Solomon.organik.kimya

içindekiler sf. 1331 Bölüm

Karbon Bileşikleri ve Kimyasal Bağlar Yaşam O rg a n ik K im y a d ır Bilimadamları uzun süreden beri dünyada yaşamın nasıl başladığı sorusuyla ve evrende bir yerlerde yaşam olup olmadığıyla ilgilenmişlerdir. Bazı belirtilere göre, yaşamın ortaya çıkması için gerekli organik bileşiklerin çoğu, dünya tarihinin ilk dönemlerinde dünya atmosferinde düşen yıldırımlar tarafından oluşturulmuştur. Diğer belirtilere göreyse, yaşam okyanusların derinliklerinde, sıcak suların çıktığı kaynakların, hammaddelerden karbon içeren bileşiklerin oluşması için gerekli tepkime enerjisini sağlamasıyla oluş muştur. Hâlâ bazı belirtiler, yaşam için gerekli organik bileşiklerin oluştuğu tepkimele rin kil tabakaları üzerinde gerçekleştiğini göstermektedir. Son zamanlarda, yıldızlar arası uzaydan ve Mars'tan gelen meteoritlerde organik mole küller bulunmasının yol açtığı dünya çapındaki heyecan, dünyamızın mavi ve yeşil ya şam ortamından ötede yaşam olabileceği fikrini gündeme getirmiştir. Acaba, evrende diğer yerlerde organik moleküller dünyadakiyle aynı ölçekte oluşmuş mudur? Yoksa, yaşamın yapı blokları olan basit organik moleküller uzayın derinliklerinden dünyaya me-

I

teorlar tarafından mı getirilmiştir? Bazı meteoritlerde bulunan organik molekül türleri, proteinleri oluşturan aminoasitleri ve kesecikler denen moleküler bölmeleri oluşturan li pit moleküllerini içerir. Bazı meteoritlerde ortalama olarak ağırlıklarının %7’si kadar organik madde bulunmuştur. Bazı tahminlere göre, dünyada mevcut toplam biyokütleden ( 10IHg) daha fazla organik madde (10;"g), karbon içeren meteoritler tarafından 300 milyon yıl önce dünyaya ulaştırılmıştır. Bu meteoritler yaşamın başlaması için bolca ham organik madde sağlamışlardır. Bütün bu teorilerin ortak noktasını, hem dünyada yaşamın varlığı hem de evrende yaşam olasılığı açısından, yaşamın kalbinin organik moleküller olduğu düşüncesi oluşturmaktadır.

1.1 Giriş 1.2 Organik Kimyanın Bir Bilim Olarak Gelişmesi 1.3 Organik Kimyanın Yapı Teorisi 1.4 Kimyasal Bağlar: Oktet Kuralı 1.5 Lewis Yapılarının Yazılması 1.6 Oktet Kuralının istisnaları 1.7 Formal Yük 1.8 Rezonans 1.9 Kuantum Mekaniği 1.10 Atomik Orbitaller 1.11 Moleküler Orbitaller 1.12 Metan ve Etanın Yapısı: sp' Melezleşmesi 1.13 Ftenin (Etilen) Yapısı: sp1 Melezleşmesi 1.14 Etinin (Asetilen) Yapısı: sp Melezleşmesi 1.15 Kuantum Mekaniğinden Elde Edilen Önemli Kavramların Bir Özeti 1.16 Moleküler Geometri: Değerlik Kabuğu Elektron Çifti İtmesi (VSEPR) Modeli 1.17 Yapı Formüllerinin Gösterilmesi

2

l.l

GiRiş

Organik kimya karbon bileşikleri kimyasıdır. Karbon bileşikleri ge zegenimizde yaşamın temelidir. Karbon bileşikleri bütün genetik bil gilerimizi içeren deoksiribonükleik asitler (DNA'lar) gibi büyük sarmal moleküller halinde olabilir. Bedenimizdeki bütün tepkimele ri katalizleyen ve kanımızın, kaslarımızın, derimizin esas bileşenle ri olan proteinler de organik moleküllerdir. Soluduğumuz havayla birlikte karbon bileşikleri yaşamı destekleyen enerjiyi sağlar. Dünyada yaşamın başlangıcıyla ilgili bir teoriye göre, dünya ta rihinin başlangıcında karbon atomlarının çoğu metan gazı. CHj. ha linde bulunmaktaydı. Bu basit organik molekül karbon dioksit. su. Metan amonyak ve hidrojenle birlikte dünyanın ilk atmosferinin başlıca bi leşeniydi. Elektrik boşalmaları (yıldırım gibi) ve yüksek enerjili ışın ların atmosferden geçmesi denemeleri bu basit bileşiklerin etkinliği fazla olan parçalara bölündüğünü göstermiştir. Bu parçacıklar daha sonra amino asitler, formaldehit, hidrojen siyanür, purinler ve pirimidinler denen karmaşık molekülleri oluşturmak için bir araya ge lirler. İlk zamanlardaki atmosferde oluşan bu ve diğer bileşiklerin yağmurlarla denize taşındığı ve denizin yaşamın oluşması için ge rekli bütün bileşikleri içeren büyük bir depo haline geldiği düşünül mektedir. Amino asitler birbirleriyle etkileşerek proteinlere dönüşebilirler. Formaldehit molekülleri ise şekerleri oluşturabilir. Ba zı şekerler, inorganik fosfatlarla birlikte purinler ve pirimidinlerle tepkimeye girerek ribonükleik asitlerin (RNA'lar) ve DNA'ların ba Bir RNA molekülü sit moleküllerine dönüşmüş olabilirler. RNA molekülleri, genetik bil gileri taşıyabildikleri ve bazıları tepkimeleri katalizledikleri için, kendi kendine çoğalan sistemlerin oluşumunda temel rol oynamış olabilir. Bu ilk sis temlerden. henüz tam anlaşılamamakla birlikte uzun doğal seçim süreci sonucunda gü nümüzde dünyada yaşayan canlıların hepsi oluşmuş olabilir. Biz sadece, başlıca organik bileşiklerden oluşmuş, onlardan türemiş ve onlarla bes lenen insanlar olmakla kalmıyoruz, aynı zamanda Organik Kimya Çağında yaşıyoruz. Giydiğimiz elbiseler, ister yün ve pamuk gibi doğal bileşikler olsun ister naylon ya da polyester olsun, karbon bileşiklerinden yapılmıştır. İçinde oturduğumuz evlerin yapı mında kullanılan malzemelerin çoğu organiktir. Otomobilleri hareket ettiren benzin, te kerleklerini oluşturan lastik ve içlerini döşeyen plastiklerin hepsi organiktir. Hastalıkların tedavisinde ve etkilerinin giderilmesinde kullanılan ilaçların da çoğu organiktir.

1.2 Organik Kimyanın Bir Bilim Olarak Gelişmesi

Organik bileşikler aynı zamanda birçok önemli sorunumuzun kaynağıdır. Çoğu or ganik bileşiklerin çevremize, başlangıçta amaçlananlardan farklı etkileri vardır. Bu du rumların birkaçında daha fazla çevre dostu yöntemler geliştirilmiştir. Örneğin, yaygın olarak kullanılan böcek öldürücüler yerine, feromonlar denen doğal böcek çekiciler bö cekleri tuzağa düşürmekte kullanılır. Dünyanın dış atmosferindeki ozon tabakasını bozan sprey itici gazları ve organik soğutucular yerine daha az zararlı bileşiklerin kullanımı konusundaki uluslar arası görüşmeler umut vermektedir. Benzinle çalışan otomobiller de daha yüksek verimli motorlar kullanılması, daha az benzin kullanımını ve havayı kir leten, sera etkisi yapan atıkların daha az olmasını sağlayacaktır. Bu organik kimya çağında, çalışma felsefemiz olabildiğince "daha az kullan, tekrar kullan ve yeniden kullan' olmalıdır. Organik bileşikler bu çabalarda önemli bir rol oy nar. Alkolsüz içeceklerle süt için kullanılan plastik şişeler, kumaş ve halı yapımında ye niden kullanılabilir. Kâğıt atıklarının yeniden kullanılması, kağıt hamuru için daha az ağaç kesilmesini sağlar. Motor yağları, boyalar ve çözücüler çevre koruma kuruluşları tarafından toplanıp yeniden kullanılır. Kimya laboratuvarında deneyler daha küçük öl çeklerde gerçekleştirilerek daha az madde kullanılır ve daha az atık oluşur. Bu çabala rı değerlendiren ve teşvik eden ABD Çevre Koruma Ajansı en etkili buluşları yapanları Başkanlık Yeşil Kimya Ödülüyle ödüllendirmektedir. Her tarafta, kimyacılar dünyanın yararına olacak çevre dostu yöntemler geliştirmektedir. Organik kimyanın yaşamımızın her yönüyle ilgili olduğu açık bir gerçektir. Bunun farkına organik kimyayı en iyi şekilde anladıkça varacağız.

1.2

O R G A N İ K K İ M Y A N I N BİR BİLİM O l a r a k G e l İş m e s I

İnsanlar organik bileşikleri ve tepkimelerini binlerce yıldan beri kullanmaktadır. Bile rek yapılan ilk organik tepkime belki de ateşin keşfidir. Eski Mısırlılar organik bileşik leri (indigo ve alizarin) kumaş boyamasında kullanmışlardır. Fenikeliler tarafından kullanılan ünlü "kraliyet pembesi" de bir tür istiridyeden elde edilen bir organik mad dedir. Etil alkol elde etmek için üzümlerin mayalandırılması ve ekşimiş şarabın asidik özelliği, İncil’de söz edilmekle birlikle, muhtemelen daha önceden de bilinmekteydi. Bir bilim olarak organik kimyanın yaşı 200 yıldan daha azdır. Çoğu bilim tarihçisi bunun başlangıcı olarak, hatalı bir inancın yıkıldığı ondokuzuncu yüzyıl başını kabul etmektedir.

I.2A

V it a liz m

Bilim adamları 1780'Ii yıllarda organik bileşiklerle inorganik bileşiklerin farklılığını görmeye başlamışlardır. Organik bileşikler canlı organizmalardan elde edilebilen bile şikler olarak tanımlanmıştır. İnorganik bileşikler ise canlı olmayan kaynaklardan elde edilen bileşiklerdi. Bu farklılıkla birlikte "vitalizm" denen bir inanç gelişti. Bu düşün ceye göre, bir organik bileşiğin sentezi için bir "yaşam gücü"nün işe karışması gerek liydi. Kimyacılar o dönemlerde böyle bir sentezin sadece canlı organizmalarda gerçekleştirilebileceğine inanıyorlardı. Bir kimya laboratuvarında cam balonlar içinde gerçekleştirilemeyeceği düşünülüyordu. 1828 ile 1850 yılları arasında sadece "inorganik" başlangıç maddelerinden çıkılarak bazı saf "organik" bileşikler sentezlendi. Bu sentezlerden ilki Friedrich Wöhler tarafın dan 1828‘de gerçekleştirilmiştir. VVöhler. bir organik bileşik olan ürenin (idrardaki bi leşiklerden biridir) inorganik bir bileşik olan amonyum siyanatm sulu çözeltisinin buharlaştırılmasıyla elde edilebileceğini buldu.

3

4

Bölüm I / Karbon Bileşikleri ve Kimyasal Bağlar

O N H /C N O ' Amonyum siyana!

OH n °^C

_CH— CH,OH CH

\

/

/C

C\

HO

OH

C Vitamini

,s, -----

II

H.N — C — NH, Üre

Bilim çevrelerinde "vitalizm" VVöhler'in sentezinden sonra yavaş yavaş yok olduğu hal de. bu yok oluş 1850’den sonra organik kimya biliminin gösterdiği gelişmeyle tamam lanmıştır. Bilimde vitalizmin sona ermesine rağmen, günümüzde "organik" kelimesi "organik vitaminler" ve "organik gübreler" terimlerinde olduğu gibi " yaşayan organizmalardan elde edilen" anlamında kullanılmaktadır. Yaygın olarak kullanılan "organik besin" teri mi. yapay gübre ve böcek ilaçları kullanılmadan yetiştirilen besinler anlamına gelmek tedir. Kimyacılar tarafından sentezlenmeyip doğal kaynaklardan elde edilen vitaminlere de "organik vitamin" denmektedir. Böcek ilaçları bulaşmış besinlerin kullanımına kar şı fikirlerin doğruluğu yanında, organik tarımın çevre açısından yararları da vardır. "Do ğal” vitaminler yapay vitaminlerde bulunmayan yararlı maddeler içerebilirler. Yine de. örneğin saf “doğal” C vitaminin saf "sentetik" C vitamininden daha sağlıklı olduğunu iddia etmek mümkün değildir, çünkü bu iki madde her yönüyle birbirinin aynıdır. Ya şayan organizmalardan elde edilen bileşikleri inceleyen bilime günümüzde doğal ürün ler kimyası denmektedir.

I.2 B

A m p i r i k ve Moleküler F o r m ü l l e r

Onsekizinci ve ondokuzuncu yüzyıllarda organik maddelerin analizi için nitel ve nicel yöntemlerde önemli ilerlemeler sağlanmıştır. Antoinc Lavoisier I784’te organik bile şiklerin başlıca karbon, hidrojen ve oksijenden oluştuğunu ilk defa göstermiştir. Orga nik bileşiklerin bileşimlerinin belirlenmesi için kullanılan nicel yöntemler 1811 ile 1831 arasında Justus Liebig. J. J. Berzelius ve J. B. A. Dumas tarafından geliştirilmiştir. Stanislao Cannizzaro'nun 1860’ta, Amedeo Avogadro’nun daha önceden (1811) or taya attığı am pirik ve molekül form üller hipotezinin doğru olduğunu göstermesiyle büyük bir karmaşa sona ermiştir. Bunun sonucunda, daha önceden aynı formülle göste rilen birçok molekülün farklı sayılarda atom içerdiği görülmüştür. Örneğin, eten, siklopentan ve sikloheksan aynı ampirik formüle sahiptir: CH’. Oysa bunların molekül formülleri sırasıyla C;Hj. CsHıo ve C«,Hi’'dir. Bu kitabın Çalışma Kılavuzunun (A) eki. ampirik ve moleküler formüllerin nasıl belirlendiğiyle ilgili açıklama içermektedir.

1.3

O R G A N İK K İM YAN IN YA P I TEO R İSİ

August Kckule. Archibald Scott ve Alexander M. Butlerov 1858 ile 1861 yılları arasın da birbirlerinden bağımsız çalışarak kimyanın en temel teorilerinden birinin, yapı te orisinin temellerini attılar. Bu teorinin başlıca iki ana maddesi vardır: I.

Organik bileşiklerdeki elementlerin atomları belirli sayıda bağlar oluşturabilir. Bu bağ oluşturabilme ölçüsüne değerlik denir. Dört değerlikli karbon atomu dört bağ oluşturur. Oksijen iki değerliklidir; hidrojen ve halojenler (genellikle) bir değerlik lidir.

1.3 Organik Kimyanın Yapı Teorisi

2.

H—

—C—

— O—

karhnn atomları dort değerliklidir

Oksijen atomları iki değerliklidir

C l-

Hidrojen ve halojen atomları bir değerliklidir

Bir karbon atomu değerliklerinden birini ya da daha fazlasını diğer karbon atomla rıyla bağ oluşturmakta kullanabilir. karbon-karbon bağlan C—C— I I Kirli bağ

\

c=c

/

/ \

İkili bağ

5

—C = c-

I aT Kir atomun oluşturacağı bağ sayısını bilmek organik kimya öğrenmenin temel aracını oluşturur.

Üçlü bağ

Couper orjinal yayınında bu bağlan, bu kitapla çizilen formüllerde olduğu gibi gös termiştir. Kekule hazırladığı ders kitabında (1861 'de basılmıştır) Organik Kimyaya mo dem tanımım vermiştir: karbon bileşiklerinin incelenmesi bilimi.

I.3A

İz o m e r l e r : Yapı Fo rm ü l le ri n i n Ö n e m i

Yapı teorisi ilk organik kimyacıların çözemedikleri sorunu çözmeye başlamalarını sağ lamıştır. Bu sorun izomeri sorunuydu. Bu kimyacılar sık sık aynı molekül formülüne sahip farklı bileşik örnekleriyle karşılaştılar. Böyle bileşiklere i/omerleı denir. Bir örneği göz önüne alalım. Molekül formülü C:HhO biçiminde olan iki bileşik, fark lı özelliklere sahip olduklarından (bkz. Çizelge 1.1) birbirlerinden belirgin biçimde fark lı olan bileşiklerdir. Bu bileşikler bu nedenle bir diğerinin izomeri olarak sınıflandırılır ve izomerik bileşikler olarak adlandırılır. Bu iki izomerin farklı kaynama noktaları ol ması nedeniyle, bu izomerlerden biri olan dimetil eter oda sıcaklığında gaz olduğu halde diğer izomer, etil alkol, oda sıcaklığında sıvıdır. İki izomerin erime noktaları da farklıdır. H H I I H— C— C— O— H I I H H Etil alkol

H H I I H— C— O— C — H I I H H Dimetil eter

Bu iki bileşiğin molekül formülleri (CjHı.O) aynı olduğu için, bu formül ikisi ara sındaki farkı anlamamızı sağlamaktan uzaktır. Yapı teorisi ise bu eksikliği gidermekte dir. Bunu iki bileşik için bize farklı yapılar (Şekil 1.1) ve farklı >ı nıııı vererek sağlamaktadır. Bu iki bileşiğin yapı formüllerine bakmak farklılıklarını görmemiz için yeterlidir. İki bileşiğin atomlarının bağlanma sırası farklıdır: Etil alkolün atomları dimetil eterin

Çizelge l.l Etil Alkol ve Dimetil Eterin Özellikleri

Kaynama noktası (°C) Erime noktası (°C)

Etil Alkol c 2 h 6o 78.5 -117,3

Dimetil Eter c 2h „ o -24.9 -138

Organik kimyayı öğrenme niz açısından en önemli te rimler ve kavramlar kalın karakterlerle yazıl mıştır. Onları ilk verildik lerinde öğrenmelisiniz. Hu terimler sözlük kısmında da tanımlanmıştır.

6


O • • '•

Bu işaret bu kitapta verilen CD ROM’da bulunan moleküler yapıları ya da diğer özellikleri belirtmektedir.

Şekil l.l Etil alkol ve dimetil eterin farklı yapılarını gösteren top ve çubuk modelleri.

i

i ■t

l

i

jf

m

~

A ▼ w

w

i

l Etil Alkol

A^l Yapı ¡/.«inerleri

atomlarından farklı olarak bağlanmıştır. Etil alkolde C— C— O bağlantısı; dimetil eter de ise C— O— C bağlantısı vardır. Etil alkolde oksijene bağlı bir hidrojen bulunurken, dimetil eterin bütün hidrojenleri karbonlara bağlıdır. Etil alkolde oksijene kovalent bağ la bağlı olan bu hidrojen atomu etil alkolün oda sıcaklığında sıvı olmasını sağlar. Altbölüm 2.14C’de göreceğimiz gibi, etil alkolün bu hidrojen atomları moleküller ara sı hidrojen bağları oluşturarak etil alkolün kaynama noktasının dimetil eterden daha yük sek olmasına neden olur. Etil alkol ve dimetil eter yapı izomerleri* denen izomerlere örnektir. Yapı izomer leri, aynı molekül form ülüne sahip ancak atomlarının birbirine bağlanma sıralanma ları değişik olan farklı bileşiklerdir. Yapı izomerleri genellikle farklı fiziksel özelliklere (örneğin erime noktası, kaynama noktası ve yoğunluk) ve farklı kimyasal özelliklere sa hiptir. Ancak, bu farklılıkları her zaman etil alkolle dimetil eter arasındaki kadar büyük olmayabilir.

I.3B

Metanın D ü z g ü n D ö r t y ü z l ü Yapısı

Kekule, Couper ve Butlerov tarafından öne sürülen yapısal formüller, birbirinden ba ğımsız olarak çalışan J. H. van't Hoff ve J. A. Le Bel tarafından 1874’te üç boyutlu ha le getirilmiştir. Le Bel ve van’t Hoff, örneğin metandaki karbon atomunun dön bağının düzgün bir dörtyüzlünün köşelerine yönelecek şekilde olacağını ve karbon atomunun merkezde bulunacağım öne sürmüşlerdir (Şekil 1.2). Atomların uzayda nasıl düzenlen diğini bilme gereği, onların birbirlerine bağlanma sıralanması bilgisiyle birlikte organik kimyayı anlamanın temelini oluşturur. Bölüm 4 ve 5'te bu konuda daha fazla bilgi ve rilecektir. Metan Modelleri Şekil 1.2 Metanın düzgün dörtyüzlü yapısı. Metandaki bağ layıcı elektronlar telden ağın için deki boşluğu işgal ederler.

(a)

(b)

•Yapı izomerlerinin (İng. constitutional isomers) eski adı (İng.) “structural" izomerlerdi. Uluslararası Teorik ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) bu terimin, artık terkedilmiş tipteki izomerlere uygulandığında kulla nılmasını önermektedir.

1.4 Kimyasal Bağlar: Oktet Kuralı

1.4

7

K İM YA S A L B A Ğ LA R : O K T E T KURALI

Kimyasal bağların yapısının ilk açıklanması G. N. Lewis (Kaliforniya Üniversitesi. Ber keley) ve W. Kössel (Münih Üniversitesi) tarafından 1916’da öne sürülmüştür. Kimya sal bağların başlıca iki türde olduğu öngörülmüştür. 1. 2.

İyonik (ya da elektrovalent) bağ, bir ya da daha fazla elektronun iyonlar oluştur mak için bir atomdan diğerine verilmesiyle oluşur. Kovalent bağ, atomların elektronları paylaşmasıyla oluşur.

Bu iki bilim adamının çalışmalarının temel düşüncesi, soygazların elektron dizilimi ne sahip olmayan atomların buna ulaşmak için tepkime verdikleridir. Lewis ve Kössel’in ilk önerilerinden çıkan kavramlar ve açıklamalar günümüzde or ganik kimyayla ilgili çoğu problemin açıklanması için yeterlidir. Bu nedenle biz bu iki tür bağı güncel terimlerle yeniden gözden geçireceğiz.

I.4A

İyonik Bağlar

Atomlar elektron kazanarak ya da kaybederek iyon adı verilen yüklü parçacıkları oluş tururlar. Bir iyonik bağ zıt yüklü iyonlar arasındaki çekim kuvvetidir. Böyle iyonların bir kaynağı, oldukça farklı elektronegatifliklere sahip (Çizelge 1.2) atomlar arasındaki tepkimedir. Elektronegatiflik, bir atomun elektronları çekebilme becerisinin ölçüsü dür. Dikkat ederseniz, Çizelge 1.2’de periyodik çizelgenin yatay sıralarında soldan sa ğa doğru gidildikçe elektronegatiflik artmaktadır: Li

Be

B

C

N

O

F

Artan Elektronegatiflik

Dikey kolonlarda ise elektronegatiflik yukarı doğru gidildikçe artmaktadır:

Artan elektronegatiflik

Çizelge 1-2

Bazı Elementlerin Elektronegatifinden H 2,1

Li 1,0 Na 0,9 K

0,8

Be 1,5 Mg 1,2

B 2,8 Al 1.5

C 2,5 Si 1,8

N 3,0 P 2,1

O 3,5 S 2,5

F 4,0 cı 3,0 Br

2,8

Organik moleküllerin özelliklerini ve etkinliğini anlamak amacıyla elektronegatifliği sık sık kulla nacağız.

8

Bölüm 1 / Karbon Bileşikleri ve Kimyasal Bağlar

İyonik bağın oluşumuna bir örnek, lityum ve flor atomlarının tepkimesidir. / .• • /■ +

•

İyonik ve kovalent bağlanma Lityum, elektronegatifliği çok düşük olan tipik bir metaldir: flor ise bütün elementler den daha fazla elektronegatifliğe sahip bir ametaldir. Lityum atomunun bir elektron (ne gatif yüklü parçacık) kaybetmesiyle lityum katyonu (Li *); flor atomunun bir elektron kazanmasıyla florür anyonu (F ) oluşur. Bu iyonlar niçin oluşur? Lewis-Kössel teori sine göre her iki atom da iyonlara dönüşerek soygaz elektron dizilişine ulaşırlar. İki elekt ronu olan lityum katyonu bir soygaz olan helyum atomuna benzer. Değerlik kabuğunda sekiz elektron olan flor anyonu da soygaz olan neonla benzerdir. Bu lityum ve flor iyon larından kristal yapıda lityum florür oluşur. Bu oluşumda negatif yüklü flor iyonları po zitif yüklü lityum iyonları tarafından, pozitif yüklü lityum iyonları da negatif yüklü florür iyonları tarafından çevrelenir. Bu kristal yapı içindeki iyonların enerjileri, bu iyonları oluşturan atomlarınkine kıyasla oldukça düşüktür. Bu nedenle lityum ve flor kristal ha linde lityum florür oluşturduklarında daha "kararlı” hale gelirler. Bu iyonik bileşik için en basit formül olduğundan, lityum florürün formülünü LİF ile gösteririz. Güçlü iç elektrostatik kuvvetleri nedeniyle, iyonik bileşikler, çoğunun erime nokta sı 1000°C'un üzerinde olan, yüksek sıcaklıkla eriyen katilardır. Su gibi polar çözücüler de iyonlar çözünürler (bkz. Altbölüm 2.14E) ve bu çözeltiler genellikle elektriği iletirler. Elektronegatiflikleri oldukça farklı olan atomlar elektron aktarımı yaptıklarında iyo nik bileşikler oluşur.

I.4B

Kovalent Bağlar

Elektronegatiflikleri aynı ya da yakın olan iki ya da daha fazla atom tepkime verirse tam bir elektron aktarımı olmaz. Bu durumlarda atomlar soygaz yapısına elektronları paylaşarak ulaşırlar. Atomlar arasında kovalent bağlar oluşur ve oluşan ürünlere mole küller denir. Moleküller elektron-nokta formülleriyle ya da daha kolay olarak, her biri atomlar tarafından paylaşılan elektron çiftini belirten çizgili formüllerle gösterilir. Ba zı örnekler aşağıda gösterilmiştir. H• + H — ►H : H Clj

ch4

yada

ÎÇ 1 -+ -Ç P — ►:Ç1: Ç1: H -C- + 4 H- ----►H :Ç : H H

H— H

yada

yada

: ÇI— Ç,: H 1 H— C— 1 H

Bu formüllere I.euis \ apıl.ırı denir. Onları yazarken biz sadece değerlik kabuğu elek tronlarını göstereceğiz. Bazı durumlarda çoklu kovalent bağlar da oluşur. Örneğin. N,

:N ::N :

yada :N = N:

1.5 Lewis Yapılarının Yazılması

9

ve iyonların kendileri kovalent bağlar içerebilir. H H* I H : N*: H yada H — N — H H I H

NH,

1. 5

LEW İS Y A P ILA R IN IN YA ZILM A SI

Lewis yapılarını (elektron-nokta formüllerini) yazarken, molekül ya da iyonu oluşturan atomları sadece değerlik elektronlarını (en dış kabuk elektronlarını) göstererek bir ara ya getiririz. Elektron paylaşan ya da aktaran her bir atoma, periyodik çizelgede aynı ya tay sıradaki soygazın elektron dizilişini veririz. Örneğin hidrojen atomuna iki elektron veririz, böylelikle ona helyum yapısını vermiş oluruz. Karbon, azot, oksijen ve flor atom larına neonun elektron dizilişi nedeniyle sekizer elektron yazarız. Bir atomun değer lik elektronlarının sayısı atom un periyodik çizelgedeki grup num arasına eşittir. (Bu kitabın iç kapağında bir periyodik çizelge verilmiştir.) Örneğin karbon 4A grubundadır ve dört değerlik elektronu vardır; 7A grubundaki Horun yedi; İA grubundaki hidroje nin bir değerlik elektronu vardır. Eğer yapı bir iyonsa elektron katarak ya da çıka rarak doğru yükü veririz.

► Ö r n e k P r o b l e m ---------------------------------------------------------------------------------------CH,F için Lewis yapısını yazınız. Cevap 1.

Bütün atomların değerlik elektron sayılarını buluruz; 4 + 3(1) + 7 = 14

t

t

t

C

3H

F

2. Birbirine bağlı olan bütün atomlar arasındaki elektron çiftlerini kullanarak bağ lar oluştururuz. Bu bağlayıcı çiftleri çizgiler halinde gösteririz. Örneğimizde bunun için dört çift elektron gereklidir (14 değerlik elektronundan 8 ’i). H

H 3. Sonra, kalan elektron çiftlerini her bir hidrojende 2 elektron (bir düet) ve diğer her bir atomda 8 elektron (bir oktet) olacak şekilde dağıtırız. Örneğimizde, geri kalan 6 değerlik elektronunu bağlayıcı olmayan üç çift halinde Hor atomuna veririz. H I .. H— C — F: H

A~

l

Doğru Lewis yapılarını yazabilme becerisi organik kimyayı öğrenmek için en önemli araçlardan biridir.


Ö rn e k P r o b le m -----------------------------------------------------------------Klorat iyonu (CIO, ) için Lewis yapısını yazınız. (Uyarı: Klor atomu üç oksijen ato muna da bağlıdır). Cevap 1. Bütün atomların toplam değerlik elektronu sayısını, iyona bir negatif yük vere cek fazladan elektronu ekleyerek buluruz: 7 + 3(6) + I = 26

t

t

t

Cl

30

e~

2. Klor atomuyla üç oksijen atomu arasında bağ oluşturmak için üç çift elektron kullanırız: 0 1 o — Cl— o 3. Sonra kalan 20 elektronu her bir atoma bir oktet sağlayacak şekilde çiftler ha linde dağıtırız.

r. t .t j o —Çl—0:J

Gerekli olduğu durum larda sovgaz atom larının elektron dizilişini sağlamak için çoklu bağları kullanırız. Karbonat iyonu (CO,2 ) buna örnektir.

Organik moleküller olan eten (C 2 H4 ) ve etin (C2H;) sırasıyla ikili ve üçlü bağlara sa hiptirler. H \ H

1.6

O

k t e t

K

C=C

/

H ve

H— C = C — H

H

u r a l in in

İs

tîs n a la r i

Atomlar elektronları, sadece soygaz elektron dizilişine ulaşmak için değil, paylaşılan elektronlar pozitif yüklü çekirdekler arasında artan elektron yoğunluğu sağladığı için de paylaşırlar. Bunun sonucunda oluşan elektronların çekirdekler tarafından çekilme kuv vetleri. atomları bir arada tutan "yapıştırıcı'dır (Altbölüm 1.10). Periyodik çizelgenin ikinci periyodundaki elementlerin en fazla dört bağı (etraflarında sekiz elektronları) ola bilir. Çünkü bu elementlerin bağ yapabilecek sadece bir 2s ve üç 2p orbitalleri vardır. Her bir orbital iki elektron içerebildiğinden bu orbitalleri toplam sekiz elektron doldu rur (Altbölüm 1.10). Bu nedenle oktet kuralı sadece bu elementlere uygulanabilir. Bu nunla birlikte, berilyum ve bor bileşiklerinde göreceğimiz gibi, sekiz elektrondan daha

1.6 Oktel Kuralının İstisnaları

azı da olasıdır. Üçüncü periyot ve sonraki elementlerinin bağ oluşturacak d orbitalleri vardır. Bu elementler değerlik kabuklarında sekizden fazla elektron bulundurabilirler ve bu nedenle de dörtten fazla bağ oluşabilir. Böyle bileşiklere örnek olarak PCI, ve SF,,’yı verebiliriz. :P : F : E\ l / S / |\ s :F !

;CI; fil / ç |—p :C1: ••

Ö r n e k P r o b l e m ----------------------------------------------------------------------------------------Sülfat iyonu (S 04: ) için Lewis yapısını yazınız. (Uyarı: Kükürt atomu dört oksijen atomuna bağlıdır.) Cevap 1. İyona iki negatif yük verecek şekilde fazladan iki elektron ekleyerek toplam de ğerlik elektronu sayısını buluruz: 6 + 4(6) + 2 = 32

t

I

t

S

40

2e~

2. Kükürt atomu ve dört oksijen atomu arasında bağ oluşturmak için elektron çift lerini kullanırız: 0 1 o —s—o I

o

3. Kalan 24 elektronu, oksijen atomları üzerinde ortaklaşılmamış çiftler ve kükürt atomuyla oksijen atomları arasında ikili bağlar olarak ekleriz. Bu durumda her ok sijenin 8 ve kükürt atomunun 12 elektronu olur. Ö%

İ2 -

Etkinliği oldukça yüksek bazı moleküller ya da iyonlar, dış kabuklarında sekiz den az elektronu olan atom lar bulundurabilir. Bor triflorür (BF,) buna bir örnektir. BF, molekülünde merkezdeki bor atomunun etrafında sadece altı elektron vardır. : F:

Sonuç olarak, bir noktaya dikkat edilmelidir: Lewis yapılarını yazabilmemiz için atomların birbirleriyle nasıl bağlandıklarını bilmemiz gerekir. Örneğin, nitrik asili gözönüne alalım. Nitrik asilin formülü genellikle HNO,olarak yazıldığı halde, hidrojen

11

12


azota değil, oksijene bağlanmıştır. Gerçek yapı HNO, değil HONO/dir. Bu nedenle doğ ru Lewis yapısı.

✓ °8

H — O— N.

•• V

•• .. şeklindedir, H — N — O — <):

••

değildir.

Bu bilgi deneyler sonucunda elde edilen bilgidir. Eğer çok karşılaşılan bazı inorga nik molekül ve iyonların (Problem l.l'd e sıralananlar gibi) yapılarını unuttuysanız, ge nel kimya ders kitabınızın bunlarla ilgili kısımlarını gözden geçirmenizde yarar vardır.

P ro bl em l . l

>

Aşağıdaki her bir bileşiğin Lewis yapısını yazınız: (a) HF (c) CH,F (e) H:SO, (g) H ,P04 (b) F, (d) HNO, (f) BH4 (h) H2CO,

1.7

Formal yüklerin doğru belirlenmesi organik kimya öğrenmek için bir diğer temel araçtır.

Fo

r m a l

Y

(i) HCN

ük

Lewis yapılarını yazarken, molekül ya da iyondaki bazı atomlara formal yükler denen birim pozitif ya da negatif yükler verilmesi sık karşılaşılan bir durumdur. Formal y ü k lerin toplamı molekül ya da iyonun toplam yüküne eşit olduğu için bu işlem elektrik yüklerinin muhasebesinden farklı bir şey değildir. Nötr serbest bir atom un değerlik elektronları sayısından o atom un bağlı hal deki değerlik elektronları sayısını çıkararak her bir atomun üzerindeki formal yükü hesaplarız. (Nötr serbest bir atomun değerlik elektronları sayısının o atomun periyodik çizelgedeki grup num arasına eşit olduğunu hatırlayınız.) Bağlı haldeki atomların değerlik elektronlarını paylaştırma yoluyla belirleriz. Kovalent bağlardaki elektronları bunları paylaşan atom lara böleriz ve ortaklaşıl mamış çiftleri onları taşıyan atom lara veririz. İlk olarak, ortaklaşılmamış çiftleri bulunmayan bir iyon olan amonyum iyonuna bakalım. Atomlar arasındaki bağlardaki elektronların hepsini bunları paylaşan atomlara böleriz. Her hidrojene bir elektron (e ) düşer ve bunu />//den (nötr hidrojen atomunun değerlik elektronları sayısından) çıkarırsak her hidrojen atomuna formal yük olarak 0 vermiş oluruz. Azot atomuna dört elektron düşer (her bağdan bir tane). Bunu beş ten (nötr azot atomunun değerlik elektronları sayısından) çıkarırsak azota +1 formal yükünü vermiş oluruz. Amonyum iyonundaki azot atomunun nötr azot atomuna (proton ve elekt ron sayıları eşit olan) kıyasla bir elektronu eksik olduğundan, biz gerçekten formal yükün ■f 1* olduğunu söyleyebiliriz.

H + H :N :H H

Hidrojen için: serbest atomun değerlik elektronları payına düşen elektronun çıkarılması Formal yük

=

Azot için: serbest atomun değerlik elektronları payına düşen elektronun çıkarılması Formal yük

=

I

_z\_ 0 5 +1

İyonun yükü = 4(0) + 1 = +1

* Formal yükün hesabı için başka bir yöntem olarak aşağıdaki eşitliği kullanabiliriz: F =Z - S 1 2 - U Bu eşitlikte F formal yük. Z grup numarası. S paylaşılan elektronların sayısı, U ise ortaklaşılmamış elektron ların sayısıdır.

1.7 Formal Yük

Şimdi de. nitrat (NO, ) iyonunu göz önüne alalım: bu. ortaklaşılmamış elektron çift leriyle oksijen atomları barındıran bir iyondur. Burada azot atomunun formal yükünün +1 olduğunu, iki oksijen atomunun formal yüklerinin - 1 ve bir oksijenin formal yükünün 0 olduğunu buluruz. : 0 ;—

- Form al yük = 6 — 7 = -1

.N. :o * ‘ i 'P ,

------- Form al yük = 5 - 4 = +1 ------------------------ Form al yük = 6 - 6 = 0 İyonun yükü = 2 ( -1 ) + 1 + 0 = -1

Moleküllerin, şüphesiz, net elektrik yükleri yoktur. Moleküller nötr olarak tanımlan mıştır. Bu nedenle, bir molekülü oluşturan atomların her birinin formal yüklerinin top lamı sıfır olmalıdır. Aşağıdaki örneğe bakalım: Amonyak

Fo rm a l yük = 5 — 5 = 0 Fo rm a l yük = 1 - 1 = 0

H— N — H

H

I H

M olekül yükü = 0 + 3 (0 ) = 0

Su —

H_ 5 _ H yada

H :0 :H ----------

Fo rm al yük = 6 - 6 = 0 Fo rm a l yük = 1 - 1 = 0

M olekül yükü = 0 + 2 (0 ) = 0

Aşağıdaki negatif iyonların her biri için bir Lewis yapısı yazınız ve formal negatif < yükün hangi atomda olduğunu belirtiniz. (a) NO:~ (c) CN(e) HCO, (b) NH, (d) HSCV (O HC2"

I.7A

F o rm al Yük le ri n Ö z e t i

Buraya kadar öğrendiğimiz bilgilerden, bir molekül ya da iyonda — Ö : tipinde oksijen atomu görülüyorsa onun formal yükünün - 1 olduğunu kolaylıkla söyleyebiliriz. Ok sijen atomunun == O ya da — O — tipinde olduğu durumlarda ise formal yükü O'dır.

Benzer biçimde, — N— için formal yük +1, — N — için sıfırdır. Bu çok karşılaşılan yapılar Çizelge 1.3’te özetlenmiştir.

P ro b l e m 1.2

13


Ç iz e lg e 1.3

Formal Yükü 0 Olanlar

Formal Yükü +1 Olanlar

Grup

1 1

— B—

3A 1

Z:

\

= ö:

— Ö:

z

II

— N— = N*”

1

—ö —

-ö -

ü II

6A

I ,1 1

5A

’u

1 / —c— c = c+— =C♦ =C\ 1 1 1 ♦/ —N— =N = N — —N— 1 I \ \ V

4A

— X: (X = F, Cl, B r.y a d a l) =X:-

7A

P ro b l e m 1.3

Formal Yükü -1 Olanlar

:U—

İlerideki bölümlerde tepkimelerin nasıl ilerle diğini ve hangi bileşikle rin oluştuğunu belirlerken formal yük leri doğru bilmeniz ge rektiğini göreceksiniz.

Formal Yüklerin Bir Özeti

/

14

► Aşağıdaki her bir yapının renkli gösterilen atomunun formal yükünü belirleyiniz: H H I | H— C — t (a) I I H H

0 11 (d) H— C — H H

(b)

H— ( ) — H

(e) H— c — :

I

ı

H

(c)

■O’’ II H— C — 0 :

H

ı

H

H—ö —H (f) H— C — H H

1.8

Re

z o n a n s

Lewis yapılarının bir sorunu elektronları yapay olarak bir yerde bulunmaya zorlamasıdır. Bunun sonucunda çoğu molekül ve iyon için birden fazla eşdeğer Lewis yapısı yazılabilir. Örneğin karbonat (CO,2 ) iyonunu gözönüne alalım. 1 - 3 gibi üç farklı fakat eşdeğer yapı yazabiliriz.

■o’ O: 1

:0 :

:0 : O' 2

:O :

'O' 3

1.8 Rezonans

15

Bu yapıların iki önemli özelliğine dikkal ediniz. Bunlardan birincisi, her atomun soygaz elektron dizilişinde olduğudur. İkincisi özellikle çok önemlidir. Bir yapıyı diğerine sadece elektronların yerini değiştirerek dönüştürebiliriz. Atom çekirdeklerinin birbir lerine göre yerlerini değiştirmemize gerek yoktur. Örneğin, yapı 1'deki elektron çift lerini eğri oklar yönünde hareket ettirirsek yapı 1'i yapı 2’ye dönüştürmüş oluruz:

:Ö:-:0

0 :-

. .^ C \ . -:0 Ô *

" :9

Q2

:Ö :1I . ^ C\ •• çr o :-

olur

3

1—3 yapıları aynı olmamakla birlikte eşdeğer yapılardır. Buna karşılık, karbonat iyo nuyla ilgili önemli veriler bu yapıların hiçbirine uymamaktadır. X-ışımyla incelemeler sonucunda karbon-oksijen ikili bağlarının birli bağlardan da ha kısa olduğu anlaşılmıştır. Karbonat iyonuyla yapılan benzer incelemeler sonucunda ise bütün karbon-oksijen bağlarının eşit uzunlukta olduğu görülmüştür. Bağlardan biri 1, 2 ve 3 no’lu gösterimlerden beklendiği gibi diğer bağlardan kısa değildir. Açık ki bu üç yapının hiçbiri x-ışını verileriyle uyuşmamaktadır. Her bir yapıda (1 - 3 ) karbon-ok sijen bağlarından biri ikili bağ diğerleri ise birli bağdır. Dolayısıyla bu yapılardan hiç biri doğru değildir. Bu durumda karbonat iyonunu nasıl gösterebiliriz? Bunun bir yolu rezonans teorisidir. Bu teoriye göre, bir molekül ya da iyon sade ce elektronlarının yerlerinin farklı olduğu iki ya da daha fazla Lewis yapısıyla gösterilebildiğinde iki şey doğru olacaktır: 1.

2.

Eğri oklar (Altbölüm 3.4) atomların değil elektron

2

1 Benzer biçimde yapı 2 ’yi yapı 3 ’e dönüştürebiliriz: :Ö:~

olur

Rezonans yapıları ya da rezonansa katkıda bulunanlar dediğimiz bu yapılardan hiçbiri molekül ya da iyonun doğru gösterimi değildir. Hiçbiri, bileşiğin fiziksel ya da kimyasal özellikleriyle tam uyumlu değildir. Gerçek molekül ya da iyon, hu yapıların bir melezi olarak gösterilebilir.

Bu yüzden, rezonans yapıları gerçek molekül ya da iyonun yapılan değildir; bun lar sadece teoride var olan sanal yapılardır. Bu nedenle hiçbir zaman böyle bir bileşik elde edilemez. Yapılardan hiçbiri tek başına molekül ya da iyonu tam olarak göstermez. Gerçekten var olan karbonat iyonunu, rezonans teorisinde bu üç sanal rezonans yapısının bir melezi olarak görürüz. Bu 1 - 3 yapılarının melezi neye benzeyebilir? Bu yapılarda karbon-oksijen bağla rından birine, örneğin tepedekine bakınız. Bu karbon-oksijen bağı bir yapıda (1) ikili bağ. diğer iki yapıda (2 ve 3) ise birli bağdır. Gerçek karbon-oksijen bağı bunların bir melezi olduğundan ikili bağla birli bağ arasında bir bağ olmalıdır. Karbon-oksijen ba ğı iki yapıda birli bağ ve sadece bir yapıda ikili bağ olduğundan ikili bağdan daha faz la birli bağa benzemelidir. Birli bağdan üçte bir fazla bir bağ olmalıdır. Buna kısmî ikili bağ diyebiliriz. Bir karbon-oksijen bağı için bu söylediklerimiz diğer iki bağ için de doğrudur. Böylelikle, karbonat iyonunun bütün karbon-oksijen bağlarının kısmî ikili bağ lardan oluştuğunu ve hepsinin eşdeğer olduğunu söyleyebiliriz. Bu bağların hepsi aynı uzunlukta olmalıdır ve bu da deneylerle tam olarak belirlenmiştir. Bu bağların hepsi

çiftlerinin hareketini gös terir. Okun kuyruğu elek tron çiftinin bulunduğu yerden başlar. Okun ucu elektron çiftinin bir sonra ki yapıda bulunacağı yeri gösterir. Eğik ok gösterimi organik tepkimeleri anla mada kullanacağınız önemli araçlardan biridir.

Rezonans yapıları, yapı ve etkinliğin anlaşılmasında kullanacağımız bir araçtır.

16


1.28 Â uzunluğundadır. Bu uzunluk karbon-oksijcn birli bağı (1.43 Â) ile karbon-oksijen ikili bağı (1.20 Â) arasındadır. Bir Â (angström) I x 10 10 metreye eşittir. Bir diğer önemli nokta şudur: Rezonans yapılarını yazarken, bunların sanal olduk larını. gerçek olmadıklarını açıkça belirtmek için aralarına iki uçlu oklar yerleştiririz. Karbonat iyonu için bunu şöyle yazarız: :0:

ö

Organik kimyada her okun (örneğin , » ve ◄ —► ) kendine özgü anlamı vardır. Her bir tür oku sadece tanımlanan amaç için kul lanmanız önemlidir.

Elektrostatik potansiyel haritaları ınoleküler yük dağılımını görüntülemek için yararlı modellerdir.

'

:0:

I .. / c < v O*

c j Q :,-

'
< 5

Bu oklar ya da "rezonans" sözcüğü bizi, karbonat iyonunun bir yapıdan diğerine dönüştüğü gibi yanlış bir düşünceye yöneltmemeli. Bu yapılar sadece kâğıt üzerinde vardır. Bu nedenle karbonat iyonu bunların arasındaki dönüşüm değil, bunların melezidir. Rezonansla denge arasındaki farklılık da çok önemlidir. İki ya da fazla yapı arasındaki bir dengede farklı yapıları ve yer değiştiren atomları düşünmek çok doğru olmakla birlikte, rezonansta (karbonat iyonunda olduğu gibi) böyle bir durum söz konusu değildir. Burada atomlar yer değiştirmez ve "yapılar" sadece kâğıt üzerinde vardır. Bir denge ile, rezonans ise <—► ile gösterilir. Karbonat iyonunun gerçek yapısını nasıl yazabiliriz? Bunu iki şekilde yapabiliriz: Bütün rezonans yapılarını yazarak okuyucunun zihninde melez yapısını canlandırabili riz. ya da melezi belirten ve Lewis yapısı olmayan bir yapı yazabiliriz. Karbonat iyonu için bunu şöyle yapabiliriz: O' II o;

O: I

:Q: O'

O,-

Soldaki yapıda bağlar, çizgiler ve kesikli çizgiler halinde gösterilmiştir. Bu. bağların birli bağla ikili bağ arasında bir durumda olduğunu göstermektedir. Kural olarak, bağları belirtmek için bütün yapılarda nerede bir bağ varsa bir çizgi, birden fazla ancak tam olmayan bağ varsa kesikli çizgi kullanırız. Her bir oksijenin yanma tam-bir negatif yük ten az yük olduğunu belirtmek için bir 8 — (kısmî eksi olarak okunur) yerleştiririz. (Bu durumda her bir oksijen atomunda tam negatif yükün üçte ikisi vardır.) Karbonat anyonundaki her bir oksijenin yük yoğunluğunun eşit olduğunu teorik hesaplamalar göstermektedir. Şekil 1.3. böyle hesaplama sonucunda bulunan, karbonat iyonundaki elektron yoğunluğunun elektrostatik potansiyel haritas m göstermektedir. Bir elektrostatik potansiyel haritasında diğerlerine göre daha fazla negatif yüklü bölgeler kırmızıya, daha fazla pozitif yüklü bölgeler (daha az negatif yüklü bölgeler) maviye

Şekil 1.3 Karbonat dianyonu için hesaplanmış ve üç oksijen atomunda eşit yük dağılımını gösteren hir elektrostatik potansiyel haritası. Bunun gibi elektro statik potansiyel haritalarında kırmızıya doğru giden renkler artan negatif yükü belirtirken, maviye doğru giden renkler azalan negatif (ya da artan pozitif) yükü belirtir.

1.8 Rezonans

doğru kayan renklerle gösterilir. Karbonat anyonunda bağ uzunluklarının eşit olduğu (yukarıdaki rezonans melezinde gösterilen kısmî ikili bağlar) bu modelde de görülmek tedir. Elektrostatik potansiyel haritalarını ve değişik yönlerden teorik olarak hesaplanmış diğer yapı türlerini, moleküler özellikleri ve etkinliği açıklamak için kullanacağız. Hesaplanmış yapılarla ilgili daha fazla açıklama Altbölüm 1.12’de verilecektir.

Ö r n e k Pr obl em Nitrat iyonunun yapısını yazmanın bir yolu aşağıda verilmiştir: :0*I o

.o ,-

Buna karşılık, fiziksel incelemeler sonucunda her üç azot-oksijen bağının eşdeğer olduğu ve azot-oksijen birli bağı ile azot-oksijen ikili bağı arasında bir bağ olarak eşit uzunlukta oldukları anlaşılmıştır. Bunu rezonans teorisiyle açıklayınız. Cevap Elektron çiftlerini aşağıdaki gibi hareket ettirirsek, nitrat iyonu için üç farklı fakat eşdeğer yapı yazabileceğimizi görürüz: O:

V ’ö '

Q

N*

•o ^

.N.

ö ,-

,o ;

Ö.

.O

O-

Sadece elektronların yerlerinin farklı olması nedeniyle bu yapılar rezonans yapıları ya da rezonans katkılarıdır. Nitrat iyonunu bunlardan hiçbiri tek başına tam olarak gösteremez. Gerçek molekül en doğru şekilde bu üç yapının bir melezi olarak gös terilebilir. Bu melezi, bütün bağların eşdeğer olduğunu ve bağların karakterlerinin birli bağlardan fazla, ikili bağlardan az olduğunu belirtecek şekilde aşağıdaki gibi yazabiliriz. Her oksijen atomunun eşit kısmî negatif yük taşıdığını da belirtiriz. Bu yük dağılımı deneysel olarak bulduğumuzla aynıdır.

j^+ l-r ^ ' j

O

Os

Nitrat iyonu için melez vapısı

(a) Format iyonu HCO: için iki rezonans yapısı yazınız. (Uyarı: Hidrojen ve oksi- •< P ro b l e m 1.4 jen atomları karbona bağlıdır.) (b) Format iyonunun karbon-oksijen bağ uzunluk ları için bu yapılardan elde edeceğiniz verileri ve (c) oksijen atomları üzerindeki yükleri açıklayınız.

17

18


1.9

K U A N T U M M EK A N İĞ İ

1926 yılında birbirinden bağımsız ve eşzamanlı olarak Erwin Schrödinger. Werner Heisenberg ve Paul Dirac tarafından atomik ve moleküler yapıyla ilgili yeni bir kuram öne sürülmüştür. Schrödinger'in dalga mekaniği ve Heisenberg'in kuantum mekaniği adını verdiği bu kuram, moleküllerde bağlanmayı modem anlamda anlamamızın temeli ni oluşturmuştur. Schrödinger tarafından öne sürülen kuantum mekaniği eşitliği, kimyacıların çoğu tarafından kullanılan biçimidir. Schrödinger'in yayınında elektronların hareketi elek tronların dalga özelliğini hesaba katacak şekilde tanımlanmıştır.* Schrödinger bir pro ton ve bir elektrondan oluşan sistemin -hidrojen atomu- toplam enerjisi için matematiksel bağıntıyı dalga eşitliği denen bir diğer bağıntıya dönüştürecek bir yol geliştirmiştir. Bu eşitlik daha sonra dalga fonksiyonları denen bir dizi çözümü verecek şekilde çözülmüştür. Dalga fonksiyonları genellikle Yunan harfi psi (ı//) ile gösterilir ve her bir dalga fonksiyonu ( yi fonksiyonu) elektron için farklı bir hale karşılık gelir. Her bir halin, o halin dalga fonksiyonundan hesaplanabilen belirgin bir enerjisi vardır. Her bir hal bir ya da iki elektron barındırabilecek bir düzeydir. Hidrojen atomu için olan dalga eşitliği çö:iimleri (uygun yaklaşımlarla) daha yüksek elementlerin elektron ları için düzeylerin belirlenmesinde de kullanılabilir. Bir dalga eşitliği iki önemli özelliğin hesaplanması için basit bir araçtır: (a) elek tronun ait olduğu haldeki enerjisi ve (b) düzeyin belirli yerlerinde bir elektronun bulu nabilmesinin bağıl olasılığı (Altbölüm 1.10). Çekirdeğe göre uzayda belirli bir nokta için hesaplanan dalga eşitliği değeri, bir pozitif sayı ya da negatif sayı (ya da sıfır) ola bilir. Bu işaretlere bazen faz işaretleri de denir. Bunlar dalgaları tanımlayan bütün eşitlik ler için tipik işaretlerdir. Burada, dalgaların matematiksel bağıntılarına girmeyeceğiz, ancak bu faz işaretlerinin ne anlama geldiğini basit bir benzeştimıeyle açıklayacağız. Bir gölde hareket eden bir dalga düşünelim. Dalga ilerledikçe gölün ortalama düzeyine göre yüksek ya da aşağı yerlerde bulunan dalga tepeleri ve olukları oluşur (Şekil 1.4). Şimdi, bu dalga için bir eşitlik yazarsak dalga fonksiyonları yi. dalganın gölün ortala ma düzeyine göre yüksek yerlerde bulunduğu durumlarda (örneğin tepelerde) artı ( + ) işaretini, ortalama düzeyin altındaki yerlerde (örneğin oluklarda) ise eksi ( - ) işaretini alır, y/ bağıl büyüklüğü (genlik denir) gölün ortalama düzeyine göre dalganın yükselme ya da düşme aralığının büyüklüğüyle ilgilidir. Dalganın gölün ortalama düzeyiyle aynı olduğu yerlerde dalga fonksiyonu sıfır olur. Böyle bir yere düğüm denir. Dalgaların bir diğer belirgin özelliği birbirlerini kuvvetlendirmeleri ya da birbirleriyle girişim yapmalarıdır. Bir gölde hareket ederken birbirlerine yaklaşan iki dalga düşünün. Eğer dalgalardan birinin tepesiyle diğerinin tepesi karşılaşırsa, aynı fazdaki dalgalar bir birleriyle karşılaşmış olur, dalgalar birbirini kuvvetlendirir, birbirlerine katılırlar ve

Şekil 1.4 Kir gölde hareket eden bir dalganın göldeki bir kesitten görüntüsü. Bu dalga için dalga fonksiyonu yi , tepelerde artı ( + ) ve oluklarda eksi ( —)’dir. (¿olıın ortalama düzeyinde sıfırdır ve bu yerlere düğüm denir.

{

Gölün ortalama düzeyi

* Elektronun tanecikli özelliklerinin yanında dalga özelliklerinin de olduğu fikri 1923 yılında Louis de Brog lie tarafından öne sürülmüştür.

1.10 Atomik Orbitaller

sonuçta oluşan dalga her bir dalgadan daha büyüktür. Öte yandan, eğer bir tepe bir oluk la karşılaşırsa farklı işaretli dalgalar karşılaşmış olur. Dalgalar birbirleriyle girişini yapar, birbirlerini azaltırlar ve sonuçta oluşan dalga her bir dalgadan küçük olur. (Eğer zıt işaretli tam karşıt iki dalga karşılaşırsa iki dalga birbirini yok eder.) Bir atomda ya da moleküldeki elektronun hareketlerini tanımlayan dalga fonksiyon ları gölde hareket eden dalgaları tanımlayan eşitliklerden farklıdır. Elektronla ilgilen diğimizde bu kadar ileri benzeştirmeler yapmamaya dikkat etmeliyiz. Elektron dalga fonksiyonları su dalgalarına sadece, birbirlerini güçlendiren ya da girişim yapan faz işaretleri ve düğüm noktaları yönünden benzerlik gösterirler.

1.10 A T O M İ K O

r b îta ller

Schrödinger'in 1926’daki önerisinden kısa bir süre sonra, elektron dalga fonksiyonu için tam bir fiziksel açıklama, kuantum mekaniğinin ilk uygulayıcıları tarafından gerçek leştirildi. Birkaç ay sonra Max Bom ı// 'nin karesine tam bir Fiziksel anlam verilebileceğini belirtti. Boırfa göre belirli bir yer (.v, y, z) için y r, elektronun uzayda o yerde bulunma olasılığını belirtir. Eğer ı// uzayın bir birim hacminde büyükse, elektronun o hacimde bulunma olasılığı yüksektir. Biz buna elektron olasılık yoğunluğu büyük diyebiliriz. Eğer uzayın başka bir birim hacmi için ı/r küçükse, elektronun orada bulunma olasılığı düşüktür. * Üç boyutta ı//2,nin çizimleri, atomik yapı modelleri olarak kullandığımız s, p ve d atomik orbitallerinin bildiğimiz şekillerini oluşturur. Organik kimyada pratik o la ra k /orbitalleri hiçbir zaman kullanılmaz ve bu kitapta onlarla ilgilenmeyeceğiz. İleride d orbital etkileşimlerinin önemli olduğu bileşikleri incelerken r/orbitallerinden kısaca söz edeceğiz. Burada organik moleküllerin oluşumun da en önemli oldukları için sadece rv e /? orbitallerine değineceğiz. Bir orbital uzayın bir bölgesinde bir elektronun bulunma olasılığının fazla olduğu yerdir. Şekil 1.5'te s ve p orbitallerinin şekilleri gösterilmiştir. Çekirdekten çok fazla uzaklıklarda bir elektronun bulunma olasılığı çok az da olsa vardır. Bir orbitali göster mek için kullandığımız tipik hacimler, elektronun bulunma olasılığının % 9 0 -9 5 ’ini içeren hacimlerdir. İs, 2s orbitalleri ve bütün daha yüksek s orbitalleri küreseldir (Şekil 1.5). 2s orbitalleri «//=() olan bir düğüm yüzeyi içerirler. 2s orbitalinin en iç kısmında (//^negatiftir.

yüzeyi

2s Orbitali

Şekil 1.5 Bazı s ve p orbitallerinin şekilleri. Melezleşmemiş p orbitalleri birbirine değecek gibi olan kürelerdir. Melezleşmiş atomların p orbitalleri lop şeklindedir (Altbölüm 1.14). * Bütün uzayda ı// 'nııı integrali 1’e eşit olmalıdır. Bu. büıün uzayda bir elektronun bulunma olasılığının %100 olduğu anlamına gelir.

19

20


2p orbitalleri birbirlerine neredeyse değecek küreler şeklindedir. 2p dalga fonksiyo nunun ı// 2p faz işareti bir lopta (ya da kürede) pozitif, diğerinde negatiftir. Ip orbitalinin iki lobunu bir düğüm düzlemi ayırır ve 3p orbitali. eksenleri birbirine dik olacak şekilde uzayda yerleşmiştir. Dalga fonksiyonunun işaretinin elektrik yüküyle herhangi bir biçimde ilişkisi yok tur. Daha önce de söylediğimiz gibi, ı// ile ilgili ( + ) ve ( —) işaretleri dalga fonksiyo nunun uzayın o bölgesindeki aritmetik işaretleridir. Bu ( + ) ve ( —) işaretleri elektronun bulunması olasılığının çok ya da az olduğunu göstermez. Bir elektronun bulunma ola sılığı ı//2 ’dir ve ı//: her zaman pozitiftir. (Negatif bir sayının karesi her zaman pozitif tir.) Bu nedenle elektronun 1p orbitalinin ( —) lobunda bulunma olasılığı ( + ) lobundakiyle aynıdır. İleride, atomik orbitallerin moleküler orbitalleri oluşturmak için nasıl bir araya geldiklerini ve kovalent bağların nasıl oluştuğunu gördüğümüzde ( + ) ve ( —) işaretlerinin önemi açıkça ortaya çıkacaktır. Bir orbitalin düğüm sayısıyla enerjisi arasında bir ilişki vardır. Düğüm sayısı arttıkça enerji artar. Burada bir örnek verebiliriz.; İs ve İp orbitallerinin her birinin bir düğümü vardır ve enerjileri düğümü olmayan l.v orbitalinden yüksektir.

Düşük enerjili orbitallerin bağıl enerjileri şu sırayı izler: Pozitif yüklü çekirdeğe en yakın oldukları için l.v orbitallerinin elektronlarının enerjileri en düşüktür. Bunu izleyen en düşük enerjili elektronlar 2v orbitallerindcdir. 2p orbitallerinin elektronları, birbirleriyle eşit ancak İs ve 2s 'den yüksek enerjiye sahiptir. (Eşit enerjili orbitallere dejenere orbitaller denir.) Biz bu bağıl enerjileri periyodik çizelgenin ilk iki sırasındaki herhangi bir atomun elektron dizilimini belirlemede kullanacağız. Bu amaç için sadece birkaç basit kurala gereksinimimiz vardır.

Şekil 1.6 Bazı ikinci sıra elementlerinin elektron dizilişleri.

J ---------------------------2P

-

1

1

,

ü

1

1

,

L

-

L

-

1

1

,

1

1

,

L

İ 1

ü

,

1

1

*

Karbon

-

U

1

1

Ü

-

L

-

U

,

İ L , . Oksijen

Azot

J

-

,

Bor

-

L

L

, Flor

. L

*

1 1

İ L

1

1

,

1

1

, Neon

1 1

*

1.11 Moleküler Orbitaller

1. 2.

3.

21

Aufbau kuralı: Orbitaller en düşük enerjiliden başlayarak doldurulur. (Aufbau "yapılanma" anlamına gelen Almanca bir sözcüktür.) Pauli dışlama kuralı: Her bir orbitale elektron spinleri eşleşmiş en fazla iki elek tron yerleşebilir. Elektron kendi ekseni etrafında döner. Burada açıklayamaya cağımız nedenlerden dolayı, bir elektron iki dönme yönünden sadece birini seçmek zorundadır. Bu yönleri genellikle ] ya da [ şeklindeki oklarla gösteririz. Bu neden le spinleri eşleşmiş iki elektron Jf ile gösterilir. Eşleşmemiş elektronlar aynı orbitalde bulunamazlar ve bunlar j ] (ya da |, [ ) şeklinde gösterilirler. Hund kuralı: Üç p orbitali gibi eşit enerjili orbitallerin (dejenere orbitaller) her birine, spini eşleşmemiş bir elektronu, her bir dejenere orbitalde bir elektron ola cak şekilde yerleştiririz. (Bu, elektronların birbirini iterek birbirlerinden uzak laşmalarına neden olur.) Sonra, her bir dejenere orbitale spinleri eşleşecek şekilde ikinci birer elektron yerleştirmeye başlarız.

Eğer bu kuralları periyodik çizelgenin ikinci sıra elementlerinden bazılarına uygu larsak Şekil 1.6'da gösterilen sonuçları elde ederiz.

1 . 11

M

o lek ü ler

O

r b it a l l e r

Organik kimyacı için atomik orbitallerin en büyük yararı, atomların molekülleri oluştur mak için nasıl biraraya geldiklerinin anlaşılması amacıyla atomik orbitallerin model olarak kullanılmasıdır. Bu konuya ilerideki bölümlerde daha ayrıntılı olarak değinile cektir. Daha önce de söylediğimiz gibi, kovalent bağlar organik kimyanın incelenmesinde temeldir. İlk olarak basit bir örnek verelim: İki hidrojen atomu bir hidrojen molekülü oluşturmak için biraraya gelirse kovalent bağ oluşur. Bu H— H bağının oluşumunun açıklanmasının, daha karmaşık moleküllerin bağlarının açıklanmasıyla aynı ya da en azından benzer olduğunu göreceğiz. Zıt spinli elektronları olan iki hidrojen atomu birbirine yaklaştırıldığında toplam ener jilerinin nasıl değiştiğini incelemekle başlayalım. Bunu Şekil 1.7’de gösterilen eğride açıkça görebiliyoruz. Hidrojen atomları birbirlerinden oldukça uzakta (I) iken toplam enerjileri iki ayrı hidrojen atomunun enerjisidir. Hidrojen atomları birbirlerine yaklaştıkça (II) her birinin çekirdeği diğerinin elektronunu çeker. Bu çekim iki çekirdek (ya da iki elektron) ara-

Şekil 1.7 Çekirdekler arası uzaklığın bir fonksiyonu olarak hidrojen molekülünün potansiyel enerjisi.

Çekirdekler arası uzaklık (r)

22


sındaki itme kuvvetinden fazladır ve bu çekim sonucunda, toplam sistem enerjisi aza lır. İki çekirdek 0,74 A uzaklıkta bulunduğundan (III), en kararlı (en düşük enerjili) hal elde edilir. Bu uzaklık, 0,74 Â. hidrojen molekülü için bağ uzunluğudur. Eğer çekirdek ler birbirlerine daha da yaklaşırsa (IV), pozitif yüklü iki çekirdeğin itmesi fazlalaşır ve sistemin enerjisi artar. Bağ oluşumu için bu modelde önemli bir sorun vardır. Elektronların temelde hare ketsiz olduklarını ve birbirine yaklaşan çekirdeklerin arasındaki bölgede bulundukları nı varsaydık. Elektronlar böyle davranmazlar. Elektronlar hareket ederler ve Heisenberg belirsizlik kuram ına göre bir elektronun yerini ve momentini aynı anda bilemeyiz. Bu nedenle yukarıdaki örnekte olduğu gibi elektronları belirli bir yerde tutamayız. Kuantum mekaniğine ve orbitallere dayanan bir model kullanarak bu sorundan ka çınabiliriz, çünkü böylelikle elektronu belli yerlerde bulunma olasılığı (y/ 2) ile tanım layabiliriz. Elektronun nerede bulunabileceğini kesin olarak söylemediğimiz için, elektronun bu şekilde ele alınması belirsizlik kuramına ters düşmez. Böylelikle sadece elektron yoğunluğu olasılığının büyük ya da küçük olduğunu söylemiş oluruz. İki hidrojen atomu bir hidrojen molekülü oluşturmak için biraraya geldiğinde ne ol duğunun orbital açıklaması şöyledir: Hidrojen atomları birbirlerine yaklaştıkça Isorbitalleri (ı//u) örtüşmeye başlar. Atomlar birbirlerine yaklaştıkça, atomik orbitaller (AO’ler), moleküler orbilalleri (M Oler) oluşturuncaya kadar orbital örtüşmesi artar. Olu şan moleküler orbitaller her iki çekirdeği ve etraflarında dönen elektronları kapsar. Elekt ronlar sadece bir çekirdeğin çevresinde ya da sadece bir atomik orbitaldc değildir. Atomik orbitaller gibi moleküler orbitaller de en çok, spini eşleşmiş iki elektron içerebilir. Atomik orbitaller moleküler orbitalleri oluşturmak için biraraya geldiklerinde, olu şan moleküler orbital sayısı bunları oluşturan atomik orbitallerin sayısına eşittir. Bu nedenle hidrojen molekülü oluşumunda, iki atomik orbitaldcn iki moleküler orbital mey dana gelir. İki orbital oluşur çünkü dalga fonksiyonlarının matematiksel özellikleri, bun ların ya katılma ya da çıkarılma şeklinde biraraya gelebilmelerine izin verir. Yani dalga fonksiyonları aynı ya da zıt fazda biraraya gelebilirler. Bu yeni moleküler orbitallerin yapıları nasıldır? Bağlayıcı moleküler orbital ( ı/zmolek) denen bir moleküler orbital, hidrojen molekü lünün en düşük enerjili ya da temel haldeki iki elektronunu içerir. Bu orbital, atomik or bitallerin Şekil 1.8'de gösterildiği gibi biraraya gelmesiyle oluşur. Burada atomik orbitaller katılmayla biraraya gelirler ve bu, aynı faz işaretli atomik orbitallerin örtüş mesi anlamına gelir. Bu örtüşme iki çekirdek arasındaki bölgede dalga fonksiyonunun kuvvetlenmesine yol açar. Dalga fonksiyonunun kuvvetlenmesi, iki çekirdek arasındaki y/ değerinin büyümesi yanında y/ 2’nin de büyümesi anlamına gelir. Bunun ötesinde, y /2 elektronun uzayın bu bölgesinde bulunma olasılığı olduğu için bu tür orbital örtüşmesinin nasıl bağ oluşturduğunu anlamış oluruz. Elektron bulunma olasılığı çekirdekler arasındaki bölgede artırılarak bağ oluşumu sağlanmış olur. Bu bölgede elektron yoğun luğu fazla olduğundan çekirdeklerin elektronları çekme kuvvetleri iki çekirdek arasın daki (ve iki elektron arasındaki) itme kuvvetinden büyüktür. Dolayısıyla bu çekici kuvvet, atomları birarada tutan "tutkal" görevi görür. Şekil 1.8 Aynı faz işaretli (aynı renkle belirtilmiş) iki hidrojen Is atomik orbitalinin örtüşerek bir bağlayıcı moleküler orbital oluşturması.

Vls’(atomik orbital)

’(atomik orbital)

Bağlayıcı y> (moleküler orbital)

1.11 Moleküler Orbitaller Düğüm

Şekil 1.9 Zıt faz işaretli (farklı renklerle belirtilmişi iki hidrojen Is atomik orbitalinin örtüşerek bir karşıtbağlayıcı moleküler orbital oluşturması.

+

• H s (atomıc orbital)

23

Karşıtbağlayıcı '/'‘ (moleküler orbital)

*f'l®(atomıc orbital)

Karşıtbağlayıcı moleküler orbital (t//*0|eL) denen ikinci moleküler orbital. molekü lün temel halindeki elektronları içermez. Bu moleküler orbital Şekil 1.9'da gösterilen çıkarılma ile oluşur. | Bir orbitalin faz işaretinin ( + )’dan ( —)’ye değiştirilmesine çıka rılma denir.] Burada zıt fazlı orbitaller örtüştüğü için dalga fonksiyonları iki çekirdeğin arasındaki bölgede girişim yapar ve bir düğüm oluşturur. Düğümde t// = O’dır ve düğü mün iki tarafında t// küçüktür. Bunun sonucunda çekirdekler arası bölgede ı//* küçük olur. Eğer karşıtbağlayıcı orbiıalde elektronlar bulunursa, bu elektronlar çekirdekler ara sı bölgeden kaçınırlar. Çekirdekler, elektronlar nedeniyle çok küçük bir kuvvetle birbi rini çekerler. İtici kuvvetler (iki çekirdek arasında ve iki elektron arasında) çekici kuvvetlerden daha büyük olur. Karşıt bağlayıcı orbitalde elektronların bulunması, atom ları biraraya getirici değil uzaklaştırıcı etki yapar. Buraya kadar açıklananlann matematiksel karşılığı LCAO (atomik orbitallerin doğ rusal bileşimi -İng. linear combination of atomic orbitals) yöntemidir. LCAO yöntemin de atomik orbitallerin dalga fonksiyonları, moleküler orbitaller için yeni dalga fonksiyonları oluşturmak amacıyla doğrusal şekilde (katılarak ya da çıkarılarak) birleş tirilir. Atomik orbitaller gibi moleküler orbitaller de bir elektron için belirli enerji haline karşılık gelir. Hidrojen molekülünün bağlayıcı moleküler orbitalindeki bir elektronun bağıl enerjisinin. ı//,. atomik orbitalindekinden epeyce az olduğunu hesaplamalar gös termektedir. Bu hesaplamalar, karşıt bağlayıcı moleküler orbitaldeki bir elektronun ener jisinin y/u atomik orbitalindeki enerjisinden epeyce fazla olduğunu da göstermektedir. Hidrojen molekülünün moleküler orbitallerinin enerji şeması Şekil 1.10’da gösteril miştir. Dikkat ederseniz, elektronlar moleküler orbitallere atomik orbitallerdekiyle ay nı şekilde yerleşmiştir. İki elektron, toplam enerjisi iki atomik orbitalden az olan bağlayıcı moleküler orbitalde (zıt spinli olarak) bulunur. Bu hale hidrojen molekülünün en diişiik elektronik hali ya da temel hali demiştik. (Molekül için uyarılmış hal denen durumda bir elektron karşıtbağlayıcı orbitalde bulunabilir. Temel haldeki molekül uygun enerji li ışığın bir fotonunu soğurduğunda bu hal oluşur.)

,

y ^(K a rş rtb a g la y tc ı) \

\

/ /

A tom ik orbital

/ Vmoiekt Bağlayıcı) Moleküler orbitaller

Moleküler orbitaller

Şekil 1. 10 Hidrojen molekülü için enerji şeması. İki atomik orbitalin. I//,, birleşimi iki moleküler orbital oluşturur: I// ve i//*mulrk. ¥ nw\ei ın enerjisi ayrı atomik orbitallerinkinden düşüktür ve hidrojen molekülünün temel halinde her iki elektronu da barındırır.

24


1. 12

M

e ta n

ve

Et

a n in

Y

a p is i:

sp3 M elezleşm esi

Karbon atomunun kuantum mekaniksel tanımlanmasında kullanılan ve Altbölünı 1.10’da verilen s ve p orbitalleri hidrojen atomu için yapılan hesaplamalara dayanmak tadır. Bu basit s ve p orbitalleri tek başlarına alındıklarında, metanın dört değerlikli düzgün dörtyüzlü karbon atomu için uygun bir model oluşturmaz (bkz. Problem 1.5). Buna karşılık, orbital melezleşmesi denen bir yaklaşım yoluyla metanın yapısının kuan tum mekaniğine dayalı uygun bir modeli oluşturulabilir. Basitçe ifade edilirse orbital melezleşmesi, s ve p orbitallerinin dalga fonksiyonlarının yeni orbitaller için dalga fonksiyonları elde etmek amacıyla biraraya getirildiği matematiksel yaklaşımdan başka birşey değildir. Yeni orbitaller bunları oluşturan orbitallerin özelliklerini değişik oran larda içerirler. Bu yeni orbitallere melez atomik orbitaller denir. Karbon atomunun en düşük enerjili haldeki —temel hal denir— kuantum mekaniğine göre elektron dizilişi aşağıdaki gibidir: C U

11

1

1

İ5 2s 2p x 2p s 2/7. Karbon atomunun temel hali Karbon atomunun değerlik elektronları (bağlarda kullanılan) dış düzey elektronları olan 2s ve 2p elektronlarıdır.

I . I 2 A Metanın Yapısı Metanın yapısı için göz önüne alman melez atomik orbitaller karbonun 2s orbitaliyle üç 2p orbitalinin dalga fonksiyonlarının birleştirilmesiyle elde edilebilir. Melezleşme için

Şekil I. I I Karbon ato munun atomik orbitallerinin sp' mele/ orbitallerini oluşturan melezleşmesi.

sp' Melezleşmesi

2p u Orbitalı

2 pz Orbital! Melezleşme

1.12 Metan ve Etanın Yapısı: sp Melezleşmesi

bu malematiksel işlem Şekil 1.11 'de gösterildiği gibi özetlenebilir. Bu modelde dört orbital karıştırılır —ya da melezleşir— ve yeni dört melez orbital elde edilir. Bu melez orbitallere, bir kısım karakterinin .v orbitalinden ve üç kısım ka rakterinin p orbitalinden geldiğini göstermek için sp ' orbitalleri denir. Orbital melez leşmesinin matematiksel sonucu, dört sp ' orbitalinin birbirleriyle 109.5° açı yapacak şekilde yöneldiklerini göstermektedir. Bu sonuç, metandaki dört hidrojen atomunun uza ya yönelmeleriyle uyum göstermektedir. Metanın bir sp' melezleşmiş karbon atomu ve dört hidrojen atomundan oluştuğu varsa yımımızı Şekil 1.12'de gösterildiği gibi düşünebiliriz. Basit olması için, her karbon-hidrojen bağı için sadece bağlayıcı molekiiler orbital gösterilmiştir, sp' Melezleşmiş karbonun meta na diizgiin dörtyüzlü bir yapı verdiğini ve dört C—H bağının eşdeğer olduğunu görüyoruz.

sp' Melezleşmesi

Şekil 1.12 Metanın sp melezleşmiş karbon atomundan varsayımsal oluşumu. Orbital melezleşmesinde elektronları değil orbitalleri birleştiriyoruz. Bağ oluşumu için bu melez orbitallere elektronlar yerleştirilmelidir, ancak bu. her bir orbitalde ikiden fazla (zıt spinli) elektron bulunamayacağını söyleyen l'auli ilkesiyle uyumlu olmalıdır. Bu şekilde kar bonunun her bir melez orbitaline birer elektron yerleştirdik. Bunun yanında, her bir C — H bağının sadece bağlayıcı moleküler orbitalini gösterdik. Çünkü molekül en düşük enerjili haldeyken sadece bu orbitaller elektron içerir. (a) Temel halde bir karbon atomunu düşününüz. Böyle bir atom metanın karbonu < için yeterli bir model oluşturabilir mi? Değilse neden? (İpucu: Temel halde bir kar bon atomunun dört değerlikli olup olamayacağını ve eğer olursa hidrojen atomlarıyla birleşme sonucunda bağ açılarının ne olacağını düşününüz.) (b) Uyarılmış halde bir karbon atomunu düşününüz:

Cn

1

1 1

1

İs

İs

2px 2py

2p.

P ro b l e m 1.5

Bir karbon atomunun uyarılmış hali Böyle bir atom metandaki karbon için uygun bir model oluşturabilir mi? Değilse neden?

Orbital melezleşmesi, metanın şekli için oldukça uygun olmasının yanında, karbon ve hidrojen arasında kuvvetli bağlar oluşumunu da açıklamaktadır. Bunun nasıl oldu ğunu görmek için Şekil 1.13’te gösterilen bir sp ' orbitalinin şeklini göz önüne alınız. Bu sp ' orbitali p orbitali karakterinde olduğu için, sp orbitalinin pozitif lobu büyüktür ve uzayda oldukça yayılmıştır.

Şekil I. I I Bir sp' orbitalinin şekli.

25

26


Şekil 1.14 Bir C— H bağının oluşumu.

s p 3 Orbrtalı

Is Orbitali

Karbon-hıdrojen bağı (bağlayıcı M O )

s p 3 Orbitalinin pozitif lobu hidrojenin pozitif İs orbitaliyle örtüşerek karbon-hidrojen bağının bağlayıcı moleküler orbitalini oluşturur (Şekil 1.14). s p ' Orbitalinin pozitif lobu büyük ve uzaya yayılmış olduğu için, bununla hidrojenin 1s orbitalinin örtüşmcsi büyüktür. Oluşan karbon-hidrojen bağı da oldukça kuvvetlidir.

Bir sp' orbitaliyle bir ls orbitalinin örtüşmesiyle oluşan bağ bir sigma (er) bağına örnektir (Şekil 1.15). Sigma bağı terimi, bağ ekseni boyunca bakıldığında dikine kesitinde halkasal simetri olan orbital örtüşmesinin oluşturduğu bağlara verilen genel bir addır. Birli bağların hepsi sigma bağlarıdır. En düşük enerjili halde bulunan molekülün elektronları bağlayıcı moleküler orbitallcrde bulunduğu için biz çoğu kez sadece bu orbitalleri göstereceğiz. Molekül ışık soğurduğunda ve bazı tepkimelerin açıklanmasında karşıtbağlayıcı orbitallerin göz önüne alınması önem lidir. Bu durumlara ileride değineceğiz. Şekil 1.16 ’da metan için hesaplanmış yapı görülmektedir. Bu yapıda orbital melezleşmesi sonucunda oluşan düzgün dörtyüzlü geometri açıkça görülmektedir.

(a)

(b)

(c)

Şekil 1.16 (a) Metanın kuantum mekaniksel hesaplamalara dayanan bu yapısında içte ki koyu yüzey elektron yoğunluğunun yüksek olduğu bölgeyi göstermektedir. Her bağlayıcı bölgede yüksek elektron yoğunluğu bulunur. Dıştaki file şeklinde gösterilen yüzey, molekül için elektron yoğunluğunun ulaşabileceği yaklaşık sınırı göstermektedir. (6)Metan için bu çubuk ve top modeli, bir moleküler model takımı kullanarak oluştura bileceğiniz şekildir, (c) Bu yapı metanın çizimini göstermektedir. Normal çizgiler kâğıt düzlemindeki iki bağı göstermek için kullanılmıştır. Kâğıdın ön tarafında bulunan bağı göstermek için kama şekli, arka tarafındakini göstermek için de kesikli kama şekli kullanılır.

1.12 Metan ve Etanın Yapısı: sp' Melezleşmesi

27

I . I 2B Etanın Yapısı Etanın ve diğer bütün alkanların karbon atomlarının bağ açılan metanda olduğu gibi düzgün dörtyüzlüdür. Etan için uygun bir model sp' melezleşmiş karbon atomlarıyla gösterilebilir. Şekil 1.17. etan molekülünün bağlayıcı molcküler orbitallerinin iki sp' melezleşmiş karbon atomu ve altı hidrojen atomundan nasıl oluştuğunu göstermektedir.

Şekil 1.17 İki sp* melezleşmiş karbon atomu ve altı hidrojen atomundan etanın bağlayıcı mole küller orbitallerinin varsayımsal oluşumu. Bütün bağlar sigma bağ larıdır. (Karşıtbağlayıcı sigma moleküler orbitalleri — ö * orbitalleri denir— hepsinde oluşmakla birlikte, basit olması için bunlar gösterilmemiştir.)

Sığma bağlan

Etanın karbon-karbon bağı, örtüşen iki sp' orbitali tarafından oluşturulan bir sigma bağıdır. (Karbon-hidrojen bağları da sigma bağlarıdır. Bunlar karbonun sp' orbitalleriyle hidrojenin s orbitallerinin örtüşmesiylc oluşur.) Bir sigma bağının (çoklu olmayan her bağda olduğu gibi) bağ ekseni boyunca silindirik simetrisi vardır. Bu nedenle birli bağla bağlı grupların dönmesi genellikle fazla miktarda enerji gerektirmez. Bunun sonucunda birli bağlarla bağlı gruplar birbirlerine göre oldukça serbest bir biçimde dönerler. (Bu konuyu Altbölüm 4.8'de inceleyeceğiz.) Şekil 1.18'de etan için hesaplanmış bir yapı gösterilmiştir. Bu yapıda orbital melezleş mesi sonucunda oluşmuş düzgün dörtyüzlü geometri açıkça görülmektedir.

W

W

(c)

Şekil 1.18 (a) Etanın kuantum mekaniksel he saplamalara davalı bu şek linde içteki koyu yüzey yüksek elektron yoğunluğu olan bölgeyi göstermekte dir. Her bağlayıcı bölgede yüksek elektron yoğunluğu bulunur. Dıştaki file şek linde gösterilen yüzey, mo lekül için elektron yoğunluğunun ulaşabilece ği yaklaşık sınırı göster mektedir. ib) Etan için bir çubuk ve top modeli, bir ınoleküler model takımı kullanarak oluşturabilece ğiniz şekildir, (c) Etan için her bir karbondaki düzgün dörtyüzlü geometriyi gös termek için, çizgiler, ka malar ve kesikli kamalar kullanılarak çizilen yapı formülü.

28


Hesaplanmış Moleküler Modeller: Elektron Yoğunluğu Yüzeyleri

Metanda modeller

Bu kitapta, kuantum mekaniği teorisi kullanıla rak hesaplanmış yapıların değişik türlerini kulla nacağız. Bu yapıların deneysel olarak ölçülmüş değil hesaplanmış yapılar olması nedeniyle, bun lara genellikle "modeller" denir. Bunlar mole küler özelliklerin ve kimyasal etkinliğin açıklan masında yararlı araçlardır. Hesaplanan yapılardan bir türü elektron yoğunluğu yüzeyidir. Elektron yoğunluğu yüzeyi uzayda aynı elektron yoğun luğu olan yerleri gösterir. Elektron yoğunluğu yü zeyi. elektron yoğunluğunun herhangi bir seçilen değeri için hesaplanabilir. Her biri farklı bir elektron yoğunluğu değerine dayanan bu yüzeylerin molekülde dıştan içe doğru sıra lanması molekülün elektron bulutunun tam bir görüntüsünü oluşturur. "Yüksek" elektron yoğunluğu yüzeyi ("bağ" elektron yoğunluğu yüzeyi de denir) kom şu atomların elektronları paylaştığı (kovalent bağlı) bölgeleri ve her bir atomun çekirde ği etrafındaki iç elektron yoğunluğunu gösterir. Yüksek elektron yoğunluğu yüzeyi örnekleri, metan için Şekil l.lö a ’da. etan için Şekil I.18a‘da ve dimetil eter için yukarı daki modelde içerideki koyu bölgelerdir. "Düşük" elektron yoğunluğu yüzeyi, moleküldeki elektron bulutunun kabaca sınırını gösterir. Bu yüzey molekülün şekliyle hacmi hakkında bilgi verir ve molekülün van der Waals ya da uzay doldurma modeliyle aynı görünümdedir. Metan için Şekil l.löa'da. etan için Şekil l.lKa’da ve dimetil eter için yukarıdaki şekilde bu yüzey file şeklinde çi zilmiştir.

1. 13 E T E N İN ( E T İ L E N ) YAPISI: Sp2 MELEZLEŞMESİ Buraya kadar incelediğimiz moleküllerin çoğunda karbon atomları dört değerlik elek tronlarını dört diğer atomla dört birli kovalent (sigma) bağı oluşturmakta kullanıyor lardı. Buna karşılık birçok organik bileşikte ikiden fazla elektronu bir diğer atomla ortaklaşan karbon atomları vardır. Bu bileşiklerin moleküllerinde oluşan bağlardan bazıları çoklu kovalent bağlardır. İki karbon atomunun iki çift elektronu ortaklaştığında karbon-karbon ikili bağı oluşur. .. \ / .C ! îÇ . yada ^ C = C ^ .

Molekülleri karbon-karbon ikili bağı içeren hidrokarbonlara alkenler denir. Eten (C;H4) ve propen (C,H6) birer alkendir. (Etene etilen de denir, propene bazen propilen denir.) Hx / H H\ / H / c = c\ H H H,C H Eten Propen Etendeki bir tek karbon-karbon bağı ikili bağdır. Propenin bir karbon-karbon birli bağı ve bir karbon-karbon ikili bağı vardır.

1.13 Etenin (Etilen) Yapısı: sp: Melezleşmesi

29

Şekil 1.19 Etenin yapısı ve bağ açıları. Atomların düzlemi kâğıda diktir. Kesikli kamalı bağlar da düzlemde kâğıdın arkasına doğru, kovu kamalı bağlar kâğıdın önüne doğru yönelmiştir.

Alkenlerin atomlarının üç boyutlu yapıları alkanlarınkindcn farklıdır. Etenin altı ato mu aynı düzlemdedir ve her bir karbon atomu etrafındaki atom dizilişi üçgenseldir (Şe kil 1.19). Uyarılmış hal

Temel hal

!" L 1

______

2p 1__ 1___ 1___

s p ‘ - Melezleşmiş hal

2p 2sp1

2s 1_[_

2 3 1__

,s

Is

l l

Is

LLL

L_

Şekil 1.20 sp2 Melezleşmiş karbon atomlarının oluşma süreci.

İL

Elektronun uyan iması

Karbon-karbon ikili bağı için uygun bir model sp 2 melezleşmiş karbon atomlarına dayandırılabilir.* Modelimiz için sp 2 orbitallerini sağlayan orbitallerin matematiksel olarak biraraya getirilmesi. Şekil 1.20’de gösterildiği gibi görselleştirilebilir. 2s orbitali iki 2p orbitaliyle matematiksel olarak biraraya gelmiştir (ya da melezleşmiştir). (Me lezleşme işlemi elektronlara değil sadece orbitallere uygulanır.) Bir 2p orbitali melezleşmemiş olarak kalır. Her bir sp 2 melez orbitaline bir elektron, kalan 2p orbitaline de bir elektron yerleştirilir. Melezleşme sonucu oluşan üç sp 2 orbitali eşkenar bir üçgenin köşelerine yönelmiş tir (aralarında 120° açı olacak şekilde). Karbonun melezleşmemiş p orbitali sp 2 melez orbitallerinin oluşturduğu üçgene dik olarak bulunur. (Şekil 1.21).

Şekil 1.21 sp2 Melezleşmiş bir karbon atomu.

sp2 Melezleşmesi

* Karbon-karbon ikili bağı için başka bir model. W. E. Palke tarafından J. Am. Chem. Soc. 1986. 108. 6543-6544’teki bir makalede tartışılmıştır.

30


Şekil 1.22 İki sp2 melezleşmiş karbon atomu ve dört hidrojen atomundan oluşan etenin bağlayıcı molekuler orbitalleri için bir model.

Eten için olan modelimizde (Şekil 1.22) iki sp : melezleşmiş karbon atomu, her bi rinden birer sp2 orbitalinin örtüşmesiyle aralarında bir sigma (<7) bağı oluştururlar. Kar bon atomlarının kalan sp 1 orbitalleri dört hidrojen atomunun l.v orbitalleriyle örtüşerek a bağları oluştururlar. Bu beş bağda etenin 12 bağlayıcı elektronundan 10'u bulunur ve bunlara <7 -bağı iskeleti denir, sp 2 Melezleşmiş karbon atomları esas alınarak öngörü len bağ açıları (hepsi 120°) gerçek bağ açılarına (Şekil 1.19) oldukça yakındır. Modelimizdeki kalan iki bağlayıcı elektron, her bir karbon atomunun p orbitalinde bulunur. Bu p orbitallcrinin örtüşmesi Şekil 1.22’de şematik olarak gösterilmiştir. Ete nin hesaplanmış moleküler orbitallerini (Şekil 1.23) gösteren bir yapıya bakarsak bu p orbitallerinin nasıl etkileştiğini daha iyi göz önüne getirebiliriz. Paralel p orbitallerinin d iskelet düzleminin üstünde ve altında örtiiştüğünü görüyoruz, p Orbitallcrinin bu yan dan örtüşmesi pi ( k ) bağı diye bilinen yeni bir tür kovalent bağ oluşturur. Bir n bağı nın bağlayıcı moleküler orbitalinin şeklinin o bağınınkinden ne kadar farklı olduğuna dikkat ediniz. Bir n bağı, iki çekirdekle k moleküler orbital lopları arasından geçen bir düğüm düzlemine sahiptir.

Şekil 1.23 (a) Etende sığma bağlarını gösteren kama-kesikli kama formülü ve komşu p orbitallerinin örtüşmesiyle K bağının oluşumunun şematik gösterimi. (h\ Etenin hesaplan mış bir yapısı. Mavi ve kırmızı renkler n moleküler orbitalinin her bir lobunun zıt faz işaretlerini göstermektedir. Etendeki <7 bağlarının top ve çubuk modeli, K bağlarım gösteren filenin içinde görülmektedir.

1.13 Etenin (Etilen) Yapısı: sp- Melezleşmesi düğüm

Şekil 1.24 Karbonun p orbitallerinin iki n (pi) moleküler orbitali oluştur mak için nasıl biraraya geldiği. Bağlayıcı VIO düşük enerjilidir. Yüksek enerjili karşıtbağlayıcı MO'de bir fazla dü ğüm vardır. (Her iki orbitalin C ve H atomları nı içeren düzlemde bir dü ğümü vardır.)

Bağlayıcı n moleküler orbitalı

Moleküler orbital teorisine göre, p orbitalleri bir n bağı oluşturacak şekilde etkileş tiğinde hem bağlayıcı hem de karşıtbağlayıcı n moleküler orbitalleri oluşur. Aynı işa retli p orbital lopları örtüştüğünde bağlayıcı n orbitali. zıt işaretli p orbital lopları örtüştüğünde ise karşıtbağlayıcı zr orbitali oluşur (Şekil 1.24). Bağlayıcı n orbitali düşük enerjili orbitaldir ve molekülün temel halinde her iki n elektronunu (zıt spinli olarak) içerir. Bağlayıcı /rorbitalinde elektronların bulunma ola sılığının fazla olduğu bölge genellikle iki karbon atomu arasındaki a bağı iskeleti düz leminin üstünde ve altında bulunur. Karşıtbağlayıcı /r* orbitali yüksek enerjilidir ve molekül temel haldeyken boştur. Eğer molekül uygun frekansta ışık soğurursa, bir elekt ron düşük enerjili düzeyden yüksek enerjili düzeye uyarılır ve bu orbital elektron içerir hale gelir. Karşıtbağlayıcı /r* orbitalinin iki karbon arasında bir düğüm düzlemi vardır. Özet olarak: Orbital melezleşmesine dayanan modelimizde, karbon-karbon ikili ba ğı iki farklı türde bağdan, bir o bağı ve bir k bağından oluşmuştur. İki sp 2 orbitalinin uç uca ve iki karbon atomunu birleştiren eksen etrafında simetrik olarak örtüşmesiyle d bağı oluşur. İki p orbitalinin yanyana örtüşmesiyle n bağı oluşur. Bu orbitalin bir p orbitalindeki gibi bir düğüm düzlemi vardır. Temel haldeyken /r elektronları iki karbon atomu arasındaki bölgede ancak o bağı iskeleti düzleminin üstünde ve altında bulunur. k Bağı elektronlarının enerjisi orbağı elektronlarının enerjisinden yüksektir. (T ve k moleküler orbitallerinin bağıl enerjileri (elektronlar temel haldeyken) aşağıdaki şekilde gösterilmiştir, (er* orbitali karşıtbağlayıcı sigma orbitalidir.)

o * MO Karşıtbağlayıcı

Jt*M O :tM O Bağlayıcı

o MO

31

A sp1 Melezleşmesi

32


Şekil 1.24 Bir karbon atomunun ikili bağ etrafında 90o,lik bir açıyla döndürülmesi sonucunda K bağının nasıl kırıldığının gös terilmesi.

Ktende dönme engeli

, ,- Ä

I . I 3A D o n m

in Engellenmesi ve İkili Bağ

Karbon-karbon ikili bağının o - n modeli, ikili bağın önemli bir özelliğini de açıklar: İki bağla bağlı grupların dönmesinde büyük bir enerji engeli vardır. Bir n bağında, p orbitallerinin eksenleri tam paralel olduğunda, p orbitalleri arasında örtüşme en fazla dır. Karbon-karbon ikili bağı 90° döndürüldüğünde (Şekil 1.25) k bağı kırılır ve p or bitallerinin eksenleri dik hale geldiğinden örtüşme olmaz. Termokimyasal hesaplamalara dayanılarak yapılan tahminlere göre n bağının kırılmaya karşı dayanımı 264 kJ m o l'1’dir. Bu değer ikili bağın dönme engelidir. Bu engel, karbon-karbon birli bağla rıyla bağlı grupların dönme engelinden (13-26 kJ mol ') epeyce yüksektir. Birli bağla bağlı gruplar oda sıcaklığında serbestçe dönerken, ikili bağla bağlı grup lar dönemezler.

I . I 3 B C i s - T r a n s İzomerisi İkili bağla bağlı grupların dönmesinin engellenmesi, aşağıda yapıları yazılan iki dikloroetende göstereceğimiz yeni bir tür izomeriye neden olur. c ı\

a

C

/ H

/ c\ h

a s - 1,2-Dikloroeten

Hx

C

/ Cl

/ C\ CI H trans-1.2-Dikloroeten

Bu iki bileşik izomerdir; bunlar aynı molekül formülüne sahip farklı bileşiklerdir. Bun lardan birinin modelini diğerinin modeli üzerine çakıştırmaya çalışırsak, bunların fark lı bileşikler olduğunu söyleyebiliriz. Bu çakıştırmayı gerçekleştiremeyiz. Çakıştırmak, her iki modelin her kısmının iisr üste geleceği anlamına gelmektedir. Farklı izomer olduklarını belirtmek için, adlarının önüne cis ya da trans eklerini ge tiririz (cis. Latince: aynı tarafta: trans. Latince: zıt tarafta), c is- 1.2-Dikloroeten ve trans1.2-dikloroeten, atomlarının bağlanma sıralanması aynı olduğu için yapı izomerleri değildir. Bu iki bileşik sadece atomlarının uzaydaki yönelmeleriyle farklıdır. Bu tür izomerler stereoiz.oınerler olarak sınıflandırılmakla birlikte, bunlara basitçe cis-trans izo merleri de denir. (Stereoizomeriyi Bölüm 4 ve 5’te ayrıntılı olarak inceleyeceğiz.) C is-trans izomerisinin yapısal koşulları eğer birkaç örneği daha incelersek açık ça görülecektir. 1.1 -Dikloroeten ve 1.1.2-trikloroeten bu tür bir izomerliği göstermez. u II u

/ H \ / H Cl 1,1-Dikloroeten (cis-trans izomerisi yok)

/ cı ° \ \ / H Cl 1,1,2-Trikloroeten (cis-trans izomerisi yok) u II u

c\

1.14 Etinin (Asetilen) Yapısı: sp Melezleşmesi

1.2-Difloroeten ve l,2-dikloro-l,2-difloroeten cis-trans izomerler olarak bulunurlar. İki aynı grubun aynı tarafta olduğu izomerleri cis olarak belirttiğimize dikkat ediniz.

H

/

/ F

b II n

F\

H cis- 1.2-Difloroeten

u \

n II n

F\

c II c

/

/ H r =CV / \ H F trans- 1,2-Difloroeten

u. \

F\

F\

cı cı cis-l,2-Dikloro-1.2-difloroeten

/ \ cı F /ranv-l,2-I)ikloro-1.2-diflon>eten

Bu örneklerden de görülebileceği gibi, ikili bağın karbon atomlarından biri aynı iki grubu içeriyorsa cis-trans izomerisi mümkün değildir.

Aşağıdaki alkenlerden hangilerinin cis-trans izomerleri olabilir? Yapılarını yazınız. < (a) CH2= C H C H 2CH3 (c ) CH: = C(CH,)2 (b) CH,CH = C H C H , (d) CH,CH,CH = CHCI

1.14

E T İN İN (A S E T İL E N ) YAPISI: Sp M E L E Z L E Ş M E S İ

Üç elektron çiftini ortaklaşan ve bu nedenle de üçlü bağla bağlı olan iki karbon atomuna sahip hidrokarbonlara alkinler denir. En basit iki alkin etin ve propindir. H— C = C— H Etin (asetilen) (Cj Hj )

CH,— C = C — H Propin (C,H4)

Asetilen de denen etin, atomları doğrusal düzenlenmiş olan bir bileşiktir. Etin mo lekülünün H—C = C bağ açıları 180°'dir.

H- v £ r v S “ H 180° 180°

Etan ve etende olduğu gibi etinin yapısını da orbital melezleşmesine dayandırarak açık layacağız. Elan için olan modelimizde (Altbölüm I.I2B) karbon atomlarının sp3 melez orbitalleri ve eten için olan modelimizde (Altbölüm 1.13) sp2 melez orbitalleri olduğu nu görmüştük. Etin için olan modelimizde ise karbon atomlarının sp melezleşmesi yap tığını göreceğiz.

P ro b l e m 1.2

33

34


Şekil 1.26 sp Melezleşmiş karbon atomlarının elde edilmesi için bir işlem.

Uyarılmış hal

Tem el hal

2p 1__1______

* L L L

2

s y_

251__

i« i

ı. Li_ Elektronun uyarılması

(T ve /T bağları.

s p - Melezleşmiş hal

2p 1__1___ 2sp 1__1___ is i l

►

Etinin sp melez orbitallerinin elde edilmesi için matematiksel işlem aşağıdaki gibi (Şekil 1.26) göz önüne getirilebilir. Karbonun 2s orbitali ve bir 2p orbitali iki sp orbitali oluşturmak için melezleştirilir. Kalan iki 2p orbitali melezleşmez, sp Melez orbital lerinin büyük pozitif loplarının birbirlerine göre 180° açıyla yönlendiğini hesaplamalar göstermektedir. Melezleşmemiş iki 2p orbitali. sp orbitallerinin merkezinden geçen ek sene dik olarak bulunur (Şekil 1.27). p O rbıtallen

Şekil 1.27 sp Melezleşmiş bir karbon atomu.

s p O rb ita li

sp Melezleşmesi

4

1

sp Melezleşmesi

Etinin bağlayıcı moleküler orbitallerinin aşağıdaki gibi (Şekil 1.28) oluştuğunu ön görüyoruz. İki karbon atomu sp orbitallerini bir sigma bağı oluşturmak için örtüştürür (üçlü bağdan biri bu bağdır). Kalan iki sp orbitali. her bir karbonda hidrojen atomlarıy la örtüşerek iki C — H sigma bağı oluşturur. Her bir karbon atomundaki iki p orbitali iki n bağı oluşturmak için yanyana örtüşür. Bunlar üçlü bağın diğer iki bağını oluştu rur. Sonuç olarak karbon-karbon üçlü bağının iki /rbağı ile bir <7 bağından oluştu ğunu söyleyebiliriz. Etinin hesaplanmış moleküler orbitallere ve elektron yoğunluğuna dayalı yapıları Şe kil 1.29'da gösterilmiştir. Üçlü bağ boyunca halkasal simetri vardır (Şekil 1.29b). Bu nun sonucunda üçlü bağla bağlı grupların dönmesinde (alkenlere kıyasla) bir engel yoktur ve dönme gerçekleştiğinde yeni bileşik oluşmaz.

Şekil 1.28 İki sp melezleşmiş karbon atomu ve iki hidrojen atomundan etinin bağlayıcı moleküler orbitallerinin oluşması. (Karşıtbağlayıcı orbitaller oluşmakla birlikte, basitliği sağlamak için burada gösterilmemiştir.

Etin

1.15 Kuantum Mekaniğinden Çıkan Önemli Kavramların Bir Özeti

Şekil 1.29 (er) Fitindeki iki n bağını oluşturan iki çift p orbitalini şematik olarak açıkla yan ve sigıııa bağ iskeletini gösteren etinin (asetilen) yapısı. (6) Fitinin hesaplanmış n ınoleküler orbitallerini gösteren yapısı. Her bir K bağı için bir çift olacak şekilde, iki çift K moleküler orbital lobu vardır. Her K bağındaki kırmızı ve mavi loplar zıt faz işaretlerini gösterir. Fitinin hidrojen atomları (beyaz küreler) yapının iki ucunda görülmektedir (kar bon atomları moleküler orbitaller tarafından gizlenmiştir), (e) Bu yapıda file şeklinde gös terilen yüzey, etindeki elektron yoğunluğunun ulaşabileceği yaklaşık sınırı göstermektedir. Tüm elektron yoğunluğunun (7T bağı elektronlarının değil) hidrojen atomlarının ötesine uzandığına dikkat ediniz.

35

Moleküler modeller

I . I 4A Etin, Eten ve Etanın Bağ Uzu n lu k la rı Karbon-karbon üçlü bağı, karbon-karbon ikili bağından kısadır. Karbon-karbon ikili bağı ise karbon-karbon birli bağından kısadır. Etinin karbon-hidrojen bağları, eteninkinden kısadır. Etenin karbon-hidrojen bağlan ise etanınkinden kısadır. Bunu şu genel kuralla açıklıyoruz: 5 karakteri büyük olan karbon orhitallerinin C — H bağlan daha kısadır. Etinin sp orbitalleri %50 s (ve %50 p) karakterindedir ve en kısa C — H bağla rını oluştururlar. Etanın spx orbitalleri %25 s (ve %75 p) karakterindedir ve en uzun C — H bağlarını oluştururlar. Etin, eten ve etanın bağ uzunlukları ve açılarındaki fark lılıklar Şekil 1.30'da özetlenmiştir. Şekil 1.30 Etin, eten ve etanın bağ uzunlukları ve bağ açıları.

1 . 1 5 K u a n t u m M e k a n î ğ î n d e n Ç. i k a n Ö N E M L İ K A V R A M L A R I N BİR Ö Z E T İ 1.

Atomik orbital (AO) tek bir atomun çekirdeği etrafındaki uzayda, elektronun bu lunma olasılığının yüksek olduğu bir bölgeye karşılık gelir, s Orbitalleri denen ato mik orbitaller küreseldir,/? orbitalleri denenler ise yaklaşık tanjant küresel şekildedir. Orbitaller spinleri eşleşmiş en çok iki elektron bulundurabilirler. Orbitaller bir dal-

36


ga fonksiyonu, t// ile tanımlanırlar ve her bir orbitalin kendine özgü bir enerjisi var dır. Bir orbitalin faz işaretleri ( + ) ya da ( —) olabilir. 2. Atomik orbitaller örtüştüğünde molekülcr orhilalleri (MO'leri) oluştururlar. Moleküler orbitaller iki (ya da fazla) çekirdeği kapsayan uzayda elektronların buluna bileceği bölgelerdir. Atomik orbitallerde olduğu gibi, moleküler orbitaller de spinleri eşleşmiş iki elektron bulundurabilirler. 3. Aynı faz işaretli atomik orbitaller etkileştiğinde bir bağlayıcı moleküler orbital oluşur:

Bağlayıcı m oleküler orbital

4.

Bir bağlayıcı moleküler orbitalin elektron bulunma yoğunluğu iki çekirdek arasın daki uzay bölgesinde fazladır. Bu bölgedeki negatif elektronlar pozitif çekirdekleri birarada tutarlar. Zıt faz işaretli orbitaller örtüştüğünde bir karşıtbağlavıcı moleküler orbital oluşur: Düğüm

I

I

^

A 3 Şekil 1.11 sp\ sp: ve sp melez orbital geometri lerinin bir özeti.

