Budowa - Zakład Chemii Organicznej
Transkrypt
Budowa - Zakład Chemii Organicznej
BI OT H N O E C L OG CHEMIA ORGANICZNA IA Budowa ALKOHOLE zawierające atom TLENU związany z atomem węgla sp3 mają budowę przestrzenną TETRAEDRYCZNĄ – zbliżoną do budowy węglowodorów. Wiązanie węgiel - tlen utworzone jest przez orbital 2sp3 atomu węgla oraz orbital 2sp3 atomu tlenu. FENOLE zawierające atom TLENU związany z atomem węgla sp2 mają budowę PŁASKĄ. Wiązanie węgiel - tlen utworzone jest przez orbital 2sp2 atomu węgla oraz orbital 2sp3 atomu tlenu. Parametry tych wiązań podaje poniższe zestawienie: C–O Wiązanie C-H O–H alkohole fenole alkohole Długość [pm] 110 142 136 96 Energia [kJ/mol] 435 359 432 460 Kąt fenole 356 C – O – H wynosi (zarówno w fenolach, jak i alkoholach) około 109 o O C 109 o H W fenolach występuje sprzężenie wolnej pary elektronów na atomie tlenu z sekstetem aromatycznym pierścienia O H O H O H O H O H BI OT H N O E C L OG CHEMIA ORGANICZNA IA Nomenklatura ALKOHOLE 1. Alkohole z jedną grupą hydroksylową Do nazwy węglowodoru odpowiadającemu najdłuższemu łańcuchowi węglowemu ALKOHOLE związanemu z grupą hydroksylową DODAJE SIĘ końcówkę - ol wraz z lokantem odpowiadającym grupie hydroksylowej. Łańcuch węglowy numeruje się tak, aby lokant odpowiadający grupie hydroksylowej był możliwie najmniejszy NASYCONE . węglowodór an końcówka: ALKOHOL anol Przykłady: CH3 CH2 CH2 CH2 OH CH3 CH2 CH CH3 OH butan-1-ol butan-2-ol CH3 CH3 CH3 CH C CH2 CH CH3 CH2 CH2 CH3 OH OH 5-etylo-5,6-dimetyloheptan-3-ol ALKOHOLE NIENASYCONE 2,2,6-trimetylocykloheksanol Stosuje się te same zasady, co podane wyżej. Wybiera się najdłuższy łańcuch węglowy zawierający grupę hydroksylową i maksymalną liczbę wiązań wielokrotnych. Łańcuch węglowy numeruje się tak, aby lokant odpowiadający grupie hydroksylowej był możliwie najmniejszy . węglowodór en końcówka: ALKOHOL enol Przykłady: CH3 CH3 CH CH2 OH CH CH CH CH CH CH CH2 CH2 CH3 7-etenylodeka-5,8-dien-4-ol OH 2-metylocyklopent-3-en-1-ol 2. Alkohole z kilkoma grupami hydroksylowymi Do nazwy węglowodoru odpowiadającemu najdłuższemu łańcuchowi węglowemu związanemu z maksymalną moż- -odiol (w przypadku dwóch grup hydroksylowych), -otriol liwą liczbą grup hydroksylowych DODAJE SIĘ końcówkę (w przypadku trzech grup hydroksylowych), .... itd. wraz z lokantami odpowiadającymi grupom hydroksylowym. Łańcuch węglowy numeruje się tak, aby lokanty odpowiadający grupom hydroksylowym były możliwie najmniejsze Przykłady: OH OH OH OH HO heksano-1,3,4-triol 2,4,4-trimetylocykloheksano-1,3-diol CH2 OH CH2 CH2 CH2 CH OH OH OH etano-1,2-diol CH2 OH OH CH2 OH CH2 OH propano-1,2,3-triol GLIKOL ETYLENOWY HO CH2 C 2,2-bis(bydroksymetylo)propano-1,3-diol GLICERYNA PENTAERYTRYT FENOLE Do nazwy węglowodoru aromatycznego, z którym związane są grupy hydroksylowe DODAJE SIĘ końcówkę (w przypadku jednej grupy hydroksylowyej), -odiol (w przypadku dwóch grup hydroksylowych), -otriol - ol (w przypadku trzech grup hydroksylowych) , .... itd. wraz z lokanttami odpowiadającymi grupom hydroksylowym. Zachowuje się numerację atomów węgla układu aromatycznego. Przykłady: OH OH OH OH OH OH OH benzenol benzeno-1,2-diol benzeno-1,3-diol FENOL PIROKATECHINA REZORCYNA OH OH OH benzeno-1,4-diol HYDROCHINON OH CH3 OH OH 2-metylobenzenol o-metylofenol o-KREZOL naftalen-1-ol naft-1-ol -NAFTOL naftaleno-1,3,5,8-tetraol BI OT H N O E C L OG CHEMIA ORGANICZNA IA Własności fizyczne ALKOHOLE ROZPUSZCZALNOŚĆ: Alkohole C1 – C3 są rozpuszczalne w wodzie. Rozpuszczalność wyższych alkoholi szybko maleje wraz ze wzrostem liczby atomów węgla. Oktan-1-ol (C8) jest w już wodzie praktycznie nierozpuszczalny Rozpuszczalność niższych alkoholi wynika z możliwości tworzenia dużej liczby wiązań wodorowych z cząsteczkami wody. Wzór ALKOHOL metylowy etylowy P propylowy izopropylowy n-butylowy izobutylowy sec-butylowy P t-butylowy rozp (g 100gH2O) temp. 25 oC ALKOHOL 8,3 10 26 CH3–OH Et–OH Pr–OH i-Pr–OH n-Bu–OH i-Bu–OH sec-Bu–OH t-Bu–OH rozp (g Wzór 100gH2O) tem. 25 oC n-C5H11–OH pentan-1-ol n-C6H13–OH heksan-1-ol n-C8H17–OH oktan-1-ol C5H9–OH cyklopentanol C6H11–OH cykloheksanol PhCH2–OH benzylowy 1,2-etanodiol HO–CH2CH2–OH C(CH2–OH)4 pentaerytryt 2,3 0,6 0,05 9 4 4 6 Alkohole rozpuszczają się w wielu rozpuszczalnikach organicznych, takich jak eter chloroform, benzen. TEMPERATURA WRZENIA: Alkohole mają stosunkowo wysokie