνουν τη δραστικότητα, αφού λόγω της συζυγίας μειώνεται η επιθυμητή πολικότητα του καρβονυλίου, Σχήμα 5.48) και μέσω του όγκου τους (στερεοχημική παρεμπόδιση). Σχήμα 5.48 Μια εξήγηση της παρεμπόδισης πυρηνόφιλης προσβολής σε έναν δεσμό C=Ο. Η γενικευμένη σειρά ηλεκτροφιλικότητας του C του δεσμού C=O για τις διάφορες τάξεις καρβονυλικών ενώσεων δίνεται στην Εικόνα 5.2. Σημειώνεται ότι για συγκεκριμένους υποκαταστάτες η σειρά αυτή μπορεί να διαφέρει ελαφρώς. Εικόνα 5.2 Η σειρά δραστικότητας σε πυρηνόφιλη προσβολή διαφόρων τάξεων καρβονυλικών ενώσεων. Ειδικότερα στα παράγωγα των καρβοξυλικών οξέων η πυρηνόφιλη προσβολή (κατά την οποία σχηματίζεται το τετραεδρικό ενδιάμεσο Α) ακολουθείται από ένα στάδιο απόσπασης (πυρηνόφιλη ακυλο- 109

110 υποκατάσταση, nucleophilic acyl-substitution). Σύμφωνα με την παραπάνω κατηγοριοποίηση (Εικόνα 5.2), οι περισσότερο δραστικές τάξεις ενώσεων μπορούν να αντιδράσουν με αυτήν τη διαδικασία για να δώσουν μιαν άλλη λιγότερο δραστική τάξη ενώσεων (π.χ. τα αμίδια υδρολύονται προς καρβοξυλικά οξέα), Σχήμα Σχήμα 5.49 Απλοποιημένο σχήμα αλληλομετατροπής παραγώγων των καρβοξυλικών οξέων. Στην πραγματικότητα ο μηχανισμός της πυρηνόφιλης προσβολής δεν είναι πάντα ο ίδιος και εξαρτάται σημαντικά από τις συνθήκες της αντίδρασης και τα συμμετέχοντα αντιδραστήρια. Για τον μηχανισμό πυρηνόφιλης ακυλο-υποκατάστασης δείτε το Video 5.2. Video 5.2 Ο μηχανισμός πυρηνόφιλης ακυλο-υποκατάστασης Υδρόλυση των παραγώγων των καρβοξυλικών οξέων Γενικότερα, η υδρόλυση των παραγώγων των καρβοξυλικών οξέων μπορεί να γίνει είτε με όξινη, (1), είτε με βασική κατάλυση, (2), Σχήμα Στην πρώτη περίπτωση γίνεται αρχικά πρωτονίωση του Ο του καρβονυλίου και στη συνέχεια το νερό προσβάλλει τον ηλεκτρονιόφιλο άνθρακα. Στη δεύτερη περίπτωση γίνεται προσβολή του καρβονυλίου από το ΗΟ και σχηματίζεται ένα τετραεδρικό ενδιάμεσο (Α), από το οποίο αποσπάται η αποχωρούσα ομάδα. Σχήμα 5.50 Οι μηχανισμοί υδρόλυσης των παραγώγων καρβοξυλικών οξέων. Το παραπάνω σχήμα αποτελεί μιαν απλοποιημένη μόνο περιγραφή των μηχανισμών υδρόλυσης. Μια ενδελεχής μελέτη της υδρόλυσης των εστέρων υποδεικνύει πως θεωρητικά μπορεί να υπάρχουν τρεις παράγοντες διαφοροποίησης του μηχανισμού αυτού: το είδος της κατάλυσης [όξινη (Α) ή βασική (Β)], το είδος του δεσμού που διασπάται [διάσπαση ακυλίου (ΑC) ή αλκυλίου (ΑL), Εικόνα 5.3] και η τάξη της αντίδρασης [μονομοριακός ( 1 ) ή διμοριακός μηχανισμός ( 2 )]. Δηλαδή υπάρχουν θεωρητικά 8 πιθανοί μηχανισμοί. Όμως, πρακτικά μερικοί είναι σπάνιοι, ενώ άλλοι δεν έχουν παρατηρηθεί καθόλου. Η εξακρίβωση του μηχανισμού γίνεται με τη χρήση επισημασμένου νερού, (1), ή με την επίδραση μιας άλλης 110

111 αλκοόλης, (2), οπότε, ανάλογα με τον τρόπο διάσπασης, θα σχηματιστούν διαφορετικά προϊόντα, Σχήμα Στην περίπτωση που ο μηχανισμός είναι τύπου Α AC η μετατροπή καλείται αντίδραση μετεστεροποίησης (transesterification reaction) σε όξινο περιβάλλον. Εικόνα 5.3 Διάκριση σχάσης ακυλίου (AC) και αλκυλίου (AL) στους εστέρες. Σχήμα 5.51 Τρόποι εξακρίβωσης του είδους διάσπασης σε έναν μηχανισμό όξινης υδρόλυσης εστέρων. Η υδρόλυση των εστέρων σε όξινο περιβάλλον είναι μια αντιστρεπτή διαδικασία (η αντίδραση σύνθεσης των εστέρων σε όξινο περιβάλλον από ένα καρβοξυλικό οξύ και μιαν αλκοόλη καλείται εστεροποίηση Fischer, Fischer esterification). Η ισορροπία της αντίδρασης καθορίζεται από το ποιο από τα αντιδρώντα βρίσκεται σε περίσσεια (συνήθως το νερό σε μιαν υδρόλυση και η αλκοόλη σε μιαν εστεροποίηση) ή από την απομάκρυνση ενός εκ των προϊόντων (π.χ. το νερό σε μιαν εστεροποίηση). Ο πιο συχνά παρατηρούμενος μηχανισμός σε μιαν υδρόλυση εστέρα σε όξινο περιβάλλον είναι ο Α AC 2, Σχήμα Σχήμα 5.52 Υδρόλυση εστέρα σύμφωνα με τον μηχανισμό Α ΑC 2. Δύο άλλοι συχνά παρατηρούμενοι μηχανισμοί για την υδρόλυση των εστέρων σε όξινο περιβάλλον είναι ο Α AC 1 και ο Α AL 1. Ο μηχανισμός Α AC 1 ευνοείται όταν το ενδιάμεσο ακυλο-κατιόν (RCO + ) 111

112 σταθεροποιείται, Σχήμα 5.53, ενώ ο μηχανισμός Α AL 1 ευνοείται όταν το ενδιάμεσο αλκυλο-κατιόν (R + ) σταθεροποιείται, Σχήμα Σχήμα 5.53 Υδρόλυση εστέρα σύμφωνα με τον μηχανισμό Α ΑC 1. Σχήμα 5.54 Υδρόλυση εστέρα σύμφωνα με τον μηχανισμό Α ΑL 1. Σε αντίθεση με την υδρόλυση των εστέρων σε όξινο περιβάλλον, η υδρόλυση σε βασικό περιβάλλον δεν είναι αντιστρεπτή διαδικασία και είναι συνθετικά περισσότερο χρήσιμη. Ο πιο συχνά παρατηρούμενος μηχανισμός στην περίπτωση αυτή είναι ο B ΑC 2, Σχήμα Η υδρόλυση εστέρων με καυστικά αλκάλια καλείται αντίδραση σαπωνοποίησης (saponification reaction). Σχήμα 5.55 Υδρόλυση εστέρα σύμφωνα με τον μηχανισμό Β ΑC 2. Η βασική υδρόλυση εστέρων με τριτοταγές αλκύλιο (R ) γίνειται συνήθως με τον μηχανισμό Β AL 1, Σχήμα Σχήμα 5.56 Υδρόλυση εστέρα σύμφωνα με το μηχανισμό Β ΑL 1. Η υδρόλυση των αμιδίων γίνεται τόσο σε όξινο, (1), όσο και σε βασικο περιβάλλον, (2), με μηχανισμούς που προσομοιάζουν με τους Α AC 2 και Β ΑC 2, αντίστοιχα, Σχήμα Η υδρόλυση των αμιδίων σε όξινο περιβάλλον δεν είναι αντιστρεπτή διαδικασία, αφού προκύπτει το άλας της αμίνης που δεν είναι πυρηνόφιλο. 112

113 Σχήμα 5.57 Υδρόλυση αμιδίων. Τα ακυλαλογονίδια είναι τόσο δραστικά ώστε η υδρόλυσή τους να γίνεται ακόμη και με την επίδραση νερού χωρίς την παρουσία οξέος ή βάσης. Ο κύριος μηχανισμός υδρόλυσής τους προσομοιάζει με το Β ΑC 2, Σχήμα Σχήμα 5.58 Υδρόλυση ακυλαλογονιδίων. Η υδρόλυση των ανυδριτών γίνεται όπως και των ακυλαλογονιδίων, Σχήμα Σχήμα 5.59 Υδρόλυση ανυδριτών. Τέλος, τα νιτρίλια υδρολύονται κυρίως σε όξινο περιβάλλον και δίνουν αρχικά τα αντίστοιχα αμίδια, τα οποία υδρολύονται προς καρβοξυλικά οξέα, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, Σχήμα Σχήμα 5.60 Υδρόλυση νιτριλίων. 113

114 Άλλες αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στα ακυλαλογονίδια Εκτός από το νερό, τα ακυλαλογονίδια αντιδρούν με αλκοόλες και αμίνες για να δώσουν εστέρες και αμίδια, αντίστοιχα, Σχήμα Οι αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής από αρωματικό σύστημα (ηλεκτρονιόφιλη αρωματική υποκατάσταση) μελετώνται στο Κεφάλαιο 7. Σχήμα 5.61 Άλλες αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στα ακυλαλογονίδια. Για την αντίδραση ακυλίωσης μιας αλκοόλης με ακυλαλογονίδια (σύνθεση εστέρα) γίνονται δεκτοί δύο μηχανισμοί. Ο πρώτος, (1), είναι ο κλασικός μηχανισμός προσθήκης-απόσπασης, ενώ ο δεύτερος, που χωρεί μόνο αν υπάρχουν α-η ως προς το καρβονύλιο, (2), είναι ένας μηχανισμός απόσπασης-προσθήκης και περιλαμβάνει τον σχηματισμό μιας κετένης (Α), Σχήμα Σχήμα 5.62 Μηχανισμοί ακυλίωσης αλκοολών με ακυλαλογονίδια. Συχνά σε αυτές τις αντιδράσεις χρησιμοποιείται ένας καταλύτης, όπως το DMAP (4- διμεθυλαμινοπυριδίνη). Το DMAP είναι καλύτερο πυρηνόφιλο από το RΌ και αυξάνει σημαντικά την ταχύτητα του πρώτου σταδίου (προσθήκη), το οποίο αλλιώς είναι πολύ πιο αργό από το στάδιο της απόσπασης, Σχήμα Σχήμα 5.63 Μηχανισμός κατάλυσης από το DMAP. 114

115 Άλλες αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στους ανυδρίτες Οι ανυδρίτες αντιδρούν όπως και τα ακυλαλογονίδια (παράγραφος ), Σχήμα Οι αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής από αρωματικό σύστημα (ηλεκτρονιόφιλη αρωματική υποκατάσταση), μελετώνται στο Κεφάλαιο 7. Σχήμα 5.64 Άλλες αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στους ανυδρίτες Άλλες αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στους εστέρες Εκτός από το νερό, οι εστέρες αντιδρούν με αμίνες (και την αμμωνία) για να δώσουν αμίδια (αμινόλυση), Σχήμα 5.65, με μηχανισμούς ανάλογους αυτών που αναφέρθηκαν παραπάνω. Σχήμα 5.65 Αντίδραση εστέρων με αμίνες. Οι εστέρες ανάγονται με αντιδραστήρια που προσφέρουν H, όπως το LiAlH 4, για να δώσουν πρωτοταγείς αλκοόλες, Σχήμα 5.66, ενώ η αναγωγή με NaBH 4 είναι πολύ αργή. Ο μηχανισμός περιλαμβάνει αρχικά τον σχηματισμό της αντίστοιχης αλδεΰδης, η οποία ανάγεται περαιτέρω κατά τα γνωστά (δείτε την παράγραφο ). Σημειώνεται πως η αναγωγή δεν μπορεί εύκολα να σταματήσει στο στάδιο της αλδεΰδης γιατί αυτή ανάγεται ευκολότερα του αρχικού εστέρα. Σχήμα 5.66 Αναγωγή εστέρων με LiAlH 4. Οι εστέρες αντιδρούν επίσης με οργανομαγνησιακές ενώσεις για να δώσουν τριτοταγείς αλκοόλες (στην περίπτωση των φορμικών εστέρων προκύπτουν δευτεροταγείς αλκοόλες), Σχήμα Ο μηχανισμός περιλαμβάνει αρχικά τον σχηματισμό της αντίστοιχης αλδεΰδης ή κετόνης, η οποία προσβάλλεται περαιτέρω από την οργανομαγνησιακή ένωση κατά τα γνωστά (δείτε την παράγραφο ). Σημειώνεται πως η επίδραση της οργανομαγνησιακής δεν μπορεί εύκολα να σταματήσει στο στάδιο της αλδεΰδης ή της κετόνης, γι αυτό και σπάνια εφαρμόζεται γι αυτόν τον σκοπό. 115

116 Σχήμα 5.67 Αντίδραση εστέρων με οργανομαγνησιακά αντιδραστήρια. Τέλος, οι εστέρες αντιδρούν και με αλκοόλες, είτε σε όξινο περιβάλλον (μετεστεροποίηση σε όξινο περιβάλλον, δείτε την παράγραφο ) είτε με βασική κατάλυση παρουσία περίσσειας αλκοόλης (μετεστεροποίηση σε βασικό περιβάλλον), Σχήμα Σχήμα 5.68 Μετεστεροποίηση σε βασικό περιβάλλον Άλλες αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στα αμίδια Τα αμίδια, όπως και οι εστέρες (παράγραφος ), ανάγονται με αντιδραστήρια που προσφέρουν H, όπως το LiAlH 4, για να δώσουν αμίνες, Σχήμα Η αντίδραση αυτή είναι πιο αργή από την αντίστοιχη της αναγωγής των εστέρων και γι αυτό απαιτούνται δραστικότερες συνθήκες. Σχήμα 5.69 Αναγωγή αμιδίων με LiAlH 4. Τα αμίδια αντιδρούν και με οργανομαγνησιακές ενώσεις για να δώσουν το τετραεδρικό ενδιάμεσο Α, το οποίο είναι σχετικά σταθερό σε χαμηλές θερμοκρασίες, ειδικότερα στην περίπτωση που ο ένας υποκαταστάτης του Ν είναι αλκοξυ-ομάδα (αμίδια Weinreb). Προσθήκη νερού οδηγεί στον σχηματισμό μιας αλδεΰδης ή μιας κετόνης, Σχήμα Η ίδια αντίδραση χωρεί και με οργανολιθιακές ενώσεις. 116

