כימיה אורגנית - שיעורים 20-23

Transcription

כימיה אורגנית - שיעורים 20-23
‫שיעור ‪ :20‬תרכובות קרבוניליות – קטונים ואלדהידים – המשך‬
‫‪205‬‬
‫‪25.05.2010‬‬
‫שיעור ‪ :20‬תרכובות קרבוניליות – קטונים ואלדהידים – המשך‬
‫בשיעור האחרון הגענו לריאקציות מטיפוס התמרות ‪ .α‬כל התהליכים שלמדנו עד כה התמקדו בהתקפות‬
‫נוקליאופיליות על הפחמן הקרבונילי‪ ,‬כמו ההמיאצטל‪ ,‬ג'ם דיול‪ ,‬וכדומה‪ .‬לרוב הנוקליאופיל נספח אל‬
‫הקטון וה‪ O-‬הופך לכהל‪.‬‬
‫אנול ויון האנולאט‬
‫כעת אנחנו מתמקדים בהתקפות על מימני ה‪ :α-‬מכיוון שמימני ‪ α‬הם חומציים עקב קיום יון האנולאט או‬
‫הרזוננס של האנול‪ ,‬חומרים שיכולים להיות גם נוקליאופיל וגם בסיס מגיבים גם עם מימני אלפא‪,‬‬
‫וכתוצאה מכך המימן יורד ובמקומו נכנס מתמיר אחר‪.‬‬
‫יש שני סוגי מנגנונים להתמרות אלפא‪:‬‬
‫•‬
‫מנגנונים שיוצאים לפועל עם תוצר ביניים של אנול‪ ,‬הטאוטומר של קטון או אלדהיד‪.‬‬
‫•‬
‫מנגנונים שיוצאים לפועל לא דרך אנולים אלא דרך יון האנולאט‪.‬‬
‫בשיעור הקודם הגענו לתיאור ההתמרה דרך מנגנון האנול‪.‬‬
‫הרעיון הוא כזה‪ :‬בתרכובות אלדהידיות או קטוניות יש שיווי משקל עם צורה אנולית טאוטומרית‪ .‬שיווי‬
‫המשקל הוא בפירוש לטובת המצב הקטוני או האלדהידי‪ ,‬ולכן קבועי שיווי המשקל של הריאקציות הוא‬
‫קטן מאוד‪ .‬יחד עם זאת‪ ,‬מכיוון ששיווי משקל אכן קיים‪ ,‬בכל רגע נתון יש מעט מולקולות במצב אנול‪.‬‬
‫בתנאים מסויימים‪ ,‬כאשר יש בסביבה‬
‫חומרים שיכולים להגיב עם אנול‪ ,‬מתפתחת‬
‫תגובה במקום חזרה אחורה‪ .‬התמרת אלפא‬
‫שעוברת דרך אנול מתייחסת לאנול כתוצר‬
‫ביניים של הקטון‪.‬‬
‫יצירת אנולים‬
‫הריאקציות האלה לרוב בעייתיות כי כמות האנולים קטנה מאוד‪ ,‬ורובם חוזרים חזרה למצב הקטוני‪ ,‬אבל‬
‫אפשר לעשות להם קטליזה בסביבה חומצית או בסיסית‪ .‬האיור הבא מראה את מנגנון המעבר מאלדהיד‬
‫או קטון למצב של אנול בסביבה חומצית )בשקף שאחרי בסביבה בסיסית(‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪206‬‬
‫קטליזה חומצית‬
‫באיור אנו רואים את הקטליזה החומצית ליצירת אנול‪ :‬אנחנו רואים שחומצה יכולה לעשות פרוטונציה‬
‫לחמצן הקרבוקסילי‪ .‬כאשר החמצן מקבל פרוטון הוא הופך לחמצן עם שלושה קשרים ומטען חיובי עליו‪,‬‬
‫שמקיים רזוננס כך שהמטען יכול להיות גם על הפחמן הקרבונילי‪.‬‬
‫בחלק מהמולקולות‪ ,‬במקום שהפרוטון יעזוב ויצטרף לתמיסה החומצית עוזב מימן ‪ ,α‬וכך זוג‬
‫האלקטרונים שהיה בקשר סיגמה למימן ‪ α‬הופך לקשר כפול בין הפחמן הקרבונילי לפחמן ‪ .α‬שיווי‬
‫המשקל של הריאקציה הוא יותר לתנועה אחורה‪ ,‬אבל עדיין בכל רגע ורגע יש מעט מולקולות אנול‬
‫שיכולות להגיב‪ .‬מכיוון שאנול דומה לאלקן )יש לו קשר כפול(‪ ,‬בנוכחות של אלקטרופילים הוא מגיב כמו‬
‫אלקן‪.‬‬
‫התהליך של יצירת הקשר הכפול הוא תהליך דומה לאלימינציות מטיפוס ‪.E1‬‬
‫קטליזה בסיסית‬
‫באיור הבא רואים מעבר ממצב קטון לאנול בסביבה בסיסית‪.‬‬
‫המנגנון הזה מעט שונה‪ :‬מכיוון שבבסיס יש ‪ ,OH-‬הבסיס‬
‫תוקף ומספח מיד את מימן ‪ ,α‬ואז זוג האלקטרונים שקשרו את‬
‫המימן לפחמן יוצרים קשר כפול בין הפחמנים או יושבים על‬
‫הפחמן ונתנים מטען שלילי‪ ,‬ליצירת יון האנולאט‪ .‬האנולאט‬
‫יכול לקחת ‪ H+‬שיסופח לפחמן ומתקבל אנול‪.‬‬
‫תגובת האנול עם אלקטרופילים‬
‫אם יש לנו אנול שלא חוזר אחורה‪ ,‬אלקטרופיל יכול לתקוף‬
‫את האנול‪ .‬כמו שאלקטרופילים נמשכים לענן אלקטרוני הפאי‬
‫באלקנים‪ ,‬הם נמשכים אליהם גם באנולים‪ ,‬ולכן הצעד‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :20‬תרכובות קרבוניליות – קטונים ואלדהידים – המשך‬
‫‪207‬‬
‫הראשון דומה לתגובות הסיפוח של אלקנים‪.‬‬
‫ואולם‪ ,‬ברגע שהאלקטרופיל התחבר‪ ,‬המולקולה נטענת במטען‬
‫חיובי כי הפחמן הקרבונילי איבד קשר פאי; שוב יש רזוננס והמטען‬
‫החיובי מרוח בין הפחמן הקרבונילי והחמצן‪ .‬התוצאה הסופית של‬
‫התהליך היא לרוב שהפרוטון עוזב ומתקבלת תרכובת קרבונילית‬
‫יציבה‪ ,‬שהיא יציבה יותר מאנול; ההבדל בינה לתרכובת המגיב‬
‫המקורי הוא שיש הוספה של האלקטרופיל‪.‬‬
‫ההבדל בין זה לבין התגובה של האלקנים הוא שלאחר כניסת‬
‫האלקטרופיל היה נכנס נוקליאופיל ומתקבל סיפוח; אולם כאן הארגון‪-‬‬
‫מחדש הפנימי של המולקולה למצב הקרבונילי הוא כה מהיר‬
‫שהנוקליאופיל לא מספיק להיכנס‪.‬‬
‫תגובות של אנולים בסביבה חומצית‬
‫אלפא הלוגנציה‬
‫זהו תהליך של החלפת מימן ‪ α‬בהלוגן‪ .‬אם לוקחים קטון או אלדהיד‬
‫עם מימנים ‪ α‬עם הלוגן בסביבה‬
‫חומצית‪,‬‬
‫מתקבלת אלפא‪-‬הלוגנציה‪,‬‬
‫אחד המימנים יוצאים ובמקומו נכנס‬
‫ההלוגן‪.‬‬
‫מבחינת המנגנון‪ ,‬אנחנו רואים שהמנגנון הוא מקרה פרטי של‬
‫המנגנונים שראינו קודם באופן כללי; כאן האלקטרופיל הוא ברום‪.‬‬
‫על מנת שהתגובה תתקיים צריכה להיות טאוטומריה שתיצור את‬
‫האנול‪ ,‬ולכן כל הצעדים בדרך מתארים יצירת אנול בסביבה‬
‫חומצית‪ ,‬כפי שראינו כבר‪.‬‬
‫כאשר האנול נחשף לברום‪ ,‬מולקולת הברום עוברת דיפולריזציה‬
‫עקב הקירבה לענן השלילי של אלקטרוני פאי; הברום הקרוב בעל‬
‫הדיפול החיובי מותקף על ידי אלקטרוני פאי‪ ,‬האלקטרונים של‬
‫הקשר עוברים לברום השני‪ ,‬ואז מתקבל מטען חיובי על הפחמן‬
‫הקרבונילי‪ .‬עוד לפני שהברום‪-‬מינוס נכנס למולקולה‪ ,‬חוזרים למצב‬
‫הקטוני עם ברום במקום המימן‪.‬‬
‫כאשר בדקו את המנגנון מבחינה קינטית ראו שזו ריאקציה מסדר‬
‫שני; אולם‪ ,‬אם זה מסדר שני כלומר יש שני מגיבים שהריכוז שלהם‬
‫משפיע על קצב הריאקציה‪ .‬היינו מצפים שהמגיבים האלו יהיו‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪208‬‬
‫הקטון‪/‬אלדהיד והברום‪ ,‬כי הם המגיבים שמופיעים בתוצר; אולם בפועל ריכוז הברום לא משפיע‪.‬‬
‫מסתבר שריכוז הפרוטונים הוא שמשפיע על מהירות התהליך‪.‬‬
‫כתוצאה ממסקנה זו צריך להבין שהצעד קובע המהירות‪ ,‬שכן חוק קצב הריאקציה מעיד לרוב על השלב‬
‫האיטי של הריאקציה‪ ,‬הוא למעשה יצירת האנול‪ .‬השלב האיטי של הריאקציה הוא יצירת האנול; אחר‬
‫כך זה כבר עובר מהר‪.‬‬
‫תגובות של יון האנולאט – בסביבה בסיסית‬
‫מנגנונים דרך אנולים הם מעטים; אולם ידוע גם שמקבלים הרבה מאוד ריאקציות של התמרות אלפא‬
‫דווקא בסביבות בסיסיות – כלומר דרך יון האנולאט‪ .‬כל ההתמרות האלה מבוססות על כך שהבסיס החזק‬
‫בו משתמשים סותר את מימן ‪ ,α‬כמו סתירת‬
‫חומצה‪-‬בסיס רגילה‪ .‬ברגע שיש סתירה‪ ,‬זוג‬
‫האלקטרונים עובר לפחמן ואז אנחנו לא‬
‫מקבלים אנול – אלא את יון האנולאט בעלת‬
‫המטען השלילי‪.‬‬
‫יון האנולאט הוא תוצר ביניים מאוד אקטיבי‪,‬‬
‫ולכן יש מגוון ריאקציות שעוברות דרכו כתוצר ביניים‪ .‬לפעמים התוצאה דומה למה שראינו קודם; אבל‬
‫יש גם הרבה ריאקציות שלא מתרחשות בסביבות חומציות וכן מתרחשות בסביבות בסיסיות‪.‬‬
‫ביון האנולאט יש רזוננס; מכיוון ששני הפחמנים )‪ α‬וקרבונילי( הם ‪ SP2‬והחמצן עם אורביטל ‪ ,P‬אנחנו‬
‫מקבלים רזוננס שמעביר את המטען החיובי ולא ידוע באופן מפורש היכן המטען הזה יושב‪.‬‬
‫אנחנו רואים שאם מודדים למשל את ה‪ pKa-‬של מימן האתאן הוא ‪ ;60‬אין בסיסים שהם חזקים מספיק‬
‫לתלוש מימן כזה‪ ,‬ולכן אין שום ריאקציה באלקאנים שתולשת מימן מאלקאן‪ .‬לעומת זאת אצטון‬
‫)‪ (CH3COCH3‬הינו בעל ‪ pKa‬של ‪ .19.3‬זה הרבה יותר חומצי; פי ‪ .40‬זה לא אומר שזה חומצה – זה‬
‫פשוט יותר חומצי ממימנים של אלקאנים ואלקנים ודומיהם‪.‬‬
‫כמו שנראה גם בפרק החומצות הקרבוקסיליות‪ ,‬מדד החומציות של העולם האורגני הוא בסקאלה הרבה יותר‬
‫נמוכה מאשר בעולם האנאורגני; בגלל זה חומרים שאינם יכולים לשמש כחומצה חזקה נחשבים בינוניים או‬
‫אפילו חזקים בעולם האורגני‪.‬‬
‫באיור למעלה ניתן לראות מדוע מתקיים הרזוננס בין הפחמנים והחמצן‪ .‬ניתן לראות שכאשר המימן ‪α‬‬
‫עוזב ומשאיר את האלקטרונים‪ ,‬פחמן ‪ α‬הופך ל‪ ,SP2-‬כמו פחמן קרבונילי‪ ,‬ויחד עם אורביטל ‪ P‬של‬
‫החמצן הם יוצרים רזוננס – תמיד כשיש עננים של אורביטלי ‪ P‬יהיה רזוננס‪.‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :20‬תרכובות קרבוניליות – קטונים ואלדהידים – המשך‬
‫‪209‬‬
‫באיור הבא רואים את שני המצבים הרזונטיבים‪ ,‬והאיור מראה את מיקום המטענים כאשר אדום מייצג את‬
‫המקום בו נמצא המטען השלילי‪ ,‬שמרוח בין החמצן לפחמן ‪ .α‬מכיוון שיש מטען שלילי‪ ,‬יון האנולאט‬
‫משמש כנוקליאופיל‪ ,‬כלומר הוא יכול לתקוף‬
‫חומרים בעלי מטען חיובי – אלקטרופילים‪.‬‬
‫היכן יותקפו האלקטרופילים? הם יכולים‬
‫להיות מותקפים על ידי החמצן או על ידי‬
‫פחמן ‪ .α‬כל התקפה כזו מביאה לתוצרים‬
‫שונים‪ .‬אנחנו נתמקד בהתקפות של פחמן ‪.α‬‬
‫הלוגנציה של יוני אנולאט‬
‫את הריאקציה הבאה כבר ראינו‪ :‬אם לוקחים‬
