Deneysel Organik Kimya - fen fakültesi
Transkript
Deneysel Organik Kimya - fen fakültesi
DENEYSEL ORGANİK KİMYA II Yrd. Doç. Dr. Mustafa Er Öğr. Gör. Hakan Tahtacı Arş. Gör. Semiha Yıldırım Karabük Üniversitesi, Fen Fakültesi Kimya Bölümü 2011 GÜVENLİK KURALLARI 1. Tüm öğrenciler daima laboratuvar önlüğü giymek zorundadır. Önlüksüz öğrenciler laboratuara alınmayacaktır. 2. Tüm öğrenciler daima koruma gözlüğü takmak zorundadır. Gözlüksüz öğrenciler laboratuvara alınmayacaktır. Laboratuvarda kontak lens kullanımına izin verilmemektedir. Asit, organik gibi kimyasalların buharları lens ve göz arasında hapsolup daha büyük sorunlara yol açabilmektedirler. Ayrıca herhangi bir kaza sonucunda lens göze yapışabilir ve çıkarılması zorlaşır. 3. Laboratuvarda bol kıyafetler (özellikle kol kısmı), açık ayakkabılar giyilmemeli, uzun saçlar bağlanmalıdır. 4. Laboratuvara yiyecek-içecekle girmek ve sakız çiğnemek kesinlikle yasaktır. 5. Tüm öğrencilerin yangın söndürücü, ilk yardım dolabı ve duş yerini bilmeleri gerekmektedir. 6. Yangın durumunda laboratuardan en hızlı çıkış yolunu öğreniniz. 7. Elbiselerin ya da saçın tutuşması durumunda hemen duşu kullanınız. 8. Kimya laboratuarları içinde koşmaktan ve şakalaşmaktan kaçınınız. 9. Tezgâhların üzerine oturulmamalı ve çanta, mont vb. kişisel eşyalar bırakılmamalıdır. Eşyalarınız için ayrılan yerleri kullanınız. 10. Kimyasal tepkimeler sonucu açığa çıkan duman ve buhar doğrudan koklanılmamalıdır. 11. Kimya laboratuvarında asistan ya da öğretim üyesi yokken çalışmak yasaktır. 12. Bunzen bekleri yanıcı, parlayıcı kimyasalların (eter gibi) yanında kullanılmamalıdır. 13. Kimyasalları kullanırken şişe ya da kabın üzerindeki etiketi lütfen dikkatli okuyunuz. Hangi kimyasalın kullanıldığını bilmeniz önemlidir. 14. Laboratuara gelmeden önce deney prosedürlerini okuyunuz. Deneyi bilmeden gelen her öğrenci kendisi ve arkadaşları için tehlike oluşturabilir. 15. Herhangi bir kaza durumunda (cam kesiği, asit-baz-ısı yanığı, bayılma gibi) hemen asistanınızı ya da öğretim üyesini mutlaka bilgilendiriniz. 16. lab Test tüpünü kendinize ve arkadaşınıza doğru yönlendirmeyiniz. Test tüpü içinde gerçekleşen bir tepkime tehlikeli olabilir. 17. Derişik asitlerin üzerine su ilave edilmemelidir. Asit suya yavaş yavaş ve karıştırılarak eklenmelidir. Yanıcı sıvılar (dietil eter, petrol eteri gibi organik çözücüler) asla açık alev yanında kullanılmamalıdır. 18. 19. Kimyasalları koklamak, tatmak ve pipet ile çözelti alırken ağız ile çekmek kesinlikle yasaktır. 20. Herhangi bir kimyasal (katı, sıvı ya da çözelti) lavaboya ya da çöpe atılmamalıdır. Laboratuardaki atık şişeler kullanılmalıdır. (Atık şişelerinin yerlerini öğreniniz) 21. Kırılan cam parçaları için laboratuarda hazırlanmış olan “kırık cam” etiketli kabı kullanınız. 22. Lavabolara kibrit çöpü, turnusol kağıdı atılmamalıdır. 23. Civa buharı görülmez ve zehirlidir. Kırılan termometre içindeki civa son derece tehlikelidir. Mutlaka asistanınıza haber veriniz. 24. Sıcak test tüp, kroze, beher gibi malzemeler elle tutulmamalıdır. Tüp maşası kullanılmalı ya da amyantlı tel üzerinde bekletilerek soğutulmalıdır. 25. Lütfen deney prosedüründeki miktarda kimyasal kullanınız. Fazla miktarda kullanım tepkimelerin kontrol edilmesini zorlaştırabilir ya da yan tepkimeye neden olabilir. 26. Kullanılmayan kimyasallar stok şişelerine geri koyulmamalı, atık şişesine atılmalıdır. 27. Çalıştığınız yeri, terazi ve çevresini daima temiz tutunuz. Laboratuvarda temiz ve düzenli çalışınız. 28. Deney esnasında kullanılan kimyasalların yerlerini değiştirmeyiniz. 29. Deney sonucunda kullandığınız tüm malzemeleri temiz olarak asistanınıza teslim ediniz. 30. Laboratuardan ayrılmadan önce gaz ve su musluklarının kapalı olduğundan emin olunuz. 31. Laboratuardan ayrılmadan önce ellerinizi yıkayınız. Aşağıdaki durumlarda öncelikle asistan ya da öğretim üyesine haber verilmelidir. YANIK KESİK/ ZEDELENME Yanık bölge musluk suyuna tutulur (5-10 dk). İlk yardım uygulanır. Su ile yıkanır ve ilk yardım uygulanır. BAYILMA Temiz hava almasını sağlayın. Baş vücudundan daha alçak olacak şekilde yatırın. YANGIN (Hemen asistana bilgi verilmelidir) Bunzen bekini söndürün. Saç ya da kıyafet tutuşmasında duşu kullanın. Gerekli durumlarda yangın söndürücü kullanılmalıdır. KANAMA Yara üzerine bastırılır, yara kalp seviyesinden yukarıda tutulur hemen tıbbi yardım alınır. KİMYASAL DÖKÜLMESİ Kimyasala uygun bir şekilde temizlenmelidir. Sulu çözeltiler su ile temizlenebilir. Asistanınıza bilgi veriniz. ASİT YANIĞI NaHCO3 çözeltisi kullanılır. BAZ YANIĞI Borik asit ya da asetik asit çözeltisi kullanılır. GÖZE KİMYASAL KAÇMASI Göz hemen en az 15 dk bol su ile yıkanır (Göz yıkama duşunu kullanınız) . Tıbbi yardım alınır. TEMEL LABORATUVAR MALZEMELERĠ (piset) Aktarma adaptörü DENEY 1 YÜKSELTGENME-ĠNDĠRGENME REAKSĠYONLARI Yükseltgenme Genel olarak yükseltgenme elektron kaybetmedir. Örneğin reaksiyonu bir yükseltgenme reaksiyonudur. Fe2+ Fe3+ + e- Bu nedenle yükseltgeyiciler elektron ilgileri yüksek olan bileşiklerdir (elektrofil). Diğer taraftan, elektron verme eğilimleri fazla olan bileşikler (nükleofil) kolay yükseltgenebilirler. a. Bir grup veya molekülden bir elektron uzaklaşması b. Bir molekülden bir hidrojen atomunun uzaklaşması (Aldehitlerin radikalik oto oksidasyonu örneği gibi) c. Bir molekülden bir hidrür iyonunun ayrılması (Örn. Cannizaro reaksiyonu) d. Moleküle oksijen sokulması e. Katalitik dehidrogenasyon da aynı zamanda yükseltgenme reaksiyonlarıdır. Bu açıklamaya uygun olarak nitrat asidi, hidrojen peroksit, perasitler, SeO2, Cl2, Br2, kromik asit, KMnO4, kurşun tetraasetat gibi güçlü elektrofil reaktifler yükseltgen olarak uygun bileşiklerdir. Metil ve Metilen Gruplarının Yükseltgenmesi: Düz zincirli doymuş hidrokarbonlar en güç yükseltgenebilen organik bileşiklerdir. Çok kullanılan yükseltgenler, örneğin KMnO4 normal ve oldukça yüksek sıcaklıkta alkanlara etkimez. Ancak şiddetli koşullarda-örneğin sıcak kromik asitler-bir yükseltgenme söz konusu olabilir. Yükseltgenme büyük olasılıkla bir radikalik mekanizma üzerinden yürür. Bir alkil grubu eğer bir çifte bağa örneğin bir karbonil grubuna veya bir aromatik halkaya bağlı durumda ise bunun yükseltgenmesi daha kolaydır ve reaksiyon oldukça seçimli yürür. Bu durumda reaksiyon sonu ürünleri karboksilli asitler olmakla birlikte, yükseltgeme koşullarına göre aldehit ve hatta alkoller de elde edilebilir. Bir metil veya metilen grubunun bir olefinik bağ ile aktive edilmesi sonucu her zaman doymamış karbonil bileşikleri elde edilemez. Çünkü C = C çifte bağları asidik yükseltmeyicilerle ve KMnO4 ile alkil gruplarından daha hızlı reaksiyona girer. Ancak oksijen ve SeO2 bu amaçlara uygundur. Örneğin teknikte akrolein, propenden gaz fazında ve 350400°C de, bir bakır oksit katalizörü üzerinde oksijenle elde edilir. CH3CH=CH2 O2/Kat. 350-400C CH2=CH-CHO Akrolein Propen 1 Metillenmiş Aromatik Bileşiklerin Aldehitlere Yükseltgenmesi Metillenmiş aromatik bileşiklerin aromatik aldehitlere yükseltgenmesinde büyük güçlüklerle karşılaşılır; çünkü oluşan aldehitler kolaylıkla karboksilli asitlere yükseltgenebilirler. Bu nedenle oluşan aldehit ya devamlı olarak reaksiyon ortamından uzaklaştırılmalı veya karalı bir türevine dönüştürülmelidir. Metillenmiş aromatik bileşikler, aset anhidritli ortamda CrO3 ile aldehit basamağına yükseltgenebilirler; reaksiyon sonunda aldehit diasetat türevi şeklinde ele geçer. Söz konusu türevin hidroliziyle istenen aldehit ele geçer. O O OCCH3 CH3CO CH3 CHO CrO3 H2O/H (CH3CO)2O (Hidr.) NO2 NO2 NO2 p-nitrobenzaldehit Primer ve Sekonder Alkollerin Aldehit ve Ketonlara Yükseltgenmesi Primer alkollerin aldehitlere yükseltgenmesinde, oluşan aldehitin bazı reaktiflerle kolaylıkla karboksilli asitlere yükseltgenebilmesi nedeniyle zorluklarla karşılaşılır. Bu nedenle oluşan aldehitin sürekli ortamdan uzaklaştırılması gerekir; aldehitin kaynama noktası genellikle alkolünkinden oldukça düşük olduğundan bu olanaklıdır. Ketonlar ancak şiddetli koşullarda C – C bağının kopmasıyla yükseltgendiklerinden, sekonder alkollerin ketonlara yükseltgenmesinde fazla zorlukla karşılaşılmaz. Yükseltgen olarak çoğunlukla kromat asidi, bikromat/H2SO4, HNO3, MnO2 ve SeO2 kullanılır. Kromat asidi ile yükseltgenmede alkol nükleofil olarak kromat asidine saldırır ve bir molekül su ayrılmasıyla kromat esteri oluşur. Reaksiyonun ikinci basamağı büyük olasılıkla halkalı bir intermediat üzerinden yürür; alkolün –H atomu kromata transfer olur ve böylece metal altı değerlikli halden dört değerlikli hale geçer. H R OH C R' O + OH O O OH R' OH Cr C Cr O H R H O OH -H2O O C O Cr + R R' Karbonil Bileşiği R O Cr C OH O R' 2 O H O OH Böyle bir yükseltgenme ile primer alkoller %60 kadar bir verimle aldehitlere