אלקיל הלידים שיעור 143 15 : 28.04.2010 בגלל הקשר זו בכימיה אורגנית
שיעור :15אלקיל הלידים 143 28.04.2010 שיעור :15אלקיל הלידים התחלנו במשפחות ההאלקיל הלידים .אולם מדוע מתעסקים במשפחה זו בכימיה אורגנית? בגלל הקשר המיוצר להליד ,הקבוצה הזו מאפשרת לקבל חומרי מוצא לקבלת כמעט כל המשפחות האחרות. מבנה האלקיל-הלידים הקשר בין הפחמן וההלוגן נעשה ארוך יותר וחלש יותר ככל שההלוגן נמוך יותר בשורות הטבלה המחזורית .כמו כן ,הקשר הזה הוא די מקוטב בו הפחמן הוא דלתא-פלוס וההלוגן הוא הדלתא-מינוס ,כי להלוגן אלקטרושליליות יותר גבוהה מפחמן .זה עוזר לנו להבין את התגובות הבאות שנלמד בנוגע לאלקיל הלידים. מבחינת נומנקלטורה יש לזכור כי כאשר מתחילים למספר אלקיל-הלידים ,לא חייבים להתחיל את השרשרת בצד של האלקיל הליד ,כי זו אינה קבוצה פונקציונאלית בעלת חשיבות כמו זו של קשר כפול או כהל .יחד עם זאת ,עדיין שומרים על החוק שבו סך המקדמים של המתמירים ,כולל ההלוגנים ,צריך להיות מינימלי ולפי סדר א"ב אם הוא סימטרי. קבלת אלקיל-הלידים אלקיל-הלידים הם לא מסיסים במים ,לרוב הם שוקעים .האופי ההידרופובי של הקבוצה הפחמנית גובר על האופי ההידרופילי של הקבוצה ההלוגנית וכן גודלם של ההלוגנים מונע ליצור קשרי מימן חזקים. נקודות הרתיחה יותר גבוהות ,יחד עם זאת ,כי הם עדיין כבדים יותר מאשר אלקאן מקביל שיש עליו מימן. ייצור של אלקיל-הלידים יכול להיעשות על ידי סיפוח של אלקנים – או על ידי X2או על ידי .HXכמו כן אנחנו יכולים להתמיר הלוגנים על אלקאנים בעזרת תגובה עם אור ,אולם זו ריאקציה בעייתית כי היא לא ספציפית – התוצרים יהיו מגוונים, אלקיל-הלידים בכל מיני רמות .אם יש אפשרות להשתמש באלקן ,זה עדיף. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב כימיה אורגנית סיכומים 144 תגובות של אלקיל הלידים אלקיל הלידים יכולים לעבור שני סוגי תהליכים :התמרה ואלימינציה .התשובה לשאלה האם האלקיל- הליד יעבור התמרה או אלימינציה תלויה באופי האלקיל הליד ,ההלוגן ,המגיב שאיתו ,והסביבה שלהם. מכיוון שהקשר בין האלקיל להלוגן הוא מקוטב ,נוקליאופילים – חומרים עם מטען שלילי או זוג אלקטרונים – LPיכול ליצור קשר עם הפחמן .כאשר הנוקליאופיל נקשר לפחמן ,יש יותר מדי קשרים ולכן ההלוגן יוצא החוצה כי הקשר שלו לאלקיל לרוב בעל אפיניות חלשה יותר .זוהי תגובה התמרה ).(Substitution במקרה אחר ,יכול לקרות מצב שבו הנוקליאופיל ,שנוסף על היותו נוקליאופיל הוא לרוב גם בסיס חזק, תולש מימן מהאלקיל .כתוצאה מתלישת המימן ,ישנה "העדפה" לפליטה גם של ההלוגן על מנת ליצור קשר כפול בין הפחמנים .תהליך זה הוא תהליך אלימינציה )(Elimination החומר יכול לנהוג כנוקליאופיל שיתקוף פחמן או בסיס שיתקוף מימן. האם יש חוקים בנוגע להתנהגות של החומרים? האם ניתן לדעת אם נקבל התמרה או אלימינציה ,בהינתן תנאי סביבה ומגיבים מסויימים? במקרים רבים נקבל את תוצרי שתי התגובות; אבל ,השיעורים הבאים יעסקו בשאלת הזיהוי בין התנאים המשוייכים לתוצרים. מנגנוני התמרה ישנן שתי תגובות ששתיהן תגובות התמרה ,אולם אנו מבדילים ביניהן במנגנונים גם אם התוצרים עשויים להיות דומים: • – SN1התמרה נוקליאופילית חד-מולקולארית. • – SN2התמרה נוקליאופילית בי-מולקולארית. בטיפוס הראשון אנחנו יודעים שיש תוצר ביניים .בריאקציה יש קרבוקטיון כתוצר ביניים ,ולכן אנו מבינים שהתהליך עובד במנגנון של שני שלבים :יצירת קרבוקטיון והמשך לתוצר הסופי .בטיפוס ההתמרה השני אין תוצר ביניים ,ולכן המנגנון הוא בצעד אחד :המגיב תוקף ,נוצר מצב מעבר ,ואנחנו מקבלים תוצר סופי. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :15אלקיל הלידים 145 התמרה מטיפוס SN2 הריאקציות האלה הן מסדר שני ,ולכן המהירות שווה לקבוע קינטי כפול ריכוז הנוקליאופיל התוקף וכפול ריכוז האלקיל הליד .ריכוז נמוך מדי של נוקליאופיל יאט את הריאקציה – אם יש מעט מאוד נוקליאופיל יכול להיות שהריאקציה כלל לא תקרה; כנ"ל לגבי ריכוז האלקיל הליד .לכן התגובה היא בי- מולקולארית :שני המגיבים חשובים למפגש ביניהם כדי שתהליך יתרחש. תהליך תגובת SN2 התהליך ,כך אנו טוענים ,מתרחש במכה אחת :הנוקליאופיל ) OHבדוגמה( תוקף את הפחמן ,ובו זמנית הקשר עם הברומיד יוצא .אם נסתכל עכשיו מה קרה לטטראדר ,אנחנו רואים שהוא התהפך :המנגנון גורם להיפוך קונפיגורציה בטטראדר. כתוצאה מעובדה זו ,אם לאלקיל הליד הראשוני הייתה פעילות אופטית ולמשל היה אננטיומר ,Rאחרי התגובה SN2תתהפך הקונפיגורציה :ריאקציה מטיפוס SN2יוצרת תוצר הפוך מבחינת הקונפיגורציה למגיב .הסיבה שההלוגן תוקף מהצד השני היא שהצד של ההלוגן תפוס ,ולכן הנוקליאופיל נכנס מהצד ההפוך להלוגן. מצב המעבר בSN2- הנוקליאופיל תוקף את הפחמן – אנחנו מקבלים מצב מעבר בו הנוקליאופיל לא יצר לחלוטין את הקשר וההלוגן עדיין לא עזב. ניתן לראות ששלושת הקבוצות הנוספות של הטטראדר מיישרות את הזווית ביניהן כך שהן יושבות על אותו המישור – אנחנו רואים מעבר זמני של הקשרים מSP3- ל .SP2-מהר מאוד ההלוגן עוזב ,הקשר לנוקליאופיל מתקבע ,וההיברידיזציה של שלוש הקבוצות האחרות חוזרת ל SP3-אבל הפעם פונים לצד השני. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב כימיה אורגנית סיכומים 146 דומיננטיות של תוצרי SN2 כשאנו שמים אלקיל הליד עם נוקליאופיל בתמיסה ,מהו השיקול העיקרי בנוגע לקבלת תגובה? התשובה היא שיקולים קינטיים :המסלול הכי מהיר הוא זה שייתן את התוצר העיקרי .אם כן ,מתי התוצרים של SN2יהיו העיקריים? • מבנה האלקיל הליד – ראשוני ,שניוני או שלישוני. • התגובתיות של הנוקליאופיל – קצב התגובה שלו • ריכוז הנוקליאופיל • הממס – האם הממס הוא מים או כהל? ממס פולארי פרוטי או א-פרוטי ,או אולי ממס לא פולארי? • זהות הקבוצה העוזבת – האם ההלוגן הוא ברום או כלור? גורמים אלו משפיעים על קצב הריאקציה של המנגנון; אם נדע לשלוט בהם נדע מתי המנגנון יהיה הדומיננטי ומתי הוא לא יתרחש בכלל ואולי מנגנון אחר יתרחש. השפעת מבנה האלקיל-הליד הריאקציה מטיפוס SN2רגישה מאוד להפרעות מרחביות – שהרי הנוקליאופיל צריך לקשר פחמן שיש לו שלוש קבוצות נוסף על ההליד; אם הקבוצות האלה יהיו מאוד נפחיות ,הן יפריעו לדרך הגישה של הנוקליאופיל .משום כך: • מתיל-הלידים מגיבים מהר מאוד • אחריהם מגיבים מהר האלקיל-הלידים הראשוניים • התגובה של אלקיל הליד שניוני תקרה לרוב רק בריכוז גבוה מאוד של האלקיל הליד • אלקיל הליד שלישוני לא יעבור .SN2 • גם פחמנים ויניליים לא יגיבו. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :15אלקיל הלידים 147 האיור מציג את סדר הריאקטיביות של אלקיל-הלידים שונים .המספרים הירוקים מציגים את יחסי המהירות של התגובה בכל צורה של אלקיל הליד ,ביחס לניאופנטיל .ניאופנטיל הוא אלקיל-הליד ראשוני; למה הוא מגיב כה לאט? הסיבה היא שלמרות שזה אלקיל-הליד ראשוני יש לו קבוצה אחת שהיא כה נפחית שהיא מסתירה את הפחמן לחלוטין ,ולכן הסבירות שזה יתרחש היא נמוכה יחסית לאחרים. בתרשימי אנרגיית האקטיבציה ,אנחנו יכולים לראות שהפרעות מרחביות מהוות הפרעות של דחייה; יש דחייה בין קבוצות שונות – בין נוקליאופיל לקבוצות המתמירות .ככל שיש פחות הפרעות של דחייה אנרגיית האקטיבציה נמוכה יותר ולכן התגובה מהירה יותר. השפעת הממס קיימים ממסים שונים בכימיה האורגנית; הטבלה מחולקת בקו אדום לממסים פולאריים וממסים לא- פולאריים ,הידרופוביים .המקדם הטוב לשאלה הזו הוא המקדם הדיאלקטרי )עמודה שנייה מימין( :ככל שהמקדם גבוה יותר ,לרוב הממס נחשב יותר פולארי. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 148 בקבוצת הממסים הפולאריים יש חלוקה פנימית לממסים פרוטיים וממסים א-פרוטיים .התכונה של פרוטיות מתייחס לפרוטון ,כלומר .H+ממסים כמו מים או כהל חיובי הם ממסים פרוטיים ,שהחלק הפולארי שלהם קשור במימן. ממסים כאלה לרוב יודעים ליצור קשרי מימן עם המומסים שלהם. הם יכולים למשל להמס קטיונים ואניונים על ידי הסתדרות לפי הקוטביות של המולקולות ,התקרבות של המימנים סביב האניון ויצירת מעטפת הדוקה של מימנים. הממסים הא-פרוטיים אומנם פולאריים ,אבל אין להם פרוטון; ולכן הם יכולים להתקרב לאניונים אבל לא באותה מידת אינטימיות. מבחינת ההשפעה על הריאקציה ,הריאקציה שלנו דורשת אלקיל הליד ונוקליאופיל .הנוקליאופיל הוא לרוב אניון .כאשר יש אניון אנחנו זקוקים לממס שיכול להמס את האניון .משום כך ,התמרות של SN2 יכולות להתבצע רק בממס פולארי. מבין הממסים הפולאריים ,מה עדיף? ממס פרוטי או א-פרוטי? הנוקליאופיל הוא האניון והוא צריך לתקוף נוקליאופיל; על מנת להגביר את יעילות התגובה אנחנו שואפים שהנוקליאופיל יהיה כמה שיותר ריאקטיבי ומהיר. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :15אלקיל הלידים 149 בגרדיינט הבא אנו רואים את הריאקטיביות של התגובה כפי שהיא מושפעת על ידי ממסים שונים .ניתן לראות שבממסים פולאריים א-פרוטיים התהליכים האלה הרבה יותר מהירים; אין זה בא להגיד שהתגובה לא מתרחשת בממסים פרוטיים ,אבל זה פשוט הרבה יותר מהיר בממס א-פרוטי. ההסבר לכך הוא העובדה שהנוקליאופיל השלילי מגיב עם הממס כאשר הוא נמצא בממס פרוטי; הנוקליאופיל מוקף במימן והוא יציב למדי בתוך הממס .במצב כזה של ייצוב הוא לא נוטה כל כך לצאת ממערכת ההגנה שלו ולתקוף את האלקיל-הליד. בממס א-פרוטי לעומת זאת ,העטיפה פחות הדוקה ולכן מצב היציבות של הנוקליאופיל נמוך יותר והוא יהיה נכון להגיב .ככל שהמגיבים יותר יציבים התגובה תהיה איטית יותר. אופי הנוקליאופיל כיצד נוכל להבחין בין נוקליאופיל חזק לנוקליאופיל חלש? כאשר אנו מתבקשים לדעת מהו בסיס יותר טוב ,אנו משתמשים בנתון ,Kbשהוא פרמטר תרמודינמי; לעומת זאת נוקליאופיל טוב יותר נמדד על פי פרמטרים קינטיים ,ולא תמיד יש קורלציה בין השניים ,ואין לנו טבלאות חישוביות לנושא. הגרדיינט הבא מראה ריאקטיביות של נוקליאופילים ,כאשר התגובות נעשות בממס פולארי. אם נשווה בין מים כנוקליאופיל לעומת ,OH-אנחנו מיד רואים שיון שלילי של אותו אטום מרכזי הוא נוקליאופיל הרבה יותר טוב מהמולקולה הנייטרלית .אם נשווה בין NH3והיון ,NH2-שוב היון היה טוב יותר. אם הנוקליאופילים בעלי גודל שונה אבל אותה משפחה ,ככל שיורדים בשורות של הטבלה המחזורית הנוקליאופיל טוב יותר. מבין החומצות ההלוגניות HI ,היא החומצה הכי חזקה ו HF-הכי חלשה ,כי ככל שהאטום המרכזי גדול יותר אורך הקשר קצר יותר והמימן משתחרר בקלות רבה יותר .ככל שהחומצה חלשה יותר ,הבסיס חזק יותר .ואם החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום 150 כימיה אורגנית סיכומים משווים חומרים מאותו הטור ,ככל שהבסיס חלש יותר הוא נוקליאופיל טוב יותר. יחד עם זאת בסביבה לא-פרוטית הטיעון הזה הפוך :בממסים לא פרוטיים דווקא Cl-יהיה יציב יותר מ ,I--כי כבר אין היצמדות כה חזקה של מולקולות הממס לאניון. הקבוצה העוזבת אם הקשר בין הפחמן לקבוצה שאמורה לנטוש הוא חזק ,לא ייקרה כלום .לכן יש חשיבות לקלות בה ניתן להוציא החוצה את הקבוצה העוזבת – עד כמה הקבוצה העוזבת היא קבוצה עוזבת טובה. שימו לב :לא מתייחסים למימנים כקבוצה עוזבת שמעיפים. אם נסתכל על הגרדיינט נראה ששלושת הקבוצות משמאל הן קבוצות עוזבות מאוד גרועות; כהל, אמידים ואלקילים הם קבוצות עוזבות גרועות .אטומים אלו הם קטנים ולכן יוצרים קשר קוולנטי קצר וחזק עם הפחמן .