‫קטון או אלדהיד עם הלוגן בסביבה בסיסית‪,‬‬
‫אנחנו נקבל הלוגנציה באנולאט דרך קטליזה‬
‫בסיסית‪.‬‬
‫לריאקציה הזו יש חשיבות רבה כי יוני האנולאט מגיבים מהר מאוד ואנרגית האקטיבציה שלהם לא גבוה‬
‫– כי הם יציבים‪ .‬לפיכך לוקחים מתיל‪-‬קטונים )בהם יש זרוע אחת של ‪ (CH3‬ואז לאחר החלפה של המימן‬
‫הראשון‪ ,‬אם יש מספיק הלוגן‪ ,‬כל שלושת המימנים של המתיל יוחלפו‪ .‬המולקולה המתקבלת מכילה ‪.X3‬‬
‫התוצר הזה יכול היה להיות תוצר סופי; אבל לרוב יש ריאקציית המשך‪.‬‬
‫לאחר התמרת המימנים בהלוגנים‪ ,‬בגלל הסביבה הבסיסית‪ ,‬הבסיס יכול לשמש כנוקליאופיל על קבוצה‬
‫עוזבת טובה‪ .‬מאחר והקבוצה ‪ CX3-‬היא קבוצה עוזבת טובה מאוד זה כמעט תמיד עובר הלאה לסיפוח של‬
‫הבסיס ‪ ,OH‬כך שאנחנו מסיימים את התהליך עם חומצה קרבוקסילית‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫‪210‬‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫זהו תהליך מוזר למדי‪ :‬הוא נראה כמו חימצון‪ ,‬כי לקחו קטון והפכו אותו לחומצה קרבוקסילית‪ .‬ואולם‬
‫אנחנו טענו שאי אפשר לחמצן קטונים; וזה נכון – בעזרת מחמצנים רגילים לא ניתן לחמצן‪ .‬אבל דרך‬
‫הריאקציה הזו – תגובת האלופורם )‪ – (Haloform‬אפשר לחמצן‪ ,‬רק מתיל קטונים‪.‬‬
‫יש בתגובה עוד תוצר‪ :‬היון ‪ CX3-‬מספח מימן מהתמיסה ויוצר את החומר ‪ .CHX3‬החומר הזה‬
‫מכונה הלופורם‪ ,‬ובאופן יותר ספציפי הוא מכונה כלורופורם‪ /‬ברומופורם‪ /‬יודופורם )בהתאם להלוגן‬
‫שהיה בשימוש במקום ‪.(X‬‬
‫אלקילציה של יוני אנולאט‬
‫יון האנולאט הוא נוקליאופיל טוב‪ ,‬כפי שכבר ציינו; בתור שכזה הוא יכול לעבור את תגובת ‪ .SN2‬משום‬
‫כך אם מגיבים אותו עם אלקיל הליד כלשהו מקבלים התקפת ‪ SN2‬אשר בה ההלוגן יעזוב ובמקומו‬
‫ייתחבר יון האנולאט‪.‬‬
‫התוצר המתקבל הוא קרבוניל ארוך יותר מהמקור‪ ,‬ולכן זוהי תגובה חשובה כי בין הריאקציות‬
‫האורגניות אחת המטרות החשובות שלנו היא ליצור מולקולות עם מספר פחמנים גדול יותר מחומרי הגלם‬
‫איתם התחלנו‪.‬‬
‫האיור הבא מראה את חשיבות הקבוצה העוזבת ואופי‬
‫האנולאט )ראשוני שניוני או שלישוני( בשביל‬
‫התגובה‪.‬‬
‫דחיסה של אלדהידים וקטונים – דחיסה אלדולית‬
‫תהליך זה הוא בעל שימושים רבים‪ ,‬ויש לו‬
‫גם הופעות כאלו ואחרות במסלולים ביולוגיים‬
‫שונים בביוכימיה‪.‬‬
‫יש בתאים שורה של אנזימים שמקטלזים את‬
‫הריאקציות האלה – המכונים אלדולאזות )יוצרי אלדולים(‪ .‬גם התהליך ההפוך – בו לוקחים אלדול‬
‫ומפרקים אותו לחצאים – הוא תהליך חשוב‪ ,‬כמו תהליך הגליקוליזה ששובר סוכר עם ששה פחמנים‬
‫לשתי מולקולות של שלושה פחמנים; האנזים שעושה את הריאקציה של הגליקוליזה הוא אלדולאז‪.‬‬
‫הריאקציה הזו נפוצה גם בקרב כימאים אורגניים‪ ,‬כי זוהי שיטה טובה להארכת פחמנים‪.‬‬
‫בתהליך זה‪ ,‬מולקולת אלדהיד אחת תוקפת מולקולת אלדהיד אחרת‪ ,‬והתוצר הוא צירוף של המולקולות‪.‬‬
‫הריאקציה מנצלת שני אתרים פעילים שונים‪ :‬מולקולה אחת מגיבה דרך הפחמן הקרבונילי שלה‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :20‬תרכובות קרבוניליות – קטונים ואלדהידים – המשך‬
‫‪211‬‬
‫ומולקולה שנייה מגיבה דרך יון‬
‫האנולאט‪.‬‬
‫מכיוון‬
‫שהריאקציה‬
‫עוברת דרך יון האנולאט חובה‬
‫לקיים סביבה בסיסית‪.‬‬
‫אם מסתכלים על התוצר‪ ,‬אפשר‬
‫לראות שבמולקולה אחת הפחמן‬
‫נשאר קרבונילי אבל מפחמן ‪ α‬ירד‬
‫מימן; במולקולה השנייה פחמן ‪ α‬לא‬
‫השתנה אבל הפחמן הקרבונילי הפך לפחמן כהלי‪ .‬אם רואים מולקולה כזו עם כהל וקרבוניל‪ ,‬יודעים כי‬
‫זוהי מולקולת אלדול‪ .‬שימו לב שהפחמן ההידרוקסילי )עם הכהל( הוא פחמן ‪ ,β‬כי הוא במרחק שני‬
‫פחמנים מהפחמן הקרבונילי‪.‬‬
‫באיור משמאל למעלה רואים את שיווי המשקל של תגובת האלדול‪.‬‬
‫בהרבה מאוד משאלות מנגנונים בבחינה מבקשים להסביר איך מגיעים מהמגיב לתוצר של תגובת דחיסה‬
‫אלדולית‪ .‬יש לזכור כי צריך לזהות את הפחמן הקרבונילי והפחמן ההידרוקסילי שבתוצר‪ ,‬על מנת להבין שזה‬
‫פשוט חיבור בין שני האלדהידים – האחד דרך הפחמן הקרבונילי והשני דרך פחמן ‪.α‬‬
‫באיור הבא רואים את התנאים לדחיסה האלדולית‪ .‬אנחנו רואים שבסביבה הבסיסית נוצר לנו יון‬
‫האנולאט; יון האנולאט הוא נוקליאופיל ולכן הוא תוקף את הפחמן הקרבוקסילי‪.‬‬
‫מבחינת החמצנים‪ ,‬ראינו בעבר שבהתקפות נוקליאופיליות על קרבוניל החמצן של הקרבוניל הפך ל‪.OH-‬‬
‫משום כך לאחר ההתקפה של האנולאט‪ ,‬החמצן של הפחמן הקרבונילי הופך ל‪ ;OH-‬לעומת זאת ביון‬
‫האנולאט‪ ,‬החמצן אינו מעורב בריאקציה ולכן הוא לא משתנה ונשאר קרבוניל‪.‬‬
‫אם אנחנו רוצים לזהות מי היה האנולאט ומי היה האלדהיד‪ ,‬אנחנו רואים ששלושת הפחמנים השמאליים‬
‫הקשורים להידרוקסיד‪ ,‬הם למעשה האלדהיד; לעומת זאת שלושת הפחמנים שמשמאל לפחמן הקרבונילי הם‬
‫הפחמנים של יון האנולאט‪.‬‬
‫זוהי גם ריאקציה של שיווי משקל והיא לטובת המגיב לרוב‪ .‬אפשר להתערב לפי עקרון לה‪-‬שטליה‪.‬‬
‫בדוגמה הבאה רואים את המנגנון מתוך הספר של ברוס‪ .‬הבסיס ‪ OH-‬תוקף את אחד מפחמני ‪ α‬של‬
‫הקטון‪ ,‬ומקבלים אנולאט‪ .‬האנולאט תוקף את הפחמן הקרבונילי‪ ,‬החמצן של הפחמן הקרבונילי הופך‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫‪212‬‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫להיות בעל מטען שלילי והאנולאט מתחבר לפחמן הקרבונילי‪ .‬החמצן השלילי חוטף פרוטון מהממס והופך‬
‫להידרוקסיד‪.‬‬
‫סינתזה של אנונים – דה‪-‬הידרציה של אלדולים‬
‫אם שמים אלדול בסביבה בסיסית מאוד‪ ,‬במקום שהאלדול יחזור אחורה הוא יכול להמשיך בצעד נוסף‪.‬‬
‫אלדולים בסביבה בסיסית יכולים להמשיך קדימה במקום לחזור לקטון או לאלדהיד‪ .‬הצעד הזה הוא‬
‫מאוד משמעותי‪ ,‬משום שאם נתעלם מהחמצן הקרבונילי‪ ,‬החומר הזה דומה לכהל; בתור שכזה הוא יכול‬
‫לעבור דה‪-‬הידרציה כמו כהלים‪ :‬יש שני פחמנים סמוכים עם ‪ OH‬ו‪ ,H-‬ולכן הריאקציה יכולה להמשיך‬
‫לכיוון של יציאה של מים לצורך קבלת קשר‬
‫כפול‪.‬‬
‫ה"בעיה" היא שזה דומה לכהלים אבל לא‬
‫בדיוק‪ :‬בכהלים צריך לעשות זאת בסביבה‬
‫חומצית‪ ,‬על מנת להוציא את ה‪ OH-‬דרך‬
‫הפיכתו למים‪ .‬האלדול יכול לעבור את התגובה גם בתנאים חומציים וגם בתנאים בסיסיים‪ .‬לתוצר‬
‫קוראים אנון מצומד )‪ – (Conjugated Enone‬כי הוא כמו אלקן וגם כמו קטון‪ .‬האנון הזה מכיל שלושה‬
‫פחמנים של ‪ SP2‬וחמצן עם אורביטל ‪ ,P‬ולכן האנון הזה מתנהג מעט כמו דיאנים מצומדים )אולם במקום‬
‫פחמן רביעי יש חמצן(‪.‬‬
‫העובדה שהמולקולה מקיימת רזוננס גורמת לתוצר להיות מאוד יציב‪ ,‬ולכן אם הריאקציה יכולה ליצור‬
‫את האנון המצומד הדבר מפר את כיוון השיווי משקל וזה כמעט לא חוזר אחורה‪ .‬אחת השיטות‬
‫למשוך את התהליך לכיוון התוצרים היא על ידי סילוק המים )לפי עקרון לה‪-‬שטלייה(‪.‬‬
‫צריך לדעת לזהות את זה‪ :‬קשר כפול בין שני פחמנים ולידם קשר כפול בין פחמן וחמצן‪.‬‬
‫הריאקציה בכללותה מכונה ‪ ,Aldol Condensation‬אבל לא מתוך דחיסה אלא מתוך עיבוי המים שנגרם‬
‫עקב יצירת מים‪ .‬יחד עם זאת בתרגום‪ ,‬משום מה‪ ,‬זה מכונה דחיסה אלדולית‪.‬‬
‫צפדיה‪":‬האנולים המצומדים הם חומרים מניאקים‪ ,‬כי הם מופיעים במבחנים‪ ,‬ואז אנחנו צריכים לזהות אותם‬
‫כדי לדעת שהם באו מאלדולים‪ ,‬שבאים מקטונים ואלדהידים‪".‬‬
‫השקף הבא מראה כיצד יש לרשום את תגובת הדחיסה האלדולית‪ .‬יש להקפיד על כיוון החיצים ומקורם! כך‬
‫צריכות להיראות תשובות סינתזה בבחינות‪.‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :20‬תרכובות קרבוניליות – קטונים ואלדהידים – המשך‬
‫‪213‬‬
‫בספרים השונים יש וריאציות של המנגנון ולכן הובא השקף הזה‪ ,‬בתור המנגנון המוסכם עלינו לצורך‬
‫הקורס‪.‬‬
‫שימו לב‪:‬‬
‫• בתרגילים מסויימים התגובה תסתיים באלדול ובסביבה בסיסית חזקה ה‪ OH-‬יסתור מימן ‪α‬‬
‫ויביא ליצירת האנון המצומד‪.‬‬
‫• לאחר הסתירה‪ ,‬זוג האלקטרונים שעל הפחמן ‪ α‬יוצר קשר כפול ואז יש יותר מדי קשרים‬
‫כפולים על הפחמן עם ההידרוקסיד; זוהי פעם ראשונה שאנחנו רואים עזיבה של ‪ .OH‬ההסבר‬
‫לעזיבה הזו היא שהתוצר של האנון והרזוננס הוא כה יציב שהוא דוחף את העזיבה של ה‪.OH-‬‬
‫• זהו מנגנון יצירת האנון בקטליזה בסיסית; יש גם מנגנון בקטליזה חומצית אבל לא נלמד אותה‪.‬‬
‫בשקף הבא מופיעה הקטליזה החומצית בחלק התחתון‪ ,‬שאותה אנו לא לומדים )מופיע באיור‬
‫למטה(‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫‪214‬‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫סיפוח אלדולים מעורב‬
‫מה קורה אם שמים שני אלדהידים או קטונים שונים בסביבה בסיסית? אילו אלדולים יכולים להיווצר?‬
‫התשובה היא – הכל‪.‬‬