yükseltgenebilirler. Primer alkoller tersiyer bütil kromat ve MnO2 ile yükseltgendiklerinde aldehit verimi oldukça yüksek olur. Bu reaktiflerle doymamış ve aromatik aldehitler de iyi verimle elde edilebilirler. Primer ve sekonder alkollerin katalitik dehidrogenasyonuyla aldehit ve ketonların eldesi preperatif ve teknik açıdan çok önemlidir. Katalizör olarak genellikle metalik bakır, gümüş, çinko oksit ve bakır kromit kullanılır. R CH2OH 1Alkol H R C O + H2 Aldehit R' R' R ısı, kat. ısı, kat. CHOH 2Alkol R C O + H2 Keton Dehidrogenasyon endotermik olduğundan, katalizörlerin sürekli ısıtılması gerekir. Ancak sıcaklık 400-450 °C‟nin üzerine çıkmamalıdır. Sekonder alkoller “Oppenauer Yöntemi” ile de ketonlara yükseltgenebilirler. Bu yöntemde bir sekonder alkol ketona yükseltgenirken keton da bir sekonder alkole indirgenir. Reaksiyon bir denge reaksiyonu olduğundan ilave edilen ketonun (genellikle aseton) aşırısı kullanılarak dengenin sağa kayması sağlanır. R2CHOH + Al(OBut)3 (R2CHO)3Al + 3t-BuOH O R2 O C (R2CHO)3Al + CH3CCH3 Al(OCHR2)2 H CH3 C O CH3 (CH3)2CH O Al(OCHR2)2 + R2C O Reaksiyonda bazen aseton yerine siklohegzanon da kullanılır. Yöntem alkoller için spesifik olduğundan, olefinik bağlar ve fenolik gruplar içeren bileşiklerin yükseltgenmesi için çok elverişlidir. Primer Alkollerin ve Aldehitlerin Karboksilli Asitlere Yükseltgenmesi: Primer alkolleri aldehitlere yükseltgeyebilen yükseltgenler, primer alkollerden ve aldehitlerden karboksilli asitlerin eldesinde de kullanılabilirler. Bir aldehitin kromat asidi ile yükseltgenmesinde de alkollerin yükseltgenmesinde olduğu gibi, ara ürün olarak bir kromat esteri oluşur ve bundan sonra kromat asidine bir H atomu transfer edilir. 3 O R O + C Cr H R C OH O O O + C R OH Karboksilli asit O Cr OH O OH Cr H O O O R C OH O H O Cr OH OH O Karbon-Karbon Çok Katlı Bağlarının Yükseltgenmesi: Karbon-karbon çifte bağları perasitlerle reaksiyona girerek epoksitleri oluştururlar. En çok kullanılan perasitler performik asit, perasetik asit, trifloroperasetik asit ve karo (Caro) asididir (H2SO6). C C + HO O C R -RCOO C C O perasit -H C C O OH epoksit Eğer performik asit veya trifloro perasetik asit kullanılırsa, oluşacak karboksilli asit, epoksit halkasının açılması ve bir diolmonoesterin oluşmasını sağlayacak kadar kuvvetli bir asittir. Reaksiyon, protonlanmış epoksitteki daha az sübstitüe olmuş C atomuna nükleofilik saldırı ile yürüyen bir SN2 reaksiyonudur. Epoksitler, sulu asitlerle ve bazlarla 1,2-diolleri verirler; ancak olefinlerin başka yöntemlerle doğrudan diollere yükseltgenmesi mümkündür. Olefinler, eterde OsO4 ile cis-1,2-diolleri oluştururlar. Reaksiyon halkalı Osmat esteri üzerinden yürür. Esterin hidrolizi ile cis-diol oluşur. C C Alken O + O Os O O Osmiyum tetraoksit C C O O Os O O +2H2O C C OH OH cis-diol KMnO4 de olefinleri osmiyum tetraokside benzer şekilde etkiler. Yükseltgenmenin daha ileri basamaklara gitmemesi için alkali çözeltilerde çalışmak uygun olur. Alkali KMnO4 çözeltisi çifte bağın belirlenmesi bakımından çok önemlidir. Çifte bağ mevcudiyetinde reaktifin rengi kaybolur. Olefinlerin ozon ile yükseltgenmesi ile ise (ozonoliz) çifte bağın yeri belirlenir. Reaksiyonda önce ozonür oluşur, bunu izleyerek ortama su ilave edilir veya ozonür bir indirgen ile muamele edilir. 4 Daha şiddetli koşullarda aromatik bileşikler (özellikle poliaromatik bileşikler) C – C bağının bölünmesiyle yükseltgenirler. Örneğin naftalenin V2O5 üzerinde hava oksijeniyle 350-385°C‟de yükseltgenmesi sonucu ftal anhidrit oluşur. Aynı şekilde daha yüksek sıcaklıklarda (400-500°C) benzenden maloik anhidrit ele geçer. Aromatik halkalar ozon etkisiyle de bölünebilirler. CO2H O3 CO2H Naftalen Ftalik asit CO2H KMnO4 N N Kinolin CO2H CO2H ısı -CO2 N Pridin-2,3-dikarboksilli asit Nikotinik asit O O O 9,10-Antrakinon O 9,10-Fenantarkinon Sekonder Alkollerin Ketonlara Yükseltgenerek Bölünmesi: Alifatik ketonlar ve sekonder alkoller kromat asidi veya HNO3 ile şiddetli koşullarda karboksilli asit karışımı vererek yükseltgenirler. Sekonder alkoller yükseltgenlerle önce yükseltgenirler. Ketonlar alkali, KMnO4 ile de aynı şekilde yükseltgenirler. Azot Ġçeren Bazı Bileşiklerin Yükseltgenmesi: Primer aminler kolay yükseltgenirler, havada bırakıldıklarında yüzeyde yükseltgenme sonunda karışık ürünler oluştururlar. Bu ürünler genellikle nitro ve nitroso bileşikleridir. Örneğin: ArNH2 ArNO ; ArNH2 + ArNO Ar-N=N-Ar Arilamin Arilnitroso bileşiği Ariliz bileşiği Trifloro ye asetik asit primer aminleri doğrudan nitro bileşiklerine yükseltger. Sekonder aminler ise H2O2 ile hidroksil aminlere yükseltgenirler. H2O2 R2NH 2Amin R3N H2O2 R2NOH + H2O Hidroksil amin R3N OH 3Amin 5 OH ısı -H2O R3N O N-Oksit Arilhidrazinle, klor ve bromla diazonyum tuzlarını verirler. Örneğin: H6C6NHNH2 + 2Cl2 C5H5N2Cl + 3HCl Fenil hidrazin Ġndirgenme İndirgenme üç farklı yoldan meydana gelir: a) Oksijenin uzaklaşması, b) Elektron kazanılması c) Hidrojen katılması. Hidrojen katılması da iki farklı şekilde olur: 1) Hidrogenasyon: Hidrojenin doymamış bir sisteme katılması Örneğin: H2C = CH2 + H2 H3C – CH3 2) Hidrogenoliz: Hidrojenin, bağın kaynamasıyla birlikte katılması. Alifatik Hidrokarbonların Ġndirgenmesi: Alkanlar ancak C – C bağının kopmasıyla indirgenirler. Örneğin, siklopropandan propan eldesi. İndirgenme katalitik olarak gerçekleşir. Alken ve alkinler uygun katalizörler mevcudiyetinde hidrojen katarlar. Üçlü bağlar ikili bağlardan daha çabuk indirgenirler. Konjuge dienler, polienler ve karbonil grubuna konjuge durumda olefinik bağlar içeren bileşikler elektron transfer reaktifleriyle (sodyum/alkol, sodyum amalgam, çinko/asetik asit ve metal/NH3 sistemleri) de indirgenebilirler. -CH=CH-CH=CH- + ekonjugedien -CH-CH=CH-CH- -CH-CH=CH-CH- + e-CH-CH-CH=CH -CH=CH-CH-CH- Konjuge bir dienin indirgenmesi başlıca 1,4-katılmasıyla yürür; çünkü dianyondaki yükler, birbirlerinden en uzak durumda bulunabilecekleri durumu tercih ederler. Örneğin; H5C6-CH=CH-CH=CH2 + 2Na H5C6-CH-CH=CH-CH2 + 2C2H5OH 1-fenil-1,4-bütadien H5C6-CH2-CH=CH-CH3 2-bütenilbenzen Aromatik Halkaların Ġndirgenmesi: Aromatik halkalar da olefinlerin indirgenmesinde kullanılan katalizörler yardımıyla indirgenebilirler; fakat stabilizasyon enerjisi kaybolacağından daha şiddetli koşullar gerekir. Şartlar kaybedilecek stabilizasyon enerjisine bağlıdır. Aromatik bileşikler elektron transferiyle 6 indirgeyen reaktiflerle de indirgenebilir. Ancak bu durumlarda indirgeme oldukça seçimlidir. Koşullara bağlı olarak çok değişik ürünler ele geçebilir. Örneğin: EtO Na/Etanol 1-dialin 2-dialin Na/C5H11OH Naftalen Li/C2H5NH2 9-oktalin 1-oktalin Aldehit ve ketonların hidrokarbonlara indirgenmesi üç yöntemle olur: a) Clemmensen indirgenmesi, b) Wolff-Kishner indirgenmesi, c) Lityum Alüminyum Hidrür ile indirgenme. Aldehit ve ketonların alkollere indirgenmesi de söz konusu olabilir, bu durumda hidrür transferi ve elektron transferi söz konusu olabilir. Hidrür transferi için genellikle LiAlH4, NaBH4, LiBH4 kullanılır. LiAlH4‟ün yalnız çok kuru eter veya tetrahidrofuranda kullanılabilmesine karşın NaBH4 daha az reaktiftir. R R R H3Al H+ C O R' R C O CH O AlH3 R' CH O R' R' Al 4 4H2O R CH OH + Al(OH)3 + OH 4 R' LiAlH4, NaBH4 ve LiBH4 indirgeme güçleri bakımından farklılık gösterirler. NaBH4 yalnız aldehitleri, ketonları, iminleri ve asit klorürleri indirgeyebilirken, LiAlH4 ayrıca karboksilli asitleri, esterleri, nitrilleri ve nitro gruplarını da indirgeyebilir. Aldehit ve ketonlar Meervin-Pondorf-Verley indirgenmesi ile de alkollere indirgenirler. Bu indirgenmenin faydası yalnız karbonil gruplarının indirgenmesi olefinik bağlar, -NO2 ve R-Hal gibi gruplarının korunmasıdır. Elektron transfer eden reaktiflerle aldehit ve ketonlara indirgenmesi daha az seçimlidir; öyle ki α,β-doymamış karbonil bileşiklerinin bu reaktiflerle indirgenmesinde olefinik bağlar da indirgenir. Örneğin Na/alkol ile reaksiyon şu şekilde yürür: 7 R R C O + Na R' - Na R C R C O R' O + ROH CH O - RO R' R' + Na - Na R R + H2O CH OH CH O -OH R' R' Esterler açiloin- ve Bouveault-Blanc yöntemiyle de indirgenebilirler. Bouveault-Blanc yönteminde ester ve asit klorürleri alkollü ortamda metalik sodyumla alkollere indirgenirler. Esterler Mc Fadyon ve Stevens yöntemiyle aldehitlere indirgenebilirler. Bu yöntemde ester önce hidrazidine dönüştürülür; hidrazid benzen sülfonil klorürle ve oluşan ürün de bazla muamele edilir. Bu yöntemle ancak aromatik aldehitler elde edilebilir ve verim de düşüktür. OH H Ar-CO2R +N2H4 -ROH +PhSO2Cl -HCl Ar-CONHNH2 Hidrazid ArCON NH SO2Ph Na2CO3/(CH2OH)2 150C -PhSO2, H2O O ArCON ArC H + N2 Aromatik aldehit NH Asit klorürleri ise Resenmund yöntemiyle aldehitlere indirgenirler. Aromatik Nitro Bileşiklerinin Ġndirgenmesi: Çok önemlidir. İndirgenme asidik veya bazik ortamda gerçekleştirilebilir. Arada oluşan ürünler farklıdır. Zn/NH4Cl/H2O 50-55 C NHOH Fenil hidroksi amin O NO2 Dekstroz/NaOH 100 C Zn(2mol)/NaOH/ CH3OH/H2O/geri sog. Nitrobenzen Sn(veya Fe)/HCl N N Azoksibenzen N N Azobenzen NH2 Anilin Aromatik halkada birden fazla –NO2 grubu bulunduğundan kısmi indirgenme söz konusu ise amonyum sülfür amaca uygun bir indirgendir. 