לכן לא ניתן לעשות התמרה פשוטה עם כהלים .לעומת זאת ,באלקיל הלידים שבהם אנו מעוניינים לעשות התמרה ,יש הלוגנים. מבין ההלוגנים ,פלואור הוא הקטן ביותר והוא גם תפוס חזק יחסית; אבל מהשורה השלישית בטבלה המחזורית האטומים גדולים יותר .הקשר ארוך יותר ,ולכן ההלוגן מהווה קבוצה עוזבת טובה יותר .ככל שהקבוצה העוזבת היא בסיס חלש יותר אזי היא קבוצה עוזבת טובה יותר .ההסבר לכך הוא שהקבוצה העוזבת מהווה יון יציב בפני עצמו ,ולכן תיטה יותר לעזוב את המולקולה ולעמוד בפני עצמה כאניון יציב. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :15אלקיל הלידים 151 • הגרף העליון משמאל מראה את השפעת סוג האלקיל הליד – מסועף יותר )ירוק( או פחות )ורוד(. • הגרף העליון מימין מראה את איכות הנוקליאופיל – עם נוקליאופיל חזק יש נקודת מוצא גבוהה יותר מאשר נוקליאופיל חלש .שימו לב שבגרף הקודם אנרגיית האקטיבציה השתנתה אבל לא אנרגיית האיניציאציה; כאן השיא או אותו שיא אבל לנוקליאופיל חלש יש יציבות שניתנת על ידי הממס ולכן רמת האנרגיה שלו נמוכה יותר ולכן ההפרש עד השיא נטו הוא גדול יותר הבעיה נובעת מיציבות הנוקליאופיל ולא מאופי מצב המעבר. • שמאל למטה – קבוצה עוזבת טובה מול גרועה. • ימין למטה -ממס פרוטי לעומת א-פרוטי. סיכום אנחנו יכולים לבדוק שהתוצרים של התגובה היו אכן SN2על ידי בדיקת היפוך קונפיגורציה אם למגיב הייתה פעילות אופטית וגם לבדוק יותר לעומק את התוצרים. תגובה SN1 ריאקציה זו מתרחשת בשני צעדים :יש מצב מעבר ראשון ,תוצר ביניים ,מצב מעבר שני ותוצר סופי. תוצר הביניים המתקבל הוא לרוב קרבוקטיון .מכיוון שיש שני צעדים ,עלינו להחליט מי משניהם קובע את המהירות ,וכך להחליט מה סדר הריאקציה הקינטי. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 152 עדויות ניסויות לתגובה • קינטית ,מצאו שקצב הריאקציה הוא מסדר ראשון לפי ריכוז האלקיל-הליד .התגובה אינה מושפעת מריכוז הנוקליאופיל .כלומר ששינוי הריכוז של הנוקליאופיל לא משנה את קצב התגובה – זה כבר מעיד על מנגנון שונה. • כמו כן ,קצב הריאקציה דווקא נעשה מהיר יותר ככל שהאלקיל-הליד מסועף יותר – כלומר הפוך מ ,SN2-השלישוני דווקא יהיה המהיר ביותר. • שלישית ,אם נתחיל מאלקיל הליד אננטיומר ,התוצרים יהיו תערובות רצמיות – לא נקבל תוצר עם פעילות אופטית מסויימת .זהו עוד דבר שונה לחלוטין לעומת .SN2 לאור כל זאת יש להציע מנגנון. המנגנון של SN1 בשלב ראשון של התגובה מתרחשת דיסוציאציה .8עקב הדיסוציאציה אנחנו מקבלים קרבוקטיון שיש בו הכלאה של SP3עם מבנה שטוח של שלושת המתמירים האחרים ושני אורביטלי Pריקים משני צידי המישור .אם הצעד הזה ,שבו יש דיסוציאציה של האלקיל הליד ,היא השלב האיטי ,הרי ששינוי ריכוז הנוקליאופיל לא יכול לשנות את קצב הריאקציה – רק ריכוז האלקיל הליד משנה. כעת לאחר שנוצר הקרבוקטיון ,יכולים הנוקליאופילים להתחבר אליו. מכיוון שהאלקיל-הליד שטוח הם יכולים להיכנס מצד כזה או אחר ,ולכן התערובת המתקבלת היא רצמית ולא ספציפית. אלקיל הליד ונוקליאופיל נמצאים יחד בתמיסה ,אבל בשלב הראשון האלקיל-הליד בכלל לא פעיל. מולקולת אלקיל-הליד מתפרקת לקרבוקטיון ,וזהו צעד שדורש אנרגיה רבה .בצעד הבא הקרבוקטיון מגיב עם נוקליאופיל ומספח אותו ,זהו שלב עם אנרגיית אקטיבציה נמוכה מאוד ולכן הוא מהיר מאוד ,ואז מתקבל התוצר הסופי. • ריכוז אלקיל הלידים הוא המשפיע על התגובה – השלב האיטי הוא השלב בו האלקיל-הליד הופך לקרבוקטיון בתליך דיסוציאציה. 8הקשר בין פחמן להלוגן באלקיל-הליד הוא לא מאוד יוני ,אבל במים לפעמים קורה ,בלי שום התקרבות של נוקליאופיל, שהאלקיל הליד מתפרק ליונים – כלור מינוס וקרבוקטיון. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :15אלקיל הלידים 153 • אלקיל-הלידים מסועפים מגיבים טוב יותר מאלקיל-הלידים לא מסועפים – מכיוון שהתגובה עוברת דרך קרבוקטיון ,ומכיוון שקרבוקטיון מסועף הוא יציב יותר ,התגובה תהיה מהירה יותר. • התערובת המתקבלת היא רצמית – מכיוון שהנוקליאופילים יכולים לתקוף משני הכיוונים התערובת אינה סטריאוספציפית. במקרה של פעילות אופטית ,האם באמת מקבלים תערובת רצמית ממש? במרבית הניסויים קורה שהיחס בין התוצרים אינו בדיוק .50:50אם נסתכל על מנגנון הריאקציה ,האלקיל הליד מתפרק ליונים ,נוצר קרבוקטיון החשוף משני הצדדים שלו .אולם גם אחרי שההלוגן התנתק ,הוא לא ממש בורח מהקרבוקטיון ונמצא עדיין בסביבה של הקרבוקטיון. מסיבה זו ,הנוקליאופיל יטה ,לפי הנחה זו ,להיכנס מהצד ההפוך לזה שבו היה ההלוגן ,מכיוון שעל מנת להיכנס מהצד של ההלוגן הוא צריך שההלוגן יפנה את מקומו לחלוטין. ברוב המקרים מקבלים תערובת ביחסים כלשהם ,תערובת רצמית מתארת מקרה פרטי מיוחד. מאפיינים של תגובת SN1 האלקיל הליד ככל שהאלקיל-הליד ייצר בתוצר-הביניים קרבוקטיון יותר יציב ,הסיכוי של SN1לצאת לפועל יהיה יותר מהיר .בגרדיינט הבא אנו רואים אילו קרבוקטיונים הם יציבים יותר ,ובהתאם לכך אנחנו יכולים להניח איזה אלקיל-הליד יותר יציב .שימו לב שאלקיל-הלידים ראשוניים ,אליליים או מתיליים אינם עוברים ) SN1אבל עוברים מצוין ;(SN2זאת בעוד שאלקיל-הלידים שלישוניים או שיש להם מתמירים פניליים עוברים מצוין SN1ולא עוברים .SN2 שימו לב :נוקליאופיל חזק עם אלקיל-הליד שניוני ייתן לרוב ;SN2בנוכחות נוקליאופיל חלש נקבל תוצרי .SN1באותה המידה גם קרבו-קטיון בנזילי הוא בעייתי ,מאותה הסיבה. הממס החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 154 התהליך הזה מעדיף ממס פולארי-פרוטי .הסיבה לכך היא שכאן אין חשיבות לתגובתיות של הנוקליאופיל, ולכן אנחנו לא מתחשבים בשאלה האם הוא עטוף בהידוק או לא; ודווקא ממסים פולאריים פרוטיים יהפכו את האלקיל-הליד לקרבוקטיון ביתר קלות ,כי הם נוטים למוסס יונים בצורה חזקה יותר. שימו לב שכבר אין חשיבות לנוקליאופיל חזק או חלש ולכן הממס יכול להוות נוקליאופיל בלי הוספה של חומרים אחרים. משמאל :גרף אנרגיית האקטיבציה של תגובת SN1בממסים שונים .ניתן לראות שבממס פולארי אנרגיות האקטיבציה משמעותית נמוכות יותר מאשר בממס לא- פולארי. הקבוצה העוזבת הצעד הראשון של התגובה הוא פירוק ליונים – כלומר ההלוגן צריך לעזוב .לפיכך גם בריאקציה הזו יש חשיבות לאופייה של הקבוצה העוזבת .גם כאן ,ככל שהקבוצה העוזבת יותר נמוכה בטבלה המחזורית היא קבוצה עוזבת טובה יותר ולכן התגובה תלך יותר מהר. שימו לב שיש מצבים בהם לקרבוקטיון יש חיבור עם מולקולת מים .במצב כזה ,מים היא קבוצה עוזבת מאוד טובה .לעומת זאת ,ה OH-היא קבוצה עוזבת לא טובה כי זהו בסיס מאוד חזק. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :15אלקיל הלידים 155 סולבוליזה סולבוליזה היא תופעה שבה בתהליך של ,SN1הנוקליאופיל שמגיב בשלב השני הוא לרוב הממס עצמו. זאת מפני שהממס קיים בשכיחות גבוהה בתמיסה ולכן הסיכוי שלו להיפגש עם הקרבוקטיון הוא גבוה מאוד .נוקליאופיל חזק או חלש משנה ב SN2-אבל לא בתגובה הזו .בשיטה זו המים או האלכוהול שהם הממס יכולים להיכנס ,להחליף את ההלוגן וכך למעשה להפוך את האלקיל-הליד לכהל. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 156 04.05.2010 שיעור :16אלקיל הלידים – המשך תגובות התמרה – תגובת ) SN1המשך( שיחלופים שימו לב: • בכל תגובה המערבת קרבוקטיונים ,יכול להיות שיחלוף. • מכיוון שב SN1-אלקיל-הלידים ראשוניים אינם פעילים ,מדובר בעיקר בשיחלוף מקרבוקטיון שניוני לשלישוני. בתגובת ,SN2התוצר הוא יחיד כי לא נוצר קרבוקטיון; לעומת זאת אם החומר עובר במסלול ,SN1עשוי להיווצר קרבוקטיון שניוני אשר יש לו אפשרות להפוך לשלישוני תוך כדי שיחלוף )כפי שמוצג באיור( ואז הקרבוקטיון המתקבל הוא שלישוני .זיכרו כי תהליך השיחלוף הוא מהיר מאוד ולכן יש אוכלוסיה עיקרית של קרבוקטיון שלישוני והתוצר נראה בהתאם. התוצר של SN2באלקיל הליד שניוני הוא יחיד וברור; התוצר של SN1אינו ברור בהכרח ,משום שיכול להיות שיחלוף שישנה את הקרבוקטיונים המגיבים וכך ישנה את התוצרים. הטבלה מציגה סיכום של שני סוגי המנגנונים על מנת להחליט למה ניתן לצפות מסינתזה ,בין SN1ל- .SN2הטבלה שלאחריה מראה מה יקרה עם אלקיל הליד נתון כלשהו. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :16אלקיל הלידים – המשך 157 תגובות אלימינציה בתגובות אלו אנו מקבלים אלקן; אלו תהליכים שלרוב מפריעים לנו בעת ניסיון של סינתזה – למשל כשמנסים לסנתז כהל מאלקיל הליד ובמקום זאת מקבלים אלקנים .אלימינציה היא תגובה עם מימן; הקשר הכפול נוצר כתוצאה מזה שאחד המימנים של אלקיל הליד נלקח על ידי אחד הבסיסים בסביבה. זוהי למעשה תגובה בסיסית של חומר ,שלפעמים הוא הנוקליאופיל שלנו. חוק זייצב לתגובות אלימינציה דיברנו על אלימינציות בפרק האלקנים ,כשדיברנו על יצירה של אלקנים; אמרנו שטיפול בעזרת NaOH באלקיל-הליד ייצור אלקן .ואז הזכרנו את כלל זייצב ,שאומר כי באלימינציה של אלקיל-הלידים, האלקן המתקבל יהיה האלקן היציב ביותר .כמו כן ,האלקן היציב ביותר הוא האלקן המסועף ביותר. הניסוח הפשוט של זייצב אומר שהמימן היורד באלימינציה יורד מהפחמן העני במימנים .זה לרוב נכון ,אבל לא תמיד. באיור רואים אלקיל הליד שניוני-2 ,ברומו-בוטאן .עכשיו מגיבים אותו בתמיסה עם .RONaנתעלם לרגע מכך שהבסיס יכול להגיב ב .SN2-מדוע המימן של הפחמן יצא על ידי הבסיס? ממתי מימנים של פחמן הם חומציים וסותרים את הבסיס? הטענה היא שיש כאן השראה – הברום או הכלור הם אלקטרושליליים ומושכים אלקטרונים מהפחמן; הפחמן הופך קצת חיובי ולכן הוא מושך אלקטרונים מהפחמנים שלצידיו .הפחמנים האלה נעשים חיוביים מעט ומושכים אלקטרונים מהמימנים שלהם; כתוצאה מכך המימנים נהיים חיוביים מעט גם כן ואז הם למעשה הופכים חומציים מעט. אבל עולה השאלה :אם המימנים של פחמן 1או 3הם חומציים בגלל ההלוגן ,הרי שגם המימן של פחמן 2 יהיה חומצי; מדוע הבסיס לא תוקף אותו?הסיבה היא שבמצב כזה התוצר שמתקבל אין לו מוצא .נניח שהבסיס מוציא את המימן מפחמן 2כ ;H+-כתוצאה מכך יש מטען שלילי על הפחמן .2ומה הלאה? אי אפשר לעשות קשר כפול עם הפחמנים הסמוכים כי הם קשורים היטב למימנים שלהם; אי אפשר לסיים עם חומר יציב. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 158 לעומת זאת ,אם הבסיס תוקף את אחד המימנים השכנים – לפי זייצב הוא יעדיף את פחמן – 3ויוריד את המימן ,אז יווצר קרבואניון על פחמן ,3וכעת ניתן ליצור קשר כפול על ידי עזיבה של הברום מפחמן ,2שכן הברום הוא קבוצה עוזבת טובה יותר ממימן. התוצר המתקבל הוא תערובת של שני אלקנים כאשר התוצר העיקרי מתקבל לפי כלל זייצב. מנגנוני תגובות האלימינציה ישנם שני מנגנונים של אלימינציה E1 :ו .E2-הם דומים מאוד לתגובות ההתמרה ,והבעיה היא שעבור חומר נתון כל ארבע התגובות יכולות לקרות; התנאים ,הנוקליאופיל ,אופי המולקולה וההלוגן הם שיכתיבו מה יהיה התוצר העיקרי ,אך אין זה מחייב שלא יהיו תוצרי לוואי של התגובות אחרות. • מנגנון תגובת -E1אין נוקליאופיל חזק או בסיס חזק בסביבה; כתוצאה חלק מהאקליל-הלידים מתפרקים לקרבוקטיונים ואז מתקבל תוצר אלימנציה. • מנגנון תגובת – E2הבסיס תוקף את המימן ותוך כדי כך ההלוגן חייב לעזוב )בדומה להתמרה מסוג .(SN2 מנגנון תגובת E2 האיור הבא מציג אלימינציה מטיפוס .E2 הבסיס תוקף מימן אלפא ,מימן על פחמן שכן להליד ,והתהליך קורה עם מצב מעבר ללא תוצר ביניים. מצב המעבר הוא כזה בו כאשר הבסיס ) (Bמתקרב למימן ,והמימן מתחיל ליצור קשר לבסיס תוך כדי פירוק הקשר שלו עם הפחמן .