‫הבסיס יכול לסתור מימני ‪ ;α‬הוא יכול לעשות זאת מאלדהיד ‪ A‬או מאלדהיד ‪ .B‬אם הן הופכות לאנולאט‪,‬‬
‫הוא יכול לתקוף פחמנים קרבונילים של אלדהיד ‪ A‬או של אלדהיד ‪ .B‬אם הבסיס מוריד מימן ‪ α‬מאלדהיד‬
‫‪ B‬מקבלים יון אנולאט אחר‪ ,‬שגם הוא יכול לתקוף אלדהיד ‪ A‬או אלדהיד ‪ ,B‬וכל אחד מהם נותן גם כן‬
‫שני תוצרים שונים‪.‬‬
‫משום כך לתגובה יש ארבעה תוצרים אפשריים – שימו לב‪ :‬הם לא בהכרח בכמויות שוות כלל וכלל!‬
‫הסטת שיווי המשקל‬
‫באיור הבא רואים כיצד ניתן להסיט את שיווי המשקל‪ .‬לאחר התגובה של הקטון באיור אנחנו מקבלים‬
‫אלדול )מזוהה לפי קרבוניל והידרוקסיל(‪ ,‬אבל אם מוסיפים בסיס ומסלקים מים כל שיווי המשקל יוסט‬
‫לכיוון התוצרים במקום למגיבים‪.‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :20‬תרכובות קרבוניליות – קטונים ואלדהידים – המשך‬
‫‪215‬‬
‫ציקליזציה‬
‫ציקליזציה הוא תהליך בו על אותה מולקולה‬
‫יש שני קצוות אלקילים‪ ,‬והם מגיבים בתוך‬
‫המולקולה‪.‬‬
‫אם יש מולקולה עם שתי קבוצות קרבוניליות‬
‫בסביבה בסיסית‪ OH- ,‬יכול לסתור מימנים ‪α‬‬
‫משני הצדדים של כל קרבוניל‪ .‬אין זה משנה‬
‫איזה מימן הוא סותר – בסופו של דבר‬
‫מקבלים את התוצר הטבעתי‪ .‬הטבעת הזו היא‬
‫למעשה אנון מצומד‪ ,‬עם קרבוניל על פחמן‬
‫אחד ומים שיוצאים במקום ה‪ OH-‬של‬
‫האלדול‪ .‬גם בתמונה השנייה זוהי אותה תגובה‬
‫שיוצרת טבעת משושה במקום מחומשת‪.‬‬
‫מבחינת המנגנון של התהליך )נדגים על טבעת‬
‫מחומשת(‪ ,‬אנחנו רואים שיש כביכול שני‬
‫מסלולים אפשריים אך בפועל רק אחד‬
‫מתרחש‪ .‬המסלול העליון הוא מסלול בו‬
‫הבסיס מוריד אחד ממימני אלפא של פחמן ‪α‬‬
‫הקיצוני; המסלול השני הוא כזה שבו הבסיס‬
‫מוריד את המימן מאחד הפחמנים הלא‪-‬‬
‫קיצוניים‪ ,‬הפנימי‪.‬‬
‫במסלול התחתון‪ ,‬אם יורד מימן מהאמצע הפחמן ‪ α‬יהפוך לפחמן שלילי שצריך לתקוף פחמן קרבונילי;‬
‫לפיכך הוא ייצור טבעת משולשת‪ .‬טבעת משולשת היא אחד המבנים הכי פחות יציבים בכימיה‬
‫האורגנית ולכן התוצר הזה לא נוצר‪ .‬לפיכך רק כאשר האנולאט נוצר על ידי הורדת מימן מפחמן קיצוני‬
‫הציקליזציה מתרחשת‪.‬‬
‫שימו לב‪ :‬אם יש באמצע יותר פחמנים‪ ,‬אפשר ליצור את הטבעות הגדולות יותר ואז המסלול כן עשוי‬
‫להתרחש‪ .‬יש לזכור כי יש עדיפות תמיד לטבעות משושות ולטבעות מחומשות‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪216‬‬
‫שיעור ‪ :20‬חומצות קרבוקסיליות וניטרילים‬
‫חומצות קרבוקסיליות ונגזרותיהן )אסטרים וכדומה( הן תרכובות שדומות מאוד לאלדהידים וקטונים‪.‬‬
‫ההבדל היחיד הוא שלפחמן הקרבונילי‪ ,‬בניגוד לאלדהידים וקטונים‪ ,‬בהם לפחמן הקרבונילי מחוברים ‪R‬‬
‫ו‪ ,R/H-‬מחובר בחומצות קרבוקסיליות ונגזרותיהן ‪ X‬כלשהו‪ .‬לרוב ‪ X‬הזה הוא קבוצה עוזבת )כי ‪H/R‬‬
‫לא נחשבים כקבוצות עוזבות כלל(‪.‬‬
‫בשל כך‪ ,‬תהליכים שמתחילים אותו דבר לא מסתיימים אותו דבר‪ :‬באלדהידים וקטונים יש סיפוח כי שום‬
‫דבר לא עוזב; בתרכובות קרבוניליות מקבלים התמרה כי קבוצת ה‪ X-‬עוזבת‪ .‬מסיבה זו אפשר לעבור‬
‫מתרכובת קרבונילית אחת לאחרת – להפוך אסטר לחומצה קרבוקסילית או חומצה קרבוקסילית‬
‫לאמידים‪.‬‬
‫מאפייני החומצות הקרבוקסיליות‬
‫חשיבות ונומנקלטורה‬
‫יש מאות ואולי אלפי חומצות קרבוקסיליות שונות במסלולים המטאבוליים של התאים‪ .‬רוב החומצות‬
‫הקרבוקסיליות הן תוצרים של פעילות ביוכימית במסלולים מטאבוליים‪.‬‬
‫חומצות הקרבוקסיל הקטנות )עד ‪ 4‬פחמנים( נעות מהחומצה הפורמית )פחמן אחד(‪ ,‬שהיא "חומצת‬
‫הנמלים" הצורבות בעקיצת נמלים‪.‬‬
‫יש לשים לב שלפי ‪ IUPAC‬צריך לקרא לזה חומצה מתאנואית כי יש פחמן אחד – אבל אף אחד לא קורא‬
‫לזה ככה‪ .‬השמות הקלאסיים שולטים בחומצות האלה‪ ,‬אבל לרוב הם חסרי הגיון‪ ,‬לכן יש קצת בעיה מבחינת‬
‫הנומנקלטורה‪.‬‬
‫החומצה השנייה הכי נפוצה היא החומצה האצטיט – שני פחמנים‪ .‬היא מהווה דוגמה טובה – יחד עם שאר‬
‫החומצות הקרבוקסיליות – לחומצות חלשות‪ .‬היא קיימת בחומץ‪ ,‬נוצרת במסלולי גליקוליזה לא מלאים‬
‫וכדומה‪.‬‬
‫חומצה בוטאנואית )לפי ‪ IUPAC‬סיומת של חומצה צריך להיות ‪ (oic‬והיא מופיעה בחמאות חמוצות‬
‫שהתקלקלו והסריחו )שמה הקלאסי לא נובע מ‪ butane-‬אלא מ‪ .(butter-‬חומצה חשובה נוספת היא‬
‫החומצה הבנזואית‪ ,‬טבעת בנזן עם שייר של קרבוקסיל‪.‬‬
‫באיור הבא ניתן לראות השוואה בין שמות ‪ IUPAC‬לשמות הנפוצים‪.‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :20‬חומצות קרבוקסיליות וניטרילים‬
‫‪217‬‬
‫אלו החומצות הקטנות; יש עוד משפחה שהן בעלות שרשרת הידרופובית מעל ‪ 15‬פחמנים‪ .‬אלו הן‬
‫חומצות השומן שמרכיבות שומנים‪ ,‬הן חומצות קרבוקסילית לכל דבר אבל עם שרשרות מאוד ארוכות‪.‬‬
‫אם מאפיינים את החומצות הקרבקוסיליות ביוכימית‪ ,‬רואים שהן יוצרות קשרי מימן חזקים ולכן כל‬
‫הקטנות מסיסות מאוד במים ונקודות הרתיחה שלהן מאוד גבוהות‪.‬‬
‫שימו לב‪ :‬לא להיות טיפשים‪ .‬גם אם כתוב ‪ COOH‬אין זה אומר שהקשר הוא בין החמצנים‪.‬‬
‫הפחמן הקרבונילי הוא פחמן ‪ SP2‬עם זוויות של‬
‫‪ 120‬מעלות; בגלל קשרי המימן החזקים יש נקודות‬
‫רתיחה גבוהות וגם המולקולות נוטות ליצור‬
‫דימרים‪ ,‬כמו בתמונה הבאה‪.‬‬
‫אנחנו יכולים לראות קשר מימן חזק מאוד בין ‪O‬‬
‫קרבונילי של חומצה אחת ל‪ H-‬ההידרוקסילי של‬
‫חומצה שנייה‪.‬‬
‫מסיבה זו הן יכולות להיות גם מאוד נדיפות מה שמביא לתופעת הריח חזק של תרכובות אלו‪.‬‬
‫נקודות רתיחה‬
‫נקודות הרתיחה שלהן הן‬
‫גבוהות‬
‫מאוד‪,‬‬
‫אפילו‬
‫יותר משל כהלים ‪.‬‬
‫חומצה אצטיט למשל‬
‫רותחת ב‪ 118-‬מעלות;‬
‫אתנול רותח ב‪ .78-‬גם‬
‫נקודת‬
‫ההתכה‪,‬‬
‫ניתן‬
‫לראות‬
‫שהיא‬
‫לרוב‬
‫נוזלית אבל בקטנות זה‬
‫גבולי‪ .‬בחורפים למשל הן יכולות לקפוא בתוך הכלי )חומצה אצטיט(‪.‬‬
‫שימו לב שברגע שהשרשרת הפחמנים מתחילה להיות ארוכה מדי יש בעיית הידרופוביה בהקשר של‬
‫מסיסות‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪218‬‬
‫‪26.05.2010‬‬
‫שיעור ‪ :21‬חומצות קרבוקסיליות – המשך‬
‫תכונות החומצות הקרבוקסיליות – המשך‬
‫חומציות של חומצות קרבוקסיליות‬
‫בכימיה כללית אנחנו משווים חומצות חזקות עם‬
‫החומצות הקרבוקסיליות‪ ,‬ואז טוענים שהן חומצות‬
‫חלשות; בכימיה האורגנית אנחנו רואים שבהשוואת‬
‫החומציות הסקאלה שונה לגמרי‪.‬‬
‫חומצות קרבוקסיליות נחשבות חזקות לעומת חומרים‬
‫כמו כהלים‪ ,‬בעוד שבעולם הכימיה הכללית הן‬
‫נחשבות לחומצות חלשות למדי‪ .‬אחת הסיבות לחוזקן‬
‫כחומצה היא שבתור אניונים‪ ,‬הן יכולות לקיים רזוננס‬
‫לייצוב המטען השלילי‪ .‬החומצות הקרבוקסיליות בעלות ‪ pKa‬שנע בין ‪ 3.5‬ל‪.6-‬‬
‫מלחים של חומצות קרבוקסיליות‬
‫החומצות האלה‪ ,‬מעצם העובדה שהן חזקות בעולם האורגני וכן מפני שהן באמת חומצות – ניתנות‬
‫לסתירה בתגובה עם בסיס‪ .‬טיטרציה של חומצה קרבוקסילית ובסיס נותנת לנו מלח‪ .‬היון שמתקבל‬
‫מהחומצה )קרבוקסילאט( הוא יון‬
‫שלילי והוא גם נוקליאופיל לא רע‪,‬‬
‫ויחסית לנוקליאופילים אחרים הוא‬
‫בסיס לא ממש טוב ולכן הוא תוקף‬
‫יותר כנוקליאופיל ולא כבסיס‪.‬‬
‫המלחים של חומצות קרבוקסיליות מתקבלים בתהליכי סתירה‪ .‬השם של המלח ניתן לפי היון החיובי‬
‫)נתרן‪ ,‬אשלגן( והיון השלילי )מתאנואט‪ ,‬אתאנואט וכדומה(‪.‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :21‬חומצות קרבוקסיליות – המשך‬
‫‪219‬‬
‫השפעות המתמירים על החומציות‬
‫יון הקרבוקסילאט הוא בעל מטען שלילי על‬
‫החמצן שהיה ‪ ;OH‬מצידו השני של הפחמן‬
‫הקרבוקסילי יש ‪ .R‬אם ‪ R‬היא קבוצה‬
‫שמייצבת את האניון )קבוצה מושכת אלקטרונים( או מערערת את האניון )קבוצה מוסרת אלקטרונים(‪ ,‬זה‬
‫ישפיע על ה‪ pKa-‬כי אם היון יותר יציב‪ ,‬החומצה תהיה חזקה יותר ותיטה יותר לעבור ליון המיוצב‪.‬‬
‫קבוצת ‪ R‬מושכת אלקטרונים מקטינות את אפקט המטען השלילי ולכן מייצבות את אניון‬
‫הקרבוקסילאט‪ .‬קבוצות ‪ R‬מוסרות אלקטרונים מגדילות את אפקט המטען השלילי ולכן מערערות‬
‫את האניון‪.‬‬
‫כמו שאנחנו יכולים לראות בגראדיינט הבא‪ ,‬ככל‬
‫שאנחנו מחליפים את ה‪ H-‬שעל הפחמן בקבוצות‬
‫של כלור‪ ,‬אנחנו רואים שערך ה‪ pKa-‬יורד עד‬
‫לרמה שממש יכולה להתקרב לחומצות כימיות‬
‫חזקות‪.‬‬
‫הטבלה הבאה מראה את ההשפעה של ‪ ,Y‬מתמיר כלשהו‪ ,‬על חומצה בנזואית‪ ,‬ומשווה את ה‪ pKa-‬של‬
‫החומצות שנוצרות‪ .‬אנחנו יכולים לראות שההשפעה של קבוצות אקטיבטוריות של טבעת בנזנית )קבוצות‬
‫שמוסרות אלקטרונים( תהיה ‪ pKa‬יותר גבוה מאשר לחומצה עם הקבוצות הדיאקטיבטוריות )מושכות‬
‫אלקטרונים(‪.‬‬
‫קבוצה אקטיבטורית של טבעת בנזן היא קבוצה דיאקטיבטורית של חומצה בנזואית‪ ,‬כי בטבעת בנזן‬