8 Cannizaro Tepkimesi α-Hidrojen atomu bulunmayan aldehitler, bazlarla Cannizaro tepkimesi verirler. Bu tepkimenin ürünleri bir alkol ve bir karboksilli asit tuzudur. Burada aldehit hem oksitleyici hem de indirgeyici olarak davranmaktadır. Deneysel Kısım Bir erlen içinde 7 g KOH 6,5 ml suda çözülür ve çözelti buzlu su ile 20ºye soğutulur. Buna 7,5 ml benzaldehit katılır ve karışım ağzı kapalı olarak bir gece kendi halinde bırakılır. Sonra potasyum benzoatı çözmek için yaklaşık 25 ml su katılır ve karışım bir ayırma hunisine aktarılır. Huniye 8 ml kadar eter konularak ekstrakte edilir. Benzil alkol eter fazına geçer. Fazlar ayrılır, sulu faz iki kez daha eter ile ekstrakte edildikten sonra eter ekstratları birleştirilir, eter su banyosunda uçurulur ve susuz MgSO4 ile kurutulur. Damıtma ile saflaştırılır. 204-207º arasındaki fraksiyon benzil alkoldür. Sulu faza 20 ml kadar derişik H2SO4 ve 20 ml su karışımı karıştırılarak dökülür. Buz eklenir, oluşan benzoik asit kristalleri trompta süzülür, soğuk su ile yıkanır ve sudan kristallendirilir. 9 DENEY 2 KARBON-KARBON ÇOK KATLI BAĞLARA KATILMALAR Genel olarak iki molekülün bir tek molekül oluşturmak üzere birbirleri ile verdikleri reaksiyonlara “katılma reaksiyonları” adı verilir. Karbon-karbon çifte bağı –C=C- içeren alkenlerin ve karbon karbon üçlü bağı -C≡C- içeren alkinlerin tipik reaksiyonları katılma reaksiyonlarıdır. -C=C- ve -C≡C- bağlarının bağ enerjileri –C-C- bağlarından daha yüksek olduğu için, bu bağların reaksiyon istemleri oldukça fazladır. Bilindiği gibi -C=C- bağı bir kuvvetli δ ve bir daha zayıf π bağından, -C≡C- bağı ise bir kuvvetli δ ve iki daha zayıf π bağından oluşmuştur; nitekim alkenlerin reaksiyonlarında genellikle bu zayıf bağın kopması beklenebilir. Gerçekten çifte bağın tipik reaksiyonları bu cinstendir. -C=C- + Y : Z -C-CY Z Katılma ürünü Alkinlerde de önce bir π bağının koparılmasıyla bir alken türevi oluşmakta ve sonra ikinci bağı da koparak bir mol reaktif daha katılmakta ve bir alkan türevi oluşmaktadır. Y Z C C +Y:Z C C Y Z Alken Alkin +Y:Z C C Y Z Alkan Karbon-karbon çifte bağı ve üçlü bağına katılmalar dört farklı mekanizma ile yürüyebilir: 1. 2. 3. 4. Elektrofilik katılma reaksiyonları (AE) Nükleofilik katılma reaksiyonları (AN) Radikalik katılma reaksiyonları (AR) Halkalı katılma reaksiyonları Düzlemsel yapılı oldukları bilinen alkenlerde atomlar düzleminin üstünde ve altındaki iki π elektronuna karşın olan bir π elektron bulutu vardır. Bu elektron bulutu karbon atomları tarafından δ elektronlarına göre daha zayıfça tutulur ve dolayısıyla elektron gereksinimi olan reaktiflere kolaylıkla verilebilir. Yani birçok reaksiyonda karbon-karbon çifte bağı bir elektron vericisi (elektron kaynağı) yani Lewis anlamında bir baz olarak etki yapar ve elektron gereksinimi olan elektrofil reaktiflerle reaksiyon verir. Konjuge durumda olmayan çifte bağların tipik reaksiyonları elektrofil katılma reaksiyonlarıdır, reaksiyon mekanizması şöyledir: 1) C C 2) C C + Y + Y+ + Z- Yavaş Elektrofil C C + Y Karbonyum iyonu C C Y Z Katılma ürünü 10 Y=H Z=Cl-, Br-, I-, HSO4-, H2O Karbon-karbon çifte bağına nükleofilik katılmalar da mümkündür. Bu tür bir reaksiyon da iki basamağı içerir. Birinci basamakta bir karbon-karbon çifte bağına bir nükleofilin saldırısı ile bir karbon iyonu oluşumu, ikinci basamakta karbon iyonunun pozitif grupla birleşmesi söz konusudur. 1) C C + Ynükleofil 2) C C Y C C Y Karboniyonu + Z+ C C Z Y Katılma ürünü Alkenlere elektron gereksinimi olan serbest radikallerin katılması da olasıdır. Bu katılma da iki basamak üzerinden yürür: 1) 2) C C C C +Y C C Serbest radikal Y C C + Y:Z Y +Y Y Z Katılma ürünleri Alkenlerde olduğu gibi alkinlerde de zayıfça tutulmuş π elektronları elektrofil reaktifler için bir elektron kaynağı olup, alkenlerdeki gibi bir mekanizma ile alkinler “Elektrofilik Katılma Reaksiyonları” verir. Ancak karbon-karbon üçlü bağı çifte bağa nazaran düşük reaktivite gösterir. Buna karşın alkinler alkenlerden farklı olarak nükleofil reaktiflerle “Nükleofilik Katılma Reaksiyonları” vermeye daha yatkındır. Y:Z reaktifi için bir alkine nükleofilik katılma şöyle gerçekleşir: 1) C C + :Ynükleofil 2) C C Y + Z+ C C Y Karbon iyonu C C Z Y Katılma ürünü Alkinlere elektron gereksinimi olan serbest radikallerin katılması da olanaklıdır ve mekanizma karbon-karbon çifte bağındakine benzer şekilde gösterilebilir. Halkalı katılma reaksiyonlarının en önemli tipi Diels-Alder reaksiyonudur. Bu tip katılma reaksiyonlarında ikili veya üçlü bağın önce bir tarafına saldırı olmaz. Aynı anda her iki tarafına da saldırı gerçekleşir. Bunların bir kısmı dört merkezli mekanizmaları içerir: 11 Y:Z C Y Z C C C Katılma ürünü Beş veya altı üyeli transisyon hallerinin bulunduğu diğer halkalı-katılma mekanizmaları da mevcuttur. Karbon-Karbon Çok Katlı Bağlara Elektrofil Katılmanın Mekanizması ve Örnekleri -C=C- çifte bağına elektrofil katılma bir asit-baz reaksiyonu gibi düşünülebilir, ki bu reaksiyonda alken bir baz olarak, elektrofil reaktif ise bir asit olarak etki yapar. Bir seri protik asit ve Lewis asidi alkenlere katılabilir. Protik asitler için reaksiyon aşağıdaki şekilde gösterilebilir: H:Z = NCl, HBr, HI, H2SO4, H3O+ 1) C C + H:Z C C + :Z- :Z = Cl-, Br-, I-, HSO4-, H2O H 2) C C + :Z- C C H Z H 1.basamak bir protonun :Z den alkene transferini içermektedir, ki bir karbonyum iyonunun oluştuğu bu basamakta, aslında bir proton bir bazdan bir başka baza (alkene) transfer olmaktadır. Bu basamak güç gerçekleşen bir basamaktır ve hızı reaksiyonun tüm hızını tamamen veya çok büyük ölçüde kontrol etmektedir. Elektrofil katılma reaksiyonları hem asidik reaktifin hem de alkenin niteliğine bağlı olarak yürür. Nitekim asit ve baz kavramlarına uygun olarak reaktif ne kadar asidik ise, yani ne kadar kuvvetli elektrofil ise ve alken ne kadar baz ise yani ne kadar kuvvetli bir nükleofil ise elektrofil katılma reaksiyonu o kadar kolay yürür. Buna göre çift katlı bağlara bağlı +M ve +I etkisi gösteren sübstitüentler çifte bağın elektron yoğunluğunu arttırarak alkenin elektrofil katılma reaktivitesini yükseltirler. Ters olarak, -I ve –M etkisi gösteren gruplar ise, çifte bağın elektron yoğunluğunu azaltarak alkenlerin elektrofil katılma reaktivitesini düşürürler. Bazı alkenlerin asitlere karşı reaktivite sırası şu şekilde gösterilebilir: CH3 C CH2 > CH3CH CHCH3 > CH3CH2CH CH2 CH3 Hidrohalojenürler içinde reaktivite sırası: HI>HBr>HCl>HF şeklinde ve asit kuvvetine bağlı olarak yazılabilir. -C=C- çifte bağına elektrofil katılmalar, en kararlı karbonyum iyonu üzerinden yürür. Örneğin etilene HI katılması sadece bir tek katılma ürününü oluşturur. H2C=CH2 + HI CH3CH2I Oysa ki etilen türevlerinde benzeri katılmalar için iki olasılık mevcuttur: 12 (a) CH3-CH=CH2 Propen CH3-CH-CH3 Br Izopropil bromür +HBr (b) CH3-CH2-CH2-Br n-propil bromür Burada, izopropil bromür ya da n-propil bromür oluşabilir. Ancak birçok alkene yapılan katılmalardan çıkarılan denel sonuçlar alkenlere hidrojen halojenürlerin katılmasında Markovnikov kuralının ortaya konulmasına yol açmıştır. Empirik olarak bilinen bu kurala göre, bir hidrojen halojenürün veya genel olarak bir asidin karbon-karbon çifte bağına katılmasında asidin hidrojeni daha fazla hidrojen taşıyan karbon atomuna bağlanır. Bu kurala göre, yukarıdaki reaksiyonda izopropil bromür oluşumu beklenebilir. Yani reaksiyonun (a) ile gösterilen yönde ilerlemesi beklenir ki durum gerçekten bu şekildedir. (a) CH3-CH=CH2 +H+ (b) CH3-CH-CH3 2karbonyum iyonu CH3-CH2-CH2 1karbonyum iyonu +Br- +Br- CH3-CH-CH3 Br CH3-CH2-CH2-Br Bir karbonyum iyonu ne kadar kararlı ise o kadar kolay oluşur. Sekonder karbonyum iyonu, primer karbonyum iyonundan daha kararlı olduğu ve daha hızlı oluştuğu için reaksiyon, bu iyonik katılmada (a) yönü üzerinden ilerleyecektir ve izopropil bromür oluşumu mümkün olacaktır. Karbon-karbon çifte bağına elektrofil katılmalar en kararlı karbonyum iyonunun intermediat olarak oluşumunu içerir. C C + H+ C H+ C + C C H Nitekim bu reaksiyonda, yani karbonyum iyonunun oluştuğu katılmanın ilk basamağında ve transisyon halinde kısmi pozitif yük karbon atomu ile hidrojen atomları arasında paylaşılmış durumdadır. Elektron salıveren gruplar ki bu arada alkil grupları karbon üzerinde ortaya çıkan pozitif yükün şiddetini azaltma yönünde etki gösterirler ve buna bağlı olarak transisyon halinin kararlılığını arttırırlar. Transisyon halinin kararlılığının artması ise aktivasyon enerjisini düşürür ve daha hızlı reaksiyonu olanaklı hale getirir. 