Bir karşıtbağlayıcı orbitalin enerjisi bağlayıcı orbitalinkinden yüksektir. Çekirdek ler arasındaki bölgede elektron bulunma yoğunluğu düşüktür ve y/ = 0 olan bölge de bir düğüm içerir. Bu nedenle, karşıtbağlayıcı orbitallerde elektron bulunması çekirdekleri birarada tutmaz. Çekirdekler arası itme onları birbirinden uzaklaştırır. 5. Bağlayıcı bir moleküler orbitaldeki elektronların enerjisi ayrı ayrı atomik orbitallerdeki elektronların enerjisinden düşüktür. Karşıtbağlayıcı bir moleküler orbitalde ki elektronların enerjisi ise ayrı ayrı atomik orbitallerdeki elektronların enerjisinden yüksektir. 6. Moleküler orbitallerin sayısı her zaman, bunları oluşturan atomik orbitallerin sa yısına eşittir. İki atomik orbitalin biraraya gelmesiyle her zaman, biri bağlayıcı bi ri de karşıtbağlayıcı olan iki moleküler orbital oluşur. 7. Melez atomik orbitaller. farklı türlerde (örneğin s ve p orbitalleri) ancak aynı ato ma ait olan orbitallerin dalga fonksiyonlarının biraraya gelmesi (melezleşmesi) yo luyla elde edilirler. 8. Üç p orbitali ile bir s orbitalinin melezleşmesi dört sp' orbitali oluşturur. Bu dört sp* orbitalinin eksenleri atomun merkez olduğu düzgün dörtyüzlünün köşelerine yö nelmiştir. Metandaki karbon sp' melezleşmiştir ve düzgün dörtyüzlü yapıdadır. 9. İki p orbitali ile bir s orbitalinin melezleşmesi üç sp2 orbitali oluşturur. Bu üç sp2 orbitalinin eksenleri atomun merkez olduğu eşkenar üçgenin köşelerine yönelmiş tir. Etendeki karbon atomu sp2 melezleşmiştir ve üçgen düzlemsel yapıdadır.

1.16 Moleküler Geometri: Değerlik Kabuğu Elektron Çifti İtmesi (VSEPR) Modeli

10. 11. 12.

B irp orbitali ile b ir i orbitalinin melezleşmesi iki sp orbitali oluşturur, sp Melez leşmiş atomlarda bu iki sp orbitalinin eksenleri zıt yönlere doğrudur (180°’lik bir açıyla). Etinin karbon atomları sp melezleşmiştir ve etin doğrusal bir moleküldür. Sigma bağı (bir tür birli bağ), bağ ekseni boyunca bakıldığında halkasal simetrik elektron yoğunluğu olan bir bağdır. Genellikle, organik moleküllerin iskeletleri sig ma bağıyla bağlı atomlarla oluşturulur. İkili ve üçlü bağlardan bir kısmını oluşturan pi bağında, iki komşu ve paralel p or bitalinin elektron yoğunlukları bir bağlayıcı pi moleküler orbitali oluşturmak için yanyana örtüşür.

1.16 M o l e k ü l e r G e o m e t r î : D E l e k t r o n Ç î f t î It m e s î (V S E P R ) M o d e l İ

eğ er lîk

Ka

b u ğ u

Moleküllerin geometrilerini, kuantum mekaniğinden çıkan kuramlara dayanarak açıkla dık. Moleküllerdeki ve iyonlardaki atomların sıralanmasını, değerlik kabuğu elektron çifti itmesi (VSEPR) kuramı adı verilen bir kurama dayanarak da açıklayabiliriz. Altbölüm 1.16A-E*de bulunan aşağıdaki örnekleri göz önüne alalım. VSEPR kuramını aşağıdaki şekilde uygularız: 1.

2. 3.

4.

37

Yaklaşık olarak moleküler geometrinin tahmin edil mesinde VSEPR modeli yararlıdır.

Merkez atomu iki ya da fazla atom veya gruba kovalent bağla bağlı olan molekül leri (ya da iyonları) ele alırız. Merkez atomunun bütün değerlik elektron çiftlerini, yani hem kovalent bağlarda or taklaşılan bağlayıcı çiftleri lıenı de ortaklaşılmamış veya bağlayıcı olmayan çift leri göz önüne alırız. Elektron çiftlerinin birbirini itmesi nedeniyle, değerlik kabuğunun elektron çiftleri birbirlerinden olabildiğince uzakta dururlar. Bağlayıcı olmayan çiftler arasındaki it me, genellikle bağlayıcı çiftler arasındakinden daha fazladır. Molekülün geometrisine bağlayıcı olan ve olmayan bütün elektron çiftlerini göz önü ne alarak ulaşırız. Buna karşılık, molekül ya da iyonun şeklini elektron çiftlerinin yerlerine göre değil, çekirdeklerin (ya da atomların) yerlerine göre belirleriz.

I . I 6A Metan Metanın değerlik kabuğu dört çift bağlayıcı elektron içerir. Sadece düzgün dörtyüzlü yönlenme bu dört çift elektron arasında olabilecek en büyük uzaklığı sağlar (Şekil 1.31). Farklı herhangi bir. örneğin kare düzlemsel, yönlenme elektron çiftlerinin birbirlerine yakın olmasına yol açar. Bu nedenle metan örneğinde, van't Hoff ve Le Bel tarafından öne sürülen modelle VSEPR modeli uyum göstermektedir (Altbölüm 1.3B): Metan molekülü düzgün dört yüzlü yapıdadır.

Metan için van’t Hoff ve Le Bel’in düzgün dörtyüzlü yapı önermelerinin neden- ^ lerinden biri, sübstitüe metanların mümkün olabilecek izomer sayılarına dayanmak taydı. Örneğin. CH2CL formülünde sadece bir tane bileşik gözlenmiştir (izomerleri yoktur). Kare düzlemsel yapıyı ve düzgün dörtyüzlü yapıyı CH:C1: için göz önüne alarak bu gözlemin düzgün dörtyüzlü yapıyı nasıl desteklediğini açıklayınız.

Şekil 1.3 I Metan için düzgün dörtyüzlü yapı, bağlayıcı dört elektron çifti arasında en büyük uzaklığı sağlar.

P ro b l e m 1.7

38


Düzgün dörtyüzlü yapıdaki herhangi bir atomun bağ açıları 109.5°'dir. Bu açılara bir örnek olarak metan Şekil 1.32’de gösterilmiştir.

I . I 6B A m o n y a k

Şekil 1.32 Metanın bağ açıları 109,5°’dir.

Amonyak molekülünün (NH,) şekli üçgen piramittir. Amonyakta üç çift bağlayıcı elek tron. bir de bağlayıcı olmayan çift vardır. Amonyak molekülünün bağ açıları, düzgün dörtyüzlü bağ açısına (109,5°) çok yakın bir değer olan l()7°'dir. Amonyağın elektron çiftleri için, bağlayıcı olmayan çifti bir köşeye yerleştirerek genel bir düzgün dörtyüzlü yapısı yazabiliriz (Şekil 1.33). Elektron çiftlerinin düzgün dörtyüzlü düzeni, dört atom un üçgen piramit yapısını da açıklar. Bağlayıcı olmayan çiftlerin bağlayıcı çiftlerden daha fazla hacim işgal etmeleri nedeniyle bağ açıları I07°’dir (109,5° değil).

Şekil 1.33 Bağlayıcı olmayan elekt ron çifti bir köşeye yerleştirildiğinde amonyak molekülünde elektron çiftle rinin düzgün dörty üzlü düzeni oluşur.

I . I 6 C Su Su molekülünün açısal ya da bükülmüş bir şekli vardır. Su molekülünün H — O — H bağ açıları metanın bağ açıları olan 109,5°’ye çok yakın bir değer olan 105°’dir. İki bağlayıcı elektron çiftini ve iki bağlayıcı olmayan elektron çiftini bir dörtyüzlü nün köşelerine yerleştirirsek, su molekülünün elektron çiftleri için genel bir düzgün dört yüzlü yapısı yazabiliriz. Böyle bir yapı Şekil 1.34'te gösterilmiştir. Elektron çiftlerinin düzgün dörtyüzlü düzeni üç atomun açısal yapısını da açıklar. Bağlayıcı olmayan çift lerin bağlayıcı çiftlerden daha büyük olması nedeniyle bağ açısı 109.5°'den küçüktür ve yapı tam bir düzgün dörtyüzlü değildir.

Şekil 1.34 Bağlayıcı olmayan elekt ron çiftleri köşelere yerleştirildiğinde su molekülünde elektron çiftlerinin yaklaşık düzgün dörtyüzlü düzeni olu şur. Bu düzen H:() molekülünün açısal şeklini de açıklar.

I . I 6 D Bor T riflo rü r Grup 3A elementlerinden biri olan borun sadece üç dış kabuk elektronu vardır. Bor tri florür (BF,) bileşiğinde bu üç elektron, üç flor atomuyla ortaklaşılmıştır. Bu nedenle BF,'teki bor atomu etrafında sadece altı elektron (üç bağlayıcı çift) vardır. Bu üç bağlayıcı çiftin bir eşkenar üçgenin köşelerinde bulunduğu durum birbirlerinden en uzak olduk ları durumdur. Bunun sonucunda bor triflorür molekülünde üç flor atomu bir eşkenar üçgenin köşelerinde bulunur (Şekil 1.34). Bor triflorür üçgen düzlemsel yapıdadır. Bağ açıları I20°’dir.

1.16 Moleküler Geometri: Değerlik Kabuğu Elektron Çifti İtmesi (VSEPR) Modeli

Şekil 1.35 Bor triflorürun üçgen şeklindeki (üçgen düzlemsel) yapısı üç bağlayıcı çifti arasında en büyük uzaklığı sağlar.

F //

\

12 0 °

I

120°

F

I . I 6E B er ily um H i d r ü r Bcliryum hidrürün (BeH2) merkezi berilyum atomu etrafında sadece iki elektron çifti vardır. Her iki elektron çifti de bağlayıcı çiftlerdir. Aşağıdaki şekilde de görüldüğü gi bi. bu iki çift merkezi atomun zıt yönlerinde olduklarında birbirlerinden en uzak konum da bulunurlar. Elektron çiftlerinin bu düzeni, BeH: molekülünde, doğrusal geometri oluşturur ve bağ açısı 180°'dir.

H :B e: H yada H— Be — H BcH/un doğrusal geometrisi

VSEPR kuramını kullanarak aşağıdaki moleküllerin ve iyonların geometrilerini tah- < min ediniz: (a) BH4 (c) NH4 (e) BH,
P ro b l e m 1.8

I . I 6 F Karbon Dioksit VSEPR yöntemi çoklu bağlar içeren moleküllerin şekillerinin tahmin edilmesinde de kullanılabilir. Bunun için bir çoklu bağın bütün elektronlarının tek bir birimmiş gibi davrandığını ve dolayısıyla, çoklu bağla bağlı iki atomun arasındaki uzay bölgesinde bulunduğunu varsayacağız. Bu varsayımımızı karbon dioksit (CO;) molekülünün yapısında gösterebiliriz. Kar bon dioksitin merkezi karbon atomu her bir oksijen atomuna ikili bağla bağlanmıştır. Karbon dioksit doğrusal yapıdadır ve bağ açısı 180o,dir.

‘0 = ç = Ö’ yada **0::C " Ö '

39

Her ikili bağın dört elektronu tek bir birim gibi davranır ve

Böyle bir yapı dörder bağlayıcı elektrondan oluşan iki grup arasındaki uzaklığın en büyük olmasını sağlar. (Oksijen atomunun bağlayıcı olmayan çiftlerinin bu yapı üzerin de etkisi yoktur.) Bağ açılarını tahmin ediniz: (a) F,C = CF2 (b) C H ,= CCH,

(c) HC = N.

^

P r o b l e m 1.9

40


Çizelge 1.4 VSEPR Kuramına Göre Moleküllerin ve İyonların Şekilleri Merkez Atomundaki Elektron çifti sayısı Bağlayıcı Bağlayıcı olmayan Toplam

Merkez Atomunun Melezleşme Hali

Molekül va da iyonun şekli'

Örnekler

2

0

2

sp2

Doğrusal

BeH;

3

0

3

sp2

Üçgen düzlemsel

BF„ CH,+

4

0

4

SP3

Düzgün dörtyüzlü

c h 4, n h 4+

3

1

4

Üçgen piramit

NH,. CH,*

2

2

4

Açısal

H;0

-sp 3

a Atomların yerlerini göz önüne alan ve bağlayıcı olmayan çiftleri hesaba katmayan şekiller.

Birçok basit molekül ve iyonun VSEPR kuramına göre belirlenmiş şekilleri Çizelge 1.4'te gösterilmiştir. Bu çizelgede merkez atomunun melezleşme hali de belirtilmiştir.

1.17

YA PI FO R M Ü LLER İN İN G Ö STER İLM ESİ

Organik kimyacılar yapı formüllerini yazmak için farklı gösterimler kullanırlar. Bunlardan en yaygın gösterim türleri Şekil 1.36’da verilmiştir. Nokta yapısı (sayfa 41) bütün değer lik elektronlarını gösterir, ancak bunun yazılması dikkat gerektirir ve zaman alır. Diğer gös terimler daha elverişli olduklarından daha sık kullanılır. Formülleri yazarken ortaklaşılmamış çiftleri çoğu kez göstermeyiz. Ancak, ileride gö receğimiz gibi, ortaklaşılmamış elektron çiftlerinin katıldığı kimyasal tepkimelerde bu

Şekil 1.36 Propil alkol için vapı formülleri.

,

C U C# # c

c

c

Top ve çubuk modeli

(o) H

H

H

I I I . . H— C — c — C — O — H I I I " H

H H Çizgili formül (ft)

C H 3C H 2C H 2ÖH Sıkıştırılmış formül (c )

Çizgı-bağ formülü

W)

1.17 Yapı Formüllerinin Gösterilmesi

41

elektron çiftlerinin gösterilmesi gerekir. O nedenle, yapıları yazarken ortaklaşılmamış (bağlayıcı olmayan) elektron çiftlerini gösterme alışkanlığını şimdiden kazanmanızda yarar vardır. H H H H I .. I H : C : Ö :C : H H— C — O — C— H = CH,OCH, I " I H ” H H H Çizgili Formül Sıkıştırılmışformül Nokta yapısı

I . I 7 A Çizgili Yapı Fo rm ü l le ri Propil alkol için Şekil l.36a'da verilen modele baktığımızda ve onu Şekil 1.36b. cd e ki çizgili ve sıkıştırılmış formüllerle karşılaştırdığımızda, formüllerdeki atomların oluş turduğu zincirin düz olduğunu görürüz. Molekülün gerçek yapısını daha iyi gösteren modelde ise atomların oluşturduğu zincir düz değildir. Şu önemli noktayı da vurgula yalım: Birli bağlarla birbirlerine bağlı atomlar bu birli bağlar etrafında nispeten ser bestçe dönebilirler. (Bu konuyu Altbölüm 1.12B de kısaca incelemiştik.) Propil alkolde bu serbest dönüş sonucunda atomların oluşturduğu zincir aşağıda gösterilen farklı şe killerde bulunabilir: H / H HO H H H » H HH H \ / \ / \ / \ / \ / u C O yada C / H yada C C H / \ / \ / H H H V O C c / \ / \ / \ / \ H H H HH H H H Propil alkol için eşdeğer çizgili formüller

H\ X \ X

Yukarıdaki çizgili yapıların hepsi eşdeğerdir ve hepsi de propil alkolün formülleridir. (Bu formüllerde bağ açılarının 109,5° değil 90° olarak gösterildiğine dikkat ediniz. Bu yaklaşım iki boyutlu gösterimde kolaylık sağlar.) Yazdığımız bu yapı formülleri, moleküllerin gerçek şekillerini gösteren formüller ol mayıp sadece atomların birbirlerine bağlanma sırasını belirten formüllerdir. Bunlar atom ların bağlanma sıralanm asını gösterirler. Yapı izomerlerinin (Altbölüm 1.3A) bağlanma sıralanması farklıdır ve bu nedenle de farklı yapı formülleriyle gösterilmeleri gerekir. Formülünü farklı yollarla yazabileceğimiz izopropil alkol adlı bileşiği göz önüne ala lım: H H 0 H 1 1 1 H— C —C —C— H yada 1 1 H H H

H H H 1 1 H— C — C — C— H yada 1 1 H 0 H H

H

() — H 1 H— C — (: — h

H H— (

h

H Aynı molekül formülüne (C,H„0) sahip olduğu halde, atomları birbirlerine farklı şe kilde bağlandığı için izopropil alkol propil alkolün bir yapı izomeridir (Altbölüm 1.3A). İzopropil alkolde OH grubu merkezdeki karbona bağlanmıştır. Propil alkolde ise uçta ki karbona bağlanmıştır.

Formüllerin aynı sırala maya sahip hir grup yapı Formülü mü yoksa yapı izomerleri mi olduğunu anlayabilmeniz önemlidir.

42


Bir hatırlatma: Size sık sık sorulan alıştırmalarda, verilen molekül formülüne sahip bütün izomerler için yapı formüllerini yazınız. Bu son gösterdiğimiz türden formülleri yanlışlıkla farklı yapı izomerlerinin formülleri olarak düşünüp birçok eşdeğer formül yazma hatasına düşmeyiniz.

Problem I. I0

>■ Molekül formülü C,HkO olan üç yapı izomeri vardır. Bunlardan ikisini propil alkol ve izopropil alkol olarak görmüştük. Üçüncü izomerin çizgili formülünü yazınız.

I . I 7 B Sıkıştırılmış Yapı F o rm ü l le ri m Sıkıştırılmış yapı formül lerinin doğru kullanılma sı organik kimyada temel bir araçtır.

Sıkıştırılmış yapı formüllerini yazmak çizgili formülleri yazmaktan daha kolaydır. Bu formülleri yeterince öğrendiğimizde, bunların çizgili yapıların içerdiği bütün bilgileri içerdiklerini göreceğiz. Sıkıştırılmış formüllerde bir karbon atomuna bağlı bütün hidro jenler bu karbon atomundan sonra hemen yanma yazılır. Tamamı sıkıştırılmış formül lerde. karbona bağlı atomların hepsi karbondan hemen sonra hidrojenden başlanarak yanyana yazılır. Örneğin; H H H H İ l i l H—c — c — c — c — H İ l i l H Cl H H

CH,CHCH,CH, ya da CH,CHC1CH:CH,

Çizgili formül

Sıkıştırılmış formüller

İzopropil alkolün sıkıştırılmış formülü dört farklı şekilde yazılabilir: H

H

H

CH3CHCH,

H— C— C— C— H I I I H O H I H Çizgili formül

CH,CH(OH)CH,

OH CH,CHOHCH, yada (CHJXHOH .

Sıkıştırılmış formüller

► Ö r n e k P r o b l e m ---------Aşağıdaki bileşik için sıkıştırılmış bir yapı formülü yazınız: H H H H İ l i l H— C— C—C— c — H I I I H H H H—C— H I H Cevap CH,CHCHXH, yada CH..CH(CH,)CH:CH, ya da (CH3)2CHCHXH, CH? yada CH,CHXH(CH,): yada CH,CHXHCH, CH,


43

I . I 7 C Halkalı Moleküller Organik bileşiklerin karbon atomları sadece zincir halinde sıralanmazlar, halkalı yapıda da olabilirler. Siklopropan denen bileşiğin karbon atomları üç üyeli bir halka halindedir. H \

/

H

H \

C H / \ / C—C ya da / \ H H

Siklopropanın Formülleri

I . I 7D Ç iz g i -B a ğ Fo rm ü l le ri Çoğu organik kimyacı yapı formüllerini göstermek için çizgi-bağ formülü denen oldukça basit bir formül kullanır. Çizgi-bağ gösterimi sadece karbon iskeletini gösterdiği için yazımı hepsinden kolaydır. Karbon atomlarının değerliklerini tamamlamak için gerekli hidrojen atomları var olmasına rağmen bunları yazmayız. Diğer atomlar (örneğin O. Cl. N ) yazılır. İki ya da daha çok çizginin buluştuğu yerler ve çizgilerin uçları, başka atom yazılmadıkça karbon atomunu gösterir.

Organik molekülleri daha çok tanıdıkça, çizgi-bağ formüllerinin yapıları göstermekte çok yararlı olduğunu göreceksiniz.

CH, CH, V / V CH,CHC1CH,CH, = CH CH,= Cl

Cl CH, CH, \ / V CH,CH(CH,)CH,CH, = CH CH3

Çizgi-bağ Formülleri

CH, CH, CH, V / V \ (CH,),NCH,CH, = N CH, = CH,

N

. Çizgi-bağ Formülleri

Çizgi-bağ formülleri çoğunlukla halkalı bileşikler için kullanılır: CH, / \ H,C— CH,

>A

ve

H,C— CH, 'I I * H,C— CH,

Çizgi-bağ formüllerinde çoklu bağlar da gösterilir. Örneğin: CH, CH CH \V \ / C CHı CH,

CH,=CHCH,OH =

44


Ö rn e k P r o b le m --------------------------------------------------------Aşağıdaki bileşik için çizgi-bağlı bir yapı formülü yazınız: CH,CHCH,CH,CH,OH.

J

CH, Cevap İlk olarak OH grubunu da içeren karbon iskeletini aşağıdaki gibi belirleriz: CH, CH, CH, V / V / V CH CH, OH * CH,

c -

\

C I c

/

c

\

C

/

c

\

OH

Çizgi-bağ formülü şöyledir: 'v^ ^ " O H

Aşağıdaki sıkıştırılmış yapı formüllerinin karbon iskeletlerini belirleyiniz ve her birinin çizgi-bağ formülünü yazınız. (f) CH, = C(CH2CH,), (a) (CH,),CHCH:CH, (b) (CH,),CHCH,CH,OH O (c) (CH,),C = CHCH,CH, (g) CH,CCH2CH2C H 2CH, (d) CH.CH2CH2CH2CH, (e) CH,CH2CH(OH)CH2CH, (h) CH;CHCICH2CH(CH,)2

P ro bl em

P ro bl em 1.12

>■ Problem 1.1 l'deki hangi moleküllerin yapı izomerleri vardır?

P ro b l e m 1.13

>

Aşağıdaki çizgi-bağ formüllerinin her biri için çizgili formülünü yazınız: OH

I . I 7 E Ü ç Boyutlu F o r m ü l l e r

A Kama ve kesikli kama for mülleri üç boyutu çok açık biçimde göstermek için bir araçtır.

Buraya kadar gösterilen formüllerden hiçbiri, moleküldeki atomların uzayda nasıl yö neldikleri konusunda bize yeterli bilgi vermez. Bunu sağlayan çok çeşitli gösterimler vardır. Bizim kullanacağımız formül tipi Şekil 1.37’de gösterilmiştir. Bu gösterimde, kâğıt düzleminden bize doğru olan bağlar bir kama ile, düzlemin arkasına doğru olanlar bir kesikli kama .. ile belirtilir. Düzgün dörtyüzlü atomlar için kâğıt düzle minde olan iki bağı aralarında yaklaşık 109° olacak şekilde çizdiğimize, üç boyutlulu ğu sağlamak için de kama ve kesikli kama şeklindeki bağları kâğıt üzerinde birbirine yakın olarak (örneğin öndeki atomun arkadakini kapatacağı şekilde) çizdiğimize dikkat ediniz. Üçgen düzlemsel atomları, ya bütün bağlar 120°*lik açıyla ayrılmış şekilde ay nı kâğıt düzleminde, ya da üç bağdan biri kâğıt düzleminde, biri önde, biri de arkada


Şekil 1.37 Kama-kesikli kama-çizgi formüllerinin kul lanıldığı üç boyutlu formüller.

H.

HV H

ya da

C'H H

H

H H» V / c —c ya da

vb. H

Metan

HH

Etan

H I ya da H

vb.

H H

Br

H I ya da H"^C' Br Bromometan

Br I vb.

olacak (Şekil 1.19’da olduğu gibi) şekilde gösterebiliriz. Doğrusal bağlı geometriIi atom ları göstermenin en iyi yolu, bütün bağları kâğıt düzleminde çizmektir. Genel olarak, üç boyutlu formülleri, molekülün şekli hakkında bilgiye gereksinim olduğunda kullanırız. Aşağıdaki bileşiklerden her birini gösteren üç boyutlu (kama-kesikli kama-çizgi) for- < mülleri yazınız: (a) CH,C1. (b) CH,C12. (c) CH:BrCI (d) CH,CH,C1.

A n a h t a r T e r i m l e r ve K av ra m la r Yapı formülleri İzomerler Yapı izomerleri Bağlanma sıralanması Elektronegatiflik İyonik bağlar Kovalent bağlar Birli bağlar İkili bağlar Üçlü bağlar I.evtis yapıları Forınal yük Çizgili yapı formülleri Sıkıştırılmış yapı formülleri Çizgi-bağ formülleri Stereoizomerler Rezonans yapıları Dalga (V|D fonksiyonu Elektron olasılık yoğunluğu Orbital Atomik orbitaller Melez atomik orbitaller Moleküler orbitaller Elektron yoğunluğu yüzeyleri Elektrostatik potansiyel haritaları VSEPR modeli

45

Altbölümler 1.3A ve 1.17 Altbölüm 1.3A Altbölüm 1.3A Altbölümler 1.3A ve 1.17A Altbölüm 1.4A Altbölüm 1.4A Altbölüm 1.4B Altbölümler 1.3 ve 1.12 Altbölümler 1.3 ve 1.13 Altbölümler 1.3 ve 1.14 Altbölüm 1.5 Altbölümler 1.3 ve 1.7 Altbölüm 1.17A Altbölüm I.17B Altbölüm 1.171) Altbölüm 1.13B Altbölüm 1.8 Altbölüm 1.9 Altbölüm 1.10 Altbölüm 1.10 Altbölümler 1.10 ve 1.15 Altbölümler 1.12 ve 1.15 Altbölümler 1.11 ve 1.15 Altbölüm 1.12B Altbölüm 1.8 Altbölüm 1.16

P ro b l e m 1.14

46


EK PROBLEMLER

1.15

Aşağıdaki iyonlardan hangileri soygaz elektron dizilişine sahiptir? (a) Na+ (c) F f (e) Ca2+ (g) 0 2‘ (b) Cl (d) H* (f) S2* (h) B rf

1.16

Aşağıdakilerin Lewis yapılarını yazınız: (a) SOCL (b) POCI, (c) PCI,

1.17

Aşağıdakilerin her bir atomunun formal yükünü (eğer varsa) belirleyiniz:

(a)

1.18

(d) HONO, (HNO,)

O* :Ö: .. II .. I CH,— O—S— 0 : (b )C H —S— CH, I " •ft.

O' .. II .. (c) sO—S— 0 : •• II " .o.

O* I .. (d) CH — S — O II •• .o.

Verilen her bileşik için çizgisiz bir yapı formülü yazınız. O OH

(a)

lb)

(c)

□

(d)

OH

1.19

Problem 1.18’de verilen her bileşiğin molekül formülünü yazınız.

1.20

Aşağıdaki yapı formülleri çiftlerini göz önüne alarak iki formülün aynı bileşiği mi gösterdiğini, ya da yapı izomerleri olan farklı bileşikleri mi temsil ettiklerini, yoksa izomerik olmayan farklı bileşikleri mi gösterdiklerini belirleyiniz. Br (a) Cl' (b) CH,CH:CH;

Br

Cl.

ve

ve CICH:CH(CH,)2

CH,CI

(c)

H— C — Cl ve Cl— C — Cl

(d)

H Cl H H H I I I F— C— C— Ç— H ve CH,FCH:CH,CH:F H

H H— C— F CH,

(e)

C H — C— CH, ve (CH,)3C— CH, CH, CH,

(f) CH,=CHCH,CH,

ve

CH / \ H,C— CH,

Yıldızla işaretlenmiş problemler “çözülmesi daha zor olan problcmler''dir.

Ek Problemler

O II ve C H — C— CH,

O II (1) CH,CCH,

ve

O II c / \ H,C — CH,

Cl CH,CH,CH,CH,

(m) H— C— Br ve Cl— C — Br

CH,CH,

H O II C / \ H,C— CH,

H

CH, H 1 1 (n) CH — C— H ve CH,— C—ı 3 | 3 | H H

r H

\

CH,CI

ve

F \ F

Aşağıdakilerden her birini çizgi-bağ formüllerini kullanarak yeniden yazınız.: O (al CH,CH,CH,CCH,

O II (dİ CH,CH,CHCH,COH *1 * CH,

(b) CH,CHCH,CH,CHCH,CH,

(e) CH,=CHCH,CH,CH = CHCH,

fi

CH,

CH? O

(c) (CH,),CCH,CH,CH,OH

(f) HC II HC.

CH, I ‘ ,CH, 'C ' H,

1.22

Aşağıdakilerin her biri için ortaklaşılmamış elektron çiftlerini gösteren bir çizgili formül yazınız:

(al

1.23

H

- C >^ F \

1

ve

H

r--C ^ H \ «V F F

H

Vf/ 0

Hy r C

H

r ^ \\ -C \ F

n

(j) CH,C1CHC1CH, ve CH;CHCICH,C1

\

X

H

\

ve

1.21

H

(el (CH,),NCH,CH,

Molekül formülü C4HMolan bütün yapı izomerleri için yapı formüllerini istediğiniz şekilde yazınız.

H

-c

/

H

^ 'H H

47

48


1.24

Molekül formülü CH,NO: olan bileşiğin en az üç yapı izomerinin yapı formül lerini yazınız. (Bu soruyu cevaplandırırken fomıal yük taşıyan atomların bu yük lerini belirtmelisiniz.)

1.25

Siyanik asit (H—O— C — N) ve izosiyanik asit (H — N = C = 0 ), elektronları farklı yerlerde bulunan, ancak yapıları rezonans yapıları temsil etmeyen bileşik lerdir. (a) Açıklayınız, (b) Siyanik asitten proton kaybı, izosiyanik asitten pro ton kaybıyla aynı anyonu oluşturur. Açıklayınız.

1.26

Bir karbon atomunun üç hidrojen atomuna birli bağla bağlı olduğu ve karbon ato munun başka değerlik elektronunun bulunmadığı kimyasal yapıları (molekül ya da iyon) düşününüz, ( a ) Karbon atomunun fomıal yükü ne olur? ( b l Yapının toplam yükü ne kadardır? (c) Bu yapının şekli nasıldır? ( d ) Karbon atomunun melezleşmesinin nasıl olmasını beklersiniz?

1.27

Bir önceki problemdeki gibi karbon atomunun üç hidrojen atomuna birli bağla bağlı olduğu, ancak karbon atomunun ortaklaşılmamış elektron çifti içerdiği bir yapıyı gözönüne alınız, ( a ) Karbon atomunun fomıal yükü ne olur? ( b l Yapının toplanı yükü ne kadardır? (c) Bu yapının şekli nasıldır? ( d ) Karbon atomunun melezleşmesinin nasıl olmasını beklersiniz?

1.28

Önceki problemlerdeki gibi karbon atomunun üç hidrojen atomuna birli bağla bağlı olduğu, ancak karbon atomunun eşleşmemiş bir elektronunun bulunduğu bir yapıyı gözönüne alınız, (a) Karbon atomunun fomıal yükü ne olur? ( b ) Yapının toplanı yükü ne kadardır? (c) Bu yapının şekli üçgen düzlemsel olduğuna göre karbon atomunun melezleşmesinin nasıl olmasını beklersiniz?

1.29

Ozon (O,) atmosferin üst tabakalarında bulunur ve orada yüksek enerjili ultraviyole (UV) ışınlarını soğurarak yeryüzünü koruyucu bir ekran görevi görür (bkz. Altbölüm 10.1 İE). Ozonun olası bir rezonans yapısı aşağıdadır:

-.O

(a) Bu yapıdaki atomların formal yüklerini belirleyiniz. (b> Ozon için eşdeğer bir rezonans yapısı daha yazınız, (c) Bu rezonans yapılarına göre, ozonun iki oksijen-oksijen bağının uzunluklarının nasıl olacağını beklersiniz? (d) Yukarıdaki ya pı ve sizin yazdığınız yapı ozon molekülü için açılı bir şekil öngörmektedir. Bu şekil VSEPR kuramıyla uyumlu mudur? Cevabınızı açıklayınız. 1.30

Azür (N, ). iyonunun rezonans yapılarını yazınız. Bu rezonans yapılarının azür iyonundaki bağların aynı uzunlukta olduğunu nasıl gösterdiğini açıklayınız.

1.31

Belirtilen türlerdeki yapı formüllerini yazınız: (a) Formülü C4Hl0O olan yedi ya pı izomeri için çizgi-bağ formülleri, ( b) Formülü C:H7N olan iki yapı izomeri için sıkıştırılmış yapı formülleri, (c) Formülü C,H9N olan iki yapı izomeri için sıkıştırılmış yapı formülleri, ( d ) Formülü C,H,2 olan yedi yapı izomeri için çiz gi-bağ formülleri.

Ek Problemler

* 1.32

Aşağıdaki çiftler arasındaki ilişki nedir? Yani bunlar yapı izomerleri midir, aynı bileşikler midir ya da başka bir şey midir?

1.33

Bölüm 15'te derişik nitrik ve sülfürik asit karıştırıldığında nitronyum iyonunun (N O /) nasıl oluştuğunu göreceğiz, (a) Nitronyum iyonu için bir Lewis yapısı yazınız, (b) VSEPR kuramı N O / iyonu için hangi geometriyi öngörür? (c) N O / ile aynı sayıda elektron içeren bir yapı yazınız.

1.34

Aşağıda verilen atom gruplarından oluşabilecek olası yapı izomerlerinin ya da iyonların çizgi-bağ formüllerini yazınız. Bütün ortaklaşılmamış elektron çiftlerini ve varsa formal yükleri gösteriniz.

Grup

C atomları

H atomları

A B C D E

3 3 3 2 3

6 9 4 7 7

49

Diğerleri 2 Br atomu 1 N atomu ve 1 0 atomu (aynı C’da değil) 1 O atomu 1 N atomu ve 1 proton 1 fazla elektron

Aşağıda sıkıştırılmış molekül formülü verilen bileşiği göz önüne alınız. CH,CHOHCH = CH: 1. Bileşik için çizgili yapı formülünü tam olarak yazınız. 2. Çizgili yapı formülü üzerinde bağlayıcı olmayan bütün elektron çiftlerini gösteriniz. 3. Molekülde bulunabilecek formal yükleri belirtiniz. 4. Her bir karbon ve oksijen atomunun melezleşmesini belirtiniz. 5. Bileşik için yaklaşık bağ açılarını en iyi şekilde gösteren bir üç boyutlu gösterim çiziniz. Kâğıt düzlemindeki bağları normal çizgiyle, kağıdın önündeki bağları koyu kamayla, kağıdın arkasındaki bağları da kesikli kamayla gösteriniz. 6. Üç boyutlu yapınızda bütün bağ açılarını belininiz. 7. Bileşik için bir çizgi bağ formülü yazınız. 8. Her ikisi de ikişer tane sp melezleşmemiş karbon içeren ve molekül formülleri C,H60 olan iki yapı öneriniz. Bu yapılardan birinin bütün karbon atomları doğrusaldır. Yukarıda I - 7 arasında istenenleri bu iki yapı için tekrarlayınız.

Ö ğrenme G P roblem!

rubu

Öğretim elemanını/., bu problemlere Öğrenme Grubu olarak nasıl çalışacağınızı açıklaya caktır.

Tipik Karbon Bileşikleri: Fonksiyonel Gruplar Moleküller Arası Kuvvetler ve İnfrared (İR) Spektroskopisi Yapı H e r ş e y d ir Bir organik molekülün üç boyutlu yapısı ve içerdiği fonksiyonel gruplar onun biyolo jik etkinliğini belirler. Örneğin. Merck vc Co. tarafından üretilen ve AİDS’e (kazanıl mış bağışıklık eksikliği sendromu) karşı mücadelede yaygın olarak kullanılan Crixivan adlı ilacı göz önüne alalım. Crixivan. HIV (insan bağışıklık eksikliği virüsü) proteaz denilen ve AIDS virüsü için ge rekli olan bir enzimi (bir biyolojik katalizör) inhibe eder (etkinliğini giderir). Crixivan, penisilin gibi doğal bir ilaç değildir. Kimyacılar tarafından sentezlenmiştir. Kimyacılar, bilgisayarları ve akılcı kimyasal sentez şemalarını kullanarak, başlangıç noktası oluştu rabilecek temel bir yapıya ulaşmışlardır. Sonra ilaç olarak en uygun güçteki Crixivan ad lı bileşiği buluncaya kadar bu temel yapıya dayanan bir çok bileşik sentezlemişlerdir.

50

Crixivan, HIV proteazm üç bo yutlu yapısıyla oldukça özgü bir yolla etkileşmelidir. Bu etkileş me için çok önemli bir ihtiyaç Crixivanm merkezine yakın bir yerde bulunan hidroksil (OH) grubudur (burada kırmızıyla gösterilmiştir). Bu fonksiyonel grup Crixivam. alkoller denilen ve ileride göreceğimiz, bir grubun üyesi yapar. Crixivanin bu hidroksil grubu. HIV proteaz AIDS virüsünde görevini yerine getirirken oluşan gerçek bir kimyasal ara ürünü taklit eder. Enzime doğal reaktantından daha fazla ilgi duyması nedeniyle Crixivan. HIV proteaza bağlanır. Böylelikle, enzimin HIV bulaşmış hücrelerde normal olarak yaptığı ölümcül etki engellenmiş olur. Kimyacılar Crixivan tasarlarken, sentezledikleri ve denedikleri moleküllerin bir başka özelliğini — suda çözünürlüğünü de— göz önüne alınışlardır. Merck tarafından önce den sentezlenenen bileşikler, vücudun sulu ortamında etkin olacak kadar çözünür değil lerdi. Kimyacılar en sonunda. Crixivana suya karşı büyük ilgi kazandıran bir yan zincir (maviyle gösterilmiştir) ekleyerek bu bileşiklerin sudaki çözünürlüklerini artırmışlardır.

2.1

Ka

r b o n

-

k a r b o n

K O V A L E N T BAĞLARI

Karbonun diğer karbon atomlarıyla kuvvetli kovalent bağlar oluşturma yeteneği, orga nik kimya denilen bir inceleme alanının oluşmasında karbonun en önemli — diğerlerin den daha çok— özelliğidir. Karbon atomunun, bir element olarak, canlı organizmaların çoğu moleküllerini oluşturması da bu özelliği nedeniyledir. Karbonun diğer karbon atom larıyla dörde kadar kuvvetli bağlar oluşturması: hidrojen, oksijen, kükürt ve azot atom larıyla da kuvvetli bağlar oluşturması karmaşık canlı organizmalar için gerekli çok sayıda farklı molekülün oluşmasını sağlar. Bu bölümde organik bileşiklerin, moleküllerinde bu lunan bazı atom gruplarına göre nasıl sıniflandınldıklannı göreceğiz. Organik kimyacı lar bu atom gruplarına fonksiyonel gruplar derler. Bu fonksiyonel gruplar, sınıfının kimyasal ve fiziksel özelliklerinin çoğunu belirler. Biz burada, bir bileşiğin moleküllerinde belirli fonksiyonel grupların bulunup bulun madığını göstermede kullanılan ve infrared (kırmızı ötesi) spektroskopisi denilen bir alet li yöntemi de inceleyeceğiz.

2.2

H İD R O K A R B O N LA R : BAŞLICA A l k a n l a r , A l k e n l e r , ALKİNLER VE A R O M A T İ K B İLEŞİK LER

Hidrokm luml. . adından da anlaşıldığı gibi, molekülleri sadece karbon ve hidrojen içe ren bileşiklerdir. Metan (CH4) ve elan (C:H j hidrokarbondur. Bunlar aııla olarak da bilinen ve üyelerinin karbon atomları arasında çoklu bağlar bulunmayan bir alt gruba ait tirler. Moleküllerinde karbon-karbon ikili bağlan bulunan hidrokarbonlara alkt ve karbon-karbon üçlü bağı bulunanlara da ilkini ı-r denir. Altbölüm 2.2D'de tanıtacağı mız. ve Bölüm 14’te inceleyeceğimiz özel bir halka içeren hidrokarbonlara rokarbonlar denir.

2.1 K arbon-K ar bon K ovalent B ağları 2.2 Hidrokarbonlar: Başlıca Alkanlar. Alkenler, Alkinler ve Aromatik Bileşikler 2.3 Polar Kovalent Bağlar 2.4 Polar ve Polar Olmayan Moleküller 2.5 Fonksiyonel Gruplar 2.6 Alkil Halojenürler veya Haloalkanlar 2.7 Alkoller 2.8 Eterler 2.9 Aminler 2.10 Aldehitler ve Ketonlar 2.11 Karhoksilik Asitler, Amitler ve Esterler 2.12 Nitriller 2.13 Organik Bileşiklerin Önemli Sınıflarının Özeti 2.14 Fiziksel Özellikler ve Moleküler Yapı 2.15 Çekici Elektrik Kuvvetlerinin Özeti 2.16 İnfrared (Kırmızı Ötesi) Spektroskopisi: Fonksiyonel Grupların Belirlenmesi İçin Bir Aletli Yöntem

51

Bölüm 2 / Tipik Karbon Bileşikleri

Genel olarak söylemek gerekirse, alkanlar gibi molekülleri sadece birli bağlar içe ren bileşiklere, bu karbon bileşiklerinin sahip olabileceği en fazla sayıdaki hidrojen bi leşikte bulunduğu için doymuş bileşikler denir. Alkenler. alkinler ve aromatik hidrokarbonlar gibi çoklu bağlı bileşiklere, en fazla sayıdan daha az sayıda hidrojen içer dikleri ve uygun koşullarda hidrojenle tepkime verebildikleri için doymamış bileşikler denir. Bölüm 7'de bu konu daha ayrıntılı görülecektir.

2.2A

c • ı l Metan

Alkanların başlıca kaynağı doğal gaz ve petroldür. Küçük moleküllü alkanlar (metan dan bütana kadar) oda koşullarında gaz halindedir. Molekül kütlesi yüksek olan alkan lar genellikle petrolün damıtılmasıyla elde edilirler. En basit alkan olan metan, bu gezegenin ilk zamanlarındaki atmosferinin en önemli bileşeniydi. Metan, hâlâ dünya at mosferinde çok az miktarlarda da olsa bulunur. Jüpiter. Satürn. Uranüs ve Neptün at mosferlerinin ise temel bileşenidir. Son zamanlarda, dünyadan oldukça uzaktaki (l()16 km) yıldızlar arası uzayda Orion takım yıldızında bulunan ve radyo dalgalan yayınla yan bir uzay cisminde metan belirlenmiştir. Dünyada metan, doğal gazın başlıca bileşenidir. Amerika Birleşik Devletleri günü müzde doğal gaz rezervlerini yüksek bir hızla tüketmektedir. Doğal gaz bileşenlerinin endüstri için önemli olması nedeniyle, alternatif kaynak olarak kömür gazlaştırma yön temleri geliştirilmeye çalışılmaktadır. Bazı canlı organizmalar karbon dioksiı ve hidrojenden metan üretirler. Metanojenler denilen bu ilkel canlılar dünyanın belki de en eski organizmalarıdır ve bunların ev rimsel gelişmede ayrı bir yeri vardır. Metanojenlcr sadece anaerobik (oksijensiz) ortamda canlı kalabilirler. Bunlar, okyanus çukurlarında, çamurda, lağımda ve sığırların işkem belerinde bulunurlar.

2.2B

J

İL Eten

Alk anlar

A lk e n l e r

En basit iki alken olan eten ve propen Amerika Birleşik Devletleri*nde üretilen en önem li endüstri kimyasalları arasındadır. Ülkenin kimya endüstrisi her yıl 13,5 milyon ton dan fazla eten ve yaklaşık 7 milyon ton propen üretir. Eten birçok endüstriyel bileşiğin üretiminde başlangıç maddesi olarak kullanılır. Bu bileşiklerden bazıları etanol, etilen oksit, etanal ve polietilen polimeridir (Altbölüm 10.10). Propen. polipropilen polimeri (Altbölüm 10.10 ve Özel Konu A) üretiminde kullanılır. Diğer kullanımlarının yanın da. aseton ve kümen sentezinde de (Altbölüm 21.4) propen başlangıç maddesi olarak kullanılır. Eten doğada bir bitki hormonu olarak da bulunur. Domates ve muz gibi meyveler tarafından doğal olarak üretilir ve bu meyvelerin olgunlaşmalarını sağlar. Yeşil meyve lerin taşınması sırasında daha az zarar görmeleri nedeniyle, yeşil olarak toplanan doma tes ve muzların olgunlaşmasını sağlamak için eten, günümüzde ticari meyve endüstrisinde geniş çapta kullanılmaktadır. Doğal olarak oluşan birçok alken vardır. Bunlardan ikisi aşağıda verilmiştir:

/2-Pinen (terebentinin bir bileşeni)

Kir yaprak biti uyarı feromonu

2.2 Hidrokarbonlar: Başlıca Alkanlar. Alkenler. Alkinler ve Aromatik Bileşikler

2. 2C

A lk in le r

En basit alkin etindir (asetilen de denir). Alkinler doğada bulunurlar ve laboratuvarda sentezlcnebilirler. Friedrich Wohler kalsiyum karbürle suyun tepkimesiyle 1862'de eti ni sentezlemiştir. Bu yolla elde edilen elin, eskiden madencilerin kask lâmbalarında kul landıkları gibi, karpit lâmbalarında vakit olarak kullanılır. Etin yüksek sıcaklıkta yandığı için kaynak alevlerinde kullanılır. Çoklu üçlü bağları olan alkinler güneş sistemimizin dış uydularının atmosferinde bu lunmaktadır. H. W. Kroto (Sussex Üniversitesi. İngiltere) siyanopoliinler denilen bile şiklerin yıldızlar arası uzayda bulunduğunu belirlemiştir. (Kroto buckminster fullerenleri bulması nedeniyle 1996 Nobel kimya Ödülü'nü paylaşmıştır. Altbölüm I4.8C.) Biyosentez kökenli binlerce bileşik arasında iki alkin örneği, bir antifungal (mantar lara karşı etkili) bileşik olan kapillin ve pentobarbital metabolizmasının inhibitörü olan bir doğal deniz ürünü daktilindir. Etinil estradiol, ağızdan alman gebelik önleyicilerde estrojen benzeri özellikleri nedeniyle kullanılan sentetik bir alkindir.

O

2.2D Benzen: A r o m a t i k Hi dr o k a r b o n l a rı n Temsilcisi: Aromatik hidrokarbonlar olarak bilinen doymamış halkalı hidrokarbonlar grubunu Bö lüm 14'te ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. olarak bilinen bileşik, aromatik bile şiklere en iyi örnektir. Benzen ilk defa August Kekule (Altbölüm 1.3) tarafından önerildiği için Kekule yapısı denilen birli ve ikili bağların birbirini izlediği altılı bir hal ka şeklinde gösterilir. H H

H

H

?H Benzenin Kekule yapısı

H

Kekule yapısının çi/.gi-hağ gösterimi

Kekule yapısı benzen bileşikleri için sıkça kullanıldığı halde bu gösterimin yetersiz ve yanlış olduğu konusunda yeterli kanıt vardır. Örneğin. Kekule yapısının belirttiği şe kilde benzende birli ve ikili bağlar birbirini izliyorsa, halkanın karbon-karbon bağları nın uzunlukları da karbon-karbon birli ve ikili bağlarında olduğu gibi (Şekil 1.30) sırasıyla uzun ve kısa olmalıdır. Gerçekte ise benzende bütün karbon-karbon bağları aynı uzunluktadır (1.39 Â) ve karbon-karbon birli bağıyla karbon-karbon ikili bağı ara-

j

j

Etin

53

54


sında bir değerdedir. Bu sorunu iki ayrı yoldan açıklayabiliriz: rezonans kuramıyla ya da moleküler orbital kuramıyla. Rezonans kuramını kullandığımızda, benzeni eşdeğer iki Kekule yapısı halinde dü şünebiliriz:

-O Benzene katkıda bulunan iki Kekule yapısı

o Rezonans melezinin bir gösterimi

Rezonans kuramı ilkelerine dayanarak (Altbölüm 1.8), benzenin bu yapılardan her biri tarafından tek başına gösterilemeyeceğini, ancak bu iki yapının bir melezi olarak düşü nülebileceğini anlarız. Bu melezi ortasında bir halka bulunan altıgenle gösteririz. Kar şılaştığımız bütün karbon-karbon bağlarının nasıl aynı uzunlukta olduğu problemini rezonans kuramıyla çözmüş oluruz. Rezonans kuramına göre bağlar sırasıyla birli ve ikili bağlar değildir, bu ikisinin rezonans melezidir: birinci rezonans yapıdaki ikili bağ ikinci rezonans yapıdaki bir birli bağdır ya da tersi. Bundan dolayı, hiitiin karhon-karbon bağlarının, bir birli bağla bir ikili bağ arasında bir bağ uzunluğuna sahip birer ve yarımşar bağlardan oluşan aynı bağlar olduğunu düşünmeliyiz. Bu sonuç, gerçekten bul duğumuz sonuçtur. Bölüm 14'te daha ayrıntılı açıklayacağımız moleküler orbital kuramına, benzen hal kasının karbon atomlarının sp2 melezleşmiş olduğunu kabul etmekle başlayacağız. Bun dan dolayı, her bir karbon atomu bir lobu halka düzleminin üstünde ve diğer lobu da altında bulunan bir p orbitaline sahiptir.

Benzende katkı sağlayan p orhitallerinin şematik bir gösterimi Yukarıdaki p orbitalleri gösteriminde belirtilmemekle birlikte, her bir/? orbitalinm hal kanın üstünde ve altındaki lobu, her iki yandaki atomların p orbitalinin loblarıyla örtüşür. p Orbitallerinin bu şekilde örtüşmesi halkanın bütün karbon atomlarını kapsayan moleküler orbitalleri oluşturur. Bundan dolayı, bu p orbitallerindeki (her bir orbitalde bir tane) altı elektron halkadaki allı karbon atomuna dağılm ıştır. Elektronların bu da ğılımı bütün karbon-karbon bağlarının nasıl eşit ve aynı uzunlukta olduğunu açıklar. Altbölüm 14.7B'de nükleer manyetik rezonans spektroskopisini incelediğimizde, elekt ronların dağılımının inandırıcı fiziksel kanıtlarını göreceğiz.

2.3 Polar Kovalent Bağlar

2.3

Po

lar

K

o v a l e n t

Ba

ğ la r

Şimdiye kadar başlıca, atomlarının elektroncgatillikleri arasında fark olmayan ya da çok az fark olan karbon-karbon vc karbon-hidrojen bağlarını içeren molekülleri inceledik. (Elektronegatiflik ilk kez Altbölüm 1.4’te tartışıldı.) Birazdan, fonksiyonel gruplar (Altbölüm 2.5) denilen atom gruplarını incelemeye başlayacağız. Fonksiyonel grupların çoğu elektronegatiflikleri farklı atomlar içerirler. İlk olarak, farklı elektronegatiflikteki atom lar arasındaki bağların bazı özelliklerini gözden geçirmekte yarar vardır. Farklı elektronegatifliğe sahip atomlar kovalent bir bağ oluşturduğunda, elektronlar bu atomlar arasında eşit olarak paylaşılmaz. Elektronegatifliği büyük olan atom, elekt ron çiftini kendine doğru çeker ve bir polar kovalent bağ oluşur. (Elektronegatifliğin bir tanımı da, bir elementin bir kovalent bağda ortaklaştığı elektronları kendine çeke bilme yeteneğidir: bkz. Altbölüm I.4A.) Böyle bir polar kovalent bağa örnek hidrojen klorürdekidir. Elektronegatifliği büyük olan klor atomu bağ elektronlarını kendine doğ ru çeker. Bunun sonucunda hidrojen atomunu elektronca fakirleştirir vc onun kısmî po zitif yüklü (5+) olmasını sağlar. Klor atomu elektronca daha zengin olur ve bir kısmî negatif yük (S— ) taşır. s*

55

Elektronegatiflik ve bağ polarlığı kavramları, molekuler özelliklerin ve etkinliğin anlaşılmasına büyük katkı sağlayacaktır.

6-

H : Cl: Hidrojen klorür molekülünde kısmî pozitif ve kısmî negatif uçlar olduğu için molekül dipoldür (iki kutuplu) ve bir dipol momenti vardır.

Bir dipol

Şekil 2.1 hidrojen klorür için bir top ve çubuk modelini ve elektron yoğunluğu yüze yinde bir elektrostatik potansiyel haritasını göstermektedir. Dipol moment, deneysel olarak ölçülebilen fiziksel bir özelliktir. Dipol moment, elekt rostatik birim (esu) cinsinden yük büyüklüğüyle bu yükler arasındaki santimetre (cm) cinsinden uzaklığın çarpımıdır. Dipol moment = yük (esu)

X

uzaklık (cm)

jU = e X d Yükler genellikle 10 10 esu ve uzaklıklar da 10 * cm dolayındadır. Bu nedenle di pol momentlerde 10 ~ 18 esu cm dolayındadır. Kolaylık olması bakımından bu 1 x 10 ~ 18

Şekil 2.1 (a I Hidrojen klorür için bir top ve çubuk modeli. (b\ Hidrojen klorür için daha fazla negatif yüklü bölgeleri kırmızıyla ve daha fazla pozitif yüklü bölgeleri maviyle gösteren hesaplanmış bir elektrostatik potan siyel haritası. Negatif yük belirgin olarak klora yakın yerleşmiştir ve molekülde kuvvetli bir dipol moment oluşmuştur.

t

la)

56


esu cm birimi bir debye olarak tanımlanır ve kısaca D harfiyle gösterilir. (Bu birim. Hollanda'da doğan. Cornell Üniversitesinde 1936 ile 1966 arasında görev yapan Peter J. W. Debye’nin adını taşımaktadır. Debye 1936*da Nobel Ödülü kazanmıştır.) Polar bir bağın polarlık yönü -I—► şeklinde vektörle gösterilir. Bunun artı şeklin deki ucu pozitif, okun ucu ise negatif ucu gösterir. (pozitif uç)

t ► (negatif uç)

Örneğin HCI’de. dipol momentin yönünü aşağıdaki şekilde belirtiriz: H — Cl Gerekirse dipol momentin büyüklüğünü belirtmek için okun uzunluğu kullanılabilir. Altbölüm 2.4*te de göreceğimiz gibi, bileşiklerin fiziksel özelliklerinin belirlenmesinde di pol momentler oldukça yararlı niceliklerdir.

Pr o bl em 2.1

► Aşağıdaki moleküllerin her biri için (eğer varsa) dipol momentin yönünü belirtiniz: (a) HF, (b)IBr. (c) Br2, (d)F 2

2.4

Po

lar

ve

Po

O

la r

lm a y a n

M

o lek ü ller

Önceki kısımda dipol momentleri incelerken, sadece basit diatomik molekülleri göz önü ne almıştık. İki atomu farklı (bu nedenle de farklı elektronegatifliklere sahip) olan bü tün diatomik moleküllerin bir dipol momenti vardır. Eğer Çizelge 2.1 'i incelersek, ikiden fazla atomdan oluşan bazı moleküllerin (örneğin. CCI4. CO: ) polar bağları olduğu hal de dipol momentlerinin olmadığını görürüz. Moleküllerin şekilleriyle ilgili bilgilerimiz den (Altbölüm 1.12 - 1.16) yararlanarak bunun nasıl olduğunu anlayabiliriz. Karbon tetraklorür (CCI4) molekülünü göz önüne alalım. Klorun elektronegatifi iği karbonunkinden daha büyük olduğu için CCI4’teki her bir karbon-klor bağı polardır. Her bir klor atomunun kısmî bir negatif yükü vardır ve karbon atomu da oldukça pozi tiftir. Bununla birlikte, karbon tetraklorür molekülü düzgün dörtyüzlü (Şekil 2.2) oldu ğundan pozitif yiikiin merkeziyle negatif yükün merkezi çakışır ve bunun sonucunda molekülün net bir dipol momenti olmaz.

Çizelge 2.1 Bazı Basit Moleküllerin Dipol M omentleri Formül

fJ (D)

Formül

4

/i (D)

H;

0

ch

C l2

0

CH,CI

1.87

HF

1.91

C H 2C 1j

1.55

HCI

1.08

CHCI,

1.02

HBr Hl

0.8 0

C CI 4

0

0.42

BF,

0

0.24

co.

0

NH, NF, H.O

0

1.47 1.85

2.4 Polar vc Polar Olmayan Moleküller

Şekil 2.2 Karbon tetraklorurde yük dağılımı.

8-

Bu sonuç biraz farklı bir yolla da gösterilebilir: Eğer her bir bağın polarlık yönünü belirten oklar ( -*—► ) kullanırsak, bağ momentlerinin Şekil 2.3'te gösterilen düzenini elde ederiz. Bağ momentleri, düzgün dörtyüzlü olarak düzenlenmiş eşit büyüklükte vek törler olduklarından birbirlerinin etkilerini yok ederler. Bunların vektör toplamı sıfırdır. Molekülün net dipol momenti yoktur. Kloromeian molekülü (CH,CI) 1.87D’lik net bir dipol momente sahiptir. Karbon ve hidrojenin elektronegatiflikleri (Çizelge 1.2) hemen hemen aynı olduklarından üç C — H bağının net dipole katkısı ihmal edilebilir. Karbonla klor arasındaki elektrone gatiflik farkı büyük olduğundan. CH,CI'nin dipol momenti başlıca bu oldukça polar C — Cl bağından dolayıdır (Şekil 2.4).

H

/ı=

0

I)

Şekil 2.3 Eşit bağ momentlerinin düzgün dörtyüzlü yönlenmesi, bun* ların etkilerinin birbirlerini yok etmelerine neden olur.

57

1.87 I) Şekil 2.4 klorometamn dipol momenti başlıca oldukça polar kar* bon-klor bağından kaynaklanır,

Bor triflorürün (BF,) dipol momenti yoktur (/i = 0). BF,*ün VSEPR kuramıyla •< öngörülen geometrisinin, bu sonuçla nasıl doğrulandığını açıklayınız.

P ro b l e m 2 .2

Tetrakloraetenin (CC1, = CC12) dipol momenti yoktur. CCI: = CCI2,nin şeklini göz "< önüne alarak bunu açıklayınız.

P ro b l e m 2.3

58


P ro bl em 2.4

>

Kükürt dioksitin (S 0 2) dipol momenti (fi = 1.63 D) olduğu halde karbon dioksitin (CO:) dipol momenti (fi = 0) yoktur. Bu sonuçlar, bu iki molekülün geometrileri hakkında ne ifade eder?

Su ve amonyağın dipol momentlerine ortaklaşılmamış elektron çiftleri büyük katkı sağlarlar. Ortaklaşılmamış çift, negatif yükünü kısmen nötralize edecek başka bir ato ma bağlı olmadığı için, merkezî atomdan öteye büyük bir dipol moment sağlar (Şekil 2.5). (O — H ve N — H momentleri de önemli miktarlardadır.) Şekil 2.5 Su ve amonyağın bağ momentleri ve bunların sonucunda oluşan net dipol momentleri.

QÎJ

z o —

moment

H

Net dipol m om ent

H H

H

H

P ro bl em 2.5

► Üç boyutlu bir formül kullanarak, CH,OH'ün dipol momentinin yönünü gösteriniz.

P ro bl em 2.6

► Triklorometanın (CHC1,, kloroform da denir) CFCI,'ten daha büyük bir dipol momenti vardır. Üç boyutlu yapılarını ve bağ momentlerini kullanarak bu sonucu açıklayınız.

2.4A A lk en le rd e Dipol M o m e n t l e r Alkenlerin cis-trans izomerlerinin (Altbölüm 1.13B) farklı fiziksel özellikleri vardır. Bun ların farklı erime noktalan ve kaynama noktaları olduğu gibi cis-trans izomerleri dipol momentlerinin büyüklüğü bakımından da oldukça farklıdır. Çizelge 2.2’de iki çift cistrans izomerinin fiziksel özellikleri özetlenmiştir.

Çizelge 2.2 Bazı C is -Tra n s İzo m erlerin Fiziksel Özellikleri Bileşik m -l, 2 .Dikloroeten trans- 1 ,2 ,Dikloroeten cis-1.2-Dibromoetcn trans-1,2-Dibromoeten

P ro b l e m 2.5

Erime Noktası (°C) -8 0 -5 0 -53 - 6

Kaynama Noktası (°C) 60 48 112.5 108

Dipol Moment (D) 1.90 0

1,35 0

► Aşağıdaki bileşiklerin her birinde önemli bağ momentlerinin yönünü belirtiniz (C — H bağlarım ihmal ediniz). Molekül için net dipol momentin yönünü de belirt melisiniz. Eğer net dipol moment yoksa fi = 0 olarak yazınız. (a) C7 5 -CHF = CHF (c)C H 2 = CF 2 (b) trans-CUF = CHF (d) CF 2 = CF 2

P ro bl em 2.6

► Aşağıdaki alkenlerin hepsi için yapı formüllerini yazınız, (a) formülü C;H;Br2 olan ve (b) formülü C 2Br2Cl2 olan. Her bir durumda bileşikleri cis-trans izomerler olarak belirtiniz. Her birinin dipol momentini tahmin ediniz.

2.5 Fonksiyonel Gruplar

2.5

FO N K SİYO N EL GRUPLAR

Yapı kuramının bir büyük olumlu tarafı, çok sayıda organik bileşiği yapılarına dayana rak oldukça az sayıda gruplarda sınıflandırmamızı sağlamasıdır. (Bu kitabın ön kapağı nın iç tarafında bu gruplardan çok önemli olanları verilmiştir.) Belirli bir sınıftaki bileşiklerin molekülleri, belirli bir düzendeki atomlardan oluşan ve lonksiyonel nıp de nilen grupların bulunmasıyla tanınır. Bir fonksiyonel grup, molekülün kimyasal tepkimelerinin çoğunun gerçekleştiği kıs mıdır. Bu kısım, bileşiklerin kimyasal özelliklerini (ve çoğu fiziksel özelliklerini de) be lirler. Örneğin, bir alkenin fonksiyonel grubu karbon-karbon ikili bağıdır. Bölüm 3 ’te alkenlerin tepkimelerini ayrıntılı olarak incelediğimizde, alkcnlerin kimyasal tepkime lerinin çoğunun, karbon-karbon ikili bağının kimyasal tepkimeleri olduğunu göreceğiz. Bir alkinin fonksiyonel grubu, karbon-karbon üçlü bağıdır. Alkanların fonksiyonel grubu yoktur. Bunların moleküllerinin karbon-karbon birli bağları ve karbon-hidrojen bağları vardır, ancak bu bağlar organik bileşiklerin neredeyse tamamının moleküllerin de bulunur. Genel olarak, bu C — C ve C — H bağları yaygın fonksiyonel gruplardan çok daha az etkindir.

2.5A

59

Fonksiyonel gruplar, organik moleküllerin özel likleri ve etkinlikleri hakkındaki bilgilerimizi düzenlemede bize yardım edecektir.

Alkil G ru p l a rı ve R Se mbo lü

Alkil rııpları. bileşiklerin adlandırılması amacıyla belirlemiş olduğumuz gruplardır. Bu grupları, bir alkandan bir hidrojen çıkararak elde edebiliriz.

Alkan

Alkil Grubu

Kısaltılması

ch4

Me —

Metan

C H ,— Metil grubu

CH,CH, Klan

CH,CH: — Etil grubu

Et —

CH,CH2CH, Propan

CH,CH2CH2 — Propil grubu

Pr —

c h 3c h 2c h ,

CH3CHCH3 yada CH,CH —

/-Pr —

Propan

İzopropil grubu

A -

ç°

;)

Alkil grupları

Metan ve etandan sadece birer alkil grubu (sırasıyla metil ve etil grupları) türediği hal de propandan iki grup türeyebilir. Uç karbonlardan birinden bir hidrojen çıkarılmasıy la propil denilen grup, ortadaki karbon atomundan bir hidrojen çıkarılmasıyla da izopropil denilen grup oluşur. Bu grupların adları ve yapıları organik kimyada çok sık kullanıldığı için, bunları şimdi öğrenmelisiniz. Bütan ve diğer hidrokarbonlardan türe yen dallanmış alkil gruplarının adları ve yapıları için Altbölüm 4.3*e bakınız. Burada, ilerideki tartışmalarımızın çoğunu basitleştirebilmek için, organik molekül lerin genel yapılarını göstermede yaygın olarak kullanılan bir sembolü ilk defa kullana-

60


cağı/.: R sembolünü. R, herhangi bir alkil grubunu göstermek için bir genel sembol olarak kullanılır. Örneğin. R: metil grubu, etil grubu, propil grubu ya da izopropil gru bu olabilir. CH — c h ,c h 2—

CFKCH^CH,— CH,CHCH,

Metil Etil 1 Propil i İzopropil 1

Bunların hepsi

R «e gösterilebilir

Bu nedenle, bir alkanın genel formülü R — H'dir.

2.5B

Fenil ve Benzil G ru pl a rı

Benzen halkası, bir molekülde diğer atomlara bağlanmışsa fenil grubu adını alır ve de ğişik şekillerde gösterilebilir: ya da

yada C6 H5— yada Ph— yada d>— yada Ar— (eğer halkada sübstitüentler varsa) Fenil grubunun farklı gösterimleri Bir fenil grubu ve — CH: — den oluşan gruba benzil grubu denir.

ya da Bn — Ben/il grubunun farklı gösterimleri

2.6

1°, 2°, 3° sembollerini kul lanmamıza rağmen birinci derece, ikinci derece ve uçuncu derece demeyiz; birincil, ikincil ve üçüncül deriz.

A

l k Il

H

a lo jen ü r ler

v eya

H

a l o a l k a n l a r

Alkil halojenürler. bir alkanın bir hidrojen atomunun bir halojen atomuyla (flor. klor, brom ya da iyot) yer değiştirildiği bileşiklerdir. Örneğin. CH,CI ve CH,CH:Br alkil halojenürdür. Alkil halojenürlcre haloalkanlar da denir. Alkil halojenürler. birincil (1°). ikincil (2°) ya da üçüncül (3°) olarak sınıflandırılır lar. Bu sınıflandırma halojenin doğrudan bağlı olduğu karbon atomuna göre yapılır. Eğer halojenin bağlı olduğu karbon atomu yalnızca başka bir karbon atomuna bağlıysa, karbon atomu birincil karbon atomudur ve alkil halojenür birincil alkil halojenür ola rak sınıflandırılır. Eğer halojenin bağlı olduğu karbon atomu başka iki karbon atomuna bağlıysa, karbon atomu bir ikincil karbondur ve alkil halojenür de ikincil alkil halojenürdür. Benzer şekilde, halojenin bağlı olduğu karbon diğer üç karbon atomuna bağ lıysa karbon bir üçüncül karbondur ve alkil halojenür de üçüncül alkil halojenürdür. Birincil, ikincil ve üçüncül alkil halojenür örnekleri aşağıda verilmiştir: 2° karbon

1° karbon

7/

— c — C1

1

H 1° Alkil klurür

H 1

V

H— C —c - - c — H 1I I I H cı H 2° Alkil klorur

3° Karbon a y CH,— c — CI | CH, 3° Alkil klorur

2.7 Alkoller

(a) C4H:Br formülündeki yapı izomeri olan birincil iki alkil bromür için (b) ikincil < P r o b l e m 2.5 bir alkil bromür için ve (c) aynı formüldeki üçüncül bir alkil bromür için yapı for müllerini yazınız. Organik bileşiklerin adlandırılmasını ileride her bir sınıfı ayrıntılı olarak < gördüğümüzde inceleyecek olmamıza karşın, alkil halojenürlerin adlandırılmasında kullanılan bir yöntem burada açıklayacağımız kadar basittir. Halojene bağlı alkil grubunu basit olarak adlandırıp sonuna floriir, kloriir. bromür ya da iyodür kelimesi ni ekleriz, (a) Etil florür ve (b) izopropil klorürün formüllerini yazınız. (c) CH,CH:CH:Br. (d) CH,CHFCH, ve (e) C6H5rn ın adları nedir?

2.7

A

lko ller

Metil alkol (daha sistematik olarak metanol denir), alkoller olarak bilinen organik bi leşikler sınıfının en basit üyesidir ve CH,OH yapı formülüne sahiptir. Bu sınıfın kendi ne özgü fonksiyonel grubu, sp3 melezleşmiş karbon atomuna bağlı hidroksil (OH) grubudur. Bir diğer alkol örneği ise etil alkoldür. CH,CH2OH (etanol da denir).

— C— Ö— H lt " , Itu bir alkolün fonksiyonel grubudur. Yapısal olarak alkoller iki şekilde düşünülebilir: ( I ) alkanların hidroksi türevleri ola rak ve (2) suyun alkil türevleri olarak. Örneğin etil alkol, etan molekülündeki bir hid rojenin bir hidroksil grubuyla yer değiştirdiği ya da su molekülündeki bir hidrojenin bir etil grubuyla yer değiştirdiği bir bileşik olarak düşünülebilir. Etil grubu

CH ,CH,

Etan

Etil alkol (etanol)

Su

Alkil halojenürlerde olduğu gibi alkoller de üç grupta sınıflandırılır: birincil (1°), ikincil (2°) ya da üçüncül (3°) alkoller. Bu sınıflandırma, hidroksil grubunun bağlı ol duğu karbon atomunun sübstitüsyon derecesine bağlıdır. Eğer karbon atomuna sade ce bir başka karbon bağlıysa karbon birincil karbondur ve alkol de birincil alkoldür.

P ro b l e m 2.6

61

62


1° Karbon H — C— C —O — H I I " H H

CH:OH

(îeraniol (gül kokusunda Talkulı

Klil alkol (1° alkol)

Ben/il alkol (l°alkol)

Eğer hidroksil grubunu taşıyan karbon atomuna bağlı iki ayrı karbon atomu varsa, bu karbona ikincil karbon denir ve alkol de ikincil alkoldür. ÇHj 2° karbon H

H /H

H— C— C— C — H 1 1 1 H :0 : H 1 H İzopropil alkol (2° alkol)

k

H,C

y CH / \

oh

ch3 Mentol (nane yağında bulunan 2 alkol)

Eğer hidroksil grubunu taşıyan karbon atomuna bağlı üç ayrı karbon atomu varsa, bu karbona üçüncül karbon denir ve alkol de üçüncül alkoldür. H I H— C— H

OH

:Q : H ier-Butil alkol (3° alkol)

Noretindron (keton grubu, karbon-karbon ikili ve uçlu bağlarıyla birlikte 3° alkol grubu içeren, ağı/dan alınan bir gebelik önleyici)

P ro bl em 2.11

► C3HmO formülüne sahip (a) iki birincil alkol (b) bir ikincil alkol ve (c) bir üçüncül alkol için yapı formüllerini yazınız.

P ro bl em 2. 12

► Alkolleri adlandırmanın bir yolu d a — OH grubuna bağlı alkil grubunu adlandırmak ve sonra alkol kelimesini eklemektir, (a) Propil alkol ve (b) izopropil alkolün yapılarım yazınız.

2.9 Aminler

2.8

Et e r l e r

Eterler. R — O — R y a d a R — O — R' genel formülündeki bileşiklerdir. Burada R' bir alkil (ya da fenil) grubudur ve R’den farklı olabilir. Eterler, iki hidrojenin alkil grupla rıyla yer değiştirdiği su türevi olarak düşünülebilir. Oksijen atomundaki bağ açısı eter lerde sudakinden çok az büyüktür. R \

.. O,

*

ya da

R

CH,

R' \

..

noe Ç o :

A

CH, Dimetil eter (tipik bir eter)

R

Eterlerin genci formülü 1 .. 1 —c —o —c — 1 " 1 Bir eterin fonksiyonel grubu

h 2c — c h 2

\ / 0 Etilen oksit

>

U

O Tetrahidrofuran (THK) Halkalı iki eter

Eterleri adlandırmanın bir yolu, oksijene bağlı alkil gruplarının adlarının alfabetik ^ olarak sıralanması ve sonuna eter kelimesinin eklenmesidir. Örneğin, dimetil eter de olduğu gibi iki alkil grubu da aynıysa di- ön ekini kullanırız, (a) dietil eter (b) etil propil eter ve (c) etil izopropil eter için yapı formüllerini yazınız, (d) CH,OCH;CH:CH, (e) (CH,)2CHOCH(CH,)2 ve (f) CH,OC,Hs formülündeki eter lere hangi adları verirsiniz?

2.9

A

m în le r

Alkoller ve eterlerin, suyun organik türevleri olarak düşünüldükleri gibi aminlerde amon yağın organik türevleri olarak düşünülebilir. H— N — H

R—N— II

H

H

Amonyak

Amin

11

11

C6H
H \C H :CH:CH:C H ,\I

:N H ,

Amfetaıııin (tehlikeli bir uyarıcı)

Putressin (kokmuş ette bulunur)

Aminler birincil, ikincil ya da üçüncül olarak sınıflandırılırlar. Bu sınıflandırma, azot atomuna bağlı alkil gruplarının sayısına göre yapılır: R— N — H

R— N — H

R— N — R"

I H

R'

R'

Birincil 11°) amin

İkincil (2°) amin

tçuncul (3°) amin

Bu sınıflandırmanın, alkollerin ve alkil halojenürlerin sınıflandırılmasından farklı oldu ğuna dikkat ediniz. Örneğin izopropilamin, — NH2 grubu ikincil bir karbon atomuna

P ro b l e m 2.13

63

64


bağlı olduğu halde birincil bir amindir. Bu. azot atomuna sadece bir organik grup bağ lı olduğu için birincil bir amindir. H H H I I I H— c — c — c — H H

H : NH,

İ/opropilamin (1 amin)

Piperidin (halkalı 2 amin)

P ro bl em 2.14

► Aminleri adlandırmanın bir yolu, azota bağlı alkil gruplarının alfabetik olarak sıralan ması. eğer gruplar aynıysa di- ve tri- ön eklerinin kullanılmasıdır. (CH,);CHNH: için izopropilamin adı bu adlandırmaya bir örnektir, (a) propilamin. (b) trimetilamin ve (c) etilizopropilmetilaminin formüllerini yazınız, (d) CH 3CH 2CH 2NHCH(CH ,)2 (e) (CH,CH 2CH2),N ve (f) C 6 H,N(CH,)2’nin adı nedir?

P ro b l e m 2.15

► Problem 2.14*teki aminlerden hangisi (a) birincil amin (b) ikincil amin ve (c) üçüncül amindir?

Aminler, üçgen piramit şekilleriyle amonyağa (Altbölüm 1.I6B) benzerler. Trimetilaminin C — N — C bağ açıları, metanın H — C — H bağ açılarına çok yakın bir de ğer olan 108.7°*dir. Bu nedenle aminlerin azot atomunun genellikle sp x melezi olduğu kabul edilebilir. Bunun sonucu olarak, ortaklaşılmamış elektron çifti bir sp orbitalinde bulunur ve oldukça geniş bir yer kaplar. İleride de göreceğimiz gibi, ortaklaşılmamış elektron çifti, aminlerin tepkimelerinin tamamına yakınında rol oynadığı için önemli dir.

Bağ açısı = 108,7°

P ro bl em 2.16

► Aminler zayıf baz olarak amonyağa benzerler. Bunu, ortaklaşılmamış elektron çift lerini proton alımında kullanarak gerçekleştirirler, (a) Trimeıilaminle HCI arasında gerçekleşecek tepkimeyi gösteriniz, (b) Bu tepkime ürünündeki azot atomu için hangi melezleşme halini öngörürsünüz?

2.10

A L D E H İ T L E R VE K E T O N L A R

Aldehitler ve ketonlar, karbonil grubunu içeren bileşiklerdir. Karbonil grubunda bir karbon atomu bir oksijen atomuna ikili bağla bağlanmıştır.

2.10 Aldehitler ve Ketonlar

\ /

c=o;

karbonil grubu

Aldehitlerde karbonil grubu en az bir hidrojen atomuna ketonlarda ise iki karbon atomuna bağlanmıştır. Aldehitlerin genel formülünü R sembolünü kullanarak şu şekil de gösterebiliriz. O' II R— C— H

R grubu H de olabilir,

ve ketonlar için genel formül olarak O" II R— c — R

•'o'* yada

II R— C ~ R'

(burada R' grubu R'den farklı bir alkil grubudur) yazabiliriz. Aldehit ve ketonlara bazı örnekler aşağıda verilmiştir. ALDEHİTLER

KETONLAR

O* II H— c — H

O’ II CH,— C — CH,

Formaldehit

Aseton

‘

Ö* II CH3— C — H

CH;CH:— C — CH,

Asetaldehit

K.til ıneti) keton

0

O* CbH,— C - H Beıı/aldehit

\ / H

/

c= c

\

C— H II .o . /ra/if-Sinnanıaldehit (tarçında bulunur)

Karvon (bahçe nanesinden elde edilir)

Aldehit ve ketonların, karbonil karbonu etrafındaki gruplar üçgen düzlemsel yapı dadır. Karbon atomu sp2 melezleşmiştir. Örneğin, formaldehitte bağ açıları aşağıdaki gibidir:

65

66


2.1 I

Ka

r b o k s İl î k

A

s itler

, A

m İt l e r

ve

Ester

ler

2.1 I A Karboksilik Asitl er O

O

Karboksilik asitler R — C — O — H genel formülündeki bileşiklerdir. — C— Ö — H. fonksiyonel grubuna karboksil grubu (karbonil + hidroksil) denir. , / J: R— C \» O— H

yada

R(’0 :H

yada

■(

RCOOH

S°'

yada

— CO;H

yada

— COOII

Ö— H Karboksilik asit

Karboksil grubu

Karboksilik asit örnekleri; formik asit, asetik asit ve benzoik asittir. O: yada H— C V. O— M

HCO H

yada

HCOOH

yada

CH,COOII

yada

C6 H5( <>OH

Formik asit

✓ °* CH,— C

yada

CH,CO M

O—H Asetik asit

O: y

yada

ChH5CO;ll

OH Itcıı/oik asit

Formik asit karıncalar tarafından üretilen kaşındırıcı bir sıvıdır. (Karıncanın oluşturdu ğu kaşıntı, derinin altına salgıladığı formik asit nedeniyledir.) Asetik asit, sirkenin ekşi tadından sorumludur. Bu asit şarabın etil alkolüne bazı bakterilerin etkisi ve etil alko lün hava tarafından yükseltgenmesi sonucunda oluşur.

2 .1 I B Am itler Amitler RCONH:. RCONHR' ya da RCONR'R" genel formülündeki bileşiklerdir. Baş lıca örnekleri şunlardır; 0

: c h 3c

C H ,t nh2

Asetamit

/° S NIICH,

- Meni asetamit

,/°

CH,C

3 V-

N— CH,

CHj \ -Dimclılasetamit

N — ve N.N— azot atomuna bağlı sübstitüentleri belirtmektedir.

2.1 IC Esterler Esterler RCO,R' (ya da RCOOR') genel formülündeki bileşiklerdir.

R— C

yada

RCO:R'

yada

RCOOR'

Ö — R' Ksterlerin genel formülü

CH,— C

yada

CH3CO:CH 2CH,

yada

CH3COOCH2CH 3

OCH 2CH, Ktil asetat denilen o/el bir ester Esterler, bir asit ve bir alkolden bir molekül suyun ayrılmasıyla elde edilirler. Örneğin:

S CHj— C

O

O + IIOCH CH

OH Asetik asit

H*

►CH3— C

+

II,o

OCH >CH, Ktil asetat

Ktil alkol

2 . 1 2 Nİ t r î l l e r Nitrillcr. R — C = N: (ya da R — CN) genel formülündeki bileşiklerdir. Nitrilin, kar bon ve azotu sp melezleşmiştir. IUPAC sistematik adlandırılmasında halkalı olmayan nitriller, karşılıkları olan hidrokarbonun adına nitril son ekinin eklenmesiyle adlandırı lırlar. — C — N grubunun karbon atomuna 1 numara verilir. CH,CN için kabul edilen yaygın ad asetonitril ve CH 2 = CHCN için ise akrilonitrildir. 2 ı CH?— C = N :

CH,CH2CH2 — C = N :

Ktaıınitril

Kutannitril

4

3

2

I

(asetonitril)

3

2

1

C H ,= CH — C = N : Fropennitril (akrilonitril)

3

4

3

2

1

CH, = CHCH:CH.— C = N : 4-l’entennitril

Halkalı nitriller — CN grubunun bağlı olduğu halkanın adına karhonitril son ekinin eklenmesiyle adlandırılırlar. QHşCN için kabul edilen yaygın ad benzonitrildir.

N: Ben/enkarbonitril (ben/onitril)

Sikloheksankarbonitril

Çizelge 2.3

O r g a n i k Bileşiklerin Öneml i Sınıfları Sınıf Alkan

Alken

\romatik

\lkln

Haloalkan

Alkol

Eter

CH,CH;C1

CH,CH2OH

CH,OCH,

IUPAC adı

Etan

Eten

Etin

Benzen

Kloroetan

Etanol

Metoksimetan

Yaygın adı 1

Elan

Etilen

Asetilen

Benzen

Etil klorür

Etil alkol

Dimetil eter

Genel formülü

RH

RCH = CH RCH = CHR R,C = CHR R2C = c r 2

RC=CH RC=CR

ArH

RX

ROH

ROR

Fonksiyonel grubu

C— H ve c —C bağlan

X

CH: = CH2

X

CH,CH,

u III u

Özel örnek

1

1

1

Aromatik halka

1

u III u

\ / c=c / \

—o —

0

1 .. 1 .. 1 —C—OH —c —o —c — 1 " 1 " 1

Bu adlar IUPAC tarafından da kabul edilmiştir.

2.13

Fonksiyonel gruplar

O R G A N İK B İLEŞİKLERİN Ö N E M L İ SIN IFLA R IN IN Ö Z E T İ

Organik bileşiklerin önemli sınıflarının bir özeti Çizelge 2.3’te verilmiştir. Bu fonksi yonel gruplan, daha kamıaşık moleküllerde gördüğünüzde belirleyebilmeniz için öğren melisiniz.

2.14

FİZ İK S E L Ö Z E L L İK L E R VE M O L E K Ü L E R

YAPI Şimdiye kadar, organik bileşiklerin en belirgin özelliklerinden biri olan fiziksel halleri veya fazları hakkında çok az bahsettik. Belirli bir maddenin katı, sıvı ya da gaz halin de mi olduğunu deneysel çalışmalarımızda ilk gözlemler olarak not ederiz. Fazlar ara sı geçişlerin olduğu sıcaklıklar, yani erime noktaları (en) ve kaynama noktaları (kn) en kolay ölçülen ll/iksel özelliklerdendir. Erime noktaları ve kaynama noktaları organik bileşiklerin saflaştırılmasında ve belirlenmesinde de yararlıdır. Örneğin, oda sıcaklığında ve 1 atnı basınçta sıvı olduğu bilinen bir organik bileşiği sentezlediğimizi düşünelim. Eğer amaçladığımız ürünün kaynama noktasını, yan ürünleri ve tepkime karışımındaki çözücülerin kaynama noktalarını bilirsek ürünümüzü saflaştırmak için basit bir damıtmanın yeterli olup olmayacağına karar verebiliriz. Bir diğer durumda ürünümüz katı olabilir. Bu durumda maddeyi kristallendirmeyle saflaştırmak için erime noktasını ve farklı çözücülerdeki çözünürlüğünü bilmemiz ge rekir.

68

Sınıf Amin

O II

Rarhoksilik Asit

Keton

Aldehit

O

O

II

II

Ester

Amit

0 II

0 I

Nitril

CH,NH:

CH,CH

CH,CCH,

CH,COH

CH,COCHj

CH,CNH:

C H ,C = N

Metanamin

Etanal

Propanon

Etanoik asit

Metil etanoat

Etaııamit

Etannitril

Metilamin

Asetaldehit

Aseton

Asetik asit

Metil asetat

Asetanıit

Asetonitril

0 II

RNH,

O

R,NH R,N

RCH

0 II

II

O

I

RCR'

RCOH

RCNH, O

0 II

II

RCOR'

RCNHR'

RCN

O II

RCNR'R"

1

1

Ö' II

1

—c —c —c— 1 1

O’ II ..

— c — OH

O' II

..

1

*Ö* II .. — C— N —

Z III u 1

1

—C — N—

Ö* II — C— H

1 u—

..

O: 1 u 1

1

1

Bilinen organik bileşiklerin fiziksel sabitleri, el kitaplarında ve diğer kaynak kitap larda kolaylıkla bulunabilir.* Bu bölümde incelediğimiz bileşiklerden bazılarının erime ve kaynama noktaları Çizelge 2.4’te sıralanmıştır. Buna karşın, araştırmalar sırasında daha önceden bilinmeyen yeni bir bileşik sentezlenebilir. Bu durumlarda, yeni bileşiğin saflaştırılmasındaki başarı, onun erime noktası, kaynama noktası ve çözünürlükleri hakkında doğru tahminler yapmaya bağlıdır. Bu makroskopik fiziksel özelliklerin tahmin edilmesi, bu özelliklerin bağlı olduğu, maddenin en olası yapısının ve moleküller ya da iyonlar arasındaki kuvvetlerin bilinmesine daya nır. Faz değişimlerinin olduğu sıcaklıklar, bu moleküller arası kuvvetlerin gücünün bir belirtecidir. * Kullanışlı iki cl kitabı Handbook o f Chemistry; Lange. N. A., Ed; McGraw-Hill: New York ve CRC Handbook of Chemistry and Physics; CRC: Boca Raton, FL.'dir.

Ç iz e lg e 2.4 T ip ik Bileşiklerin Fiziksel Özellikleri en kn (°C) Yapısı (1 alıııl Bileşik (°C) Metan Etan Eten Etin Klorometan Kloroetan Etil alkol Asetaldehit Asetik asit Sodyum asetat Etilamin Dietil eter Etil asetat

ch4

CH ,CH, CH, = CH: HC = CH CH,CI CH,CH:CI CH,CH:OH CH,CHO CH,CO:H CH,CO:Na CH,CH;NH; (CH CH ı o CH,CO;CH;CH,

-182.6 -183 -169 -8 2 -9 7 -138.7 -115 -121 16.6 324 -8 0 -116 -8 4

-162 -88.2 -102 —84 sübl" -23.7 13,1 78,5 20 118 decJ 17 34,6 77

* Bu çizelgede boz = bozunur ve sübl = süblimleşir anlamındadır.

69

70


Erime noktası ölçümünde kullanılan bir alet

2.I4A

A '

1

Molekül yapısının fiziksel özellikleri nasıl etkilediğinin anlaşılması deneysel organik kimyada oldukça yararlıdır.

İy o n - İ y o n Kuvvetleri

Bir maddenin erim e noktası, oldukça düzenli krital haliyle daha gelişigüzel olan sıvı hali arasında bir denge olduğu sıcaklıktır. Eğer, madde sodyum asetat (Çizelge 2.4) gi bi iyonik bir bileşikse, kristal halde iyonları bir arada tutan kuvvetler, düzenli kristal ya pıdaki pozitif ve negatif iyonlar arasındaki güçlü elektrostatik örgü kuvvetleridir. Şekil 2 .6 'daki her bir sodyum iyonu negatif yüklü asetat iyonları tarafından ve her bir asetat iyonu da pozitif sodyum iyonları tarafından çevrilmiştir. Kristalin düzenli yapısını par çalayıp sıvının düzensiz açık yapısına dönüştürmek için fazla miktarda ısı enerjisi ge rekir. Bunun sonucunda sodyum asetatın eridiği sıcaklık oldukça yüksektir, 325°C’dur. İyonik bileşiklerin kaynama noktası oldukça yüksektir, öyle ki iyonik organik bileşik lerin pek çoğu kaynamadan önce bozunurlar. Sodyum asetat da böyle bir davranış gös terir.

Na'

ch 3co 2-

2.14 Fiziksel Özellikler ve Moleküler Yapı

71

H e s a p l a n m ı ş M ol ek ül M o d e ll e r i: E l e k t r o s t a t i k P o t a n s i y e l H a r i t a l a r ı H a k k ı n d a D a h a F a z l a Bilgi Karbonat iyonu (Şekil 1.3), hidrojen klorür (Şekil 2.1) ve aşağıda bulunan aseton (Şekil 2.7) için olan renkli kodlanmış elektrostatik potansiyel haritala rını henüz gördük. Elektrostatik potansiyel harita sı, hesaplanmış elektron yoğunluğu yüzeyinin (Altbölüm 1.12) renkli kodlanmış bir haritasıdır. Bu kitapta gösterdiğimiz elektrostatik potansiyel modellerinin çoğu, bir molekülün düşük elektron yoğunluğu yüzeyinin (Altbölüm 1.12) haritasıdır. Bir molekülün elektron yoğunluk yüzeyi, bir mo leküldeki elektron yoğunluğunun ulaşabileceği yaklaşık en fazla uzaklığı temsil eden yüzeydir (bu yüzeye van der Waals yüzeyi de denmektedir). Elektrostatik potansiyel haritasına bir diğer örnek, burada gösterilen dimetil eterinkidir. Elektrostatik potansiyel haritasında, molekülün "dıştaki" elektronları (yani diğer molekülün elektronlarını) çok kuvvetle çektiği bölgeler mavi renktedir ve bu bölge ler genellikle molekülün en pozitif yüklü yerleridir. (Pozitif yük diğer moleküllerden elektron çeker.) Molekülün "dıştaki" elektronları kuvvetle iten bölgeleri elektrosta tik potansiyel haritasında kırmızı renktedir ve bu bölgeler genellikle negatif yük böl gelerini belirtir. Renk kodları şöyle sıralanabilir: mavi (diğer molekülden elektronu en çok çeken) ile başlayıp kırmızıya (diğer molekülden elektronları en az çeken ya da en fazla iten) kadar giden renkler. Bir molekülün düşük elektron yoğunluğu yüzeyi için elektrostatik potansiyel ha ritasını gösterdiğimizde, sadece molekülün genel şeklini göstermekle kalmayıp yü zeyindeki yük dağılımını da göstermiş oluruz. Elektrostatik potansiyel modelleri kullanarak bir molekülün elektron dağılımını diğerininki ile kıyaslayabiliriz ve ase ton için Şekil 2.7'de gösterdiğimiz gibi bir molekülün diğer molekül elektronlarıyla etkileşmesini öngörebiliriz.

2.I4B

A Elektron yoğunluğu yüzey leri ve elektrostatik potan siyel haritaları.

D ipol-D ipol Kuvvetleri

Birçok organik molekül tam iyonik değildir, fakat bağ elektronlarının düzenli dağılma masından kaynaklanan (Altbölüm 2.4) kalıcı dipol momentlere sahiptirler. İçerdikleri karbonil grubunun oldukça polar olması nedeniyle aseton ve asetaldehit kalıcı dipolü olan moleküllere örneklerdir. Bu bileşiklerde moleküller arasındaki çekim kuvvetlerini göz önüne getirmek daha kolaydır. Sıvı ya da katı halde dipol-dipol çekimleri, bir mo lekülün pozitif ucunun diğerinin negatif ucuna gelecek şekilde yönelmesini sağlar

Şekil 2.7 Aseton molekülleri için elektro statik potansiyel modelleri. Ku modellerde ase ton moleküllerinin, kısmen pozitif bölgeleriyle kısmen negatif bölgelerinin çekimlerine (dipoldipol etkileşmelerine) göre nasıl yönlendikleri görülmektedir.

72


2 . 14C H id ro je n Bağlan Küçük vc kuvvetli elektronegatif atomlara (O. N ya da F) bağlı hidrojen atomlarıyla bu tür diğer elektronegatif atomların bağ yapmayan elektron çiftleri arasında oldukça kuv vetli dipol-dipol çekimleri oluşur. Moleküller arası kuvvetlerin bu türüne hidrojen İki ğı denir. Hidrojen bağı (bağ ayrışma enerjisi 4 - 38kJ mol 1 arasındadır) normal kovalent bağdan daha zayıf ancak asetonda oluşan dipol-dipol etkileşmelerinden daha kuvvetli8-

^ ‘r ’

8+

5-

8+

: Z — H ......... : Z — H

I

I

Hidrojen bağı (kırınızı noktalarla gösterilmiştir) Z. kuvvetli elektronegatif bir elementtir ve genellikle oksijen, azot ya da flordur. Hidrojen bağları ve dipol dipol çekimleri

İki bileşiğin de aynı molekül kütlesinde olmalarına karşın, etil alkolün kaynama nok tasının (+ 78.5°C). dimetil eterinkinden (-24,9°C ) yüksek olmasının nedeni hidrojen ba ğıdır. Oksijen atomuna kovalent bağla bağlı hidrojen atomu bulunan etil alkol molekülleri birbirleriyle kuvvetli hidrojen bağları oluşturabilirler. CH,CH:

„

\ ^ 8-

.6 —

8+

b -/n

\

CH:CH,

Noktalı bağ bir hidrojen bağıdır. Kuvvetli hidrojen bağları, bir O, N ya da F atomuna bağlı hidrojeni olan moleküllerle sınırlıdır.

Kuvvetli elektronegatif bir atoma bağlı hidrojen atomu bulunmaması nedeniyle dimetil eter molekülleri birbirleriyle kuvvetli hidrojen bağları oluşturamazlar. Dimetil eterde mo leküller arası kuvvetler zayıf dipol-dipol etkileşmeleridir.

Pr o bl em 2 . 17

V

Aşağıdaki her bir bileşik çifti aynı (ya da benzer) molekül kütlesine sahiptir. Her bir çiftteki hangi bileşiğin kaynama noktasının daha yüksek olmasını beklersiniz? Cevaplarınızı açıklayınız. (a)CH,CH:CH 2CH:OH veya CH,CH:OCH:CH,. (b) (CH,),N veya CH,CH:NHCH;. (c) CH,CH:CH,CH:OH veya HOCH,CH,CH:OH.

Organik bileşiklerin birçoğunun erime noktasını etkileyen bir etken de (polarlık ve hidrojen bağına ek olarak), her bir molekülün sıkı istiflenmiş olması ve esnekliğinin az lığıdır. Simetrik moleküllerin genellikle anormal yüksek erime noktaları vardır. Örneğin /cr-bütil alkol diğer izomerik alkollere kıyasla daha yüksek erime noktasına sahiptir. CH, I CH,— C — OH CH, /rr-Butil alkol (en 25°C)

P ro bl em 2 . 18

CH,CH:CH,CH:OH

CH, I CH,CHCH,OH

CH,CH:CHOH

Bulil alkol
İzobutil alkol (en -108°C)

se/r-Butil alkol ten-ll4°C)

► Propan ya da siklopropandan hangisinin erime noktasının daha yüksek olacağını beklersiniz? Cevabınızı açıklayınız.


73

2 . I 4 D van der Waa ls Kuvvetleri Metan gibi polar olmayan moleküllerden oluşmuş bir maddeyi göz önüne aldığımızda kaynama noktası ve erime noktasının oldukça düşük olduğunu görürüz: sırasıyla -182.6°C ve -162°C. "Metan neden düşük sıcaklıklarda erir ve kaynar?" sorusunu sor mak yerine "İyonik olmayan ve polar olmayan metan nasıl sıvı ya da katı olur?" soru sunu sormak daha uygun olacaktır. Bu sorunun cevabını, van der VVaals kuvvetleri (ya da I.ondon kuvvetleri ya da dağılma kuvvetleri) denilen moleküller arası çekim kuvvetleriyle açıklayabiliriz. Bu van der VVaals kuvvetlerinin tam açıklanması kuantum mekaniğiyle yapılabilir. Ancak bu kuvvetlerin nedenini şu şekilde göz önüne getirebiliriz. Polar olmayan bir mo lekülde (metan gibi) ortalama yük dağılımı belli bir zaman aralığında düzgündür. Her hangi bir anda ise. elektronların hareketi nedeniyle elektronlar ve yük düzgün olarak dağılmayabilir. Herhangi bir anda elektronlar molekülün bir kısmında biraz fazla biri kebilir ve bunun sonucunda geçici küçük bir dipol oluşur (Şekil 2.8). Bir moleküldeki bu geçici dipol. etrafındaki moleküllerde zıt (çekici) dipolleri oluşturur. Bir molekülün negatif (ya da pozitif) yüklü kısmı diğer molekülün yakın kısmının elektron bulutunu etkileyerek bu dipolü oluşturur. Bu geçici dipoller sürekli değişir ancak bunların oluş masının net sonucu olarak polar olmayan moleküller arasında çekim kuvvetleri oluşur ve bunların sıvı ve katı hallerde bulunmalarını sağlar.

van der Waals (London) kuvvetleri

Şekil 2.8 Elektronların herhangi hir anda düzgün olmayan dağılımı sonucun da polar olmayan moleküllerde oluşan geçici dipoller ve indüklenmiş dipoller. van der Waals kuvvetlerinin büyüklüğünü belirleyen bir önemli etken atomlardaki elektronların bağıl polarlanabilme yetenekleridir. Polarlanabilme. elektronların deği şen elektrik alanına karşılık verebilme becerisidir. Bağıl polarlanabilme. elektronların gevşek ya da sıkı tutulmalarına bağlıdır. Örneğin halojenlerde polarlanabilme F < C I < B r < I sırasıyla artar. Elektronları oldukça sıkı tutulduğu için flor atomları ol dukça düşük polarlanabilme gösterir, çünkü elektronları çekirdeğe yakındır. İyot atom ları büyüktür ve bu nedenle de kolaylıkla polarlanabilirler. İyotun değerlik elektronları çekirdekten uzaktır. Ortaklaşılmamış elektron çiftleri bulunan atomlar sadece bağlayıcı çiftleri olanlara kıyasla genellikle daha fazla polarize olabilirler. Bu nedenle bir halo jen sübstitüenti benzer büyüklükteki alkil grubundan daha fazla polarlanabilir. Çizelge 2.5'te bir çok basit bileşik için van der VVaals kuvvetlerinin ve dipol etkileşmelerinin bağıl büyüklükleri verilmiştir. Kuvvetli hidrojen bağları olan molekküller dışında van Ç iz e lg e 2.5 B a s it K o v a le n t B ile ş ik le r d e Ç e k im E n e r jile r i Çekim Enerjileri (kJ moL1) Erime Dipolvan der Kaynama Dipol Dipol VVaals Noktası (
1.85 1.47 1.08 0.80 0.42

36143-

8 .8

0

100

15 17

-78 -115

0 .8

22

-8 8

0,03

28

-51

-33 -85 -67 -35

- Bu dipol-dipol çek im le rin e h id ro jen b ağ ları d enir.

74


Mikroolçekli bir damıtma düzeneği

der Waals kuvvetlerinin dipol-dipol etkileşmelerinden çok daha önemli olduğuna dik kat ediniz. Bir sıvının buhar basıncının sıvının üzerinde bulunan atmosfer basıncına eşit oldu ğu sıcaklığa o sıvının kaynama noktası denir. Bu nedenle sıvıların kaynama noktaları basınca bağlıdır ve kaynama noktaları belirli bir basınçta örneğin. I atm'de (ya da 760 torr'da) olarak belirtilir. Bir bileşik 1 atm basınçta 150°C’da kaynıyorsa, basınç düşü rüldüğünde. örneğin 0 , 0 1 torr (vakum pompasıyla kolaylıkla ulaşılabilen bir basınç) ba sınçta, oldukça düşük sıcaklıkta kaynar. Bir sıvı için verilen normal kaynama noktası onun I atm deki kaynama noktasıdır. Bir sıvıyı gaz haline getirdiğimizde bileşiğin molekülleri (ya da iyonları) birbirle rinden bir hayli uzaklaşır. Bu nedenle iyonik bileşiklerin çoğu kez kaynamadan önce neden bozunduklarını anlayabiliriz. İyonları tamamen ayırmak (buharlaştırmak) için ge rekli ısı enerjisi çok büyük olduğundan kimyasal tepkimeler (bozunmalar) daha önce gerçekleşir. Moleküller arası kuvvetlerin çok zayıf olduğu polar olmayan bileşikler 1 atm basınç ta bile genellikle düşük sıcaklıklarda kaynarlar. Bu her zaman doğru değildir. Henüz söz etmediğimiz diğer etkenler de vardır: molekül kütlesi ve molekül büyüklüğü etki leri. Ağır moleküller, sıvının yüzeyinden ayrılmaya yetecek hıza ulaşmak için daha bü yük ısı enerjisine ihtiyaç duyarlar. Ağır moleküllerin yüzeyleri daha büyük olduğundan genellikle moleküller arası van der Waals çekimleri de daha büyüktür. Bu etkenler, po lar olmayan etanın (kn -88.2°C) metana (kn - I62°C) kıyasla 1 atm basınçta daha yük sek sıcaklıkta kaynamasını açıklar. Aynı zamanda, latm ’de. polar olmayan daha ağır ve daha uzun dekan (C|„H22) molekülünün neden +174°C’da kaynadığını da açıklar. Aynı molekül kütlesindeki hidrokarbonlara kıyasla, florokarbonların (sadece karbon ve flor içeren bileşikler) oldukça düşük kaynama noktaları vardır. Örneğin. C,F,, formülün deki florokarbon. oldukça yüksek molekül ağırlığına sahip olmasına rağmen pentandan (C«H,,) daha düşük sıcaklıkta kaynar. Bu davranışı açıklayan önemli etken, flor atomla rının, önceden bahsettiğimiz, oldukça düşük olan polarlanabilmesi nedeniyle oldukça kü çük van der VVaals kuvvetlerinin oluşmasıdır. Teflon | -f- CF;CF: -F )n, bkz Altböiüm 1().10| denilen florokarbonun kendisinin yağlama özelliğinden "yapışmayan" kızartma ta valarının ve hafif rulmanların yapılmasında yararlanılır.

2.I4E

Çözünürlükle ilgili nitel öngürümler yapabilme becerisi organik kimya laboratuvarında çok yararlıdır.

Çözünürlükler

Maddelerin çözünürlüklerinin açıklanmasında moleküller arası kuvvetler birinci önem dedir. Bir katının bir sıvıda çözünmesi çoğu yönlerden katının erimesine benzer. Katı nın düzenli kristal yapısı parçalanır ve çözeltide moleküllerin (ya da iyonların) gelişigüzel dağılımı gerçekleşir. Çözünme işleminde moleküller ya da iyonlar birbirlerinden ayrıl malıdır ve her iki değişim için gerekli enerji sağlanmalıdır. Örgü enerjilerini ve mole küller arası ya da iyonlar arası çekimleri yenmek için gerekli enerji, çözünen ve çözücü arasında oluşacak yeni çekim kuvvetleriyle sağlanır. Bir iyonik maddenin çözünmesini örnek olarak göz önüne alalım. Burada hem örgü enerjisi hem de iyonlar arası çekimler büyüktür. Bu nedenle iyonik bileşikleri çözebil mek için su ve sadece birkaç diğer polar çözücünün uygun olacağını görürüz. Bu çözü cüler, iyonları hidratize ya da solvatize ederek iyonik bileşikleri çözerler (Şekil 2.9). Polarlıklarının büyük olması yanında küçük yapılan nedeniyle de su molekülleri, kris tal yüzeyinden ayrılmış bağımsız iyonlan oldukça etkin olarak çevreleyebilirler. Pozi tif iyonlar, su moleküllerinin pozitif iyona doğru yönlenmiş negatif ucu tarafından çevrelenirler, negatif iyonlar da bunun tersine solvatize olurlar. Su oldukça polar ve kuv-


6+

S+

A

\ 5#s*

\

t f -

k«-

o |

+

- s #

J

J

J

/ O i «s+

«S-

Ç /.ın m J

>/°X.

.. «5-

°+

O jİ* +

*

- ks+ )o I 6 -

Şekil 2.9 İyonik bir katının suda çözünmesi. Pozitif ve negatif iyonların oldukça polar su molekül leri tarafından hidrasyonu görülmektedir. İyonların su molekülleri tarafından üç boyutlu olarak kuşatılması burada iki boyutlu olarak gösterilmiştir.

J -

~

+ -

X O A Ö-

vetli hidrojen bağları oluşturabilme yeteneğinde olduğu için dipol-iyon çekim kuvvet leri de büyüktür. Bu kuvvetlerin oluşumuyla sağlanan enerji kristalin hem örgü enerji si hem de iyonlar arası çekimleri-yenecek kadar büyüktür. Çözünürlükleri öngörmek için basit bir kural "benzer benzeri çözer"dir. Polar ve iyo nik bileşikler, polar çözücülerde çözünmeye elverişlidir. Polar sıvılar genellikle birbirleriyle karışırlar. Polar olmayan katilar genellikle polar olmayan çözücülerde çözünürler. Buna karşın, polar olmayan katilar polar çözücülerde çözünmezler. Polar olmayan sıvı lar genellikle birbirleriyle karışırlar, fakat polar olmayan sıvılar ve polar sıvılar "yağ ve su gibi" karışmazlar. Metanolle su her oranda karışabilir; etanolle su. ve propil alkolle su karışımları da böyledir. Bütün bu alkollerde alkil grupları bağıl olarak küçüktür ve moleküller alkana değil daha çok suya benzerler. Bunların çözünürlüğünü anlayabilmemiz için bir diğer etken bunların birbirleriyle kuvvetli hidrojen bağları oluşturabilmeleridir. CH,CH2 \e -/ .O.

