Organická syntéza je specificky zaměřený obor chemické syntézy, který se zabývá stavbou organických sloučenin za pomoci organických reakcí. Organické molekuly jsou mnohdy složitější ve srovnání s čistě anorganickými sloučeninami, takže se syntéza organických sloučenin rozvinula v jedno z nejdůležitějších odvětví organické chemie. Dělení typů organických syntéz je velice ošidné z důvodu neustálého bouřlivého vývoje, a proto jsou zde uvedeny pouze základní reakce používané při organických syntézách.
Redukce
Úvod Transformace organických sloučenin redukcí či oxidací patří mezi běžné a široce rozvinuté operace v organické syntéze. V anorganické chemii je redukce/oxidace definována jako přijímání/ztráta elektronů. To u organické chemie nejde, tudíž se při pozorování oxidačního stavu organické molekuly v organické chemii při redoxních reakcích používají určité účelové úpravy (zde jsou uvedeny jen ty nejvýznamnější):
Atomy uhlíku v uhlíkatém řetězci vystupují navzájem s oxidačním číslem 0. Každá skupina s jedním atomem uhlíku je navenek bez náboje (elektroneutrální). Atom vodíku má vždy formální oxidační číslo +I. Atom kyslíku má s výjimkou peroxidů formální oxidační číslo -II.
Tudíž např. v molekulách ethanolu a ethanalu budou oxidační čísla následující:
-III . -I CH3-CH2-OH -III . +I CH3-CH=O
Protože redoxní reakce jsou vždy reakcemi komplementárními, v níž se jedna sloučenina redukuje/oxiduje a druhá oxiduje/redukuje, posuzujeme v organické chemii tyto procesy z hlediska změny oxidačního čísla organické látky a sledujeme pouze změny, kterým podléhají konkrétní atomy, skupiny atomů a funkční skupiny.
Redukce: CH3-CH=O → CH3-CH2-OH (+I → -I)
Oxidace: CH3-CH2-OH → CH3-CH=O (-I → +I)
Reakce Z mechanického hlediska se uvádí tři hlavní kategorie:
1) Připojení vodíku k násobné vazbě K těmto reakcím řadíme např.: Katalytickou hydrogenaci alkenů, alkynů a funkčních skupin s násobnými vazbami či katalytickou hydrogenolýzu vazeb.
R-CH=CH2 + H2 → R-CH2-CH3
Ar-CH2-N(CH3)2 + H2 → Ar-CH3 + (CH3)2NH
2) Adice elektronů, obvykle následována připojením protonu.
Soubor:Adice_Elektronů.PNG
3) Adice hydridového iontu, obvykle z komplexního hydridu, na polární násobné vazby např. C=O, COOR, C=N
Soubor:Adice_hydridového_iontu.PNG
Oxidace
Úvod Oxidativní přeměny jsou po redukci jednou z nejdůležitějších metod změny oxidačního stavu funkčních skupin substrátu. Za oxidaci je považován každý proces, ve kterém sloučenina nebo skupina odevzdává elektrony. V organické syntéze se však většinou omezujeme na souhrn transformací při kterých dochází k jedné z následujících oxidativních přeměn organického substrátu:
1) Přenos elektronu z organické molekuly na činidlo
Soubor:Přenos_elektronu_z_organické_molekuly_na_činidlo.PNG
2) Přijímání atomu kyslíku na atom uhlíku nebo heteroatom vázaný v molekule
RCHO + O → RCOOH
3) Snižování počtu atomů vodíku vázaných na atomu uhlíku nebo heteroatomu.
RCH2OH → RCHO + 2H
Reakce Oxidativní přeměny probíhají řadou rozdílných mechanismů.
1) Jednoelektronové oxidace činidlem s vhodným redoxním potenciálem schopným jednoelektronové redukce (např. Fe3+ → Fe2+) probíhají úspěšně tehdy, vzniká-li oxidací relativně stálý radikál. Tímto mechanismem probíhá např. oxidace dvousytných fenolů na chinony.
Soubor:Jednoelektronová_oxidace.PNG
2) Dvouelektronová oxidace iontem kovu schopným dvouelektronové redukce obvykle probíhá přes stádium intermediátu, např. oxidace alkoholu na karbonylové sloučeniny.
Soubor:Dvouelektronová_oxidace.PNG
3) Odstraňování atomu vodíku na aktivovaném místě molekuly např. radikálová řetězová autooxidace aldehydů.
Soubor:Odstraňování_atomu_vodíku_na_aktivovaném_místě_molekuly.PNG
4) Další reakce
Přenos hydridového iontu na jinou molekulu (Cannizarrova reakce), připojení kyslíku do organické molekuly (Bayer-Villigerova oxidace), aj.
