Zadania z IChO 2020 – chemia organiczna
Czas na drugą część zadań z Olimpiady Międzynarodowej. Dzisiaj rozprawimy się z dwoma zadaniami z chemii organicznej.
Poprzednią część z zadaniami z kinetyki można znaleźć tutaj : Zadania z IChO 2020 – kinetyka
Oryginalne zadania (po angielsku) można znaleźć pod adresem : IChO 2020 Turcja
A za tydzień będzie zadanie z chemii nieorganicznej.
Zadanie 5 – homologacja Arndta-Eisterta
Reakcja Arndta–Eisterta jest przykładem jednowęglowej homologacji (tj. konwersji kwasu \(RCOOH \) do jego homologu \(RCH_{2}COOH \) ). Kluczowym etapem tego procesu jest przegrupowanie Wolffa diazoketonu do ketenu, czego można dokonać fotochemiczne lub przy użyciu katalizatora srebra (I). Reakcja jest prowadzona w obecności nukleofili takich jak woda, alkohole czy aminy, które przechwytują pośredni keten z utworzeniem odpowiednio kwasów karboksylowych, estrów czy amidów. Zadanie to będzie się skupiać na syntezie indolizydynowych alkaloidów.
5.1 Jak przedstawiono na poniższym schemacie, syntezę indolizydyny 167B oraz koniceiny można łatwo przeprowadzić wychodząc z \(\beta, \gamma – \) nienasyconego estru B. Kluczowy etap A → B to przegrupowanie Wolffa. Związek C , który jest bicyklicznym związkiem heterocyklicznym zawierający sześcioczłonowy pierścień połączony z nasyconym pierścień pięcioczłonowym, przy czym jednym z atomów mostkowych jest atom azotu i posiada laktamowy szkielet. Narysuj wzory strukturalne związków A – D , nie zaznaczając stereochemii.
Pierwsza reakcja to wchodząca w kanon naszej Olimpiady Chemicznej reakcja HWE (Hornera-Wadswortha-Emmonsa), która ,,działa jak zwykły Wittig” i pojawiała się już na naszych finałach (np. na 60 edycja, III etap, Zadanie 5 – reagent d) ). Jest też oczywiście zawarta w mapach reakcji. W reakcji tej dominuje izomer E , tak też narysowałem produkt A.
Następnie mamy przegrupowanie Wolffa, które jest opisane w zadaniu. Startując z alfa-diazoketonu (czyli naszego związku A) otrzymujemy ester metylowy (reakcja jest prowadzona z użyciem nukleofila : metanolu). Myślę, że ta reakcja jest świetnie znana tegorocznym finalistom, którzy szykowali się do tegorocznego (niedoszłego) finału.
Związek C najłatwiej ustalić wychodząc ze struktury koniceiny, którą znamy. Analizując wzory sumaryczne, widzimy że w trakcie redukcji z użyciem \(LiAlH_{4} \) doszło do zamiany atomu tlenu na dwa atomy wodoru, zatem jest to oczywiście redukcja. Tetrahydroglinian ,,normalnie” redukowałby grupę karbonylową (estry, chlorki kwasowe, bezwodniki, ketony itd) do hydroksylowej, w związku z tym jest to amid. Konkretnie jest to laktam co zresztą i tak zostało podpowiedziane w treści zadania.
Reakcja związku Grignarda z amidem (laktamem) jest dość nietypowa, jednak dysponując wzorem sumarycznym D, nie powinno być żadnego problemu z ustaleniem produktu tej reakcji. Grupa propylowa uległa addycji do karbonylowego atomu węgla, natomiast po atomie tlenu nie ma już śladu (mechanistyczne wyjaśnienie w kolejnych podpunktach).
Zauważcie, że od razu inaczej zorientowałem wyjściową cząsteczkę, tak żeby zgadzał się szkielet węglowodorowy (oraz atomu azotu) z tym, który jest pokazany na strukturze koniceiny. Dzięki temu łatwiej zaobserwować zmiany, które nasza cząsteczka musi przejść, a co już mamy ,,gotowe” w naszej syntezie.
5.2 W reakcji homologacji Arndta-Eisterta, alfa-diazoketon może ulec fotochemiczej reakcji przegrupowania Wolffa, w której tworzy się alfa-ketokarben jako efekt odejścia cząsteczki azotu. Tak powstały produkt pośredni ulega przegrupowaniu 1,2-alkilowemu dając keten. Narysuj wzory alfa-ketokarbenu oraz ketenu, czyli produktów przejściowych w reakcji A → B
Myślę, że to nie jest bardzo trudny podpunkt. Karbeny, obok karbokationów i karboanionów to ważne produkty przejściowe. Po odejściu cząsteczki azotu zostaje nam atom węgla z wolną parą elektronową. Następnie mamy przegrupowanie do ketenu, czyli związku o ugrupowaniu R=C=O. Pytanie o keten pojawiło się w syntezie nr 30 (czyli jednej z najtrudniejszych w całym zestawie).
5.3 Addycja bromku propylomagnezu do związku C z następczym działaniem \(AcOH \slash NaBH_{4} \) jest ostatnim etapem syntezy indolizydyny 167B . Narysuj strukturę produktu przejściowego tej reakcji, o wzorze ogólnym \(C_{11}H_{20}N^{+} \)
Podejrzewam, że zamysłem twórców zadania było, wbrew pozorom, nie zagłębianie się w szczegóły samego mechanizmu, tylko na wymuszeniu kombinowania. Po pierwsze, należy porównać wzory sumaryczne, z których wynika, że nasz szukany produkt pośredni ma o jeden atom wodoru mniej oraz ładunek dodatni. To sugeruje, że ma on wiązanie podwójne pomiędzy węglem (skąd zabieramy atom wodoru) oraz azotem (na którym będzie ładunek). Dodatkowo potwierdza to fakt, że w drugim etapie mamy redukcję z użyciem \(NaBH_{4} \) , co jest przecież reagentem do redukcji imin czy enamin (w trakcie reakcji ketonu/aldehydu z aminami).