temperatury wrzenia - znacznie fluorowcopochodne oraz związki karbonylowe o tej samej liczbie atomów węgla Fluorowcopochodne T.wrz. [oC] Zw. karbonylowe T.wrz. [oC] wyższe niż T.wrz. [oC] ALKOHOL chlorometan chloroetan 1-chloropropan – 24 12 47 – 10 22 49 56 formaldehyd aldehyd octowy aldehyd propionowy aceton metylowy etylowy propylowy 65 80 97 Przyczyną tego zjawiska jest możliwość tworzenia wiązań wodorowych, co prowadzi do powstawania rozbudowanych ASOCJATÓW. O H R O R H R O O R H H O R H MOMENT DIPOLOWY: Ze względu na polarny charakter wiązań węgiel - tlen, alkohole posiadają moment dipolowy . Dla alkoholi JEDNOWODOROTLENOWYCH zawierają się one na ogół w przedziale: 1,6 – 1,7 D. np.: alkohol metylowy etylowy propylowy moment dipolowy [D] 1,69 1,64 1,68 moment dipolowy [D] 1,61 1,64 2,68 alkohol izpropylowy izobutylowy gliceryna 1 D = 3,33 . 10-30 Cm jednostka CGS jednostka SI = 1,85 D woda amoniak = 1,47 D FENOLE Fenole są cieczami lub ciałami stałymi o wysokich temperaturach wrzenia i niskich na ogół temperaturach topnienia. Są słabo rozpuszczalne w wodzie i najczęściej posiadają charakterystyczny, ostry zapach. FENOL Temp. topn. Temp. wrz. [oC] [oC] fenol o-krezol m-krezol p-krezol 42 32 11 38 rozp. (g 183 192 202 201 100gH2O) temp. 25 oC 9,8 2,4 2,6 2,1 FENOL Temp. topn. Temp. wrz. [oC] [oC] o-chlorofenol p-chlorofenol p-bromofenol o-nitrofenol 10 44 64 45 174 222 236 217 rozp. (g 100gH2O) tem. 25 oC 2,8 2,7 1,4 0,2 MOMENT DIPOLOWY: Fenole – podobnie jak alkohole posiadają moment dipolowy FENOL fenol o-krezol m-krezol moment dipolowy [D] 1,70 1,35 1,61 FENOL p-krezol o-nitrofenol p-nitrofenol moment dipolowy [D] 1,58 3,22 5,07 BI OT H N O E C L OG CHEMIA ORGANICZNA IA Synteza ALKOHOLE 1. Addycja elektrofilowa wody do alkenów Jest to proces katalizowany kwasem. Cechuje go regioselektywność opisywana reg. Markownikowa. H C C C H2O C C H H -H C C H O C OH H H kation oksoniow y karbokation Reakcja ta nie jest stereospecyficzna, ponieważ atak na cząsteczkę alkenu może nastąpić z obu stron cząsteczki alkenu. Podobnie: atak cząsteczki wody na płaski karbokation może nastąpić z takim samym prawdopodobieństwem z obydwu stron. 2. Hydroborowanie alkenów Jest to proces dwuetapowy. Cechuje go regioselektywność opisywana regułą przeciwną do reg. Markownikowa. C BH3 C C C H C H C B H C C BH2 C H C H2O2 B 3 OH C H C OH H 3. Substytucja nukleofilowa we fluorowcopochodnych a) reakcja pierwszo- i drugorzędowych fluorowcopochodnych z wodnym roztworem NaOH. Jest to stereospecyficzna substytucja SN2 H R1 H R1 OH C X R2 H2O HO C R2 b) reakcja drugo- i trzeciorzędowych fluorowcopochodnych oraz pierwszorzędowych fluorowcopochodnych typu allilowego lub benzylowego z wodą. Jest to niestereospecyficzna substytucja SN1 R1 H2O C R2 H R1 H H R1 C OH X R2 + HO C R2 4. Redukcja aldehydów i ketonów Redukcja katalityczna wodorem pod ciśnieniem lub za pomocą LiAlH4 (LAH) lub NaBH4. Z aldehydów tworzą się alkohole I-rzędowe, zaś z ketonów - alkohole II-rzędowe. O H2 / Pd H p R1 C alkohol I-rzędowy R1 CH2 OH (lub LiAlH4 , NaBH4 ) O H2 / Pd R1 C R2 p OH alkohol II-rzędowy R1 CH R2 (lub LiAlH4 , NaBH4 ) 5. Redukcja kwasów karboksylowych i estrów Redukcję przeprowadza się za pomocą LiAlH4. R1 C O LiAlH4 alkohol I-rzędowy R1 CH2 OH OH LiAlH4 O R1 C R1 CH2 OH + R2 OH OR2 6. Syntezy z wykorzystaniem związków magnezo- lub litoorganicznych a) Reakcja z formaldehydem - otrzymuje się alkohole I-rzędowe z łańcuchem przedłużonym o jeden atom węgla O R MgX + H C OMgX R C H H H2O, H R CH2 OH H b) Reakcja z aldehydami zawierającymi co najmniej 2 atomy węgla - otrzymuje się alkohole II-rzędowe. O R MgX + R1 C H OMgX R C R1 H2O, H R CH R1 OH H c) Reakcja z ketonami - otrzymuje się alkohole III-rzędowe OMgX O R MgX + R1 C R2 R C R1 R2 H2O, H R2 R C R1 OH d) Reakcja z estrami - otrzymuje się alkohole III-rzędowe zawierające co najmniej dwie takie same grupy przy węglu związanym z grupą OH. OMgX O R MgX + R1 R C R1 C OR2 R OR2 R C H2O, H R C R1 R1 C R1 + R2OMgX Keton OMgX O R MgX + O R R C R1 OH R Sumarycznie przebiega zatem następująca reakcja: R O 2 R MgX + R1 R C R1 C OR2 + R2OH + 2 Mg(OH)X OH e) Reakcja z epoksydami (tlenek etylenu - epoksyetan; tlenek propylenu - 1,2-epoksypropan) W reakcji następuje rozpad wiązania epoksydowego i tworzy się addukt, który po hydrolizie przechodzi w alkohol I-rzędowy zawierający układ węglowy (grupy ze związku magnezoorganicznego) przedłużony o dwa atomy węgla. W przypadku tlenku propylenu addycja grupy R- ze związku magnezoorganicznego następuje do mniej osłoniętego pierwszorzędowego atomu węgla; W wyniku tej reakcji otrzymuje się alkohol II-rzędowy. 