כאשר המימן מתנתק הוא משאיר אלקטרונים על הפחמן; אלקטרונים אלו מתחילים ביצירה של קשר כפול .תוך כדי היווצרות הקשר הכפול ,אחד המתמירים של הפחמן השני בקשר חייב לעזוב ,ולכן מי שעוזב לרוב הוא ההלוגן )שהוא קבוצה עוזבת טובה יותר ,כאמור ,מהמימן או מאלקילים(. מבחינה מנגנון הריאקציה התגובה דומה מאוד ל ;SN2-אין שלב איטי או שלב מהיר – יש שלב אחד בסך הכל .הריאקציה הזו תלויה מאוד בחוזק הקשר בין מימן לפחמן ,כי היא דורשת ניתוק של המימן כדי שהכל יתרחש בבת אחת. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :16אלקיל הלידים – המשך 159 הקינטיקה של תגובת E2 • ריאקציה בשלב אחד מסדר שני – יש תלות בריכוז המגיבים והבסיס. • שלב מעבר שאינו דומה לתוצרים או למגיבים. • התגובה היא מסדר שני – הקינטיקה תלויה בריכוז המגיב והבסיס. • התגובה מהירה יותר עם בסיסים חזקים יותר ו/או קבוצות עוזבות טובות יותר. השפעת האלקיל הליד נניח שבחרנו בסיס חזק מסויים, ממס מסויים ,והליד מסויים; האם יש הבדל בין האלקיל הלידים? התשובה היא שהמנגנון הולך הרבה יותר מהר עם אלקיל הליד שלישוני – כלומר הפוך מ SN2-ובדומה ל .SN1-ההסבר הוא שככל שהאלקיל הליד ברמה גבוה יותר, האלקן המתקבל מסועף יותר ולכן יציב יותר. זהו ההבדל העיקרי שבין SN2לבין .E2 השפעת האיזוטופ הקינטי חיפשו דרך נוספת להוכיח את המנגנון; שיטת ההוכחה הזו היא שימוש באיזוטופ דאוטריום .2H-מסיבות שלא נעמיק בהן ,הקשר הקוולנטי עם דאוטריום יותר חזק מהקשר עם מימן רגיל .מכיוון שכך ,כאשר עושים תגובת E2עם דאוטריום התגובה בהכרח תהיה איטית יותר מאשר עם מימן – כי אם כל התגובה תלויה בבסיס שצריך לתלוש את המימן ,אזי מכיוון שתלישת דאוטריום היא קשה יותר התגובה תהיה איטית יותר. כאשר באמת ניסו זאת גילו שקצב הריאקציה נעשה איטי פי .7-10 זוהי הוכחה שהתלישה של המימן היא חלק מהשלב קובע המהירות. משום כך אפקט הדאוטריום משמש נדבך נוסף לנכונות המנגנון שאנחנו מציעים. השפעת הקבוצה העוזבת ככל שהקבוצה העוזבת טובה יותר התהליך יהיה מהיר יותר .קבוצה עוזבת טובה מאופיינת בהיותה בסיס חלש וגדול .לכן ככל שיורדים בטבלה המחזורית בטור ההלוגנים ,הקבוצה העוזבת טובה יותר .אולם כל החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 160 המנגנונים תלויים בגרדיינט שכזה ולכן זה לא עוזר לנו ,הנתון הזה ,להחליט בין התגובות שייצאו לפועל; לפיכך לרוב התגובה SN2מתחרה עם .E2 אלקנים מצומדים מועדפים על פני תוצרי אלקן מותמר כעת נראה מצבים שבהם כלל זייצב לא מתקיים: • אם התוצר הוא דיאן – בתגובה למשל שיש בה קשר כפול מראש ,כמו בדוגמה ,לפי זייצב המימן היורד צריך לרדת ממימן .5לעומת זאת אם נוריד מימן מפחמן ,3אנחנו נקבל תוצר אנטי-זייצב. אבל התוצר האנטי-זייצב יוצר לנו דיאן מצומד ,שיש בו רזוננס ולכן הוא הרבה יותר יציב מאלקן רגיל .המימן היורד הוא זה שמאפשר קיום דיאן מצומד. שימו לב :זה קורה רק כשיש יותר מקשר כפול אחד במולקולה. יש להיזהר מכלל זייצב – לפי המינוח הפשוט שאומר שיש להוריד מימנים מהפחמן העני במימנים ,ניתן לשגות ,אבל לפי הניסוח שהוא יוצר את האלקן היציב ביותר ,אי אפשר לטעות. • בדוגמה הבאה אנחנו רואים יון אלקוקסיד מסועף מאוד המשמש כבסיס; לפי זייצב הוא אמור להיכנס לפחמן ,3אבל הסיעוף של האלקוקסיד מונע ממנו להגיע לאותו מימן .משום כך התוצר העיקרי יהיה דווקא זה שיוריד מימן מפחמן .1הפרעות מרחביות יכולות להשפיע על האלקן שנוצר. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :16אלקיל הלידים – המשך 161 הטבלה הבאה מפרטת עבור אלקיל הליד נתון תגובה עם קבוצה RO- כלשהי .התוצר הימני הוא אנטי- זייצב והשמאלי הוא זייצב .אנחנו יכולים לראות שככל שה R-שלנו נעשה מסועף וגדול יותר ,הסיכוי לקבל זייצב הולך וקטן. ככל שהבסיס מסועף יותר ומהווה הפרעה מרחבית גדולה יותר ,כך תוצר האנטי-זייצב ילך ויהיה משמעותי יותר. תגובת E1 האם ניתן לעשות אלימינציה עם בסיס לא חזק או בסיס מהול מאוד? גם במקרה זה רואים אלימינציות ואלו האלימינציות מסוג .E1 בריאקציות אלו אין תלישה חזקה של המימן כי אם תהליך המתרחש בשני שלבים. כאשר שמים אלקיל הליד שלישוני במים או כהל נקבל שני תוצרים :חלקם תוצרי SN1ואחרים תוצרי .E1הסיבה היא שלשניהם יש אותו שלב ראשון :בשניהם חלק מהמולקולות עוברות פירוק עצמי ונוצר קרבוקטיון .כעת משנוצר קרבוקטיון יכול להתחיל לפעול הבסיס – שהוא יכול להיות אפילו הממס .הבסיס לוקח מימן ויוצר קשר כפול. אולם ,הבסיס יכול היות הממס ,כאמור; ואנו יודעים שממס יכול להיות גם נוקליאופיל ,בתגובות .SN1אם הבסיס הזה יקח מימן הוא יצור לנו תוצרי E1אך בתגובה שונה הוא יכול ליצור תוצרי .SN1קשה להפריד בין התוצרים אולם ככל שהטמפרטורה יותר גדולה האלימינציות מתרחשות לעיתים קרובות יותר. האיורים הבאים מציגים את התגובה ואת המנגנון שלה .שימו לב שכל התגובות האלו יכולות ללכת אחורה בכל שלב ,אבל אז אנו לא רואים את השינוי הצפוי ומבחינתנו זה פחות מהותי. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום 162 כימיה אורגנית סיכומים השפעת האיזוטופ הקינטי מה יקרה אם נחליף גם כאן את המימנים בדאוטריום? קצב הריאקציה שלנו לא ישתנה כאן ,מכיוון ששלב תלישת המימן מהמולקולה אינו השלב קובע המהירות. שימו לב שגם ב E1-עובד כלל זייצב :בברירה בין איזה מימן יחזור ויתלש על ידי הבסיס ,המימן שבעוזבו יצור אלקן מסועף יותר הוא זה שיעזוב. מבחינת האלקיל-הלידים הסדר של הגרדיינט הבא נכון הן ל E1-והן ל ,SN1-כי שניהם עוברים דרך קרבוקטיון. שימו לב שאלקיל-הליד שניוני ,ראשוני בנזילי או ראשוני אלילי מהווים קבוצה של חומרים שבהם כל ארבע התגובות יכולות לקרות והניואנסים בהן מאוד עדינים. קבוצה עוזבת גם כאן ,בסיס חלש יותר הוא קבוצה עוזבת טובה יותר. שיחלופים מכיוון שגם תגובה זו עוברת דרך תוצר ביניים של קרבוקטיון ,יכול להיות שיחלוף אשר יגרום לתזוזה של הקשר הכפול באלקן הנוצר .באיור ניתן לראות דוגמה לכך: אנחנו רואים שבמקום שהמימן מימין לפחמן עם חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :16אלקיל הלידים – המשך 163 המטען החיובי יעזוב ,המטען החיובי קופץ לפחמן הבנזילי בשיחלוף מתיל ולכן הקשר הכפול נוצר בין פחמנים 2-3במקום ) 1-2שימו לב שלטבעת אין מימנים להוציא ממנה באותה נקודת קישור(. תחרות בין E2לבין E1 הטבלה מציגה את האלקיל הלידים השונים ואילו אלימינציות הם יעברו. שימו לב שבשביל תגובת E2צריך בסיס חזק בריכוז גבוה; אם נתונים אלו לא קיימים ,יש העדפה ברורה ל .E1-בזכות תכונה זו ניתן לקבוע תוצר עיקרי באלקיל-הלידים שניוניים ושלישוניים. תחרות בין התמרה לאלימינציה • מקרים בהם יכול להתרחש SN2יכולים להתחרות בהם רק .E2התוצר תלוי עכשיו בחומר התוקף: יש נוקליאופילים חזקים שהם בסיסים חזקים ואז התוצרים של שתי התגובות יתקבלו ,והרוב יהיה .S N 2 • יחד עם זאת ,יש נוקליאופילים שהם נוקליאופילים חלשים ובסיסים מצויינים .אלו חומרים שהם לרוב מסועפים ,כי הם מתקשים לתקוף פחמן אבל קל להם יותר לתקוף מימן .משום כך חומרים אלו יגיבו הרבה יותר ב.E2- • בין תגובות SN1ו E1-התנאים הראשוניים צריכים להיות זהים )בסיס פולארי פרוטי ונוקליאופיל/בסיס חלש( כי השלב הראשון זהה .ברוב המקרים יתקבלו תוצרי שתי התגובות. בטמפרטורות גבוהות יותר מתקבלים יותר תוצרי אלימינציה. תנאים של SN2/ E2 • מבחינת האלקיל הליד – SN2הוא היחיד עם סדר גרדיינט הפוך. • שניהם צריכים נוקליאופיל/בסיס חזק ותמיסה פולארית א-פרוטית. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 164 תנאים של SN1/ E1 הטבלה מציגה את סוג האלקיל הליד ואילו תהליכים הוא עובר. • אלקיל הליד ראשוני • יתן לרוב התמרה של SN2אלא אם יש התמרות מרחביות על הנוקלאופיל ,ואז נקבל בעיקר תוצרי אלימינציה .סיעוף פוגע הרבה יותר בנוקליאופיליות מאשר בבסיסיות של החומר. • • לא נותן תוצרי SN1או .E1 אלקיל הליד שניוני הוא בעיתי תמיד ,יכול לעבור את כל ארבע התגובות .יחד עם זאת הכללים תקפים :נוקליאופיל מסועף הוא טוב יותר כבסיס .בתגובות מטיפוס ,1יש לזכור כי יכולים להיות שיחלופים. • אלקיל הליד שלישוני – לא קורה בכלל אלא אם זה בסיס חזק מאוד בריכוז גבוה ואז יש אלימינציה. טמפרטורות ייקבעו האם תהיה אלימינציה או התמרה בתגובות מטיפוס .1 תגובות התמרה ואלימינציה בסינתזה סינתזת האתר של וויליאמסון האתר הוא למעשה Oשיש לו שתי קבוצות Rבמקום המימנים הנקשרים למים .אם לוקחים אלקיל הליד ומגיבים אותו עם ,RONaאנחנו יכולים למעשה לקבל אתר .המנגנון הזה הוא מנגנון :SN2האלקיל הליד הותקף על ידי הנוקליאופיל ,ההליד השתחרר והנוקליאופיל התחבר. לא כל אלקיל הליד מתאים לתגובה :אלקיל הליד ראשוני עם בוטוקסיד או עם פרופוקסיד ,אלקיל הלידים ראשוניים יוצרים בהכרח SN2ולכן אנחנו מקבלים את התוצר המבוקש .אבל יש לזכור שאם זה לא ראשוני אז התוצר לא מובטח. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :16אלקיל הלידים – המשך 165 ביצירת אתר מסועף אנחנו בבעיה ,כ תגובה עם נוקליאופיל מסועף תיטה לכיוון האלימינציה במקום ההתמרה ,ותגובה עם אלקיל הליד שלישוני לא נותנת בכלל התמרה מטיפוס .SN2בתגובות אנחנו יכולים לראות שבין הברירות האלה ,שאף אחת מהן לא טובה ,נעדיף להשתמש בנוקליאופיל המסועף כי אז נקבל לפחות חלק מהתוצרים של ההתמרה מטיפוס SN2בעוד שבאפשרות השנייה לא נקבל כלל תוצרי התמרה מטיפוס SN2כי אם תוצרי אלימינציה ללא התמרה כלל. קבלה של אמינים אמינים הם תרכובות דמויות אמוניה בהן במקום מימנים קשורים אלקילים או פחמנים .אמוניה היא נוקליאופיל די חזק ,שיכולה לעשות התמרה מטיפוס .SN2התוצר של ההתמרה הוא לרוב אמין – מימן יוצא ונכנס במקומו האלקיל-הליד בלי ההליד. יחד עם זאת הריאקציה היא בעייתית כי היא תלויה בסוג האלקיל הליד וגם משום שהתוצר לא שונה בהרבה מאמוניה; כלומר הוא בעצמו יכול להמשיך ולתקוף אלקיל-הלידים בתור נוקליאופיל .בצורה כזו אנחנו מקבלים תערובת של אמינים ראשוניים ,שניוניים ושלישוניים. מה ניתן לעשות כדי לקבל כתוצר עיקרי את האמין הראשוני? אם נשים בכלי ריכוז גבוה של אמוניה ביחס לאלקיל הליד ,כמות מולקולות האמוניה תהיה כה גדולה שההסתברות שהיא תתקוף את האלקיל הליד היא גבוהה יותר מההסתברות שהוא ייתקף על ידי תוצרי התגובה. בתור תגובת התמרה מטיפוס SN2יש לה את כל הבעיות של תגובה זו ,למשל שאם נשתמש באלקיל הליד שלישוני נקבל אלקנים ולא אמינים. יצירת ניטרילים ישנם מלחים עם האניון ,CN-יון הציאניד .יון זה הוא בסיסי והוא נוקליאופיל מצויין .הקשר בין הפחמן לחנקן הוא קשר משולש .אם תוקף את יון הציאניד עם אלקיל הליד ,הוא מגיב כנוקליאופיל מצוין ,מוציא את ההליד ונכנס פנימה לקבלת .R-CNתרכובת זו ,שבה יש קצה ציאנידי שמחובר לפחמנים ,מכונה ניטרילים. הניטרילים הם חומר חביב על כימאים אורגניים ,כי בצורה כזו יצרנו אלקיל הליד שהוארך בפחמן אחד מהשרשרת המקורית; זו אחת השיטות הטובות ביותר להארכת שרשרת בפחמן בודד .כמו כן בגלל שהוא פחות בסיסי מנוקליאופילים טובים אחרים הוא פחות נוטה לאלימינציה ויותר להתמרה. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 166 מה עושים עם ניטריל? בעזרת הניטריל אנחנו יכולים ליצור חומצה קרבוקסילית :לאחר שיצרנו ניטריל כלשהו ,שמים אותו בסביבה מחמצנת :סביבה מחמצנת היא סביבה חומצית )במקרה זה; יכולה להיות גם סביבה בסיסית(. כעת מתרחשת ריאקציית חימצון-חיזור שבה הפחמן מגיע לדרגת חימצון מאוד גבוהה. במבחן אנו עשויים להתבקש ליצור מפרופן חומצה בוטנואית – כלומר בוטאן עם .COOH אפשר לקחת את הפרופן וליצור ממנו אלקיל הליד; לאחר שיצרנו אלקיל הליד ,נגיב אותו עם ציאניד לקבל שרשרת עם ארבעה פחמנים וקשר משולש לחנקן בקצהה .לאחר מכן מגיבים את הניטריל שהתקבל בסביבה מחמצנת ומקבלים החלפה של החנקן בחמצנים של חומצה .שימו לב שסיפוח ה HBr-לאלקן צריך להיות אנטימרקובניקוב ,כלומר עם פרוקסיד! אפשר גם לחזר ניטרילים :אם מחזרים ניטריל בעזרת המחזרים – LiAlH4תרכובת של מתכות עם מימנים – ואנחנו מקבלים מהניטריל אמין .אולם להבדיל מהתגובה ליצירת אמין שלמדנו ,כאן אנחנו מקבלים אמין שהוארך בפחמן אחד נוסף וזה גם אמין ראשוני כתוצר עיקרי. • • חימצון של ניטריל נותן חומצה קרבוקסילית. חיזור של ניטריל נותן אמין ,שנחשב לחומר מחזר. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :17אלקיל הלידים -המשך 167 05.05.2010 שיעור :17אלקיל הלידים -המשך תרכובות אורגנו-מתכתיות בתרכובות אלו יש שלד של פחמנים שמתחבר לשלד של מתכת .התרכובות האלו לרוב לא יציבות ,ומשום כך הם משמשים כריאגנטים בתגובות אורגניות .המפורסם בריאגנטים האלו הוא ריאגנט גריניארד ).(Grignard יצירה של ריאגנט גריניארד תגובה בין אלקיל הליד למגנזיום .לוקחים RXושמים בנוכחות מגנזיום ,שיש לו נטייה למטען של .+2 בסביבה ללא מים ,לרוב בממס הידרופובי כמו אתר )ומוסיפים לרוב את המילה "יבש" כדי לציין שאין מים( ,מקבלים תרכובת עם נוסחה .RMgXה R-יכול להיות כל דבר – ראשוני ,שניוני ,שלישוני ,בנזילי ואפילו וינילי. כל תרכובת אורגנית שיש בה פחמן שקשור להלוגן יכולה לעבור את הריאקציה. ריאגנט גריניארד הוא מאוד לא יציב; צריך לשמור עליו ללא מגע עם מים ועדיף למנוע גם מגע עם ,CO2 כי הוא מגיב עם שני החומרים האלו )כפי שנראה בהמשך( .אם כן ,כל תרכובת אורגנית עם הלוגן בערך תגיב ותיתן לנו ריאגנט גריניארד. למטה ניתן לראות דוגמאות לתגובה עם אלקיל הליד ואפילו עם ויניל-הליד ,שלרוב אינם מגיבים באף תגובת אלימינציה או התמרה שראינו קודם ,ועדיין הם מגיבים כאן כאשר המגנזיום "נדחף" בין האלקיל להלוגן. המגנזיום הוא ;+2ההלוגן הוא ;-1מניין מגיע עוד ?-1המטען השני מגיע מהפחמן אליו קשור המגנזיום. אולם פחמנים כאלה ,קרבואניונים ,לא כל כך מוכרים לנו; ועדיין צריך לזכור שהפחמן של ריאגנט גריניארד הוא שלילי ,וזה חשוב כי הם נוטים לתקוף פחמנים חיוביים )קרבוקטיונים( בתגובות סינתזה )ומכאן חשיבות הריאגנט – להארכה של שרשרות(. דוגמאות נוספות: החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 168 השימושים של ריאגנט גריניארד תגובה עם מים התגובה עם מים הורסת את הריאגנט; אולם השרשרת ה R-של הריאגנט פשוט הופכת לאלקאן .לאחר קבלת הריאגנט חושפים אותו למים; כתוצאה מכך ,המגנזיום משתחרר ,ברום משתחרר – שניהם יונים במים – ומהשרשרת הפחמנית מקבלים אלקאן. מה הטעם בריאקציה? אין הרבה; אנחנו לא אוהבים את התגובה כי עם אלקאן אין הרבה מה לעשות. משום כך ברוב הפעמים נמנעים מהתגובה .אבל במקרים מסויימים ,הריאקציה הזו עוזרת להשלים מהלך גדול יותר ,כפי שנראה בדוגמאות בסוף הקורס. בתגובה עם מים נכנס מימן במקום מגנזיום הקשור לפחמן. התגובה עם פחמן דו חמצני CO2 הפחמן של הריאגנט הוא שלילי ,והפחמן של הCO2 -הוא חיובי ,כי הוא קשור לשני חמצנים .כאן יש תגובה בין שני הפחמנים .הפחמן של הריאגנט מתחבר לפחמן של ה ,CO2-ונוצר קשר פחמן-פחמן חדש – הוספנו פחמן למולקולה .אם לאחר התגובה הזו מוסיפים מים ,המים משחררים את הקשרים היוניים ומקבלים יוני מגנזיום והלוגן )שלא מעניינים אותנו( ומקבלים חומצה קרבוקסילית. אחת השיטות ליצור חומצה קרבוקסילית עם פחמן אחד נוסף מעל חומר המוצא היא עם ריאגנט גריניארד ו. CO2- היתרון בתגובה זו על פני התגובה עם ניטריל היא שגריניארד עובד על כל האלקילים ,בעוד שניטריל מוגבל ל SN2-כלומר הוא לא יעבוד עם אלקיל-הליד שלישוני. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , הרצאה :17משפחת הכהלים והאתרים 169 הרצאה :17משפחת הכהלים והאתרים קבוצה זו ,כמו הקבוצות הבאות שנכיר ,אינן מחדשות לנו הרבה; ההבדלים העיקריים בהם הוא הקבוצה העוזבת ,שבאלקיל הלידים הייתה הלוגן ובכהלים ואתרים למשל הן הידרוקסידים ואלקילים. שתי המשפחות הן מעין נגזרות של מים ,כי בשתיהן יש חמצן באמצע בהיברידיזציה של .SP3כהלים יותר דומים למים בגלל המימן; אתרים חסרי מימנים .אנחנו נראה בהמשך איך זה משפיע על התגובות שלהם. כהלים בכהלים יש שתי משפחות עיקריות: • כהלים רגילים • כהלים שמחוברים לטבעת ארומטית – פנולים .אלו סוג של כהל אבל בגלל תכונות הארומטיות יש לו תכונות מעט שונות; למשל כהל במים מתמוסס במערכת קשרי מימן אבל לא מתיינן ונשמר ערך גבה של .7פנול במים מתנהג מעט כמו חומצה ,וערך הגבה יורד מעט .פנולים יותר חומציים מכהלים רגילים. בין הכהלים הנפוצים הם המתנול – נוזל עם ריח חריף המשמש לרוב כממס פולארי-פרוטי במקום מים. יש לו שימוש נוסף כחומר דלק ) Biofuelsודלק מטוסים( .שם אחר שלו הוא מתיל-אלכוהול .שימו לב שהוא נוזל :כל הכהלים הקצרים הם נוזלים ולא גזים ,בניגוד אלקאנים ואלקנים ,כי הם מקיימים קשרי מימן. הבעיה העיקרית של מתנול היא שהוא רעל חריף; כששותים אותו לא מאריכים חיים זמן רב .הוא פוגע פגיעות חמורות בכבד ,בכלי הדם ,נזקים בלתי הפיכים במוח .לא פעם קרו מקרים שמשקאות חריפים לא חוקיים הכילו כמויות של מתנול והדבר גרם למוות של הצורכים אותם. אתנול הוא הכהל המשמש יותר באלכוהול; ועדיין בריכוזים גבוהים הוא רעיל כמו המתנול – מזיק לכבד וכליות באלכוהוליסטים .הוא נוזל פופולארי במשקאות ,ריאקציות כימיות וחומר חיטוי – ספירט של קופות חולים .הוא מיוצר – יחד עם מתנול – בכמויות אדירות ,בשיטות כימיות וביולוגיות ,בצריכה של מיליוני טונות בשנה. יצירת קשרי מימן המיוחד בכהלים הוא יצירת קשרי מימן; המימן הקשור לחמצן ,החמצן ,וחוסר הסימטריות של המולקולה יוצרים קשרי מימן .בזכות זה הכהלים הם מאוד מסיסים במים ,כמעט בכמויות אינסופיות )הקטנים בהם(. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 170 הדבר משפיע גם על נקודות הרתיחה: • מתנול רותח ב 65-מעלות צלזיוס וניתן למוסס מתנול במים בכמות אינסופית – על פי הספרים! • האתנול רותח בערך ב 79-מעלות ויש לו מסיסות אינסופית. • פרופאנול רותח ב 97.4-מעלות וגם לו יש מסיסות אינסופית – כל זאת תודות לקשרי המימן. מתי מתחילה הבעיה? מתי יורדת המסיסות? כאשר הזנב האלקילי מתחיל לגדול ,מעצם היותו הידרופובי, מתחילה בעיה במסיסות .החל מ 5-פחמנים זה הגבול ,טמפרטורת הרתיחה של פנטאנול היא 117.3 מעלות אבל עכשיו אפשר למוסס רק 3גרם ב 100-מ"ל מים. מה שמעניין הוא שאם לוקחים בוטאנול מסועף – כלומר ניאו-בוטאנול ,שלישוני – שהוא יותר קומפקטי מבוטאנול נורמלי – נקודת הרתיחה של בוטאנול נורמלי היא 110מעלות בערך והמסיסות היא כ 10-גרם ל 100-מ"ל מים ,זאת עקב הזנב הארוך .לעומת זאת ,ניאו-בוטאנול רותח ב 82.2-מעלות אבל המסיסות שלו היא אינסופית ,כי החלק הידרופובי שלו תופס פחות מקום – יותר קומפקטי – ולכן ניתן למוסס יותר ממנו למרות שיש לו אותה מסה מולרית כמו בוטאנול נורמלי. עד 4פחמנים הכהלים הם מסיסים במים ,מעל זה מתחילים עם בעיות הידרופיליה והידרופוביה. אם יש רק מולקולות כהל ,הן מקיימות ביניהן קשרי מימן עם המימן האחד שיש לכל מולקולה. הגרף הבא משווה בין אלקאנים – שאין בהם קשרים מלבד ואן דר ואלס רגעיים ,אלקיל-הלידים שהם פולאריים ,וכהלים .ניתן לראות שעבור אותו מספר פחמנים ,נקודת הרתיחה הכי גבוהה היא של כהלים כי יש להם קשרי מימן. אומנם אלקיל הלידים הם פולאריים ,אבל הם לא מתמוססים טוב במים ולרוב הם שוקעים – כי אין להלוגנים יכולת ליצור קשרי מימן .כהלים לעומת זאת ,הם בעלי מסיסות גבוהה בהרבה. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , הרצאה :17משפחת הכהלים והאתרים 171 תכונות של כהלים ופנולים :חומציות ובסיסיות אם לוקחים מים ושמים חומצה ,אנו יודעים שהמים קולטים פרוטון וחלק מהמולקולות הופכות ל.H3O+- המים משמשים כבסיס .אותו הדבר גם בכהל :אם נמיס באלכוהול חומצה חזקה נקבל התנהגות בסיסית ובמקום H3O+מקבלים RH2O+שהוא יון האוקסוניום. הריאקציה דומה למה שקורה במים ,וקבוע שיווי המשקל של הריאקציה קרוב לזה של מים. כאשר שמים במים בסיס ,לעומת זאת ,המים מוסרים פרוטון – מתנהגים כחומצה .כך גם הכהלים :הכהל ימסור את המימן שלו ויהפוך RO-שהוא יון האלקוקסיד. גם בסביבה נייטרלית ,תמיד יכול לקרות שמולקולת מים אחת תעביר פרוטון לחברתה .גם בכהלים זה קורה :מולקולות מים נפגשות ומעבירות H+מהמולקולה האחת לשנייה ,ואנחנו מקבלים יון .RO-אבל הקבוע הוא כה נמוך עד שהשכיחות שלהם נמוכה מאוד .זו לא השיטה לעשות זאת .פנולים הם קצת יותר חומציים ,אבל לא נעסוק בהם. אם נסתכל על ערכי ה ,pKa-בטבלה הבאה ,ככל שהערך נמוך יותר החומצה חזקה יותר .לשם השוואה, המים מצויינים עם הערך .15.74שימו לב שאין להשוות את הערכים האלה לחומצות כמו HClאו .HI אלו חומצות חזקות מאוד עם ערכי pKaגבוהים מאוד .חומצה אצטית היא בעלת pKaנמוך יותר ,אבל הן עדיין חומצות; עכשיו מסתכלים על חומרים עם pKaשל ;15-16אם נשווה אותם לחומצה אצטית ,אפילו היא תיראה חזקה מאוד. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום 172 כימיה אורגנית סיכומים לניאובוטאנול יש pKaשל ;18הרבה יותר נמוך ממים .האתנול הוא עם ,16 pKaשזה כמעט כמו מים, כך שערך הגבה יישאר בערך .7בשביל לראות שינוי בערך הגבה צריך pKaהרבה יותר נמוך משל מים. לא מקבלים את זה גם ממתנול; אבל אם מסתכלים על תרכובת שהיא כמו אתנול אבל עם שלושה פלואורים במקום שלושה מימנים ,מקבלים חומצה הרבה יותר חזקה )ההמשך מפרט פנולים אז לא נתייחס אליו(. ככל שהכהל יותר מסועף – יותר קבוצות – Rהוא חומצה חלשה יותר .קבוצות Rמחלישות חומציות של כהל. מה ההסבר לכך? אם נסתכל על מתנול ,כהל ראשוני לא מסועף ,לעומת ניאו-בוטאנול :אם הכהל הוא חומצה ,אמור להישאר יון אלקוקסיד במים .על מנת שהיון יהיה יציב ,הוא צריך לאפשר למולקולות המים לעטוף אותו ולייצב אותו .הכהל הראשוני מאפשר זאת בקלות יחסית; אבל הניאו-בוטאנול הוא כה נפחי, שהוא יוצר הפרעה מרחבית. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , הרצאה :17משפחת הכהלים והאתרים 173 ככל שהכהל מסועף יותר ועם קבוצות Rגדולות יותר הן מפריעות למולקולות מים לעשות סולבציה, לייצב את האלקוקסיד ,ולכן הנטייה של היון להתקיים היא קטנה יותר – וזה מתבטא בערך pKa גבוה יותר בכהלים מסועפים יותר. דרך אחרת להסתכל על זה היא דרך מושכי אלקטרונים ומוסרי אלקטרונים .הרעיון הוא שכאשר מקבלים תרכובת בעלת מטען ,צריך לעזור ליון להתקיים על ידי קבוצות מוסרות/מושכות אלקטרונים ,שייצבו את היון. יון שלילי מייצבים על ידי קבוצות מושכות אלקטרונים .קבוצות מתיליות הן מוסרות אלקטרונים ,ולכן למעשה הן רק מגדילות את המטען השלילי .משום כך היון פחות יציב .