‫זה משפיע על מטען חיובי ובחומצה הבנזואית זה משפיע על מטען שלילי‪.‬‬
‫כמו כן‪ ,‬אם אנחנו משווים קבוצה אחת של ‪ Cl‬ואת ההשפעה של המיקום של אותה קבוצה על ה‪,pKa-‬‬
‫אנחנו יכולים לראות שככל שהכלור רחוק יותר מהפחמן הקרבונילי‪ ,‬אנחנו מקבלים ‪ pKa‬גבוה יותר;‬
‫במרחק ‪ 3‬פחמנים )כלומר אם הפחמן הקרבונילי הוא פחמן ‪ 1‬הפחמן עם הכלוריד יהיה פחמן ‪ (4‬אנחנו‬
‫כבר כמעט לא נראה השפעה‪ .‬יש אפקט של השראה‪ ,‬הקבוצה שמושכת אלקטרונים מושכת מהקבוצה‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪220‬‬
‫שלידה ובהתאם מושכת ממי שלידה‪ ,‬ככל שהמרחק מהקבוצה שמושכת אלקטרונים גדל אהפקט נעלם‬
‫מהאזור הקרבוקסילי ה‪ pKa‬עולה‪.‬‬
‫הטבלה הבאה משווה בין חומצות די‪-‬‬
‫קרבוקסיליות‪ .‬אנחנו יכולים לראות‬
‫שככל‬
‫שהקצוות‬
‫רחוקות‬
‫אחת‬
‫מהשניה‪ pKa ,‬עולה והסיבה היא‬
‫שהקבוצה של החמצן היא מושכת‬
‫אלקטרונים‪.‬‬
‫במקרים של חומצות עם שרשרת‬
‫פחמנים‬
‫ארוכה‬
‫בין‬
‫הקבוצות‬
‫הקרבוניליות‪ ,‬אנחנו רואים שיש בין‬
‫הקבוצות אינטראקציה‪ ,‬הן מגיבות‬
‫אחת עם השנייה ויוצרות טבעת‬
‫המכונה אנהידריד סגור ) ‪cyclic‬‬
‫‪(anhydride‬‬
‫)טבעות‬
‫מחומשות‬
‫ומשושות לרוב(‪ .‬היצירה של הטבעת‬
‫נעשית תוך שחרור מולקולת מים‪.‬‬
‫יצירה של חומצות קרבוקסיליות‬
‫למרות שהחומרים האלה נפוצים בטבע‪ ,‬נראה כיצד ניתן בכל זאת ליצור אותן גם במעבדה ממקורות‬
‫שונים‪:‬‬
‫•‬
‫אלקנים – בעזרת חימצון של אלקנים על ידי ‪ KMnO4‬בחום‪ ,‬הקשר הכפול נשבר והקצוות הופכים‬
‫לקרבוקסילים )בתנאי שהיו עליהם מימן אחד(‪ .‬שיטה זו יעילה לקיצור של שרשרות ארוכות – עד‬
‫כה עסקנו בחשיבות הסינתזה של שרשרות ארוכות משרשרות קצרות‪ ,‬אולם גם לפעולה‬
‫ההפוכה יש חשיבות‪.‬‬
‫•‬
‫כהלים – אם לוקחים כהל‬
‫ראשוני ומחמצנים אותו עם‬
‫מחמצן חזק מקבלים חומצה‬
‫קרבוקסילית‪ .‬אפשר גם לקחת‬
‫אלדהיד ולחמצן אותו – וגם אז‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :21‬חומצות קרבוקסיליות – המשך‬
‫‪221‬‬
‫מקבלים חומצה קרבוקסילית‪.‬‬
‫•‬
‫הידרוליזה של ניטרילים – אם מגיבים אלקיל הליד עם יון ציאניד‪ ,‬מקבלים ניטריל‪ .‬הניטריל‪ ,‬אם‬
‫מגיבים אותו בחומצה‪ ,‬משתחרר החנקן ומקבלים חומצה קרבוקסילית‪ .‬שימו לב שהחומצה‬
‫המתקבלת ארוכה בפחמן אחד מחומר המוצא‪.‬‬
‫•‬
‫קרבוקסילציה בעזרת ריאגנט גריניארד – כפי שלמדנו‪ ,‬ריאגנט גרינארד מכינים מאלקיל הלידים –‬
‫על ידי מגנזיום בסביבה בלי מים – ומתקבל ריאגנט ‪.RMgX‬‬
‫לאחר השגת הריאגנט‪ ,‬אם אנחנו מגיבים עם אתר ופחמן דו חמצני בשלב הראשון ומוסיפים מים‬
‫בשלב השני‪ ,‬אנחנו מקבלים כניסה של ‪ CO2‬במקום המגנזיום )שיוצא להגיב עם המים(‪ .‬קיבלנו‬
‫הוספה של פחמן וגם חומצה קרבוקסילית‪.‬‬
‫תגובות של חומצות קרבוקסיליות‬
‫יש מגוון תגובות לחומצות אלו‪ :‬אפשר ליצור‬
‫את היון השלילי של החומצה‪ ,‬על ידי סתירה;‬
‫אפשר ליצור תגובות על פחמן ‪ .11α‬אפשר גם‬
‫לחזר חומצות קרבוקסיליות ואז מקבלים כהל‬
‫ראשוני )כי הרי בחימצון כהל ראשוני‬
‫מקבלים חומצה קרבוקסילית(‪ .‬כמו כן אפשר‬
‫לעשות התמרה נוקליאופילית – ה‪ OH-‬יוצא‬
‫ואנחנו מקבלים תרכובת קרבוקסילית אחרת‪.‬‬
‫‪ 11‬אלו ריאקציות קשות יחסית‪ ,‬כי תגובות של מימן ‪ α‬מתבססות על זה שהוא חומצי – והרי בחומצה קרבוקסילית יש מימן‬
‫יותר חומצי מזה‪ ,‬המימן של החומצה‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪222‬‬
‫חיזור של חומצות קרבוקסיליות‬
‫בחירת החומר המחזר‬
‫החיזור נעשה לרוב על ידי ‪ LiAlH4‬שכבר הכרנו בעבר כמחזר מאוד חזק; שימו לב שבחיזור הזה הוא‬
‫מחזר רק את הקשר הכפול בין הפחמן הקרבונילי לחמצן ולא קשר כפול בשרשרת האלקן‪ .‬הסיבה‬
‫לכך היא שהכוח המחזר הוא יונים של ‪ ,H-‬והיונים האלה יכולים להגיע רק לפחמן הקרבונילי בתרכובות‬
‫ואינם יכולים להתקרב לענני אלקטרוני הפאי של קשרים כפולים באלקן‪.‬‬
‫החומר המחזר הוא מאוד לא יציב ולכן הוא נוטה להגיב עם מים‪ ,‬להתפוצץ והוא מסוכן‪ .‬לפיכך מעדיפים‬
‫לחפש מחזרים בטוחים יותר‪ .‬המקביל שלו הוא ‪ ,NaBH4‬שהוא עדין יותר אבל פחות ספציפי‪ .‬בחיפוש‬
‫אחר מחזר ספציפי לחומצות קרבוקסיליות הגיעו למולקולת הבוראן – ‪ – BH3‬אשר מחזר את הקרבוקסיל‬
‫בלבד‪ .‬שימו לב שעל הטבעת יש קבוצת ניטרו – ‪ LiAlH4‬היה מחזר גם את קבוצת הניטרו אבל ‪BH3‬‬
‫מחזר אך ורק קבוצות קרבוקסיליות‪.‬‬
‫•‬
‫•‬
‫אנחנו לא מכירים מחזרים שמחזרים חומצות קרבוקסיליות רק עד אלדהיד; אם רוצים לקבל‬
‫אלדהיד צריך לחזר לכהל ואז לחמצן בעזרת ‪.PCC‬‬
‫אי אפשר לחמצן את החומצה הקרבוקסילית כי המצב המחומצן יותר היחיד הוא ‪ CO2‬וזה‬
‫יהרוס את החומר האורגני‪ .‬ככל הנוגע לתרכובות אורגניות‪ ,‬חומצות קרבוקסיליות הן המצב‬
‫המחוזר ביותר של פחמנים‪.‬‬
‫תגובות חיזור של חומצות קרבוקסיליות‬
‫אם ניקח אלדהיד או קטון‪ ,‬קיים בהם הקשר של פחמן חיובי וחמצן שלילי‪ ,‬כמו בחומצות קרבוקסיליות או‬
‫אסטרים‪ .‬כאשר נוקליאופילים תוקפים אלדהידים וקטונים‪ ,‬הנוקליאופיל מתחבר לפחמן הקרבונילי‪O ,‬‬
‫מקבל מטען שלילי ואז הופך ל‪ .OH-‬התוצר היה תוצר סיפוח של נוקליאופיל‪.‬‬
‫בחומצות קרבוקסיליות המצב דומה‪ ,‬אולם במקום סיפוח יש התמרה‪ :‬הנוקליאופיל תוקף את הפחמן‪,‬‬
‫ונוצר חמצן עם מטען שלילי‪ .‬אולם כאן נוצר מצב של שתי קבוצות על הפחמן הקרבונילי שהן קבוצות‬
‫עוזבות‪ ,‬ושתי הקבוצות האלה הן קבוצות עוזבות טובות‪ .‬משום כך‪ ,‬אחת מהקבוצות העוזבות חייבת‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :21‬חומצות קרבוקסיליות – המשך‬
‫‪223‬‬
‫לעזוב‪ .‬ברגע שאחת הקבוצות עוזבת‪ ,‬החמצן חוזר להיות קרבונילי‪ .‬אם הנוקליאופיל הוא זה שעוזב‪,‬‬
‫אנחנו חוזרים לחומר המקור; אם השייר ‪ Y‬עוזב‪ ,‬אנחנו מקבלים התמרה‪.‬‬
‫תכונת הקבוצה העוזבת‪ :‬בסיס טוב יותר = קבוצה עוזבת טובה יותר‬
‫הריאקטיביות של התרכובת הקרבונילית תלויה בקוטביות של הקבוצה הקרבונילית בתגובת התמרת‬
‫האציל‪ .‬אנחנו מגדירים יחסים בין קבועי שיווי המשקל של כל שלב לכל כיוון )כמצוייר באיור(‪.‬‬
‫אם ‪ Z‬הוא קבוצה עוזבת יותר טובה הקבוע הקינטי של החזרה למגיבים יהיה גדול יותר מהקבוע הקינטי‬
‫של המשך לתוצר הסופי‪ ,‬ולכן זה ילך שמאלה יותר מאשר ימינה‪ .‬לעומת זאת אם ‪ Y‬הוא קבוצה עוזבת‬
‫טובה יותר‪ ,‬כלומר בסיס טוב יותר‪ ,‬אזי התגובה תלך יותר ימינה מאשר שמאלה‪.‬‬
‫התקפות נוקליאופיליות – תנאים‬
‫כל הריאקציה מתבססת על כך שהנוקליאופיל תוקף את הפחמן הקרבונילי‪ .‬הסבירות והמהירות של‬
‫הריאקציה תלויות בהפרעות המרחביות סביב הפחמן הקרבונילי‪ :‬ככל שהוא מוסתר יותר התגובה תהיה‬
‫איטית יותר‪ .‬משום כך הגראדיינט העליון מראה כיצד ככל שהקבוצות ליד הפחמן הקרבונילי פחות‬
‫נפחיות הריאקטיביות של התרכובת הקרבונילית יותר גדולה‪.‬‬
‫שימו לב‪ :‬במקרה זה צריך לשים לב‬
‫לקבוצות העוזבות‪ ,‬כי הן לאו דווקא‬
‫הקבוצה העוזבת המוכרת לנו )כמו שהיה‬
‫באלקיל הלידים‪ ,‬שתמיד הייתה קבוצה‬
‫עוזבת טובה(‪.‬‬
‫ריאקטיביות הקבוצה העוזבת‬
‫בגרדיינט התחתון ביותר אנחנו משווים‬
‫בין יעילות הקבוצה העוזבת מבחינת‬
‫עזיבה‪ .‬הבעיה עם הקבוצות העוזבות‬
‫היא שקל מאוד להפוך תרכובת ימנית‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪224‬‬
‫לתרכובת שמאלית יותר‪ ,‬למשל ‪ acid chloride‬שתהפוך ל‪ .acid amide-‬הבעיה היא שאי אפשר‬
‫לעשות זאת בכיוון ההפוך – כי הקבוצה העוזבת כלוריד היא כל כך טובה שאנחנו אפילו לא מוצאים את‬
‫התרכובת של האסיד‪-‬כלוריד בטבע‪ .‬אם היינו מנסים להכניס אותן‪ ,‬ה‪ k-‬של הריאקציה שמאלה היה גדול‬
‫יותר מהריאקציה ימינה ולכן היינו חוזרים למגיבים‪ .‬משום כך אנחנו טוענים שהחומר עם הכלור הוא‬
‫מאוד פעיל וקל מאוד להחליף את הכלור‪ ,‬והאמיד הוא לא פעיל‪ ,‬כלומר קשה להחליף את האמיד‪.‬‬
‫בתמונה הבאה מופיע עוד גרדיינט בנוגע לריאקטיביות של הקבוצות העוזבות‪.‬‬
‫יצירת הנגזרות של החומצה הקרבוקסילית‬
‫אם כן‪ ,‬האם אפשר בכלל להפוך חומצה‬
‫קרבוקסילית לחומצה כלורידית? התשובה היא לא‪.‬‬
‫אבל‪ ,‬בדיוק כמו שאנחנו לא יכולים להפוך כהל‬
‫לאלקיל הליד אלא אם נשתמש בריאגנטים‬
‫מתאימים‪ ,‬כך גם כאן‪ :‬עם הריאגנטים הנכונים‬
‫אפשר ליצור חומצה כלורידית‪ .‬הסיבה שאנחנו בכלל רוצים לייצר את החומר הזה – חומצה הלידית –‬
‫היא שזה חומר מוצא טובה לכל הנגזרות האחרות של החומצה הקרבוקסילית‪.‬‬
‫האם התהליך של יצירת אנהידרידים אפשרי? התהליך הזה נפוץ בתהליכים ביולוגיים‪ ,‬אולם קשה יותר‬
‫לייצר אותו במעבדה ללא פעילות של אנזימים‪ .‬גם הייצור של האסטרים הוא חשוב מאוד‪ ,‬וההפיכה‬
‫לאמיד‪ .‬את כולם נראה בהמשך‪.‬‬
‫התקפות נוקליאופיליות – תגובות‬