7. Hydroliza estrów Proces ten może być katalizowany kwasem lub zasadą. O R1 C R1 C OR2 O R1 C H2O, H OR2 O + R2 OH + R2 OH OH H2O, OH R1 C O O FENOLE 1. Stapianie sulfonianów sodowych z NaOH W wyniku stapiania otrzymuje się odpowiedni fenolan sodu. Po zakwaszeniu mieszaniny reakcujnej tworzy się fenol Ar H H2SO4 Ar SO3H NaOH Ar SO3Na 1) NaOH stap. Ar OH 2) H2O, H 2. Z soli diazoniowych Zimny roztwór soli diazoniowej doprowadza się do temperatury pokojowej. W wyniku rozkładu soli tworzy się fenol Ar NH2 o NaNO2, HCl, O C Ar N2 Cl temp. pok. Ar OH 3. Z fluorowcopochodnych aromatycznych Fluorowcopochodne ogrzewa się z wodnym roztworem NaOH pod zwiększonym ciśnieniem. Tworzy się odpowiedni Fenolan. Reakcja biegnie poprzez BENZYN. Proces jest nieselektywny (na ogół tworzy się mieszanina produktów) i ma ograniczone zastosowanie. Ar Br NaOH /H2O T, p Ar ONs H2O, H Ar OH BI OT H N O E C L OG CHEMIA ORGANICZNA IA Własności chemiczne ALKOHOLE 1. Kwasowość. Wartości pKa. Tworzenie SOLI (alkoholanów) – reakcje z metalami z wydzieleniem wodoru Stała kwasowości (Ka ) Podstawą definicji stałej kwasowości (Ka) jest równanie: HA + H2O + A kwas H3O zasada sprzężona Stałą Ka definiuje się następująco: Ka = A H3O HA Wyrażenia w nawiasach oznaczają stężenia molowe substancji w stanie równowagi. Stała Ka charakteryzuje moc kwasu. Im mocniejszy jest kwas tym wartość jego stałej Ka jest WIĘKSZA . UWAGA! Wyrażenie na Ka możemy traktować jak wyrażenie na STAŁĄ RÓNOWAGI powyższej reakcji pomnożone obustronnie przez stężenie wody [H2O]. Stężenie to traktujemy, jako stałe (czyli „włączamy” je do stałej równowagi) i wynoszące tyle samo, co dla czystej wody, czyli 1000[g/dm3] / 18 [g/mol] = 55,55... [mol / dm3] (dla rozcieńczonych roztworów takie założenie jest dopuszczalne - tzn. błędy związane z takim założeniem można zaniedbać). W literaturze operuje się też wielkością pKa zdefiniowaną następująco: pKa = - log (Ka) (“log” oznacza tu logarytm dziesiętny) Im mocniejszy jest kwas tym wartość jego stałej pKa jest MNIEJSZA . Kwasowość alkoholi jest nieco mniejsza od kwasowości wody. Z uwagi na efekt indukcyjny grup alkilowych pKa większości prostych alkoholi jest większa od stałej pKa dla wody (15,7): H + O R H + 1 O 1+ H + 1 , 1 - wartości bezwzględne R H metyl etyl propyl izopropyl butyl sec-butyl t-butyl pKa 15,7 15,5 16 16,1 17,1 16,3 17,2 18 UWAGA! Różnice w mocy kwasów można także wyjaśniać w oparciu o stabilizację anionu tworzącego się po oderwaniu od tego kwasu protonu. Niższą kwasowość alkoholi w stosunku do wody wyjaśnia się mniejszą trwałością (gorszą stabilizacją) anionu alkoholanowego (w stosunku do jonu OH-) spowodowaną oddziaływaniem ujemnie naładowanego atomu tlenu z chmurą elektronową grupy alkilowej. Oznacza to, że alkohole są nieco słabszymi kwasami od wody a zatem równowaga: R OH + słabszy KWAS OH słabsza ZASADA R O + mocniejsza ZASADA H2O mocniejszy KWAS jest przesunięta w lewo (mocniejszy kwas wypiera słabszy i mocniejsza zasada wypiera słabszą). Chemiczna konsekwencja tego faktu jest następująca: ALKOHOLE nie rozpuszczają się w wodnym roztworze NaOH (wyjątek stanowią alkohole, które są rozpuszczalne w wodzie – np. metanol, etanol) Alkohole są natomiast znacznie mocniejszymi kwasami od alkinów terminalnych. Świadczy o tym reakcja alkoholi z sodem (a także z innymi metalami I-ej i II-ej grupy), przebiegająca energicznie w temperaturze pokojowej z wydzieleniem wodoru. (alkiny terminalne reagują z sodem bardzo powoli i w wysokiej temperaturze). W wyniku tej reakcji otrzymuje się sole zwane alkoholanami ( np. metanolan sodu, etanolan magnezu itp.). 