ניתן לראות זאת גם בטבלה, כשהחלפנו את המימנים בפלואורים :הפלואורים הם מושכי אלקטרונים חזקים ,ולכן הם מייצבים את היון השלילי שנוצר מהתגובה החומצית ולכן זוהי חומצה חזקה יותר מהמקור ואפילו ממים. קבוצות אלקטרושליליות מגדילות את החומציות של הכהלים. יון האלקוקסיד RO- - זהו יון שנוצר מכהלים .הוא נוקליאופיל חשוב בכימיה האורגנית וגם בסיס חשוב; השאלה היא איך מקבלים אותו .זו כמו השאלה מניין מפיקים .OH-הידרוקסיד מפיקים ממים ,אבל באופן טבעי הריכוז שלהם אפסי; התגובה הכי פשוטה לכך היא תגובה של מים עם מתכות אלקאליות. אם לוקחים נתרן או אשלגן במים הם מגיבים בתגובה חזקה ומרשימה .מבחינה כימית ,מה שקורה הוא שמעבר לפיצוץ )עקב שחרור מימן וחום( ,מקבלים מימן ו .NaOHאותו הדבר גם עם אשלגן – מקבלים .KOH התגובה הזו היא חימצון-חיזור בין נתרן למים; הלהבה נפלטת מהמימן שנדלק מהחום של התגובה שהיא אקסותרמית מאוד ,והוא בוער עם החמצן מהאוויר. היות ואנו רוצים יון RO-במקום ,HO-אנחנו צריכים להגיב כהל במקום מים .הריאקציה תהיה זהה, משום שהמתכת האלקאלית מזהה את המימן – נתרן ואשלגן הם חומרים שנוטים למסור אלקטרון בצורה חזקה מאוד .המקבל של האלקטרון הוא המימן ,גם במים וגם בכהל .כשהוא קולט את האלקטרון הוא הופך ל H+-ויוצא החוצה .לכן המתכת מזהה את המימן שקשור לחמצן ומגיבים איתו .משום כך מה שמתקבל בתגובה הוא פליטה של מימן ו.RONa- שימו לב שהמימנים של האלקן אינם חומציים ולכן המתכת האלקאלית אינם מגיבים איתם. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 174 בצורה כזו מגדילים ריכוז של .RO-יש דרך נוספת :אם המימן של הכהל הוא חומצי מעט ,אפשר לסתור אותו על ידי בסיס חזק ,דוגמת .NaOHאולם החוזק שלו הוא דומה לחוזק של ,RONaולכן הוא לא יצליח לקרוע את .H+ולכן צריך בסיס חזק יותר: • סודיום הידריד – .NaH • סודיום-אמיד – .NaNH2 כששמים חומרים אלו עם כהל ,היון H-תוקף את המימן החומצי ותולש אותו כדי להפוך למולקולת מימן .H2הנתרן נשאר כיון והכהל הופך ל .RO--אותו הדבר הבסיס השני ,שבו לא נוצרת מולקולת מימן אלא אמוניה .יום האמיד הוא יון חזק מאוד ,כי הוא בא מאמוניה שיש לה נטייה לקלוט מימן – ולכן הנטייה הזו חזקה פי כמה באמיד. יצירה של כהלים ממשפחות קודמות שלמדנו אי אפשר ליצור כהל ישירות מאלקאנים ,כי הם מגיבים רק עם הלוגנים; אלקנים לעומת זאת יכולים ליצור כהל בעזרת סיפוח של מים .סיפוח מים יכול להיעשות לפי מרקובניקוב )שניוני או שלישוני( או אנטי-מרקובניקוב )אלכוהול ראשוני(. כמו כן אפשר להשתמש בתגובה :SN2אלקיל-הליד עם OH-בריכוז גבוה ,במיוחד באלקיל הליד ראשוני או שניוני ,תיתן לנו כהל. יחסית קל להפוך אלקיל-הלידים לכהלים. כל שאר התגובות באיור לא למדנו עדיין. אם מסתכלים על התרשים ,כל הריאקציות הן בשיווי משקל :כלומר ,אם מאלקיל הליד אפשר ליצור כהל, אפשר ליצור אלקיל הליד מכהל .יחד עם זאת יש לציין שהתהליך ההפוך הוא קשה יותר ,כי OH-היא קבוצה עוזבת גרועה .כך גם אלקנים בסביבה חומצית ,שיוצרים כהל ,אבל כהל בסביבה חומצית יוצר אלקן; תהליך זה הוא באמת הפיך ברמה מדאיגה מבחינת ניצולת. בהרבה אתרים פעילים של אנזימים הקטליזה יוצאת לפועל תודות לחומצות אמינו עם שייר OH כהלי .הריאקציות שנלמד כאן הן באמת ריאקציות נפוצות בתחום הביוכימיה. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , הרצאה :17משפחת הכהלים והאתרים 175 הקבוצה OHהיא קבוצה עוזבת גרועה בתגובה הבאה רואים כהל ונוקליאופיל בניסיון התמרה .התגובה הזו לא יוצאת לפועל סתם כך ,כי OH היא קבוצה עוזבת גרועה שאף נוקליאופיל לא מצליח לנתק בקלות; נראה כאילו הניסיון נידון לכישלון. לפיכך כל מה שנלמד במשפחה הזו הן שיטות להפוך את OHבעזרת מתווך שלישי לקבוצה עוזבת טובה. אמרנו לגבי קבוצות עוזבות שככל שהקבוצה מהווה בסיס חלש יותר ,הקבוצה העוזבת טובה יותרOH . הוא בסיס חזק; אבל אם נצליח לחבר Hשיהפוך את הקבוצה העוזבת למים ,מים הם בסיס חלש ולכן הקבוצה העוזבת תהיה טובה .כל מה שצריך לעשות הוא פרוטונציה ל ,OH-ואז כבר כל נוקליאופיל יוכל לסלק אותם – ב SN2-או יותר נפוץ ב.SN1- אולם יש בעיה :רוב הנוקלאופילים הם בסיסים בעצמם ,כפי שכבר אמרנו .אם נשים אותם בסביבה החומצית הזו ,במקום לתקוף את הכהל הם יסתרו את החומצה .מכאן שיש לנו בעיה :מחד צריך סביבה חומצית חזקה בשביל לחזק את הקבוצה העוזבת ,ומאידך הסביבה הזו מנטרלת את הנוקליאופילים. כאן יש חשיבות לחפש נוקליאופילים שהם נוקליאופילים טובים ובסיסים גרועים. אין הרבה נוקליאופילים כאלה ,אבל יש קבוצה אחת מבטיחה :ההלוגנים I- .נוצר מהחומצה ,HIשהיא חזקה מאוד ,ולכן הנטייה של I-לקשור מימן היא חלשה מאוד; לכן בסביבה החומצית הוא לא יבטל את עצמו וישמור על הנוקליאופיליות .מכיוון שהלוגנים באים מחומצות מאוד חזקות הם בסיסים כה חלשים שהם לא יסתרו את החומצה .כך ניתן להפוך כהל לאלקיל הליד בסביבה חומצית. • כהלים ואתרים עוברים שיפעול בסביבה חומצית. • רק נוקליאופילים שהם בסיסים חלשים יכולים לעבוד בקטליזה הזו. בדוגמאות הבאות מופיעות שלוש התמרות של כהלים לאלקיל-הלידים .כפי שאנו זוכרים ,מבין ההלוגנים, ככל שיורדים בטבלה המחזורית כך הוא נוקליאופיל יותר טוב .רוב הריאקציות הולכות דרך ,SN1ולכן קשה עד בלתי אפשרי להגיב כהל ראשוני – כי הוא יוצר קרבוקטיון ראשוני שהוא לא יציב .לשם כך משתמשים ביון היוד ,טמפרטורה מאוד גבוהה – 200מעלות – וחומצה חזקה מאוד .משמעות הדבר היא שהתהליך מסוכן מאוד ,ודורש תנאים מוגנים מאוד. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 176 כהל שניוני וכהל שלישוני עוברים גם הם התמרה מטיפוס ;SN1הם הולכים דרך קרבוקטיון .השניוני פחות יציב ,ולכן מגיבים אותו עם HIאו HBrבחום – אבל לא כה גבוה – וחומצה בריכוז לא קטן )אבל לא גבוה כמו בראשוני( .גם זו תגובה מסוכנת יחסית. בשלישוני לוקחים את החומר כמעט ללא חימום ומקבלים התמרה בסביבה חומצית פשוטה ללא בעיה. שני המנגנונים הם דרך SN1והמנגנון של הראשוני הוא דרך .SN2 מנגנונים לפני שעושים התמרה צריך לעשות פרוטונציה של ה – OH-אנחנו רואים זוג אלקטרוני LPשל החמצן קושר Hמהחומצה .כך נוצרת קבוצה עוזבת טובה – מים .היות והכהל שלישוני ויש קבוצה עוזבת טובה מקבלים קרבוקטיון בקלות ואז הברום נכנס פנימה לקרבוקטיון )גם הממס יכול להגיב אבל מכיוון שהוא מים לא יקרה כלום(. המסלול משמאל לימין הוא ,SN1עובר בקרבוקטיון ,ולכן צריך לקחת בחשבון שחלופים. הפיצול מטה הוא לכיון התגובה ,E1מה קורה למולקולות שעוברות E1מהקרבוקטיון .הללו הופכות לאלקן ,אבל האלקן הזה בסביבה של ריכוז HBrגבוה יגיב בתגובת סיפוח של אלקנים – מה שייתן במילא את אותו התוצר הסופי .שתי התגובות – התמרה ואלימינציה – נותנות אותו תוצר סופי. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , הרצאה :17משפחת הכהלים והאתרים 177 עם הכהל הראשוני ,אנחנו עוברים התמרה מטיפוס ,SN2ולו רק כי קשה ליצור קרבוקטיונים ראשוניים. עושים פרוטונציה לחמצן ,מקבלים מים כקבוצה עוזבת ,ועכשיו צריך נוקליאופיל חזק שיגרש את המים ויתחבר לפחמן באותו הצעד .כך תתקבל ההתמרה .התהליך קשה ודורש ריכוזי חומצה והלוגן גבוהים וטמפרטורות גבוהות .מאוד לא מומלץ לנסות לבד. קטליזה בעזרת אבץ-כלוריד הבעיה העיקרית של התגובות היא החימום; לכן כימאים אורגנים פיתחו זרזים שיאפשרו את התהליכים במהירות סבירה גם בטמפרטורות נמוכה .אחד הזרזים האלה היא ריאגנט לוקאס .ריאגנט זה מכיל תמיסה של HClוהמלח אבץ-כלורי ).(ZnCl2 האבץ הוא הקטליזטור של הריאקציה :הוא מזרז תהליכי .SN1משום כך ניתן לקחת כהל שניוני או שלישוני ,לטפטף לתוכו את הזרז ,ולקבל ללא חימום את ההתמרה במהירות סבירה .לעומת זאת ,זה לא משפיע כהוא זה על תהליך SN2שעובד על כהל ראשוני .משום כך בכהל ראשוני לא מקבלים כלום; אבל רואים תגובה עם שניוני או שלישוני .ניתן להבחין בתגובה כי האלקיל-הליד הוא לא מסיס כמו כהל ולכן התמיסה נעשית עכורה. תגובה עם תיוניל כלוריד עדיין נשארנו עם הבעיה הקשה של להגיב כהל ראשוני ולהפכו לאלקיל הליד; אומנם זה אפשרי אבל רק בתנאים דראסטיים ,מסוכנים שיכולים להרוס חלקים אחרים של המולקולה שניזוקים מהתנאים הקיצוניים .לכן ניסו ליצור תנאים סבירים ובטוחים גם להפיכה של כהל ראשוני לאלקיל הליד. לשם כך מצאו שני ריאגנטים ,כאשר הראשון בהם הוא תיוניל כלוריד .כהל ראשוני עם תיוניל כלוריד, וחימום קל ל 30-50-מעלות ,מקבלים מספר תוצרים – כשזה שמעניין אותנו הוא אלקיל הליד. לפיכך לרוב משתמשים בריאגנט הזה לתגובה :הוא בטוח ,קל לשימוש ולא דורש תנאים קיצוניים .הוא עובד גם על כהל שניוני אבל לא על כהל שלישוני. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 178 מבחינת מנגנון ,התיוניל כלוריד משמש במקום הפרוטון ,הופך את הקבוצה העוזבת הגרועה לטובה :כלור אחד ומימן יוצאים מהחומר כ HCl-והגופרית מתחברת את החמצן של הכהל .כתוצאה מכך קבוצת ה- OHהופכת לקבוצה הענקית עם החמצן ,הכלור והגופרית .זוהי קבוצה עוזבת טובה מאוד .בצורה זו הפכנו את OHלקבוצה עוזבת טובה ,שהיא לא מים. כעת כל נוקליאופיל יכול לתקוף ואנחנו מקבלים אלקיל הלידים ראשוניים או שניוניים. הריאגנט השני הוא מלח זרחן PBr3 .או PCl3גם כן מאפשרים יצירת אלקיל הלידים מהירה עם כהל ראשוני .התגובה דומה למה שקורה עם תיוניל-כלוריד. במבחן ,אם מקבלים כהל ראשוני וצריך להפוך אותו לאלקיל הליד כדי להמשיך הלאה ,למשל ליצור גריניארד ,אזי צריך להפוך את הכהל הראשוני לאלקיל הליד .השיטה היא ציוניל כלוריד או .PBr3כל תשובה אחרת לא תתקבל! הפיכת כהל לאלקן תהליך זה הוא תהליך אלימינציה E1 ,או .E2גם אלימינציות צריכות קבוצה עוזבת טובה ,ולכן גם תהליך זה מתבצע בסביבה חומצית .אולם תהליך קבלת האלקן מכהל הוא תהליך שבו יוצא מפחמן אחד H ומפחמן שני – OHיצאו מים )תהליך ייבוש – דהידרציה(. התהליך נעשה בסביבה חומצית; אבל יש כאן בעיה :אם לוקחים אלקנים בסביבה מימית עם חומצה אנחנו מקבלים סיפוח של מים שנותן כהל – אז למה יש חץ אחד ,שהרי זו תגובת שיווי משקל? זה אכן תהליך כזה ,וזו עובדה בעייתית .אם אנחנו מעוניינים שהתוצר העיקרי יהיה אלקן ולא יחזור אחורה צריך להפעיל שיקולי לה-שטלייה .אם נרצה תוצר עיקרי של אלקן ,צריך לדחוף את הריאקציה ימינה על ידי סילוק מים – מניעת הגעה לשיווי משקל. אם רוצים לקבל כהל מאלקן מוסיפים הרבה מים. בעיית הייבוש שונה בכהלים מדרגות שונות: • כהל שלישוני – עובד מהר ,אפילו ללא חימום. • כהל שניוני – צריך ריכוז גבוה מאוד של חומצה חזקה – 75%חומצה גופרתית ,ועוד בטמפרטורה גבוהה של 100מעלות .מולקולות רגישות לא שורדות את התהליך – אם לכהל יש קבוצות אחרות למשל. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , הרצאה :17משפחת הכהלים והאתרים • 179 כהלים ראשוניים צריכים תנאים קיצוניים ,לא מעשיים. מה זה אומר? משמעות הדבר היא שאם השלישוני מגיב יותר טוב מראשוני ,ברור שזה מנגנון שעובר דרך קרבוקטיון .כלומר שזה מנגנון .E1 בתגובה רואים כהל שלישוני שמגיב בממס פולארי לא פרוטי .המימן יוצא מאחד הפחמנים השכנים לפחמן הכהלי ,והתוצר העיקרי מתקבל לפי תוצר זייצב .המנגנון הוא מנגנון של E1עם ההבדל שצריך להפוך את הקבוצה העוזבת לקבוצה עוזבת טובה ,על ידי פרוטונציה של .OH כדי למנוע חזרה אחורה צריך לסלק את התוצרים – כלומר להטות לפי שיקולי לה-שטלייה. הגרדיינט מראה את יעילות הדהידרציה בין סוגי הכהלים – שלישוני טוב משניוני ושניוני טוב מראשוני. בראשוני ,אם בכלל קורה משהו ,התגובה היא E2ולא ,E1כי קשה ליצור קרבוקטיון .