117 Σχήμα 5.70 Επίδραση οργανομαγνησιακών ενώσεων στα αμίδια Άλλες αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στα νιτρίλια Τα νιτρίλια ανάγονται με αντιδραστήρια που προσφέρουν H, όπως το LiAlH 4, αλλά και με καταλυτική υδρογόνωση για να δώσουν πρωτοταγείς αμίνες, Σχήμα Ακόμη, αντιδρούν με οργανομαγνησιακές ενώσεις για να δώσουν κετόνες, Σχήμα Η αντίδραση αυτή οδηγεί αποκλειστικά σε κετόνες, αφού οι τελευταίες σχηματίζονται μόνο μετά την υδατική κατεργασία του μίγματος της αντίδρασης (το ενδιάμεσο Α δεν είναι ηλεκτρονιόφιλο). Σχήμα 5.71 Αναγωγή νιτριλίων. Σχήμα 5.72 Αντίδραση νιτριλίων με οργανομαγνησιακές ενώσεις. Με αλκοόλυση τα νιτρίλια δίνουν εστέρες, με μηχανισμό παρόμοιο με αυτόν με τον οποίο υδρολύονται. 5.5 Προσθήκες σε δεσμούς C=Ν Οι προσθήκες σε δεσμούς C=N ακολουθούν σε γενικές γραμμές τους ίδιους μηχανισμούς που ακολουθούν οι προσθήκες σε δεσμούς C=O (παράγραφος 5.4.1). Παρακάτω περιγράφονται μερικές τέτοιες αντιδράσεις. Σημειώνεται ότι στην περίπτωση των ισοκυανικών εστέρων οι διάφορες αντιδράσεις προσθήκης χωρούν στον δεσμό C=N μόνο φαινομενικά, ενώ στην πραγματικότητα η προσθήκη γίνεται στον δεσμό C=O Υδρόλυση παραγώγων με δεσμό C=N 117

118 H υδρόλυση των παραγώγων του τύπου C=N-Α δίνει τις αντίστοιχες καρβονυλικές ενώσεις (αλδεΰδες και κετόνες), είναι δηλαδή μια αντίστροφη διαδικασία της σύνθεσης των ενώσεων αυτών (παράγραφος ), Σχήμα Πρακτικά πολύ εύκολα υδρολύονται οι ιμίνες (συμπεριλαμβανομένων και των βάσεων Schiff, εκτός των αρωματικών), ενώ οι οξίμες και οι υδραζόνες απαιτούν πιο δραστικές συνθήκες. Σχήμα 5.73 Υδρόλυση παραγώγων του τύπου C=N-A. Η υδρόλυση των ισοκυανικών εστέρων παράγει αρχικά ένα Ν-υποκατεστημένο καρβαμικό οξύ (Α), το οποίο άμεσα χάνει διοξείδιο του άνθρακα για να δώσει την αντίστοιχη αμίνη, Σχήμα Με τον ίδιο τρόπο χωρεί και η προσθήκη αλκοολών, αλλά η αντίδραση σταματά στο στάδιο της ουρεθάνης (Β). Σχήμα 5.74 Υδρόλυση και αλκοόλυση ισοκυανικών εστέρων Αμμωνιόλυση παραγώγων με δεσμό C=N H προσθήκη αμμωνίας ή αμινών σε ισοκυανικούς εστέρες δίνει υποκατεστημένες ουρίες, Σχήμα Σχήμα 5.75 Αμμωνιόλυση ισοκυανικών εστέρων Αναγωγή παραγώγων με δεσμό C=N H αναγωγή των ιμινών και των οξιμών (με αντιδραστήρια όπως το NaBH 4, το LiAlH 4, το NaCNBH 3 και καταλυτική υδρογόνωση με Pd ή Ra-Ni) δίνει αμίνες (δείτε και την αντίδραση αναγωγικής αμίνωσης, παράγραφος ). Ειδικότερα οι οξίμες ανάγονται και με βοράνια, προς υδροξυλαμίνες Επίδραση οργανομεταλλικών αντιδραστηρίων σε παράγωγα με δεσμό C=N Η αλδιμίνες δίνουν με οργανομαγνησιακές ενώσεις τις αναμενόμενες δευτεροταγείς αμίνες, Σχήμα 5.76, ενώ οι κετιμίνες ανάγονται. Αντίθετα, η επίδραση οργανολιθιακών ενώσεων και στις δύο κατηγορίες οδηγεί σε δευτεροταγείς αμίνες. 118

119 Σχήμα 5.76 Επίδραση οργανομαγνησιακών σε αλδιμίνες. Οι ισοκυανικοί εστέρες δίνουν με οργανομαγνησιακές ενώσεις αμίδια, Σχήμα Σχήμα 5.77 Επίδραση οργανομαγνησιακών σε ισοκυανικούς εστέρες. 5.6 Προσθήκες στα ισονιτρίλια Στα ισονιτρίλια τόσο η ηλεκτρονιόφιλη ομάδα όσο και η πυρηνόφιλη προστίθενται στο ίδιο άτομο, Σχήμα Στην πράξη η αντίστροφη διαδικασία, δηλαδή η αφυδάτωση των φορμαμιδίων, χρησιμοποιείται για την παρασκευή ισονιτριλίων. Σχήμα 5.78 Γενικό σχήμα αντίδρασης προσθήκης σε ισονιτρίλιο Ενυδάτωση ισονιτριλίων H ενυδάτωση των ισονιτριλίων γίνεται σύμφωνα με το γενικό σχήμα οδηγώντας σε φορμαμίδια. Σε αρκετές περιπτώσεις αυτά διασπώνται προς αμίνες, Σχήμα Με παρόμοιο τρόπο αντιδρούν και άλλα πυρηνόφιλα, όπως οι αλκοόλες, οι θειόλες και οι αμίνες. Σχήμα 5.79 Ενυδάτωση ισονιτριλίων Η αντίδραση Passerini 119

120 Η αντίδραση Passerini (Passerini reaction) είναι μια αντίδραση τριών συστατικών στην οποία συμμετέχουν ένα ισονιτρίλιο, μια καρβονυλική ένωση (αλδεΰδη ή κετόνη) και ένα καρβοξυλικό οξύ, Σχήμα Η μετατροπή αυτή περιλαμβάνει ένα στάδιο στο οποίο γίνεται ακυλο-αναδιάταξη. Σχήμα 5.80 Αντίδραση Passerini Η αντίδραση Ugi Προέκταση της αντίδρασης Passerini είναι η αντίδραση Ugi (Ugi reaction), μια αντίδραση τεσσάρων συστατικών στην οποία συμμετέχουν ένα ισονιτρίλιο, μια καρβονυλική ένωση (αλδεΰδη ή κετόνη), ένα καρβοξυλικό οξύ και μια αμίνη, Σχήμα Το πρώτο στάδιο είναι ο σχηματισμός μιας ιμίνης (Α) (δείτε την παράγραφο ), ενώ στο τελευταίο στάδιο γίνεται ακυλο-αναδιάταξη. Σχήμα 5.81 Αντίδραση Ugi. 120

121 Βιβλιογραφία/Αναφορές [1] Ν. Ε. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία: Δομή-Φάσματα-Μηχανισμοί, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Ζήτη, 1985, Τεύχος Α. [2] A. Βάρβογλης, Χημεία Οργανικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Παρατηρητής, [3] R. B. Grossman, The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Springer, [4] W.C. Groutas, Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Wiley, [5] M. G. Moloney, Reaction Mechanisms at a Glance, Oxford, UK: Blackwell Science, [6] Μ. Στρατάκης, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Α. [7] Δ. Παπαϊωάννου, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Β. [8] Μ. Β. Smith, J. March, Advanced Organic Chemistry, 5 th Ed., John Wiley & Sons, Inc., [9] J. McMurry, Οργανική Χημεία, (Μετάφραση Α. Βάρβογλης, Μ. Ορφανόπουλος, Ι. Σμόνου, Μ. Στρατάκης), Ηράκλειο, Ελλάς: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, [10] P. Vollhardt, N. Schore, Οργανική Χημεία: Δομή και Λειτουργικότητα (Μετάφραση: Ε. Μαλαμίδου, Ν. Ρόδιος, Σ. Σπυρούδης), Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Αφοί Κυριακίδη, 2012, Τόμοι Α και Β. [11] Θ. Μαυρομούστακος, Θ. Τσέλιος, Κ. Παπακωνσταντίνου, Θεμελιώδεις Αρχές Οργανικής Χημείας, Αθήνα, Ελλάς, Εκδόσεις Συμμετρία, Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης 1 Κριτήριο αξιολόγησης 2 Κριτήριο αξιολόγησης 3 Κριτήριο αξιολόγησης 4 Κριτήριο αξιολόγησης 5 Κριτήριο αξιολόγησης 6 Κριτήριο αξιολόγησης 7 Κριτήριο αξιολόγησης 8 Κριτήριο αξιολόγησης 9 Κριτήριο αξιολόγησης

122 Κεφάλαιο 6: Αντιδράσεις ενολών και ενολικών ανιόντων Σύνοψη Το κεφάλαιο αυτό ασχολείται με τη μελέτη των αντιδράσεων των ενολών και των ενολικών ανιόντων εστιάζοντας κυρίως σε εκείνα που προέρχονται από μονοκαρβονυλικές ενώσεις (αλδεΰδες, κετόνες και εστέρες) και 1,3-δικαρβονυλικές ενώσεις. Γίνεται ανάλυση διαφόρων παραμέτρων που επηρεάζουν την πορεία και έκβασή τους και δίνονται κάποιες από τις σημαντικότερες μετατροπές που χωρούν με αυτού του είδους τις αντιδράσεις. Η συγγραφή του κεφαλαίου βασίστηκε εν μέρει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-11]. Προαπαιτούμενη γνώση Για την ευκολότερη και καλύτερη κατανόηση αυτού του κεφαλαίου ο αναγνώστης θα πρέπει να είναι σε θέση να σχεδιάζει σωστές δομές Lewis, να έχει εξοικειωθεί με τη χρήση κυρτών βελών, να κατέχει τους βασικούς κανόνες ονοματολογίας και στερεοχημείας, να αναγνωρίζει τις διάφορες τάξεις οργανικών ενώσεων και να γνωρίζει καλά τους μηχανισμούς πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (Κεφάλαιο 2), τους μηχανισμούς ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (Κεφάλαιο 4) και τις έννοιες: ηλεκτρονιόφιλο, πυρηνόφιλο, καρβοκατιόντα, καρβανιόντα, συντονισμός και τη θερμοδυναμική θεώρηση μιας οργανικής αντίδρασης (και ό,τι σχετίζεται με αυτήν). Για τα αντικείμενα αυτά ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέχει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-11] και στα προηγούμενα κεφάλαια του παρόντος συγγράμματος. 6. Αντιδράσεις ενολών και ενολικών ανιόντων Οι καρβονυλικές ενώσεις που έχουν α-η μπορούν να δώσουν ενολικά ανιόντα ή να αντιδράσουν μέσω της ενολικής τους δομής (δείτε και την κετοενολική ισορροπία, παράγραφος 1.4.2). Ο τρόπος δημιουργίας τους και οι αντιδράσεις που δίνουν αυτές οι χημικές οντότητες αναλύονται παρακάτω. Οι μετατροπές αυτές είναι πολύ μεγάλης σημασίας για την Οργανική Σύνθεση γιατί με τις περισσότερες από αυτές δημιουργείται δεσμός C-C. 6.1 Γενική θεώρηση της δημιουργίας και των αντιδράσεων των ενολών και των ενολικών ανιόντων Τα α-η μιας καρβονυλικής ένωσης είναι αρκετά όξινα και μπορούν να αποσπασθούν με μια βάση (Β). Τα προκύπτοντα ανιόντα (Α) σταθεροποιούνται μέσω της ενολικής δομής συντονισμού (Α ) και καλούνται ενολικά ανιόντα (enolates). Αυτά στη συνέχεια μπορούν να προσβάλλουν ένα ηλεκτρονιόφιλο αντιδραστήριο (Ε), Σχήμα 6.1. Η ομάδα Υ μπορεί να είναι επίσης μιας καρβονυλική ομάδα, οπότε στην περίπτωση αυτή το α-η είναι ακόμη περισσότερο όξινο, ενώ η φύση του υποκαταστάτη του καρβονυλίου X μπορεί να ποικίλει. Γενικά, οι αντιδράσεις αυτές ταξινομούνται ανάλογα με τη φύση της αρχικής καρβονυλικής ένωσης και τη φύση του ηλεκτρονιόφιλου αντιδραστηρίου (Ε). Στο παρόν σύγγραμμα η ταξινόμηση γίνεται με βάση το είδος της αρχικής καρβονυλικής ένωσης. Σχήμα 6.1 Το γενικό σχήμα δημιουργίας και αντίδρασης ενολικού ανιόντος. 122

123 Από την άλλη, οι ενόλες δίνουν ουσιαστικά αντιδράσεις ηλεκτρονιόφιλης υποκατάστασης στον δεσμό C=C, ο οποίος λόγω του γειτονικού υδροξυλίου είναι ιδιαίτερα πλούσιος ηλεκτρονικά (δείτε και την παράγραφο 5.1.1). 6.2 Ενόλες και ενολικά ανιόντα που προέρχονται από αλδεΰδες ή κετόνες Στην περίπτωση των ενολικών ανιόντων των αλδεϋδών και των κετονών ισχύει το Σχήμα 6.1 (όπου Υ = Η, αλκυλο- ή αρυλο-υποκαταστάτης και Χ = αλκυλο- ή αρυλο-υποκαταστάτης). Τα ενολικά ανιόντα (ή οι σχετιζόμενες ενόλες) που προκύπτουν από αλδεΰδες ή κετόνες μπορούν να προστεθούν σε διάφορα ηλεκτρονιόφιλα, όπως π.χ. αλογονοαλκάνια, αλογόνα, συζυγιακά συστήματα, άλλες αλδεΰδες ή κετόνες, σε εστέρες και σε ιμινιακά κατιόντα α-αλκυλίωση κετονών H α-αλκυλίωση των κετονών επιτυγχάνεται με την επίδραση στοιχειομετρικής ποσότητας μιας βάσης (π.χ. LDA ή NaH) και τη δημιουργία του αντίστοιχου ενολικού ανιόντος (πρώτο στάδιο). Στο δεύτερο στάδιο (πυρηνόφιλη υποκατάσταση S N 2) γίνεται προσθήκη του αλκυλιωτικού μέσου, Σχήμα 6.2 (δείτε και την παράγραφο 2.2.1). Για να αποφευχθεί η πιθανότητα αλδολικής αντίδρασης ή/και αντίδρασης του αλογοναλκανίου με τη βάση δεν χρησιμοποιούνται βάσεις όπως οι HO και RO. Σχήμα 6.2 α-αλκυλίωση κετονών. Οι μη συμμετρικές α-μονοϋποκατεστημένες κετόνες μπορούν να δώσουν δύο διαφορετικά προϊόντα αλκυλίωσης. Στην πράξη, ανάλογα με τη βάση που χρησιμοποιείται και τη θερμοκρασία, μπορεί να σχηματιστεί εκλεκτικά (τοποεκλεκτικότητα) το ένα από τα δύο, Σχήμα 6.3. Έτσι, η επίδραση μιας παρεμποδισμένης βάσης σε χαμηλή θερμοκρασία (όπως το LDA) δίνει το κινητικά ευνοούμενο ενολικό ανιόν Α (αποπρωτονιώνεται η λιγότερο παρεμποδισμένη α-θέση), ενώ η επίδραση μιας μη παρεμποδισμένης βάσης (όπως το NaH) σε θερμοκρασία δωματίου δίνει το θερμοδυναμικά ευνοούμενο ενολικό ανιόν Β (περισσότερο υποκατεστημένος δεσμός C=C). 123