2º karbonyum iyonunun oluşumu daha düşük aktivasyon enerjisini, 1º karbonyum iyonunun oluşumu çok daha büyük aktivasyon enerjisini gerektirmektedir. Bu nedenle yukarıdaki reaksiyon, 2º karbonyum iyonunun oluşumunu gerçekleştirecek şekilde sağ tarafa doğru ilerler. Bununla birlikte, ortamda peroksitler varsa, yalnızca HBr katılması Markovnikov kuralının tamamen tersi olan yönde ilerler. Anti-Markovkikov katılması denen bu katılma farklı olarak serbest radikal mekanizması ile yürümektedir. Örneğin yukarıda gösterdiğimiz propene HBr katılması reaksiyonu ortamda peroksitler bulunduğu zaman (b) yolu üzerinden ilerleyerek n-propil bromür oluşumu ile sonuçlanır. 13 Karbon-Karbon Çok Katlı Bağlara Elektrofil Katılmalara Örnekler: 1) H2SO4 Katılması: Karbon-karbon çifte bağına H2SO4 katılması ile alkil hidrojen sülfatlar oluşur. C + H2SO4 C C C SO3H H Elektrofil nitelikte olan bu katılma sonucunda, alkil hidrojen sülfatların hidrolizi ile alkollerin elde edilmesi önemli bir sentetik yöntem olarak bilinmektedir. C C SO3H + H2O C C OH + H2SO4 H H 2) Su Katılması: Alkenlere su katılması ile alkollerin elde edilmesi olanaklıdır ki bu katılma genellikle H2SO4, HNO3 gibi kuvvetli asitler tarafından katalizlenir. 1) H2O + H+ 2) C C H3O+ + H3O+ C C + H2O H Alken 3) C C + H2O H C C C C H OH2 H OH Alkol + H+ Bu arada ilk basamak suyun protonlanması basamağıdır. Böylece oluşan hidroksonyum iyonunun çifte bağa elektrofilik saldırısı ile bir karbonyum iyonu oluşur ve bunu izleyerek karbonyum iyonuna suyun nükleofil katılması meydana gelir ve nihayet oluşan iyondan bir proton ayrılmasıyla alkol oluşumu tamamlanır. 3) Alkol Katılması: Asit katalizine gereksinme gösteren bu katılmada öncelikle, suyun katılmasında olduğu gibi bir karbonyum iyonu oluşumu gözlenir. Bunu izleyerek alkolün nükleofil saldırısı gerçekleşir. Böylece oluşan oksonyum iyonundan bir proton ayrılmasıyla eterler oluşur. 1) H2O + H+ 2) C 3) C C C H3O+ + H3O+ + ROH C C C C H HOR + H2O C C + H+ H OR Eter 4) Alkinlere Halojen Katılması: Alkinlere elektrofilik katılmalar daha az karakteristik reaksiyonlardır ve örneğin halojen katılması alkene göre daha yavaş gerçekleşir. Bu katılmalarda birçok hallerde metal halojenürler, örneğin Hg-II-halojenür katalizör olarak 14 kullanılır. Katılmanın ilk basamağında bir trans alken oluşur. Örneğin asetilene brom katılmasında HC CH H Br + Br2 C C HgBr2 H + Br2 CHBr2-CHBr2 Br Önce trans-1,2-dibromo eten oluşur, ki bu katılma elektrofil mekanizmaya göre gerçekleşir. Katılmanın 2. basamağında ise bir alkan türevi elde edilir. 5) Alkinlere Hidrojen Halojenürlerin Katılması: Alkinlere hidrojen halojenür katılması sonucunda öncelikle bir vinil halojenür oluşur. Ortamda peroksitler bulunmadığı zaman reaksiyonun 2. basamağı Markovnikov kuralına uygun bir katılma şeklinde ilerler. HC CH + HCl HgCl2 H2C=CH-Cl vinil klorür + HCl H3C-CHCl2 1,1-dikloretan Burada da katalizöre gereksinim duyulmaktadır. Karbon-Karbon Çok Katlı Bağlarına Nükleofil Katılma Mekanizması Alkenler için karakteristik reaksiyon elektrofil katılmalardır. Ancak alkenlerde çifte bağlı karbona bağlı elektron çekici gruplar bulunduğu zaman bunlar çifte bağın elektron yoğunluğunu azaltarak elektrofiller tarafından başlatılan katılmaları güçleştirirler. Buna karşın, nükleofiller tarafından başlatılan reaksiyonları yani nükleofil reaksiyonları kolaylaştırır. Bu grupların bu şekilde etkinlikleri örneğin, CHO > COR > CO2R > CN > NO2 sırasına göre azalır ve ayrıca SOR, SO2R, F gruplarının da aynı şekilde ve önemli derecede etkili olduğu bilinmektedir. Nükleofilik katılmalar iki basamak halinde gerçekleşen ve daha önce gösterildiği gibi bir intermediat karbon iyonunun oluşumu üzerinden yürüyen reaksiyonlardır. Alkenlere nükleofil katılma reaksiyonlarının önemli bir örneği siyanoetillendirme olarak bilinmektedir. Bu reaksiyonda akrilonitrile CH2=CN-CN bir nükleofil katılma söz konusudur. Örneğin alkol katılması, fenol katılması, amin katılması, H2S katılması gibi birer siyanoetillendirme reaksiyonu örneğini oluşturmaktadır. Bütün bu reaksiyonlarda protonun ayrılmasıyla geriye kalan grup, yani nükleofil grup, akrilonitrilin sübstitüe olmayan çifte bağlı karbonuna saldırır ve bunu izleyerek reaktiften veya çözücüden gelen bir proton diğer çifte bağlı karbona bağlanır. PhOCH2CH2ON RO-CH2-CH2-CN PhOH CH2 RNH2 ROH OH-CN akrilonitril RNH-CH2-CH2-CN H2S HS-CH2-CH2-CN Reaksiyonun toplu sonucu başlangıçtaki nükleofile bir siyanoetil grubunun bağlanması olmaktadır. Alkenler için nükleofilik katılma örnekleri nispeten düşük sayıdadır. Buna karşın, alkinlere nükleofilik katılmalar çok daha karakteristik niteliktedir ki buna ilişkin örnekler aşağıda gösterilmiştir. Örneğin asetilene H:CN katılması bir nükleofil katılma şeklinde gerçekleşir. 15 1) Alkinlere HCN Katılması 1- H C C H + H : CN C H + H+ H C - CN İlk basamakta bir karbon iyonu oluşur. 2. basamakta bu karbon iyonuna proton katılır. 2- H C - C H + H+ H C CN C H CN H Alkinlere Su Katılması HgSO4-H2SO4 katalizör sistemi yanında uygulanmaktadır ve bu katılma da bir nükleofil katılma niteliğindedir. Alkinlere su katılması sonucu bir enol bileşiği olan vinil alkol oluşumu beklenir. H C C H + H : OH H H C HgSO4-H2SO4 C H OH Vinil alkol Asetilen Burada meydana gelen vinil alkol kararsız bir bileşik olup, izole edilemez ve bir çevrilme sonucu daha kararlı yapıda olan asetaldehit meydana getirir. H H C H H C C H O H Asetaldehid C H O-H Karbon-Karbon Çok Katlı Bağlara Radikalik Katılma Mekanizması Alkinler ve alkenler için tipik radikalik katılmalar hidrojen katılması olarak bilinir. Alkenlere bir katalizör yanında bir mol hidrojen katılması ile alkanlar oluşur ki, burada Ni, Pd, Pt gibi metaller katalizör olarak kullanılır. C C + H2 Ni, Pd/C C C H H Bir alkine Ni, Pd, Pt katalizörlüğünde 1 mol H2 katılmasıyla bir alken 2. bir mol H2 katılmasıyla da bir alkan oluşur. Radikalik katılma ile yürüyen bir katılma da alkenlere peroksitler varlığında HBr katılmasıdır. Bilindiği gibi bir alkene HBr katılması, ortamda peroksitler bulunmadığı zaman Markovnikov kuralına uygun şekilde gerçekleşir. Ancak ortamda peroksitler bulunduğu zaman bu katılmanın tamamen tersi yönde gerçekleştiği saptanmıştır (Anti-Markovnikov Katılması). Bu durum şöyle açıklanır: peroksitler yapıları itibariyle kolaylıkla radikal oluştururlar, bu nedenle peroksitler bulunduğu zaman, ortamda kolayca radikal oluşabilir. Bunların HBr‟e etkisi sonunda da Br. radikalleri oluşur. Bu Br. radikalleri bir alkene etkidiği zaman, bir radikalik katılma ile bir başka radikal oluşur ki, bu radikale HBr etkisi ile katılma tamamlanır ve yeniden bir brom radikali oluşur. 4. basamakta HBr katılması tamamlanmış durumdadır. 16 1) Peroksitler Rad. 2) Rad. + H:Br Rad:H + Br. Baslama basamagi 3) C C + Br. C C Br Yayilma basamagi 4) C C + H:Br C C Br + Br. Br H Ortamda HBr kalmayıncaya kadar 3,4,3,4……… basamakları sürer. Alkenlere radikalik katılmalarda reaksiyon en kararlı karbon radikalinin oluşumu üzerinden ilerler. Serbest karbon radikallerinde şu şekilde bir sınıflandırma mümkündür: R R C R 3radikal R R C H R C H H C H 2radikal H 1radikal H metil radikali Bu radikallerde kararlılık sırası 3º>2º>1º metil şeklindedir. Markovnikov ve Anti-Markovnikov katılmalarında yönelme birbirinin tamamen tersidir. Birinciye önce proton iyonik olarak katılmaktadır. Diğerinde ise önce bromun radikalik katılması meydana gelir. Siklokatılma (Halkalı Katılma) Reaksiyonları Bu reaksiyonlarda katılma sonucunda halkalı, yani siklik yapıda bir bileşik oluşur ve bu katılmalarda bağ oluşumu ile bağ kopması olayları hemen hemen aynı anda gerçekleşir. Bu tipten katılmaların en önemli örneği Diels-Alder reaksiyonlarıdır. Bu reaksiyon bir alkenin bir konjugediene 1,4-katılmasından ibarettir. Örneğin: CH2 HC HC CH2 1,3-Bütadien O HC C O C O C O O HC C O Maleikanhidrit 1,2,3,6-tetrahidroftalikanhidrit Genel olarak siklokatılma reaksiyonlarında karmaşık yapıda ürünler oluşur ve çoğunda adlandırma güçtür. Bu nedenle genellikle oluşan ürünlere “siklokatılma ürünü” denir. Karbon-karbon çok katlı bağlara katılma reaksiyonlarına örnek olmak üzere siklohekzanol sentezini görelim. Siklohegzanol Bir alkene H2SO4 ün elektrofil katılmasıyla oluşan alkil hidrojen sülfatın hidrolizi sonucu bir sekonder alkol elde edilebilir. Bu reaksiyonun tipik bir örneği olarak siklohegzandan siklohegzanol eldesi söylenebilir. 17 OSO3H + +H +HSO4- H +H2O Siklohekzil hidrojen sülfat OH + H2SO4 Siklohegzanol DENEYSEL KISIM Siklohegzanol eldesi 100 ml‟lik yuvarlak dipli bir balona 2,5 ml su konur, bir süre buz banyosunda soğutulan balona yavaş yavaş bir bagetle karıştırılarak 7,5 ml derişik H2SO4 ilave edilir. Karışımın ısısı oda sıcaklığının altına düşünce balon banyodan çıkarılır. 