Hidrojen bağı 5

<-

H

\

/ ..c u

H

Eğer alkolün karbon zinciri uzunsa su içerisinde az çözündüğünü görürüz. 10 kar bon atomundan oluşan bir zincire sahip olan deşil alkol (aşağıdaki yapıya bakınız) su da oldukça az çözünür. Deşil alkol sudan çok alkana benzer. Deşil alkolün uzun karbon zinciri hidrofobiktir (hidro. su; fobik, korkan ya da sakınan -"sudan sakınan" anlamın dadır). Molekülün daha küçük bir kısmı olan OH grubu hidrofiliktir. {filik, seven ya da arayan su arayan" anlamındadır). (Diğer taraftan, deşil alkol, kloroform gibi daha az polar çözücülerde iyi çözünür). Hidrofobik kısım * '> c h ,c h ; c h 2 c h : c h : c h : c h : c h : c h : c h : o h < Deşil alkol

l

Hidrorıiik grup

Uzun alkol zincirleri gibi polar olmayan grupların, sulu ortamda neden çözünmedik leri hidrofobik etki denilen karmaşık bir etkiyle açıklanır. En önemli etkenin sudaki

75

Yağ ve su

76


yeğlenmeyen entropi değişimi olduğu görülmektedir. Entropi değişimleri (Altbölüm 3.9) bağıl olarak daha düzenli halden daha düzensiz hale ya da bunun tersine değişim le ilgilidir. Düzenliden düzensize değişim yeğlenirken, düzensizden düzenliye değişim yeğlenmez. Su tarafından polar olmayan bir hidrokarbon zincirinin çözülmesi için su moleküllerinin zincir etrafında daha daha düzenli bir yapı oluşturmaları gerekir ve bu nedenle de bu entropi değişimi yeğlenmez.

2 . I 4 F Suda Ç ö z ü n ü r l ü k İçin İpuçları Organik kimyacılar genellikle 100 mL suda en az 3 g organik bileşik çözündüğünde, bi leşiği suda çözünür olarak tanımlarlar. Bir hidrofilik grup içeren — ve bu nedenle de kuvvetli hidrojen bağları oluşturabilen — bileşikler için aşağıdaki yaklaşımları önerebi liriz: Bir ile üç karbon atomlu bileşikler suda çözünür, dört ya da beş karbon atomlu bi leşikler sınır durumundadır ve altı ya da daha fazla karbon atomlular çözünmez. Bir bileşik birden fazla hidrofilik grup içerirse bu öngörüler geçerli olmaz. Polisakkaritler (Bölüm 22), proteinler (Bölüm 24) ve nüklcik asitler (Bölüm 25) binlerce kar bon atomu içerirler ve bunların çoğu suda çözünür. Bunlar binlerce hidrofilik grup içerdikleri için suda çözünürler.

2 . I 4 G Bi yokim yada Moleküller arası Ku vv et le r Proteinlerin a - sarmal yapısında hidrojen bağları (kırmızı noktalı çizgiler) [Şeklin telif hakkı © Irwing Geis, tarafından Yoet I).; Voet J. (i. Biochemistry, 2nd ed., Wiley: New York, 1995; p 146'dan alınmıştır ve burada izinle kullanılmıştır.]

İleride canlı organizmaları oluşturan moleküllerin özelliklerini ayrıntılı olarak inceleme fırsatı bulduğumuzda hücrelerin işlevlerinde moleküller arası kuvvetlerin nasıl çok önemli rol oynadıklarını göreceğiz. Hidrojen bağı oluşumu, polar grupların hidrasyonu ve polar olmayan grupların polar ortamlardan uzaklaşma eğilimi, karmaşık protein moleküllerinin en uygun şekli almalarına, bunun sonucunda da biyolojik katalizör ola rak inanılmaz etkinlik kazanmalarına neden olur. Aynı etkenler hemoglobin molekülü nün oksijen taşımak için gerekli şekli almasına neden olur. Bu etkenler proteinler ve lipit denilen moleküllerin hücre zarı olarak görev yapmasını sağlarlar. Hidrojen bağla rı bazı karbohidratlara yuvarlak şekil vererek, bunların hayvanlarda gıda depolanmasın da oldukça etkili olmasını sağlar. Diğer karbonhidratlara ise doğrusal sen bir şekil vererek, bunların bitkilerde iyi birer yapı bileşeni olmasını sağlar.

2 . 1 5 Ç EK İCİ ELEKTR İK K U V V E TLE R İN İN Ö Z E T İ Moleküller ve iyonlar arasında oluşan çekim kuvvetlerinden şimdiye kadar inceledikle rimiz çizelge 2 . 6 da özetlenmiştir.

Moleküller arası çekim kuvvetleri

2 . 1 6 İN F R A R E D (KIRMIZI Ö T E S İ ) S P E K T R O S K O P İŞ İ: F O N K S İ Y O N E L G R U P L A R IN B EL İR L E N M E S İ İÇİN B îr A l e t l î Y ö n t e m İnfrared (İR) spektroskopisi değişik fonksiyonel grupların bulunup bulunmadığını be lirlemede kullanılan basit ve hızlı bir aletli tekniktir. Bütün spektroskopilcrde olduğu gibi İR spektroskopisi de moleküllerin ya da atomların elektromanyetik ışınla etkileş mesine dayanır. Bölüm 9 ’da elektromanyetik ışının ayrıntılı özelliklerine değineceğiz, fakat infrared ışınıyla organik moleküllerin etkileşimini tanımlamaya şimdi burada an latacaklarımız yeterli olacaktır. İnfrared ışınları, organik bileşiklerin atomlarının ve atom gruplarının bunları bağla yan kovalent bağlar etrafında artan genlikte titreşmelerine neden olur. (Bazı molekülle rin görünür, ultraviyole ya da yüksek enerjili ışınla etkileştiğinde gözlenen elektron uyarımı için infrared ışını yeterli enerjide değildir.) Organik moleküllerin fonksiyonel

2.16 İnfrarcd Spektroskopisi: Fonksiyonel Grupların Belirlenmesi İçin Bir Aletli Yöntem

77

Çizelge 2.6 Çekici Elektrik Kuvvetleri Elektrik Kuvveti Katyon-anyon (bir k ristald e)

Bağıl Kuvveti

Türü

Çok kuvvetli

© ©

Kuvvetli (140-435 kJ mol ')

Ortaklaşılmış elektron çiftleri

Kovalent bağlar

Örnek Lityum florür kristal örgüsü H — H (435 kJ mol“') CH3— CHj (370 kJ m o l1) 1— 1(150 kJ mol*')

Suda Na‘ (bkz. Şekil 2.9) İyon-dipol

Orta

Dipol-dipol (hidrojen bağları dahil)

Ortayla zayıf arası (4-38 kJ mol-')

van der Waals

Değişken

Geçici dipol

Metan molekülleri arasındaki etkileşmeler

grupları, bağlı atomların fonksiyonel gruba özgü düzenlenmesiyle oluştuğundan infra red enerjisinin organik molekül tarafından soğurulması molekülün belirgin fonksiyonel grubunda bulunan bağların tipine ve atomlara özgü bir şekilde gerçekleşir. Gerçekleşen bu titreşimler, spektrumun infrared kısmının belirli bölgelerindeki İR enerjisinin bile şikler tarafından soğurulmasıyla oluşan kuantlaşmış titreşimlerdir. Bir infrared spektrometresi (Şekil 2.10) bir İR ışın demetini örnek içinden geçirerek ve örnekten çıkan ışını bir karşılaştırma ışınıyla karşılaştırarak çalışır. Örnek tarafından

Şekil 2.10 Çift ışın demetli bir infrared spektrometresinin şeması. ISkoog I). A.; Holler. F. J.; Nieman, T. A. Principles o f Insturmental Analysis. 5th ed., Saunders: New York, 1998: s 398’den alınmıştır.]

78


soğurulan herhangi bir frekans, ışın demetleri arasındaki farkla görülecektir. Spektrometre, sonuçları, absorbansa karşılık frekans ya da dalga boyu olarak gösteren bir gra fik olarak çizer. Bir İR soğurma bandının (ya da pikinin) yeri, santimetrenin tersi (cm ') olarak öl çülen ve frekansla ilgili birim cinsinden olan dalga sayısıyla ( v ) ya da mikrometre (//m : eski adı mikron, f j ) olarak ölçülen dalga boyuyla (A) belirtilir. Dalga sayısı, ışın demetinin her santimetresinde dalganın titreşim sayısıdır ve dalgaboyu. bu titreşimlerin iki tepesi arası uzaklıktır. v = — (A. cm olarak) A

K).(KK)

ya da

A

(A,/mı olarak)

Kovalent bağlar titreştiklerinde, atomları bağlayan minicik yaylar gibi hareket eder ler. Atomlar sadece belirli frekanslarda, bu frekanslara "ayarlanmış" gibi titreşim yapa bilirler. Bu nedenle kovalent bağlı atomların sadece belirli titreşim enerji düzeyleri vardır ve bu düzeyler kuantlaşmıştır. Molekülün bir titreşim enerji düzeyinden diğerine uya rılması. belirli dalga boyunda ya da frekansta bulunan ve bu nedenle de belirli enerji deki (A£ = /iv olduğundan) İR ışınının soğurulmasıyla gerçekleşir. Moleküller değişik şekillerde titreşebilir. Kovalent bağla bağlı iki atom, bir yayla bağlı varsayılan atomların ileri-geri hareketlerinde olduğu gibi, gerilme titreşimi yapar.

Bir gerilme titreşimi Üç atom da değişik gerilme ve bükülme titreşimleri yapabilir.

A

A

Simetrik gerilme

Asimetrik gerilme I

A

A

Düzlem içi bir eğilme titreşimi (makaslama)

Düzlem dışı bir eğilme titreşimi (burulma)

Bir İR spektrumunda belirli bir gerilme titreşiminin frekansı iki etkene bağlı olabi lir. Bunlar bağlı atomların kütleleri— hafif atomlar ağır olanlara kıyasla daha yüksek frekanslarda titreşirler— ve bağın bağıl sertliğidir. Üçlü bağlar ikili bağlara kıyasla da ha serttirler (ve daha yüksek frekanslarda titreşirler); ikili bağlar da birli bağlardan da ha serttirler (ve daha yüksek frekanslarda titreşirler). Bu etkenlerden bazılarını Çizelge 2.7 de göreceğiz. C — H. N — H v e O — H gibi hidrojen (hafif bir atom) içeren grup ların gerilme frekanslarının hepsinin, diğerlerine kıyasla yüksek frekanslarda olduğuna dikkat ediniz:

2.16 İnfrared Spektroskopisi: Fonksiyonel Grupların Belirlenmesi İçin Bir Aletli Yöntem

Çizelge 2.7 Grupların Belirgin İnfrared Soğurmaları Frekans Aralığı (cm-1)

Grup

Şiddeti"

A. Alkil C — H (gerilme) İzopropil. — CH(CH3)2 ve rer-Bütil , — C(CH3)3 ve

2853-2962 1380-1385 1365-1370 1385-1395 -1365

(o - k) (k) (k)

(o) (k)

B. Alkenil C — H (gerilme) C = C (gerilme) R — CH = CH2 ve r 2c

= ch2

-

3010-3095 1260-1680 985-1000 905-920 880-900

(o)

675-730 960-975

(k) (k)

-3300 2100-2260

(k) (d)

-3030

(d)

(d) (k) (k) (k)

(düzlem dışı C — H eğilmeleri)

cri-RCH = CHR /ratti-RCH = CHR C. Alkinil = C — H (gerilme) C = C (gerilme)

D. Aromatik Ar — H (gerilme) Aromatik sübstitüsyon türü (C — H düzlem dışı eğilmeleri) Monosübstitüe o-Disübstitüe m-Disübstitüe

ve

ve p-Disübstitüe

690730 735 680 750800 -

710 770 770 725 810 860

(cok (cok (k) (k) (çok (çok

k) k)

k) k)

E.Alkoller , Fenoller ve Karbosilik Asitler 0 — H (gerilme) Alkoller, fenoller (seyreltik çözeltiler) Alkoller, fenoller (hidrojen bağlı) Karboksilik asitler (hidrojen bağlı)

3590 - 3650 3200 - 3550 2500 - 3000

(keskin, d) (geniş, k) (geniş, d)

163016901680 1735 17101630-

1780 1740 1750 1750 1780 1690

(k) (k) (k) (k) (k) (k)

3300 - 3500

(o)

2220 - 2260

(o)

F. Aldehitler, Ketonlar, Esterler ve Karboksilik Asitler C = 0 (gerilme) Aldehitler Ketonlar Esterler Karboksilik asitler Amitler

G. Aminler N— H

H. Nitriller C— N “ Kısaltmalar: k = kuvvetli, o = orta, z = zayıf, d = değişken, - = yaklaşık

79

80


GRUP Alkil Alkol Amin

FREKANS ARALIĞI (cm-1) 2853-2962 3590-3650 3300-3500

BAĞ C— H O— H N— H

Üçlü bağların ikili bağlardan daha yüksek frekanslarda titreşim yaptığına dikkat ediniz. BAĞ C= C C= N C= C C= O

FREKANS ARALIĞI ( c m 1) 2100-2260 2200-2260 1620-1680 1630-1780

Oldukça basit bileşiklerin spektrumlarında bile bir çok soğurma piki bulunur. Bütün moleküler titreşimler İR enerjisinin soğrulmasına neden olmaz. İR enerjisi nin soğurulmasıyla titreşim olması için , titreşim olduğunda molekülün dipol momen tinde değişiklik olmalıdır. Bu nedenle metanın dört hidrojeni simetrik olarak titreştiğinde, metan İR enerjisi soğurmaz. Eten ve etinin karbon-karbon ikili ve üçlü bağlarının si metrik titreşimleri de İR ışınının soğurulmasına yol açmaz. Belirli bir İR spektrometresi tarafından ölçülen bölgenin dışında da titreşime yol açan soğurmalar olabilir ve ayrıca, titreşime yol açan soğurmalar, piklerin üst üste çakışaca ğı şekilde birbirlerine yakın olabilir. Diğer etkenler soğurma piklerinin daha fazla olmasına yol açabilir. Temel soğurma bandlarının katları (harmonikleri) İR spektrumlarında oldukça azalmış şiddette olmala rına karşın görülebilirler. İR spektrumlarında, birleşme bandları ve fark bandları deni len bandlar da görülebilir. İR spektrumlarının çok fazla pik içermesi nedeniyle iki farklı bileşiğin aynı İR spektrumu olması olasılığı çok küçüktür. Bir İR spektrumunun, bir bileşiğin "parmak izi" ol-

100 90

Şekil 2.1I Oktanın İR spektrumu (İR spektrumlarında piklerin genellikle % geçirgenlik cinsinden ölçüldüğüne dikkat ediniz. Burada 2900 cm-1 ’deki % 1 0 geçirgenliği olan pikin absorbansı, A, 0,90’dır).

I

T~TZ

1

I

w

|

1

f

f\ / f

\

70

I V \J

v 1

80

1

g 60 “c(D 50 eo o 40

\f\ 1

ch3

CH3(CH2)6CH3

° .

(C-H eğilmesi )

;

O

30

- c h 2(C--H eğilnnesi)

20

:h 3 c h 2(C-H gerilmesi) (C-H gerilmesi) İ l i l __ 1__ 1__ 1__ 1__ 1__ 0

10

4000

3600

3200

2800

2400

2000

1

__ 1__ 1800

1600

Dalga sayısı (cm-1)

I

I 1400

__ 1__ __ 1__ 1200

1000

800

1 650


81

Şekil 2 .12 Metil ben zenin (toluen) İR spektrumu

Dalga sayısı (cnV1)

duğunun söylenmesinin nedeni budur. Bu yüzden, eğer İR spektrumları farklı iki saf or ganik bileşik örneği varsa bunların farklı bileşik oldukları kesindir. Aynı ÎR spektrumunu verirlerse bu bileşikler aynı bileşiktir. Becerili bir yorumlayıcı için, İR spektrumları bileşiklerin yapıları hakkında çok faz la bilgi içerirler. Şekil 2.11 ve 2.12'de oktan ve metil benzen (yaygın adı toluen) için verilen spektrumlardan elde edilebilecek bilgilerden bazıları gösterilmiştir. İR spektrumlarının tam yorumlanmasını sağlayacak becerileri geliştirmek için burada ne zamanımız ne de yerimiz vardır. Ancak, bileşikteki belirgin fonksiyonel grupların titreşimleri so nucunda İR spektrumunda oluşan soğurma piklerinin nasıl tanınacağım öğreneceğiz. Sa dece bunu yapmakla. İR spektrumlarından elde edeceğimiz bilgileri Bölüm 9’da NMR (nükleer manyetik rezonans) ve kütle spektrumlarından elde edeceğimiz bilgilerle bir likte değerlendirebileceğiz. Şimdi İR spektrumlarının yorumlanmasında Çizelge 2.7'deki verilerin nasıl uygula nacağını görelim. 2. 16 A Hid ro k ar b o nl ar Bütün hidrokarbonlar karbon-hidrojen gerilme titreşimlerine ilişkin 2800-3300-cm“1 aralığında soğurma pikleri verirler. ÎR spektrumlarının yorumlanmasında bu pikleri kul lanabiliriz. Çünkü, pikin tam yeri C — H bağının kuvvetine (ve sertliğine) ve bağın bu özelliği de hidrojenin bağlı olduğu karbonun melezleşme haline bağlıdır, sp Melezleş miş karbona bağlı C — H bağları en kuvvetli ve sp3 melezleşmiş karbona bağlı olanlar ise en zayıftır. Bağ kuvveti sırası şöyledir: sp > sp2 > sp3 Bu aynı zamanda bağ sertliği sırasıdır. sp Melezleşmiş karbon atomlarına bağlı hidrojen atomlarının karbon-hidrojen ge rilme pikleri en yüksek frekanslarda, yaklaşık 3300 cm-1’dedir. Bu nedenle uç alkinlerin = C — H grupları bu bölgede pik verir. 1-Heksinin asetilenik C — H bağının soğurmasını. Şekil 2.13’de, 3320 cm“1’de görebiliriz. sp2 Melezleşmiş karbon atomlarına bağlı hidrojen atomlarının karbon-hidrojen ge rilme pikleri 3000-3100 cm“1 bölgesinde ortaya çıkar. Bu nedenle alkenil C — H grup ları bu bölgede soğurma piki verirler. 1-Heksenin spektrumunda (Şekil 2.14) alkenil

82

Bölüm 2 / Tipik Karbon Bileşikleri 4

2.5

Şekil 2.13 1 -Heksinin İR spektrumu. (Sadtler Research Laboratories, Inc., Philadelplıia'dan izin le alınan spektrum.)

\/VA«V'

1 j

0.05 0 .1 0

\

23

<

C=C ( gerilme

\

20 1

3040 1 1

/V I/A

A

v

M

\

h

C H 3(C H 2)2C H 2— : = c ı i

0.40 0.50 0.60 0.80 — = CI n 1.0 — (gerilime)

1 ~ c h 3. eğilme

3

1 \r

1

1 J|-------1 n j . Î 2, C H 3 (g erilr

2.0 4000

-- r A

> JL 1

\

i

t/> 0.20 C rc -eo 0.30

T

r

T

u

15 1

5

— ı-------

— 3000

3500

2500

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

Dalga sayısı (cm ')

C — H soğurma pikini 3080 cm '1'de ve metilbenzenin spektrumunda (Şekil 2.12) aro matik hidrojen atomlarının C — H soğurmasını 3090 cm_|,de görebiliriz. sp3 Melezleşmiş karbon atomlarına bağlı hidrojen atomlarının karbon-hidrojen ge rilme bandları düşük frekanslarda. 2800-3000-cnrf1 bölgesinde ortaya çıkar. Oktanın (Şekil 2.11), metilbenzenin (Şekil 2.12), 1-heksinin (Şekil 2.13) ve 1-heksenin (Şekil 2.14) spektrumlarında metil ve metilen soğurma piklerini görebiliriz. Hidrokarbonlar İR spektrumlarında karbon-karbon bağ gerilmesi sonucunda oluşan soğurma pikleri de verirler. Karbon-karbon birli bağları normalde çok zayıf pikler ver diklerinden bunların yapı belirlenmesinde çok az yararı vardır. Buna karşın karbon-kar bon çoklu bağları daha yararlı pikler verirler. Karbon-karbon ikili bağları 1620-1680 cm-1 bölgesinde ve karbon-karbon üçlü bağları 2100 ile 2260 cm-1 arasında soğurma pikleri verirler. Bu soğurmalar genellikle kuvvetli değildir ve ikili ya da üçlü bağ simet rik olarak sübstitüe olduğunda bu pikler oluşmazlar (titreşim sonucunda dipol moment te değişme olmadığından). Benzen halkasının karbon-karbon bağlarının gerilmeleri, genellikle 1450-1600-cm_1 bölgesinde belirgin keskin pik grupları verir. Alkenlerin karbon-hidrojen eğilme titreşimlerinin yol açtığı soğurmalar 600-1000 cm-1 bölgesinde görünür. Bu piklerin tam konumları, ikili bağın sübstitüsyon şeklinin ve konfigürasyonunun belirlenmesinde kullanılabilir.

8 9 10 r —1 aA-T JW \

2.5

Şekil 2.14 1-Heksenin İR spektrumu. (Sadtler Research Laboratories, Inc., Philadelphia’dan izin le alınan spektrum.)

1 --------T—

1 0.05

/ vy
'i

0 .1 0

(

1

A

) (gerilme) C=C\

0.20 0.30

\)

C = (: - h (ger İme) J

1.0

2.0 4000

20

•v

A

r

30 40

CH, bükül-. me

bükülme- C H = C H 2 (ö uzlem \ dışı C H ,(C H „),C H o— C H = C H , cülme)-

0.40 0.50 0.60 0.80

12 T

-

■J

1 C r î 2, C H 3 (geriln ıej

L

ı -----3500 3000

2500

2000

1800

1600

1400

Dalga sayısı (cm ')

1200

1000

800

600

400

200


83

Monosübstitüe alkenler 905-920 ve 985-1000 cm“1 bölgelerinde iki kuvvetli pik verirler. R2C = CH2 türündeki disübstitüe alkenler 880-900 cm-1 aralığında kuvvetli bir pik verirler, cis-Alkenler 675-730 cm-1 bölgesinde bir ve ¿/¿ms-alkenler de 960 ile 975 cm-1 arasında bir soğurma piki verirler. Karbon-hidrojen eğilme titreşimleri için olan aralıklar, ikili bağın karbon atomlarının biri üzerinde elektron salan ya da elektron çeken sübstitüent (alkil grubu dışında) bulunup bulunmadığının anlaşılmasında kullanı lır. İkili bağın bir karbon atomunda elektron salan ya da elektron çeken sübstitüentler bulunduğunda, eğilme soğurma pikleri yukarıda verilen bölgelerin dışına kayar.

2 . I 6 B D iğ er Fonksiyonel G r u p l a r İnfrared spektroskopisi bize, bir molekülde belirli fonksiyonel grupların olup olmadığı nın hızlı ve basit olarak belirlenmesi amacıyla çok değerli bir yöntem sağlar. İR spektrumlarında belirgin soğurma piki veren önemli bir fonksiyonel grup karbonil

grubudur ^ C = 0 - Bu grup aldehitlerde, karbonlarda, esterlerde, karboksilik asitlerde, amitlerde ve benzerlerinde bulunur. Bütün bu grupların karbon-oksijen ikili bağı gerilme frekansı 1630 ile 1780 cm-1 arasında kuvvetli bir pik verir. Pikin tam ye ri aldehit mi, keton mu, ester mi veya ne olduğuna bağlıdır. Bu konumlar aşağıda gös terilmiştir ve bu bileşikleri ilerideki bölümlerde incelediğimizde karbonil soğurma piklerinden daha ayrıntılı bahsedeceğiz. O

O

I

O

I

R— c — H

I

R— c — R

Aldehit 1690-1740 c m 1

R— c — OR

Keton 1680-1750 cm 1

O II

Ester 1735-1750 cm '

O II

R — c — OH

R — C — NH2

Karboksilik asit 1710-1780 cm '

Amit 1630-1690 cm '

Alkollerin ve fenollerin hidroksil grupları O — H gerilme soğurmaları nedeniyle İR spektrumiarında kolaylıkla tanınır. Bu bağlar bize hidrojen bağı (Altbölüm 2.14 C) hakkında da doğrudan kanıt sunar. Eğer alkol ya da fenol CC14 içerisinde oldukça seyreltik çözelti halinde bulunuyorsa, O — H soğurması 3590-3650 cm-1 bölgesinde kes kin bir pik olarak gerçekleşir. Oldukça seyreltik çözeltide ya da gaz fazında moleküller birbirlerinde çok uzaklaşmış olduklarından moleküller arası hidrojen bağları oluşmaz. 3590-3650 cm-1 bölgesindeki keskin pik bu nedenle "serbest" (biraraya gelmemiş) hid roksil gruplarından dolayıdır. Alkol ya da fenolün derişiminin artırılması keskin pikin 3200 -3550 cm-1 bölgesinde geniş bir banda dönüşmesine yol açar. Bu soğurma OH gruplarının moleküller arası hidrojen bağlarıyla birleşmeleri nedeniyledir. Sikloheksonolün seyreltik ve derişik çözeltilerinin İR spektrumlarındaki (Şekil 2.15) hidroksil so ğurmaları, bu etkilere örnek olarak verilmiştir.. Karboksilik asit grubu da İR spektoskopisiyle belirlenebilir. Şekil 2.16 propanoik asidin İR spektrumunu göstermektedir. 1° ve 2° aminlerin oldukça seyreltik çözeltileri de serbest N — H gerilme titreşim lerinden kaynaklanan keskin piklerini 3300-3500 cm"1bölgesinde verirler. Birincil amin-

A f i Fonksiyonel grupların belirlenmesinde İR oldukça yararlı bir araçtır.

84

Bölüm 2 / Tipik Karbon Bileşikleri (cm-1)

Şekil 2.15 (a) Seyreltik çözeltideki siklolıeksanın İR spektrumu, bir “serbest” (hidrojen bağlı olmayan) hidroksil grubunun keskin soğurmasını 3600 cm-1 ’de göstermektedir. (b ) Derişik çözeltideki sikloheksanolün IR spektrumu, hidrojen bağı nedeniyle 3300 cm-1 ’de geniş bir hidroksil grubu soğurması göstermektedir. (Silverstein, R. M.; Webster, F. X. Spectrometric Identification of Organic Compounds. 6th ed., Wiley: New York, 1998; s 89’dan alınmıştır.

0 .0

4000 3000 TTTT 11 1m m ITT

4000

3000

\ V0.2

0.4 \ s
0.6

A

0.8 1.0

1.5 2.5

3

(urn) (a)

ler iki keskin pik; ikincil aminler ise sadece bir pik verirler. Üçüncül aminlerin N — H bağı olmadığından bu bölgede soğurmalar yoktur. r 2n h

rnh2

1°amin 3300-3500 cm1 bölgesinde iki pik

2° amin 3300-3500 cm“1 bölgesinde bir pik

Hidrojen bağı, birincil ve ikincil aminlerin N — H gerilme piklerinin genişlemesine yol açar. Amitlerin NH grupları da benzer soğurma pikleri verirler.

Şekil 2.16 Propanoik asitin ifrared spektrumu.

o ---------------- 1-------- 1---------------- -------- -------- 1-------- 1-------- 1-------- 1----------------

4000

3600

3200

2800

2400

2000

1800

1600

Dalga sayısı (cm 1)

1400

1200

1000

800

600

Ek Problemler

A n a h t a r T e r i m l e r ve K av ram lar H idrokarbonlar Alkanlar Alkenler Alkinler Aromatik hidrokarbonlar Doymuş/doymamış bileşikler Alkil grupları Elektronegatiflik Polar kovalent bağ Dipol moment Fonksiyonel gruplar Fiziksel özellikler Moleküller arası kuvvetler İyon-iyon kuvvetleri Dipol-dipol kuvvetleri Hidrojen bağları van der Waals kuvvetleri Hidrofilik gruplar Hidrofobik gruplar Çözünürlük Erime noktası Kaynama noktası Elektrostatik potansiyel haritaları İnfrared spektroskopisi

2.19

Altbölüm 2.2 Altbölümler 2.2A ve 2.4A Altbölüm 2.2B Altbölüm 2.2C Altbölüm 2.2D Altbölüm 2.2 Altbölüm 2.5 Altbölümler 1.4 ve 2.3 Altbölüm 2.3 Altbölüm 2.3 Altbölüm 2.5 Altbölüm 2.14 Altbölüm 2.14G Altbölüm 2.14A Altbölüm 2.14B Altbölümler 2.14C, 2.14F ve 2.14G Altbölüm 2.14D Altbölüm 2.14E Altbölüm 2.14E Altbölümler 2.14E ve 2.14F Altbölüm 2.14A Altbölümler 2.14A ve 2.14D Altbölümler 1.8 ve 2.14B Altbölüm 2.16

Aşağıdaki bileşiklerden her birini bir alkan, alken, alkin, alkol, aldehit, amin vb. olarak sınıflandırınız

(e) (karanfil yağından elde edilir) CH3(CH2)7

(CH2)12CH3

X

(0

H

H

(karasineğin cinsel çekicisi)

* Yıldızla işaretlenmiş problemler “çözülmesi dalia zor olan problemler”dir.

EK PRO BLEM LER

85

86

Bölüm 2 / Tipik Karbon Bileşikleri 2.20

Aşağıdaki bileşiklerin her birindeki fonksiyonel grupların hepsini belirleyiniz

Hıyarlarda bulunan bir hamamböceği kovucusu

Sentetik bir hamamböceği koyucusu

2.21

C4HyBr formülüne sahip dört alkil bromiir vardır. Bunların yapı formüllerini ya zınız ve her birini birincil, ikincil ya da üçüncül alkil bromür olarak sınıflandı rınız.

2.22

C4H10O formülünde yedi izomerik bileşik vardır. Bunların yapılarını yazınız ve her bir bileşiği fonksiyonel grubuna göre sınıflandırınız.

2.23

C3H60 formülündeki dört bileşiğin yapı formüllerini yazınız ve her birini fonk siyonel grubuna göre sınıflandırınız.

2.24

Aşağıdaki alkolleri birincil, ikincil ya da üçüncül olarak sınıflandırınız:

Ek Problemler

(a) (CH3)3CCH2OH

(d)

'

7

OH

(b) CH3CH(OH)CH(CH3)2 (C) (CH3)2C(OH)CH2CH3 2.25

(e)

V

OH

Aşağıdaki aminleri birincil, ikincil ya da üçüncül olarak sınıflandırınız: (a) CH3NHCH(CH3)2 (b) CH3CH2CH(CH3)CH2NH2 (c) (CH3CH2)3N (d) (C6H5)2CHCH2NHCH3

(e) HN / (

\ N-

2.26

Aşağıdakilerden her birinin yapısal formülünü yazınız: (a) C4H|0O formülüne sahip üç eter (b ) C4H80 formülüne sahip üç birincil alkol (c) C3H60 formülüne sahip bir ikincil alkol (d) C4H80 formülüne sahip bir üçüncül alkol (e) C3H60 2 formülüne sahip iki ester (f) C5H,,Br formülüne sahip dört birincil alkil halojenür (g) CiHuBr formülüne sahip üç ikincil alkil halojenür (h) C5Hj|Br formülüne sahip bir üçüncül alkil halojenür (i) C5H10O formülüne sahip üç aldehit (j) C5H10O formülüne sahip üç keton (k) C3H9N formülüne sahip iki birincil amin (l) C3H9N formülüne sahip bir ikincil amin (m) C3H9N formülüne sahip bir üçüncül amin (n) C2H9NO formülüne sahip iki amit

2.27

Aşağıdaki çiftlerdeki hangi bileşiğin kaynama noktası daha yüksektir? Cevabı nızı açıklayınız. (a) CH3CH2CH2OH ya da CH3CH2OCH3 (b) CH3CH,CH,OH ya da HOCH.OHOH O

O (h) Heksan, CH3(CH2)4CH3veya nonan, CH3(CH,)7CH3 (i)

O

87

88


2.28

Problem 2.27 deki a,c,d,e,g ve i çiftlerindeki her bir bileşiğin diğerinden farklı lığını belirleyecek başlıca İR soğurma bandlarını öngörünüz.

2.29

C3H7NO formülünde dört amit vardır, (a) Yapılarını yazınız, (b) Bu amitler den birinin erime ve kaynama noktası diğer üçünden oldukça düşüktür. Bu amit hangisidir? Cevabınızı açıklayınız.

2.30

Aşağıda gösterilen genel yapıdaki halkalı bileşiklere laktonlar denir. Laktonda hangi fonksiyonel grup vardır.

2.31

Hidrojen florürün dipol momenti 1,82 D; kaynama noktası 19.34 °C dur. Etil florürün (CH3CH2F) tamamen aynı dipol momenti ve daha büyük molekül kütlesi olmasına karşın kaynama noktası -37,7 °C dur Açıklayınız.

2.32

Aşağıdaki çözücülerden hangisi iyonik bileşikleri çözebilir? (a) sıvı S 0 2 (b) sıvı NH3 (c) benzen (d) CC14

2.33

Kama - kesikli kama - çizgi gösterimini kullanarak aşağıdaki moleküllerden her birinin üç boyutlu formülünü yazınız. Eğer molekülün net dipol momenti varsa yönünü okla, H—►, belirtiniz. Eğer net dipol momenti yoksa bunu da belirtiniz. (Bu tür basit problemlerde C — H bağının küçük polarlığını ihmal edebilirsiniz) (a) CH3F (c) CHF3 (e) CH2FC1 (g) BeF2 (ı) CH3OH (b) CH2F2 (d) CF4 (f) BC13 (h) CH3OCH3 (i) CH20

2.34 Aşağıdaki molekülleri gözden geçiriniz: (a) dimetil eter, (CH3)20, (b) trimetilamin, (CH3)3N, (c) trimetilbor, (CH3)3B ve (d) dimetilberilyum (CH3)2Be. Her bir molekülün merkez atomunun (O, N, B ya da Be) melezleşme halini be lirtiniz, merkez atomundaki bağ açılarının ne kadar olacağını söyleyiniz ve mo lekülün dipol momenti olup olmayacağını açıklayınız. 2.35

Bu açıklamayı irdeleyiniz: polar bir molekül için polar bağların bulunması ge reklidir, ancak bu gereksinim yeterli değildir.

2.36

Crixivanın bütün fonksiyonel gruplarını belirtiniz. (Crixivanın yapısı bu bölümün başında gösterilmiştir).

2.37

Propanoik asitin İR spektrumu (Şekil 2.16) karboksilik asit fonksiyonel gru bunun hidrojen bağlı O — H gerilme soğurmasını göstermektedir. İki propano ik asit molekülünün hidrojen bağıyla nasıl dimerleştiğini gösteren yapıları yazınız.

* 2.38

C4H60 molekül formülündeki iki izomerin yapıları simetriktir. CC14 (polar olma dığı için kullanılmıştır) içerisinde seyreltik çözeltide her iki izomerin infrared spektrumlarında 3600 cm-1 bölgesinde soğurma yoktur. İzomer A’mn yaklaşık 3080, 1620 ve 700 cm-1 de soğurma bandlan vardır. İzomer B’nin ise 2900 cm“1 bölgesinde ve 1780 cm“1’de bandlan vardır. A için bir ve B için iki olası yapı öneriniz.

* 2.39

Eğer iki sübstitüent halka iskeletinin aynı tarafındaysa cis, zıt tarafındaysa trans (bu terimler 1,2-disübstitüe alken izomerlerinde kullanılan terimlerle aynıdır) ola

Ek Problemler

89

rak adlandırılır. 1,2-Siklopentandiolün (5 atomlu halkası ve iki komşu karbonda biri cis diğeri trans olan iki izomer bileşik) steroizomerlerini göz önüne alınız. CC14 içinde oldukça seyreltik çözeltide her iki izomerin yaklaşık 3626 cm"*1 de infrared soğurma bandı olmasına karşın 3572 cm“1 de sadece bir izomerin ban dı vardır. (a) Siklopentan halkasının düzlemsel olduğunu (bu konunun ayrın tısı ileride incelenecektir) düşününüz ve kama-kesikli kama yöntemini kullanarak OH gruplarını gösteren iki izomerik yapıyı çiziniz. (b) Hangi izomerin 3572 cm 1 bandı olduğunu belirleyiniz ve nedenini açıklayınız. *2.40

C bileşiği asimetriktir, molekül formülü C5H,()0 ’dur, iki metil grubu ve bir 3° fonksiyonel grup içermektedir. 3200-3550-cnr1 bölgesinde geniş bir infrared soğurma bandı vardır ve 1620- 1680-cırf1 bölgesinde soğurma bandı yoktur, (a) C için bir yapı öneriniz (b) Önerdiğiniz yapının steroizomerleri olabilir mi? Olabilirse kama-kesikli kama yöntemini kullanarak steroizomerlerin yapısını çi ziniz.

C4H80 2 molekül formülünü göz önüne alınız. 1. Molekül formülü C4H80 2 olan en az 15 farklı bileşiğin yapılarını yazınız. 2. Bu yapılardan en az biri için çizgili formül, sıkıştırılmış formül, çizgi-bağ formü lü ve tam üç boyutlu formül yöntemlerini kullanarak örnekler yazınız. Bu yöntem lerden birini diğer yapıları göstermede kullanınız. 3. Yazdığınız yapılar arasından dört farklı fonksiyonel grubu belirleyiniz. Bunları içe ren yapılar üzerinde bu fonksiyonel grupları halka içerisine alınız ve adlandırınız. 4. Bu fonksiyonel grupları içeren dört bileşiğin farklılığını belirlemede kullanılabile cek yaklaşık İR soğurma frekanslarını öngörünüz. 5. Yazdığınız 15 yapıdan herhangi birinde formal yükü sıfırdan farklı atomlar varsa, bunların formal yüklerini ve molekülün toplam yükünü belirtiniz. 6. Bu bileşiklerden her birinin saf örneğinde olası moleküller arası kuvvet türlerini be lirleyiniz. 7. Yazdığınız yapılardan beşini seçiniz ve bunları kaynama noktalarının artışına göre sıralayınız. 8. Moleküller arası kuvvetleri ve polariteleri temel alarak, kaynama noktası sırasını açıklayınız.

Ö

ğ renm e

G

PROBLEMLERİ

rubu

Organik Tepkimelere Giriş: Asitler ve Bazlar P ro to n la ra M e k ik D o k u tm a k Karbonik anhidraz enzimi (bir biyolojik katalizör) kanın asitliğini (veya pH’sını) ve kana ilişkin fizyolojik koşulları düzenler. Karbonik anhidrazın katalizlediği tepkime şudur: Karbonik anhidraz

HCCV + H" ^ = s: H2C 03 3-- _ » H20 + C 0 2 Örneğin birinin nefes alış hızı onun bağıl kan asitliğinden etkilenmektedir. Yükseklere çıkan dağcılar yükseklik hastalığını önlemek için bazen, Diamox adlı bir ilaç (yapısı yukarıdaki fotoğrafta verilen asetazolamit) alırlar. Diamox, karbonik anhidrazı inhibe eder ve bu da kan asitliğini arttırır. Kan asitliğindeki bu artış nefes almayı uyarır ve böylece yükseklik hastalığına yakalanma olasılığını azaltır.

90

Bir önceki sayfada yer alan toplam tepkime açık bir asit-baz tepkimesidir, çünkü bu tepkimede yer alanlar asitler ve bazlardır. Karbonik anhidrazın bu tepkimeyi nasıl katalizlediğinin ayrıntıları (tepkime mekanizması) enzim içinde meydana gelen asit-baz basamaklarının da bilin mesini gerektirir. Bu ayrıntılar daha sonra bu bölümde yer alan . . Karbonik Anhidrazın Kimyası" başlıklı kutuda verilmiştir. Şimdilik mekanizmadaki bu basamakların, asit-baz kimyasının iki işlevsel tanımını içerdiğini söyle mekle yetinelim. Birincisi Br0nsted-Lowry asit-baz tanımıdır, diğeri ise Lewis tanımı. Bu bölümde her iki tanımı da ele alacağız ve organik ve biyokimyanın anlaşılmasında her ikisinin de önemli olduğunu göreceksiniz.

Karbonik anhidraz

3.1

T

ep k im eler

ve

M

e k a n İz m a l a r i

Gerçekte tüm organik tepkimeler dört sınıfın birinde yer alır: Bunlar yer değiştirmeler. katılmalar, ayrılmalar veya çevrilmelerdir. Yer değiştirmeler alkanlar, alkil halojenürler gibi doymuş bileşiklere ve aromatik bi leşiklere (doymamış olsalar da) özgü tepkimelerdir. Bir yer değiştirmede, bir grup bir diğerinin yerine geçer. Örneğin, metil kloriir sodyum hidroksitle metil alkol ve sodyum klorür vermek üzere tepkimeye girer: H3C — C1 + Na+O H " - ^ + H3C — OH + Na+C f

Bir yer değiştirme tepkimesi

Bu tepkimede sodyum hidroksitten gelen hidroksit iyonu metil klorürün kloru yerine geçer. Bölüm 6'da bu tepkimeyi ayrıntılarıyla ele alacağız. Katılmalar çoklu bağlı bileşiklere özgüdür. Eten, örneğin bromla bir katılma tepki mesi verir. Bir katılmada katılan reaktifin tüm kısımları üründe yer alır; iki molekül bir moleküle dönüşür. H

\ / H

H C=C

/

+ B r— Br

CCl

H

H

I

I

I

I

-► H— c — c — H

\ H

Br Br

Bir katılma tepkimesi

Ayrılmalar katılmaların tersidir. Bir ayrılmada, bir molekül bir başka küçük mole külün elemanlarını yitirir. Ayrılma tepkimeleri, bize ikili ve üçlü bağlı bileşiklerin eldeleri için bir yöntem verir. Örneğin, Bölüm 7’de alkenlerin eldesinde kullanılan dehidrohalojenleme adında önemli bir ayrılma tepkimesini öğreneceğiz. Dehidrohalojenlemede, sözcükten de anlaşıldığı gibi, hidrojen halojenürün elemanları çıkartılır. Bir alkil halojenür alkene dönüşür: H

H

H — C — C — HH

Br

H KOH (-HBr)

\ / c=c

H

/

Bir ayrılma tepkimesi

\

H

H

3.1 Tepkimeler ve Mekanizmaları 3.2 Asit-Baz Tepkimeleri 3.3 Bağların Karbona Heterolizi: Karbokatyonlar ve Karbanyonlar 3.4 Tepkimelerin Gösteriminde Eğri Okların Kullanımı 3.5 Asitlerin ve Bazların Kuvvetleri: Ka ve pKa 3.6 Asit-Baz Tepkimelerinin Sonucunu Öngörme 3.7 Yapı ve Asitlik Arasındaki İlişki 3.8 Enerji Değişimleri 3.9 Denge Sabiti ve Standart Serbest Enerji Değişimi, AG°, Arasındaki İlişki 3.10 Karboksilik Asitlerin Asitliği 3.11 Çözücünün Asitlik Üzerine Etkisi 3.12 Bazlar Olarak Organik Bileşikler 3.13 Bir Organik tep kimenin Mekanizması 3.14 Susuz Çözeltilerde Asitler ve Bazlar 3.15 Asit-Baz Tepkimeleri ve Döteryum ve Trityum Etiketli Bileşiklerin Sentezi 91

92

Bölüm 3 / Organik Tepkimelere Giriş: Asitler ve Bazlar

Bir çevrilmede, molekülü oluşturan kısımlar yeniden düzenlenir. Örneğin aşağıdaki alkenin kuvvetli bir asitle ısıtılması diğer bir izomerik alkenin oluşumuna yol açar. H3C CH, H H 3\ / 3 \ / c=c c=c ch3 / \ / \ CH, h 3c /C\ H / CH, CH3 Bir çevrilme

Bu çevrilmede sadece ikili bağ ve hidrojen atomunun yeri değişmekle kalmamış bir me til grubu da bir karbondan bir başka karbona geçmiştir. Sonraki kısımlarda bu türden tepkimelerin meydana geliş ilkelerinin bazılarını öğ renmeye başlayacağız

T e p k im e le rin M ekanizm aları __ Deneyimsiz birine bir kimyasal tepkime büyü gibi geliyor olmalı. Bir kimyacı, balona bir veya iki reaktif koyuyor, onları belirli bir süre ısıtıyor, daha sonra balondan tamamen farklı bir veya daha fazla bileşik alıyor. Bu tepkimenin ay rıntılarını öğreninceye kadar bu olay, bir sihirbazın şapkaya elma ve portakal lar koyması, karıştırması ve daha sonra şapkadan tavşan ve papağanlar çıkarması gibidir. Gerçekte, bu dersteki hedeflerimizden biri bu kimyasal büyünün meydana geliş şeklini öğrenmeye çalışmaktır. Tepkime ürünlerinin nasıl oluştuklarını açık layabilmeyi isteyeceğiz. Bu açıklama da tepkime için bir mekanizma şeklin de, reaktantların ürünlere dönüşümü sırasında moleküler düzeyde meydana gelen olayların bir tanımı olacaktır. Eğer, çoğu kez olduğu gibi, tepkime bir den fazla basamakta meydana geliyorsa tepkime sırasında her bir basamakta or taya çıkan kimyasal türlerin, ara ürünler denir, neler olduğunu da bilmek isteyeceğiz. Bir mekanizma önererek, tepkime büyüsünün bir kısmım dışlayacak fakat yerine mantık yerleştireceğiz. Önerdiğimiz herhangi bir mekanizma tepkime hak kında bildiklerimizle ve genel olarak organik bileşiklerin bildiğimiz etkinlikle riyle uyumlu olmalıdır. Daha sonraki bölümlerde, verilen bir mekanizma için tepkime hızlarından, izole edilen ara ürünlerden ve spektroskopiden nasıl delil ve karşıt delil toplayabileceğimizi göreceğiz. Moleküllerin çok küçük oluşların dan dolayı moleküler olayları gerçekte göremeyiz, ancak güvenilir veriler ve iyi kimyasal önsezilerden yola çıkarak mantıklı mekanizma önerebiliriz. Eğer da ha sonraki zamanlarda yapılan bir deney bizim önerdiğimiz mekanizmayla çe lişkili sonuçlar verirse, o zaman onu değiştiririz, çünkü yapılan en son incelemelerde, mekanizmamız tüm deneysel gözlemlerimizle uyum içinde ol malıdır. Organik kimyaya mekanistik yaklaşım konusunda en önemli şeylerden biri şudur: Bu yaklaşım, bilginin aşırı karmaşık yapıda olabilecek olan yapısını, an laşılabilir bir şekle getirmek için düzenlememize yardım eder. Milyonlarca or ganik bileşik ve bunların yer aldığı milyonlarca tepkime vardır. Eğer bunları ezberlemek zorunda olsaydık kısa bir süre sonra da unuturduk. Ancak bunu yap mak zorunda değiliz. Fonksiyonel gruplar, organik bileşikleri anlaşılır şekilde düzenlememize yardımcı oldukları gibi, mekanizmalar da tepkimeleri düzenle memize yardım ederler. Şansımıza, üstelik az sayıda temel mekanizma vardır. ___

3.1 Tepkimeler ve Mekanizmaları

3.IA

93

K o v a l e n t B a ğ l a r ı n H o m o l i z i ve H e t e r o l i z i

Organik bileşiklerin tepkimeleri daima kovalent bağların oluşma ve kırılmasını içerir. Bir kovalent bağ temel olarak iki farklı yoldan kırılabilir. Bağ, oluşacak parçalardan bi rinin bağ elektronlarının her ikisini de alacağı ve geriye boş orbitalli diğer parçayı bı rakacağı şekilde kırılabilir. Heteroliz (Yun: hetero-, farklı, + lysis, gevşetme veya bölünme) denilen bu şekil bölünme yüklü parçalar veya iyonları verir. Bağın heterolitik olarak kırıldığı söylenir. Heterulitik bağ kırılması İyonlar

Diğer olasılık, her bir parçanın bağ elektronlarından birer tane alarak ayrıldığı bağ kı rılmasıdır. Homoliz (Yun: homo-, aynı. + lysis), denilen bu süreç, radikaller olarak adlandırılan çiftleşmemiş elektronlu parçalar verir.

A : B ---- Homolitik bağ kırılması Radikaller

Radikalleri ve homolitik bağ kırılmalarını içeren tepkimelerin tartışmalarını 10. Bö lüme gelinceye kadar erteleyeceğiz. Bu noktada dikkatimizi iyonlar ve heterolitik bağ kırılmaları içeren tepkimelere odaklayacağız. Bir bağın heterolizi normal olarak bu bağın polarlanmış olmasını gerektirir.

rv

Ö+A : B1’" ---- ►A+ + : B-

Bir bağın polarlanması genelde o bağla bitişik atomların farklı elektronegatifiikleri so nucu meydana gelir (Altbölüm 2.3). Elektronegatiflik farkı ne kadar fazla ise polarlanma da o oranda yüksektir. Vermiş olduğumuz örnekte B atomu A atomundan daha elektronegatiftir. Oldukça fazla polarlanmış bağ bile yardımsız nadiren heterolize uğrar. Bunun nede ni: Heteroliz, zıt yüklü iyonların ayrılmasını gerektirir. Zıt yüklü iyonların birbirlerini çekmelerinden dolayı ayrılmaları için önemli miktarda enerjiye ihtiyaç vardır. Sıkça, atomlardan biriyle bağ oluşturabilecek ortaklaşılmamış elektron çiftine sahip bir mole kül tarafından heterolize yardım edilir.

Y: +

Y: A + :B"

ya da Y : + Ö+A — Bd- ---- ►Y— A + :B-

Yeni bağın oluşumu heteroliz için gerekli enerjinin bir kısmını sağlar.

Bu gösterimlerde elektron ların hareketlerini göster mek için eğri oklar kullandığımıza dikkat edi niz. Altbölüm 3.4’te bununla ilgili daha fazla şey söyleyeceğiz, şimdilik bir elektron çiftinin hareketini çift çengelli eğri okla, bir tek elektronun hareketini ise tek çengelli eğri okla gösterdiğimize dikkat ediniz.

94


3 .2

A S İ T -B A Z TEPKİM ELERİ

Asit-baz kimyasının bazı temel ilkelerini gözden geçirerek kimyasal tepkimeleri öğ renmeye başlıyoruz. Bunu yapmamız için birkaç neden var: Organik kimyada meydana gelen tepkimelerden bir çoğunun ya kendisi asit-baz tepkimesidir ya da herhangi bir basamakta asit-baz tepkimesi içerir. Bir asit-baz tepkimesi ayrıca, kimyacıların tepki me mekanizmalarım göstermek için eğri okları nasıl kullandığım ve moleküller tepki meye girerken meydana gelen bağ kırılması ve bağ oluşumunu nasıl gösterdiklerini görmemizi sağlayabilecek basit bir temel tepkimedir. Asit-baz tepkimeleri, molekülle rin yapıları ve etkinlikleri arasındaki ilişkiler hakkındaki önemli fikirleri denememize ve bir tepkime dengeye ulaştığında oluşacak ürün miktarlarım öngörebilmek için bazı termodinamik parametrelerin nasıl kullanılabileceğini görmemize de imkan sağlar. Asit-baz tepkimeleri ayrıca kimyasal tepkimelerde yer alan çözücülerin önemli rolle rinin açıklanmasını da sağlar. Hatta bunlar bize organik sentezlere kısa bir giriş imka nı verirler. Son olarak, asit-baz kimyası, genel kimyada öğrendiklerinizden dolayı tanıdık bulacağınız bir şeydir. Bu yüzden kısa bir gözden geçirmeyle başlıyoruz.

3.2A A s i tl e r ve Bazların B r o n s t e d - L o w r y T a n ı m ı Bronsled-Lowry teorisine göre, bir asit proton verebilen (veya kaybeden) bir mad de, baz ise proton alabilen (veya uzaklaştıran) bir maddedir. Bu kavrama bir örnek olarak, gaz halindeki hidrojen klorür suda çözündüğünde meydana gelen tepkimeyi ele alalım: H— Ö: + H— Cl: ----► H— Ö— H + H

H Baz (proton alıcı)

Konjuge asit-baz anlayışının bağıl asit-baz kuvvetlerini değerlendirmede çok yararlı olduğunu göreceğiz.

Asit (proton verici)

H ,0’nun HCPnin eşlenik (konjuge) eşlenik (konjuge) asidi bazı

Kuvvetli bir asit olan hidrojen klorür, protonunu suya aktarır. Su bir baz olarak davra nır ve protonu alır. Bu tepkime ürünleri hidronyum iyonu (H30 +) ve klorür iyonudur (CT). Bir asidin proton kaybetmesi sonucu oluşan molekül veya iyona bu asidin eşlenik (konjuge) bazı denir. Bu nedenle klorür iyonu HCl’nin eşlenik bazıdır. Bir bazın pro ton alması sonucu oluşan molekül veya iyona bir bazın eşlenik (konjuge) asidi denir. Hidronyum iyonu, bu nedenle suyun eşlenik asididir. Suda çözündüklerinde suya tamamıyla proton aktaran diğer kuvvetli asitler hidrojen iyodür, hidrojen bromür ve sülfürik asittir. HI +

Bir asidin su gibi bir baza proton aktarma derecesi o asidin kuvvetinin bir ölçüsüdür. Bu nedenle asit kuvveti derişimin değil iyonlaşma yüzdesinin ölçüsüdür.

:C1:+

I

I

h 2o

---►H30 + + I"

HBr + H20 ---►H30 + + Br" H2S04 + H20 --- ►H30 + + h s o 4-

+ H20

h so 4-

H30 + + S042"

Sülfürik asit, bir baza aktarabilecek iki protona sahip olduğu için diprotik (veya dibazik) asit olarak tanımlanır. Proton aktarımı aşamalıdır; birinci proton aktarımı tamamıy la gerçekleşir İkincisi ise sadece yaklaşık ~%10 kadardır.

3.2 Asit-Baz Tepkimeleri

95

Hidronyum iyonları ve hidroksit iyonları, sulu çözeltilerde önemli miktarlarda bu lunabilen en kuvvetli asitler ve bazlardır. Katı sodyum hidroksit (sodyum ve hidroksit iyonlarından oluşan kristal bileşik) suda çözündüğünde sarılmış hidroksit iyonları ve sa rılmış sodyum iyonları içeren bir çözelti oluşur. Na+OH“(kall)

*■ Na(aq)+ + OH(aq)~

Sodyum iyonları (ve diğer benzer katyonlar) su molekülleri onların boş orbitallerine or taklaşılmamış elektron çiftlerini verdiğinde sarılmış hale gelirler. Hidroksit iyonları (ve diğer ortaklaşılmamış elektron çifti bulunduran anyonlar) ise su molekülleriyle hidro jen bağları oluşturduklarında sarılmış hale gelirler. H .. H:0 : H20 : :

„ :OH2

H

I

H— O:

1

l

: 0 —H • *-:0 — H • ••:Ö—H

';Na+

:OH2

h ,o

= " H20:

H

H I

H —0: Sarılmış sodyum iyonu

Sarılmış hidroksit iyonu

Sodyum hidroksitin sııiu çözeltisiyle hidrojen klorürün sulu çözeltisi (hidroklorik asit) karıştırıldığında meydana gelen tepkime hidronyum ve hidroksit iyonları arasındadır. Asit-baz tepkimesinde yer almamalarından dolayı sodyum ve klorür iyonlarına seyir ci iyonlar denir. Toplam İyonik Tepkime

H—O—H+ : C 1 + Na+ :0 — H ----►2 H |

H

— O:

+ Na+ + :C1

|

U -------------' r

L----------^ r

H Seyirci iyonlar -

Net Tepkime

H—ö —H+ - :Ö —H

►2 H—Ö :

H

H

Hidroklorik asit ve sulu sodyum hidroksit için söylediklerimiz tüm sulu kuvvetli asit ve baz çözeltileri karıştırıldığında da geçeriidir. Net iyonik tepkime basitçe şöyledir. Ar

H30 ++ OH“ — ►2 H20

3.2B A si tl e r ve Bazların Lewis T a n ı m ı Asit-baz teorisi 1923 yılında G. N. Lewis tarafından önemli ölçüde genişletildi. Lewis,

asitlerin elektron çifti alıcıları, bazların ise elektron çifti vericileri olarak tanım lanmalarını önerdi. Lewis asit-baz teorisine göre sadece proton değil pek çok başka tür de onun kadar asittir. Örneğin alüminyum klorür amonyakla, bir protonun verdiği

j

İnceleyecek olduğumuz tepkimelerin pek çoğu Lewis asit-baz etkileşimlerini içerir. Lewis asit-baz kimyasının iyice anlaşılması, organik kimyayı öğrenirken size çok yardımcı olacaktır.

96


tepkimeyle aynı şekilde tepkimeye girer. Amonyağın (Lewis bazı) elektron çiftini veri şini göstermek için eğri okların kullanıldığı aşağıdaki örnekleri inceleyelim. H— NH, Bu yapılardaki formal yükleri hesaplayabileceğinizi ken diniz için doğrulayınız.

Lewis asidi (elektron-çifti alıcısı)

Lewis bazı (elektron-çifti vericisi)

C1

:NH,

Cl — Al

\

Cl I

♦

Cl —Al"—NH, I cı

Cl Lewis asidi (elektron-çifti alıcısı)

Lewis bazı (elektron-çifti vericisi)

Bu örnekte, alüminyum klorür tıpkı proton gibi, azotla kovalent bağ oluşturmak üze re amonyağın elektron çiftini alır. Bu, merkezî alüminyum atomunun yalnızca altı elekt ronu olduğundan ve bu nedenle elektron eksikliği oluşundan dolayı gerçekleşir. Alüminyum klorür elektron çifti aldığından, Lewis tanımına göre bir asit olarak dav ranmaktadır. Bazlar Lewis teorisinde de Bronsted-lowry teorisinde de aynıdır. Çünkü. BronstedLowry teorisinde bir bazın proton alabilmesi için bir elektron çifti vermesi gerekir. Lewis teorisi, daha geniş asit tanımıyla, tüm Bronsted-Lowry tepkimelerini ve daha sonra göreceğimiz gibi, diğer pek çok tepkimeyi kapsayacak asit-baz teorisine izin ve rir. Elektron eksikliği olan herhangi bir atom, bir Lewis asidi olarak davranabilir. Bor ve alüminyum gibi 3A grubu elementlerini içeren pek çok bileşik Lewis asididir, çün kü 3A grubu elementlerinin en dış kabuklarında sadece altı elektron vardır. Boş orbitalli atom içeren diğer birçok bileşik de Lewis asidi olarak davranır. Çinko ve demir(III) halojenürler (ferrik halojenürler) organik tepkimelerde sıkça Lewis asidi olarak kulla nılırlar. Aşağıda, daha sonra göreceğimiz iki örnek verilmiştir:

Çinko iyonu, karbonik anhidraz enziminin mekanizmasında bir Lewis asidi olarak davranır. Bu bölümün sonunda yer alan ". . . Karbonik Anhidrazın Kimyası"na bakınız.

R— O— H + Lewis bazı (elektron-çifti vericisi)

ZnCl2 Lewis asidi (elektron-çifti alıcısı)

FeBn,

: Br—Br: + Lewis bazı (elektron-çifti vericisi)

R — Ö— ZnCl2 I H

-> : Br— Br—FeBr3

Lewis asidi (elektron-çifti vericisi)

3 .2 C Z ı t Y ü k l e r i n Ç e k i m i Pek çok organik tepkimede olduğu gibi. Lewis asit-baz teorisinde zıt yüklü türlerin bir birini çekmesi tepkimeye yatkınlık için temeldir. Bir başka örnek olarak alüminyum klorürden bile daha güçlü Lewis asidi olan bor triflorürü ve onun amonyakla tepkimesini ele alalım. Şekil 3.1’de bor triflorür için hesaplanan yapı onun yüzeyindeki elektrosta-

3.2 Asit-Baz Tepkimeleri

bf3

nh3

F3B -N H

3

Şekil 3.1 BF3, NH3 ve bunlar arasındaki tepkimeden oluşan ürünün elektrostatik potansiyel haritaları. BF3’ün oldukça pozitif bölgesiyle NH3’ün negatif bölgesi arasındaki çekim bunların tepkime vermelerine neden olur. Ürünün elektrostatik potansiyel haritası, flor atomlarının formal negatif yükün elektron yoğunluğunu kendine çektiğini ve azot atomunun, hidrojenleriyle formal pozitif yükü taşıdığını gösteriyor.

tik potansiyeli gösteriyor (Altbölüm 2.3'te HC1 için olana benzeyen bir elektrostatik po tansiyel haritası). Bu şekilden, BF3’ün, bor atomu üzerinde yoğunlaşmış önemli bir po zitif yük ve üç flor atomuna yerleşmiş negatif yüke sahip olduğu açıkça görülmektedir (bunu siz önceden kestirebilmelisiniz). (Bu yapılardaki mavi renkli kısımlar pozitif alan ları, kırmızı renkli kısımlar ise bağıl negatif alanları gösterir.) Diğer taraftan, amonyak için olan yüzey elektrostatik potansiyel, negatif yükün amonyağın bağ yapmamış elekt ron çifti bölgesine yerleştiğini gösterir. Böylece, bu iki molekülün elektrostatik özellik leri bir Lewis asit-baz tepkimesi için çok uygundur. Bunların arasında beklenen tepkime gerçekleştiğinde amonyağın bağ yapmamış elektron çifti bor triflorürün bor atomuna atak yaparak borun değerlik kabuğunu doldurur. Şimdi bor atomu formal eksi yük ta şırken, azot atomu formal pozitif yük taşımaktadır. Bu yük ayrımı Şekil 3.1 ’de gösteri len ürünün, elektrostatik potansiyel yüzeyinde doğrulanmaktadır. Gerçek negatif yükün molekülün BF3 kısmında, gerçek pozitif yükün ise azot atomu yakınlarında bulunduğu na dikkat ediniz. Her ne kadar bunun gibi hesaplanmış elektrostatik potansiyel haritaları yük dağılı mını ve molekül şekillerini iyice açıklasa da elektronegatifliği (Altbölüm 2.3) ve for mal yükleri (Altbölüm 1.7) göz önünde bulundurarak, VSEPR modelleri (Altbölüm 1.16) ve orbital melezleşmesini (Altbölüm 1.12—1.14) kullanarak BF4’ün, NH3’ün ve bunla rın tepkime ürününün yapıları hakkında tahminde bulunarak aynı sonuca varabilmeniz önemlidir. (a)

O

Organik kimyayı öğren mek için gerekli olan bilgi lerin temellerini atarken, yapının, formal yüklerin ve elektronegatifliğin çok iyi anlaşılma ihtiyacı yete rince vurgulanabilir.

*<

P ro bl em 3.1

Aşağıdakilerden hangileri potansiyel Lewis asidi, hangileri potansiyel Lewis *< bazıdır?

P ro b l e m 3.2

Metil alkolün BF3 ile Metil klorürün A1C13 ile (c) Dimetil eterin BF3 ile meydana gelen Lewis asit-baz tepkimelerine ait eşitliklerini yazınız. (b)

/C H 3

(a) CH3CH2— N — CH3 CH, (c) (C6H,)3P:

(b) H3C— C+ CH,

(d)

(e) (CN3)3B

(f) H:~

97

K

ımyası

T e p k im e le r d e H O M O la r ve L U M O lar

BF3’ün LUMO’su (solda) ve NH3’ün HOMO’su (sağda).

D F3 için hesaplanan en düşük boş moleküler orbital (LUMO) üç boyutlu kırmızı ve mavi loblarla gösterilmiştir. LUMO olarak belir tilen hacmin büyük kısmı BF3’ün sp2 melezleşme durumundaki boş p orbitaline karşılık gelir (atomların oluşturduğu düzleme dik olarak yer alır). Bu orbital, BF3, amonyağın atağına uğradığında elektron yoğunluğunun tamamlandığı (bağlanmanın olduğu) yerdir. BF3’ün van der Waals yüzey elektron yoğunluğu file şeklinde belirtilmiştir. Yapıdan görüldüğü gibi, LUMO, elektron yoğunluk yüzeyinin ötesine uzan maktadır ve böylece ona, tepkime için kolayca erişilebilir. Amonyağın, ortaklaşılmamış elektron çiftini içinde bulunduran, en yüksek dolu moleküler orbital (HOMO) yapıda kırmızı ve mavi loblarla gösterilmiştir. Tepkime mey dana geldiğinde amonyağın HOMO’sunun elektron yoğunluğu bor triflorürün LUMO’suna aktarılır. Bir molekülün HOMO'suyla bir diğerinin LUMO'su arasındaki bu etkileşim, moleküler orbital açısından, tepkimelerin meydana geliş yoludur.

3 .3

Ba Ka

ğ l a r in

Ka

H

r b o n a

r b o k a ty o n l a r

e te r o lîz î

Ka

ve

:

r b a n y o n l a r

Bir bağın bir karbon atomuna heterolizi aşağıdaki iki iyondan birinin oluşumuna yol açabilir: karbokatyon* denilen karbon atomu üzerinde bir pozitif yük bulunan bir iyo na veya karbanyon denilen, negatif yüklü bir karbon atomuna sahip bir iyona. heterolız

♦

+ =ZKarbokatyon

z+

—c ^ z i+ heteroliz » _c r Karbanyon

Karbokatyonlar elektronca eksiktir. Değerlik kabuklarında sadece altı elektron bulundururlar ve bundan dolayı Lewis asitleridirler. Bu açıdan BF3 ve AlCl3’e ben zerler. Karbokatyonların çoğu kısa ömürlüdür ve oldukça etkindir. Bazı organik tepki melerde ara ürün olarak yer alırlar. Karbokatyonlar, Lewis bazlarıyla, kararlı elektron oktetine (yani, bir soy gazın elektron dağılımına) ulaşması için gerekli olan elektron çift lerini verebilen molekül veya iyonlarla hızlıca tepkime verirler. I B~

-------►— C — B

I Karbokatyon (bir Lewis asidi)

Anyon (bir Lewis bazı)

* Bazı kimyacılar karbokatyonları karbonvunı iyonu olarak da adlandırırlar. Bununla beraber bu eski terim daha fazla kullanımda kalmayacaktır, bu yüzden biz anlamı açık ve belirli olan ka rb o k a ty o n terimini kul lanacağız.

98

3.4 Tepkimelerin Gösteriminde Eğri Okların Kullanımı

99

* —C — O—H H

H

Karbokatyon Su (bir Lewis asidi) (bir Lewis bazı)

Karbokatyonların elektron arayan reaktifler olmalarından dolayı, kimyacılar bunla rı elektrofiller diye tanımlarlar. Elektrofiller tepkimelerinde kendilerine kararlı değer lik elektron kabuğu sağlayacak olan ilave elektronlar arayan reaktiflerdir. Proton dahil tüm Lewis asitleri elektrofildir. Proton, bir elektron çifti alarak helyumun değerlik ka buğunun konfigürasyonuna; karbokatyonlarsa neonun değerlik kabuğunun kofigürasyonuna ulaşırlar. Karbanyonlar Lewis bazlarıdır. Tepkimelerinde elektron çiftlerini verebilecek, do layısıyla negatif yüklerini nötrleştirecek, proton veya bir başka pozitif merkez ararlar. Karbanyonlar gibi, proton veya bir başka pozitif merkez arayan reaktiflere niikleofiller (çekirdek, İng. nucleus, bir atomun pozitif kısmı olduğundan) denir. *■ — C — H + : A”

3 .4

Karbanyon

Lewis asidi

Karbanyon

Lewis asidi

TEPKİM ELER İN G Ö S TE R İM İN D E EĞRİ O K L A R IN K U L L A N IM I

Önceki kısımlarda bir elektron çiftinin hareketini eğri bir okla gösterdik. Bu gösterim tipi organik kimyacılar tarafından, genellikle bir tepkimede elektron akış yönünü gös termek için kullanılır. Bununla birlikte, eğri ok atomların hareketini göstermez. Atom ların elektron akışını takip ettikleri kabullenilir. Bir örnek olarak, hidrojen klorürün suyla tepkimesini ele alalım.

Eğri oklar, organik kimyayı öğrenmek için kullanacağınız en önemli araçlardan biridir.

i T e p k i m e için bir Me ka ni z m a Tepkime: H- ,0

+ H CI---- ►H,0 + + cr

Mekanizma: .. /'"5İ <5+pi.. s-

0-'+ H—O • + H— H

CL

H Bir su molekülü, elektron çiftlerinden birini HCl’nin protonuyla bağ oluşturmak için kullanır. Hidrojen ve klor arasındaki bağ, elektron çiftinin klor atomuna geçmesi Ue kırılır.

..+

----►H— o—H + *C1 H Bu. bir hidronyum iyonu ve bir klorür iyonunun oluşumuna yolaçar.

Eğri oklar, elektronlardan, bu elektronları alan atom lara doğru yönlendirilirler.

100


Sör Robert Robinson (1885-1975) elektron hareket lerini göstermek için "kıvrımlı oklar"m kullanıldığı ilk makalenin yayınlanmasıyla itibar kazandı. (J. Chem. Soc. 1922, 121, 427-440). Robinson, 1947’de doğal ürünlerin sentezi ve biyogenesisi üzerindeki çalışmasıyla Kimya Nobel Ödülünü aldı. Diğer başarılarının arasında strikninin yapısının aydınlatılması da vardır (Özel konu F).

Eğri ok, kovalent bağdan veya ortaklaşılmamış elektron çiftinden (elektron yo ğunluğunun daha fazla olduğu taraf) başlar ve elektron eksikliği olan tarafa doğ ru yönlendirilir. Burada su molekülünün bir hidrojen klorür molekülüyle çarpışması sırasında, HCl’nin protonuyla bir bağ oluşturmak üzere ortaklaşılmamış elektron çiftle rinden birini (maviyle gösterilen) kullandığım görüyoruz. Oksijen atomunun negatif yük lü elektronlarının pozitif yüklü proton tarafından çekilmesiyle bu bağ oluşur. Oksijen ve proton arasındaki bağ oluşurken HCl’nin hidrojen-klor bağı kırılır ve HCl'nin klo ru daha önce kendini hidrojene bağlayan elektron çiftiyle birlikte ayrılır. (Böyle olma saydı, protonun iki kovalent bağ yapmasıyla sonuçlanırdı ki şüphesiz bu proton için mümkün değildir.) Bu yüzden eğri okları, bağ bölünmelerini göstermek için de kullanı yoruz. Klora doğru yönlenen ok, klorür iyonunun elektron çiftiyle ayrıldığını belirtir. Aşağıdaki asit-baz tepkimeleri, eğri-ok gösteriminin kullanımına ait diğer örnekler dir. H— OV H + - ;0 — H

►H— 0 : + H— O—H

1^

I

H Baz

Asit

•o*î ^ •• CHj — c — o — H + :0 — H

II •• — C H ,— C — O

-+ + H— O— H

H

H Asit

Baz

'O ' II

*0 '

CH.,— C—O — H + “ :0 —H Asit

P ro bl em 3.3

..

CH,—c —0 :" + H—O — H

Baz

>• Dimetilamin ve bor triflorür arasında olabilecek tepkimeyi yazmak için eğri ok gös terimini kullanınız. Lewis asit ve Lewis bazını belirtiniz. Uygun formal yükleri belir leyiniz.

3.5 Asitlerin ve Bazların Kuvvetleri: K a ve p K a 101

3 .5

A S İT L E R İN VE B A Z L A R IN K U V V E T L E R İ K a ve p K a

HC1 ve H2S04 gibi kuvvetli asitlere karşın asetik asit çok daha zayıf bir asittir. Asetik asit suda çözündüğünde aşağıdaki tepkime tamamlanmaz. O II

c h 3— c — o h

O II

+ h 2o «=►- c h 3— c — o - + h 3o +

Deneyler, 0,1 M asetik asit çözeltisinde, 25°C'da, asetik asit moleküllerinin sadece % Tinin su moleküllerine protonlarını aktararak iyonlaştıklarmı göstermiştir. 3.5A Asitlik Sabiti, K a Asetik asitin sulu çözeltisinde meydana gelen tepkimenin bir denge tepkimesi olmasın dan dolayı onu denge sabiti ifadesiyle tanımlayabiliriz. K _ [H3Q+] [CH2CO-] denge [CH3C 02H] [H20] Aslında seyreltik sulu çözeltiler için suyun derişimi sabittir (~ 55,5Af), bu yüzden den ge sabiti ifadesini asitlik sabiti (ÂTa) adı verilen yeni bir sabit için yeniden yazabiliriz. Ka = Kdenge[H20 )

[H3Q+] [CH3C 0 2-] [CH3C 0 2H]

25°C’da asetik asitin, asitlik sabiti 1,76 X 10-5 ’tir. Suda çözünmüş her zayıf asit için benzer ifadeler yazabiliriz. Genelleştirilmiş, ku ramsal bir asit (HA) için sudaki tepkime HA + H20 « = * H30 ++ Adir ve asitlik sabiti ifadesi de [H3Q+] [A-] K° ~ [HA] dır. Ürün derişimlerinin payda, ayrışmamış asit derişiminin ise paydada bulunmasından do layı üffl’nın büyük değerleri asidin kuvvetli olduğu, küçük Ka değerleri ise asidin zayıf olduğu anlamına gelir. Eğer Ka 10’dan daha büyük ise asit bütün pratik amaçlar için suda tamamıyla ayrışmış olacaktır. Formik asit (HC02H) için Ka = 1,76 x 10^’tür. (a) Formik asitin 0,1M sulu çözeltisin- ^ deki hidronyum ve format iyonlarının (HCOr) molar derişimi nedir? (b) Formik asitin yüzde kaçı iyonlaşmıştır?

3.5B Asitlik ve pKa Kimyacılar genelde asitlik sabitini, Kt], onun negatif logaritması olarak, pKa, ifade eder ler. PK„ = -log K,

P ro bl em 3.4

102


Bu. hidronyum iyonunun derişiminin pH olarak ifade edilişinin benzeridir. pH = - log[H ,0+] Asetik asit için pKa 4,75"tir. pKa= —

pKa , asit kuvvetinin bir ölçüsüdür.

log(l,76

X

10 " 5)

=

- ( -

4,75) =4,75

Asitlik kuvveti ve pK a büyüklüğü arasında bir ters orantının olduğuna dikkat ediniz, pK a değeri ne kadar büyükse asit o oranda zayıftır. Örneğin pAVsı 4,75 olan asetik asit p/Ç/sı 0 olan (^ „ = 1 ) triflorasetik asitten zayıftır. Hidroklorik asit, pKa = - 7 (Ka = 107), triflorasetik asitten çok daha kuvvetli asittir. (Bir pozitif p/Ç/nın bir negatif p/Ç'dan daha büyük olduğunu biliyoruz.) CH3C 02H < CF3C 02H < pKa = 4,75 Zayıf asit

pKa = 0

HC1

pKa = - 7 Çok kuvvetli asit

Artan asitlik kuvveti

Çizelge 3.1’de seçilmiş bazı asitlerin, baz olarak suya göre pK a değerleri listelenmiştir. Çizelgenin orta pKa aralığındaki değerler doğruluğu en yüksek olanlardır, çün kü bunlar sulu çözeltide ölçülebilirler. Çizelgenin üst kısmında yer alan çok kuvvetli asitler ve alttaki çok zayıf asitler için pK„ değerlerinin belirlenmesi için özel yöntemler kullanılmalıdır.* Bu nedenle bu çok kuvvetli ve çok zayıf asitler için olan pK a değerle ri yaklaşıktır. Bu kitapta ele alınacak olan bütün asitlerin kuvvetleri etan (çok zayıf asit) ve HSbFfi (o kadar kuvvetli bir asit ki ona "süper asit" denir) arasında olacaktır. Çizel ge 3 . 1 ’i incelerken, asitliklerin ne kadar geniş bir aralığı ( 1 0 62 çarpanı ifade eder) kap sadığına dikkat ediniz.

Pr o bl em 3.

>• (a) Bir asidin (HA) Ka'sı 10~7 ’dir. Bu asidin p/Ç ’sı nedir? (b) Bir başka asidin (HB) K a'sı 5'tir; p/Ç/sı nedir? (c) Hangisi daha kuvvetli asittir?

Suyun kendisi zayıf asittir ve asitler ve bazların yokluğunda bile kendi kendine iyon laşmaya uğrar. .. pA.

H— O : + H —O:**— H—O —H + - : 0 — H I

H

I

H

I

H

Saf suda, 25°C'da, hidronyum ve hidroksit iyonlarının derişimi 1 0 - 7M’(a) eşittir. Saf suda suyun derişimi 55.5M olduğundan su için K a'yı hesaplayabiliriz. =

P ro bl em 3.

[H 30 +] [OH-] [H ,0]

=

( 1 0 -7) ( 1 0 -7) = 1,8 (55,5)

X

10- 16

pK(J = 15.7

>■ Hidronyum iyonunun (H?0 +) pA'./sınm Çizelge 3.1 'de verildiği gibi -1,74 olduğunu hesaplamaları göstererek kanıtlayınız.

* Hidronyum iyonundan kuvvetli asitler ve hidroksit iyonundan daha kuvvetli bazlar suyla tamamen tepki meye girer (bkz. 3.2A ve 3.14). Bu yüzden bu asitler için suda asitlik sabiti ölçümü yapılamaz. Başka çözü cüler ve özel teknikler kullanılır, ancak biz bu yöntemlere burada yer vermeyeceğiz.

3.5 Asitlerin ve Bazların Kuvvetleri: K a ve pK i: 103

Çizelge 3.1 Seçilmiş Asit ve Bunların Konjuge Bazlarının Bağıl Kuvvetleri Konjuge Baz Asit Yaklaşık p K a HSbF6 HI

<

-1 2 -10

h 2 so 4

-9 -9 -7 -6,5 -3,8 -2.9 -2,5 -1.74 -1,4 0.18 3,2 3.7 4,75 9.0 9.2 9.9

HBr HCl C 6H,SO,H -f (CH3)2OH (CH312C = OH c h 3o h 2

H ,0 + HNO, CF3C 02H HF ti S 3

h 2c o 3 c h 3c o 2h

M

c h ,c o c h 2c o c h 3

<§A

n h 4+

c

c 6h 5o h h c o 3-

10,2

c h ,n h 3^

10.6

h 2o

15,7 16 18 19.2 25 35 38 44 50

c h ,c h 2oh

(CH3)3COH CHjCOCH, HC = CH h2 nh3 En Z ayıf Asit

3.5C

ch2= ch2 CH3CH3

SbFftr h so 4Br cr

En Z ayıf Baz

c 6h 5so 3-

(CH3)20 (CH3)2C = O CH,OH H20 n o 3* CF3C02F~ HCO3CH3C02CHjCOC HCOCH, NH3 Cf)H,0 cor CH,NH: OH' CH3CH,0 (CH3)3CO-

> D cr tü c $ r+

'S

7

c h 2c o c h 3

X o III n

En K uvvetü Asit

H' NH2c h 2 = ch CH,CHf

En K uvvetli Baz

Bazların Kuvvetlerinin Ö n g ö r ü l m e s i

Buraya kadar ki yaptığımız tartışmalarda sadece asitlerin kuvvetine değindik. Bu, do ğal olarak, bizi bazların kuvvetlerinin belirlenmesi ilkesine götürür. Bu ilke basitçe, asit ne kadar kuvvetli ise onun konjuge bazı o kadar zayıftır şeklinde belirtilir. Bu nedenle, bir bazın kuvvetini onun konjuge asidinin p/C„’sıyla ilişkilendirebiliriz. Konjuge asidin pK^sı ne kadar büyükse baz o oranda kuvvetlidir. Aşağıdaki örneği ele alalım:

Artan baz kuvveti

cıÇok zayıf baz konjuge asidin pAfl sı (HCl) = -7

c h 3c o 2-

Konjuge asidin pA'n sı (CH3C02H) = 4,75

=

>

OH-

Kuvvetli baz konjuge asidin pKa sı (H,0) = 15,7

Konjuge asit-baz ilişkisi baz kuvvetinin tahmini için çok yararlı bir araçtır.


Hidroksit iyonunun bu üç bazdan en kuvvetlisi olduğunu görüyoruz, çünkü onun konjuge asidi olan su en zayıf asittir. (Suyun, en büyük pÂVya sahip olduğundan, en zayıf asit olduğunu biliyoruz.) Aminler, amonyak gibi zayıf bazlardır. Amonyağın suda çözünmesiyle aşağıdaki den ge oluşur. H

NH, + H— Ö — H -4--►H—N— H + ":0 —H H Baz

Asit

Konjuge asit

Konjuge baz

P * fl= 9 ,2

Metilaminin suda çözünmesiyle benzer denge kurulur.

^ I+ CH3NH2 + H—O—H «=* CH3—N—H + ”:0 —H

H Baz

Asit

Konjuge asit pK a = 10,6

Konjuge baz

Yine, bu maddelerin bazikliklerini onların konjuge asitlerinin kuvvetiyle ilişkilendirebiliriz. Amonyum iyonu, NH4+, amonyağın konjuge asididir. Amonyum iyonunun pÂVsı 9,2’dir. Metilaminin konjuge asidi CH,NH3+ iyonudur. Bu iyonun, metilaminyum iyo nu denir, p/Ç/sı 10,6'dır. Metilaminin konjuge asidi amonyağın konjuge asidinden da ha zayıf bir asit olduğundan metilaminin amonyaktan daha kuvvetli baz olduğu sonucuna varabiliriz.

P ro b l e m 3.7

>" Anilinyum iyonunun (C6H3NH3+) p/Ç/sı 4,6’dır. Buna göre anilinin metilaminden daha kuvvetli baz olup olmadığına karar veriniz.

3 .6

A S İT -B A Z TEPKİM ELER İN İN So n u c u n u Ö n g ö r m e

Çizelge 3.1 'de, bir seri temsili bileşiğin yaklaşık pKu değerleri verilmiştir. Çizelge 3.1'deki pKa değerlerinin hepsini ezberlemeniz beklenmemekle birlikte sıkça karşılaşılan bazı asit ve bazların genel asitlik ve bazlık sırasını öğrenmeye başlamanız iyi olur. Çizelge 3.1'de verilen örnekler kendi sınıf veya fonksiyonel grup temsilcileridir. Örneğin, ase tik asitin püT/sı 4,75'tir ve genelde karboksilik asitlerin p/Ç'ları bu değere yakındır (p/Ç, aralığı = 3—5). Etil alkol bir alkol örneği olarak verilmiştir ve alkoller genelde etil alkolünkine yakın pKa değerlerine sahiptirler (pKa aralığı = 15 -1 8 ) ve böyle devam eder. (İstisnalar tabi ki var. ve ilerledikçe bunların neler olduğunu göreceğiz). Şimdi, sıkça karşılaşılan asitlerin bağıl asitlik sırasını öğrenerek, bir asit-baz tepki mesinin yazıldığı gibi gerçekleşip gerçekleşmeyeceğini öngörebileceksiniz.

3.6 Asit-Baz Tepkimelerinin Sonucunu Öngörme

105

Uygulamada genel ilke şudur: Asit-baz tepkimeleri daima daha zayıf asit ve daha zayıf bazın oluşumu yönünde meydana gelir. Bunun sebebi bir asit-baz tepkimesi nin sonucunun bir dengenin konumuyla belirleniyor olmasıdır. Bu nedenle asit-baz tep kimelerinin denge kontrollü olduğu söylenir ve denge kontrollü tepkimeler daima en A sit-baz tepkimelerinin sonucunun tahmini için bir kararlı (en düşük potansiyel enerjili) türlerin oluşumu yönünü yeğler. Daha zayıf asit ve genel ilke daha zayıf baz, daha kuvvetli asit ve daha kuvvetli bazdan daha kararlıdır (daha düşük potansiyel enerjilidir). Bu ilkeyi kullanarak bir karboksilik asidin (RC02H) sulu NaOH ile aşağıdaki şekil de tepkime vereceğini öngörebiliriz, çünkü bu tepkime daha zayıf asit (H,0) ve daha zayıf bazın (RC02~) oluşumuna sebep olacaktır. 0

II

O

% ..¿ 9

R—c —o — H + Na+ ■ O — H -> R— C —O :_Na+ Daha kuvvetli asit

Daha kuvvetli baz

H—O—H

Daha zayıf baz

Daha zayıf asit

P*a= ‘l5.7

P * a= 3 -5

İki asidin pKu değerleri arasında büyük bir fark olmasından dolayı dengenin konumu iyice ürünlerin oluşumuna doğru kayacaktır. Buna benzer durumlarda tepkimeyi, bir den ge tepkimesi bile olsa genellikle tek yönlü bir okla gösteririz. Asetik asitin ve beş karbondan daha az karbon atomu içeren diğer karboksilik asit lerin suda çözünmelerine rağmen, daha büyük molekül kütleli pek çok karboksilik asit suda fark edilebilir bir çözünürlüğü sahip değildir. Ancak asitliklerinden dolayı suda çözünmeyen karboksilik asitler sulu sodyum hidroksitte çözünürler; bunlar suda çözü nen sodyum tuzları vermek üzere tepkimeye girerek bunu gerçekleştirirler.

Suda çözünmez

Suda çözünür (Bir tuz olarak polarlığından dolayı)

Aminlerin sulu hidroklorik asitle aşağıdaki şekilde tepkime verebileceklerini de ön görebiliriz. r —n h 2

+

h—

ö—h er H

Daha kuvvetli baz

Daha kuvvetli asit p/s:a = -l,74

L R — N— H c r

+

:Ö —H

H

H

Daha zayıf asit = 9-10

Daha zayıf haz

Metilamin ve düşük molekül kütleli aminlerin pek çoğu suda çözünürken, anilin (C6H5NH2) gibi daha büyük molekül kütleli aminlerin suda çözünürlükleri sınırlıdır. Bu nunla birlikte, suda çözünmeyen bu aminler, hidroklorik asitte, asit-baz tepkimeleri so nucu çözünebilen tuzlara dönüştüklerinden kolayca çözünürler. H CgtL— NH 2 + H— Ö — H C1 H Suda çözünmez

C6H3—N—H c r + H Suda çözünür tuz

=Ö — H

H

106


3 .7

Y api ve A İLİ ŞK İ

s î t l İk

A

r a s in d a k

İ

Bir asidin kuvveti, ondan bir protonunun ayrılabilmesine ve bir baza aktarılabilmesine bağlıdır. Protonun uzaklaştırılması protonun yer aldığı bağı kırmayı ve konjuge bazı elekt riksel olarak daha negatif yapmayı gerektirir. Periyodik çizelgenin bir düşey sütunun daki elementlerin bileşiklerini karşılaştırdığımızda, protonla yaptıkları bağın kuvvetinin belirleyici olduğunu görürüz. Hidrojen halojenürlerin asitlikleri buna bir örnek oluştu rur. Asitlik artar

H—F

H— C1

H—Br

H—I

pKa=3,2

pKa= - l

pKa= - 9

pKa= -lO

Düşey sütunda aşağıya inildikçe asitlik artar: H — F en zayıf H — I ise en kuvvetli asittir. Önemli bir faktör H — X bağının kuvvetidir: bağ ne kadar kuvvetli ise asit o ka dar zayıftır. H — F bağı en kuvvetli H — I bağı ise en zayıf olanıdır. HI. HBr ve HC1, kuvvetli asitler olduklarından bunların konjuge bazlarının (I- , Br- , Cl- ) tamamı zayıf bazlardır. Florür iyonu oldukça fazla baziktir. Halojenür iyon larının bazlığı aşağıdaki şekilde artar. Bazlık artar

F-

Cl-

Br

I-

Periyodik çizelgenin diğer düşey sütunlarında da asitlik ve bazlığın aynı değişme eğilimine sahip olduğunu görüyoruz. Örneğin, oksijenle başlayan sütunu ele alalım: Asitlik a rta r

H20

H2S

H2Se

ve Bazlık artar

SH-

SeH-

Burada en kuvvetli bağ O — H bağıdır ve H20 da en zayıf asittir; Se — H bağı en zayıf bağdır ve H2Se ise en kuvvetli asittir.

Periyodik çizelgenin aynı yatay sırasındaki elementlerin bileşiklerini karşılaş tırdığımızda asitliğin soldan sağa doğru arttığını görürüz. Bağ kuvvetleri kabaca ay nıdır ve hidrojene bağlı atomun elektronegatifliği belirleyici faktör olur. Bu atomun elektronegatifliği asitliği iki yoldan etkiler. Protonla olan bağın polarlığını ve proton ay rıldığında oluşan anyonun (konjuge bazın) bağıl kararlılığını etkiler. H — A ve H — B olarak varsayılan iki asidi karşılaştıralım. <5+ Ö— H — A ve

5+ 6H— B

A'nın B'den daha elektronegatif olduğunu kabul edelim. A’mn daha elektronegatif ol ması (A) atomunun B atomundan daha negatif olmasına sebep olacak ve H — A’nın hid rojeni (protonu) H — B’nin hidrojeninden daha pozitif olacaktır. Böylece, H — A’nın

3.7 Yapı ve Asitlik Arasındaki İlişki

107

protonu daha gevşek tutulacak ve daha kolay ayrılarak bir baza daha kolay aktarılacak tır. A’nın daha elektronegatif olması negatif yükü. A’nın B'den daha kolay taşıyacağı anlamına da gelir ve A" anyonu B~ anyonundan daha kararlı olacaktır. Bu nedenle H — A daha kuvvetli asit olacaktır. Bu etkinin bir örneğini CH4, NH,, H20 ve HF bileşiklerinin karşılaştırdığımızda gö rebiliriz. Bu bileşiklerin tümü birinci sıra elementlerinin hidrürleridir ve elektronegatif lik, periyodik çizelgenin bir sırasında soldan sağa doğru artar (bkz. Çizelge 1.2). Elektronegatiflik artar

C

N

O

F

Flor en elektronegatif olduğundan, H — F bağı en fazla polarlanmıştır ve H — F’deki proton en pozitiftir. Bu nedenle, H — F en kolay proton kaybeder ve en asidiktir:

<5+

H,C— H p/Ç=48

ö-

ö+

H,N— H pKa = 38

c

S-

d- ö+ HO— H PKa= 15,7

V Ö- 8 + F—H p/Ç = 3,2

,- ¿ 1

Asitlik artar

p/Ç’lar ve bir Asit-Baz Tepkimesi

Bu bileşiklerin elektrostatik potansiyel haritaları, elektronegatifliği ve hidrojenle olan bağların artan polarlanmasına dayanan bu eğilimi doğrudan gösteriyor (Şekil 3.2). Me tanın hidrojenlerinde pozitif yük (maviye doğru kayan rengin miktarıyla belirtilen) he men hemen hiç belirli değildir. Amonyağın hidrojenlerinde ise çok az pozitif yük vardır. Bu durum, karbon ve azotun zayıf elektronegatifiikleri ve bundan dolayı da metan ve amonyağın aşırı zayıf asitler olmalarıyla uyumludur (p/Ç’ları sırasıyla 48 ve 38’dir). Su hidrojenlerinde önemli bir pozitif yük görülmekte (pÂVsı amonyağınkinden 20 birim daha düşük) ve hidrojen florür. hidrojenlerinde açıkça en fazla miktarda pozitif yük ta şımaktadır (pKa 3,2), bu da kuvvetli asitliğe sebep olur. /£

v -,

• V *

O Metan

Amonyak

Su

Hidrojen florür

Şekil 3.2 Periyodik çizelge nin birinci sırasında soldan sağa doğru olan elementler arasında ki artan elektronegatifliğin etki si metan, amonyak, su ve hidrojen florür için olan bu elektrostatik potansiyel harita larında açıkça görülmektedir.

HF’nin en kuvvetli asit olmasından dolayı, onun konjuge bazı olan florür iyonu (F- ) en zayıf baz olacaktır. Flor en elektronegatif atomdur ve negatif yükü en kolay ba rındırır. Bazlık a rta r

CFF

H,N-

HO-

Metanür iyonu (CH3 ) bu dördü arasında en az kararlı olan anyondur, çünkü karbon en az elektronegatif element olarak negatif yükü almaya en az yatkındır. Metanür iyonu bu


yüzden en kuvvetli bazdır. [Bir karbanyon olan metanür iyonu ve amit iyonu (NH2_), oldukça zayıf asitlerin konjuge bazları olduklarından son derece kuvvetli bazlardır. Bu güçlü bazların bazı kullanımlarını Altbölüm 3.14’te tartışacağız]. 3.7A Melezleşmenin Etkisi

n

Etin pKa = 25

1 33

Etinin protonları eteninkilerden daha asidik. eteninkiler ise etanınkilerden daha asidiktir. H H H H \ / C=C v-' — C V; ‘•nu / / \ V H H H H 1 n III

108

Eten PAa = 44

Etan

?Ka =50

Bu asitlik sırasını, her bir bileşikteki karbon atomunun melezleşme durumuna da yandırarak açıklayabiliriz. 2s Orbitallerinin elektronları 2p orbitallerinin elektronların dan daha düşük enerjilidir,' çünkü 2s orbitali erindeki elektronlar ortalama olarak, çekirdeğe 2p orbitallerinin elektronlarından çok daha yakın olacak şekilde yönelmiş lerdir. (Orbitallerin şekillerini düşününüz: 2s orbitalleri küreseldir ve çekirdek bunların merkezindedir: 2p orbitalleri ise çekirdeğin her iki tarafında olan ve uzaya doğru uza yan loblara sahiptir.) Bundan dolayı, melez orbitallerinin daha fazla s karakterine sa

hip olması, anyonun elektronlarının, ortalama olarak, daha düşük enerjili olacağı ve anyonun da daha kararlı olacağı anlamına gelir. Etinin C — H bağlarının sp or bitalleri %50 s karakterindedir (bir s ve bir p orbitalinden oluştukları için), etenin sp2 orbitalleri %33,3 s karakterinde, etanın sp3 orbitalleri ise sadece %25 s karakterindedir. Aslında bu, etinin sp karbon atomlarının, etenin sp2 karbon atomları ve etanın spi kar bon atomlarına kıyasla daha elektronegatifmiş gibi davrandığı anlamına gelir. (Hatırla yınız: Elektronegatiflik, atomların bağ elektronlarını çekirdeklerine yakın tutma kabiliyetinin ölçüsüdür ve elektronların çekirdeğe daha yakın olması atomları daha ka rarlı kılar.) Melezleşmenin asitlik üzerine olan etkisi. Şekil 3.3’te gösterilen etin, eten ve etan için hesaplanan elektrostatik potansiyel haritalarda doğrulanmıştır. Etin hidrojenleri üze rinde biraz pozitif yük (mavi renkle belirtilen) açıkça görülmektedir (pÂ'„ = 25), ancak eten ve etan hidrojenlerinde pozitif yük yoktur (her ikisi de etinin pAVsından 20 birim büyük py^„’lara sahiptir). Bu. eten ve etandaki sp2 ve sp3 orbitallerinden daha fazla s ka rakterine sahip olan etinin sp orbitalinin oldukça büyük olan eleklronegatifliğiyle uyum içindedir. [Şekil 3.3’te, etin ve etenin n bağlarının elektron yoğunluğundan kaynakla nan negatif yük (ilgili n bağ bölgelerinde kırmızıyla belirtilmiştir) de bellidir. Etinin üçlü bağındaki elektron yoğunluğunun silindirik simetrisine dikkat ediniz. Etenin n ba-

Etin

Eten

Etan

3.7 Yapı ve Asitlik Arasındaki İlişki

ğında, ikili bağın üst tarafında görülene tamamlayıcı olarak altta kalan yüzeyde de yük sek elektron yoğunluklu bir bölge bulunmaktadır.] Şimdi etin, eten ve etanın bağıl asitlik sırasının her bir bileşikteki karbon atomları nın etkin elektronegatiflikleriyle nasıl paralel olduğunu görebiliriz: H id ro k a rb o n la n tı b a ğ ıl A s itlik le ri

HC — CH > H2C = CH, > H3C — CH3 En elektronegatif olan etinin sp melezleşmiş karbon atomu, hidrojenlerinin en pozitif olmasına yol açarak C — H bağını en fazla polarize eder. Bundan dolayı, etin, bazlara en kolay proton verir. Ayni şekilde, etinür iyonu en zayıf bazdır, çünkü etinin daha elekt ronegatif karbon atomu eksi yükü en iyi şekilde kararlı kılabilir. K a rb a n y o n la rın B a ğ ıl B azlığ ı

H3C — CH2:~ > H2C = CH:~ > HC = C’~ Burada yapılan açıklamaların, HF, H20 , NH3 ve CH4’ün bağıl asitlikleriyle ilgili yapı lanlarla aynı olduğuna dikkat ediniz. ı

3.7B İndüktif Etkiler Etanın karbon-karbon bağı, bağın her iki ucunda iki eşdeğer metil grubu bulunduğun dan tam olarak apolardır. CH3— c h 3

Etan B u C — C b a ğ ı p o la r d e ğ ild ir .

Ancak, etil florürdeki karbon-karbon bağı için durum böyle değildir. ¿+ c h 3^ 2

6

-

+

c h 2^

Ö^

f

1

Bağın Bor atomuna yakın olan ucu diğerinden daha pozitiftir. Karbon-karbon bağının bu polarlanması flor atomunun doğal elektron çekme yeteneğinden (elektronegatifliğin den dolayı) kaynaklanır, bu çekim uzaydan ve molekülün bağları boyunca iletilir. Kim yacılar bu çeşit bir etkiyi indüktif etki olarak tanımlarlar. Burada gördüğümüz indüktif etki elektron-çekendir, ancak ileride indüktif etkinin elektron-salıveren de olabile ceğini göreceğiz, indüktif etkiler sübstitüentten olan mesafe arttıkça zayıflar. Burada, flor atomunun C1 üzerinde oluşturduğu pozitif yük C2 üzerinde oluşturduğundan daha fazladır, çünkü flor C l ’e daha yakındır. Şekil 3.4 etil florürün (floroetan) gerçek dipol momentini göstermektedir. Eşlik eden hesaplanmış elektrostatik potansiyel haritasında elektronegatif flor atomu etrafındaki ne gatif yükün dağılımı onun kırmızı renginden açıkça görülmektedir.

109

110


3 .8

ENERJİ D EĞ İŞ İM LER İ

Kimyasal sistemlerin enerjilerinden ve moleküllerin bağıl kararlılıklarından sıkça bah sedeceğimiz için, burada kısa bir özet belki uygun olacaktır. Enerji iş yapma kapasite si olarak tanımlanır. İki temel enerji türü kinetik enerji ve potansiyel enerjidir. Kinetik enerji bir nesnenin hareketinden kaynaklanan enerjidir: nesnenin kütlesiyle hızının karesinin çarpımının yarısına eşittir (yani ± mv2). Potansiyel enerji depolanmış enerjidir. Sadece nesneler arasında itme ve çekim kuv vetleri olduğunda vardır. Birbirine bir yayla bağlı iki top (Altböliim 2.16"da infrared spektroskopisini tartışırken kovalent bağlar için bir benzerini kullanmıştık) yay gerildi ğinde veya sıkıştırıldığında artan potansiyel enerjiye sahiptir (Şekil 3.5). Eğer yay ge rilirse toplar arasında bir çekim kuvveti oluşacaktır. Yay sıkıştırılırsa bu kez bir itme kuvveti oluşacaktır. Her iki durumda da topların bırakılması potansiyel enerjinin (depo lanmış enerji) kinetik enerjiye (hareket enerjisi) dönüşmesine sebep olacaktır. Kimyasal enerji potansiyel enerjinin bir şeklidir. Moleküllerin farklı parçaları ara sındaki elektriksel itme ve çekme kuvvetlerinden dolayı vardır. Çekirdekler elektronla rı çeker, çekirdekler birbirlerini iter ve elektronlar da birbirlerini iterler. Bir maddenin içerdiği potansiyel enerjinin mutlak miktarını tanımlamak genelde pra tik değildir (çoğu kez mümkün de değildir). Bu nedenle genelde onun bağıl potansiyel enerjisini düşünürüz. Bir sistemin bir diğerinden daha fazla veya daha az potansiyel enerjiye sahip olduğunu söyleriz. Bu anlamda kimyacıların sıkça kullandıkları bir başka terim kararlılık ve bağıl ka

rarlılıktır. Bir sistemin bağıl kararlılığı onun bağıl potansiyel enerjisiyle ters oran tılıdır. Daha fazla potansiyel enerjiye sahip olan bir nesne daha az kararlıdır. Bir örnek olarak, karın bir dağın yamacında, yükseklerde bulunduğundaki ve bir vadinin ta banında açıkta bulunduğundaki bağıl potansiyel enerjisini ve bağıl kararlılığını ele ala lım. Yerçekiminden dolayı, dağda yüksekteki kar daha büyük potansiyel enerjiye sahiptir ve vadideki kardan çok daha az kararlıdır. Dağ zirvesindeki karın daha büyük olan po tansiyel enerjisi, bir çığın muazzam kinetik enerjisine dönüşebilir. Buna karşın, daha düşük potansiyel enerjisi ve daha büyük kararlılığıyla vadideki karın böyle bir enerji sa lıvermesi mümkün değildir. 3.8A

Şekil 3.5 Birbirini çeken veya iten nesneler arasında potansiyel enerji (PE) vardır. Yay hem gerildiğinde hem de sıkıştırıldığında, iki topun PE’si artar. ("Brady, J. E.; Humiston, G. E.

Potansiyel Enerji ve Kovalent Bağlar

Atomlar ve moleküller tepkimeye girdiklerinde ısı olarak salıverilebilen potansiyel ener jiye (sıkça kimyasal enerji olarak adlandırılır) sahiptirler. Isının molekül hareketleriyle bağlantılı olmasından dolayı. ısı salıverilmesi potansiyel enerjinin kinetik enerjiye dö nüşmesinin sonucudur. Kovalent bağlar açısından en yüksek potansiyel enerjili hal, atomların birbirine hiç bağlı olmadıkları hal olan atomların serbest olduğu haldir. Bu doğrudur, çünkü bir kim yasal bağın oluşumuna daima atomların potansiyel enerjilerinde azalma eşlik eder (Şe kil 1.7). Yay serbest

İO T M M İÎM ÎÎıJ

General Chemistry: Principles and structure,

1st ed.; Wiley: New York, 1975; s l 8 "den izin alınarak uyarlanmıştır.)

PE = Potansiyel enerji

M --------------------

Yay geriliyor

-----------------►

Yay sıkıştırılıyor

3.9 Denge Sabiti ve Standart Serbest Enerji Değişimi Arasındaki İlişki, AG°

111

Bir örnek olarak hidrojen atomlarından hidrojen molekülünün oluşumunu ele alalım: H- + H- ---- ►H— H

AH°= -435 kJ moM*

Kovalent bağ oluştuğunda atomların potansiyel enerjisi 435 kJ mol“1 kadar azalmıştır. Bu potansiyel enerji değişimi Şekil 3.6'da grafiksel olarak gösterilmektedir. Moleküllerin bağıl potansiyel enerjilerini göstermek için uygun bir yolun, bunların H- + Hbağıl entalpilerini veya ısı içeriklerini. H, vermektedir. (Enthalpy. en + Yunanca: ısıt mak anlamına gelen thalpeinden gelir). Bir kimyasal değişimde, reaktantlarm ve ürün lerin bağıl entalpilerindeki farka entalpi değişimi denir ve AH° ile simgelenir. [Bil 435 kJ mol"1 mediğin önündeki A (delta) genelde o nicelikteki fark veya değişimi ifade eder. Üstel olarak yer alan 0 ölçümlerin standart koşullarda yapıldığını belirtir.) Anlaşma gereği A //°’ın işareti eksotermik tepkimeler (ısı çıkaranlar) için negatif H—H ,, tir. Endotermik tepkimeler (ısı soğuranlar) ise pozitif A //°’a sahiptirler. Tepkime ısı sı, AH°, reaktantlarm ürünlere dönüşümünde, atomların entalpisindeki değişiminin Şekil 3.6 Hidrojen ölçüsüdür. Eksotermik bir tepkime için ürün atomları, reaktanllarda olduklarından da atomlarının ve bir hidro ha küçük enlalpiye sahiptirler. Endotermik tepkimeler için tersi geçerlidir. jen molekülünün bağıl potansiyel enerjileri.