124 Σχήμα 6.3 α-αλκυλίωση μη συμμετρικής κετόνης α-αλογόνωση αλδεϋδών, κετονών και καρβοξυλικών οξέων Η α-αλογόνωση των αλδεϋδών και των κετονών γίνεται μέσω ενολών (σε όξινο περιβάλλον) ή μέσω ενολικών ανιόντων (σε βασικό περιβάλλον) (δείτε την παράγραφο 4.5.7). Μέσω ενολών γίνεται και η α-αλογόνωση καρβοξυλικών οξέων (δείτε την παράγραφο 4.5.8) Αντιδράσεις Michael ενολικών ανιόντων αλδεϋδών και κετονών Τα ενολικά ανιόντα που προκύπτουν από αλδεΰδες ή κετόνες μπορούν να προστεθούν σε συζυγιακούς δεσμούς με δέκτες ηλεκτρονίων (αντίδραση Michael), Σχήμα 6.4 (δείτε και την παράγραφο 5.2). Πρακτικά η αντίδραση γίνεται με μια μεγάλη ποικιλία συστημάτων που φέρουν δέκτες ηλεκτρονίων. Σχήμα 6.4 Παράδειγμα αντίδρασης Michael ενολικού ανιόντος κετόνης με συζυγιακή κετόνη Σύνθεση σιλυλενολαιθέρων 124

125 Οι σιλυλενολαιθέρες παρασκευάζονται από μιαν αλδεΰδη ή κετόνη με την επίδραση ενός αλογονοσιλανίου και μιας βάσης, Σχήμα 6.5. Βρίσκουν εφαρμογή κυρίως σε διάφορες αντιδράσεις στις οποίες απαιτείται η χρήση ενός προσχηματισμένου ενολικού παραγώγου (π.χ. δείτε την παράγραφο και την παράγραφο ). Σχήμα 6.5 Παράδειγμα σύνθεσης σιλυλενολαιθέρα Η αλδολική αντίδραση Ο μηχανισμός της αλδολικής αντίδρασης Στην αλδολική αντίδραση (aldol reaction) το ενολικό ανιόν που προκύπτει από την απόσπαση με βάση του α- Η μιας αλδεΰδης ή κετόνης (πυρηνόφιλο) προσβάλλει τον καρβονυλικό C μιας άλλης αλδεΰδης ή κετόνης (ηλεκτρονιόφιλο) για να δώσει μια β-υδροξυ-αλδεΰδη (αλδόλη) ή κετόνη (Α), Σχήμα 6.6. Στην περίπτωση που Υ = Η η Α μπορεί περαιτέρω να αφυδατωθεί, είτε άμεσα είτε με ήπια θέρμανση, δίνοντας μιαν α,βακόρεστη αλδεΰδη ή κετόνη (Β) και η όλη μετατροπή καλείται αλδολική συμπύκνωση (aldol condensation). Σε ό,τι αφορά τη στερεοχημεία του δεσμού C=C αυτή είναι τις περισσότερες φορές trans. Οι βάσεις που χρησιμοποιούνται είναι συνήθως ΗΟ, RO, LDA, LiHMDS, KHMDS. Αρκετά συχνά το ενολικό αντιδραστήριο δημιουργείται χωριστά, πριν την προσθήκη του ηλεκτρονιόφιλου. Σχήμα 6.6 Το γενικό σχήμα μιας αλδολικής αντίδρασης και συμπύκνωσης σε βασικό περιβάλλον. Οι σιλυλενολαιθέρες χρησιμοποιούνται συχνά ως πρόδρομες ενώσεις των ενολικών ανιόντων, αφού δίνουν εύκολα με την επίδραση F το ενολικό ανιόν, Σχήμα

126 Σχήμα 6.7 Η χρήση των σιλυλενολαιθέρων σε μιαν αλδολική αντίδραση σε βασικό περιβάλλον. Εναλλακτικά, παρουσία ενός όξινου καταλύτη, γίνεται αρχικά πρωτονίωση του καρβονυλίου και το ηλεκτρονιόφιλο που προκύπτει προσβάλλεται από την ενολική μορφή της άλλης καρβονυλικής ένωσης (στην πράξη μια ηλεκτρονιόφιλη προσβολή από τον δεσμό C=C), Σχήμα 6.8, δείτε και την παράγραφο Σχήμα 6.8 Το γενικό σχήμα μιας αλδολικής αντίδρασης και συμπύκνωσης σε όξινο περιβάλλον Διερεύνηση της αλδολικής αντίδρασης με βάση τα αντιδρώντα Ανάλογα το είδος των αρχικών αντιδραστηρίων, μπορεί να γίνει διάκριση στις παρακάτω υποπεριπτώσεις: Αντίδραση με ένα είδος αλδεΰδης. Δηλαδή η αλδεΰδη που δημιουργεί το ενολικό ανιόν (πρέπει να έχει α-η) ταυτίζεται με αυτήν που λειτουργεί ως ηλεκτρονιόφιλο. Η αντίδραση ολοκληρώνεται σχεδόν πάντα με επιτυχία μιας και η ισορροπία είναι μετατοπισμένη προς την αλδόλη. Αντίδραση με ένα είδος κετόνης. Δηλαδή η κετόνη που δημιουργεί το ενολικό ανιόν (πρέπει να έχει α-η) ταυτίζεται με αυτήν που λειτουργεί ως ηλεκτρονιόφιλο. Η ισορροπία είναι μετατοπισμένη προς τα αντιδρώντα γι αυτό και απαιτούνται δραστικές συνθήκες ώστε να επιτευχθεί η αντίδραση. Αντίδραση μεταξύ δύο διαφορετικών αλδεϋδών. Εφόσον και οι δύο αλδεΰδες έχουν α-η είναι δυνατόν να σχηματισθούν 4 διαφορετικά προϊόντα αλδολικού τύπου (και κατ επέκταση 4 διαφορετικά προϊόντα συμπύκνωσης), Σχήμα 6.9. Αν όμως μόνο μια από αυτές έχει α-η τότε σχηματίζονται δύο αλδόλες και το κύριο προϊόν είναι το διασταυρούμενο [διασταυρούμενη αλδολική αντίδραση (crossed aldol reaction) ή αντίδραση Claisen-Schmidt (Claisen-Schmidt reaction)]. Αντίδραση μεταξύ μιας αλδεΰδης και μιας κετόνης. Είναι συνήθως επιτυχημένη αντίδραση, η οποία χωρεί μέσω της προσβολής από τον α-c της κετόνης. Η αλδεΰδη μπορεί να έχει ή να μην έχει α-η. Αντίδραση με δύο διαφορετικές κετόνες. Η περίπτωση αυτή δύσκολα οδηγεί σε επιτυχή έκβαση. 126

127 Σχήμα 6.9 Αλδολική αντίδραση μεταξύ δύο διαφορετικών αλδεϋδών με α-η. Η διασταυρούμενη αλδολική αντίδραση μπορεί να επιτευχθεί με τη μη αντιστρεπτή δημιουργία του ενολικού ανιόντος της μιας αλδεΰδης χωριστά (με την επίδραση π.χ. LDA) και στη συνέχεια τη σταδιακή προσθήκη της άλλης αλδεΰδης, Σχήμα Η διαδικασία αυτή καλείται κατευθυνόμενη αλδολική αντίδραση (directed aldol reaction). Σχήμα 6.10 Διαδικασία κατευθυνόμενης αλδολικής αντίδρασης Διερεύνηση της στερεοεκλεκτικότητας της αλδολικής αντίδρασης Κατά την αλδολική αντίδραση σχηματίζονται δύο νέα στερεογονικά κέντρα. Κατά συνέπεια, προκύπτουν 4 στερεοϊσομερή, από τα οποία τα δύο είναι συν-προϊόντα (Α και Β, εναντιομερή μεταξύ τους) και τα άλλα δύο αντι-προϊόντα (C και D, εναντιομερή μεταξύ τους), π.χ. Σχήμα Εκλεκτικότητα, ως προς τον σχηματισμό των συν- ή αντι-ζευγών, είναι δυνατόν να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας ενολικά παράγωγα που έχουν προσυντεθεί. Αυτά είναι συνήθως μεταλλικά ενολικά παράγωγα (π.χ. του Mg, Li και Ti) και σιλυλενολαιθέρες (δείτε την παράγραφο και την παράγραφο ) και έχει βρεθεί ότι, ανάλογα τη στερεοχημεία τους (Ζ- ή Ε-), δίνουν κατά προτίμηση τα συν- ή αντι-προϊόντα. Εναντιοεκλεκτικότητα μπορεί επίσης να επιτευχθεί με τη χρήση χειρόμορφων ενολικών παραγώγων. Σχήμα 6.11 Παράδειγμα σχηματισμού στερεοϊσομερών σε μιαν αλδολική αντίδραση Η αλδολική αντίδραση Mukaiyama 127

128 Η αλδολική αντίδραση με σιλυλενολαιθέρες και μιαν αλδεΰδη ή κετόνη σε όξινο περιβάλλον καλείται αλδολική αντίδραση Mukaiyama (Mukaiyama aldol reaction). Η αντίδραση καταλύεται από ένα οξύ κατά Lewis (συνήθως TiCl 4 ), Σχήμα Στην περίπτωση υποκατεστημένων σιλυλενολαιθέρων όπως ο Α (παράγραφος 6.2.4), τα αντιδρώντα, ο καταλύτης και οι συνθήκες της αντίδρασης μπορούν να καθορίσουν αν θα σχηματιστεί το συν- ή το αντι-προϊόν, ενώ ασύμμετροι καταλύτες οδηγούν σε εναντιοεκλεκτικές συνθέσεις. Σχήμα 6.12 Αλδολική αντίδραση Mukaiyama με μιαν αλδεΰδη Η ενδομοριακή αλδολική αντίδραση Η αλδολική αντίδραση χωρεί και ενδομοριακά και ευνοείται όταν σχηματίζεται πενταμελής ή εξαμελής δακτύλιος, Σχήμα Σχήμα 6.13 Παράδειγμα ενδομοριακής αλδολικής συμπύκνωσης. Μια πολύ χρήσιμη περίπτωση στην οποία λαμβάνει χώρα ενδομοριακή αλδολική αντίδραση είναι η αντίδραση κυκλοποίησης Robinson (Robinson annulation), Σχήμα Το πρώτο στάδιο αυτής της αντίδρασης είναι μια προσθήκη τύπου Michael (παράγραφος 6.2.3). Η δικετόνη που προκύπτει (Α) δίνει στη συνέχεια την αλδόλη Β με ενδομοριακή αλδολική αντίδραση. Τέλος, με αφυδάτωση προκύπτει η ακόρεστη κετόνη. 128

129 Σχήμα 6.14 Παράδειγμα αντίδρασης κυκλοποίησης Robinson. Σε ορισμένα κυκλικά συστήματα (β-υδροξυαλκοόλες) με μεγάλη τάση είναι δυνατή και η αντιστρεπτή πορεία, δηλαδή η διάσπαση ενός δεσμού C-C και η δημιουργία μιας δικαρβονυλικής ένωσης (retro-αλδολική αντίδραση, retro-aldol reaction) Η α-ακυλίωση κετονών Το ενολικό ανιόν που προκύπτει από μιαν κετόνη μπορεί να προσβάλλει και το καρβονύλιο ενός εστέρα δίνοντας μιαν 1,3-δικετόνη, Σχήμα 6.15 (α-ακυλίωση κετονών). Η αντίδραση αυτή χωρεί χωρίς τη δημιουργία του ενολικού ανιόντος του εστέρα, αφού το α-η του τελευταίου είναι λιγότερο όξινο, ενώ με κατάλληλες πειραματικές συνθήκες είναι δυνατόν να αποφευχθούν περαιτέρω αντιδράσεις του ανιόντος Α. 129

130 Σχήμα 6.15 Μηχανισμός α-ακυλίωσης κετονών Η αντίδραση Mannich Η αντίδραση Mannich (Mannich reaction) είναι μια αντίδραση τριών συστατικών: μια πρωτοταγής ή δευτεροταγής αμίνη, μια μη ενολοποιήσιμη αλδεΰδη (συνήθως φορμαλδεΰδη) και μια ενολοποιήσιμη καρβονυλική ένωση αντιδρούν για να δώσουν μια β-αμινοκαρβονυλική ένωση, Σχήμα Η αντίδραση καταλύεται από οξύ (στην πράξη η αμίνη είναι με την πρωτονιωμένη της μορφή). Στο πρώτο στάδιο σχηματίζεται από τη μη ενολοποιήσιμη αλδεΰδη και την αμίνη το ιμινιακό κατιόν Α, το οποίο στη συνέχεια προσβάλλεται από την ενολική μορφή της ενολοποιήσιμης καρβονυλικής ένωσης (Β). 130

131 Σχήμα 6.16 Μηχανισμός της αντίδρασης Mannich. 6.3 Ενολικά ανιόντα που προέρχονται από εστέρες Στην περίπτωση των ενολικών ανιόντων των εστέρων ισχύει το Σχήμα 6.1 (όπου Υ = Η, αλκυλο- ή αρυλουποκαταστάτης και Χ = αλκυλοξυ- ή αρυλοξυ-ομάδα). Τα ενολικά ανιόντα που προκύπτουν από εστέρες μπορούν να προστεθούν σε διάφορα ηλεκτρονιόφιλα, όπως π.χ. άλλοι εστέρες, αλδεΰδες και κετόνες H συμπύκνωση Claisen H συμπύκνωση Claisen (Claisen condensation) χωρεί όταν γίνει επίδραση βάσης σε έναν εστέρα που έχει δύο α-η Ο μηχανισμός της συμπύκνωσης Claisen Η επίδραση βάσης στον εστέρα έχει ως συνέπεια την απόσπαση του α-η του και τη δημιουργία ενός ενολικού ανιόντος (Α) το οποίο προσβάλλει το καρβονύλιο ενός δεύτερου μορίου εστέρα (σχηματίζεται το τετραεδρικό ενδιάμεσο Β). Στο τελευταίο γίνεται τελικά απόσπαση μιας αλκοξυ-ομάδας και προκύπτει ένας β-κετοεστέρας, Σχήμα Ως βάση χρησιμοποιείται το αλκοξυ-ανιόν που αποσπάται από το τετραεδρικό ενδιάμεσο (RO ). Αν χρησιμοποιηθεί άλλο αλκοξυ-ανιόν τότε θα επέλθει μετεστεροποίηση. Άλλη συχνά χρησιμοποιούμενη βάση είναι το LDA, ενώ το ΗΟ δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί γιατί θα υδρολύσει τον αρχικό εστέρα (σαπωνοποίηση). Επιπλέον απαιτείται ισομοριακή ποσότητα της βάσης γιατί αυτή καταναλώνεται κατά τη δημιουργία του πολύ σταθεροποιημένου ανιόντος C. Στην πράξη η δημιουργία του C είναι και ο λόγος που αυτή η αντιστρεπτή αντίδραση χωρεί με επιτυχία (π.χ. εστέρες με ένα μόνο α-η δεν δίνουν την αντίδραση). 131

