הסיכום עדיין בעריכה, עמכם הסליחה. מוזמנים לצפות בתרגול הקודם כדי להכיר את הנושאים הבסיסיים.

פתיחה: הקשרים בין קבוצות פונקציונליות

הכימיה האורגנית מתאפיינת ברצף של תגובות המאפשרות המרה בין קבוצות פונקציונליות שונות. אלכוהולים, בהיותם תרכובות זמינות ורב-תכליתיות, משמשים כנקודת מוצא לסינתזה של מגוון רחב של תרכובות. פרק זה יעסוק בתגובות המרה של אלכוהולים לתרכובות הלוגניות ולקרבונילים, ויציג את היסודות הבסיסיים של כימיה קרבונילית - תחום מרכזי בכימיה אורגנית המניח את הבסיס להבנת מנגנונים מורכבים יותר.

חלק א’: המרת אלכוהולים לתרכובות הלוגניות

1. עקרונות תיאורטיים ואתגרים מכניסטיים

1.1 הבעיה המהותית בהמרת אלכוהולים

האתגר העיקרי בהמרת אלכוהולים לתרכובות הלוגניות נובע מהעובדה שקבוצת ההידרוקסיל ($\ce{OH^-}$) מהווה קבוצה עוזבת גרועה מאוד. באמצעות ניתוח של החומציות היחסית, אנו יכולים להבין כי $\ce{H2O}$ הוא חומצה חלשה משמעותית ($\mathrm{p}K_a \approx 15.7$), מה שאומר ש-$\ce{OH^-}$ הוא בסיס חזק ולכן קבוצה עוזבת גרועה. לעומת זאת, הלוגנידים כגון $\ce{Br^-}$ ו-$\ce{Cl^-}$ הם בסיסים חלשים הרבה יותר ולכן קבוצות עוזבות טובות.

הפתרון לבעיה זו טמון בהפיכת קבוצת ההידרוקסיל לקבוצה עוזבת טובה יותר, דרך פרוטונציה או דרך יצירת קשר עם אטומים אלקטרופיליים אחרים.

2. שיטות קלאסיות: תגובה עם חומצות הלוגניות

2.1 המנגנון הבסיסי

התגובה הפשוטה ביותר להמרת אלכוהולים לתרכובות הלוגניות כוללת טיפול בחומצה הלוגנית חזקה כמו $\ce{HBr}$ או $\ce{HCl}$. המנגנון מתחיל בפרוטונציה של האלכוהול:

\[\ce{R-OH + HX -> R-\mathbf{OH_2^+} + X^-}\]

הפרוטונציה הופכת את המים ($\ce{H2O}$) לקבוצה עוזבת טובה, מה שמאפשר את השלבים הבאים. עבור אלכוהולים שלישוניים, המים עוזבים ויוצרים קרבוקטיון יציב:

\[\ce{R3C-OH2^+ -> R3C^+ + H2O}\]

בסיום, יון ההלוגן תוקף את הקרבוקטיון:

\[\ce{R3C^+ + X^- -> R3C-X}\]

2.2 תלות בסוג האלכוהול והיציבות היחסית

אלכוהולים שלישוניים: התגובה מתרחשת בקלות רבה דרך מנגנון $\ce{S_N1}$. הקרבוקטיון השלישוני מיוצב על ידי שלוש קבוצות אלקיל דוחפות אלקטרונים באמצעות השפעה אינדוקטיבית ואפקט ההיפרקונג’וגציה.

אלכוהולים שניוניים: התגובה מתרחשת, אך בקצב איטי יותר. קיים סיכון לשחלופי קרבוקטיון (1,2-שחלוף הידריד או אלקיל), אשר עלול להוביל לתערובת של תוצרים עם שינוי בשלד הפחמני.

אלכוהולים ראשוניים: הקרבוקטיון הראשוני אינו יציב, ולכן התגובה איטית מאוד ולא יעילה. תיאורטית, המנגנון אמור להיות $\ce{S_N2}$, אך מכשולים קינטיים הופכים את התגובה לבלתי מעשית.

