docכימיה אורגנית - שיעורים 23-25
download 
Report Transcription
כימיה אורגנית - שיעורים 23-25
כימיה אורגנית סיכומים 250 שיעור :23סינתזות אורגניות אנחנו עדיין לא כימאים אורגנים; אנחנו לא יכולים להיכנס למעבדה ולהתחיל לעבוד .אבל אנחנו יכולים להבין את העיקרון – וזה רעיון הסינתזה האורגנית ברמה שלנו .כיצד לפי הריאקציות שאנו מכירים ניתן להכין חומר מסויים מחומרי מוצא נתונים. סינתזה אורגנית מה הבעיות שיש לנו בשאלות סינטזה? • בנית שלד פחמני – הארכה של שרשרות או קיצור של שרשרות; ציקליזציה ליצירת טבעות – יצירה של טבעות משרשרות .זוהי בעיה של שליטה במספר הפחמנים בשרשרת והארגון שלהם. • קישור של קבוצות פוקציונאליות – כיצד לכוון קבוצה פונקציונאלית למקום הנכון בו התבקשנו להכניס אותו? איך קובעים איפה יהיה חמצן או הליד? • בקרה על סטריאוכימיה – לא די לבנות תרכובת נכונה ,צריך שהיא תהיה האננטיומר הנכון גם. הארכת שרשרות אלקילציה ואצילציה של אניונים באלקינים טרמינליים ,המימן חומצי כי זו הכלאה של .SPאפשר להוציא את המימן בעזרת בסיס מאוד חזק – .NaNH2היון NH2הוא בסיס מאוד חזק ולכן הוא מצליח לתלוש את המימן מהאלקין הטרמינלי. לאחר הטיפול האלקין מיונן ומקבלים אניון של האלקין – אצטילין. יון האצטילין הוא נוקליאופיל מאוד חזק ,וכשמגיבים אותו עם אלקיל הלידים בריכוז מספיק גבוה מקבלים SN2שמוביל לחיבור בין שתי השרשרות. יצירת ניטרילים זוהי אחת מתוך שתי שיטות להוספה של פחמן יחיד .שיטה זו מבוססת על תגובה של אלקיל-הליד עם יון הציאניד .CN-התוצאה היא הניטריל ,הארוך בפחמן אחד מחומר המוצא .כבר בקבלת הניטריל יש פחמן חדש על שרשרת חומר המוצא .כעת אפשר לעשות הידרוליזה לניטריל ולהפוך אותו לחומצה קרבוקסילית ,או חיזור שנותן אמין. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :23סינתזות אורגניות 251 כתוצאה אנחנו מקבלים גם הארכה של השרשרת וגם כניסה של קבוצה פונקציונאלית -אמין או קרבוקסיל. סינתזת וויליאמסון בסינתזה זו אנחנו יוצרים אתר מאלקיל-הלידים במנגנון .SN2מגיבים אלקיל הליד עם ,RONaמקבלים אתר .אנחנו מקבלים גם כאן גם הארכה של השרשרת וגם כניסה של קבוצה פונקציונאלית – אתר. ריאגנט גריניארד זוהי עוד שיטה להארכת שרשרת עם כל מספר פחמנים שאנו רוצים .ריאגנט גריניארד זה חומר לא יציב, שלא מחזיקים במעבדה; ולכן במבחן כשאנחנו רוצים להגיב עם ריאגנט גריניארד צריך לייצר אותו – לכתוב איך מייצרים אותו! – ולא פשוט להביא אותו לתשובה. שימו לב שלא תמיד חומר המוצא יהיה אלקיל הליד ,ולכן אם רוצים לייצר ריאגנט גריניארד צריך לייצר את האלקיל הליד ורק אז יוצרים את הריאגנט. מה שטוב בריאגנט הוא שהוא נוצר מכל אלקיל הליד – ראשוני או שלישוני ,ארילי או בנזני .הסביבה צריכה להיות יבשה לחלוטין ,אפילו לא עקבות של מים ,והריאגנט נוצר למעשה על ידי כניסה של מגנזיום בין הפחמן להלוגן. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 252 • תגובה של הריאגנט עם מים – האלקיל הליד הופך לאלקאן .תגובה לא מבוקשת לרוב כי אין הרבה מה לעשות עם אלקאן .לפעמים דווקא יש מצבים שמנצלים עובדה זו. • תגובה עם – CO2מאפשרת הוספה של פחמן אחד לשרשרת ,כמו התגובה עם הציאניד .שוב צריך סביבה ללא מים ,הפחמן Rמתחבר לפחמן של CO2והמגנזיום מתחבר לברומיד כמלח .