2 R OH + 2 Na ALKOHOL 2 R ONa + H2 ( ) alkoholan sodu ALKOHOLE reagują z SODEM w temp. pokojowej z wydzieleniem wodoru Reakcja ta jest wykorzystywana w chemii analitycznej (jako tzw. reakcja probówkowa) do szybkiego odróżniania alkoholi od wielu innych grup związków – np. od eterów, estrów, ketonów. Efektem wizualnym w tej reakcji jest wydzielanie się pęcherzyków wodoru Jako mocniejsze kwasy, alkohole powodują zatem rozkład acetylenków do alkinów (jest to typowa reakcja kwasowo-zasadowa – mocniejszy kwas wypiera słabszy a mocniejsza zasada wypiera słabszą zasadę): R OH ALKOHOL (mocniejszy kwas) + R C C Na karboanion (mocniejsza zasada) R ONa anion alkoholanowy (słabsza zasada) + R C CH ALKIN TERMINALNY (słabszy kwas) Kwasowe własności alkoholi ujawniają się także w reakcjach rozkładu wodorków, amidków oraz związków magnezo- lub litoorganicznych. CH3OH + NaH C2H5ONa + CH2ONa + NaNH2 alkohol benzylowy R OH + H2 ( ) metanolan sodu (metylan sodu) METANOL CH2OH + NH3 ( ) benzylan sodu R OMgBr + bromek alkoksymagnezowy C2H5MgBr ALKOHOL C2H5OLi Li C2H5OH + C2H6 ( ) + etanolan litu (etylan litu) ETANOL Podstawowy szereg kwasowości dla różnych grup związków organicznych i wody: O O C C H ALKANY 50 C H ALKENY 44 C C O H H O H ALKOHOLE WODA C H ALKINY TERMINALNE 25 16 -18 15,7 Ar O H FENOLE 9 -11 O O S C C R O H O H R O H HO KWASY KWASY KWAS WĘGLOWY KARBOKSYLOWE SULFONOWE 6,4 3-6 < -2 KWASOWOŚĆ ALKOHOLI MALEJE ZE WZROSTEM RZĘDOWOŚCI (ilustruje to podana tabela wartości pKa). Jest to spowodowane mocniejszym oddziaływaniem chmury elektronowej na wiązanie węgiel-tlen oraz tlen-wodór (a także na ujemnie naładowany atom tlenu w anionie) w miarę wzrostu rzędowości atomu węgla związanego z grupą OH. 1 o R1 2 o o R C OH R CH OH R CH2 OH 3 R1 R2 Gdy w cząsteczce alkoholu występują grupy elektronoakceptorowe lub elektroujemne (np. fluorowce), zwiększa się stabilność anionu alkoholanowego i kwasowość alkoholi wzrasta (wzrost kwasowości można tu także wytłumaczyć indukcyjnym oddziaływaniem spolaryzowanego wiązania węgielfluorowiec na wiązanie węgiel-tlen oraz tlen-wodór w cząsteczce alkoholu): OH OH CH3CH2 OH HO CH3CH2 OH CF3CH2 OH CH3 CH CH3 CF3 CH CF3 pKa= 16 pKa= 14,1 pKa= 12,5 pKa= 17,1 pKa= 9,3 Cl CH3CH2 OH Cl CH2CH2 OH Cl CHCH2 OH Cl Cl CCH2 OH Cl pKa= 16 pKa= 14,4 pKa= 12,9 pKa= 11,8 2. Zasadowość Alkohole są słabymi zasadami (pKb = 15-17). Pod wpływem kwasu ustala się równowaga H R CH2 OH R CH2 OH ALKOHOL jednak jest ona przesunięta na prawo jedynie w przypadku niskocząsteczkowych alkoholi (zawierających do 5-6 atomów węgla). Na ogół: Alkohole są nierozpuszczalne w rozcieńczonych kwasach mineralnych 3. Tworzenie ESTRÓW (w reakcji z kwasami i ich pochodnymi) Alkohole reagują łatwo z kwasami karboksylowymi ( R-COOH ) lub ich pochodnymi (chlorkami, amidami, bezwodnikami i nitrylami) tworząc ESTRY – związki o przyjemnym zapachu, stanowiące często podstawę kompozycji zapachowej owoców lub kwiatów. Reakcja ta – zwana reakcją estryfikacji – jest odwracalna i pod działaniem wody (w obecności kwasu lub zasady) z estru można z powrotem otrzymać alkohol. Z tego powodu reakcja estryfikacji używana bywa w syntezie organicznej do ZABEZPIECZANIA grupy hydroksylowej w alkoholach. Estry (będące także pochodnymi kwasów) również mogą reagować z alkoholami. W wyniku tej reakcji otrzymuje się inny ester tego samego kwasu. Przemiana ta nazywa się reakcją TRANSESTRYFIKACJI 3a Reakcja z kwasami karboksylowymi (reakcja estryfikacji) Reakcja alkoholu z kwasem karboksylowym jest katalizowana mocnym kwasem mineralnym (np. siarkowym). Reakcja ta jest odwracalna, jednak stan równowagi przesunięty jest na ogół na korzyść estru. Mechanizm tej reakcji oraz aspekty przesuwania stanu równowagi omówione zostaną w rozdziale dotyczącym kwasów karboksylowych. O R OH R1 C + ALKOHOL H O + R1 C OH OR ESTER KWAS H2O 3b Reakcja z chlorkami kwasowymi Reakcja alkoholi z chlorkami kwasowymi przebiega łatwo – szczególnie w obecności zasad (np. amin trzeciorzędowych), które wiążą powstający w trakcie reakcji HCl. Estry otrzymuje się z bardzo dobrą wydajnością O R OH ALKOHOL + R1 C Cl chlorek kwasowy amina O R1 C + HCl OR ESTER Reakcja alkoholanów z chlorkami kwasowymi przebiega bardzo energicznie. Produktem jej jest ester i chlorek odpowiedniego metalu (najczęściej sodu). 