10,5 ml (8,2 g) siklohegzan (k.n. 83º) balon hafifçe çalkalanarak ilave edilir. İlave tamamlanınca balonun ağzı kapatılır ve balondaki sulu faz ile siklohegzandan ibaret olan organik faz tamamen karışıp homojen bir hal alıncaya kadar balon içeriği çalkalanır. Bu işlem takriben 15 dk. sürer. Arada sırada balon kapağı açılarak iç basınç düşürülür. Balondaki karışım tamamen homojen olduktan sonra 5 dk. kendi haline bırakılır ve sonra balona yavaş yavaş 35 ml su ilave edilir. Birkaç tane kaynama taşı ilavesiyle karışım bir geri soğutucu altında 12 dk. kaynatılır. Soğutulan balon bir buz banyosuna yerleştirilir. Reaksiyon karışımı bir ayırma hunisine boşaltılır. Tabakaların ayrılması beklenir, oluşan alttaki tabaka musluktan akıtılarak ayrılır. Ayırma hunisinde kalan tabaka sırasıyla 5 ml su 3 ml %10 NaOH ve 2 kez 5 er ml su ile çalkalanır ve altta kalan su fazla uzaklaştırılır. Ayırma hunisinde kalan siklohegzanol fazı huninin üst kısmından 25 ml‟lik bir erlene boşaltılır. Erlene 1,5 g susuz MgSO4 ilave edilip ağzı kapatılır. 10 dk. kadar hafifçe çalkalanır, bir destilasyon balonuna süzülür. Destillenir. K.n.=161ºC‟dir. Destilasyonda 156-161 ºC lik fraksiyon toplanır. 18 DENEY 3 ELĠMĠNASYON REAKSĠYONLARI Bir molekülden iki atom veya grubun başka atom veya gruplarla yer değiştirmeksizin ayrılmasına “eliminasyon” denir. Eliminasyon reaksiyonlarının pek çoğunda ayrılan atom veya gruplar komşu karbon atomları üzerinde bulunur. Bu atomlardan biri çoğu kez proton; diğeri ise bir nükleofildir (X: veya :X-). Reaksiyon sonunda da doymamış bileşikler oluşur. H C C X -HX H C C C ; -HX C CC X Alken Alkin Eliminasyon reaksiyonlarının en önemlileri C C C C + H2O Alkollerden alken olusumu C C + ROH Eterlerden alken olusumu C C + HX H OH C C H OR C C Alkil halojenürlerin dehidro halojenasyonu ile alkenlerin olusumu X H H C C CC + 2HX Vic-dihalojenürlerden alkinlerin olusumu X X Eliminasyon reaksiyonları iki grupta toplanırlar: a) β-eliminasyonu: (1,2-eliminasyonu) grupların komşu atomlardan ayrıldığı eliminasyondur. -H+-H- C C C C H X HX eliminasyonu ile sonuçlanan bir reaksiyonda :X- grubunu kaybeden C atomu α-C atomu ve proton kaybeden C atomu da β-C atomu olarak gösterilirse toplam reaksiyon βeliminasyonu veya 1,2-eliminasyonudur. Eliminasyon reaksiyonlarının çoğu βeliminasyonudur. Reaksiyon sonunda –C=C- , -C=O, -C=N- gibi değişik doymamış gruplar oluşur. Eliminasyon mono moleküler (unimoleküler) veya bimoleküler mekanizma üzerinden yürür. 1) Monomoleküler eliminasyon (E1): Reaksiyon iki basamakta meydana gelir. Hız belirleme basamağı olan ilk basamakta bir karbonyum iyonu oluşur; bunu diğer atom veya grubun hızlı ayrılması izler (2. basamak). 19 H R1 H C C X 1) H yavaş H C C H R1 R1 + :X- R1 H Karbonyum iyonu H 2) H C C R1 H hızlı C R1 H C R1 + H+ R1 H İkinci basamakta bir baz etkisiyle karbonyum iyonundan bir proton koparılarak bir alken oluşur. E1 mekanizması ile yürüyen eliminasyonlarda reaksiyon hızı sadece birinci basamakta disosiasyona uğrayan başlangıç maddesinin konsantrasyonuna bağlıdır. Hız = k[CH3CR1R1X] Kolayca görülebileceği gibi E1 ve SN1 mekanizmalarına göre yürüyen reaksiyonlarda 1. basamakta oluşan karbonyum iyonu intermediatları aynıdır. Bu nedenle ortamdaki baz etkisiyle reaksiyon E1 ve SN1 mekanizmalarına göre iki yönde ilerler. Örneğin; ter-bütil bromürün etanollü ortamda disosiasyonu ile O H H +C SN1 H O H5 C 2 C2H5OH2 + CH2 E1 CH3 t-bütil karbonyum iyonu +C CH3 ter-bütil bromür H3C C 5 H3C C Br CH3 yavaş 2 CH3 CH3 CH3 H3C C O C2H5 CH3 H3C C OC2H CH3 2-metil propen (%19 verim) CH3 - H+ CH3 Etil-bütil eter (%81 verim) Oluşan ter-bütil karbonyum iyonu, etanol ile SN1 mekanizmasına göre etil ter-bütil eteri ve E1 mekanizmasına göre de 2-metil propeni bir arada oluşturur. SN1 reaksiyonlarında olduğu gibi E1 reaksiyonlarında da hız belirleme basamağında oluşan karbonyum iyonlarının kararlılığı önemlidir ve bu 3º>2º>1º sırasını izler. Bu nedenle E1 eliminasyonuna karşı alkil gruplarının ve alkil halojenürlerin reaktivite sırası 3º>2º>1º olmaktadır. 2) Bimoleküler eliminasyon (E2): Bu mekanizma bir tek basamağı içerir. H – C bağı koparılıp karbon-karbon çifte bağı oluştuğu sırada ve aynı zamanda C-X bağı da elektronları :X de kalacak şekilde koparılır. Reaksiyon bir tek transisyon hali içerir ve bir ölçüde S N2 mekanizması ile benzerlik gösterir. - OH H C C X H2O + C C + :X- E2 mekanizması ile yürüyen bir eliminasyon reaksiyonunda reaksiyon hızı reaksiyona giren her iki bileşiğin konsantrasyonuna bağlıdır. 20 Hız = k [R – X] [OH-] E2 mekanizması 1,2-eliminasyonlarında en çok karşılaşılan bir reaksiyon mekanizmasıdır. E1 mekanizması ve SN1 sübstitüsyonu aynı karbonyum iyonu intermediatı üzerinden bir arada ilerleyen reaksiyonlar olduğu gibi, E2 mekanizmasında da SN2 sübstitüsyonu eşlik eder fakat bu iki mekanizma tamamen farklı yolları içerir. Alkil halojenürlerin E2 mekanizmasına karşı reaktiviteleri de 3º>2º>1º sırasını izler. b) α-eliminasyonu (1,1-eliminasyonu): Nispeten daha az sayıda örneği bilinen 1,1-eliminasyonlarında hem H ve hem de ayrılan grup X, aynı karbon atomu (α) üzerinde bulunur. Bu tür bir eliminasyonun kolay meydana gelebilmesi için, a) X gruplarının kuvvetli elektron çekici olmaları halinde b) Kuvvetli bazlar kullanılması halinde c) β-H atomlarının bulunmaması gerekir. X gruplarının kuvvetli elektron çekici özellik göstermeleri halinde α-H atomlarının asitliği ve koparılabilme kolaylığı artar. β-H atomlarının bulunmaması ise mutlaka gerekli değildir. β-H atomları bulunsa bile α-eliminasyonu gerçekleşebilir. 1,1-eliminasyonunun en bilinen bir örneği, β-H atomu içermeyen haloformların örneğin CHCl3 ün kuvvetli bazlar ile reaksiyonudur. Bu reaksiyon, iki basamak üzerinden diklorokarbon oluşumuna yol açar. Mekanizması: OHH CCl3 hızlı yavaş H2O + CCl2 Cl karbon iyonu :Cl- + :CCl2 diklorokarbon Karbon ortamda bulunan OH- ve H2O ile reaksiyon vererek CO ve HCOO- oluşumuna yol açar. Burada reaksiyon hızı Hız = k [CHCl3] [OH-] dur. β-Eliminasyonu veya 1,2-eliminasyonuna örnek olarak siklohegzenin sentezini görelim. 21 DENEYSEL KISIM Siklohegzen eldesi 21 ml siklohegzanol ile 5 ml %85‟lik H3PO4 yuvarlak dipli bir balonda karıştırılır, iki tabakanın karışması için iyice çalkalanır. Isı oluşumuna dikkat edilmelidir. Kaynama taşı atılır ve destilasyon düzeneği kurulur. Toplamak için 125 ml‟lik bir erlen içerisinde buz ile soğutulan bir deney tüpü kullanın. Balondaki sıvı hacmi 5-10 ml kalıncaya kadar destillenir (70-85°C) Biraz soğuduktan sonra termometreyi çıkarın ve 20 ml toluen ekleyin. Destilasyon balonundaki üst tabakanın miktarına dikkat edin ve üst tabakanın hacmi yarıya inene kadar destilasyona devam edin. Deney tüpündeki destilasyon ürünlerini ayırma hunisine boşaltın ve deney tüpünü az miktarda toluenle çalkalayın. Eşit hacimdeki doygun tuz çözeltisiyle yıkayın ve sulu fazı atın. Üst tabakayı temiz bir erlene alın ve CaCl2 ile kurutun. İkinci destilasyon için, ilk destilasyonda kullanılan cam malzemeleri yıkayıp kurutun. Kurutulan sıvıyı yuvarlak dipli balon içerisine boşaltın ve destilleyin. Siklohegzenin kaynama noktasını, rengini ve ağırlığını kaydedin. 22 DENEY 4 ELEKTROFĠL AROMATĠK SÜBSTĠTÜSYON REAKSĠYONLARI Benzen halkasında π elektronları karbon atomları çekirdekleri tarafından π elektronlarına nazaran daha zayıf olarak tutulmuşlardır. Bu nedenle π elektronları, elektron gereksinimi olan elektrofil reaktiflere yani Lewis anlamında asitlere kolaylıkla verebilir. Benzen halkası bu tipten reaktifler için bir elektron kaynağı yani Lewis anlamında bir baz olarak hareket eder. Benzen halkasının tipik reaksiyonları, elektrofil reaktiflere karşı bir baz olarak hareket ettiği reaksiyonlardır. Bu reaksiyonlar benzen halkasında rezonansın meydana getirdiği kararlılıktan dolayı bir sübstitüsyon ile sonuçlanır ve benzen halkasının aromatik karakteri korunur. Bu reaksiyonlara „Elektrofil Aromatik Sübstitüsyon Reaksiyonları‟ denir. Elektrofil aromatik sübstitüsyon yalnız benzen halkası için değil diğer birçok halkalar için de karakteristiktir. Bir elektrofil aromatik sübstitüsyon‟un mekanizması Y:Z reaktifi için genel olarak şu şekilde gösterilir. 1) C6H6 + Y Elektrofil + C6H5 Hız Tayin Basamağı C6H5 Y Aronyum iyonu H 2) H Yavaş Z Baz Hızlı C6H5Y + H:Z Y Elektrofil aromatik sübstitüsyonun ilk basamağında (Hız tayin basamağı) bir elektrofil reaktif, aromatik halkaya saldırarak bir „İntermediat Karbonyum İyonu (Aronyum İyonu)‟ meydana getirir. 2. Basamakta ise aronyum iyonundan bir baz etkisiyle bir proton koparılır. 