Reakcije preureditve v organski kemiji: definicija, primeri in mehanizmi
Reakcije preureditve v organski kemiji: jasna razlaga definicij, mehanizmov in primerov (1,2‑preureditve, periciklične, olefinska metateza) za študij in prakso.
Reakcije preureditve so organske reakcije, pri katerih se notranje preuredi ogljikov skelet molekule ali položaj funkcionalnih skupin, tako da je končni produkt strukturni izomer izhodiščne spojine. Pogosto se substituent premakne z enega atoma na drug atom v isti molekuli (intramolekulske preureditve), vendar poznamo tudi medmolekulske preureditve, kjer se skupine izmenjajo med različnimi molekulami.
Osnovni pojmi in predstavitve
V učbenikih in člankih kemiki pogosto rišejo diagrame z puščicami, ki prikazujejo, kako se med reakcijo preureditve elektroni prenašajo med vezmi. Ti arrow-pushing diagrami so koristni za razlago možnih poti, vendar ne vedno prikazujejo natančnega mehanizma. V nekaterih primerih poteka reakcija kot en sam concerted dogodek, v drugih skozi karbokatjonske, radikalske ali ionske intermediare.
Concerted vs. stopnjeviti mehanizmi
Pri nekaterih preureditvah (na primer pri mnogih pericikličnih reakcijah) so pomembne orbitalne interakcije in reakcija poteka kot skladna, istočasna reorganizacija vezi. Tehnično jih pogosto razložimo z Woodward–Hoffmann pravili. V takih primerih ne moremo opisati procesa kot niza preprostih diskretnih prenosov elektronov — pa vendar lahko 'ukrivljene puščice, ki prikazujejo zaporedje diskretnih prenosov elektronov', dajo enak izid kot dejanska concerted preureditev, vendar niso nujno realistični.
Nasprotno pa pri mnogih 1,2-premikih (npr. Wagner–Meerweinovih preureditvah) reakcija pogosto vključuje nastanek karbokatjona, kamor se nato premakne alkilna skupina. V resnici se lahko premik alkilne skupine v nekaterih primerih zgodi kot gladko "drsenje" vzdolž vezi, brez popolnega razpada in ponovne tvorbe ionskih vezi — zanimiv primer teh dinamik prikazuje spodnja slika:
Glavne vrste preureditvenih reakcij
- 1,2-prehodi (1,2-shifts): vključujejo premik alkilnih ali arilnih skupin za en atom. Sem sodijo Wagner–Meerwein, Pinacol in semipinacol preureditve. Pogosto potekajo preko karbokatjonskih intermediatov in jih pospešujejo kisline.
- Beckmannova preureditev: pretvorba oksima v amido ali aminske produkte z migracijo substituenta na dušik.
- Baeyer–Villigerova oksidacija: vnos kisika v keton z migracijo enega substituenta na kisik (pretvorba ketona v ester ali lakton); migracijske afinitete so pomembne za izid.
- Periciklične reakcije (sigmatropne, elektrocilčne, cikloadicije): concerted procesi, ki jih urejajo orbitalne simetrije. Primeri: Cope, Claisen, [3,3]-sigmatropni premiki.
- Alilna preureditev: pogosto ionska, vključuje premik dvojne vezi ali substituenta v konjugiranih sistemih.
- Olefinska metateza: izmenjava alkilidenskih fragmentov med olefini; najpomembnejše so katalize z Grubbsovimi in Schrockovimi kompleksi. Mehanizem (Chauvin) vključuje nastanek metal-karbenov in ciklobutanskih intermediantov.
- Radikalne preureditve: premiki skupin s posredovanjem prostih radikalov (npr. nekatere izdvojitve in rekombinacije).
- Biokemijske preureditve: encimsko katalizirane preuredive, npr. delovanje izoformacij in lyaz, ki lahko izvedejo stereoselektivne migracije (slika spodaj: izohoščirmat → salicilat + piruvat).
Migracijske afinitete in stereokemija
Pri mnogih preureditvah je migracijska afiniteta različnih skupin odločilna za smer reakcije — npr. za Baeyer–Villiger ali Beckmann, kjer so določene skupine bolj nagnjene k migraciji. Stereokemija premičajočih se centrov lahko kaže o mehanizmu: concerted premiki običajno ohranijo stereokemijo, medtem ko reakcije preko planarnih karbokatjonov vodijo k racemizaciji ali izgubi konfiguracije.
Kataliza, pogoji in eksperimentalni dokazi
- Preureditve pospešujejo kisline (protonacijske aktivacije), baze, kovinski katalizatorji (Lewisove kisline, prehodni kovinski kompleksi) in encimi. Tudi fotokemija in radikalni iniciatorji so pomembni katalizatorji nekaterih poti.