3c Reakcja z bezwodnikami kwasowymi Reakcja z bezwodnikami również przebiega łatwo i wydajnie. Reakcja może być prowadzona bez katalizatora kwasowego – wówczas kwas i bezwodnik reagują w stosunku molowym 1 : 1 i w reakcji powstaje dodatkowo cząsteczka kwasu O R1 C + R OH + R1 C R1 C OR ESTER R1 C ALKOHOL O O O bezwodnik O kwasowy OH kwas Reakcja ta ma zastosowanie do otrzymywania wodoroestrów (kwaśnych estrów) kwasów dikarboksylowych. Bezwodnik takiego kwasu ma budowę cykliczną Gdy reakcję prowadzi się w obecności mocnego kwasu mineralnego (np. siarkowego), tworzący się kwas karboksylowy reaguje z drugą cząsteczką alkoholu i jeden mol bezwodnika przereagowuje z dwoma molami alkoholu O 2 R OH R1 C + O O H 2 R1 C OR ESTER R1 C ALKOHOL bezwodnik O kwasowy 3d Reakcja z amidami Reakcja alkoholi z amidami wymaga katalizatora (kwasu mineralnego) i przebiega trudniej niż z kwasami karboksylowymi. Ma ona małe znaczenie praktyczne. O R OH + R1 C ALKOHOL O H R1 C NH2 + NH4 OR ESTER amid 3e Reakcja z nitrylami Reakcja z nitrylami przebiega bardzo powoli. Przeprowadza się ją ogrzewając nitryl z alkoholem nasyconym bezwodnym chlorowodorem. W wyniku tej reakcji tworzy się chlorowodorek iminoeteru, który następnie poddaje się hydrolizie prowadzącej do estru. R OH ALKOHOL + R1 C N nitryl HCl suchy R1 C NH2 Cl OR chlorowodorek iminoeteru H2O O R1 C OR ESTER 3f Reakcja z estrami (reakcja TRANSESTRYFIKACJI) Reakcja transestryfikacji.może przebiegać w warunkach kwasowych lub zasadowych. W pierwszym przypadku ogrzewa się ester z alkoholem w obecności katalitycznych ilości kwasu mineralnego H O R OH O R1 C + ALKOHOL + R1 C OR2 ester R2OH OR ESTER alkohol Reakcja transestryfikacji może być także katalizowana jonami alkoholanowymi R O O + R OH R1 C OR2 ester ALKOHOL O + R1 C R2OH OR ESTER alkohol 4. Reakcje z kwasami halogenowodorowymi (tworzenie halogenków alkilowych) Alkohole reagują ze wszystkimi kwasami fluorowcowodorowymi dając odpowiednie halogenki. Szybkość tych reakcji zależy od rodzaju kwasu fluorowcowodorowego (szybkość wzrasta wraz z liczbą masową fluorowca) oraz od rzędowości alkoholu (szybkość reakcji wzrasta ze wzrostem rzędowośći) R-OH + HX R-X + H2O a) Alkohole I-rzędowe reagują łatwo jedynie z kwasami: bromowodorowym i jodowodorowym. W trakcie reakcji grupa OH ulega najpierw protonowaniu (w wyniku czego obniża się zasadowość grupy odchodzącej) a następnie utworzony kation oksoniowy ulega reakcji SN2 z anionem halogenkowym. H H R CH2 OH ALKOHOL R CH2 OH Br R CH2 Br + H2O kation oksoniowy Reakcja z kwasem chlorowodorowym jest powolna i wymaga katalizatora (stosuje się chlorek cynku). Chlorek cynku tworzy najpierw związek addycyjny z alkoholem (czynnikiem atakującym jest tu prawdopodobnie solwatowany trzema cząsteczkami wody kation ZnCl+, w którym jedna cząsteczka wody zostaje wymieniona na bardziej nukleofilową cząsteczkę alkoholu), a następnie przebiega reakcja SN2 ZnCl R CH2 OH ALKOHOL ZnCl R CH2 O H Cl R CH2 Cl + Zn(OH)Cl W reakcji alkoholi z roztworem ZnCl2 w kwasie solnym można odróżnić ich rzędowość. Jest to tzw. próba LUCASA. Po dodaniu do alkoholu roztworu ZnCl2/HCl roztwór staje się początkowo klarowny i w trakcie reakcji wytrąca się nierozpuszczalny w wodzie chlorek alkilu. Alkohole III-rzędowe dają zmętnienie na zimno niemal natychmiastowo, alkohole II-rzędowe – także na zimno – po kilku minutach, natomiast alkohole I-rzędowe – dopiero po podgrzaniu. b) Alkohole II i III-rzędowe reagują z kwasem chlorowodorowym bez katalizatora. (Przykładowo: chlorek t-butylu otrzymuje się z bardzo dobrą wydajnością poprzez kilkunastominutowe wytrząsanie tbutanolu z kwasem chlorowodorowym w rozdzielaczu.) Reakcje te biegną one wg mechanizmu jednocząsteczkowego SN1. w przypadku alkoholi IIIrzędowych, allilowych i benzylowych. Akohole II-rzędowe reagują wg mechanizmu mieszanego: SN2 i SN1 z przewagą mechanizmu SN2. Alkohole I-rzędowe reagują wg mechanizmu SN2 UWAGA! W reakcjach tych nie można otrzymać czystego optycznie halogenku z optycznie czynnego alkoholu (z uwagi na całkowity lub częściowy przebieg tych reakcji wg mechanizmu S N1). Pozwalają na to reakcje wymienione w punkcie 9. 5. Reakcje z chlorkiem tionylu (SOCl2) Alkohole reagują łatwo z chlorkiem tionylu w stereospecyficznej reakcji substytucji wewnątrzcząsteczkowej (połączonej z eliminacją ditlenku siarki) w tworzącym się przejściowo estrze kwasu chlorosiarkowego(IV) (reakcja SNi). Reakcja przebiega z retencją konfiguracji. Etap I R-OSOCl + HCl R-OH + SOCl2 R2 H R2 C Etap II R1 C O Cl S sumarycznie: H Cl + SO2 SO2 + HCl R1 O R-OH + SOCl2 R-Cl + Reakcja ta przebiega szybko i jest bardzo dogodna z praktycznego punktu widzenia, gdyż oprócz halogenku tworzą się w niej jedynie produkty gazowe. Jej modyfikacją jest reakcja z dodatkiem pirydyny, która przebiega z inwersją konfiguracji (reakcja SN2 - patrz rozdział 5.2). Jej mechanizm jest następujący: H R2 C Etap I SOCl2 OH H C OSOCl + HCl R1 R1 C5H5N + HCl C5H5NH+ + Cl- Etap II R2 Etap III R2 H H C Cl R1 Cl O Cl S O R2 + C R SO2 + Cl Reakcje z halogenkami fosforu (PCl3 i PBr3) Alkohole reagują z trichlorkiem i tribromkiem fosforu dając odpowiedni halogenek i kwas fosforowy. Jakkolwiek reakcja przebiega równie szybko jak reakcja z chlorkiem tionylu to jednak jest mniej dogodna z praktycznego punktu widzenia ze względu na konieczność oddzielania tworzącego się w toku reakcji kwasu fosforowego. 