5.4 Alternatywna synteza koniceiny została przedstawiona poniżej. Podaj wzory strukturalne związków E – J.
Ponownie warto rozpocząć od poprawnego zorientowania wyjściowej cząsteczki. Pierwszy etap to redukcja estru do alkoholu oraz zabezpieczenie grupy aminowej przy pomocy bezwodnika kwasowego, będącego ,,sławną” grupą zabezpieczającą.
Następnie mamy reakcję Appela, czyli substytucję nukleofilową, w efekcie czego powstaje jodek alkilu (nie ma tutaj żadnych wątpliwości, ponieważ mamy podany wzór sumaryczny związku F, zatem reakcji tej absolutnie znać nie trzeba). Nie jest ona łatwa, ani niekoniecznie mogła Tobie przyjść do głowy jako pierwsza myśl – w końcu mamy bardzo złą grupę odchodzącą (-OH) i nukleofilowego atomu jodu tutaj na pewno nie widać od razu.
Kolejna reakcja z użyciem związku Grignarda jest reakcją sprzęgania z jodkiem alkilu. Brak atomu jodu w związku G sugeruje, że tam zaszła reakcja. Ma to również sens logiczny jako całość, ponieważ przed chwilą przygotowaliśmy słabą grupę odchodzącą do odejścia (przeprowadzając grupę hydroksylową w dobrą grupę odchodzącą w postaci atomu jodu).
Kolejny etap to odblokowanie grupy zabezpieczającej -Boc z grupy aminowej. Następnie tworzenie amidu w reakcji aminy z chlorkiem kwasowym. Reakcję metatezy poznaliśmy na 62. edycji. Zobaczmy, że ta sekwencja z chlorkiem kwasowym jest identyczna jak na tamtejszym finale : 62 edycja, III etap – Zadanie 4 : reakcje B->E->F ) . Reakcje metatezy są bardzo ważne i należy się ich spodziewać w kolejnych edycjach Olimpiady. Zatem pomimo, że ta synteza nie wymagała ich znajomości, to zalecałbym poznać podstawy tego tematu.
Zadanie 8 – stereoizomery 1,2,3-trifenylopropano-1,3-diolu
8.1 Narysuj wzór tytułowego związku i narysuj wszystkie jego stereoizomery.
Jest to świetne zadanie do potrenowania stereochemii, która jest adekwatna do poziomu II/III etapu Olimpiady Chemicznej (Tak. Myślę że nie przesadzam. Wasz poziom ciągle rośnie, progi do finału zaraz będą sięgać stu punktów, więc poziom zadań będzie adekwatnie szedł w górę) . Właście tego typu związki mają szanse na pojawienie się, warto poświęcić tyle czasu ile potrzebujesz, aby zrozumieć to zadanie.
Nie uwzględniając centrum pseudoasymetrii, sytuacja wyglądałaby podobnie jak dla kwasu winowego (czyli książkowego klasyku nauki stereochemii, a konkretnie związków mezo). Dwa centra stereogeniczne teoretycznie dają \(2^{2} = 4 \) stereoizomery, ale ze względu na płaszczyznę symetrii powiedzielibyśmy, że są trzy.
Uwzględniając jednak centrum pseudoasymetrii mamy w rzeczywistości cztery stereoizomery, oznaczmy je \(S_{1} – S_{4} \)
Centrum pseudoasymetrii ma swoje własne deskryptory. Tak jak dla ,,zwykłego” centrum stereogenicznego (chiralności) mamy R/S , to tutaj posługujemy się małymi literkami r/s . Nie trzeba umieć przypisywać tych deskryptorów
W przypadku stereoizomerów \(S_{2} \) oraz \(S_{4} \) , atom węgla C2 nie jest centrum stereogenicznym – widać to po tym, że podczas zmiany orientacji przestrzennej podstawnika fenylowego (z klinu na linię przerywaną) mamy ciągle tą samą konfigurację : (SS) oraz (RR) dla stereoizomerów odpowiednio \(S_{2} \) oraz \(S_{4} \)
W przypadku stereoizomerów \(S_{2} \) oraz \(S_{4} \) mamy do czynienia z centrum pseudoasymetrii – możliwa jest konfiguracja \(r \) lub \(s \) .
8.2 Wskaż, które z tych związków są achiralne.
Achiralne są związki mezo (z płaszczyzną symetrii), czyli w naszym przypadku są to stereoizomery \(S_{1} \) oraz \(S_{3} \)
8.3 Wskaż, które z tych związków są chiralne.
Będą to pozostałe stereoizomery czyli \(S_{2} \) oraz \(S_{4} \)
8.4 Które z poniższych metod lub właściwości mogą być użyte, aby rozróżnić wymienione przez Ciebie w podpunkcie 8.3 chiralne stereoizomery? Zaznacz wszystkie prawidłowe odpowiedzi.
- temperatura wrzenia
- spektroskopia UV
- współczynnik załamania światła
- temperatura topnienia
- skręcalność optyczna
- moment dipolowy
- spektroskopia NMR w środowisku achiralnym
- spektroskopia IR
Prawidłowe odpowiedzi to : 5) skręcalność właściwa