132 Σχήμα 6.17 Ο μηχανισμός της συμπύκνωσης Claisen. Όταν χρησιμοποιούνται δύο διαφορετικοί εστέρες θα πρέπει, για να είναι επιτυχής η αντίδραση (διασταυρούμενη συμπύκνωση Claisen, crossed Claisen condensation), είτε ο ένας να μην έχει α-η είτε να γίνει κατεργασία αρχικά ενός εκ των εστέρων με μιαν ισχυρή βάση ώστε να δημιουργηθεί το ενολικό ανιόν του και στη συνέχεια να προστεθεί ο άλλος εστέρας (όπως αναφέρθηκε και στην περίπτωση της αλδολικής αντίδρασης, Σχήμα 6.10) Η κυκλοποίηση Dieckmann Η ενδομοριακή εκδοχή της συμπύκνωσης Claisen καλείται κυκλοποίηση Dieckmann (Dieckmann cyclization) και χωρεί με διεστέρες, Σχήμα Σχήμα 6.18 Κυκλοποίηση Dieckmann Αντίδραση ενολικών ανιόντων εστέρων με αλδεΰδες ή κετόνες H πυρηνόφιλη προσβολή ενολικών ανιόντων εστέρων σε αλδεΰδες και κετόνες δίνει β-υδροξυεστέρες, Σχήμα Η αντίδραση αυτή απαιτεί συνήθως ισχυρότερες βάσεις από ό,τι η αλδολική αντίδραση (π.χ. LDA). 132

133 Σχήμα 6.19 Αντίδραση ενολικού ανιόντος εστέρα με κετόνη. Χαρακτηριστική περίπτωση τέτοιας αντίδρασης αποτελεί η αντίδραση του ενολικού ανιόντος ενός διεστέρα του ηλεκτρικού οξέος με αλδεΰδες και κετόνες, Σχήμα 6.20, η οποία οδηγεί σε ολεφινοποίηση ενός εκ των α-c του εστέρα. Η αντίδραση αυτή καλείται συμπύκνωση Stobbe (Stobbe condensation) και έχει βρεθεί ότι χωρεί μέσω του λακτονικού παραγώγου Α. Σχήμα 6.20 Συμπύκνωση Stobbe Η αντίδραση ενολικών ανιόντων α-αλογονοεστέρων με αλδεΰδες ή κετόνες Οι α-αλογονοεστέρες δίνουν με αλδεΰδες ή κετόνες παρουσία βάσης α,β-εποξυ-εστέρες, Σχήμα Η αντίδραση καλείται αντίδραση Darzens (Darzens reaction) και γίνεται μέσω του αρχικά σχηματιζόμενου αλκοξείδιου (Α), το οποίο κυκλοποιείται στο τελικό εποξείδιο (ενδομοριακή S N 2 προσβολή). Στην περίπτωση που το ηλεκτρονιόφιλο είναι μια αλδεΰδη, η προσθήκη της ενόλης σε αυτήν μπορεί να δώσει τόσο το συνόσο και το αντι-ενδιάμεσο Α (R 4 = H) και κατ επέκταση να οδηγήσει, αντίστοιχα, στο cis- και transεποξείδιο. Συνήθως σχηματίζεται μίγμα, με το δεύτερο να είναι το κύριο προϊόν. 133

134 Σχήμα 6.21 Αντίδραση Darzens. Η πυρηνόφιλη προσβολή μιας οργανοψευδαργυρικής ένωσης που προκύπτει από έναν α- αλογονοεστέρα σε μιαν αλδεΰδη ή κετόνη δίνει έναν β-υδροξυεστέρα, Σχήμα Η μετατροπή αυτή καλείται αντίδραση Reformatsky (Reformatsky reaction) και προσομοιάζει με την αντίδραση προσθήκης οργανομαγνησιακών ενώσεων σε αλδεΰδες και κετόνες. Εκτός του Zn, έχουν χρησιμοποιηθεί και άλλα μέταλλα, ενώ σε μερικές περιπτώσεις ενδέχεται ο σχηματισμός του β-υδροξυεστέρα να συνοδεύεται από αφυδάτωση προς τον αντίστοιχο α,β-ακόρεστο εστέρα. Σχήμα 6.22 Μηχανισμός της αντίδρασης Reformatsky. 6.4 Ενολικά ανιόντα που προέρχονται από 1,3-δικαρβονυλικές ενώσεις Στην περίπτωση των ενολικών ανιόντων των 1,3-δικαρβονυλικών ενώσεων ισχύει το Σχήμα 6.1 (όπου Υ = COR ή COOR και Χ = R ή OR). Τα 2-Η μιας 1,3-δικαρβονυλικής ένωσης είναι περισσότερο όξινα από αυτά μιας απλής καρβονυλικής ένωσης (ενδεικτικά αναφέρεται πως ο pk a της ακεταλδεΰδης είναι 16,7 και της 2,4- πεντανοδιόνης 9). Τα ενολικά ανιόντα που προκύπτουν από 1,3-δικαρβονυλικές ενώσεις μπορούν να προστεθούν σε διάφορα ηλεκτρονιόφιλα, όπως π.χ. αλογονοαλκάνια, συζυγιακά συστήματα, αλδεΰδες και κετόνες Αλκυλίωση 1,3-δικαρβονυλικών ενώσεων 134

135 H αλκυλίωση (στη θέση 2) μπορεί να γίνει σε β-δικετόνες, β-διεστέρες και β-κετο-εστέρες, Σχήμα Σχήμα 6.23 Γενικό σχήμα αλκυλίωσης 1,3-δικαρβονυλικών ενώσεων. Χαρακτηριστικές περιπτώσεις τέτοιων αντιδράσεων είναι η ακετοξική σύνθεση (acetoacetic synthesis), Σχήμα 6.24 και η μηλονική σύνθεση (malonic synthesis), Σχήμα Το ενδιαφέρον των αντιδράσεων αυτών εντοπίζεται στο γεγονός ότι το αρχικά σχηματιζόμενο αλκυλιωμένο προϊόν (Α) μπορεί να αλκυλιωθεί περαιτέρω με το ίδιο ή άλλο ηλεκτρονιόφιλο προς το Β. Επιπλέον, σαπωνοποίηση ακολουθούμενη από αποκαρβοξυλίωση των Α και Β δίνει τις αντίστοιχες μεθυλο-κετόνες (Σχήμα 6.24) ή αλκυλο-υποκατεστημένα παράγωγα του οξικού οξέος (Σχήμα 6.25). Σχήμα 6.24 Ακετοξική σύνθεση. 135

136 Σχήμα 6.25 Μηλονική σύνθεση Αντιδράσεις Michael 1,3-δικαρβονυλικών ενώσεων Τα ενολικά ανιόντα που προκύπτουν από 1,3-δικαρβονυλικές ενώσεις μπορούν να προστεθούν σε συζυγιακούς δεσμούς με δέκτες ηλεκτρονίων (αντίδραση Michael), Σχήμα 6.26, όπως και στην περίπτωση των ενολικών ανιόντων αλδεϋδών και κετονών (παράγραφος 6.2.3). Σχήμα 6.26 Παράδειγμα αντίδρασης Michael ενολικού ανιόντος κετόνης με συζυγιακή κετόνη. Οι 1,3-δικαρβονυλικές ενώσες δίνουν, όπως και οι αλδεΰδες/κετόνες (παράγραφος ), την κυκλοποίηση Robinson Η αντίδραση Knoevenagel Η αντίδραση Knoevenagel (Knoevenagel reaction) είναι αντίδραση συμπύκνωσης μεταξύ μιας 1,3- δικαρβονυλικής ένωσης και μιας αλδεΰδης ή κετόνης, Σχήμα 27. Το ενολικό ανιόν της 1,3-δικαρβονυλικής ένωσης (A) προσβάλλει το καρβονύλιο της αλδεΰδης ή κετόνης (η αντίδραση χωρεί καλύτερα όταν η τελευταία δεν έχει α-η). Η ενδιάμεση αλκοόλη C στη συνέχεια αφυδατώνεται προς το αλκενυλο-παράγωγο D. Η αντίδραση χωρεί με την επίδραση καταλυτικής ποσότητας σχετικά ήπιων βάσεων (π.χ. πυρρολιδίνη, πιπεριδίνη). Εκτός από τις 1,3-δικαρβονυλικές ενώσεις την αντίδραση δίνουν και άλλες ενώσεις που φέρουν δέκτες ηλεκτρονίων σε 1,3-θέση. 136

137 Σχήμα 6.27 Παράδειγμα αντίδρασης Knoevenagel με κετόνη. Εκτός από τον παραπάνω μηχανισμό έχει προταθεί και ένας μηχανισμός που περιλαμβάνει αρχικά τον σχηματισμό του ιμινιακού κατιόντος Ε, δηλαδή λαμβάνει χώρα οργανοκατάλυση από τη χρησιμοποιούμενη βάση, Σχήμα Ο εναλλακτικός αυτός μηχανισμός εξηγεί γιατί τριτοταγείς αμίνες δεν δίνουν με μεγάλη επιτυχία την αντίδραση (δεν μπορούν να σχηματίσουν το ενδιάμεσο Ε). Σχήμα 6.28 Εναλλακτικός μηχανισμός της αντίδρασης Knoevenagel. 6.5 Η αντίδραση Perkin Οι αρωματικές αλδεΰδες αντιδρούν ως ηλεκτρονιόφιλα με το ενολικό ανιόν που προκύπτει από έναν ανυδρίτη για να δώσουν μέσω ενός πολύπλοκου μηχανισμού α,β-ακόρεστα οξέα, Σχήμα 6.29 (αντίδραση Perkin). Πρόκειται ουσιαστικά για μιαν αντίδραση ολεφινοποίησης της αλδεΰδης. 137

138 Σχήμα 6.29 Μηχανισμός της αντίδρασης Perkin. 6.6 Σταθεροποιημένα υλίδια P Τα σταθεροποιημένα υλίδια του P οφείλουν τη σταθερότητά τους στη δομή συντονισμού ενολικού ανιόντος. Η σταθεροποίηση των υλιδίων αυτών μπορεί να οφείλεται στην παρουσία, μεταξύ άλλων, μιας καρβονυλικής ομάδας στην α-θέση του καρβανιοντικού C. Όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο , τα υλίδια αυτά δίνουν αντιδράσεις ολεφινοποίησης με αλδεΰδες και κετόνες (αντιδράσεις Wittig, Wittig-Horner, Peterson). 6.7 Αντιδράσεις εναμινών 138

139 Σχετιζόμενες με τις αντιδράσεις ενολών και ενολικών ανιόντων είναι και οι αντιδράσεις εναμινών που αναφέρθηκαν στην παράγραφο Ανασκόπηση των αντιδράσεων μέσω ενολών και ενολικών ανιόντων Στον Πίνακα 6.1 και στον Πίνακα 6.2 γίνεται συνοπτική περιγραφή των αντιδράσεων ενολών και ενολικών ανιόντων. Πίνακας 6.1 Σύνοψη των αντιδράσεων μέσω ενόλης ή ενολικού ανιόντος αλδεϋδών, κετονών και εστέρων. 139

140 Πίνακας 6.2 Σύνοψη των αντιδράσεων μέσω ενόλης ή ενολικού ανιόντος 1,3-δικαρβονυλικών ενώσεων και άλλων περιπτώσεων. Βιβλιογραφία/Αναφορές [1] Ν. Ε. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία: Δομή-Φάσματα-Μηχανισμοί, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Ζήτη, 1985, Τεύχος Α. [2] A. Βάρβογλης, Χημεία Οργανικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Παρατηρητής, [3] R. B. Grossman, The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Springer, [4] W.C. Groutas, Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Wiley, [5] M. G. Moloney, Reaction Mechanisms at a Glance, Oxford, UK: Blackwell Science, [6] Μ. Στρατάκης, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Α. [7] Δ. Παπαϊωάννου, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Β. [8] Μ. Β. Smith, J. March, Advanced Organic Chemistry, 5 th Ed., John Wiley & Sons, Inc.,

141 [9] J. McMurry, Οργανική Χημεία, (Μετάφραση Α. Βάρβογλης, Μ. Ορφανόπουλος, Ι. Σμόνου, Μ. Στρατάκης), Ηράκλειο, Ελλάς: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, [10] P. Vollhardt, N. Schore, Οργανική Χημεία: Δομή και Λειτουργικότητα (Μετάφραση: Ε. Μαλαμίδου, Ν. Ρόδιος, Σ. Σπυρούδης), Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Αφοί Κυριακίδη, 2012, Τόμοι Α και Β. [11] Θ. Μαυρομούστακος, Θ. Τσέλιος, Κ. Παπακωνσταντίνου, Θεμελιώδεις Αρχές Οργανικής Χημείας, Αθήνα, Ελλάς, Εκδόσεις Συμμετρία, Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης 1 Κριτήριο αξιολόγησης 2 Κριτήριο αξιολόγησης 3 Κριτήριο αξιολόγησης 4 Κριτήριο αξιολόγησης 5 Κριτήριο αξιολόγησης 6 Κριτήριο αξιολόγησης 7 Κριτήριο αξιολόγησης 8 141

