CHEMIA ORGANICZNA (II)
Pracownia Stereochemii Organicznej
Nagroda Nobla w dziedzinie chemii Jean-Pierre Sauvage, Bernard L. Feringa, J. Fraser Stoddart
Plan 1) Selektywność i selektywne przekształcanie grup funkcyjnych; a) chemo-, regio- i stereoselektywność; b) kontrola kinetyczna i termodynamiczna. 2) Selektywne reakcje utleniania i redukcji. 3) Zastosowanie związków fosforo- i siarkoorganicznych w syntezie. Selektywne tworzenie wiązań podwójnych C=C. 4) Związki litoorganiczne. 5) Kataliza kompleksami metali. 6) Analiza retrosyntetyczna do samodzielnego opracowania (rozdział 1 w III tomie Chemii organicznej Claydena). Wykład: 15 godzin, seminarium 15 godzin, laboratorium 30 godzin.
Seminaria 1) Seminaria planowane są na drugą połowę semestru (start 21 listopada); 2) Obowiązuje znajomość materiału z tego i z poprzednich kursów chemii organicznej; 3) Przewidywane jest 6 krótkich, 10-minutowych sprawdzianów wiedzy (materiał z poprzedniego seminarium); 4) Oceniana będzie również aktywność i przygotowanie do bieżących zajęć; 5) Osoby, które nie uzyskają zaliczenia seminarium mogą podejść do kolokwium wyjściowego (na ostatnich zajęciach); 6) Na pierwsze zajęcia obowiązuje również znajomość rozdziału 1 z III tomu Chemii organicznej Claydena. 7) Pozytywna ocena z seminarium (4.5 lub 5) podnosi o pół stopnia uzyskaną ocenę z egzaminu (jednorazowy bonus dla ambitnych).
Zalecana literatura Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. Chemia organiczna. WNT, Warszawa 2009. Carey, F. A.; Sundberg, R. J. Advanced Organic Chemistry. Springer, New York 2007. Wyatt, P.; Warren, S. Organic Synthesis The Disconnection Approach. Wiley-VCH, 2007. Wyatt, P.; Warren, S. Organic Synthesis Strategy and Control. Wiley-VCH, 2007. Skarżewski, J. Wprowadzenie do Syntezy Organicznej. PWN, Warszawa 1999. Gawroński, J.; Gawrońska, K.; Kacprzak, K.; Kwit, M. Współczesna synteza organiczna. Wybór eksperymentów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2004.
Na co należy zwrócić szczególną uwagę? 1. Poprawność i precyzja. 2. Unikanie głupich błędów (np. benzenon, 5- a nierzadko 6- wiązalny atom węgla). 3. Właściwe posługiwanie się językiem chemicznym. 4. Właściwe warunki reakcji (staramy się nie godzić ognia z wodą, np. prowadząc reakcję z udziałem związku litoorganicznego w obecności wody lub innego protycznego rozpuszczalnika). 5. Logika przekształceń. 6. Zależności pomiędzy strukturą a reaktywnością. 7. Chemia organiczna nie jest trudna, ale ze względu na wielowymiarowość wymaga znajomości innych dziedzin chemii. 8. Stereochemia!