‫המרה של חומצה קרבוקסילית לאסיד‪-‬הלידים‬
‫התהליך הזה משתמש בתיוניל כלוריד )‪ ,(SOCl2‬שבו התיוניל כלוריד מתחבר לפחמן וה‪ OH-‬יוצא‪ .‬זה‬
‫עובד באותה המידה גם עם ‪ .PBr3‬בעמוד הבא רואים את המנגנון אבל לא צריך לדעת אותו‪ :‬רק צריך‬
‫לדעת‬
‫שלוקחים‬
‫חומצה‬
‫קרבוקסילית‪,‬‬
‫מוסיפים תיוניל כלוריד ומקבלים אסיד‪-‬‬
‫כלוריד‪.‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :21‬חומצות קרבוקסיליות – המשך‬
‫‪225‬‬
‫יצירת אנהידרידים מחומצות קרבוקסיליות‬
‫יש להפריד תגובה זו מתגובת היצירה של‬
‫אנהידירידים ציקליים‪ ,‬שנוצרים מתגובה בין שני‬
‫קצוות של דיקרבוקסיל; יש גם אנהידרידים‬
‫שמתקבלים משתי חומצות קרבוקסיליות שמתחברות‬
‫יחד‪ .‬התגובה השנייה כמעט ולא קורית; אבל אם יש‬
‫לנו דיהידריד‪ ,‬כמו שציינו קודם‪ ,‬בו שני הקצוות יכולים להתחבר תוך כדי הוצאה של מים‪ .‬תהליך זה‬
‫מתרחשת בתאים באופן טבעי‪ ,‬מחוץ לתאים צריך לעשות זאת בחום גבוה‪.‬‬
‫הפיכת חומצה קרבוקסילית לאמיד‬
‫אמיד הוא יותר יציב מחומצה קרבוקסילית; יחד עם זאת‪ ,‬אי אפשר לעשות תגובה זו‪ .‬עובדה זו מפתיעה‬
‫אותנו‪ :‬אמרנו שאי אפשר להפוך קבוצה קרבוקסילית אחת לאחרת אם היא פחות יציבה; אבל אמיד יותר‬
‫יציב מהכל‪ .‬אם כן מדוע זה לא אפשרי?‬
‫אם ניקח קבוצה קרבוקסילית‪ ,‬אנחנו רוצים‬
‫להגיב אותה עם אמין ראשוני או אמוניה;‬
‫תיאורטית‪,‬‬
‫האמוניה‬
‫אמורה‬
‫להיכנס‬
‫כנוקליאופיל אולם בפועל האמוניה היא בסיס טוב‪ ,‬החומצה הקרבוקסילית היא חומצה‪ ,‬והשניים יסתרו‬
‫אחד את השני ונקבל מלח‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫‪226‬‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫חומצות קרבוקסיליות – אסטרים‬
‫יצירת אסטרים‬
‫יצירת אסטרים מחומצות קרבוקסיליות‬
‫אפשר לקחת חומצה קרבוקסילית ולסתור את החומצה עם ‪ .NaOH‬לאחר הסתירה מקבלים מלח נתרן‬
‫ויון קרבוקסילאט‪ .‬המלחים האלה מאוד מסיסים במים‪ .‬כמו כן יון הקרבוקסילאט הוא נוקליאופיל טוב‪,‬‬
‫ולכן ניתן להגיב אותו עם אלקיל הלידים‪.‬‬
‫אם האלקיל הליד שאנחנו מגיבים עם הקרבוקסילאט הוא לא מסועף וראשוני‪ ,‬ואם הקרבוקסילאט לא‬
‫מסורבל מאוד‪ ,‬התגובה באמת מתרחשת ואנחנו מקבלים אסטר – החלפה של ה‪ OH-‬ב‪.OR-‬‬
‫אסטריפיקציה של פישר‬
‫שומנים ואסטרים אחרים יכולים להיווצר מתגובה בין חומצה קרבוקסילית לכהל‪ .‬התהליך הזה הוא‬
‫תהליך בשיווי משקל ולכן לא תמיד ניתן להבטיח שהתוצר יהיה ביעילות ניצולת גבוהה‪ .‬על מנת להטות‬
‫את זה אפשר להשתמש בעקרון לה‪-‬שטלייה‪ .‬התהליך של יצירת האסטר מכונה "אסטריפיקציה"‪ .‬התהליך‬
‫ההפוך מכונה "הידרוליזה של האסטר"‪ .‬שני התהליכים מתרחשים בתאים לשימושים שונים‪.‬‬
‫המנגנון הוא מנגנון חומצי‪ .‬כמו כל התהליכים‬
‫הקרבונילים בקטליזה חומצית‪ ,‬החומצה עושה‬
‫פרוטונציה של החמצן הקרבונילי‪ .‬שימו לב‪:‬‬
‫הפרוטונציה היא בחמצן הקרבונילי ולא בחמצן‬
‫של ה‪!!!OH-‬‬
‫לאחר הפרוטונציה יש מטען חיובי על החמצן‪,‬‬
‫והוא מקיים רזוננס של המטען עם הפחמן‬
‫הקרבונילי‪ .‬במצב הזה נוקליאופיל )כהל‪,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :21‬חומצות קרבוקסיליות – המשך‬
‫‪227‬‬
‫‪ (R'OH‬יכול לתקוף ביתר קלות את הפחמן הקרבונילי‪ .‬כתוצאה מכך‪ ,‬נקשר הכהל ויש על החמצן שלו‬
‫מטען חיובי )הקשר הכפול לחמצן התפרק‪ ,‬כזכור(‪.‬‬
‫בשלב הבא מתרחש ‪ :proton transfer‬המימן מהכהל עבר לקבוצת ‪ OH‬של החומצה הקרבוקסילית‪.‬‬
‫התהליך הזה הוא פנים מולקולארי והוא מאוד מהיר‪ .‬כתוצאה נוצרה קבוצה עוזבת טובה שהיא מים‪,‬‬
‫הקבוצה עוזבת ואנחנו מקבלים את האסטר‪ .‬כאשר המים עוזבים‪ ,‬לפחמן חסר קשר ולכן הוא יוצר מחדש‬
‫את הקשר הכפול לחמצן‪ ,‬והמימן שעשה פרוטונציה יוצא‪ .‬משום כך הפרוטון הוא רק קטליזטור בתהליך‪.‬‬
‫תוצר נוסף של האסטריפיקציה הוא מים‪.‬‬
‫עם התהליך הזה עשו כל מיני ניסויים מעניינים‪ :‬ניתן לקחת חומצה אסטרים וכהלים שהחמצן שלהם מסומן‬
‫כרדיואקטיבי‪ .‬רצו לבדוק האם נמצא סימון רדיואקטיבי במים; לפי המנגנון‪ ,‬בהנחה שהוא נכון‪ ,‬התשובה‬
‫תהיה לא‪ .‬משמעות הדבר היא שהחמצן של המים הנפלטים לא מקורו בכהל אלא בחומצה‪.‬‬
‫בניסוי אחר סימנו רק את החומצה הקרבונילית‪ .‬האם כעת המים רדיואקטיבים? התשובה היא כן – משום‬
‫שבשלב ‪ 2‬לאחר הפרוטונציה נוצרות שתי קבוצות שוות של ‪ .OH‬לפיכך לפעמים תצא הקבוצה שהייתה‬
‫במקור ‪ OH‬ולפעמים ייצא החמצן הקרבונילי לאחר שעבר פרוטונציה‪.‬‬
‫הבעיה עם הריאקציה היא שהיא ריאקציה בשיווי משקל‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪228‬‬
‫שיעור ‪ :21‬תרכובות קרבוקסיליות – אסיד הלידים‬
‫אסיד‪-‬הלידים הם חומרי מוצא טובים לכל‬
‫החומרים שהם נגזרות שלהם )או של חומצות‬
‫קרבוקסיליות(‪ .‬מכיוון שהם קבוצה עוזבת‬
‫טובה‪ ,‬כמעט כל נוקליאופיל מגרש אותם‪.‬‬
‫תגובה שלהם עם כהל תיתן לנו אסטר; בניגוד‬
‫לתגובה הקודמת שראינו‪ ,‬כאן קבוע שיווי‬
‫המשקל הוא לחלוטין לטובת התוצרים ואין בעיה של לה‪-‬שטלייה‪ .‬אם נגיב אסיד‪-‬הליד עם מים‪ ,‬מקבלים‬
‫חומצה קרבוקסילית‪ .‬אם נגיב אותו עם אמין כלשהו או אמוניה נקבל אמיד‪.‬‬
‫הידרוליזה‬
‫המנגנון הזה זהה למנגנון האסטריפיקציה‪ :‬המים תוקפים את הפחמן הקרבונילי ונכנסים‪ ,‬הכלור עוזב‬
‫ונוצר קשר כפול לחמצן‪ ,‬ואז בסיס חוטף מימן מהמים שסופחו‪ .‬המנגנון זהה רק שמשתמשים במים‬
‫במקום כהל‪ ,‬ולכן התוצר הוא חומצה קרבוקסילית ולא אסטר‪.‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :21‬תרכובות קרבוקסיליות – אסיד הלידים‬
‫‪229‬‬
‫אם משתמשים בכהלים‪ ,‬כמובן‪ ,‬מתקבל אסטר‪ .‬בין אלכוהול ראשוני לשניוני ישנה עדיפות לכהל הראשוני‬
‫כי הוא פחות מוסתר ויותר ריאקטיבי‪.‬‬
‫המנגנון‪:‬‬
‫חיזור של אסיד‪-‬הלידים לכהלים‬
‫החיזור הזה נעשה בדיוק כמו‬
‫שהופכים חומצה קרבוקסילית‬
‫לכהל‪.‬‬
‫כל תרכובת קרבוקסילית‪,‬‬
‫כאשר מחזרים אותה‪ ,‬הופכת‬
‫לכהל ראשוני!‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪230‬‬
‫תגובה של אסיד כלורידים עם ריאגנטים אורגנומטאליים‬
‫ריאגנט גריניארד מגיב עם אלדהידים ועם קטונים; משתמשים בו על מנת ליצור קשרי פחמן‪-‬פחמן‬
‫ליצירת שרשרות‪ .‬אבל אם שמים אותו במים‪ ,‬מקבלים אלקאן‪ .‬כל פעם שמכניסים אותו לתרכובת עם‬
‫מימנים פולאריים מקבלים תרכובות דמויות אלקאן‪ .‬משום כך אפשר להגיב אותו עם אלדהידים או‬
‫קטונים אבל לא עם כהלים – שיש בהם ‪ ,OH‬שהוא דומה למים‪ .‬לפיכך אם יש לנו כהל צריך להפוך אותו‬
‫לאלדהיד או קטון ואז להגיב אותו‪.‬‬
‫לעומת זאת‪ ,‬באסיד הלידים אין ‪ OH‬והפחמן הוא חיובי כמו באלדהידים וקטונים; משום כך אסיד‬
‫כלורידים מגיבים טוב עם ריאגנט גרינארד – ואפילו מגיבים עם שתי מולקולות של ריאגנט‪ .‬כאשר‬
‫מגיבים את האסיד‪-‬הליד‪ ,‬הכלור עוזב ובמקומו נכנס הקבוצה ‪ R‬של ריאקנט גריניארד‪ .‬המולקולה‬
‫הראשונה של ריאגנט גריניארד נותנת קטון‪ .‬אבל הקטון הזה גם מגיב טוב עם ריאגנט גרינארד; ולכן‬
‫שתי מולקלות מגיבות ואנחנו מקבלים כהל שלישוני‪.‬‬
‫שימו לב‪ :‬בהתחלה צריך להגיב בהתחלה ללא מים ורק בסוף להוסיף את המים‪.‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :22‬תרכובות קרבוקסיליות – המשך‬
‫‪231‬‬
‫‪01.06.2010‬‬
‫שיעור ‪ :22‬תרכובות קרבוקסיליות – המשך‬
‫יצירת אסטרים נעשית על ידי הגבה של חומצה קרבוקסילית עם כהל‪ ,‬ובסביבה חומצית מקבלים אסטר;‬
‫אומנם יש דרכים אחרות אבל זוהי ריאקציה נוחה על מנת להבין איך מסתכלים על אסטר‪ :‬אסטר מורכב‬
‫מקטע אחד שמייצג את החומצה הקרבוקסילית וקטע שני שמייצג את הכהל‪.‬‬
‫השמות של האסטרים ניתנים על ידי חלוקה של האסטר הנקודה ‪ ,COO‬כאשר כל החלק של ‪RCOO‬‬
‫מקבל את השם של החומצה הקרבוקסילית‪ ,‬והחלק של '‪ R‬מקבל שם של שייר אלקילי‪ .‬הסיומת לפי‬
‫‪ IUPAC‬היא ‪.oate‬‬
‫אסטרים הם חומרים בעלי ריחות מאוד טובים‪ ,‬ויש אסטרים טבעיים‪ ,‬בעיקר בפירות‪ .‬בדוגמאות הבאות‬
‫ניתן לראות אסטרים שונים שמופקים מפירות שונים והם המקנים לפירות את הניחוח האופייני שלהם‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪232‬‬
‫קשר האסטרי נפוץ במגוון עצום של תרכובות‪ ,‬כמו שנראה שיעורי ביוכימיה; קשר דומה לו הוא הקשר‬
‫הפוספו‪-‬אסטרי‪ ,‬בו במקום פחמן יושב זרחן‪.‬‬
‫משפחה נוספת של חומרים ביולוגיים בהם יש אסטרים הם השמנים והשומנים – השמן והשומן כמו‬
‫שרואים באיור הקודם מימין הוא למעשה קשרים אסטריים בין חומצה קרבוקסילית לכהל‪ ,‬כאשר ההבדל‬
‫הוא שהשיירים של הקרבקוסיל הם מאוד ארוכים ולכן הם בעלי תכונה הידרופילית‪.‬‬
‫יצירה של אסטרים‬
