سنتز درون مولکولی ویلیامسون اتر

در اینجا موضوعی وجود دارد که واقعاً با آنچه قبلاً بحث کردیم مطابقت ندارد، اما برای هر بحثی در مورد الکل ها و اترها ضروری است. واکنش های درون مولکولی

در اینجا خلاصه اجرایی آمده است:

فهرست مطالب

1. نسخه های درون مولکولی واکنش ها مشکلات بزرگی در امتحان ایجاد می کند
2. سنتز درون مولکولی ویلیامسون اتر
3. تشبیه کمربند
4. حرکت در معکوس: از یک حلقه به یک زنجیره
5. چگونه محصول درون مولکولی یک واکنش را در 5 مرحله آسان ترسیم کنیم
6. خلاصه: واکنش های درون مولکولی الکل ها و اترها
7. یادداشت

---

1. نکته: واکنش های درون مولکولی مشکلات بزرگی در امتحان ایجاد می کند

واکنش های درون مولکولی [i.e. reactions where two functional groups in a molecule react with each other] باعث ایجاد حیرت شگفت انگیز در دانش آموزان شود.

این واکنش ها در امتحانات بسیار زیاد است. مربیان را کمی شبیه پارچ های بیسبال در نظر بگیرید. وقتی نوبت به امتحانات می رسد، آنها همیشه توپ های سریع را در مرکز بشقاب شیار نمی کنند. گاهی اوقات آنها منحنی ها و تغییرات را ایجاد می کنند. و نسخه‌های درون مولکولی واکنش‌هایی که قبلاً آموخته‌اید، سؤالات امتحانی کاملی هستند، زیرا مفاهیم جدیدی را در بر نمی‌گیرند – آنها فقط پسوند همان واکنش هستند.

بیایید حفاری کنیم.

2 درون مولکولی سنتز اتر ویلیامسون

اول از همه، اجازه دهید با بازدید مجدد از قلمرو شناخته شده شروع کنیم: سنتز اتر ویلیامسون. من چیزها را کمی عجیب در اینجا ترسیم کرده ام، می دانم، اما این برای یک هدف است.

این خیلی ساده است، درست است؟ ما در حال شکستن C-Br و تشکیل CO هستیم. هدف NaH [a strong base] پروتون زدایی الکل است (تشکیل H₂ در این فرآیند)، آن را به یک یون آلکوکسید هسته دوست تبدیل می کند، که سپس یک واکنش جایگزینی انجام می دهد. [ S_N2 mechanism]. به یاد داشته باشید – پایه مزدوج همیشه نوکلئوفیل بهتری است.

حالا بیایید یک چیز کوچک را تغییر دهیم. وقتی C-1 و C-4 را به هم وصل می کنیم چه اتفاقی می افتد (به هر حال شماره گذاری IUPAC نیست – این اعداد فقط نگهدارنده مکان هستند).

ناگهان، در چشم بسیاری از دانش‌آموزان، این سؤال بسیار دشوارتر شد.

صبر کن! نیازی نیست “به موقعیت جنین بروید و برای مامان گریه کنید” – اساساً همان سؤال است! هیچ تفاوتی در پیوندهایی که تشکیل می شوند و پیوندهایی که می شکند وجود ندارد. صفر!

تنها تفاوت این است که هسته دوست و الکتروفیل به صورت زنجیره ای به یکدیگر متصل می شوند.

3. هر آنچه که در مورد واکنش های درون مولکولی باید بدانم از بستن کمربند یاد گرفتم

اگر این عکس العمل برای شما عجیب به نظر می رسید، شاید به این دلیل است که هنوز این نوع نمونه ها را ندیده اید. چند وقت پیش پستی در مورد این موضوع نوشتم که من واکنش های درون مولکولی را با بستن کمربند مقایسه کرد. ببینید، یک کمربند یک هسته دوست دارد [the pin] و یک الکتروفیل [the notch]، و از طریق طول چرم (یا در این مورد چرم) به یکدیگر متصل می شوند. از آنجایی که شما بدون شک تجربه استفاده از کمربندها را دارید، برای شما شهودی است که در اینجا چه اتفاقی می افتد – ما یک حلقه تشکیل می دهیم!

درس کلیدی در اینجا این است مولکول ها می توانند درست مانند کمربند عمل کنند. آنها می توانند از زنجیره به حلقه و پشت به زنجیر بروند.

4. رفتن به عقب: چگونه از یک حلقه به یک زنجیره برسیم

در مورد عکس – رفتن از یک حلقه به یک زنجیر چطور؟ همان مفهوم از پیوندهایی که تشکیل می شود و پیوندهایی که می شکند پیروی کنید!