142 Κεφάλαιο 7: Αρωματική υποκατάσταση Σύνοψη Το κεφάλαιο αυτό ασχολείται με τη μελέτη των αντιδράσεων ηλεκτρονιόφιλης αρωματικής υποκατάστασης (μηχανισμός S E Ar) και των αντιδράσεων πυρηνόφιλης αρωματικής υποκατάστασης (μηχανισμοί S Ν Ar, S Ν 1 και βενζυνίου). Γίνεται ανάλυση διαφόρων παραμέτρων που επηρεάζουν την πορεία και έκβασή τους και δίνονται κάποιες από τις σημαντικότερες υποκαταστάσεις που χωρούν με αυτού του είδους τις αντιδράσεις. Η συγγραφή του κεφαλαίου βασίστηκε εν μέρει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-11]. Προαπαιτούμενη γνώση Για την ευκολότερη και καλύτερη κατανόηση αυτού του κεφαλαίου ο αναγνώστης θα πρέπει να είναι σε θέση να σχεδιάζει σωστές δομές Lewis, να έχει εξοικειωθεί με τη χρήση κυρτών βελών, να κατέχει τους βασικούς κανόνες ονοματολογίας και στερεοχημείας, να αναγνωρίζει τις διάφορες τάξεις οργανικών ενώσεων και να γνωρίζει καλά τους μηχανισμούς πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (Κεφάλαιο 2), τους μηχανισμούς ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (Κεφάλαιο 4) και τις έννοιες: ηλεκτρονιόφιλο, πυρηνόφιλο, καρβοκατιόντα, καρβανιόντα, αρωματικότητα, συντονισμός, θερμοδυναμική θεώρηση μιας οργανικής αντίδρασης (και ό,τι σχετίζεται με αυτήν) και ισοτοπικό φαινόμενο. Για τα αντικείμενα αυτά ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέχει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-11] και στα προηγούμενα κεφάλαια του παρόντος συγγράμματος. 7. Αρωματική υποκατάσταση Οι αρωματικές υποκαταστάσεις διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: τις ηλεκτρονιόφιλες και τις πυρηνόφιλες. 7.1 Ηλεκτρονιόφιλη αρωματική υποκατάσταση Γενική θεώρηση της ηλεκτρονιόφιλης αρωματικής υποκατάστασης Μια από τις πιο σημαντικές αντιδράσεις των αρωματικών ενώσεων είναι η ηλεκτρονιόφιλη αρωματική υποκατάσταση (electrophilic aromatic substitution, S E Ar). Οι π δεσμοί στις αρωματικές ενώσεις είναι γενικά δραστικοί έναντι ηλεκτρονιόφιλων. Σύμφωνα με αυτήν τη διαδικασία, ένα ηλεκτρονιόφιλο (Ε + ) προσβάλλεται από τον αρωματικό δακτύλιο (δρα ως βάση κατά Lewis) για να δώσει αρχικά ένα π σύμπλοκο, το οποίο στη συνέχεια μετατρέπεται, με καταστροφή του αρωματικού χαρακτήρα, σε ένα σ σύμπλοκο (ενδιάμεσο καρβοκατιόν). Στο δεύτερο στάδιο, στο ενδιάμεσο γίνεται απόσπαση ενός Η + από το άτομο C στο οποίο έχει συνδεθεί το ηλεκτρονιόφιλο και επέρχεται επαναρωματοποίηση. Δηλαδή συνολικά γίνεται υποκατάσταση ενός Η από μιαν ηλεκτρονιόφιλη ομάδα, Σχήμα 7.1. Το πιο αργό στάδιο του μηχανισμού αυτού και, κατά συνέπεια, αυτό που καθορίζει συνολικά την ταχύτητα της αντίδρασης, είναι το πρώτο, δηλαδή ο σχηματισμός του καρβοκατιώντος, Εικόνα 7.1. Ο μηχανισμός αυτός αποδείχθηκε με τη μέτρηση μηδενικού ή πολύ μικρού ισοτοπικού φαινομένου για τον δεσμό που διασπάται (αν συνέβαινε αρχικά διάσπαση του δεσμού C-H ή ταυτόχρονη διάσπασή του με δημιουργία του νέου δεσμού C-E θα παρατηρούταν μεγάλο ισοτοπικό φαινόμενο, δείτε και την παράγραφο ). Σε ορισμένες δε περιπτώσεις τα ενδιάμεσα κατιόντα έχουν απομονωθεί. 142

143 Σχήμα 7.1 Το γενικό σχήμα μιας ηλεκτρονιόφιλης αρωματικής υποκατάστασης. Εικόνα 7.1 Το ενεργειακό διάγραμμα μιας ηλεκτρονιόφιλης αρωματικής υποκατάστασης. Για τον μηχανισμό S Ε Ar δείτε το Video 7.1. Video 7.1 Ο μηχανισμός S E Ar. Το ηλεκτρονιόφιλο μπορεί να είναι ένα θετικά φορτισμένο ιόν ή ένα δίπολο. Από την άλλη, η αποχωρούσα ομάδα είναι συνήθως ένα πρωτόνιο. Υπάρχουν όμως και ορισμένες περιπτώσεις στις οποίες γίνεται υποκατάσταση άλλης ομάδος (ipso-υποκατάσταση, ipso-substitution). Η διαδικασία αυτή ευνοείται κυρίως με τριμεθυλοσιλυλο-παράγωγα και ιωδίδια, σύμφωνα με τη σειρά: Μe 3 Si + > I + H + > RCO + > R +. Σε κάθε περίπτωση η αποχωρούσα ομάδα είναι ένα πολύ ασθενές οξύ κατά Lewis. Λόγω της μικρότερης, σε σχέση με τα αλκένια, δραστικότητας έναντι ηλεκτρονιόφιλων (δείτε την παράγραφο 5.1.1), οι αρωματικοί π δεσμοί υποκαθίστανται με τη μεσολάβηση πολύ δραστικών ηλεκτρονιόφιλων, τα οποία σχηματίζονται με τη χρήση οξέων κατά Lewis. Μια άλλη διαφορά είναι ότι στα αρωματικά συστήματα δεν γίνεται προσθήκη στον διπλό δεσμό, αφού αυτό θα οδηγούσε σε απώλεια της αρωματικότητας Μετατροπές μέσω αντιδράσεων ηλεκτρονιόφιλης αρωματικής υποκατάστασης Με τις αντιδράσεις αρωματικής ηλεκτρονιόφιλης υποκατάστασης μπορούν να εισαχθούν στον αρωματικό δακτύλιο διάφοροι υποκαταστάτες. Έτσι, με κατάλληλη επιλογή αντιδραστηρίων είναι δυνατό να επιτευχθεί, μεταξύ άλλων, αλογόνωση, νίτρωση, σουλφονίωση, αλκυλίωση, ακυλίωση κ.λ.π., Σχήμα

144 Σχήμα 7.2 Παραδείγματα μετατροπών μέσω αντιδράσεων ηλεκτρονιόφιλης αρωματικής υποκατάστασης Αλογόνωση Η αλογόνωση (χλωρίωση ή βρωμίωση) επιτυγχάνεται με την επίδραση του αντίστοιχου μοριακού αλογόνου (Χ 2 ) και FeΧ 3. Το οξύ κατά Lewis συναρμόζεται με το αλογόνο για να δώσει το ηλεκτρονιόφιλο, Σχήμα 7.3. Σχήμα 7.3 Χλωρίωση και βρωμίωση αρωματικού δακτυλίου. Η ιωδίωση επιτυγχάνεται με την επίδραση I 2 παρουσία κάποιου οξειδωτικού μέσου (π.χ. πυκνό HNO 3 ή Η 2 Ο 2 ή CuCl 2 ) ώστε να σχηματιστεί το ηλεκτρονιόφιλο Ι Νίτρωση Η νίτρωση επιτυγχάνεται συνήθως με την επίδραση μίγματος πυκνού ΗΝΟ 3 -πυκνού H 2 SO 4. Το νιτρικό οξύ πρωτονιώνεται από το ισχυρότερο οξύ (H 2 SO 4 ) για να δώσει με αφυδάτωση το πολύ δραστικό ηλεκτρονιόφιλο ΝΟ 2 + (κατιόν νιτρωνίου), Σχήμα

145 Σχήμα 7.4 Νίτρωση αρωματικού δακτυλίου Σουλφονίωση Η σουλφονίωση επιτυγχάνεται με την επίδραση SΟ 3 σε πυκνό H 2 SO 4, Σχήμα 7.5. Στην πράξη το ατμίζον θειικό οξύ περιέχει SO 3. Η αντίδραση αυτή έχει βρεθεί ότι είναι αμφίδρομη (αντιστρεπτή) κυρίως σε υψηλές θερμοκρασίες, ενώ σε συνηθισμένες θερμοκρασίες είναι μετατοπισμένη προς τα δεξιά. Σχήμα 7.5 Σουλφονίωση αρωματικού δακτυλίου Αλκυλίωση Η αλκυλίωση επιτυγχάνεται συνήθως με την επίδραση ενός αλογονοαλκανίου και καταλυτικής ποσότητας AlCl 3 ή άλλου οξέως κατά Lewis, όπως π.χ. AlBr 3, BF 3, FeCl 3 (αλκυλίωση κατά Friedel-Crafts, Friedel-Crafts alkylation). Σχηματίζεται έτσι ένα πολύ δραστικό καρβοκατιόν (R + ). Απαιτείται καταλυτική μόνο ποσότητα του οξέος κατά Lewis, αφού αυτό αναγεννάται στο τέλος της μετατροπής, Σχήμα 7.6. Η σειρά δραστικότητας για τα διάφορα αλογονοαλκάνια είναι RF > RCl > RBr > RI. Οι αντιδράσεις αυτές δεν χωρούν όταν ο αρωματικός δακτύλιος φέρει ήδη ομάδες δέκτες ηλεκτρονίων. Σχήμα 7.6 Αλκυλίωση αρωματικού δακτυλίου. Λόγω του σχηματισμού δεσμού C-C θεωρείται αντίδραση μεγάλης παρασκευαστικής αξίας στην Οργανική Σύνθεση. Εντούτοις, η αντίδραση με αλογονίδια τα οποία δίνουν καρβοκατιόντα με δυνατότητα ισομερείωσης (αναδιάταξης) περιπλέκεται, οδηγώντας σε ισομερή προϊόντα, Σχήμα 7.7. Επιπλέον, η εισαγωγή της αλκυλομάδας προκαλεί ενεργοποίηση του αρωματικού δακτυλίου (δείτε την παράγραφο ) και είναι εξαιρετικά πιθανή η πολυ-αλκυλίωση, Σχήμα

146 Σχήμα 7.7 Παράδειγμα σχηματισμού ισομερούς προϊόντος κατά την αλκυλίωση. Σχήμα 7.8 Παράδειγμα πολυ-υποκατάστασης κατά την αλκυλίωση. Η αλκυλίωση μπορεί να επιτευχθεί και με τη χρήση αλκενίων, αλκοολών και σπανιότερα αλκυνίων. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις λαμβάνει χώρα ενδιάμεσα ο σχηματισμός ενός καρβοκατιόντος (ηλεκτρονιόφιλο, R + ) Ακυλίωση Η ακυλίωση αρωματικών συστημάτων (ακυλίωση κατά Friedel-Crafts, Friedel-Crafts acylation) επιτυγχάνεται με την επίδραση ενός ακυλοχλωριδίου (1) ή ενός ανυδρίτη (συνήθως συμμετρικού) (2) και AlCl 3, Σχήμα 7.9, και σπανιότερα με καρβοξυλικά οξέα και κετένες. Σε όλες τις περιπτώσεις σχηματίζεται το πολύ δραστικό ακυλο-κατιόν (RCO + ). Όπως και οι αντιδράσεις αλκυλίωσης, οι αντιδράσεις ακυλίωσης δεν χωρούν όταν ο αρωματικός δακτύλιος φέρει ήδη ομάδες δέκτες ηλεκτρονίων. 146

147 Σχήμα 7.9 Ακυλίωση αρωματικού δακτυλίου. Παρά τις πολλές ομοιότητες, υπάρχουν ορισμένες σημαντικές διαφορές μεταξύ της αλκυλίωσης και της ακυλίωσης κατά Friedel-Crafts: Στην ακυλίωση απαιτείται ποσότητα οξέος κατά Lewis λίγο μεγαλύτερη της στοιχειομετρικής (σε ό,τι αφορά το υπόστρωμα) όταν το ακυλιωτικό μέσο είναι ακυλοχλωρίδιο και λίγο μεγαλύτερη ποσότητα της διπλάσιας της στοιχειομετρικής όταν το ακυλιωτικό μέσο είναι ανυδρίτης. Αυτό εξηγείται από το γεγονός πως για κάθε καρβονυλική ομάδα στο ακυλιωτικό υφίσταται δέσμευση ενός ισοδύναμου του οξέος κατά Lewis και το σύμπλοκο αυτό διασπάται μόνο μετά την υδατική κατεργασία του μίγματος της αντίδρασης. Στην ακυλίωση δεν παρατηρείται ο σχηματισμός ισομερών προϊόντων. Στην ακυλίωση δεν παρατηρείται πολυ-υποκατάσταση, αφού η εισαγωγή μιας ακυλο-ομάδος προκαλεί απενεργοποίηση του δακτυλίου Επίδραση των υποκαταστατών στην ταχύτητα και στην τοποεκλεκτικότητα της υποκατάστασης Οι προϋπάρχοντες υποκαταστάτες στον αρωματικό δακτύλιο καθορίζουν τη δραστικότητα του αρωματικού συστήματος (δηλαδή την ταχύτητα) στην αρωματική ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση και την κατεύθυνση (τοποεκλεκτικότητα) της υποκατάστασης. Αυτό γίνεται με την παραδοχή ότι στις περισσότερες αυτών των αντιδράσεων το προϊόν αντιπροσωπεύει το αποτέλεσμα κινητικού και όχι θερμοδυναμικού ελέγχου Η ταχύτητα της αντίδρασης ηλεκτρονιόφιλης αρωματικής υποκατάστασης Υποκαταστάτες δότες ηλεκτρονίων κάνουν τον αρωματικό δακτύλιο περισσότερο πλούσιο ηλεκτρονικά και κατά συνέπεια περισσότερο δραστικό (ενεργοποιημένο). Έτσι, οι υποκαταστάτες που είναι δότες ηλεκτρονίων (Υ ) καλούνται ενεργοποιητές (activators), ενώ οι υποκαταστάτες δέκτες ηλεκτρονίων (Υ ) καλούνται απενεργοποιητές (deactivators), Σχήμα

148 Σχήμα 7.10 Επίδραση των υποκαταστατών στην ταχύτητα της αντίδρασης. Οι διάφοροι υποκαταστάτες μπορούν, με βάση το επαγωγικό (I) και το συζυγιακό (R) φαινόμενο, να ταξινομηθούν όπως φαίνεται παρακάτω: Ως ενεργοποιητές θεωρούνται οι ομάδες: -O, -ΟΗ, -ΟR, -NH 2, -NHCOR (+R > I) και τα αλκύλια (+Ι). Ως απενεργοποιητές θεωρούνται οι ομάδες: -COR, -COOH, -COOR, CONHR, -CN, -ΝΟ 2, SO 3 H ( R, I), -ΝR + 3 ( I) και τα αλογόνα (+R < I). Παρακάτω δίνεται μια αντιπροσωπευτική σειρά δραστικότητας διαφόρων μονο-υποκατεστημένων βενζολίων: PhO > PhOH > PhNHCOR> PhR > PhH > PhX > PhCOOR > PhNO 2 > PhNR 3 + Η αύξηση της θερμοκρασίας διευκολύνει την αντίδραση απενεργοποιημένων αρωματικών συστημάτων, αλλά μπορεί να οδηγήσει και σε πολυ-υποκατάσταση στην περίπτωση ενεργοποιημένων ή σχετικά ενεργοποιημένων υποστρωμάτων (πολλαπλή ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση). Ειδικότερα για την αμινομάδα, τις περισσότερες φορές προτιμάται η προστασία της (ως αμίδιο), ώστε να αποτραπεί η μεγάλη ενεργοποίηση του δακτυλίου ή η απενεργοποίησή του σε όξινο περιβάλλον (θα μετατραπεί στο αντίστοιχο άλας). Οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες αντιδρούν γενικά ταχύτερα του βενζολίου λόγω της περισσότερο εκτεταμένης απεντόπισης των φορτίων στο ενδιάμεσο καρβοκατιόν. Οι πενταμελείς ετεροκυκλικές αρωματικές ενώσεις, όπως το φουράνιο, το θειοφαίνειο και το πυρρόλιο αντιδρούν επίσης ταχύτερα Η τοποεκλεκτικότητα της αντίδρασης αρωματικής ηλεκτρονιόφιλης υποκατάστασης Στην περίπτωση υποκατεστημένων αρωματικών δακτυλίων η θέση της υποκατάστασης εξαρτάται από τη φύση (ηλεκτρονικά φαινόμενα) των υποκαταστατών. Η επίδραση αυτή μπορεί να περιγραφεί περιληπτικά ως εξής: Ενεργοποιητές (+R ή/και +Ι) οδηγούν κυρίως σε ο- και π-υποκατάσταση, π.χ. Σχήμα Απενεργοποιητές που είναι δότες ως προς το συζυγιακό φαινόμενο (+R) οδηγούν κυρίως σε ο- και π-υποκατάσταση, π.χ. Σχήμα Απενεργοποιητές που είναι δέκτες ως προς το επαγωγικό ( I) ή/και το συζυγιακό φαινόμενο ( R) οδηγούν κυρίως σε μ-υποκατάσταση, π.χ. Σχήμα