3 .9

D e n g e Sa b ît î ve St a n d a r t Se r b e s t E n e r jİ D E Ğ İ Ş İ M İ A R A S I N D A K İ İL İŞ K İ, A G , °

Tepkimeye eşlik eden standart serbest enerji değişimit (AG°) ile denge sabiti ara sında önemli bir ilişki vardır. AG° = -2,303 RT log K(lenge R gaz sabitidir ve 8,314 kJ-1 mol-1’e eşittir. T ise kelvin (K) olarak mutlak sıcaklıktır. Bu eşitlikle, dengeye ulaşıldığında ürünlerin oluşumu lehine olan tepkimelerin eksi AG° değerli olduklarını ve bunlar için denge sabitinin 1'den büyük olduğunu gös termek kolaydır. Yaklaşık 13 kJ m o r1'den daha negatif AG° değerine sahip tepkimeler için Tamamlanacakları söylenir, bu, dengeye ulaşıldığında reaktantlarm hemen hemen tamamının (>%99) ürünlere dönüşeceği anlamındadır. Tersine, pozitif AG° değerleri,

denge sabitleri birden küçük olan ve dengede ürünlerin oluşumu tercih edilmeyen tepkimelere eşlik eder. Ka bir denge sabiti olduğu için aynı şekilde AG° ile ilişkilidir. Serbest-enerji değişimi (AG°) iki bileşenden oluşur, entalpi değişimi (AH°) ve entropi değişimi (AS0). Bu üç termodinamik nicelik arasındaki ilişki şöyledir: AG° = AH° - TAS° AH°'m tepkime sırasında meydana gelen bağ oluşumlarındaki değişimlere eşlik et tiğini görmüştük (Altbölüm 3.8). Eğer ürünlerde topluca çıkış maddelerinde olduğun-

* SI birimlerinde enerji birimi joule’dür, J, ve I kal = 4,184 J’dür. (Böylece 1 kcal =4,184 kJ.) Bir kiloka lorilik (1000 kal) enerji 15°C'daki 1 kg (lOOOg) suyun sıcaklığını bir derece arttırmak için gerekli ısı enerji sidir. fStandart serbest-enerji'den ürünlerin ve reaktantlarm standart koşullarda alındıkları anlaşılır (gazlar için 1 atnr. çözeltiler için İM). Serbest enerji değişimine sıkça. Yale Üniversitesi Matematik Fizik Profesörü J. Willar Gibbs'in 19. yüzyılın ikinci yansında termodinamiğe yaptığı katkılardan dolayı, onun şerefine Gibbs ser best-enerji değişimi de denir.

112


dan daha kuvvetli bağlar oluşursa AH0 negatif olacaktır (tepkime eksotermiktir). Tersi doğru ise, o zaman AH0 pozitif olacaktır (endotermik tepkime). Bu nedenle, A //°’ın ne gatif değeri AG0,nin negatif olmasına katkıda bulunacak ve sonuçta ürün oluşumu ter cih edilecektir. Bir asidin iyonlaşmasındaki daha az pozitif veya daha fazla negatif AH° değeri o asidi daha kuvvetli yapacaktır. Entropi değişimleri bir sistemin bağıl düzenindeki değişikliklere eşlik eder. Bir sis tem ne kadar düzensiz ise entropisi o kadar fazladır. Bu nedenle, pozitif bir entropi değişimi (+AS°) daima daha düzenli sistemden daha az düzenli bir sisteme geçişe eş lik eder. Negatif entropi değişimi (—AS0) ters sürece eşlik eder. AG° = AH° - TAS° eşitliğinde entropi değişimi (T ile çarpılmış) önünde eksi işareti vardır; bu, pozitif ent ropi değişiminin (düzenliden düzensize) AG°'ye negatif katkı yaptığı ve enerji açısın dan ürünlerin oluşumunun tercih edildiği anlamına gelir. Reaktant moleküllerinin sayısının ürün moleküllerinin sayısına eşit olduğu (yani iki molekül ürün oluşturmak üzere iki molekülün tepkimeye girdiği) pek çok tepkime için entropi değişimi küçük olacaktır. Bu demektir ki; yüksek sıcaklıklar dışında (yüksek sı caklık olması durumunda; AS0 küçük olsa bile TAS0 terimi büyük olur) ürünlerin olu şumunun tercih edilip edilemeyeceğini büyük oranda A7/0,ın değeri belirleyecektir. Eğer AH° büyük ve negatif ise (tepkime eksotermik ise) tepkime dengede ürünlerin oluşu mun yeğleyecektir. Eğer AH° pozitif ise (tepkime endotermik ise) o zaman ürünlerin oluşumu tercih edilmeyecektir. P ro bl em 3.8

^

P ro bl em 3.9

► (a) Kdenge = 1 bir olan tepkime için AG° değeri nedir? (b) Kdenge = 10 olduğunda? (Denge sabitini on misli arttırmak için gerekli olan AG° değişimi, hatırlamak için uygun bir ifadedir.) (c) Bu tepkime için entropi değişiminin ihmal edilebilir (veya sıfır) olduğunu kabul ederek denge sabitinin on misli arttırılması için gerekli AH° değişimi nedir?

Aşağıdaki tepkimelerin her biri için entropi değişimin, AS°, pozitif mi. negatif mi veya yaklaşık sıfır mı olacağını umarsınız? (Tepkimelerin gaz fazında meydana geldiklerini kabul ediniz.) (a) A + B — ►C (b) A + B — *►C +D (c) A — ►B + C

3 .1 0

KARBOK SİLİK A S İTL E R İN A S İTL İĞ İ

Karboksilik asitler ve alkollerin her ikisi de zayıf asitlerdir. Ancak, karboksilik asitler karşılık gelen alkollerden çok daha fazla asidiktirler. Sübstitüe olmayan karboksilik asit lerin pKa aralığı 3 —5’tir; alkollerin pAVları ise 15-18 aralığındadır. Yaklaşık aynı mo lekül kısımlarına sahip ancak çok farklı asitlikte olan iki bileşiği, asetik asit ve etanolu ele alalım. O

CH3— c — OH

CH3— CH,— OH

Asetik asit ptf0=4,75 AG° = 27 kj mol-1

P * fl= 1 6

Etanol AG° = 90,8 kj mol-1

Asetik asitin pATfl’sından fp K a = 4,75), asetik asitin iyonlaşması için olan serbest ener ji değişiminin pozitif ve 27 kJ mol-1,e eşit olduğu hesaplanabilir (Altbölüm 3.9). Eta nol için (pK a = 16) ise iyonlaşma serbest enerji değişimi daha büyük ve 90,8 kJ mol-1 ’dir.

3.10 Karboksilik Asitlerin Asitliği

113

Şekil 3.7 Asetik asit ve etanolün iyonlaşmasına eşlik eden serbest enerji değişimlerini karşılaştıran bir diyagram. Etanol daha büyük pozitif serbest enerji değişimine sahiptir ve iyonlaşması fazla yeğlenmediğinden daha zayıf bir asittir.

C H 3C 0 2H + H 20

C H 3C H 2OH + H 20

Bu değerler (bkz. Şekil 3.7) her iki bileşiğin de zayıf asit olduğunu ancak etanolun ase tik asitten çok daha zayıf asit olduğunu göstermektedir. Karboksilik asitlerin alkollere göre daha asidik oluşlarmı nasıl açıklarız? Bunun için iki açıklama önerilmiştir, biri rezonans teorisinden kaynaklanan etkilere dayanan, (bu nedenle rezonans etkileri denen) ve diğeri ise indüktif etkilere dayanan açıklamadır (Altbölüm 3.7B). Her ne kadar iki etki de karboksilik asitlerin daha büyük olan asrili ğine bir katkı sağlarlarsa da hangi etkinin daha önemli olduğu sorusu, ileride göreceği miz gibi daha çözülememiştir. 3 . I 0 A Rezonans Etkilere Dayanan A ç ı k l a m a Yıllardan beri karboksilik asitlerin daha asidik oluşları, başlıca karboksilat iyonunun rezonans kararlılığına dayandırıldı. Bu açıklama rezonans teorisinin ilkelerine ihtiyaç duyar (Altbölüm 1.8). Buna göre, molekül ve iyonlar iki veya daha fazla eşdeğer rezo nans yapıyla (yani eşit kararlılıktaki rezonans yapılarla) gösterilehildiklerinde rezonans la kararlı kılınırlar. Bir karboksilik asit ve onun anyonu için ikişer rezonans yapı yazılabilir (Şekil 3.8); anyonun rezonans yapıları eşdeğer olduğundan ve yapıda zıt yüklerin ayrımı olmadığın dan, anyonun rezonans kararlılığının daha fazla olduğu kabul edilebilir. [Zıt yüklerin Asetat iyonu

Asetik asit Ö’ //jy CH3— C ,

vb •O-—H

ch3

c

+

■O'." /

H20

O'/jr

CH3—C

vb . -0

ch3

\ +

.0 — H

Küçük rezonans kararlılığı ( Y a p ıla r e ş d e ğ e r d e ğ il ve a ltta k i y a p ı y ü k a y r ım ı g e r e k tir ir .)

V Daha büyük rezonans kararlılığı ( Y a p ıla r e ş d e ğ e r ve y ü k a y r ım ı g e r e k m e z .)

Şekil 3.8 Asetik asit için yazılabilecek iki ve asetat iyonu için yazılabile cek iki rezonans yapı. H?0 + Asetik asitin daha büyük olan asriliğinin rezonans açıklamasına göre, asetat iyonu için yazılan eşdeğer yapılar daha büyük rezo nans kararlılığı sağlar ve iyonlaşma için olan pozitif enerji değişimini azaltır.

114


ayrılması enerji gerektirir ve ayrılmış yüklere sahip rezonans yapılar kararlılık sağlama da yük ayrımsız yapılardan daha az önemli sayılırlar (Altbölüm 13.5).] Bir karboksilik asitin anyonunun yüksek kararlılığı (asidin kendisine göre) anyonun serbest enerjisini düşürür, böylece, iyonlaşma için gerekli olan pozitif serbest enerji değişimi de azalır. Hatırlayınız: Bir asidin iyonlaşması için olan serbest-enerji değişimini daha az pozitif (veya daha çok negatif) yapan her etken asidi daha kuvvetli yapar (Altbölüm 3.9). Alkol ve anyonunu kararlı kılan rezonans yapılar yoktur. CH3— CH — Ö—H + H20

CH— CH— Ör + H30 +

Rezonans kararlığı yok

Rezonans kararlığı yok

Bir alkolün iyonlaşmasının pozitif serbest enerji değişimi rezonans kararlılığıyla azal tılmaz ve bu da serbest enerji değişiminin karboksilik asit için olandan niçin çok daha büyük olduğunu açıklar. Sonuç olarak, bir alkol bir karboksilik asitten çok daha az asidiktir. 3.I0B

İndüktif Etkiye Dayanan A ç ı k l a m a

1986’da karboksilik asitlerin daha büyük olan asitliklerini açıklamada, karboksilat an yonunun rezonans kararlılığının karboksilik asitlerin asitliğini açıklamada nispeten önem siz olduğunu iddia eden farklı bir açıklama öne sürüldü. [Bununla beraber, rezonans asit türevlerinin diğer özelliklerini açıklar (bkz. Problem 3.10) ve bu sorgulanmadı.] Bu ye ni açıklamaya göre, karboksilik asitlerin asitliğinden sorumlu en önemli faktör karbok silik asidin karbonil grubunun indüktif etkisidir* Bu açıklamayı anlayabilmek için aynı iki bileşiği ele alalım. O il

c h 3— c ^ - o ^ - h

Asetik asit (daha kuvvetli asit)

c h 3— c h 2— o - ^ h

Etanol (daha zayıf asit)

Her iki bileşikte de O — H bağı, oksijen atomunun daha büyük elektronegatifliğin den dolayı oldukça polarlanmıştır. Bu açıklamada, asetik asitin daha büyük olan asitliğininin anahtarı, karbonil grubunun (C = O grubu), etanolün karşılık gelen konumundaki CH, grubuyla karşılaştırıldığında daha kuvvetli olan elektron çekici indüktif etkisidir. Karbonil grubu oldukça fazla polarlanmıştır; karbonil grubunun karbonu büyük bir po zitif yüke sahiptir, çünkü aşağıdaki ikinci rezonans yapının toplam rezonans meleze kat kısı önemlidir.

•o-

¡ör

ll'SI —c — « > —c — + Karbonil grubunun rezonans yapıları

Asetik asitin karbonil grubunun karbon atomu büyük bir pozitif yük taşıdığından, kendi elektron-çeken indüktif etkisini hidroksil grubunun oksijen atomunun etkisine ekler; bu birleşmiş etkiler, hidroksil protonunu alkol protonundan çok daha pozitif ya par. Karboksilik asit protonu üzerindeki daha büyük pozitif yük onun niçin daha kolay ayrıldığını açıklar.

* Bkz. Siggel, M.R.:Thomas, T. D. J. A m . C hem . So c. 1986. 108, 4360-4362. Siggel. M. R. F; Streitwieser. A. R.. Jr.; Thomas, T. D. J . A m . C hem . So c. 1988, 110. 8022-8028.

3.10 Karboksilik Asitlerin Asitliği

115

Karbonil grubunun elektron-çeken indüktif etkisi asetik asitten oluşan asetat iyonu nu da kararlı kılar ve bu nedenle asetat iyonu etoksit iyonundan daha zayıf bazdır. O64

CH3—C ^ O 5-

CH?—CH2-^ 0 -

Asetat iyonu Daha zayıf baz

Etoksit iyonu Daha kuvvetli baz

Asetat iyonunun, negatif yükü etoksit iyonundan daha iyi kararlı hale getirme yete neği bu iki anyonun elektrostatik potansiyel haritalarından açıkça görülmektedir (Şekil 3.9). Etoksitle karşılaştırıldığında asetat anyonundaki negatif yük iki oksijen atomu üze rine düzgünce dağılmıştır, etanolde ise negatif yük (elektrostatik potansiyel haritada kır mızıyla belirtildiği gibi) oksijen atomunun üzerinde yerleşiktir. Negatif yükü daha iyi kararlı kılma yeteneği asetat iyonunun etoksitten daha zayıf baz olmasını sağlar (ve bun dan dolayı onun konjuge asidi etanolden daha kuvvetlidir). Yıllar önce karboksilik asitlerin daha büyük asitliklerinin açıklamasını rezonansla yapan G. W. Wheland, karbonil grubunun indüktif etkisinin önemli olabileceğini kabul etmiş fakat hangi etkinin, rezonans veya indüktif, daha önemli olduğuna karar verme nin zor olduğunu görmüştü. Bugün de bu zorluk devam ediyor. Bu iki etkinin bağıl öne mi hakkında hararetli ve ilginç tartışmalar hala sürmektedir.*

Rezonans teorisi, bir karboksilik asidin asitliğinin en iyi açıklamasını sağlayabilir *< veya sağlayamaz, ancak, iki ilgili gerçeğe uygun bir açıklama getirir: Asetat iyonun daki karbon-oksijen bağ uzunlukları aynıdır ve asetat iyonunun oksijenleri eşit negatif yüklere sahiptir. Bu gerçekleri rezonansla açıklayınız.

m w

iVı

•

•

•

Asetat iyonu

*lir t-

P ro b l e m 3.10

Şekil 3.9 Asetat ve etoksit anyonları için hesaplanmış elektrostatik potansiyel haritaları. Her ne kadar iki molekül aynı -1 net yük taşısalar da, asetat bu yükü iki oksijen üzerine dağıtarak daha iyi kararlı kılar.

Etoksit iyonu

* İndüktif etkilerin daha önemli olduğu temeline dayanan açıklama tartışılmaktadır. Bu tartışmalarla ilgilenecek olanlar, aşağıdaki makaleye ve onda verilen atıflara bakmalıdır. Bordwell, F. G.; A. V. J . A m . C h e m . S o c . 1994, 116, 8885-8889.


116

3.I0C

D iğ er G ru p l a rı n İndüktif Etkileri

Diğer elektron çeken grupların asit kuvvetlendirici etkileri asetik asit ve kloroasetik asitin asitliklerini karşılaştırarak gösterilebilir. O 4 CH3— C^-O-^-H pJÇ = 4,75

0 1 C l-^ C H ,-^ C -^ 0 -^ H pATa= 2.86

Kloroasetik asitin daha büyük asitliği, kısmen elektronegatif klor atomunun ilave elekt ron-çeken indüktif etkisine bağlanabilir. Klorun indüktif etkisinin karbonil grubu ve oksijen atomununkine eklenmesi, kloroasetik asit protonunu asetik asit protonundan da daha pozitif yapar. Ayrıca proton kaybıyla oluşan kloroasetat iyonunu da eksi yükü da ğıtarak daha kararlı kılar (Şekil 3.10).

Bir asidin konjuge bazının değerlendirilmesi asit kuvvetini tahmin etmede bir araçtır.

P ro bl em 3.11

o 4

Cl-^CH2-^C-
!

„

s-C1-^CH2-^C -Ô s-

+ H30 +

Yükün dağılımı daima bir türü daha kararlı yapar ve şimdi bir kaç durumda gördüğü müz gibi, bir asidin konjuge bazını kararlı kılan her etken, asidin kuvvetini arttı rır. (Altbölüm 3.11’de çözücüdeki entropi değişimlerinin de kloroasetik asitin artmış asitliğinin açıklanmasında önemli olduğunu göreceğiz.) ^

3.1

t o

o Ri

„

Aşağıda verilenlerden hangisinin daha kuvvetli asit olmasmı beklersiniz? Her bir durumda gerekçenizi açıklayınız. (a) CH2C1C02H veya CHC12C 0 2H (c) CH2FC 02H veya CH2BrC02H (b) CC13C 0 2H veya CHC12C 02H (d) CH2FC02H veya CH2FCH2C 02H I

Ç

ö z ü c ü n ü n

A

s îtlîk

Ü

z e r in e

Etk îs î

Çözücünün yokluğunda (yani, gaz fazında) asitlerin pek çoğu sulu çözeltilerde olduk larından çok daha zayıftırlar. Örneğin, gaz fazında asetik asitin pKa değerinin yaklaşık 130 olduğu hesaplanmıştır (Ka ~ 10~130)! Bunun nedeni şudur: Gaz fazında bir asetik

Şekil 3.10 Asetat ve kloroasetatın elektrostatik potansiyel haritaları, nega tif yükü dağıtmada kloroasetat iyonunun nispeten daha büyük yetenekte olduğunu göstermektedir.

Asetat iyonu

Kloroasetat iyonu

3.12 Bazlar Olarak Organik Bileşikler

asit molekülünün bir su molekülüne bir proton verdiğinde oluşan iyonlar zıt yüklü par çalardır ve bu parçalar ayrılmış olmak zorundadır. O O II II c h 3 — c — o h + h 2o +=*- c h 3— c — o - + h 3o +

Çözücüsüz ortamda ayrı kalmak zordur. Çözeltide çözücü molekülleri iyonları sarar ve birbirlerinden ayırır, ayrıca gaz fazında olduğundan daha kolay ayrılmalarını sağlar ve onları kararlı kılar. Su gibi bir çözücüde, protik çözücü denir, hidrojen bağları aracılığıyla sarmalama önemlidir (Altbölüm 2.14C). Bir protik çözücü, oksijen ve azot gibi kuvvetlice elekt ronegatif bir elemente bağlı bir hidrojen atomuna sahip olandır. Bu nedenle protik çözücü molekülleri, bir asit veya onun konjuge bazının oksijen (veya azot) atomlarının ortaklaşılmamış elektron çiftleriyle hidrojen bağı yapabilir, fakat her ikisini de eşit ola rak kararlı kılmayabilir. Örneğin asetik asitin sudaki iyonlaşmasını ele alalım. Su molekülleri hidrojen bağ ları oluşturarak hem ayrışmamış asetik asit moleküllerini (CH3C 02H), hem de onun an yonunu (CH3C 02~) sarar. Ancak, CH3C 0 2_ ile olan hidrojen bağları, CH3C 0 2H ile olanlardan çok daha kuvvetlidir, çünkü su molekülleri negatif yük tarafından daha faz la çekilirler. Ayrıca bu farklı sarılmanın iyonlaşmaya eşlik eden entropi değişimi üze rine de önemli etkisi vardır. Herhangi bir türün sarılması, çözücünün entropisini azaltır. Çünkü, çözücü molekülleri çözünenin etrafını sardıklarında daha düzenli olurlar. CH3C 02~’nin sarılması daha kuvvetli olduğundan etrafındaki çözücü molekülleri daha düzenli olur. Bu nedenle, asetik asitin iyonlaşmasına ilişkin entropi değişimi (AS°) ne gatiftir. Bunun anlamı, AG° = AH° —TAS0 eşitliğindeki —TAS0 terimi AG°’a asit-zayıflatma yönünde olumlu katkı yapar. Gerçekte, Çizelge 3.2’den görüldüğü gibi, —TAS° teriminin AG°’a katkısı AH0,\n katkısından fazladır ve asetik asitin iyonlaşmasında ser best enerji değişiminin pozitif olmasının (yeğlenmemesinin) sebebidir. Altbölüm 3.10C’de kloroasetik asitin asetik asitten daha kuvvetli olduğunu gördük ve artan asitliğin sebebini elektron-çeken klor atomunun varlığıyla ilişkilendirdik. Çi zelge 3.2, AH 0 ve —TAS°'m her ikisinin de kloroasetik asitin iyonlaşmasını daha çok tercih edebileceklerini göstermektedir. (AH° 4,2 kJ mol-1 daha negatif, —TAS0 ise 7 kJ mol-1 daha az pozitiftir.) Daha büyük katkının entropi teriminden geldiği açıktır. Muh temelen, klor atomu kloroasetat anyonunu kararlı kılarak, sarılmayla olan kararlılığa da ha az ihtiyaç duymasına yol açar ve kloroasetat iyonunun çözücünün düzenlenmesine yol açan eğilimini daha az yapar.

3 .1 2

Ba

zla r

O

lar ak

O

r g a n îk

B İ l e ş İk l e r

Eğer bir organik bileşik ortaklaşılmamış bir elektron çifti taşıyan atom içeriyorsa, o po tansiyel bir bazdır. Altbölüm 3.5C’de azot atomu üzerinde ortaklaşılmamış elektron çif ti olan bileşiklerin (yani aminlerin) baz olarak davrandıklarını gördük. Şimdi, oksijen atomu üzerinde ortaklaşılmamış elektron çifti bulunduran organik bileşiklerin de aynı şekilde davrandığı bazı örnekleri ele alalım. Çizelge 2.2 Asetik Asit ve Kloroasetik Asitin H 20 içerisinde, 25°Ci,,daki Termodinamik Değerleri Asit c h , c o 2h

Pâ 4,75

c ic h 2c o 2h

2 ,8 6

AG° (kJ m or1)

AH° (kJ mol-1)

TAS0 (kJ mol-1)

+27 + 16

-0,4 -4,6

+28 +21

° Çizelge, "Marc, J. A d v a n c e d O rg a n ic C h e m istry , 3rd ed.: Wiley: New York, 1985; s 236"dan uyarlanmıştır.

117


Gaz halindeki HCl'nin metanolde çözülmesi, suyla olan tepkimeye (Altbölüm 3.2A) çok benzeyen bir asit-baz tepkimesine yolaçar. .. •• + H3c —

0

: + H — C l:--- ►

I

H 3c — o — H I

H

+ SCI*

H

Metanol

Metiloksonyum iyonu (protonlanmış bir alkol)

Alkolün konjuge asidine sıkça protonlanmış alkol denirse de, onu alkiloksonyum iyo nu olarak adlandırmak çok daha uygundur. Alkoller, genelde böyle bir tepkimeyi. HC1. HBr. HI ve H2S04 gibi kuvvetli asitle rin sulu çözeltileriyle etkileştirildiklerindc verirler. .. ^ R— Ö— H + •A~ R— 0 : + H — A —-* 1 1 H H Alkol

Kuvvetli asit

Alkiloksonyum iyonu

Zayıf baz

Eterler de benzer tepkime verirler: .. ^ k çA R— 0 :+ H — A - —► R—Ö— H + :A" | R R Eter

Kuvvetli asit

üialkiloksonyum iyonu

Zayıf baz

Karbonil grubu içeren bileşikler de kuvvetli asitler varlığında baz olarak davranır lar. R \ C = 0 + H— A / R Keton

Kuvvetli asit

R \ C / R

0 — H + ; A-

Protonlanmış keton

Zayıf baz

Buna benzeyen proton aktarma tepkimeleri, alkollerin, eterlerin, aldehitlerin, ketonların, esterlerin, amitlerin ve karboksilik asitlerin sıkça verdiği pek çok tep kimenin çoğu kez ilk basamağıdır. Bu protonlanmış ara ürünlerin bazıları için pKu de ğerleri Çizelge 3.1’de verilmiştir. Ortaklaşılmamış elektron çiftine sahip bir atom, bir organik bileşiğe baziklik kazan dıran tek yer değildir. Bir alkenin n bağı da aynı etkiyi yapabilir.! Daha sonra, alkenlerin kuvvetli asitlerden proton alarak, aşağıdaki gibi tepkime verdikleri pek çok tepkime göreceğiz.

Bu tepkimede alkenin n bağının elektron çifti, alkenin bir karbonuyla kuvvetli asidin verdiği proton arasında bağ oluşturmak için kullanılmıştır. Bu süreçte iki bağ kırıldığı-

3.13 Bir Organik Tepkimenin Mekanizması

na dikkat ediniz: ikili bağın n bağıyla asidin protonu ve konjuge bazı arasındaki bağ. Bir yeni bağ oluşur: alkenin bir karbonu ve proton arasındaki bağ. Bu süreç, alkenin di ğer karbonunu üç değerlikli, elektronca eksik ve pozitif formal yüklü yapar. Bu türden karbon içeren bileşiklere karbokatyon denir (Altbölüm 3.3).

Oksijen, azot veya bir çoklu bağ içeren herhangi bir organik bileşiğin derişik sül- -< fürik asitte çözüneceği genel bir kuraldır. Bu kuralın dayanağını açıklayınız.

3 .1 3

BİR O R G A N İ K T E P K İ M E N İ N M E K A N İ Z M A S I

Organik tepkime mekanizmalarını daha ciddi olarak Bölüm 6'da incelemeye başlayaca ğız. Şimdi örnek olarak, bu bölümde öğrendiklerimizi uygulamaya imkan sağlayacak ve aynı zamanda mekanizmaları göstermede kullanılan eğik okların kullanımına dair öğ rendiklerimizi pekiştirecek bir mekanizma ele alalım. ter-Bütil alkolün derişik (der.) sulu hidroklorik asitte çözülmesi, hemen ter-bütil kloriir oluşumuna neden olur. Tepkime bir yer değiştirme tepkimesidir: CH,

CH,

H3C—C—OH + H—Ö—H + : Cl CH,

L

ter-Bütil alkol (suda çözünür)

H

H,C—C—Cl + 2 H20 CH,

j

ter-Bütil klorür (suda çözünmez)

Der. HC1

Gerçekten, deney yapıldığında bir tepkimenin meydana geldiği açıkça görülmektedir. ter-Bütil alkol sulu ortamda çözünür: ancak, ter-bütil klorür çözünmez ve bunun sonucun da balonda ayrı bir tabaka olarak sulu fazdan ayrılır. Sulu olmayan tabakayı ayırmak, damıtmayla saflaştırmak ve böylece ter-bütil klorür elde etmek kolaydır. Daha sonra açıklanan önemli deliller tepkimenin aşağıdaki yoldan ilerlediğini gös termektedir.

T e p k i m e için bir M e k a n i z m a ter-Bütil Al kolün Derişik Sulu H C I ile Tepkimesi

7. Basamak

A & I- o \

CH3 ^ ^ I

CH3 H ^

I

I,

I

”

H3C—C—O—H + H —O—H +=± H3C—C — O—H + =0—H I

ch3

“

I h

ter-Bütil alkol bir baz olarak davranır ve hidronvum iyonundan bir proton alır.

ch3

I h

ter-Bütiloksonyum iyonu Örün bir protonlanmış alkol ve sudur (konjuge asit ve baz),

Pr o bl em 3 12

119

120


Tüm bu basamakların asit-baz tepkimeleri içerdiklerine dikkat ediniz. Birinci basamak, alkol oksijeninin hidronyum iyonundan bir proton kopardığı tam bir Brpnsted asit-baz tepkimesidir. 2. Basamak, bir Lewis asit-baz tepkimesinin tersidir. Bu basamakla protonlanmış alkolün karbon-oksijen bağı heterolitik olarak kırılır ve bağın elektronları ile birlikte bir su molekülü ayrılır. Bu, kısmen, alkolün protonlanmış olmasından dolayı meydana gelir. Protonlanmış alkolün oksijenindeki formal pozitif yük varlığı, elektron ların pozitif oksijene doğru çekilmesine yol açarak karbon-oksijen bağını zayıflatır. 3. Basamak ise ürün oluşturmak üzere klorür iyonunun (bir Lewis bazı) karbokatyon (bir Lewis asidi) ile tepkimeye girdiği bir Lewis asit-baz tepkimesidir. Şu soru akla gelebilir. Niçin su molekülleri değil de klorür iyonları karbokatyonla tep kimeye giriyor? Her şeyden önce suyun çözücü olmasından dolayı çevrede pek çok su molekülü vardır. Cevap, bu basamağın gerçekleştiği ancak, basitçe, bu basamağın 2. basamağın tersi olduğudur. Şunu söylemek gerekil* ki oluşan karbokatyonların tamamı doğrudan ürüne dönüşmez. Bazıları su üe, tekrar protonlanmış alkol vermek üzere tep kimeye girer. Ancak, bu yine karbokatyon oluşturmak üzere ayrışır (hatta ayrışmadan önce proton kaybederek yeniden alkole dönüşürler). Bununla birlikte muhtemelen, bunların pek çoğu ürüne dönüşür çünkü, tepkime koşullarında son basamağın dengesi oldukça fazla sağa doğrudur(ve bu da tepkimeyi tamamlanmaya götürür).

3. I 4

SUSUZ Ç Ö ZELTİLER D E A s İt l e r v e B a z l a r

Sulu çözeltide çok güçlü bir baz, amit iyonu (NH2~), kullanarak bir tepkime gerçekleştirmek için suya sodyum amit (NaNH2) ilave etseydiniz, hemen aşağıdaki tep kime meydana gelirdi; H— Ö—

: NH2-

Daha kuvvetli asit yKa= 15,7

Daha kuvvetli baz

H— Ö :~ + Daha zayıf baz

NH3 Daha zayıf asit pKa= 38

ımyası

K a rb o n ik anhidraz, kan asitliğinin düzenlenmesinde yer alan bir enzimdir (biyolo jik katalizör). Bölüm girişinde de belirtildiği gibi, nefes alma hızı, kan asitliğinden etkilenen fizyolojik fonksiyonların arasındadır. Karbonik anhidrazın katalizlediği, su ve karbon dioksitin karbonik asite (H2C 03) dönüştüğü bir denge tepkimesidir.

h2o + co2

karbonik anhidraz

H2C03;«=► HCO.r + H+

Karbonik anhidraz, 260 alt birimden (amino asitler) oluşan doğal hali özel bir küıecik şeklinde kıvrılmış bir protein zinciridir. Yapısında, aktif taraf denilen, reaktantların orada ürünlere dönüştüğü bir yarık veya cep bulunmaktadır. Karbonik anhidrazın protein zinciri aşağıdaki yapıda mavi bir şerit olarak gösterilmiştir.

K arbonik arüıidraz

Karbonik anhidrazm aktif tarafında bir su molekülü proton kaybederek hidroksit (OH- ) iyonunu oluşturur. Bu proton, karbonik anhidrazın baz olarak davranan bir kısmı tarafından koparılır. Normalde su molekülünün protonu çok asidik değildir. Ancak kar bonik anhidrazm aktif tarafında bulunan bir çinko katyonu ve bir su molekülünün oksi jen atomu arasındaki Lewis asit-baz etkileşmesi suyun oksijeni üzerinde pozitif yük oluşmasına yol açar. Bu durum su molekülünün protonlarını daha asidik yapar. Su molekülünün protonlarından birinin uzaklaştırılması hidroksiti oluşturur ki bu da aktif taraftaki karbon dioksit ile HC03- (hidrojen karbonat veya bikarbonat) oluşturmak üzere tepkimeye girer. Karbonik anhidrazm burada gösterilen yapısında (X-ışını kristalografisi verilerine göre) aktif taraftaki bikarbonat iyonu kırmızı ile, aktif taraftaki çinko katyonu yeşil ile, su molekülü ise mavi ile gösterilmiştir. Çinko katyonu ile koordine olan (Lewis bazları olarak) veya hidroksit oluşturmak üzere sudan proton koparan (Brönsted-Lowry bazları olarak) bazik taraflar morumsu kırmızıdır (bu bazlar, histidin imidazol halkalarındaki azot atomlarıdır). Bu türlerin hiçbirinde hidrojen atom ları gösterilmemiştir. Görebildiğiniz gibi, karbonik anhidraz katalizinde Lewis ve Brpnsted-Lowry asit-baz tepkimelerinin olağanüstü bir düzeni yer almaktadır. 121

122


Amit iyonu suyla, amonyak ve hidroksit iyonları (çok daha zayıf baz) içeren bir çözelti vermek üzere tepkimeye girebilirdi. Bu örnek çözücünün seviyeleme etkisi denen bir olayı göstermektedir. Buradaki çözücü, su, hidroksit iyonundan daha kuvvetli olan her hangi bir baza bir proton verir. Bu nedenle, sulu çözeltilerde hidroksit iyonundan daha kuvvetli olan bazların kullanımı miimkiin değildir. Hidroksit iyonundan daha kuvvetli olan bazları ancak sudan daha zayıf asit olan çözücülerde kullanabiliriz. Amit iyonunu (NaNH2’den) heksan, dietileter veya sıvı amonyak (sıvılaştırılmış gaz, k.n. —33°C, genel kimya laboratuvarında kullanmış ola bileceğiniz sulu çözelti değil) gibi bir çözücüde kullanabiliriz. Bu çözücülerin tamamı çok zayıf asitlerdir ve bu yüzden. NH2~ gibi kuvvetli bir baza bile proton vermeyecek lerdir. Örneğin, etini sıvı amonyak içerisinde sodyum amit ile etkileştirerek bir karbanyon olan konjuge bazına dönüştürebiliriz. Bölüm 4’te bu tepkimeyi organik sentezlere girişimizin bir kısmı olarak kullanacağız.

sıvı

H— C = C —

NH,

Daha kuvvetli asit pKa= 25

: NH,

* H—C = C=-

Daha zayıf asit

Daha zayıf baz

Daha kuvvetli baz ( NaNH,’den)

P*a=38

Üçlü bağ karbonuna bir proton bağlı olan pek çok alkin (uç alkinler denir) yaklaşık 25 olan pKt, değerlerine sahiptir; bundan dolayı, bu alkinlerin hepsi etinin yaptığı gibi sıvı amonyak içerisinde sodyum amit ile aynı şekilde tepkime verirler. sıvı

R— C =

NH,


> R— C = C :~ +

: NH,

Daha zayıf baz

Daha zayıf asit pÂ>38

Daha kuvvetli baz

Alkoller organik tepkimelerde sıkça çözücü olarak kullanılırlar, sudan daha az polar olmalarından dolayı daha az polar olan organik bileşikleri çözerler. Alkollerin çözücü olarak kullanılmaları ayrıca RO" iyonlarının (alkoksit iyonları denir) baz olarak kul lanılmasını da sağlar. Alkoksit iyonları, alkoller sudan daha zayıf asit olduklarından, hidroksit iyonlarından biraz daha kuvvetli bazlardır. Etil alkole sodyum hidrür (NaH) ilave ederek etil alkolde sodyum etoksit (CH3CH2ONa) çözeltisi hazırlayabiliriz. Etil alkolün çözücü olmasını da istediğimiz için oldukça fazlasını kullanırız. Kuvvetli bir baz olarak hidrür iyonu etil alkol ile kolayca tepkime verir:

Daha kuvvetli asit pA'a=16

etil alkol

:H-

CH,CH2Ö—H +

>

c h 3c h 20 :-

+

Daha zayıf baz

Daha kuvvetli baz ( NaH’den)

h2

Daha zayıf asit pA „=35

ter-bütil alkol (CH3)3COH içindeki ter-bütoksit iyonu, (CH3)3CO etil alkol içindeki etoksit iyonundan daha kuvvetli bir bazdır ve benzer yoldan hazırlanabilir. 9 ^

(CH3)3CO—H + Daha kuvvetli asit pAa= 18

.

:H' Daha kuvvetli baz (NaH’den)

ter-bütil 5 s - * - ( c h 3 )3c o =-

Daha zayıf baz

+

h2

Daha zayıf asit pAa=35

Bir alkillityumun (RLi) karbon-lityum bağı kovalent karakterde olmasına rağmen karbon negatif olacak şekilde polarlanmıştır. s-

s+

R—<-Li

3.15 Asit-Baz Tepkimeleri, Döteryum ve Trityum Etiketli Bileşiklerin Sentezi

Alkillityumlar sanki alkaniir (R:') iyonları içeriyorlarmış gibi tepkime verirler ve alkanların konjuge bazları olan alkaniir iyonları göreceğimiz en kuvvetli bazlardır. Örneğin, etillityum (CH3CH2Li) sanki etanür (CH3CH2~) karbanyonu içeriyormuş gibi davranır ve etinle aşağıdaki şekilde tepkime verir: H —C = C —

^ :CH2CH,


Daha kuvvetli baz (CH3CH2Li’den)

h

—C = C :' + CH3CH3 Daha zayıf baz

Daha zayıf asit p/Ç=50

Alkillityumlar, alkilbromürlerin lityum metali ile bir eter (dietileter gibi) çözücü için deki tepkimelerden kolayca hazırlanabilirler. Bkz. Altbölüm 12.6. Aşağıdaki bileşiklerin veya çözeltilerin her biri karıştırıldığında meydana gelebile- < cek asit-baz tepkimelerinin eşitliklerini yazınız. Uygun pKa değerlerini kullanarak (Çizelge 3.1) her bir durumda daha kuvvetli asit ve daha kuvvetli baz ile daha zayıf asit ve daha zayıf bazı belirtiniz. (Eğer bir asit-baz tepkimesi meydana gelemeye cekse bunu belirtmelisiniz.) (a) CH,OH'ye NaH eklendiğinde (b) CH3CH2OH’ye NaNH2 eklendiğinde (c) Heksan içerisindeki etillityum çözeltisine NH3 gazı eklendiğinde (d) Sıvı amonyak içerisindeki sodyum amit çözeltisine NH4C1 eklendiğinde (e) H20 ’ya (CH3)3CONa eklendiğinde (f) (CH3)3COITye NaOH eklendiğinde

3 .1 5

A S İ T - B A Z T E P K İM E L E R İ VE D Ö T E R Y U M VE T R İ T Y U M E T İK E T L İ BİLEŞİKLERİN S E N T E Z İ Kimyacılar sıkça, bir veya daha fazla hidrojen atomunun döteryum veya trityum ile yer değiştirilmiş olan bileşikleri bir "etiketleme" veya özel hidrojen atomlarını tanımlama yöntemi olarak kullanırlar. Döteryum (2H) ve trityum (3H) kütleleri sırasıyla. 2 ve 3 ato mik kütle birimi olan hidrojenin izotoplarıdır. Tüm kimyasal amaçlar için bir moleküldeki döteryum ve trityum atomları normal hidrojen atomları gibi davranırlar. Döteryum ve trityumun atomlarının ilave kütle ve nötronları, bu atomların, ileride öğreneceğimiz bazı spektroskopik yöntemlerle moleküldeki yerlerini belirlemeyi kolaylaştırır. Trityumun radyoaktif oluşu da onu çok kolay belirlememizi sağlar. (Bu etiketli atomların ilave kütlesi döteryum ve trityum içeren bileşiklerin normal hidrojenli bileşiklerden daha yavaş tepkime vermelerine sebep ola bilir. "İzotop etkisi" denen bu etki pek çok tepkimenin mekanizmasının incelenmesinde kullanılmıştır.) Bir molekülün belirli bir yerine döteryum veya trityum sokmanın bir yolu, çok kuvvetli bir bazın D20 ve T20 (hidrojenleri yerinde döteryum veya trityum olan su) ile etkileştirildiğinde meydana gelen asit-baz tepkimesinden geçer. Örneğin (CH3)2CHLi (izopropillityum) içeren bir çözeltinin D20 ile etkileştirilmesi, merkez atomunda döteryum ile etiketlenmiş propan oluşumuyla sonuçlanır. CH. CH,CH:-Li+ +

D:0

►CH.CH— D + OD3 2-Döteropropan

İzopropil lityum (d a h a ku vvetli haz)

heksan

(daha k u vve tli asit)

(da h a z a y ıf asit)

(daha z a y ıf baz)

P ro b l e m 3.13

123


Ö r n e k P r o b l e m ----------------------------------------------------------------Propinin, sıvı amonyak içerisinde sodyum amitin ve T20 ’nun elimizde olduğunu varsa yarak trityum etiketli (CH3C = CT) bileşiğini nasıl elde edebileceğinizi gösteriniz. Cevap

Önce propini sodyum amitin sıvı amonyak çözeltisine ilave ediniz. Aşağıdaki tep kime meydana gelecektir. c h 3c = ch

+

n h 2-

sl-‘amony-+> CH?C = C :- + NH3

Daha kuvvetli Daha kuvvetli asit baz

Daha zayıf baz

Daha zayıf asit

Daha sonra T20'nun (NH,’ten daha kuvvetli asit) çözeltiye eklenmesiyle CH,C = CT oluşacaktır. CH3C = C H :- + T:0

S1Viamonya> CH3C = C T + OT

Daha kuvvetli Daha kuvvetli baz asit

P ro bl em I. |

Daha zayıf asit

Daha zayıf baz

>■ Aşağıdaki asit-baz tepkimelerini tamamlayınız. heksan .

(a) CH3C = C H + NaH------- ► (b) (a)' da elde edilen çözelti + d ,O --- ► heksan _

(c) CH3CH2Li + D20 ------- ► heksan _

(d) CH3CH2OH + NaH------- ► (e) (d)’ de elde edilen çözelti + t ,O --- ► lıpkoon

(f) CH3CH2CH2Li +

d 2o

— —►

j A n a h t a r T e r i m l e r ve K a v r a m l a r i Tepkime Mekanizmaları Bronsted-Lovvry Asit-Baz Teorisi Lewis A sit-Baz Teorisi Asit-Baz Konjuge Çiftleri Elektrostatik Potansiyel H aritaları K arbokatvonlar ve Karbanyonlar Nükleofiller ve Elektrofiller Elğri Okla (/'~ ^ ) gösterim Asit-Baz Kuvveti, Ka ve pKa Asit-Baz Tepkimelerinin Oluşumunu öngörme İndüktif etkiler Tepkime Dengeleri ve Standart Serbest Enerji Değişimi (AG°) Protik Çözücüler Seviyeleme etkisi

Altbölümler 3.1 ve 3.13 Altbölüm 3.2A Altbölüm 3.2B Altbölümler 3.2A ve 3.5C Altbölümler 1.8, 2.14B, ve Altbölüm 3.3 Altbölüm 3.3 Altbölüm 3.4 Altbölüm 3.5 Altbölüm 3.6 Altbölümler 3.7B ve 3.10 Altbölüm 3.9 Altbölüm 3.11 Altbölüm 3.14

Ek Problemler

3.15

Aşağıdaki asitlerin her birinin konjuge bazı nedir? (a) NH3 (c) H2 (b) H20 (d) HC = CH

EK PROBLEM LER

(e) CH3OH (f) CH3OH

3.16

Problem 3.15 de cevap olarak verdiğiniz bazları azalan bazikliklerine göre sıralayın.

3.17

Aşağıdaki bazların her birinin konjuge asidi nedir? (a) HS04(c) CH3NH2 (b) H20 (d) NH2

(e) CH3CH2’ (f) CH3C 0 2-

3.18

Problem 3.17’de cevap olarak verdiğiniz asitleri azalan asitliklerine göre sıralayı nız.

3.19

Aşağıdaki tepkimelerin her birinde Lewis asit ve Lewis bazını belirtiniz. C1 I

(a) CH3CH2—C1+A1C1, ----►CH3CH — Cl — Al — C1 Cl

F (b) CH3— OH + B F ,----►CH —O — B — F H CH3

F

CH,

(c) CH— C++ H20 ---►CH— C— OH2+ CH, 3.20

CH,

Aşağıdaki tepkimeleri eğri oklar ve bütün paylaşılmamış elektron çiftlerini de göstererek yeniden yazınız. (a) CH,OH + HI — ►CH3OH2+ + f (b) CH3NH2 + HCI — ►CH,NH3+ + C f H H H H \ / C= C +HF -—►H — C+— c — \ / 1I H H H

3.21

Metil alkol NaH ile etkileştirildiğinde ürün CH30 Na+ (ve H2)’dir, Na+ CH2OH (ve H2) değildir. Bunun niçin böyle olduğunu açıklayınız.

3.22

HC = C‘- Na+ ’mn sıvı amonyaktaki çözeltisine etil alkol eklenirse nasıl bir tep kime meydana gelecektir?

3.23

(a) Formik asitin (HC02H) Ka'sı 1,77 olan bir asidin AVsı nedir?

3.24

Ha asidinin p/C„’sı 20 ; HB asidinin pAVsı 10’dur. (a) Hangisi daha kuvvetli asittir? (b) HB’ye Na+A_ eklenirse sağa doğru kayan bir asit-baz denge tep kimesi meydana gelecek midir? Cevabınızı açıklayınız.

3.25

Aşağıdakilerin her biri karıştırıldığında meydana gelecek olan asit-baz tep kimelerinin eşitliklerini eğri oklar kullanarak yazınız. Eğer denge tercih edileme diğinden belirgin bir asit baz tepkimesi meydana gelmezse bunu belirtmelisiniz. (a) Sulu NaOH ve CH3CH2C 02H (b) Sulu NaOH ve C6H5S 0 3H (c) Etil alkol içinde CH,CH2ONa ve etin

X

10_9’dur, pA'./sı nedir? (b) p ^ a’sı 13

* Yıldızla işaretlenmiş problemler “çözülmesi daha zor olan problemler’dir.

125


(d) Heksan içerisinde CH 3CH2Li ve etin (e) Heksan içerisinde CH 3CH2Li ve etil alkol 3.26

Aşağıdaki bileşiklerin sentezlerini uygun etiketsiz organik bileşiklerden çıkarak gösteriniz. (a) C6H5— C = C — T

(b) CH — CH— O — D

(c) CH3CH2CH2OD

CH, 3.27

(a) Aşağıdaki bileşikleri azalan asitliklerine göre sıralayınız ve cevabınızı açıklayınız: CH 3CH 2NH2, CH,CH2OH ve CH 3CH 2CH 3 . (b) a şıkkında verilen asitlerin konjuge bazlarını azalan bazlıklarına göre sıralayınız.

3.28

Aşağıdaki bileşikleri azalan asitliklerine göre sıralayınız. (a) CH,CH = CH2, CH 3CH 2CH3, CH3C = CH (b) CH 3CH2CH 2OH. c h 3c h 2c o 2h , CH 3CHC1C02H (c) c h 3c h 2o h , c h 3c h 2o h 2+, c h , o c h 3

3.29

Aşağıdaki bileşikleri artan bazlıklarına göre sıralayınız. (a) CH 3NH2, CH 3NH3+, CH 3NH~ (b) CH 30 " , CH 3NH", CH3CHC (c) CHCH,CH = CH~, CH 3CH2CHÇ, CH3C = C~

3.30

H3P 0 4 bir triprotik asit iken H ,P 0 3 bir diprotik asittir. Bu iki asit için davranışlarındaki farkı açıklayan yapılarını çiziniz.

3.31

Aşağıdaki tepkimelerde gerekli eğri okları çiziniz. ‘O: / (a) H— C

+

‘O: / -+ H— C + H— O: \ I

=0— H

-.o;

.O — H

■O: I .. > H— C— O— H I " : 0 — CH,

'O: / (b) H— C

+

:0 — H

. 0 — CH, 0: I .. (c) H— c — o —H

h

O:

:

/ ■> H— C

\ .

+ =0— CH,

. 0 —H

: 0 — CH,

(d) H — Ö=" + CH3—i : ---►H—ö —CH3+ :j’:’

CH,

CH3

I .. / (e) H—O: + H—CH,— C— CH— ►C H ,= C I •• \ ch3

3.32

.. -

+ ¡Cri + H— O — H

ch3

Glisin pek çok proteinden elde edilebilen bir amino asittir. Glisin. çözeltide iki yapının dengesi halinde bulunur.

H2NCH2C 02H H3NCH2C02‘ (a) Çizelge 3.1’den yararlanarak dengede hangişeklin tercih edildiğini belir tiniz. (b) Glisinin erime noktasının 262°C (bozunuyor) olduğunu el kitabından öğreniyoruz. Hangi yapı glisini daha iyi temsil ediyor?

Ek Problemler

3.33

Malonik asit , H 02CCH2C 02H. bir diprotik asittir. Birinci protonun kaybı için olan pKa 2,83 ; ikinci proton kaybı için olan pKa 5,69’dur. (a) malonik asitin asetik asitten (pA'„=4,75) niçin daha kuvvetli olduğunu açıklayınız, (b) - 0 2CCH2C 0 2H anyonunun niçin malonik asitin kendisinden çok daha zayıf asit olduğunu açıklayınız.

3.34

HA asidinin iyonlaşması için serbest enerji değişimi, 21 kj mol-1; HB asidi için —21 kj mol- ,’dir. Hangisi daha kuvvetli asittir?

3.35

25°C’da trikloroasetik asitin iyonlaşması için entalpi değişimi, AH°, +6,3 kJ mol"1 ve entropi değişimi, A5°, +0,0084 kj moL1K_l’dir. Trikloroasetik asitin pÂVsı nedir?

3.36

Aşağıdaki bileşiğe skuarik asit adı verilmiştir (îng. square: kare). Skuarik asit bir diprotik asittir, her iki proton da asetik asitten daha asidiktir. İki protonun kaybedilmesinden sonra oluşan dianyonda tüm karbon-karbon bağları aynı uzun lukta olduğu gibi karbon-oksijen bağları da tam olarak öyledir. Bu gözlemler için bir rezonans açıklama yapınız. O OH

V A

O

OH

Skuarik asit =3.37

CH3CH2SH + CH30~----►A (kükürt içeriyor) + B A + CH,—ÇH2 ---►C (yapının bir kısmı A — CH,CH,0) O

■> D + E (bir inorganik bileşik) C + H,0 (a) Yukarıda verilen tepkime serisinde A'dan E’ye kadar olan yapıları yazınız. (b) Tepkime serisini eğri oklarla ve tüm ortaklaşılmamış elektron çiftlerini göste rerek yeniden yazınız. * 3.38

Önce aşağıdaki eşitliklerin her birini tamamlayınız ve denkleştiriniz. Bu tep kimeler için etanol. heksan ve sıvı amonyak arasından uygun olabilecek çözücüyü (birden fazla da olabilir) belirtiniz. "Benzer benzeri çözer" ilkesinin pratikte getir diği sınırlamaları gözardı ederek cevaplarınızı sadece bağıl asitliklere dayandırınız. (a) CH3(CH2)8OD + CH3(CH2)8Li — ► (b) NaNH2 + CH3C = C H ----►

(c) HC1 +

NH,

(Bu aminin , anilin, konjuge asidinin pK„'sı 4.6'dır.) =3.39

Dimetilformamit (DMF). HCON(CH3)2, bir polar aprotik çözücü örneğidir; aprotik , onun oldukça elektronegatif bir atoma bağlı hidrojeni olmadığı anlamına gelir. (a) Ortaklaşılmamış elektron çiftlerini göstererek çizgi bağ yapı formüllerini çiziniz. (b) Öngördüğünüz en önemli rezonans yapılarını (biri a için verdiğiniz cevap)

çiziniz, (c) DMF , çözücü olarak kullanıldığında aşağıdaki gibi tepkimelerde nükleofillerin (örn. sodyum siyanürden gelen CN- ) tepkimeye yatkınlığını aşırı dere cede arttırır: NaCN + CH3CH2Br ----►CH3CH2C = N + NaBr DMF’nin bu etkisini Lewis asit-baz tartışmaları ışığında açıklayınız. (İpucu: Su ve alkoller anyonlar ve katyonları sararken DMF, sadece katyonları sarmakta etkindir.)

127

128


*3.40

- O

Çizelge 3.1 de verildiği gibi asetonun CH3COCH3 , pK /sı 19,2 dir. (a) Aseton ve varsa katkısı olan diğer rezonans yapılarının çizgi - bağ formüllerini çiziniz, (b) Asetonun konjuge bazının ve varsa katkısı olan diğer rezonans yapılarını öngörünüz ve çiziniz, (c) CH3COCH2D ?yi sentezlemek için kullanılabilecek olan bir tepkimenin denklemini yazınız.

-

Aşağıdaki 3-metilbütil etanoat (izoamil asetat) sentezini sizin yaptığınızı varsayalım: Ö

G rubu PROBLEMİ

ğ renm e

Etanoik asit (aşırı)

3-Metil-lbütanol

3-Metilbütil etanoat

Kimyasal denklemden görüldüğü gibi , 3-metil-l-bütanol (izoamil alkol veya izopentil alkol de denir), aşırı asetik asit (sistematik adı etanoik asit) ve eser miktarda sülfürik asit (katalizör görevi yapar) ile karıştırılır. Bunun bir denge tepkimesi olmasından dolayı çıkış maddesinin tamamının harcanması beklenmez. Dengenin tamamen olmasa da. asetik asitin aşırısının kullanılmış olmasından dolayı , oldukça sağa kaymış olması gerekir. Uygun bir süreden sonra istenen ürünün tepkime karışımından ayrılması , kabaca tepkime karışımının hacmine eşit miktarda sulu sodyum bikarbonat (%5'lik NaHC03, bazik bir çözelti) ilave edilerek başlatıldı. Kabarcıklanma oluştu ve iki tabaka içeren bir karışım meydana geldi. Bir bazik sulu tabaka ve bir organik tabaka. Tabakalar ayrıldı ve sulu tabaka uzaklaştırıldı. Organik maddelerin bulunduğu tabakaya sulu sodyum bikar bonat ilave ve tabakaların ayrılması işlemi iki defa tekrarlandı. Her defasında sulu fazlar aynı toplama balonunda birleştirildiler. Üç defa bikarbonat çözeltisiyle ekstrakte edildik ten sonra geri kalan organik tabaka kurutuldu ve saf 3-metilbütil etanoatın (izoamil ase tat) eldesi için damıtma işlemine tabi tutuldu. 1. Tepkime sonunda, sulu NaHC03 eklemeden önce bulunması muhtemel türleri sıralayınız. H2S 04’in tüketilmediğine dikkat ediniz (çünkü katalizördür) ve böylece protonlanabilecek atomlara hâlâ proton verebilir. 2. Çizelge 3.1 gibi bir pKa değerleri çizelgesi kullanarak birinci kısımda sıraladığınız türlerin her birindeki potansiyel asidik hidrojenlerinin pKa değerlerini hesaplayınız. 3. Sıraladığınız türlerin sulu sodyum bikarbonat ile karıştırıldıklarında meydana gelmesini beklediğiniz asit-baz tepkimelerinin kimyasal eşitliklerini yazınız. (İpucu: Her bir türün NaHCO, ile tepkime verebilecek asit olup olmadığına dikkat ediniz.) 4. (a) Çözünürlük ve polarlıklara dayanarak, tepkime karışımına sulu sodyum bikar bonat eklendiğinde niçin birbirinden ayrı tabakalar oluştuğunu açıklayınız. [İpucu: Pek çok organik asidin sodyum tuzu dört veya daha az karbonlu oksijen içeren nötr organik bileşikler gibi suda çözünürler.] (b) NaHC03 ile tepkimeden sonra (i) organik tabakada ve (ii) sulu tabakada bulunmaları muhtemel kimyasal türleri sıralayınız, (d) Sodyum bikarbonat ile ekstraksiyon niçin üç defa tekrarlandı?

kanlar: Adlandırma, Konformasyon Analizi ve Sentezlere Giriş Esnek O lu p O lm a m a y ı M o le k ü le r Y a p ı B e lirle r Kaslarınızın gerilmesine, büyük oranda, miyozin denen kas proteinin (yukardaki elekt ron mikrografına bakınız) karbon - karbon sigma (birli) bağları etrafındaki dönmeler se bep olur (konformasyon değişimleri). Ancak elmas ile cam keserken, elması oluşturan karbon - karbon birli bağları, kendilerine etki eden tüm kuvvetlere dayanırlar ve böylece çizilen elmas değil cam olur (elmasın kısmî moleküler yapısı yukarıda verilmiştir). Çelikten yaklaşık yüz kat daha sert olan karbon esaslı malzemeler olan nanotüpler de son derece dayanıklıdır. (Nanotüpler buckminsterfullerenler veya ‘buckyball’lerle ilgi lidir ve bunlar için 1996’da Kimya Nobel Ödülü verilmiştir; Altbölüm 14.8). Bu mad delerin (kas proteini, elmas ve nanotüpler) özellikleri birçok etkene bağlıdır, ancak en önemlisi; karbon-karbon bağları etrafında dönmenin mümkün olup olmadığıdır.

129

Kas proteinleri esas olarak, atomları zincire benzer şekilde birli bağlarla bağlanmış çok uzun doğrusal moleküllerdir (sıkı bir şekilde katlanmış). Bu bölümde göreceğimiz gibi bağlar arasında serbest dönme birli bağlarla bağlanmış atomlar arasında mümkündür. Kaslarda , bir çok birli bağ etrafındaki dönmelerin toplam etkisi "güç vuruşu" denilen bir basamakla her bir miyosin molekülünün kuyruğunun bitişik protein (aktin denen) boyunca 60 Â hareket etmesine yol açar. Bu işlem her bir kas hare keti için miyosin ve aktin molekülleri arasındaki çark mekanizması nın bir parçası olarak tekrar tekrar meydana gelir. Elmas ve nanotüplerde uzun zincirler yerine karbon halkalarını içe ren ağlardan oluşan moleküller vardır. Moleküler yapıları karbon karbon bağları kırılmaksızın karbon - karbon bağları etrafında çok az bir dönmenin mümkün olduğu, yani dönmelerin çok zor olduğu bir şekildedir. Bağ etrafında dönmenin olmaması, bu moleküllere sertlik ve kırılmazlık özelliği kazandırır.

Kasta güç vuruşu

4 .1 Sikloheksan

A L K A N L A R VE S İ K L O A L K A N L A R A GİRİŞ

Daha önce belirttiğimiz gibi hidrokarbonlar olarak adlandırılan organik bileşikler sını fı, karbon atomları arasındaki bağ türlerine göre birkaç grupta ele alınabilir. Karbon karbon bağlarının tümünün birli bağlar olduğu hidrokarbonlara alkanlar; karbon - kar bon ikili bağı içeren hidrokarbonlara alkenler; karbon - karbon üçlü bağı içerenlere ise alkinler denir. Sikioalkanlar, karbon atomlarının bir kısmı veya tamamı bir halkada yer alan alkanlardır. Alkanlarm genel formülü C ^ fK ^ ’dir; tek halkalı sikioalkanlar iki hidrojen daha az içerirler ve bundan dolayı da genel formülleri C,)H2;(’dir. Alkanlar ve sikioalkanlar o kadar benzerdir ki pek çok özellikleri beraber incelene bilir. Ancak sikloalkanların halkalarından kaynaklanan bazı yapısal özellikleri vardır ve ayrı incelenmeleri daha uygundur. İlerledikçe alkanlarm ve sikloalkanların kimyasal ve fiziksel benzerliklerini vurgulayacağız. 4.1 A A lk a n l a rm Kaynakları: Petrol Alkanlarm başlıca kaynağı petroldür. Petrol, çoğu alkan ve aromatik hidrokarbon olan organik bileşiklerin karmaşık bir karışımıdır (Bölüm 14). Petrol ayrıca küçük miktar larda oksijen-, azot-, ve kükürt- içeren bileşikleri de içermektedir. 4 . I B Petrolün Ar ıt ılm ası

Petrol, çok eskiye dayanan organik maddelerin bozunmasından oluşan sınırlı bir kaynaktır. Los Angeles’deki katran kuyuları pek çok ta rih öncesi hayvanın doğal hidrokarbon içeren havuz larda çürüdüğü bir yerdir.

130

Petrol arıtılmasında ilk basamak damıtmadır; buradaki amaç, petrolü bileşenlerinin uçu culuğuna dayanarak kısımlara ayırmaktır. Tek bileşik içeren kısımlara ayırmak ekono mik olarak uygun olmadığı gibi teknik olarak da mümkün değildir. 200’C’un altında kaynayan petrol damıtma ürünlerinde 500’den fazla bileşik vardır ve bunların çoğu he men hemen aynı kaynama noktasına sahiptir. Bu yüzden kısımlar, yakın kaynama nok tasına sahip alkanlarm karışımıdır (Çizelge 4.1 ). Şansımıza , alkan karışımları, petrolün temel kullanım alanları olan yakıt, çözücü ve yağlayıcılar olarak kullanıma çok uygun dur.

4.1 Alkanlar ve Sikloalkanlara Giriş

Bir petrol arıtma tesisi. Uzun kuleler ham petrolü kaynama noktalarına göre bileşenlerine ayırmak için kullanılan fraksiyonlama (kısımlarına ayırma) kolonlarıdır.

4 . 1C Kraking Benzin ihtiyacı, petrolün benzin fraksiyonundan sağlanandan çok daha fazladır. Bu ne denle petrol endüstrisinde önemli bir süreç diğer kısımlardaki hidrokarbonları benzine dönüştürmekle ilgilidir. Gazyağı fraksiyonundaki (C12ve daha fazla) alkan karışımı çok yüksek sıcaklıklarda (~ 500U C ) çeşitli katalizörler beraberinde ısıtıldığında moleküller, 5-10 karbon atomlu, daha fazla dallanmış alkanlara kırılır ve çevrilirler (bkz. Çizelge 4.1). Bu sürece katalitik kraking denir. Kraking katalizörsüz de yapılabilir - ısısal kraking - ancak bu süreçte ürünler düz zincirlidir, ve düz zincirli olanların da "oktan sayısı" çok düşüktür.

Çizelge

4.1 Petrolün Damıtılmasıyla Elde Edilen Başlıca Kısımlar

Kısımm Kaynama Aralığı (°C) 20‘nin altında 20-60 60-100 40-200 175-325 250-400 Uçucu olmayan sıvılar Uçucu olmayan sıvılar

Molekül Başına Düşen Karbon Atomu Sayısı C-C4

Çs-C6 C6-C 7

C5-C 10 Ci2“C|8 C]2 ve daha fazla C2t) ve daha fazla C2o ve daha fazla

Kullanım Alanı Doğalgaz. tüpgaz. petrokimyasallar Petrol eteri, çözücüler Ligıoin, çözücüler Benzin (kullanılan benzin) Kerosen ve jet yakıtı Gazyağı, yakıt ve mazot Rafine mineral yağlar, yağlama yağı ve gres Parafin mumları, asfalt ve katran

Holüm, J. R. E le m e n ts o f G en e ra l. O rg a n ic , a n d B io lo g ic a l C h e m istry . 9th ed. Wiley: New York. 1995; s 213‘ten izin alınarak buraya uyarlanmıştır.

131

4.1 Alkanlar ve Sikloalkanlara Giriş 4.2 Alkanların Şekil leri 4.3 Alkanlar, Alkil Halojenürler ve Alkollerin IUPAC Adlandırılması 4.4 Sikloalkanların Adlandırılması 4.5 Alkenler ve Sikloalkenlerin Adlandırılması 4.6 Alkinlerin Adlandırılması 4.7 Alkanlar ve Sikloalkanların Fiziksel Özellikleri 4.8 Sigma Bağları ve Bağlar Etrafında Dönme 4.9 Bütanın Konformasyon Analizi 4.10 Sikloalkanların Bağıl Kararlılıkları: Halka Gerginliği 4.11 Siklopropan ve Siklobütanda Halka Gerginliğinin Kaynağı: Açı ve Burulma Gerginliği 4.12 Sikloheksanın Konformasyonları 4.13 Süstitüe Sikloheksanlar: Aksiyal ve Ekvatoryal Hidrojen Atomları 4.14 Disüstitüe Sikloalkanlar: Cis-Trans İzomerisi 4.15 Bisiklik ve Polisiklik Alkanlar 4.16 Feromonlar: Kimyasal Maddelerle İletişim 4.17 Alkanların Kimyasal Tepkimeleri 4.18 Alkanlar ve Sikloalkanların Sentezi 4.19 Yapı ve Etkinlikle İlgili Genel Kurallar: Sentezlere Doğru Bir Bakış 4.20 Organik Senteze Giriş

132

Bölüm 4 / Alkanlar: Adlandırma. Konformasyon Analizi ve Sentezlere Giriş

Çok dallanmış bir bileşik olan 2,2,4-trimetilpentan (petrol endüstrisinde "izoktan" de nir) içten yanmalı motorlarda çok düzgün (vuruntusuz) yanar ve benzinin oktan ölçeği nin oluşturulmasındaki standartlardan biridir. CH

CH

CH,— C — CH — CH — CH, CH, 2,2,4-T rimetil pentan

(“izooktan”)

Bu ölçeğe göre 2,2,4-trimetilpentanm oktan sayısı 100'dür. İçten yanmalı motorlarda yandığında en fazla vuruntu yapan bileşik olan heptanın, CH3(CH2)5CH3oktan sayısı sı fırdır. 2,2,4-Trimetilpentan ve heptan karışımları, oktan sayısını 0 ve 100 arasında de recelendirmek için standart madde olarak kullanılırlar. Örneğin %87 2,2,4—triınetilpentan ve % 13 heptandan oluşan bir karışımla içten yanmalı bir motorda aynı vuruntu özelli ğine sahip bir benzinin oktan sayısı 87 olacaktır.

4 .2

A L K A N L A R I N ŞEKİLLERİ

Alkanlar ve halkalı alkanların karbonları spi melezleşmiştir ve gruplar, düzgün dörtyüz lü yapıda yönlenmişlerdir. Alkanların yapıları, aşağıda Şekil 4.l ’de verildiği gibi gös terilebilir.

Şekil 4.1

Üç basit alkan için top ve çubuk modelleri. Propan CH3CH2CH3

Bütan CH3CH2CH2CH3

t e

*

t e Pentan

4pr

Cr

c h 3c h 2c h 2c h 2c h 3

4.3 Alkanların Şekilleri

133

Bütan ve pentan bazen "düz zincirli" alkanlar olarak adlandırılan alkan örnekleridir. Bunların üç boyutlu modellerine bakıldığında düzgün dörtyüzlü karbon atomlarından do layı zincirlerinin düz değil de zikzaklı olduğu görülür. Gerçekten, Şekil 4.1’de verilen yapılar, olabilecek en düz zincir şeklindedir. Ancak, karbon - karbon birli bağları etra fında meydana gelen dönmeler doğrusallıktan sapan düzenlemeleri meydana getirir. Hid rokarbon zincirinde bulunan her bir karbon atomunun en fazla iki karbon atomuna bağlı olduğu yapılar dallanm am ış olarak tanımlanır. Dallanmamış alkanlar sadece birincil ve ikincil karbon atomları içerirler. Birincil, ikincil ve üçüncül karbon atomları Altbölüm 2.6!da tanımlanmıştır. (Dallanmamış alkanlara "normal" alkanlar veya «-alkanlar deme alışkanlığı eski bir tanımlamadır ve artık kullanılmamalıdır.) İzobütan, izopentan ve neopentan (Şekil 4.2) dallanmış alkan örnekleridir. Neopentandaki merkez karbon atomu dört karbon atomuna bağlıdır. Bütan ve izobütan aynı molekül formülüne sahiptir: C4H10. Bu iki bileşiğin atomla rı farklı düzende bağlanmışlardır ve bu nedenle yapı izomerleridir (Altbölüm 1.3A). Pentan, izopentan ve neopentan da yapı izomeridir. Bunlar da aynı molekül formülüne (C5H12) fakat farklı yapılara sahiptirler.

Şekil 4.2 Dallanmış zincirli üç alkan için top ve çubuk modelleri. Bileşiklerin her birinde bir karbon atomu ikiden fazla karbon atomuna bağlıdır.

Şekil 4.1 ve 4.2 deki bile şikler için kendi molekül modellerinizi oluşturmanız gerekir. Bunlara çeşitli açı lardan bakınız ve çeşitli bağları burktuğunuzda şe killerinin nasıl değiştiğini gözleyiniz. Bu yapıları çiziniz.

Neopentan

134

Bölüm 4 / Alkanlar: Adlandırma, Konformasyon Analizi ve Sentezlere Giriş Çizelge 4.2 Heksan İzomerlerinin Fiziksel Sabitleri

Molekül Formülü

c6h14

C6H14

c6h14 c6h14

c6h14

en (°C)

Yapı Formülü

CH,CHXH,CH,CH,CH3 ch3chch2ch2ch3 ch3 ch3ch2chch2ch3 ch3 CH,CH—CHCH, 1 1 ch3 ch3 ch3 1J CH,—C—CH,CH, 1 ch3

kn (°C)« Yoğunluk6 (1 atm) (g mL-()

Kırma İndisi0 (»D20°C)

-95 68,7 -153,7 60,3

0,65942« 1,3748 0,65322« 1,3714

-118

0,664320 1,3765

63,3

-128,8 58

0,661620 1,3750

-98

0,649220 1,3688

49,7

a Aksi belirtilmedikçe tüm kaynama noktalan 1 atm veya 760 torr içindir.

6 Üstte yer alan rakam, yoğunluğun ölçüldüğü sıcaklığı gösterir. ‘ Kırma indisi bir alkanın ışığı saptırma (kırma) yeteneğinin ölçüsüdür. Değerler sodyum spektrumunun D çizgisi (/70) için verilmiştir.

P ro bl em 4 . 1 >• C7H,6 molekül formülüne sahip tüm yapı izomerlerinin yapı formüllerini yazınız. (Toplam 9 yapı izomeri vardır.) Yapı izomerleri, daha önce belirtildiği gibi, farklı fiziksel özelliklere sahiptirler. Fark lılık her zaman çok büyük olmayabilir, ancak yapı izomerlerinin her zaman erime nok taları. kaynama noktaları, yoğunlukları, kırma indisleri vs farklıdır. Çizelge 4.2 C6H14 izomerlerinin bazı fiziksel özelliklerini vermektedir. Çizelge 4.3’te görüldüğü gibi, olası yapı izomerlerinin sayısı alkandaki karbon atom sayısının artmasıyla belirgin bir şekilde artmaktadır. Çizelge 4.3'teki büyük rakamlar bilgisayarla yapılabilen hesaplamalardan elde edil miştir. Stereoizomerleri (Bölüm 5) ve yapı izomerlerini de göz önüne alarak yapılan benzer hesaplamalar C167H336 alkanının teorik olarak, olası izomer sayısının evrende ki parçacık sayısından fazla olduğunu göstermektedir. Çizelge 4.3 Alkan İzomerlerinin Sayısı

Molekül Formülü

C4H10 c5h12 c6hI4 C7H16 Ct,H20 C 10^22

c15h32 c20h42 ^-30^62

C4oHr2

Olası Yapı İzomeri Sayısı

2 3 5 9 18 35 75 4.347 366.319 4.111.846.763 62.481.801.147.341

4.3 Alkanlar, Alkil Halojenürler ve Alkollerin IUPAC Adlandırılması

4 .3

135

A l k a n l a r , A lkil H a l o j e n ü r l e r ve ALKOLLERİN I U P A C ADLANDIRILMASI

Ondokuzuncu yüzyılın hemen hemen sonlarına kadar organik bileşiklerin adlandırılma sı için uygun bir sistem geliştirilmemiştir. Daha öncesinde pek çok organik bileşik bu lunmuştu. Bu bileşiklere verilen isimler bazen bileşiğin kaynağını yansıtıyordu. Örneğin üzümden elde edilen asetik asit, adını üzümün Latincesi acetıon dan alınmıştır. Bazı ka rıncalardan elde edilen formik asit adını Latince karınca anlamında olan formicae keli mesinden alır. Etanole (veya etil alkol) bir zamanlar tahıl alkolü de denirdi. Çünkü tahılların fermantasyonundan elde edilirdi. Kimya Abractları Servisi Organik bileşikler için olan bu eski isimler şimdi “yaygın’' veya “bayağı” adlar ola her bir bileşik için bir rak anılır. Bu isimlerden pek çoğu hâlâ geniş çapta ticarette kimyacılar ve biyokimya- CAS kayıt numarası verir. cılar tarafından kullanılmaktadır. (Pek çoğu kanunlarda bile yazılıdır.) Bu nedenle çok CAS numaraları bileşiğin kullanılan bileşiklerin bazılarının yaygın isimlerini bilmek gerekir. Yeri geldikçe bu yay özelliklerini bulmak için gın isimleri işaret edeceğiz ve bazen de kullanacağız. Ancak çoğu zaman kullanacağı literatür taramasını kolay laştırır. Maddeler için mız isimler IUPAC adları olacaktır. CAS numaraları burada Bugün kullanılmakta olan resmi adlandırma sistemi Uluslar Arası Teorik ve Uygu kutu içerisinde Iateks lamalı Kimya Birliği (IUPAC) tarafından önerilmiştir. Bu sistem ilk defa 1892’de ge baskısıyla verilmiştir. liştirilmiş ve aralıklarla gözden geçirilerek bu güne gelmiştir. Organik bileşiklerin IUPAC adlandırma sisteminin temel prensibi: H e r b ir f a r k lı b ile şiğ in tek b ir a d ı o lm a sı esası dır. Böylece sistematik kurallar aracılığı ile IUPAC, bilinen yedi milyar organik bileşik için farklı isimler sağlamaktadır ve daha henüz sentezlenmemiş milyonlarca bileşik için de isimler oluşturulabilir. Buna ek olarak , IUPAC sistemi, kuralları bilen herhangi bir kimyacının herhangi bir bileşik için isim yazabileceği kadar basittir. Aynı şekilde IUPAC isminden de bileşiğin yapısını yazabilir. Alkanların adlandırılması için olan IUPAC sistemini öğrenmek zor değildir ve kul lanılan prensipler diğer sınıflardaki bileşikler için de kullanılır. Bu nedenle IUPAC sis temine alkanların adlandırılması ile başlayıp daha sonra da alkil halojentir ve alkollerin IUPAC Adlandırma adlandırılma kurallarını öğreneceğiz. Sistemi Dallanmamış birkaç alkanm isimleri Çizelge 4.4’te verilmiştir. Alkan isimlerinin hep sinde son ek -an dır. Alkanların (C4’ün altında) çoğunun kökleri Yunan ve Latin kay naklıdır. Organik kimyada kökleri öğrenmek saymayı öğrenmek gibidir. Böylece bir, iki, üç, dört, beş; met-,et-, prop-, büt-, pent- olur.

4. 3A D a l l a n m a m ı ş Alkil G r u p l a r ı n ı n A d l a n d ı r ı l m a s ı Bir alkandan bir hidrojen atomu uzaklaştırdığımızda alkil grubu elde ederiz. Bu alkil gruplarının isimleri -il ile biter. Alkan dallanmamış ve uzaklaştırılan hidrojen atomu uç hidrojen atomu olduğunda isimler kolayca anlaşılır:

Alkan

Alkil Grubu

CH3— H

c h 3—

Metan CH3CH2— H Etan CH3CH2CH2— H Propan CH3CH2CH2C H — H Bütan

Metil CH3CFL —

Etil c h 3c h 2c h 2— Propil CH3CPLCPLCPL— Bütil

Kısaltma olur

Me —

olur

Et —

olur

Pr —

olur

Bu—

Alkil Grupları

136

Bölüm 4 / Alkanlar: Adlandırma, Konformasyon Analizi ve Sentezlere Giriş Çizelge 4.4 Dallanmamış Alkanlar

Adı

Karbon Atomlarının Sayısı

Metan Etan Propan Bütan Pentan Heksan Heptan Oktan Nonan Dekan Undekan Dodekan Tridekan Tetradekan Pentadekan Heksadekan

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Karbon Atomlarının Sayısı

Adı

Yapı ch4 c h 3c h 3 c h 3c h 2c h 3

C H 3(CH 2)2CH3 CH3(CH2)3CH3 CH3(CH2)4CH3 CH3(CH2)5CH3 CH3(CH2)6CH3 CH3(CH2)7CH3 CH3(CH2)8CH3 CH3(CH2)9C H 3

CH3(CH2) ioCH3 CH3(CH2) iiCH3 CH3(CH2)12CH3 CH3(CH2)13CH3 CH3(CH2)14CH3

Heptadekan Oktadekan Nonadekan Eiokosan Heneikosan Dokosan Trikosan Triakontan Hentriakontan Tetrakontan Pentakontan Heksakontan Heptakontan Oktakontan Nanokontan Hektan

17 18 19 20 21 22 23 30 31 40 50 60 70 80 90 100

Yapı CH3(CH 2)15C H 3 CH3(CH2)|6CH3 CH3(CH2)n C H 3 CH3(CH2)18CH3 CH3(CH2)19C H 3 CH3(CH2)20CH3 CH3(CH2)21CH3 CH3(CH2)28CH3 CH3(CH2)29CH3 CH3(CH2)38CH3 C H 3(CH2)48CH3 C H 3(CH2)58CH3 CH3(CH2)68CH3 CH3(CH2)78CH3 CH3(CH2)88CH3 CH3(CH2)98CH3

4. 3B D a l l a n m ı ş Zi nc i r l i A l k a n l a r ı n A d l a n d ı r ı l m a s ı Dallanmış zincirli alkanlar aşağıdaki kurallara göre adlandırılırlar.

1. Karbon atomlarından oluşan en uzun sürekli zinciri bulunuz; bu zincir alkanın temel adını belirler. Örneğin aşağıdaki bileşiği, en uzun sürekli karbon zinciri altı karbon atomu içerdiğinden heksan olarak belirtiriz.

CH3CH2CH2CH2CHCH3 ch3

Formülün yazılışına bağlı olarak en uzun sürekli zincir her zaman kolayca görülemeyebilir. Örneğin aşağıdaki bileşiğin en uzun sürekli karbon zincirinde yedi kar bon atomu bulunduğu ve bundan dolayı da h eptan olarak belirtildiğine dikkat edi niz.

ch,ch2ch2ch2chch3 ch2 ch3 2. En uzun zinciri, sübstitüente daha yakın uçtan başlayarak numaralandırınız. Bu kuralı uygulayarak, daha önce gördüğümüz iki alkanı aşağıdaki şekilde numa ralandırırız. -Sübstitüent 6

5

4

3

2

1

c h 3c h 2c h 2c h 2ç h c h 3

CH, Sübstitüent

CH3CH2CH2CH2^HCH5 2^ h 2 'c h 3

4.3 Alkanlar, Alkil Halojenürler ve Alkollerin IUPAC Adlandırması

3. Sübstitüent grupların yerlerini belirtmek için, kural 2 uygulanarak elde edilen numaralar kullanılır. Temel ad en son yazılır. Sübstitüent grupların yerleri zincir de bağlı oldukları karbon atomunun numarasıyla belirtilir. Numaralar, kelimelerle aralarına çizgi konularak ayrılır. İki örneğimiz sırasıyla 2-metilheksan ve 3-metilheptandır. c h ,c h 2c h 2c h 2c h c h 3

c h 3c h 2c h 2c h 2c h c h ,

CH,

2CH, I ■ 'CH,

2-IVIctilheksan

3-Metilheplan

4. iki veya daha fazla sübstitüent bulunduğunda, her bir sübstitüentin yeri, en uzun zincir üzerinde bağlı olduğu karbon atomunun numarasıyla belirtilir. Örnek ola rak aşağıdaki bileşiği 4-etil-2-metilheksan olarak belirtiriz. CH,CH — CH2—CHCH2CH, CH.

CH, I ' CH3

4-Etil-2-metilheksan

Sıibstitüentler alfabetik (örneğin etil, metilden önce)* sıraya göre yazılır. Alfabetik sıralama yapılırken "di" ve "tri" gibi ön takılar dikkate alınmaz.

5. Aynı karbon atomu üzerinde iki sübstitüent bulunduğunda numara iki defa kul lanılır. CH, I c h 3c h 2— c — c h 2c h 2c h 3

F* CH3 3-Etil-3-metillıeksan

6. İki veya daha fazla aynı sübstitüent varsa bunların sayıları di-, tri-, tetra ön ta kıları kullanılarak belirtilir. Her bir sübstitüente bir numara verildiğinden emin olun malıdır. Numaralar, birbirlerinden virgülle ayrılmalıdır. CH, I

CH.CH —CHCH, I I ch, ch,

c h ,c h c h c h c h ,

2,3-Dimetilbütan

2,3,4-Trimetilpentan

'I CH,

I CH,

CH, CH, I I CH,CCH2CCH, CH, CH, 2,2,4,4-Tetrametilpeııtan

Bu altı kuralı uygulayarak karşılaşacağımız alkanların çoğunu adlandırabiliriz. Bazen iki kuralın daha kullanılması gerekebilir.

* Bazı el kitapları grupların yazılışını komplekslik (yaııi metil, etilden önce) sırasına göre verir. Ancak bu sistemin kullanılışı çok yaygın değildir.

137

138

Bölüm 4 / Alkanlar: Adlandırma, Konformasyon Analizi ve Sentezlere Giriş

7. Eşit uzunlukta iki zincir olması halinde , üzerinde daha fazla sübstitüent bu lunduran zincir temel zincir olarak seçilir. CH,CH-,— CH — CH —CH —ÖH — CH,

• • I

CH,

I

I

CH,

CH,

I

CH,

CH-, I •

CH, 2,3,5-Trimetil-4-propilheptan (dört sübstitüent)

8. İlk dallanma en uzun zincirin her iki ucundan eşit mesafede başlıyorsa, adlan dırmada, numaralar toplamı daha az olanı seçilir.

CH — CH — CH,— CH — CH — CH, CH,

CH,

CH,

2,3,5-T rimetillıcksan (2,4,5-triınetilheksaı değil)

4.3C Dallanmış Alkil G rup la rın ın Adlandırılma sı Altbölüm 4.3 A'da bir alkandan bir uç hidrojenin uzaklaştırılmasıyla oluşturulan metil, etil, propil ve bütil gibi grupların adlarını öğrendiniz. İki karbon atomundan fazla atom içeren alkanlar için birden fazla grup türetilebilir. Örneğin propandan iki grup türetile bilir. Uç hidrojen uzaklaştırılmasıyla propil grubu ve merkez karbon atomundan bir hidrojen uzaklaştırılmasıyla 1-metiletil veya izopropil grubu türetilir: Üç-Karbonlu Gruplar c h ,c h 2c h 2-

Propil grubu

CH,CH:CH,Propan

CH,— CH — CH, l-Metiletil veya izopropil grubu

1 -Metiletil, bu grubun sistematik ismi: izopropil ise yaygın ismidir. Alkil grupları nın sistematik adlandırılması dallanmış zincirli alkanların adlandırılmasına benzer. Nu maralandırmanın ana zincirin dallandığı noktadan başlatılması gerekir. Dört tane C4 grubu vardır. İki tanesi bütandan iki tanesi izobütandan* türetilmiştir.

* İzobütan 2-metilpropanın IUPAC tarafından da kabul edilen yaygın adıdır.

4.3 Alkanlar. Alkil Halojenürler ve Alkollerin IUPAC Adlandırılması

Dört-Karbonlu Gruplar c h 3c h 2c h 2c h 2

Bütil grubu c h 3c h 2c h 2c h 3-

Bütan

CH3CH2CH, ch3

1-Metilpropil veya seA-bütil grubu

-------- ►c h 3ç h c h 2— ch3

2-Metilpropil veya izobütil grubu

CH,CHCH,I

CH,

ch3

İzobütan

------- ►c h 3c —

M

ch3

1,1-Dimetiletil veya /er-bütil grubu

Aşağıdaki örnekler bu grupların isimlerinin nasıl kullanıldığını göstermektedir. c h ,c h 2c h 2c h c h 2c h 2c h 3

CH,— CH I

CH, 4-( 1-ÎVIetiletiItheptan veya 4-izopropilheptan c h 3c h 2c h 2c h c h , c h 2c h 2c h ,

CH—c —CH3 CH, 4-( 1,1-Diıııetiletil toktan veya 4-/
Yaygın isim olan izopropil, izobütil, se£-bütil ve ter-bütil sübstitüe olmayan gruplar için IUPAC tarafından kabul edilmiştir ve hâlâ sıkça kullanılırlar. Bu grupları gördüğü nüzde kolayca tanıyabil meniz için ezberlemelisiniz. Bu gruplan alfabetik sıraya koyar ken yapıları tanımlayan ve isimden çizgi ile ayrılmış italik ön ekleri gözardı etmelisiniz. Böylece rcr-bütil etilden önce gelir , ancak etil, izobıitilden önce gelir.* IUPAC tarafından adı kabul edilmiş bilinmesi gereken bir beş karbonlu grup daha vardır; 2,2-dimetilpropil grubu sıkça neopentil grubu olarak adlandırılır.

CH,—C — CH — '

I

CH, 2,2-Dimetilpropil veya neopentil grubu * i, s ve t kısaltmaları bazen izo-, se k- ve ter- yerine kullanılırlar.

139

140


Pr o bl em 4.2

>• Biraz önce verilen 2,2-dimetilpropile (veya neopentile) ek olarak yedi tane beş kar bonlu grup daha vardır. Bunların yapılarını ve her birinin sistematik adını yazınız, b) Problem 4.1’de cevap olarak verdiğiniz C7H|6'nın dokuz izomerinin de IUPAC adlarını yazınız.

4.3D Hi dr o je n A t o m l a r ı n ı n Sınıflandırılması Bir alkanın hidrojen atomları bağlı bulundukları karbon atomları esas alınarak sınıflan dırılır. Birincil karbona bağlı bir hidrojen birincil hidrojendir (1°) ve bu böyle devam eder. Aşağıdaki bileşiğin, 2-metilbütan, birincil (1"), ikincil (2°) ve üçüncül (3°) hidro jen atomları vardır.

Diğer taraftan, çoğu kez neopentan olarak adlandırılan 2,2-dimetilpropan sadece birin cil hidrojenlere sahiptir. CH, I 3

C ll—C — CM, I

CH, 2,2-Dimetilpropan (neopentan)

4.3E Alkil Ha loj enü rl eri n Adlandırılması Halojen sübstitüenti taşıyan alkanlar ÎUPAC sisteminde haloalkanlar olarak adlandırı lırlar: CH3CH2C1 CH,CH2CH2F CH3CHBi CH? Kloroetan

1-Floropropan

2-Bromopropan

Ana zincire halojen ve alkil gruplarının her ikisinin de bağlı olması durumunda zin cirin numaralandırılmasına, halojen veya alkil oluşuna bakmaksızın ilk sübstitüentin da ha yakın olduğu uçtan başlanır. Eğer iki sübstitüent de zincir uçlarından eşit uzaklıkta iseler o zaman alfabetik önceliğe sahip grubun bulunduğu uçtan zincir numaralandırı lır. CH, CH, ı 3 c h 3c h c h c h 2c h 3

cı 2-Kloro-3-metilpentan

r 3 ch ^ hc^ chch,

cı 2-Kloro-4-metilpentan

Ancak hâlâ pek çok basit haloalkanlar için yaygın isimler geniş çapta kullanılmaktadır. Bu yaygın adlandırma sisteminde, fonksiyonel gruba göre adlandıran sistemde, haloal kanlar alkil halojenürler olarak adlandırılırlar. (Aşağıdaki isimler IUPAC tarafından da kabul edilmiştir.)

4.3 Alkanlar, Alkil Halojenür ve Alkollerin Adlandırılması CH,

I 3 C H 3C H 2C1

C H 3C H C H 3

Etil klorür

İzopropil bromür

(C H 3)3C Br

C H 3Ç H C H 2C1

ter-Bütil bromür

İzobütil klorür

Br

ch

C H ,C C H ,B 3| 2

3

CH3

Neopentil bromür

a) C4H9C1 ve b) C5H ||B rnin tüm izomerlerinin IUPAC adlarını yazınız

^

4.3F A lko ll eri n Ad lan dır ılma sı IUPAC sistematik adlandırmada, bir adın dört özelliği vardır, yer belirteçleri, ön ek ler, ana bileşik, ve bir son ek. İsmin nasıl oluştuğuna şimdilik bakmaksızın aşağıdaki bileşiği bir örnek olarak ele alalım. C H ,C H ,C H C H ,C H ,C H ,O H CH3

,

4-MetiI-l-heksanol ^ yer belirteci

T

\

\

^

ön ek yer belirteci ana bileşik son ek

4-Yer belirteci ön ek olarak adlandırılan metil grubunun ana bileşiğe C4 yerinden bağ landığını gösterir. Ana bileşik çoklu bağlar içermez ve altı karbonludur, bundan dolayı ana bileşiğin adı heksandır ve bir alkol oluşu nedeniyle de -ol son eki almıştır. 1- yer belirteci, hidroksil grubunun C -l’de olduğunu belirtir. Genel olarak, zincirin numa-

ralandırılmasına son ek olarak adlandırılmış gruba daha yakın olan uçtan başla nır. Alkollerin IUPAC sistematik adları oluşturulurken aşağıdaki işlemler takip edilme lidir. 1. Hidroksil grubunun doğrudan bağlı bulunduğu en uzun zinciri seçiniz. Bu zincire karşılık gelen alkan ismine -ol son ekini ekleyiniz. 2. En uzun sürekli karbon zincirini, hidroksil grubunu taşıyan karbon daha küçük sayıyı alacak şekilde numaralandırınız. Bu numarayı yer belirteci olarak kullanarak hidroksil grubunun yerini belirtiniz. Diğer sübstitüentlerin de karbon zincirindeki yerlerini yer belirteçleri ile belirtiniz. Aşağıdaki örnekler bu kuralların nasıl uygulandıklarını göstermektedir. 3

2

1

1

C H 3C H 2C H 2OH

2

3 - 4

c h 3ç h c h 2c h

3

C H 3Ç H C H 2CH2C H 2OH

OH

1-Propanol

ch

2-Bütanol

3

4-Metil-l-pentanol (2-metiI-5-pentanoI değil) CH3 1

2

3

4İ 5

C lC H 2C H 2C H 2OH

C H 3C H C H ,C C H 3

3-Kloro-l -propanol

4,4-Dimetil-2-pentanol

OH

CH3

P ro bl em 4.3

141

142


P ro bl em 4.4

>• a) C4H |0O ve b) C5H 120 formüllerine sahip tüm izomer alkollerin TUPAC sistema tik adlarını yazınız. Basit alkoller IUPAC tarafından da onaylanan yaygın (grup adı temel alınarak yapılan) adlandırmayla isimlendirilirler. Daha önce birkaç örnek görmüştük (Altbölüm 2.7). Me til alkol, etil alkol ve izopropil alkole ek olarak aşağıda formülleri verilen alkoller de dahil olmak üzere bu şekilde adlandırılan çeşitli alkoller vardır. CH3CH2CH2OH

CH3CH2CH2CH2OH

Propil alkol

Bütil alkol

CH3COH

CH, I CH3CHCH2OH

CH3 /er-Bütil alkol

İzobütil alkol

çh3

CH3CH2CHCH3 OH seAr-Bütil alkol CH, I c h 3c c h , o h I ‘ ch3 Neopentil alkol

îki hidroksil grubu içeren alkoller, yaygın olarak glikoller olarak adlandırılır. IUPAC sistematik adlandırmaya göre bu bileşiklere dioller denir. CH,— CH,

Yaygın adı

Sistematik adı

OH OH Etilen glikol 1,2-Etandiol

CH3CH— c h 2 OH

OH

CH,CH,CH, OH

OH

Propilen glikol

Trimetilen glikol

1,2-Propandiol

1,3-Propandiol

4 .4

SİK LO A LK A N LA R IN ADLA N D IR ILM ASI

4.4 A

T e k Halkalı Bileşikler

Sikloalkanlar aynı sayıda karbon atomu içeren alkanların isimleri önüne siklo- ön eki getirilerek adlandırılırlar. Örneğin. H,C— CH, H-,C— CH, v—7 7 \ ‘ - \ / 2= V H,CX /C H , c C h2 H2 Siklopentan Siklopropan Sübstitüe sikloalkanları, alkilsikloalkanlar, halosikloalkanlar, alkilsikloalkanoller vb. gibi adlandırırız. Tek bir sübstitüent söz konusu olduğunda yerini belirtmek gerekmez. İki sübstitüent olduğunda halkayı alfabetik sırada öncelikli olandan başlayarak ve bir sonraki sübstitüente mümkün olan daha düşük numarayı verecek yönde numaralandırı rız. Üç veya daha fazla sübstitüent bulunduğunda yer belirteçlerinin en küçük toplamı na götürecek olan sübstitüentten başlanarak numaralama yapılır.

İzopropilsikloheksan

l-Etil-3-metilsikloheksan (l-etil-5-metilsikloheksan değil)

4-Kloro-2-etil-l-ırıetilsikloheksan (l-kloro-3-etil-4-metilsikloheksan değil)

4.4 Sikloalkanların Adlandırılması

i Klorosiklopentan

2-Metilsikloheksanol

Tek halka sisteminin, daha fazla karbon atomuna sahip bir zincire bağlı bulunduğu veya birden fazla halka sisteminin bir tek zincire bağlı olduğu bileşikleri sikloalkilalkanlar olarak adlandırmak daha uygundur. Örneğin: CH2CH2CH2CH2CH3 1 -Siklobüt ilpen tan

1,3-Disikloheksilpropan

Aşağıdaki sübstitüe alkanları adlandırınız.

4.4B

<

İki Halkalı (Bisiklik) Bileşikler

İki bitişik veya köprülü halkalar içeren bileşikler bisikloalkanlar olarak adlandırılır. Temel ad olarak halkalardaki toplam karbon sayısına karşılık gelen alkan ismi kullanı lır. Örneğin aşağıdaki bileşik yedi karbon içerir ve bu nedenle bisikloheptandır. İki hal kaya da ait olan karbonlara köprü başları ve bu karbonları birleştiren her bir bağa, veya atom zincirine köprü denir. Tek karbonlu köprü

i— Köprü başı

V\ *

ch2

İki karbonlu köprü

CH:

CH, { CH,

c h 2} CH L Köprü başı

Bisikloheptan

İki karbonlu köprü

P ro b l e m 4.5

143

144


Daha sonra, bisiklo kelimesi ile alkan arasına, parantez içerisinde, her bir köprüde bu lunan karbon sayıları büyükten küçüğe doğru yazılır. Örneğin, H2Ç H,C

H Bisiklo[2.2.1 Jheptan

BisikIo[1.1.0Jbütan

(norbornan da denir)

Sübstitüentler olduğunda köprülü halka sistemi, bir köprü başından başlanarak ve en uzun köprüden diğer köprü başı yönünde ve daha sonraki uzun köprüyle devam ede rek numaralandırılır. En kısa köprü en son numaralandırılır.

8-Metilbisiklof3.2.1]oktan

P ro bl em 4.6

8-Metilbisiklo[4.3.0]nonan

>• Aşağıdaki bisiklik alkanların her birini adlandırınız.

(f) Bisiklo[2.2.0]heksanın izomeri olan bir bisiklik bileşiğin yapısını yazınız ve ad landırınız.

4 .5

A lk en ler ve Sîk ADLA N D IR ILM ASI

lo a lk e n le r în

Alkenler için pek çok yaygın isim hâlâ kullanılmaktadır. Propen sıkça propilcn olarak adlandırılır, 2-metilpropen ise sıklıkla izobütilen adını taşır.
CH2= C H 2 Eten Etilen

c h 3c h = c h 2

Propen Propilen

c h 3— c = c h 2 2-Metilpropen İzobütilen

Alkenlerin IUPAC adlandırma kuralları pek çok açıdan alkanların adlandırılmasındakilere benzer.

I. İkili bağı içeren en uzun zincir seçilerek temel ad belirlenir ve aynı uzunluk taki alkan isminin sonundaki -an takısı -en ile değiştirilir. Böylece, eğer en uzun

4.5 Alkenler ve Sikloalkenlerin Adlandırılması

zincir beş karbon içeriyorsa alken için temel ad pentendiv, altı karbon içeriyorsa isim lıeksend'iT, vb.

2. Zincir, ikili bağda bulunan her iki karbon atomunu da içerecek şekilde numa ralandırılır. Numaralandırma, zincirin ikili bağa daha yakın olan ucundan başlanarak yapılır. İkili bağın yeri, bağın bağlı olduğu karbonlardan küçük numaralı olanla belirtilir: c h 2= c h c h 2c h 3

c h 3c h = c h c h 2c h 2c h 3

1-Büten (3-büten değil)

2-Heksen (4-heksen değil)

3. Sübstitüentlerin yerleri bağlı bulundukları karbon atomlarının numaraları ile gösterilir. ch3

ch3 I I CH,C=CHCH,CHCH,

CH3C=CHCH, 1 '2 3 4 2-Metil-2-büten (3-metil-2-büten değil)

1

2

3

4

5

6

J

2,5-Dimetil-2-heksen (2,5-dimetil-4-heksen değil)

CH3 CH3CH=CHCH,C— CH, 1

2

3

4

_ 15

ch3 5,5-Dimetil-2-heksen

6

CH.CH=CHCH,C1

"

l-Kloro-2-büten

4. Sikloalkenler, ikili bağ karbonlarına 1 ve 2 numaraları, sübstitüentlere de müm kün olan en küçük numaralar verilecek şekilde numaralandırılır. Sübstitiie sikloalkenleri adlandırırken ikili bağın yerinin belirtilmesi gerekli değildir. Çünki ikili bağ her zaman C1 ve C2'dir. Aşağıdaki iki örnek bu kuralların uygulamasını göstermektedir.

1-Metilsiklopentcn (2-metilsiklopenten değil)

3,5-Dimetilsikloheksen (4,6-dimetilsikloheksen değil)

5. İkili bağ ve alkol grubu içeren bileşikler alkenoller (veya sikloalkenoller) olarak adlandırılırlar ve numaralama, alkol karbonuna daha küçük numara verilecek yön de yapılır. CH3 5

4 I 3 2 1 c h 3c = c h c h c h 3

OH 4-Metil-3-penten-2-ol

2-Metil-2-sikloheksen-l-ol

6. Sıkça karşılaşılan iki alkenil grubu vinil grubu ve allil grubudur. CH2= C H — Vinil grubu

c h 2= c h c h 2—

Allil grubu

145


Aşağıdaki örnekler bu isimlerin nasıl kullanıldıklarını göstermektedir. H

/ \

u

u

H \ / H

Br

Bromoeten veya vinil bromür (yaygın)

H H / \ C= C / \ H CH2C1 3-KIoropropen veya allil klorür (yaygın)

7. Aynı türden iki grup ikili bağın bulunduğu düzlemin aynı tarafında olduğunda bile şik cis\ zıt tarafta olduğunda ise trans olarak adlandırılabilir. \ / H

/ \

H / \ c =C / \ H Cl

Cl

Cl

o II n

cı

H

cı's-l,2-Dikloroeten

/rans-l,2-Dikloroeten

Altbölüm 7.2’de ikili bağ geometrisinin belirtilmesinde kullanılan başka bir yöntem daha göreceğiz. P ro bl em 4.7

^

Aşağıdaki alkenleri IUPAC’a göre adlandırınız.

P ro b l e m 4.8

>

Aşağıdaki bileşiklerin yapı formüllerini yazınız. (f) 1,3-Dimetilsikloheksen (g) 3,4-Dimetilsiklopenten (h) Vinilsiklopentan (c) 2,4-Dimetil-2-penten (i) 1,2-Diklorosikloheksen (d) trans- 1-Kloro-2-büten G) trarıs-\ ,4-dikloro-2-penten (e) 4,5-Dibromo-l-penten (a) c/s-3-Okten (b) ?7’£M.v-2-Heksen

4 .6

A LK İN LER İN ADLAN D IR ILM ASI

Alkinlerin adlandırılması alkenlerinkine benzer şekilde yapılır. Dallanmamış alkinler, karşılık gelen alkanın -a n eki yerine -in eki getirilerek adlandırılırlar. Zincir, üçlü bağ karbonlarına mümkün olan daha küçük numaralar verilerek numaralandırılır. Üçlü ba ğın iki karbonundan küçük numaralı olanın numarası üçlü bağın yerini belirtmek için kullanılır. Dallanmamış üç alkinin IUPAC isimleri aşağıda verilmiştir. H—C = H —C

CH,CH2C=CCH3

H— C=CCH2CH=CH,

Etin veya asetilen*

2-Pentin

l-Penten-4-int

* Asetilen adı H-C = C-H bileşiği için IUPAC tarafından da kabul edilir ve sıkça kullanılır, t Seçim yapılması gerektiğinde ikili bağ daha önceliklidir.

4.7 Alkan ve Sikloalkanların Fiziksel Özellikleri

Dallanmış alkinlerdeki ve sübstitüe alkinlerdeki sübstitüent grupların yerleri de nu maralarla belirtilir. Bir alkinol zincirinin numaralandınlmasında -O H grubu üçlü bağ dan önceliklidir. 3

2

ı

4

c ı— c h 2c = c h 3-Kloropropin

3

2 1

CH3C = C C H 2C1 l-kloro-2-bütin

4

3 2

3-Bütin-l-oI

CH3 6

5

4

3

2

OH

1

CH,CHCH,CH,C=CH *1 ‘ ch3 5-Metil-l-heksin

1

c h 3c c h 2c = c h ch3 4,4-Dimetil-l-pentin

1

h c = c c h , c h 2o h

2İ 3

4

5

CH,CCH,C=CH I ' ch3 2-Metil-4-pentin-2-ol

C6H 10 formülüne sahip tüm alkinlerin yapılarını ve IUPAC adlarını yazınız. Monosübstitüe asetilenlere veya 1-alkinlere uç alkinler denir ve üçlü bağ karbonu na bağlı hidrojen asetilenik hidrojen olarak adlandırılır. Asetilenik hidrojen R— C = C — H Bir uç alkin Asetilenik hidrojenin uzaklaştırılmasından sonra oluşan anyon alkinür iyonu veya asetilenür iyonu olarak bilinir. Altbölüm 4.18C’de göreceğimiz gibi bu iyonlar sentez lerde yararlıdır. R— C = C :" CH,— C = C : “ Bir alkinür iyonu Propinür iyonu (bir asetilenür iyonu)

4 .7

A L K A N VE S İ K L O A L K A N L A R I N FİZİKSEL Ö Z ELLİK LER İ

Çizelge 4.4’teki dallanmamış alkanları incelediğimizde her alkanın bir öncekinden bir —CH2—grubu ile farklı olduğunu görürüz. Örneğin bütan CH3(CH2)2 CH 3 ,tür. Pentan ise CH3(CH 2 )3 CH3’tür. Buna benzer bileşik serilerine, ki her üyesi bir sonrakinden sabit bir birim ile farklıdır, homolog seriler denir. Homolog serinin üyelerine ise homologlar adı verilir. Oda sıcaklığında ve 1 atın basınçta, dallanmamış alkanların homolog serisinin ilk dört üyesi gaz (Şekil 4.3); C5- C 17 dallanmamış alkanlar (pentandan heptadekana kadar) sıvı; 18 ve daha fazla karbonlu dallanmamış alkanlar katıdır.

Kaynama Noktaları Dallanmamış alkanların kaynama noktalarında molekül kütle lerinin artması ile düzenli bir artış gözlenmektedir, (Şekil 4.3). Bununla birlikte alkan zincirinin dallanması kaynama noktasını düşürür. Çizelge 4.2’deki C6H 14 izomerlerini örnek olarak ele alalım. Heksan 68,7°C’da kaynar. Birer dalı olan 2-metil ve 3-metilpentanlar daha düşük sıcaklıkta, sırasıyla 60,3"C ve 63,3‘’C ’da kaynarlar. 2,3-Dimetilbütan ve 2,2-dimetilbütanın her biri iki dala sahiptir ve daha düşük sıcaklıklarda kaynarlar (sırasıyla 58°C ve 49,7°C). Bu etki, Altbölüm 2.14’te öğrenmiş olduğumuz van der Waals kuvvetleri ile açıkla nabilir. Dallanmamış alkanların molekül kütlelerinin artması ile molekül boyutları ve daha da önemlisi molekül yüzey alanları artar. Artan yüzey alanı ile moleküller arasın-

P ro b l e m 4.9

147

148


Şekil 4.3 Dallanmamış alkanların (kırmızı çizgi üzerinde) ve sikloalkanların (beyaz çizgi üzerinde) kaynama noktaları.

Karbon atomlan sayısı

Zincir dallanması ve moleküller arası kuvvetler

daki van der Waals kuvvetleri de artar. Bu nedenle molekülleri birbirinden ayırmak ve kaynamayı sağlamak için daha fazla enerji (daha yüksek sıcaklık) gereklidir. Zincir dal lanması, diğer taraftan, molekülü daha sıkı yapar, yüzey alanını küçülterek kendisi ve komşu moleküller arasındaki van der Waals kuvvetlerini azaltır; bunun sonucunda da kaynama noktası düşer.

Erime Noktaları Dallanmamış alkanlarda molekül kütlelerinin artışı ile gözlenen düzenli kaynama noktası artışı, erime noktaları için gözlenmez (Şekil 4.4‘te mavi çiz gi). Çift karbonlu bir dallanmamış alkandan tek karbonlu bir sonrakine ilerledikçe bir değişim gözlenmektedir. Örneğin, propan (en -188"C) etandan (en -183"C) ve hatta me tandan bile (-182°C) daha düşük sıcaklıkta erir. Bütan (en -138”C) propandan 50°C da ha yüksek , pentandan (en -130"C) ise sadece 8l’C daha düşük sıcaklıkta erir. Ancak çift ve tek sayılı alkanların erime noktaları, eğriler üzerinde grafiğe alınırsa (Şekil 4.4, be yaz ve kırmızı çizgiler) artan molekül kütleleri ile erime noktalarında düzenli bir artış olduğu görülür. Molekül yapısı hakkında bilgi veren X-ışını kırınım çalışmaları gözlenen bu anor malliğin sebebini meydana çıkarmıştır. Çift sayıda karbon atomu olan zincirler kristal halinde birbirine daha yakın olabilmektedirler. Sonuç olarak, zincirler arasındaki çekim ler daha güçlüdür ve erime noktaları da daha yüksektir. Zincir dallanmasının alkanların erime noktalarına etkisini tahmin etmek daha zor dur. Ancak genelde, çok simetrik yapıların meydana gelmesine sebep olan dallanmalar sonucunda erime noktaları da anormal derecede yüksektir. Örneğin 2,2,3,3-tetrametilbütan bileşiği 100,7°C’da erir. Kaynama noktası ise sadece altı derece daha yüksektir (106,3°C). Şekil 4.4 Dallanmamış alkanların erime noktaları.