ابتدا دی اتیل اتر را بشکنیم. همانطور که دیدیم، می توانیم از یک اسید قوی برای این کار استفاده کنیم، مانند اسید هیدرویدیک (HI) (پست را ببینید: شکاف اترها با اسید)

حالا بیایید تتراهیدروفوران (THF)، یک اتر حلقوی را در نظر بگیریم. و حالا بیایید اسید قوی را به آن اضافه کنیم. چه اتفاقی می افتد؟

وحشت نکنید! این همان توالی پیوندهایی است که مانند قبل شکل می گیرد و می شکند.

ابتدا اکسیژن را پروتونه می کنیم تا اسید مزدوج به دست آید که اکنون گروه ترک بهتری است. دوم، یون یدید سپس به کربن حمله می کند و C-I را تشکیل می دهد و O-C را می شکند [S_N2 in this case].

بنابراین بخش اول درس امروز این است: پیوندهایی که در فرآیندهای درون مولکولی شکل می‌گیرند و می‌شکنند (تشکیل یا شکستن حلقه‌ها) اساساً با پیوندهایی که در فرآیندهای بین مولکولی تشکیل می‌شوند و می‌شکنند، تفاوتی ندارند.

5. نحوه ترسیم محصولات واکنش های درون مولکولی در 5 مرحله آسان

دلیل مهم دیگری وجود دارد که چرا دانشجویان واکنش های درون مولکولی را دشوار می دانند. کشیدن محصولات ممکن است مشکل باشد. این منبع رایج امتیازات از دست رفته است.

در اینجا ترفندی وجود دارد که به این مشکلات کمک می کند. ابتدا نسخه زشت را بکشید.

نمودار زیر منظور من را نشان می دهد. در اینجا دنباله ای از مراحل است.

1. فلش های واکنش (چه پیوندهایی تشکیل می شود و می شکند) را برای واکنش خود مشخص کنید.
2. مواد اولیه را دوباره ترسیم کنید. اتم های زنجیره را شماره گذاری کنید (نه IUPAC، فقط برای پیگیری چیزها).
3. هر پیوندی را که توسط فلش ​​های واکنش نشان داده شده است، بشکنید. سپس، برای پیوندهایی که تشکیل می شود، به سادگی آن دو اتم را در فضا به هم وصل کنید. بله، زشت به نظر می رسد. اشکالی ندارد. بعداً آن را زیباتر می کنیم.
4. تعداد اتم هایی که حلقه جدید شما را تشکیل می دهند را بشمارید. چند ضلعی “زیبا” مناسب را رسم کنید.
5. چند ضلعی زیبای جدید خود را در صورت نیاز تزئین کنید و از اعداد به عنوان راهنمای خود استفاده کنید.

نکته کلیدی این است که بفهمید حلقه جدید شما چقدر بزرگ است. بنابراین تعداد اتم ها را با دقت بشمارید. در مثال زیر، یک حلقه 6 عضوی را تشکیل می دهیم. در “نسخه زشت”، حلقه 6 عضوی ما شبیه به یک مزخرف است. اما با دانستن اینکه یک حلقه شش عضوی یک شش ضلعی زیبا است، گام بعدی به سادگی «ترجمه» نقاشی مزخرف به شش ضلعی است. اعداد به ما کمک می‌کنند تا مشخص کنیم کجا چند ضلعی جدید خود را «تزیین» کنیم.

6. خلاصه: واکنش های درون مولکولی الکل ها و اترها

این احتمالاً در مورد این موضوع برای اهداف ما کافی است. بنابراین اگر می‌خواهید پیش بروید، حتماً این کار را انجام دهید. با این حال، یک مسئله نهایی وجود دارد که ارزش پرداختن به آن را دارد، حداقل به طور خلاصه، و من آن را به پایان این پست سپردم.

پست بعدی: گروه های محافظت از الکل

---

یادداشت

یادداشت 1. آنچه اخیراً توماس خواننده درباره این موضوع گفته است را بررسی کنید:

“من از واکنش های درون مولکولی با شور و شوق سفید بیزارم، به ویژه وقتی صحبت از تجزیه و تحلیل رتروسنتتیک می شود. یک دسته حلقه به من بدهید که همه به هم چسبیده اند، و من در وضعیت جنینی مچاله می شوم و برای مامانم گریه می کنم. هیچ ایده ای برای مقابله با آنها وجود ندارد. به طور کلی هیچ ایده ای در مورد اینکه سایت های پیوند دهنده در پیش سازها چیست، یا چگونه به طور سیستماتیک به مشکلات برخورد کرد. IMHO، به سختی در کلاس های ارگانیک تدریس می شود. به نظر می‌رسد بیشتر کتاب‌ها به سختی به واکنش‌های درون مولکولی اشاره می‌کنند، چه رسد به بررسی دقیق آن به عنوان یک منطقه دردسرساز برای دانش‌آموزان. و وقتی تدریس می شود، خیلی خوب آموزش داده نمی شود. غالباً به نظر می رسد که در آزمایشات به منظور از بین بردن دانش آموزان ظاهر می شود. عدم تاکید بر این موضوع با توجه به اهمیت فوق‌العاده آن در سنتز شیمیایی و بیوشیمی برای من کاملاً عجیب به نظر می‌رسد.