‫סתירה של חומצה קרבוקסילית על ידי בסיס מביאה את יון הקרבוקסילאט; היון הזה הוא נוקליאופיל‪,‬‬
‫הוא לא יכול לעשות אלימינציות כי הוא בסיס חלש אבל היו יכול לעשות תגובות התמרה בהן היון תוקף‬
‫אלקיל‪-‬הליד ואנחנו מקבלים אסטר‪.‬‬
‫יש כאן מגבלות רגילות של ‪ :SN2‬אלקיל הליד שלישוני לא מגיב‪ ,‬יש הפרעות מרחביות וכו'‪ .‬השיטה‬
‫השנייה שמופיעה באיור היא השיטה של אסטריפיקציית פישר‪ .‬השיטה בעייתית כי יש בה שיווי משקל‪,‬‬
‫ולכן מטים אותו על ידי תנאי הסביבה – הוצאת המים שנוצרים בעת הפקת האסטר‪.‬‬
‫הדרך השלישית והקלה ביותר ליצירת אסטרים היא הפיכת ה‪ OH-‬שבחומצה הקרבוקסילית להלוגן כמו‬
‫כלור‪ ,‬ואז כאשר מגיבים אותו עם כהל הוא נכנס במקום הכלוריד‪ .‬הדרך המפורסמת ביותר בספרות היא‬
‫השיטה של יצירת אסטר מחומצה וכהל‪ ,‬כי היא השיטה הנפוצה בביוכימיה‪.‬‬
‫תגובות של אסטרים‬
‫•‬
‫הידרוליזה – חזרה אחורה לחומצה‬
‫קרבוקסילית‪.‬‬
‫•‬
‫אמינציה – להפוך אסטר לאמיד‪.‬‬
‫•‬
‫חיזור – קבלת אלדהידים וכהלים‪ ,‬כמו‬
‫שניתן לחזר חומצה קרבוקסילית‪.‬‬
‫•‬
‫תגובה עם ריאגנט גריניארד‪.‬‬
‫כל התהליכים האלה נעשים בדומה לתהליכים המתרחשים עם האסיד‪-‬הלידים שראינו בשיעור הקודם‪.‬‬
‫הידרוליזה‪ :‬הפיכת אסטר לחומצה קרבוקסילית‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :22‬תרכובות קרבוקסיליות – המשך‬
‫‪233‬‬
‫תהליך זה הוא למעשה הפוך לאסטריפיקציה;‬
‫מכיוון שלרוב ייצור אסטר הוא בשיווי משקל‪,‬‬
‫אפשר פשוט ללכת אחורה‪ .‬ביצירת אסטר‪,‬‬
‫הקטליזה היא חומצית; בחזרה אחורה בתהליך‬
‫הידרוליזה אפשר להשתמש גם בסביבה‬
‫חומצית וגם בסביבה בסיסית‪.‬‬
‫הקטליזה החומצית ברורה‪ ,‬ועובדת לפי לה‪-‬שטלייה; הקטליזה הבסיסית היא המעניינת‪ .‬האיור הבא מציג‬
‫את המנגנון‪ .‬בסביבה בסיסית‪ OH- ,‬הוא נוקליאופיל טוב ותוקף את הפחמן הקרבונילי‪ .‬אנחנו מקבלים‬
‫תוצר טטראדרלי‪ ,‬וכך נוצר מצב שצריכה לעזוב אחת הקבוצות‪ .‬אם הקבוצה העוזבת היא ‪ OH‬מקבלים‬
‫חזרה אחורה; אם ‪ RO‬עוזבת מקבלים חומצה‬
‫קרבוקסילית‪ .‬הבעיה היא שהתוצר של‬
‫התהליך הוא חומצה‪ ,‬והסביבה בסיסית‪ ,‬ולכן‬
‫יש תגובה בין הסביבה הבסיסית )שמכילה‬
‫יונים של ‪ (OR-‬והחומצה‪ ,‬כך שמקבלים יונים‬
‫של החומצה‪ .‬אם בכל זאת רוצים לקבל את‬
‫החומצה צריך לעצור את הריאקציה בשלב זה‪,‬‬
‫להוסיף חומצה חזקה‪ ,‬ואז מקבלים פרוטונציה‬
‫של היון וחזרה למצב החומצה הקרבוקסילית‬
‫במקום הקרבוקסילאט‪.‬‬
‫הפיכת אסטרים לאמידים‬
‫לוקחים אמוניה או אמין ראשוני )על פי רוב(‪ ,‬האמוניה היא נוקליאופיל טוב שתוקף את הפחמן‬
‫הקרבוקסילי ומחליף את ה‪ .OR-‬תגובה זו לא ניתן היה לעשות בחומצה הקרבוקסילית אבל כן ניתן‬
‫לעשות‬
‫באסטרים‬
‫ואסיד‪-‬הלידים‬
‫כי‬
‫האמוניה היא בסיס ולכן תגיב עם החומצה‬
‫בסתירה במקום בהתמרה‪.‬‬
‫חיזור‪ :‬הפיכת אסטרים לכהלים‬
‫הנגזרות של החומצות הקרבוקסיליות נתונות כולן לחיזור‪ ,‬מכיוון שהן נגזרות של תרכובת שניתנת‬
‫לחיזור‪ ,‬והן כולן חוזרות למצב של כהל ראשוני‪ .‬החיזור הופך את הפחמן הקרבונילי לפחמן של כהל‬
‫ראשוני – כי הרי חימצון של כהל ראשוני נותן חומצה קרבוקסילית‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪234‬‬
‫הכהל השני שמתקבל לנו הוא תוצר של העזיבה של ‪ .OR‬החיזור עצמו נעשה על הפחמן הקרבונילי‪ ,‬אשר‬
‫במקום קשר לחמצן יש לו כעת קשר ל‪ .OH-‬אנחנו רואים כאן גם הדגמה נוספת לכך שהמחזר ‪LiAlH4‬‬
‫לא מחזר קשרים כפולים של אלקן‪.‬‬
‫בתרכובת הציקלית שאנחנו רואים היא טבעת אסטרית‪ ,‬כי יש בה את הרצף ‪ .COOR‬הפחמן השחור‬
‫שליד החמצן הורוד הוא למעשה פחמן הקודקוד שהיה קרבונילי; הפתיחה של הטבעת קורית עקב ניתוק‬
‫הקשר האסטרי במהלך החיזור‪ .‬הכהל שמתקבל על ה‪ O-‬הירוק אינו תוצר חיזור‪.‬‬
‫תגובה עם ריאגנט גריניארד‬
‫ריאגנט גריניארד‪ ,‬הוא חומר עם מטרה מוצהרת‪ :‬הרכבה של שרשרות קצרות עם מספר פחמנים מצומצם‬
‫ויצירה של שרשרות ארוכות עם הרבה פחמנים‪ .‬הוא מגיב עם אלדהידים‪ ,‬קטונים‪ ,‬אסיד הלידים‬
‫ואסטרים‪ .‬הוא לא מגיב ביצירת קשר בין פחמנים עם כהלים או חומצות קרבוקסיליות‪ ,‬מכיוון שלאלו יש‬
‫מימן חומצי עם מטען חיובי‪ ,‬שגורם למגנזיום להגיב איתו מיד ואז הריאגנט מתפרק‪.‬‬
‫מה שמעניין הוא שריאגנט גריניארד לא ממש מגיב עם אלקיל הלידים‪ ,‬למרות שהפחמן של ההלוגן הוא‬
‫חיובי והפחמן של הריאגנט הוא שלילי; ואולם בספרות לא מצויין שימוש בריאקציה שכזו‪ .‬ולכן‬
‫מבחינתנו‪ ,‬לריאגנט גריניארד יש תגובה עם אלדהידים‪ ,‬קטונים‪ ,‬אסיד הלידים ואסטרים‪ .‬כמו כן הוא יכול‬
‫להגיב עם ‪ CO2‬וגם אפשר להגיב עם מים כדי לקבל אלקאן‪.‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :22‬תרכובות קרבוקסיליות – המשך‬
‫‪235‬‬
‫ריגאנט גריניארד הוא ‪ .RMgX‬כאשר ‪ R‬יכול להיות כל חומר – שרשרת פחמנית‪ ,‬טבעת‪ ,‬אלקן‪ ,‬בנזן‬
‫וכדומה‪ .‬הפחמן אליו קשור המגנזיום הוא שלילי מעט‪ ,‬ואז הוא מתחבר לפחמן הקרבונילי‪ .‬ואולם‪,‬‬
‫באסטרים‪ ,‬ההתקפה הראשונה של הריאגנט יוצרת קטון; ולכן התגובה הראשונה מובילה לתגובה שנייה‬
‫מהירה מאוד‪ .‬כתוצאה שתי מולקולות של ריאגנט גריניארד מודבקות על הפחמן הקרבונילי – בדיוק כמו‬
‫שקורה כשמגיבים קטון עם הריאגנט‪ .‬התוצר הוא כהל שלישוני שיכול להיות מורכב מאוד‪.‬‬
‫שימו לב שבתגובות עם הריאגנט חייבים סביבה ללא טיפה אחת של מים או לחות כי הן הורסות את כל‬
‫התהליך! לאחר מכן כדי לשחרר את המגנזיום מוסיפים סביבה מימית חומצית‪.‬‬
‫הסיבוך של הריאקציות הן עם אסטרים ציקליים‪ ,‬כי בהם קשה יותר לראות את התגובה‪ .‬למעשה שתי‬
‫קבוצות ריאגנט נדבקות לפחמן הקרבונילי‪ ,‬והחלק של ה‪ O-‬משתחרר ככהל‪) .‬תגובה תחתונה בשקף‬
‫למעלה(‪.‬‬
‫שומנים‬
‫חומצות השומן הן למעשה מולקולות‬
‫עם חלק הידרופובי וחלק הידרופילי –‬
‫מכונות‬
‫גם‬
‫מולקולות‬
‫אמפיפתיות‬
‫)‪ .(Amphipathic‬חומצות השומן הן‬
‫המועמדות‬
‫הראשונות‬
‫בקבוצת‬
‫השומנים והשמנים‪ .‬בטבלה הבאה‬
‫אנחנו רואים את חומצות השומן‪ ,‬כאשר‬
‫הן מחולקות לשניים – חומצות שומן‬
‫רוויות וחומצות שומן לא רוויות‪ .‬ניתן‬
‫לשים לב לנקודות ההתכה‪ ,‬מעבר‬
‫ממוצק לנוזל‪ :‬לחומצה הפלמיטית יש‬
‫מעבר לנוזל ב‪ 69-‬מעלות‪ ,‬כלומר שבטמפרטורת החדר היא מוצק רך‪ ,‬כמו חמאה‪ .‬חומצת שומן עם אותה‬
‫כמות פחמנים אבל לא רוויה עם קשר כפול אחד כבר יורדת בנקודת ההתכה ל‪ .13-‬ככל שיש יותר‬
‫קשרים כפולים נקודת ההתכה יותר נמוכה‪.‬‬
‫ההסבר לכך הוא ביציבות של המוצק‪ :‬כשאין קשרים‬
‫כפולים‪ ,‬הזנבות יכולים להתקרב מאוד וליצור כוחות‬
‫לונדון ביניהם‪ ,‬מה שמגדיל את יציבות המוצק‪ .‬כשיש‬
‫קשר כפול האיזור הזה שובר את הסימטריה ומקטין את‬
‫מידת ההתקרבות של הזנבות‪ ,‬ולכן המוצק פחות יציב‪.‬‬
‫שמנים ושומנים‬
‫קבוצות השומן לא חופשיות בגוף; הן מצויות בתור שמן או שמן‪ ,‬כמו התרכובת האסטרית באיור‪ .‬אלו‬
‫למעשה הטריגליצרוליפידים – סוכר גליצרול שהוא תלת‪-‬כהל‪ ,‬כשכל קבוצת ‪ OH‬יכולה ליצור קשר עם‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪236‬‬
‫קצה ‪ COOH‬של חומצת השומן‪ .‬ההבדל בין שמן לשומן הוא מצב הצבירה – אם‬
‫חומצות השומן רוויות‪ ,‬זה יהיה שומן; אם הם לא רוויות‪ ,‬זה יהיה שמן‪ .‬כאשר‬
‫מגיבים אותם בסביבה בסיסית ניתן להפריד בין הגליצרול לחומצות השומן‪.‬‬
‫האיורים הבאים משווים בתמונה תלת מימדית בין שומן רווי לשומן לא‪-‬רווי‪ .‬ניתן‬
‫לראות מדוע השומן הלא רווי פוגע בקירבה בין המולקולות ועל כן בנקודת‬
‫ההתכה שלהם‪.‬‬
‫יצירת סבון‬
‫ניתן לקחת שמן צמחים או שומני בעלי חיים‪ ,‬לבשל אותם בסביבה בסיסית‬
‫ומקבלים מלח של חומצות השומן‪ .‬המלח הזה הוא חומר מוצק – והוא למעשה‬
‫הסבון כפי שאנו מכירים אותו‪ .‬לתהליך הזה קוראים ‪.Saponification‬‬
‫האם המלח מסיס במים? הרי שכמעט‬
‫כל מלחי הנתרן מסיסים במים;‬
‫ובאמת מבחינת הנתרן הוא מתפרק‪.‬‬
‫אולם השומן הוא אמפיפטי‪ ,‬ולכן הם‬
‫יוצרים‬
‫מיצלות‪.‬‬
‫מבחינה‬
‫תרמודינמית‪ ,‬הדבר שגורם למיצלה‬
‫להיווצר באופן ספונטני הוא שה‪-‬‬
‫‪∆G‬של התהליך מאוד שלילי )החל‬
‫מריכוז מינימלי כלשהו(‪.‬‬
‫מכיוון ש‪∆G-‬שלילי‪ ,‬ודלתא ג'י שווה ל‪ ,dH-TdS-‬מסתבר שהזנב ההידרופובי לא מסתדר עם המים ויש‬
‫מולקולות של מים שמסתדרות מסביבו בכמויות גדולות‪ .‬כאשר המולקולה לא נמצאת במיצלה‪ ,‬היא‬
‫גורמת למים לשבת באופן מסודר סביב הזנב; מכיוון שיש עלייה בסדר‪ ,‬יש ירידה באנתרופיה‪.‬‬
‫ברגע שנוצרת המיצלה‪ ,‬כל הזנבות ההידרופובים‬
‫שהעסיקו מולקולות מים משתחררות מהמים‪ ,‬וכך‬
‫האנתרופיה עולה‪ .‬המעבר למיצלה מונע מכוח‬
‫האנתרופיה בעיקר‪ .‬כשאנחנו טוענים שהראש‬
‫ההידרופילי בחוץ והכוחות ההידרופובים בפנים‪,‬‬