המים בסופו של דבר עושים פרוטונציה ליונים וסוגרים את התגובה. ריאגנט גריניארד לא מגיב עם קבוצות שיש להן מימן פולארי ,כלומר כהלים או חומצות קרבוקסיליות. האמירה שהוא לא מגיב מתייחסת לכך שהוא לא מגיב בתגובה הרצויה .הוא גם לא מגיב ממש עם אלקיל- הלידים .זאת למרות העובדה שיש ריאקציה כזו מדי פעם בספרים ,אבל בספרות הכוללת לא מתייחסים אליה. • תגובה עם תרכובות קרבוניליות – אלדהידים ,קטונים ,אסטרים ואסיד-הלידים. זוהי גם שיטה להארכת שרשרות וגם שיטה לייצור כהלים .בהרבה שיטותשצריך לקבל בהן כהל שניוני נראה שהן הולכות דרך שיטה זו. בתגובה עם אסיד-כלורידים ועם אסטרים ,התגובה מתבצעת עם שתי מולקולות ריאגנט – כי המולקולה הראשונה הופכת את החומר לקטון ,ואז הקטון ממשיך להגיב .במצב זה שתי מולקולות Rנדבקות לכהל שאנחנו מקבלים בסוף. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :23סינתזות אורגניות 253 אלו גם שיטות להארכה של שרשרת וגם לקבלת כהל שלישוני – שהוא קשה לייצור .באיור הבא רואים את הדגמת התהליך עם אסטרים – הרעיון זהה .זיכרו שלא ניתן לבצע את התגובה עם חומצה קרבוקסילית. • יצירה של המי-אצטאל – מחבר שרשרות ונותן קבוצות פונקציונאליות – יש לו גם קבוצה כהלית וגם קבוצה אתרים .לפעמים מכונה המי-קטאל אם במקור היה מקטון. בדוגמה הבאה אנחנו רואים את הסיפוח הנוקליאופילי של CNעל גבי אלדהידים או קטונים .אנחנו יכולים כעת לעשות הידרוליזה ולקבל חומצה קרבונילית או לעשות חיזור ולקבל אמין. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 254 08.06.2010 שיעור :24סינתזות אורגניות – המשך יון האנולאט אם לוקחים יון אנולאט ומגיבים עם אלקיל הליד ,נקבל לרוב .SN2התהליך היותר משמעותי שעובר דרך היון הזה ,עם זאת ,הוא הדחיסה האלדולית .בתהליך זה ,אם לוקחים שני אלדהידים או קטונים הם מגיבים ביניהם בסביבה בסיסית והמולקולות מתחברות ויוצרות אלדול – בטא-בידרוקסי-קטון )בטא כי ההידרוקסיל נמצא על הפחמן השני מהפחמן הקרבונילי( .התהליך הזה ממשיך אפילו יותר בסביבה בסיסית שיש בה OH-בעודף ,האלדול מיובש ויוצאת ממנו מולקולת מים והתוצר הסופי שלנו הוא קרבוניל עם קשר כפול ,כאשר הקשר הכפול הוא בין הפחמן ההידרוקסילי לפחמן הסמוך לו .התהליך הזה מונע מכך שה OH--בתמיסה לוקחים את מימן ,αזוג האלקטרונים שחיברו אותו הופכים לקשר כפול עם פחמן ,βוה OH--עוזב .הכוח המניע של התהליך הוא הקשר המצומד שהוא יציב מאוד. שאלות מנגנונים וסינטזה שאלה ראשונה חומר המקור הוא שתי טבעות משושות מחוברות ,בימנית יש קשר כפול בצלע הימנית ביותר .בתוצר אין את הקשר הכפול ,ועל הפחמן העליון שהיה בקשר יש קרבוניל .אנחנו צריכים להסתכל על התוצר ולחשוב איך יוצרים אותו וכך מגלים את כל הצעדים בסינתזה. בשלב הראשון שמים את המגיב עם מים בחומצה ,והתוצר הוא כהל שניוני כתוצאה מסיפוח מים לאלקן. מרקובניקוב לא תופס כי שני הפחמנים סימטריים. בשלב השני מחמצנים את הכהל השניוני שקיבלנו ,לא חייבים לכתוב מחמצן ספציפי ] ,[Oוכתוצאה מקבלים את התוצר הסופי. בסינתזות לא צריך חיצים! שאלה שנייה חומר המוצא .CH3C=OCH2CH2C=OCH3 :התוצר הוא טבעת מחומשת שבקודקוד הראש יש לה קרבוניל ,מצד ימין יש קשר כפול ,ופחמן βיש גם מתיל. ניתן לזהות שהתהליך היה דחיסה אלדולית שהמשיכה הלאה ליצירת אלדול מצומד .