SPOSÓB NA ROZWIĄZANIE
Ad 1.
W wyniku działania kwasem na związek A powstają dwa produkty B oraz C. Zaproponuj mechanizmy reakcji ich tworzenia. Który z nich będzie produktem głównym?
Należy zastanowić się co w przypadku tego zadania jest najważniejsze. Produktami reakcji są dwa związki. Jeden musiał powstać na drodze przegrupowania, gdyż zawiera pierścień pięcioczłonowy, a substrat reakcji miał pierścień sześcioczłonowy. Ponadto w produktach pojawia się wiązanie podwójne. Analiza wzoru sumarycznego substratu i produktów oraz obecność wiązania podwójnego sugeruje nam, że w trakcie postępu reakcji dochodzi do eliminacji cząsteczki wody.
W pierwszej kolejności dojdzie do protonowania atomu mającego wolne pary elektronowe. W związku A jest tylko jeden taki atom, który ma niewiążące elektrony – to oczywiście atom tlenu. Proton zostanie przyłączony do grupy –OH, tworząc grupę –OH2+. Wystarczy tylko zauważyć, że cząsteczka wody ulegnie oddysocjowaniu i w rezultacie powstanie drugorzędowy karbokation. To oddysocjowanie cząsteczki wody jest siłą napędową reakcji (ang. driving force).
W kolejnym etapie mamy do czynienia z przegrupowaniem karbokationu drugorzędowego do bardziej trwałego trzeciorzędowego. Warto spojrzeć na strukturę produktów: aby powstał produkt B, migracji ulega grupa –CH3 wraz z parą elektronową. Natomiast aby powstał produkt C, przesunięciu ulega wiązanie C–C, co spowoduje zmniejszenie pierścienia. W obu przypadkach powstanie trzeciorzędowy, trwały karbokation. Nie jest to więc wystarczające i ostateczne wyjaśnienie, który z produktów powstanie w przewadze. Może warto rozważyć, który z możliwych pierścieni wykazuje większe naprężenia.
W pierścieniu pięcioczłonowym występują większe naprężenia niż w pierścieniu sześcioczłonowym, a więc produkt B będzie tworzył się łatwiej i dlatego będzie powstawał w przewadze. Ostatnim etapem całego cyklu mechanizmu jest oderwanie protonu przez sprzężoną zasadę i powstanie wiązania podwójnego.
Przedstawiono tu skrótowo syntezę leku wykorzystywanego w terapii choroby Parkinsona. Zaproponuj mechanizmy reakcji prowadzące do produktu A.
Jest to wyjątkowo ciekawe zadanie przede wszystkim ze względu na finalny produkt. l-DOPA® (Lewodopa) to naturalny aminokwas o konfiguracji l, który powstaje w organizmie w wyniku hydroksylacji l-tyrozyny. Jest też prekursorem w syntezie dopaminy. l-DOPA® należy obecnie do skutecznych leków stosowanych w chorobie Parkinsona. Zaproponowana synteza to wcale nie są takie oczywiste przekształcenia chemiczne.
Pierwszy etap wydaje się raczej prosty. Wystarczy przypomnieć sobie typowe reakcje substytucji elektrofilowej związków aromatycznych. W tym przypadku mamy do czynienia z reakcją acylowania Friedla-Craftsa. Mechanizm acylowania jest standardowy, z wytworzeniem kationu acyliowego jako czynnika elektrofilowego. Pamiętaj tylko o możliwości stabilizacji rezonansowej powstałego w trakcie reakcji karbokationu – narysuj wszystkie możliwe struktury rezonansowe. Istotny jest także wpływ kierujący podstawników, które już znajdują się w cząsteczce: grupy hydroksylowej oraz grupy alkilowej modyfikowanej w dalszych pozycjach grupami aminową i karboksylową. Grupa hydroksylowa to oczywiście grupa o charakterze elektronodonorowym, dostarczająca elektrony, kierująca w wyniku efektu rezonansowego podstawniki
w pozycję orto lub para. Pozycja para jest zablokowana, więc jej nie będziemy brać pod uwagę. Pozostaje rozważyć wpływ kierujący drugiego podstawnika.
Jest to łańcuch alifatyczny z grupą aminową i grupą karboksylową. Wpływ grupy hydroksylowej na przebieg reakcji acylowania jest zdecydowanie silniejszy aniżeli efekt wynikający z obecności grupy alkilowej, dlatego podczas reakcji nowy podstawnik przyłączy się w pozycję orto w stosunku do grupy –OH. W efekcie reakcji acylowania Friedla-Craftsa otrzymujemy pochodną benzenu podstawioną dodatkowo grupą acetylową.
Drugi etap reakcji zachodzi w środowisku kwasowym, z udziałem kwasu peroksybenzoesowego. Jego obecność determinuje w tym przypadku typ reakcji. Jest to utlenianie Baeyera-Villigera, któremu ulegają ketony. Mechanizm reakcji przebiega w następujący sposób: po sprotonowaniu atomu tlenu ketonu cząsteczka kwasu peroksybenzoesowego przyłącza się do grupy karbonylowej, tworząc tetraedryczną strukturę przejściową. Następnie obserwujemy migrację jednej z reszt alkilowych ketonu do atomu tlenu i oddysocjowanie anionu karboksylanowego. Kluczową rolę odgrywa tu obecność niewiążącej pary elektronowej atomu tlenu. Przesunięcie elektronów z atomu tlenu w kie-