‫צריך להיזהר במונח הכוח ההידרופובי‪ :‬ההתאגדות‬
‫ההידרופובית לא נובעת ממשיכה בין זנבות‬
‫הידרופובים אלא דחייה מצד המים‪.‬‬
‫המיצלות‪ ,‬שהן הידרופיליות בחוץ ושומניות בפנים‪ ,‬הן קטנות מאוד – ניתן לראותן במיקרוסקופ אך לא‬
‫בעין רגילה‪ .‬התהליכים האלה מואצים כאשר יש גרגירי אבק או פיח שמהווים גרעין שסביבו ניתן ליצור‬
‫את המיצלה כי הוא סופח אליו את הזנבות ההידרופובים‪ .‬זו הסיבה לכך שסבון מנקה‪ :‬מולקולות הסבון‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :22‬תרכובות קרבוקסיליות – המשך‬
‫‪237‬‬
‫יוצרות מיצלות סביב הפיח והאבק המלכלכים אותנו‪ ,‬וכאשר שוטפים במים המים לוקחים את המיצלות‬
‫בעזרת הראשים ההידרופובים שלהם‪.‬‬
‫שימו לב שהמלח הזה גורם לשינו בערך הגבה‪ ,‬וזה עשוי לגרום לתגובות שונות בעור‪ ,‬ולכן יש בעיה עם‬
‫הסבון הזה‪ .‬בעיה שנייה שלו היא שהוא יוצר מלח קשה תמס עם יוני קלציום או מגנזיום‪ .‬אם היונים‬
‫האלה נמצאים במים הם יכולים ליצור מלחים קשים‪ ,‬וכך במים קשים הסבון מאבד מיעילותו וגם נוצרים‬
‫כתמים לבנים על החומר המנוקה עם הסבון‪.‬‬
‫יחד עם זאת הסבון קיים שנים רבות; כשהתחילו להבין איך זה עובד ניסו ליצור סבונים מלאכותיים‬
‫שיימנעו תופעות אלו‪ .‬חומרים אלו הם הדטרגנטים‪ :‬לוקחים חלק הידרופובי מאוד ארוך אבל בקצהו‬
‫במקום חומצה קרבוקסילית שמים קובצה סולפונאטית‪ .‬היא ראש‬
‫הידרופילי אז היא עובדת כמו סבון רגיל; היתרון הוא שהיא נגזרת‬
‫של חומצה גופרתית‪ ,‬שהיא חומצה חזקה‪ ,‬ולכן היא לא עוברת‬
‫הידוליזה וה‪ pH-‬לא משתנה‪ ,‬ואפשר להשיג אפילו ‪ pH‬נמוך מ‪.7-‬‬
‫יתרון שני הוא העובדה שהיון הזה לא מגיב עם סידן או מגנזיום ולכן לא יוצר משקעים‪ .‬רוב הסבונים‬
‫שאנחנו מכירים בתכשירי ניקוי היום הם נגזרות כאלו‪ .‬ה‪ R-‬הוא משהו עם ‪ 15-16‬פחמנים לקבלת אפקט‬
‫הסבון‪ .‬יש דטרגנט מפורסם אחד שמשמש יותר למחקר מאשר לניקיון‪ ,‬כי אחד הדברים שסבונים עושים‬
‫הוא הידרוליזה של חלבונים‪ .‬מסיבה זו שטיפת ידיים בסבון משמידה וירוסים‪ .‬הדטרגנט הזה הוא סודיום‬
‫דודציל סולפאט ‪.SDS -‬‬
‫פוספוליפידים‬
‫הפוספוליפידים מבוססים על אסטרים של פוספט‪ .‬אם יש קשר ‪ OR‬אחד זה מונו‪-‬אסטר; שניים זה די‪-‬‬
‫אסטר; ושלושה זה טרי‪-‬אסטר‪ .‬תהליך הפוספורילציה שמתרחש בתאים‪ ,‬שאנו כבר מכירים‪ ,‬הוא למעשה‬
‫הדבקה של פוספט על שייר של חומצת אמינו‪ ,‬היוצרת קשר פוספטאסטרי וגורמת להפעלה או השתקה‬
‫של פעילות מסויימת של החלבון‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪238‬‬
‫פוספואצילגליקוצרולים‬
‫הקשר האסטרי השלישי בגליצרולים האלה הוא‬
‫לפוספט ולא לחומצת שומן; משום כך חומרים אלו‬
‫מכונים פוספוליפידים‪ .‬כתוצאה יש מטען ואנחנו‬
‫יודעים שיש ממברנות עם מטענים שונים‪ ,‬וההבדלים‬
‫האלה נוצרים על ידי כך שלקבוצה הכהלית של‬
‫הפוספט יכול להיות קשר עם כהל כלשהו ליצירה של‬
‫מטען שונה‪ .‬בצורה זו יש כאן למעשה שני קשרים‬
‫פוספואסטרים‪.‬‬
‫אם קושרים חנקנים למעשה שנושאים‬
‫מטען חיובי‪ ,‬אנחנו מקבלים איזון של‬
‫המטען השלילי וכך הקטנה של‬
‫המטען‪ .‬הפוספוליפיד צפאלין הוא‬
‫פוספוליפיד שנפוץ בממברנה של‬
‫חיידקים‪ .‬הפוספוליפיד הזה נחשב‬
‫למעניק מטען נייטרלי‪ ,‬כי יש גם פלוס‬
‫וגם מינוס; גם הפוספוליפיד השני‪,‬‬
‫שנפוץ בהרבה תאים‪ ,‬נותן מטען‬
‫נייטרלי‪ .‬הפוספוליפיד השלישי שקיים‬
‫לרוב במיטוכונדריות‪ ,‬הוא עשוי‬
‫מנגזרת של חומצת האמינו סרין‬
‫והמטען הכולל שלו הוא דווקא שלילי‪.‬‬
‫איזורים עשירים בו בעלי מטען ולכן‬
‫מפעילים כוחות חשמליים על קטיונים וכדומה‪.‬‬
‫הראש הפולארי שמופיע באיורים של פוספוליפידים הוא האיזור של הפוספט‪ ,‬בו יש מטענים חשמליים‪,‬‬
‫והזנבות הם חומצות השומן‪.‬‬
‫מכיוון שלפוספוליפידים יש שני זנבות ולא זנב אחד‪ ,‬אין אפשרות להידחס מספיק ליצירת מיצלה; ולכן‬
‫פוספוליפידים במים‪ ,‬מעל ריכוז מסויים‪ ,‬יוצרים באופן ספונטני בי‪-‬לייר )דו‪-‬שכבה( על מנת להרחיק את‬
‫הזנבות מהמים ולהגדיל את האנתרופיה‪ .‬אינטראקציות הידרופוביות קיימות בתוך הבילייר בין הזנבות‪,‬‬
‫והראשים פונים לתמיסה‪ .‬הכדור הזה‪ ,‬שהוא מעט גדול יותר ממיצלה‪ ,‬מכונים ליפוזום‪ ,‬והם מכילים מים‬
‫גם מבפנים‪ .‬הם מהווים מודל עבור ביוכימאים לתא‪ ,‬והיום יודעים להכניס בהם חלבונים להדמיית פעילות‬
‫תעלות‪ ,‬מכניסים בהם תרופות הידרופוביות שלא מגיעות לתאים וכדומה‪.‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :22‬תרכובות קרבוקסיליות – המשך‬
‫‪239‬‬
‫ספינגוזינים‬
‫פוספוליפידים שאופייניים למערכת העצבים‪ ,‬בעיקר במוח ובחוט השדרה‪ .‬הידוע בהם הוא ספינגומיילין‪,‬‬
‫שיוצר מיילין שהוא החומר שעוטף את אקסון העצב‪.‬‬
‫יש לחומר שרשרת ארוכה של כהל‪,‬‬
‫חומצת שומן מאוד ארוכה‪ ,‬ועוד חומר‬
‫הידרופובי‪ .‬תהליך הסינתזה הוא מאוד‬
‫מורכב‪,‬‬
‫והרבה‬
‫מחלות‬
‫עצבים‬
‫דגנרטיביות יש פגיעה בייצור של‬
‫החומר האלה‪ .‬דוגמה היא מחלת הטאי‪-‬זקס‪ ,‬שבה החומרים לא עוברים מטאבוליזם של פירוק‪ ,‬הם‬
‫מצטברים במוח ולכן פוגעים בילד‪.‬‬
‫באיור משמאל רואים דוגמה של ספינגומיילין‪.‬‬
‫אחד הדברים שצריך לזכור‪ ,‬הוא שלכל הסמלים‬
‫שמופיעים בביולוגיה באותיות כלליות יש‬
‫משמעות כימית ולמעשה כל הפעילויות של‬
‫החומרים הביולוגיים יש להם הסבר כימי‬
‫וביוכימי‪ .‬אנחנו שואפים ללמוד להבין איך לקשר‬
‫בין הקשרים הכימיים לקשרים הביולוגיים‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪240‬‬
‫שיעור ‪ :22‬האמינים‬
‫אמינים הם תרכובות אורגניות של‬
‫חנקן‪ .‬הם כוללים את כל אותם‬
‫חומרים שאינם כוללים קשר כפול‬
‫לפחמן‪ .‬הם מכילים לפחות חנקן‬
‫אחד או שניים בתוך השרשרת‪.‬‬
‫צמחים עשירים בתרכובות אלו‬
‫מאוד‪ ,‬וגם דגים‪.‬‬
‫שם אחר לאמינים שמקורם בצמחים הוא אלקלואידים‪ ,‬ויש להם תכונות קישור לרצפטורים במוח ולכן‬
‫משמשים בסמים רבים‪ .‬רוב האמינים חומרים מסריחים במיוחד‪.‬‬
‫נומנקלטורה‬
‫ניתן לחלק אמינים לראשוני‪ ,‬שניוני‬
‫ושלישוני‪,‬‬
‫כאשר‬
‫כאן‬
‫מתמקדים‬
‫בחנקן‪ ,‬ובודקים כמה קבוצות פחמניות‬
‫קשורות לחנקן‪.‬‬
‫רוב האמינים הפעילים הם אמינים‬
‫ראשוניים ושלישוניים; יש גם רבעוניים‪ ,‬כאשר בהם הפחמן קשור בארבעה קשרים‪.‬‬
‫אם התרכובות פשוטות‪ ,‬השם מקבל את הסיומת ‪ ,amine‬בהנחה שאין קבוצות פונקציונאליות אחרות‪.‬‬
‫כאשר יש עוד קבוצות פונקציונאליות‪ ,‬בוחרים את השרשרת הראשית כבעלת הקבוצה הפונקציונאלית‬
‫האחרת והאמין הוא הסתעפות‪ .‬במצב כזה יש תחילית של ‪ ,amino‬כי מסתכלים עליו כשייר‪ .‬המספור‬
‫מתחיל באופן כזה שהקבוצה הפונקציונאלית הקובעת תקבל את המספור הנמוך ביותר‪.‬‬
‫באמינים שניוניים או שלישוניים‪ ,‬אם הקבוצות ‪ R‬הן‬
‫זהות אנחנו פשוט מציינים כמה קבוצות כאלה יש‪:‬‬
‫למשל טריאתילאמין או דיפנילאמין‪.‬‬
‫לעומת זאת‪ ,‬אם הקבוצות שונות‪ ,‬בוחרים את השייר‬
‫עם השרשרת הארוכה ביותר והוא ייתן את הסיומת‬
‫של השם – למשל פרופילאמין אם‬
‫פרופיל היא‬
‫הארוכה ביותר‪ .‬אם יש עכשיו שתי הסתעפויות של‬
‫מתיל‪ ,‬אנחנו מציינים אותן כדימתיל אך לא בעזרת‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :22‬האמינים‬
‫‪241‬‬
‫מספור כי אם בעזרת האות ‪ N‬המסמנת שהם יושבים על החנקן‪.‬‬
‫יש אמינים ארומטיים בהם נגענו כשדיברנו על בנזן‪ ,‬ביניהם הפירמידינים‪.‬‬
‫תכונות פיזיקליות של אמין‬
‫דומות מאוד לתכונות של אמוניה‪:‬‬
‫•‬
‫נמצאים בהיברידיזציה של ‪.SP3‬‬
‫•‬
‫יוצרים קשרים בזווית של ‪ 109‬מעלות‪.‬‬
‫•‬
‫מולקולה בעלת מומנט דיפול מוגבר‪ ,‬כנראה עקב זוג האלקטרונים ‪ LP‬על החנקן‪.‬‬
‫•‬
‫בשל היותן מולקולות פולאריות‪ ,‬אם יש לחנקן מימנים ניתן ליצור קשרי מימן‪ ,‬מה שמוביל להגבהת‬
‫נקודת הרתיחה‬
‫‪ -‬אך לא‬
‫לרמות של כהלים או חומצות‬
‫קרבוקסיליות‪.‬‬
‫•‬
‫אם קבוצות ‪ R‬לא גדולות‪,‬‬
‫תודות‬
‫המימן‪,‬‬
‫לקשרי‬
‫החומרים מסיסים במים‪.‬‬
‫•‬
‫חומרים‬
‫בסיסיים‬
‫–‬
‫זוג‬
‫האלקטרונים ‪ LP‬נוטה לקבל מימן מהמים ולכן מתפקד‬
‫כבסיס‪.‬‬
‫•‬
‫קשרי מימן )התמונה משמאל(‪:‬‬
‫תגובות‬
‫התגובה הבאה מראה את תהליך התגובה‬
‫הבסיסית של אמינים‪.‬‬
‫כל אמין יכול להיות בתמיסה בשתי‬
‫צורות‪ :‬צורה מיוננת וצורה נייטרלית‪.‬‬
‫הכל תלוי ב‪ pH-‬של התמיסה‪ .‬אם נתון ‪ pH‬ורוצים לבדוק מה ריכוז החלקיקים המיוננים והחלקיקים הלא‬
‫מיוננים‪ ,‬אנחנו יכולים להשתמש במשוואת אנדרסון‪.‬‬
‫אמידים הם בסיסים חלשים‬
‫אמידים מקיימים רזוננס של זוג האלקטרונים ה‪ LP-‬של החנקן‪ ,‬ולכן הזוג אלקטרונים אינו פנוי להתקפה‬
‫של חומצות עליו‪ .‬אם יגיע פרוטון הוא לא ימצא את זוג האלקטרונים; ולכן אמידים אינם בסיסיים‪ ,‬בטח‬