שימו לב שבשאלה זו כן צריך לצייר מנגנון. .1מציירים את כל המולקולה עם המימנים שאנחנו חושבים שמותקפים על ידי התמיסה הבסיסית ,OHשאותה מציירים עם שישה אלקטרונים סביב החמצן .מאחד מזוגות האלקטרונים מוציאיםחץ אל המימן שהולך לצאת – שהוא מימן αקיצוני )כלומר מפחמן 1ולא מפחמן .(3כתוצר של חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :24סינתזות אורגניות – המשך 255 השלב הזה מציירים את המולקולה כאשר מציירים שני אלקטרונים LPעל הפחמן αשממנו יצא המימן ,ומציירים את המטען השלילי. .2מציירים חץ מזוג האלקטרונים LPשל הפחמן αשתוקפים את הפחמן הקרבונילי השני במולקולה )פחמן .(5כתוצאה מכך יש ציקליזציה של מולקולה עם חמישה פחמנים. .3מציירים את התוצר של שלב :2בקודקוד נשים את פחמן 2עם הקרבוניל .שמאלה ממנו יש קבוצה של CH2וממנה יוצאת עוד קבוצה של .CH2קבוצה זו הולכת ימינה ל C-שהוא פחמן 5 שהותקף ,יש לו קשר לחמצן עם מטען שלילי ולמתיל .כמו כן נוצר לו קשר לפחמן 1שתקף אותו. .4כעת החמצן עם המטען השלילי תוקף את המים וחוטף מהם מימן .כתוצאה מתקבל OHעל פחמן .5זו הייתה הדחיסה האלדולית שלנו ,התוצר הוא אלדול. .5מציירים את האלדול עם שני המימנים שעל פחמן .1מציירים על חץ התוצרים את הבסיסOH- , .ממנו מציירים חץ שתוקף את אחד המימנים של פחמן .1אנחנו מקבלים על פחמן 1מימן יחיד ומטען שלילי. .6זוג האלקטרונים ה LP-של הפחמן 1יוצר קשר כפול – מציירים ממנו חץ אל מרכז הקשר סיגמה בין פחמנים 1ו .5-קבוצת ה OH-עוזבת – מציירים חץ מהקשר שלה אל החמצן. .7מציירים את התוצר הסופית יחד עם מים מצד ,כי היה ייבוש .לא חייבים לכתוב את המים. שאלה שלישית המגיב :ציקלופנטאן .התוצר .CH2CHOHCH2CH2CH2CHOHCH3 :אנחנו רואים שגם צריך לפתוח את הטבעת ,גם להוסיף פחמנים ,וגם להוסיף קבוצה פונקציונאלית – כהלים שניוניים מכל קצה .אנחנו מקבלים כהל שניוני על ידי סיפוח מים לאלקנים אבל גם אפשר להשתמש בשיטה אחרת שגם מוסיפה פחמנים וגם מוסיפה כהל שניוני – תגובה בין ריאגנט גריניארד לבין אלדהיד .התגובה גם תאריך את השרשרת וגם תהפוך את האלדהיד לכהל שניוני .לכן אנחנו נפתח את השרשרת ונהפוך אותה לאלדהיד בשני הקצוות ,ואז נגיב עם הריאגנט. אנחנו יודעים איך לשבור אלקנים בעזרת אוזונוליזה – שתהפוך אותו לאלדהידים משני הצדדים ,שזה בדיוק מה שאנחנו צריכים .אבל לנו יש אלקאן; אנחנו צריכים אלקן .ולכן נעשה מונו-הלוגנציה יש ליצור אלקיל-הליד ,שלו נעשה תגובת אלימינציה. .1מגיבים את הציקלופנטאן עם .Br2מציירים על החץ uvלקרינה רדיואקטיבית .מקבלים ציקלופנטאן מותמר בברום. .2מגיבים את הציקלופנטאן עם הברום יחד עם NaOHומציירים על החץ משולש כדי לרמוז שהחימום גורם ליותר אלימינציה .התוצר המתקבל הוא ללא הברום ועם קשר כפול בציקלופנטאן. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 256 .3כעת נשבור את הקשר הכפול בעזרת אוזון .כותבים על החץ .1אוזון; .2חומצה אצטית ) Zn, .(HAcמקבלים חמישה פחמנים ,אבל פחמני הקשר הכפול הופכים להיות קרבונילים ,ומכיוון שהם קיצוניים מקבלים אלדהידים. .4כעת אנחנו רוצים להוסיף לכל אחד מהאלדהידים מתיל ולהפוך את החמצן לכהל .