3 R-OH + PX3 3 R-X + H3PO3 6. Reakcje z bromem lub jodem w obecności fosforu Modyfikacją powyższej reakcji jest zastosowanie - zamiast halogenku fosforu - jodu (lub bromu) i czerwonego fosforu. Przyjmuje się, że halogenek fosforu tworzy się in situ i reaguje z alkoholem wg podanego w punkcie 6 równania reakcji. Reakcja z zastosowaniem jodu pozwala na otrzymywanie jodków alkilowych z bardzo wysokimi wydajnościami. 6 R-OH + 2P + 3I2 7. 6 R-I + 2H3PO3 Tworzenie ETERÓW (w reakcji alkoholi lub alkoholanów z fluorowcopochodnymi) 8a) Etery dialkilowe można otrzymywać w reakcji pierwszorzędowych fluorowcopochodnych z ALKOHOLANAMI. Jest to reakcja Williamsona. R1 CH2 X OR R1 CH2 OR Obie reakcje są reakcjami substytucji SN2. 1b) Etery dialkilowe otrzymuje się także w reakcji drugo- i trzeciorzędowych fluorowcopochodnych oraz pierwszorzędowych fluorowcopochodnych typu allilowego lub benzylowego z ALKOHOLAMI. Jest to niestereospecyficzna substytucja SN1 R1 ROH C R2 H R1 H H R1 C OR X R2 + RO C R2 Analogiczna reakcja z fenolami nie przebiega z uwagi na znacznie mniejszą nukleofilowość fenoli w porównaniu z alkoholami. 8. Przekształcanie alkoholi w halogenki alkilowe poprzez pośrednią zamianę grupy OH na grupę dobrze odchodzącą Alkohole (R-OH) – w wyniku działania chlorkami kwasów sulfonowych (R1-SO2Cl) – można przeprowadzić w estry kwasów sulfonowych (sulfoniany alkilowe) o wzorze R-OSO2R1. chlorek benzenosulfonylu O S O R OH O Cl R O S O ALKOHOL Sulfonian alkilu Bardzo popularnie stosowany jest tu chlorek p-toluenosulfonylu (chlorek TOSYLU). Estry kwasu p-toluenosulfonowego nazywa się TOSYLANAMI ( np. p-toluenosulfonian etylu alternatywnie nazywa się tosylanem etylu) O O CH3 S CH3 Cl S O C2H5 O O chlorek p-metylobenzenosulfonylu chlorek p-toluenosulfonylu CHLOREK TOSYLU p-metylobenzenosulfonian ETYLU p-toluenosulfonian ETYLU TOSYLAN ETYLU Alkohole (R-OH) reagują także z chlorkiem TRIMETYLOSILILU [ (CH3)3SiCl ] tworząc etery trimetylosililowe o wzorze R-OSi(CH3)3. chlorek trimetylosililu CH3 CH3 Si CH3 R OH ALKOHOL CH3 Cl R O Si CH3 CH3 Eter alkilowo-trimetylosililowy Grupy: –OSO2R1 oraz –OSi(CH3)3 są grupami dobrze odchodzącymi (ponieważ aniony R1SO3oraz (CH3)3O- są slabymi zasadami), zatem obydwie powyższe reakcje pozwalają zmienić źle odchodzącą grupę –OH na grupę dobrze odchodzącą (np. w reakcjach substytucji). Tym samym: SULFONIANY alkilowe reagują bardzo wydajnie z halogenkami nieorganicznymi dając - w reakcji substytucji - odpowiednie halogenki alkilowe. Jest to typowa reakcja SN2 i przebiega z inwersją konfiguracji R2 H C Cl R1 H O O S O C6H5 Cl R2 + C R1 C6H5SO3 Podobnie reagują ETERY TRIMETYLOSILILOWE (sililoksyalkany): R2 H C Br H CH3 Br O Si CH3 R1 CH3 R2 + C CH3SiO R1 CH3 CH3 Obydwie reakcje stanowią stereospecyficzne metody przekształacania alkoholi w odpowiednie halogenki. 9. Utlenianie Alkohole I-rzędowe ulegają łatwo utlenieniu pod wpływem typowych środków utleniających (KMnO4, K2Cr2O7, CrO3, H2O2 ). Produktem reakcji utlenienia jest początkowo ALDEHYD, jednak związek ten w środowisku wodnym ulega utlenieniu jeszcze łatwiej niż wyjściowy alkohol i ostatecznym produktem tej reakcji jest KWAS KARBOKSYLOWY R CH2 OH CrO3 O R CrO3 C H ALDEHYD ALKOHOL O R C OH KWAS Reakcję tę (prowadzoną przy użyciu typowych utleniaczy) można zatrzymać na stadium tworzenia aldehydu jedynie wtedy, gdy możliwe jest usuwanie tego produktu z mieszaniny reakcyjnej (np. drogą destylacji) W wyniku dokładnego zbadania mechanizmu reakcji utleniania alkoholi za pomocą chromianów i dichromianów opracowano metody (utleniacze + warunki) pozwalające na efektywne utlenianie alkoholi I-rzędowych do aldehydów. Popularnie stosowanym utleniaczem jest tu chlorochromian pirydyniowy – PCC (ang. pyridinium chlorochromate), zwany doczynnikiem Corey’a R CH2 OH ALKOHOL PCC CH2Cl2 O R C H ALDEHYD O O HO Cr OH HO O O kwas