3. שיטות מתקדמות: רגנטים אורגנו-פוספור ואורגנו-גופרית

3.1 זרחן טריברומיד ($\ce{PBr3}$)

זרחן טריברומיד מהווה פתרון אלגנטי לבעיית האלכוהולים הראשוניים והשניוניים. המנגנון כולל שני שלבים מובחנים:

שלב א’: התקפה נוקלאופילית על הזרחן

\[\ce{3 R-OH + PBr3 -> 3 R-OPBr2 + 3 Br^-}\]

בשלב זה, החמצן של האלכוהול תוקף את הזרחן (אטום מרכזי אלקטרופילי) תוך יציאת ברומיד. התוצר הוא אסטר פוספונט הנוצר.

שלב ב’: התקפה נוקלאופילית על הפחמן

\[\ce{R-OPBr2 + Br^- -> R-Br + [OPBr2]^-}\]

בשלב זה, יון הברומיד תוקף את הפחמן במנגנון $\ce{S_N2}$ מובהק, תוך הסרת קבוצת הזרחן.

יתרונות מכניסטיים:

  1. הקשר P-O הוא מהחזקים בטבע (כ-540 קג’יי/מול), מה שהופך את קבוצת הזרחן לקבוצה עוזבת מצוינת
  2. המנגנון $\ce{S_N2}$ מבטיח הפיכת קונפיגורציה במרכזים כיראליים
  3. התגובה יעילה גם לאלכוהולים ראשוניים

3.2 תיוניל כלוריד ($\ce{SOCl2}$)

באופן דומה, תיוניל כלוריד משמש להכנת כלורידים:

\[\ce{R-OH + SOCl2 -> R-OSCl + HCl}\] \[\ce{R-OSCl + Cl^- -> R-Cl + SO2 + Cl^-}\]

היתרון של תיוניל כלוריד הוא שתוצרי הלוואי ($\ce{SO2}$ ו-$\ce{HCl}$) הם גזים הנפלטים מהתערובת, מה שמקל על טיהור התוצר.

4. דהידרציה של אלכוהולים: יצירת אלקנים

4.1 המנגנון והגורמים הקובעים

תגובת דהידרציה של אלכוהולים בנוכחות חומצה חזקה וחימום מובילה ליצירת אלקנים דרך מנגנון $\ce{E1}$:

\[\ce{R-CH2-CH(OH)-R' ->[H2SO4, \Delta] R-CH=CH-R' + H2O}\]

המנגנון כולל:

  1. פרוטונציה של ההידרוקסיל
  2. יציאת מים ויצירת קרבוקטיון
  3. קטיפת פרוטון $\beta$ על ידי בסיס (בדרך כלל מולקולת מים או $\ce{HSO4-}$)

4.2 כלל זייצב וסלקטיביות התוצר

בשל המעבר דרך קרבוקטיון, האלקן שנוצר הוא לרוב המותמר ביותר — בהתאם לכלל זייצב. הקרבוקטיון נוצר במיקום היציב ביותר (שלישוני > שניוני > ראשוני), ולעיתים עובר סידורים מחדש (rearrangements) לקבלת קרבוקטיון יציב יותר. הדה-פרוטונציה מתרחשת באופן שיוצר את האלקן היציב ביותר תרמודינמית, כלומר האלקן המותמר ביותר.

דוגמה: דהידרציה של 2-בוטנול מניבה בעיקר 2-בוטן (יותר מותמר) ורק מעט 1-בוטן (פחות מותמר).

חלק ב’: חמצון אלכוהולים לקרבונילים

5. עקרונות תרמודינמיים וקינטיים בחמצון אלכוהולים

5.1 ההגדרה הפורמלית של חמצון באורגנית

בכימיה אורגנית, חמצון מוגדר כהסרת אלקטרונים או הוספת חמצן או הסרת מימן. בהקשר של אלכוהולים, החמצון כולל הסרת שני אטומי מימן: אחד מקבוצת ההידרוקסיל ואחד מהפחמן הסמוך, תוך יצירת קשר כפול $\ce{C=O}$.