- Mehanizme pogosto raziskujemo z izotopnim označevanjem (npr. 13C, 2H), s poskusi zajema mediatov (trapping), kinetiko, NMR-om, IR-om in s kvantno-kemijskimi računi.
- Računalniške študije (DFT) in mehanistične študije pomagajo razlikovati med concerted in stopnjevitimi potmi ter razložiti vlogo solvatacije in katalizatorjev.
Pomembnost v organski sintezi in biokemiji
Reakcije preureditve so v sintezi nepogrešljive: omogočajo preoblikovanje ogljikovega skeleta, izgradnjo obročev, spreminjanje funkcionalnosti in stereokemije v parih korakov. V biokemiji encimi izvajajo izredno selektivne preureditev (npr. presnovne poti), kar ima ključno vlogo pri nastanku naravnih produktov in metabolizmu zdravil.
Kako prepoznati in izkoristiti preureditev v praksi
- Pri načrtovanju sintezne poti je treba upoštevati potencialne preureditve, ki lahko vplivajo na izid in selektivnost.
- Uporaba zaščitnih skupin, izbira katalizatorja in pogojev (temperatura, topilo, kislost) lahko spodbudijo želeno preureditev ali pa jo zavirajo.
- Eksperimentalno preverimo potek z analizami produktov (NMR, MS, derivatizacija) in z opazovanjem kinetike ter izdelavo modelnih spojin.
Zaključek
Reakcije preureditve so raznolika skupina procesov, ki vključujejo tako concerted kot stopnjevite mehanizme. Tri pomembne skupine reakcij, ki jih pogosto izpostavljamo, so 1,2-ureditve, periciklične reakcije in olefinska metateza, vendar spekter preureditev obsega še številne druge vrste z velikim pomenom v kemiji in biokemiji. Razumevanje mehanizma, migracijskih afinitet in vpliva katalizatorjev je ključno za nadzor in uspešno uporabo teh reakcij v sintezi in industriji.
1,2-razporeditve
1,2-razporeditev je organska reakcija, pri kateri se substituent premakne z enega atoma na drug atom v kemijski spojini. Pri 1,2 premiku se substituent premakne med dvema sosednjima atomoma. Možni pa so tudi premiki na večje razdalje. Primeri so Wagner-Meerweinova preureditev:
.png)
in Beckmannovo preureditev:
Periciklične reakcije
Periciklična reakcija je vrsta reakcije z večkratnim nastajanjem in razpadanjem vezi ogljik-ogljik. Prehodno stanje molekule ima ciklično geometrijo. Reakcija poteka usklajeno. Primeri so hidridni premiki
in Claisenova preureditev:
Metateza olefinov
Olefinska metateza je formalna izmenjava alkilidenskih fragmentov dveh alkenov. Gre za katalitsko reakcijo s karbenom. Ima prehodne kovinske karbenske kompleksne vmesne produkte.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je reakcija preureditve?
O: Reakcija preureditve je organska reakcija, pri kateri se spremeni ogljikov skelet molekule, pri čemer nastane strukturni izomer prvotne molekule.
V: Kako se substituenti premikajo med reakcijo preureditve?
O: Med reakcijo preureditve se substituenti premikajo z enega atoma na drug atom znotraj iste molekule.
V: Ali potekajo medmolekulske preureditve?
O: Da, potekajo tudi medmolekulske preureditve.
V: Ali se diagrami s puščicami uporabljajo za prikaz prenosa elektronov med vezmi med reakcijo preureditve?
O: Da, včasih kemiki narišejo diagrame s puščicami, ki prikazujejo, kako se med reakcijo preureditve elektroni prenašajo med vezmi. Številni učbeniki organske kemije imajo take diagrame.
V: Ali je pri razlagi pericikličnih reakcij realno uporabiti ukrivljene puščice, ki prikazujejo diskretne prenose elektronov?
O: Ne, pri pericikličnih reakcijah so pomembne orbitalne interakcije, ki jih ni mogoče razložiti s preprostimi diskretnimi prenosi elektronov. Vendar pa lahko z uporabo ukrivljenih puščic, ki prikazujejo diskretne prenose elektronov, dobimo enak rezultat kot pri reakciji preureditve.
V: Ali je alilična preureditev ionska ali kovalentna?
O: Alilna preureditev je ionska.
V: Katere so tri pomembne vrste reakcij ponovnega urejanja?
O: Tri pomembne vrste reakcij preoblikovanja so 1,2-reagiranje, periciklične reakcije in olefinska metateza.
Iskati