Halogenace
Úvod Halogenací obecně označujeme nejen reakce, kdy halogen přímo působí na organický substrát, ale také všechny reakce, při kterých se vytváří vazba uhlík-halogen. Halogenderiváty hrají hlavní úlohu v alkylacích a arylacích při zavádění uhlíkatých řetězců do organické molekuly, neboť halogenové ionty patří mezi dobře odstupující částice. Z těchto důvodů obvykle halogenderiváty nepředstavují koncové produkty, ale reaktivní intermediáty v dalších transformacích.
Alifatické halogenderiváty Pro zavedení halogenu do alifatického řetězce se využívá rozdílných substrátů a reakcí probíhající rozdílnými mechanismy, např. homolytickou substitucí alkenů a alkynů, nukleofilní substitucí kyslíkaté skupiny v alkoholech, etherech a karboxylových kyselinách, aj.
Reakce 1) Halogenace adičními reakcemi
Adice halogenovodíků HX (X=F,Cl,Br,I) na alkeny a alkyny byla široce studována jak z mechanického hlediska, tak z praktického hlediska. Její význam je však limitován nežádoucími vedlejšími reakcemi. Snadnost adice halogenovodíků na jednoduché alkeny je v souladu s jejich klesající aciditou HI > HBr > HCl > HF. Adice obvykle probíhají regioselektivně a řídí se polarizací násobné vazby.
Stereoselektivita reakce závisí na mechanismu. Rozlišují se dva případy: via karbokation vznikající protonizací násobné vazby či termonukleární mechanismus spočívající v nukleofilním ataku na komplex alken-HX.
Soubor:Adice_halogenovodíku.PNG
Rozhodujícím faktorem určujícím typ mechanismu je stabilita intermediárního karbokationtu. Alkeny, které snadno vytvářejí stálý karbokation, preferují spíše mechanismus přes iontový pár a tedy cis-adici. termonukleární mechanismus preferuje trans-připojení na násobnou vazbu.
Dále můžeme zmínit adici halogenů, interhalogenů, hypohalogenkyselin a příbuzných činidel.
2) Substituční halogenace
Substituce vodíku halogenem.Alkany podléhají radikálové substituci fluorem, chlorem a bromem. Reakce s fluorem je nekatalyzovaná, substituci ostatních halogenů je nutno iniciovat vhodným způsobem (teplo, UV-záření, aj.)
Soubor:Substituce_vodíku_halogenem.PNG
Substituce kyslíkatých funkčních skupin. Nejběžnějšími edukty halogenderivátů jsou odpovídající alkoholy. Protože hydroxyskupina je v nukleofilních substitucích skupinou špatně odstupující, musí se nejdříve aktivovat.
Soubor:Substituce_kyslíkatých_funkčních_skupin_halogenem.PNG
Substituce halogenů. Náhradou halogenu za jiný typ halogenu obvykle sledujeme změnu reaktivity halogenderivátu nebo změnu jeho užitných vlastností.
Soubor:Substituce_halogenů.PNG
Aromatické halogenderiváty Zavádění halogenů na aromatické jádro elektrofilní substitucí je důležitým syntetickým pochodem. Chlor a brom jsou vůči aromatickým uhlovodíkům aktivní. Fluorace elementárním fluorem je silně exotermická, obtížně kontrolovatelná a zpravidla se volí činidla modifikovaná. Jodace elementárním jódem probíhá jen u reaktivních substrátů a provádí se obvykle aktivnějšími činidly. Mezi nejmírnější činidla pro chloraci a bromaci patří elementární halogeny, obvykle rozpuštěné v kyselině octové nebo v halogenovém rozpouštědle jako tetrachlormethan nebo chloroform.
Soubor:Elektrofilní_halogenace_aromatických_uhlovodíků.PNG
Nitrace, nitrosace a sulfonace Při přípravě nitro- a nitrosolátek, resp. sulfonových kyselin využívá organická syntéza řadu postupů. Zde je zatím uvedena pouze substituce vodíkového atomu za nitro-, nitroso- či sulfoskupinu (za adice na dvojné vazbě).
Nitrace 1) Nitrace alifatických sloučenin
Přímá nitrace alkanů kyselinou dusičnou nebo oxidy dusíku (N2O4,N2O5) má využití pouze v průmyslové sféře. V laboratoři je význam těchto metod značně omezen na jednoduché alkany a cykloalkany, přesto nitrací vznikají obvykle směsi sloučenin. Alifatické nitrosloučeniny vznikají např. adicí halogenidu nitrilu na dvojnou vazbu.