149 Σχήμα 7.11 Επίδραση των υποκαταστατών στην τοποεκλεκτικότητα της αντίδρασης (1). 149

150 Σχήμα 7.12 Επίδραση των υποκαταστατών στην τοποεκλεκτικότητα της αντίδρασης (2). 150

151 Σχήμα 7.13 Επίδραση των υποκαταστατών στην τοποεκλεκτικότητα της αντίδρασης (3). Όπως φαίνεται στα παραπάνω σχήματα, η κατεύθυνση της υποκατάστασης σχετίζεται άμεσα με την ικανότητα σταθεροποίησης (δομές Α και Β, στο Σχήμα 7.11 και στο Σχήμα 7.12) ή αποσταθεροποίησης (δομές Α και Β, στο Σχήμα 7.13, λόγω εμφάνισης θετικού φορτίου στη θέση του υποκαταστάτη δέκτη) του ενδιάμεσου καρβοκατιόντος. Στις περισσότερες περιπτώσεις της ο- και π-υποκατάστασης το κύριο προϊόν είναι το π λόγω της μικρότερης στερεοχημικής παρεμπόδισης. Γενικότερα, η αναλογία ο-/π-προϊόντων εξαρτάται από το μέγεθος του προϋπάρχοντα και του εισερχόμενου υποκαταστάτη χωρίς να αποκλείονται δευτερεύουσες ηλεκτρονικές αλληλεπιδράσεις και διαφοροποιήσεις ανάλογα με τις συνθήκες της αντίδρασης. Δύο ή περισσότεροι υποκαταστάτες επιδρούν παρομοίως με συνδυαστικό ή ανταγωνιστικό αποτέλεσμα στον προσανατολισμό της υποκατάστασης. Έτσι διακρίνονται οι παρακάτω περιπτώσεις: Συνδυαστική επίδραση, π.χ. Σχήμα Ανταγωνιστική επίδραση δότη και δέκτη: Υπερισχύει ο δότης. Ανταγωνιστική επίδραση δύο δοτών: Υπερισχύει ο ισχυρότερος δότης. 151

152 Σχήμα 7.14 Παράδειγμα συνδυαστικής δράσης κατά την υποκατάσταση. Επιπλέον (π.χ. Σχήμα 7.15): Στην περίπτωση ανταγωνιστικής επίδρασης οι δότες/δέκτες μπορούν να ταξινομηθούν σε σχέση με την ισχύ τους χονδρικά σύμφωνα με τη σειρά: ΝH 2, OH, NR 2, O > OR, OCOR, NHCOR > R, Ar > X > όλοι οι δέκτες. Ο νεοεισερχόμενος υποκαταστάτης πολύ δύσκολα εισέρχεται ανάμεσα σε δύο προϋπάρχοντες υποκαταστάτες των οποίων η σχετική θέση είναι μ. Όταν δύο υποκαταστάτες, ένας δέκτης και ένας δότης, βρίσκονται σε μ-θέση η εισερχόμενη ομάδα θα βρίσκεται κυρίως στην π-θέση ως προς τον δότη (και όχι στην ο-). Σημειώνεται ότι όταν υφίσταται ανταγωνιστική επίδραση των προϋπάρχοντων υποκαταστατών σχηματίζεται συνήθως μίγμα προϊόντων και κύριο είναι αυτό που προβλέπεται από την παραπάνω θεώρηση. Σχήμα 7.15 Παράδειγμα ανταγωνιστικής δράσης κατά την υποκατάσταση. Οι ίδιοι κανόνες πρόβλεψης της τοποεκλεκτικότητας, μέσω της μελέτης της σταθεροποίησης του ενδιάμεσου καρβοκατιώντος, εφαρμόζονται τόσο στα υποκατεστημένα (ή μη) πολυκυκλικά αρωματικά συστήματα όσο και στα ετερο-αρωματικά ανάλογά τους. Για παράδειγμα στο ναφθαλίνιο η υποκατάσταση χωρεί εκλεκτικά στην 1- και όχι στη 2-θέση και στο φαινανθρένιο στην 9-θέση Άλλες χρήσιμες αντιδράσεις ηλεκτρονιόφιλης αρωματικής υποκατάστασης Η αντίδραση υδροξυμεθυλίωσης φαινολών Η υδροξυμεθυλίωση φαινολών επιτυγχάνεται μέσω των αντίστοιχων φαινοξειδικών αλάτων, Σχήμα

153 Σχήμα 7.16 Υδροξυμεθυλίωση της φαινόλης Η αντίδραση Kolbe-Schmitt H καρβοξυλίωση φαινοξειδικών αλάτων με διοξείδιο του άνθρακα σε υψηλή πίεση καλείται αντίδραση Kolbe- Schmitt (Kolbe-Schmitt reaction), Σχήμα Σχηματίζεται το ο-προϊόν λόγω του σχηματισμού ενός συμπλόκου μεταξύ των αντιδρώντων, το οποίο καθορίζει την τοποεκλεκτικότητα της αντίδρασης. Σχήμα 7.17 Αντίδραση Kolbe Schmitt Η αντίδραση Mannich αρωματικών παραγώγων Η αμινομεθυλίωση φαινολών ή Ν-υποκατεστημένων αρυλαμινών μπορεί να γίνει με την αντίδραση Mannich αρωματικών ενώσεων (γενικότερα για την αντίδραση Mannich δείτε και την παράγραφο 6.2.7). Το ηλεκτρονιόφιλο αντιδραστήριο είναι ένα ιμινιακό κατιόν που παράγεται από μια δευτεροταγή αμίνη και τη φορμαλδεΰδη, όπως αναφέρθηκε και στην παράγραφο , Σχήμα Σχήμα 7.18 Αντίδραση Mannich αρωματικών παραγώγων. 153

154 Η αντίδραση Blanc Η αντίδραση Blanc (Blanc reaction) είναι μια αντίδραση χλωρομεθυλίωσης. Πρόκειται ουσιαστικά για μια παραλλαγή της αντίδρασης ακυλίωσης κατά Friedel-Crafts και χωρεί παρουσία φορμαλδεΰδης και ZnCl 2, τα οποία σχηματίζουν αρχικά ένα οξώνιο κατιόν, Σχήμα Σχήμα 7.19 Αντίδραση Blanc Η αντίδραση Vilsmeier-Haak Η αντίδραση Vilsmeier-Haak (Vilsmeier-Haak reaction) είναι μια διαδικασία φορμυλίωσης. Το ηλεκτρονιόφιλο αντιδραστήριο σχηματίζεται από το διμεθυλοφορμαμίδιο με την επίδραση POCl 3. Η αρχικά σχηματιζόμενη α-χλωραμίνη υδρολύεται για να δώσει το τελικό φορμυλο-παράγωγο, Σχήμα Η μέθοδος αυτή βρίσκει εφαρμογή σε σχετικά ενεργοποιημένα συστήματα. Σχήμα 7.20 Η αντίδραση Vilsmeier-Haak Διαζωνιακή σύζευξη Τα διαζωνιακά άλατα που προκύπτουν από νιτρόδωση πρωτοταγών αρωματικών αμινών (δείτε την παράγραφο και την παράγραφο 8.6.2) μετατρέπονται με φαινόλες ή ανιλίνες (και τα παράγωγά τους) σε αζω-ενώσεις που καλούνται αζωχρώματα (λόγω του έντονου χρώματός τους), Σχήμα Η αντίδραση αυτή καλείται διαζωνιακή σύζευξη (diazonium coupling). 154

155 Σχήμα 7.21 Διαζωνιακή σύζευξη H αναδιάταξη Fries Η αναδιάταξη Fries (Fries rearrangement) είναι μετατροπή που λαμβάνει χώρα σε φαινολεστέρες υπό τις συνθήκες της ακυλίωσης κατά Friedel-Crafts (ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση). Με μετακίνηση της ακυλομάδας σχηματίζονται οι αντίστοιχες ο- και π-υδροξυκετόνες, Σχήμα Ο μηχανισμός της αντίδρασης αυτής δεν έχει πλήρως αποδειχθεί. Σχήμα 7.22 Αναδιάταξη Fries. 7.2 Πυρηνόφιλη αρωματική υποκατάσταση Σε αντίθεση με τις αντιδράσεις ηλεκτρονιόφιλης αρωματικής υποκατάστασης, οι αντιδράσεις πυρηνόφιλης αρωματικής υποκατάστασης είναι δυσκολότερες και πιο σπάνιες. Οι αντιδράσεις αυτές χωρούν σε αρωματικά συστήματα που φέρουν έναν ή περισσότερους ισχυρούς δέκτες ηλεκτρονίων και μπορούν να περιλαμβάνουν την αποβολή ενός Η (εξαιρετικά δύσκολο) ή μιας ομάδας Υ (περισσότερο ευνοούμενη ipso-υποκατάσταση), π.χ. Σχήμα Eίναι πιθανόν ο μηχανισμός να είναι μονομοριακός (S N 1) ή διμοριακός (S N Ar). 155

156 Σχήμα 7.23 Παραδείγματα πυρηνόφιλης αρωματικής υποκατάστασης Ο μηχανισμός S N Ar Γενική θεώρηση του μηχανισμού S N Ar Ο διμοριακός μηχανισμός S N Ar είναι ανάλογος του S N 2 (παράγραφος 2.2) και περιλαμβάνει το σχηματισμό ενός ενδιάμεσου ανιόντος στο οποίο η αποχωρούσα και η εισερχόμενη ομάδα (Nu) είναι ταυτόχρονα συνδεδεμένες στο ίδιο άτομο C, Σχήμα Σχήμα 7.24 Γενική περιγραφή μιας πυρηνόφιλης αρωματικής υποκατάστασης με τον μηχανισμό S Ν Ar. Η εισερχόμενη ομάδα είναι γενικά ένα ισχυρό πυρηνόφιλο (με γενικευμένη σειρά δραστικότητας: ΝΗ 2 > RO > R 2 NH > HO > NH 3 > I > Cl > Br > ROH). Στις αποχωρούσες ομάδες συμπεριλαμβάνονται οι κλασικές ομάδες αλλά και μερικές που δεν θεωρούνται καλές αποχωρούσες για τον μηχανισμό πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (όπως π.χ. η νιτρο-ομάδα). Για να επιτευχθεί η αντίδραση πρέπει η ομάδα δέκτης ηλεκτρονίων να είναι σε κατάλληλη θέση ώστε να σταθεροποιείται το ενδιάμεσο ανιόν (μέσω των δομών συντονισμού). Έτσι, π.χ. μεταξύ των τριών ισομερών νιτροχλωροβενζολίων μόνο τα ο- και π- αντιδρούν. Το πρώτο στάδιο του μηχανισμού είναι συνήθως, αλλά όχι πάντα, το βραδύτερο. Ο S N Ar διαφέρει από τον S N 2 στη σειρά ταχύτητας υποκατάστασης των αλογόνων, ισχύει δηλαδή: F >> Cl > Br > I Παραδείγματα αντιδράσεων που χωρούν με τον μηχανισμό S N Ar Δύο χαρακτηριστικά παραδείγματα αντιδράσεων που χωρούν με τον μηχανισμό S N Ar και μάλιστα με αποβολή Η είναι οι αντιδράσεις αλκυλίωσης (1) και αμίνωσης (2) της πυριδίνης (και παραγώγων της) με την επίδραση οργανολιθιακών αντιδραστηρίων και νατραμιδίου, αντίστοιχα, Σχήμα Η πρώτη αντίδραση καλείται αντίδραση Ziegler (Ziegler reaction), ενώ η δεύτερη καλείται αντίδραση Chichibabin (Chichibabin reaction). 156

157 Σχήμα 7.25 Παραδείγματα αντιδράσεων πυρηνόφιλης αρωματικής υποκατάστασης που χωρούν με τον μηχανισμό S Ν Ar Ο μηχανισμός S N 1 σε αρωματικά συστήματα Ο μονομοριακός μηχανισμός S N 1 στα αρωματικά συστήματα είναι ανάλογος του S N 1 των αλειφατικών (παράγραφος 2.3) και περιλαμβάνει τον σχηματισμό ενός ενδιάμεσου κατιόντος, Σχήμα Το πρώτο στάδιο αυτού του μηχανισμού είναι το βραδύτερο. Σχήμα 7.26 Γενική περιγραφή μιας πυρηνόφιλης αρωματικής υποκατάστασης με τον μηχανισμό S Ν 1. Αντιπροσωπευτικό παράδειγμα αντίδρασης πυρηνόφιλης αρωματικής υποκατάστασης με μηχανισμό S N 1 αποτελεί η διάσπαση σε όξινο ή ουδέτερο περιβάλλον των διαζωνιακών αλάτων παρουσία ενός πυρηνόφιλου, Σχήμα Σχήμα 7.27 Παραδείγματα πυρηνόφιλης αρωματικής υποκατάστασης με τον μηχανισμό S Ν 1. Όταν το διαζωνιακό άλας θερμανθεί παρουσία BF 4 (αντίδραση Schiemann, Schiemann reaction), Σχήμα προκύπτει το αντίστοιχο φθορο-παράγωγο Σχήμα 7.28 Η αντίδραση Schiemann Πυρηνόφιλη αρωματική υποκατάσταση με τη μεσολάβηση βενζυνίου Τα αρωματικά αλογονίδια δίνουν με την επίδραση ισχυρής βάσης προϊόντα υποκατάστασης, τα οποία εκ πρώτης όψεως μοιάζουν να έχουν προέλθει μέσω μηχανισμού S N Ar. Στην πράξη όμως η μετατροπή αυτή 157

158 (μηχανισμός βενζυνίου, benzyne mechanism) χωρεί με έναν μηχανισμό δύο σταδίων (απόσπαση με σχηματισμό βενζυνίου και στη συνέχεια προσθήκη), Σχήμα Η προσβολή από το πυρηνόφιλο μπορεί να γίνει και στους δύο C του τριπλού δεσμού του βενζυνίου και όχι μόνο στον C που έφερε το αλογόνο. Επιπλέον, τα αλογονίδια με δύο ο-υποκαταστάτες δεν δίνουν την αντίδραση. Τα δεδομένα αυτά αποτελούν και απόδειξη του μηχανισμού. Βέβαια, οι προϋπάρχοντες υποκαταστάτες (εκτός του αλογόνου) καθορίζουν ποιο Η θα αποσπασθεί (το πιο όξινο) και σε ποια θέση θα γίνει μετέπειτα η πυρηνόφιλη προσβολή (σταθεροποίηση του ενδιάμεσου καρβανιόντος μέσω του επαγωγικού φαινομένου). Σχήμα 7.29 Παράδειγμα αρωματικής υποκατάστασης με τον μηχανισμό βενζυνίου Αναδιατάξεις που χωρούν με μηχανισμό πυρηνόφιλης αρωματικής υποκατάστασης Μια σειρά από αναδιατάξεις χωρούν με τον μηχανισμό πυρηνόφιλης αρωματικής υποκατάστασης. Αντιπροσωπευτικές περιπτώσεις είναι η αναδιάταξη Smiles (Smiles rearrangement) διαφόρων υποστρωμάτων (ενδομοριακή), Σχήμα 7.30, η αναδιάταξη Bamberger (Bamberger rearrangement) αρυλοϋδροξυλαμινών που οδηγεί π-αμινοφαινόλες, Σχήμα 7.31, και η αναδιάταξη von Richter (von Richter rearrangement) που χωρεί σε π-νιτροαλογονοπαράγωγα με την επίδραση κυανιούχων, Σχήμα Σχήμα 7.30 Αναδιάταξη Smiles. Σχήμα 7.31 Αναδιάταξη Bamberger. 158