1. Basamak daha ayrıntılı olarak aşağıdaki şekilde gösterilebilir: H H Y H + Y I H Y H II 23 H Y III 1. Basamakta oluşan aronyum iyonu için I, II ve III rezonans yapısı olası olup gerçekte aronyum iyonu bunların rezonanas hibrididir ve IV ile gösterilir. H Y IV Rezonans ve hibrid yapıları, intermediat karbonyum iyonunda pozitif yükün o- ve pyerlerinde daha kuvvetli olmak üzere bütün halka üzerinde dağıldığını göstermektedir. Elektrofil Aromatik Sübstitüsyonda Reaktivite Benzen ve diğer aromatik hidrokarbonlar elektrofil sübstitüsyona uğradıkları gibi benzen türevleri ile öteki aromatik hidrokarbonların türevleri de elektrofil aromatik sübstitüsyon reaksiyonları verebilir. Ancak aromatik halkaya bağlı bir grup halka reaktivitesini büyük ölçüde etkiler. Dolaysıyla da elektrofil aromatik sübstitüsyon ana hidrokarbondakine göre daha kısa yada daha uzun sürede, daha ılımlı veya daha kuvvetli koşullar altında gerçekleşir. Örneğin toluende elektrofil aromatik sübstitüsyon benzene göre daha kısa sürede ve daha ılımlı koşullar altında gerçekleşir. Yani benzen halkasına bağlı –CH3, grubu halkayı daha reaktif yapar ve halkayı aktive eder. Metil grubu elektron salmak suretiyle İntermediat aronyum iyonunda halkanın pozitif yükünü nötralleştirme eğilimi gösterir. Yükün bu yayılımı karbonyum iyonunu kararlı yapar. Nitekim, nitrolamaya karşı toluen benzenden 25 kez daha reaktiftir. H Y CH3 Diğer taraftan nitrobenzen üzerinde gerçekleşen bir elektrofil aromatik sübstitüsyon, benzene göre daha yavaş ve şiddetli koşullar altında olur. Yani halkaya bağlı –NO2 grubu benzen halkasını daha az reaktif yapar, yani halkayı deaktive eder. H Y NO2 Aronyum iyonunda –NO2 grubu halkadan elektron çeker ve pozitif yükün şiddetini arttırma eğilimi gösterir ve karbonyum iyonunu kararsız yapar. Bu da daha yavaş bir reaksiyona sebep olur. Halkayı benzen halkasından daha reaktif yapan bir gruba „Aktifleştirici grup‟ ve halkayı benzenden daha az reaktif yapan bir gruba ise „Deaktifleştirici grup‟adı verilir. 24 Elektrofil aromatik sübstitüsyonda halkanın aktifleştirilmesi yada deaktifleştirilmesi, sübstitüent grupların elektron salıverme (itme) veya elektron çekme özelliklerine bağlıdır. Elektron salan bir grup halkanın elektron yoğunluğunu arttırır ve dolayısıyla elektrofil grubun halkaya saldırısı kolaylaşır. Bir başka deyişle, elektron salan bir grup intermediat aronyum iyonuna kararlılık kazandırır ve oluşumunu kolaylaştırır. Böylece reaksiyon daha kolay gerçekleşir. Elektron çeken bir grup ise halkanın elektron yoğunluğunu azaltacağı için elektrofil grubun halkaya saldırısı güçleşir, yada elektron çeken bir grup intermediat aronyum iyonunun kararlılığını azaltacağı için oluşumunu güçleştirir. Dolayısıyla reaksiyon daha zor gerçekleşir. Elektrofil aromatik sübstitüsyonda sübstitüent gruplar, reaktiviteye etkilerine göre aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir: Kuvvetli aktifleştirici gruplar: -NH2, -NHR, -NR2, -OH Orta derecede aktifleştirici gruplar: -OR, -NH-COCH3, -O-COCH3 Zayıf aktifleştirici gruplar:-R(-CH3, -C2H5), -C6H5 Deaktifleştirici gruplar:-NO2, -CN, -SO3H, --CHO, -COR, -COOH, -COOR, -CONH2, -F, Cl, Br, -I Örneğin: H H C H Aktifleştirme Cl H H C H C Cl Zayıf deaktifleştirme Cl Cl Orta derecede deaktifleştirme Cl C Cl Kuvvetli deaktifleştirme Elektrofil Aromatik Substitüsyonda Yönelme: Bir elekrofil aromatik sübstitüsyonda elektrofil saldırının kendisine göre başlıca o- ve pyerlerinde olmasına neden olan bir gruba „Orto-para yöneltici grup‟ ve başlıca m- yerinde olmasına neden olan bir gruba „Meta yöneltici grup‟ adı verilir. Y o o (orto) m m (meta) p (para) 25 o-, p- ve m- yöneltici gruplar topluca aşağıda verilmiştir. o-, p- Yöneltici Gruplar m- Yöneltici Gruplar -NH2, -NHR, -NR2 -NO2, -CN, -SO3H, -CHO -OH, -OR -COR, -COOH, -COOR -NHCOCH3, OOOCH3 -CONH2 -R, -C6H5 -F, -Cl, Br, -I Görüldüğü gibi, aktifleştirici grupların tümü o-p yöneltici ve halojenürler hariç deaktifleştirici grupların tümü m- yönelticidir. Aktifleştirici bir grup, benzen halkasının bütün pozisyonlarını aktifleştirir. Meta yeri bile benzendeki herhangi bir mevkiden daha reaktiftir. Böyle bir grubun o- ve p-„ya yöneltmesi, o- ve p- yerlerini m-„dan daha fazla aktifleştirmesindendir. Bir deaktifleştirici grup meta dahil halkanın bütün yerlerini deaktive eder. Böyle bir grubun m-„ya yöneltmesi, o- ve p- yerlerini m-„dan daha fazla deaktive etmesindendir. Bir grup halkadan indüktif veya rezonans etkisi ile yada her ikisi ile elektron salabilir veya çekebilir. Bu etkiler sadece -NH2, -OH (ve türevleri) ile halojenler için birbirine zıttır. -NH2, -OH (ve türevleri) grupları indükti olarak (N ve O atomları bağlı oldukları halka C‟dan daha elektronegatif olduğundan) halkayı deaktive etmesi beklenirken halkayı aktifleştirdikleri görülmektedir. Halkaya bağlı N ve O atomları kuvvetli elektronegatif (elektron çekici indüktif etkiye sahip) olmalarına rağmen bunların halkaya elektron salmaları, bunların rezonans etkisinden ileri gelmektedir. Fenol ve anilinde Rezonans etkisi (Mezomerik etki) (+M Etkisi) indüktif etkiden (-I Etkisi) (İndüktif yoldan elektron çekilmesi) daha kuvvetli ve önemli olduğundan sonuçta -NH2 ve – OH halkayı aktifleştirir. Bu durumu anilin örneğinde rezonans yapılarını yazarak görmek mümkündür. 26 H H H H N H N H H H N N H H H Aktifleştirici bir grup olan –NH2 grubunun, anilinde elektron yoğunluğunu başlıca o- ve pyerlerinde olmak üzere tüm halkada arttırdığı aşağıdaki şekilde gösterilebilir. H H N Bir deaktifleştirici grup benzen halkasının bütün yerlerini deaktifleştirir, ancak o- ve pyerlerini meta yerine göre daha fazla deaktifleştirdiği için, halkaya saldıran bir elektrofil reaktifi başlıca m- yerine yöneltir. Bu durum, bir deaktifleştirici grup olan ve aromatik halkadan hem indüktif ve hem de mezomerik yolla elektron çeken (-I ve –M etkileri) –NO2 grubunu içeren nitrobenzenin rezonans yapılarından kolaylıkla görülebilir: O N O O N O O O N O O N O O N H H H Nitrobenzende elektron yoğunluğunun tüm halkada, fakat özellikle o- ve p- yerlerinde azaldığı şu şekilde gösterilebilir. 27 O O N NH2 ve –OH için yukarıda görüldüğü gibi rezonans etkisi çok daha önemli ve kuvvetlidir. Halojenler için ise durum farklıdır. Bunlarda –I etkisi (indüktif yolla elektron çekilmesi) +M etkisinden (mezomerik yolla elektron salıverilmesi) daha etken olduğundan dolayı –OH ve NH2 aktifleştirici, o- ve p- yöneltici iken; halojenler deaktive edici ve buna rağmen o- ve pyönelticidirler. Elektrofil Aromatik Sübstitüsyon reaksiyonlarına aşağıdaki örnekler verilebilir. Sülfolandırma: SO3 ArH + HOSO3H ArSO3H + H2O Bir sülfon asit Friedel -Crafts alkillendirmesi: ArH + RCl AlCl3 ArH + HCl Bir alkil benzen türevi Friedel -Crafts açillendirmesi: ArH + RCOCl AlCl3 Bir açil klorür ArCOR + HCl Bir keton Nitrozolandırma: ArH + HONO Ar N O + H2O Bir Nitroso bileşiği Diazo-kenetlenmesi: ArH + Ar'N2X Bir diazonyum tuzu Ar'N=NAr + HX Bir azobileşiği (Aktifleştirilmiş aromatik halkalarda gerçekleşen bir sübstitüsyon) 28 DENEYSEL KISIM o-Nitrofenol eldesi Yuvarlak dipli bir balon içinde bulunan 8 gr NaNO3 veya 9,5 gr KNO3 20 ml suda ısıtılarak çözülür. Çözeltiye ılık halde iken karıştırarak 10 gr der. H2SO4 ilave edilir. 20 oC‟ye soğutulan bu çözeltiye 5 gr fenol ve 0,5 gr suyun ısıtılarak sıvı hale getirilmiş bir karışımı damlatma hunisinden sık sık çalkalanarak damlatılır. Bu arada sıcaklığın 20-25 oC‟de tutulması gerekir. Reaksiyon karışımı sık sık çalkalanarak 2 saat bırakılır. Bundan sonra üstüne, hacminin 2 katı kadar su ilave edilen reaksiyon karışımı kendi haline bırakılır. Üstteki sulu faz altta ayrılan yağ tabakasından olanak ölçüsünde uzaklaştırılır ve su ile yıkama işi 2 kez daha tekrarlanır. o-Nitrofenol su buharı ile destillenir. Bu sırada madde soğutucunun iç borusunda katılaşarak birikecektir. Bu durumda soğutma suyu kesilerek biriken madde buharın sıcaklığı ile eriyerek toplama kabına akması sağlanır. Elde edilen ürün trompta süzülür ve süzgeç kağıtları arasında kurutulur. Madde yeteri kadar saftır. Eğer değilse su buharı destilasyonu tekrarlanır. Verim:3 gr, E.N :45oC‟dir. o-Nitrofenol‟ün izomeri olan p-Nitrofenol orta balondaki kalıntıdan ve sodyum tuzu üzerinden hemen izole edilir. Bunun için de balon içeriği 2N NaOH çözeltisi ile aşırı bazik yapılır. Bundan sonra bir miktar da aktif karbon katılır ve içinden tekrar su buharı geçirilerek kaynatılır ve kırmalı süzgeç kağıdından süzülür. Elde edilen süzüntü yaklaşık 10 ml kalıncaya kadar bek üzerinde buharlaştırılır. Bu çözelti soğurken p-Nitrofenolun sodyum tuzu kristallenmelidir. Kristallenme olmazsa ısıtılan çözeltiye 3ml NaOH çözeltisi daha ilave edilir ve yavaş yavaş soğumaya bırakılır. Trompta süzülen ve 2N NaOH çözeltisiyle yıkanan tuz seyreltik HCl ile sıcakta muamele edilince p-Nitrofenol önce yağ halinde ayrılır, fakat soğuyunca kristallenir. Elde edilen ham ürün pek saf değilse sodyum