بخش پاداش: نکته پایانی درباره نرخ تشکیل حلقه

من باید با یک یادداشت احتیاطی در مورد واکنش هایی که منجر به تشکیل حلقه می شود پایان دهم. یک سوال که زیاد مطرح می شود این است که “چه زمانی می دانم حلقه جدیدی تشکیل می شود؟” [Shortcut spoiler: yes to 5 and 6 (and 3), generally “no” to rings 7 and above]

سوال عالی! این یکی از آن مسائلی است که شیمی آلی را برای مبتدیان «سخت»، اما برای تمرین‌کنندگان مادام‌العمر «عمیق» و «جالب» می‌کند، زیرا چندین عامل کلیدی وجود دارد که اغلب در جهت‌های مخالف کار می‌کنند.

اول از همه: همه حلقه ها با سرعت یکسان تشکیل نمی شوند. یعنی سرعت تشکیل یک حلقه تا حدی به طول زنجیره بستگی دارد.

چگونه این با آنچه ما قبلاً در مورد واکنش های جایگزینی می دانیم مطابقت دارد. به یاد داشته باشید که سرعت واکنش جایگزینی با غلظت هسته دوست و غلظت الکتروفیل متناسب است. اما وقتی نوکلئوفیل و الکتروفیل روی یک مولکول باشند چه اتفاقی می‌افتد؟ برای این منظور از مفهومی به نام “غلظت موثر” استفاده می کنیم که می گویند سرعت واکنش به مدت زمانی که نوکلئوفیل در مجاورت الکتروفیل می گذراند مرتبط خواهد بود. در این پست فضایی برای پرداختن به جزئیات در این مورد وجود ندارد، اما اجازه دهید از این بند های نوار چسب روی این کفش به عنوان یک مثال بسیار ساده استفاده کنیم.

اگر تسمه های نوار چسب هستند خیلی کوتاه، سپس نوکلئوفیل (بند) نمی تواند به الکتروفیل (روی کفش) برسد. اگر تسمه های نوار چسب هستند خیلی طولانی (مثلاً تصور کنید که طول هر یک از آنها یک فوت باشد!)، پس پوشیدن کفش ها آزاردهنده خواهد بود، زیرا احتمال اینکه هسته دوست در مجاورت الکتروفیل قرار گیرد کاهش می یابد (نمونه ای از “غلظت موثر” کم) . سرعت تشکیل حلقه های بسیار بزرگ به سرعت واکنش های بین مولکولی نزدیک می شود.

البته مولکول‌ها به دلیل زوایای ایده‌آل 109 درجه کربن‌های چهار وجهی، پیچیده‌تر از تسمه‌ها (یا تسمه‌های نوار چسب) هستند. این پیچیدگی بیشتری ایجاد می کند، به ویژه موضوع کرنش حلقه

به عنوان مثال، احتمالاً تا اینجا می دانید که حلقه های 3 و 4 عضوی کاملاً کشیده شده اند، در حالی که حلقه های اندازه 5، 6 و 7 نسبتاً صاف نیستند. اگر تازه شروع به کار کرده اید، احتمالاً نمی دانید که حلقه های سایز 8 تا 11 به دلیل بسیار جالبی (کرنش بین حلقوی) کشیده می شوند و سپس حلقه های سایز 12 و بالاتر معمولاً صاف نمی شوند.

برای یک دانش آموز در یک دوره مقدماتی، یک قانون خوب خوب این است: تشکیل حلقه های 5 و 6 عضوی سریع است. شکل گیری حلقه های سایز 7 به بالا کند است. در مورد اندازه حلقه های کوچکتر، نمونه هایی را دیده ایم که در آن حلقه های 3 عضوی (از هالوهیدرین ها) تشکیل می شوند. کمتر دیده می شود، اما همچنین سریع تشکیل حلقه های 4 عضوی است.

این یک تعمیم مبهم است. “به من اعداد بده!” شما ممکن است بگویید کپی ماه مارس من به شرح زیر است. توجه داشته باشید که این برای واکنشی متفاوت از سنتز اتر ویلیامسون است [formation of cyclic esters through SN2 of carboxylates with alkyl halides]، اما روند باید حفظ شود.

برای یک رویکرد کمی بیشتر، پیشنهاد می کنم این مقاله را در مورد سینتیک بسته شدن حلقه بررسی کنید.