5.2 הדרישה המבנית לחמצון

התנאי ההכרחי לחמצון אלכוהול הוא נוכחות מימן על הפחמן הנושא את קבוצת ההידרוקסיל:

  1. אלכוהול ראשוני (יש שני $\ce{H}$ ים ← ניתן לחמצון לאלדהיד ואז לחומצה קרבוקסילית)

    \[\begin{array}{c} \ce{H} \\ | \\ \ce{H - C - OH} \\ | \\ \ce{R} \end{array}\]
    • הפחמן המרכזי קשור ל־OH, ל־R ולשני מימנים ← ניתן לחמצון.

  2. אלכוהול שניוני (יש $\ce{H}$ אחד ← ניתן לחמצון לקטון)

    \[\begin{array}{c} \ce{R'} \\ | \\ \ce{R - C - OH} \\ | \\ \ce{H} \end{array}\]
    • יש H אחד על הפחמן של ה־OH ← גם הוא ניתן לחמצון.

  3. אלכוהול שלישוני (אין $\ce{H}$ על הפחמן ← לא ניתן לחמצון רגיל)

    \[\begin{array}{c} \ce{R'} \\ | \\ \ce{R - C - OH} \\ | \\ \ce{R''} \end{array}\]
    • כל הקשרים הם ל־R, אין מימן על הפחמן ← לא ניתן לחמצון רגיל.

מכאן נובע שאלכוהולים שלישוניים ($\ce{R3C-OH}$) אינם יכולים לעבור חמצון בתנאים רגילים, שכן אין להם מימן זמין על הפחמן הקרבונילי העתידי.

6. סלקטיביות בחמצון: תלות בסוג האלכוהול

6.1 אלכוהולים ראשוניים: דרגות חמצון מרובות

אלכוהולים ראשוניים יכולים לעבור שתי דרגות חמצון:

דרגה ראשונה: חמצון לאלדהיד

\[\ce{R-CH2OH ->[O] R-CHO + H2O}\]

דרגה שנייה: חמצון לחומצה קרבוקסילית

\[\ce{R-CHO ->[O] R-COOH}\]

הבחירה בין שתי הדרגות תלויה בחומר המחמצן:

PCC (פירידיניום כלורוכרומט): מחמצן עדין שעוצר בשלב האלדהיד

\[\ce{R-CH2OH ->[PCC] R-CHO}\]

מחמצנים חזקים ($\ce{KMnO4}$, $\ce{K2Cr2O7}$): מובילים ישירות לחומצה קרבוקסילית

\[\ce{R-CH2OH ->[KMnO4] R-COOH}\]

6.2 אלכוהולים שניוניים: חמצון חד-שלבי

אלכוהולים שניוניים מתחמצנים תמיד וללא יוצא מן הכלל לקטונים:

\[\ce{R-CH(OH)-R' ->[O] R-CO-R'}\]

קטונים מהווים את צורת החמצון המקסימלית של אלכוהולים שניוניים, ואינם יכולים להתחמצן עוד מבלי לשבור קשרים C-C.

7. מחמצנים ספציפיים ומגבלותיהם

7.1 איגרוני התאמה: מחמצן חזק מול מחמצן עדין

בחירת המחמצן חייבת להתחשב בנוכחות קבוצות פונקציונליות נוספות במולקולה:

  • אלקנים: רגישים לחמצון על ידי $\ce{KMnO4}$, לכן יש להשתמש במחמצנים חלופיים
  • קבוצות ארומטיות: עמידות בפני מרבית המחמצנים הרגילים
  • קבוצות רגישות אחרות: דורשות בחירה קפדנית של תנאי התגובה

7.2 מחמצנים כרומטיים

מחמצני כרום פועלים דרך מנגנון הכולל יצירת אסטר כרומט כתוצר ביניים:

\[\ce{R2CHOH + HCrO4^- -> R2CH-OCrO3H + H2O}\]

לאחר מכן מתרחשת קטיפת $\beta$-הידריד פנימולקולרית היוצרת את הקרבוניל ומפחיתה את הכרום.