Karbon atomlan sayısı

4.8 Sigma Bağlan ve Bağlar Etrafmda Dönme

149

CH3 CH, I

c h 3— ç —

I

c — ch3

ch3 ch3

2,2,3,3-Tetrametilbütan

Sikloalkanlar, karşılık gelen açık zincirli olanlardan daha yüksek erime noktalarına sahiptir (Çizelge 4.5). Yoğunluk Alkanlar ve sikloalkanlar organik bileşikler arasında yoğunluğu en az olan bileşik sınıflarıdır. Tüm alkanlar ve sikloalkanların yoğunlukları 1,00 g mL” in (suyun 4"C’daki yoğunluğunun) oldukça altındadır. Bu nedenle petrol (alkanlarca zengin hid rokarbon karışımı) su üzerinde yüzer. Ç özünürlük Çok düşük polarlıklarından ve hidrojen bağı yapma yeteneklerinin ol mayışından dolayı alkanlar ve sikloalkanlar neredeyse suda hiç çözünmezler. Sıvı al kanlar ve sikloalkanlar birbirlerinde ve genellikle düşük polarlıktaki çözücülerde çözünürler. Bunların iyi çözündükleri çözücüler benzen, karbon tetraklorür, kloroform ve diğer hidrokarbonlardır.

4 .8

S İG M A B A Ğ L A R I VE B A Ğ L A R E T R A F I N D A D Ö N M E

Sadece sigma bağına (yani birli bağa) sahip gruplarda bu bağ etrafında dönmeler var dır. Sigma bağı etrafında grupların dönmesinden meydana gelen geçici molekül şekil lerine molekülün konformasyonları denir. Grupların sigma bağı etrafmda dönmeleri sonucu molekülün uğradığı enerji değişiminin analizine ise konformasyon analizi adı verilir. Örnek olarak etan molekülünü ele alalım. CH3 gruplarının sigma bağı etrafında dön melerinden kaynaklanan sonsuz sayıda konformasyon un meydana geleceği açıktır. An cak bu farklı konformasyonlann hepsi eş enerjili değildir. Moleküle bir ucundan, karbon-karbon bağı ekseni boyunca, bakıldığında her bir karbona bağlı hidrojenlerin ta mamen çapraz (zikzaklı) oldukları konformasyon en kararlı olanıdır (yani bu, en düşük potansiyel enerjili konformasyondur). Bu sonuç, bağ elektron çiftlerinin birbirlerini it meleri ile kolayca açıklanmaktadır. Çapraz konformasyon altı tane karbon-hidrojen ba ğının elektron çiftlerine, birbirinden mümkün olan en uzak kalma imkanını sağlamaktadır ve bu nedenle en düşük enerjilidir.

Çizelge 4.5 Sikloalkanların Fiziksel Sabitleri

Karbon Atomlarının 3 4 5 6 7 8

Adı

kn (°C) (1 atm)

en (°C)

Siklopropan Siklobütan Siklopentan Sikloheksan Sikloheptan Siklooktan

-33 13 49 81 118,5 149

-126,6 -90 -94 6,5 -12 13,5

Yoğunluk d20 (g mL-*) — —

0,751 0,779 0,811 0,834

Kırma İndisi (ng>) —

1,4260 1,4064 1,4266 1,4449 —

Konformasyon Analizi.

150

Bölüm 4 / Alkaıılar: Adlandırma, Konformasyon Analizi ve Sentezlere Giriş

Şekil 4.5 (a) Etanın çapraz konfornıasyonu. (b) Çapraz konformasyon için Newman izdüşüm formülü.

ıı

(a)

(b)

Şekil 4.5’te etan için bir Newman izdüşüm formülü çizilmiştir. Newman izdüşüm formülünü çizerken, molekülü bir ucundan, doğrudan karbon-karbon bağ ekseni boyun ca gözlediğimizi düşünürüz. Öndeki karbon atomunun bağları şeklinde, arkadaki karbon bağlan ise olarak gösterilir. Korfonnasyonları göstermekte kullanılan bir başka formül türü ise testere dişi for mülleridir.

Newman izdüşüm formülü

Melvin S. Newman.

Newman izdüşümleri ve testere dişi formüller.

Etanın konformasyon analizi.

Testere dişi formül

Bu formül, konfornıasyonu Şekil 4.5’te görüldüğü gibi gösterir. Daha net görünüş için bağların sonundaki hidrojenler yazılmamıştır. Etanın en az kararlı konfornıasyonu çakışık (karartılmış) konformasyondur (Şe kil 4.6). Çakışık konformasyonda, moleküle bir uçtan, karbon-karbon bağı ekseni boyun ca bakıldığında, her bir karbon atomuna bağlı hidrojen atonıalannın birbiriyle karşı karşıya gelecek şekilde yönlenmiş olduğu görülür (üst üste gelmiş durumda gözlenir). Bu konformasyonda altı karbon-hidrojen bağının elektronları arasındaki itme kuvvetle ri en fazladır. Bu nedenle bu konformasyon en yüksek enerjili ve en az kararlı konfor masyondur. Bu durumu grafikte, etan molekülünün enerjisini karbon-karbon bağı etrafında dön menin bir fonksiyonu şeklinde çizerek gösteririz. Meydana gelen enerji değişimleri Şe kil 4.7’de gösterilmiştir. Etanın çapraz ve çakışık konformasyonları arasındaki enerji farkı 12 kj moH’dir. Birli bağlarda dönmeyi engelleyici bu küçük engele burulma engeli denir. Sıcaklık çok düşük (-250"C) olmadığı sürece (verilen herhangi bir anda ) etan moleküllerinin çoğun luğu bu engeli aşabilecek kadar yeterli enerjiye sahip olacaktır. Bazı moleküller çapraz

Şekil 4.6 (a) Etanın çakışık konformasyonu. (b) Çakışık konformasyon için Newman izdüşüm formülü.

HH

fi il

(a)

(b)

H

4.9 Bütanın Konfomıasyon Analizi

151

Şekil 4.7 Etanın karbon-karbon bağı etrafındaki grupların dönmesine eşlik eden potansiyel enerji değişimleri.

J. H. van’t Hoff.

ve çapraza yakın konformasyonlar arasında gidip geleceklerdir. Ancak daha enerjili olan lar, çakışık konfomıasyon üzerinden diğer çapraz konformasyona geçeceklerdir. Etan için tüm bunlar ne anlama gelir? Bu soruyu iki şekilde cevaplayabiliriz. Eğer, örneğin bir tek etan molekülünü ele alırsak, bu molekülün, zamanının çoğunu en dü şük enerjili çapraz veya çapraza çok yakın bir konformasyonda geçireceğini söyleyebi liriz. Ancak her saniyede diğer moleküllerle birçok defa çarpışarak burulma engelini aşacak enerjiye sahip olacağı için çakışık konfomıasyon üzerinden çapraz konformas yona geçişler gerçekleşecektir. Çok sayıda etan molekülü için bunu düşünürsek (daha gerçekçi bir durum) herhangi bir anda moleküllerin pek çoğunun çapraz veya çapraza yakın konfromasyonalarda bulunacaklarını söyleyebiliriz. GCH2CH2G (G hidrojenden farklı bir atom veya bir grup) gibi slibstitüe etanlarda dönmeye karşı olan engeller çok daha fazla olmasına karşın, oda sıcaklığının altındaki sıcaklıklar bile farklı çapraz konformasyonları veya konforınerleri ayırmak (izole et mek) için yeterli değildir. G

G

G

H

Çok düşük sıcaklıklar dışında bu konformerler izole edilemez

4 .9

B Ü T A N IN K O N FO R M A SY O N A N A LİZ İ

Stereokimya, moleküllerin üç boyutlu yapılarıyla ilgilenen bilim dalıdır. Bölüm 1’den itibaren moleküllerin şekillerini (biçimlerini) dikkate aldığımız için stereokimya hak kında da buraya kadar oldukça bilgimiz oldu. Bu bölümde sikloalkanların ve alkanlarm konformasyonlarını ayrıntılı şekilde inceleyerek konumuza başlıyoruz. Takip eden bö lümlerde bu moleküllerin tepkimelerini stereokimyasıyla inceleyeceğiz. Bölüm 5'te mo lekülün şekline bağlı olarak ortaya çıkan özelliklerini, "el secililik" veya kiralliğini

Moleküllerin bazı konformasyonlarının yeğlendikle ri fikri van’t Hoff’un bir çalışmasında öne sürül müştür. van’t Hoff, kimya sal kinetik alanındaki bu çalışmalarından dolayı ilk Nobel Kimya ödülünü (1901) alan kişidir.

Propanın konfomıasyon analizi

152


incelerken stereokimyanın temel kurallarını da göreceğiz. Şimdi basit bir molekül olan bütanla başlayarak konformasyonlanm ve bu konformasyonlara karşılık olan bağıl ener jilerini inceleyelim. 4.9A Bütanın Konfo rma sy on An alizi Bir molekülde grupların birli bağlar etrafında dönmeleri sırasında meydana gelen ener ji değişimlerini incelemeye konformasyon analizi denir. Altbölüm 4.8’de etan için böy le bir incelemenin sonuçlarını gördük. Etanda karbon-karbon bağı etrafında dönmeyi engelleyici enerji miktarı (12 kJ mol-1) oldukça küçüktür. Bu engel, dönme sonucu hid rojen atomlarının çakışık duruma gelmeleri ile etan molekülünün potansiyel enerjisinin en fazla olmasına yol açar. Etanın serbest dönme engeli molekülün çakışık konformasyonunun burulma gerginliğinden kaynaklanır. Bütanın C2-C3 bağındaki dönmeyi ele alırsak burada da burulma gerginliğinin ol duğunu görürüz. Ancak ek etkenler de vardır. Bunların neler olduğunu görmemiz için bütanın I'den IV e kadar olan önemli konformasyonlanm incelememiz gerekir.

-GH, 'H ch3

I Anti konformasyon

Bütanın farklı konformasyonlarının bağıl potan siyel enerjilerini tartışmak için molekül modellerini yapmalısınız. < -# S * Bütan

konformasyon

konformasyon

konformasyon

konformasyon

VI Çakışık konformasyon

Anti konformasyon (I), gruplar çapraz durumda ve metil grupları birbirinden uzak ta olduğu için burulma gerginliğine sahip değildir. Bu nedenle anti konformasyon en kararlıdır. Ç arpık konforınasyonlarda (III ve V) metil grupları birbirine yeterince ya kındır ve aralarında van der Waals itme kuvvetleri vardır; iki grubun elektron bulutları o kadar yakındır ki, birbirlerini iterler. Bu itmeler çarpık konformasyonun anti konformasyondan yaklaşık 3.8 kJ mol-1 daha fazla enerjiye sahip olmasına sebep olur. Potansiyel enerji diyagramında maksimum noktalar çakışık kon formasyonları (II, IV, ve VI) temsil eder (Şekil 4.8). II ve VI çakışık konfonnasyonlarında sadece burulma gerginliği olmakla kalmayıp ek olarak, çakışık olan metil ve hidrojen atomlarından kay naklanan van der Waals itmeleri de vardır. Çakışık konformasyon IV en fazla enerjiye sahiptir çünkü, burulma gerginliğine ek olarak, çakışık metil grupları arasında büyük van der Waals itme kuvvetleri de vardır. Bütan molekülünde dönmeye karşı olan engeller etan moleküliindekinden daha bü yük olmasına rağmen yine de oda sıcaklığında anti ve çarpık konformasyonları izole etmemize izin verecek büyüklükte değildir. Sadece aşırı düşük sıcaklıklarda bu engel leri aşabilecek enerjiye sahip olmayabilirler. Daha önce van der Waals kuvvetlerinin çekme kuvvetleri olabileceklerini gördük. Burada bu kuvvetlerin itme kuvvetleri de olabileceklerini görüyoruz. Van der Waals kuvvetlerinin çekme veya ilmeye sebep olmasını belirleyen, iki grup arasındaki mesafedir. Polar olmayan iki grubun birbirine yaklaşmaları sırasında gruplardan birindeki, anlık simetrik olmayan elektron dağılımı diğer grupta zıt polarlanmayı indükler. İki grubun bu kısımlarındaki zıt yükler, bunlar arasındaki çekimi sağlar. Bu çekim iki grubun çekirdekleri arasındaki mesafenin azalması ile maksimuma

4.10 Sikloalkanların Bağıl Kararlılıkları: Halka Gerginliği

Şekil 4.8

153

Bütanın

C2-C3 bağı etrafındaki

dönmeden kaynaklanan enerji değişimleri.

Dönme

kadar artar. Çekim kuvvetlerinin maksimum olduğu çekirdekler arası mesafe, iki grubun yarıçaplarının toplamına eşittir. Bu yarıçaplara van der Waals yarıçapları denir. Bir grubun van der Waals yarıçapı gerçekte onun büyüklüğünün bir ölçüsüdür. Eğer iki grup birbirine van der Waals yarıçaplarının toplamından daha yakın mesafeye yaklaştırılırlarsa bunlar arasındaki etkileşim itme şeklinde gerçek leşir. Bunların elektron bulutları birbirlerine nüfuz etmeye ve kuvvetli elektron elektron etkileşimleri meydana gelmeye başlar.

2-Metilbütanın C2-C3 bağındaki dönmeden kaynaklanan enerji değişimlerini gös- ^ teren, Şekil 4.8'dekine benzer bir eğri çiziniz. Enerji değişimlerinin gerçek sayısal değerleri ile ilgilenmeniz gerekmez, ancak tüm maksimum ve minimumlara karşılık gelen uygun konformasyonları yazınız.

4 .1 0

S İK L O A L K A N L A R IN B A Ğ IL KARARLILIKLARI: H a l k a G e r g în lîğ İ

Sikloalkanların hepsi aynı bağıl kararlılığa sahip değildir. Yanma ısılarından elde edi len veriler (Altbölüm 4.10A) göstermektedir ki, sikloheksan en kararlı sikloalkandır, siklopropan ve siklobütan ise çok daha az kararlıdır. Siklopropan ve siklobütanın bağıl kararsızlıkları, onların halkalı yapılarının bir sonucudur ve bu nedenle bu halkaların hal ka gerginliğine sahip oldukları söylenir. Deneysel olarak bunu nasıl gösterebileceğimi zi görmek için sikloalkanların bağıl yanma ısılarını incelememiz gerekir. 4 . I 0 A Y a n m a Isıları Bir bileşiğin yanm a ısısı, bileşiğin tam yükseltgenmesi için olan entalpi değişimidir. Bir hidrokarbon için tam yiikseltgenme, onu karbon dioksit ve suya dönüştürmek an lamına gelir. Bu, deneysel olarak gerçekleştirilebilir ve ortaya çıkan ısının miktarı ka-

P ro bl em 4 . 10

154


Şekil 4.9

Yanma ısıları, izobütanın bütandan 9 k j mol'1daha kararlı olduğunu göstermektedir.

CH,CH2CH2CH, + 6 TO;

CH

AH° = -2877 kJ mol"1 AH° = -2868 kJ mol“ 1

A11°

4 CO, + 5 H20

lorimetre denen bir cihazla ölçülebilir. Örneğin, metan için yanma ısısı -803 kJ mol ' dir. CH4 + 2 0 , ----►C02 + 2 H20 AH° = - 803 kJ mol“1 İzomerik hidrokarbonların her birinin 1 molüniin tam yanması için aynı miktarda ok sijene gerek olacaktır ve aynı mol sayısında karbon dioksit ve su meydana gelecektir. Bu nedenle yanma ısılarından yararlanarak izomerlerin bağıl kararlılıklarını bulabiliriz. Örnek olarak bütan ve izobütanın yanmalarını ele alalım: CH3CH2CH2CH3 +

0 2 ----►4 C02 + 5 H20

AH0 - -2877 kJ mol"1

+ 6l 0 : ----►4 C02 + 5 H20

AH° = -2868 kJ mol"1

(C4H10)

CH3CHCH3 CH3 (C4H10)

Bütanın yanmasında izobütanın yanmasına göre daha fazla ısı açığa çıktığından, bütan daha fazla potansiyel enerji içermelidir. Bu yüzden izobütan daha kararlı olmalıdır. Şekil 4.9 bu karşılaştırmayı göstermektedir. 4 . I 0 B Sikloalkanların Y a n m a Isıları Sikloalkanlar bir homolog seri oluştururlar. Serinin her üyesi kendinden hemen önce ge len üyeden sabit bir-C H 2- grubu kadar farklıdır. Böylece bir sikloalkanın yanması için genel bir eşitlik aşağıdaki gibi yazılabilir. (CH2)„ + \n 0 2---- ►n CO + n H20 + ısı Sikloalkanların izomer olmayışları nedeniyle bunların yanma ısıları doğrudan karşılaş tırılamaz ancak açığa çıkan ısının CH2 grubu başına düşen miktarını hesaplayabiliriz. Böylece sikloalkanların kararlılıkları doğrudan karşılaştırılabilir. Böyle bir araştırmanın sonuçları Çizelge 4.6’da verilmiştir. Bu sonuçların incelenmesinden birkaç gözlem ortaya çıkmaktadır. 1. Sikloheksan. CH2 grubu başına en düşük yanma ısısına (658,7 kJ mol ') sahiptir. Bu miktar, halkalı olmayan, dolayısıyla halka gerginliğine sahip olmayan dallanmamış alkanlardakinden farklı değildir. Bu nedenle sikloheksanın bir halka gerginliğine

4.11 Siklopropan ve Siklobütandaki Halka Gerginliğinin Kaynağı: Açı ve Burulma Gerginliği Çizelge 4.6 Sikloalkanların Yanma Isıları ve Halka Gerginlikleri

Sikloalkan (CH2)„

Siklopropan Siklobütan Siklopentan Sikloheksan Sikloheptan Siklooktan Siklononan Siklodekan Siklopentadekan Dallanmamış alkan

Yanma Isısı (kJ moH)

n

2091 2744 3320 3952 4637 5310 5981 6636 9885

3 4 5 6 7 8 9 10 15

CH2 Grubu Başına Yanma Isısı (kJ moH)

Halka Gerginliği (kJ mol-1)

697,0 686.0 664,0 658,7 662.4 663.8 664.6 663,6 659,0 658,6

115 109 27 0 27 42 54 50 6 —

sahip olmadığını kabul edebiliriz ve diğer sikloalkanları karşılaştırmada standart ola rak alabiliriz. Diğer sikloalkanların halka gerginliklerini (Çizelge 4.6), 658,7 kJ mol"1 ile n'yi çarparak elde ettiğimiz sonucu sikloalkanın yanma ısısından çıkararak he saplayabiliriz. 2. Siklopropamn yanmasında CH2 grubu başına açığa çıkan ısı miktarı en fazladır. Bu nedenle siklopropan molekülleri en büyük halka gerginliğine (115 kJ mol ', Çizelge 4.6) sahip olmalıdır. Siklopropan molekülünün yanmasında CH2 grubu başına en fazla ısı enerjisi açığa çıktığından CH2 grubu başına en fazla potansiyel enerjiyi sik lopropan içerir. Sonuç olarak halka gerginliği, halkalı moleküllerin içerdikleri potansiyel enerji miktarına bağlıdır. Bir molekül ne kadar fazla halka gerginliğine sahipse potansiyel enerjisi o kadar fazladır ve halkalı homologları ile karşılaştırıldığında daha az kararlıdır. 3. Siklobütan yandığında bir CH2 grubu için açığa çıkan enerji miktarının homolog seri bileşiklerinde ikinci sırada olduğu görülür. Bunun sonucu olarak siklobütan hal ka gerginliği büyüklüğü açısından ikinci sıradadır (109 kJ mol '). 4. Diğer sikloalkanlar da değişen oranlarda halka gerginliğine sahiptir, ancak bağıl mik tarlar fazla değildir. Siklopentan ve sikloheptan aynı oranda, orta miktarda halka gerginliğine sahiptir. 8, 9, 10 üyeli halkalar biraz daha büyük miktarda halka ger ginliği gösterirler. 15 üyeli bir halka çok az miktarda halka gerginliğine sahiptir.

4.1 I

S İK L O P R O P A N VE S İ K L O B Ü T A N D A K İ H A L K A G ER G İN LİĞ İN İN K A YN A Ğ I: A çı v e B u r u l m a G e r g î n l î ğ İ

Alkanlardaki karbon atomları sp3melezleşmiştir. sp3Melezleşme yapmış bir atomun nor mal düzgün dörtyüzlü bağ açısı 109,5°dir. Siklopropanda (eşkenar üçgen şeklinde bir molekül) iç açılar 60° olmalıdır ve bu yüzden ideal açıdan çok büyük ölçüde (49,5°) sap maları gerekir. HH ■t

H

H

155

156


Şekil 4.10 (a) Siklopropanda karbon kar bon bağları arasındaki baş başa orbital örtüşmesi tam olarak gerçekleşmez. Bunun sonucu olarak daha zayıf, “eğilmiş” bağlar ve açı gerginliği ortaya çıkar, (b) Siklopropanda bağ uzunlukları ve bağ açıları, (c) Newman izdüşüm formülünde bir karbon-karbon bağı boyunca bakıldığında çakışık hidrojenler görülebilir. (Diğer iki bağ boyunca bakıldığında aynı görüntü gözlenir.)

H H

H CH-

(O

(b)

İç bağ açılarının bu şekilde sıkıştırılması açı gerginliğine sebep olur. Siklopropan halkasının açı gerginliği sp* melez orbitallerinin alkanlarda olduğu kadar (alkanlarda başbaşa örtüşnıe tam gerçekleşir) etkin örtüşememelerinden kaynaklanmaktadır (Şekil 4.10a). Siklopropanın karbon-karbon bağları çoğu zaman "eğik" oldukları şeklinde ta nımlanırlar. Orbital örtüşmesi daha az etkindir. (Bu bağlarda kullanılan orbitaller saf sp' değildir, p karakterleri daha fazladır). Siklopropanın karbon-karbon bağları zayıftır ve sonuç olarak molekülün potansiyel enerjisi yüksektir. Siklopropanın halka gerginliğinin en büyük sebebi açı gerginliği olmakla beraber, başka nedenleri de vardır. Halka düzlemsel olduğu için (ki bu bir zorunluluk) hidrojen atomları çakışıktır (Şekil 4A0h,c) ve molekül, burulma gerginliğine de sahiptir. Sikloblitan da önemli ölçüde açı gerginliğine sahiptir. İç açılar 88°’dir ve normal düzgün dörtyüzlü bağ açısından 21° kadar bir sapma vardır. Siklobiitan halkası düzlem sel değil hafifçe "katlanmış"tır (Şekil 4.11 a). Siklobütan düzlemsel olsaydı açı gergin liği biraz daha az olacaktı (iç açılar 88° yerine 90° olacaktı), ancak bu kez, burulma gerginliği, sekiz hidrojenin tamamının çakışık durumda olmaları nedeniyle çok daha fazla olacaktı. Siklobütan halkası hafifçe katlandığında veya eğildiğinde açı gerginliği nin artışından daha fazla burulma gerginliği kaybı olacaktır. 4. II A Siklopentan Düzgün beşgenin iç açıları 108°’dir ki, bu değer normal düzgün dört yüzlü bağ açısı olan 109,5°’ye çok yakındır. Bu nedenle siklopentan molekülleri düzlemsel olsalardı çok az açı gerginliğine sahip olacaklardı. Ancak düzlemsellik 10 hidrojen atomunun çaH

Şekil 4.1 I (a) Siklobütanın “katlanmış” veya “bükülmüş” konformasyonları. (b) Siklopentanın “bükülmüş” veya “za rf’ konformasyonu. Bu yapıda ön taraftaki karbon yukarıya doğru bükülmüştür. Gerçekte molekül esneyebilir ve konfor masyon sürekli değişir.

U

H

H

(a)

(b)

4.12 Sikloheksanm Konformasyonları

157

Şekil 4.12 Sikloheksanm sandalye konformasyonunun gösterimleri, (a) sadece karbon iskeleti; (b) karbon ve hidrojen atomları; (c) çizgisel çizim; (d) sikloheksanm uzay doldurma mo deli. İki tür hidrojen sübstitüentinin olduğuna dikkat ediniz - açıkça yu karı ve aşağı doğru yönlenmiş olan lar (kırmızı ile gösterilmiş) ve halka çevresinde aşağı yukarı olarak yön lenmeleri daha zor tanımlanabilenler (gri veya siyah ile gösterilmiş). Bunu daha sonra Altbölüm 4.13’te tartı şacağız.

(c)

(d)

kışık konformasyonda olmasını sağlayacağından önemli ölçüde burulma gerginliği ar tışına sebep olacaktır. Bunun sonucunda, siklopentan da siklobütan gibi hafifçe bükül müş bir konformasyonu benimser ki burada halka atomlarından biri veya ikisi diğerlerinin bulunduğu düzlemin dışında kalır (Şekil 4.11 b). Bu, burulma gerginliğinin bir kısmını azaltır. Karbon-karbon bağları fazla bir enerji değişikliği olmadan hafifçe Bir molekül modelinin kul burkulabilir ve düzlem dışı atomların düzlem içine, diğerlerinin ise dışarı hareket etme lanılması, bunun anlaşıl lerine sebep olur. Bu nedenle molekül esnektir ve bir konformasyondan diğerine hızlı masına ve sonraki ca geçer. Küçük bir açı ve burulma gerginliğine sahip olan siklopentan neredeyse konformasyon analizleri üzerindeki tartışmalara ol sikloheksan kadar kararlıdır.

4 .1 2

S İ K L O H E K S A N İN K O N F O R M A S Y O N L A R I

dukça fazla yardımcı ola bilir. Altbölümler 4.12-4.14’ü okurken mo dellerle “sonuna kadar ta kip etmenizi” öneririz.

Sikloheksan halkasının en kararlı konformasyonunun Şekil 4 .12'de gösterilen "sandal ye" konformasyonu olduğu yönünde önemli kanıtlar vardır. Düzlemsel olmayan bu ya pıda karbon-karbon bağ açılarının tümü 109,5°’dir ve açı gerginliği yoktur. Herhangi bir karbon-karbon bağı boyunca (Şekil 4.13) bakıldığında atomların tamamen çapraz şe kilde yer aldığı görülür. Bu yapıda sikloheksan halkasının karşıt köşelerinde bulunan hidrojen atomları birbirinden maksimum uzaklıktadır. Sikloheksanm sandalye konformasyonu

Şekil 4.13 (a) Sikloheksanm sandalye konformasyonunun Newman izdüşümü. (Gerçek model ile karşılaştırmalar yapıldığında bu formüllendirmenin daha anlaşılır olduğu görülür ve benzer çapraz düzenlemeler, başka karbon-karbon bağlarının seçilmesi duru munda da gözlenmektedir, (b) Halka sandalye konformasyonunda olduğunda karşıt köşelerdeki hidrojen atomlarının (C1 ve C4 ile gösterilen) arasındaki mesafenin büyük oluşunun açıklaması.

158


Şekil 4.14 (a) Sikloheksanın kayık konformasyonu, sandalye konformasyonuna bir ucundan üstten (veya alttan) fiske vurarak (devirerek) elde edilir. Bu devrilme yalnızca karbonkarbon bağları etrafında bir dön menin olmasını gerektirir, (b) Kayık konformasyonunun top ve çubuk modeli, (c) uzay doldurma modeli.

H

H

f*\

H

H r f \ ! H ı/ __ H / H ^ f-H H

H

H

k i H

û 1 1 11 /

-

\

M H

H

(a)

Sikloheksanın sandalye ve kayık yapılarının molekül modellerini yaptığınızda bu iki yapı arasındaki farklılığı daha iyi anlaya caksınız.

Halkanın karbon-karbon birli bağlarındaki kısmî dönmeler sonucu sandalye konfortnasyonu, "kayık" konformasyonu denen bir başka şekil alabilir (Şekil 4.14). Kayık konformasyonu da aynen sandalye konformasyonu gibi açı gerginliğine sahip değildir. Bununla beraber, kayık konformasyonunda burulma gerginliği vardır. Kayık konformasyonunda herhangi bir uçtan karbon-karbon bağı eksenleri boyunca (Şekil 4.15a) bakıldığında bu karbon atomlarındaki hidrojenlerin çakışık oldukları görülür. Buna ek olarak C1 ve C4’teki iki hidrojen atomu birbirine o kadar yakındır ki aralarında var der Waals itmeleri meydana gelir (Şekil 4.15/?). Bu son etkiye kayık konformasyonunun "bay rak direği" etkileşimi denir. Burulma gerginliği ve bayrak direği etkileşimleri kayık kon formasyonunun sandalye konformasyonundan daha yüksek enerjili olmasına yol açar. Daha kararlı olmasına rağmen sandalye konformasyonu kayık konformasyonundan daha az esnektir. Kayık konformasyonu oldukça esnektir. Kayık konformasyonu yeni bir şekle esneyerek —burkulmuş kayık konformasyonu (Şekil 4.16)— burulma enerji sinin bir kısmını bırakır; aynı anda bayrak direği etkileşimleri de azalır. Bunun sonucu olarak burkulmuş kayık konformasyonu kayık konformasyonundan daha düşük encrji-

Şekil 4.15 (a) Sikloheksanın kayık konformasyonuna ait çakışık konfor masyonunun gösterimi, (b) Kayık konformasyonunda C1 ve C4 hidro jen atomları arasındaki bayrak direği etkileşmesi.

CH2

(b)

(a)

Şekil 4.16 (a) Karbon iskeleti ve (b) Sikloheksanın burkulmuş konformasyonunun çizgisel çizimi.

(b)

4.12 Sikloheksamn Konformasyonları

Şekil 4.17 Sikloheksamn çeşitli konformasyonlarımn bağıl enerjileri. Maksimum enirjili konumlar yarı san dalye konformasyonlarına karşılıktır. Bu konformasyonda halkanın bir ucundaki karbon atomları aynı düzlemdedir.

Yarı sandalye

Sandalye

Yarı sandalye

Burkulmuş Kayık

Kayık

Burkulmuş kayık

Yarı sandalye

159

Sandalye

lidir. Esneyerek kazanılan bu kararlılık burkulmuş konformasyonun sandalye konformasyonundan daha kararlı olması için yeterli değildir. Sandalye konformasyonunun bur kulmuş yapıdan yaklaşık 21 kJ m ol1daha düşük enerjili olduğu hesaplanmıştır. Sikloheksamn sandalye, kayık ve burkulmuş konformasyonları arasındaki enerji en gelleri yeterince düşük (Şekil 4.17) olduğu için bu konformasyonların oda sıcaklığında ayrılmaları imkansızdır. Oda sıcaklığındaki moleküllerin ısı enerjileri her bir saniyede 1 milyon birbirine dönüşüme yol açabilecek kadar büyüktür. S a n d a ly e k o n fo rm a sy o n u n ııtı d a h a k a ra rlı o lm a sın d a n d o la y ı h e rh a n g i b ir a n d a , m o le k ü lle rin % 99 u n d a n d a h a f a z la s ın ın sa n d a ly e k o n fo rn ıa sy o n u n d a o ld u ğ u h esa p la n m ıştır.

Sikloheksan konformasyonlarının birbirine dönü şümü

“Konformasyon kimyası ilkelerinin geliştirilmesi ve uygulanması çalışmalarıyla Derek H. R. Barton (19181998, Texas A&M Üniversitesi Kimya Profesörü) ve Odd Hassel (1897-1981, Oslo Üniversitesi Fizik Kimya Kürsü Başkanı) 1969 yılında Nobel ödülünü paylaştılar. Onların çalışmaları sadece sikloheksamn konformasyonlarımn değil bu halkayı içeren steroitler (Aitbölüm 23.4) ve diğer bileşiklerin yapılarının da daha iyi anlaşılasına yol açmıştır.

Derek Barton.

Odd Hassel.

160


4 . l 2 A D a h a B ü y ü k S i k lo a lk a r ı la r ın K o n f o r m a s y o n l a r ı Sikloheptan, siklooktan, siklononan ve daha büyük sikloalkanlar da düzlemsel olmayan konformasyonlarda bulunurlar. Bu büyük sikloalkanların küçük kararsızlıkları (Çizelge 4.6 s. 156) muhtemelen, transanular gerginlik denen, halkada karşılıklı bulunan hidro jen atomları arasındaki van der Waals itmelerinden ve başlıca da burulma gerginliğin den kaynaklanmaktadır. Bununla beraber, bu halkaların düzlemsel olmayan konformasyonlarında açı gerginliği yoktur. X-ışım kristalografik incelemeler, siklodekanın en karalı konformasyonunda karbonkarbon-karbon bağ açılarının 117" olduğunu göstermiştir. Bu da bir miktar açı gergin liğinin işaretidir. Geniş bağ açıları, moleküllere, genişlemek suretiyle halka etrafındaki hidrojen atomları arasındaki itmeleri en aza indirme imkanı veriyor olabilir. Halka oldukça büyük olmadıkça bir sikloalkanın ortasındaki boşluk çok küçüktür. Örneğin hesaplamalar, siklooktadekanın, içerisinden bir -CH2CH2CH2- zinciri ge çirilebilecek en küçük halka olduğunu göstermektedir. Bununla beraber zincirle re geçirilmiş geniş halkalı moleküller ve bir zincirin halkaları gibi iç içe geçmiş geniş halkalı moleküller (bu moleküllere katenanlar denir) sentezlenmiştir.

Bir katenan (n > 18) 1994 yılında J. F. Stoddart ve arkadaşları (Birmingham Üniversitesi. İngiltere) beş adet içiçe geçmiş halka içeren bir katenanın sentezini başardılar. Halkaların olimpik sembolde olduğu gibi iç içe geçmiş olmasından dolayı bu bileşiğe olimpiadan adını verdiler.

4.13

H

H

Şekil 4.18 Sikloheksanın sandalye konformasyonu. Aksiyal hidrojen atomları renkli gösterilmiştir.

S Ü B S T İ T Ü E S İ K L O H E K S A N L A R : A K S İ Y A L VE E K V A T O R Y A L H İD R O JEN A T O M L A R I

Altı üyeli halka doğada bulunan organik moleküller arasında en sık karşılaşılan halka dır. Bu nedenle bu halkaya özel bir yer ayıracağız. Sikloheksanın sandalye konformasyonunun en kararlı olduğunu ve bir sikloheksan örneğinde moleküllerin baskın konformasyonu olduğunu daha önce gördük. Bunu göz önünde tutarak sübstitüe sikloheksanların konformasyonlarının sınırlı analizini yapabilecek durumdayız. Eğer siklo-heksanın sandalye konformasyonuna dikkatlice bakarsak (Şekil 4.8 ) sadece iki farklı tür hidrojen atomu olduğunu görebiliriz. Halkada bulunan altı karbon atomunun her bi rine bağlı hidrojen atomlarından birisi karbon atomlarının oluşturduğu halkanın çevre sinde (yaklaşık aynı düzlemde) yer alır. Bu hidrojen atomlarına, yönlenişlerini yer kürenin ekvatoruna benzeterek, ekvatoryal hidrojen atomları denir. Her bir karbon atomunda bulunan diğer hidrojen atomları halkanın ortalama düzlemine dik olarak yönlenmiştir. Bu hidrojen atomlarına, yine yer küreyle ilişkilendirerek, aksiyal hidrojen atomları de nir. Sikloheksan halkasının her bir tarafında üçer aksiyal hidrojen atomu vardır, ve yön lenmeleri bir karbon atomundan diğerine ilerledikçe aşağı ve yukarı değişir. Altbölüm 4.12’de (Şekil 4.17) oda sıcaklığında sikloheksan halkasının iki eşdeğer sandalye konformasyonu arasında sürekli devrildiğini (takla attığını) gördük. H a lk a la rın d e v r ilm e s i sır a sın d a dikkat etmemiz gereken önemli nokta d a h a ö n ce a k s iy a l o la n b iitü n b a ğ la rın e k v a to ry a l, e k v a to r y a l olan b ü tü n b a ğ la rın da a k siy a la d ö n ü ştü ğ ü d ü r.

4.13 Sübstitüe Sikloheksanlar: Aksiyal ve Ekvatoryal Hidrojen Atomları

Aksiyal bağ yukarı Bu köşe vukan

Halkanın bu köşesi aşağı Aksiyal bağ aşağı (b)

Şekil 4.19 (a) Sandalye konformasyonunun halkasını ve ekvatoryal C-H bağlarını oluşturan paralel çizgiler, (b) Aksiyal bağların tümü düşeydir. Halka köşesi yukarıya yön lenmiş olduğunda aksiyal bağ da yukarı doğru, köşe aşağıya yönlenmişse bağ da aşağıya doğrudur.

161

Baskın olan sandalye kon formasyonunun nasıl çizi leceğini öğrenmiş bulunuyorsunuz. Ekvator yal bağlar ve halkaya özgü bağlar arasındaki ilişki renkli çizgilerle gösteril miştir (Şekil 4.19a). Ayrıca köşe noktası yukarıya bak tığında aksiyal bağların yukarıya, aşağıya baktığın da ise aksiyal bağın da aşağıya baktığına dikkat ediniz (Şekil 4.196). Sandalye konformasyonuna ait çizimlerinizi gerçek modellerle karşılaş tırınız.

Burada şu soru akla gelebilir: Sikloheksanda hidrojen atomlarının birisinin yerine metil grubu geldiğinde en kararlı konformasyon hangisidir? Başka bir deyişle bir tnonosübstitüe sikloheksanın en kararlı konformasyonu hangisidir? Metil sikloheksan ör neğini ele alarak bu soruya cevap bulabiliriz. Metilsikioheksanın iki olası sandalye konformasyonu vardır (Şekil 4.20«) ve bunlar bağların kısmî dönmeleri sonucu, devrilme ile, birbirlerine dönüşürler. Konformasyonların birinde (Şekil 4.20«) metil grubu aksiyal diğerinde ise ekvatoryal konumdadır. İncelemeler, metil grubunun ekvatoryal konumda bulunduğu konformasyonun, metil grubunun aksiyal konumda bulunduğu konformasyondan 7.6 kJ moH daŞekil 4.20 (a) Metil grubunun aksiyalde (1) ve ekvatoryalde (2) olduğu metilsikioheksanın kon formasyonu (b) İki hidrojen atomu ile metil grubu arasındaki 1,3-diaksival etkileşme, şekilde noktalı oklarla gösterilmiştir. Ekvatoryal konformasyonda daha az kalabalıklaşma vardır.

162


Çizelge 4.7 25°C’da Dengede Bulunan İzomerin İzomer Yüzdeleri ve Serbest Enerji Farkları Arasındaki İlişki Serbest Enerji Farkı, AG° (kJ mol-1) 0 1,7 2,7 3,4 4,0 5,9 7,5 11 17 23

Daha Kararlı İzomer (%) 50 67 75 80 83 91 95 99 99,9 99,99

Daha Az Kararlı İzomer (%) 50 33 25 20 17 9 5 1 0,1 0,01

ha kararlı olduğunu göstermektedir. Bu yüzden denge halindeki karışımda metil grubu nun ekvatoryal konumda bulunduğu konformasyon daha baskındır. Hesaplamalar den ge karışımının % 95’ini bu konformasyonun oluşturduğunu göstermektedir (Çizelge 4.7). Metil grubunu ekvatoryal konumda bulunduran metilsikloheksanın daha kararlı olu şu Şekil 4.20a .b incelenerek anlaşılabilir. İki konformasyonun modelleri ile yapılan inceleme, metil grubunun aksiyal olma sı durumunda, aynı tarafta bulunan iki aksiyal hidrojene (C3 ve C5 atomlarına bağlı) çok yakın olacağını ve van der Waals itme kuvvetleri meydana geleceğini göstermek tedir. Bu tür sterik gerginliğe, 1 ve 3 (veya 5) karbon atomları üzerindeki gruplar ara sındaki etkileşimlerden kaynaklandığından, 1,3-diaksiyal etkileşim denir. Başka sübstitüentler ile yapılan benzer incelemeler, grupların e k v a to r y a l k o n u m d a o ld u k la rın d a a k s iy a l o ld u k la rın d a k i k o n u m a g ö re d a h a a z itm e e tk ile şim le rin e sa h ip o ld u ğ u nu

göstermektedir. Metilsikloheksandaki 1.3-diaksiyal etkileşimden kaynaklanan gerginlik, çarpık bü tandaki metil grupları hidrojenlerinin yakınlığından kaynaklanan gerginlik ile ay nıdır (Altbölüm 4.9 A). Çarpık bütandaki (kolaylık olsun diye çarpık etkileşme denir) bu etkileşimlerin çarpık bütanı anti bütandan 3,8 kJ mol 1daha kararsız kıl dığını hatırlayalım. Aşağıdaki Newman izdüşümleri bu iki etkileşimin aynı oldu ğunu görmemize yardımcı olacaktır. İkinci izdüşümde aksiyal metilsikloheksana C1-C2 bağı boyunca bakıyoruz ve 1.3-diaksiyal etkileşimin basitçe metil grubu nun hidrojen atomları ve C3 deki hidrojen atomları arasındaki çarpık etkileşim ol duğunu görüyoruz.

çarpık-Bütan (3,8 kJ mol“1sterik gerginlik)

Aksiyal metilsikloheksan (iki çarpık etkileşim= 7,6 kJ mol-1 sterik gerginlik)

Ekvatoryal metilsikloheksan

4.14 Disübstitüe Sikloalkanlar: Cis-Trans İzomerisi

163

Şekil 4.21 Büyük fer-bütil grubu aksiyal konumdayken diaksiyal etkileşmenin çok fazla olması, konformasyonun, % 99,99’dan fazla ter-bütil grubunun ekvatoryal konumda olduğu yapıda olmasına yol açar.

Metilsikloheksana C1-C6 bağı boyunca bakıldığında (bunu model üzerinde de neyiniz) metil grubunun hidrojenleri ile C5 hidrojeni arasında ikinci bir çarpık et kileşim görülmektedir. Bu nedenle aksiyal metilsikloheksanın metil grubunun iki çarpık etkileşimi vardır ve 7,6 kJ mol ' gerginliğe sahiptir. Ekvatoryal metilsikloheksanın metil grubu çarpık konformasyonda C3 ve C5’e anti konumda olduğu için çarpık etkileşime sahip değildir.

Metilsikloheksanın 25°C’da aksiyal ve ekvatoryal şekilleri arasındaki 7,6 kJ ^ mol '’lik serbest enerji farkının (ekvatoryal olanı daha kararlı) % 95 ekvatoryal ya pı içeren denge karışımı ile uyum içerisinde olduğunu hesaplayarak gösteriniz. (AG° = - 2,303 RT log &denge eşitliğini kullanın).

1,3-Diaksiyal etkileşimler, hacimli alkil sübstitüenti bulunduran sikloheksan türev lerinde daha da belirgindir. rcr-Bütil grubunu ekvatoryal konumda bulunduran ier-bütilsikloheksan konformasyonun un. aksiyal şeklinden 21 kJ mok1kadar daha kararlı olduğu hesaplanmıştır (Şekil 4.21). İki konformasyon arasındaki bu büyük enerji farkı, oda sı caklığında ter-bütilsikloheksan moleküllerinin %99,99’unun /¿r-bütil gruplarının ekva toryal konumda olduğu anlamına gelir. (Ancak molekül bu konformasyona "kilitli" değildir ve bir sandalye konformasyonundan diğerine takla atmalar yine meydana ge lir.)

4.14

D İS Ü B S TİTÜ E SİKLOALKANLAR : C İ S - T R A N S İZOMERİSİ

Sikloheksan halkasına bağlı iki sübstitüentin varlığı cis-trans izomerisin in ortaya çık masını sağlar. Bunu en kolay siklopentan türevlerini incelemeye başlayarak görebiliriz, çünkü siklopentan halkası önemli ölçüde düzlemseldir(Tabi ki herhangi bir anda siklo pentan halkası hafifçe bükülmüştür. Ancak bu bükülmüş konfomıasyonlann hızlıca bir birine dönüştüklerini biliyoruz. Bir zaman dilimi içerisinde siklopentan halkasının ortalama konformasyonu düzlemseldir). Düzlemsellik gösteren sikloalkanlar, cis-trans izomerlerini, başlangıç olarak göstermek için daha uygundur. Örnek olarak 1,2-dimetilsiklopentanı ele alalım. Şekil 4.22’de gösterilen yapıları ya zabiliriz. Birinci yapıda metil grupları halkanın aynı tarafındalar yani cis konumdadır lar. İkinci yapıda metil grupları halkanın karşıt taraflarında; yani trans konumdadırlar.

P ro bl em 4.1 I

164


Şekil 4.22 cis- ve trans-1,2Dimetilsiklopentanlar. CH 3 CH,

ch3

H

m-l,2-Dimetilsiklopentan kn 99,5°C

trans-l,2-Dimetilsiklopentan kn 91,9°C

cis ve trans-1,2-Dimetilsiklopentanlar stereoizomerdirler: Atomlarının uzayda fark lı düzenlenmiş olmalarından dolayı farklıdırlar. İki şekil, karbon-karbon bağları kırılmaksızın birbirlerine dönüştürülemezler. Sonuç olarak cis ve trans şekiller birbirlerinden ayrılabilirler, farklı kaplara konabilir ve korunabilirler. 1,3-Dimetilsiklopentanın da cis-trans izomerleri vardır. h 3c /

ç

j

H,C

><

ch,

h

\

/

CH,

fra/n>-l,3-Dimetilsiklopentan

cıs-l,3-Dimetilsiklopentan

Cis-trans izomerlerin fiziksel özellikleri farklıdır: Bunlar farklı erime noktalarına, kaynama noktalarına vb. sahiptir. Çizelge 4.8’de dimetilsikloheksanlann fiziksel sabit leri verilmiştir.

P ro bl em 4 . 12

>

(a) 1,2-Dimetilsiklopropanın ve (b) 1,3-Dibromosiklobütanın cis ve trans izomerle rinin yapılarını yazınız.

Sikloheksan halkası tabi ki düzlemsel değildir. Ancak, birbirine dönüşen konformasyonların "zaman ortalaması" siklopentanda olduğu gibi düzlemsel olabilir ve bu düz lemsel gösterim sikloheksan türevlerindeki cis-trans izomerisi konusuna giriş için uygundur. 1,2-, 1,3-, ve 1,4-Dimetilsikloheksan izomerlerinin düzlemsel gösterimleri aşa ğıdadır:

Cis- ve Trans- Disübstitüe Sikloheksan Türevlerinin Fiziksel Sabitleri

Çizelge 4.8

Sübstitüentler

İzomer

1,2-Dimetil1,2-Dimetil1,3-Dimetil1,3-Dimetil1,2-Dikloro1,2-Dikloro-

cis trans cis trans cis trans

en (°C)

kn (°C)a

-50,1 -89,4 -75,6 -90,1 -6 -7

130,047«' 123,7760 120,1760 123,5760 93,522 74,716

"Kaynama noktalarının ölçüldüğü basınçlar (torr birimi cinsinden) üstel olarak yazılmıştır.

4.14 Disiibstitüe Sikloalkanlar: Cis-Trans İzomerisi

CH, CH

H

165

CH,

cıs-l,2-Dimetilsikloheksan

/rans-l,2-Dimetilsikloheksan

a's-l,3-Dimetilsikloheksan

fra/ıs-l,3-DimetiIsikIoheksan

cis-1,4-DimetiIsikloheksan

/ra»s-l,4-Dimetilsikloheksan

4 . 1 4A C i s - T r a n s İ z o m e r i s i ve K o n f o r m a s y o n Y a p ıl ar ı Eğer bu izomerlerin gerçek konformasyonlannı ele alırsak yapılar biraz daha karmaşık olacaktır. En kolay anlaşılabilecek olan fra«s-l,4-dimetilsikloheksan ile başladığımızda bu yapının iki olası sandalye şeklinin olduğunu görürüz (Şekil 4.23). Bu konformasyonlardan birinde iki metil grubu da aksiyal, diğerinde ikisi de ekvatoryaldir. Diekvatoryal konformasyon beklendiği gibi daha kararlı konformasyondur ve denge halindeki mole küllerin en azından %99’u bu yapıdadır. trans-1,4-Dimetilsikloheksanm diaksiyal şeklinin trans izomer olduğu kolayca gö rülüyor; iki metil grubu açık şekilde halkanın karşıt tarafındadır. Ancak, diekvatoryal şekildeki metil gruplarının trans ilişkisi o kadar açık değildir. Metil gruplarının trans ilişkisini anlaşılır hale getirebilmek, molekülün bir ucunu yukarıya diğerini aşağıya doğ ru çekerek "düzlemleştirdiğimizi" varsaydığımızda mümkündür.

H

Şekil 4.23 /rans-l,4-dimetilsikloheksanın iki sandalye konformasyonu. (Not: Diğer C-H bağlarının tamamı, şeklin daha anlaşılır olması için gösterilmemiştir.)

Diaksiyal

Diekvatoryal

166

Bölünı 4 / Alkanlar: Adlandırma, Konformasyon Analizi ve Sentezlere Giriş

Şekil 4.24 cıs-l,4-Dimetilsikloheksanın eşdeğer konformasyonları. 4

*

Ekvatoryal-aksiyal

Aksiyal-ekvatoryal

Trans-disübstitüe sikloheksanları tanıyabilmenin ikinci ve genel bir yolu bir grubun yukarıya doğru olan diğerinin aşağıya doğru olan bağa (aynı karbondaki iki bağ için) bağlı olduğunu görmektir. Yukarı doğru olan bağ

Aşağıya doğru olan bağ

trans-l,4-DimetilsikIoheksan

Bir cis-disübstitüe sikloheksanda her iki grup yukarıya doğru yönelmiş bağlarla ve ya her ikisi de aşağıya doğru yönelmiş bağlarla bağlanmıştır. Örneğin,

Gerçekte a,v-l,4-dimetilsikloheksan iki eşdeğer sandalye konformasyonunda bulu nur (Şekil 4.24). Bununla beraber metil gruplarının bu cis ilişkisi, metil gruplarının iki sinin de ekvatoryal konumda bulundukları bir yapıya izin vermez. Her iki konformasyonda gruplardan biri aksiyaldir. Ö r n e k P r o b l e m ----------------------------------------------------------------------Aşağıdaki konformasyon yapılarının cis mi trans mı olduklarını belirtiniz.

(a)

(b)

(c)

4.14 Disübstitüe Sikloalkanlar: Cis-Trans İzomerisi

Cevap (a) Her bir klor, bağlı bulunduğu karbonda yukarıya doğru yönelen bağda yer almak tadır, bu nedenle iki klor atomu molekülün aynı larafındadır ve bu bir cis izomerdir. Bu yapı c/s-l,2-diklorosikloheksandır. (b) Burada iki klor atomu, aşağıya doğru yö nelen bağlarda yer almakta, bu nedenle bu örnekte de iki klor atomu molekülün aynı tarafındadır ve yine cis izomerdir. Bu yapı m-l,3-diklorosikloheksandır. (c) Burada ise klor atomlarmdan bir yukarıya doğru yönelen bağda diğeri ise aşağıya doğru yö nelen bağda yer almaktadır. Bu nedenle iki klor atomu molekülün karşıt taraflarındadır ve bu bir trans izomerdir. Bu yapı i/a/«-l,2-diklorosikloheksandır.

(a) c7A’-l-İzopropil-4-metilsikloheksanm iki sandalye konformasyonunun yapı for- ^ müllerini yazınız, (b) Bu iki konformasyon eşdeğer midir? (c) Değilse hangisi daha kararlıdır? (d) Dengede yeğlenen konformasyon hangisi olmalıdır?

P ro bl em 4 . 13

r/w7s-l,3-Dimetilsikloheksan aynı anda iki metil grubunu ekvatoryal konumda bu lundurmaması açısından cis-1,4 bileşiğine benzer. Aşağıdaki konformasyonlar eş ener jilidir ve dengede eşit miktarda bulunurlar.

H

(e) H,C

H

CH, (a) trans- 1,3-Dimetilsikloheksan

Bununla birlikte, alkil gruplarından birinin diğerinden daha büyük olduğu bir baş ka trans-1,3-disübstitüe sikloheksanı ele alırsak, daha büyük grubun ekvatoryal konum da bulunduğu konformasyon daha düşük enerjili olacaktır. Örneğin aşağıda gösterilen //-am,-l-ter-bütil-3-metilsikloheksanın daha kararlı konformasyonunda ter-bütil grubu ek vatoryal konuma yerleşmiştir.

(a) c/.y-l,2-Dimetilsikloheksanın iki kon formasyonunu yazınız, (b) Bu iki konfor- ^ masyon eş potansiyel enerjili olabilir mi? (c) c/5-l-/cr-Bütil-2-nıetilsikloheksanın iki konformasyonundaki durum nedir? (d) trans-1,2-Dimetilsikloheksanın iki konformasyonu aynı potansiyel enerjili olabilir mi?

P ro bl em 4 . 14

167

168

Bölüm 4 / Alkanlar: Adlandırma, Konformasyon Analizi ve Sentezlere Giriş Ç izelge 4.9 D in ıe tilsik lo h e k sa n la rın Konform asyonları Bileşik

Cis İzom er

1.2- Dimetil1.3- Dimetil1.4- Dimetil-

T rans İzom er

a,e veya e,a e,e veya a.a a,e veya e,a

e,e e,e e,e

veya a,a veya e,a veya a,a

Dimetilsikloheksanın farklı konformasyonları Çizelge 4.9'da özetlenmiştir. Daha ka rarlı konformasyon, varsa, koyu olarak belirtilmiştir.

4.15

B isiK LiK

Po

ve

l î s İk l İk

A

lk a n la r

Organik kimyada pek çok molekül birden fazla halka içermektedir (Altbölüm 4.4 B). En önemli bisiklik sistemlerinden biri yaygın ismi dekalin olan bisiklo[4,4,0]dekandır. H-, H

H,

ıo r x H,C 2V9

rcH,

H,C-

tCH,

ı; c5.

7 '<

r

ı

ya da

■h'

H, H

H,

Dekalin (bisiklo[4.4.0]dekan) (1 ve 6 nolu karbon atomları köprü başı karbon atomlarıdır)

Dekalin cis-trans izomerisi gösterir: Kimya A bstractları Servisi (CAS) halka sayısını S - A + 1 = N formülüyle verir. Bu form ülde S halkalı sis temdeki birli bağ sayısı, A halkalı sistemdeki atom sayısı, N ise hesapla bulu nan halka sayısıdır (bkz. Problem 4.32).

H H

//•a/is-Dekalin

m-Dekalinde köprü başı atomlarına bağlı hidrojen atomları halkanın aynı tarafında; rra/75 -dekalinde ise karşıt taraftadır. Bunu çoğunlukla yapıları aşağıdaki gibi yazarak be lirtiriz: H H

H cıs-Dekalin

H /rans-Dekalin

Karbon-karbon bağları etrafında basit dönmeler cis ve trans dekalinleri birbirine dö nüştürmez. Bu açıdan izomerik cis- ve trans- disıibstitüe sikloheksanlara benzerler. (Ger çekte, onları, 1,2-sübstitüentlerin dört karbonlu bir köprünün uçları -C fEC kÇ C H ıCtEolduğu cis ve trans -1,2-disübstitüe sikloheksanlar olarak kabul edebiliriz).

4.6 Feromonlar: Kimyasal Maddelerle İletişim

cis ve rra/ti-Dekalinler ayrılabilirler. c/5-Dekalin 195l’C ’da (760 torr’da), trans-dekalin ise 185.5"C'da (760 torr'da) kaynar. Adamantan (aşağıya bakınız) tümünün sandalye şeklinde bulunduğu sikloheksan hal kalarının üç boyutlu düzenlenmesini içeren trisiklik bir sistemdir. Üç boyutlu adaman tan yapısının uzatılması elmas yapısını verir. Elmasın aşırı sertliği, elmas kristalinin tamamının gerçekte milyonlarca kuvvetli kovalent bağlarla bir arada tutulan çok büyük bir molekül olmasından kaynaklanır.*

Son yıllardaki araştırmalarda amaçlardan birisi, alışılmamış ve bazen de çok gergin olan halkalı hidrokarbonların sentezidir. Bu tür bileşiklerin sentezlenmiş olanlarından bazıları aşağıda verilmiştir.

Bisiklo[1.1.0]bütan

Kuban

Prizman

1982 yılında, Leo A. Paquette ve arkadaşları (Ohio Devlet Üniversitesinden) dodekahedran diye adlandırılan "karmaşık, simetrik ve estetik olarak çekici" bir bileşiği ba şarıyla sentczlediklerini bildirmişlerdir.

Dodekahedran

4.16

Ferom o İLETİŞİM

n la r

: K İm

ya sa l

M

ad d eler le

Pek çok hayvan, özellikle böcekler, kendi türünün diğer üyeleri ile ses, hatta görünür sinyallerle ve salgıladıkları feromon denen kimyasalların kokularına dayalı bir yolla ile * Karbonun, grafit, Wurzit karbon [Wurzite (ZnS) benzeyen bir yapıda] ve fulerenler (bkz. Altbölüm 14.8 C) olarak adlandırılan yeni bir bileşik grubu dahil başka allotropik şekilleri de vardır.

169

170


tişim kurarlar. Böcekler için bu başlıca iletişim yöntemi gibi görünmektedir. Feromonlar her ne kadar böcekler tarafından çok az miktarlarda salgılansa da çok derin ve çe şitli biyolojik etkilere sebep olabilirler. Böcekler çiftleşme dönemlerinde bazı feromonları cinsel çekiciler olarak kullanırlar. Diğerleri feromonları uyarma bileşikleri olarak kul lanırken başkaları kendi türünün üyelerini bir araya toplamak için "toplama bileşikle ri" denen kimyasallar salgılar. Çoğu kez bu feromonlar oldukça basit bileşiklerdir ve bazıları da hidrokarbondur. Örneğin bir hamam böceği, undekanı bir toplanma feromonu olarak kullanır. CH3(CH2)9CH3

(CH3)2CH(CH2)14CH3

Undekan (hamamböceği toplanma feromonu)

2-Metilheptadekan (dişi kaplan güvesinin cinsel çekicisi)

Dişi kaplan güvesinin yumurtlama dönemi geldiğinde 2-metilheptadekan salgılar, bu bileşik öyle güzel bir parfümdür ki erkek kaplan güvesi bu kokuyu dayanılmaz bir şe kilde hisseder. Yaygın karasineğin (Musca domustica) cinsel çekicisi bir 23-karbonlu, 9 ve 10 kar bonları arasında ikili bağı olan muskalür denilen bir alkendir. CH3(CH2^7 / (CH2)12CH3 c=c / \ H H Muskalür (karasineğin cinsel çekicisi)

Pek çok böcek cinsel çekicisi sentezlenmiştir ve böcek kontrolünde böcekleri ka panlara toplamak için kullanılır. Haşarat ilaçları kullanımının çevreye çok zarar verdi ği göz önüne alındığında bu yöntemin çevreye ne kadar duyarlı bir yöntem olduğu daha iyi anlaşılır.

4 .1 7

A

lk a n la r in

K

im y a s a l

T

e p k İm e l e r

İ

Alkanlar, sınıf olarak bir çok kimyasal reaktife karşı soy özellikleri ile bilinirler. Karbon-karbon ve karbon-hidrojen bağlan oldukça kuvvetlidir; ve alkanlar çok yüksek sı caklıklarda ısıtılmadıkları sürece bu bağlar kırılmazlar. Karbon ve hidrojen atomlan yaklaşık aynı elektronegatiflikte olduğundan karbon-hidrojen bağları çok az polardır. Bunun sonucu olarak pek çok bazla tepkimeye girmezler. Alkan molekülleri ortaklaşıl mamış elektron çiftleri içermediği için asitlerle etkileşmezler. Pek çok reaktife karşı tep kime yatkınlıklarının çok düşük olmasından dolayı alkanlara parafinler denir (Latince parum affinis, az etkinlik). Bununla birlikte parafin kelimesi bu sınıf için uygun bir terim değildir. Uygun bir karışımın ateşlenmesi ile alkanlarin oksijen ile şiddetli tepkime verdiklerini hepimiz bi liriz. Örneğin, bu yanma otomobillerin silindirlerinde ve mazot fırınlarında meydana ge lir. Alkanlar ısıtıldıklarında, klor ve brom ile de tepkimeye girerler. Flor ile patlama şeklinde etkileşirler. Bölüm 10’da bu tepkimeleri inceleyeceğiz.

4.18

A

lk a n la r

ve

Sîk

lo a lk a n la r in

Se

n te z l e r

İ

Petrolden elde edildikleri şekliyle, alkan karışımları yakıt olarak uygundur. Ancak laboratuvar çalışmalarımızda belirli bir alkanın saf örneğine ihtiyaç duyarız. Bu amaçla

4.18 Alken ve Alkinlerin Hidrojenlenmesi

bu alkanın eldesi için en güvenilir yol onun kimyasal hazırlanışı veya sentezidir. Seçti ğimiz elde etme yöntemi sadece tercih ettiğimiz ürüne veya en azından kolay ve verim li bir şekilde ayrılabilen ürünlere götüren bir yöntem olmalıdır. Böyle birkaç yöntem vardır ve üç tanesi burada verilmiştir. Diğer yöntemleri sonra ki bölümlerde göreceğiz.

4 . l 8 A A I k e n ve Alki nler in Hid ro jen lenm es i Alkenler ve alkinler nikel, palladyum ve platin gibi metal katalizörler beraberinde alkanları vermek üzere hidrojenle tepkimeye girerler. Genel olarak bu tepkimede, hidro jen molekülünün atomları ikili veya üçlü bağın karbon atomlarına katılırlar. Bu da alkeni veya alkini alkana dönüştürür.

Alken

1 —n 1 zn

basınç

xc\

te 1 u -

Genel Tepkime \ / C H Pt, Pd, veya Ni^ II + I ÇÖZÜCÜ,

Alkan

P, III c 1

+ 2 H,

f H - Ç -

ÇOZUCU,

| J_ç __

basınç

|

Alkin

Alkan

Tepkime genelde alken ve alkini etil alkol gibi bir çözücüde çözerek metal katalizörün ilavesiyle ve karışımı özel cihazlarda basınç altında hidrojen ile temas ettirerek yapılır. Bir alkinin alkana indirgenmesi için iki eşdeğer mol hidrojen gerekmektedir. (Hidrojenlem e denilen bu tepkimenin mekanizmasını Bölüm 7’de inceleyeceğiz.) Özel Örnekler CH3C H = C H 2 + H— H

Ni C2H5OH (25°C, 50 atm)

Propen CH, CH3— C = C H 2 + H: 2-Metilpropen

5-Siklononinon

-►CH,CH— CH, I I H H Propan O T

I * CH,— C— CH, c , h 5oh I I (25°C, 50 atm) H H İzobütan Ni

Siklononanon

Hidrojenlendiğinde 2-metilbütan verebilecek alken ve alkinleri yazınız.

<

P ro b l e m 4 . 15

171

172


4 . I 8 B Alkil Ha loj enü rl eri n İn di rgenmeleri Alkil halojenürlerin çoğu çinko ve sulu asitlerle bir alkan vermek üzere tepkimeye gi rer. Genel tepkime aşağıdaki gibidir: Genel Tepkime R— M + ZnX2

R—X + Zn + HX Z n. HX

ya da**

R

X

( - Z n X 2)

> R— H

Özel Örnekler 2

HBr

CH3CH2ÇHCH3

2 CH3CH2^HCH3 + ZnBr.

H

Br

Bütan

seA-Bütil bromür (2-Brombütan) CH,

CH3

I1

2 CH3CHCH2CH2— Br İzopentil bromür (l-bromo-3-metilbütan)

HBr

I1

2 CH,CHCH2CH2— H + ZnBr: İzopentan (2-nıetilbütan)

Bu tepkimelerde çinko atomları alkil halojenüriin karbon atomuna elektron aktarır. Bu nedenle tepkime alkil halojenürün bir indirgenmesidir. Çinko iyi bir indirgendir, çünkü çekirdekten uzak bir orbitalinde, elektron alıcılara kolayca verebileceği iki elekt ronu vardır. Tepkimenin çinko metali yüzeyinde veya yüzeye çok yakın ve farklı faz larda meydana gelmesinden dolayı mekanizması karmaşıktır. İlk başta bir alkilçinko halojenür oluşması ve bunun da alkan vermek üzere asit ile tepkimeye girmesi olasıdır. Zn: İndirgen

P ro b l e m 4.16

s+

..s-

r

_

+ R—X: ---- ► R:Zn2+:X=

1

h x

— -* R—H + Zn2+ + 2 =X=

Alkilçinko halojenür

Alkan

>• Hedefiniz bir alkil halojenürü, çinko ve sulu asit ile etkileştirerek 2,3-dimetilbütanı elde etmek olsun. Bunu yapmak için iki yöntem (farklı iki alkil halojenürıinden çıkarak) gösteriniz.

4 . l 8 C U ç Alki nle ri n Alkillenmesi Uç alkinlerin üçlü bağı hidrojenlerini (asetilenik hidrojen) alkil gruplarıyla yer değiş tirtebiliriz. Alkilleme denilen bu tür bir tepkimenin sentezlerde önemli bir yeri vardır. Asetilenik hidrojen hafifçe asidiktir ve Altbölüm 3.14’te açıklandığı gibi sodyum amit gibi kuvvetli bir baz ile uzaklaştırılabilir. Uç hidrojeni uzaklaştırılan alkil karbonu bir * Bu gösterim , organik kim yacıların tepkim eleri kısaltarak yazm aları için sıkça kullandıkları b ir yoldur. O rganik reaktantlar solda, organik ürünler ise sağda y er alır. D önüşüm için gerekli olan reak tiller okun üzerine veya altın a yazılır. E şit likler çoğu zam an den k leştirilm ez ve bazen yan ü rü n le r (burada Z n X 2 ) ihm al ed ilir ya da okun altına b ir p aran tez içinde bir kayıp olarak, örneğin (-Z n X 2) şeklinde yazılır.

Yapı ve Etkinlikle İlgili Bazı Genel Kurallar: Sentezlere Doğru Bir Bakış

173

anyondur (alkinür anyonu) ve uygun alkil halojenür ile etkileştirilebilir. Aşağıdaki şe ma bu sırayı özetlemektedir: R— C = C —H

NaNH,

Bir alkinür anyonu

Sodyum amit

Bir alkin

R— X

R— C = C :- Na+

(-NH3)

-►

(-NaX )

R — C = C —R'

R' metil veya ikinci karbonunda dallanmamış 1° olmalı

Tipik bir örnek, propinin asetilen (etin) ve bromometandan sentezidir. H— C = C — H Etin (asetilen)

İNaiNfl*. .

(—NH3)

_

H— C=C=- Na+

CH-, — Br (—NaX)

H—C = C —CH3 %84

Etinür anyonu (asetilenür anyonu)

Propin

Alkinür anyonu ile tepkimeye girecek olan alkil halojenürün metil veya ikinci (beta) karbonunda dallanma olmayan bir birincil alkil halojenür olması gerekir. İkincil veya

üçüncül alkil halojenürler ya da beta karbonundan dallanmış olan birincil alkil halojenürler başlıca ayrılma mekanizması ile diğer ürünleri verirler (Bölüm 7’de bu konu tar tışılacaktır). Alkinür anyonunun alkillenmesi ile yeni bir karbon-karbon bağı oluşturmak başlı ba şına önemli bir dönüşümdür, fakat alkinin üçlü bağı daha ileri tepkimelerde de kullanı labilir. Örneğin yeni sentezlenen alkinin hidrojenlenmesi bir alkanın sentez yöntemidir. 3-Metil-l-biitin ve bromometandan 2-metilpentanın sentezi aşağıdaki gibi olabilir: ÇH,

CH,

ÇH, CH,CHC=CH

NaNH, (—NH3)

* CH,CHC=C :~Na+

CH,Br (—NaBr)

> CH,CHC= C— CH, aşırı H,. Pt. basınç

ÇH, -> CH,CHCH2CH2CH3

Propin ve 2-bromopropanın bu sentezin alkilleme basamağında kullanılamayacağına dik kat ediniz, çünkü alkil halojenür ikincildir ve ayrılma baskın tepkime olacaktır. Bölüm 7 ve 8’de bir alkinin üçlü bağının pek çok fonksiyonel gruba dönüştürülebi leceğini göreceğiz. Bu tepkimeler, uç alkinlerin alkillenmeleriyle birlikte, karbon-kar bon üçlü bağına sahip bileşiklerin sentezlerde çok kullanışlı ara ürünler olmalarını sağlar.

4.19

Y A P I VE E T K İ N L İ K L E İLGİLİ Bazi G enel Kur allar : S e n t e z l e r e D o ğ r u B îr B a k i ş

Alkinür anyonlarının alkillenmesi, buraya kadar tartışmış olduğumuz yapı-etkinlik iliş kisinin önemli hususlarından bir kaçını örneklemektedir. Önce, alkinür anyonunun hazırlanışı basit bir Brpnsted -Lowry asit-baz kimyasını içermektedir. Gördüğünüz gibi bir uç alkinin hidrojeni zayıf asidik özellik taşır (pKa ~ 25) ve sodyum amit gibi kuv vetli bir baz ile uzaklaştırılabilir. Bu asitliğin nedeni Altbölüm 3.7A’da açıklandı. Olu şan alkinür anyonu bir Lewis bazıdır (Altbölüm 3-2B), ki bununla, alkil halojenür bir elektron çifti alıcısı (Lewis asidi) olarak tepkime verir. Bu yüzden, uç karbonu üzerin deki negatif yükten dolayı, alkinür anyonuna nükleofil diyebiliriz (Altbölümler 3.3 ve

Şekil 4.25’te gösterilen tep kimedeki değerlik elekt ronlarına ve formal yüklere dikkat ediniz. Bunlar organik kimyada öğrendiğiniz tüm diğer tepkimelerdeki gibidir.

174


5+ 8; H—

C=C:

+

3

H C — Ç l:

-------------------------------- --

H— C = C — CH

3

Şekil 4.25 Etinür (asetilenür) anyonu ve klorometanın tepkimesi. Elektrostatik potansi yel haritaları alkinür anyonu ve alkil halojenürün birbirini tamamlayan nükleofilik ve elektrofilik karakterini göstermektedir. 6.4) ve bu anyon pozitif yük arayan bir reaktiftir. Diğer taraftan, alkil halojenür ise bir elektrofil (Altbölümler 3.3 ve 8.1) olarak adlandırılabilir. Halojen taşıyan karbon atomundaki kısmî pozitif yük bu reaktifi negatif yük arayan bir reaktif yapar. Alkil halojenürdeki polarlaşma hidrojen atomuyla karbon atomu arasındaki elektronegatiflik farkından ileri gelir. Etinür (asetilenür) anyonu ve klorometan için Şekil 4.25’te verilen elektrostatik po tansiyel haritaları tipik bir alkinür anyonunun ve alkil halojenürün birbirini tamamlayan nükleofilik ve elektrofilik karakterini göstermektedir. Etinür iyonunun uç karbonunda elektrostatik haritada kırmızı ile gösterilmiş olan kuvvetlice bir eksi yük odaklanmıştır. Tersine, klorometanda elektronegatif klorun bağlı bulunduğu karbon atomunda kısmî pozitif yük vardır. (Klorometanda dipol moment doğrudan karbon-klor bağı boyuncadır.) Bu yüzden, Lewis bazı olarak davranan alkinür iyonu bir birincil alkil halojenürün kısmî pozitif karbonu tarafından çekilir. İkisi arasındaki çarpışma uygun yönde ve ye terli kinetik enerji ile gerçekleştiğinde, alkinür iyonu, yeni bir bağ oluşturmak üzere al kil halojenüre iki elektron sağlayacak ve alkil halojenürdeki halojen atomunun yerine geçecektir. Halojen, kendini önceleri karbona bağlayan elektron çifti ile bir anyon ola rak ayrılır. Bu tür bir mekanizmanın ayrıntıları Bölüm 6’da tartışılacaktır. Ancak şim dilik, organik kimyadaki pek çok tepkimenin asit-baz dönüşümleri (her ikisi de BrönstedLowry ve Lewis) ve yükler arasındaki etkileşimler şeklinde olduğunu söyleyebiliriz.

4.20

O

r g a n

İk S e

n te z e

G

îr îş

Organik sentez, daha basit öncülerden organik moleküller oluşturma sürecidir. Organik bileşik sentezleri pek çok nedenden dolayı yapılır. Yeni ilaç geliştiren kimyacılar, tıb bi etkileri arttırılmış, yan etkileri azaltılmış yapılara sahip molekülleri keşfedebilmek için organik sentezler yaparlar. Örneğin Crixivan (Bölüm 2 girişine bkz.), bir araştırma laboratuvarında küçük ölçekli bir sentezle geliştirilen ilaç olarak onaylanmasından son ra büyük ölçekte sentezine geçildi. Başka durumlarda, verilen bir tepkime mekanizma sıyla ilgili bir hipotezi kanıtlamak için veya bir organizmanın mikroorganizmaları nasıl metabolize ettiklerinin belirlenmesinde organik senteze gerek duyulabilir. Buna benzer durumlarda, sıkça belirli konumlarında "etiketlenmiş" (örneğin döteryum, trityum veya karbon izotopuyla etiketleme yapılabilir) atom içeren bileşiklerin sentezlerine gerek du yulur.

4.20 Organik Senteze Giriş

Çok basit bir sentez sadece bir kimyasal tepkime içerebilir. Diğerleri ise 20 veya da ha fazla basamak gerektirebilir. R. B. Woodward (Harvard) ve A. Eschenmoser (İsveç federal Teknoloji Enstitüsü) 1972’de organik sentezlerin en önemlilerinden birini, B12 vitaminin sentezini yayınladdar. Bu B,2 vitamin sentezi 90 basamaktan fazla basamak içermekteydi ve 100’e yakın insanın çalışmasıyla 11 yılda tamamlanmıştı. Ancak biz daha basit örneklerle çalışacağız.

Bir karbon-kobalt tr bağı

B,, Vitamini

Genelde organik sentezler iki dönüşüm türü içerir: fonksiyonel grupları birbirine dö nüştürenler ve yeni karbon-karbon bağı oluşturan tepkimeler. Bu iki tür tepkime için ör nekleri gördünüz -hidrojenleme, alken ve alkinlerdeki karbon-karbon ikili veya üçlü bağ fonksiyonel gruplarını birli bağa dönüştürür (gerçekte bu durumda, bir fonksiyonel grup yok olmaktadır). Alkinür anyonlarının alkillenmesi ise yeni karbon-karbon bağları oluş turur. Sonuçta, organik sentezlerin temelinde fonksiyonel grupların birbirlerine dönü şümleri ve karbon-karbon bağı oluşturma basamaklarının düzenlenmesi vardır. Her ikisini de başarabilmek için pek çok yöntem bulunmaktadır. 4.20A G e ri y e D o ğ ru Ç ö z ü m (R etr ose nte ti k A n a l i z ) Bir O r g a n i k Sentezin Plânlanması İstenen (hedef) bir molekülün belirli öncülerden çıkarak sentezi için gerekli tüm basa makları bazen baştan sona görmek mümkündür. Ancak çoğu kez istenen bileşiğe götü 1 ; rebilecek dönüşümlerin çok karmaşık olması nedeniyle yolu baştan sona kadar gördüğümüzü söylemek zordur. Bu durumda nereye gitmek istediğimizi bildiğimiz hal Geriye Doğru Çözüm de (hedef molekül) nereden başlayacağımızı bilemediğimiz için her seferinde bir basa (Retrosentetik Analiz). mak geriye doğru ilerleyerek gerekli basamakların sırasını görmeye çalışırız. İşe, hedef moleküle hemen dönüştürülebilecek en yakın öncülerin belirlenmesi ile başlarız. Bun lar seçildikten sonra, her biri yeni ara hedef molekülleri olur ve bu hedeflere götüren bir

ÜA

175

176


sonraki öncüleri belirleriz ve böylece devam ederiz. Bu süreç yeterince basittir. Her laboratuvarda kolayca uygulanabilir.

Hedef molekül

E. J. Corey Corey E. J.’nin karmaşık organik sentezlerin plânlanması çalışmaları olduk ça sistematik çalışmalar olup bilgisayarla destekli dir. Aşağıdaki kitabı belki de incelemek istersiniz. Corey E. J.; Cheng X.-M. The Logic of Chemical Synthesis; Wiley: New York, 1989.

1. öncü

2. öncü

Başlangıç bileşiği

Tanımlamış olduğumuz bu süreç geriye doğru çözümdür (retrosentetik analiz). Yukarıdaki örnekte kullanılan açık ok bir retrosentetik oktur, hedef molekülü kendine en yakın öncü ile ilişkilendiren bir semboldür ve geriye doğru veya bir retro basama ğa işaret eder. Her ne kadar, organik kimyacılar yıllardan beri retrosentetik analizi iç güdüsel olarak kullanmışlarsa da E.J.Corey (1990 Kimya Nobel ödülünü almıştır) retrosentetik analizin formal temellerini belirten ilk kişidir. Retrosentetik analiz tamam landığında sentezi gerçekleştirmek için en basit öncülerden başlayarak adım adım he def moleküle ulaşılıncaya kadar baştan itibaren her bir basamak yazılır. Retrosentetik analiz yapılırken mümkün olan en fazla öncü madde bulmak, böylece çeşitli sentetik yollar oluşturmak gerekir (Şekil 4.26). Her bir yolun tüm olumlu ya da olumsuz yönlerini değerlendirir ve böylece en etkin sentez yolunu belirleriz. Hangi yo lun en uygun olduğu, tepkime işlemi boyunca özel zorluklar dolayısıyla sınırlamalara, kullanılacak maddelerin bulunabilmesine ve diğer etkenlere bağlıdır. Bununla ilgili bir örneği Atbölüm 4.20B’de göreceğiz. Gerçekte birden fazla iyi yol olabilir. En etkili ve başarılı yolu bulabilmek için laboratuvarda farklı yaklaşımları denemek gerekebilir.

4.2 0 B Ö n c ü l e ri Be lir le m ek Bir bileşiğin en yakın retosentetik öncüsünü belirlemede nasıl bir yol izleriz? Fonksi yonel grupların olması durumunda, bir fonksiyonel grubu bir başkasına dönüştürmeye yarayan tepkimeleri seçebileceğimiz araç kutusuna ihtiyacımız vardır. Böyle bir araç kutusu organik kimya bilginiz arttıkça gelişmiş olacaktır. Benzer şekilde, sentezlerde karbon-karbon bağları yapabilmeniz açısından bu amaca yönelik de bir tepkime repertuvarı geliştireceksiniz. Her bir durumda uygun tepkimenin seçiminde yapıyla ilgili te mel kuralları ve etkinliği dikkate almamız gerekir. Altbölüm 3.2C ve 4.19’da belirttiğimiz gibi, pek çok tepkime, tamamlayıcı nitelik te tam veya kısmî yüklere sahip moleküllerin etkileşimine dayanır. Retrosentetik anali zin önemli bir konusu, bir hedef molekülde, sentetik öncülerde tamamlayıcı (zıt) yüklü olabilecek atomları belirleyebilmektir. Örneğin 1-siklohekil-1-bütinin sentezini ele ala lım. Bu bölümde öğrenilen tepkimelere dayanarak, alkinür anyonu ve alkil halojenürü,

Şekil 4.26 Retrosentetik analiz, ço ğu zaman, hedef molekülden geriye giderken farklı birçok öncüyü, dola yısıyla farklı birçok süreci içerebilir.

Hedef molekül

1. öncü A

2. öncü a 2. öncü b

l.öncü B

2. öncü c 2. öncü d

1. öncü C

2. öncü e 2. öncü f

4.20 Organik Senteze Giriş

zıt polarlığa sahip ve tepkimeye girdiklerinde bu bileşiğe götürebilecek öncüler olarak düşünebiliriz. Retrosentetik Analiz

5-

5+

+ Br—CH,CH, Sentez

Ancak bazen hedef molekülde hangi bağların kırılması ile zıt yüklü veya tamamla yıcı öncülerin oluşturulabileceğini görmek çok açık değildir. Bir alkanın sentezi böyle bir örnek olabilir. Bir alkanın öncü moleküllerinde doğrudan zıt yüklere sahip olabile cek karbon atomları yoktur. Ancak alkanlardaki bazı karbon-karbon birli bağlarının, kar şılık gelen alkinlerin hidrojenlenmesinden oluşturulabileceğini öngördüğümüzde, alkinin iki atomu, zıt yüklü öncü moleküllerden(bir alkinür anyonu ve alkil halojenür) bağla nabilir. 2-Metilheksanm retosentetik analizini ele alalım. Retrosentetik analiz

CH, I

CH3C=C =- +

x —ch2chch, (1°, fakat ikinci karbondan dallanmış)

CH, c h 3c = c c h 2c h c h ?

CH,

I \ CH3—X + ~:C=CCH2CHCH3

CH,

CH, I

c h ,c h 2c h 2c h 2c h c h ,

CH,

HC=CCH2CH2CHCH, ==^ >H C = C :~ + X—CH2CH2CHCH,

2-Metilheksan

CH,

CH,

CH,CH2C=CCHCH, $€=7* CH,CH2C = C :_ +

X—CHCH, (2° alkil halojenür)

CH, CH,CH2—X + ~:C=CCHCH,

177

K

ımyası

İnorganikten O rganiğe İ8 6 2 ’de Fredrich Wohler, karbonu bir çinko kalsiyum alaşımı ile ısıtarak kalsiyum karbürü (CaC2) buldu. Kalsiyum karbürün su ile tepkimesinden asetileni elde etti. C Vİ°ko-kalsiyum alaşun,.^ ^

HC = CH + Ca(OH)2

Teorik olarak, asetilenden çıkarak ve başka fonksiyonel grupları elde etmek için alkinlerden yararlanarak hemen hemen herşeyi sentezlemek mümkündür. Böylece Wöhlerin kalsiyum karbürü buluşu bize inorganik maddelerle tüm organik sentezlere bir bağlantı vermektedir. Bunun bir uygulanışı madencilerinin eskiden kullandıkları "kar bür" baş lambasıdır ki; burada ışık, kalsiyum karbürün su ile tepkimesinden elde edi len asetilenin yanması ile sağlanır.

Yukarıdaki retrosentetik analizde belirtildiği gibi, sentetik (ileri) yönde kullanılabi lecek tepkimelerin sınırlamalarını aklımızda tutmalıyız. Yukarıdaki örnekte seçimi ya parken yollardan ikisi, 2" halojenür veya ikinci (beta) karbonundan dallanmış birincil alkil halojenür içermelerinden dolayı elenmeleri gerekir (Altbölüm 4.18C).

P ro bl em 4 . 17

>• Bu kısımda verilen 2-metilheksanın retrosentetik analizine bakarak uygun olan sen tetik süreç için tepkimeleri yazınız.

P ro b l e m 4 . 18

(a) Böcek feromonlan olan undekan ve 2-metilheptadekan (Altbölüm 4.16) için, alkinür iyonunun alkillenmesiyle yapılan sentezden yararlanarak tüm retrosentetetik süreci yazınız (Altbölüm 4.16).

4.20C Varoluş Nedeni Retrosentetik analiz uygulamak suretiyle sentez bulmacalarını çözmek organik kimya öğrenmenin zevkli taraflarından biridir. Yıllar boyu pek çok kimyacı düşüncelerini or ganik senteze dönüştürdü ve günümüzde onların gayreti ve fedakar çalışmalarının mey velerini almaktayız.

Anahtar Te rim le r Alkaıılar Sikloaikanlar Yapı izomerleri IUPAC sistemi Konformasyon

178

Ka v ra m l a r Altbölümler 2 2A, 4.1, 4.2, 4.3, 4.7, 4.17 Altbölümler 4 1, 4.4, 4.7, 4.10, 4.17 Altbölümler 1 3A, 4.2 Altbölüm 4.3 Altbölüm 4.8

Ek Problemler

Konforınerler Konformasyon analizi Newman izdüşüm formülü Testere formülü Burulma gerginliği van der Waals kuvvetleri Halka gerginliği Açı gerilmesi cis-trans izomerisi Sikloheksanın kon formasyonları Retrasentetik analiz Retrosentetik oklar

Altbölüm 4.8 Altbölümler 4.8, 4.9, 4.12, 4.13 Altbölüm 4.8 Altbölüm 4.8 Altbölümler 4.8, 4.9 Altbölümler 2.14D, 4.11 Altbölümler 4.10, 4.11 Altbölüm 4.11 Altbölümler 1.13B, 4.14 Altbölümler 4.12, 4.13 Altbölüm 4.20A Altbölüm 4.20A

4.19

Aşağıdakilerin her birinin yapı formülünü yazınız . (a) 1,4-Dikloropentan (i) 4-Metil-2-pentanol (b) ,v-4-İzobütilsikloheksanol (c) 4-İzopropilheptan (k) 1,4-Disiklopropilheksan (d) 2,2,3-Trimetilpentan (l) Neopentil alkol (m) Bisiklo[2,2,2]oktan (e) 3-Etil-2-metilheksan (f) 1,1-Diklorosiklopentan (n) Bisiklo[3,l,l]heptan (o) Siklopentilsiklopentan (g) cis-1,2-Dimetilsiklopropan (h) trans-1,2-Dimetilsiklopropan

4.20

Aşağıdaki bileşiklerin IUPAC sistematik isimleri yazınız. (a) CH3CH2C(CH3)2CH(CH2CH3)CH3 (b) CH3CH2C(CH3)2CH2OH

Br

4.21

seA-Bütil alkol ismi özel bir yapıyı tanımlarken seA-pentil alkol adı belirli bir yapıyı göstermez. Niçin? Açıklayınız.

4.22

Aşağıdaki formüllere sahip alkan veya sikloalkanların yapılarını yazınız ve IUPAC sistematik isimlerini veriniz: (a) sadece birincil hidrojen atomları olan C8H 18, (b) sadece ikincil hidrojen atomları içeren C6H12, (c) sadece birincil ve ikincil hidrojen atomları içeren C6H!2, (d) 12 ikincil ve 2 üçüncül hidrojen içeren C8Hı4.

4.23

Üç farklı alken bir metal katalizör kullanılarak hidrojenlendirdiklerinde 2-metilbütan verirler. Bunların yapılarını ve tepkimelerini yazınız.

*Yıldızla işaretlenmiş problemler “çözülmesi daha zor olan problemlerdir.

EK PROBLEM LER

179

180


4.24

C6H14 formülüne sahip bir alkan, altı farklı alkil halojenürün (C6H L3C1) çinko ve sulu asitlerle tepkimesiyle (aynı tepkimelerle) sentezlenebilir. Alkanın ve alkil halojenürlerin yapılarını yazınız.

4.25

C6H 14 formülüne sahip bir alkan sadece iki alkil halojenürün (C6H13C1) indirgenmesinden (Zn ve HC1 ile) ve sadece iki alkenin (C6H !2) hidrojenlenmesinden elde edilebilir. Bu alkanın yapısını, IUPAC ismini yazınız ve tepkime leri gösteriniz.

4.26

Dört farklı sikloalkenin her biri katalitik hidrojenleme sonucu metilsiklopentanı verecektir. Bunların yapılarını bulunuz. Tepkimeleri gösteriniz.

4.27

Üç pentan (C5H 12) izomerinin yanma ısıları. CH3(CH2)3CH3 için 3536 kJ mol ', CH3CH(CH3)CH2CH3 İçin 3529 kJ m o l1; ve (CH3)3CCH3 için ise 3515 kJ mol 1 olarak verilmiştir. Hangi izomer en kararlıdır? Bu üç bileşiğin bağıl potansiyel enerjilerini gösteren. Şekil 4.9’daki gibi, bir diyagram çiziniz.

4.28

Homolog sıra nedir? Cevabınızı alkil halojenürlerin homolog serisini yazarak açık layınız.

4.29

1-/
4.30

C5H 10 formülüne sahip tüm izomerlerin, ikili bağlı bileşikler hariç, yapı formül lerini ve isimlerini yazınız.

4.31

Aşağıdaki bisiklik alkanların yapılarını yazınız. (c) 2-Klorobisiklo[3.2.0Jheptan (b) Bisklo[2.1 .Ojpentan (d) 7-Metilbisiklo[2.2.1]heptan

(a) Bisiklo[1.1.0]bütan 4.32

S - A + 1 = N (Altbölüm 4.15) yöntemini kullanarak kubanın halka sayısını belirleyiniz.

4.33

Aşağıdaki bileşikleri (a) yanma ısılarının artışına, (b) artan kararlılıklarına göre sıralayınız.

4.34

(a) 2,3-Dimetilbütan ve (b) 2,2,3,3-Tetrametilbütanın C2-C3 bağları etrafındaki dönmeden kaynaklanan enerji değişimlerini gösteren, Şekil 4.8’dekine benzer gra fikler çiziniz. Enerji değişimlerinin sayısal değerleri ile ilgilenmenize gerek yok tur. Sadece tüm maksimum ve minimumlara uygun olan konformasyonları belirtmeniz gerekir.

4.35

Çizelgelerden yararlanmaksızın aşağıdaki çiftlerden hangisinin daha yüksek kay nama noktasına sahip olabileceğine karar veriniz. Cevabınızı açıklayınız. (a) Pentan veya 2-metilbütan (d) Bütan veya 1-propanol (b) Heptan veya pentan (e) Bütan veya CH3COCH3 (c) Propan veya 2-kloropropan

4.36

Molekül formülü C4H6 olan bileşik, bir bisiklik bileşiktir. Aynı formüle sahip bir başka bileşiğin IR spektrumunda 2250 cm 1 civarında bir soğurma piki vardır (bisiklik bileşiğin yok). Her iki bileşiğin yapılarını yazınız ve IR soğurmasının bu bileşikleri ayırt etmede nasıl kullanıldığını açıklayınız.

Ek Problemler

4.37

Aşağıdaki bileşiklerden hangisinin daha kararlı olmasını beklersiniz? cis-1,2dimetilsiklopropan veya trans-1,2-dimetilsiklopropan? Cevabmızı açıklayınız.

4.38

Aşağıdaki bileşik çiftlerinden hangisi daha yüksek yanma ısısına sahip olmalı dır? (a) cis veya trans -1,2-dimetilsikloheksan, (b) cis veya trans -1,3-dimetilsikloheksan, (c) cis veya trans-1,4-dimetilsikloheksan. Cevaplarınızı açıklayınız.

4.39

Aşağıdakilerin her birinin iki sandalye konformasyonunu çiziniz ve her biri için hangi kon formasyonun daha kararlı olabileceğini belirtiniz, (a) m-l-ter-bütil-3metilsikloheksan (b) /7 öw.s'-l-te/-bütil-3 -metilsikloheksan, (c) trans-\-ter-bütil-4metilsikloheksan, (d) cis-l-te/-bütil-4-metilsikloheksan

4.40

r/i7/75 - l, 3 -Dibromosiklobütamn ölçülebilir bir dipol momenti vardır. Bu sonuç siklobütan halkasının düzlem yapıda olmadığını gösterir. Niçin? Açıklayınız.

4.41

Aşağıdaki sentezlerde eksik olan bileşik ve/veya reaktantları yazınız (bazı durumlarda birden fazla basamak gerekli olabilir): (a) ni//7i-5 -Metil-2 -heksen

9

►2-metilheksan c h , c h ,c h , c h .

(d) 4-Bromo-3,4-dietilheptan

(f)

7

Zn~HBr>

7

------- 1-------- ►2 ,2 -dimetilpropan

*4.42 1,2-Dimetilsikloheksan (aşağıda) platin katalizör varlığında hidrojen ile tepkime verdiğinde -50"C’da eriyen ve 130"C’da (760 torr) kaynayan bir sikloalkan mey dana gelir, (a) Bu tepkime ürününün yapısını bulunuz, (b) Uygun çizelgeden karşılaştırarak hangi izomer olduğunu belirtiniz, (c) Bu deney size, hidrojenin ikili bağa katılma şekli hakkında hangi bilgiyi verir.

1,2-Dimetilsikloheksen

*4.43 Uygun bir çözücü içerisinde sikloheksanın klor ile tepkimesinden formülü C6H, 0C2, erime noktası -7°C, kaynama noktası (16 torr) 74°C olan bir ürün meydana gelir, (a) Bu hangi stereoizomerdir? (b) Bu deney klorun ikili bağa katılma şekli konusunda hangi bilgiyi verir? 4.44

1,3-Di-fc/-bütilsikloheksanın cis ve trans izomerlerini ele alalım (molekül modelleri oluşturunuz). Hangi alışılmamış durum, izomerlerden bir tanesinin sandalye konformasyonu yerine burkulmuş kayık konformasyonunda bulunmasının nedenidir?

181

182


*4.45 Bu bölümde öğrendiğiniz kurallara göre aşağıdakilerin sistematik adlarını yazınız veya daha fazla kurala gerek olan yapıları belirtiniz.

*4.46 Aşağıdaki yapı D-glikozun baskın konlormasyonudur. H

D-glikoz doğada en yaygın bulunan şekerdir. Bu sonuç şaşırtıcı değildir. Niçin? Açıklayınız, (ipucu: D-galaktoz ve D-mannoz gibi şekerlerin yapılarım D-glikozunki ile karşılaştırınız.) *4.47 Newman izdüşümlerini kullanarak cis- ve trans- dekalinin köprü başı atomla rındaki sübstitüentlerin bağıl konumlarını çiziniz. Bu izomerlerden hangisinin daha kararlı olmasını beklersiniz, niçin? *4.48 En fazla dört karbonlu herhangi iki bileşikten çıkarak dodekan, CH3(CH2)10CH3, sentezi için eşitlikleri yazınız.

Aşağıdaki bileşiği ele alalım: Ö

G rubu PROBLEMLERİ

ğrenm e

1. Bu bileşiğin çizgi bağ formülünü (halkada cis-trans izomerisini ihmal ederek) yazınız. 2. Basamaklardan birinde alkinür iyonunun alkillenmesi ile karbon-karbon bağ oluşu munu içeren tüm mantıklı retrosentetik analizleri yazınız. 3. Bu bileşiğin sentezi için geliştirmiş olduğunuz retrosentetik analizlere karşılık gelen tepkimeleri, reaktant ve koşullar dahil yazınız. 4. Sentezinizdeki hedef molekülün ve tüm yüksüz sentetik ara ürünlerinin IUPAC isimlerini yazınız. 5. Sentezinizdeki bazı ara ürünlerin son ürünle birlikte safsızlık olarak bulu nup bulunmadıklarını infrared spektroskopisini inceleyerek anlayabilirsiniz. Hangi sentetik ara ürününüz son ürününüzden farklı IR soğurmasına sahip olacaktır ve bu soğurmalar IR spektrumun hangi bölgelerinde gözlenecektir?

Öğrenme Grubu Problemleri

6. Sentezinizden sikloheksan halkası içeren bir bileşik seçiniz. (a) Bu bileşiğin hangi izomerinin (cis veya trans) daha kararlı olmasını bekler siniz? (b) Bu bileşiğin en düşük enerjili sandalye konformasyonunun yapısını çiziniz. (c) Bu bileşiğin en yüksek enerjili sandalye konformasyonunun yapısını çiziniz. (d) Yukarıda (a)-(c) şıklarındaki cevaplarınızda kullanmadığınız cis-trans izomerin iki şekli için sandalye konformasyonun yapısını çiziniz. 7. Sentezinizden bir tanesinde yer alan asiklik (halkalı olmayan) bir ara üründe özel bir karbon-karbon bağı seçiniz ve bu bağ etrafındaki en kararlı konformasyonu, Newman izdüşüm formülünü çizerek gösteriniz. 8. Hedef molekülün cis ve trans şekillerinin üç boyutlu yapılarını yazınız. Halka için sandalye konformasyonu kullanınız. Alkil yan zincirinde gerekli olan yerde kesik ve dolu kama gösteriş şekillerini kullanınız. (İpucu: Sikloheksan halkasına bağlı en karmaşık sübstitüentin karbon zinciri ile bunun bağlı bulunduğu halka karbonu kâğıt düzleminde olacak şekilde yapıyı çiziniz. Genel olarak, üç boyutlu yapıların gösteriminde, mümkün olan en fazla karbon atomunun kağıt düzleminde bulunmasını sağlayan yönlendirmeleri seçiniz.)

183

Stereo kimya: Kiral Moleküller H a y a tın El Seçiciliği* Proteinlerimizi meydana getiren amino asit molekülleri, ayna görüntüsüyle çakışmama özelliğine sahiptirler. Bu nedenle, bu moleküllerin kiral veya “el seçiciliğine" sahip ol duğu söylenir. Her iki ayna görüntüsü yapısı da teorik olarak mümkün olmasına rağ men, yukarıdaki alanin amino asidi örneğinde olduğu gibi, yeryüzündeki hayat, başlıca "sol elini kullanan-solak" denilebilecek ayna görüntüsü yapısındaki (L ile gösterilen) ami no asitler yoluyla gelişti. Bununla birlikte, çoğu amino asidin "solak" yapıda olmasının nedeni bilinmiyor. Bir canlı sistemi gibi "el seçicilik" kazandıracak bir etkinin olmama sı halinde, kimyasal tepkimeler her iki ayna görüntüsü yapısının eşit karışımını oluştu rur. Hayatın kökeni hakkındaki hemen hemen bütün teoriler, kendini çoğaltan canlılar ortaya çıkmadan önce, hayat için temel olan amino asitler ve diğer moleküllerin mev cut olduğunu varsaydığından ilk balçık içerisinde bu moleküllerin eşit olarak her iki ayna görüntüsü yapısında da var olduğu kabul edildi. Fakat, hayat başlamadan önce, bu moleküllerin ayna görüntüsü yapıları gerçekten eşit düzeyde mevcut idiyse, nasıl oldu da, hayat gelişirken bazı türlerin tercihine yol açtı? 1970 yılında keşfedilen ve Murchison meteoriti denilen bir göktaşı, bu konu üzerinde yapılan tartışmaları arttırdı. * [İngilizcesi “handedness” olan bu kelime, insanın diğerinden daha çok bir elini kullanması anlamına gelir. Çevirenin Notu]

184

Göktaşının analizi, amino asitlerin ve hayatla ilişkili diğer karmaşık moleküllerin var lığını gösteriyor, bu da hayat için gerekli moleküllerin yeryüzü sınırlarının dışında da oluşabileceğini kanıtlıyordu. Fakat daha da ilginç olanı, yakın zamanda yapılan deney lerin, Murchison meteoriti içinde var olan dört L-amino asidinin %7-9 oranında daha fazla olduğunu göstermesiydi. Dağılımın eşit olmamasının neden kaynaklandığı belir siz, fakat bazı bilim adamları, moleküller, yıldızlar arası boşlukta oluştuğu zaman, boş lukta dönen nötron yıldızlarının kutuplarından helezon şeklinde yayınlanan elektromanyetik ışımanın, bir ayna görüntüsü izomerinin diğerine göre daha fazla olu şumuna yol açabileceğini tahmin ediyorlar.

5.1

İZOM ERİ: Y A P I İZO M ER LER İ VE STER EO İZO M ER LER

5.1

İzom erler, aynı molekül form ülüne sahip farklı bileşiklerdir. Bu zamana kadar kar

bon bileşiklerini incelerken, dikkatimizin çoğu, yapı izomerleri olarak adlandırdığımız izomerlere yöneldi. Yapı izomerleri, atomlarının birbirine farklı bir sıra ile bağlanmaları nedeniyle farklılaşan izomerlerdir. Bu izomerlerin, farklı bağlantı biçimine sahip olduğu söyle nebilir. Yapı izomerlerinin bazı örnekleri aşağıda görülmektedir: Molekül Formülü

Yapı İzomerleri

c h 3c h 2c h 2c h 3

c 4h 10

ve

CH, i1 3 CH.CHCH, İzobütan

Bütan

CH3CH2CH2C1 ve

c 3h 7ci

1-Kloropropan c h 3c h 2o h

c 2h 6o

CRCHCH, 1I Cl 2-Kloropropan

ve

Etanol

c h 3o c h 3

Dimetil eter

Stereoizomerler, yapı izomerleri değildir, yapılarındaki atomlar aynı sırada bağlan mışlardır. Stereoizomerler, yalnızca atomlarının uzaydaki düzenlemeleriyle farklıla şırlar. Alkenlerin cis ve trans izomerleri stereoizomerlerdir (Altbölüm 1.13B); cis- ve trans-1,2-dikloroeteni incelersek bunun doğru olduğunu görebiliriz. c ı\

c

/ H

/ c\ Cl

H

cis -1,2-Dikloroeten (C2H2CI2)

C 1 Y

/ C\ H Cl trans -1,2-Dikloroeten (C2H2C12)

cis- 1,2-Dikloroeten ve trans-1,2-dikloroeten, ikisi de aynı molekül formülüne sahip (C2H2C12), fakat farklı bileşikler olmaları nedeniyle izomerlerdir. Karbon-karbon ikili bağının dönebilmesi için büyük bir enerji engeli olduğundan bu iki izomer kolaylıkla birbirine dönüşemez. Her iki bileşikteki atomların bağlanma sırasının aynı olmasından dolayı stereoizomerler yapı izomerleri değildirler. Her iki bileşik, bir ikili bağ tarafın dan birleştirilmiş iki merkez karbon atomuna ve bu iki merkez atoma bağlı bir klor ile bir hidrojen atomuna sahiptir. c/s-l,2-Dikloroeten ve trans-1,2-dikloroeten izomerleri

İzomeri: Yapı İzomer leri ve Stereoizomerler 5.2 Enantiyomerler ve Kiral Moleküller 5.3 Kiralliğin Biyolojik Önemi 5.4 Stereokimyanın Tarihi Kökeni 5.5 Kirallik için Denemeler: Simetri Düzlemi 5.6 Enantiyomerlerin Adlandırılması: (R-S) Sistemi 5.7 Enantiyomerlerin Özel likleri: Optikçe Aktiflik 5.8 Optikçe Aktifliğin Kaynağı 5.9 Kiral Moleküllerin Sentezleri 5.10 Kiral İlaçlar 5.11 Birden Fazla Stereomerkeze Sahip Moleküller 5.12 Fisclıer İzdüşüm Formülleri 5.13 Halkalı Bileşiklerde Stereoizomeri 5.14 Stereomerkeze Bağlı Hiçbir Bağın Kırılmadığı Tepkimeler Yardımıyla Konfigürasyonları İlişkilendirme 5.15 Enantiyomerlerin Ayrılması: Yarılma 5.16 Karbondan Başka Stereomerkez İçeren Bileşikler 5.17 Dört Farklı Gruplu Düzgün Dörtyüzlü Bir Atoma Sahip Olmayan Kiral Moleküller

185

186

Bölüm 5 / Stereokimya: Kiral Moleküller

yalnızca atomlarının uzayda düzenlenmeleri bakımından farklıdır. c/i-l,2-Dikloroetende hidrojen atomları molekülün aynı tarafındayken trans-1,2-dikloroetende farklı taraflarındadır. Bu yüzden cis-1,2-dikloroeten ve //tfn.v-l,2-dikloroeten stereoizomerlerdir (bkz. Altbölüm 1.13B). Stereoizomerler iki genel sınıfa ayrılabilir: enantiyomerler ve diastereomerler. Enantiyomerler, molekülleri birbirinin a yn a g ö rü n tü sü o la n f a k a t b irb iriy le ça k ışm a y a n s te re o izo m e rle r d ir. Diastereomerler ise molekülleri b irb irin in a y n a g ö rü n tü sü o lm a y a n s te re o izo m e rle r d ir.

m-l,2-Dikloroeten ve trans-1,2-dikloroeten molekülleri birbirinin ayna görüntüle ri değildir. Eğer bir kişi, cis-1,2-dikloroeten modelini aynaya tutarsa, aynada göreceği model frtf/7.s-l,2-dikloroeten olmayacaktır. Fakat, c/s-1,2-dikloroeten ve trans-1,2dikloroeten stereoizomerdir ancak nesne ve ayna görüntüsü olarak birbirleriyle ilişkile ri olmadığından, bunlar diastereomerdirler. Sikloalkanların cis ve trans izomerleri bize, birbirinin diastereomeri olan başka stereoizomer örneklerini sağlar. Aşağıdaki iki bileşiği ele alalım.

H

H

H

cis-l,2-Dimetilsiklopentan (C7H14)

Me

tran s -1,2-Dimetilsiklopentan

(C7Hu )

Bu iki bileşik, birbirlerine dönüşemeyen farklı bileşikler oldukları ve aynı molekül formülüne (C7H14) sahip oldukları için birbirinin izomeridir. Bu bileşikler, atomlarının aynı sırayla bağlanmaları nedeniyle yapı izomerleri değildir. Bu yüzden bu bileşikler, stereoizomerdir. Bu bileşikler, yalnızca, atomlarının uzaydaki düzenlemeleriyle farklı dır. Molekülleri birbirinin ayna görüntüsü olmadığından, bu iki bileşik enantiyomer de değildir. Bu yüzden bu bileşikler diastereomerdir. (Altbölüm 5.13’te, trans-\, tilsiklopentanın da bir enantiyomere sahip olduğunu göreceğiz.) Karşılaşacağımız diastereomer türleri yalnızca cis-trans izomerleri değildir. Altbölüm 5.11 ’de cis-trans izomerleri olmayan diastereomerleri inceleyeceğiz. Birbirinin ayna gö rüntüsü olmayan, fakat birbirinin stereoizomeri olan iki bileşiğin birbirinin diastereome ri olduklarını vurgulamakta yarar var.