לפיכך אנחנו צריכים ריאגנט גריניארד .צריך להראות איך מכינים אותו ,ולכן שלב זה מוקדש להכנת הריאגנט :לוקחים מתיל-כלוריד ,מוסיפים לו מגנזיום ,כותבים אתר על החץ )חשוב!( ומקבלים .CH3MgCl .5לוקחים שני מול ריאגנט עם המגיב שקיבלנו בשלב .3על החץ כותבים .1אתר; H3O+ .2 )סביבה חומצית( .התוצר הוא התוצר הסופי המבוקש. שאלה רביעית בפרק 14במקבץ של לאון יש קרוב ל 40-שאלות סינתזה עם פתרונות ,אבל לפעמים הוא מקצר שלבים. עדיין זו חזרה מאוד טובה. המגיב :ציקלוהקסן עם קשר כפול מצד ימין .התוצר :טבעת משושה ,פחמן קרבונילי קשור ל O-שמצידו השני קשור לטבעת משושה – כלומר זה אסטר .ללא שימוש במגיבים אחרים! משמעות הדבר שאי אפשר לייבא איזה פנול או משהו כזה ,צריך ליצור אותו. אסטרים הם מולקולה שיש בהם חיבור בין חומצה קרבוקסילית לבין כהל .אנחנו צריכים לראות איזו חומצה ואיזה כהל נתנו את התוצרים .אנחנו צריכים חומצה קרבוקסילית שמחוברת למשושה וכהל שמחובר למשושה .כלומר אנחנו צריכים ליצור את החומרים האלה מחומר המוצא. .1יצירת הכהל :לוקחים את חומר המוצא ומגיבים אותו עם מים בסביבה חומצית .מקבלים כהל שניוני .נקרא לחומר הזה Aבשביל לקצר את הדרך בהמשך. .2יצירת החומצה :כאשר אנחנו צריכים להוסיף פחמן .או שנעשה זאת עם ריאגנט גריניארד ו- CO2או עם ציאניד ולהוסיף לו שקר כלשהו. .aלוקחים את חומר המוצא והופכים אותו לאלקיל הליד על ידי סיפוח של HBrאו .HCl מקבלים אלקיל הליד. .bמגיבים עם .CN-זה תהליך שבטמפרטורה נכונה וממס נכון )פולארי א-פרוטי( יכול להיות בעיקר SN2ולא אלימינציה .כותבים SN2על החץ .התוצר שלנו הוא ניטריל: CNהתחבר לציקלוהקסאן. .cמגיבים את הניטריל בתגובת חימצון )הידרוליזה( .כותבים על החץ מים וסביבה חומצית ) (H2O, H3O+ומקבלים חומצה קרבוקסילית )שימו לב :חיזור של הניטריל ייתן לנו אמין(. .dהתוצר שלנו יסומן בתור .B .3לוקחים את תוצרים Aו B-בקטליזה חומצית ומקבלים את התוצר הסופי המבוקש יחד עם מים. שימו לב שזהו תהליך שיווי משקל ולכן מציירים חיצי שיווי משקל. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :24סינתזות אורגניות – המשך 257 שימו לב :אם היינו מטפלים בחומצה הקרבוקסילית עם SOCl2היינו מקבלים אסיד-הליד ואז אם היינו מגיבים אותו עם הכהל היינו מקבלים תגובה שהיא לא תגובת שיווי משקל ,והתגובה הייתה הולכת עד הסוף. שימו לב :כהלים בפרוטונציה מקבלים פרוטונציה של ה OH-ולכן קבוצה עוזבת טובה .אם עוזבים פרוטונציה לחומצה קרבוקסילית ,יחד עם זאת ,הפרוטונציה מתקבלת על החמצן הקרבונילי ולא על ה,OH- כי התוצר המתקבל הוא הרבה יותר יציב. שאלה חמישית המגיב CH4 :ו .CH3CH2CH=CH2-התוצר) CH3CH2CHOH(OCH3)CH3 :שימו לב :לפחמן השלישי מחוברים מתיל OCH ,ו .(OH-אנחנו מכירים את החומר הזה בתור המיאצטאל .זוהי ריאקציה בין אלדהיד או קטון עם כהל .אנחנו יכולים לזהות את הכהל ואת הקטון או האלדהיד :החיתוך הוא בקבוצה ה OCH3-הוא הכהל והחלק השני הוא הקטון. הכהל שאנחנו צריכים הוא .CH3OHהקטון שאנחנו צריכים הוא .CH3CH2C=OCH3 .1יצירת הכהל: .aמגיבים את המתאן עם כלור .כותבים על החץ – hvפרוטונים ,קרינה .מקבלים .CH3Cl .bמגיבים את התוצר הזה עם OH-בתגובה של ,SN2מקבלים התמרה כלומר מקבלים מתאנול. .2יצירת הקטון: .aמגיבים את הבוטן עם מים לפי מרקובניקוב בסביבה חומצית .