Synteza organiczna Konstrukcja szkieletu węglowego cząsteczki Reakcje tworzenia wiązań węgiel-węgiel, pojedynczych i wielokrotnych Przekształcenia grup funkcyjnych Reakcje selektywne i nieselektywne Grupy ochronne
Brewetoksyna B Biosynteza glony (Ptychodiscus brevis) Wyd. 3 mg 20 dni Proste związki organiczne 11 pierścieni (6, 7, 8 członowych) 23 centra stereogeniczne 2-deoksy-(D)-ryboza K. C. Nikolau 12 lat (20 osób)
Wyzwanie dla chemika-organika ester (1R,3R,3aR,4R,5R,7aS)-6-[(1S,2R,3R,4S,6S)-4-acetoksy-6-hydroksy-2-(2-metoksy-2- oksoetylo)-1,3-dimetylo-7,9-dioksabicyclo[4.2.1]non-3-ylo]-5-(formyloksy)-3-(3-furylo)-7ahydroksy-3a-metylo-1-{[(2r)-2-metylobutanoilo]oksy}-7-metylenooktahydro-1h-inden-4-ylowy kwasu (2R,3R)-2-hydroksy-3-metylopentanowego
Reakcja chemiczna Proces, w wyniku którego pierwotna substancja (substrat) przekształca się w inną substancję (produkt). Aby cząsteczka substratu zamieniła się w cząsteczkę produktu konieczne jest rozerwanie przynajmniej jednego z obecnych w niej wiązań chemicznych pomiędzy atomami, bądź też utworzenie przynajmniej jednego nowego wiązania. Reakcje chemiczne mogą być przedstawiane w postaci zmian energii potencjalnej reagujących cząsteczek. A + B C D + E Z reguły przedstawia się zmianę entalpii swobodnej jako funkcję postępu reakcji. Dla każdego z elementarnych procesów można wyróżnić stan przejściowy. Tworzące się produkty przejściowe mogą reagować dalej tworząc produkt końcowy. Energia stanu przejściowego w odniesieniu do energii reagentów determinuje szybkość reakcji.
Reakcje szybkie i wolne Substraty po przekroczeniu bariery energetycznej przechodzą w produkty. Energia potrzebna by substraty osiągnęły szczyt bariery energetycznej to energia aktywacji, a szczyt bariery, w którym reagenty mogą równie łatwo wrócić do substratów lub przejść do produktów nazywamy stanem przejściowym. Szybkość reakcji jest zależna od wielkości bariery aktywacji.
Stan przejściowy Stan przejściowy - konfiguracja atomów i łączących ich wiązań chemicznych o ściśle określonej geometrii, która teoretycznie występuje w momencie gdy istnieje jednakowe prawdopodobieństwo przebiegu reakcji elementarnej w obu kierunkach. Stan przejściowy powinien cechować się jedną częstością urojoną (ujemną wartością własną hessianu) zgodną ze współrzędną reakcji.
Reakcje elementarne i wieloetapowe
Profile energii Reakcja jest uprzywilejowana gdy entalpia swobodna jest mniejsza od zera. Entalpia swobodna jest zależna od entalpii (ΔH) i entropii (ΔS), ΔG o = ΔH o - TΔS o. W praktyce to entalpię a nie entalpię swobodną (energia swobodna Gibbsa) wykorzystuje się do określenia czy reakcja jest preferowana czy nie. Reakcja z ΔH o < 0 jest egzotermiczna, ΔH o > 0 endotermiczna.
Postulat Hammonda Reakcje silnie egzotermiczne charakteryzują się wczesnym stanem przejściowym i małą selektywnością. Reakcje silnie endotermiczne charakteryzują się późnym stanem przejściowym i wysoką selektywnością.
Kontrola kinetyczna i termodynamiczna reakcji a) Kontrola kinetyczna skład mieszaniny poreakcyjnej zależy od stałych szybkości reakcji prowadzących do określonych produktów. b) Kontrola termodynamiczna skład mieszaniny poreakcyjnej jest zależny od różnic entalpii swobodnych konkurujących produktów.
Addycja HCN do butenonu Produkt termodynamiczny ma mniejszą energię niż kinetyczny; Energia stanu przejściowego reakcji w prawo jest wyższa niż energia stanu przejściowego reakcji w lewo ; Początkowo reakcja biegnie w lewo ; Produkt kinetyczny tworzy się w sposób odwracalny; Addycja prosta jest uprzywilejowana w niskiej temperaturze.