tuzu üzerinden tekrar saflaştırılır ve sey. HCl çözeltisi ile kristallendirilir. Verim:2,5-5 gr ve E.N: 114 oC. 29 DENEY 5 NÜKLEOFĠL AÇĠL SÜBSTĠTÜSYON REAKSĠYONLARI Karbon bileşiklerinin tipik reaksiyonları nükleofil katılma reaksiyonları olduğu halde, açil bileşikleri olan karboksilli asitlerin ve fonksiyonel türevlerinin tipik reaksiyonları „Nükleofil açil sübstitüsyon‟dur. Bu sübstitüsyon reaksiyonlarında karboksilli asitlerdeki OH, ait halojenürlerdeki –F, -Cl,- Br veya –I, ait anhidritlerindeki –OOCR, karboksilli esterlerdeki –OR ve amitlerdeki –NH2 grupları diğer bazik gruplarla yer değiştirir. Bu reaksiyon, nükleofil alifatik sübstitüsyondan çok daha kolaylıkla olabilir ve genel olarak aşağıdaki şekilde gösterilebilir: O R C Z + :Y O R C Y Z O R C Y İntermediat (Tetrahedral) Ürün Nükleofil Açil Bileşiği + :Z Ayrılan grup -Z: -OH, -F, -Cl, -Br, -I, -OOCR, -OR veya -NH2 Açil bileşiklerinde de, karbonil bileşiklerinde olduğu gibi, bir nükleofil grubun saldırısı karbonil karbonunda olabilir ve açil bileşiğinin düzlemsel yapısı kaybolarak tetrahedral yapıda bir intermediat oluşur, ki bundan da bir bazik grubun ayrılmasıyla (ayrılan grup) yeniden düzlemsel yapı kazanılarak reaksiyon ürünü elde edilir. Nükleofil açil sübstitüsyon asidik koşullarda daha kolay olur. Çünkü aldehit ve ketonlarda olduğu gibi önce karbonil oksijeni protonlanır ve karbon atomu daha elektropozitif olur ki, dolayısıyla da nükleofilik saldırılar daha hızlandırılır. Nükleofil açil sübstitüsyonda :Z- ne kadar zayıf bir baz ise o kadar kolay ayrılır. Nitekim, Clçok zayıf bir baz olduğu için, karboksilli asit klorürleri nükleofil açil sübstitüsyon reaksiyonlarını çok kolaylıkla veriler. Asit anhidritlerinde RCOO- orta derecede zayıf bir baz, esterlerdeki R‟O- ve amitlerdeki NH2- grupları ise kuvvetli bazlardır, ki bunlarda nükleofil açil sübstitüsyon reaksiyonları asit klorürlerden daha zor gerçekleşir. Aldehit ve ketonlarda nükleofil saldırı bir ayrılma ile değil bir katılma ile sonuçlanır. Çünkü bu bileşiklerden aldehitlerde: .Z- :H- (hidrür iyonu ) krtonla da Z- :R- (alkid iyonu ) olması gerekir ki :H- ve :R- iyonlarının en kuvvetli bazlar olmaları nedeniyle böyle bir ayrılma olanaklı değildir. Dolayısıyla bu bileşiklerde nükleofil sübstitüsyon değil, nükleofil katılma gerçekleşir. Nükleofil açil sübstitüsyon reaksiyonuna örnek birçok reaksiyonlar mevcuttur. 30 a) Bir asit klorürürne su etkisiyle karboksilli asit oluşumu: O R C Cl + H O H O R C Cl O H H Asit klorürü O -H R-COOH + Cl Karboksilli asit R C Cl OH Örneğin: CH3COCl + H2O CH3COOH + HCl b) Karboksilli esterlerin alkali hidroksit etkisiyle hidrolizi: (CH3CO)2O + H2O 2CH3COOH Asetik anhidrit Asetik asit c) Karboksilli esterlerin alkali hidroksit etkisiyle hidrolizi: O R C OR' :OH O O R C OH R C OH OR' + :OR' O R C O + R'OH Karboksilli ester +H+ R-COOH Karboksilli asit d) Amitlerin mineral asitleri ile hidroliziyle karboksilli asitlerin oluşumu: +H+ R-COOH + NH4+ R-CONH2 + H2O Amit Karboksilli asit Mekanizma: O R C NH2 +H+ OH R C NH2 OH R C NH2 31 H2O OH R C NH2 OH2 O + NH4+ R C OH e) Asit klorürlerin amonyakla ammonoliz sonucu amitleri oluşturmaları: O R C Cl + O + R C NH2 NH3 NH4Cl Aldol kondenzasyonu (Aldolizasyon)‟da olduğu gibi Claisen kondenzasyonunda da bir karbon iyonunun bir karbonil karbonuna nükleofil saldırısı vardır. Aldol kondenzasyonunda nükleofil saldırı, aldehit ve ketonların tipik reaksiyonları olan katılma ile sonuçlanır. Claisen ester kondenzasyonu ise bir karbon iyonunun bir ester karboniline nükleofil saldırısını içerir ve bu saldırı, açil bileşiklerinin karakteristik reaksiyonu olan nükleofil açil sübstitüsyon ile sonuçlanır. Claisen ester kondenzasyonunda karbon iyonu, α-CH2 grubu içeren bir karbonil bileşiğinden (örneğin bir ester ya da bir keton) veya bir siyano bileşiğinden metalik Na, NaNH2 ya da C2H5ONa etkisiyle bir proton koparılarak oluşturulur. β-dikarbonil bileşiklerinin elde edilmesinde kullanılan Claisen kondenzasyonunun tipik örneği Asetoasetik ester sentezidir ve reaksiyonun yürüyüşü aşağıdaki şekilde gösterilebilir: (1) O H3C C + NaOHC2H5 Na H2C C OC2H5 O + C2H5OH OC2H5 etil asetat (2) H3C C O + H2C C OC2H5 O H O 2 H3C C C C OC2H5 OC2H5 O OC2H5 -C2H5OH O O H2 H3C C C C OC2H5 O +H+ /H2O O O H3C C C C H OC2H5 Asetoasetik ester (Etil aseto asetat) 32 H H3C C C O C OC2H5 Bu sentez basit olarak şöyle gösterilebilir: H3C C O + H3C C OC2H5 O (C2H5ONa) (C2H5OH) OC2H5 O O H2 H3C C C C OC2H5 Asetoasetik ester (Bir -keto ester) Claisen kondenzasyonuna Asetilaseton oluşumu da örnek olarak verilebilir. (1) O H3C C CH3 + (2) O H3C C OC2H5 O Na H2C C CH3 NaNH2 O H O 2 H3C C C C CH3 OC2H5 O H2C C CH3 O O H3C C C C CH3 H O O H3C C C C CH3 H +H+/H2O O O H3C C C C CH3 H2 Asetil Aseton 33 + NH3 Claisen kondenzasyonu için diğer bazı örnekler de aşağıdadır. C6H5 O C + CH3COOC2H5 OC2H5 Etil benzoat Na OC2H5 C6H5 Etil asetat C2H5OH Etil benzoilasetat O H3C C OC2H5 + O H 2 C C COOC2H5 + Na OC2H5 CH3CN O H3C C CH2-CN -C2H5OH Etil asetat Siyano aseton Asetonitril DENEYSEL KISIM Asetoasetik Ester Eldesi: 50 ml. lik bir balona 12,5 gr (13,9 ml) kuru etil asetat ve 1,25 gr temiz sodyum teli konulur. Balonun ağzına bir geri soğutucu yerleştirilir ve su banyosu üzerinde reaksiyon başlayıncaya kadar ısıtılır. Reaksiyon başladıktan sonra şiddetle ilerler ve soğutucudan etil asetat kaybını önlemek için balon dışarıdan soğutulur. Şiddetli reaksiyon sona erdikten sonra, reaksiyon karışımı su banyosunda, mevcut sodyumun tamamı çözününceye kadar yaklaşık 1,5 saat ısıtılır. Meydana gelen berrak kırmızı renkli çözelti soğutulur ve 34,5 ml %50‟lik asetik asit ilavesiyle turnusol kağıdına karşı hafif asidik yapılır. Karışım NaCl ile doyurulduktan sonra ayırma hunisine alınarak üstteki este fazı ayrılır ve susuz CaCl2 veya susuz MgSO4 ile kurutulur. Düşük basınç altında destile edilerek asetoasetik ester (etil asetoasetat) elde edilir. K.N: 76-80 oC, Verim:3 gr‟dır. Not: Bu reaksiyonda kuru etil asetat kullanılması önemlidir. Ancak kullanılan etil asetat %2-3 kadar etanol içerebilir. Sodyum teli sodyumun pres edilmesiyle ve susuz eter içine çekilmesiyle hazırlanabilir. 34 DENEY 6 ASETĠL SALĠSĠLĠK ASĠT (ASPĠRĠN) SENTEZĠ Çok yaygın bir analjezik olan aspirin adıyla bilinen asetil salisilik asit, salisilik asit ve asetik asit anhidritinden elde edilir. Tepkime asit katalizlidir ve salisilik asidin fenolik grubunun asetillenmesinden ibarettir. Tepkimede, polimerik yapıda bir bileşik de oluşabilir. Aspirin, sodyum bikarbonatla suda çözünen tuzu oluşturularak süzme yolu ile bu polimerik üründen ayrılabilir. Daha sonra asit katılarak tekrar aspirin elde edilir. Elde edilen ham aspirin, toluen, etilasetat ya da asetondan kristallendirilerek saflaştırılır. Ürünün saflığı tepkimeye girmemiş salisilik asidin kontrol edilmesiyle saptanabilir. Bu işlem FeCl3‟ün sulu çözeltisiyle yapılır, eğer salisilik asit varsa FeCl3 çözeltisiyle şiddetli mor renk verir. Saf aspirin bu rengi vermez (Nedenini düşününüz). Genel Reaksiyon COOH O O H3PO4 + H3C OH O CH3 O C + H3C OH CH3 Asetil salisilik asit (Aspirin) Asetik anhidrit Salisilik asit O COOH O Asetik asit O OH C OH O O + H3C O C CH3 Cl + + N C OH O Asetil Klorür 35 N HCl Genel Mekanizma Deneyin Yapılışı: 1. yöntem: 150 ml‟lik bir erlen içine 1,38 g salisilik asit konur. Bunun üzerine 4 ml asetik anhidrit ve 0,5 ml derişik H2SO4 ya da fosforik asit katılır (Dikkat: Asetik anhidrit ve derişik sülfürik ve fosforik asit cildi tahriş eder). Erlen, bir ısıtıcı üzerinde sürekli karıştırılarak 70-80°C civarında 10 dk. kadar tutulur. Bu süre sonunda erlen ısıtıcıdan alınarak çözeltinin sıcaklığı 35-40°C oluncaya dek bekletilir. Bu sıcaklıkta katı aspirin kristalleri oluşur. Üzerine 3-4 ml soğuk su katılır ve 5 dk. daha beklenir. 10 ml daha buzlu su katılarak bir buz banyosu üzerinde soğutulduktan sonra Büchner hunisinden süzülür. 25 ml su ile yıkanır ve üzerindeki su olabildiğince uzaklaştırılır. Bunun için süzgeç kağıdı arasında suyu alındıktan sonra havada kurutulur. Kuru ham aspirin 150 ml‟lik bir beherin içine alınır ve 20 ml doymuş NaHCO3 çözeltisi eklenir. Gaz çıkışı bitene dek karıştırılır, geriye kalan katı Büchner hunisinden süzülür, süzüntü bir behere alınır, üzerine yavaşça 6 M HCl karıştırılarak eklenir. Karışım buz 36 banyosu üzerinde kristaller oluşuncaya dek soğutulur, oluşan kristaller süzülür, buzlu su ile yıkanır ve havada kurutulur. Toluen, aseton ya da etilasetatdan kristallendirilir, verim hesaplanır. NOT: Aspirinin erime noktası kısmi bozunmadan dolayı 130-135° arasında değişir. Eğer ısıtma banyosu önceden 100-120° ye ısıtılırsa ya da hızlı ısıtma işlemi uygulanırsa erime noktası 134-135° olarak gözlenebilir. 