גם כאן יש פרוטונציה של ה ,OH-ואז בסיס חזק קורע את ה H-ובו זמנית נוצר הקשר הכפול יחד עם עזיבת הקבוצה .הבעיה היא שרוב הבסיסים הם נוקליאופילים ולכן ברוב המקרים נקבל התמרה ולא אלימינציה. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום 180 כימיה אורגנית סיכומים חימצון כהלים התגובה האחרונה של כהלים היא תהליכי חימצון .כהלים מתחמצנים בקלות .ככל שלפחמן יש יותר קשרים עם חמצן ,הוא מחומצן; ככל שיותר עם מימנים – הוא מחוזר .המעבר ממחומצן למחוזר הוא חיזור וההיפך הוא חימצון. אם מחמצנים כהל ראשוני הוא יכול להפוך בשלב הראשון לאלדהיד ,וברוב המקרים זה ממשיך הלאה לדרגה מחומצנת יותר – חומצה קרבוקסילית .הבעיה העיקרית היא לעצור באמצע ,שאת זה נראה בהמשך. כהל שניוני מחמצנים והוא הופך לקטון ,שם זה נעצר .כהל שלישוני לא ניתן לחמצן כי חייבים מימן אחד או שניים על החמצן. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :18אלכוהולים – המשך 181 11.05.2010 שיעור :18אלכוהולים – המשך דיברנו כבר על כך שכהלים בריאקציות של כימיה אורגנית מעט דומים לאלקיל הלידים ,מלבד זה שיש להם קבוצה עוזבת גרועה ,שאנחנו צריכים להמיר לקבוצה טובה על מנת לעשות התמרה או אלימינציה. תגובות חימצון כהלים יכולים לעבור חימצון – ניתן לחמצן כהל ראשוני או שניוני.9 חימצון של כהלים ראשוניים ניתן להשתמש במחמצנים שונים ,אבל הכהל הראשוני הוא בעייתי כי הוא יכול לעבור שני שלבים: • בשלב ראשון החימצון העדין הופך אותו לאלדהיד. • בהמשך הוא הופך לחומצה קרבוקסילית. הכימאים חיפשו למעשה משהו שיחמצן אותו רק עד אלדהיד .חומר זה הוא פירידיניום כלורו-כרומאט ) .(PCCהספרות מעלה שתי סיבות אפשריות לכך שחומר זה לא הולך עד חומצה קרבוקסילית: • יש לו זיקה לקבוצה כהלית יותר מלקבוצה אלדהידית. • זו ריאקציה שנעשית בלי מים ולכן השלב השני של החימצון לא מתרחש. בין אם זה כך או כך ,זהו המחמצן שהופך כהל ראשוני לאלדהיד; כל מחמצן אחר יהפוך את הכהל הראשוני לחומצה קרבוקסילית. חימצון של כהלים שניוניים כהל שניוני הופך להיות קטון .שימו לב שהקשר הכפול במבנה הטבעות של טסטסטורון לא נפגע בתגובה – כי זה חימצון עדין )המחמצן KMnO4למשל כן היה פוגע בו(. 9יש ריאקציות עקיפות לחימצון כהל שלישוני ,אך אנו לא נעמיק בהן. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום 182 כימיה אורגנית סיכומים אתרים אתר הוא נגזרת של כהלים שבה למעשה יש שתי קבוצות Rהמחוברות ל .O-זה דומה בכך גם למולקולת המים רק שהזווית בין הקבוצות יותר גדולה כי הקבוצות יותר גדולות מבחינה נפחית. המולקולה הזו היא פולארית משום שהחמצן שלילי יותר מאשר הפחמנים. מכיוון שהמולקולות פולאריות יש לכך השפעה על כוחות המשיכה ביניהם :אתרים רותחים בנקודות יותר גבוהות מאלקאן או אלקן .אבל אין כאן קשרי מימן ,כי אין מימן שקשור לחמצן או חנקן שיכול לתת קשר מימן עם החמצן ,זאת להבדיל מכהלים )ולכן הם לא עוברים בטמפרטורות הרתיחה שלהם כהל מקביל מאותה מסה(. דבר נוסף שניתן לומר הוא שהאתרים הם מסיסים במים ,כי החמצן כן יכול ליצור קשרי מימן עם המימנים של המים – וכך ניתן למוסס אתרים קטנים בתוך מים; קבוצות Rגדולות יפריעו לכך מטעמי הידרופוביות. נקודות רתיחה כאשר משווים נקודות רתיחה של אתר מול אלקאן בעל משקל דומה ,רואים שלאתר יש נקודת רתיחה יותר גבוהה מאלקאן אבל היא לא מגיעה לרמות של כהל. נומנקלטורה של אתרים השיטה הפשוטה ביותר היא לתת שם לפי שתי הקבוצות משני צידי החמצן, ובסוף להוסיף את המילה .ether שיטה זו היא שיטת ה.IUPAC- לחומרים אלו יש גם שמות קלאסיים, כמו .Anisoleבאתרים ציקליים למשל שבהם החמצן הוא חלק מטבעת ,יש גם שמות קלאסיים כמו ה.THF- חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :18אלכוהולים – המשך 183 מתן שמות לאתר שייר כאשר האתר הוא שייר של השרשרת הראשית, אנחנו יכולים לתת לו שם שייר הנגמר בסיומת ,oxyכמו .methoxy סינתזה של אתרים השיטה הידועה ביותר היא סינתזת וויליאמסון :תגובה של ROעם אלקיל הליד לקבלתהוספה של האלקיל לחמצן. תגובות של אתרים אנו לא נכנסים לעומק של תגובות האתרים ,אבל אנחנו יכולים לראות תגובה אחת שהיא דומה מאוד לזו של כהל .אתרים יכולים לשמש כבסיסים שקולטים - H+החמצן עובר פרוטונציה ואז למעשה במקום אתר שניוני אנחנו יכולים לקבל כהל שניוני .התהליך הזה הוא הפיך ותלוי בריכוז המגיבים מול התוצרים ובשיווי המשקל ביניהם. ואולם ,יש בעיה :הרי כל אחת מזרועות ה O-נחשבת כ;R- כשאנחנו עושים פרוטונציה לחמצן אנחנו צריכים להחליט מיהי הקבוצה העוזבת .תוצר הביניים הוא תוצר שיש לו קבוצה עוזבת טובה שניתן לסלק עם נוקליאופיל – בין אם על ידי SN2או .SN1הקביעה בנוגע למקום שבו יישבר הקשר נובעת מאופי הנוקליאופיל ,כי רוב התגובות האלה הן התמרה מטיפוס .SN2הנוקליאופיל יתקוף את הפחמן הכי חשוף ולכן הוא יתקוף את הפחמן הפחות מותמר ,שפחות מופרע מרחבית. אין בריאקציה הזו דבר ששונה מכהלים ,אלא העובדה שכאן זה ROולא .OH החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 184 אתרים ציקליים ואפוקסידים עולם האתרים רחב מאוד במיוחד בתגובות ביולוגיות; אתרים ציקליים הם מפורסמים במיוחד בתור ממסים ,כמו הדיאוקסן או ה .THF-האתרים הציקליים הם אתרים לכל דבר ואפשר לעשות איתם אותן תגובות ,אולם פרוטונציה למשל פשוט פותחת את הטבעת. היחיד ששונה באתרים הציקליים הוא אתר ציקלי של טבעת משולשת .טבעת כזו היא תמיד בעייתית ,ובין האתרים הציקליים הן מכונות אפוקסידים .טבעות אלו שונות מטבעות אתריות רגילות, ויש להן כימיה משלהם. תיולים וסולפידים שתי קבוצות אלו מופיעות לעיתים בביוכימיה ,ומה שלמדנו בכהלים ואתרים דומה בתיולים ובסולפידים. תיול הוא למעשה אלכוהול שבמקום Oיש לו אטום גופרית ;Sסולפיד הוא המקביל הדומה לאתר. ההבדל העיקרי הוא שהקשרים ביניהם פחות פולאריים וכן שגופרית ,בהיותו אטום גדול ,יש לו אפילו קשיים גדולים יותר ביצירת קשרים .משום כך בעוד שכהלים הם נוזלים ,תיולים הם נדיפים; עוד דבר שניתן לציין הוא שהם חומרים מסריחים בצורה בלתי רגילה.10 נומנקלטורה של תיולים מבחינת נומקלטורה ,בתיולים פשוט נותנים סיומת thiolבמקום olשניתן לכהלים .יש שם נוסף שנפוץ בספרות והוא תוספת הקידומת .Mercaptoהסיבה היא שלחומרים אלו יש נטייה להגיב עם כספית, והמילה "מרקאפטו" משמעותה בלאטינית "תופס כספית" .למשל Ethanethiolמכונה גם Mercaptoethanolכי הוא "אתנול שתופס כספית". נומנקלטורה של סולפידים הסולפידים, המקבילה כאמור, של הם האתרים ומבחינת השמות הם כמו אתרים רק במקום הוספת הסיומת ether מוסיפים .sulfideבסיומת של שייר במקום oxyנותנים סיומת .thio 10זה כנראה משהו מאוד טראומטי ,כי עוד לא נולד הכימאי שלא טורח לציין עובדה זו .לא חשובה למבחן ,אבל חשובה לעתיד: זו תכונה מצלקת נפשית ,ככל הנראה. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :18אלכוהולים – המשך 185 חומצות האמינו ,חלבונים והקשר שלהם לתיולים וסולפידים אנחנו יודעים שיש חומצות אמינו עם סולפידים – ציסטאין למשל .הריאקציה הבאה ,של חימצון תיולים לסולפידים ,מוכרת לנו כבר מחלבונים. אנו יודעים שאם נגיב תיול עם יוד יהיה תהליך של חימצון חיזור :תיול יעבור חימצון והיוד חיזור, והתוצר יהיה קשר קוולנטי של שני סולפידים – קשר המוכר כקשר דיסולפידי ,קשר .SS יחד עם זאת יש לזכור כי אפשר לחזר דיסולפידים ולהחזיר את התהליך אחורה. מציאת מסה של חלבונים דורשת פירוק קשרי דיסולפיד התהליך שעושים בכל המעבדות בעת הפקת חלבונים ואיפיונם ,כלומר למידה על משקל מולקולארי וזיהוי החלבון ,הוא הרצה בג'לים של .SDS החלבונים נודדים בג'ל עם שדה חשמלי ולפי מרחק הנדידה אפשר לדעת מה המסה הסדימנטית שלהם ) .(Sמסה זו משתנה לפי הצורה המרחבית של החלבון – כלומר מבנה שלישוני ורבעוני. כדי לנטרל השפעה של מבנה ,מטפלים בחלבון בחומרים שתחילה מפרקים קשרי מימן ,ולאחר מכן מחזרים את כל קשרי הדיסולפיד כך שלכל החלבונים יש אותה צורה יחסית לינארית וניתן להשוות ביניהם לפי מרחק הנדידה. תהליך שבירת הקשרים הריאקציה שלרוב עושים היא לקחת את החלבון ,שמכיל קשר דיסולפיד בין שני חלקים של השרשרת ומוסיפים מנה כפולה של מרקאפטואתנול ).(2CH3CH2SH שתי מולקולות המרקאפטואתנול מחוזרות למעשה על ידי הקשר הדיסולפידי, כך שלמעשה הקשר הדיסולפידי נפתח ל SH-בודדים והמרקאפטואתנול הופך לסולפיד. כאשר מוציאים את כל התנאים האלה שמבטלים את הקשרים, חלבונים לא גדולים ולא מורכבים מדי יכולים להתקפל חזרה בדיוק למבנה השלישוני הנכון .בחלבונים גדולים ו/או מורכבים זה יותר קשה. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 186 שיעור :18תרכובות קרבונילים תרכובות אלו חשובות מאוד מבחינה ביולוגית ,והן משפחה שמכילה קשר כפול לחמצן .הראשונים במשפחה זו הם האלדהידים והקטונים. אלדהידים וקטונים כבר ראינו בעבר את הקבוצות האלה כתוצרים למשל של תגובות חימצון; אולם כעת ניכנס לעומק המשפחה כי רבות מהתגובות הן תגובות של תרכובות קרבוניליות. הטבלה הבאה נותנת דוגמאות של משפחות קרבוניליות .השורה הראשונה היא הקבוצה שתמיד מוזכרת בנשימה אחת – קטונים ואלדהידים – שנבדלות בעובדה שבאחת יש שייר Rובשנייה .Hשני אלו שונים מארבע הקבוצות האחרות; ההבדל העיקרי הוא שכל זרוע שקשורה לפחמן קשורה לקבוצה האלקיל כך שבתנאים מסויימים האלקיל הופך להיות קבוצה עוזבת .משום כך ,כל ארבעת הקרבונילים האלה מאופיינים בריאקציות של התמרה. קבוצות אלו ,בשורה השנייה והשלישית ,מאוד דומות בתגובות הכימיות שלהן ,ולכן הם מכונים "תרכובות קרבוקסיליות" .ואולם ,באלדהידים וקטונים אין קבוצה עוזבת טובה .משום כך הריאקציות שלהם הן לא התמרה כי אם סיפוח :נוקליאופיל שתוקף מתחבר ושום דבר לא עוזב. בקבוצות הקרבוקסיליות אפשר תמיד לעבור בין קבוצות; באלדהידים וקטונים לא – יש רק סיפוחים. התמונה הבאה מציגה סוגים שונים של קרבונילים שיש להם קבוצות עוזבות טובות. שימו לב שאמידים הם קרבונילים עם מתמיר אמין; זאת להבדיל מאמינים, שהם ללא החמצן. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :18תרכובות קרבונילים 187 תכונות הקבוצה הקרבונילית מריבוי הצבעים באיור הבא ניתן להבין שיש לקבוצה הזו הרבה מאוד איזורים שיכולים להגיב עם כל מיני חומרים מן החוץ: • הקשר הכפול – קשר של קשר סיגמה וקשר פאי .הקשר מקוטב מאוד וכתוצאה מכך הפחמן של הקרבונילי נתון להתקפה של נוקליאופילים .מסיבה זו חלק גדול מתגובות הסיפוח או ההתמרה נעשות מהתקפה נוקליאופילית ישירה על הפחמן. • החמצן הוא שלילי ,ולכן הרבה פעמים הוא מושך אליו אלקטרופילים ,כאשר המפורסם בהם הוא הפרוטון .H+ • שני הפחמנים משני צידי הפחמן הקרבונילי )באלדהיד יש רק פחמן אחד( .פחמנים אלו מוכרים כפחמני ,αוהם חיוביים מעט עקב אינדוקציה מצד הדלתא של הפחמן הקרבונילי. • מימני αהם גם קצת חיוביים וכתוצאה מכך הם קצת חומציים .משמעות הדבר היא שבסיס חזק יכול לסתור את המימנים האלה ולתלוש אותם ,וזוהי משפחה אחרת של תהליכים )כמו אלימינציה(. כזכור ,לפעמים אותו חומר יכול להיות גם נוקליאופיל טוב וגם בסיס טוב ,ולכן קשה לדעת מה יתקבל יותר. נומנקלטורה • המיספור מתחיל באופן כזה שהפחמן הקרבונילי יקבל את המספור הכי נמוך. • השרשרת הראשית היא השרשרת הארוכה ביותר שמכילה בתוכה את הפחמן הקרבונילי. • אלדהידים, הפשוטים לפחות, מקבלים את הסיומת .alשימו לב שקבוצה אלדהידית חייבת להיות בקצה ,אחרת היא קטון. מכיוון שהתרכובות האלו מצויות בטבע והן ידועות מזה מאות שנים ,יש להן גם שמות קלאסיים – אתאנאל הוא אצטאלדהיד ,וכך כולם קוראים לו. דוגמאות נוספות מובאות באיורים משמאל. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 188 • אם יש שתי קבוצות אלדהידים המולקולה מקבל את הסיומת .dial • בקטונים ,הסיומת המתקבלת היא oneאו ) dioneאם יש שני פחמנים קרבוניליים( והמיספור מציין את מקום הפחמן הקרבונילי. • לקבוצה קרבונילית יש עדיפות על קבוצה של קשר כפול. סינתזה של אלדהידים וקטונים חימצון עדין של כהלים בתגובה הבאה אנחנו יכולים לראות יצירה של אלדהידים על ידי חימצון עדין של כהל ראשוני בעזרת ) PCCבלבד ,כי אחרת זה יוצא חומצה קרבוקסילית( .שימו לב שאם יש עוד קבוצה של קשר כפול למשל שיכולה להיות מחומצנת יש גם סכנה ,כי היא יכולה להגיב ,אבל בעזרת PCCנפטרים מהבעיה. להכנה של קטונים מחמצנים כהלים שניוניים .אם אין קבוצות רגישות אחרות אפשר לחמצן עם איזה מחמצן שרוצים. אוזונוליזה של אלקנים שיטה נוספת היא על ידי אוזונוליזה של אלקנים .באוזונוליזה ,נשבר הקשר הכפול ונוצר קטון או אלדהיד מכל אחד מפחמני הקשר הכפול ,בתלות באופי בזרועות האחרות שלהם. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :18תרכובות קרבונילים 189 טאוטומריה – סיפוח מים לאלקינים לוקחים אלקין ומספחים לו מים בקטליזה חומצית; התוצר הראשוני אינו יציב והוא הופך לקטון .אם נעשה סיפוח מים אנטי-מרקובניקוב נקבל אלדהיד. התגובות של קטונים ואלדהידים חימצון של אלדהידים אלדהידים ניתנים לחימצון; קטונים אינם ניתנים לחימצון. באופן כללי צריך לבדוק האם לפחמן שאמור לעבור את החימצון-חיזור יש מימנים שיכולים להתחמצן; מכיוון שבקטונים אין מימנים לא ניתן לחמצן אותו. חימצון של אלדהיד הופך אותו לחומצה קרבוקסילית ,כפי שראינו שקורה לאלכוהולים .אלדהיד הופך לחומצה קרבקוסילית בקלות רבה כל כך שהוא זכה לכינוי "חומר מחזר". ריאגנט טולן ישנם תהליכים שמנצלים יכולת זו, ואחד החומרים שמעודד זאת הוא ,Ag2Oמלח כסף .שמים אותו במים עם אמוניה ומוסיפים את החומר שרוצים לבדוק אם הוא אלדהיד .אם הוא אלדהיד ,מתרחשת הריאקציה הבאה ,שבה נוצרת שכבה דקה של משקע כסף; אם אין אלדהידים לא מתרחש כלום ,כי החומר יודע לחמצן כמעט רק אלדהידים ולא שום דבר אחר. תודות למשקע כסף משתמשים בשיטה זו לזיהוי קבוצות בכימיה .הריאגנט הזה מפיק לנו לכאורה מראת כסף בתחתית הכלי ,והוא מכונה .Tollens Reagentזהו למעשה מבחן לנוכחות קבוצה אלדהידית .אולם זהו ריאגנט יקר ,והערכות של התגובה יקרות ,ולכן הוציאו אותו ממשרד החינוך .כתחליף משתמשים ב- .Fehling Reagent החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 190 ריאגנט פלינג מגיבים את האלדהיד עם נחושת ,מים וחומצה טרטרית .האלדהיד הופך לחומצה קרבוקסילית ויוני הנחושת, שהם בעלי צבע כחלחל וצובעים את התמיסה ,יוצרים בתגובה מלח קשה תמס אדום וכך ניתן להבחין בו בתגובה. חיזור – הוספת מימן כאשר חומר עובר חיזור ,לרוב על פי הגדרה מה שקורה הוא שהחומר לוקח אלקטרונים מהמחזר .השאלה היא האם אלדהידים וקטונים יכולים לעבור חיזור. בכימיה אורגנית ,הדרך הנפוצה ביותר לחזר חומר היא להוסיף לו מימן עם שני אלקטרונים – H- )הידריד( .הסיבה היא שההידריד הוא למעשה נוקליאופיל ,היונים תוקפים את הפחמן ונוצר קשר עם הפחמן בעזרת האלקטרונים של ההידריד .הפחמן מנתק את קשר פאי לחמצן ,החמצן הופך להיות בעל מטען שלילי ,ואז הוא לוקח מימן )פרוטון הפעם( מהמים ,והופך להיות כהל. בצורה כזו הפחמן ,שהיה קטון ,הופך להיות כהל בעל מימן .מוסרי המימנים ,המחזרים הטובים ,הם LiAlH4והחומר .NaBH4הריאקציה של ליתיום-אלומיניום היא יותר אקסותרמית ,יותר חזקה ,ובמגע עם מים יכולה לגרום לפיצוצים ,לכן בטוח יותר לעבור עם סודיום-בורון. מחזרים קטונים או אלדהידים ומקבלים למעשה כהלים .אבל זה ברור ,כי חימצון של כהלים נותן אלדהידים וכהלים. דוגמה :ניתן לראות שאלדהידים שעוברים חיזור נותנים כהל ראשוני בעוד שקטונים שעוברים חיזור נותנים כהל שניוני .שוב ,זה הגיוני כי חימצון של כהל ראשוני נותן אלדהיד וחימצון של כהל שניוני נותן קטון – אלו תגובה והיפוכה. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :18תרכובות קרבונילים 191 תגובות סיפוח נוקליאופיליות בתגובות אלו ,שהן לאו דווקא חימצון חיזור ,מדביקים לפחמן הקרבונילי מתמיר שונה ומקבלים חומר חדש .הריאקציות הבאות משתנות אחת מהשנייה לפי אופי הנוקליאופיל – כל תוצר מקבל קבוצה פונקציונאלית )או לא( בהתאם לאופי הנוקליאופיל. הנוקליאופיל תוקף את הפחמן ,מתקבל תוצר ביניים טטראדרלי עם מטען שלילי על החמצן ,ואז בשלב השני והמהיר של התגובה מתקבלת פרוטונציה של החמצן .התוצר נראה כמו תוצר ריאקציה של סיפוח. פעמים רבות ,כדי לזרז את הריאקציה הזו ,משתמשים בסביבה חומצית. בסביבה זו H+ ,תוקף את החמצן. כתוצאה מכך מתקבל תוצר הביניים הבא :כעת לחמצן יש מטען חיובי ,אבל למעשה עיקר המטען החיובי נמצא בפחמן ,תודות לרזוננס של זוג אלקטרוני פאי של הקשר הכפול אל החמצן ,מה שמפרק זמנית את הקשר ונותן מטען חיובי לפחמן. יחד עם זאת אנו רואים שהתוצאה היא תוצאה זהה ,תוצר סיפוח; יש בעיה עם קטליזה חומצית כי נוקליאופילים מאבדים את יכולתם בסביבה כזו – כי רובם הם גם בסיסיים ,ואז עשויים להגיב בתגובת סתירה עם הסביבה החומצית. אלקטרופיליות של אלדהידים וקטונים למרות שהם עוברים תהליכים דומים ,אלדהידים יותר פעילים מקטון .יש לכך שתי סיבות: • ייצוב המטען החיובי – אנחנו יודעים שבקרבוקטיון ,ככל שהוא יציב יותר כך הוא נוטה להיווצר .אולם קרבוקטיון הוא תוצר ביניים; מה עם התוצרים הסופיים? מכיוון שקטונים בעלי יותר קבוצות התמרה על הפחמן הקרבונילי הרי שהוא יציב יותר ,פחות פעיל. • הריאקציות עד כה היו התקפות נוקליאופיוליות על הפחמן הקרבונילי .ככל שהסביבה הזו יותר מופרעת ,יהיה יותר קשה לתקוף והחומר יהיה פחות נתון לתגובה .בדומה לשיקולים שראינו גם באלקיל-הלידים ,אנו יכולים לסווג את התגובה ופעילותה לפי סוג האלדהיד או הקטון. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 192 ריאגנט גריניארד ותרכובות קרבוניליות ריאגנט גריניארד יוצרים מאלקיל-הלידים – לא משנה אילו .כאשר מגיבים אותם עם מגנזיום וללא מים מקבלים את הריאגנט .כל הריקאציות של גריניארד הן כדלקמן: • תגיב ללא מים בהתחלה. • תוציא את המים לקראת סיום. אם נשים את המים בהתחלה ,הריאגנט יהפוך לאלקאן בו אנו לא מעוניינים. תגובה עם קטונים ואלדהידים תרכובת קרבונילית כלשהי מסונתזת בשלבים הבאים: • בשלב ראשון שמים ממס פולארי לא פרוטי ,ואז הריאגנט מגיב. • בשלב השני שמים מים ואז נוצר כהל .המיוחד בכהל זה הוא קשר בין שרשרת Rשהייתה בריאגנט, שעכשיו עברה לכהל .זוהי ריאקציה שמאפשרת לנו סינתזה והארכת שרשרות. כדי לקבל ריאגנט גריניארד חייבים אלקיל-הלידים .צריך ליצור את הריאגנט ,ולא יתקבל במבחן אם לא כותבים את הסינתזה שלו לפני שמשתמשים בו! תגובה של פורמאלדהיד נותנת כהל ראשוני; תגובה עם אלדהיד כלשהו עם ריאגנט גריניארד תחבר בין הפחמן הקרבונילי לפחמן של המגנזיום ,שהוא נותן לנו כהל שניוני .כאשר מגיבים את התגובה עם קטון, אנחנו מקבלים כהל שלישוני. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :18תרכובות קרבונילים 193 דוגמאות נוספות לתגובה: סיכום זוהי אחת השיטות הטובות ביותר להשגת תרכובות גדולות ומורכבות על ידי חיבור שתי שרשרות .אחר כך ניתן לסלק את הקבוצה הכהלית. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 194 תגובה עם כהלים ליצירת המיאצטאל תגובה זו מתרחשת בין אלדהידים וקטונים לבין כהלים .כהלים הם חלשים מכדי להגיב עם אלקיל הלידים ,אבל באלדהידים וקטונים הפחמן יותר פעיל ,יותר חיובי ,מאלקאן רגיל. כאשר מגיבים אלדהיד או קטון עם כהל בסביבה חומצית )חובה!( ,הכהל תוקף את הפחמן הקרבונילי ,החמצן הופך לקבוצה OHכהלית, והשייר שנדבק בצד השני של הפחמן הקרבונילי הוא ' .ORהתוצר הוא מעין חצי-אתר וחצי- כהל .חומר זה מכונה המי-אצטאל. הבעיה היא שאם מגיבים כך עם קטון במקום אלדהיד ,מקבלים תרכובת שונה מעט – שבה במקום Hיש לה עוד .Rברוב הספרים קוראים לזה המיקטאל ,אבל מקמארי לא עושה את ההבדלה הזו – שם הכוונה בהמיאצטאל היא לכל תרכובת עם קשר ל OH-וקשר ל.OR- יצירה של אצטאל מהמיאצטאל מה יקרה אם ניקח את ההמיאצטאל ונשים עודף כהל? בעודף כהל הקבוצה OHתעזוב ובמקומה נקבל עוד קבוצה של – ORכלומר שתי קבוצות אתרים משני צידי הפחמן הקרבונילי )לשעבר( .הפחמן הזה שיש לו שתי קבוצות אתריות מצידיו הוא אצטאל או קטאל )אם מקורו בקטון ולא אלדהיד(. הבעיה עם התגובה היא שיש בה שיווי משקל; אם האצטאל הוא התוצר שאנו מבקשים לקבל צריך לסלק את המים .אם רוצים לקבל את הקטון צריך לסלק את החומצה. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :19תרכובות קרבוניליות – קטונים ואלדהידים – המשך 195 12.05.2010 שיעור :19תרכובות קרבוניליות – קטונים ואלדהידים – המשך מנגנון ליצירת המיאצטאל ואצטאל בתמיסה חומצית המימן של החמצן נהיה חומצי יותר ,וכך הכהל יכול לשמש כנוקליאופיל .החמצן נקשר לפחמן ,המימן מהחמצן עובר לממס ,ואנחנו מקבלים את התוצר שלנו. אנו משתמשים לרוב בחומצות שהאניון שלהן הוא לא נוקליאופילי במיוחד. אם נחזיק את ההמיאצטאל בתמיסה שרובה כהל ויש בה פרוטונים ,יכולה להתרחש פרוטונציה של החמצנים; פרוטונציה של הקבוצה עם האצטאל תחזיר אותנו אחורה .אבל פרוטנציה של הקבוצה OH תיצור מים כקבוצה עוזבת ,וזו קבוצה עוזבת טובה. בשלב הזה המטען החיובי עובר לפחמן המחובר לאצטאל ,ואז נוקליאופילים יכולים להגיב .אם הנוקליאופיל הוא כהל ,הוא יכול להיכנס לאותו הפחמן .בצורה זו מתקבל מהמי-אצטאל אצטאל מלא )או קטאל מלא(. הדרך היחידה לוודא שהאצטאל הוא התוצר העיקרי היא לפעול בסביבה עם כמה שפחות מים – אם יש הרבה מים ופחות כהל התגובה תלך לכיוון ההמיאצטאל או אפילו קטון. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 196 אם יש לנו אצטאל ורוצים לשמור אותו בסביבה מימית בכל זאת ,חייבים לשמור אותו בסביבה מימית בסיסית כי על מנת לחזור אחורה הוא צריך סביבה חומצית; אבל סביבה בסיסית לא תאפשר לו לחזור אחורה. השימושים של אצטאל למולקולה הזו יש מקבילות חשובות מאוד בביוכימיה – סוכרים DNA ,וכולי עוברים תהליכים אצטאליים. כמו כן ,זהו מנגנון טוב להגנה על קבוצות קרבוניליות של קטונים מפני שינויים שאנחנו רוצים שייפגעו בקבוצות אחרות בעלות אופי דומה ,בשל תכונת שיווי המשקל של התגובה. אם נניח שאנחנו רוצים לחזר אסטר עם אלדהיד ,אנחנו יודעים שאותם חומרים מחזרים את שתי הקבוצות; לכן אנחנו הופכים את הקטון להמיאצטאל תחילה ,אז מחזרים ואז מחזירים אחורה בתגובה שיווי משקל פשוטה. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :19תרכובות קרבוניליות – קטונים ואלדהידים – המשך 197 התופעה הביולוגית – סוכרים הם המיאצטאלים כשלוקחים חד-סוכר מחמישה או שישה פחמנים ,כמו שמופיע בטבע, הם נמצאים בשיווי משקל בין מצב טבעתי או לינארי ,כאשר קבוע שיווי המשקל הוא לטובת הטבעות .