chlorochromowy HCrO3Cl kwas chromowy H2CrO4 Cr Cl N pirydyna N CrO3Cl H chlorochromian pirydyniowy (PCC) Alkohole II-rzędowe także łatwo ulegają utlenieniu pod wpływem typowych środków utleniających. Produktem reakcji jest tu KETON, który nie ulega już dalszemu utlenieniu R1 R2 CH OH CrO3 ALKOHOL Alkohole III-rzędowe NIE ULEGAJĄ UTLENIANIU R1 R2 C O KETON 11. Reakcja DEHYDRATACJI Alkohole posiadające atomy wodoru przy węglu ulegają pod wpływem kwasów procesowi DEHYDRATACJI do ALKENÓW. Reakcja ta przebiega wg mechanizmu E-1, zgodnie z regułą Zajcewa a jej szybkość zależy od rzędowości alkoholu. Alkohole III-rzędowe ulegają eliminacji najłatwiej (w łagodnych warunkach), natomiast alkohole I-rzędowe – dopiero w wysokiej temperaturze (w wyniku ogrzewania z kwasem siarkowym) CH2 CH3 CH3 H C OH C C CH3 CH3 H + C C CH3 H CH3 E Z Skłonność alkoholi do ulegania reakcji dehydratacji: III rz > II rz > I rz 12. Reakcje z aldehydami i ketonami (tworzenie HEMIACETALI i ACETALI) Reakcja jest katalizowana MOCNYM kwasem i przebiega w warunkach bezwodnych (używa się suchego chlorowodoru, którym nasyca się alkohol używany do reakcji). W reakcji z jedną cząsteczką alkoholu tworzą się nietrwałe na ogół addukty zwane HEMIACETALAMI, zaś po reakcji z drugą cząsteczką alkoholu – trwałe produkty zwane ACETALAMI. Reakcja jest odwracalna i równowagę przesuwa się na korzyść produktu stosując duży nadmiar alkoholu. ROH O R1 C R2 H R i - H lub ALKIL l ub ARYL 13. OH R1 C R2 OR ROH H HEMIACETAL OR R1 C R2 OR ACETAL Zabezpieczanie grupy hydroksylowej Reakcja z dihydropiranem – tworzy się wiązanie typu acetalowego. Odbezpieczanie przeprowadza się drogą kwasowej hydrolizy. R OH O H R H2O O O H R OH FENOLE 1. Kwasowość. Wartości pKa. Tworzenie rozpuszczalność w wodnym roztworze NaOH SOLI (fenolanów) – Kwasowość fenoli jest znacznie większa od kwasowości alkoholi i wody – pKa większości prostych fenoli mieści się w zakresie 9 – 10. : OH OH OH fenol 2-naftol 1-naftol pKa = 9,89 pKa = 9,34 pKa = 9,51 Dużą różnicę w kwasowości fenoli i alkoholi można wyjaśniać dwojako: a) Większą polaryzacją wiązania O-H w fenolach spowodowaną deficytem elektronów na atomie tlenu. Deficyt ten jest konsekwencją sprzężenia wolnej pary atomu tlenu z sekstetem aromatycznym pierścienia oraz aktywacji pierścienia kosztem elektronów tlenu. O H O H O H O H O H b) Lepszą stabilizacją anionu fenolanowego (w porównaniu z jonem alkoholanowym) wynikającą z możliwości delokalizacji ładunku ujemnego na pierścień aromatyczny O O O O O Energia rezonansu dla anionu jest o ok. 35 kJ/mol większa niż dla fenolu Ta duża różnica kwasowości fenoli i alkoholi oraz fenoli i wody oznacza, że równowagi: Ar OH + Ar OH mocniejszy KWAS OH mocniejsza ZASADA mocniejszy KWAS + OR mocniejsza ZASADA Ar O + Ar O + słabsza ZASADA słabsza ZASADA H2O słabszy KWAS ROH słabszy KWAS są zdecydowanie przesunięte w prawo (mocniejszy kwas wypiera słabszy i mocniejsza zasada wypiera słabszą). Chemiczna konsekwencja tego faktu jest następująca: FENOLE rozpuszczają się w wodnym roztworze NaOH oraz wypierają alkohole z ich soli (alkoholanów) Reakcja rozpuszczalności w wodnym roztworze NaOH jest wykorzystywana w chemii analitycznej (jako tzw. reakcja probówkowa) do szybkiego odróżniania alkoholi od fenoli. Efektem wizualnym w tej reakcji jest rozpuszczanie się związku organicznego w fazie wodnej (roztwór NaOH). Przykładowo: dwa izomery: CH3 CH2 OH OH alkohol benzylowy p-metylofenol Różnią się tym, że pierwszy z nich rozpuszcza się w wodnym roztworze NaOH, zaś drugi z nich pozostaje nierozpuszczalny. Fenole są natomiast słabszymi kwasami od kwasu węglowego – kwas węglowy wypiera fenole z ich soli. Jeżeli zatem przepuści się strumień CO2 przez klarowny roztwór fenolanu sodu w wodzie, wówczas wystąpi zmętnienie spowodowane wydzielaniem się nierozpuszczalnego w wodzie fenolu. Ar O + mocniejsza ZASADA CO2 + H2O HCO3 + OH słabszy KWAS słabsza ZASADA mocniejszy KWAS Ar FENOLE jako mocniejsze kwasy od alkoholi ulegają tym wszystkim kwasowym reakcjom, którym ulegają ALKOHOLE – reagują zatem z sodem z wydzieleniem wodoru, rozkładają acetylenki, wodorek sodu, amidek sodu oraz związki lito- i magnezoorganiczne KWASOWOŚĆ PODSTAWIONYCH FENOLI: Podstawniki pierwszego rodzaju (ELEKTRONODONOROWE – wzbogacające pierścień w elektrony) ZMNIEJSZAJĄ KWASOWOŚĆ FENOLI (można to przykładowo wyjaśnić