2. Yöntem: ASPĠRĠN (Asetil klorürden sentezi) Ufak bir balona tepesinde kalsiyum klorür tüpü bulunan bir hava soğutucusu bağlanır. Balon alınır ve 7 g salisilik asit ve 4 g (4 ml) piridin konur. Balon soğuk su ile soğutulur. 1‟er ml‟lik porsiyonlar halinde 9 ml asetil klorür ilave edilir. Her bir ilaveden sonra balon çalkalanır. Soğutucuya tutturulur. Buhar banyosu üzerinde 20 dakika ısıtılır. Ağdalı çözeltiye 20 g buz ve 30 ml su karışımı ilave edilir. Viskoz çözelti katı oluncaya kadar şiddetli karıştırılır (1-10 dakika). Trompta süzülür. Su ile yıkanır. Saf aspirin iki kez benzenden kristallendirilir. Aspirin kristalleri iğne şeklindedir. 37 DENEY 7 NÜKLEOFĠL AROMATĠK SÜBSTĠTÜSYON REAKSĠYONLARI Benzen halkasının yapısı göz önüne alındığında nükleofil reaktiflerin benzen halkasına saldırısının elektrofil reaktiflere nazaran çok güç olacağı kolayca anlaşılır. Çünkü halkanın π elektron bulutunun yaklaşan elektronca zengin nükleofili itmesi söz konusudur ve π orbital sisteminin negatif yüklü intermediatta (A) iki ekstra elektronun delokalize edilebilme kabiliyeti çok düşüktür ve dolayısıyla Wheland intermediatı (B)‟na göre A çok daha düşük kararlılığa sahiptir. Bir sübstitüent içermeyen benzen halkasında bir nükleofil reaktif yardımıyla gerçekleşecek bir sübstitüsyon yukarıda açıkladığımız nedenden dolayı olası değildir. Ancak eğer benzen halkasında kuvvetli bir elektron çekici bir sübstitüent mevcut ise bu durumda bir nükleofil reaktifin saldırısı mümkün olabilir. H E H Nu (B) (A) Böylece bir nükleofil reaktif yardımıyla aromatik halkada meydana gelen sübstitüsyon reaksiyonuna „Nükleofil Aromatik Sübstitüsyon‟ adı verilir. Örneğin nitrobenzen KOH ile hava ortamında ısıtıldığı zaman başlıca o- ve az miktarda p- nitrofenole dönüşür. Elektrofil aromatik sübstitüsyonda –NO2 grubu o- ve p- mevkilerinde daha fazla elektron çekmekte ve elektrofilik saldırı başlıca m-pozisyonunda mümkün olmaktadır. Aynı nedenle nükleofilik saldırı başlıca o- ve p- pozisyonlarında gerçekleşir. O N O O N O O H OH OH N O OH +H+ (I) O N O O O N O N O H OH H OH (II) 38 H OH (III) İntermediat yapılar içinde en önemlisi (I) yapısıdır. Buradan :OH- veya :H- „ın ayrılması olanaklıdır. Böylece aromatiklik yeniden sağlanır. :H- çok zayıf ayrılan bir gruptur, :OH- ise çok daha iyi ayrılan bir gruptur ve bunun ayrılmasıyla yeniden nitrobenzene varılır. :H-„ın ayrılmasını sağlamak için ortama bir oksitleyici ilave edilir. KNO3, K3Fe(CN)6 hava oksijeni hidrür (:H-) ayrılmasını sağlayan oksitleyicilere örnek teşkil edebilir. Piridin halkası da içerdiği elektronegatif azot‟un elektron çekici etkisi nedeniyle, nükleofilik aromatik sübstitüsyona karşı 2-pozisyonunda aktifleştirilmiştir. Nükleofil reaktiflerle benzen halkasında olduğu gibi sübstitüsyon reaksiyonu verebilir. + N + NH3 NH2 N + H NH2 Piridin N NH2 + H2 NH2 2-aminopiridin Nükleofil aromatik sübstitüsyonda :H- hidrür grubundan daha iyi ayrılan grup özelliklerini gösteren grupların da aromatik halkadan ayrılması ve yerlerine nükleofil grupların başlıcaları; Cl-, Br-, -NR2 ve SO32- dir. Genel olarak :Y- bir nükleofil reaktifi göstermek üzere bir nükleofil aromatik sübstitüsyon; Ar:Y + :X Ar:X + :Y Not: Aril halojenürler alkil halojenürlerden daha az reaktiftirler. (Ar: X: aril halojenürler) Nükleofil aromatik sübstitüsyon : 1- Bimoleküler yer değiştirme 2- Eliminasyon-Katılma şeklinde olabilir. 1-Bimoleküler Yerdeğiştirme: Bir aril halojenürde halojen atomuna göre o- ve (veya) p-pozisyonlarında elektron çekici sübstitüentler bulunduğu zaman, bu gruplar halojen atomunu nükleofilik sübstitüsyona karşı aktifleştirirler. Bunun sonucu olarak, bir nükleofil reaktifin böyle bir aril halojenüre saldırısı halojen atomunun nükleofil grup ile yerdeğiştirmesine yol açar. İki basamak halinde gerçekleşen bu sübstitüsyon „Bimoleküler yerdeğiştirme‟ olarak bilinir. 39 X 1) Ar:X + :Y Ar (yavaş) Y Karbon iyonu 2) X Ar Ar-Y + :X (hızlı) Y :Y=OH-, CN-, NH3, H2O o- ve (veya) p-yerlerinde bulunabilen elektron çekici sübstitüentlerin başlıcaları ise; –NO2, -NO, -N(CH3)3+, -SO3H, -COOH, -CHO, -COR-CN‟ dir. 2-Eliminasyon-Katılma: (Benzin oluşumu) Aril halojenürler o- ve (veya) p-yerlerinde elektron çekici sübstitüentler içermedikleri zaman, yani nükleofili reaktiflere karşı bir aktifleşme söz konusu olmadığı zaman, nükleofil aromatik sübstitüsyon ancak çok kuvvetli bazlar kullanılarak gerçekleştirilebilir. Böyle bir durumda nükleofil aromatik sübstitüsyon, bimoleküler yerdeğiştirme ile değil farklı bir mekanizma ile olabilir ki bu mekanizma „Eliminasyon-katılma‟ yada „Benzin‟ mekanizması olarak tanımlanır. Bir aril halojenür, örneğin klorobenzen, sıvı amonyak içinde çok kuvvetli bir baz olan amid iyonu -:NH2 ile muamele edilirse önce bir eliminsyon ile intermediat olarak „Benzin‟ oluşur ki bunu izleyerek bir katılma sonucu anilin meydana gelir. NH2 Cl + Na NH2 H - NH3, NaCl + NH3 Benzin Anilin Benzin çok reaktif olup benzen halkasındaki elektron bulutundan ayrı olarak 2sp2 hibrit orbitalinin girişiminden oluşmuş ve bir ilave bağ içerir. Nükleofilik aromatik sübstitüsyon reaksiyonuna örnek olarak iyodobenzen sentezini görelim. Yalnız daha önce diazonyum tuzlarının oluşumunu ve reaksiyonlarını kısaca hatırlayalım. Arendiazonyum tuzu bir nükleofil reaktifin saldırısı ile kolayca sübstitüsyon reaksiyonu verebilen bileşikleridir. Bu sübstitüsyon reaksiyonlarında diazonyum tuzundan N2 ayrılır ve yerine aromatik halkaya bir nükleofil grup bağlanır. Ar-N2 + :Y Ar-Y + N2 Reaksiyon Hızı=k[ArN2] ile tanımlanır ve reaksiyon şu mekanizmayı izler: 40 Y N N N N yavaş + :Y hızlı 2 Cu2O, Cu, H2O Ar-OH CuCl Ar-Cl CuBr Ar-Br Ar-NH2 1o amin HONO 0-5o C Ar-N2 CuCN Arendiazonyum tuzu KI Ar-CN Ar-I (1) HBF4 (2) ısı H3PO2, H2O 41 Ar-F Ar-H DENEYSEL KISIM Ġyodobenzen Eldesi: 125 ml. lik bir beher içine 20 ml. su konulduktan sonra karıştırarak yavaş yavaş 3,75 ml. der. H2SO4 ilave edilir ve sonra bu çözeltiye 3,75 ml anilin katılır. Beherin içine bir termometre konulur ve dıştan buz ile soğutulurken içine ufak parçalar halinde yaklaşık 35 gr. Buz ilave edilir. Beher içindeki karışımın sıcaklığı 5 oC‟nin altına indikten sonra bir damlatma hunisi yardımıyla 2,7 gr NaNO2‟in 12 ml. sudaki çözeltisi yavaşça ve hızlıca karıştırılarak (bir baget ile) damlatılır. NaNO2 çözeltisi anilinyum sülfat çözeltisine en fazla 2-3 ml. lik kısımlar halinde ilave edilmeli ve sıcaklık 5 oC‟nin yukarısına çıkarılmamalıdır. Eğer beherdeki reaksiyon karışımının sıcaklığı 5 oC‟nin yukarısına çıkarsa damlatmaya ara verilir ve beher içine az miktarda buz parçası katılır. Diazolandırmanın sonuna doğru NaNO2 ilavesi daha yavaş yapılmalıdır. Bunun içinde nitrit çözeltisinin son 3ml. si ilave edilirken KI‟ lü nişasta kağıdı ile ortamda nitrit asidin fazlasının bulunup bulunmadığu kontrol edilmelidir. Çözeltiden alınan 1-2 damla, KI‟ lü nişasta kağıdı üzerinde derhal mavi bir renk meydana getirmese nitrit ilavesine azar azar devam edilmeli ve her ilaveden sonra 5 dakika kadar beklenmelidir. Reaksiyon karışımından alınan 1-2 damla çözeltinin KI‟ lü nişasta kağıdı üzerinde renklenme verdiği an, diazolandırmanın sona erdiğini gösterir. ( ortamda bulunan serbest HNO2 renklenmeye neden olur). Böylece elde edilen çözelti fenil diazonyum hidrojen sülfat çözeltisinden ibarettir. Elde edilen diazonyum tuzu çözeltisi 125 ml. lik bir balona aktarılır. Üzerine yavaş yavaş ve çalkalayarak 5,7 gr. KI „ün 7,5 ml. çözeltisi ilave edilir. Azot gazı çıkışı gözlenir. Karışım 2-3 saat su ile soğutulur ve sonra balonun ağzına bir yükseltme borusu takılır ve bir su banyosu üzerinde azot gazı çıkışı bitinceye kadar dikkatlice ısıtılır. Daha sonra reaksiyon karışımı soğutulur. Soğuyan karışıma %10‟luk NaOH çözeltisi, karışım bazik oluncaya kadar (pH kağıdı ile kontrol edilir) dikkatlice ilave edilir ve oluşan fenol (yan ürün) sodyum fenoksit halinde tutularak su buharı destilasyonu sırasında geçmesi önlenir. Bundan sonra reaksiyon karışımına su buharı destilasyonu uygulanır. Ele geçen destilat bir ayırma hunisine aktarılır ve alttaki iyodobenzen fazı kuru ufak bir erlene alınır. CaCl2 ilavesiyle kurutulur, bir destilasyon balonuna süzülüp destillenir. K.N: 185-190 o C olan fraksiyon toplanır. Verim: yaklaşık 5,5 gr‟dır. 42 REFERANSLAR 1. “Experimental Organic Chemistry”, Ediz Taylan, Boğaziçi University, İstanbul, 2005. 2. “Organik Kimya”, Graham Solomons, Türkçe çeviri, Editörler: Gürol Okay, Yılmaz Yıldırır,7. Basım çevirisi, 2002. 3. “Deneysel Organik Kimya”, Prof. Dr. Ayşe Yusufoğlu, Yrd. Doç. Dr. Hülya Çelik, Dr. Belma Hasdemir, İstanbul Üniversitesi Yayınları, İstanbul, 2001. 4. Karadeniz Tektnik Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümü, Organik Kimya Labaratuvarı II Deney Föyü. 5. „Denel Organik Kimya‟ Ankara Üniversitesi, Fen Fakültesi, Organik Kimya Araştırma Enstitüsü, 2. Baskı, Ankara, 1981. 43