Запознаване с механизмите на протичане на органичните реакции

В последното видео учихме за нуклеофили и електрофили. В това видео ще разгледаме някои прости механизми на органични реакции и ще се научим да определяме нуклеофилите и електрофилите, както и начина за показване на движението на електроните в реакцията. Спомни си от общата химия, че механизмът на реакцията показва стъпките, в които протича тя. За тази реакция нека първо разгледаме алкилхалогенида отляво. Знаем, че хлорът е по-електроотрицателен от този въглерод, така че хлорът ще привлече част от електронната плътност от този въглерод, което ще направи въглерода частично положителен. От последното видео знаем, че понеже този въглерод е частично положителен, той е електрофилен център на това съединение. Ако погледнем този хидроксиден йон, който може да е дошъл от нещо като натриев хидроксид, знаем, че този отрицателно зареден кислород е нуклефилната част. Така че хидроксидът ще действа като нуклеофил, а този въглерод в алкилхалогенида ще действа като електрофил. Знаем, че противоположните заряди се привличат, така че отрицателно зареденият кислород ще бъде привлечен от частично положително зареденият въглерод от алкилхалогенида. Виждаме, че нуклеофилът атакува електрофила, тук ще поставя извита стрелка, която показва движението на два електрона насам към този въглерод. Същевременно тези два електрона идват при хлора. Хлорът има три несподелени електронни двойки, нека да ги покажа тук. И добавяме още една несподелена електронна двойка, ще направя тези електрони в цикламено. Значи тези електрони идват при хлора, значи това е ето тази двойка. И това дава на хлора отрицателен заряд –1, значи това е хлориден анион, който ще наречем напускаща група. Значи тръгваме от връзката между кислорода и този частично положителен въглерод, така че нека да кажа, че тази несподелена двойка електрони при кислорода идва от връзката между кислорода и този въглерод. Така че при нашия продукт, този алкохол, тези два електрона трябва да са тези два електрона ето тук, в тази връзка, която се образува. Това е прост механизъм на органична реакция. Имаме само една стъпка, нуклеофилът атакува и напускащата група се отдели, всичко в една стъпка. Целта ни не е да разберем всяка подробност относно механизма на тази органична реакция. Целта ни е просто да видим как се използват нуклеофилите и електрофилите в механизмите на органичните реакции и да започнем да разбираме начина, по който тези извити стрелки показват движението на електроните. Да разгледаме механизма на друга органична реакция, като отново започваме с определянето на нуклеофил и електрофил. Да видим първо това съединение. Знаем, че кислородът е по-електроотрицателен от въглерода, така че кислородът ще притегли известна електронна плътност от този въглерод. Този хлор ще направи същото, защото хлорът е по-електроотрицателен от този въглерод. Значи този въглерод има недостиг на електрони, той е частично положителен и може да действа като електрофил. Отдясно имаме ацетатен анион, който може да идва от натриев ацетат, а кислородът има формален заряд –1, така че кислородът е нуклеофилен център в ацетатния анион. Нашият ацетатен анион действа като нуклеофил. Противоположните заряди се привличат, затова този отрицателно зареден кислород е привлечен от положително заредения въглерод. Можем да кажем, че нуклеофилът атакува електрофила. Чертаем извита стрелка, за да покажем движението на тези два електрона. Сега не мога да покажа директно връзка между този кислород и този въглерод, докато не взема тези пи-електрони и не ги преместя тук при горния кислород. Това е така, защото – спомни си – въглеродът не може да има повече от осем електрона. Сега ще покажа движението на всички тези електрони. Ще направя всичко. Сега тук горе ще имаме кислород, който има три несподелени двойки електрони, които му придават формален заряд –1. Ако показвам движението на електроните, казвам, че два електрона от тук отива при кислорода, който получава формален заряд –1. Все още имам този хлор, свързан с този въглерод, неща да поставя хлора тук долу. Това са трите несподелени двойки електрони около него. И сега имаме нова връзка, която се образува между този кислород и този въглерод. Ще оцветя тези два електрона в червено. Тези два електрона в червено образуват връзка между този кислород и този въглерод, а този кислород все още има две несподелени двойки електрони. Сега ще направя и останалото тук, значи имаме карбонилна група, поставям я, както и несподелените двойки електрони. После имаме метилова група, която сочи насам. Значи първата стъпка на този механизъм е нуклеофилна атака, така че ще напиша тук "Първа стъпка". Нуклеофилът атакува електрофила. Това е механизъм в две стъпки, като във втората стъпка се отделя напускащата група. Несподелена електронна двойка при този кислород се придвижва назад и се образува карбонилна група, но при въглерода не може да има повече от осем електрона. Това означава, че тези два електрона ще дойдат при хлора, в нашата напускаща група, която ще бъде хлориден анион. Ще покажа тези електрони тук, което дава на хлора отрицателен заряд. Значи тези електрони... ще ги направя сини, тези сини електрони идват при хлора и се получава хлориден анион, който е напускащата група. Значи напускащата група се отделя и ние преобразуваме нашия карбонил, което води до крайния