gorszą stabilizacją anionu, którego ujemny ładunek mocniej oddziaływuje ze wzbogaconym w elektrony pierścieniem aromatycznym) Podstawniki drugiego rodzaju (ELEKTRONOAKCEPTOROWE – wyciągające elektrony z pierścienia) ZWIĘKSZAJĄ KWASOWOŚĆ FENOLI (można to przykładowo wyjaśnić lepszą stabilizacją anionu, którego ujemny ładunek ulega dodatkowo delokalizacji na grupy elektronoakceptorowe). CH3 O2N OH OH pKa=8,28 pKa=10,01 NO2 O2N OH NO2 pKa=0,23 O2N OH O2N OH OH CH3 OH NO2 pKa=3,96 pKa=7,15 NO2 pKa=9,89 pKa=10,17 CH3 OH OH pKa=7,17 pKa=10,20 Podstawniki trzeciego rodzaju (fluorowce) ZWIĘKSZAJĄ KWASOWOŚĆ FENOLI, ponieważ efekt indukcyjny (elektronoakceptorowy – spowodowany dużą elektroujemnością atomów fluorowców) przeważa tu nad efektem mezomerycznym (elektronodonorowym – związanym ze sprzężeniem wolnej pary z sekstetem aromatycznym) Cl Cl Cl pKa= 9,18 2. OH OH pKa= 8,85 pKa= 8,49 OH Zasadowość fenoli Fenole są znacznie słabszymi zasadami od alkoholi. .Pod wpływem kwasu nie ulegają protonowaniu, ponieważ z powodu sprzężenia wolnej pary z sekstetem aromatycznym pierścienia, na atomie tlenu występuje znacznie mniejsza gęstość elektronów niż w cząsteczce alkoholu). 3. Tworzenie ESTRÓW Fenole praktycznie nie reagują z kwasami karboksylowymi (reakcja ta jest bardzo powolna z powodu bardzo słabej nukleofilowości grupy OH związanej z pierścieniem aromatycznym ). ESTRY fenoli otrzymuje się dwoma metodami – w reakcji fenoli lub fenolanów z bezwodnikami lub chlorkami kwasowymi 3a Reakcja z chlorkami kwasowymi Reakcja fenoli z chlorkami kwasowymi przebiega łatwo w obecności zasad (np. w roztworze NaOH), które wiążą powstający w trakcie reakcji HCl. Reakcja chlorków kwasowych z fenolanami nazywa się reakcją Schotten-Baumanna. O Ar ONa FENOLAN + O R1 C Cl chlorek kwasowy + R1 C NaCl OAr ESTER FENOLU 3c Reakcja z bezwodnikami kwasowymi W reakcji fenolanów z bezwodnikami tworzy się ester fenolu i sól kwasu karboksylowego O Ar ONa FENOLAN + R1 C O O R1 C bezwodnik O kwasowy R1 C O + OAr R1 C ONa ESTER FENOLU 4. Reakcje z kwasami halogenowodorowymi, chlorkiem tionylu, halogenkami fosforu oraz z bromem lub jodem w obecności fosforu nie przebiegają, z powodu bardzo niskiej zasadowości fenoli (fenole nie ulegają protonowaniu). Tworzenie ETERÓW (w reakcji fenolanów z fluorowcopochodnymi) 5. 8a) Etery alkilowo-arylowe można fluorowcopochodnych z FENOLANAMI R1 CH2 X OAr otrzymać w reakcji R1 CH2 OAr pierwszo- R1 CH X i OAr drugorzędowych R1 CH OAr R2 R2 8b) Etery metylowe można otrzymywać w reakcji fenoli z siarczanem dimetylu w środowisku zasadowym. Ar OH (CH3)2SO4 Ar OCH3 OH 8c) Etery metylowo-arylowe można także otrzymywać w reakcji fenoli z DIAZOMETANEM Ar OH CH2N 2 Ar CH2 OCH3 N N CH2 N N DIAZOMETAN 6. Utlenianie Fenole ulegają stosunkowo łatwo utlenieniu do chinonów, O O O O p-chinon o-chinon które z kolei ulegają dalszym reakcjom z utworzeniem związków polimerycznych. Fenole przechowywane przy dostępie tlenu szybko ciemnieją i przed użyciem do reakcji wymagają oczyszczania. 7. Reakcje substytucji elektrofilowej 7a. Reakcja z FLUOROWCAMI (chlorem lub bromem) PRZEBIEGA BARDZO ŁATWO szybko, bez udziału kwasu Lewisa (Fe, FeCl3. AlCl3 itp) a z wodą bromową przebiega od razu w trzy pozycje (podstawienie zachodzi w dwie pozycje orto i w jedną pozycja para) OH OH Br Br + Br2 Br 7b. Reakcja NITROWANIA – reakcja z rozcieńczonym kwasem azotowym (20%). Tworzą się dwa produkty. Reakcja przebiega z małą wydajnością ze względu na uboczny proces utleniania fenolu przez kwas azotowy OH OH OH HNO3 NO2 + rozc. 20% NO2 7c. Reakcja SULFONOWANIA – w zależności od temperatury reakcji można uzyskać przewagę produktu orto (niska temp.) lub para (wyższa temp.) OH OH + H2SO4 OH temp. pokojowa SO3H + SO3H 7d. Reakcje ALKILOWANIA – mogą być prowadzona DWOMA metodami: I. Reakcja Friedla-Craftsa – stosuje się rzadko, ponieważ fenol reaguje z chlorkiem glinu tworząc sól. II. Reakcja z ALKOHOLAMI w środowisku kwaśnym OH OH + CH H CH3CH2CH2OH CH3 OH + CH3 CH CH3 CH3 III. Reakcja z ALKENAMI w środowisku kwaśnym. OH OH + CH H CH3 CH CH2 CH3 OH + CH3 CH CH3 CH3 7e. Reakcje z efektem kierującym „orto”: I. Reakcja Reimera-Tiemanna – otrzymywanie hydroksyaldehydów aromatycznych OH O O C CHCl3 OH H H2O O OH C H H aldehyd salicylowy II. Reakcja Kolbego – otrzymywanie kwasów ONa O OH CO2 T, p C O H2O H O OH C OH kwas salicylowy