İZOM ERLERİN ALT SINIFLARI İZOMERLER (Aynı molekül formülüne sahip farklı bileşikler)

Yapı İzomerleri (Atomları farklı bağlanma düzeninde olan izomerler)

Enantiyomerler (Birbirinin çakışmayan ayna görüntüsü olan izomerler)

Stereoizomerler (Atomlarının bağlanma düzeni aynı, fakat uzaydaki düzenlenmesi farklı olan izomerler)

Diastereomerler (Birbirinin ayna görüntüsü olmayan stereoizomerler)

5.2 Enantiyomerler ve Kiral Moleküller

5.2

E n a n t î y o m e r l e r ve K iral Mo l e k ü l l e r

Enantiyomerler, yalnızca molekülleri kiral olan bileşiklerle meydana gelir. Bir kiral mo lekül, ayna görüntüsü ile aynı olmayan bir molekül olarak tanımlanır. Kiral molekül ve onun ayna görüntüsü enantiyomerlerdir ve kiral molekül ile ayna görüntüsü arasın daki ilişki, enantiyomerik ilişki olarak tanımlanır. Kiral kelimesi, "el" anlamındaki Yunanca cheir kelimesinden gelir. Moleküller de dahil, kiral nesnelerin “el seçiciliğe” sahip olduğu söylenir. Kiral terimi enantiyomer molekülleri tanımlamak için kullanılır, çünkü bu moleküller sol elin sağ elle olan iliş kisiyle aynı şekilde birbirleriyle ilişkilidir. Sol elinizi aynada gördüğünüzde, sol elini zin aynadaki görüntüsü bir sağ eldir (Şekil 5.1). Dahası, sol eliniz ile sağ eliniz aynı değildir ve bu farklılık, onların çakışır olmadıklarını* gözlemek suretiyle gösterilebilir (Şekil 5.2) Pek çok bildik nesne kiraldir ve bu nesnelerin bazısının kiralliği açıktır, çünkü biz normalde onların "el seçiciliğe" sahip olduğunu söyleriz. Örneğin, cıvatalar ve somun larından sağ veya sol yivli olarak veya pervaneden sağ veya sol yelpazeli olarak bahse deriz. Bu anlamda, diğer pek çok nesnenin kiralliği açık değildir, fakat nesne ile ayna görüntüsünün çakışıp çakışmadığını denediğimizde açık hale gelir. Görüntüleri ile çakışabilen nesneler ve moleküller akiraldir. Örneğin, eldivenler ki ral iken pek çok çorap akiraldir. Aşağıdaki nesnelerin her birini kiral veya akiral oluşlarına göre sınıflandırınız. (a) Tornavida (d) Tenis ayakkabısı (g) Otomobil (b) Beyzbol sopası (e) Kulak (h) Çekiç (c) Golf sopası (f) Odun vidası

^

* H a tır la tm a : Çakışabilirlik, bir şeyi başka bir şeyin üzerine, b ü tü n p a rç a la r b irb iriyle u yu şa c a k şe k ild e ko yabilmeniz anlamındadır.

P ro b l e m 5.1

187

188


Moleküllerin kiralliği nispeten basit moleküller ile gösterilebilir. Örneğin 2-biitanolü göz önüne alınız.

CH3ÇHCH2CH3 OH 2-Bütanol Şimdiye kadar, henüz yukarıda yazılan formülü sanki yalnızca tek bir maddeyi belirtiyormuş gibi gösterdik ve 2-bütanol moleküllerinin kiral olduğundan bahsetmedik. Kiral olmaları nedeniyle, gerçekte iki farklı 2-bütanol vardır ve bu iki 2-bütanol enantiyomerlerdir. Şekil 5,3'teki çizim ve modelleri inceleyecek olursak bunu anlayabiliriz. Eğer model I bir aynanın önüne tutulacak olursa, aynada model II; model II tutu lursa. bu defa da model I görüncektir. Model I ve II birbiri üzerine çakışmaz: bu yüz den onlar farklı, fakat izomerik molekülleri gösterir ve model I ve II, birbirinin çakışm ayan ayna görüntüleri olduklarından, onların tem sil ettikleri m oleküller enantiyomerlerdir.

Şekil 5.3 (a) 2-Bütannliin enantiyomerleri olan I ve IFnin üç boyutlu çizimleri. (b) 2Bütanol enantiyomerlerinin modelleri, (c) Model I ve Il’nin çakıştırılması için başarısız bir girişim.

(c)

5.2 Enantiyomerler ve Kiral Moleküller

Eğer modelleriniz varsa. Şekil 5.3'te gösterilen 2-bütanol modellerini kurunuz ve ^ gerçekten çakışmaz olduklarını kendiniz görünüz, (a) Benzer modelleri 2-bromopropan için kurunuz. Onlar çakışıyorlar mı? (b) 2-Bromopropan molekülü kiral mi dir? (c) 2-Bromopropanın enantiyomerik yapılarını bulmayı umuyor musunuz? Enantiyomer ihtimalini ne zaman bekleyeceğimizi nasıl bileceğiz? Bunun bir yolu (fakat tek yol değil), enantiyomer çiftlerinin, daima, kendisine dört farklı grup bağ lanmış bir atom içeren moleküller için mümkün olduğunu bilmektedir.* 2-Bıitanolde (Şekil 5.4) bu atom C2’dir. C2’ye bağlanmış olan dört farklı grup, bir hidroksil grubu, bir hidrojen atomu, bir metil grubu ve bir etil grubudur. Böyle enantiyomerlerin önemli bir özelliği, dört farklı grup taşıyan düzgün dörtyüz lü atomdaki herhangi iki grubun yer değiştirmesiyle bir enantiyomerin diğerine dönüş mesidir. Şekil 5.3b'de hidroksil grubuyla hidrojen atomunun yer değiştirmesinin bir enantiyomeri diğerine dönüştüreceği kolayca görülebilir. Başka herhangi iki grubun yer değiştirmesinin de aynı sonucu vereceğine modellerle çalışarak kendinizi ikna etmeli siniz. C2’deki iki grubun yerinin değiştirilmesiyle bir stereoizomer diğerine dönüştüğün den, C2 bir stereomerkez örneğidir. Bir ste re o m e rk e z, h e rh a n g i iki g ru b u n k e n d i a r a la rın d a y e r d e ğ işm e si ile y e n i b ir s te r e o iz o m e r o lu ştu ra c a k ö ze llik te g r u p la r ta şıya n

olarak tanımlanır. 2-Bütanolün 2 nolu karbonu bir d ü zg ü n d ö rty ü z lü s te r e örneğidir. Bununla birlikte, bütün stereomerkezler düzgün dörtyüzlü değildir. Cis- ve /ttms-l,2-dikloroetenlerin karbon atomları (Altbölüm 5.1) üçgen düzlemsel stereomerkezlerin örnekleridir, çünkü atomların her ikisinde de grupların yer değiştirmesi bir stereoizomer (bir diastereomer) meydana getirir. Genelde, organik bileşiklerden bah sedildiği zaman, başka türlü açıkça belirtilmedikçe, stereomerkez teriminden düzgün dört yüzlü bir stereomerkez anlaşılır. (Stereomerkez olan bir karbon atomu bir stereojenik karbon olarak da adlandırılabilir.) Böyle yer değiştiren grupları tartıştığımızda bizim, bir molekül modelini veya kağıt üzerine yaptığımız bir şeyi tanımladığımıza dikkat etmeliyiz. Gerçek bir molekülde —eğer böyle bir şey yapılabilirse—grupların yer değiştirmesi, kovalent bağların kırıl masını, bu da dışarıdan büyük bir enerji girdisini gerektirir. Bu. 2-bütanol enantiyomerleri gibi enantiyomerlerin kendiliğinden birbirine dönüşmeyeceği anlamına gelir. b ir a to m o m e rk e z

(hidrojen) H 1

(metil)

2İ

3

4

CH}— C— CIECII,

(etil)

I

OH (hidroksil)

Şekil 5.4

Dört farklı grubu taşıyan 2bütanolün düzgün dörtyüzlü karbon atomu. IGeleneksel olarak böyle atomlar bir yıldızla (*) işaretlenir.]

* İleride, kendisine dört farklı grııp bağlı düzgün dörtyüzlü atomdan birden fazla içeren moleküller için de enantiyomerlerin mümkün olacağım, fakat bu moleküllerin bazılarının (Altbölüm 5.1 İA) enantiyomerler ola rak mevcut olmadıklarını göreceğiz.

189

P ro b l e m 5.2

İki kiral molekülün aynı veya farklı yapıda olup olmadıkları belirlenirken, bir modelin veya üç boyut lu formülün iki grubunun yerinin değiştirilmesi yararlı bir deneme olabilir.

190

Bölüm 5 / Stereokimya: Kiral Moleküller Bir zamanlar, dört farklı grup taşıyan düzgün dörtyüzlü atomlar, kiral atom lar veya asimetrik atomlar olarak adlandırılırdı. Daha sonra 1984'te. K. Mislow (Princeton Üniversitesi) ve J. Siegel (şimdi Kaliforniya Üniversitesi’nde. San Diego), böyle terimlerin bu şekilde kullanımının, van't Hoff (Altbölüm 5.4) zamanından beri var olan stereokimyada kavramsal bir ka rışıklığa neden olduğuna işaret ettiler. Kirallik, molekülün bütününü kap sayan ve molekülün bütün parçalarını etkileyen geometrik bir özelliktir. Örneğin 2-bütanoldaki atomların hepsi kiral bir çevrededir ve bu yüzden, tamamının kirotopik olduğu söylenir. Bununla birlikte, burada tanımladı ğımız şekilde, 2-bütanolün C2’si gibi bir atomu ele aldığımızda, onu bir stereomerkez olarak dikkate alacağız ve bu yüzden onu bir "kiral atom" olarak değil, bir stereomerkez olarak isimlendireceğiz. Bu konuların daha fazla irdelenmesi buradaki amacımızın dışındadır, fakat orijinal makaleyi okumak isteyen olabilir, bkz. Mislow, K., Siegel, J., J. Am. Chem. Soc. 1984. 106, 3319-3328.

Şekil 5.5, bir molekül tek bir düzgün dörtyüzlü stereomerkez içerse bile mutlaka enantiyomerik bileşikler vereceği genellemesinin geçerliliğini gösteriyor.

Öğretici için: Düzgün dör tyüzlü stereomerkez.

Şekil 5.5 Bir düzgün dörtyüzlü stereomerkeze sahip genelleştirilmiş bir molekülün kiralliğinin gösterimi, (a) III ve IV’teki karbon atomlarının etrafındaki dört farklı grup rastgele seçilmiştir, (b) III döndürülüyor ve bir aynanın önüne yerleştiriliyor. III ve IV arasında, bir nesne ile onun aynadaki görüntüsü arasında olduğu gibi bir ilişki vardır, (c) III ve IV çakışmazlar; bu yüzden, onların temsil ettiği moleküller kiral ve enantiyomerlerdir.

5.3 Kiralliğin Biyolojik Önemi

Modeller oluşturarak Şekil 5.5’te gösterdiğimizin geçerliliğini gösteriniz. III ve ^ IV’ün, bir nesne ile onun ayna görüntüsü ilişkisinde olduğunu ve çakışmadıklarım (yani III ve IV’ün kiral moleküller ve enantiyomerler olduklarını) kendi kendinize gösteriniz, (a) Şimdi IV’ü alınız ve herhangi iki grubun yerlerini değiştiriniz. Mo leküller arasındaki yeni ilişki nedir? (b) Şimdi, her iki modeli alınız ve herhangi iki grubun yerini değiştiriniz. Moleküller arasındaki ilişki şimdi nedir? Bir moleküldeki düzgün dörtyüzlü atomların hepsi, aynı iki veya daha fazla bağlı gruba sahipse, bu molekül bir stereomerkeze sahip değildir. Bu molekül ayna görüntü sü ile çakışır ve akiraldir. Bu tip bir molekül örneği 2-propanoldur: 1 ve 3 numaralı karbon atomları benzer üç hidrojen atomu, merkez atomu ise aynı iki metil grubu taşır. Eğer 2-propanol için üç boyutlu yapıları yazarsak, bir yapının kendi ayna görüntüsü olan diğeriyle çakıştığını görürüz (Şekil 5.6). ch3

C Ô H 1 ch3

1 | 1 I I I I I

V

h 3c

ch3

HO

= c ^

H

1 ch3

ch3

f

H ^ c C-.O H V Ich3 ch3

VI (a)

3 VI

(b)

P ro bl em 5.3

Kimyanın üç boyutlu yönü işin içine girdiğinde, mo dellerle çalışmak yardımcı bir öğrenme tekniğidir.

o Öğretici için: Aynı olan iki grup

Şekil 5.6 (a) 2-Propanol (V) ve onun ayna görüntüsü (VI). (b) İkisinden biri döndürüldüğünde bu iki yapı çakışır ve bu yüzden enantiyomerleri temsil etmezler. Bunlar aynı bileşiğin iki molekülünü gös terir. 2-Propanol bir stereomerkeze sahip değildir.

Bundan dolayı, 2-propanolün enantiyomerik şekillerinin var olmasını beklemeyiz ve deneysel olarak da 2-propanolün şimdiye kadar yalnızca bir şekli bulunmuştur.

Burada listelenmiş moleküllerin bazıları bir stereomerkeze sahiptir, bazıları sahip ^ değildir. Stereomerkeze sahip olan moleküllerin her iki enantiyomeri için üç boyut lu formülleri yazınız. (a) 2-Floropropan (e) 2-Bromopentan (b) 2-Metilbütan (f) 3- Metilpentan (c) 2-Klorobiitan (g) 3-Metilheksan (d) 2-Metil-l-bütanol (h)l-Kloro-2-metilbütan

5.3

191

KİR ALLİĞ İN B İYO LO JİK Ö N E M İ

Kirallik evreni kaplayan bir olgudur. Merkezin soluna yerleşen kalp ve sağına yerleşen karaciğer ile, insan vücudu yapısal olarak kiraldir. Anlaşılması zor evrimsel nedenler le, insanların çoğu sağ elini kullanır. Sarmal deniz kabukluları kiraldir ve çoğu sağa doğru dönen bir vida gibi spiraldir. Destekleyici yapıların etrafını sarmak suretiyle pek çok bitki kirallik gösterir. Lonicera sempen’irens familyasından hanımeli, sola doğru dönen bir sarmal yapar; Convolvulus sepilim familyasından çit sarmaşığı ise sağa doğ ru dönen bir yolla sarmal yapar. Bitki ve hayvanları meydana getiren moleküllerin ço ğu kiraldir ve verilen bir türde, kiral molekülün genellikle yalnızca bir türü vardır. Doğal proteinleri oluşturan 20 amino asidin biri hariç hepsi kiraldir ve bunların hepsi solak olarak sınıflandırılırlar.

P ro bl em 5.4

192


DNA’nın sağa doğru dönen sarmalı gibi, çit sarmaşığı (Concolvulus sepium) da sağa dönen bir biçimde sarmal yapar.

DNA’da* bulunan şeker de dahil, doğal şekerlerin hemen hepsi sağlak olarak sınıflan dırılırlar. DNA’nın kendisi de sarmal bir yapıya sahiptir ve doğal olarak oluşan DNA’ların hepsi sağa doğru döner. Kirallik ile ilişkili biyolojik özelliklerin niteliği, çoğu kere her bir eldivenin kendi ne ait olan ele özgü olmasına benzetilir; bir kiral alıcıya (bir eldiven), bir kiral molekü lün (bir el) bağlanmasındaki özgülük yalnızca bir yolu tercih eder. Ya molekül, ya da biyolojik alıcı tarafı yanlış el seçiciliğe sahipse, doğal fizyolojik cevap (örneğin sinir sel tepki veya tepkime katalizlenmesi) meydana gelmeyecektir. Enantiyomer çifti ha lindeki amino asitlerden yalnızca birinin, varsayımsal bir bağlanma bölgesi ile (örneğin bir enzimdeki) nasıl uygun bir yolla etkileşebileceğini gösteren bir diyagram Şekil 5.7’de görülmektedir. Amino asidin düzgün dörtyüzlü stereomerkezinden dolayı, bu iki amino asitten yalnızca biri için uygun bir tarzda üç boyutlu bağlanma meydana gelebilir. Kiral moleküller, insanı etkileyen yollar da dahil, pek çok yolla farklı el seçicilik gösterebilirler. Limonen olarak adlandırılan bir bileşiğin (Altbölüm 23.3) bir enantiyomerik şekli portakalların kokusundan sorumluyken, diğer enantiyomer, limonların ko kusundan sorumludur.

Limonenin enantiyomerik şekilleri

Karvon (Problem 5.14) olarak adlandırılan bir bileşiğin bir enantiyomeri, keraviye (ka raman kimyonu) esansı iken, diğeri nane esansıdır. Stereomerkez içeren ilaçların etkinlikleri, enantiyomerleri arasında, ciddi ve hatta trajik sonuçlar oluşturabilecek biçimde değişebilir. 1963’ten önce uzun yıllar, talidomid, hamile kadınlarda sabah bulantısı belirtilerini yatıştırmak için kullanıldı. 1963’te

Şekil 5.7 Gösterilen iki amino asit enantiyomerinden yalnızca biri varsayımsal bağlan ma bölgesi ile (örneğin bir enzimdeki) üç boyutlu bağlanmayı gerçekleştirebilir.

R I 1

R | H / C \ ..C°*

■°*c

a n i *n h 3

....

h

h

*NH,

/

* İlgili okuma parçası için bakınız: Hegstrum, R. A.; Kondepudi, D. K. “The Handedness of Universe” Sci. 1990, 262(1), 98-105, ve Horgan, J. “The Sinister Cosmos”, S ci. A m . 1997, 276(5), 18-19.

Am.

5.4 Stereokimyanm Tarihi Kökeni

bu ilacın kullanımını takiben doğan pek çok çocukta talidomidin korkunç doğum kusur larına neden olduğu keşfedildi.

Talidomid (Thalomid®)

Daha sonraları, talidomidin enantiyomerlerinden birinin (sağlak molekül) sabah bulan tılarını tedavi etkisine sahipken, ilaçta eşit miktarda var olan diğer enantiyomerin, do ğum kusurlarının nedeni olabileceğini belirten kanıtlar ortaya çıkmaya başladı. Bu iki enantiyomerin etkisine ilişkin deliller, bu iki enantiyomerin fizyolojik şartlar altında bir birine dönüşmesi nedeniyle karışıktır. Yine de, şimdi talidomidin cüzzamla ilişkin cid di komplikasyonların tedavisi amacıyla, son derece sıkı düzenlemeler altında, kullanılması kabul edilmektedir. AIDS, beyin kanseri ve romatizmal kireçlenmeler dahil, diğer du rumlar için potansiyel kullanımı da İncelenmektedir. Altböliim 5.10'da kiral ilaçların baş ka yönlerini inceleyeceğiz. (a) Limonenin hangi atomu stereomerkezdir? (b) Talidomidin hangi atomu stereomerkezdir? Limonen ve talidomid enantiyomerleri için bağ çizgi formülleri çi ziniz ve her birinin stereomerkezini kama-kesikli kama gösterimini (Altbölüm 1.17E) kullanarak gösteriniz.

5 .4

Ste

r e o k îm y a n in

T

a r

İh î K

ö ken î

1877’de o yılların en ünlü kimyacılarından biri olan Leibzif Üniversitesi’nden Hermann Kolbe şöyle yazıyordu: Çok uzun olmayan bir zaman önce, Almanya’da kimya araştırmalarının kötüleşti ğini, bunun nedenlerinden birinin de genel eğitimin ve iyi bir kimya eğitiminin ek sikliği olduğunu ifade etmiştim....Benim görüşlerim kendilerine abartılı gelenler varsa, onlar mümkünse lütfen, içi çocukça fantezi döküntüsü ile doldurulmuş bir belgeyi. Sayın van’t Hoff’un "Uzayda Atomların Düzeni" adlı yakın zamanda ya yınlanmış hikayesini okusun.... Öyle görülüyor ki, Utrecht Veteriner Koleji’nin bir çalışanı olan bu Dr. J. H. van’t Hoff, gerçek bir kimyasal araştırmaya elini sür memiş. Anlaşılıyor ki o Veteriner Kolejinin ahırlarından aldığı cesur Pegasus’un sırtına binmeyi daha uygun bulmuş, Pamasus Dağı’na doğru cesur uçuşu sırasın da, atomlarm uzayda nasıl düzenlendiğini görmüş ve şimdi gördüklerini insanla ra ilan ediyor.

Meslek hayatının sonuna yaklaşmış olan Kolbe, 22 yaşında bir Alman bilimcisinin makalesine tepki gösteriyordu. 1874 eylülünde yayınlanan makalesinde van’t Hoff, mer kez bir karbon atomu etrafındaki dört atomun uzaysal düzeninin düzgün dörtyüzlü ol duğunu öne sürmekteydi. Genç bir Fransız kimyacısı olan J. A. Le Bel, Kasım 1874’teki bir yayınında, bağımsız olarak aynı fikri geliştirmişti. Yine de, Kolbe’nin yorumundan sonraki 10 yıl içinde, van’t Hoff’un "çocukça fantazileri"ni kanıtlayan bol miktarda de lil bulundu. Daha sonraki kariyerinde (1901 ’de), van’t Hoff başka çalışmalarından do layı kimyada ilk Nobel Ödülü kazanan kimse olarak ün kazandı.

P ro b l e m 5.5

193

194


van't Hoff ve Le Berin yayınları, birlikte, moleküllerin üç boyutlu yapılarını dik kate alan bir çalışma alanı olan stereokimyada önemli bir ihmale dikkat çekti. Altbölüm 5.15’te bahsedeceğimiz gibi, stereokimya, Louis Pasteur tarafından çok daha önceleri kurulmuştu. Bizim bu bölümde daha önceden anlattığımız türde pek çok gözlem, van’t Hoff ve Le Bel’i, karbon atomu başka dört atoma bağlı olduğu zaman, karbon atomlarının etra fındaki grupların uzaydaki yöneliminin düzgün dörtyüzlü olduğu sonucuna götürmüş tü. van’t Hoff ve Le Bel’e göre aşağıdaki bilgiler kullanılabilirdi. 1. CH3X genel formülünde yalnızca bir bileşik bulunur. 2. CH2X2 veya CH2XY formülünde yalnızca bir bileşik bulunur. 3. CHXYZ formülünde iki enantiyomerik bileşik bulunur. Problem 5.6’yı inceleyerek van’t Hoff ve Le Bell’in ileri sürdüğü kanıtlarla ilgili daha çok şey görebilirsiniz. P ro bl em 5.6

>■ Disübstitüe metanların örneklerinden CH2C12 ve CH2BrCl’yi göz önüne alarak ya pacağınız incelemeden bu karbon bileşikleri için kare düzlem yapıların niçin müm kün olamayacağını gösteriniz, (a) Eğer karbon kare düzlem bir yapıya sahip olsaydı her birinde kaç tane izomer mümkün olurdu? (b) Karbon düzgün dörtyüzlü ise, her birinde kaç izomer mümkün olur? (c) ve (d) Şıkları için trisübstitüe bir metan ör neği olarak CHBrCİF yi göz önüne alınız, (c) Karbon, kare düzlem bir yapıya sa hip olsaydı kaç tane izomer mümkün olurdu? (d) Karbon düzgün dörtyüzlü ise, CHBrCİF için kaç kaç izomer mümkün olur?

5 .5 K î r a l l i k İçiN D e n e m e l e r : SİM ETRİ D Ü Z L E M İ Moleküler kiralliği anlamanın kesin yolu, molekülün ve onun ayna görüntüsünün mo dellerini yapmak, daha sonra bunların çakışıp çakışmadığını kontrol etmektir. Eğer bu iki model çakışıyorlarsa onların temsil ettiği molekül akiraldir. Eğer modeller çakışmı yorsa, temsil ettikleri moleküller kiraldir. Şimdi anlattığımız şekilde, bu denemeyi, ger çek bir maddeye uygulayabileceğimiz gibi, üç boyutlu yapıları çizmek ve zihnimizde onları çakıştırmaya teşebbüs etmek suretiyle de uygulayabiliriz. Şekil 5.8 (a) 2-Kloropropan bir simetri düzlemine sahiptir ve akiraldir, (b) 2-Klorobütan bir simetri düzlemine sahip değildir ve kiraldir.

5.6 Enantiyomerlerin Adlandırılması: (R-S) Sistemi

195

Bununla birlikte, kiral molekülleri tanımada bizi destekleyecek başka yardımcılar da vardır: Biz bunlardan birinden daha önce bahsettik: Bir te k düzgün dörtyüzlü stereomerkezin varlığı. Diğer yardımcı, kesin simetri unsurlarının molekülde olmayışma da yalıdır. Örneğin, eğer molekül bir simetri düzlemine sahipse, molekül kiral

olmayacaktır. Bir simetri düzlemi (ayna düzlemi de denir)

m o le k ü lü n h e r ik i p a r ç a s ı b irb irin in

olarak ta nımlanır. Bu düzlem, atomların üzerinden, atomların arasından veya her ikisinden de ge çebilir. Örneğin, 2-klorobütan böyle bir düzleme sahip değilken (Şekil 5.8d) 2-kloropropan bir simetri düzlemine sahiptir (Şekil 5.8a). Bir simetri düzlemine sahip

a y n a g ö rü n tü sü o la c a k ş e k ild e b ir m o le k ü lü ik iy e b ö le n h a y a li b ir d ü zle m

olan bütün moleküller akiraldir.________________________________________ Problem 5.1 ’de verilen nesnelerden simetri düzlemine sahip olan ve bu yüzden aki- •< rai olanlar hangileridir?

P ro bl em 5.7

Problem 5.4’teki akiral moleküllerin hepsinin üç boyutlu formüllerini yazınız ve bir ■< P ro b l e m 5.8 simetri düzlemi tasarımı yapınız. (Bir simetri düzlemi tasarımı yapabilmek için mo lekülü uygun bir konformasyonda yazmalısınız. Bu tasarım, yalnızca oda sıcaklı ğında serbestçe dönebilen birli bağlara ve birli bağlarla birleşmiş gruplara sahip olduklarından bu moleküllerin hepsi için uygundur. Bu konuyu Altbölüm 5.11 ’de daha ayrıntılı olarak tartışacağız.)

5 .6

E N A N TİY O M E R LE R İN A DLA N D IR ILM A S I: SİSTEM İ

(R -S )

2-Bütanolün iki enantiyomeri aşağıda verilmiştir. ÇH3

çh3

OH

HO CH,

CH,

I -

I 2

CH3 I

ch3

n

Yalnızca bu ana kadar öğrendiğimiz İUPAC adlandırma sistemini kullanarak isimlen dirme yapacak olursak iki enantiyomer aynı ada sahip olacaktır: 2 -bütanol (veya sekbütil alkol) (Altbölüm 4.3F). Bu istenmeyen bir durumdur, çünkü her bileşik kendine ait farklı bir ada sahip olmalıdır. Ayrıca, bir bileşiğe verilen isim, adlandırma kurallarını bilen bir kimyacının, yalnızca isminden o bileşiğin yapısını yazmasına izin vermelidir. Verilen 2-bütanol adıyla , bir kimyacı ya I yapısını ya da II yapısını yazabilir. Üç kimyacı, R. S. Cahn (İngiltere), C. K. Ingold (İngiltere) ve V. Prelog (İsviçre), bir adlandırma sistemi tasarladılar. Bu sistem İUPAC sistemine eklendiğinde bu prob lemlerin her ikisini de çözüyordu. (R-S) Sistemi veya Cahn-Ingold-Prelog sistemi ola rak adlandırılan bu sistem, şimdi yaygın olarak kullanılmakta ve İUPAC kurallarının bir parçasını oluşturmaktadır. Bu sisteme göre 2-bütanolün bir enantiyomeri (/?)-2-bütanol, diğeri (S)-2-bütanol ola rak tasarlanmalıdır. [(/?) ve (S) sırasıyla, sağ ve sol anlamına gelen Latince rectus ve si nister kelimelerinden gelir.] Bu moleküllerin C-2’de zıt konfigürasvonlara sahip olduğu söylenir.

Kiral karbon atomlarının konfigürasyonlarını belirt mek için sıra kuralını geliştiren Cahn (soldan), Ingold ve Prelog 1966’da bir toplantıda görülüyor.

196

Bölüm 5 / Stereokimya: Kira! Moleküller

(/?) ve (S) konfigürasyonları aşağıdaki yönteme uyularak belirlenir. 1. Stereomerkeze bağlı dört gruptan her biri öncelik veya tercih sırasına göre a, b, c, d olarak işaretlenir. İlk olarak stereomerkeze doğrudan bağlı atomun atom numa rasına dayalı olarak öncelik tayin edilir. En küçük atom numaralı gruba en düşük öncelik (d) verilir; sonraki biraz daha büyük atom numaralı gruba sonraki daha yüksek öncelik (c) verilir ve böyle devam edilir. (İzotoplar olması halinde en büyük atom kütlesine sahip izotop daha büyük önceliklidir.) Bu kuralın uygulanmasını 2-bütanolün I enantiyomeri üzerinde gösterebiliriz. ÇH3 (b ya da c) (a) HOv ! (d) C ÇH2 (b ya da c) CH3 I Oksijen, stereomerkeze bağlı dört atomun en yüksek atom numaralı olanıdır ve en yük sek önceliği belirten a ile işaretlenir. Hidrojen en düşük atom numarasına sahiptir ve en düşük önceliği belirten d ile işaretlenir. Bu yaklaşımla metil grubu veya etil grubunun önceliği belirlenemez, çünkü her iki grupta da stereomerkeze doğrudan bağlı olan atom karbon atomudur. 2. Stereomerkeze doğrudan bağlı olan atomlar için atom numaraları temeline göre bir öncelik belirlenemediğinde, önceliği belirlenemeyen grupların sonraki atom setleri araştırılır. Bu işlem bir karara varılmcaya kadar sürdürülür. Faikın bulunduğu ilk noktada önceliği belirleriz.* Enantiyomer I ’in metil grubunu incelediğimizde, sonraki atom setinin üç hidrojen atomundan meydana geldiğini görürüz (H, H, H). Fin etil grubunda ise sonraki atom seti bir karbon atomu ve iki hidrojen atomundan oluşmuştur (C, H, H). Karbon, hidro jenden daha büyük atom numarasına sahiptir, bundan dolayı da etil grubunu daha yük sek öncelikle, b ile, metil grubunu ise daha düşük öncelikle, c ile belirteceğiz. (C, H,

H) > (H, H, H). H | (c) (H. H, H) H— Ç — H (fl)

HOv

! ^ H

(d )

H— C— H I ( b) H—C —H I H I

(C ,

H. H)

3. Şimdi, en düşük önceliğe sahip olan grup bizden en uzak olacak şekilde, formülü (veya modeli) döndüreceğiz. * Dallanmış bir zincir için bu kurallar, bizim daha yüksek öncelikli atomlara sahip zinciri takip etmemizi gerektirir.

5.6 Enantiyomerlerin Adlandırılması: (R -S) Sistemi

Daha sonra a'dan b'ye ondan da c’ye giden yolu izleyeceğiz. Eğer biz bunu yaparken parmağımızın (veya kalemin) yönü saat yelkovanı yönü ise bu enantiyomer (R) olarak belirtilir. Eğer yön, saat yelkovanı yönünün tersi ise, enantiyomer (5) olarak belirtilir. Bu esaslara göre 2-bütanol enantiyomerlerinden I, (#)-2-bütanoldür.

Öğretici için: (R-S) Adlandırma Örneği

(c )

CH, H

I CH,

I ' ch3 Oklar saat yelkovanı yönündedir

Bromokloroflorometanların enantiyomerik şekillerini yazınız ve her bir enantiyomeri -< doğru olarak (/?) veya (S) gösterimi ile belirtiniz.

P r o b l e m 5.9

Problem 5.4’e cevap olarak verilen her bir enantiyomer çifti için (R) ve (S) göste- -< rimlerini belirtiniz.

P r o b l e m 5 . 10

Cahn-Ingold-Prelog sisteminin ilk üç kuralı bize birli bağlar içeren pek çok bileşi ğin R ve S gösterimini yapma imkanı sağlar. Çoklu bağlar içeren bileşikler içinse baş ka bir kural geçerlidir. 4. İkili veya üçlü bağ içeren gruplarda öncelik, her iki atom da ikişer veya üçer kez tekrarlanıyormuş gibi belirlenir, yani, burada parantez içindeki semboller, çoklu bağın

\ /c

= Y sanki ve

—C— Y

imiş gibi

(Y) (C) (Y) (C)

—C = Y

sanki

—C — Y (Y) (C)

imiş gibi

197


diğer ucundaki atomların ikileşmesini veya üçleşmesini belirtmektedir. Bu yüzden, vinil grubu, —CH=CH2, izopropil grubundan. —CH(CH3)2, daha yük sek önceliklidir, H

H

1

1

H

imiş gibi CH=CH, sanki —Ç— Ç—H gözönüne 1 1 alınır ve (C) (C)

—(

H

bundan daha —C—H büyük önceliğe 1 sahiptir. H

H—C—H H çünkü, ikinci atom kümesinde, vinil grubu (aşağıdaki yapıya bakınız) C, H, H içerir ken izopropil grubunun her iki dalı H, H, H ’den oluşmuştur. (İlk atom setinde her iki grup da aynıdır: C, C, H.) H H I I —c —c — H >

H

H

—C----- C—H H

(C) (C) H—C—H I H C, H, H Vinil grubu

>

H, H, H izopropil grubu

Daha karışık yapılar için başka kurallar vardır, fakat biz burada onların üzerinde dur mayacağız*.

P ro bl em 5.1 I

^

Aşağıdaki setlerin her birindeki sübstitüentleri öncelik sırasına göre en yüksekten en düşüğe doğru sıralayınız: (a) —C l, —OH, —SH, — H (b) —CH3, —CH2Br, —CH2C1, —CH2OH (c) —H, —OH, —CHO, —CH3 (d) —CH(CH3)2, —C(CH3)3, —H, —C H =C H 2 (e) —H, — N(CH3)2, —OCH3, —CH3

P r o b l e m 5.12

^

Aşağıdaki bileşiklerin herbirini (/?) veya (S) gösterimleri ile belirtiniz,

(a)

çh3 0

\ ....u-

CH2= C H 4

k C2H5

(b)

H C H ,=CH V ! ÔH ç

(c)

ÇH3 H—C = C V f ^C(CH 3) 3 ç 1

C(CH3) 3

* Daha ayrıntılı bilgi Chemical Abstracts Service / In d e x G u id e ' de bulunabilir.

H

5.6 Enantiyomerlerin Adlandırılması: (R-S) Sistemi

Ö r n e k P ro bl em Aşağıdaki yapı çiftini ele alınız ve bunların, enantiyomerleri mi yoksa aym bileşiğin farklı yönlenmelerdeki iki molekülünü mü gösterdiklerini söyleyiniz. CH, = j Hi c ^ c ı

cı ^ f 0 B rw c ^ CH3

1

1 cy H B

Br A Cevap

Bu çeşit problemlere bir yaklaşım yolu bir yapıyı almak ve zihninizde onu bir gru bundan tutmaktır. Sonra, en azından bir grup diğer yapıdakiyle aynı yerde oluncaya kadar, diğer grupları döndürün. (Bunu zihninizde kolaylıkla yapıncaya kadar, model lerle uygulama yapınız.) Buna benzer bir seri çevirmeyle yapıyı ya diğeri ile aynı olun caya veya diğerinin ayna görüntüsünü elde edinceye kadar döndürmeyi sürdüreceksiniz. Örneğin, B’yi alın, klor atomunu tutun, sonra diğer gruplar brom aşağıda oluncaya kadar (A’da olduğu gibi) C*-C1 bağının etrafında döndürün. Daha sonra bromu tutun ve diğer grupları C*-Br bağının etrafında döndürün. Bu B’yi, A ile aynı yapacaktır. ^ > c \-

Ç1

Bn

kçH döndürün

'Ö I H

C*'

ÇH ıH döndürün^ pj. ‘C*

A

ile

aynı

Br

Br B

B

B

Diğer bir yaklaşım, stereomerkezdeki iki grubun yerini değiştirmenin o karbonun konfıgürasyonunu ters çevirdiğini ve yalnızca bir stereomerkeze sahip bir yapıyı, enantiyomerine dönüştürdüğünü; ikinci bir yer değiştirmenin başlangıçtaki molekülü ye niden oluşturduğunu kabul etmektedir. Böylece B’yi A’ya dönüştürmek için kaç değişime gerek olduğunu kaydederek bu yöntemi uygularız. Bu örnekte iki değişimin gerekli olduğu ve yine buradan A ile B’nin aynı olduğu sonucuna varırız.

Br*

çı*% r ^ +C H, 1 H B

çh3

değiştirin C1 ve CH,

"

Rr^ İ , ^ n t I

çh3

değiştirin Br ve H 9

C1 |

Br A

Yararlı bir kontrol şekli de her bileşiği (R-S) gösterimi dahil olarak isimlendirmektir. İsimler aynıysa, o zaman yapılar da aynıdır. Bu örnekte her iki yapı (/?)-l-bromo-lkloroetandır. Bir başka yöntem, elleri kiral bir şablon olarak kullanarak R ve S konfigürasyonlarını belirlemektir (Huheey, J. E ../. Chem. Edııc. 1986, 63, 598-600). Stereomerkez deki gruplar en düşükten en yüksek önceliğe doğru, sırasıyla bilek, başparmak, işaret parmağı ve orta parmakla ilişkilendirilir. Yüzük parmağı ve küçük parmak, el ayasın da kapalı tutulur ve bakan kişinin, bilek uzakta olacak şekilde, elinin görüntüsü ile stereomerkez arasındaki ilişki incelenir. İlişki sol el ile ilgiliyse konfigurasyon S, sağ elle ilgiliyse konfigurasyon R 'dir.

199

200


P ro bl em 5.13

>• Her çiftteki iki yapının enantiyomerleri mi yoksa aynı bileşiğin farklı yönlenmeler deki iki molekülünü mü temsil ettiğini söyleyiniz. H B r ^ c ^F (a) 11

ve

H B r^ c --C l 11 F

ve

F H ^ C^C 1 11 ch3

cı

H (b)

f-

c-

I1 cı

ch3

çh3 H ^ c ^*OH (c) I1 çh2

H ve

h o ^ c ^ ch

i1

ch3

ch3

5 .7

E n a n t İy o m e r l e r İ n Ö O P TİK Ç E A K TİFLİK

z e ll ik le r i:

Enantiyomer moleküller birbirleriyle çakışmazlar ve biz yalnızca bu temele dayanarak enantiyomerlerin farklı moleküller olduğu sonucuna varırız. Peki onlar nasıl farklılaşı yorlar? Enantiyomerler farklı erime ve kaynama noktalarına sahip olan yapı izomerleri veya diastereomerlere mi benziyorlar? Bu sorunun cevabı, hayır. Enantiyomerler aynı erime ve kaynama noktalarına sahiptir. Enantiyomerler, farklı kırma indisine, yaygın çözücülerde farklı çözünürlüğe, farklı infrared spektrumlarına ve akiral reaktiflerle fark lı tepkime hızlarına mı sahiptir? Bu soruların her birine verilecek cevap yine hayırdır. Bu özelliklerin pek çoğu (örn. kaynama noktası, erime noktası, çözünürlükler) iki molekül arasında etkili olan moleküller arası kuvvetlerin büyüklüğüne bağlıdır (Altbölüm 2.14), ve birbirinin ayna görüntüsü olan moleküller için bu kuvvetler aynı olacak tır. Çizelge 5.1’i incelersek, bir örnek olarak, 2-bütanolün enantiyomerleri için verilmiş bazı fiziksel özellikleri görebiliriz. Enantiyomerler, yalnızca başka bir kiral madde ile etkileştiği zaman farklı davranış gösterirler. Enantiyomerler, diğer kiral moleküllere karşı—yani, tek bir enantiyomeri veya enantiyomerlerden birinin aşırısını içeren reaktiflere karşı— farklı tepkime hızı gös terirler. Enantiyomerler, tek bir enantiyomerden oluşan veya bir enantiyomerin aşırısı nı bulunduran çözücülerde de farklı çözünürlük gösterirler. Enantiyomerlerin farklılığını gözlemenin kolay bir yolu, onların düzlem-polarize ışı ğa karşı olan davranışlarını incelemektir. Düzlem-polarize ışığın bir demeti bir enanÇ iz e lg e 5.1 (R )- ve (S )-2 - B ü ta n o lü n F iz ik se l Ö z e llik le r i Fiziksel Özellik Kaynama noktası (1 atm)

(/?)-2-Bütanol

(S)-2-Bütanol

99,5’C

99,5°C

Yoğunluk (g mL ', 20"C!da)

0,808

0.808

Kırma indisi (20"C)

1,397

1,397

5.7 Enantiyomerlerin Özellikleri: Optikçe Aktiflik

201

Şekil 5.9 Bir adi ışık demetinin elektriksel ve manyetik alanlarının bir düzlem içinde sa limini. Burada gösterilen dalgalar, adi ışıkta, mümkün olan bütün düzlemlerde bulunur.

tiyomer içerisinden geçirilirse polarizasyon düzlemi döner. Ayrıca, ayrı enantiyomerler düzlem-polarize ışık düzlemini eşit miktarlarda, fakat farklı yönlerde çevirirler. Enan tiyomerlerin düzlem-polarize ışık üzerindeki etkilerinden dolayı, ayrı enantiyomerlere optikçe aktif bileşikler denir. Enantiyomerlerin bu davranışlarını anlayabilmek için, önce düzlem-polarize ışığın yapısını anlamamız gerekir. Ayrıca, polarimetre denilen bir cihazın nasıl çalıştığını da anlamalıyız. 5.7A D ü z l e m - P o l a r i z e Işık Işık elektromanyetik bir olgudur. Bir ışık demeti birbirine dik titreşim yapan iki alan dan meydana gelir: titreşen elektriksel alan ve titreşen manyetik alan (Şekil 5.9). Eğer bir adi ışık demetini bir uçtan gözlemleyip içindeki elektriksel titreşimlerin oluş tuğu düzlemleri görebilseydik, yayılma yönüne dik mümkün bütün düzlemlerde elekt riksel alan titreşimlerinin oluştuğunu görecektik (Şekil 5.10). (Aynı şey manyetik alanlar için de geçerli olacaktı.) Adi ışık bir polarlayıcıdan geçirildiğinde polarlayıcı, elektriksel alanla öylesine et kileşir ki, polarlayıcıdan çıkan ışığın elektriksel alanı (ve ona dik olan manyetik alan) yalnızca bir düzlemde titreşir. Bu tür ışık düzlem-polarize ışık olarak adlandırılır (Şekil 5.11).

Şekil 5.10 Adi ışığın elektriksel alan titreşimleri, yayılma yönüne dik mümkün bütün düzlemlerde olur.

202


Şekil 5.1 I Düzlem-polarize ışığın elektriksel alan titreşim düzlemi. Bu örnekte polarlanma düzlemi dikeydir.

Polaroid güneş gözlüğü mercekleri de aynı etkiye sahiptir. Polaroid güneş gözlüğüyle bunun doğruluğunu kendi kendinize kanıtlayabilirsiniz. İki mer ceği biri diğerinin üzerine gelecek şekilde yerleştirirseniz, polarizasyon eksenleri çakışacak, ışık her ikisini de normal olarak geçecektir. Eğer mer ceklerden biri diğerine göre 90° döndürülürse hiçbir ışık geçmeyecektir.

5.7B P ol a rim e tre Düzlem-polarize ışığın optikçe aktif bileşikler üzerindeki etkisini ölçmek için kullanı lan aygıta polarimetre denir. Bir polarimetre taslağı Şekil 5.12’de görülmektedir. Bir +

Şekil 5.12 Bir polerimetrenin temel parçaları ve op tikçe çevrilmenin ölçülmesi (Holüm, J. R. Organic Che mistry: A Brief Course; Wi ley, New York, 1975, s. 316’dan alınmıştır.)

-Polarlayıcı ve analizleyici(analizör) paralel. -O p tik ç e aktif bileşik yok. -Polarlanm ış ışık analizleyiciyi geçebilir.

-Polarlayıcı ve anallzleyicl çapraz -O p tik ç e aktif bileşik yok. -Analizleyicıden polarlanmış ışık çıkamaz.

-Polarlayıcı ve analizleyici arasında optikçe aktif bileşik var. -D ö n m ü ş polarize ışığın içensinden geçmesine imkan verm ek için analizleyici sola(gözlemcinin bakış noktasından)döndürülür Polarlayıcı

Anallzleyicl

Gözlem ci

(madde, sola çevirendir).

5.7 Enantiyomerlerin Özellikleri: Optikçe Aktiflik

polarimetrenin iş gören temel parçalan şunlardır: ( 1 ) bir ışık kaynağı (genellikle sod yum lambası), (2) bir polarlayıcı, (3) optikçe aktif maddeyi (veya çözeltiyi) ışık deme tinde tutmak için bir tüp, (4) bir analizleyici ve (5) polarlanmış ışık düzleminin kaç derece döndüğünü ölçmek için bir ölçek. Bir polarimetrenin analizleyicisi (Şekil 5.12) herhangi bir polarlayıcıdan başka bir şey değildir. Eğer polarimetrenin tüpü boşsa veya optikçe aktif olmayan bir madde var sa, düzlem-polarize ışığın ve analizleyicinin ekseni, cihaz 0 °'yi okuduğunda, tam ola rak paralel olacak ve gözlemci, geçen ışığın maksimum miktarım algılayacaktır. Tam tersine, tüp optikçe aktif bir madde, örneğin bir enantiyomer çözeltisi içeriyorsa, tüpten geçerken ışığın polarlanma düzlemi dönecektir. Işığın maksimum parlaklığını ortaya çı karmak için gözlemci ya saat yelkovanı yönünde, ya da saat yelkovanı yönüne ters ola rak analizleyici eksenini çevirmek zorunda kalacaktır. Eğer analizleyici saat yelkovanı yönünde çevrilirse, çevrilme a (derece cinsinden ölçülmüş), artı (+) olarak söylenir. Eğer çevrilme saat yelkovanı yönünün tersi ise, çevrilme negatif (-) olarak söylenir. Düzlempolarize ışığı saat yelkovanı yönünde çeviren maddelere dekstrotatori ve saat yelko vanı yönünün tersi yönünde çeviren maddelere de levorotatori denir (Latince'de: dexter, sağ ve laevus, sol). 5.7C Ö z g ü l Ç e v i r m e Bir enantiyomer çözeltisi içinden ışık geçerken, polarlanma düzleminin çevrilme dere cesi, karşılaştığı kiral moleküllerin sayısına bağlıdır. Elbette bu da tüpün uzunluğu ve enantiyomerin derişimine bağlıdır. Ölçülen çevrilmeleri, standart temele dayalı olarak vermek için kimyacılar, özgül çevirme, [cx], denilen ve aşağıdaki eşitlikle hesaplanan bir nicelik kullanırlar.

Burada [a] a c /

= = = =

özgül çevirme gözlenen çevirme g/mL cinsinden derişim (veya saf çözücüler için g mL 1 olarak yoğunluk desimetre cinsinden tüpün uzunluğu (1 dm = 1 0 cm)

Özgül çevirme ayrıca, sıcaklığa ve kullanılan ışığın dalga boyuna da bağlıdır. Öz gül çevirmeler bu değerler de dahil edilerek verilir. Bir özgül çevirme aşağıdaki gibi ve rilebilir: [ot] d = +3,12' Bu, sodyum lâmbasının D çizgisinin (k = 589,6 nm) ışık kaynağı olarak kullanıldığı, sı caklığın 25°C,da tutulduğu, numunenin 1 g mL 1 derişimde optikçe aktif bileşik içerdi ği, tüpün 1 dm olduğu ve saat yelkovam yönünde 3.12° ’lik bir çevrilme meydana geldiği anlamlarına gelir.*

* Çözeltiler ölçüldüğünde çevrilmenin büyüklüğü çözücüye bağlıdır. Kimya literatüründe dönmeler belirti lirken çözücünün de belirtilmesinin nedeni budur.

203

204


(/?)-2-Bütanol ve (S)-2-bütanolün özgül çevirmeleri aşağıda verilmiştir. ÇH3

çh3

\

X

.. / o

X

H v U °H

c

c ch2

ch2 ch3

ch3

(S)-2-Bütanol [a]gs = +13,52°

(/î)-2-Bütanol laj?,s = -13,52°

Düzlem-polarize ışığın çevrilme yönü, genellikle, optikçe aktif bileşiklerin adlarına eklenir. Aşağıdaki iki enantiyomer seti bunun nasıl yapıldığını gösteriyor. CHj

ÇH3 HOCH , v f C

HV f ^ c

1

c h 2o h

1

c 2h 5

c 2h 5

(S M —)-2-Metil-l-bütanol [a]D5 = -5,756°

(/?)-(+ )-2-Metil-l-bütanol [a]n5 = +5,756°

çh 3

çh3

H^ î C

CİCH , ^ f C

a CH-,C1

1

1

c 2h 5

c 2h ,

(S)-(+)-l-Kloro-2-metilbütan [ot] t? = +1,64°

(R )-(—)-1 -Kloro-2-metilbütan

ta]5s = -1,64°

Yukarıdaki iki enantiyomer seti önemli bir kuralı da açıklıyor: E n a n tiy o m e r k o tıfig iirasyo n larıyla o n la rın düzlem -polarize ışığı çevirm e y ö n le ri [(+ )veya ( - ) ] arasında belirgin b ir iliş k i yoktur. (/?)-(+)-2 -Metil-l-bütanol ile (/?)-(-)-!- kloro-2 -metilbütan aynı konfigürasyona sahiptir, yani, onlar atomlarının uzayda genel düzenlenişi yönünden aynıdır. Bununla beraber, düzlem-polarize ışık düzleminin çevrilme yönü üzerinde zıt etkiye sahiptirler. ÇH, HOCH 2 v î ^ H

Ç C2H5 (R )-(+ )-2-Metil- i -bütanol

ÇH3 Avnı konfigürasyon

CİCH , v ! ^ H

Ç c 2h 5 (R M —)-l-Kloro-2-metilbütan

Konfigürasyon yönünden aynı olan bu bileşikler ikinci önemli bir kuralı açıklıyor: (R ) ve (S ) ta n ım ıy la düzlem -polarize ışığın dönme yö n ü arasında zoru nlu b ir ilişki yoktu r. (/?)-2 -metil-l-bütanol sağa çevirirken (+), (/?)-l-kloro-2 -metilbütan sola çevir

mektedir (-). Bir çok farklı dalga boylarında optik çevirme ölçümlerine dayanan ve op tik çevirme dağılımı denilen bir yöntem, kiral moleküllerin konfigürasyonlarıyla ilişkilendirmek amacıyla kullanılmaktadır. Bununla beraber optik çevirme dağılımı tekniğinin tartışılması bu kitabın kapsamı dışındadır.

5.8 Optikçe Aktifliğin Kaynağı

Aşağıda (+)-karvonun konfigürasyonu görülüyor. (+)-Karvon. kimyon tohumu ya- ^ ğımn ana bileşenidir ve yağın karakteristik kokusundan sorumludur. Onun enantiyomeri olan (-)-karvon, nane yağının ana bileşenidir ve bunun karakteristik kokusunu verir. Karvon enantiyomerlerinin aynı şekilde kokmaması gerçeği bu bi leşikleri algılayan burundaki algılayıcı kısımların kiral olduğunu, uygun bir enantiyomerin kendine özgü bir kışıma uyacağını düşündürür (tıpkı bir elin, tam uygun şekilde yerleşmesi için doğru kiralliğe sahip bir eldivene ihtiyaç duyması gibi). (+)ve (-)-Karvonların R ve S tanımlamalarını yapınız.

(+ )-Karvon

5 .8

O P TİK Ç E A K TİFLİĞ İN K A YN A Ğ I

Ayrı enantiyomerler için gözlenen optikçe aktifliğin kaynağına ilişkin tam ve kısa bir açıklama yapmak mümkün değildir. Yine de, akiral moleküllerin bir çözeltisi içinden diizlem-polarize ışık demeti geçtiğinde meydana gelen şeylerle, kiral moleküllerin bir çözeltisi içinden düzlem-polarize ışık demetinin geçmesiyle meydana gelenlerin karşı laştırılması sonucu bu olgunun kaynaklan anlaşılabilir. Ayrı ayrı bütün moleküller, ister kiral ister akiral olsun, teorik olarak düzlem-pola rize ışık düzlemini hafif olarak çevirebilir. Tek bir molekül tarafından oluşturulacak dön menin yönü ve büyüklüğü, kısmen, ışık demetiyle tam karşılaştığı andaki yönelişine bağlıdır. Elbette, bir çözelti içerisinde, ışık demetinin yolunda milyarlarca molekül var dır ve herhangi bir anda bu moleküller mümkün olan bütün yöneltilerde bulunurlar. Ör neğin, düzlem-polarize ışık demeti akiral bir bileşik olan 2 -propanol çözeltisinden geçerse. Şekil 5.13’te görüldüğü gibi en azından doğru yönlenmiş iki moleküle rastla yacaktır (Şekil 5.13). İlk rastlantının etkisiyle polarizasyon düzlemi çok hafif olarak sa ğa doğru dönebilir. Bununla birlikte, ışık demeti çözeltiden çıkmadan önce, birincinin tam olarak ayna görüntüsü şeklinde yönlenmiş olan en azından bir 2 -propanol molekü lüne daha rastlayacaktır. Bu ikinci rastlantının etkisi, düzlemi eşit ve zıt yönde bir çev-

Herhangibır net dönme yok

Hoy ch 3 Işık dem eti ve polarlanma düzlemi

Eşit

Sağa (a )

doğru hafif dönme

(b)

miktarda sola dönm e

Şekil 5.13 Düzlem-polarize ışığın bir demetinin (a) yönlenmesindeki bir 2-proponal mo lekülü (akiral bir molekül) ile ve daha sonra birincinin ayna görüntüsü yönlenişindeki (b) ikinci bir molekülle karşılaşması. Işık demeti, bu iki karşılaşmadan polarizasyon düzlemi nin net bir dönmesi olmaksızın ayrılır.

P ro bl em 5.14

205

206


Dönm e (/?)—2—bütanol

(û)

Dönm e ( 5 ) —2 -b ü tan o l (m evcu t değil)

Dönm e kaybo lm uyor

(b)

Şekil 5.14 (o) Düzlem-polarize ışık demeti belirli bir yönelişe sahip (7?)-2-bütanolle (kiral bir molekül) karşılaşıyor. Bu karşılaşma polarlanma düzleminde hafif bir dönme oluşturu yor. (b) Bu dönmenin tam olarak kaybolması için tam ayna görüntüsü olarak yönlenen ikin ci bir moleküle gerek var. Dönme kaybolmuyor, çünkü ilk karşılaşmanın ayna görüntüsü olarak yönelebilecek tek molekül (5)-2-bütanoldur ve o da ortamda yoktur. Sonuç olarak polarlanma düzleminde net bir dönme meydana gelir.

rilmeye uğratacaktır: böylece ilk dönme tam olarak ortadan kalkacaktır. Bu yüzden ışık demeti net olarak hiçbir dönmeye uğramayacaktır. Şekil 5.13’te görülen iki rastlantı için henüz tanımladıklarımız, 2-propanol molekül leriyle ışık demetinin mümkün olan bütün karşılaşmaları için de ifade edilebilir. Çok sayıda molekül var olduğundan, belirli yönelmedeki bir molekülle olan her bir karşılaş ma için, ayna görüntüsü yönelimindeki bir başka molekülle olan bir karşılaşmanın da olacağı istatistiki olarak kesindir. Bütün bu karşılaşmaların sonucunda, ayrı ayrı bütün moleküller tarafından meydana getirilen dönmeler iptal olur ve 2 -propanol, optikçe ak tif olmayan bir molekül olarak ortaya çıkar. O zaman, kiral bir bileşiğin tek enantiyomerine sahip bir çözelti içerisinden düzlem polarize ışık geçtiğinde durum ne olur? Saf (#)-2-bütanol çözeltisi içerisinden düzlempolarize ışık geçtiğinde neler olacağım dikkate alarak bu soruyu cevaplayabiliriz. Şekil 5.14, düzlem polarize ışık demetinin (/?)-2-bütanolun bir molekülüyle mümkün karşı laşmalarından birini gösteriyor. Düzlem polarize ışık demeti (/?)-2-bütanol çözeltisinden geçtiğinde, (7?)-2-bütanol molekülünün verilen herhangi bir yöneliminin tam ayna görüntüsü olarak yönlenebile cek bir başka molekül yoktur. Bu yönlenmeyi yapabilecek moleküller yalnızca (S)-2-bütanol molekülleridir ve onlar da ortamda yoktur. Rastgele yönelmiş (/?)-2-bütanolle ışık demetinin karşılaşmalarının tamamı tarafından oluşturulacak dönmelerin hiç biri tam ola rak iptal olmaz ve sonuçta polarlanma düzleminde net bir dönme gözlenir. (/?)-2-Bütanol optikçe aktif olarak bulunur. 5.8A Rasemik Yap ıla r Biz ışık demetini, (/?)-2-bütanol ve (S)-2-bütanolü eşit miktarda içeren bir çözelti içeri sinden geçirseydik, tek başına (/?)-2 -bütanol moleküllerinden oluşmuş çözelti için göz lediğimiz polarlanma düzlemindeki net dönmeyi gözleyemeyecektik. Bu ikinci örnekte. (5 )-2 -bütanol molekülleri (/?)-2 -bütanolünkü ile eşit sayıda bulunacak, bir enantiyomerin mümkün olan her yönelimi için, diğer bir enantiyomer molekülü, ayna görüntüsü yö neliminde olacaktır. Bütün dönmeler tam olarak iptal olacak, enantiyomerlerin eşit karışımını içeren bu çözelti optikçe aktif olmayacaktır. îki enantiyomeri eşit derişimde içeren bir çözelti, rasemik yapı (rasemat veya raseınik karışım) olarak adlandırılır. Bir rasemik yapı, düzlem-polarize ışığı çevirmez;

5.8 Optikçe Aktifliğin Kaynağı

genellikle (±) işaretiyle gösterilir. (7?)-(-)-2-Bütanol ve (S)-(+)-2-bütanolün rasemik şek li aşağıdaki gibi ifade edilebilir: (±)-2-Bütanol veya (+)-CH3 CH2CHOHCH3 5.8B Rasemik Ya pı la r ve E n a n ti y o m e ri k Fazlalık Yalnızca bir tek enantiyomer içeren optikçe aktif madde örneği, enantiyomerik olarak saf veya % 100 enantiyomerik fazlalığa sahip olarak adlandırılır. (5')-(+)-2-Bütanolün enantiyomerik olarak saf bir örneği + 13,520,lik özgül çevirme ([cc] d = + 13,52°) gös terir. Diğer taraftan, eşmolar miktardan daha az (/?)-(-)-2-bütanol içeren bir (S)-(+)-2bütanol örneği, + 13,52°’den küçük, fakat 0 o,den daha büyük bir özgül çevirme gösterecektir. Böyle örneklerin %100'den daha az enantiyomerik fazlalığa sahip oldu ğu söylenir. Enantiyomerik fazlalık (ef) (İng. ee) aşağıdaki gibi tanımlanır: _ _ . „ t ,, bir enantiyomcrin mol sayısı - diğer enantiyomerin mol sayısı % Enantiyomerik tazlalık = ----------- ----------------- ------------------------------------- -— x 100 iki enantiyomerin toplam mol sayısı Enantiyomerik fazlalık optik çevirmeden hesaplanabilir: ^ gözlenen özgül çevirme % Enantiyomerik fazlalık* = ----------------------------------------saf enantiyomerin özgül çevirmesi

x 100

Örneğin, 2 -bütanol enantiyomerlerinin bir karışımının + 6,76°'lik özgül çevirme gös terdiğini varsayalım. Bu durumda (5')-(+)-2-bütanolün enantiyomerik fazlalığının %50 olduğunu söyleyebiliriz. % Enantiyomerik fazlalık =

— x 100 + 13,52°

Bu karışımın enantiyomerik fazlalığının %50 olduğunu söylediğimizde, bu fazla ola rak bulunan (+) enantiyomerin, bu karışımın %50’sini oluşturduğu, diğer %50’sinin de rasemik şekilde olduğu anlamına gelir, %50’sinin rasemik olmasından dolayı, bunlar birbirinin optik çevirmesini yok eder ve yalnızca (+) enantiyomerden oluşan karışımın %50'lik kısmı gözlenen optik çevirmeye katkıda bulunur. Bu yüzden, gözlenen çevir me, karışımın yalnızca (+) enantiyomerden oluşması durumunda beklenen dönmenin %50‘si, yani yarısıdır. Ö r n e k P r o b l e m ------------------------------------------------------------------------------------------Yukarıda bahsedilen karışımın gerçek stereoizomerik bileşimi nedir? Cevap

Toplam karışımın %50’sini, iki enantiyomerin eşit miktarda bulunduğu rasemik şekil oluşturuyor. Bu nedenle, bu %50’nin yarısı (%25) (-)enantiyomer ve diğer yarısı (%25) (+) enantiyomerdir. Karışımın diğer %50’si de enantiyomerik fazlalığa neden olan (+) enantiyomerdir. Sonuç olarak karışım %75 (+) enantiyomer ve %25 (-) enantiyomer içerir. * Bu hesaplama yalnızca tek bir enantiyomere veya enantiyomerlerin karışımına uygulanabilir. Karışımda başka bileşiklerin olması durumunda uygulanmamalıdır.

207

208


P ro bl em 5.15

>

Bir 2-metil-l-bütanol numunesi (bkz. Altbölüm 5.7C) + 1,1510,lik bir özgül çevir meye, [a] d, sahiptir, (a) Bu numunenin % enantiyomerik fazlalığı nedir? (b) Han gi enantiyomer fazla olarak bulunur? (R) mi, yoksa (S) mi?

5 .9

KİR AL M O L E K Ü LL E R İN S E N TE ZLE R İ

5.9A

Rasemik Y a pı la r

Çoğu zaman, organik kimya laboratuvarında çalışma sırasında, molekülleri kiral olma yan reaktanlarla gerçekleştirilen tepkimeler molekülleri kiral olan ürünlerin oluşumuy la sonuçlanır. Herhangi bir kiral etkinin (çözücüden veya bir katalizörden gelen) olmaması durumunda, böyle bir tepkimenin sonucu, bir rasemik yapının oluşumudur. Başka bir deyişle, ürünün kiral molekülleri enantiyomerlerin 50:50’lik bir karışımı olarak elde edi lir. 2-Bütanonun nikel-katalizli hidrojenlenmesiyle 2-bütanolün sentezi buna bir örnek tir. Bu tepkimede hidrojen molekülü; çoğu zaman, karbon-karbon ikili bağına katıldığı yolla karbon oksijen ikili bağına katılır (Altbölüm 4.18A). CH,CH9CCH, + H— H II o 2-Bütanon (akiral moleküller)

Ni

►

Hidrojen (akiral moleküller)

(±)-CH3CH2ÇHCH3 OH (±)-2-Bütanol [kiral moleküller fakat 50:50 lik (R) ve (S) karışımı]

Bu reaktant moleküllerinin hiçbiri (ne 2-bütanon ne de hidrojen) kiral değildir. Ürünün molekülleri (2-bütanol) ise kiraldır. Bununla birlikte, iki enantiyomerin. (/?)-(—)-2-bütanol ve (S)-(+)-2 -bütanolün eşit miktarda elde edilmesi nedeniyle, ürün rasemik bir ya pıda elde edilir. Buna benzer tepkimeler, optikçe aktif bir çözücü veya aşağıda göreceği miz herhangi bir enzim gibi bir kiral etkinin varlığında gerçekleştirilirse böyle bir sonuçla karşılaşılmayacaktır. Bu tepkimede kullanılan nikel ka talizör kiral bir etki göstermez.

Şekil 5.15, 2-bütanolün niçin rasemik bir yapıda elde edildiğini gösteriyor. Nikel ka talizörün yüzeyinde adsorbe olmuş (tutulmuş) olan hidrojen, 2 -bütanolün her iki yüze yine de eşit kolaylıkla katılır. Bir yüzde oluşan tepkime bir enantiyomeri: diğer yüzde oluşan tepkime diğer enantiyomeri oluşturur ve iki tepkime de aynı hızda gerçekleşir. 5.9B Enantiyoseçimli Se ntezler Bir tepkime, bir enantiyomeri, onun ayna görüntüsünden daha fazla oluşturacak şekil de enantiyomer oluşumuna yol açarsa, bu tepkimeye enantiyoseçimli denir. Bir tepki menin enantiyoseçimli olabilmesi için kiral bir reaktif, çözücü veya katalizör, tepkime üzerinde etkili olmalıdır. Pek çok tepkimenin enantiyoseçimli olduğu doğada, kiral etki, enzim olarak adlan dırılan protein moleküllerinden ileri gelir. Enzimler olağanüstü etkiye sahip biyolojik katalizörlerdir. Enzimler, yalnızca diğer yollarla yapılan tepkimeleri çok hızlı gerçek leştirmekle kalmazlar, aynı zamanda tepkime üzerinde etkileyici kiral bir etki de oluş tururlar. Enzimler, bunu, kiral olmaları ve tepkimenin gerçekleşmesi sırasında reaktant moleküllerinin geçici olarak bağlandıkları aktif bölgeye sahip olmaları nedeniyle yapar-

5.9 Kiral Moleküllerin Sentezleri

209

Şekil 5.15 Bir nikel katalizör varlığında 2bütanolün hidrojenle tepkimesi: (a) Yoluyla olan tepkimenin hızı (b) yoluyla olana eşittir. (/f)-(-)-2-Bütanol ve (S)-(+)-2-bütanol eşit miktarlarda, bir rasemat olarak oluşurlar.

HO

OH

Y .—ch , ch 3 / ^CH3~ H

ch 3ch 2*^

cH; ^

\ II

II çh3

H

çh 3

X

X

\ .. U / o

Y

oh

1

\

CH,

CH,

1 1 c h

/

1 1 3

c h

(/?)-(-)-(2)-Bütanol

3

(S)-(+)-(2)-Bütanol

lar. Enzimin aktif bölgesi kiraldır ve kiral reaktant enantiyomerlerinden yalnızca bir ta nesi bu bölgeye tam olarak uyar ve tepkimeye girebilir. Organik kimyacıların enantiyoseçimli tepkimeler gerçekleştirmek için, özelliklerin den yararlandığı pek çok enzim, organik kimya laboratuvarlarında kullanılmaktadır. Bu amaçla kullanılan enzimlerden biri lipaz diye adlandırılan enzimdir. Lipaz, esterlerin (Altbölüm 2.1 İC) bir molekül suyla tepkimeye girerek bir karboksilik asit ve bir alko le dönüştüğü ve hidroliz olarak adlandırılan bir tepkimeyi katalizler. (Bu, esterlerin sentezlendiği bir tepkimenin tersidir.) O

O hidroliz

R—C—O—R' + H—OH ---------►R—C—O — H -t-H— O —R' Ester

Su

Karboksilik asit

Alkol

Kelime olarak su tarafından yarılma anlamına gelen hidroliz, enzim kullanımı içer meyen pek çok yolla da laboratuvarlarda gerçekleştirilebilir. Bununla birlikte, lipaz en ziminin kullanımıyla yapılan hidroliz, neredeyse saf enantiyomerlerin elde edilmesine imkan sağlar. Aşağıdaki hidroliz, lipaz kullanımına güzel bir örnektir. O

O

F Etil (±)-2-floroheksanoat [(/?) ve (S) şekillerinin bir rasematı olan bir ester]

Etil (/?)-(+)-2 floroheksanoat (>99% enantiyomerik fazlalıkta)

O + ^

v

Y F

+ H— O—Et

(S)-( —)-2 Floroheksanoik asit (>69% enantiyomerik fazlalıkta)


Bu esterin (R) enantiyomeri enzimin aktif tarafına uymaz ve bu nedenle etkilenmez. Es terin yalnızca (S) enantiyomeri, aktif tarafa uyar ve hidrolize uğrar. Bundan dolayı, tep kime tamamlandıktan sonra, değişmemiş (/?)-ester, %99 enantiyomerik saflıkta elde edilebilir. Bu yöntem, ayrıca (5)-(-) asitin %69 enantiyomerik saflıkta üretilmesi için de yararlıdır. Dehidrojenaz olarak adlandırılan başka enzimler, Altbölüm 5.9A’dakine benzer karbonil indirgemelerinin enantiyoseçimli olanlarını başarmak amacıyla kulla nılmaktadır. Bölüm 12’de, bu konuda konuşmak için daha fazla bilgiye sahip olacağız.

5 .1 0

KİR AL İLAÇ LAR

İlaç endüstrisinin ve ABD Gıda ve İlaç Yönetiminin en çok ilgi duyduğu konulardan bi ri kiral ilaçların, yani bir rasemat yerine tek bir enantiyomer içeren ilaçların, üretim ve satışıdır.** Bazı ilaçlar, yalnızca bir enantiyomer etkin madde olmasına rağmen yıllar dan beri rasemat olarak pazarlanmaktadır. İltihap giderici bir madde olan ibuprofen (Advil, Motrin, Nuprin) böyle bir örnektir. İbuprofenin yalnızca (S) izomeri etkindir. (/?) izomeri vücutta yavaş bir şekilde (S) izomerine dönüşmesine rağmen iltihap önleyici bir etkiye sahip değildir; yalnızca (5) izomerlerinden oluşmuş bir ilaç rasemata göre çok daha hızlı bir etki gösterir. -n JE

210

ch3 1

3

-CH—C — OH

h3c — c — c h 2-

■

H

O

'

II 0

ibuprofen

Yüksek tansiyona karşı kullanılan bir ilaç olan m etildopa (Aldomet) da bu etkisini yal nızca (S) izomeriyle gösterir.

HO

CH, I OH,—C—COıH I NH,

CH, I CH?—C—CH—COıH SH NHı Penisilamin

Metildopa

Ve, pensilaminin (S) izomeri primer kronik eklem iltihapları için etkili tedavi edici bir madde olmasına rağmen, bileşiğin (R) izomerinin herhangi bir tedavi edici etkisi yok tur, üstelik son derece zehirlidir. P ro bl em 5.16

>■ (a) İbuprofen, (b) metildopa ve formüllerini yazınız.

(c) penisilaminin (S) izomerlerinin üç boyutlu

Bunlara benzer, enantiyomerleri oldukça farklı etkilere sahip çok sayıda diğer ilaç örnekleri vardır. Bu yüzden, enantiyomerik olarak saf ilaçların hazırlanması, enantiyo seçimli sentezleri (Altbölüm 5.9B) ve rasemik ilaçların ayırımını (saf enantiyomerlere ayırma, Altbölüm 5.15) günümüz araştırmalarının etkin alanlarından biri yapan önemli bir etkendir. * Örnek olarak “Counting on Chiral Drugs”,

Chem.

E ng. N e w s

1998, 76,

83-104’e bakınız.

it

ımyası

Doğal Olmayan Protein Enantiyomerleri B azı proteinlerin doğada olmayan enantiyomerlerini plânlayarak sentezleyen kim yacılar vardır. Bu proteinler, doğal L-amino asitlerin enantiyomerik şekilleri olan Damino asitlerden yapıldıkları için "D-proteinler" olarak adlandırılırlar. D-Proteinler, doğal enzimlerin etkin tarafına uyacak uygun bir kiralliğe sahip olmadıklarından proteolitik (protein sindiren) enzimler tarafından parçalanmaya karşı kısmen dayanıklı dırlar. Bununla birlikte, D-proteinlerin kanda daha uzun bir ömre sahip olmasından dolayı, bu durum, oldukça ilgi çekici imkanlar sağlar. Böylece bir D-proteinin verilen dozunun etkisi daha uzun süreli olacaktır. Bu teknoloji, günümüzde, ilacın etkisinin enzimin belirli bir ayna görüntüsü şekline bağlı olmadığı fakat bozunmasının, doğalı olmayan ayna görüntüsü şeklinde bulunmak suretiyle daha yavaş olması istendiği pro tein ilaçlar için araştırılmaktadır. Zararlı süperoksit radikallerini (0 2~) saf dışı eden bir enzim olan süperoksit dismutaz bunun bir örneğidir.

5.1 I B î r d e n F a z l a St e r e o m e r k e z e S a h İp M o l e k ü l l e r Şimdiye kadar incelediğimiz kiral moleküllerin hepsi yalnızca bir stereomerkez içeri yordu. Organik moleküllerin çoğu, özellikle de biyolojik açıdan önemli olanlar, birden daha fazla stereomerkez içerirler. Örneğin kolesterol (Altbölüm 23.4B) sekiz stereomer keze sahiptir. (Onları işaretleyebilir misiniz?) Bununla birlikte, daha basit moleküllerle başlayabiliriz. Aşağıda görülen ve iki stereomerkeze sahip bir yapı olan 2,3-dibromopentanı gözönüne alalım. *

*

CH,CHCHCH,CH, •| I Br Br 2,3-Dibromopentan

8 stereomerkeze sahip olan kolesterol, teorik olarak 28 (256) stereoizomerik yapı ya sahip olabilir, fakat en zimler tarafından yapılan biyosentez yalnızca bir ste reoizomer oluşturur.

"'O X

Yararlı bir kural, stereoizomerlerin maksimum sayısını verir: Düzgün dörtyüzlü stereomerkezler nedeniyle stereoizomeri gösterebilen bileşiklerde, stereoizomerlerin top lam sayısı 2n ’yi aşamaz, burada n, düzgün dörtyüzlü stereomerkezlerin toplam sayısına eşittir. 2,3-Dibromopentan için (22 = 4) dört stereoizomerden daha fazlasını bekleme meliyiz. Bundan sonraki işimiz bileşiğin stereoizomeri eri için üç boyutlu formülleri yazmak tır. Önce bir stereoizomer için üç boyutlu formül ve daha sonra onun ayna görüntüsü nün formülünü yazarak başlarız. ÇH, Br- C - H C '- B r

C,H, 1

B r^ Ç ^ H C,H, 2

Üç boyutlu formülleri yazarken bazı gelenekleri izlemek yararlıdır. Örneğin yapıla rımızı genellikle çakışık konformasyonlarda yazarız. Bunu böyle yaptığımızda çakışık

Üç boyutlu formülleri yaz mak için yararlı bir gele nek.

211

212


konformasyonların en kararlı olduğunu ima etmek istemiyoruz, elbetteki bu konformasyonlar en kararlı değillerdir. Daha sonra da göreceğimiz gibi, çakışık konformasyonlan, var olması halinde, simetri düzlemini tanımamızı kolaylaştırdığı için yazarız. Aynı zamanda sayfa üzerine en uzun karbon zincirini dikey olarak yerleştiririz, bu, bizim ya pıları doğrudan karşılaştırmamızı sağlar. Bütün bunları yaparken, molekülün bir bütün olarak dönebileceğini ve oda sıcaklığında bütün birli bağlar etrafında dönmelerin de mümkün olacağını unutmamalıyız. Eğer yapının kendisinin dönmesi veya birli bağlarla bağlanmış grupların dönmesi, bir yapıyı bir başkasıyla çakışır hale getirirse o zaman bu yapılar farklı bileşikleri temsil etmezler, bunun yerine, bunlar aynı bileşiğin iki mole külünün farklı yönlenmelerini veya farklı konformasyonlarını temsil ederler. 1 ve 2 yapıları çakışmadıklarından, bu bileşikler farklı bileşikleri temsil ederler. ve 2 yapıları yalnızca atomlarının uzaydaki düzenlenişiyle farklılaştıklarından, stereoizomerleri temsil ederler. 1 ve 2 yapıları aynı zamanda birbirinin ayna görüntüsüdür, bu nedenle 1 ve 2 enantiyomerleri temsil ederler. Bununla birlikte, 1 ve 2 yapıları mümkün olan tek yapı değildir. İkisinden de farklı olan 3 yapısını ve 3 yapısının çakışmayan ayna görüntüsü olan 4 yapısını yazabileceğimizi görürüz.

1

çh3

çh3

i1

H ^Ç ^B r c ,h 5 3

H ^ç^B r B r^ Ç ^ H c 7h 3 4

3 ve 4 yapıları diğer enantiyomer çiftine karşılık gelir. 1-4 yapıları tamamen fark lıdır, böylece 2,3-dibromopentanın toplam dört stereoizomeri vardır. Aslında yukarıda yaptığımız iş, stereomerkezlerdeki iki grubun yerini birbirini izleyecek şekilde değişti rerek meydana gelen mümkün yapıların hepsini yazmaktan ibarettir. Bu noktada, başka yapı formüllerini yazarak başka bir stereoizomer olmadığına ikna olmalısınız. Atomla rın herhangi bir başka düzenlenmesinde, birli bağların (veya bütün yapının) dönmesi nin, burada yazdığımız yapıların biriyle çakışacak bir yapıya yol açtığım bulacaksınız. Fakat daha iyisi, bunu yaparken farklı renkte küreler kullanarak moleküler modeller yap maktır. 1-4 yapılarının temsil ettiği bileşiklerin hepsi optikçe aktif bileşiklerdir. Onların her biri ayrı olarak polarimetreye konulacak olursa optikçe aktiflik göstereceklerdir. 1 ve 2 yapıları tarafından temsil edilen bileşikler enantiyomerlerdir. 3 ve 4 Yapıla rının temsil ettiği bileşikler de enantiyomerlerdir. Fakat 1 ve 3 yapıları tarafından tem sil edilen bileşikler arasındaki izomerik ilişki nedir? 1 ve 3 'ün stereoizomerler olduğunu ve bunların birbirinin ayna görüntüsü olmadık larını gözlemleyerek bu soruyu cevaplayabiliriz. Bunlar, d ia ste re o m e rle rd ir. D ia ste re o m e rle r, f a r k lı e rim e n o k ta sı ve k a y n a m a n o k ta sı, f a r k lı ç ö z ü n ü rlü k vb. f a r k lı f iz ik s e l ö z e llik le re sahiptirler. Bu yönden, bu diastereomerler, tıpkı cis- ve trans-2-büten gibi diastereomerik alkenlere benzerler. çh3

m

C -^B r

çh3

B r^ c ^ H

çh3

BrWç ^ H H ^Ç ^B r

C- B r C,H,

C,HS

c 2h 5

1

2

3

çh3

H ^^B r __C — B r^ Y ^ H C2H5 4

5.11 Birden Fazla Stereomerkeze Sahip Moleküller

(a) 3 ve 4 enantiyomerse 1 ve 4 ne olur? (b) 2 ile 3 ve 3’ün aynı erime noktasına sahip olmasını bekler misiniz? aynı mıdır? (e) Buhar basınçları aynı mıdır?

2

ile 4 ne olur? (c) 1 ve ^ (d) Kaynama noktaları

213

P ro bl em 5 . 17

5.1 I A M ezo Bileşikler îki stereomerkeze sahip bir yapı, daima dört stereoizomere sahip olmaz. Bazen yalnız ca üç izomer vardır. Bu, bazı moleküllerin stereomerkez içermesine rağmen akiral ol malarından kaynaklanır. Bunu anlamak için burada gösterilen 2,3-dibromobütanın stereokimyasal formülle rini yazalım. CH. ı 3 *CHBr I *CHBr CH3 2,3-Dibromobütan

Daha önce yaptığımız gibi, aynı yolla başlayalım. Bir stereoizomerin ve onun ayna görüntüsünün formülünü yazalım. çh3

—o i X

çh3

Bn

Br B r -Ç - H CH, B

H’ ch3

A

A ve B yapısı birbiriyle çakışmazlar ve bir enantiyomer çiftini temsil ederler. Fakat, C yapısını (aşağıya bakınız) ve onun ayna görüntüsü olan D’yi yazdığımızda durum farklıdır. Bu iki yapı birbiriyle çakışır. Bu demektir ki C ve D bir enantiyomer çiftini temsil etmez. C ve D formülleri, aynı bileşiğin iki farklı yönelimini temsil et mektedir. CH3

CH, Br

â^ B r

Br ^

Bu yapı, sayfa düzlemin de 180° döndürüldüğün de C üzerine çakışabilir. i

CH3

CH3

C

D

C (veya D) yapısı tarafından temsil edilen molekül, dört farklı bağlı gruba sahip düz gün dörtyüzlü atomlar içermesine rağmen kiral değildir. Böyle moleküller mezo bile şikler olarak adlandırılırlar. Mezo bileşikler, akiral olmalarından dolayı, optikçe aktif değillerdir. Moleküler kiralite için son deneme, molekülün bir modelini oluşturmak (veya yapı yı yazmak) ve daha sonra modelin (veya yapının) ayna görüntüsüyle çakışıp çakışma dığını denemektir. Eğer çakışıyorsa molekül akiral, çakışmıyorsa kiraldir. Biz şimdiye kadar C molekülünün testini yaptık ve onun akiral olduğunu bulduk. C ’nin akiral olduğunu başka bir yolla da gösterebiliriz. Şekil 5.16, C yapısının bir si metri düzlemine (Altbölüm 5.5) sahip olduğunu göstermektedir.

z

T

7

Şekil 5.16 mezo-2,3dibromobütanın simetri düzlemi. Bu düzlem, molekülü, birbirinin ayna görüntüsü olan iki parçaya böler.

214


Aşağıdaki iki problem, önceki paragraflardaki A-D bileşikleriyle ilişkilidir.

P ro bl em

.1 8

^

Aşağıdakilerden hangileri optikçe aktif olabilir? (a) Saf A numunesi (c) Saf C numunesi (b) Saf B numunesi (d) A ve B'nin eşmolar karışımı

P ro bl em

.1 9

^

Aşağıda, üç bileşik için çakışık olmayan konformasyonda yazılmış formüller görü yorsunuz. Her bir örnekte, her bir formülün temsil ettiği bileşiğin hangisi (A, B ve ya C) olduğunu söyleyiniz.

P ro bl em

.20

► Aşağıdaki bileşiklerin her birinin bütün stereoizomerleri için üç boyutlu formüller yazınız. Enantiyomer çiftlerini ve mezo bileşikleri işaretleyiniz. (a) CH3CHCICHCICH3 (d) CH3 CH0HCH 2CHC1CH3 (b) CH3CHOHCH2CHOHCH3 (e) CH3CHBrCHFCH3 (c) CH2C1CHFCHFCH2C1

5.1 IB Bir S t e r e o m e r k e z d e n Daha Fazlasını İçeren Bileşiklerin Adlandırılması Eğer bir bileşik bir düzgün dörtyüzlü stereomerkezden daha fazlasına sahipse, her bir merkezi ayrı ayrı inceler ve onun (R) mi yoksa (S) mi olduğuna karar veririz. Daha son ra sayılar kullanarak, her bir tanımlamanın hangi karbona ait olduğunu söyleriz. 2,3-Dibromobütanın A stereomerkezini ele alın. ,ÇH3

Br

H

v 2c1 ^ C I Br 4CH3

II

2,3-Dibromobütan

Bu formül, C2’ye bağlı en düşük önceliğe sahip grubun gözlemcinin uzağına yöne lecek şekilde döndürülmesi halinde aşağıdaki gibi görünür. (b)

Gözlemci

(R ) Konfigürasyonu

5.12 Fischer İzdüşüm Formülleri

En yüksek öncelikli gruptan, daha sonraki en yüksek öncelikli gruba doğru (-Br’dan -CHBrCH 3 ve CH3 ’e) ilerleme sırası saat yelkovanı yönündedir. Bu nedenle C2, (R) konfigurasyonuna sahiptir. Bu işlemi C3 ile tekrarladığımızda C3’ün de (R) konfigurasyonuna sahip olduğunu bulacağız.

G ö zlem ci

Bu nedenle, A bileşiği (2/?,3/?)-2,3-dibromobütandır. Altbölüm 5.1 lA ’daki B ve C bileşikleri için R ve S tanımlamalarını içeren isimler < veriniz.

P ro bl em 5 . 2 1

Problem 5.20’ye verdiğiniz cevaplar için (R) ve (S) tanımlamalarını içeren isimler veriniz.

P ro bl em 5.22

Kloramfenikol (aşağıda), özellikle tifo ateşine karşı etkin olan, Streptomyces vene- < zuelae'dtn izole edilen etkili bir antibiyotiktir. Bir aromatik halkaya bağlanmış bir nitro (-N 02) grubu içerdiği gösterilen ilk doğal maddedir. Kloramfenikoldeki her iki stereomerkezin de (R) konfigurasyona sahip olduğu bilinir. İki stereomerkezi belirleyin ve kloramfenikol için üç boyutlu bir formül yazınız.

P ro b l e m 5.23

H—C—NHCOCHCk I c h 2oh Kloramfenikol

5 .1 2

F is c h

er

İz

d ü ş ü m

Fo

rm ülleri

Şimdiye kadar, kiral moleküller için yapıların yazılmasında yalnızca üç boyutlu formül leri kullandık ve 22. Bölümdeki karbohidratları inceleyinceye kadar da buna devam ede ceğiz. Bunun nedeni, üç boyutlu formüllerin açık olması ve bağları kırmadığımız sürece, kâğıt üzerinde istediğimiz gibi ustalıkla kullanılabilmesidir. Dahası, bu formüllerin kul lanımı bize (zihnimizde) molekülü üç boyutlu görmeyi öğretir ve bu yetenek bizim çok işimize yarayacaktır.

215

216


Kimyacılar bazen de kiral moleküllerin yapılarını Fischer izdüşüm formülleri de nilen iki boyutlu formüllerle gösterirler. Bu iki boyutlu formüller, yerden kazanım ve yazım kolaylığı nedeniyle, özellikle birden çok stereomerkezli bileşikler için kullanış lıdır. Basit kaıbohidratların halkalı olmayan şekillerini göstermek için yaygın olarak kul lanılırlar. (Bkz. Öğrenme Grubu Problemleri soru 2). Fakat, bu formüllerin kullanımı bazı kurallara katı bir bağlılık gerektirir. Herhangi bir dikkatsizlikte, bu izdüşüm for

mülleri kolaylıkla yanlış sonuçlara yol açabilir. (2/?, 37?)-2,3-Dibromobütan için Fischer izdüşüm formülü aşağıda yazılmıştır. ÇH3 Üç boyutlu formül

H

Fischer izdüşüm formülü

Br CH3 _ A

ch3

A

Geleneksel olarak. Fischer izdüşüm formülleri, bütün gruplar karartılmış olarak ve ana karbon zinciri yukarıdan aşağıya doğru uzatılarak yazılır. D ik e y ç iz g ile r k a ğ ıt d ü z le m in in a rk a sın a d ü şe n ( ve ya k â ğ ıt d ü zle m in d e u za n a n ) b a ğ la rı g ö ste rirle r. Y a ta y ç iz

Dikey ve yatay çizgilerin kesişim noktası, genellikle bir slereomerkez olan bir karbon atomunu göste rir. Fischer izdüşümünde, kesişim noktalarındaki karbon atomlarını yazmamak suretiy le, molekülün üç boyutlu görüntüsünü belirten formülü açıklayabileceğimizi biliyoruz. Eğer karbonlar görünseydi (Problem 5.23'teki gibi), bu formül bir Fischer izdüşümü ol mayacaktı ve biz molekülün stereokimyasını anlayamayacaktık. Fischer izdüşümleri kullanıldığında, iki yapının çakışıp çakışmayacağını denemek için, onların kâğıt düzleminde 180°, başka bir açıda değil, dönmesine izin veririz. For mülleri sürekli kağıt düzleminde tutmalıyız ve o n la rın te rsy ü z o lm a sın a m ü sa a d e e t

g ile r ise k â ğ ıt d ü zle m in d e n b ize d o ğ ru y ö n e le n b a ğ la rı g ö ste rirle r.

m e m e liy iz.

düzlemde ÎT 11

CH3

CH3

CH3 P r

15l

180°

çevirin

Br

H

H

Br

Rr

ch3

CH, A

ch3

A

H

Rr

B

Aynı değil

Aynı yapı

(İzdüşüm formülünü yan tarafı üzerinden çevirme A’nın enantiyomeri nin izdüşüm formülünü oluşturur.)

t ch3

H

Br CH3

Aynı değil

(İzdüşüm formülünü,yukarısını aşağıya getirecek şekilde çevirme A’nın enantiyomerinin izdüşüm formülünü oluşturur.)

Ders öğretmeniniz, Fischer izdüşümünü yapmak için kullanacağınız şeyler hakkında si ze tavsiyede bulunacaktır.

5.13 Halkalı Bileşiklerde Stereoizomeri

5 .1 3

H A L K A L I BİLEŞİKLERDE STER EO İZO M ER İ

Siklopentan halkasının aslında düzlemsel olmasından dolayı, siklopentan türevleri, hal kalı bileşiklerde stereoizomerliği tartışmak için uygun bir başlangıç noktası oluşturur. Örneğin 1,2-dimetilsiklopentan iki stereomerkeze sahiptir ve 5. 6 ve 7 şeklinde üç stereoizomerik yapısı vardır.

Me

H

H

Me

Enantiyomerler 5

Me

Me

Mezo bileşik 6

7

Trans bileşik, enanliyomer çifti olarak, 5 ve 6 , bulunur. cis-\,2-dimetilsiklopentan (7) bir mezo bileşiktir. Bu bileşik halka düzlemine dik olan bir simetri düzlemine sa hiptir.

(a) trans-1 ,2 -Dimetilsiklopentan (5) ayna görüntüsüyle (yani bileşik 6 ile) çakışır *< mı? (b) c/s-1,2-Dimetilsiklopentan (7), ayna görüntüsüyle çakışır mı? (c) cis1,2-Dimetilsiklopentan kiral bir molekül müdür? (d) c/j-l,2-Dimetilsiklopentan optikçe aktiflik gösterir mi? (e) 5 ve 7 arasındaki stereoizomerik ilişki nedir? (f) 6 ve 7 arasındaki stereoizomerik ilişki nedir?

P ro bl em 5.24

1,3-Dimetilsiklopentanın bütün stereoizomerleri için yapı formüllerini yazınız. Eğer •< varsa, enantiyomer çiftlerini ve mezo bileşikleri işaretleyiniz.

P ro bl em 5.25

5 . I 3 A Sikloheksan T ü r e v l e r i 1,4-Dim etiIsikloheksanIar 1,4-Dimetilsikloheksanm bir formülünü inceleyecek olur sak dört farklı grup bağlı herhangi bir düzgün dörtyüzlü atom içermediğini görürüz. Fa kat biz Altböliim 4.12’de 1,4-dimetilsikloheksanm cis-trans izomerler olarak bulunduğunu öğrenmiştik. Bu cis- ve trans yapılar (Şekil 5.17) diastereomerlerdir. Bu bileşiklerin hiçbiri kiral değildir ve bundan dolayı optikçe aktiflikleri de yoktur. 1,4-Dimetilsikloheksanın her iki cis ve trans yapısının da simetri düzlemine sahip olduğuna dikkat ediniz.

217

218


Şekil 5.17 1,4-Dimetilsikloheksanın cis ve trans yapıları birbirinin diastereomeridir. Her iki bileşik de akiraldir.

Simetri düzlemi

Me

Me

I

ya da

ya da

Me

Me

cis-1,4-Dimetilsikloheksan

trans- 1,4-Dimetilsikloheksan

1,3-Dinıetilsikloheksanlar 1,3-Dimetilsikloheksan iki stereomerkeze sahiptir; bu ne denle biz dört stereoizomer bekleyebiliriz (22 = 4). Gerçekteyse yalnızca üç tane vardır. cis- 1,3-Dimetilsikloheksan bir simetri düzlemine sahiptir (Şekil 5.18) ve kiral değildir. trans-1,3 Dimetilsikloheksan, bir simetri düzlemine sahip değildir ve bir enantiyomer çifti olarak bulunur (Şekil 5.19). trans- 1,3-Dimetilsikloheksan enantiyomerlerinin mo dellerini yapmak isteyebilirsiniz. Bunu yaparak bu moleküllerin, üst üste konulmaları halinde veya bir enantiyomerin halka devrilmesine uğradıktan sonra çakışmayacakları na ikna olabilirsiniz. Şekil 5.18 cis-l,3-Dimetilsikloheksan bir simetri düzlemine sahiptir ve bu nedenle akiraldır.

Simetri düzlemi

Me

Me ya da

Me

Şekil 5.19 trans-1,2-Dimetilsikloheksan, bir simetri düzlemine sahip değildir ve bir enantiyomer çifti olarak bulunur. Burada gösterilen iki yapı (a ve b) üst üste konulduk larında çakışmazlar, iki yapının halka devrilmesiyle de çakışma sağlanmaz. (c) (ö)’nin basitleştiril miş bir gösterimi.

5.14 Steromerkeze Bağlı Hiçbir Bağın Kırılmadığı Tepkimeler Yardımıyla Konfigürasyonları İlişkilendirme

219

Şekil 5.20 ¿rans-l,2-Dimetilsikloheksan, bir simetri düzlemine sahip değildir ve bir enantiyomer çifti olarak bulunur (a ve b). [(a) ve Cb) için en kararlı konformasyonları yazdı ğımıza dikkat ediniz, (a) ve (¿>)’nin ikisinin de halka devrilmesi her iki metil grubunun aksiyal olmasına neden olacaktır.] 1,2-Dimetilsikloheksanlar 1,2-Dimetilsikloheksan da iki stereomerkeze sahiptir ve biz yine dört stereomerkez bekleyebiliriz. Dört tane vardır, fakat biz yalnızca üç stereoizomeri izole edebilirsiniz, trans- 1 ,2 -dimetilsikloheksan (Şekil 5.20) bir enantiyomer çifti olarak mevcuttur. Onun molekülü bir simetri düzlemine sahip değildir. c/s-l,2-Dimetilsikloheksanda durum biraz daha karışıktır. Şekil 5.21’de gösterilen iki konformasyonel yapıyı, (c) ve {dfy\ dikkate alırsak bu iki ayna görüntüsü yapının aynı olmadığım görürüz. İkisi de bir simetri düzlemine sahip değildir ve her biri kiral bir moleküldür, fakat bu yapılar halka devrilmesiyle birbirine dönüşebilirler. Bu neden le, bu iki yapı enantiyomerleri göstermelerine rağmen, oda sıcaklığında, hatta oda sı caklığının altında hızlı olarak birbirine dönüştüklerinden dolayı ayrılamazlar. Onlar basitçe, aynı bileşiğin farklı konformasyonlarını temsil ederler. Sonuçta, (c) ve (d) bir birine dönüşen rasemik bir yapıdan oluşur. (c) ve (d) Konfigürasyonel stereoizomerler olmayıp konformasyonel stereoizomerlerdir. Bu, 1,2-dimetilsikloheksanın oda sıcaklı ğında izole edilebilir yalnızca üç izomeri olduğu anlamına gelir.

Bunu modellerle kendinizi

Şekil 5.21 m-l,2-Dimetilsikloheksan hızlı bir şekilde birbirine dönüşen iki san dalye konformasyonu (c) ve (d) halinde bulunur.

Aşağıdakilerin her birinin bütün izomerleri için formüller yazınız. Varsa, enantiyo- *< mer çiftlerini ve akiral bileşikleri tanımlayınız. (a) l-Bromo-2-klorosikloheksan (c) l-Bromo-4-klorosikloheksan (b) l-Bromo-3-klorosikloheksan

P ro bl em 5.26

Problem 5.26’ya verdiğiniz cevaplarda, her bir bileşik için (R-S) tanımlanmasını ■< P ro b l e m 5.27 yapınız.

5 .1 4

St e r e o m e r k e z e B a ğ l i H îç b îr B a ğ in KIR ILM AD IĞ I TE P K İM E L E R Y A R D IM IY L A K O N F İG Ü R A S Y O N L A R I İLİŞKİLENDİRM E

Bir tepkime, stereomerkeze bağlı hiçbir bağın kırılmadığı tarzda gerçekleşiyorsa, ürün, reaktanttaki gibi stereomerkezin etrafındaki grupların aynı genel konfigürasyonuna sahip olmak zorundadır. Böyle bir tepkimenin, konfigürasyon korunumuvla yü rüdüğü ifade edilir. (S)-(-)-(2)-Metil-1 bütanol derişik hidroklorik asitle ısıtıldığında meydana gelen örnek bir tepkimeyi göz önüne alınız.

220

Bölüm 5 / Stereokimya: Kiral Moleküller Aynı konfigürasyon

çh3

,

çh3

H ^ c ^ * C H ,-| -O H + H — C1

------------►

I

I

ch2 c h

C1 + H — OH

H ch2

3

c h

(S)-(-)-2-Metil-l-bütanol [“ İd = -5,756°

3

(S)-( + )-l-Kloro-2-metilbütan [«]“ =+1,64°

—OH grubu —C1 ile yer değiştirdiğinden, tepkimede alkolün CH2—OH bağının kırıl ması gerektiğini görmek için, tepkimenin tam olarak nasıl gerçekleştiğini bilmemize şu anda gerek yoktur. Başka bağların kırılmasını varsaymak için de herhangi bir neden yok tur. (Altböliim 11.13’te bu tepkimenin nasıl oluştuğunu inceleyeceğiz.) Stereomerkeze bağlı hiçbir bağ kırılmadığından, tepkime, konfigtirasyon korunumuyla gerçekleşmeli ve tepkime ürünü, reaktantın sahip olduğu gibi, stereomerkezin etrafındaki grupların aynı konfigürasyonuna sahip olmalıdır. Bu iki bileşiğin aynı konfigürasyona sahip ol duğunu söylemekle, basitçe, bu iki bileşikteki karşılaştırılabilir ve benzer grupların stereomerkez etrafındaki uzayda aynı bağıl konumları işgal ettiklerini belirtmek istiyoruz. (Bu örnekte —CH2OH grubu ve CH2C1 karşılaştırılabilirler ve her iki bileşikte de aynı bağıl konumları kaplarlar; diğer bütün gruplar aynıdır ve aynı konumları işgal ederler.) Bu örnekte, (R-S) tanımlaması değişmezken [reaktant ve ürünün her ikisi de (5)], optik çevirme yönünün değiştiğine dikkat ediniz [reaktant (-), ürün (+)]. Tepkime, konfigurasyon korunumuyla yürüdüğünde her iki olayın da aynı olması gerekmez. Sonraki bölümde konfiglirasyonun aynı kaldığı ve optik çevirme yönünün de değişmediği tep kime örneklerini göreceğiz. Aşağıdaki tepkime, konfigürasyon korunumuyla ilerleyen, fakat (R-S) tanımında değişiklik içeren bir örnektir. CH2-r-H

C H ,^B r — 'n

y

H v T>*OH 0 1

^ oY* ,1

C' '■

_•

Zn, H+ (-Z nB O konfigürasyon korunumu

ÇH2

çh2

ch3 (/f)-l-Bromo-2-bütanol

ch3 (S)-2-Bütanol

/*

Bu örnekte, reaktantın —CH2Br grubunun, üründeki —CH3 grubuna dönüşmesi ne deniyle (R-S) tanımı da değişmektedir (—CH2Br grubu. —CH2CH3’e göre daha yük sek önceliğe ve —CH3 grubu da —CH2CH3 grubuna göre daha düşük önceliğe sahiptir.) 5 . I 4 A Bağıl ve Mutlak Konfigürasyonlar Stereomerkeze bağlı hiçbir bağın kırılmadığı tepkimeler kiral moleküllerin konfigürasyonlarını ilişkilendirmede yararlıdır. Yani, bazı bileşiklerin, aynı bağıl konfigürasyo na sahip olduğunu göstermemize imkan tanırlar. Biraz önce bahsettiğimiz örneklerin her birinde, tepkime ürünleri, reaktantlar gibi aynı bağıl konfigürasyonlara sahiptir. 1951'den önce kiral moleküllerin yalnızca bağıl konfigürasyonları biliniyordu. Da ha önce hiç kimse herhangi bir kiral molekülde gerçek uzaysal düzenlenmenin ne oldu-

5.14 Steromerkeze Bağlı Hiçbir Bağın Kırılmadığı Tepkimeler Yardımıyla Kont'igürasyoniarı İlişkilendirme

ğunu kesin olarak göstermeyi başaramamıştı. Başka bir deyişle, hiç kimse optikçe aktif bir bileşiğin mutlak konfigürasyonunu belirleyememişti. Kiral moleküllerin konfigürasyonları, bilinen stereokimyasal tepkimeler sayesinde birbirleriyle ilişkilendiriliyordu. Bütün konfigürasyonları. daha önceden keyfi olarak stan dart olarak seçilmiş tek bir bileşikle ilişkilendirmek için girişimler de yapıldı. Bu stan dart bileşik gliseraldehitti. II ÇH *CHOH I CH:OH Gliseraldehit

Gliseraldehit molekülleri düzgün dörtyüzlü bir stereomerkeze sahiptir; bu nedenle, gliseraldehit, bir enantiyomer çifti olarak bulunur. 0

0

i

1 CH2OH (/?)-GIiseraldehit

X

ve

X

^ c ^ oh

0 r -o -

h

1

IIII ç —H

ç —H

CH2OH (S)-GIiseraldehit

Eski sistemde, konfigürasyonları belirtmek için (/?)-gliseraldehit, D-gliseraldehit olarak ve (S)-gliseraldehit de L-gliseraldehit olarak adlandırılıyor du. Bu adlandırma sistemi biyokimyada hâlâ yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bir gliseraldehit enantiyomeri sağa çeviren (+) ve diğeri elbette sola çeviren (-)’dir. 1951’den önce, hangi konfigiirasyonun hangi enantiyomere ait olduğuna kimse emin olamıyordu. Kimyacılar, keyfi olarak (+) enantiyomere R konfigurasyonunu tahsis et meye karar verdiler. Daha sonra, başka moleküllerin konfigürasyonları. bilinen stereo kimyasal tepkimeler yardımıyla, bir gliseraldehit enantiyomeriyle veya diğer enantiyomerle ilişkilendirildi. Örneğin (-)-laktik asitin konfigurasyonu. aşağıdaki tepkime zinciri yardımıyla (+) gliseraldehitle ilişkilendirildi. Bu bağ

O I c —OH < HN° : H—c —OH H.0

HNO, HB r

ch 2- enh 2 (-f)-İzoserin 0

0 II c — OH

C — OH

Bu bağ kırılıyor

- c — OH 1| ! C H .-r B r — > 1

Bu bağ kırılıyor

7r H+

— — *

•Bromo-2-hidroksipropanoik asit

H — c — OH |1 CH3 (—(-Laktik asit

221

222


Bu tepkimelerin hepsinin stereokimyası bilinmektedir. Stereomerkezlerdeki bağlann (kır mızıyla gösterilen) herhangi birinin kırılmaması nedeniyle, tepkimelerin hepsi konfigürasyon korunumu ile yürür. Eğer (+)-gliseraldehitin konfigürasyonu aşağıdaki gibi varsayılırsa: 0 I CH H *^Ô H

1 c h 2o h

(/?)-( + )-Gliseraldehit

o zaman, (-) laktik asitin konfigürasyonu şöyle olacaktır:

Ç—OH H v ( >OH

(/?)-(—)-Laktik asit

P ro b l e m 5.28

>• (-)-Gliseraldehitin konfigürasyonuyla (-f-)-laktik asiti ilişkilendiren. yukarıdakine benzer bir sentezde başlangıç bileşiği, ürün ve bütün ara ürünler için üç boyutlu for mülleri yazınız. Her bir bileşiğin doğru olarak (R)-(S) ve (+)-(-) tanımlamasını ya pınız. (-)-Gliseraldehitin konfigürasyonu da bilinen stereokimyasal tepkimeler yardımıyla (-ı-)-tartarik asitle ilişkilendirildi. ç o 2h

î HO^Ç^H C02H (-t-)-Tartarik asit

1951 ’de Hollanda Utrech Üniversitesi, van't Hoff Laboratuvarının müdürü J. M. Bijvoet, X-ışınları kırınımının özel bir tekniğini kullanarak (-l-)-tartarik asitin yukarıda gös terilen mutlak konfigürasyona sahip olduğunu göstermeyi başardı. Bu, (+)- ve (-)-gliseraldehit konfigürasyonlarının orijinal keyfi işaretlerinin de doğru olduğu anla mına geliyordu. Bu, bir gliseraldehit enantiyomeri veya diğeriyle daha önceden ilişkilendirilmiş olan bileşiklerin hepsinin konfigürasyonlarının şimdi kesinlik kazandığı ve bunların artık mutlak konfıgürasyonlar olduğu anlamına da gelmekteydi.