מקבלים קטון על הפחמן השלישי משמאל. .bמחמצנים את הכהל – כל מחמצן עושה את זה ולכן אפשר לכתוב ] .[Oמקבלים הפיכה של ה OH-לקרבוניל. .3מגיבים את הכהל והקטון .צריך לזכור מה לכתוב על החץ :יצירה של המיאצטלים היא קטליזה חומצית .שימו לב שגם כאן זה שיווי משקל .הפחמן הקרבונילי הופך ל OH-והכהל נפטר מH- ודבק לפחמן שהיה קרבונילי .קיבלנו את התוצר הסופי. שאלה שישית המגיב :טבעת משושה על פחמן 1בקודקוד הראש יש קטון ,על פחמן 2מימינו יש .C=OOCH3זהו אסטר .אנחנו רוצים שהתוצר שלנו יהיה אותה טבעת אבל במקום אסטר .CH2OH .1מגיבים את חומר המוצר עם דיול כדי להגן על הקטון :החומר OH-CH2CH2-OHמגיב עם חומר המוצר בסביבה חומצית ,מקבלים טבעת מחומשת שמחוברת בקודקוד שלה לקודקוד הטבעת המשושה ,כאשר שני הקודקוד שמעל הקודקוד הראשי הם חמצנים .קבלנו הגנה. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 258 .2עכשיו מגיבים את הטבעת המוגנת עם מחזר – .LiAlH4התגובה מחזרת את האסטר והופכת אותו לכהל ראשוני. .3מגיבים את הכהל הראשוני הזה בסביבה חומצית מימית ,על מנת להוריד את הדיול ולקבל בחזרה את הקבוצה הקרבוקסילית. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :25סינתזות אורגניות – המשך 259 09.06.2010 שיעור :25סינתזות אורגניות – המשך ריאקציות פרידל-קראפטס אלקילציה אלו תהליכים שמאפשרים הדבקה של שייר פחמני לטבעת ארומטית .כאשר מדביקים אלקיל הליד ,זוהי אלקילציה :מוציאים את ההלוגן בתגובה עם ,AlCl3נוצר אלקטרופיל שתוקף את הטבעת ,ואז מקבלים טבעת עם האלקיל. מבחינת המנגנון ,הקטליזטור מוציא את הכלור ונוצר קרבוקטיון; יש התקפה של פחמן הטבעת .תוצר הביניים הוא לא ארומטי כי הפחמן אליו מקשרת הקבוצה האלקילית הוא טטראדרלי ,אבל מיד המימן של אותו פחמן יוצא והארומטיות משוחזרת. למנגנון הזה יש שתי בעיות רציניות :קשה למנוע נוספת ,כי הקבוצה האלקיל שמסופחת הופכת את חומר המוצא ליותר אקטיבית )אלקילים הם אקטיבטורים ,כזכור( .כמו כן ,יכולים להיות שיחלופים באלקיל כי נוצר קרבוקטיון. אצילציה תהליך זה הוא מאוד דומה לקודם אולם במקום לקשור לבנזן קבוצה אלקילית ,קושרים קבוצה אצילית – קבוצה עם פחמן קרבונילי והלוגן עליו .ההלוגן יוצא ,הפחמן חיובי ,הוא מתקיף אבל אז יש סיפוח של קבוצה אצילית. לשיטה זו יש יתרונות :אין פה קרבוקטיון ולכן אין פה שחלופים .כמו כן ,הקרבוניל הוא קבוצה מושכת אלקטרונים ולא הוא דיאקטיבטור של הטבעת – אז אין סיכון לסיפוח נוסף. המנגנון מאוד דומה למנגנון של התהליך הקודם – הכלור יוצא על ידי הקטליזטור ,מקבלים יון חיובי על הפחמן )מקיים רזוננס עם החמצן( ,יש התקפה אלקטרופילית על הטבעת ,מקבלים את התוצר הטטראדרלי ואז המימן עוזב. הבעיות שכן יש למנגנון הזה הוא להיפטר מהקשר הכפול הקרבונילי ,במידה וצריך .אפשר להפוך אותו לכהל ולדברים אחרים ,כמו שלמדנו בקרבונילים .באופן כללי ,אצילציה של פרידל-קראפטס יותר מומלצת מאשר אלקילציה. הכוונות אורתו-מטא-פארה כאשר רוצים להדביק שתי קבוצות על הטבעת צריך לדעת את מי להכניס קודם ואת מי אחר כך על מנת לקבל את התוצר בהכוונה המתאימה. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 260 הכללים הם שקבוצות מושכות אלקטרונים מכווינות למטא כי הם דיאקטיבטורים ,הלוגן הם דיאקטיבטורים אבל מכווינים לאורתו פארה ,וגם אקטיבטורים – מוסרי אלקטרונים – הם מכוויני אורתו ופארה. שאלות שאלה 1 המגיב :טבעת ארומטית מותמרת עם .3-methyl-penteneהתוצר הוא טבעת ארומטית מודבקת לטבעת מחומשת ,שעל הקודקוד הימני-תחתון שלה יש מתיל ואתיל .צריך להסביר מהו המנגנון שבו התהליך מתקבל בסביבה חומצית. .1הטבעת הבנזנית עם המתמיר )נמספר אותו מהפחמן הימני שהוא הראשון עם הקשר הכפול, הקשר הוא טרמינלי( .הקשר הכפול מתקיף את הפרוטון בתמיסה החומצית .התוצר של ההתקפה הוא הטבעת הארומטית כאשר המימן נכנס לפחמן .1על פחמן 3יש את המתיל .על פחמן 2יש מטען חיובי .נצייר גם את המימן שנמצא על הפחמן שמתחת לפחמן המותמר בארומטית. .2כעת יש הידריד-שיפט מפחמן 3לפחמן ,2ומקבלים קרבוקטיון שהמטען החיובי שלו נמצא על פחמן .3בשביל לתאר את ההידריד-שיפט מציירים חץ מהמימן אל פחמן .2 .3מציירים את התוצר של ההידריד-שיפט .כעת הקשר הכפול של הטבעת הארומטית שיורד מהקודקוד המותמר תוקף את הפחמן עם המטען החיובי )פחמן .(3מציירים חץ מהקשר הכפול אל הפחמן. .4מקבלים טבעת שהיא כבר לא ארומטית ,עליה טבעת מחומשת שהפחמן התחתון-ימני שלה מותמר במתיל ואתיל .על הפחמן של הטבעת שיצר את הקשר לטבעת המחומשת יש מימן ,ועל הפחמן שמעליו יש מטען חיובי .כעת המימן משתחרר :מציירים חץ מהקשר של המימן לפחמן אל הקשר סיגמה. .5מתקבל התוצר שלנו :הארומטיות משוחזרת ומתקבל התוצר הסופי .יש לציין על החץ שמביא לתוצר הזה המשך של חץ שיורד למטה שמציין שהמימן יוצא. שאלה 2 המגיב :טבעת ארומטית מותמרת על ידי CH2C=OCH3על פחמן 1ומותמרת על ידי NH-NH2על פחמן .2אנחנו רוצים לקבל טבעת ארומטית שאליה מוצמדת טבעת משושה אשר ,אם המספור של הולך עם פחמנים 1ו 2-מהטבעת הקודמת ,בעמדה 3יש לה חנקן עם מימן ,בעמדה 4יש לה חנקן בקשר כפול לפחמן שבעמדה ,5הפחמן הזה מותמר במתיל ושולח שרוע למימן 6של הטבעת הזו. התגובה הזו היא תגובה של אלדהידים וקטונים עם אמינים ,היוצרים אימין .לתקופה הזו אין צורך בקטליזה ,האמין הוא נוקליאופיל מספיק טוב .למנגנון יש תלות ב ,pH-כי כדי שהאמוניה או האמין יהיה נוקליאופיל טוב הסביבה צריכה להיות חומצית ממש מעט כדי שהאמוניה/אמין לא יגיב עם החומצה חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :25סינתזות אורגניות – המשך 261 כבסיס ,אבל בשלב מאוחר יותר צריך פרוטונציה ולכן צריך פרוטונים .משום כך התגובה עובדת הכי טוב ב pH-חומצי-בינוני ,בערך .4-5 בתהליך ,זוג האלקטרונים LPשל החנקן תוקף את הפחמן הקרבונילי ,האלקטרונים מקשר פאי לחמצן עוברים לחמצן .בשלב הבא יש ,proton transferמימן מסופח לחמצן שיש לו מטען שלילי ומימן עוזב את החנקן שיש לו מטען חיובי .אולם לאחר מכן יש עוד ,proton transferיש עוד פרוטונציה של הכהל ליצירת מים שהם קבוצה עוזבת טובה ,המים עוזבים ומוצר קשר כפול בין הפחמן ה"קרבונילי" לחנקן, המימן השני של החנקן יוצא ומתקבל אמין. זה המנגנון שאיתו נפתור את השאלה כי ניתן לראות שיש כאן קשר כפול בין חנקן לבין הפחמן שהיה פחמן קרבונילי במתמיר של פחמן 1מהטבעת )פחמן 2של המתמיר שהוא פחמן 5בטבעת המשושה השנייה של התוצר( .