Halogenuhlovodíky, substituční a eliminační reakce
Přihlásit se
Halogenuhlovodíky, substituční a eliminační reakce (4/14) · 11:27

Karbokationty a přesmyky Když uhlíkový řetězec ztratí elektron, vznikne karbokation. Vysvětlíme si, jak se liší reaktivity různých karbokationtů na základě tzv. hyperkonjugace.

Navazuje na Stereochemii.
Podívejme se na tyto 4 karbokationty. Karbokationt má formální náboj +1 na uhlíku. Můžete si ověřit v předchozím videu o formálních nábojích, proč to tak je. A protože je zde kladný náboj, můžete vidět, že tyto uhlíky mají pouze 3 vazby a kolem sebe 6 elektronů. A víme, že uhlík má rád 4 vazby a také oktet kolem sebe. To dělá karbokationt velmi reaktivní. Podívejme se na karbokationt zde vlevo. Toto se nazývá methyl karbokationt. Pojďme to napsat zde. A pokud nahradíte 1 z těchto vodíků alkylovou skupinou, tak uhlík, který má kladný náboj, je nyní přímo vázán k jinému uhlíku. Toto nazýváme primární karbokationt. Pokud postoupím k třetímu příkladu, tak uhlík s kladným nábojem je vázán k 2 jiným uhlíkům. Toto nazýváme sekundární karbokationt. A nakonec, uhlík s kladným nábojem je vázán ke 3 alkylovým skupinám, je přímo navázán se třemi jinými uhlíky. Tomuto říkáme terciální karbokationt. Z hlediska stability je to terciální karbokationt, který je nejstabilnější. Terciální karbokationt je stabilnější než sekundární, sekundární je stabilnější než primární a primární je stabilnější než methyl. Můžete vidět, že zvýšením počtu alkylových skupin, zvýšíme stabilitu karbokationtu. A důvod, proč se tomuto efektu říká hyperkonjugace... Napišme to. Hyperkonjugace vysvětluje, proč stabilita karbokationtu stoupá s nárůstem počtu alkylových skupin. Pojďme nakreslit obrázky, abychom viděli, zda můžeme lépe porozumět efektu hyperkonjugace. A začneme s methyl karbokationtem, protože je nejjednodušší k nakreslení. Methyl karbokationt je uhlík přímo vázaný ke 3 vodíkům. A víme, že uhlík vázaný ke 3 různým atomům nám dá sterické číslo 3, což znamená, že máme sp₂ hybridizaci. Jsou to sp₂ hybridizované orbitaly od tohoto uhlíku, který je vázán s „orbitaly s" těchto vodíků. U sp₂ hybridizovaného uhlíku je také nehybridizovaný „orbital p". Nakreslím nehybridizovaný orbital p k tomuto sp₂ hybridizovanému uhlíku. Toto udělám kladně nabité. Je to kladně nabité. A tento uhlík je sp₂ hybridizovaný, což znamená, že geometrie je rovnostranný trojúhelník. Toto je methyl karbokationt, nejméně stabilní druh. Vezměme karbokationt a vložme na něj methylovou skupinu. Pojďme překreslit tuto část molekuly. Toto je můj karbokationt a tento uhlík je kladně nabitý. A když je toto můj sp² hybridizovaný uhlík, bude mít i orbital p. Vložím orbital p zde. A místo, aby byl tento uhlík přímo vázán na vodík, jako vlevo, tak ho pojďme připojit k uhlíku. Pojďme tento uhlík připojit k methylové skupině zde. Řeknu, že toto je moje methylová skupina s vodíkem. A další vodík je zde. A pokud je tento uhlík vlevo methylová skupina, tak uhlík vlevo musí být sp₃ hybridizován. Podívejme, zda můžeme dostat jinou barvu. Toto je uhlík v sp³ hybridizaci, což znamená, že geometrie je více tetraedrická. Nakreslím 1 z sp₃ hybridizovaných orbitalů, které má uhlík. Toto bude reprezentovat sp₃ hybridizovaný orbital, který tvoří vazbu s orbitalem s jiného vodíku. Zde je vodík. Ukážeme překrytí orbitalu s tohoto vodíku s tímto sp₃ hybridizovaným orbitalem. Toto je naše situace. Máme karbokationt vázaný s methylovou skupinou. Tato alkylová skupina bude stabilizovat karbokationt, během darování části elektronové hustoty této vazbě sigma. Zde je vazba sigma. Zde jsou elektrony. Část této elektronové hustoty může být sdílena s tímto prázdným orbitalem p. A jestliže je tento uhlík kladně nabitý... Opačné náboje přitahují tuto elektronovou hustotu. Tato záporně nabitá elektronová hustota bude pomáhat stabilizovat kladný náboj. A toto je efekt hyperkonjugace. Dává smysl, že čím více alkylových skupin máte, tím více je elektronové hustoty z vazby sigma, která může být sdílena s MTP orbitalem, proto je stabilnější váš karbokationt. Vše je to o opačných nábojích. Karbokationty jsou důležité z důvodu, že se mohou přesmykávat během mechanizmu. Pojďme to napsat. Možné přesmyky. Prvním typem, se kterým budeme pracovat, je to něco, čemu se říká posun methylu. Nejprve se podívejme na posun methylu. Pokud děláte mechanizmus, který zahrnuje karbokationt, tak jeden z vašich intermediátů bude vypadat takto. Nakreslím tuto molekulu zde. Zde vložíme methylovou