159 Σχήμα 7.32 Αναδιάταξη von Richter. Βιβλιογραφία/Αναφορές [1] Ν. Ε. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία: Δομή-Φάσματα-Μηχανισμοί, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Ζήτη, 1985, Τεύχη Α και Β. [2] A. Βάρβογλης, Χημεία Οργανικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Παρατηρητής, [3] R. B. Grossman, The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Springer, [4] W.C. Groutas, Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Wiley, [5] M. G. Moloney, Reaction Mechanisms at a Glance, Oxford, UK: Blackwell Science, [6] Μ. Στρατάκης, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Α. 159

160 [7] Δ. Παπαϊωάννου, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Β. [8] Μ. Β. Smith, J. March, Advanced Organic Chemistry, 5 th Ed., John Wiley & Sons, Inc., [9] J. McMurry, Οργανική Χημεία, (Μετάφραση Α. Βάρβογλης, Μ. Ορφανόπουλος, Ι. Σμόνου, Μ. Στρατάκης), Ηράκλειο, Ελλάς: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, [10] P. Vollhardt, N. Schore, Οργανική Χημεία: Δομή και Λειτουργικότητα (Μετάφραση: Ε. Μαλαμίδου, Ν. Ρόδιος, Σ. Σπυρούδης), Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Αφοί Κυριακίδη, 2012, Τόμος Β. [11] Θ. Μαυρομούστακος, Θ. Τσέλιος, Κ. Παπακωνσταντίνου, Θεμελιώδεις Αρχές Οργανικής Χημείας, Αθήνα, Ελλάς, Εκδόσεις Συμμετρία, Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης 1 Κριτήριο αξιολόγησης 2 Κριτήριο αξιολόγησης 3 Κριτήριο αξιολόγησης 4 Κριτήριο αξιολόγησης 5 Κριτήριο αξιολόγησης 6 Κριτήριο αξιολόγησης 7 Κριτήριο αξιολόγησης 8 Κριτήριο αξιολόγησης 9 160

161 Κεφάλαιο 8: Αντιδράσεις ριζών Σύνοψη Το κεφάλαιο αυτό ασχολείται με τις ελεύθερες ρίζες και τους μηχανισμούς οργανικών αντιδράσεων (ομολυτικές) στις οποίες αυτές εμπλέκονται. Γίνεται αναφορά στη σταθερότητα των ριζών, στα μηχανιστικά σχήματα στα οποία αυτές εμπλέκονται, στους καταλυτικούς ή μη κύκλους, στις διαφορές των αντιδράσεων που χωρούν μέσω ριζών και των πολικών αντιδράσεων και στις τυπικές αντιδράσεις μετατροπής που γίνονται μέσω ριζών. Η συγγραφή του κεφαλαίου βασίστηκε εν μέρει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-12]. Προαπαιτούμενη γνώση Για την ευκολότερη και καλύτερη κατανόηση αυτού του κεφαλαίου ο αναγνώστης θα πρέπει να είναι σε θέση να σχεδιάζει σωστές δομές Lewis, να έχει εξοικειωθεί με τη χρήση κυρτών βελών, να κατέχει τους βασικούς κανόνες ονοματολογίας και στερεοχημείας, να αναγνωρίζει τις διάφορες τάξεις οργανικών ενώσεων και να γνωρίζει πολύ καλά τις έννοιες: υβριδισμός, ηλεκτραρνητικότητα, ηλεκτρονιόφιλο, πυρηνόφιλο, καρβοκατιόντα, καρβανιόντα, επαγωγικό φαινόμενο, συζυγιακό φαινόμενο, υπερσυζυγιακό φαινόμενο και τη θερμοδυναμική θεώρηση μιας οργανικής αντίδρασης (και ό,τι σχετίζεται με αυτήν). Για τα αντικείμενα αυτά ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέχει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-12] και στα προηγούμενα κεφάλαια του παρόντος συγγράμματος. 8. Αντιδράσεις ριζών 8.1. Ορισμός Γενικές έννοιες Οι ελεύθερες ρίζες (free radicals) είναι άτομα ή ενώσεις που έχουν ηλεκτρόνια που δεν ανήκουν σε ζεύγος. Συνήθως έχουν περιττό αριθμό ηλεκτρονίων. Μαζί με τα καρβοκατιόντα (R 3 C + ), τα καρβανιόντα (R 3 C ) και τα καρβένια (R 2 C:) θεωρούνται ως ενεργά ενδιάμεσα αλλά διαφέρουν στον αριθμό των ηλεκτρονίων σθένους, Σχήμα 8.1. Σχήμα 8.1 Τα ηλεκτρόνια σθένους των ριζών σε σχέση με τα καρβοκατιόντα και τα καρβανιόντα. Οι ελεύθερες ρίζες είναι γενικά πολύ ασταθείς οντότητες, εκτός από ορισμένες εξαιρέσεις, όπως το μονοξείδιο του αζώτου ( ΝΟ) και το μοριακό οξυγόνο (δίρριζα, Ο-Ο ), Εικόνα 8.1. Εικόνα 8.1 Η κατανομή ηλεκτρονίων στο οξυγόνο τριπλής κατάστασης. Οι ελεύθερες ρίζες διακρίνονται σε ουδέτερες, κατιονικές και ανιονικές ανάλογα με το φορτίο τους. Οι δύο τελευταίες κατηγορίες περιλαμβάνουν συνήθως ενδιάμεσα αντιδράσεων. 161

162 Για να δημιουργηθούν οι ελεύθερες ρίζες πρέπει να γίνει ομόλυση (ή ομολυτική διάσπαση) των δεσμών, Σχήμα 8.2. Η κίνηση ενός ηλεκτρονίου συμβολίζεται με ένα βέλος-άγκιστρο (δείτε και την παράγραφο 1.1). Σχήμα 8.2 Γενικό σχήμα ομολυτικής διάσπασης δεσμού Οι ελεύθερες ρίζες στη φύση και σε εφαρμογές της καθημερινής ζωής Αντιδράσεις ελεύθερων ριζών στη φύση Αντιδράσεις ελεύθερων ριζών χωρούν στους ζώντες οργανισμούς κατά τη διάρκεια των μεταβολικών διεργασιών. Αξιοσημείωτα παραδείγματα αποτελούν η αντιοξειδωτική δράση των βιταμινών Ε (τοκοφερόλη) και C (ασκορβικό οξύ) (Σχήμα 8.3), η σύνθεση των προσταγλανδινών (Σχήμα 8.4), ενώ γνωστή είναι και η αντιοξειδωτική δράση συγκεκριμένων φλαβονοειδών που απαντώνται στα εσπεριδοειδή, τα μήλα, τα σταφύλια και το τσάι (π.χ. η κερσετίνη) και η περίπτωση του θειούχου παραγώγου αλλισίνη που απαντάται στο σκόρδο, Εικόνα 8.2. Σχήμα 8.3 Η αντιοξειδωτική δράση των βιταμινών Ε και C. 162

163 Σχήμα 8.4 Η σύνθεση προσταγλανδινών. Εικόνα 8.2 Οι δομές της κερσετίνης και της αλλισίνης Ενεργές μορφές οξυγόνου (ROS) Ο σχηματισμός ελεύθερων ριζών στον οργανισμό (in vivo) οδηγεί σε βλάβες των κυττάρων και του γενετικού υλικού. Διάφοροι παράγοντες ευνοούν τη δημιουργία ριζών (κάπνισμα, μόλυνση περιβάλλοντος, άγχος, κ.τ.λ.). Ως ενεργές μορφές οξυγόνου (reactive oxygen species, ROS) θεωρούνται οξυγονούχες οντότητες με μεγάλη δραστικότητα: Ο 2 (απλής κατάστασης), Η 2 Ο 2, ΝΟ, ΟΗ, RO και ROO. Οι ενεργές μορφές οξυγόνου είναι πολύ επικίνδυνες για τους οργανισμούς, αν και απαντώνται φυσιολογικά σε αυτούς. Ελέγχονται από κατάλληλα ένζυμα, αλλά όταν παραμείνουν ανεξέλεγκτες οδηγούν σε οξειδωτικός stress (oxidative stress) και μια σειρά από πολύ επικίνδυνες παθολογικές καταστάσεις Αντιδράσεις ελεύθερων ριζών στα βιομηχανικά προϊόντα Μια σειρά από πολυμερή, όπως το πολυαιθυλένιο (δοχεία, σωλήνες, φύλλα) και το πολυβινυλοχλωρίδιο (αδιάβροχα, δοχεία, μαλακοί σωλήνες) παρασκευάζονται στη βιομηχανία μέσω αντιδράσεων ελεύθερων ριζών, Εικόνα 8.3. Εικόνα 8.3 Οι δομές του πολυαιθυλενίου και του πολυ(βινυλοχλωριδίου). Σε μιαν άλλην αντίδραση πολυμερισμού βασίζεται η διεργασία στεγνώματος των ελαιοχρωμάτων (πολυμερισμός του λινολεϊκού οξέος), Εικόνα

164 Εικόνα 8.4 Η δομή του λινολεϊκού οξέος. Η αντικροτική δράση προσθέτων των καυσίμων, όπως τα PbEt 4 και MeOCMe 3, έχει να κάνει με αντιδράσεις ελεύθερων ριζών, ενώ φαινολικά παράγωγα όπως το ΒΗΑ και το ΒΗΤ (Εικόνα 8.5) χρησιμοποιούνται ως αντιοξειδωτικά τροφίμων για να αποτραπεί η οξείδωση μέσω ριζών ενώσεων που περιέχονται σε αυτά. Εικόνα 8.5 Δομές αντιοξειδωτικών προσθέτων των τροφίμων Δομή και δραστικότητα των ριζών Η δομή των ριζών Οι περισσότερες ρίζες θεωρείται ότι απαντούν με την επίπεδη τριγωνική δομή (ή με μια δομή που αποκλίνει ελαφρώς από την τριγωνική δομή και χαρακτηρίζεται ως σχετικά «ρηχή» πυραμιδοειδής). Η δομή τείνει περισσότερο προς την πυραμιδοειδή στις κυκλοπροπυλο-ρίζες και στις ρίζες με υποκατάστατες που φέρουν ισχυρά ηλεκτραρνητικά άτομα (π.χ. CF 3 ), Εικόνα 8.6. Εικόνα 8.6 Η δομή των ριζών Η σταθερότητα των ριζών Οι ρίζες είναι πολύ δραστικά ενδιάμεσα με μικρούς χρόνους ημίσειας ζωής. Η παραμονή τους εξαρτάται από το πόσο εύκολα σχηματίζονται, αλλά και το πόσο εύκολα εξαφανίζονται, Σχήμα 8.5. Σχήμα 8.5 Το γενικό σχήμα για τη σταθερότητα μιας ρίζας. 164

165 Η θερμοδυναμική σταθερότητα των ριζών Η θερμοδυναμική σταθερότητα των ριζών εξαρτάται από την τάση τους να σχηματίζουν δεσμούς και, κατά συνέπεια, από την ενέργεια των δεσμών αυτών (π.χ. στα υδραλογόνα ο ασθενέστερος δεσμός είναι αυτός του Η-Ι, άρα η ρίζα Ι είναι η σταθερότερη). Η θερμοδυναμική σταθερότητα των ριζών επηρεάζεται από το επαγωγικό και το υπερσυζυγιακό φαινόμενο, από τον συντονισμό και τον υβριδισμό, την ηλεκτραρνητικότητα και την πολωσιμότητα του ατόμου που φέρει τη ρίζα. Οι ρίζες έχουν έλλειψη ηλεκτρονίων. Έτσι, σε ό,τι αφορά το επαγωγικό φαινόμενο σταθεροποιούνται όπως και τα καρβοκατιόντα (σειρά σταθερότητας: R 3 C > R 2 CH > RCH 2 > CH 3 ). Παρόλο που ισχύει η ίδια σειρά σταθερότητας, οι αλκυλο-ρίζες είναι γενικά σταθερότερες από τα αντίστοιχα καρβοκατιώντα (π.χ. CH 3 > CH 3 + ). Επαγωγικοί υποκαταστάτες δέκτες ηλεκτρονίων αποσταθεροποιούν τις ρίζες (π.χ. F 3 C-CH 2 < H 3 C- CH 2 ). Επίσης, ανάλογα με τα καρβοκατιόντα σταθεροποιούνται οι ρίζες και με το υπερσυζυγιακό φαινόμενο, Σχήμα 8.6. Σχήμα 8.6 Σταθεροποίηση ρίζας μέσω του υπερσυζυγιακού φαινομένου. Σε ότι αφορά το συζυγιακό φαινόμενο (συντονισμός) υποκαταστάτες δότες (+R) ή δέκτες ηλεκτρονίων ( R) σταθεροποιούν επιτυχώς τις ρίζες. Οι ρίζες που προκύπτουν έχουν αντίστοιχα πυρηνόφιλο (π.χ. MeOCH 2 ) ή ηλεκτρονιόφιλο χαρακτήρα (π.χ. RCOCH 2 ), Εικόνα 8.7. Τα π συστήματα σταθεροποιούν τις ρίζες (όπως και τα καρβοκατιόντα) μέσω δομών συντονισμού (Σχήμα 8.7), με τη διαφορά ότι η σταθεροποίηση χωρεί τόσο με πλούσιους όσο και φτωχούς ηλεκτρονικά δεσμούς (π.χ. C=O) αν και στην τελευταία περίπτωση η σταθεροποίηση είναι ασθενέστερη. Η σταθεροποίηση μέσω συντονισμού της αλλυλικής ρίζας την κάνει σταθερότερη και από τις τριτοταγείς ρίζες. Εικόνα 8.7 Σταθεροποίηση ρίζας μέσω του συζυγιακού φαινόμενου. 165