‫ובטח שלא כמו אמינים‪ .‬לפעמים מתקבלת בסיסיות אבל אז רואים שהתגובה עם הפרוטון היא דווקא על‬
‫החמצן ולא על החנקן‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫‪242‬‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫בטבלה הבאה מפורטים אמינים שונים עם ה‪ pKa-‬שלהם‪.‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :23‬אמינים – המשך‬
‫‪243‬‬
‫‪02.06.2010‬‬
‫שיעור ‪ :23‬אמינים – המשך‬
‫התהליכים של אמינים‬
‫יצירה של אמינים‬
‫•‬
‫תגובה בין אלקיל הלידים לאמינים‪ .‬הבעיה עם התגובה הוא שהאלקיל הליד הוא גם נוקליאופיל‬
‫שאינו פחות טוב מאמוניה‪ ,‬ולכן נוצרת לרוב תערובת של לפחות אמין ראשוני ואמין שניוני‪.‬‬
‫•‬
‫אמינים עם תוספת של פחמן בעזרת אלקיל הלידים – מגיבים אלקיל‪-‬הליד עם יון הציאניד‪ ,‬מתקבל‬
‫‪ RCN‬ואפשר את החומר הזה לחזר ולקבל קבוצה אמינית במקום הניטריל‪ .‬האמין שנוצר ארוך‬
‫בפחמן אחד משרשרת המוצא‪.‬‬
‫•‬
‫חיזור של אמידים – לרוב נותנים תחילה חומצה קרבוקסילית‪ ,‬ואי אפשר להגיב אותה עם אמוניה;‬
‫לפיכך קודם הופכים את החומצה הקרבוקסילית לאסיד‪-‬כלוריד‪ ,‬ואת האסיד‪-‬כלוריד מגיבים עם‬
‫אמוניה לקבלת אמיד‪ .‬חיזור של אמיד נותן אמין‪ .‬מספר הפחמנים באמין הסופי שווה למספר‬
‫הפחמנים שהיה בחומצה הקרבוקסילית‪.‬‬
‫•‬
‫תגובת שיחלוף הופמן – גם בתגובה זו מחזרים אמיד לאמין; המנגנון של התהליך מאוד מורכב‪ ,‬אבל‬
‫מה שקורה הוא שמהפחמן הקרבונילי יוצא החוצה כ‪ CO2-‬והאמין המתקבל מכיל פחמן אחד פחות‬
‫ממה שהיה בחומצה הקרבוקסילית איתה התחלנו‪ .‬זוהי שיטה לקיצור שרשרות‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪244‬‬
‫מבנה של חומצות אמינו‬
‫חומצות אמינו הן הבסיס להבנת התפקוד של חלבונים‪ .‬בחומצה אמינית‪ ,‬כפי שניתן לראות באיורים‪ ,‬יש‬
‫קבוצה קרבוקסילית מצד אחד שהיא חומצה חלשה ולכן יכולה להיות מיוננת או לא מיוננת )בלי פרוטון‬
‫או עם פרוטון(‪ .‬קיים שיווי משקל בין המצבים‪.‬‬
‫הקצה השני של חומצות האמינו הוא הקצה האמיני‪ ,‬שגם הוא מתנהג כמו בסיס וחומצה‪ :‬הוא יכול להיות‬
‫עם מימן על החנקן במצב ‪ protonated‬ויכול להעביר את החמצן אל המים‪.‬‬
‫בשאלה האם לחומצה אמינית יש מטען חשמלי‪ ,‬אנחנו נסתכל על מה קורה בחומצה אמינית בודדת ואז‬
‫נראה מה קורה באופן כללי בחלבון‪.‬‬
‫במצב החומצי של הקצה האמיני יש לאמין ארבעה קשרים )‪ .(NH3+‬הוא יכול לעבור למצב הבסיסי‬
‫)‪ .(NH2‬ה‪ pKa-‬של שיווי המשקל שווה ‪ .9-10‬בקצה הקרבוקסילי‪ ,‬המצב החומצי הוא ‪ COOH‬והמצב‬
‫הבסיסי הוא ‪ .COO-‬ערך ‪ pKa‬הוא ‪.4-5‬‬
‫כאשר אנחנו רוצים להחליט אם קצה מסויים מיונן או לא‪ ,‬אנחנו צריכים להסתכל על ה‪ pH-‬של הסביבה‬
‫בה נמצאת חומצת האמינו‪ .‬נוכל להשתמש במשוואת אנדרסן‪ ,‬על מנת לדעת מה היחס בין המולקולות‬
‫במצב בסיסי והמולקולות במצב חומצי‪ ,‬היות ואנו יודעים ‪ pH‬ויודעים ‪.pKa‬‬
‫אנחנו יודעים שאם ‪ pH‬שווה ל‪ pKa-‬אנחנו נמצאים בסביבה של בופר‪ ,‬ואז החלוקה בין המצבים היא‬
‫‪ .50:50‬אם נשים אותם ב‪ pH-‬חומצי מאוד‪ ,‬קרוב לוודאי שהריאקציה תלך לכיוון החומצי ואז רוב‬
‫הקרבוקסילית והאמינים יהיו במצב ה‪ protonated-‬שלהם‪ .‬מצב זה מודגם באיור בשקף‪.‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :23‬אמינים – המשך‬
‫‪245‬‬
‫משמעות הדבר שאם המצב הזה נכון עבור כל קבוצות האמינו ואם נניח של‪ R-‬אין מטען‪ ,‬יוצא מכך שלכל‬
‫חומצות האמינו ב‪ pH-‬חומצי מאוד יש מטען חיובי‪.‬‬
‫כאשר עולים עם ה‪ pH-‬לאיזור ‪ ,4-5‬אנחנו לא משפיעים על הקצה האמיני אבל כעת מגיעים למצב בו‬
‫חצי מהמולקולות במצב קרבוקסילי‪-‬מיונן וחצי לא‪ .‬שימו לב שעדיין לא השתנה הקצה האמיני‪.‬‬
‫כאשר מגיעים ל‪ ,pH=7-‬זה עדיין מאוד נמוך מהקבוע של קצה האמינו אבל מאוד גבוה מהקבוע של‬
‫הקצה הקרבוקסילי‪ .‬לפיכך‪ ,‬הקצה האמיני יישאר מיונן ועם מטען חיובי והקצה הקרבוקסילי ברוב‬
‫המולקולות יהיה מיונן גם הוא – כלומר שלילי‪ .‬המטען הכולל הוא נייטרלי וזה המצב הכללי בגוף שלנו‬
‫)כי זה ה‪ .(pH-‬אבל זה לא ממש מטען נייטרלי‪ ,‬כי יש עליו שני מטענים סותרים ולכן זה מכונה‬
‫‪.zwitterions‬‬
‫רק ב‪ pH-‬גבוה מעל ה‪ pKa-‬של הקבוצה האמינית נקבל מצב שבו הקבוצה האמינית לא מיוננת ואז‬
‫המטען של החומצה האמינית יהיה מטען שלילי‪.‬‬
‫מיון חומצות אמינו‬
‫המיון נעשה לפי קבוצת ה‪ R-‬של‬
‫חומצת האמינו‪ .‬השקף הבא מראה את‬
‫חומצות האמינו ההידרופוביות‪ .‬שימו‬
‫לב שגליצין היא חומצת האמינו‬
‫היחידה‬
‫שאינה‬
‫כיראלית‪.‬‬
‫השייר‬
‫בקבוצה זו הוא אלקאני הידורפובי‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪246‬‬
‫חומצות האמינו הבאות מכילות קובצה‬
‫של ‪ ,OH‬והן אלו שלרוב יכולות‬
‫לעבור פוספורילציה – כי הם יכולות‬
‫ליצור קשר פוספו‪-‬אסטרי‪.‬‬
‫באיור‬
‫הבא‬
‫מופיעות‬
‫הקבוצות‬
‫המקבילות‪ ,‬שיש להם גופרית במקום‬
‫חמצן‪ .‬הן יוצרות קשרי די‪-‬סולפידים‬
‫או קושרות פוספט על ידי קשר פוספט‪-‬‬
‫תיולי‪.‬‬
‫ישנן חומצות אמינו חומציות‪ ,‬שיש להן‬
‫עוד קבוצה של חומצה קרבוקסילית‪.‬‬
‫הקבוצות האלה נותנות מטען שלילי‪,‬‬
‫וחלבון שעשיר בהן ימשוך מטענים‬
‫חיוביים‪ .‬בהרבה מקרים למטען הזה יש‬
‫חשיבות‬
‫אדירה‬
‫בקיפול‪.‬‬
‫אחת‬
‫האפשרויות לבחון זאת היא לשנות את‬
‫החומצה האספרטית למשל לאספרגין‬
‫–‬
‫שמכיל‬
‫אמיד‬
‫במקום‬
‫חומצה‬
‫קרבוקסילית‪ ,‬האחד הוא למעשה‬
‫האמיד של השני‪ .‬המטען השלילי נעלם‬
‫עקב המוטציה וכך אפשר לבדוק את‬
‫חשיבות של המטען השלילי‪.‬‬
‫ישנן גם חומצות אמינו עם מטען חיובי‪,‬‬
‫שמכילות אמין בתור שייר‪ .‬האמין נותן‬
‫מטען חיובי‪ .‬כשעושים אלקטרופורזה‬
‫של חלבונים הם נודדים בג'ל בהתאם‬
‫למטען – וזה מושפע מחומצות האמינו‬
‫בחלבון‪.‬‬
‫כמו כן ישנן חומצות אמינו עם טבעת‬
‫בנזן )בעמוד הבא‪ ,‬משמאל למעלה( –‬
‫לחומצות האלה יש בליעה באיזור‬
‫שאנו יכולים לאתר ולזהות את‬
‫החלבונים‪.‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :23‬אמינים – המשך‬
‫‪247‬‬
‫ישנן גם חומצות אמינו עם טבעות‬
‫מעורבות )הטרוציקליות(‪ .‬החומצה‬
‫הכי קשה להבנה נמצאת בקבוצה זו –‬
‫כי בחומצה זו יש למעשה קצה אמיני‬
‫שיוצר ציקליזציה עם הפחמנים של‬
‫השייר‪ ,‬ולכן מקבלים מבנה מוזר‬
‫לחומצת האמינו‪ .‬ואמת‪ ,‬חומצת האמינו‬
‫הזו מופיע במקומות של שינוי במבנה‬
‫השניוני‪ ,‬כי זה מעוות את הגיאומטריה‬
‫בסביבה‪ .‬רצפים של פרולין גם מושכים‬
‫ליגנדים ספציפיים שמזהים אותו‪,‬‬
‫והיום עוסקים רבות בתרומה של‬
‫פרולין לחלבונים המכילים אותו‪.‬‬
‫בטבלה הבאה רואים את כל החומצות‬
‫כאשר נתון ה‪ pKa-‬של החומצה‬
‫הרקבוקסילית‪ ,‬של הקצה האמינו‪ ,‬ושל השייר הצדדי )אם קיים(‪ .‬אנחנו רואים שזה די תואם את מה‬
‫שמוכר לנו מסביבות אחרות )האמין בסיסי‪ ,‬הקרבוקסיל חומצי(‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫כימיה אורגנית סיכומים‬
‫‪248‬‬
‫חלבונים‬
‫אומנם אפשר ליצור פפטידים גם על ידי תגובות כימיות וללא ריאקציות ביולוגיות‪ ,‬אולם זה לא פשוט‪:‬‬
‫התגובה בין הקרבוקסיל לאמין אינה פשוטה כלל ולכן אנזימי הריבוזום בהחלט מקצרים את התהליך‪.‬‬
‫משום כך לרוב היום מייצרים אוליגונוקליאוטיד שמקדד לפפטיד המבוקש ואז מכניסים אותו לחיידק‬
‫שמשתמש במערכת הסינתזה שלו לייצור הפפטיד‪.‬‬
‫הפחמן הקרבונילי של חומצת האמינו מתחבר לחנקן של החומצה הבאה – כלומר ירד ‪ OH‬של החומצה‬
‫הקרבוקסילית ו‪ H-‬של החנקן‪ .‬משמעות הדבר שהייתה ירידה של מולקולת מים; פירוק חלבונים נעשה‬
‫על ידי הידרוליזה‪ .‬אם נסתכל על המולקולה נראה שיש בה קרבוניל קשור לחנקן – אמיד‪ .‬זוג‬
‫האלקטרונים שעל החנקן למעשה ברזוננס ואנו לא יודעים איפה הוא נמצא‪ .‬כתוצאה מכך יש היברידיזציה‬
‫של ‪ SP2‬לאטומים המרכזיים ולכן המולקולה יוצרת קשר שטוח ואין פה אפשרות סיבוב! זאת לעומת‬
‫הקשרים בין פחמנים או בין פחמן‪-‬חנקן שהוא קשר סיגמה וניתן לסיבוב‪ .‬עובדה זו משפיעה על מבנה‬
‫החלבונים‪.‬‬
‫בשקף הבא גם ניתן לראות יצירה של חלבון‪.‬‬
‫נניח שקשרנו הרבה חומצות אמינו; הן נקשרות מהאיזורים הקרבוקסילי והאמיני‪ ,‬שנתנו את המטען‬
‫לחומצת האמינו הבודדת‪ .‬אבל לאחר יצירת הקשר אין מטען‪ .‬לכן מה שנותן את המטען לחלבונים הוא‬
‫המטען של הקרבוקסיל והאמין בקצוותיו וכן המטענים של השיירים‪ ,‬אם יש‪.‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :23‬אמינים – המשך‬
‫‪249‬‬
‫באיור הזה הריבועים מסמלים איזורים שטוחים‪ .‬האיזורים האלה קובעים בהרבה מקרים את המבנה של‬
‫החלבון‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב וברקאי פלום‬