skupinu. A z tohoto uhlíku uděláme náš karbokationt. Tento uhlík má kladný náboj +1. Občas se studenti zapotí, než odhalí karbokationt, protože zde nejsou nakreslené vodíky. Ale pokud vám někdo řekne, že uhlík má kladný náboj, tak to teď vypadá, že uhlík má pouze 2 vazby. Ale víme, že je zde ještě 1 vodík. Víme, že zde je vodík vázaný s tímto uhlíkem. Nyní je uhlík vázaný se 3 jinými atomy a je jednodušší pozorovat, že je sp₂ hybridizovaný. A je jednodušší vidět, že nese kladný náboj. Jaký typ karbokationtu máme v tomto vzorci? Uhlík, který je kladně nabitý, je přímo vázán ke 2 jiným atomům. Když je uhlík, který je kladně nabitý, vázán k jiným 2 atomům, tak ho nazýváme sekundární karbokationt. Toto je sekundární karbokationt. Tento karbokationt může podléhat přesmyku za vytvoření stabilnějšího karbokationtu. A toto nazveme posun methylu. Vezmeme tuto methylovou skupinu... Tato methylová skupina se přesune přes 1 uhlík a vytvoří vazbu s tímto karbokationtem. Podívejme, zda dokážeme nakreslit obrázek toho, co se zde děje. Elektrony v této vazbě, u této methylové skupiny se přesunou zde a budou se vázat přímo s tímto uhlíkem. Nakresleme, co bychom dostali, pokud by se to stalo. Pokud by se tato methylová skupina posunula k tomuto uhlíku... Ujistím se, že používám stejnou barvu pro své elektrony. Toto jsou elektrony z methylové skupiny, které se právě posunuly. Toto je methylová skupina po posunu. Zde byl vodík připojený k tomuto uhlíku. A pak zde byl CH₃. To je náš posun methylu. A otázka je, proč? Proč se tato methylová skupina posunula? Odpověď je, že vytvořila stabilnější karbokationt. Podívejme se na to. Tento uhlík zde vlevo měl 4 vazby. Ale my jsme 1 z nich odebrali. Vazbu k této methylové skupině. Měl 4 vazby a nyní má pouze 3. Nyní musí mít kladný náboj, tedy +1 na tomto uhlíku. Takže se váš karbokationt přesunul z uhlíku vpravo na uhlík vlevo. Jakmile uhlík vlevo ztratil vazbu a uhlík vpravo vazbu získal. Proto uhlík vpravo už nemá formální náboj, jeho formální náboj je 0. Jaký druh karbokationtu máme teď? Uhlík, který má kladný náboj je přímo vázán na 1, 2, 3 jiné uhlíky. Díky posunu methylu jsme vytvořili terciální karbokationt. Víme, že terciální karbokationty jsou stabilnější než sekundární, díky hyperkonjugaci. Toto je druh přesmyku, který můžete očekávat, že se stane v mechanizmech organické chemie. Pojďme se podívat na jiný typ posunu. Budeme ho nazývat hydridový posun. Jako jiný typ přesmyku byste mohli mít hydridový posun. Co je hydrid? Nejprve se na něj podívejme. Hydrid je vodík se 2 elektrony. Vodík má kolem sebe obvykle 1 elektron. Nebo přináší 1 elektron do sloučeniny. 2 elektrony by mu daly formální náboj -1. Opakuji, shlédněte videa o formálním náboji. 2 elektrony udělují vodíku celkový záporný náboj. Nazýváme ho hydridový aniont. Podívejme se na hydridový posun. Bude vypadat podobně, jako příklad, který jsme dělali. Pokud toto nakreslíme. Udělejme to ještě jednou... Toto je náš karbokationt. Pomyslíme si pro sebe, jaký druh karbokationtu to je? Toto je uhlík na němž sedí kladný náboj. Opakuji, že tento uhlík je vázán ke 2 jiným uhlíkům. Proto to musí být sekundární karbokationt. A opakuji, že i když jsme zde nenakreslili vodík, tak víme, že zde vodík je. Na tomto uhlíku je vodík. Víme to, protože nám zadali kladný náboj na tomto uhlíku. Co myslím hydridovým posunem? Pokud vím, že tento modrý uhlík zde vlevo má 3 vazby, musí mít jinou vazbu též k vodíku. A tento vodík může být ten, který podstoupí posun. Kompletně analogické předchozímu příkladu. Pokud se tyto 2 elektrony posunou s vodíkovým jádrem... Je to stejná myšlenka, jako předtím. Vezmeme tyto elektrony. Vytvoří novou vazbu s tímto uhlíkem. Nakresleme zde produkt tohoto posunu. Co bychom dostali? Zde jsou stále CH₃ skupiny. Vložím to zde. Tyto elektrony jsou elektrony z hydridového posunu. Jeden z vodíků už byl vázán k uhlíku. A pak zde byla CH₃ skupina připojená k uhlíku takto. Tento uhlík vpravo získal vazbu. Odevzdal svůj formální náboj. Má formální náboj 0. Uhlík zde vlevo... Tento uhlík vlevo ztratil vazbu. Měl 4 vazby. Nyní má jen 3 vazby, což mu dává formální náboj +1. Opakuji, že pokud byste chtěli zařadit tento karbokationt... Je vázaný k 1, 2, 3 jiným uhlíků. Takže je terciální. Opakuji, že terciální karbokationt je stabilnější, než sekundární karbokationt. Takže hydridový posun je také možný. Dávejte si pozor na možný posun methylu nebo hydridový posun, kdykoliv dostanete karbokationt ve svém mechanizmu.
video