חלק ג’: יסודות כימיה קרבונילית

8. מבנה אלקטרוני ותכונות של קבוצת הקרבוניל

8.1 היברידיזציה וגיאומטריה מולקולרית

הפחמן הקרבונילי מאופיין בהיברידיזציה $sp^2$, המעניקה לו גיאומטריה מישורית טריגונלית עם זוויות קשר של כ-120°. הקשר C=O מורכב מקשר $\sigma$ (חפיפת אורביטלים $sp^2$) וקשר $\pi$ (חפיפת אורביטלים $p$).

8.2 פולריזציה ורזוננס אלקטרוני

הפרש האלקטרו-שליליות הניכר בין פחמן (2.5) לחמצן (3.5) יוצר דיפול משמעותי:

\[\ce{\delta^+ C=O^{\delta^-}}\]

מבנה זה יכול להיות מתואר באמצעות שני מבני רזוננס עיקריים:

\[\ce{R2C=O \leftrightarrow R2C^+-O^-}\]

המבנה הרזונטיבי השני מדגיש את האופי הקרבוקטיוני של הפחמן הקרבונילי ומסביר את התגובתיות הגבוהה שלו כלפי נוקלאופילים.

9. גורמים המשפיעים על תגובתיות קרבונילית

9.1 השפעות אלקטרוניות

השפעה אינדוקטיבית: קבוצות דוחפות אלקטרונים (כגון אלקיל) מפחיתות את המטען החיובי החלקי על הפחמן ובכך מפחיתות את האלקטרופיליות. קבוצות מושכות אלקטרונים (כגון הלוגנים) מגבירות את האלקטרופיליות.

השפעה מזומרית (רזוננס): קבוצות עם זוגות אלקטרונים חופשיים (כגון $\ce{OR}$, $\ce{NR2}$) יכולות לתרום צפיפות אלקטרונית לקרבוניל דרך רזוננס, ובכך לפחות את התגובתיות.

9.2 השפעות סטריות

הפרעה סטרית: קבוצות גדולות סביב הפחמן הקרבונילי מקשות על גישת נוקלאופילים. זו הסיבה העיקרית לכך שאלדהידים תגובתיים יותר מקטונים.

זווית התקפה: נוקלאופילים תוקפים את הפחמן הקרבונילי בזווית של כ-107° למישור הקרבוניל (זווית בורגי-דונץ), מה שמגדיל את החשיבות של הפרעות סטריות.

10. השוואה מפורטת: אלדהידים מול קטונים

10.1 הבדלי תגובתיות

אלדהידים ($\ce{R-CHO}$) תגובתיים יותר מקטונים ($\ce{R-CO-R’}$) מכמה סיבות:

  1. הפרעה סטרית מופחתת: המימן באלדהיד הוא הקבוצה הקטנה ביותר האפשרית
  2. השפעה אלקטרונית: באלדהידים יש רק קבוצה אחת דוחפת אלקטרונים, בעוד שבקטונים יש שתיים
  3. יציבות התוצר: תוצרי ההתקפה על אלדהידים פחות עמוסים סטרית

10.2 השלכות סינתטיות

הבדלי התגובתיות מאפשרים תגובות סלקטיביות. למשל, בנוכחות גם אלדהיד וגם קטון באותה מולקולה, נוקלאופילים יתקפו עדיפית את האלדהיד.

חלק ד’: מנגנונים בסיסיים של התקפה נוקלאופילית

11. התקפה נוקלאופילית בסביבה בסיסית

11.1 המנגנון הכללי

בסביבה בסיסית, נוקלאופילים חזקים (בעלי מטען שלילי או זוגות אלקטרונים זמינים) תוקפים ישירות את הפחמן הקרבונילי:

שלב 1: התקפה נוקלאופילית

\[\ce{Nu^- + R2C=O -> R2C(Nu)-O^-}\]

האלקטרונים מהקשר $\pi$ עוברים לחמצן, ויוצרים אלקוקסיד יציב.

שלב 2: פרוטונציה

\[\ce{R2C(Nu)-O^- ->[H^+] R2C(Nu)-OH}\]

הפרוטונציה מתרחשת בדרך כלל במהלך “עבודת התגובה” (work-up) עם מים או עם חומצה חלשה.

11.2 נוקלאופילים חזקים נפוצים

ראגנט גריניארד ($\ce{R-MgX}$): נוקלאופילים פחמניים חזקים המאפשרים הארכת שלד הפחמן

הידרידים ($\ce{H^-}$ מ-$\ce{NaBH4}$ או $\ce{LiAlH4}$): מובילים להפחתה לאלכוהולים

אלקינים טרמינליים (לאחר דה-פרוטונציה): מאפשרים יצירת אלכוהולים פרופרגיליים

12. התקפה נוקלאופילית בסביבה חומצית

12.1 הצורך בהפעלה חומצית

בסביבה חומצית, הקרבוניל עובר תחילה פרוטונציה על החמצן, מה שמגביר באופן דרמטי את האלקטרופיליות של הפחמן:

\[\ce{R2C=O + H^+ -> R2C=OH^+}\]

הפרוטונציה יוצרת מטען חיובי פורמלי על החמצן, והמבנה הרזונטיבי מציג מטען חיובי מלא על הפחמן:

\[\ce{R2C=OH^+ \leftrightarrow R2C^+-OH}\]

12.2 נוקלאופילים חלשים

הפעלה חומצית מאפשרת לנוקלאופילים חלשים (ניטרליים) לתקוף ביעילות:

  • מים: מובילים להידראטים (לא יציבים)
  • אלכוהולים: מובילים לקבוצות אצטל (Acetal)
  • אמינים: מובילים לאימינים ואינמינים

13. תגובות עם מים: היווצרות הידראטים

13.1 המנגנון והיציבות

מים יכולים לתקוף קרבונילים ליצירת הידראטים (דיאולים ג’מינליים):

\[\ce{R2C=O + H2O \rightleftharpoons R2C(OH)2}\]

ברוב המקרים, שיווי משקל נוח בכבדות לכיוון הקרבוניל החופשי, בשל:

  1. האנטרופיה החיובית של פירוק (מולקולה אחת הופכת לשתיים)
  2. עדיפות אנרגטית של הקשר $\pi$ החזק בקרבוניל

13.2 יוצאי דופן: הידראטים יציבים

מקרים נדירים בהם הידראטים יציבים כוללים:

  • פורמלדהיד בתמיסה מימית: שיווי המשקל נוח להידראט
  • קרבונילים עם קבוצות מושכות אלקטרונים חזקות: מייצבות את ההידראט

חלק ה’: כימיה מתקדמת של אצטלים

14. יצירת אצטלים: מנגנון מפורט

14.1 השלבים המכניסטיים

יצירת אצטלים היא תהליך רב-שלבי המתרחש בקטליזה חומצית:

שלב 1: הפעלה חומצית של הקרבוניל

\[\ce{R2C=O + H^+ \rightleftharpoons R2C=OH^+}\]

שלב 2: התקפה נוקלאופילית של האלכוהול הראשון

\[\ce{R2C=OH^+ + R'OH \rightleftharpoons R2C(OR')-OH2^+}\]

שלב 3: דה-פרוטונציה ליצירת המי-אצטל

\[\ce{R2C(OR')-OH2^+ \rightleftharpoons R2C(OR')-OH + H^+}\]

המי-אצטל הוא תוצר ביניים לא יציב הממשיך להגיב:

שלב 4: הפעלה של קבוצת ההידרוקסיל

\[\ce{R2C(OR')-OH + H^+ \rightleftharpoons R2C(OR')-OH2^+}\]

שלב 5: יציאת מים ויצירת קרבוקטיון מיוצב

\[\ce{R2C(OR')-OH2^+ \rightleftharpoons R2C^+(OR') + H2O}\]

הקרבוקטיון מיוצב על ידי תרומת צפיפות אלקטרונית מהחמצן (רזוננס).

שלב 6: התקפה של מולקולת אלכוהול שנייה

\[\ce{R2C^+(OR') + R'OH \rightleftharpoons R2C(OR')2H^+}\]

שלב 7: דה-פרוטונציה ליצירת האצטל

\[\ce{R2C(OR')2H^+ \rightleftharpoons R2C(OR')2 + H^+}\]

14.2 גורמים תרמודינמיים וקינטיים

עקרון לה-שאטלייה: מכיוון שהתגובה מייצרת מים, הסרתם (באמצעות חומר מייבש או זיקוק אזאוטרופי) דוחפת את השיווי משקל לכיוון היווצרות האצטל.

עודף אלכוהול: שימוש בעודף גדול של האלכוהול מגביר את הריכוז האפקטיבי ודוחף את התגובה קדימה.

15. אצטלים ציקליים: יתרונות קינטיים ותרמודינמיים

15.1 אתילן גליקול כרגנט מועדף

שימוש באתילן גליקול ($\ce{HOCH2CH2OH}$) במקום שני מולקולות אלכוהול נפרדות מוביל ליתרונות משמעותיים:

\[\ce{R2C=O + HOCH2CH2OH ->[H^+] R2C<[O-CH2][O-CH2]> + H2O}\]

יתרונות:

  1. קינטיים: ההתקפה השנייה היא תוך-מולקולרית, לכן מהירה יותר משמעותית
  2. תרמודינמיים: מיוצב על ידי עלויות אנטרופיה נמוכות יותר
  3. סינתטיים: קל יותר לטיהור ובידוד

15.2 אצטלים ציקליים כקבוצות הגנה מתקדמות

אצטלים ציקליים מהווים קבוצות הגנה מצוינות לקרבונילים בשל:

  • יציבות גבוהה בפני בסיסים חזקים
  • יציבות בפני נוקלאופילים
  • יציבות בפני חומרי חימצון והפחתה
  • הסרה סלקטיבית בתנאים חומציים מימיים

16. היישומים הסינתטיים של כימיית אצטלים

16.1 הגנה סלקטיבית בסינתזה מרובת שלבים

דוגמה לשימוש בקבוצת הגנה:

  1. הפיכת קטון לאצטל (הגנה)
  2. ביצוע תגובה רגישה על חלק אחר במולקולה
  3. הסרת ההגנה והחזרה לקטון המקורי
\[\ce{R-CO-R' ->[1. Diol/H^+][2. RX/Base][3. H3O^+] R-CO-R''}\]

16.2 אצטלים מכינוסים אחרים

תיואצטלים: שימוש בדי-תיולים במקום דיאולים מוביל לתיואצטלים, הרגישים להסרה על ידי מתכות כבדות או חומרי חימצון עדינים.

חלק ו’: כימיה של נגזרי חנקן

17. תגובות עם אמינים: יצירת אימינים

17.1 מנגנון יצירת אימינים

תגובה בין קרבונילים לאמינים ראשוניים או אמוניה מוביל ליצירת אימינים (בסיסי שיף):

שלבים 3-1: התקפה ויצירת קרבינולאמין

\[\ce{R2C=O ->[H^+] R2C=OH^+}\] \[\ce{R2C=OH^+ + R'NH2 \rightleftharpoons R2C(NHR')-OH2^+}\] \[\ce{R2C(NHR')-OH2^+ \rightleftharpoons R2C(NHR')-OH + H^+}\]

הקרבינולאמין הוא תוצר ביניים לא יציב.

שלבים 6-4: הסרת מים ויצירת אימין

\[\ce{R2C(NHR')-OH ->[H^+] R2C(NHR')-OH2^+}\] \[\ce{R2C(NHR')-OH2^+ \rightleftharpoons R2C^+(NHR') + H2O}\]

הקרבוקטיון מיוצב על ידי תרומת צפיפות אלקטרונית מהחנקן.

\[\ce{R2C^+(NHR') ->[- H^+] R2C=NR'}\]

התוצר הסופי: אימין עם קשר כפול $\ce{C=N}$.

17.2 אימינים: תכונות ושימושים

  • יציבות: אימינים יציבים יחסית אך רגישים להידרוליזה חומצית
  • תגובתיות: הפחמן הקשור לחנקן בקשר כפול הוא אלקטרופילי
  • שימושים סינתטיים: אימינים יכולים לעבור הפחתה לאמינים, או לשמש כנוקלאופילים לאחר דה-פרוטונציה

18. אינמינים: מנגנון וחשיבות סינתטית

18.1 מנגנון יצירת אינמינים

כאשר אמין שניוני מגיב עם קרבוניל, התהליך דומה בתחילתו ליצירת אימין, אך בהיעדר מימן על החנקן לקטיפה, המנגנון ממשיך בדרך שונה:

לאחר יצירת הקרבוקטיון המיוצב על ידי החנקן:

\[\ce{R2C^+(NR'2) ->[- H^+] R2C=CHR'' + NR'2}\]

במקום קטיפת מימן מהחנקן, מתרחשת קטיפת פרוטון מפחמן $\alpha$ (ליד החנקן המקורי), ויצירת קשר כפול $\ce{C=C}$.

18.2 תכונות ושימושים של אינמינים

  • מבנה: אינמין מאופיין בקשר כפול $\ce{C=C}$ עם קבוצת אמין מחוברת
  • תגובתיות: הפחמן $\beta$ לחנקן הוא נוקלאופילי בשל התרומה האלקטרונית מהחנקן
  • שימושים: אינמינים משמשים כנוקלאופילים במגוון תגובות היווצרות קשר C-C

19. גורמים המשפיעים על יצירת אימינים ואינמינים

19.1 השפעת pH

  • pH נמוך מדי: האמין נמצא בצורה פרוטונטת ואינו נוקלאופילי
  • pH גבוה מדי: הקרבוניל אינו מופעל מספיק להתקפה
  • pH אופטימלי: בדרך כלל סביב 4-5, המאפשר איזון בין הפעלת הקרבוניל לבין נוקלאופיליות האמין

19.2 השפעות סטריות ואלקטרוניות

  • קבוצות גדולות על החנקן: מקשות על ההתקפה הראשונית
  • קבוצות מושכות אלקטרונים על החנקן: מפחיתות נוקלאופיליות
  • קבוצות דוחפות אלקטרונים על החנקן: מגבירות נוקלאופיליות אך עלולות לייצב יתר על המידה את תוצרי הביניים

חלק ז’: תגובות מיוחדות ושיטות סינתטיות מתקדמות

20. תיואצטלים והפחתה לאלקנים

20.1 יצירת תיואצטלים

תיואצטלים נוצרים באופן דומה לאצטלים, אך עם דיתיולים במקום דיאולים:

\[\ce{R2C=O + HSCH2CH2SH ->[H^+] R2C<[S-CH2][S-CH2]> + H2O}\]

20.2 הפחתה דסולפוריזטיבית

תיואצטלים יכולים לעבור “הפחתה מלאה” לאלקנים באמצעות ניקל ריני:

\[\ce{R2C<[S-CH2][S-CH2]> ->[Ni-Raney] R2CH2 + "תוצרי גופרית"}\]

תגובה זו מאפשרת הפחתה פורמלית של קבוצת קרבוניל לקבוצת מתיל, דרך הסרה מלאה של החמצן.

21. אוזונוליזה: פיצול קשרים כפולים לקרבונילים

21.1 המנגנון הכללי

אוזונוליזה של אלקנים מוביל לפיצול הקשר הכפול ויצירת שני קרבונילים:

\[\ce{R-CH=CH-R' ->[1. O3][2. Zn/H^+] R-CHO + R'-CHO}\]
  • שלב 1: האוזון מתמצא לקשר הכפול ויוצר אוזוניד לא יציב
  • שלב 2: עבודת תגובה (עם אבץ/חומצה או דימתיל סולפיד) מביא לפירוק האוזוניד

21.2 וריאציות בתנאי העבודה

  • תנאים מפחיתים (Zn/H⁺ או Me₂S): מובילים לאלדהידים וקטונים
  • תנאים מחמצנים (H₂O₂): אלדהידים ממשיכים להתחמצן לחומצות קרבוקסיליות

22. סיפוח מים לאלקינים: דרך אנול-קטון

22.1 המנגנון

סיפוח מים לאלקינים בקטליזה חומצית עוקב אחרי כלל מרקובניקוב:

\[\ce{R-C≡C-R' ->[H2O/H^+] R-CO-CH2-R'}\]
  • שלב 1: פרוטונציה של האלקין במיקום שיוצר את הקרבוקטיון היציב יותר
  • שלב 2: התקפה נוקלאופילית של מים
  • שלב 3: טאוטומריזציה של האנול לקטון

22.2 טאוטומריזציה קטו-אנול

האנול הנוצר בתחילה עובר טאוטומריזציה ספונטנית לקטון:

\[\ce{R-C(OH)=CH-R' \rightleftharpoons R-CO-CH2-R'}\]

הקטון יציב יותר מהאנול בשל חוזק קשר C=O יחסית לקשר C=C.

חלק ח’: שאלות יישום וסינתזה מתקדמת

23. ניתוח רטרוסינתטי של בעיות מורכבות

23.1 זיהוי קבוצות פונקציונליות ומוצא שלהן

כאשר מתמודדים עם מולקולת מטרה מורכבת, חשוב לזהות:

  1. קבוצות פונקציונליות קיימות: מה הן ומהיכן יכלו להגיע
  2. סוג הפחמן הקרבונילי: האם היה אלדהיד או קטון מקוריים
  3. דפוסי קישוריות: איזה קשרים נוצרו בשלבים מתקדמים

23.2 דוגמת ניתוח: הכנת אלכוהול שלישוני

להכנת אלכוהול שלישוני יש מספר דרכים:

  1. גריניארד + קטון: $\ce{R-MgX + R’2C=O -> R3C-OH}$
  2. שלושה שלבי גריניארד עוקבים עם פורמלדהיד
  3. הפחתה של אסטר מתאים

הבחירה תלויה בזמינות חומרי הגלם ובסלקטיביות הנדרשת.

24. אסטרטגיות הגנה והסרת הגנה

24.1 בחירת קבוצת הגנה מתאימה

עבור קרבונילים, קיימות מספר אפשרויות:

  • אצטלים: יציבים בפני בסיסים ונוקלאופילים, רגישים לחומצה
  • תיואצטלים: רגישים להסרה בתנאים שונים (מתכות כבדות, חימצון)
  • אימינים: פחות יציבים, מתאימים להגנה זמנית

24.2 תכנון רצף תגובות

דוגמה לרצף הגנה:

  1. הגנה על קטון רגיש: $\ce{R-CO-R’ -> R-C(OR’‘)2-R’}$
  2. תגובה על קבוצה פונקציונלית אחרת
  3. הסרת ההגנה: $\ce{R-C(OR’‘)2-R’ ->[H3O^+] R-CO-R’}$

25. שילוב תגובות: בניית מולקולות מורכבות

25.1 תגובות טנדם ורצף תגובות

שילוב של מספר תגובות ברצף מאפשר בניית מולקולות מורכבות:

  • גריניארד + חמצון: אלכוהול ← קטון/אלדהיד ← חומר מחמצן
  • אצטל + ניתוק + הידרוליזה: הסרת קבוצות והמרה לקרבוניל

25.2 שליטה בסלקטיביות

  • סלקטיביות אזורית: בחירת המיקום הנכון להתקפה
  • סלקטיביות סטריוכימית: שליטה בקונפיגורציה של מרכזים כיראליים
  • סלקטיביות כמוסלקטיבית: בחירה בין תוצרים אפשריים מרובים
דור פסקל
צפה בשיעור בנושא