Izomeryzacja alkenów
Mechanizm izomeryzacji alkenów
Selektywność reakcji
Chemoselektywność dwie grupy różniące się reaktywnością
Cyclomethycaine różnicowanie dwóch O-nukleofili
Chemoselektywność różnica elektrofilowości bardziej elektrofilowy reaktywność względem nukleofili
Chemoselektywność kinetyczna
Chemoselektywność termodynamiczna
Regioselektywność Chemoselektywność jak przeprowadzić reakcję na jednej grupie funkcyjnej pozostawiając inne niezmienione? Regioselektywność jak przeprowadzić reakcję w specyficznym miejscu cząsteczki?
Kontrola regioselektywności aromatyczna substytucja elektrofilowa izomery położeniowe (regioizomery)
Kontrola regioselektywności
Kinetyczna i termodynamiczna kontrola składu produktów Protony grupy metylowej są bardziej odsłonięte niż grupy metylenowej. Silna zasada, o dużej zawadzie sterycznej, w aprotycznym rozpuszczalniku, odrywa protony z bardziej odsłoniętej strony substratu. Słaba zasada lub protyczny rozpuszczalnik sprzyjają tworzeniu bardziej rozgałęzionego enolanu.
Enolany litu
Etery sililowe enoli
Synteza gingerolu
(5R)-5-metylo-2-(2-fenyloprop-2-ylo)cykloheksanon Regioselektywna addycja związku Grignarda do pulegonu
Stereoselektywność
Reakcje enancjoi diastereoselektywne Nadmiar diastereoizomeryczny: d.e. (de) = 100% {[D 1 ] ([D 2 ]+...+[D n ])} / {[D 1 ] + [D 2 ]+...+[D n ]} Proporcja diastereoizomerów: d.r. (dr) = [D 1 ] : [D 2 ] :... : [D n ] Nadmiar enancjomeryczny: e.e. (ee) = 100% {[α] [ent-α]} / {[α] + [ent-α]} Proporcja enancjomerów: e.r. (er) = [α] : [ent-α]
Diastereoselektywna addycja Michaela
Reakcje stereospecyficzne Reakcja jest stereospecyficzna gdy odpowiednio różne, izomeryczne substraty poddane niezależnie tej samej reakcji dają odpowiednio różne, izomeryczne produkty.
Kataliza Wiele reakcji chemicznych wymaga katalizatora. Bardzo ogólna definicja katalizatora to: substancja, która umożliwia przebieg reakcji według określonej ścieżki poprzez obniżenie energii aktywacji. Ściśle mówiąc katalizator nie powinien być zużywany w trakcie reakcji, z drugiej strony chemicy-organicy często mówią o katalizie kwasowej lub zasadowej gdzie w rzeczywistości kwas (lub zasada) jest zużywany. W takim przypadku lepszym określeniem na tego typu reakcje jest promowana kwasem (lub zasadą). W zależności od struktury elektronowej katalizatory mogą być elektrofilowe lub nukleofilowe,. Kataliza kwasami lub zasadami Lewisa jest, odpowiednio, elektrofilowa lub nukleofilowa.
Kataliza kwasami Lewisa Kwas Lewisa (LA) działa jako akceptor pary elektronowej. Proton jest specjalnym przypadkiem LA ale wiele innych indywiduów chemicznych może pełnić rolę akceptora pary elektronowej. Najczęściej używane są kationy metali lub ich związki kowalencyjne. Kationy metali, najczęściej pełniące funkcję LA to monokationy, np.: Li +, Na +, K+, di- i triwalentne jony, takie jak Mg 2+, Ca 2+, Zn 2+, Sc 3+, i Bi 3+ ; kationy i kompleksy metali grup przejściowych lub kationy lantanowców (Ce 3+ i Yb 3+ ). Jako LA często stosowane są cząsteczki neutralne np.: trójfluorek boru, czterochlorek tytanu, czterochlorek cyny(iv) i inne. Aktywność katalityczna LA wynika z tworzenia kompleksu donorowoakceptorowego, w którym atom donorowy staje się bardziej elektroujemny.