166 Σχήμα 8.7 Σταθεροποίηση ρίζας από π δεσμό και αρωματικό δακτύλιο. Ιδιαίτερη περίπτωση αποτελεί η ταυτόχρονη ύπαρξη δύο υποκαταστατών με διαφορετικό ποιοτικό χαρακτήρα (+ και R), η οποία οδηγεί σε ακόμη μεγαλύτερη σταθεροποίηση και οφείλεται στο συνεργιστικό φαινόμενο (captodative effect), Σχήμα 8.8. Σχήμα 8.8 Παράδειγμα σταθεροποίησης ρίζας μέσω του συνεργιστικού φαινόμενου. Ο υβριδισμός του ατόμου που φέρει τη ρίζα επηρεάζει επίσης τη θερμοδυναμική της σταθερότητα. Έτσι, η αύξηση του s χαρακτήρα αυξάνει τη σταθερότητα των δεσμών και κατά συνέπεια την αστάθεια των ριζών. Δηλαδή, ισχύει: -C > =C > C. Η ηλεκτραρνητικότητα του ατόμου που φέρει τη ρίζα καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τη σταθερότητά της. Έτσι, τα περισσότερο ηλεκτραρνητικά άτομα δίνουν λιγότερο σταθερές ρίζες (π.χ. F < HO < H 2 N < CH 3 ). Αυτό συμβαίνει γιατί το μερικώς κατειλημμένο τροχιακό της ρίζας πλησιάζει περισσότερο στον πυρήνα. Ο συνδυασμός μείωσης της ηλεκτραρνητικότητας και απομάκρυνσης του τροχιακού της ρίζας από τον πυρήνα εξηγεί γιατί στην ίδια ομάδα του περιοδικού πίνακα η αύξηση του μεγέθους του ατόμου που φέρει τη ρίζα προκαλεί σταθεροποίηση (αύξηση πολωσιμότητας, π.χ. F < Cl < Br < I ) Ο χρόνος ζωής των ριζών Ο χρόνος ζωής μιας ρίζας εξαρτάται από στερεοχημικούς παράγοντες. Ο χρόνος ζωής για τις βραχύβιες ρίζες είναι της τάξης των msec, ενώ μερικές ρίζες, υπό κατάλληλες συνθήκες φύλαξης, είναι πολύ σταθερές. Μεγάλοι υποκαταστάτες γύρω από το άτομο που φέρει τη ρίζα αυξάνουν τον χρόνο ζωής της και την κάνουν πιο σταθερή και λιγότερο δραστική (στερεοχημική παρεμπόδιση). Στην Εικόνα 8.8 δίνονται παραδείγματα σταθερών ριζών, ενώ στο Σχήμα 8.9 φαίνεται η τύχη της ρίζας Ph 3 C, η οποία διμερίζεται αργά μέσω της δομής συντονισμού που φέρει τη ρίζα στην π-θέση ενός των αρωματικών δακτυλίων. Το TEMPO (2,2,6,6-166

167 τετραμεθυλοπιπεριδιν-1-υλοξυ ρίζα) υπάγεται στην κατηγορία των νιτροξυλικών ριζών, οι οποίες είναι γενικά σταθερές λόγω των δύο δομών συντονισμού τους και του μη θερμοδυναμικά ευνοούμενου σχηματισμού Ν-Ν, Ν-Ο ή Ο-Ο δεσμών κατά τον διμερισμό τους. Ειδικότερα το TEMPO είναι ακόμη σταθερότερο λόγω της στερεοχημικής παρεμπόδισης που επιφέρει η παρουσία τεσσάρων μεθυλίων στη «γειτονιά» της ρίζας, Σχήμα Εικόνα 8.8 Παραδείγματα σταθερών ελεύθερων ριζών. Σχήμα 8.9 Η τύχη της ρίζας Ph 3 C.. Σχήμα 8.10 Οι δομές συντονισμού του TEMPO Οι ελεύθερες ρίζες σε ένα αλυσιδωτό σχήμα Οι περισσότερες αντιδράσεις των ελεύθερων ριζών χωρούν μέσω ενός αλυσιδωτού σχήματος (chain scheme). 167

168 8.4.1 Τα στάδια σε ένα αλυσιδωτό σχήμα ριζών Τα αλυσιδωτά σχήματα ριζών περιλαμβάνουν τρία διαφορετικά είδη σταδίων, τα οποία διακρίνονται από τα χαρακτηριστικά των πρώτων υλών και των προϊόντων: Έναρξη (initiation): Ομολυτική διάσπαση δεσμών. Πρώτες ύλες: μη ρίζες, προϊόντα: ρίζες. Η ομολυτική διάσπαση μπορεί να λαμβάνει χώρα είτε σε ένα από τα στοιχειομετρικά υποστρώματα, είτε σε έναν καταλυτικό εκκινητή. Διάδοση (propagation): Αντίδραση ριζών με μη ρίζες ή αντίδραση ριζών με το Ο 2 (δίρριζα) ή αναδιάταξη ριζών. Τουλάχιστον μια πρώτη ύλη και ένα προϊόν είναι ρίζες. Τα στοιχειομετρικά υποστρώματα μετατρέπονται στα προϊόντα σε ένα ή περισσότερα στάδια. Για καθένα από αυτά τα στάδια το προϊόν ρίζα είναι η πρώτη ύλη για το επόμενο στάδιο και το προϊόν ρίζα του τελευταίου σταδίου είναι η πρώτη ύλη του πρώτου σταδίου. Τερματισμός (termination): Αντίδραση δύο ριζών για τον σχηματισμό μιας μη ρίζας Γραμμική και κυκλική παρουσίαση ενός αλυσιδωτού σχήματος ριζών Το αλυσιδωτό σχήμα μιας αντίδρασης ριζών μπορεί να παρασταθεί είτε γραμμικά (Σχήμα 8.11) είτε κυκλικά (Σχήμα 8.12). Αυτά τα γενικά σχήματα ισχύουν με μικρές παραλλαγές για όλες τις αλυσιδωτές αντιδράσεις ριζών. Σχήμα 8.11 Γραμμική παρουσίαση μιας αλυσιδωτής αντίδρασης. 168

169 Σχήμα 8.12 Κυκλική παρουσίαση μιας αλυσιδωτής αντίδρασης Ο θερμοδυναμικός και ο κινητικός παράγοντας ενός αλυσιδωτού σχήματος ριζών Πολλές αντιδράσεις διάδοσης είναι εξώθερμες και η μελέτη της ισχύος των δεσμών που δημιουργούνται ή καταστρέφονται βοηθά στην πρόβλεψη και κατανόηση του αποτελέσματος (θερμοδυναμικός παράγοντας). Η θεώρηση των μετωπικών μοριακών τροχιακών μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη των αντιδράσεων (κινητικός παράγοντας) Παράδειγμα αλυσιδωτής αντίδρασης: η αλογόνωση αλκανίων Η φωτοχημική αλογόνωση (φθορίωση, χλωρίωση και βρωμίωση) των αλκανίων αποτελεί ένα τυπικό παράδειγμα αλυσιδωτής αντίδρασης. Το πρώτο στάδιο περιλαμβάνει τη φωτοχημική διάσπαση του μοριακού αλογόνου (έναρξη). Στην πραγματικότητα αυτό είναι ένα αμφίδρομο στάδιο το οποίο είναι σημαντικά μετατοπισμένο προς τα αριστερά, αλλά αρκούν πολύ μικρές ποσότητες της ρίζας αλογόνου για να εκκινηθεί η αντίδραση. Ακολουθούν δύο στάδια διάδοσης που επαναλαμβάνονται μέχρι την κατανάλωση των πρώτων υλών ή την καταστροφή των ριζών (στάδιο τερματισμού), Σχήμα Σχήμα 8.13 Το αλυσιδωτό σχήμα της αλογόνωσης αλκανίων. Για τον μηχανισμό αλογόνωσης αλκανίων δείτε το Video 8.1. Video 8.1 Ο μηχανισμός αλογόνωσης αλκανίων Οι εκλεκτικότητες των ριζών Για να είναι επιτυχές ένα αλυσιδωτό σχήμα πρέπει: Οι ρίζες που εμπλέκονται να έχουν διαφορετικές εκλεκτικότητες. Οι αντιδράσεις μεταξύ ριζών-μη ριζών να είναι ταχύτερες των αντιδράσεων ριζών-ριζών. Ένα από τα κλασικότερα παραδείγματα αλυσιδωτού σχήματος ριζών αποτελεί η προσθήκη μιας ρίζας R σε έναν διπλό δεσμό με τη χρήση του κασσιτερικού παραγώγου Βu 3 SnH (Σχήμα 8.14). 169

170 Σχήμα 8.14 Η προσθήκη μιας ρίζας R σε έναν διπλό δεσμό με τη χρήση Bu 3 SnH. Για τη μελέτη της εκλεκτικότητας της αντίδρασης στο Σχήμα 8.14, εφόσον ισχύει για τα επιμέρους στάδια ότι k 1 /k 2 = k 3 /k 4 [δηλαδή οι ρίζες R και RCH 2 CH(Y) παρουσιάζουν τις ίδιες εκλεκτικότητες], μπορεί να προβλεφθεί ότι: Για k 1 /k 2 >> 1 θα κυριαρχεί ο πολυμερισμός του αλκενίου. Για k 1 /k 2 << 1 θα κυριαρχεί η αναγωγή του αρχικού αλογονοαλκανίου (RX). Για k 1 /k 2 = 1 θα προκύπτει μίγμα προϊόντων. Στην περίπτωση που οι ρίζες έχουν διαφορετικές εκλεκτικότητες μπορούμε να «ωθήσουμε» την αντίδραση στα επιθυμητά αποτελέσματα. Έτσι: Αν η ρίζα R έχει πυρηνόφιλο χαρακτήρα θα αντιδράσει πιο γρήγορα με τον επιθυμητό τρόπο εάν το αλκένιο είναι φτωχό ηλεκτρονικά [αντίδραση (1), Σχήμα 8.15]. Αν η ρίζα R έχει ηλεκτρονιόφιλο χαρακτήρα θα αντιδράσει πιο γρήγορα με τον επιθυμητό τρόπο εάν το αλκένιο είναι πλούσιο ηλεκτρονικά [αντίδραση (2), Σχήμα 8.15]. Σχήμα 8.15 Παραδείγματα εκλεκτικότητας ριζών. Για τις σταθερές ταχύτητας στο Σχήμα 8.14 και για Υ = CN ισχύει: k 1 = k 2 = k 4 = 10 6 L/mol. s και k 3 = 10 2 L/mol. s Δηλαδή ισχύει ότι: k 1 /k 2 = 1 (I) και k 3 /k 4 = 10-4 (II) 170

171 Από τη σχέση (I) προκύπτει ότι απαιτείται υψηλή συγκέντρωση του αλκενίου (CH 2 =CHCN) ή σταδιακή προσθήκη του κασσιτερικού αντιδραστηρίου (Bu 3 SnH). Από τη σχέση (IΙ) προκύπτει ότι προτιμάται ο τερματισμός αντί του πολυμερισμού. Επισημαίνεται ότι εκτός από τις δοθείσες αντιδράσεις και άλλες ανταγωνιστικές αντιδράσεις μπορεί να λαμβάνουν χώρα στο Σχήμα Έτσι, π.χ. η ανταγωνιστική αντίδραση της ρίζας Βu 3 Sn με το αλκένιο (αντί με το αλογονοαλκάνιο) παίζει επίσης ρόλο στην έκβαση της αντίδρασης. Ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει την εκλεκτικότητα μιας ρίζας είναι η πολικότητάς της. Για την επιτυχή έκβαση μιας αντίδρασης απαιτείται όχι μόνο ικανοποιητική επικάλυψη των τροχιακών αλλά επιπλέον αυτά να έχουν και παραπλήσιες ενέργειες. Η δυνατότητα επικάλυψης των μετωπικών τροχιακών εξηγεί γιατί οι ηλεκτρονιόφιλες ρίζες προτιμούν να αντιδρούν με τις πυρηνόφιλες θέσεις των υποστρωμάτων και οι πυρηνόφιλες ρίζες προτιμούν να αντιδρούν με τις ηλεκτρονιόφιλες θέσεις των υποστρωμάτων, Σχήμα Σχήμα 8.16 Παράδειγμα διαφοροποιημένης αντίδρασης του υποστρώματος με την αλλαγή της ρίζας Ανταγωνισμός των αντιδράσεων ριζών-ριζών και ριζών-μη ριζών Ο ανταγωνισμός των αντιδράσεων ριζών-ριζών και ριζών-μη ριζών σε ένα αλυσιδωτό σχήμα μπορεί να οδηγήσει σε διαφορετικά αποτελέσματα. Αν θεωρήσουμε ότι το R είναι ένα ριζικό υπόστρωμα και το R ένα μη ριζικό υπόστρωμα τότε θα ισχύει: Ταχύτητα για αντίδραση ρίζας-μη ρίζας: v p = k p [R ][R ] Ταχύτητα για αντίδραση ρίζας-ρίζας: v t = k t [R ][R ] Επομένως, η συνθήκη για να υπερτερεί η αλυσιδωτή αντίδραση είναι: v p /v t > 1 => k p [R ]/k t [R ] > 1 Για τις τυπικές αλυσιδωτές αντιδράσεις ριζών ισχύει: k t = L/mol. s [R ] = 1 mol/l [R ] = 10-8 mol/l Οπότε προκύπτει ότι, για να μη χωρεί πρόωρος τερματισμός της αντίδρασης, θα πρέπει να ισχύει: k p > 10 2 L/mol. s Υπάρχουν μερικές ουσιώδεις διαφορές στις αντιδράσεις μεταξύ ριζών-ριζών και ριζών-μη ριζών, οι οποίες και δίνονται συνοπτικά στον Πίνακα

172 Πίνακας 8.1 Σύγκριση των αντιδράσεων ριζών-ριζών και ριζών-μη ριζών Το στάδιο της έναρξης Για την έναρξη ενός αλυσιδωτού σχήματος ριζών μπορούν να ακολουθηθούν διάφορες διαδικασίες οι οποίες διακρίνονται σε αντιδράσεις θερμόλυσης, φωτόλυσης, ραδιόλυσης, σονόλυσης και μεταφοράς ηλεκτρονίου. Στις περισσότερες περιπτώσεις θερμόλυσης, φωτόλυσης και σονόλυσης η ομολυτική διάσπαση ενός σ δεσμού είναι στην πράξη μια αμφίδρομη αντίδραση μετατοπισμένη προς την αντίθετη κατεύθυνση της δημιουργίας ριζών. Όμως, η μικρή ποσότητα των δημιουργούμενων ριζών είναι αρκετή για να προχωρήσει το αλυσιδωτό σχήμα Θερμόλυση Για τη θερμόλυση (thermolysis) χρησιμοποιούνται ενώσεις με ασθενείς δεσμούς ( kj/mol -1 ) που διασπώνται ομολυτικά με θερμικά ήπιες συνθήκες. Σε αυτές συγκαταλέγονται: Υπεροξείδια: Ομολύονται μεταξύ 50 και 150 ο C, π.χ. (tbuo) 2 και tβuo 2 H [αντίδραση (1), Σχήμα 8.17]. Διακυλοϋπεροξείδια: Ομολύονται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες από τα υπεροξείδια, π.χ. (PhCO) 2 O 2, [Me(CH 2 ) 10 CO] 2 O 2 [αντίδραση (2), Σχήμα 8.17]. Aζω-ενώσεις: Ομολύονται μεταξύ 50 και 120 ο C, π.χ. ΑΙΒΝ [αντίδραση (3), Σχήμα 8.17]. Σχήμα 8.17 Παραδείγματα έναρξης με θερμόλυση Φωτόλυση Για τη φωτόλυση (photolysis) χρησιμοποιείται ορατό ή υπεριώδες φως για την ομολυτική διάσπαση ενός δεσμού. Η ένωση πρέπει να απορροφά στο ορατό (να είναι δηλαδή έγχρωμη), όταν χρησιμοποιείται ορατό φως. Σε αντίθεση περίπτωση απαιτείται η χρήση φωτοευαισθητοποιητή (π.χ. PhCOPh). H φωτόλυση 172