בתיאור התשובה נשתמש במספרים 1-6כמו שתיארנו אותם בתיאור התוצר. .1מחנקן ,4מזוג האלקטרונים LPשלו ,יוצא חץ שתוקף את פחמן 5הקרבונילי .כתוצאה יש קשר בין השניים .הקשר הקרבונילי נשבר ,מציירים חץ מקשר פאי אל החמצן ,ובתוצר של השלב הזה יש מטען שלילי על החמצן ומטען חיובי על חנקן .4 .2זוג אלקטרונים LPמהחמצן תוקף פרוטון מהתמיסה )מציירים חץ( .כמו כן אחד המימנים של החנקן 4יוצא )מציירים חץ מהקשר אל המימן לכיוון חנקן .(4התוצר הוא עם כהל במקום חמצן ,NH ,וללא מטענים. .3זוג אלקטרונים LPמהחמצן תוקף שוב פרוטון מהתמיסה )מציירים חץ( .כעת מציירים את התוצר :מקבלים את שתי הטבעות ,הבנזנית והמשושה ,כאשר על פחמן 5יש קבוצה עוזבת שהיא מים .לחנקן 4מציירים זוג אלקטרונים .LPעל החמצן שלנו יש מטען חיובי. .4מציירים חץ מהקשר של החמצן לפחמן 5והחוצה – המים עוזבים .מציירים חץ מזוג האלקטרונים LPשל החנקן 4לכיוון קשר סיגמה של חנקן 4ופחמן .5 .5בחץ שמוביל לתוצר יש חץ יורד של הוצאת מים .התוצר המתקבל הוא שתי טבעות ,האחת בנזנית והשנייה עם קשר כפול בין חנקן 4ופחמן .5פחמן 5מותמר במתיל .על חנקן 4יש מטען חיובי ,כי יש עליו עדיין מימן .מציירים חץ בין הקשר למימן אל החנקן. .6מתקבל התוצר הסופי .מציירים בחץ התוצר חץ יורד שמוציא פרוטון. שאלה 3 המגיב :טבעת מרובעת ,על פחמן 1יש שתי התמרות :אחת של מתיל והשנייה של אתנול שמחובר לטבעת מהפחמן שקשור להידרוקסיל .בסביבה חומצית של HClמתקבל התוצר :טבעת מחומשת שבקודקוד העליון שלה יש שני מתמירים ,מתיל וכלור ,ועל פחמן 2בטבעת המחומשת יש מתיל. אם כלור נכנס לפחמן כלשהו ,סימן שהפחמן הזה היה חיובי .אנחנו מבינים שהייתה פרוטונציה של הOH- של הכהל ,הוא יצא וקיבלנו קרבוקטיון. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 262 .1כותבים את המגיב .יוצא חץ מזוג אלקטרונים LPשל החמצן ותוקף את ה H-של ה.HCl- הקשר בין המימן לכלור עובר לכלור )מציירים חץ( .בתוצר ,מקבלים מים על הפחמן 2של המתמיר. .2מציירים חץ מהקשר של הפחמן והמים שהולך לחמצן ,עם המטען החיובי .מציירים חץ תוצר שמוציא גם מים .מקבלים קרבוקטיון :טבעת מרובעת שקשור בפחמן 1למתיל ולאתיל ,שיש מטען חיובי על הפחמן של האתיל שקשור לטבעת. .3כעת מתבצע אלקיל שיפט )כותבים על החץ לתוצר( :הקשר בין פחמן 1לפחמן שמתחתיו )פחמן (3בטבעת נשבר ,מציירים חץ מקשר הסיגמה הזה אל פחמן .2על פחמן 2יש מתיל ועל פחמן 1 יש מתיל .יש מטען חיובי על פחמן 1שאיבד את הקשר עם פחמן .3 .4כלור מינוס מהתמיסה ,מוקף אלקטרונים ,מתקיף את הפחמן החיובי )חץ מזוג אלקטרונים LP לפחמן 1החיובי( ומסופח. .5מקבלים את התוצר הסופי. שאלה 4 המגיב :טבעת בנזנית שמחוברת לפחמן ,מצד ימין שלו יש קשר כפול ל CH2-ומצד שמאל יש קשר ל- .CH3בתגובה עם H3SO4וחימום ומקבלים טבעת בנזן שצמודה לטבעת מחומשת .בפחמן העליון של הטבעת המחומשת יש שתי התמרות של מתילים .אם נגיד שזה פחמן 1וסופיים עם כיוון השעון ,יש בפחמן 3עוד שתי התמרות :אחת של מתיל ואחת של בנזן. אם היינו סופרים פחמנים ,היינו מקבלים פי שניים פחמנים בתוצר מאשר במגיב .כלומר שתי מולקולות נדבקו אחת לשנייה .הקטליזה החומצית עובדת על האלקן ,ולא על הבנזן .שימו לב שאם יש לנו פחמן חיובי כלשהו בתמיסה ,ויש טבעת שמותמרת באלקן ,הסבירות הגבוהה היא שהוא יתקוף את האלקן ולא את הטבעת .