Soubor:Nitrace_alkenů.PNG
2) Nitrace aromatických sloučenin
Elektrofilní aromatická nitrace je důležitá metoda nejen pro tvorbu aromatických dusíkatých sloučenin. Transformací nitroskupiny a následnými přeměnami lze do aromatického jádra zavést řadu funkčních skupin. Aromatické nitraci podléhají i velmi málo reaktivní substráty, neboť dnes je k dispozici široká nabídka nitračních činidel. Nitrací fenolů a fenoletherů (již zředěnou kyselinou dusičnou) lze připravit monoderiváty.
Soubor:Nitrace_fenolů.PNG
Při nitraci fenolů do vyšších stupňů je třeba eliminovat nežádoucí oxidační působení nitrační směsi. Fenol se proto nejprve sulfonuje koncentrovanou kyselinou sírovou a pak teprve následuje nitrace.
Soubor:Nitrace_fenolů_do_vyšších_stupňů.PNG
Nitrosace 1) Nitrosace alifatických sloučenin
Radikálová nitrosace alkanů není preparativně rozšířená, realizuje se v průmyslovém měřítku působením chloridu nitrosylu za iniciace ultrafialovým zářením.
Soubor:Nitrosace_cyklohexanu.PNG
2) Nitrosace aromatických sloučenin
Na rozdíl od nitrace podléhají elektrofilní nitrosaci jen aktivované substráty, tj. aminy a fenoly. Nejběžnějšími nitrosačními činidly jsou kyselina dusitá uvolňovaná obvykle z alkalického dusitanu a minerální kyseliny. Omezeně byl pro nitrosace používán i chlorid nitrosylu a oxid dusitý. Nitrosace fenolů probíhá přednostně do p-polohy, pouze v případě, kdy je tato poloha obsazena, vstupuje nitrososkupina do polohy ortho.
Soubor:Nitrosace_aromatických_sloučenin.PNG
Sulfonace Sulfonací se v obvyklém slova smyslu rozumí reakce, při níž se substitucí atomu vodíku v molekule substrátu zavádí sulfoskupina SO3H nebo skupiny od ní odvozené, přitom vzniká vazba C-S.
1) Sulfonace alifatických sloučenin
Alifatické sloučeniny podléhají sulfonaci oxidem sírovým nebo činidly od něj odvozenými jen zřídka. Běžně se pro přípravu sulfonových kyselin využívají radikálové reakce s účastí oxidačního činidla (sulfochlorace, sulfooxidace) nebo reakce alkylační.
Soubor:Sulfonace_alyfatických_sloučenin.PNG
2) Sulfonace aromatických sloučenin
Sulfonace aromatických sloučenin je mnohostranně využitelná reakce a podléhá jí většina aromatických systémů včetně kondenzovaných. Na reaktivitě substrátu – analogicky jako při nitraci – závisí volba činidla. Sulfonace je z elektrofilních aromatických substitucí výjimečná v tom, že je vratná a sulfoskupinu je možno z molekuly aromatické sloučeniny opět odstranit. Dalším fenoménem sulfonace je možnost ovlivnit distribuci produktů kinetickým nebo termodynamickým řízením reakce. Tuto skutečnost lze dokumentovat na příkladu sulfonace fenolu koncentrovanou kyselinou sírovou.
Soubor:Sulfonace_fenolu.PNG
Alkylace a acylace Alkylací a acylací nazýváme reakce, při nichž dochází k připojení alkylu nebo acylu k atomu uhlíku nebo heteroatomu (P,S,O,N,atd..). Za alkylační reakce lze považovat také přípravu halogenderivátu nebo alkylaci kovů.
Alkylace alifatických sloučenin V alifatických substrátech probíhají reakce obecně tímto způsobem:
Soubor:Alkylace_alifatických_sloučenin.jpg
Alkylační činidlo jakožto elektrofil reaguje s nukleofilem, který má k dispozici volný elektronový pár. Mechanismus reakce závisí především na povaze alkylačního činidla, charakteru nukleofilu a reakčních podmínkách. Síla alkylačního činidla se určuje podle síly kyseliny, od které je činidlo odvozeno. Mezi silná alkylační činidla patří např. dialkyl-sulfáty, naopak mezi slabé spadají např. halogenderiváty nebo estery arensulfonových kyselin.
Nukleofilem může být každá částice s nesdíleným elektronovým párem.
Příprava a reakce organokovových sloučenin Jako organokovové sloučeniny nazýváme látky, v nichž je atom kovu M vázán na atom uhlíku. Vlastnosti vazby mezi uhlíkem a kovem závisí především na vlastnostech kovu, rozpouštědle a také na struktuře uhlíkatého zbytku.
Příprava organokovových sloučenin
Náhrada funkční skupiny kovem Nejdůležitější metoda přípravy organokovových sloučenin je Reakce halogenderivátů s kovy. Nejpoužívanější k těmto reakcím jsou především skupiny halogenidů.
Soubor:Příprava_organokovových_sloučenin.jpg
Náhrada vodíku kovem