איך מסבירים את התהליך? הפחמן הראשון בגלוקוז הוא אלדהידי וכל שאר הפחמנים הם סוג של כהלים. התגובה שמביאה לסגירה של הטבעת היא תגובה בין הידרוקסיל של פחמן 5 לאלדהיד של פחמן .1 כאשר זה נסגר ,אם נסתכל על פחמן ,1אנחנו רואים שהוא קשור לOH- מחד ול OR-מאידך .זוהי בדיוק ההגדרה של המיאצטאל. באיור משמאל למטה מופיע המנגנון. תהליך פרוטון טרנספר :אנחנו יכולים לראות בשלב הביניים הראשון שמפחמן מספר 6יוצא פרוטון ולחמצן של פחמן מספר 1נכנס פרוטון .כך למעשה יש מעבר של פרוטון .תהליך זה מכונה" Proton "Transferואנחנו נראה אותו שוב בהמשך. פולימריזציה של סוכרים היא יצירת אצטאלים מהמיאצטאלים כאשר שתי טבעות כהליות מתחברות ,למעשה יש חיבור של פחמן המיאצטל אשר מגיב עם אחד מהפחמנים שמחזיקים OH בסוכר השני .הקשר המחבר ביניהם ,הקשר הגליקוזידי ,הוא בסך הכל אצטאל :קיבלנו פחמן שיש לו שתי קבוצות אתריות. בסוכרים יש את שני התהליכים: • סגירת סוכר לטבעת זה יצירה של המיאצטאל. • התחברות בין שני סוכירם היא תהליך יצירה של אצטאל. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 198 תגובות של קטונים ואלדהידים -המשך סיפוח נוקליאופילי של מים :הידרציה אם אלהידים וקטונים מגיבים עם אלכוהול ,הרי שהם יכולים להגיב גם עם מים .בתגובה כזו הקטון הופך ל – geminal (gem) diol-שתי קבוצות OHתאומות. לאחר סיפוח המים אנחנו טוענים שהמולקולה נמצאת במצב ממויים )שהכניסו לה מים( .יש שיווי משקל לריאקציית המיום ,והוא נוטה לטובת המצב הקטוני .התרכובת היחידה שבה יש עדיפות למצב הממויים היא הפורמאלדהיד ,האלדהיד הקטן ביותר. בדרך כלל אלדהידים הם יותר ממויימים מאשר קטון; כמו כן ככל שהקטון יותר מסועף ומורכב הוא נוטה לכיוון הקטוני מאשר לממויים. המנגנון מסתבר שבערך גבה נייטרלי ) (pH=7התהליך איטי מאוד; אולם בערך גבה חומצי – או בסיסי! – הוא מהיר יותר מאשר במצב נייטרלי .לפיכך ניתן לעשות את התהליך בקטליזה בסיסית וגם בקטליזה חומצית. תכונה זו קיימת בתגובות רבות של קטונים ואלדהידים. קטליזה בסיסית )משמאל( בסביבה בסיסית קיימים במים יונים של .OH- במצב זה הנוקליאופיל הוא לא מים אלא הידרוקסיד ,שהוא נוקליאופיל מצויין ,ולכן הריאקציה יוצאת לפועל בקלות ובמהירות. קטליזה חומצית )מימין( בסביבה זו יש הרבה יונים של H3O+ואז יש פרוטונים .יש פרוטונציה של חמצן ,ואז הקרבונילים הופכים לכהלים .הפעם אין לנו נוקליאופיל טוב ,אבל האלדהיד כעת השתפר בתור אלקטרופיל :עקב רזוננס בין המטען החיובי שעל החמצן ,אנחנו מקבלים סיפוח של מים על ידי האלקטרופיל ואז מקבלים ג'ם-דיול. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :19תרכובות קרבוניליות – קטונים ואלדהידים – המשך 199 סיפוח נוקליאופילי של חומצה ציאנית לאלדהידים וקטונים כאשר מגיבים שני חומרים אלו אנחנו מקבלים קשירה של הציאניד לפחמן ו H-שנקשר לחמצן. התוצר הזה ,בשם כללי ,נקרא ציאנוהידרין. בעבר ראינו את החומצה הציאנית בתגובות ,SN2בהן סיפחנו אותה לאלקיל הליד וזה איפשר לנו הארכה של השרשרת הפחמנית בפחמן אחד .עכשיו נכיר את המנגנון של התגובה הזו. מנגנון אנחנו משתמשים בסביבה בסיסית ,כדי שהבסיס יקח את הפרוטון מהחומצה הציאנית ויחשוף יותר יוני ציאן .הציאן תוקף את הפחמן הקרבונילי ומסופח אליו ,קשר פאי נפרד מהחמצן ,החמצן מקבל פרוטון מהתמיסה ואז מתקבל הציאנוהידרין. מבחינת שיווי משקל יש לרוב עדיפות לתוצר על פני המגיב בריאקציה זו. שימושים של ציאנוהידרין אם ניקח את הציאנוהידרין בסביבה חומצית ונחמם את התמיסה )זה סוג חימצון שכמעט לא פוגע בשום דבר אחר( ,אנחנו מקבלים חומצה קרבוקסילית .אם נחזר אותו אנחנו נקבל אמינים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 200 סיפוח נוקליאופילי של אמינים אם לוקחים אלדהיד או קטון ומגיבים אותו עם אמינים – בין שהם אמין ראשוני או שניוני, אך לא אמין שלישוני – הם עוברים את התגובה הבאה. בתגובה אנחנו רואים תופעה מוזרה: עד כה החמצן הקרבונילי הפך ל ;OH-במקום זאת עכשיו נוצר קשר כפול בין פחמן וחנקן )בתגובה עם אמין ראשוני(. חומרים אלו מכונים אימינים ) .(imineבספרים ישנים יותר זה מכונה .schiff-base לעומת זאת אם מגיבים עם אמין שניוני ,אנחנו רואים שיש רק קשר יחיד לחנקן אבל נוצר קשר כפול בין הפחמנים .חומר זה מכונה ,enamineועליו לא נלמד מבחינת מנגנון. מנגנון ליצירת אימינים אמין ראשוני תוקף את הפחמן הקרבונילי .זוג אלקטרונים מהקשר הכפול עוברים לחמצן ,שנושא עכשיו מטען שלילי .על החנקן יש מטען חיובי .תוצר הביניים הזה מאוד לא יציב בגלל המטענים האלה ,ולכן מתרחש תהליך :proton transferאחד מהמימנים שעל החנקן יורד ומתווסף לחמצן. זה התהליך שהכרנו עד כה ,שבו בסופו של דבר קיבלנו משהו שנראה יציב; תוצר הביניים הזה הוא ,carbinol amineוהוא למעשה תוצר ביניים שיכול היה לסיים את המולקולה .הבעיה היא שאם הסביבה היא טיפה חומצית ,הריאקציה ממשיכה הלאה :פרוטונים מהתמיסה עושים פרוטונציה נוספת לחמצן והופכים את קבוצת הכהל לקבוצה של מים ,קבוצה עוזבת טובה. עם העזיבה של הקבוצה ,לפחמן של הקרבוניל יהיה חסר קשר ,ואז החנקן עם זוג האלקטרונים שלו ייצור עם הפחמן קשר כפול .למעשה החנקן דוחף את התגובה הזו ,וזה מתאפשר כי האלקטרונים של החנקן הם בסיסיים. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :19תרכובות קרבוניליות – קטונים ואלדהידים – המשך 201 זהו שלב מוזר ,שלא מוכר לנו מנוקליאופילים קודמים .לאחר שנוצר הקשר הכפול ,החנקן מסלק את המימן הנוסף שלו ומתקבל התוצר. בגרף הבא רואים את קצב הריאקציה כפונקציה של ערך הגבה. בערך גבה נייטרלי כמעט ולא קורה כלום; אנחנו צריכים יוני פרוטון כדי שיהיה proton transferוכדי שהם יוציאו את המים החוצה .אם נחמיץ את התמיסה ,הקצב של התגובה יעלה אבל בהחמצת יתר הריכוז של האמוניה שצריכה לתקוף יהיה נמוך יותר ,כי אמוניה תגיב כבסיס בתגובת סתירה ותהפוך ליוני אמוניום ).(NH4+ נגזרות של אימינים • אוקסים ) – (Oximeחומרים עם קשר כפול לחנקן שגם קשור לחמצן. • מגיבים אמין ראשוני עם אצטון ,יוצר קשר כפול ואז מקבלים תוצר שהוא חלק מסינתזה ביוכימית. החומרים האלה חשובים במיוחד בסינתזות אנזימטיות. עמדת פחמני ומימני α סיימנו עם תהליכי סיפוח עם הפחמן הקרבונילי; ראינו אצטאלים ,המיאצטאלים ,דיולים ,ציאנוהידרינים ואימינים .אבל ישנן תגובות נוספות שאנחנו יכולים לעשות ,והן מתרחשות באיזור נוסף של נקודת תורפה במולקולה – איזור מימני .αמימנים אלו ,שיושבים על הפחמנים השכנים לפחמן הקרבונילי ,יש להם מטען קצת חיובי והם קצת חומציים; לכן בתנאים מסויימים אפשר לעשות תגובה שמתמקדת בהם ולא בפחמן הקרבונילי. אם הפחמן הקרבונילי מסועף מאוד ,אנחנו נראה בהרבה מקרים שהתגובה מתרחשת על המימן של פחמן αולא על הפחמן הקרבונילי; במצב זה אנחנו מקבלים סט שונה של תגובות. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום כימיה אורגנית סיכומים 202 אם מסתכלים על קטון או אלדהיד ,אנחנו רואים שהם מקיימים שיווי משקל בין מצב אנולי וקטוני .זהו מצב שיוצר טאוטומריה ,מעבר אנול-קטון .הטאוטומריה היא מאוד מהירה ,אבל בגלל שהאנולים קיימים בה אפשר להתייחס אליהם כמעין תוצר ביניים – כי אם חומר מסויים יתפוס אותם ,הם יכולים להגיב הלאה .למשל ,אם יש אלקטרופילים בסביבה ,הם יכולים לספח את האלקטרופיל במקום המימן. אם האלקטרופיל הוא פרוטון אנחנו למעשה חוזרים בחזרה. תגובה אחרת היא בסביבות בסיסיות ,בהן הבסיס סותר את מימן .αאם המימן יוצא ,הפחמן הופך להיות בעל מטען שלילי .הוא למעשה פחמן SP2עם אורביטל Pשמכיל אלקטרונים; גם הפחמן הקרבונילי הוא SP2בגלל הקשר הכפול לחמצן .כתוצאה מכך נוצר רזוננס. היון הזה שנוצר הוא לא יציב ,אבל הוא יכול להגיב עם אלקטרופילים שגם בהם אנחנו יכולים לספח פנימה את האלקטרופילים .מסלול זה הוא המסלול שעובר דרך יון האנולאט )שהוא המסלול העליון ,והיון שנוצר מעזיבת המימן .(α טאוטומריה של קטו-אנול מעבר בין מצבים של קטון ואנול במולקולה .המולקולה נמצאת בשיווי משקל עם נטייה חזקה מאוד לכיוון הצורה הקרבונילית. קצת טריוויה :ב RNA-קיים הבסיס יורידין .במולקולה זו יש חנקן עם NHושני פחמנים קרבונילים בתוך הטבעת .המימן שעל החנקן ,בהרבה מקרים ,עובר טאוטומריה עם הקרבוניל ,ואז נוצר קשר כפול בין חנקן ופחמן קרבונילי .למרות שהמצב הקטוני ,ולא האנולי ,הוא היציב ,אם אנזימים כמו פולימראז תופסים בטעות יורידין במצב האנולי הם יכולים להזיק לבניית של הגדיל. תהליך הטאוטומריה בקטליזה חומצית בקטליזה חומצית ,חומצה עושה פרוטונציה לחמצן ,ואנחנו מקבלים מצב של OHעם קשר כפול לפחמן קרבונילי .אבל יש פה רזוננס כאשר המטען החיובי )שבמקורו נמצא על החמצן( יכול לעבור לפחמן הקרבונילי. בשלב הבא מגיע הבסיס ) .(A-הבסיס תוקף את המימן α החומצי ,הוא יוצא החוצה ,זוג האלקטרונים יוצר קשר כפול עם הפחמן הקרבונילי שנושא חלק מהמטען החיובי ,ואנחנו מקבלים את האנול. התהליך הזה דומה מאוד לתהליך האלימינציה שנעשה על קרבוקטיונים – כלומר המנגנון די דומה לריאקציה של .E1משום כך ריאקציות של אנולים דומות לריאקציות של אלקנים. חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :19תרכובות קרבוניליות – קטונים ואלדהידים – המשך 203 בקטליזה בסיסית )משמאל( יוני ה OH--הם בסיסיים ,תוקפים ישירות את המימן .פחמן α נושא מטען שלילי ,אבל יכול לקיים רזוננס; זהו למעשה יון האנולאט ,והתגובה המתרחשת דומה ל.E2- מה עושים עם אנולים? אלפא-הלוגנציה )מימין( אם נגיב אלקן עם הלוגן כלשהו ,למשל ,Cl2אנחנו יודעים שאחד הכלורידים מושרה בדיפול חיובי רגעי ,מתנתק ומותקף על ידי הקשר הכפול, ואז מסופח לפחמן .בשלב השני הכלוריד השני נכנס לפחמן השני. כאן זה די דומה: האלקטרופיל מותקף על ידי הקשר הכפול של האנול, האלקטרופיל נכנס לפחמן ,αיש ארגון מחדש של המולקולה ואנחנו מסיימים עם אחד מהאלקטרופילים בלבד. משמעות הדבר היא שבהתקפה של הלוגנים ,אנחנו מקבלים התמרה על ידי אטום הלוגן אחד בלבד ,אין סיפוח של מולקולת ההלוגן כולה לתוך האנול. שימו לב :כאן אין עדויות להיווצרות של יון ברומוניום שתופס את שני הפחמנים. בתמונה משמאל רואים פירוט של אלפא-הוגנציה: התגובה הזו עובדת הרבה יותר טוב עם מתיל-קטונים ,כלומר קטון שבו אחד ה R-הוא מתיל. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב וברקאי פלום 204 כימיה אורגנית סיכומים מנגנון התמרה אלקטרופילית בתגובה זו אנחנו רואים תגובה של קטון עם ברום, בקטליזה חומצית. המימן מהחומצה עושה פרוטונציה לחמצן וכתוצאה מכך אנחנו מקבלים את האנול .באיור רואים באמצע את המעבר מקטון לאנול – כאשר שיווי המשקל הוא לטובת קטון. כאשר מכניסים את הברום ,לעומת זאת ,הוא יכול להגיב רק עם האנול .מולקולת הברום מותקפת על ידי הקשר הכפול באנול ,הברום נקשר לפחמן, הקשר הכפול נפתח והפחמן הקרבונילי מקבל מטען חיובי ומקיים רזוננס. באלקנים ,בשלב הזה היה מגיע ברום-מינוס וסוגר את המולקולה; אולם עוד לפני שזה קורה ,המימן עוזב את החמצן ,נוצר קשר כפול בין פחמן לחמצן, והמולקולה נסגרת ללא סיפוח של עוד ברומיד. משום כך זוהי התמרה ולא סיפוח. לתרגומי מאמרים ועבודות מעברית לאנגלית ואנגלית לעברית ,במחירים אטרקטיביים לסטודנטים: חמוטל בן דב [email protected] חמוטל בן דב וברקאי פלום החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 ,
© Copyright 2024