אבל ,אם כבר יש פחמן חיובי על הטבעת עצמה ,סביר יותר שהוא יעשה אלקילציה עם עצמו ולא עם חומר אחר ,בהנחה שזה מספיק גמיש .נראה את זה בכתיבה. .1רושמים את חומר המוצר +פרוטון .יש התקפה מהקשר הכפול אל הפרוטון .התוצר הוא טבעת בנזן מותמרת עם פרופאן שמחובר מפחמן 2לטבעת ,שעליו גם יש מטען חיובי .זהו אלקטרופיל. .2רושמים יחד עם התוצר מהשלב הקודם ,הקרבוקטיון ,שוב את חומר המוצר .הקשר הכפול של חומר המוצא מתקיף את הפחמן החיובי .כעת יש חיבור בין המולקולות ,ולכן קיבלנו את התשתית לתוצר הסופי אליו אנחנו שואפים להגיע. .3מקבלים טבעת בנזן; נצייר על הפחמן הימני-עליון שלה את המתמיר הפרופאני ,נצייר פחמן שעליו יש שני מתילים .הפחמן הזה מתחבר לפחמן 1של המולקולה שתקפה אותו )לפי מרקובניקוב( ,כלומר ל .CH2-הפחמן של CH2מחובר לפחמן שמחובר בתורו גם למתיל וגם לבנזן .המטען החיובי נמצא על הפחמן הזה. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :25סינתזות אורגניות – המשך 263 .4עכשיו קורה פרידל קראפטס פנים מולקולארי :הקשר הכפול מתקיף את הפחמן החיובי .מקבלים תוצר ללא הטבעת הארומטית שהתקיפה ,יש מימן על הפחמן סגר את הטבעת ויש מטען חיובי על הפחמן שמחזיק את הטבעת מלמעלה )שהיה מחובר למתמיר(. .5עכשיו מציירים חץ מהמימן לקשר סיגמה בין הפחמן על מנת לשחזר את הארומטיות. שימו לב שלא תהיה עוד התקפה של קשר כפול ממולקולה נוספת על הפחמן בשלב ,3כי אמרנו שאם יש מספיק גמישות התגובה התוך-מולקולארית יותר מהירה. שאלה 5 המגיב :טבעת ארומטית .התוצר :טבעת ארומטית מותמרת באיזו-בוטאן ובחומצה קרבוקסילית עם שני פחמנים ,כאשר הפחמן שקשור ל COOH-הוא שקשור לטבעת .ההכוונה היא פארא. האפקט של COOHמושך אלקטרונים ולכן הוא יכול לגרום למטא; לכן עדיף לנו להכניס קודם את האלקיל ורק אז נכניס את המתמיר החומצי. .1לוקחים את הטבעת שהיא חומר המוצא ,אבל אם עושים אלקילציית פרידל קראפטס יהיה לנו הידריד-שיפט ונקבל חומר אחר .לכן משתמשים באצילציה :האציל-הליד שלנו יהיה ,CH3CH(CH3)CO-Clעל מנת שהחיבור יהיה מהפחמן המתאים .מגיבים עם .AlCl3מקבלים טבעת מותמרת ב.C=OCH(CH3)CH3- .2קטונים רגילים לא קל להפוך לאלקאן; אבל קטון ארומטי אפשר לעשות להם חיזור כמו לאלקנים ,עם H2על פלאדיום .לפיכך מגיבים עם H2ו .Pd-התוצר הוא טבעת ארומטית מותמרת על ידי איזו-בוטאן. .3אפשר לקבל חומצה קרבוקסילית מכהל ראשוני; אז ננסה ליצור כהל ראשוני עם מספר הפחמנים הנכון .אפשר לעשות את זה על ידי סיפוח מים אנטי-מרקובניקוב או על ידי חיזור של אלדהיד. מגיבים את התוצר משלב 2עם .CH2C=OClזוהי אצילציית פרידל-קראפטס ,יוצאים אורתו ופארא )את אורתו לא כותבים( .את התגובה הזו עושים בסביבה של .AlCl4 .4את התוצר הפארא ,שמחובר מהקרבוניל שיש לו קשר כפול לחמצן ומתיל ,מחזרים עם .LiAlH4 מקבלים כהל במקום החמצן הקרבונילי .מגיבים את זה עם SOCL2על מנת להחליף את OHב- .Cl .5לוקחים את האלקיל-הליד שנוצר לנו ומגיבים אותו עם מגנזיום בסביבה של אתר .מקבלים ריאגנט גריניארד עם מגנזיום בין הפחמן לכלור. .6מגיבים את הריאגנט עם .CO2ה CO2-מגיב עם הפחמן שעליו יש את המגנזיום ומספח עליו קבוצה קרבוקסילית .כך קיבלנו את התוצר שרצינו. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום
