B6 – B9 – chemia organiczna

Najlepszym źródłem do nauki na poziomie olimpijskim jest to źródło (po angielsku).

Jeśli ktoś ma (bo wiem, że są problemy z dostępnością), to można przeczytać z Claydena :

• związki siarki
• cykloaddycje
• przegrupowania – tutaj przegląd najważniejszych przegrupowań.

Trzeba jednak pamiętać, że na II etapie nie ma wysokiego poziomu z przegrupowań – wystarczy spojrzeć na poprzednią edycję (ewidentnie układają Ci sami autorzy, bo zadania są takie same w tej edycji). W dalszym ciągu przede wszystkim zwracałbym uwagę na przegrupowania związane z karbokationami.

Prawdopodobna jest sytuacja, w której Folder B służy jako zeszyt ćwiczeń kilku określonych reakcji, ponieważ np. użyta na II etapie synteza będzie zawierała np. jedną czy dwie takie reakcje, które się pokryją. Zobaczmy o co chodzi z perspektywy autora?

Po prostu przebieg reakcji przegrupowania bardzo ciężko opisać za pomocą wskazówek. Dlatego autor chce nauczyć Was jakiejś jednej reakcji, która pojawi się w syntezie i tyle – to byłby taki optymistyczny scenariusz.

Można też wzorcowo spojrzeć na edycję 58 – zobacz na zadania z przegrupowań (B5) i potem dosłownie jedna taka reakcja pojawiła się w zadaniu 4 na II etapie oraz jedna reakcja w zadaniu 5 na II etapie 🙂

Zadanie 1

Reakcja Grignarda?

Nienasycony terminalnie bromowany węglowodór o wzorze podanym poniżej poddano reakcji wobec magnezu w eterze i następnie dodano związku Y, całość poddano hydrolizie. Otrzymano związek X, który jest n,m – nienasyconym związkiem karbonylowym (gdzie n,m to odpowiednie literki greckie). Widmo ¹H NMR w CDCl₃ jako rozpuszczalniku przedstawiono poniżej wraz z uproszczonym schematem przekształcenia.

Wskazówka: W widmie ¹⁵N i ²⁹Si NMR związku X nie są widoczne żadne sygnały.

Otrzymane sygnały ¹H NMR δ (zw. X): 5,43 (2H, dd); 4,38 (1H, s); 3,49 (2H, t); 2,49 (2H, t); 2,40 (2H, t); 2,24 (2H, q), 2,00 (2H, qt); 1,86 (2H, st), 0,79 (3H, t):

W widmie ¹³C NMR związku X widocznych jest 10 sygnałów.

q – kwartet, qt – kwintet, st – sekstet

Polecenia:

1. (2 m.) Przedstaw wzór związku X, wiedząc że wyjściowa stereochemia została zachowana. 
2. (2 m.) Przedstaw produkt pośredni przedstawionej reakcji, wiedząc że ulega on hydrolizie. W odpowiedzi uwzględnij ładunek formalny atomu azotu.

Rozwiązanie:

1.  Reakcja obejmuje sprzęganie wobec związku Grignarda i następczą hydrolizę.

2.  

Zadanie 2

Mieszanina izomerów

W wyniku ogrzewania związku A w roztworze kwasu tetrafluoroborowego w eterze dietylowym w temperaturze pokojowej otrzymuje się mieszaninę izomerów. Izomer X1 jest izolowany jako sól tego kwasu, zaś związek X2 jest drugim izomerycznym produktem.

Oba produkty są związkami bicyklicznymi, związek X1 hydrolizuje z utworzeniem heterocyklicznego nienaturalnego aminokwasu o pierścieniu sześcioczłonowym, zaś w przypadku związku X2 otrzymuje się nienaturalny heterocykliczny aminokwas drugorzędowy o pierścieniu pięcioczłonowym. W związkach X1 oraz X2 , atom azotu stanowi atom mostkowy (węzłowy). 

Polecenie:

Ustal wzory związków X1 i X2.

Rozwiązanie:

X1 X2

Reakcja otrzymywania powyższych produktów następuje poprzez przegrupowanie Beckmanna azydku wobec kwasowego środowiska z pośrednim utworzeniem oksymu.

Zadanie 3

Niska temperatura

Substrat o poniższej strukturze poddano przekształceniu wobec reagenta w niskiej temperaturze. Otrzymany produkt hydrolizuje w warunkach kwasowych z utworzeniem m.in związku o M = 74,08 g/mol. Otrzymany związek X w odpowiednich warunkach mógłby reagować z  1 molem bezwodnika trifluorooctowego. . Otrzymany produkt może być zidentyfikowany za pomocą ¹³C NMR, ¹⁵N NMR, ¹⁵O NMR i ¹⁹F NMR. W węglowym widmie magnetycznego rezonansu jądrowego obserwuje się 11 sygnałów. W otrzymanym związku obserwuje się pośredni efekt obecności wiązania N=C w jednej z form rezonansowych, w wyniku czego obserwuje się praktyczny brak rotacji wobec osi równoległej do wcześniej wspomnianego wiązania, które może ulegać hydrolizie.

Polecenie:

Zidentyfikuj związek X i przedstaw strukturę rezonansową odpowiedzialną za częściowy charakter wiązania pi w związku X. Wyjaśnij w jaki sposób ten efekt mezomeryczny wpływa na właściwości kwasowo/zasadowe oraz elektrofilowo-nukleofilowe. 

Rozwiązanie:

Strukturę otrzymanego związku można łatwo wywnioskować z treści zadania. Brak rotacji, oraz informacja o metylacji pozwalają ustalić, że związek ten zawiera ugrupowanie amidowe, a całkowity stopień nienasycenia wobec głównego szkieletu nie zmienia się. Korzystając z masy i ilości sygnałów w widmie węglowego rezonansu jądrowego można ustalić, że związek który daje 11 sygnałów można przedstawić jako C₁₃H₁₄NOF₃   :

Zadanie 5

Reakcja rodnikowa

Poniżej przedstawiono schemat reakcji.

Dodatkowe informacje:

• Otrzymano dwie pochodne, których masa wynosiła 168 g∙mol-1, obie o identycznym stopniu nienasycenia. Obie pochodne reagują pozytywnie w próbie z 2,4-DNP. 
• Pochodna X1 powstająca w przewadze ma 11 sygnałów w widmie ¹³C NMR, zaś X2 ma 6 sygnałów.

Polecenie:

Ustal wzory związków X1 i X2.

Rozwiązanie:

Zadanie 6

Zmodyfikowana reakcja Dielsa-Aldera

Substrat o strukturze pokazanej poniżej poddano reakcji z nienasyconym związkiem bicyklicznym, otrzymując produkt X. W trakcie reakcji wydziela się niereaktywny gaz. Powstały związek X może ulegać reakcji ze związkiem Grignarda. 

Otrzymany związek ma 14 sygnałów w widmie ¹³C NMR, zaś jego widmo protonowego rezonansu jądrowego przedstawiono poniżej:

Polecenie:

Ustal wzór związku X.

Rozwiązanie:

W reakcji tej następuje usunięcie azotu w wyniku reakcji:

Zadanie 8

Otrzymywanie związków heterocyklicznych

Dodatkowe informacje:

• Spalanie związku X1 w przeciwieństwie do związku X2 daje ditlenek siarki obok innych produktów spalania. 
• W widmie ¹⁵N NMR związku X1 otrzymuje się 4 sygnały, zaś dla związku X2 tylko 2 sygnały.
• Związki X1 i X2 hydrolizują z utworzeniem etanolu obok drugiego produktu. 

Polecenie:

Podaj wzory strukturalne związków X1 i X2.

Rozwiązanie:

Reakcja prowadząca do uzyskania X1 to otworzenie pierścienia przez jon azydkowy i następcza reakcja wobec ortoestru i silnej zasady pozwala otrzymać związek X2 poprzez redukcję do aminy.

Zadanie 9

Rod w syntezie organicznej

Dodatkowe informacje:

• Masę otrzymanego związku podano w nawiasie.
• Otrzymany związek X odbarwia wodę bromową oraz reaguje z bromem w obecności żelaza.
• Otrzymany produkt nie zawiera kwaśnych protonów w pozycji α względem grupy karbonylowej.

Polecenie:

Podaj wzór strukturalny związku X oraz narysuj cztery struktury rezonansowe dla substratu. 

Rozwiązanie:

Reakcja obejmuje insercję karbenu w przejściu katalizowanym rodem.

Zadanie 10

Złota reakcja

W reakcji wobec kompleksu złota nienasyconą aminę przekształcono w związek X.

Widmo ¹H NMR otrzymanego związku:

Polecenie:

Przypisz grupom protonów w otrzymanym produkcie odpowiednie sygnały w widmie ¹H NMR tego związku.

Rozwiązanie:

Związek można ten ustalić wyłącznie w wyniku analizy NMR:

Zadanie 11

Jednoetapowe przejście

Otrzymany związek X zawiera 1,2,4,5 – podstawiony benzen, którego podstawnik stanowi skondensowany pierścień cyklobutanu. Związek ten odbarwia wodę bromową i może dalej ogrzewany ulegać wewnątrzcząsteczkowej reakcji Dielsa-Aldera tworząc związek tetracykliczny, będący pochodną steranu (rys 1.). Ponadto związek ten zawiera trzy asymetryczne atomy węgla z czego jeden jest w pozycji α względem grupy karbonylowej, drugi zaś w pozycji β w cyklicznym ?, – nienasyconym związku karbonylowym. Masę otrzymanego związku umieszczono w nawiasie.

Rys 1. Struktura steranu.

Polecenie:

Ustal wzór związku X wiedząc, że zawiera on około 14 %_mas krzemu.

Rozwiązanie:

Na podstawie informacji zawartych w treści zadania można łatwo ustalić strukturę poniższego związku, otrzymany produkt może reagować dalej wg. schematu [4+2] w której dienofil stanowi nienasycony fragment wspomnianego ketonu (γ,) zaś sprzężony dien stanowi pierścień aromatyczny benzenu (sytuacja nietypowa).

Zadanie 12

Podwójna reakcja cyklizacji

Związek o poniższej strukturze poddano przekształceniu.

Dodatkowe informacje:

• Otrzymany produkt zawiera dwa skondensowane pierścienie sześcioczłonowe. M = 207 g/mol
• Hydroliza powstałego związku X pozwala otrzymać nienaturalny aminokwas dwukarboksylowy, który jest monocykliczny i metanol jako drugi produkt.
• Całkowita redukcja w warunkach (Pd/H₂; H₂, Pb(OH)₂/C, LiAlH₄) pozwala otrzymać lupininę, która zawiera jedną grupę hydroksylową.  Otrzymana pochodna wykazuje właściwości zasadowe w przeciwieństwie do związku X. 

Polecenie:

Ustal wzór związku X.

Rozwiązanie:

Informacje zawarte w treści zadania wskazują na produkt, którego szkielet stanowią dwa skondensowane pierścienie sześcioczłonowe. Charakter zasadowy otrzymanej pochodnej wskazuje na obecność grupy aminowej, zaś hydroliza potwierdza to przypuszczenie – otrzymuje się nienaturalny aminokwas i metanol. Otrzymany alkohol w wyniku hydrolizy pozwala potwierdzić obecność grupy COOMe. Wskazane podstawniki w pochodnej pozwalają łatwo ustalić końcową strukturę produktu.

lupinina :

Zadanie 17

Diastereoselektywna cyklizacja 

Dodatkowe wskazówki:

• Otrzymany cykliczny związek X o konfiguracji (1S, 3R) może być odwodniony dając wyłącznie 1 mol wody z 1 mola substratu. M = 156 g/mol
• Redukcja otrzymanego X w obecności chiralnego katalizatora pozwala otrzymać pochodną o konfiguracji (1S, 3R, 4R).
• Związek X zawiera wyłącznie węgiel, wodór i tlen.

Polecenia:

Przedstaw wzór strukturalny związku X. W odpowiedzi uwzględnij stereochemię produktu.

Rozwiązanie:

W wyniku reakcji następuje wytworzenie stanu przejściowego, który bezpośrednio prowadzi do otrzymania pożądanego produktu:

Otrzymany produkt:

Zadanie 23

Karboksylacja

W pewnym etapie syntezy związku naturalnego następuje utworzenie związku bicyklicznego, który zawiera mostkowy atom tlenu w czternastoczłonowym układzie cyklicznym.

Hydroliza związku X, który zawiera fragment estrowy w obszernym układzie cyklicznym prowadzi do otrzymania sześcioczłonowego układu cyklicznego w postaci eteru. 

Opisaną reakcję można porównać do reakcji alkenu z H₂O/Hg(OAc)₂ , jednak nie ma potrzeby tutaj dodawania wody, ponieważ zachodzi reakcja wewnątrzcząsteczkowa.  

Polecenie:

Ustal wzór związku X.

Rozwiązanie:

W reakcji tej następuje wszczepienie cząsteczki tlenku węgla, tak aby otrzymać związek o poniższej strukturze.

Konformacja produktu

Otrzymany związek o wzorze C₁₈H₂₅NO₄ uzyskano w najtrwalszej konformacji.

Polecenie:

Narysuj związek X w najbardziej uprzywilejowanej konformacji.

Rozwiązanie:

W wyniku reakcji cyklizacji powstaje produkt, który zawiera wszystkie podstawniki w pozycjach ekwatorialnych.

Zadanie

Cyklizacja

Otrzymany związek X zawiera dwa skondensowane pierścienie.Nie zawiera sygnałów w widmie ¹H NMR w zakresie 5,5-8,5 ppm. Związek X należy do tzw. karbaminianów. Zaproponuj wzór ogólny takiej grupy funkcyjne, a także zaproponuj syntezę związku X w jednym etapie wychodząc z alkoholu. 

Zaproponuj 3 izomeryczne wzory siarkowych analogów karbaminianów (z jednym atomem siarki). 

Polecenie:

Ustal wzór związku X.

Rozwiązanie:

Informacja o braku pasma w zakresie dla wiązań N-H oraz O-H oraz charakterystyczne pasmo dla grupy karbonylowej, pozwala ustalić korzystając z informacji zawartych w treści strukturę otrzymanego produktu.

Zadanie 29

Pochodna benzenu

Widmo ¹H NMR związku X  (M = 215 g/mol) przedstawiono poniżej:

Polecenie:

Ustal wzór związku X.

Rozwiązanie:

W wyniku deprotonacji protonu następuje wytworzenie ładunku ujemnego stabilizowanego przez obecność grupy nitrylowej, dalej w wyniku reakcji otrzymuje się produkt w wyniku addycji sprzężonej do grupy karbonylowej substratu. W ostatnim kroku poprzedzającym otrzymanie X jest podstawienie bromu w reakcji katalizowanej z pomocą palladu.