ни продукт. Пак повтарям, не се тревожи за детайлите на механизма. Целта ни е да определим нуклеофила, електрофила и да проследим движението на електроните, като видим различните стъпки от механизма на реакцията. Нуклеофилната атака е често срещана, както и отделяне на напускаща група. Да видим още една органична реакция. Ще започнем с определяне на нуклеофила и електрофила. Първо да видим това съединение. Знаем, че кислородът е по-електроотрицателен от този въглерод, така че кислородът ще привлече известна електронна плътност от този въглерод, което ще го направи частично положителен. Значи това е електрофилният център на това съединение. В първата стъпка добавяме пропил-литий, като знаем, че този въглерод е по-електроотрицателен от лития. Въглеродът ще притегли тези два електрона към себе си, от което въглеродът ще получи частично отрицателен заряд. И понеже разликата в електроотрицателността е толкова голяма, можем да вземем двата електрона от тази връзка и да ги сложим на този въглерод. Значи тук имаме три въглерода, нека да ги покажа, и на този въглерод имаме два електрона. Ще ги оцветя в цикламено. Значи тези електрони в цикламено идват при този въглерод тук, което му придава формален заряд –1. Имаме карбанион. Тъй като имаме отрицателно зареден въглерод, този карбанион е отличен нуклеофил, който ще атакува електрофилната част, която вече определихме. Противоположните заряди се привличат, отрицателният заряд е привлечен от положителния заряд. В първата стъпка на реакцията нуклеофилът атакува електрофила. Сега вече не можем да покажем просто връзка между тези два въглерода, защото тук ще се получат 10 електрона при този въглерод, което ще надвиши допустимия октет. Значи част от електроните отиват някъде. Можем да вземем тези два електрона и да ги преместим при този кислород. В първата стъпка нуклеофилът атакува електрофила, и се получава връзка въглерод-въглерод. Тук имаме и кислород, който има три несподелени електронни двойки, от което има формален заряд –1, така че можем да проследим някои от тези електрони, ще ги направя сини. Така че тези електрони идват при нашия кислород, от което той получава формален заряд –1. Образува се връзка между двата въглерода и точно тук хората объркват нещата, защото понякога преброяването на въглеродите е малко трудно. Трябва да проследим три въглеродни атома в нашия нуклеофил, както и да образуваме връзка. Ако погледнеш нашия продукт тук, това ни подсказва как да го направим. Имаме три въглерода, един, два и три. Електроните в цикламено образуват връзка ето тук. Ето го междинния продукт. Имаме трите въглерода, нека да ги оцветя – един, два и три. После са електроните в цикламено, тези електрони образуват връзка между този въглерод и този въглерод, така че цикламените въглероди образуват връзка между тези два въглерода. Това е междинното съединение. Първата ни стъпка е нуклеофилна атака. Във втората стъпка имаме източник на протони. Използвам хидрониев йон, ще го направя наистина бързо. Имаме Н3О+, значи положителен формален заряд на кислорода. Втората стъпка на този механизъм е киселинно-основна реакция. Това е пренос на протон. Този отрицателно зареден кислород в междинното съединение действа като основа и приема един протон. Можем да кажем, че тази несподелена електронна двойка взема протон от Н3О+, като оставя тези електрони тук при кислорода. Ще направя тези електрони червени, така че тези червени електрони вземат този протон. Да кажем, че електроните в червено образуват тази връзка, а това е протонът, който взехме. Получава се алкохол като краен продукт. Отново, целта ни е да видим нуклеофилите и електрофилите, а тази реакция ще учим много по-късно. Последното нещо, което искам да разгледаме в това видео, са т.нар. принципи на Шварц. Д-р Шварц беше моят професор по органична химия в колежа, и е определено най-добрият преподавател, който някога съм имал. Един ден той ми каза: "Органичната химия съдържа само пет неща." Трябва да знаеш валентните електрони. Трябва да разбираш електроотрицателността. Трябва да познаваш реакциите между киселини и основи. Трябва да знаеш окислително-редукционните процеси. И последно, трябва да познаваш нуклеофилите и електрофилите. Хайде да се върнем на последната реакция, за да я видим в светлината на тези пет принципа на Шварц. Първо да видим валентните електрони. Когато използваме тези извити стрелки в нашите уравнения, като тази извита стрелка или тази извита стрелка, показваме движението на валентните електрони. Използваме много електроотрицателността. Ето така определихме кой е нуклеофил и кой е електрофил. Третият принцип на Шварц е реакции между киселини и основи. Това беше втората стъпка от реакцията, нали? Значи втората стъпка беше реакция между киселина и основа. Ще виждаш често реакции между киселини и основи в органичните реакции. Четвъртият принцип е окислително-редукционни процеси. Това всъщност е редукционна реакция. Ако определиш степените на окисление, ще видиш, че изходното ни вещество е редуцирано. Кетонът се редуцира до алкохол. И накрая: нуклеофил и електрофил. Очевидно това е първата стъпка в реакцията и нещото, върху което се фокусирахме. Не е задължително да имаш и петте компонента в една реакция. Тази случайно има всичките пет, затова реших да спомена принципите на Шварц. Ако разбереш тези пет неща наистина добре, всички реакции ще бъдат лесни за теб.