P ro b l e m 5.29

>

(/?)-1 -Dötero-2-metilbütanı nasıl sentezlersiniz? [ipucu: Altbölüm 5,7C’deki 1-kloro-2 -metilbütanın enantiyomerlerinden birini başlangıç maddesi olarak ele alınız]

5.15 Enantiyomerlerin Ayrılması: Yarılma

5 .1 5

E N A N TİY O M E R L E R İN AYRILM ASI: YA R ILM A

Şimdiye kadar optikçe aktif bileşikler ve rasemik yapılar hakkında önemli bir soruyu cevapsız bıraktık: Enantiyomerler nasıl ayrılırlar? Enantiyomerler, aynı kaynama nok tasına ve sıradan çözücüler içerisinde aynı çözünürlüğe sahiptirler. Sonuçta, kristallen dirme ve damıtma gibi, organik bileşiklerin ayırımında kullanılan geleneksel yöntemler, rasemik yapıya uygulandığı zaman başarısız olur. 5 . I 5 A E n a n ti yo m er le ri n A yr ı l m a s ın d a Pasteur Y ö n t e m i Louis Pasteur'ün 1848’de tartarik asit tuzlarının rasemik şeklini ayırması, enantiyomerlik olarak adlandırılan bir olgunun keşfine yol açtı. Bundan dolayı, Pasteur, çok defa stereokimya alanının kurucusu olarak görülür. (+)-Tartarik asit şarap üretiminin yan ürünlerinden biridir (doğada, bir kiral mole külün genellikle bir enantiyomeri sentczlenir). Pasteur. bir kimyasal fabrika sahibinden tartarik asitin rasemik bir numunesini elde etmişti. Araştırmaları sırasında. Pasteur, ra semik tartarik asidin sodyum amonyum tuzunun kristal yapısını incelemeye başladı. İki tip kristalin olduğu dikkatini çekti. Bunlardan biri, daha önce keşfedilmiş olan ve sağa çeviren olduğu gösterilen (-ı-)-tartarik asidin sodyum amonyum tuzunun kristalleriyle ay nıydı. Diğer tip kristaller, birinci tipin çakışmayan ayna görüntüleriydiler. Kristallerin her iki tipi de gerçekten kiraldiler. Pasteur, bir cımbız ve büyüteç kullanarak kristalle rin iki tipini ayırdı, onları su içinde çözdü ve çözeltileri bir polarimetreye koydu. Birin ci tip kristallerin çözeltisi sağa çevirendi ve kristallerin, şimdiye kadar bilinen (-ı-)-tartarik asitin sodyum amonyum tuzuyla aynı olduğu görülüyordu. İkinci tip kris tallerin çözeltisi, düzlem polarize ışığı eşit miktarda fakat tam zıt yönde döndüren bir sola çevirendi. İkinci tip kristaller (-)-tartarik asitin sodyum amonyum tuzuydular. Kris tallerin kiralliği, kristaller çözelti içerisinde çözündüklerinden, kendiliğinden kaybolu yor fakat optikçe aktiflik sürüyordu. Bu nedenle, Pasteur, moleküllerin kendilerinin kiral olması gerektiği sonucuna vardı. Pasteur'ün enantiyomerliği keşfi ve tartarik asitin iki şeklinin optikçe aktifliğinin, moleküllerin kendilerinin özelliği olduğunu göstermesi, 1874'te, van’tHoff ve Le Bel’in karbonun düzgün dörtyüzlü yapısını öne sürmesine öncülük etti. Ne yazık ki, çok az organik bileşik, (+) ve (-)-tartarik asit tuzlarında olduğu gibi ki ral kristaller verir. Organik bileşiklerin çok azı tartarik asidin sodyum amonyum tuzu nun kristalleri gibi, görünür kirallikte ve (ayrılmış enantiyomerler içeren) ayrı kristaller halinde kristallenirler. Bu nedenle Pasteur’ün yöntemi enantiyomerlerin ayrılabilmesi için genel uygulanabilirliğe sahip değildir. 5 . I 5 B E na n ti yo m e rl e ri n Yarılması İçin Geçerli Y ö n t e m l e r Enantiyomerleri ayırmak için en yararlı işlemlerden biri, rasemik yapıyı diğer bir bile şiğin tek enantiyomeriyle tepkimeye sokmaktır. Bu işlem, bir rasemik yapıyı bir diastereomerler karışımına çevirir; ve diastereomerlerin farklı erime noktası, farklı

kaynama noktası, farklı çözünürlüğe sahip olmaları nedeniyle, diastereomerler ge leneksel yollarla ayrılabilirler. Diastereomerik yeniden kristallendirme böyle bir iş lemdir. Bunun nasıl yapıldığını Altbölüm 20.3E’de göreceğiz. Diğer bir yöntem enzimlerle ayırmadır, bu şekilde, enzim, rasemik yapıdaki enantiyomerlerden birini se çimli olarak başka bir bileşiğe dönüştürür ve daha sonra tepkimeye girmemiş enantiyomer ve yeni bileşik ayrılır. Altbölüm 5.9B'de lipazla gerçekleştirilen tepkime böyle bir ayırma örneğidir. Kiral ortam kullanılarak yapılan kromatografi de enantiyomerlerin ay-

223

224


rılması için yaygın olarak kullanılır. Bu yaklaşım diğer kromatgorafi çeşitlerinde oldu ğu kadar yüksek performans sıvı kromatografisinde (HFLC) de uygulanır. Rasemik ka rışımın molekülleriyle kiral kromatografi ortamı arasındaki diastereomerik etkileşmeler, rasemat enantiyomerlerinin, kromatografi aygıtında farklı hızda taşınmasına neden olur. Daha sonra enantiyomerler, kromatografi aygıtından çıkarken toplanırlar. (Bkz. “Enantiyomerlerin HPLC Yarılmasının Kimyası”, Altbölüm 20.3)

5 . 1 6 K a r b o n d a n B a ş k a St e r e o m e r k e z İÇEREN BİLEŞİKLER Kendisine dört farklı grup bağlanmış düzgün dörtyüzlü bir atom, bir stereomerkezdir. Burada gösterilenler, molekülleri karbondan başka stereomerkez içeren bileşiklerin ge nel formülleridir. Silisyum ve germanyum, karbonla periyodik çizelgenin aynı grubundadırlar. Karbonun yaptığı gibi bu elementler de düzgün dörtyüzlü bileşikler oluştururlar. Silisyum, germanyum ve azot bileşiklerinde, dört farklı grup merkez atomun etrafına yerleştiğinde moleküller kiraldir ve ilke olarak enantiyomerler ayrılabilir. Dört gruptan birinin, bağ yapmayan elektron çifti olduğu diğer fonksiyonel grupların bazı örnekleri ne benzeyen sülfoksitler de kiraldir. Fakat aminler için bu söz konusu değildir (Altbölüm 20.2B). f.

¥ı

0 V W" S : R, 1 R-

■U r ort> i

73

Şı S İ ^ R2 1 R3

1

1 R3

x-

r3

5 . 1 7 D ö r t Fa r k l i G r u p l u D ü z g ü n D ö r t y ü z l ü Bİ r A t o m a Sa h î p O l m a y a n Kiral Mo l e k ü l l e r Eğer bir molekül ayna görüntüsüyle çakışmıyorsa kiraldir. Dört farklı grup bağlı düz gün dörtyüzlü bir atomun varlığı, bir moleküle kirallik kazandırabilen durumlardan yal nızca biridir. Karşılaşabileceğimiz kiral moleküllerin büyük bir kısmı böyle stereomerkezlere sahiptir. Fakat böyle olmayan pek çok kiral molekül de bilinmektedir. 1,3-Dikloroallen bunun bir örneğidir. Allenler, molekülleri aşağıdaki gibi ardışık ikili bağ taşıyan bileşiklerdir. \

A

Allenlerin n bağ düzlemleri birbirine diktir. R' R' R

Bağlarının bu geometrisi, uç karbonlara bağlı grupların birbirine dik düzlemlerde yer almasına, bu da uç karbon atomlarında farklı sübstitüentler taşıyan allenlerin kiral olma sına yol açar (Şekil 5.22). (Allenler, cis-trans izomerliği göstermezler.)

k

Şekil 5.22 1,3-Dikloroallenin enantiyomerik şe killeri. Bu iki molekül, birbirinin çakışmayan ay na görüntüsüdür ve bu nedenle kiraldir. Bununla birlikte, allenler dört farklı grup bağlanmış bir atoma sahip değildirler.

H

H

Y c = c 'î / ^ C1

c. = < / CHÜ l^ ,c = L C1

C1

Ayna

Ek Problemler

225

A n a h t a r T e r i m l e r ve K a v ram lar Stereokimya İzomerler Yapı İzomerleri Stereoizomerler Kirallik Kiral molekül Enantiyom erler Diastereomerler Akiral molekül Stereomerkez Simetri düzlemi Konfigürasyon Rasemik yapı (rasemat veya rasemik Mezo bileşik Fischer izdüşüm formülleri Enantiyoseçimli tepkime Yarılma

5.30

im)

Aşağıdakilerden hangileri kiraldir ve lunabilir? (a) 1,3-Diklorobütan (b) 1,2-Dibromopropan (c) 1,5-Dikloropentan (d) 3-Etilpentan

Altbölümler 5.1, 5.4 Altbölümler 1.13B, 5.1 Altbölümler 1.3A, 4.2, 5.1 Altbölümler 5.1, 5.13 Altbölümler 5.2, 5.3, 5.5 Altbölüm 5.2 Altbölümler 5.1, 5.2, 5.6, 5.7, 5.15 Altbölüm 5.1 Altbölümler 5.2, 5.11 Altbölümler 5.2, 5.11, 5.16 Altbölümler 5.5, 5.11A Altbölümler 5.6, 5.14 Altbölümler 5.8A, B Altbölüm 5.11 A Altbölüm 5.12 Altbölüm 5.9B Altbölüm 5.15

bu nedenle bir enantiyomer çifti olarak bu

(e) 2-Bromobisiklo[1.1.0]bütan (f) 2-Florobisiklo[2.2.2]oktan (g) 2-Klorobisiklo[2.l.l]heksan (h) 5-Klorobisiklo[2.1.1]heksan

5.31

(a) Enantiyomerik yapılarda bulunabilmesi için bir alkan (sikloalkan değil) kaç karbon atomuna sahip olmalıdır? (b) Karbon atomlarının en az sayıda olduğu bu iki enantiyomer seti için doğru adları yazınız.

5.32

(a) 2,2-Diklorobisiklo[2.2.1]heptanın yapısını yazınız, (b) Bu bileşik kaç tane stereomerkez içeriyor? (c) 2« Kuralına göre kaç tane stereoizomer tahmin edersiniz? (d) 2,2-Diklorobisiklo[2.2. ljheptan için yalnızca bir enantiyomer çifti mümkündür. Açıklayınız.

5.33

(/?,/?)-, (S,S)- ve (/?,S)-2,3-Diklorobütan için Newman izdüşüm formülleri aşağı da görülmektedir, (a) Hangi formül, hangisinindir? (b) Hangi formül bir mezo bileşiğidir?

CH3 A 5.34

ch3

B

EK PROBLEMLER

ch3

C

Aşağıdaki şıkların her biri için uygun formülleri yazınız, (a) Sikloheksanın yapı izomeri olan halkalı bir molekül, (b) C6H)2 formülünde, bir halka içeren ve birbirinin enantiyomeri olan moleküller, (c) C6H12 formülünde, bir halka içeren ve birbirinin diastereomeri olan moleküller, (d) C6H,2 formülünde,

* Yıldızla işaretlenmiş problemler “çözülmesi daha zor olan problemler’'dir.

Bu kitabın beraberinde verilen CD, metne uygun bir bilgisayar moleküler model stereokimyası örnekler seti içermektedir.

226


halka içermeyen ve birbirinin enantiyomeri olan moleküller, (e) C6H,2 formülünde, halka içermeyen ve birbirinin diastereomeri olan moleküller. 5.35

(a)

(c)

(e)

Aşağıdaki yapı çiftlerini gözöniine alınız. Enantiyomerler, diastereomerler, yapı izomerleri veya aynı bileşiğin iki molekülü şeklinde tanımlayarak onlar arasındaki ilişkiyi belirleyiniz. ch3 ch3 ÇH3 çh3 B r ^ c^H H ^ c ^B r ve ve F ^ C^ H (b) H ^ c ^ Br 11 11 11 11 F F Br F çh3 ch3 H çh3 H ^ c ^ B r ve B r^ c ^C H , H - c ^B r ve B r ^ c ^ H (d) 1 1 1 1 F^Ç ^H H ^Ç ^C H 3 F^Ç ^H h^ Ç ^ ch3 F ch3 ch3 F çh3 F ch3 ch3 H ^ c ^B r ve h ^ c ^ c h 3 H ^ c ^ B r H ^ C^ H ve (f) 1 1 H ^V

CH2Br

ch3

F Br H

ch3

H

•

cı

c

'» 'c a ; c

-

c

ı

•• cı

cıp cı

7

p

cı

z

r

Ek Problemler

ve

(o)

cı cı.

cı .cı

CL \

.CI

cı

cı

ve

(P) cı

cı

/ Br

Br

xBr C=

ve

U

H. \

u

(q)

✓

H

\ /

c

H

5.36

Aşağıdaki bileşiklerin her birinin tahmin edilen stereokimyasmı tartışınız. (a) C 1C H = C = C = C H C 1 (c) C 1C H = C = C =C C 12 (b) CH2= C = C = C H C 1

5.37

Dört dimetilsiklopropan izomeri vardır, (a) Bu izomerler için üç boyutlu for müller yazınız, (b) Hangi izomerler kiraldir? (c) Bu izomerlerin her birinin 1 molünü içeren bir karışım, basit bir gaz kromatografisine verilse, kaç kısım elde edilir ve her kısımda hangi bileşikler bulunur? (d) Bu kısımlardan kaç tanesi optikçe aktif olur?

5.38

(Bu problemi çözmek için model kullanınız.) (a) //w?s-l,2-Dietilsikloheksanın en kararlı konformasyonu için konformasyonel bir yapı ve onun ayna görüntü sünü yazınız, (b) Bu iki molekül çakışır mı? (c) Onlar bir halka "devrilmesiy le" birbirine dönüşür mü? (d) (a) Şıkkındaki işlemi m-l,2-dietilsikloheksan için tekrarlayınız, (e) Bu moleküller çakışırlar mı? (f) Onlar birbirine dönüşe bilir mi?

5.39

(Bu problemi çözmek için model kullanınız.) (a) f/ö«.s'-l,2-Dietilsikloheksanın en kararlı konformasyonu için konformasyonel bir yapı ve onun ayna görüntüsünü yazınız, (b) Bu yapılar çakışır mı? (e) Onlar enantiyomerleri mi temsil ederler? (d) //£/«.?-1,2-Dietilsikloheksan bir stereoizomere sahip midir, ve eğer öyleyse, bu stereoizomer nedir? (e) Bu stereoizomer kiral mıdır?

5.40

(Bu problemi çözmek için model kullanınız.) 1,3-Dietilsikloheksanın stereoizomerlerinin hepsi için konformasyonel yapıları yazınız. Enantiyomer çiftlerini ve varsa mezo bileşiklerini işaretleyiniz.

*5.41 Tartarik asit [H02CCH(0H)CH(0H)C02H], stereokimya tarihinde önemli bir bi

leşik olmuştur. Tartarik asitin doğal olarak bulunan iki şekli optikçe aktif değil dir. Bir yapı 206°C, diğer yapı 140°C olan erime noktasına sahiptir. Erime nok tası 206°C olan aktif olmayan tartarik asit, tartarik asitin optikçe aktif olan ve aynı erime noktasma sahip (170°C) iki şekline ayrılabilmektedir. Optikçe aktif tartarik asitlerden biri [a]o = +12°, diğeri [a]o = -12° özgül çevirmeye sahiptir. Diğer aktif olmayan tartarik asiti optikçe aktif bileşiklere ayırmak için yapılan bütün girişimler başarısız olmuştur, (a) 140°C erime noktasına sahip tartarik asitin üç boyutlu yapısını yazınız, (b) Erime noktası 170°C tartarik asitler için mümkün yapılar nelerdir? (c) (b) Şıkkındaki tartarik asitlerin hangisinin pozi tif çevirmeye ve hangisinin negatif çevirmeye sahip olduğundan emin olabilir mi siniz? (d) Erime noktası 206°C olan tartarik asit şeklinin yapısı nedir?

227

228


*5.42 (a) Saf bir X stereoizomerinin 589,6 nm'de ve 25°C’da 1,0 dm’lik tüp içerisin de 0,10 g/mL derişimindeki sulu çözeltisinin gözlenen çevirmesi -30°’dir. Bu sıcaklıkta maddenin özgül çevirmesi, [a]D, nedir? Hesaplayınız. (b) Aynı koşullarda fakat 0,050 g/mL derişimdeki bir X çözeltisi, +165° çevirme göstermektedir. Bunun nasıl olabileceğini düşününüz? X stereoizomeri için [a]D’yi yeniden hesaplayınız. (c) Yalnızca tek bir derişimde incelenen bir maddenin optik çevirmesi 0° ise tam olarak akiral olduğu söylenebilir mi? Yoksa rasemik midir? *5.43 Eğer iki veya daha fazla stereomerkeze sahip saf bir madde numunesinin gözle nen çevirmesi 0° ise, o bir rasemat olabilir. Saf bir stereoizomer olabilir mi? Onun saf bir enantiyomer olması da mümkün müdür? *5.44 Bilinmeyen bir Y maddesi C3H60 2 molekül formülüne sahiptir. Bu madde, kır mızı ötesi ışımada 3200-3500 cm 1 bölgesinde soğurma yapan bir fonksiyonel gruba sahiptir (saf sıvı yani "katkısız" olarak incelendiğinde) ve 1620-1780 cm'1 bölgesinde hiçbir soğurma göstermemektedir. Y yapısındaki karbon atomlarının hiçbirine birden çok oksijen atomu bağlanmamıştır ve Y, iki (yalnızca iki) stereoizomerik yapı gösteriyor. Y’nin bu şekillerinin yapıları nelerdir?

Ö

G rubu PROBLEMLERİ

ğrenm e

1. Streptomisin, özellikle penisiline dayanıklı bakterilere karşı yararlı bir antibiyotik tir. Streptomisinin yapısı Altbölüm 22.17'de gösterilmektedir. (a) Streptomisinin yapısındaki stereomerkezlerin hepsini belirleyiniz. (b) Streptomisindeki her bir stereomerkezin konfigurasyonu için uygun (R) veya (S) tanımım yapınız. 2. D-Galaktitol galaktosemia hastalığında üretilen toksik maddelerden biridir. D-Galaktitolün yüksek düzeyde birikimi katarakt oluşumuna neden olur. D-Galaktitol için Fischer izdüşümü aşağıdadır. OLOH H

OH

HO

H

HO

H

H

OH CH2OH

(a) D-Galaktitol için üç boyutlu bir yapı çiziniz. (b) D-Galaktitolün ayna görüntüsünü çiziniz ve Fischer izdüşüm formülünü yazınız. (c) D-Galaktitol ve onun ayna görüntüsü arasındaki stereokimyasal ilişki nedir? 3. Kortizon, adrenal korteksten izole edilen doğal bir steroittir. İltihap önleyici özellik lere sahiptir ve çeşitli rahatsızlıkları tedavi amacıyla kullanılır (örneğin yaygın deri hastalıkları için). Kortizonun yapısı Altbölüm 23.4D?de gösterilmektedir. (a) Kortizondaki stereomerkezlerin hepsini işaretleyiniz. (b) Kortizondaki her bir stereomerkezin konfigurasyonu için uygun (/?)- veya (S) ta nımını yapınız.

Bölüm

İyonik Tepkimeler-Alkil Halojenürlerin Nükleofilik Yer Değiştirme ve Ayrılma Tepkimeleri O rg a n ik K im y a İle B a k te ri H ü c r e D u v a rla rın ın P arçalanm ası Tabiatın mükemmel kimyacıları olan enzimler, canlılarda meydana gelen pek çok tep kimeleri katalizlerler. Enzimler genetik bilginin akışı olan metabolik tepkimeleri ve bi yolojik yapıyı sağlayan moleküllerin sentezlerini katalizlerler. Enfeksiyon ve hastalıklara karşı savunmamıza yardım ederler. Enzimle gerçekleşen pek çok tepkimenin mekaniz ması aydınlatılmış olmasına rağmen, canlı organizmalarında gerçekleşen enzim tepki melerinin ancak çok azının mekanizması bilinmektedir. Bununla birlikte, enzimler tarafından katalizlenen tüm tepkimelerin, kimyasal etkinlik mantığına uygun olarak ger çekleştiği kabul edilir. Enzim tepkimelerinin mekanizmaları, temelde organik kimyada öğrendiğimiz tepkimelerinkine benzer. Lizozimin etkisi buna örnek gösterilebilir.

229

Lizozim, burun akıntısında bulunan ve bakteri duvarlarını parçalamak suretiyle enfek siyonla savaşan bir enzimdir. Lizozim, bakteri hücre duvarlarının moleküler yapısı için de artı yüklü kararsız bir karbon ara ürünü (karbokatyon olarak adlandırılan) oluşturan bir mekanizma kullanır. Lizozim, kendi yapısındaki eksi yüklü bir kısmı bu karbokatyona vererek onu kararlı kılar. Bu etkileşim, hücre duvarının yarılmasını kolaylaştırır, fakat lizozimin kendisi, hücre duvarındaki karbokatyon ara ürününe bağlanmaz. Karbo katyon ara ürünlerinin oluşumu, bir çok organik kimya tepkimesinde önemli bir basa maktır. Bu tepkimelerden biri de tek moleküllü nükleofilik yer değiştirme (SN1) olarak adlandırılır ve mekanizmasını bu bölümde inceleyeceğimiz önemli tepkimelerden biri dir. (Altbölüm 24.10’da lizozim mekanizmasını yeniden ayrıntılı olarak göreceğiz.)

6.1 6.2

Giriş Organik Halojenürlerin Fiziksel Özellikleri 6.3 Nükleofilik Yer Değiştirme Tepkimeleri 6.4 Nükleofiller 6.5 Ayrılan Gruplar 6.6 Nükleofilik Yer Değiştirme Tepkimesinin Kinetiği: SN2 Tepkimesi 6.7 Sn2 Tepkimesinin Mekanizması 6.8 Geçiş Hali Teorisi: Serbest Enerji Diyagramları 6.9 Sn2 Tepkimelerinin Stereokimyası 6.10 Hidroksit İyonu İle ter-Bütil Klorürün Tepkimesi: SN1 Tepkimesi 6.11 SN1 Tepkimesinin Mekanizması 6.12 Karbokatyonlar

6.13 sNı

GiRiş

Alkil halojenürün halojen atomu .vp’-melezleşmiş bir karbon atomuna bağlıdır. Bu yüz den, karbon atomu etrafındaki grupların düzenlenmesi genellikle düzgün dörtyüzlüdür. Halojen atomlarının karbondan daha elektronefatif olmaları nedeniyle, alkil halojenür lerin karbon-halojen bağı kutuplaşmıştır (polar lanmıştır); karbon atomu kısmî bir artı yük, halojen atomu da kısmî bir eksi yük taşır. \fi+

Bir vinilik halojenür

Bir fenil halojenür ya da aril halojenür

Alkil halojenürlerle birlikte bu bileşikler, basitçe organik halojenürler veya organohalojen bileşikleri olarak bilinen geniş bir bileşik grubu oluştururlar. Daha sonra öğ-

Ç izelge 6.1 K a rb on -Ha lo jen Bağ Uzunlukları Bağ

Bağ Uzunluğu (Â)

CH3— F

1,39 1,78 1,93 2,14

CH3-C1 CH3-Br n

230

8-

Periyodik çizelgede yukarıdan aşağıya doğru inildildiğinde, halojen atomunun bü yüklüğü artar: flor atomu en küçük ve iyot atomu ise en büyüktür. Sonuç olarak, peri yodik çizelgede aşağıya doğru indikçe karbon-halojen bağının uzunluğu da artar (Çizelge 6. 1). Laboratuvarda ve endüstride alkil halojenürler, nispeten apolar olan bileşikler için çözücü olarak, ve pek çok bileşiğin sentezi için de çıkış maddeleri olarak kullanılırlar. Bu bölümde öğreneceğimiz gibi, bir alkil halojenürün halojen atomu kolaylıkla başka bir grupla yer değiştirebilir ve bir karbon zinciri üzerindeki bir halojen atomunun var lığı, aynı zamanda bize, bir çoklu bağ elde etme imkanı da sunar. Yapısında ^-melezleşmiş karbona bağlı bir halojen atomu olan bileşikler vinilik halojenürler veya fenil halojenürler olarak adlandırılırlar. CH2=CHC1 bileşiğinin yay gın adı vinil klorürdür ve CH2= C H — grubuna yaygın olarak vinil grubu denir. Bu yüzden, vinilik halojenür, genel bir terimdir ve yapısında başka bir karbonla ikili bağ yapan bir karbon atomuna bağlı olarak bir halojen atomu içeren bileşikler için de kul lanılır. Fenil halojenürler, halojen atomunun bir benzen halkasına bağlı olduğu bileşik lerdir (Altbölüm 2.5B). Fenil halojenürler, daha sonra inceleyeceğimiz ve aril halojenürler olarak adlandırılan oldukça geniş bir bileşik grubunun içinde yer alır.

■-X o

Tepkimelerinin Stereokimyası 6.14 S]^l ve S^2 Tepkimelerinin Hızlarını Etkileyen Etkenler 6.15 Organik Sentezler: Sn2 Tepkimeleri İle Fonksiyonel Grup Dönüşümleri 6.16 Alkil Halojenürlerin Ayrılma Tepkimeleri 6.17 E2 Tepkimesi 6.18 E2 Tepkimesi 6.19 Ayrılmaya karşı Yer Değiştirme

6.1

6.3 Nükleofilik Yer Değiştirme Tepkimeleri

231

reneceğimiz gibi vinilik ve aril halojenürlerin kimyası, alkil halojenürlerden oldukça fark lıdır ve bu bölümde biz dikkatimizin çoğunu alkil halojenürler üzerinde toplayacağız.

6.2

O R G A N İK H A LO JEN Ü R LER İN FİZİKSEL Ö Z E LLİK LE R İ

Alkil ve aril halojenürlerin çoğu, su içerisinde çok küçük bir çözünürlüğe sahiptir, fa kat tahmin edebileceğimiz gibi, birbiri ile ve kısmen apolar olar diğer çözücülerle karı şabilirler. Diklorometan (CH2C12, metilen klorür olarak da adlandırılır), triklorometan (CHC13, kloroform olarak da adlandırılır) ve tetraklorometan (CC14, karbon tetrakloıür olarak da adlandırılır), genellikle apolar ve orta derecede polar bileşikler için çözücü olarak kullanılırlar. CHC13 ve CC14 dahil pek çok kloroalkan birikebilen bir zehirliliğe sahiptir ve kanser yapıcıdır, bundan dolayı çeker ocak içerisinde ve büyük bir dikkatle kullanılmalıdır. Metil iyodür (kn 42°C) oda sıcaklığında ve 1 atm basınçta sıvı olan tek monohalometandır. Etil bromür (kn 38l’C) ve etil iyodürün (kn 72"C) ikisi de sıvıdır, fakat etil klo rür (kn 13HC) bir gazdır. Propil klorürler, bromiirler ve iyodürlerin hepsi sıvıdır. Genelde daha fazla karbonlu alkil klorür, bromür ve iyodürlerin hepsi sıvıdır ve benzer molekül kütleli alkanlarınkine yakın kaynama noktalarına sahiptir. Bununla birlikte, polifloroalkanlar genelin dışında düşük kaynama noktasına sahip tirler (Altbölüm 2.14D). Heksafloroetan [C2F6], dekamnkine [C10H22) yakın molekül küt lesine sahip olmasına rağmen çok daha düşük sıcaklıkta kaynar, (dekan, mk = 114, kn 174°C; heksafloroetan, mk = 138, kn 174°C). Çizelge 6.2 çok kullanılan bazı organik halojenürlerin fiziksel özelliklerini göster mektedir. Çizelge 6.2 Organik Halojenürler

Grup Metil Etil Propil İzopropil Bütil ¿•e&-Bütil İzobütil /er-Bütil Pentil Neopentil 1

X

0

II X u

c h 2= c h c h 2— c 6h 5c 6h 5c h 2-

Florür Yoğunluk kn ÜC) (g m L 1)

Klorür Yoğunluk kn CC) (g mL-4)

Bromür Yoğunluk kn (°C) (g mL ')

-78,4 -37,7 -2,5 -9,4 32

0,8460 0,722U 0,78 3 0,7220 0,7821’

12 62

0.7512 0.792"

-72 -3 85 140

0,6826

-23,8 13,1 46,6 34 78.4 68 69 51 108,2 84,4 -13,9 45 132 179

3,6 38,4 70,8 59,4 101 91,2 91 73,3 129,6 105 16 70 155 201

1,022" 1,0225

0,922n 0,9115 0,892" 0,8620 0,892n 0,872n 0,872" 0,8420 0,8820 0,8720 0,912'1 0,9420 1,102" 1,1025

“ boz, “bozunur”un kısaltması olarak kullanılmıştır.

6 .3 N Ü K L E O F İ L İ K Y E R D E Ğ İ Ş T İ R M E T E P K İ M E L E R İ Aşağıda verilen genel tepkimeye benzer birçok tepkime vardır. Nu:Nükleofil

+ R—X: ----► R—Nu + Alkil halojenür (substrat)

Ürün

:X :-

Halojenür iyonu

1,73° 1,462" 1,352" 1,3120 1,27“ 1,2610 1,26” 1,2220 1,22” 1,202" 1,5214 1,40® 1,522n 1,44-

İyodür Yoğunluk kn (°C) (g m L 1) 42,5 72 102 89,4 130 120 119 100 boz" 15574" 127 boz" 56 102-103 189 9 3 İÜ

2,2820 1,95” 1,7420 1,7020 l,612u 1,60” 1,602" 1,57” 1,52” 1,5313 2,042” 1,8422 1,8220 1,73”

232

Bölüm 6 / İyonik Tepkimeler-Alkil Halojenürlerin Nükleofilik Yer Değiştirme ve Ayrılma Tepkimeleri

Aşağıda bazı örnekler verilmiştir: H Ö :- + CH3—C1 Altbölüm 6.15’te biyolojik nükleofilik yer değiştirme tepkimeleriyle ilgili örnek ler göreceğiz.

►CH, — OH + :ç j:-

CH.,Ö:- + CH,CH2—B r :

►CH3CH2—ÖCH, + :Br:-

■b- + CH3CH2CH2—Cl: — ►CH3CH2CH2— h + :CDBu tip bir tepkimede, ortaklaşılmamış b ir e le k tro n ç iftin e sa h ip b ir tiir o la n n ü k le bir alkil halojenür (substrat) ile bir halojen sübstitüentiyle yer değiştirmek üzere tepkimeye girer. Bir yer değiştirme tepkimesi meydana gelir ve ayrılan grup olarak ad landırılan halojen sübstitüenti, bir halojenür iyonu olarak çıkar. Böyle bir yer değiştir me tepkimesi, bir niikleofil tarafından başlatıldığı için, nükleofilik yer değiştirme tepkimesi olarak adlandırılır. Nükleofilik yer değiştirme tepkimelerinde, substratın karbon-halojen bağı heterolitik olarak kırılır ve nükleofilin artaklaşılmamış elektron çifti, karbon atomuna bağlı ye ni bir bağ oluşturmak üzere kullanılır. Ayrılan grup , r N u + R | : X : ----►Nu : R 4- : X : ofil,

Nükleofil

Bu bölümde renkli olarak yazılmış tepkimelerde nükleofili belirtmek için kırmızı, ayrılan grubu belirtmek için mavi kul lanacağız.

Heterolitik karılma buradan olur

Bu bölümde daha sonra cevaplandıracağımız sorulardan birisi de şudur: Karbon ha lojen bağı ne zaman kırılır? Karbon halojen bağının kırılmasıyla nükleofil ve karbon arasındaki bağ oluşumu aynı anda mı olur? N u:-

+

R :X: ----- ► Nu "R

—

X:

----- ►

Nu =R

4- :X : ~

Yoksa, önce karbon-halojen bağı mı kırılır? R :X: — ►R++ :X=~ Ve daha sonra Nu:- + R+----►Nu:R tepkimesi mi olur? Bu sorunun cevabının, esas olarak alkil halojenürıin yapısına bağlı olduğunu göreceğiz.

6 .4

N ükleofîller

Nükleofil, artı merkez arayan bir reaktiftir. (Nükleofil kelimesi, atomun artı kısmı olan nucleus ile, seven anlamına gelen Yunanca philos kelimesinden gelir.) Bir nükleofil al kil halojenür ile tepkimeye girdiğinde, nükleofilin aradığı artı merkez, halojen atomu taşıyan karbon atomudur. Elektronegatif halojen, karbon-halojen bağı elektronlarını ken di yönüne doğru çektiğinden, karbon atomu kısmî bir artı yük taşır (Altbölüm 2.4). \S +

8-

> —X

Altbölüm 3.2C’deki “Zıt Yüklerin Çekimi”ni yeniden inceleyebilirsiniz.

Burası, nükleofilin aradığı artı merkezdir.

Elektronegatif halojen, C — X bağını potarize eder,

6.5 Ayrılan Gruplar

Nükleofil, en azından ortaklaşılmamış bir elektron çifti içeren bir eksi iyon veya nötr bir moleküldür. Örneğin, hidroksit iyonu ve su moleküllerinin her ikisi de alkil halojenürlerle alkolleri oluşturmak üzere tepkimeye girerler. Bu tepkimelerde hidroksit iyonu ve su molekülleri nükleofil olarak davranırlar. Bir Alkil Halojeniirün Hidroksit İyonu ile Niikleofılik Yer Değiştirmesi İçin Genel Bir Tepkime

H — Ö :_ + Nükleofil

R — X:

---- ►H — Ö — R +

Alkil Halojenür

Alkol

:X :_ Ayrılan grup

Bir Alkil Halojeniirün Su ile Nükleofilik Yer Değiştirmesi için Genel Bir Tepkime

H — Ö:

+ R — X : ----► H — Ö —R + :X :-

I

I

H

H

Nükleofil

Alkil Halojenür

Alkiloksonyum iyonu

H,Ö t

▼ H — Ö — R + H3Ö+ + :X="

En son tepkimede ilk ürün bir alkiloksonyum iyonudur, R—O—H, ve bu iyon daH ha sonra bir alkol oluşturmak üzere protonunu bir su molekülüne verir. Aşağıdaki tepkimeleri net iyonik tepkimeler olarak yazınız ve her bir tepkimede nük- ^ leofil, substrat ve ayrılan grubu gösteriniz. (a) (b) (c) (d) (e)

CH3I + CH3CH2ONa — ►CH3OCH2CH3 + Nal Nal + CH3CH2Br — ►CH3CH2I + NaBr 2 CH3OH + (CH3)3CC1 — ►(CH3)3COCH3 + CH,OH2+ + c r CH3CH2CH2Br + NaCN — ►CH3CH2CH2CN + NaBr C6H5CH2Br + 2 NH3----►C6H5CH2NH2 + NH4Br

6.5

A

y r il a n

G

ruplar

Nükleofilik yer değiştirme tepkimelerinde substrat olarak yalnızca alkil halojenürler rol almazlar. Aynı şekilde tepkime verebilen başka bileşikleri de daha sonra göreceğiz. Nük leofilik yer değiştirme tepkimelerinde substrat olarak rol alabilmek için molekülün iyi bir ayrılan gruba sahip olması gerekir. Alkil halojenürlerde ayrılan grup, halojenür iyo nu olarak ayrılan bir halojen sübstitüentidir. Sübstitüentin iyi bir ayrılan grup olabil mesi için, ayrıldığında kararlı hale gelebilmesi, zayıf bazik özellikte bir molekül veya iyon olması gerekir (Bunun niçin böyle olduğunu Altböltim 6.14E’de göreceğiz.) Ha

lojenür iyonları, nispeten kararlı ve çok zayıf bazik özellikte olmaları nedeniyle iyi ay rılan gruplardır. Başka gruplar da iyi ayrılan grup olarak davranabilir. Ayrılan gruplar L ile [L, İngilizce “leaving” kelimesinin ilk harfi] gösterilerek nükleofilik yer değiştir me tepkimeleri daha genel bir eşitlikle yazılabilir. Nu:~ + R —L ----►R—N u + :L~ ya da Nu: + R —L — ►R— Nu++ :L"

P ro bl em 6 . 1

233

234

Bölüm 6 / İyonik Tepkimeler-Alkil Halojenürlerin Niikleofilik Yer Değiştirme ve Ayrılma Tepkimeleri Özel Örnekler

HÖ:- + CH,—C1 ----►CH,—OH + :Cl: ~ H,N: + CH,—Br: ----►CH3—NH,+ + =Br:Daha sonra, substrat formal yükünün pozitif olduğu ve aşağıdakine benzer şekilde yürüyen tepkimeleri göreceğiz. Nu: + R—L+----►R—Nu ++ :L Bu durumda, ayrılan grup bir elektron çiftiyle koptuğundan, formal yükü sıfır olacaktır. Özel Örnekler

CH,— Ö : + CH,— Ö — H ---- ►CH,— Ö — CH, + : Ö — H

I H

I H

I H

I H

Mekanizmaları hakkında bir şeyler bildiğimiz takdirde, nükleofilik yer değiştirme tep kimeleri daha iyi anlaşılabilir ve daha yararlı olur. Bir nükleofil, ayrılan grubun yerini nasıl alır? Tepkime tek bir adımda mı olur, yoksa birden fazla basamakta mı gerçekle şir? Çok basamaklı tepkimelerde ne tip ara ürünler oluşur? Hangi basamak hızlı, hangi basamak yavaştır? Bu sorulara cevap vermek için, bu kimyasal tepkimelerin hızları hak kında bazı şeyleri bilmemiz gerekir.

6 .6

BİR NÜKLEOFİLİK YER DEĞİŞTİRME TEPKİMESİNİN KİNETİĞİ: S N2 TEPKİMESİ

Bir tepkimenin hızının nasıl ölçüldüğünü anlamak için gerçek bir örneği, sulu çözelti de metil klorür ile hidroksit iyonu arasında meydana gelen tepkimeyi ele alalım. CH,—CI + OH - ^ > C H , —OH + Cl Metil klorür, suda fazla çözünmemesine rağmen, çözünürlüğü kinetik inceleme yap ma imkanı verecek yeterliliktedir. Sulu çözeltiye sodyum hidroksit ilave edilerek hid roksit iyonu oluşturulabilir. Tepkime hızlarının sıcaklığa bağlı olduğu bilindiğinden, tepkime belirli bir sıcaklıkta gerçekleştirilir (Altbölüm 6.8). Tepkime hızı, deneysel olarak, çözelti içerisindeki metil klorür veya hidroksit iyo nunun tükenme hızı ölçülerek yapılabileceği gibi, çözelti içerisinde metanol veya klo rür iyonunun oluşma hızı ölçülerek de yapılabilir. Bu ölçümlerin herhangi birini, tepkime başladıktan kısa bir süre sonra, tepkime karışımından küçük bir örnek alarak ve CH3C1 veya OH- ya da CH,OH veya Cl- derişimlerini analiz ederek yapabiliriz. Bizim burada ilgilendiğimiz, başlangıç hızlan olacaktır: çünkü zaman geçtikçe reaktantların derişimleri de değişecektir. Reaktantların başlangıç derişimlerini de bildiğimizden (çünkü çö zeltiyi hazırlarken ölçmüştük), çözelti içindeki reaktantların harcanma hızlarını veya çözelti içinde ürünlerin oluşum hızlarını hesaplamak kolay olacaktır. Sıcaklığı aynı tutup reaktantların başlangıç derişimlerini değiştirerek bunun gibi bir kaç deney daha yapılır. Çizelge 6.3 elde edilen bazı sonuçları göstermektedir. Deney sonuçları incelendiğinde, tepkime hızının metil klorür derişimine ve hidrok sit iyonu derişimine bağlı olduğu görülür. 2. Deneyde, metil klorür derişimini iki katı-

6.7 Sn2 Tepkimesinin Mekanizması

235

Çizelge 6.3 60°C da C H 3C I ile O H ~ Tepki mesi ni n Hı z İncelemesi Deney Numarası 1 2 3 4

Başlangıç [CH3C1]

Başlangıç [OH-]

0,0010 0,0020 0,0010 0,0020

1.0 1 .0

2,0 2,0

Başlangıç Hızı [moi L-1 s-1] 4,9 X 9,8 X 9,8 X 19,6 X

10 7 10 7 İO-7 10 7

na çıkardığımızda, hız da iki kat artmaktadır. 3. Deneyde, hidroksit iyonu derişimini iki katma çıkardığımızda, hız da iki katma çıkmaktadır. 4. Deneyde ise her iki derişimi iki katma çıkardığımızda, hız da bunun üssii kadar, yani dört kat artmaktadır. Bu sonuçlar, bir orantı ile ifade edilebilir: Hız a [CHjCl] [OH ] Bu orantıya, hız sabiti olarak adlandırılan bir orantı sabiti (k) dahil edilmek suretiyle, aşağıdaki eşitlik yazılabilir. Hız = A[CH3C1] [OH- ] Bu sıcaklıkta, bu tepkime için hız sabitini, k = 4,9 X 10"4 L moT1s-1 olarak buluruz. (Ken diniz de hesaplama yaparak bunun doğruluğunu kanıtlayınız.) Bu tepkimeye toplam ikinci dereceden tepkime denir*. Bundan dolayı mantıksal olarak, tepkimenin olması için bir metil kloriir molekülü ve bir hidroksit iyonunun birbiriyle çarpışması gerektiği sonucu çıkarılabilir. Bu tepkimenin iki moleküllü (bimoleküler) olduğunu da söyleyebiliriz. (İki moleküllü, hızın ölçüldüğü basamakta iki türün yer aldığı anlamına gelir.) Bu tip bir tepkimeye, SN2 tepkimesi denir. SN2, Sübstitüsyon (yer değiştirme), Nükleofilik, iki moleküllü anlamına gelir.

6.7

S N2 TEPKİMESİNİN MEKANİZMASI

Sn2 Tepkimesi için— 1937’de Edward D. Hughes ve Sir Christopher Ingold tarafından teklif edilen—bir modern mekanizma aşağıda verilmiştir.

Bu mekanizmaya göre, nükleofil, ayrılan grubu taşıyan karbona arka taraftan; yani, ayrılan grubun tam zıt yönünden yaklaşır. Nükleofilin elektron çiftini bulunduran orbi-

* Genelde bir tepkimenin toplam derecesi, hız eşitliğindeki a ve b üslerinin toplamına eşittir. Hız = *(A]a [B]h Örneğin, başka bir tepkimede şöyle bulmuşsak, Hız = Ar[A]2 [BJ o zaman biz bu tepkimenin [A] ya göre ikinci dereceden, [BJ ye göre birinci dereceden ve toplam olarak üçüncü dereceden olduğunu söyleyeceğiz.

London University College’den Ingold (yukarıda) ve Hughes bu alanın öncü leridir. Günümüzdeki nük leofilik yer değiştirme ve ayrılma tepkimeleri anlayı şı, onların çalışmalarının oluşturduğu temel üzerine kurulmuştur.

236

Bölüm 6 / İyonik Tepkimeler-Alkil Halojenürlerin Niikleofilik Yer Değiştirme ve Ayrılma Tepkimeleri

Sn2 Tepkimelerinde Orbitaller

Sn2 Mekanizması

tal, ayrılan grubu taşıyan karbon atomunun boş (karşıtbağlayıcı) orbitali ile örtüşmeye başlar. Tepkime ilerlerken, nükleofil ve karbon atomu arasındaki bağ güçlenir, karbon atomu ile ayrılan grup arasındaki bağ zayıflar. Bu olurken, karbon atomunun konfigürasyonu da içerden dışarıya doğru çıkar yani tersine döner* (devrilir) ve ayrılan grup dışarı itilir. Nükleofil ile karbon atomu arasında bağ oluşumu, ayrılan grupla karbon ato mu arasındaki bağın kırılması için gerekli enerjinin çoğunu sağlar. Biz bu mekanizma yı, aşağıdaki “SN2 Tepkimesi İçin Bir Mekanizma” kutusunda gösterildiği şekilde, metil klorıir ve hidroksit iyonu ile gösterebiliriz. Sn2 Tepkimesi İçin Hughes-Ingold mekanizması yalnızca bir basamak içerir. Her hangi bir ara ürün yoktur. Tepkime, geçiş hali denilen ve atomların kararsız bir düzen lenmesinin oluşumuyla yürür. Geçiş hali, atomların kısa süreli bir düzenlenmesidir ve nükleofil ile ayrılan grubun her ikisi de atağa uğramış karbon atomuna kısmî olarak bağlıdır. Geçiş halinin hem nük leofil (örneğin, bir hidroksit iyonu) hem de substratın (örneğin, metil klorürün bir mo lekülü) her ikisini birden ihtiva etmesi nedeniyle, bu mekanizma, ikinci derece tepkime kinetiği gözlememize neden olur. (Çünkü, bağ oluşumu ve bağ kırılması tek bir geçiş halinde ve aynı anda meydana gelir, SN2 tepkimesi uyumlu tepkime olarak adlandırılan tepkimelerin bir örneğidir.) Geçiş hali son derece kısa süreli bir oluşumdur. Moleküler bir titreşim için gerekli süre olan 1(T12saniye gibi kısa bir sürede olur. Bir kimyasal tepkimede geçiş halinin ya pı ve enerjisi oldukça önemlidir. Bu yüzden bu konuya Altböliim 6.8’de yeniden döne ceğiz.

; S n 2 T e p k i m e s i için Bir Mekanizması •

Tepkime: HO" + C H 3C I -----► C H 3O H + c ı

Mekanizma: HH

H

8+(V

•• H— ():

5

C — CM

-

/

H Negatif hidroksit iyonu, elektron çiftini. kısmi pozitif olan karbon atom una arka taraftan iter. Klor, elektron çiftiyle beraber. bağlı olduğu karbondan ayrılm aya başlar.

— ->

t

H

S—•* •• 5— H— 0 — C — C l ! -----►H — O.. — C^

1 H

Geçiş hali Geçiş halinde, oksijenle karbon atom u arasındaki bağ kısmen oluşmuş ve karbon ile klor arasındaki bağ kısmen kırılmıştır. Karbon atom unun konfigürasyonu tersine çevrilmeye başlamıştır.

+ : C 1:

H Şimdi, oksijen ile karbon atomu arasındaki bağ oluşmuş ve klor ayrılm ıştır. Karbonun konfigürasyonu tersine çevrilmiştir.

__________________________________________________________________ ________ _________ * Buna benzeyen tepkimelerde ayrılan grubu taşıyan karbonun devrildiği ile ilgili kanıtlar Hughes ve Ingoid’un 1937’deki bu konuyla ilgili yaptıkları yayından (makalelerinden) daha önceki yıllarda elde edilmiştir. Böyle bir devrilmenin ilk gözlemi Litvanyalı bir kimyacı olan Paul Walden tarafından 1896’da yapıldı ve bu tür devrilmeler onun anısına Walden devrilmesi olarak adlandırılır. SN2 Tepkimelerinin bu yönünü, Altbölüm 6.9‘da inceleyeceğiz.

6.8 Geçiş Hali Teorisi: Serbest Enerji Diyagramları

6 .8

G e ç İ ş H a l İ T e o r İSİ: S e r ENERJİ D İY A G R A M L A R I

237

best

Serbest enerji değişimi negatif (eksi) olan tepkimelere eksergonik, serbest enerji deği şimi pozitif (artı) olan tepkimelere endergonik tepkime denir. Sulu çözeltide metil kloriir ile hidroksit iyonu arasında yürüyen tepkime son derece eksergoniktir; 60°C,da (333 K), AG° = - 100 kJ mol'1. (Tepkime aynı zamanda eksotermiktir, AH° = -75 kJ mol'1.) CH3—C1 + OH

►CH3—OH + C f

AG° = - 100 kJ mol"1

Tepkime için denge sabiti son derece büyüktür: AG0denge = -2,303 RT log Kdenge log Kdenge log Kdenge l°g

denge ^d en g e

-A G° 2,303 RT

- ( - 100 kJ m ol'1)

2,303 15,7

X

5,0

1015

X

0,00831 kJ K~‘ mol"1 X 333 K

Bu kadar büyük bir denge sabiti, tepkimenin tamamlanacağı anlamına gelir. Serbest enerji değişiminin eksi olması nedeniyle, enerji terimi açısından tepkimenin tepe aşağı gideceğini söyleyebiliriz. Tepkime ürünleri, reaktantlara göre daha düşük ser best enerji düzeyindedir. Bununla birlikte, eğer bir tepkimede kovalent bağ kınlıyorsa, tepe aşağı gitme den önce, reaktantların enerjilerinin ilk önce yukarı doğru çıkması gerektiğini gös teren önemli deneysel bulgular vardır. Bu durum, tepkimenin eksergonik olması halinde bile geçerlidir. Biz bunu, tepkimeye giren parçacıkların serbest enerjisini, tepkime koordinatına kar şı işaretleyerek grafiksel olarak gösterebiliriz. Böyle bir grafik Şekil 6.1 'de verilmekte dir. Genelleştirilmiş bir SN2 tepkimesi örnek olarak seçilmiştir. Tepkime koordinatı, tepkimenin ilerlemesini ölçen bir niceliktir. Bu koordinat, reaktantlar ürünlere dönüşürken, bağ düzenleri ve bağ uzunluklarında oluşması gereken değişiklikleri gösterir. Bu örnekte, tepkime ilerlerken Y - Z mesafesi uzadığından, Y-Z mesafesi tepkime koordinatı olarak kullanılabildi. Şeklimizde (Şekil 6.1), reaktantlar ile ürünler arasında var olan enerji engelini gö rebiliriz. Bu engelin, reaktantların seviyesinden yüksekliği (mol başına kilojul cinsinden) serbest aktifleşme enerjisi, AG% olarak adlandırılır. Şekil 6 .1 Negatif bir AG" ile meydana gelen varsayımsal bir SN2 tepkimesi için serbest enerji diyagramı.

238


Şekil 6.2 Pozitif bir AG" ile meydana gelen varsayımsal bir SN2 tepkimesi için serbest enerji diyagramı.

Enerji tepesinin doruk noktası geçiş haline aittir. Reaktantlarla geçiş hali ara sındaki serbest enerji farkı, serbest aktifleşme enerjisi, AGr dir. Reaktantlarla ürünler arasındaki serbest enerji farkı tepkime serbest enerjisi, AG" dir. Bizim örneğimiz için, ürünlerin serbest enerji düzeyi reaktantlara göre daha düşüktür. Bir benzetme ile, ener ji vadisindeki reaktantların, ürünlerin bulunduğu daha düşük enerji vadisine ulaşmak için, bir enerji tepesini (geçiş halini) geçmek zorunda olduklarını söyleyebiliriz. Eğer kovalent bağın kırıldığı tepkime, pozitif serbest enerji ile yürürse (Şekil 6.2), serbest aktifleşme enerjisi yine olacaktır. Yani, ürünler reaktantlardan daha büyük bir serbest enerjiye sahipse, geçiş hali daha da yüksek serbest enerjiye sahip olacaktır. (AGi, AG°’a göre daha büyük olacaktır.) Başka bir deyimle, yukarı giden (endergonik) bir tepkimede, daha da yüksek olan enerji tepesi, reaktantların bulunduğu vadi ile ürünle rin bulunduğu daha yüksek vadi seviyesinin arasında yer alır. Bir tepkimenin toplam serbest enerji değişimi, entalpi ve entropi bileşen lerini içerdiği gibi (Altbölüm 3.9), AG° = A H - TAS"

serbest aktifleşme enerjisi de benzer bileşenlere sahiptir. AG* = AH - TAS

Aktifleşme entalpisi (AH ), reaktantlarla geçiş halinin bağ enerjileri ara sındaki farktır. Aktifleşme entalpisi aslında, geçiş hali için gerekli reaktantları bir araya getirmek ve bağların kısmî olarak kırılmasını sağlamak için gerekli enerjidir. Bu enerjinin bir miktarı, kısmen oluşmuş bağlar sa yesinde sağlanabilir. Aktifleşme entropisi (AS*), reaktantlarla geçiş hali ara sındaki entropi farkıdır. Bir çok tepkimenin gerçekleşebilmesi için reaktantların uzayda uygun şekilde yönlenmeleri gerekir. (Örneğin. SN2 tep kimesi için reaktantların uygun konumlarda olması gerekir.) Bu özel yöne lim ihtiyacı, geçiş halinin reaktantlara göre daha düzenli ve AS ’nin eksi olacağı anlamına gelir. Daha düzenli geçiş halinde, AS daha eksi olacak tır. Tepkime koordinatına karşı serbest enerji dağılım grafiği üç boyutlu çi zildiğinde geçiş hali. Şekil 6.1 ve 6.2’de gösterildiği gibi bir enerji tepesinin zirvesi değil de dağ geçit noktalarına benzer. (Şekil 6.1 ve 6.2'de görülen çizim, tepkime için üç boyutlu enerji yüzeyleri arasından seçilen iki boyut lu basit bir kısımdır.) Yani, reaktant ve ürünler, dağlar arasında bir enerji

6.8 Geçiş Hali Teorisi: Serbest Enerji Diyagramları

239

Şekil 6.3 Geçiş hali için bir dağ geçidi benzerliği (İzin alınarak, Leffler, J. E., Grunwald, E., “Rates and Equilibria of Organic Reactions,’>, Wiley: New York, 1963, s. 65’ten uyarlanmıştır.)

engeli vasıtasıyla ayrılıyor gibidir. Reaktanttan iiriine giden sonsuz sayıda pek çok yol olmasına rağmen, geçiş hali, en düşük enerjili yokuşa gerek duyan yolun zirvesindedir. Geçişin geniş veya dar olması. AS ’ye bağlıdır. Geniş bir geçiş, tepkimenin meydana gelmesi için reaktantların kısmen pek çok yönelimde (farklı konumda) olabileceği anlamına gelir. Dar bir geçiş te ise durum tam tersidir.

Aktifleşme enerjisinin, AG'y varlığı, bir çok tepkimenin, daha yüksek sıcaklıkta ni çin daha çabuk gerçekleştiğini açıklar. Oda sıcaklığına yakın sıcaklıkta meydana gelen pek çok tepkime için, I0"C'luk bir sıcaklık artışı, tepkime hızının iki kat artmasına ne den olur. Tepkime hızındaki bu büyük artış, daha yüksek sıcaklıkta moleküller arasındaki çar pışmaların artması ve daha çok sayıda molekülün enerji engelini aşacak duruma gelme sinden kaynaklanır. Verilen bir sıcaklıkta moleküllerin hepsinin kinetik enerjileri aynı değildir. Şekil 6.4, 7, ve T2 olarak gösterilen farklı iki sıcaklıkta (birbirinden çok fark lı olmayan) çarpışmaları oluşturan enerjilerin dağılımını gösteriyor. Enerjiler farklı sıcaklıklarda dağıldıklarından (eğrilerin altında gösterildiği biçimde) sıcaklıktaki küçü cük bir miktar artış, yüksek enerjili çarpışmaların sayısında büyük bir artışa neden olur. Şekil 6.4 İki farklı Ti ve T2 (T2 > TO sıcaklıklarında enerjilerin dağılımı. Serbest aktifleşme enerjisinden daha büyük enerjiye sahip çarpışmaların sayısı, her bir eğrinin altındaki uygun bir şekilde gölgelendirilmiş alanla gösterilmektedir.

cU C 0-o <

> V*

Enerji

240


Şekil 6.5 öO'C’da metil klorür ile hidroksit iyonu arasındaki tepkime için serbest enerji diyagramı.

Te pk im e koordinatı

Sn2 Çarpışması

Şekil 6.4’te, çarpışan moleküller arasında bir tepkime olması için gerek duyulan en küçük serbest enerji gösterilmiştir. Verilen bir sıcaklıkta, tepkimenin meydana gelmesi için ye terli enerjiye sahip çarpışmaların sayısı, AG4’ye eşit veya daha fazla serbest enerjiye sa hip molekülleri gösteren eğrinin altındaki alan ile orantılıdır. Düşük sıcaklıkta (Tj) bu sayı son derece küçüktür. Bununla birlikte, yüksek sıcaklıkta (T2). tepkime vermek için yeterli enerjide meydana gelen çarpışmaların sayısı çok daha büyüktür. Sonuçta, biraz cık sıcaklık yükselişi, tepkimeye yol açan yeterli enerjideki çarpışmaların sayısında bü yük bir artış meydana getirir. Tepkime hızıyla aktifleşme enerjisinin büyüklüğü arasında önemli bir ilişki vardır. Hız sabiti (k) ile AG: arasındaki bu ilişki, üsseldir. k = k0 e~AGv RT Bu eşitlikte, e, tabii logaritma tabanı olan 2,718'dir ve k0 ise mutlak hız sabitidir ve bü tün geçiş hallerinin ürünleri oluşturabileceği bir hız değerine eşittir. 25’C'da k0 = 6.2 X 10'2 s” dir. Üssel ilişki nedeniyle, daha düşük aktifleşme enerjisine sahip bir tepki me, aktifleşme enerjisi yüksek olandan daha hızlı m eydana gelir.

Genel olarak söylemek gerekirse, bir tepkime, 84 kJ mol'|,den daha düşük bir AG 'ye sahipse, oda sıcaklığı veya daha düşük sıcaklıkta meydana gelir. Eğer AG 84 kJ mol 1'den daha büyükse, tepkimenin makul bir hızda yürümesi için ısıtmak gerekecektir. Metil klorür ile hidroksit iyonu arasındaki tepkime için serbest enerji diyagramı Şe kil 6.5’te gösterilmiştir. 60'’C’da, AG* = 103 kJ mol-|,dir, bu değer bu sıcaklıkta tepki menin ancak birkaç saat içinde tamamlanacağı anlamına gelir.

6 .9 A

1

Sn2 Tepkimesinin Stereokimyası

Sn 2

TE P KİM ELER İN İN STER O K İM YAS I

Daha önce de öğrendiğimiz gibi (Altbölüm 6.7), bir SN2 tepkimesinde, nükleufil arka taraftan yani ayrılan gruba tam zıt olan bir yönden atak yapar. Bu atak biçimi, (aşa ğıya bakınız), nükleofilik saldırının hedefi olan karbon atomunun konfigürasyonunda bir değişime neden olur. (Bir atomun konfigürasyonu, bir atom etrafındaki grupların uzayda belirli bir şekilde düzenlenmesidir, Altbölüm 5.6). Bir değişiklik meydana ge-

6.9 Sn2 Tepkimelerinin Stereokimyası

241

lirken, saldırıya uğrayan karbon atomunun konfigürasyonu, kuvvetli bir rüzgara maruz kaldığında bir şemsiyenin içinin dışına dönmesine benzer şekilde ters yüz olur.

Sn2 tepkimesi için geçiş hali Ne yazık ki burada, metil klorür gibi bir molekülle, metil klorürürün devrilmeye uğ ramış şeklinin aynı olması nedeniyle, nükleofilin, karbon atomunun konfigürasyonunu tersine çevirdiğini ispatlamanın bir yolu yoktur. Halkalı bir molekülle, örneğin cis-1kloro-3-metilsiklopentan ile, konfigürasyon devrilmesinin sonuçlarını görebiliriz, cis-lKloro-3-metilsiklopentan. hidroksit iyonu ile SN2 tepkimesi verdiğinde ürün, rra«i-3-metil- siklopentanoldür. Hidroksit iyonu, yer değiştiren klora göre halkanın ar ka yüzünden bağlanır.

ınetilsiklopentan

Muhtemelen, bu tepkime için geçiş hali aşağıda gösterildiği gibidir. :CI: Ayrılan grup yukarı taraftan atılır. Nükleofıl aşağı taraftan saldırır.

Sandalye konformasyonu yapılarını kullanınız (Altbölüm 4.12) ve r;a/7i-l-bromo- ^ 4-rer-bütilsikloheksanın iyodür iyonu ile verdiği tepkimede meydana gelen nükleofilik yer değiştirme tepkimesini gösteriniz (Reaktant ve ürünün en kararlı konformasyonunu gösteriniz.)

Sn2 Tepkimesi, bir stereomeıkezde meydana geldiğinde halkalı olmayan bir mole külde de konfigürasyon devrilmesini gözleyebiliriz. Burada da yine, SN2 tepkimeleri nin daima konfigürasyon devrilmesine yol açtığını göreceğiz.

P ro b l e m 6.2

O

I

Sn2 Devrilmesi

242


2-Bromooktan, bir stereomerkez içeren ve bundan dolayı da bir enantiyomer çifti olarak bulunan bir bileşiktir. Bu enantiyomerler, ayrı olarak elde edilebilirler ve aşağı da gösterilen konfigürasyon ve çevirmelere sahip oldukları bilinir. ç 6h 13 H v l > Br ç T ch3 {R)-(—)-2-Bromooktan

[a]-?,5 = -34,25°

Ç6H,3 B rv l^ H ç T ch3 (S)-(+ )-2-Bromooktan [a]2»5 = +34,25°

Bir alkol olan 2-oktanol de kiraldir. 2-Oktanol enantiyomerlerinin konfigürasyonları çevirmeleri de belirlenmiştir. Ç6H,3 Ô H ç 1 ch 3 (/?)-(—)-2-Oktanol [o® = -9,90°

ÇöHn H()v f ç ch3

(5)-( + )-2-()ktanol [a]?,5 = +9,90°

(/?)-(-)-2-Bromooktan, sodyum hidroksitle tepkimeye girdiğinde, tepkimeden elde edilen tek yer değiştirme ürünü, (ıS)-(+)-2-bromooktanoldür.

Sn2

T ep k im esin in S tereokim yası

Bu tepkime bir SN2 tepkimesidir ve tam bir konfigürasyon devrilmesi ile so nuçlanır.

P ro b l e m 6.3

(R)-(—)-2-Bromooktan

(S)-(+)-2-Oktanol

[a]« = _34,25° Enantivomerik saflık = %100

Enantiyomerik saflık = %100

[aİD = +9,90°

>■ Tepkimenin stereokimyasımn bilinmesi nedeniyle, molekül konfigürasyon lan ara sında bir ilişki kurmak için stereomerkezdeki bağın kırılmasını içeren SN2 tepkime leri kullanılabilir, (a) Aşağıdaki verilere dayanarak, 2-klorobütan enantiyomerlerinin konfigürasyonlarının belirlenmesiyle bunun nasıl doğrulanabileceğim gösteriniz. [(-)-2-Bütanolün konfigürasyonu Altböltim 5.7C’de verilmiştir.] ( + )-2-Klorobütan

QH ► (—)-2-Bütanol

[«İd = + 36,00° s*2 [a]2»5 = - 13,52° Enantiyomerik olarak saf Enantiyomerik olarak saf

6.10 Hidroksit İyonu ile ter-Bütil Klorürün Tepkimesi: SN1 Tepkimesi

(b) Optikçe aktif (+)-2-klorobütan potasyum iyodür ile aseton içerisinde SN2 tepki mesine maruz bırakıldığında, elde edilen 2-iyodobütan eksi çevirme gösterir. (-)-2İyodobütanın konfigürasyonu nedir? (+)-2-İyodobütanmki nedir?

6 . 1 0 HİDROKSİT İYONU İLE TER-BÜTİL K

lo r ü r ü n

T

e p k îm e s

İ: S n I T

e p k îm e s

İ

te?-Bütil klorürün, sodyum hidroksitle su ve aseton kanşımı içerisinde verdiği tepkimeden elde edilen kinetik sonuçlar oldukça farklıdır. ter-Bütil alkolün oluşma hızı te/-Bütil klorürün derişimine bağlıdır, fakat hidroksit iyonunun derişiminden bağımsızdır. ter-Bütil klorür derişiminin iki katına çıkarılması tepkime hızını da iki kat artırır. Fakat hid roksit iyonu derişimini (belirli sınırlar içinde) değiştirmenin, kayda değer bir etkisi yoktur. rer-Bütil klorür, (hidroksit iyonunun 10 7 M olduğu) saf su içerisinde, (hidroksit iyonu derişiminin 500.000 kat daha fazla olduğu) 0,05M sulu sodyum hidroksit içerisinde ol duğu gibi neredeyse aynı hızda yer değiştirme tepkimesi verir. (Altbölüm 6.11 'de, bu tepkimede önemli olan nükleofilin, su molekülü olduğunu göreceğiz.) Bu yüzden, bu yer değiştirme tepkimesi için hız eşitliği hem ter-bütil klorüre göre hem de toplam olarak birinci derecedendir. âscton

(CH3)3C—CI + OH" -H2U , ►(CH3)3C—OH + CI" Hız oc [(CH3)3CC1] Hız = A'[(CH3)3CC1] Bundan dolayı, hidroksit iyonunun, tepkime hızını kontrol eden basamağın geçiş ha linde yer almadığı ve bu basamakta yer alan moleküllerin yalnızca ter-butil klorür molekülleri olduğu sonucunu çıkarabiliriz. Bu tepkimenin, bir moleküllü bir tepkime olduğu söylenir. Bu tip tepkimeleri SN1 tepkimesi olarak adlandırırız. (Sübstitüsvon, Nükleofillik, bir moleküllü). Bir SN1 tepkimesini mekanizma yönünden nasıl açıklayabiliriz? Mekanizmayı açık layabilmek için mekanizmanın birden fazla basamaktan meydana gelebileceğini düşün memiz gerekir. Ancak çok basamaklı tepkimelerde hangi tip kinetik sonuçlar beklenir? Tüm bunları daha ileride inceleyeceğiz. 6 . I 0 A Ç o k Basamaklı T e p k i m e l e r ve Hız-Be lir le yic i Basamak Eğer bir tepkime birden çok basamakta oluşuyorsa ve basamaklardan biri diğerlerinin hepsine göre gerçek anlamda çok yavaş ise, o zaman toplam tepkime hızı, esas olarak, bu yavaş basamağın hızına eşit olacaktır. Bu yavaş basamak, bundan dolayı, hız-sınırlayıcı basamak veya hız belirleyici basamak olarak adlandırılır. Aşağıdaki gibi çok basamaklı bir tepkimeyi göz önüne alalım: yavaş

/. Basamak

Reaktant------ ►1. ara ürün

2. Basamak

1. Ara ürün hlZh ►2. ara ürün

3. Basamak

2. Ara ürün

hızlı

>■ ürün

243

244


Bu örnekteki ilk basamağın gerçek anlamda yavaş olduğunu söylediğimizde, ilk basa mak için hız sabitinin, ikinci ve üçüncü basamaktaki hız sabitlerine göre çok küçük ol duğunu söylemiş oluruz. 1. Basamak

Hız = k, [reaktant]

2. Basamak

Hız = k2[1. ara ürün]

3. Basamak

Hız = &3[2. ara ürün] k] « k2 veya k3

İkinci ve üçüncü basamakların çok hızlı olduğunu söylediğimizde ise, bu, bu basamak ların hız sabitlerinin çok büyük olmaları nedeniyle, eğer bu iki ara ürünün derişimleri yeteri kadar yüksek olursa, kuramsal olarak hızlı bir şekilde tepkime verecekleri anla mına gelir. Gerçekte, ilk basamağın yavaş olması ve 2. ve 3. basamağın 1. basamakla aynı hızda meydana gelmesi nedeniyle ara ürünlerin derişimleri daima çok düşüktür. Bir benzetme ile bu daha iyi anlaşılabilir. Şekil 6.6 da gösterildiği gibi düzenlenmiş bir kum saati düşünün. En üstteki bölme ile hemen altındaki bölme arasındaki delik, di ğer ikisine göre epeyce daha küçüktür Kumun, kum saatinin üstünden kum saatinin di bine toplam dökülme hızı, kumun bu küçük delikten akma hızı ile sınırlandırılmıştır. Kumun akışındaki bu basamak, çok basamaklı bir tepkimenin hız belirleyici basamağı na benzer.

Şekil 6.6 Çok basamaklı bir tepkimenin anlaşılması için tasarlanmış bir kum saati. Toplam hız en yavaş basamak tarafından belirlenmiştir.

Reaktant Y av aş

(hız belirleyici) 1. A r a ürün

Hızlı

2. A r a ürün

Hızlı

Ürün

6.1 I S N I TEPKİMESİNİN MEKANİZMASI ter-Bütil klorürün suyla verdiği tepkimenin mekanizması (Altbölüm 6.10) görünüşe gö re üç basamak içermektedir. İki farklı ara ürün oluşur. İlk basamak yavaştır ve hız be lirleyici basamaktır. Bu basamakta, bir ter-bütil klorür molekülü iyonlarına ayrışır ve /e/*-bütil katyonu ile klorür iyonu meydana gelir. Serbest enerji yönünden tepe yukarı gitmesinden ve genellikle son derece endotermik bir işlem olmasından dolayı, karbokatyon oluşumu yavaş bir şekilde gerçekleşir.

6.11 SN1 Tepkimesinin Mekanizması

S N I T e p k i m e s i iç in B i r M e k a n i z m a * T ep k im e:

(CH,)3CCI + 2 H , 0 ---- ►(c h 3)3c o h +

h 3ct + c r

M ekanizm a:

1. Basamak çh3

1 HıC— C I

yavaş / CI — —►hLC— C •• h2o \

CH,

•• + : CI •

ch3

ch3

Polar çözücünün de yardımıyla klor. elektron çiftiyle beraber bağlı olduğu karbondan ayrılır.

Bu yavaş basamak, kısmen kararlı 3° karbokatvon ve klorür iyonu oluşturur. Burada gösterilmemesine rağmen, bu iyonlar su molekülleri ile sarılırlar (kararlı kılınırlar).

2. Basamak ÇH3 hızlı | •• H,C— C+ + :0 — H ;î = * H,C — C ---- O — H \ | ' 1 1

CH,

ch3 h

ch3 h

Bir Lewis bazı olarak davranan su molekülü, bir Lewis asiti olan karbokatyona bir elektron çifti verir. Bu. katyonik karbonu sekiz elektronlu yapar.

Bu ürün terbütiloksonvum iyonudur (ya da protanlanmış ter-bütilalkol).

3. Basamak ÇH3

çh3

hızlı

1

|

H3C—C -----O ^ H + O — H * = ± ICC—C 1 1 ^

ch3 h

1 h

Bronsted bazı olarak davranan su molekülü, terbütiloksonyum iyonundan bir proton alır.

1

- o : + H —O— H 1

ch3 h

1 h

Ürünler, ter-bütiialkol ve hidronyunı iyonudur.

İkinci basamakta, ara ürün ter-bütil katyonu, tc/'-bütiloksonyum iyonu (bir diğer ara ürün) vermek üzere suyla hızlıca tepkime verir; bu ara ürün de, üçüncü basamakta pro tonunu hızla bir su molekülüne vererek rcr-bütil alkolü meydana getirir. İlk basamak, karbon-klor bağının heterolitik kırılmasını gerektirir. Bu adımda baş ka bir bağ oluşmadığından, son derece endotermik ve aktifleşme enerjisi hayli yüksek olmalıdır. Bu basamak, çözücü, yani suyun iyonlaştırma kabiliyeti nedeniyle, büyük öl-

245

246


Şekil 6.7 ter-Bütil klorür ile suyun verdiği SN1 tepkimesi için serbest enerji diyagramı. İlk basa mak için serbest aktifleşme enerjisi, AG?(1), AG*(2) veya AG;(3)’e göre çok büyüktür. GH(1), geçiş hali (l)i gösteriyor, GH(2), geçiş hali (2)yi vb.

Tepkime koordinatı

SN1 Mekanizması

■

çüde meydana gelmektedir. Deneyler, gaz fazında (her hangi bir çözücünün olmadığı durumda) serbest aktifleşme enerjisinin yaklaşık 630 kJ mol 1olduğunu gösteriyor! Fa kat sulu çözeltideki serbest aktifleşme enerjisi çok daha düşük bir değerdir-yaklaşık 84 kJ mol'1. Su molekülleri, oluşan katyon ve anyonları çevreleyip kararlı kılmaktadır (bkz. Altbölüm 2.14E). İlk basamakta oluşan ter-bütil katyonu sarılarak kararlı kılınmasına rağmen, bu du rumda dahi son derece etkin bir türdür. Neredeyse oluştuktan hemen sonra, kendisini kuşatan su moleküllerinden biriyle te/-bütiloksonyum iyonu, (CH3)3COH2\ oluşturmak üzere tepkimeye girer. (Belki nadir de olsa hidroksit iyonlarıyla da tepkime veriyor ola bilir, fakat su molekülleri çok daha kalabalıktır.) ter-B üt il klorürün SN1 tepkimesi için serbest enerji diyagramı Şekil 6.7’de verilmiştir. SN1 tepkimesi için önemli geçiş hali, hız belirleyici basamak için geçerli olan geçiş halidir [GH( 1)]. Bu geçiş halinde, te/'-bütil klorürün karbon-klor bağı büyük oranda kı rılır ve iyonlar oluşmaya başlar. CH,

l8

CH —C§i-Cl6CH, Oluşmaya başlayan iyonlar çözücü (su) molekülleriyle sarılarak kararlı kılınırlar.

6.12

Olah, çalışmalarından dolayı 1994’te kimya dalında Nobel Ödülü ile ödüllendirildi.

Ka

r b o k a ty o n l a r

1920’lerden başlanarak, pek çok iyonik tepkimede, ara ürünler olarak basit alkil katyon larının ilişkili olduğunu ortaya koyan kanıtlar toplanmaya başlandı. Yine de, son dere ce kararsız ve yüksek derecede etkin olmaları nedeniyle, 1962’den önce incelenen bütün örneklerde, alkil katyonlar kısa yaşama ömrüne sahip olduklarından doğrudan gözlenemiyorlardı.* Bununla birlikte, 1962’de (şimdi Güney Kaliforniya Üniversitesi’nde bulu nan) George A. Olah ve grubu alkil katyonların oldukça kararlı olarak hazırlanabildikleri ortamları ve spektroskopik teknikler kullanılarak gözlenebildikleri deneyleri tanımlayan bir seri makale yayınladılar. * Daha sonra öğreneceğimiz gibi, aromatik gruplar taşıyan karbokatyonlar çok daha kararlı olabilmektedir; bunlardan biri, çok önce. 1901 yılında incelenmişti.

6.12 Karbokatyonlar

247

sp2-s a bağı

(a)

(b)

Şekil 6.8 (a) Metil katyonunun biçimlendirilmiş orbital yapısı. Bağlar, karbon atomu nun üç tane sp2orbitali ile hidrojen atomlarının İs orbitallerinin örtüşmesi ile oluşan sigma (o) bağlarıdır./? Orbitali boştur, (b) /er-Bütil katyonun bir kama-cizgi gösterimi. Karbon atomları arasındaki bağlar, metil gruplarının sp' orbitalleri ile merkez karbon atomunun sp2orbitalleri arasında oluşmuştur.

6 . I 2 A Kar bok aty onl ar ın Yapısı Dikkate değer deneysel bulgular, karbokatyonların yapısının BF3 gibi üçgen düzlem olduğunu göstermektedir (Altbölüm 1.16D). BF^’ün üçgen düzlem yapısının sp2 melez leşme temeline dayandırıldığı gibi, karbokatyoıılardaki yapı da benzer şekilde açıklana bilir (Şekil 6.8). Bir karbokatyonun merkez karbon atomunda elektron eksikliği vardır; çünkü dış ener ji düzeyinde altı elektronu bulunmaktadır. Şekil 6.8'de görülen modelimizde, altı elekt ron, hidrojen atomları veya alkil grupları ile sigma kovalent bağlarını yapmak için kullanılmıştır, p Orbitali elektronca boştur.

Karbokatyon yapısının bilinmesi, tepkime işlemi nin türünü anlamak için önemli bir araçtır.

6 . I 2 B Karbo k at yo nlar ın Bağıl Kararlılıkları Deneysel sonuçların büyük kısmı, karbokatyon kararlılığının, artı yükü taşıyan üç bağ lı karbon atomuna bağlı'olan alkil gruplarının sayısı ile bağlantılı olduğunu göstermek tedir. Üçüncül karbokatyonlar en kararlı, metil katyonu ise en az kararlı olanıdır. Ayrıntılı kararlılık sırası aşağıdaki gibidir: H

A

H / H— C+ \ \ H H 1° > Metil (en az kararlı) /

Ü 1

A

o

R R / / R— C+ > R —C+ > \ \ R H 3° > (en kararlı)

Karbokatyonların bu kararlılık sırası, yük taşıyan bir sistem, yük dağıldığı veya delokalize olduğunda kararlı kılınır diyen bir fizik yasasma dayalı olarak açıklanabilir. Hidrojenle karşılaştırıldıklarında, alkil grupları elektron vericidir. Bu, alkil gruplarının elektron yoğunluğunu artı yüke doğru kaydıracağı anlamına gelir. Karbokatyonun aıiı atomuna bağlı alkil gruplan, elektron sağlayarak artı yükü dağıtırlar. Bağlı alkil grup ları, böyle yaparak artı yükün bir kısmını kendi üzerlerine alırlar ve karbokatyonu ka rarlı kılarlar. Şekil 6.9'u inceleyerek bunun nasıl olduğunu görebiliriz.

Bağıl karbokatyon kararlılığı

248


Şekil 6.9 Bir metil grubunun, karbokatyonun artı yükünün kararlı kılınmasına nasıl yar dım ettiği. Orbitaller kısmen de olsa örtüştüğünden, metil grubunun karbon-hidrojen bağ larından birindeki elektron yoğunluğu karbokatyonun boş p orbitaline akar. Bu yolla elektron yoğunluğunun kayması, karbokatyonun sp1 melezleşmiş karbonunu biraz daha az artı yapar ve metil grubunun hidrojenleri artı yükün bir kısmını üzerlerine alır. Bu yolla yükün dağılımı, kararlılığın artmasına yol açar. Bir bağ orbitalinin bu şekilde bir p orbitali ile etkileşimi, hiperkonjugasyon olarak adlandırılır.

ter-Bütil katyonunda (aşağıya bakınız) elektron verebilecek üç metil grubıı merkez karbon atomunu çevreler ve artı yükün dağılmasına yardım eder. İzopropil katyonunda, yükün dağılmasını sağlayan bağlı metil grubu yalnızca iki tanedir. Etil katyonunda, bağ lı metil grubu sayısı bir. metil katyonunda ise hiçbir metil grubu yoktur. Sonuç olarak. yük dağılımı ve karbokatyonların kararlılık sırası. bağlı olan metil gruplarının sayısı ile paralellik gösterir. ¿>+

s+

CH,l 3 sonra kinden daha kararlı

CH,

/ >c \

H

H H sonrasonra/ kinden kinden '5+CH3——►C&f H—C+ daha daha \ \ H kararlı H kararlı

5+ ter-Bütil katyonu (3°) (en kararlı)

İzopropil katyonu (2°)

Etil katyonu ( 1 °)

Metil katyonu (en kararsız)

Karbokatyonların bağıl karalılık sırası 3" > 2" > 1"> metil şeklindedir. Bu eği lim. bu karbokatyonların elektrostatik potansiyel haritalarında rahatça görülebilmekte dir (Şekil 6.10). Şekil 6.10 (a) ter-Bütil (3°), (b) izopropil (2"), (c) etil (1°) ve (d) metil karbokatyonların elektrostatik potansiyel haritaları, bu yapılardaki ar tı yükün büyükten küçüğe doğru dağılma (kararlılık) eğilimlerini gösteriyor. Mavi liğin azalması, artı yükün daha çok dağıldığını göster mektedir. (Doğrudan karşı laştırma yapabilmek amacıyla, yapılar, aynı po tansiyel elektrostatik ölçekte çizilmiştir.

w

t

,

%

i* > m *. ~ €

t t M* «r i w

i (a) ter-Bütil (3°)

(b) İzopropil (2°)

(C) Etil (1°)

(d) Metil

6.13 SN1 Tepkimelerinin Stereokimyası

6.13

S N I TE P K İM ELER İN İN STEREOKİM YASI

Bir SN1 tepkimesinin ilk basamağında oluşan karbokatyon üçgen düzlemsel yapıya sa hip olduğundan, bir nükleofille tepkime verdiğinde bu tepkime hem ön yüzden hem de arka yüzden gerçekleşebilir (aşağıya bakınız). re; -Bütil katyonuyla olan bir tepkimede, her iki yolla da aynı ürün oluştuğundan sonuç farketmez.

H,0

CH3 I c V'CH, CH,

arka taraftan atak

: OH,

H,():

ön taraftan atak

Aynı ürü n

Fakat bazı katyonlarla, iki farklı tepkime olasılığından dolayı farklı ürünler oluşur. Aşağıda bu nokta üzerinde duracağız.

6 . I 3 A Rasemleşme İçeren T e p k i m e l e r Optikçe aktif bir bileşiği rasemik şekle çeviren bir tepkimenin rasemleşme ile yürüdü ğü söylenir. Tepkime esnasında, başlangıçtaki bileşik, optikçe aktifliğinin hepsini kay bederse, kimyacılar, tepkimenin tam bir rasemleşme ile gerçekleştiğini ifade ederler. Bir enantiyomerin kısmî olarak rasemik şekle dönüşmesinde olduğu gibi, eğer başlangıçta ki bileşik optikçe aktifliğinin yalnızca bir kısmını kaybederse, bu durumda kimyacılar, bunu kısmî rasemleşme ile tanımlarlar. Kiral moleküllerin akiral ara ürünlere dönüştüğü bütün tepkimelerde rasemleşme meydana gelir. Ayrılan grubun stereomerkezi terk ettiği SN1 tepkimeleri, bu tip tepkimelere örnek olarak gösterilebilir. Bu tepkimeler ya büyük oranda veya tam bir rasemleşme ile so nuçlanırlar. Örneğin, optikçe aktif (5)-3-bromo-3-metilheksanın sulu aseton içerisinde ısıtılması, rasemik şekle sahip 3-metil-3-heksanol oluşumuyla sonuçlanır.

CH3CH2CH2 C— Br h 3c *"İ c h 3c h 2

(S)-3-Bromo-3metilheksan (optikçe aktif)

H,()

c h 3c h 2c h 2

/c h 2c h 2c h 3

. c — OH + HO— C H3c

i

i

HBr

ch3 c h 2c h 3

c h 3c h , (S)-3-Metil- ' (i?)-3-Metil3-heksanol 3-heksanol (optikçe inaktif, rasemik karışım)

Bunun nedeni: SN1 tepkimesi, bir karbokatyon ara ürünü oluşumu üzerinden yürür ve üçgen düzlem yapısı nedeniyle bu karbokatyon akiraldir. Karbokatyon su ile, her iki yandan da eşit hızlarda ve eşit miktarlarda 3-metil-3-heksanol enantiyomerlerini oluş turmak üzere tepkime verir.

SN1 Stereokimyası

249

250


B i r S N I T e p k im e s in in Stereokimyası ç h 2c h 2c h 3

c h 3c h 2c h 2 V

-B r -

C—B r -----HC i yavaş CH3CH2

Ön vüzden atak

Arka yüzden a ta k ^ ü ^ P

* 3X

H ^

Ön ve arka yüzden atak aynı hızda olur ve ürün rasemik bir karışım olarak oluşur.

^ H

XC —Ö:

i

CH2CH2CH3

jC H jC H ,

■Ö— C,

i

ch3 c h 2c h 3

H

H

Bir rasemik karışım

hızlı

;o —c . HOH

+ H30

c h 3c h 2c^î 2 h 3c "' c h 3c h 7

Enantiyomerlcr h 3c c h 2ch

h c c h 2c h 3

HOH

CH3CH,CH, H V C—o +^ \ h 3c ""İ H c h 3c h 2

Karhokatyon üçgen düzlem yapıya sahiptir ve akiraldir.

H

+

h 3o +

i "CH3

CH2CH3

Karbokatyon ara ürününün akiral olması ve nükleofil tarafından her iki yönden de atak yapılabilmesi nedeniyle (S)-3-bromo-3-metilheksanın SN1 tepkimesi rasemleşme ile yürür.

P ro bl em 6.4

>

Karbokatyonların üçgen düzlem yapıya sahip olduğunu aklınızda tutarak, aşağıda ki tepkimeden beklediğiniz (a) karbokatyon ara ürünü için bir yapı, ve (b) alkol (veya alkollerin) yapılarını yazınız. I

(CH3)3C

6 . 1 3B Solvoliz Alkil halojenürlerin su ile tepkimesi bir solvoliz örneğidir. Solvoliz, çözücü molekülle rinden birinin nükleofil olduğu nükleofilik bir yer değiştirmedir (solvent + lysis = çö zücü tarafından yarılma). Bu örnekte çözücü su olduğundan, bu tepkimeyi hidroliz olarak gerçekleşseydi, bu durumda tepkimeyi adlandırabiliriz. Eğer tepkime, metanol ıçı metanoliz olarak adlandıracaktık. Solvoliz Örnekleri (CH3)3C—Br + H,0 (CH,)3C—Cl + CH3OH O (CH3)3C—Cl + HCOH

* (CH3)3C— OH + HBr * (CH3)3C— OCH3 + HCI

O > (CH3)3C— OCH + HCI

6.14 SN1 ve Sn2 Tepkimelerinin Hızlarını Etkileyen Etkenler

Bu tepkimelerin hepsi başlangıçta bir karbokatyon oluşumu ve bunu takiben çözü cünün bir molekülü ile katyonun tepkimesini içerir. Son örnekte, çözücü formik asittir (HC02H) ve aşağıdaki basamaklar oluşur. 1. Basamak F5* ••

(CH3)3C—Çl

yavaş

---- ►(CH3)3C+ + : çı

2. Basamak O'

:O

- o —C(CH,)j hızlı

II^

(CH3)3C+ + H — o —CH ---- ►H —O—CH

< -i

C(CH3)3

H —0 = C H

3. Basamak :Ö — C(CH3)3 ■Cl

I

H —0 = C H

:Ö — C(CH,), hızlı

..

I

-----►0 = C H

-

oII .. H C - O — C(CH3)3

+ H —Cj: Problem 6.4’te reaktant olarak verilen sikloheksan türevlerinin metanolizinden han- ^ gi ürünü (veya ürünleri) beklersiniz?

6.14 SN I

VE

Sn 2

P ro bl em 6.5

TEPK İM ELER İN İN HIZLAR IN I

ETK İLEYEN ETKEN LER SN1 ve Sn2 tepkimelerinin mekanizmalarım anladıktan sonra, ilk işimiz, niçin metil klorürün SN2 mekanizması ile ve ter-bütil klorürün SN1 mekanizması ile tepkime verdiği ni açıklamak olacaktır. Değişik şartlarda, bir alkil halojenürün bir nükleofille tepkimesi esnasında hangi yolun takip edilebileceğini —SN1 veya SN2—tahmin edebilmemiz de gerekir. Bu çeşit problemlere cevap, meydana gelen tepkimelerin bağıl hızlarında bulunabi lir. Eğer verilen bir alkil halojenür ve nükleofil SN2 mekanizması ile hızlı bir şekilde, fakat aynı şartlarda SN1 mekanizması ile yavaş bir şekilde tepkime verirse, molekülle rin çoğu Sn2 yolunu izleyecektir. Diğer yandan, diğer bir alkil halojenür ve diğer bir nükleofil SN2 yolu üzerinden çok yavaş (fakat her zaman değil) tepkime verebilir. Eğer, SN1 mekanizması ile daha hızlı tepkime verirlerse, bu durumda reaktantlar SN1 yolunu takip edeceklerdir. Deneyler, SN1 ve SN2 tepkimelerinin bağıl hızlarını etkileyen pek çok etken oldu ğunu göstermektedir. En önemli etkenler şunlardır: 1. 2. 3. 4.

Substratın yapısı Nükleofilin derişimi ve etkinliği (yalnızca iki moleküllü tepkimeler için) Çözücünün etkisi Ayrılan grubun yapısı

6 . I 4 A Substratın Yapısının Etkisi Sn2 T epkim eleri Basit alkil halojenürler SN2 tepkimelerinde aşağıdaki genel etkin lik sırasını gösterirler.

metil > birincil > ikincil » (üçüncül — etkin değil)

Sn2 etkinlik sırası

251

252


Çizelge 6.4 SN2 T epki mel eri nde Alkil Halojenürlerin Bağıl T e p k i m e Hızları Sübstitüent

Bileşik

Bağıl Hız

ch 3x

Metil

30 1 0.02 0,00001 ~0

ch 3ch 2x

1° 2°

(CH3)2CHX (CH3)3CCH2X (CH3)3CX

Neopentil

3°

Metil halojenürler çok hızlı, üçüncül halojenürler ise tepkime vermez denilebilecek ka dar yavaş SN2 tepkimesi verirler. Çizelge 6.4 tipik SN2 tepkimelerinin bağıl hızlarım vermektedir. Birincil halojenür olmalarına rağmen neopentil halojenürler. bu tür tepkimelere kar şı son derece duyarsızdır. CH,—X CH? Bir neopentil halojenür

SN1 Sterik Engel

Bu yapılardaki sterik etki ler en iyi şekilde, model kurmak suretiyle anlaşıla bilir.

Bu etkinlik sırasının arkasındaki en önemli etken, sterik etkidir. Sterik etki, tepki meye giren bölgeye bağlı veya yakın molekül kısımlarının uzayı doldurma özelliklerin den (hacimlerinden) kaynaklanan, bağıl hızlar üzerindeki etkidir. Sterik etkinin bir çeşidi-burada önemli olan şekli -sterik engel olarak adlandırılır. Biz bununla, bir mo lekülün etkin tarafındaki veya buraya yakın yerdeki atom veya grupların uzaysa! düze ninin bir tepkimeyi engellediğini veya yavaşlattığını söylemek istiyoruz. Molekül veya iyon parçacıklarının tepkime verebilmesi için, etkin olan merkezlerin birbirlerine bağ oluşturabilecek kadar yaklaşması gerekir. Pek çok molekül yeterli oran da esnek olmasına rağmen, çok geniş ve hacimli gruplar, gerek duyulan geçiş halinin oluşumunu çoğu kez engelleyebilirler. Bazı durumlarda, sterik engeller, geçiş halinin oluşumunu tamamen önleyebilir. Bir Sn2 tepkimesi, bir nükleofilin, ayrılan grubu taşıyan karbon atomuna bağ yapa bilecek bir mesafeye yaklaşmasını gerektirir. Bu nedenle, karbon atomu üzerindeki ve ya yakınındaki hacimli gruplar, son derece etkin, engelleyici bir etki gösterirler (Şekil 6.11). Bu gruplar, ihtiyaç duyulan geçiş halinin enerjisinin yükselmesine neden olduk ları için tepkime serbest aktifleşme enerjisini artırırlar. Basit alkil halojenür örneklerin-

Metil

(30)

(I)

(

( 0,00001)

0,02) Bağıl hız

Şekil 6.1 I SN2 Tepkimelerinde sterik etkiler.

(-0)

6.14 SN1 ve SNt2 Tepkimelerinin Hızlarını Etkileyen Etkenler

253

den biri olan metil halojenürler, yaklaşan nükleofili engelleyebilecek yalnızca üç küçük hidrojen atomuna sahip olmaları nedeniyle, çok hızlı SN2 tepkimesi verirler. Hacimli grupların, yaklaşan niikleofile karşı çok kuvvetli bir engel göstermesi nedeniyle, neopentil ve üçüncül halojenürler en az etkindirler. (Pratik amaçlar için üçüncül substratlar SN2 mekanizması ile tepkime vermezler.) SN1 T e p k im e le ri Bir SN1 tepkimesinde organik substratların etkinliğini belirleyen başlıca etken, oluşan karbokaty ouların bağıl kararlılıklarıdır.

Daha sonra inceleyeceğimiz çok kuvvetli asitler içerisinde gerçekleşen tepkimeler hariç. SN1 yoluyla makul bir hızda tepkimeye giren organik bileşikler, yalnızca bağıl olarak kararlı karbokatyon oluşturabilenlerdir. Bu da demektir ki, bu ana kadar ince lediğimiz basit alkil halojenürlerden, (tamamen pratik amaçlar için) yalnızca üçüncül halojenürler SN1 mekanizmasıyla tepkime verirler. (Daha sonra, nispeten kararlı karbokatyonlar oluşturmalarından dolayı, alilik halojenürler veya benzilik halojenürler ola rak adlandırılan bazı organik halojenürlerin de SN1 mekanizması ile tepkime verebileceğini göreceğiz; Altbölüm 13.4 ve 15.15'e bakınız). Üç alkil grubunun, elektronlarını, artı karbon atomuna onun yükünü dağıtmak üze re vermeleri nedeniyle, üçüncül karbokatyonlar kararlı kılınırlar (bkz. Altbölüm 6.12B). Nispeten kararlı bir karbokatyon oluşumu, bir SN1 tepkimesi için önemlidir, çünkü bu, bütün bir tepkimenin makul bir hızda yürümesi için, tepkimenin bu yavaş basama ğının serbest aktifleşme enerjisinin (R-X-*R + X’) yeterli derecede düşük olacağı an lamına gelir. Şekil 6.7’yi yeniden incelerseniz, bu basamağın (1. basamak) serbest enerji açısından, tepe yukarı gittiğini göreceksiniz (Bu basamak için AG" artıdır). Entalpi açı sından da bu basamak tepe yukarıdır (AHn da artıdır) ve bu yüzden bu basamak endo termiktir. O zamanlar Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nde çalışan G.S. Hammond ve Florida Devlet Üniversitesi"nden J. E. Leffler tarafından yapılan bir varsayıma göre, ener

ji yönünden tepe yukarı giden bir basamağın geçiş hali, o basamağın ürünüyle güç lü bir benzerlik gösterir. Bu basamağın ürünü (gerçekte toplam tepkimenin ara ürünü) bir karbokatyon olduğundan , karbokatyonu kararlı kılıcı bir etki, elektron sağlayıcı grup lar vasıtasıyla artı yükü kararlı kıldığı gibi artı yükün henüz oluştuğu geçiş halini de ka rarlı kılacaktır. CH, CH, i CH, ► C H ^ C —Cl6-* CH, 1. Basamak CH,— C—C1 -----► + C1 H,0 H:0 'S CH, CH, CH, Reaktant

Geçiş hali

Basamağın Ürünü

AG° pozitif olduğu için

Elektron verici gruplar tarafından kararlı kılınır

basamağın ürününe benzer

Bir metil, birincil ya da ikincil halojenürün SN1 mekanizması ile tepkime vermesi için, bir metil, birincil ya da ikincil karbokatyon oluşturmak üzere iyonlaşması gerekir. Fakat bu karbokatyonlar, enerji yönünden, üçüncül karbokatyonlara göre daha yüksek düzeydedirler ve haliyle bu karbokatyonlara yol açan geçiş halleri de daha yüksek ener jilidir. Sonuç olarak, basit bir metil, birincil veya ikincil halojenürlerin SN1 tepkimele ri için aktifleşme enerjileri oldukça büyük olduğu için (tepkime oldukça yavaştır), pratikte bu sistemlerin SN1 tepkimeleri, karşılık gelen SN2 tepkimeleri ile yarışmaya girmez. Hammond-Leffler varsayımı oldukça geneldir ve Şekil 6.12 dikkate alınarak da ha iyi anlaşılabilir. Bu varsayım başka bir şekilde şöyle de ifade edilir: Geçiş halinin yapısı, enerji yönünden kendisine en yakın kararlı türlere benzer. Örneğin, yüksek de-

A

i

SN1 Etkinliği ve Karbokatyon Kararlılığı.

254


Şekil 6.12 Yüksek derecede eksergonik ve yüksek derecede endergonik tepkime basamakları için enerji diyagramları. (Pryor, W. A., Free Radicals; McGraw Hill; New York, 1966, s. 156’dan uyarlan mıştır. İzin alınarak basılmıştır.)

Yüksek derecede eksergonik basamak

Geçiş hali

Geçiş hali

Yüksek derecede endergonik basamak T e p k im e koordinatı

recede endergonik olan bir basamakta (mavi eğri), geçiş hali, serbest enerji yönünden ürünlere yakın bir yerde durmaktadır, bu yüzden, geçiş halinin, yapıca o basamağın ürünlerine benzediğini varsayabiliriz. Tersine, oldukça eksergonik olan bir basamak ta (kırmızı eğri) geçiş hali, enerji yönünden reaktantların yakınında durmaktadır ve biz geçiş halinin yapıca reaktantlara benzediği sonucunu çıkarabiliriz. Hammond-Leffler varsayımının büyük değeri, geçiş hali dediğimiz geçici, fakat önemli türleri hayali mizde canlandırabilmek için bize sezgisel bir yöntem kazandırmasıdır. İleride pek çok tartışmamızda bunu yine kullanacağız. P ro bl em 6.6

>■ Birincil alkil halojenürlerin bağıl etanoliz hızları aşağıdaki gibidir: CH3CH2Br, 1,0; CH3CH2CH2Br. 0,28; (CH3)2CHCH2Br, 0,030; (CH3)3CCH2Br. 0,00000042 (a) Bu tepkimelerin her biri, muhtemelen SN1 mi yoksa SN2 mi olmalıdır? (b) Gözlenen bağıl etkinlikleri nasıl açıklarsınız? 6 . I 4 B Nükleofilin Derişiminin ve G ü c ü n ü n Etkisi Nükleofil, SN1 tepkimesinin hız belirleyici basamağına katılmadığından, SNI tepkime lerinin hızları, nükleofilin hem derişiminden hem de niteliğinden etkilenmez. SN2 Tep kimelerinin hızları ise atak yapan nükleofilin hem derişimine hem ele niteliğine bağlıdır. Biz Altbölüm 6.6’da nükleofil derişiminin artmasının SN2 tepkime hızını nasıl artırdı ğını görmüştük. Şimdi de SN2 tepkime hızlarının, nükleofilin niteliğine nasıl bağlı ol duğunu inceleyebiliriz. Nükleofiller iyi ve kötü olarak tanımlanabilirler. Bunu yaptığımızda, gerçekte, onların Sn2 tepkimelerindeki bağıl etkinliklerini tanımlamış oluruz. İyi nükleofil, verilen bir substratla. çok hızlı tepkime veren nükleofildir. Kötü nükleofil ise aynı tepkime şartla rında, aynı substratla daha yavaş tepkime veren nükleofildir. Örneğin, metoksit iyonu, iyi bir nükleofildir ve metil iyodürle bağıl olarak hızlı bir şekilde, dimetil eter oluşturmak üzere, tepkimeye girer. c h 3o ~ + c h 3i c h 3o c h 3 + r Diğer yandan metanol kötü bir nükleofildir ve aynı şartlarda metil iyodür ile çok yavaş bir şekilde tepkime verir.

CHjOH + CH3I — >aV--> CH3OCH3 + IH

6.14 SN1 ve Sn.2 Tepkimelerinin Hızlarını Etkileyen Etkenler

Nükleofillerin bağıl güçleri yapısal yönleri ile ilişkilendirilebilir:

1. Eksi yüklü nükleofil, kendisinin konjuge asidinden daima daha etkin bir nükleofildir. Bu yüzden HO", H2CTdan ve RCT, ROH’den daha iyi nükleofildir. 2. Bir nükleofil grubunda nükleofilik atom aynı ise, nükleofillik, baziklikle paraleldir. Örneğin oksijen bileşiklerinde aşağıdaki sıra gözlenir.

RO > HO » RCO, > ROH > H2Ö Bu aynı zamanda baziklik sırasıdır. Bir alkoksit iyonu. (RO ) bir hidroksit iyonundan (HO ) biraz daha güçlü baz olduğu gibi, hidroksit iyonu da karboksilat iyonundan daha güçlü bir bazdır, vb. 6 . I 4 C S n2 T e p k i m e l e r i Ü z e r i n e Ç ö z ü c ü n ü n Etkileri: Polar Pr otik ve A p r o t i k Ç ö z ü c ü l e r Nükleofilik atomlar aynı olmadığında nükleofillerin bağıl kuvvetleri, daima bazlıkla pa ralellik göstermez. Periyodik çizelgenin aynı grubu içindeki bileşik veya iyonların ba ğıl nükleofilliklerini karşılaştırdığımızda, alkol ve su gibi hidroksilik çözücüler içerisinde daha büyük nükleofilik atoma sahip olan nükleofilin, daha iyi nükleofil olduğunu görü rüz. Tiyoller (R-SH) alkollere (ROH) göre daha güçlü nükleofillerdir; RS~ iyonları da RO iyonlarına göre daha iyi nükleofildir ve halojenürlerin de nükleofillik sırası aşağı daki gibidir. I > Br > C1 > P Bu etki, nükleofil ile onu çevreleyen çözücü molekülleri arasındaki etkileşmenin gü cü ile ilişkilidir. Protik çözücü olarak adlandırılan su veya alkol gibi bir çözücü mole külünde (Altböliim 3.11) hidrojen, son derece güçlü elektronegatif bir atoma bağlıdır. Bu yüzden, protik çözücüler nükleofillerle aşağıdaki gibi hidrojen bağı oluştururlar: H

H H _ H***: V " *H. \ • lO / H H H \« / 0

/'

Protik çözücünün molekülleri, burada su molekülleri, bir halojenür iyonunu onunla hidrojen bağı yaparak sararlar.

{

Florür iyonu gibi küçük bir nükleofil, yükü daha yoğun olduğundan, daha büyük çaplı iyonlara göre daha kolay sarılır. Küçük atomlarla yapılan hidrojen bağları, büyük atom larla yapılanlara göre daha güçlüdür. Nükleofilin tepkime verebilmesi için, nükleofilin ayrılan grubu taşıyan karbon atomuna yeterli derecede yaklaşması, bunun için de çözü cü molekülleri arasından sıyrılması gerekir. Çözücü molekülleri ile daha zayıf hidrojen bağları yaptığı için, büyük çaplı bir iyon, çözücü molekülleri arasından kolaylıkla sıy rılabilir ve bundan dolayı da daha iyi bir nükleofil olur. Daha büyük atomlarda nükleofilliğin artması, sadece sarılma ile ilgili değildir. Da ha büyük atomlar daha fazla kutuplaşabilir (elektron bulutları daha kolay biçim değiş tirebilir); bu yüzden, daha büyük nükleofilik atom, elektronları daha sıkı şekilde tutulan daha küçük nükleofillerle kıyaslandığında, substrata daha büyük ölçüde bir elektron yo ğunluğu verir. Nükleofillik ve baziklik, birbiriyle ilişkili olmalarına rağmen, ölçümleri aynı yolla yapılmaz. Baziklik, elektron çifti vericisi (baz), proton, konjuge asit ve konjuge baz içe-

Nükleofıllerin Bağıl Güçleri

255

256


ren denge tepkimesinin yönüne bağlı olarak pKa değerinden ölçülür. Nükleofillik ise; bir elektron çifti vericisinin, ayrılan bir grubu taşıyan bir atomla (genelde karbon), hangi hızda tepkime verdiğini gösterir ve bağıl tepkime hızlarını ölçmek suretiyle hesaplanır. Örneğin, hidroksit iyonu (OH~), siyanür iyonuna (CN ) göre daha güçlü bazdır, denge de protona olan ilgisi daha büyüktür (HCN’nin p/Ç’sı ~ 10 iken H20'nun pKa sı ~ 16’dır). Bununla birlikte, siyanür iyonu daha güçlü nükleofildir ve ayrılan bir grup taşıyan kar bon atomu ile, hidroksit iyonundan daha hızlı tepkime verir. Protik çözücüler içinde bazı yaygın nükleofillerin nükleofillikleri aşağıdaki gibidir: P r o tik ç ö z ü c ü le r iç in d e b a ğ ıl n ü k le o fillik le r

SH > CN > I > OH > N3- > Br > CH 3 C 0 2 > C1 > P > H20

Polar Aprotik Çözücüler

iprotik çözücüler,

m o le k ü lle ri, k u v v e tli b ir e le k tr o n e

Pek çok aprotik çözü cü (benzen, alkan, vb. gibi) nispeten apolardır ve iyonik bileşiklerin çoğunu çözmezler. (Altbölüm 11.21’de bunun niçin böyle olduğunu göreceğiz.) Son yıllarda birçok polar aprotik çözücü kimyacılar tarafından yaygın şekilde kullanılmaya başlandı. Bu çözü cüler özellikle SN2 tepkimeleri için çok yararlıdır. Bu çözücülere bazı örnekler aşağıda verilmiştir.

g a tif a to m a b a ğ la n m ış h id ro je n a to m u iç e rm e y e n ç ö z ü c ü le rd ir.

ö* II

, . / CH3

TT

*’cr

II

II

c h 3— ş — c h 3

H—c —Nx

..

CH3C—Nx

Dimetil sülfoksit (DMSO)

II

..

(CH3)2N— y—N(CH3) 2 ch3

ch3

A,(V-Dimetilformamit (DMF)

O’’ , . / CH3

:N(CH3)2 Heksametilfosforamit (HMPA)

Dimetilasetamit (DMA)

Bu çözücülerin hepsi (DMF, DMSO, DMA ve HMPA), iyonik bileşikleri çözerler ve katyonları çok iyi bir şekilde sararlar. Bunlardaki sarılma, protik çözücülerin katyon ları sarmasına benzer bir şekilde, çözücünün eksi kısımları ile katyonun etrafına yerleş mesi ve katyonların boş orbitallerine ortaklaşılmamış elektron çiftlerini vermesi ile gerçekleşir. H ,C X / C H ,

S H,Ö: .

:OH2

II ÖH,

0 : (CH3),S= Ö:. •

:OH,

[Na+] (CH,),S= (): Â *:0=S(CH,), =0

İN*a+ H,Q:*

=OH,

H ,C

Protik bir çözücü olan su molekülleri tarafından sarılan bir sodyum iyonu

II s / \

. : o = S ( C H 3),

CH,

Aprotik bir çözücü olan dimetil sülfoksit molekülleri tarafından sarılan bir sodyum iyonu

Fakat, aprotik çözücülerin hidrojen bağı yapamamaları ve artı kısımların anyonlarla et kileşmemesinden dolayı, aprotik çözücüler önemsenecek ölçüde anyonları sarmazlar. Bu çözücülerde, anyonlar, çözücü moleküllerinin bir tabakası ile engellenmez ve bu yüz-

6.14 SN1 ve Sn2 Tepkimelerinin Hızlarını Etkileyen Etkenler

257

den sarılma ile kararlı oluş çok zayıftır. Bu ‘‘çıplak” anyonlar, hem baz olarak hem de niikleofil olarak son derece etkindirler. Örneğin DMSO içinde, halojenür iyonlarının et kinlik sırası, baziık sırası ile aynıdır: F > C1 > Br > I Bu sıra alkol ve su çözeltilerindeki nükleofillik sırasıyla tam terstir:

1 > Br > C1 > F S n2 T e p k im e le rin in h ızla rı, p o la r a p ro tik ç ö z ü c ü le r iç in d e g e r ç e k le ş tir ild iğ in d e g e n e llik le so n d e re c e a rta r.

Bu artış bir milyon kat kadar olan bir büyüklüğe erişebil-

Polar aprotik çözücüler ve Sn2 tepkimeleri.

mektedir. Aşağıdaki çözücüleri, protik ya da aprotik olarak sınıflandırınız. O O

-<

P r o b l e m 6.7

Propil bromüriin sodyum siyanürle (NaCN) tepkimesinin. DMF içinde mi, yoksa ■< etanol içinde mi daha hızlı olmasını beklersiniz?

P r o b l e m 6.8

I

' I

O

I

Formik asit, HCOEI; aseton, CH3CCH3; asetonitril, CH,C=N; formamit, HCNH,; kükürt dioksit, S02; amonyak. NH?; trimetilamin. N(CH3)3; etilen glikol. HOCH2CH2OH.

CH3CH2CH2Br + NaCN----►CH,CH2CH2CN + NaBr Cevabınızı açıklayınız Bir protik çözücü içerisinde aşağıdakilerden hangisinin daha güçlü nükleofil olma- -< sini beklersiniz? (a) CH3 C 0 2 veya CH30 ? (b) H20 veya H2S? (c) (CH3)3P veya (CH3 )3 N?

6 . I 4 D S NI T e p k i m e l e r i Ü z e r i n e Ç ö z ü c ü le r in Etkileri: Ç ö z ü c ü le r in İy onlaştırma Yeteneği Herhangi bir SN1 tepkimesinde polar protik bir çözücünün kullanılması, bu çözücü nün çok etkin bir şekilde katyon ve anyonları çözme yeteneğinden dolayı, alkil halojenürün iyonlaşma hızını son derece artıracaktır. Sarılmanın reaktantlardan daha fazla karbokatyon ve halojenür ara ürünlerini oluşturan geçiş halini kararlı kılması nedeniy le, serbest aktifleşme enerjisi daha düşük olur. Bu endotermik basamakta, geçiş halin de yük ayrımı artmakta ve böylece geçiş hali, sonuçta oluşan iyonlara benzemektedir. (CH3)3C— C1---- ►[(CH3)3C -C l]4----- ►(CH3)3C + + cı Reaktant

Geçiş hali

Ürünler

Yük ayrımı oluşuyor

Dielektrik sabiti, çözücü polaritesini yaklaşık olarak veren bir niceliktir. Dielektrik sabiti, çözücünün, zıt yükleri birbirinden ayırma yeteneğinin bir ölçüsüdür. İyonlar ara sındaki elektrostatik çekme ve itmeler, daha yüksek dielektrik sabitine sahip çözücüler içerisinde daha azdır. Çizelge 6.5, çok yaygın bazı çözücülerin dielektrik sabitlerini ver mektedir. İyonlaşmaya yardımcı olan en etkin çözücü sudur, fakat, pek çok organik bileşik su da kayda değer miktarda çözünmez. Organik maddeler genellikle alkoller içinde çözün-

P r o b l e m 6.9

258


Çizelge 6.5 Bazı Yaygın Çözücül eri n Dielektrik Sabitleri

Çözücü i 1»

Su

Formül H20

Dielektrik Sabiti 80

0 Formik asit

I

HCOH

59

0 Dimetil Sülfoksit (DMSO)

CH3SCH3

49

0

I

Artan

A,A-Dimetilformamit (DMF)

HCN(CH3)2

çozucu

Asetonitril

C H ,C = N

Metanol

CH,OH

Heksametilfosforamit (HMPA)

[(CH3)2N]3P= 0

37 36 33 30

Etanol

c h 3c h 2o h

24

polaıritesi

0 Aseton

I

CH3CCH3

21

0 Asetik asit

CH3COH

6

düklerinden çözücü karışımları bir hayli sık kullanılmaktadır. Nükleofilik yer değiştir me tepkimeleri için metanol-su. etanol-su karışımları yaygın olarak kullanılır.

P r o b l e m 6 . 10

► rer-Bütil bromür, metanol ve su karışımı içinde solvolize maruz bırakıldığında, (ka rışımdaki bromür iyonlarından hesaplanan) solvoliz hızı, karışım içindeki su yüzdesi artırıldığında artmaktadır, (a) Bu olayı açıklayınız, (b) Karışımdaki su yüzdesi arttığında, etil klorür ve potasyum iyodürün metanol-su karışımı içerisinde verdiği Sn2 tepkimesinin hızı azalmaktadır, bu gözlemi açıklayınız.

6 . I 4 E A y r ı l a n G r u b u n Yapısı

İyi ay rılan g ru p la r zayıf b a z la rd ır.

En iyi ayrılan gruplar, ayrıldıktan sonra en kararlı olanlardır. Ayrılan grupların çoğu eksi bir iyon olarak çıktıklarından, en iyi ayrılan gruplar eksi bir yükü etkin bir şekilde kararlı kılan iyonlardır. Bunu en iyi bir şekilde zayıf bazlar yaptıklarından, en iyi ayrı lan gruplar zayıf bazlardır. Eksi yükün kararlı kılınmasının önemli olmasının nedeni, geçiş hali yapısı dikkate alınarak anlaşılabilir. Hem SN1 hem de SN2 tepkimelerinde ge çiş haline ulaşılırken ayrılan grup eksi yük kazanmaya başlar.

6.14 SN1 ve Sn2 Tepkimelerinin Hızlarını Etkileyen Etkenler SN1 Tepkimesi (hız belirleyici basamak)

/

^■■8+ 8A C—X ----► c—x

-► C+ + X

_/

Geçiş hali Sn2 Tepkimesi

v

Nu ;

/

x

8- \ f 8Nu — C —X

- >Nu—

+X'

Geçiş hali

Ayrılan gruptaki oluşum halindeki eksi yükün kararlı kılınması geçiş halini de kararlı kılar (serbest enerjiyi düşürür): bu, serbest aktifleşme enerjisini düşürür ve bu nedenle tepkime hızını artırır. Halojenler içinde, iyodür iyonu en iyi, florür iyonu da en kötü ay rılan gruptur. I > B r > C l- » F Baziklik sırası ise tam tersidir: F » C l > Br > I

0 II

70

1 0 1 00 1 0 1

1

70

0 II

O 1

1

Alkansülfonat iyonları, alkil sülfat iyonları ve p-toluensülfonat iyonları da zayıf baz lar olup iyi ayrılan gruplardır. Bu gruplan daha sonra inceleyeceğiz.

II

0

0

Bir alkan sülfonat iyonu

-0 —

0 11 / r \S—((

\

)>— CF

0

Bir alkil sülfat iyonu

p-Toluensülfonat iyonu

Bu anyonların hepsi, çok kuvvetli asitlerin konjuge bazlarıdır. Triflorometansülfonat iyonu (CF3 S 0 3 , yaygın olarak triflat iyonu olarak adlandı rılır) kimyada bilinen en iyi ayrılan gruplardan biridir. Bu iyon, sülfürik asitten bile çok kuvvetli bir asit olan, CF3 S 0 3H’nin anyonudur. CF3SO3T riflat iyonu (“süper” ayrılan bir grup)

Kuvvetli bir şekilde bazik olan iyonlar, ender olarak ayrılan grup olarak dav ranırlar. Örneğin, hidroksit iyonu, güçlü bir bazdır ve bu yüzden aşağıdakine benzer tepkimeler oluşmaz.

A X” "_ ^ R —OH

R — X + OH" Ayrılan grubun kuvvetli bir baz olan hidroksit iyonu olması nedeniyle bu tepkime gerçekleşmez.

Ancak, bir alkol kuvvetli bir asit içerisinde çözüldüğünde, bir halojenür iyonu ile tepkime vermektedir. Çünkü, ortamdaki asidin, alkolün -O H grubunu protonlaması ne-

259

260


deniyle ayrılan grup artık hidroksit iyonu değil, hidroksit iyonuna göre çok daha zayıf bir baz olan, su molekülüdür. OH— ►

R — X + H,()

Ayrılan grubun zayıf bir baz olması nedeniyle bu tepkime gerçekleşir.

P ro bl em 6.1 I

>■ Aşağıdaki bileşiklerin metanol içerisinde CH30 ile yapılan SN2 tepkimelerindeki etkinlik sırasını, azalma yönünde yazınız. CH3 OH: CH3F, CH3 C1, CH3 Br, CH3I, CH3 0 S 0 2CF3, ,4CH3 OH. Hidrür iyonları (H: ) ve alkanür iyonları (R: ) gibi çok güçlü bazlar hemen hemen hiç ayrılan grup olarak davranmazlar. Bu yüzden, aşağıdakine benzer tepkimeler ger

çekleştirilemez: M Nu=- + CH3CH2—H ya da

CH3CH2—Nu + H:

Nu :-^ T c H3 —CH,

CH3—Nu + CH3

Bunlar ayrılan gruplar değildir.

1

6 . I 4 F Ö z e t : S NI - S N2 Bağıl olarak kararlı karbokatyonlar oluşturan substratlann, zayıf nükleofillerin ve yük sek ölçüde İyonlaştırıcı çözücülerin kullanılmasıyla, alkil halojenürlerin SN1 mekanizmasi ile yürüyen tepkimeleri öne geçirilebilir. Bu yüzden SN1 mekanizmaları, özellikle polar çözücüler kullanıldığında, üçüncül halojenürlerin solvoliz tepkimelerinde önem lidir. Solvoliz tepkimelerinde nükleofiller zayıftır, çünkü nükleofil, çoğu kez bir anyon dan çok (çözücüye ait) nötral bir moleküldür. Bir alkil halojenürün SN2 mekanizması ile tepkimesini öne geçirmek istersek, nis peten dallanmamış bir alkil halojenür, güçlü bir nükleofil, polar bir aprotik çözücü, yük sek derişimde nükleofil kullanmalıyız. Substratlar için SN2 tepkimelerindeki etkinlik sırası: I CH3—X > R—CR,—X > R— CH—X metil

>

1°

>

2°

Üçüncül halojenürler, SN2 mekanizması ile tepkime vermezler. Ç iz e lg e

6 .6

Etken Substrat Nükleofil

Çözücü Ayrılan grup

SN2’ye Karşı SNl ’i Etkileyen Etkenler SN1

Sn2

Metil > 1° > T (dallanmamış 3" (bağıl olarak kararlı karbokatyon substrat gerektirir) oluşumunu gerektirir) Güçlü Lewis bazı, yüksek Zayıf Lewis bazı, nötr molekül; nükleofil derişimi hızı artırır nükleofil, çözücünün kendisi olabilir (solvoliz) Polar aprotik (örn, DMF. DMSO) Polar protik (örneğin, alkol ve su) Hem Sjsj 1. hem de SN2 için I > Br > C1 > F (çıktıktan sonra, ayrılan grubun daha zayıf baz özelliğinde olması, onu daha iyi bir ayrılan grup yapar)

6.15 Organik Sentezler: SN2 Tepkimeleri ile Fonksiyonel Grup Dönüşümleri

261

Ayrılan grubun etkisi, hem SN1, hem de SN2 tepkimelerinde aynıdır: Alkil iyodür ler en hızlı, florürler en zayıf ayrılan gruplardır. (Alkil florürler, oldukça yavaş tepki me vermelerinden dolayı, nükleofilik yer değiştirme tepkimelerinde ender olarak kullanılırlar.)

R—I > R—Br > R—C1

SN1 veya SN2

Bu etkenler Çizelge 6 .6 ’da özetlenmiştir.

6 . 1 5 ORGANİK SENTEZLER: S N2 TEPKİMELERİ İLE FONKSİYONEL GRUP DÖNÜŞÜMLERİ 4. Bölümde, organik moleküllerin sentezi ve geriye dönük sentetik analize (retrosentetik analiz) giriş yapmıştık. Şimdi de nükleofilik yer değiştirme tepkimelerini inceledik. Fonksiyonel Grup Hazır Bu tepkimeler bize araç kutumuza eklemek için yeni araçlar verir. lanması için Yöntemler. Sn2 tepkimeleri, bize, organik sentezlerde bir fonksiyonel grubu diğerine dönüştür me imkanı verdiği için son derece yararlıdır—bu işlem, fonksiyonel grup dönüşümü veya fonksiyonel grup değiştirme olarak da adlandırılır. Şekil 6.13 ’te gösterildiği gi bi bir Sn2 tepkimesi ile metil, birincil ve ikincil alkil halojenürlerin fonksiyonel grup ları alkol, eter, tiyol, tiyoeter, nitril, ester, vb. gruplara dönüştürülebilir. (Not: bir isimde tiyo- ön ekinin kullanılması, bileşikte, oksijen atomunun kükürt atomu ile yer değiştir diği anlamına gelir.) Altbölüm 4.18C’de, asetilenür anyonlarının alkillenmesiyle karbon-karbon bağlarının nasıl oluşturulabileceğini görmüştük. Bu da bir SN2 tepkimesiydi. Alkil klorür veya bromürler de nükleofilik yer değiştirme tepkimesiyle kolayca al kil iyodürlere dönüştürülebilirler. R — C l—i R — B r—

ı- > R — 1 (+ Cl- ya da B r )

1

OH'

R'O"

SH

R'S"

R—X

t—X~)

(R = Me, I o, ya da 2°) (X = Cl, B r ya da I)

CN R'— C = C "

O II

r 'c o ~

r ;n

R— OH

Alkol

R— OR'

Eter

R— SH

Tiyol

R— SR'

Tiyoeter

R— C = N

Nitril

R— C = C — R'

Alkin

O R— OCR'

Ester

R— N R \ X

Kuatemer amonyum halojenin

R—N,

Alkil aziir

Şekil 6.13 SN2 Tepkimeleri kullanılarak metil, birincil ve ikincil alkil halojenürlerin fonk siyonel grup dönüşümleri.

ımyası Biyolojik Metilleme: Biyolojik Bir Nükleofillik Yer Değiştirme C ânlı organizmalar ihtiyaç duydukları pek çok bileşiği, daha küçük moleküllerden sentezlerler. Bu biyosentezler çoğu kez organik kimyacdarın laboratuvarda yaptıkları sentezlere benzerler. Şimdi böyle bir örneği inceleyelim. Bitki ve hayvan hücrelerinde gerçekleşen pek çok tepkime, metiyonin olarak ad landırılan bir amino asitten diğer bileşiklere bir metil grubu aktarılmasını içerir. Bu değişimin doğruluğu, deneysel olarak, bir bitki veya hayvan, metil grubunda radyo aktif karbon atomu (l4C) olan bir metiyoninle beslenerek gösterilebilir. Daha sonra, “etiketli” metil grubu içeren diğer bileşikler organizmadan izole edilebilir. Metiyoninden metil grupları alan bileşiklerden bazılan aşağıda verilmiştir. Radyoaktif olarak eti ketlenmiş karbon atomu yeşil olarak gösterilmiştir. - o 2c c h c h 2c h 2s c h , n h 3+

Metiyonin

Kolin, sinir uyarılarının iletiminde önemlidir; adrenalin, kan basıncının yükselme sine neden olur ve tütünde bulunan nikotin, tütün içme alışkanlığı kazandıran madde dir. (Nikotinin yüksek dozu zehirdir.) Metiyoninden diğer bileşiklere bir metil grubunun aktarılması doğrudan olmaz. Ger çek metilleyici reaktif metiyonin değil, metiyoninin, adenozin trifosfat (ATP) ile tep kimesi sonucu oluşan S-adenosilmetiyonindir*. Trifosfat grubu

o-

o-

oAyrılan grup

* 5 ön takısı “kükürt atomuna bağlı" olduğunu gösterir ve mutlak konfigurasyonu belirtmede kullanılann (S) ile karıştırılmamalıdır. Yer belirtmede kullanılan bir başka ön ek de “azot atomuna bağlı" anlamındaki N ’dir.

262

o-

CH,

Adenin +

CH, /X NH,+

\

rAH

HV__

h/

oI1 -Q—P—O— P —0 —p —OH I I I o o o I-

0

OH OH Trifosfat iyonu

S-Adenosilmetivonin

Bu tepkime, bir nükleofilik yer değiştirme tepkimesidir. Nükleofilik atom, metiyoninin kükürt atomudur. Ayrılan grup, adenosin trifosfatın zayıf bazik trifosfat grubudur.

CH,

NH,

2-(A,A-Dimetilammo)etanol

o

—n

I+ Oluşan ürün bir metilsülfonyum grubu, CH3— S — , içeren. S-adenosilmetiyonindir. Daha sonra, S-adenosilmetiyonin diğer nükleofilik yer değiştirme tepkimelerinde substrat olarak rol alır. Örneğin kolinin biyosentezinde, metil grubunu 2-(AOV-dimetilamino)etanolün bir nükleofilik azot atomuna aktarır.

A

h/ t A h h V ___y H 1 1 OH OH

Çh 3

CH,

NH,H

Kolin

Nükleofil ve substratların karmaşık olması nedeniyle bu tepkimeler karışık görünebi lir. Fakat, kavramsal olarak gayet basittirler ve 6 . Bölümde şimdiye kadar gördüğü müz ilkelerin çoğuna örnek oluştururlar. Bunlar içinde, kükürt atomunun doğasından kaynaklanan onun kuvvetli nükleofilik karakterini görebiliriz. Ayrıca, zayıf derecede bir baz olan bir grubun (örneğin, ATP’nin trifosfat grubu) niçin kolay ayrılan grup ol duğunu da anlayabiliriz. 2-(/V,/V-Dirnetilamino)etanolün tepkimesinde bazlığı daha az olan —OH grubundan çok, daha bazik olan (CH3 )2N— grubunun nükleofil olarak dav randığım görebiliriz. Ve S-adenosilmetiyonine bir nükleofil atak yaptığında, saldırı nın, daha kalabalık —CH2—grupları yerine, daha az kalabalık CH3— gruplarına yapıldığını görmekteyiz. Sayfa demm

263

264


İnceleme Pr o bl em i

>• (a) 2-(/V,/V-Dimetilamino)etanol, S-adenosilmetiyoninle tepkimeye girdiğinde ayrılan grup nedir? (b) Metiyoninin kendisi 2-(7V,/V-dimetilamino)etanol ile tepki me verecek olsa, ayrılan grup ne olur? (c) Bu farkın özel önemi nedir?

Sn2 Tepkimelerine büyük bir önem kazandıran diğer bir durum, bu tepkimelerin stereokimyasıdır (Altbölüm 6.9). SN2 tepkimeleri, ayrılan grubu taşıyan atomda bir konfıgürasyon devrilmesi ile sonuçlanır. Bu demektir ki, eğer reaktantın konfigürasyonunu biliyorsak, sentezde SN2 tepkimesi kullandığımızda ürünümüzün konfigtirasyonundan emin olabiliriz. Örneğin, aşağıdaki örnekte nitrilin S konfigürasyonunda olmasını arzu ediyorsak, CH, / :N = C C V 'H c h 2c h , (S)-2-Metilbütannitril

kullanmamız gereken substrat (/?)-2 -bromobütan olmalıdır. ch3 . —

:N = C :" +

Sk2

...

\ {

c — Br

J

,

(d ev n lm e)

► :N = C -

+ Br

c h 2c h 3

c h 2c h 3

(S)-2-Metilbütannitril

(/?)-2-Bromobütan

P ro b l e m 6.12

/ CH3

c VH

(5)-2-Bromobütandan başlayarak, aşağıdaki bileşiklerin her birinin sentezini plânlayınız. (a) (Æ)-CH3CHCH2CH3

(c) (7?)-CH3CHCH2CH3

o c h ,c h 3 (b) (/?)-CH3CHCH2CH3

SH (d) (/?)-CH3CHCH2CH3 sch3

occh3 0

6 . I 5 A Vinilik ve Fenil Ha lojen ü rler in T e p k i m e l e r e İlgisizliği Altbölüm 6.1'de öğrendiğimiz gibi, bir halojen atomunun ikili bağ karbon atomlarından birine bağlı olduğu bileşikler vinilik halojenürler, halojen atomunun benzen halkasına bağlı olduğu halojenürler de fenil halojenürler olarak adlandırılırlar. \ / C= c \ /

X Bir vinilik halojenür

Fenil halojenür

6.16 Alkil Halojenürlerin Ayrılma Tepkimeleri

Vinil halojenürler ve fenil halojenürler, genellikle SN1 ve SN2 mekanizmasıyla tep kime vermezler. Vinilik ve fenil katyonlar son derece kararsızdır ve kolaylıkla oluşmaz lar. Bu sonuç vinilik ve fenil halojenürlerin niçin SN1 tepkimeleri vermediğini açıklar. Vinilik veya fenil halojenürlerin karbon-halojen bağı alkil halojenürlerinkine göre da ha kuvvetlidir (niçin böyle olduğunu daha sonra göreceğiz) ve ikili bağın veya benzen halkasının elektronları arka taraftan bir nükleofilin yaklaşmasını engellerler. Bu etken ler vinilik veya fenil halojenürlerin SN2 tepkimesi vermemesini açıklar.

6. 16

A L K İL H A L O JE N Ü R L E R İN A Y R IL M A TEPKİM ELERİ

Alkil halojenürlerin başka bir özelliği de ayrılma tepkimeleri vermeleridir. Bir ayrılma tepkimesinde, reaktantın bitişik atomlarından bazı molekül parçaları (YZ) çıkarılır (ay rılır). Bu ayrılma, bir çoklu bağın oluşumuna yol açar. aynlma

\

/

-----► c=c\ (-Y Z ) /

—c — cI I Y Z 6 . I 6 A D eh id ro ha lo jel em e

Alken sentezi için yaygın olarak kullanılan bir yöntem, alkil halojenürün bitişik atom larından bir HX ayrılmasıdır. Tepkime alkil halojenürün güçlü bir bazla ısıtılmasıyla gerçekleştirilebilir. Aşağıda iki örnek tepkime verilmiştir. CH 3 CHCH3

C ,H ,O N a -------- — --------------- ► C ,H 5O H , 55°C

CH:= C H — CH3 + NaBr + C2H,OH (%79)

Br CH, I CH,—C— Br

ch3 C ,H ,O N a C ,H ,O H . 55°C

I * CH,—C = C H 2 + NaBr + C2H5OH (%91)

CH,

Bunlara benzer tepkimeler, yalnızca hidrojen bromür ayrılması ile sınırlı değildir. Kloroalkanlar hidrojen klorür ayrılması gerçekleştirirken, iyodoalkanlar hidrojen iyodür ayrılması gerçekleştirir ve her iki durumda da alkenler elde edilir. Bu yolla, bir haloalkandan, hidrojen halojenürün elementleri ayrıldığında, tepkime genellikle dehidrohalojenleme olarak adlandırılır. H I, L —c —c — + : B I I

->

\

/ C = C

+

H :B +

X-

x

Bir baz. Dehidnohalojenleme

SN1 ve Sn2 tepkimelerinde olduğu gibi, bu tip ayrılmalarda da bir ayrılan grup ve bir elektron çifti olan atak yapan bir birim (baz) bulunur. Kimyacılar çoğu kez, sübstitüent (örneğin önceki tepkimedeki halojen atomu) taşı yan karbon atomunu genellikle alfa (oc) karbon atomu ve ona bitişik olan karbon ato

265

266


munu da beta (j3) karbon atomu olarak adlandırırlar. ¡5 Karbon atomuna bağlı olan bir hidrojen atomuna ise /3 hidrojen atomu denir. Dehidrohalojenlemede hidrojen atomu fi karbonundan ayrıldığından, bu tepkimeler çoğunlukla /3 -ayrılm aları olarak adlan dırılırlar. Bu tepkimeler, 1,2-ayrılma tepkimeleri olarak da anılmaktadırlar. 7. Bölümde dehidrohalojenleme konusuna tekrar döneceğiz, fakat bazı önemli hu susları burada inceleyeceğiz. 6 . I 6 B D eh id roh al oje nl em ed e Kullanılan Bazlar Dehidrohalojenleme için çeşitli güçlü bazlar kullanılmaktadır. Etanol içerisinde çözül müş potasyum hidroksit sık kullanılan bir reaktiftir, fakat sodyum etoksit gibi alkolle rin sodyum tuzları farklı avantajlar sağlarlar. Bir alkolün sodyum tuzu (bir sodyum alkoksit) bir alkolün sodyum metali ile etkileştirilmesiyle hazırlanabilir: 2 R—OH +2 Na — ►2 R—Ö:_Na++ H2 Alkol

Sodyum alkoksit

Bu tepkimede alkolden bir hidrojen çıkar ve bu yüzden tepkime, bir yükseltgenme-indirgenme tepkimesidir. Bir alkali metal olan sodyum, çok güçlü bir indirgendir ve ok sijen atomuna bağlı hemen bütün hidrojen atomlarını indirger. Sodyumun suyla verdiği çok şiddetli ve patlayıcı olan tepkimesi de aynı tiptir. 2 HÖH + 2 N a-- ►2 HÇ):~Na+ + H2 Sodyum hidroksit

Sodyum alkoksitler, bir alkol ile sodyum hidrürün (NaH) tepkimesinden de hazırla nabilirler. Hidrür iyonu (H:~) çok kuvvetli bir bazdır. R—Ö^r-H + Na+:H -----►R—Ö: Na+ + H— H Sodyum (ve potasyum) alkoksitler genellikle aşırı alkol kullanılarak elde edilirler ve alkolün fazlası tepkimede çözücü olarak rol alır. Sodyum etoksit genellikle bu yolla ha zırlanır. 2 CH.,CH2OH + 2 Na— ►2 CH3CH2(): Na+ + H2 Etanol (aşırı)

Sodyum etoksit

Potasyum /er-bütoksit de son derece etkin başka bir dehidrohalojenleme reaktifidir. CH,

CH,

2 CH3C— ÖH + 2 K — ►2 CH3C—Ö:"K+ + H, CH, ter-Bütil alkol (aşırı)

CH, Potasyum ter-bütoksit

6 . I 6 C De hi dr oh al o je n le m e T e p ki m es in in Mekanizması Ayrılma tepkimeleri değişik mekanizmalarla gerçekleşir. Alkil halojenürlerle olan ay rılma tepkimelerindeki iki mekanizma, henüz incelediğimiz SN1 ve SN2 tepkimelerine

6.17 E2 Tepkimesi

267

çok benzer olmaları nedeniyle özellikle önemlidir: Bu mekanizmalardan biri, E2 tepki mesi olarak adlandırılan iki moleküllü bir mekanizma, diğeri ise El tepkimesi olarak adlandırılan bir moleküllü bir mekanizmadır.

6 . 17 E2 T e p k İmesi îzopropil bromür, propen oluşturmak üzere etanol içerisinde sodyum etoksitle ısıtıldı ğında, tepkime hızının izopropil bromürün ve etoksit iyonunun derişimine bağlı olduğu görülür. Hız eşitliği her bir reaktanta göre birinci dereceden ve toplam ikinci derece dendir. Hız oc [CH3CHBrCH3] [C2H50 ] Hız = k [CH3CHBrCH3] [C2H50 ] Tepkime tek basamaklı olduğu için hız belirleyici basamaktaki geçiş halinin alkil halojenür ve alkoksit iyonlarının her ikisini de içermesi gerektiği sonucunu çıkarabili riz. Tepkime iki moleküllü olmalıdır. Dikkate değer deneysel bulgular tepkimenin aşa ğıdaki yolla olduğunu göstermektedir:

E 2 T e p k im es i için B i r M e k a n i z m a Tepkime: C 2H 50~ + CH3CHBrCH3 ---- ►CH2=C H C H 3 + C 2H5OH + Br

Mekanizma: C,H 3 —O:

5-

H

CH3 > h

CH3

c 2h 5

NCC ^ C S iPa(\ •• HH u Bazik etoksit iyonu, elektron çiftini kullanıp hidrojenle bir bağ oluşturarak (3 karbonundan bir protonu çıkarmaya başlar. Aynı zamanda, fi C —H bağının elektron çifti, ikili bağın 77 bağını oluşturmak üzere hareket etmeye ve brom da bağlı olduğu a karbonundan elektronlarıyla beraber ayrılmaya başlar.

C ^C SJ P « : Br • HH Geçiş hali Şimdi, oksijen ile fi hidrojeni arasında ve a karbonu ile brom arasında kısmi bağlar vardır. Karbon-karbon bağı da ikili bağ karakterine dönüşmeye başlamıştır.

Hx / H

/CH3

c=c

\

+ C 2H5— OH + Br:

H

Şimdi alkenin ikili bağı tam olarak oluşmuştur ve her bir karbon atomunda alken, üçgen düzlem geometriye sahiptir. Diğer ürünler, bir etanol molekülü ile bir bromür iyonudur.

-------- -- ----— Biz, Altbölüm 7.6C’de E2 tepkimesini daha ileri boyutta incelediğimizde, koparılan hid rojen atomunun ve ayrılan grubun yönlenmesinin keyfi olmadığını ve yukarıda göste rildiği gibi, hepsinin aynı düzlemde olması gerektiğini öğreneceğiz.

E2 Ayrılma Mekanizması

268


6.18

E l TEPKİM ESİ

Ayrılmalar. Altbölüm 6.17’de verilenden farklı bir yolla da olabilir. Örneğin, rer-bütil klorürün, 25°C’da %80 sulu etanol ile etkileştirilmesi, %83 verimle yer değiştirme ürün leri ve %17 verimle bir ayrılma ürünü (2-metilpropen) verir. S\1 , CH3 %80 C,H,OH %20 H,() 25°C

CH3C — C1 ch3

CH, I c h 3c — o h ■I ch,

+

CH, I ■

c h 3c

— o c h ,c h 3

'I ch3

/er-Bütil alkol

/er-Bütil etil eter (%83)

/ CH3

ter-Biitil klorür

c h 2= c x ch3

2-Metilpropen (%17)

Her iki tepkime için de başlangıç basamağı, te/-bütil katyonunun oluşumudur. Bu aynı zamanda her iki tepkimenin de hız belirleyici basamağıdır; bu yüzden tepkimele rin ikisi de bir moleküllüdür. CH-, CH, / y av aş + :C1: CH,C —Cl =c h ,ç ..

\

CH,

CH,

(sarılmış)

(sarılmış)

Yer değiştirme mi yoksa ayrılmanın mı olacağı bundan sonraki basamağa bağlıdır (hız lı basamak). Eğer bir çözücü molekülü te/ -bütil katyonun artı karbonu ile bir nükleofil olarak tepkime verirse, ürün olarak /^/--bütil alkol veya /e; -bütil etil eter oluşur ve tep kime SNl'dir.

f1*+

h ız lı

CH,C+ Çöz— O H ---- ►CH3Ç— O

\

CH,

.Çöz / \

H

CH,

CH3

CH, H—Ö—Çöz

(Çöz = H— ya da CH,CH,—)

i

CH3C — O — Çöz 4- H— O — Çöz

SN 1

tepkimesi

Fakat, bir çözücü molekülü, bir baz olarak davranır ve ¡3 hidrojen atomlarından birini bir proton olarak koparırsa, bu durumda ürün 2-metilpropen ve tepkime E l’dir. El tepkimeleri çoğu kere SN1 tepkimeleriyle yarış halindedir. Diğer bir deyişle, El tepkimelerine SN1 tepkimeleri eşlik eder. CH3

,CH | Çöz— Ö ^ H - ^ C H ? L C+ ““ “ ►Çöz— Ö— H + CH2= C \ CH3 1 H CH, H _

2-Metilpropen

El tepkimesi

6.19 Ayrılmaya Karşı Yer Değiştirme

269

E l Tepkimesi için Bir Mekanizma

►c h 2=

c (Ch 3)2 -i- h 3o + +

cr

CH,

+ :Ç|: ch3

Polar çözücünün yardımıyla, klor elektron çiftini alarak bağlı olduğu karbondan ayrılır.

CH, Bu yavaş basamak bağıl olarak kararlı 3° karbokatvonu ve klorür iyonunu oluşturur. Bu iyonlar, kendilerini çevreleyen su molekülleri ile sarılırlar (ve kararlı kılınırlar).

Ş CH, Hx / CH3 l> / ■ H— 0= + H—C—C — * H— O — H + c=c Pa \ / \ H H CH, H H CH, Bir su molekülü, kurbokatyonun P karbon atomunun hidrojenlerinden birini koparır. Elektron çifti, a ve p karbon atomları arasında bir ikili bağ oluşturmak üzere hareket eder.

6.19

Bu basamakta, bir alken ve lıidronyunı iyonu meydana gelir.

A Y R IL M A Y A KARŞI Y E R D EĞ İŞ TİR M E

Bir nükleofil veya bazın etkin kısmı ortaklaşılmamış bir elektron çifti oldağundan, bü tün nükleofiller potansiyel bazdır ve bütün bazlar potansiyel nükleofildir. Bundan do layı, nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri ile ayrılma tepkimelerinin birbirleriyle yarış halindeki tepkimeler olmaları şaşırtıcı değildir. 6 . 1 9 A E 2 ’ye karşı S N2 E2 mekanizmasıyla olan ayrılma tepkimelerinde yüksek derişimde kuvvetli bazlar kul lanılır (ve bu yüzden kuvvetli nükleofilin derişimi de yüksektir), SN2 yoluyla olan yer değiştirme tepkimeleri genellikle ayrılma tepkimeleriyle yarışır. Nükleofil (baz) /3 hid-

Bu altbölüm, yer değiştir me ve ayrılma arasındaki yarışmayı etkileyen çeşitli etkenleri birlikte incele mektedir.

270

Bölüm 6 / İyonik Tepkimeler-Alkil Halojenürlerin Nükleofilik Yer Değiştirme ve Aynlma Tepkimeleri

rojen atomuna atak yaptığında ayrılma meydana gelir. Nükleofil, ayrılan grubu taşıyan karbon atomuna saldırdığı zaman ise yer değiştirme olur. \

/ C

(a)

---------- ► ayrılma E2

+ Nu—H + :X_

/ c\

,a^ H r C Nu i Jğb

\ i b y —C—X

H—C—

(b)

I + x=~

ver değiştirme

Nu —C—

Sn2

Substrat, birincil bir halojenıir ve baz etoksit iyonu ise yer değiştirme yüksek oran da ön plana çıkar, çünkü baz, ayrılan grubu taşıyan karbon atomuna kolaylıkla yaklaşa bilir. C,H,OH^ CH,CH,ONa+ + CH3CH2Br

55°C (—NaBr)

CH3CH,OCH2CH3 + CH2= C H 2 Sn2 (%90)

E2 (%10)

Fakat tepkime ikincil halojenürlerle gerçekleştirildiğinde, sterik engel yer değiştir meyi zorlaştıracağından, ayrılma tepkimesi tercih edilir. C,H,OH

C 2H -0“Na+ + CH3CHCH3

,_:c > CH3CHCH3 +

(-NaBr)

Br

c h 2= c h c h 3

^

c 2h 5

Sn2 (%21)

E2 (%79)

Üçüncül halojenürlerle bir SN2 tepkimesi oluşamaz, bu yüzden, özellikle tepkime yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilirse, büyük oranda ayrılma tepkimesi yeğlenir. Meydana gelen herhangi bir yer değiştirme tepkimesi de SN1 mekanizması üzerinden yürümelidir. CH, I

C,H-() Na+ + CH3CCH, I Br

CHj C,HsOH 25°C (-NaBr)

CH, I

CH3CCH3 + c h 2= c c h 3

O C,HSN1 (%9)

Başlıca E2 (%91)

CH3 C2H,0"Na+ +

C H 3C C H 3

Br

C:HsOH 55°C (-NaBr)

c h 2= c c h 3

+

c ,h .oh

E2 + El (%

100)

Sıcaklığı yükseltmek, ayrılmaları (El ve E2) yer değiştirmelerin önüne geçirir. Ne deni şudur: Ayrılmalar yer değiştirmeye göre daha yüksek bir serbest aktifleşme

6.19 Ayrılmaya Karşı Yer Değiştirme enerjisine sahiptir, çünkü ayrılmalarda bağ değişimleri daha çoktur (daha fazla bağ kırılmakta ve oluşmaktadır). Sıcaklık artışı enerji engelini yenmek için daha faz la moleküle yeterli enerji sağlayacağından, hem yer değiştirme, hem de ayrılma tepkimelerinin hızını artırır; bununla birlikte, ayrılma için enerji engeli daha yük sek olduğundan, bu engeli geçebilecek moleküllerin oranı önemli ölçüde artar.

Tepkime sıcaklığını artırmak, bir alkil halojenimin ayrılma tepkimesini öne geçir menin yollarından biridir. Diğer bir yol, /cr-bütoksit iyonu gibi sterik engelli güçlü bir baz kullanmaktadır. fcr-Bütoksitin hacimli metil grupları yer değiştirme yoluyla olacak bir tepkimeyi engellerler, ayrılma tepkimelerini öne geçirirler. Aşağıdaki iki tepkime, bu etkiye ait bir örnektir. Nispeten daha az hacimli olan metoksit iyonu oktadesil bromür ile baskın olarak yer değiştirme verirken, hacimli rcr-bütoksit başlıca ayrılma tep kimesi vermektedir. CH OH

CH,Q- + CH3(CH2)15CH2CH2— Br

^

► CH,(CH2)15C H = C H 2 + CH,(CH,)„CH,CH7OCH, E2 ' ~ Sn2 (%1) (%99)

CH, I

(CH,),COH

CH — C — O" + CH3(CH2) 15CH2CH2— Br ------------- ► 40°C

CH,

ÇH.ı

CH3(CH2)15C H = C H 2 + CH,(CH2)15CH,CH2— o — Ç — CH, CH, E2 (%85)

Sn2

(%15)

E2 ve Sn2 tepkimelerinin birbirlerine göre hızlarını etkileyen diğer bir etken de, baz/ nükleofilin bazlık gücü ve polarlanabilmesidir (kutuplaşabilmesidir). Amit (NH2) iyo nu veya bir alkoksit iyonu (özellikle hacimli olanı) gibi kuvvetli ve az miktarda kutuplaşabilen bir bazın kullanılması, ayrılma (E2) olasılığım artırır. Klorür (CI ) iyonu veya asetat iyonu gibi zayıf bir bazın veya Br ,1 . RS gibi zayıf fakat oldukça fazla kutuplaşabilen bir iyonun kullanılması, yer değiştirme (SN2) olasılığını artırır. Örneğin ase tat iyonu, izopropil bromür ile neredeyse sadece SN2 yoluyla tepkime verir. O

CH,

CH,C — O" + CH3CH— Br

Sn2

CH,C — O —CHCH, + Br"

(~%100) Daha kuvvetli baz olan etoksit iyonu (AltbölLim 6.16B) aynı bileşikle başlıca E2 meka nizması üzerinden tepkime verir. 6 . I 9 B Üç ü nc ü l Haloj enü rl er: E l ’e karşı S NI El tepkimesi ve SN1 tepkimesinin ortak bir ara ürün oluşumu üzerinden yürümesi ne deniyle bu iki tepkime, tepkimeleri etkileyen etkenlere benzer yollarla cevap verirler. El tepkimeleri, kararlı karbokatyonlar oluşturabilen substratlarla (yani üçüncül halojenürlerle), ayrıca zayıf nükleofillerin (zayıf bazların) ve genellikle polar çözücülerin kul lanılması ile öne geçerler.

271

272


Karbokatyon üzerinden yürüyen her iki tepkimenin de serbest aktifleşme enerjileri çok küçük olduğundan, (bir proton kaybı veya çözücünün bir molekülü ile birleşme yo luyla oluşan) SN1 ve El ürünleri arasındaki bağıl dağılımı etkilemek genellikle çok zor dur. Özellikle düşük sıcaklıklarda, bir moleküllü tepkimelerin çoğunda SN1 tepkimeleri El tepkimelerinin önüne geçer. Yine de, genellikle, üçüncül halojenürlerin yer değiştir me tepkimeleri sentetik yöntemler olarak yaygın olarak kullanılamaz. Bu tür halojenürler ayrılma tepkimesini daha kolay verirler. Tepkime sıcaklığının yükselmesi El mekanizması yoluyla olan tepkimeyi, SN1 me kanizması yoluyla olanlara göre daha baskın hale getirir. Fakat, ayrılma ürünü istenir se, tepkime sıcaklığını yükseltmek yerine, güçlü bir baz eklemek ve tepkimeyi E2 ye zorlamak daha uygundur.

6.20

G

en el

Ö

z e t

Basit alkil halojenürlerin yer değiştirme ve ayrılma tepkimelerinin mekanizmaları Çi zelge 6.7’de özetlendiği şekilde gösterilebilir. Çizelge 6.7’deki bilgilerin nasıl kullanı labildiğini gösterecek birkaç örnek problem inceleyelim. Ç iz e lg e 6.7 SNI, SN2, El ve E2 Tepkimelerinin Toplam Özeti

rch 2x

CH3X

R

R

RCHX

R—C—X

2°

R 3°

1

1°

Metil

Yalnızca iki moleküllü tepkimeler Toplam Özet

SN2 tepkimeleri verir

Zayıf bazlarla (örneğin T, CN~, RC02 gibi) başlıca Sn2 ve güçlü bazlarla (örneğin RO' gibi) başlıca E2 verir

Hacimli ve güçlü bir baz [örneğin (CH3)3CO gibi] kullanılmadığında başlıca SN2, güçlü ve hacimli bazlar kullanıldığında da başlıca E2 verir

Sn1/E1 veya E2 Sn2 Tepkimesi vermez. Solvoliz ile SN1/E1 verir, ve düşük sıcaklıkta SN1 yeğlenir. Güçlü bir baz kul lanıldığı zaman [örneğin (RO ) gibi] E2 baskındır.

Ö r n e k P ro bl em Aşağıdaki tepkimelerin her birinde oluşmasını beklediğiniz ürün (veya ürünleri) ya zınız. Her bir durumda, ürünü oluşturacak mekanizmayı (SN1, SN2, El ve E2) belir tiniz ve her biri için bağıl miktarları tahmin ediniz (yani ürün tek ürün mü olacak, ana ürün mü olacak, yan ürün mü olacak?) (a) CH3CH2CH2Br + CH30

50°C

CHı0H ►

(b) CH3CH2CH2Br + (CH3)3C(T CH,

(c)

\ \w»"',J2 CH,CH H

Br + HS’

50°C CHjOH

Anahtar Terimler ve Kavramlar

(d) (CH3CH2)3CBr + OH~

“SO ı ’

(e) (CH3CH2)3CBr Cevap (a) Substrat, bir 10 halojenürdür. Baz/nükleofil, güçlü bir baz ve iyi bir nükleofil olan

(fakat hacimli olmayan) metoksittir (CH3 0~). Çizelge 6.7’ye göre, çoğunlukla SN2’yi bekleyebiliriz ve ana ürün CH3 CH2CH2OCH3 olmalıdır. Yan ürün de E2 yoluyla olu şabilecek olan CH3C H = C H 2 olabilir.

(b) Substrat, yine bir 1° halojenürdür. Fakat, baz/nükleofil, güçlü ve hacimli bir baz olan (CH3)3CO tir. Bu yüzden biz, E2 yoluyla oluşacak olan propenin (CH3CH=CH2) ana ürün; SN2 yoluyla oluşacak CH£CH2CH2 0 C(CH3)3’ün de yan ürün olacağını söy leyebiliriz. (c) Reaktant, 2° bir halojenür olan (S)-2-bromobütandır ve ayrılan grup stereomerkeze bağlıdır. Baz/nükleofil, güçlü bir nükleofil fakat zayıf bir baz olan HS dir. Stereomerkezde bir konfigurasyon devrilmesine yol açan ve aşağıdaki (R) izomerini meydana getirecek olan SN2 tepkimesi beklenmelidir.

HS

Ç -„CH^CH H

(d) Baz/nükleofil, güçlü bir baz ve güçlü bir nükleofil olan OH dir. Fakat substrat, 3° halojenürdür, bu yüzden SN2 bekleyemeyiz. Ana ürün E2 yoluyla oluşacak olan CH3CH=C(CH 2CH3)2 olmalıdır. Yüksek sıcaklıkta ve güçlü bir bazın varlığında, bir SN1 ürünü olan CH3 OC(CH2CH3 )3 ’ün önemli bir miktarda oluşmasını beklememeli yiz. (e) Bu tepkime solvolizdir. Tek baz/nükleofil, zayıf bir baz ve zayıf bir nükleofil

olan çözücü, yani CH3 OH’dir (bu yüzden E2 tepkimesi vermez). Substrat üçüncül ol duğundan Sn2 olmayacaktır. Düşük sıcaklıkta SN1 yoluyla oluşacak CH3 OC(CH2CH3)3 bileşiği meydana gelir. El Yoluyla oluşacak bir yan ürün olarak da CH3 CH=C(CH 2CH3 )2 beklenebilir.

A n a h t a r T e r i m l e r ve K a v ra m la r Nükleofilik yer değiştirme tepkimesi Altbölüm 6.3 Nükleofil Altbölümler 6.3, 6.4, 6.14B Substrat Altbölüm 6.3 Ayrılan grup Altbölümler 6.5, 6.14E S^2 tepkimesi Altbölümler 6.6-6.9, 6.14, 6.19A Geçiş hali Altbölüm 6.7 Konfigürasyon devrilmesi Altbölüm 6.9 SN1 tepkimesi Altbölümler 6.10, 6.11, 6.13, 6.14, 6.19B Karbokatyon Altbölümler 6.11, 6.12 Solvoliz Altbölüm 6.13B

273

274


Altbölüm 6.14A Altböliim 6.14A Altbölüm 6.14C Altbölüm 6.14D Altbölüm 6.16 Altbölümler 6.18, 6.19B Altbölümler 6.17, 6.19A

Sterik etki Sterik engel Aprotik çözücü Polar protik çözücü Ayrılma tepkimesi E l tepkimesi E2 tepkimesi

Propil bromürün nükleofilik yer değiştirme tepkimesini kullanarak aşağıdaki bi leşiklerin her birini nasıl sentezleyebileceğinizi gösteriniz. (İstediğiniz bileşikle ri kullanabilirsiniz) CH, (a) CH3 CH2CH2OH (g) CH3—N—CH2CH2CH3 Br (b) CH3 CH2CH2I (c) CH3CH2OCH2CH2CH3 CH3 (d) CH3 CH2CH2—S—CH3 (h) CH3 CH2CH2CN O (i) CH 3CH2CH2SH II (e) CH3COCH2CH2CH3 (f) c h 3c h 2c h 2n 3

EK PROBLEMLER

6.14

Sn2 Mekanizması ile hangi halojenüriin daha hızlı tepkime vereceğini beklersi niz? Cevabınızı açıklayınız. (a) CH3 CH2CH2Br veya (CH3)2CHBr (b) CH3CH2CH2CH2C1 veya CH3CH2CH2CH21 (c) (CH3 )2CHCH2C1 veya CH3CH2CH2CH2C1 (d) (CH3 )2CHCH2CH2C1 veya CH3 CH2CH(CH3 )CH2C1 (e) C6H5Br veya CH3CH2CH2CH2CH2CH2C1

6.15

Protik bir çözücü içerisinde her bir tepkime çiftinden hangisi daha hızlı SN2 tep kimesi verir? (a) (1) CH,CH,CH2C1 ya da (2) CH3CH2CH2C1 (b) (1) CH3CH2CH2C1 ya da (2) CH3CH2CH2C1 (c) (1) CH3CH2CH2Br ya da (2) CH3CH2CH2Br (d) (1) CPI3CH2CH2Br ya da (2) CH3CH2CH2Br

6.16

+

c h 3c h 2o

— ►c h 3c h 2c h 2o c h 2c h , + c r

-I- CH3CH2O H ---- ►CH3CH2CH2OCH2CH3 + HC1 + CH,CH20 —-►CH3CH2CH2OCH2CH3 + cı -t- c h 3c h 2s -►c h 3c h 2c h 2s c h 2c h 3 + c r + (C6H5),N — *• CH3CH2CH2N(C6H5)3+ + Br+ (C6H5)3P — ►CH3CH2CH2P(C6H5)3+ + Br“ (1 ,0M) + CI-I30 - (1,0M)---- ►CH3CH2CH2OCH3 + Br (1

,0M) + CH3CT (2,OM)---- ►CH3CH2CH2OCH3 + Br

Aşağıdaki her bir tepkime çiftinden hangisi daha hızlı SN1 tepkimesi verir? Cevabınızı açıklayınız. (a) ( 1 ) (CH3)3CC1 + H20 — - (CH3)3COH + HC1 ya da (2) (CH3)3CBr + H20 --►(CH3)3COH + HBr

* Yıldızla işaretlenmiş problemler “çözülmesi daha zor olan problemler”dir.

Ek Problemler

(b) ( 1 ) (CH3 )3 CC1 + H20 ---- ►(CH3)3COH + HC1 ya da (2) (CH3)3CC1 + CH3O H --►(CH3)3COCH3 + HC1 (c) ( 1 ) (CH3)3CC1 (1,0M) + CH3CH20 (1,0M) (CH3)3COCH2CH3 + c r ya da EıOH (2) (CH3)3CC1 (2,0M) + CH3CH20 (1,0M )--- ►(CH3)3COCH2CH3 + Cl" (d) ( 1 ) (CH3)3 CC1 ( 1 ,0 M) + CH3CH2CT ( 1 ,0 M) ya da (2) (CH3)3CC1 (1,0M) + CH3CH20 (2,OM) (e) ( 1 ) (CH3)3CC1 + H20 ---- ►(CH3)3COH + HC1 ya da (2) C6H5C1 + H20 ---- ►C6H5OH + HC1

(CH3)3COCH2CH3 +

cr

(CH3)3COCH2CH3 + Cl"

6.17

Çıkış maddesi olarak metil, etil veya siklopentil halojenürler, gerekli çözücüler ve inorganik maddeleri kullanarak aşağıdakilerin her birinin sentezini tasarlayı nız. Bir basamaktan daha fazlası gerekli olabilir, fakat problemin daha önceki şıklarında yaptıklarınızı yeniden tekrar etmeyiniz. (a) CH3I (d) CH3 CH2OH (g) CH3CN (j) CH3OCH2CH3 (b) CH3CH2I (e) CH3SH (h) CH3 CH2CN (k) Siklopenten (c) CH3OH (f) CH3 CH2SH (i) CH3 OCH3

6.18

Aşağıda varsayımsal bazı nükleofilik yer değiştirme tepkimelerini görüyorsunuz. Belirtilen ürünler uygun bir hızda oluşmadığından, bunların hiç biri sentetik ola rak yararlı değildir. Her bir durumda, tepkimenin gösterildiği şekilde gerçekleşmemesinin nedenlerini açıklayınız. (a) CH3CH2CH3 + OH“ CH3CH2OH + CH3“ (b) CH3CH2CH3 + OH” -*-► CH3CH2CH2OH + H" (c) □

+ OH“ -«-► CH,CH,CH,CH,OH CH, CH, I I ■ (d) CH,CH,—C—Br + CN~ CH,CH,—C—CN + Br I I CH, CH, (e) NH3 + CH3OCH3 (f) NH3 + CH3OH2+

CH3NH2 + CH3OH CH3NH3+ + H20

6.19

Etanol içerisinde KOH kullanılarak yapılan dehidrohalojenleme ile hem 1-bromo-2-feniletandan hem de 1 -bromo-l-feniletandan stiren (C6H5CH =CH 2) hazır lamanız istenseydi daha iyi bir alken verimi için çıkış maddesi olarak hangi halojenürü seçerdiniz? Cevabınızı açıklayınız.

6.20

Göreviniz, aşağıdaki tepkimelerden birini kullanarak izopropil metil eter [CH3OCH(CH3)2] hazırlamak olsun. Hangi tepkime daha iyi verimle yürüyecek tir? Seçiminizin nedenini açıklayınız. (1) CH3ONa + (CH3)2CHI — ►CH3OCH(CH3) 2 (2) (CH3)2CHONa + CH3I — ►CH3OCH(CH3) 2

6.21

Aşağıdaki tepkimelerin her birinden hangi ürün veya ürünlerin oluşmasını bek lersiniz? Her bir şıkta ürünün hangi mekanizma ile (SN1, SN2, El ya da E2) olu şacağını belirtiniz ve her bir ürünün bağıl miktarını tahmin ediniz (yani, tek ürün, ana ürü, yan ürün, vb.) 50°C (a) CH3CH2CH2CH2CH2Br + CH3CH20 _ ------------► c h ,c h 2oh

275

276


(b) CH3CH2CH2CH2CH2Br + (CH,)3CCT (C^ (c) (CH3)3CBr + CH30 _

QH»

50°C

(d) (CH3)3CBr + (CH3)3COC1

50°C aseton

(e)

25 C CH,OH

-------- ►

(f) (g) 50°C

(h )

3-Kloropentan + CH3C0 2 CH co h*

(i) HO + (/?)-2-bromobütan — *"► (j) (iSi-B-Bromo-S-metilheksan (k )

(S)-2-Bromooktan + I'

25°C CH,OH

50°C . CH,OH

6.22

Aşağıdaki döteryumla etiketlenmiş bileşiklerin yer değiştirme ürünlerinin yapı larını konformasyonlanyla gösteriniz. C1 C1

6.23

Etil bromür ve izobütil bromürün her ikisi de birincil halojenür olmasına rağmen, etil bromür, izobütil bromürden 10 kat daha hızlı SN2 tepkimesi verir. Her bir bileşik güçlü bir baz/nükleofil (CH3CH20 ) ile etkileştirildiğinde, izobütil bro mür, etil bromürün tam aksine, yer değiştirme ürününden daha çok ayrılma ürü nü verir. Bu sonucu nasıl açıklarsınız?

6.24

T iyonunun CH3CH2C1 ile olan tepkimesini göz önüne alınız, (a) Tepkimenin SN1 mi yoksa SN2 mekanizmasıyla mı gerçekleşmesini beklersiniz? 60'’C’da tep kime hız sabiti, 5 X 10'5 L m ol 1 s_|,dir. (b) [T] = 0,1 mol L~‘ ve [CH3CH2C1] = 0,1 mol L 1 ise tepkime hızı nedir? (c) Eğer [I ] = 0,1 mol L~' ve [CH3CH2C1] = 0,2 mol L_l ise tepkime hızı nedir? (d) [T] = 0,2 mol L_l ve [CH3 CH2C1] = 0,1

Ek Problemler

mol L~‘ ise tepkime hızı nedir? (e) [I ] = 0,2 mol L 1 ve [CH3 CH2C1] = 0,2 mol L~' ise tepkime hızı nedir? 6.25

Aşağıdaki protik bir çözücü içerisinde reaktif çiftlerinden hangisi daha güçlü nükleofilik özellik gösterir? (a) CH3NH- yada CH3NH2 O II (b) CH30 - yada CH3CCT (c) CH3SH yada CH3OH (d) (C6H5)3N yada (C6H5)3P

6.26

(e) H20 yada H30 + (0 NH3 yada NH4+ (g) H2S yada HS" O II (h) CH3CCT yada OH“

Aşağıdaki tepkime ürünlerini açıklayıcı mekanizmaları yazınız. (a) HOCH2CH2Br

OH

* H2C - C H 2 \ / O

(b) H,NCH2CH2CH2CH2Br

6.27

Alkil klorür ve alkil bromürlerin SN2 tepkimelerinin çoğu, ortama sodyum iyo dür veya potasyum iyodür katılmak suretiyle katalizlenir. Örneğin, metil bromürün hidrolizi, sodyum iyodür varlığında çok daha hızlı gerçekleşir. Bu sonucu nasıl açıklarsınız?

6.28

Aşağıdaki gözlemleri açıklayınız: Metanol ve su karışımı içerisinde ter-bütil bromür, sodyum metoksitle etkileştirildiğinde, sodyum metoksit derişiminin artırıl ması, ter-bütil alkol ve rer-bütil metil eterin oluşum hızında farkedilir bir de ğişime yol açmaz. Fakat, sodyum metoksit derişiminin artırılması ter-bütil bromürün tükenme hızında belirgin bir değişikliğe neden olur.

6.29

(a) ter-Bütil klorürün 2-metilpropene dönüşümünde olduğu gibi, genel olarak bir üçüncül alkil halojenürün alkene dönüşümündeki genel bir problemi göz önü ne alınız. Ayrılmanın, yer değiştirmeden daha fazla olmasını sağlamak için han gi deneysel şartları seçersiniz? (b) Problemi tersinden, bir üçüncül alkil halojenürün yer değiştirmesini gerçekleştirmek olarak düşünün. Örnek olarak terbütil klorürün ier-bütil etere dönüşümünü kullanınız. Bu eteri, mümkün olan en yüksek verimde elde etmek için hangi deneysel şartları kullanırsınız? 1-Bromobisiklo[2.2.1]heptan, hem SN2 hem de SN1 tepkimelerine karşı son derece duyarsızdır. Bu davranışı açıklayınız.

6.30 6.31

Etil bromür, metanol içerisinde potasyum siyanür ile tepkime verdiğinde ana ürün CH3 CH2CN’dir. Fakat, biraz da CH3 CH2NC oluşur. Siyanür iyonu ve her iki ürün için Lewis yapılarını yazınız ve tepkimenin yürüyüşünün mekanistik açıklama sını yapınız.

6.32

Uygun alkil halojenürlerden başlayarak ve diğer gerekli reaktifleri kullanarak aşa ğıdaki her bir sentez için bir tasarım yapınız. Bir sentez için farklı ihtimaller olduğunda, en iyi verimi sağlayacak olanı şeçme hususunda dikkatli olmalısınız. (a) Bütil se&-bütil eter (g) (S)-2-Pentanol (b) CH3CH2SC(CH3) 3 (h) C/?)-2-îyodo-4-metilpentan (c) Metil neopentil eter (i) (CH3 )3CCH=CH 2

277

278


6.33

(d) Metil fenil eter

(j) c/s-4-izopropilsikloheksanol

(e) C6H5CH2CN (f) CH3C 0 2CH2C6H5

(k) (/?)-CH3 CH(CN)CH2CH3 (I) riW7.v-l-İyodo-4 -metilsikloheksan

Aşağıdaki tepkimelerin her birinde oluşacak ürünlerin yapılarım yazınız.

(b) 1,4-Dikloroheksan (1 mol) + Nal (1 mol) aselon» C6H 12C1I + NaCl

(c) 1,2-Dibromoetan

(1 mol) + NaSCH2CH2SNa-----►C4H8S2 + 2 NaBr

(d) 4-Kloro-l-bütanol + NaH

(e) Propin

Et20

C4H8C10Na 4

+ NaNH-. ( NH'V C,H,Na

Et20

C4H80 + NaCl 4

C4H6 + Nal

■ S IV 1 N H 3

6.34

rcz-Bütil bromür SN1 hidrolizine uğradığında, sulu çözeltiye ortak iyon içeren bir bileşik, örneğin NaBr ilave etmenin tepkime hızı üzerine bir etkisi yok tur. Diğer yandan, (C6H5)2CHBr SN1 hidrolizine uğratıldığında, NaBr ilavesi tepkimeyi yavaşlatır. (C6H5)2CBb katyonunun (CH3 )3 C+ katyonundan çok daha kararlı olduğu bilinir (niçin böyle olduğunu Altbölüm 15.12A’da göreceğiz); bu durumda, bu iki bileşiğin farklı davranışını açıklayınız.

6.35

Aşağıdaki alkil halojenürler, etanol ve su karışımı içerisinde (%80 C2H<5OH/ % 2 0 H20) 55 "C’da hidrolize tabi tutulduğunda, tepkime hızları aşağıdaki sırayı gös termektedir. (CH3)3CBr > CH3Br > CH3 CH,Br > (CH3)2CHBr Etkinlik sırası için bir açıklama getiriniz.

6.36

1" Alkil halojenürlerin nitrit tuzları ile tepkimesi RN0 2 ve RONO bileşiklerinin her ikisini de oluşturur. Bu davranışı açıklayınız.

6.37

Çözücü polaritesinin artması, aşağıdaki nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri nin her birinin hızı üzerine nasıl bir etki yapar? (a) Nu: + R— L ----►R — Nu+ + =L" (b) R— L - ----►R+ + : L

6.38

Aynı derişimdeki iki reaktantın aynı reaktif için veya bir reaktantın aynı mole küldeki iki reaktif için yarıştığı tepkimeler, yarışan tepkimelerdir. Aşağıdaki yarışan tepkimelerin her birinden oluşacak ana ürünü tahmin ediniz. CH, i (a) Cl—CH,—C—CH,—CH,—C1 + I- DMF — ► -C— I L ** I CH, ch3

(b) C1 —c —CH,— CH,—C1 + H ,0 --------► aseton

CH,

Ek Problemler

6.39

Sn2 Tepkimelerinin tersine, SN1 tepkimeleri, nispeten daha az nükleofilik seçi cilik gösterir. Yani, tepkime ortamında birden fazla nükleofil oldağunda, SN1 tep kimeleri, zayıf nükleofillerle güçlü nükleofiller arasında çok az bir ayrım yapma eğilimi gösterir. Halbuki SN2 tepkimeleri, belirgin bir ayrım yapma eğilimi gös terirler. (a) Bu davranışı açıklayınız, (b) CH3 CH2CH2CH2C 1, 0.01 M NaCN ile etanol içerisindeki tepkimesi sonucu ana ürün olarak CH3CH2CH2CH2CN oluş tururken. aynı şartlarda (CH3 )3CC1 nin ana ürün olarak (CH3)3 COCH2CH3 oluş turmasını nasıl açıklarsınız?

*6.40 Gaz fazında, ter-bütil klorürün karbon-klor bağının homolitik bağ ayrışma ener jisi (Altbölüm 10.2A), +328 kJ mol fir-bütil radikalinin iyonlaşma potansiye li +715 kJ mol ve klorun elektron ilgisi -330 kJ mol 1’dir. Bu verileri kullana rak, gaz fazında /er-bütil klorürün, fer-bütil katyon ve klorür iyonuna dönüşmesi için olan entalpi değişimini hesaplayınız (bulduğunuz değer, karbon-klor bağı nın heterolitik bağ ayrışma enerjisidir). *6.41 Gaz fazında, kloroetanın, etanol ve hidrojen klorür oluşturmak üzere su ile tep kimesinde, AH" = + 26,6 kJ m ol 1 ve AS" = + 4.81 J K"' mol '"dir (25 °C'da). (a) İki terimden hangisi tepkimenin gerçekleşmesi için lehtedir? (b) Tepkime için AG°'yi hesaplayınız. Şimdi tepkimenin gerçekleşip gerçekleşmeyeceği hususun da ne söyleyebilirsiniz? (c) Tepkime denge sabitini hesaplayınız, (d) Sulu çözeltideki tepkime denge sabiti, şimdi hesapladığınızdan çok daha büyüktür. Bunu nasıl açıklarsınız? *6.42 (5')-2-Bromopropanoik asit [(5)-CH3CHBrC0 2 H)] derişik sodyum hidroksil ile tepkime verdiğinde, (asitlendirmeden sonraki) ürün, yaygın olarak (/?)-laktik asit olarak bilinen (/?)-2-hidroksipropanoik asittir [(/?)-CH3CH0HC0 2H)] Elbette bu Sn2 tepkimesinden beklenen steıeokimyasal olarak normal bir sonuçtur. Fakat, aynı tepkime, Ag20 beraberliğinde (burada Ag\ bir Lewis asidi rolü görür) seyreltik hidroksit iyonu ile gerçekleştirildiğinde konfigüıasyon aynı kalır ve (S)-2hidroksipropanoik asit oluşur. Bu tepkimenin mekanizması, komşu grup katılımı olarak adlandırılan bir olay içerir. Agf ve seyreltik sodyum hidroksit kullanıldı ğında, net olarak konfigürasyon korunur. Bu tepkime için ayrıntılı bir mekaniz ma yazınız. *6.43 Bir kimyasal tepkimedeki konfigürasyon devrilmesi olgusu, 1896'da Paul von Walden tarafından bulundu (Altbölüm 6.7). Walden'in konfigürasyon devrilme si kanıtları aşağıdaki çevrime dayanmaktaydı: H0 2CCH2CHC1C02H (-)-Klorosüksinik asit

H0 2CCH2CH(0H)C02H

H0 2CCH2CH(0H)C02H

(-)-Malik asit

(+)-Malik asit

H0 2CCH2CHC1C02H (+)-Klorosüksinik asit Walden çevrimi

279

280


(a) Bir önceki problemdeki cevabınıza dayalı olarak, Walden çevrimindeki hangi tepkime muhtemelen konfigürasyon devrilmesi ile, hangi tepkime muhtemelen konfigürasyonun korunması ile olmaktadır? (b) Eksi optik çevirmeye sahip malik asitin (5) konfigürasyona sahip olduğu şimdi biliniyor. Walden çevrimindeki diğer bileşiklerin konfigurasyonları nedir? (c) Walden, (+)malik asidin PCI5 yerine tiyonil klorür ile muamele edilmesi ile tepkime ürününün (+)-klorosüksinik asit olduğunu da buldu. Bu sonucu nasıl açıklarsınız? (d) (-)-Malik asit ve tiyonil klorür tepkimesinin aynı stereokimyaya sahip olduğunu varsayarak, PCI5 yerine tiyonil klorür kullanmak yoluyla Walden çevrimini yeniden yazınız. *6.44 (/?)-(3-Kloro-2-metilpropil) metil eter (A), sulu etanol içerisindeki sodyum azür ile tepkimesi sonucu (S)-(3-azido-2-metilpropil) metil eter (B) verir. A Bileşiği, C1CH2CH(CH3 )CH20 CH3 yapısına sahiptir. (a) A ve B’nin her ikisi için de kama-çizgi formülünü gösteriniz. (b) Tepkime esnasında konfigürasyonda bir değişme olur mu? *6.45 Aşağıdaki tepkimeden çıkacak ürünün yapısını tahmin ediniz: NaOH sulu EtOH

^ 6^ 10^

Ürün, 1620-1681 cm' 1 bölgesinde kırmızı ötesi soğurma göstermemektedir. *6.46

m-4-Bromosikloheksanol

-

t-BuOH

rasemik C6H10O (C bileşiği) 5°

C Bileşiği, 1620-1680 cm 1 bölgesinde kırmızı ötesi soğurmaya sahiptir. C ürü nünü yazmız ve (R) ve (S) enantiyomerlerini tanımlayınız.

ÖĞRENME GRUBU PROBLEMLERİ

1. (lS,2 /?)-l-Bromo-l,2 -dimetilsikloheksanın oda sıcaklığında %80 H2O/%20 CH3CH2OH içerisindeki solvoliz tepkimesini göz önüne alınız. (a) Bu tepkimeden kimyasal olarak oluşabilecek makul ürünlerin hangilerinin ana ürün olabileceğini tahmin ediniz. (b) Ana ürün oluşumu için ayrıntılı mekanizma yazınız. (c) Ana ürün oluşumunda yer alan bütün geçiş hallerinin yapılarını yazınız. 2. Afrika çalılarından çıkarılan toksik bir doğal ürün olan ö>florooleik asitin sentezi nin ilk basamaklarından alınmış olan aşağıdaki tepkime serisini göz önüne alınız. (iö-Florooleik asit, fare zehiri olarak da adlandırılır ve fareleri öldürmek için kulla nıldığı gibi, kabileler arası savaşlarda ok zehiri olarak da kullanılmıştır. Sentezi tamam lamak için aşağıdakilerden başka iki basamağa daha ihtiyaç duyulur.) (i) l-Bromo-8 -florooktan + sodyum asetilenür (etinin sodyum tuzu) ----►bileşik A (C,0H17F) (ii) Bileşik A + NaNH2 ----►bileşik B (Cl0H,6FNa) (iii) Bileşik B + I—(CH2)7 —C1----►bileşik C (Ci7H30C1F) (iv) Bileşik C + NaCN----►bileşik D (Cı8H30NF) (a) Yukarıdaki A, B, C ve D bileşiklerinin yapılarını aydınlatınız. (b) Yukarıdaki tepkimelerin her biri için mekanizma yazınız. (c) Her bir tepkime için geçiş halinin yapısını yazınız.

Alkenler ve Alkinler I: Özellikleri ve Elde Edilişleri. Alkil Halojenürlerin Ayrılma Tepkimeleri H ü c r e Z a r ı G e çirg en liğ i Hücre zarları, hücrelerin iç ve dış ortamları arasında seçici bir engel olarak işlevlerini düzgün bir şekilde yerine getirebilmeleri için geçirgen olarak kalmalıdır. Hücre zarı ge çirgenliğini etkileyen bir etken, zardaki doymuş ve doymamış yağ asitlerinin oranları dır. Balık gibi soğukkanlı hayvanlar; hücre zarlarının geçirgenliğini, doymamış yağ asitlerinin doymuş yağ asitlerine oranını değiştirerek çevrelerinin sıcaklığına göre ayar larlar. Kuzey geyikleri soğuk bir ortamda yaşadıklarından, bacaklarındaki hücre zarla rının doymamış yağ asitleri oranı vücutlarının iç kısımlarında bulunanlara göre daha yüksektir ve böylece, hücre zarlarını en yüksek geçirgenlikte tutarlar. Bu örneklerde, molekül yapısı, fiziksel özellikler ve biyolojik işlevleri arasında önemli ilişkiler gör mekteyiz. Şimdi de doymuş ve doymamış yağ asitlerinin yapılarını inceleyeceğiz. Yağ asitleri, bir karboksilik asit grubuna bağlı uzun hidrokarbon zincirleri bulunduran karboksilik asitlerdir. (Hayvanlardaki bir çok yağ asidi 16 veya 18 karbon atomu bu lundurmaktadır). Doymuş bir yağ asidi, molekülündeki hidrokarbon zincirinde ikili bağ bulundurmayan asittir (molekül hidrojenle “doyurulmuştur”). Doymamış bir yağ asidi

281

ise molekülünde en az bir ikili bağ içerir. Bu ikili bağın molekülde bulunuşu hücre za rı geçirgenliğinde ne gibi değişiklikler yapar? Tereyağıyla zeytinyağı arasındaki farkı düşünün. Tereyağı, daha çok doymuş yağ asidi bulundurur. Tereyağındaki doymuş yağ asitlerinin hidrokarbon zincirleri düzgün ve doğru şekildedir ve molekül oda sıcaklığın da katıdır. Diğer taraftan zeytinyağı, büyük oranda doymamış yağ asidi içermektedir. Zeytinyağındaki yağ asitlerinin alken ikili bağları birbirine göre cis konfigürasyonundadır ve yağ asidinin hidrokarbon zinciri de dolaşmış bir ip görünümündedir. Sonuç ola rak, zeytinyağındaki doymamış yağ asitleri, kolaylıkla düzgün bir sıra oluşturamazlar ve bu yüzden aynı karbon sayılı doymuş yağ asitlerinden daha düşük erime noktalarına sahiptirler. Tereyağı, doymuş yağ asidi bakımından zeytinyağına göre daha zengin ol duğundan katı haldedir. Hücre zarlarının geçirgenliği de benzer şekilde etkilenmekte dir. Doymuş yağ asitlerinin oranı ne kadar yüksek olursa, hücre zarındaki geçirgenlik de o kadar azalır, tersi durumda da geçirgenlik yükselir.

7.1 7.2

Giriş Alken Diastereonıerlerinin (F)-(Z) Sistemiyle Adlandırılması 7.3 Alkenlerin Bağıl Kararlılıkları 7.4 Sikloalkenler 7.5 Ayrılma Tepkimeleri Üzerinden Alkenlerin Sentezi 7.6 Alkil Halojenürlerden Hidrojen Halojenür Çıkarılması (Dehidrohalojenleme) 7.7 Alkollerden Su Çıkarılması (Dehidrasyon) 7.8 Karbokatyon Kararlılığı ve Moleküler Çevrilmelerin Meydana Gelişi 7.9 Komşu Dibromürlerden Brom Çıkarılmasıyla Alken Sentezi 7.10 Ayrılma Tepkimeleriyle Alkinlerin Sentezi 7.11 Uç Alkinlerin Asitliği 7.12 Uç Alkinlerin Asetilenik Hidrojen Atomunun Yer Değiştirmesi 7.13 Alkenlerin Hidrojenlenmesi 7.14 Hidrojenleme: Katalizörün Görevi 7.15 Alkinlerin Hidrojenlenmesi 7.16 Hidrokarbonların Molekül Formülleri: Hidrojen Eksikliği İndisi

282

7.1

GiRiş

Alkenler, moleküllerinde karbon-karbon ikili bağı içeren hidrokarbonlardır. Bu sınıf bileşikler için eski bir ad olan olefinler sıkça kullanılmaktadır. Eten (etilen), en basit olefin (alken)’dir ve olefin yapıcı (olefiaııt) gaz olarak adlandırılır (Latince: oleıtm, yağ + facere, yapmak), çünkü eten gazı (C2H4) klor gazıyla tepkime vererek bir sıvı (yağ) olan C2H4CI2 bileşiğini oluşturur. Molekül yapılarında karbon-karbon üçlü bağı içeren hidrokarbonlar alkinler olarak adlandırılır. Bu bileşik serisinin yaygın adı, ilk üyesinden, HC=CH, dolayı, asetilen lerdir. H H H CH3

\

/

C=C H

H Eten

7.IA

\

/

/ C =C \ H H

H—C = C —H

Propen

Etin

A lke n ve Alki nle ri n Fiziksel Özellikleri

Alkenler ve alkinler, karşılık gelen alkanlarınkine benzer fiziksel özellikler gösterirler. Alkenler ve alkinlerden dört karbonluya kadar olanlar (2-bütin hariç) oda sıcaklığında gazdır. Alkenlerle alkinler polar olmayan bileşikler oldukları için polar olmayan veya polaritesi düşük olan çözücülerde çözünürler. Alkenler ve alkinler, suda çok az çözü nürler (alkinler, alkenlere göre biraz daha fazla çözünür). Alkenler ve alkinlerin yoğun lukları suyunkinden daha düşüktür.

7.2

A lk en D ia s te r e o m e r le M İYLE A D L A N D IR IL M A S I

r î n İn

(E)-(Z)

Sîs

te

-

Altbölüm 4.5’te alken diastereonıerlerinin stereokimyasını cis ve trans terimlerini kul lanarak tanımlamayı öğrenmiştik. Bu terimler, yalnızca disübstitiie alkenlere uygulan dığında anlamlıdır. Eğer, alken trisübstitüe veya tetrasübstitüe ise cis ve trans terimlerinin her ikisi de anlamsızdır (belirsizdir) veya uygulanamaz. Bir örnek olarak aşağıdaki al ken molekülünü ele alalım. B\ / C C=C / \ H F A

7.2 Alken Diastereomerlerinin ( E ) - ( Z ) Sistemiyle Adlandırılması

A molekülünde aynı iki grup bulunmadığından. A molekülünün cis veya trans olup ol madığına karar vermek imkansızdır. Grupların öncelik sırasına dayalı daha yeni bir sistem de Cahn-Ingold-Prelog siste midir (Altbölüm 5.6). Bu sistem. /. ı—(Z ) sistemi olarak adlandırılır ve alken diastere omerlerinin tümüne uygulanabilir. (E)-{Z) sisteminde ikili bağdaki bir karbon atomuna bağlı iki grubu inceleriz ve hangisinin daha yüksek öncelikli olduğuna karar veririz. Son ra bu durumu ikili bağın diğer karbon atomuna da uygularız. Daha yüksek CI > F öncelikli

yF

Daha yüksek öncelikli

C

/

c

C II

\

Daha y ü k s e k ®r öncelikli

/ ^

(Z)-2-Bromo-l-kloro-lfloroeten

Daha yüksek öncelikli

c

\

Br > H

^

(E)-2-Bromo-l-kloro-lfloroeten

Bir karbon atomu üzerindeki iki gruptan öncelikli olanı belirlenerek, aynı şekilde diğer karbon atomu üzerinde belirlenen öncelikli grupla karşılaştırılır. Eğer, her iki karbon atomundaki öncelikli gruplar ikili bağın aynı tarafındaysa alken (Z) olarak tanımlanır (Z, Almanca bir kelime olan zusammen'den gelmektedir ve birlikte anlamındadır). Eğer, daha yüksek öncelikli gruplar ikili bağın farklı taraflarında yer alıyorsa alken (E) ola rak tanımlanır (E, Almanca entgegen' den gelmektedir ve zıt anlamındadır). Aşağıdaki örnekler bunu göstermektedir: H,CX y C H3 ,C = C / \ H H

H.,CX CH 3 > H

(Z)-2-Büten (m-2-büten) c\

/C I

/ U

\

I

u H

Br

(£)-l-Brorno-l,2-dikloroeten

/ H

yH

g

=

c

\

CH,

(£)-2-Büten Ura«5-2-büten)

CI > H Br > C1

Clx / H

.Br

c=c \

CI

(Z)-l-Bromo-l,2-dikloroeten

(E)-(Z) Adlandırma sistemini kullanarak |ayrıca, (e) ve (f) şıklarında (R-S) adlan- ^ dırma sistemini de gözönüne alarak) aşağıdaki her bir bileşiğin IUPAC adını yazınız. Br^ yü CI yCH , (a) / C = C X (d) C=C C1 CH2CH2CH3 I c h 2c h 3

P ro b l e m 7 . 1

283

284

Bölüm 7 / Alkenler ve Alkinler: Özellikleri ve Elde Edilişleri. Alkil Halojenürlerin Ayrılma Tepkimeleri

7.3

A

7.3A

H id r o j e n le n m e Isısı

lk e n le r în

Ba

ğ il

Ka

r a r lil ik la r i

Alkenlerin cis ve trans izomerleri aynı kararlılığa sahip değildir. Bunların bağıl karar lılıklarına karar vermek için farklı iki deneyden, hidrojenleme ve yanma, elde edilen so nuçlar karşılaştırılabilir. Altböllim 4.18A’da alkenler ve alkinlerin hidrojenlenmesini tartışmıştık. Bir alkenin hidrojenle verdiği tepkime eksotermik bir tepkimedir ve bura daki entalpi değişimi hidrojenlenme ısısı olarak adlandırılır. Bir çok alkenin hidrojen lenme ısısı -120 kJ mol“ 1 dolaylarındadır. Bununla beraber bazı alkenlerin hidrojenlenme ışılan bu değerden 8 kJ mol' 1 kadar daha fazla farklı olabilir. \

/ pt C—C + H —H

-c—c — AH0 = - 120 kJ moT I I H H Hidrojenleme, dikenleri aynı ürüne dönüştürdüğünde, bu farklar, alken izomerlerinin bağıl kararlılıklarının ölçülmesine imkan verir. Örnek olarak aşağıdaki üç büten izome rini ele alalım: CH3CH2CH =CH 2 + H2 1-Büten (C4Hg) / ch3 XC = C X + H, H H c/s-2-Büten (C4H8)

CH3CH2CH2CH3 Bütan

A//° = - 127 kJ mol'

1

A//° = - 120 kJ mol'

1

h 3c x

^3C\ /H XC = C X + H2 H CH3 ira/ıs-2-Büten (C4Hg)

CH3CH2CH2CH3 Bütan

CH3CH2CH2CH3

&Hc = - 115 kJ m o l_ 1

Bütan

Şekil 7.1 Üç büten izomeri için bir enerji diyagramı. Kararlılık sırası, /rans-2-büten > cri- 2 -büten > 1 -büten şeklindedir.

>

A//° =-120 kJ mol-1

Ai7° = -115 kJ mol-1

A77° = -127 kJ mol-1

c h

3c

h

2c

h

2c

h

3

7.3 Alkenlerin Bağıl Kararlılıkları

285

Her tepkimede ürün (bütan) aynıdır. Her durumda tepkimeye giren maddelerden biri de (hidrojen) aynıdır. Bununla birlikte, her tepkimede farklı miktarda ısı açığa çıkar ve bu farklar, büten izomerlerinin her birinin değişik bağıl kararlılığıyla ilgili olmalıdır. 1-Büten hidrojenlendirildiğinde en yüksek ısı miktarı açığa çıkarken, /;w 75'-2 -büten en az ısı açığa çıkarır. Bu yüzden, en fazla enerjiye (entalpiye) sahip olan 1-büten en düşük ka rarlılığa sahip izomer olmalıdır. En düşük enerjiye (entalpiye) sahip olan trans-2-büten ise en kararlı izomer olmalıdır. d.s-2-Bütenin enerjisi (ve kararlılığı) bu ikisinin arasın da yer alır. Eğer, Şekil 7.1’deki enerji diyagramı incelenirse, büten izomerlerinin karar lılık sırası kolaylıkla görülür. cw-2-Büten ile karşılaştırıldığında, trans-2-bütenin daha yüksek kararlılığa sahip ol ması, cis-trans alken çiftlerinde genel bir sonuçtur. Örneğin 2 -penten aynı kararlılık iliş kisini gösterir: trans izomer > cis izomer. c h 3c h 2x

/

ch3

C=C h

+ H,

c h ,c h , c h , c h , c h 3

h

cıs-2-Penten c h 3c h 2x

AH0 = - 120 kJ mol-1

Pentan

H

xc= cx + H2 H CH3

CH3CH2CH2CH2CH3

tra/ıs-2-Penten

AH0 = - 115 kJ mol-

1

Pentan

Cis izomerlerin entalpilerinin yüksek oluşu, kalabalıklaşmaya neden olan iki alkil grubunun ikili bağın aynı tarafında oluşuna bağlanmaktadır (Şekil 7.2). 7.3B Y a n m a Isılarından Çıkarılan Bağıl Kararlılıklar İzomerik alkenlerin hidrojenlendirilmesi aynı alkanı oluşturmadığı zaman, yanma ısıla rı bunların bağıl kararlılıklarını ölçmek için kullanılabilir. Örneğin, 2 -metilpropen doğ rudan diğer büten izomerleriyle ( 1 -büten, cis ve rra«i- 2 -büten) karşılaştırılamaz çünkü, 2 -metilpropen hidrojenleme ile bütan değil, izobütan oluşturur. CH3

CH, I ' CH3C = C H 2

CH3CHCH3

2-Metilpropen

İzobütan

İzobütan ve bütan aynı entalpiye sahip değildir, dolayısıyla hidrojenlenme ısılarının doğ rudan karşılaştırılması mümkün değildir. Bununla birlikte, 2-metilpropen tam yanmaya uğratıldığında diğer büten izomerle rinde meydana gelen ürünlerin aynısı oluşur. Her bir izomer, altı eşdeğer mol oksijen Şekil 7.2 cis- ve trans- Alken izomerleri. Daha az kararlı olan cis izomeri daha fazla gerginliğe sahiptir.

286


tüketerek dört eşdeğer mol C 02 ve dört eşdeğer mol da H20 üretir. Yanma ısılarının karşılaştırılması, 2 -metilpropenin dört izomerden en kararlısı olduğunu gösterir, çünkü, yandığmda en az ısıyı o açığa çıkarır. CH3CH2CH =CH 2 +

6

0 2 ----►4 C0 2 + 4 H20

AH° = —2719 kJ mol"

1

/ ch3 XC = C X + H H

6

O ,----►4 C0 2 + 4 H20

AH° - -2712 kJ mol"

1

0 , ----►4 CO, + 4 H,0

AH° = -2707 kJ mol"

1

h 3c x

h 3c x

/H C=C

/

+ 6

\

•

H

*

CH3 ÇH? CH3C = C H 2 +

6

AH° = - 2703 kJ mol“ 1

0 2 ----►4 C0 2 + 4 H20

Bunun dışında diğer üç izomerin her biri tarafından açığa çıkarılan ısı, hidrojenleme ısılarının ölçiilmesiyle bulunan kararlılık sırasıyla uyumludur. Böylece, büten izomer lerinin kararlılık sırasının aşağıdaki gibi olduğu bulunur.

CH3C = C H 2 > trans-CH3CH=CHCH 3 > cis-CH3CH=CHCH 3 > CH3CH,CH=CH 2

7.3C

Alken le ri n Bağıl Kararlılıkları

Alkenlerin kararlılıklarıyla ilgili olarak yapılan çalışmalar, alken kararlılığının ikili ba ğın karbon atomlarına bağlı olan alkil grupları sayısıyla ilişkili olduğunu göstermiştir.

İkili bağ karbonlarına bağlı alkil grupları sayısı ne kadar fazlaysa (yani ikili ba ğın karbon atomları ne kadar fazla sübstitüe olmuşsa) alkenin kararlılığı o kadar fazladır. Kararlılık sırası aşağıdaki gibi verilebilir:*

Alkenlerin Bağıl Kararlılıkları.

Alkenlerin Bağıl Kararlılıkları R

R

r= r R

Rx

>

yR

C=C

R R

Tetrasübstitüe

Rx

> H R

Trisübstitüe

P ro bl em 7.2

/ H

C=C

Rx

> H H

/ H

C=C

Rx

> RH

C=C

/ R

Rx

>

/ H

C=C

H H

Disübstitüe

Hx

> H H

/ H

C=C H

Monosübstitüe Sübstitüe olmamış

>■ Üç alkenin hidrojenlenme ısıları aşağıdaki gibidir: 2 - metil-l-büten (-119kJm oT ') 3- metil-1-büten (- 127 kJ mol ') 2-metil-2-büten (-113 kJ mol"')

(a) Her bir alkenin molekül yapısını yazınız ve molekülün ikili bağlı karbon atom larını, monosübstitüe, disübstitüe, trisübstitüe veya tetrasübstitüe oluşuna göre sı* Bu kararlılık sırası, c is ve tra n s izomerlerin bağıl kararlılıkları için verilen açıklamalarla karşılaştırıldığı za man aykırılık görülebilir. Buradaki eğilimlerin ayrıntılı bir açıklaması verilmesine rağmen bu durum konu muzun dışındadır. Sübstitüe alkenlerin bağıl kararlılıkları mantıklı olarak açıklanabilir. Alkil gruplarının elektron salıcı etkileri(Altbölüm 6 .12B), ikili bağın s p 2 melezleşmiş karbon atomlarının elektron çekici etki lerini dengeler şekinde bir açıklama getirilebilir.

287

7.4 Sikloalkenler

nıflandırınız. (b) Her bir alken hidrojenlendiğinde oluşan ürünün molekül yapısı nı çiziniz, (c) Hidrojenlenme ısıları, bu üç alkenin bağıl kararlılıkları arasında bir bağlantı kurmak için kullanılabilir mi? (d) Eğer öyleyse, tahmin edilen kararlılık sırası nedir? Eğer değilse. Neden? (e) Bu alkenler için hangi diğer alken izomer leri mümkündür? Bu izomerlerin molekül yapılarım yazınız, (f) Bütün bu alkenlerin kararlılıkları arasında bir bağlantı kurmak için hangi veriler gereklidir? Aşağıda verilen her bir alken çiftinden daha kararlı olanını tahmin ediniz, (a) 2- ■< P ro b l e m 7.3 Metil-2-penten veya 2.3-dimentil-2-büten, (b) c7.s-3-heksen veya t;an^-3-heksen. (c) 1 -heksen veya d.s-3-heksen ve (d) f/w 7.v-2 -heksen veya 2-metil-2-penten. Problem 7.3’te verilen alken çiftlerini tekrar ele alınız. Hidrojenlenme ısılarını kullanarak bağıl kararlılıkları belirlemek için hangi alken çiftlerini kullanabilirsiniz? Yanma ısılarını kullanmak için hangi çiftlere gerek duyarsınız?

7 .4

P ro b l e m 7.4

SİKLO ALKEN LER

Beş veya daha az sayıda karbon atomu bulunduran sikloalken halkaları yalnızca cis ya pısında bulunurlar (Şekil 7.3). Bir trans ikili bağın küçük halkalar içine sokulması müm kün olsaydı, halka atomlarının oluşturduğu bağların verdiğinden daha fazla gerginlik ortaya çıkardı. rrans-Sikloheksen. Şekil 7.4'te gösterilen yapıya benzer şekilde olabilir ve bazı kimyasal tepkimelerde çok etkin, kısa ömürlü bir ara ürün olarak oluştuğuna ilişkin kanıtlar vardır. .H HoC.

h9

H2C 1

c

/«

11

H2C— c

H Siklopropen

H Siklobüten

Şekil 7.3

H^C.

/ H

"C II h 2c x h 2c ^' c x

h 9c

c

“1

H Siklopenten

/H

II h2

Sikloheksen

c/s-Sikloaklenler

tra/75-Sikloheptenin varlığı spektroskopik yöntemlerle belirlenmiştir, fakat bu mad de çok kısa ömürlüdür ve izole edilememiştir. Bununla birlikte, t7Y77?5'-siklookten (Şekil 7.5) izole edilmiştir. Burada, halkalı yapı, bir trans ikili bağın gerektirdiği geometriye sahip olabilmek için gerekli halka büyük lüğüne sahiptir ve oda sıcaklığında kararlıdır. //•tf/?5 -Siklookten kiraldir ve bir enantiyomer çifti olarak bulunur. CHo—CHo / 2 \ 2 CH2 CH I II CH2 CH \ / CH9—ch 2

CH2 \ CH i CHo H / \ c l \ / CH ^CH , H CHo

cis-Siklookten

ira/ıs-Siklookten

Şekil 7.5

Siklooktenin cis ve trans yapıları

ch2

/ '" e

-H

CH ^

/C

H

/

CH2

ch 2

2

Şekil 7.4 Kuramsal irans-sikloheksen. Bu mo lekülün oda sıcaklığında var olabilmesi için, açıkça görüldüğü gibi, çok yüksek gerginliğe sahiptir.

Bu bileşiklerin, 7rû//s-siklokten enantiyomerlerinin her ikisini de içeren mole kül modelleri kullanılarak incelenmesi, bunların yapı sal farklılıklarının gösteril mesine yardımcı olabilir.

288


7 .5

I

a

|£ İ

Bazı Alken Sentezleri.

A Y R IL M A TEPKİM ELERİ Ü Z ER İN D E N ALK EN LER İN SEN TEZLERİ

Bir ayrılma tepkimesi sonucunda molekülde bir ikili bağ oluştuğundan ayrılma tepki meleri alkenlerin sentezinde geniş ölçüde kullanılmaktadır. Bu bölümde ayrılma tepki meleriyle ilgili üç yöntem göreceğiz. Bu yöntemlerin her biri için aşağıda verilen örneklerde iki karbonlu basit başlangıç maddeleri kullanılmıştır. A lk il H a lo je n ü rle rd e n H id r o je n H a lo je n iir Ç ık a rılm a s ı (D e h id ro h a lo je n le m e ) (A ltb ö lü m le r 6 .1 6 , 6 .1 7 ve 7.6)

R

HH

V i HH

c

„

\

X

H H b“ ► \ — / / \ H H

-H X

A lk o lle rd e n S ıı Ç ık a rılm a s ı (D e h id ra sy o n ) (A ltb ö lü m le r 7 .7 ve 7.8)

V ^ HH

F

— \ - HOH OH

"

/ H

w

\ H

k o m şu -D ib ro m iir le rd e n B ro m Ç ık a rılm a sı (A ltb ö liim 7.9)

Br t -/ i HH

H„

H

c ^■ch-c°=h .> V \ ~ ZnBr'/ Br H

H k

\

H

7 .6

A L K İL H A LO JE N Ü R LE R D E N H İD R O JEN H A L O JE N Ü R Ç IK AR ILM ASI (D E H İD R O H A L O JE N L E M E ) Bir molekülden hidrojen halojenür çıkarılması (dehidrohalojenleme) yoluyla alken sen tezi en iyi şekilde E2 tepkimesiyle gerçekleştirilir: B :^-— (-

o

_j y

E2 Ayrılma Mekanizması.

A

1

E2 Ayrılması için Tepkime Koşulları.

—C ^ C — 1/1

XC = C / + B :H + =X/ \

'< x

Bu seçimin nedeni, bir El mekanizmasıyla gerçekleşen hidrojen halojenür çıkarılmasının çok değişken olmasıdır. Çok fazla yarışan olay vardır ve bunlardan birisi de karbon is keletinde meydana gelen çevrilmelerdir (Altbölüm 7.8). E2 tepkimesinin olması isten diğinde, mümkünse bir ikincil veya üçüncül alkil halojenür kullanılır. (Eğer sentez bir birincil alkil halojenürle başlatılmak zorundaysa, hacimli bir baz kullanılır.) El tepki mesi koşullarından kaçınmak için bir alkoksit iyonu gibi kuvvetli, nispeten polarize olamayan yüksek derişimde bir baz ve bağıl olarak apolar bir çözücü kullanılır. Ayrılmanın gerçekleşmesini kolaylaştırmak için genellikle yüksek sıcaklık uygulanır. Hidrojen ha lojenür çıkarılması için tipik reaktifler; etanol içerisinde sodyum etoksit ve ter-bütil al kol içerisinde potasyum ter-bütoksittir. Bazen etanol içerisinde potasyum hidroksit de kullanılır. Bu tepkimede reaktif olarak kullanılan baz, muhtemelen aşağıdaki eşitliğe gö re oluşan etoksit iyonudur. h 2o + c OH" + C2H5OH H20 C22h H55ct 0"

7.6 Alkil Halojenürlerin Hidrojen Halojenür Çıkarılması (Dehidrohalojenleme)

7.6A

E2 T e p k i m e l e r i : Ü r ü n d e İkili Bağı n Ye ri Z a i t s e v Kuralı

Hidrojen halojenimin çıkarılmasıyla ilgili daha önce verilen örneklerde (Altböliimler 6.16-6.18) yalnızca tek bir ayrılma ürünü oluşumu mümkündü. Örneğin: C,H,0 Na" C H 3Ç H C H 3

i

Br CH, CH,CCH, I Br

C

H 0H »

c h 2= c h c h 3

55°C

(%79)

CH, C,H,0-Na+ C,H,OH

c h , = c — CH,

(%100)

55°C

(CH.kCOK'-

CH3(CH2)15CH2CH2Br (CH')
(%85)

Bununla birlikte, birçok alkil halojeninden hidrojen halojenür çıkarılması birden faz la ürün oluşturur. Örneğin, 2 -bromo-2 -metilbiitandan hidrojen halojenür çıkartılması iki ürün oluşturur. Bunlar, 2-metil-2-büten ve 2-metil-l-bütendir. (a)

B

/ ►CH,CH=C

H CH, uC») \ A İ r, , I NV CH,CH—C — Br 3 7. | ' CH,

CH, \

+ H—B + Br CH,

2-Metil-2-büten

CH, ^

c h 3c h 2c ^

+ H— B +

B r:

CH, 2-Bromo-2-metiIbütan

2-Metil-l-büten

Eğer sodyum etoksit gibi küçük bir baz kullanırsak, tepkimenin ana ürünü olarak da ha kararlı olan alken oluşur. Altbölüm 7.3’ten bildiğiniz gibi, daha kararlı bir alken, ikili bağında daha fazla sayıda sübstitüent bulundurur.

?f

3 70°C CH,CH20 ‘ + CH,CH,C—CH, — — --- ►CH,CH=C C H 3C H 2O H • ■ ;ı Br

/

.CH 3

\

+ CH,CH,C

CH,

2-Metil-2-büten (%69) (daha kararlı)

/

\

CH, Cli,

2-Metil-l-büten (%31) (daha az kararlı)

2-Metil-2-büten, trisübstitüe bir alkendir (ikili bağın karbon atomlarına üç metil grubu bağlanmıştır), oysa 2-metil-l-büten disübstitüe bir alkendir. 2-Metil-2-biiten ana ürün dür. Bu davranışın nedeni, her bir tepkimede geçiş halinde oluşmaya başlayan ikili bağın karakteriyle açıklanabilir (bkz. Altbölüm 6.17). H

C ,H -b ---H

C,H-0" + —C—C— Ii 1 »r

-c — c — I i

Br*~

Bir E2 tepkimesi için geçiş hali Karbon-karbon bağı, bir miktar ikili bağ özelliğine sahiptir.

C,H5OH +

\

C=C

/

+ Br

289

290


0 3

Tepkime koordinatı

Şekil 7.6 Daha kararlı alkeni oluşturan tepkime (2), daha az kararlı alkeni oluşturan tepkime (1) den daha hızlı meydana gelir: AG^), AG*(1) den daha küçüktür.

Zaitsev ürünü en kararlı üründür.

P ro bl em 7.5

2-Metil-2-büteni oluşturan bu tepkimedeki geçiş hali (Şekil 7.6), bir trisübstitiie alkendeki ikili bağın karakterini kazanmaya başlamıştır. 2-Metil-l-büteni veren tepkimedeki geçiş haliyse, bir disübstitüe alkendeki ikili bağın karakterini kazanmaya başlamıştır. 2-Metil-2-bütenin oluşmasına yol açan geçiş hali daha kararlı bir alkene benzediğinden, bu geçiş hali daha kararlıdır. Bu geçiş hali daha kararlı olduğundan (daha düşük serbest enerji seviyesinde meydana gelir) bu tepkimenin serbest aktifleşme enerjisi daha düşük tür ve 2-metil-2-büten daha hızlı oluşur. Bu durum, 2-metil-2-bütenin neden ana ürün olduğunu açıklar. Bu tepkimelerin kinetik kontrollü olduğu bilinmektedir (bkz. Altbölüm 13.1 OA). Her ne zaman bir ayrılma tepkimesi, daha kararlı ve daha fazla sübstitüe olmuş al keni vermek üzere meydana gelse, kimyacılar bu tepkimenin, ondokuzuncu yüzyıl Rus kimyacısı A. N. Zaitsev (1841-1910) tarafından tanımlanan Zaitsev Kuralını takip et tiğini söylerler. (Zaitsev’in adı. Zaitzev, Saytseff, Saytzeff veya Saytsev olarak da ya zılmaktadır.) >■ Aşağıdaki alkil halojenürlerin her birinden, etanol içerisinde potasyum hidroksitle hidrojen halojenür çıkarılmasıyla oluşturulan alkenleri sıralayınız ve Zaitsev kura lını kullanarak her bir tepkimenin ana ürününü tahmin ediniz, (a) 2-bromo-3-metilbütan ve (b) 2-bromo-2,3-dimetilbütan. 7.6B Zaitsev Kuralına Bir İstisna Hidrojen halojenür çıkarılması tepkimelerinin, r
7.6 Alkil Halojenürlerden Hidrojen Halojenür Çıkarılması (Dehidrohalojenleme)

CH,

ch3 1 J —c —

|

CH3

ch.

Br

ch3

75°C (CH^COH >

/

.CH + CH3CH2Cx

C H ,C H -C X

CH

ch3

2-Metil-2-büten

(%27,5) (fazla sübstitüe)

2-Metil-l-büten (%72,5) (daha az sübstitüe)

Daha Az Sübstitüe Olmuş Alken Sentezi.

Bu davranışın nedenleri karmaşıktır, fakat kısmen, kullanılan bazın hacminden kaynak lanan sterik etkiyle ilgili gözükmektedir. rcr-Bütil alkol içerisindeki bazın çözücü mo lekülleriyle birleşmesi hacminin daha da büyümesine yol açar. Bu hacimli ter-bütoksit iyonunun geçiş halinde daha fazla kalabalıklaşmış olan iç kısımdaki hidrojen atomla rından birine (2°) atak yaparak onu uzaklaştırması zordur. Onun yerine etkiye daha açık olan metil grubu hidrojenlerine (1°) atak yaparak bunlardan birini uzaklaştırır. Bir ay rılma tepkimesi, daha az sübstitüe olmuş alkeni oluşturuyorsa tepkimenin Hofmann ku ralını izlediğini söyleriz (Altbölüm 20.13A). 7 .6 C

E2 T e p k i m e l e r i n i n Stereokimyası: Geçiş Halindeki G ru p l a rı n Y ö n le n m e l e ri

Kabul edilebilir deneysel kanıtlar, bir E2 tepkimesinin geçiş halinin içerdiği beş atomun aynı düzlemde olması gerektiğini gösterir. H— C— C— L biriminin aynı düzlemde bu lunması gerekliliği, alkenin n bağı oluşumu için orbitallerin uygun olarak örtüşme gerekliliğinden doğar. Bunun gerçekleşebilmesi için iki yol vardır: : ----- > H

E2 Geçiş Halinin Stereokimyası

B :----- > H V* V c —c

c —C Anti periplanar geçiş hali (tercih edilir)

Sin periplanar geçiş hali (yalnız bazı rijit moleküller için)

Kanıtlar, geçiş hali için olan bu iki düzenlemeden, anti periplanar (aynı düzlemde zıt taraftan) konformasyon denilen düzenlemenin tercih edildiğini göstermektedir. Sin periplanar (aynı düzlemde aynı taraftan) geçiş hali, yalnızca anti düzenlemeleri müm kün olmayan rijit moleküllerde mümkündür. Çünkü, anti periplanar geçiş hali çapraz konformasyonda (böylece, düşük enerji seviyeli) iken, sin periplanar geçiş hali ise çakışık konformasyondadır. Etil bromür gibi bir molekülü ele alınız ve, anti periplanar geçiş halinin sin peripla- ^ nar şekline göre daha çok yeğleneceğini Newman izdüşümü ile gösteriniz. Grupların tercih edilen anti periplanar yönlenmesine ilişkin bir kısım deliller, halka lı moleküllerle yapılan deneylerden elde edilmektedir. Örnek olarak, neomentil klorür ve mentil klorür yaygın adlarıyla adlandırılan ve sikloheksan halkası içeren iki bileşik te görülen E2 mekanizmalarındaki farklı davranışları göz önüne alalım. H3C » -\

) ...CH(CH3)2 C1

Neomentil klorür

Mentil klorür

291

P r o b le m 7.6

292


Bir sikloheksan halkasındaki ayrılan grup ve (i-hidrojen, yalnızca her ikisi de aksiyal olduğunda anti periplanar konformasyon gösterebilir:

Cl Burada, /3-hidrojenin ve klorun her ikisi de aksiyaldir. Bu, antiperiplanar geçiş haline izin verir.

H

Newman izdüşüm formülü, ¿3-hidrojenin ve klorun her ikisinin de aksiyal olması halinde bunların anti periplanar yapıda olduğunu gösterir.

Grupların, ne aksiyal-ekvatoryal ne de ekvatoryal-ekvatoryal düzenlenmesi, bir anti periplanar geçiş hali oluşturmaz. Neomentil klorürün daha kararlı konformasyonunda. (bkz. aşağıdaki mekanizma) al kil gruplarının her ikisi ekvatoryal ve klor aksiyaldir. C1 ve C3 atomlarının her ikisinin de üzerinde aksiyal hidrojen atomları vardır. Baz, bu hidrojen atomlarının her ikisine de atak yapabilir ve E2 tepkimesi için bir anti periplanar geçiş hali gerçekleşir. Bu ge çiş hallerinin her birine karşılık gelen ürünler (2-menten ve 1-menten) hızla oluşur. Zaitsev kuralına göre 1 -menten (daha fazla siibstitüe olmuş ikili bağa sahip) ana üründür.

j T e pk im e için Bir Mekanizma —

: Sikloheksanda İki Aksiyal ¡5 Hidrojeni Olduğunda E2 Ayrılması

al (a)

Et — O:

(b) Et — Ö: h 3c

H

H r^CH(CH 3)2

Neomentil klorür Daha karalı olan bu konformasyonda. yeşil hidrojenlerin her ikisi de klor atomuna göre anti konumundadır, (a) yoluyla olan ayrılmada 1-menten; (b) yoluyla olan ayrılmada ise 2-menten oluşur.

Diğer taraftan, mentil klorürün daha kararlı olan konformasyonu, üç grubun tümü nü (klor dahil) ekvatoryal konumda bulundurur. Klorun aksiyal konuma gelmesi duru munda hacimli izopropil grubu ve metil grubu da aksiyal konformasyonda olur. Böyle bir konformasyon oldukça yüksek enerjilidir. Ayrıca konformasyon değişikliği için ener ji gerekeceğinden tepkimenin serbest aktifleşme enerjisi de yüksek olacaktır. Sonuç ola rak, mentil klorür çok yavaş bir E2 tepkimesi verir ve ürün tamamen 2-mentendir (Zaitsev kuralının aksine). Bu ürün (veya daha az sübtitüe alken oluşturan bir ayrılmadan elde edilen herhangi bir ürün) bazen Hofmann ürünü olarak adlandırılır (Altbölüm 20.13A).

7.7 Alkollerden Su Çıkarılması (Dehidrasyon)

T e pk im e için Bir Mekanizma ___ * Sikloheksanda Yalnızca Bir Uygun Aksiyal f3 Hidrojeni Olduğunda E2 Ayrılması Daha A z Kararlı Bir Konformerden Olur

H

9 T " CH(CH3) 2 ^

ÇH? CI

H

H

3

Et—0 :

Mentil klorür (daha kararlı konformasyon) Bu konformasyon için ayrılma mümkün değil, çünkü ayrılan gruba göre anti hidrojen voktur.

/V '""CH(CH3)2

► Rı33C *~ - \4^

h 3c -

Mentil klorür (daha az kararlı konformasyon) Bu konformasyondan ayrılma mümkün, çünkü yeşil hidrojen klora göre anti konumdadır.

2

2-Menten (% 100)

c/i-l-Bromo-4-r£T-bütilsikloheksan etanol içerisinde sodyum etoksitle etkileştirildiğinde hızla tepkime verir ve ürün 4-/£v-bütilsikloheksendir. Aynı koşullar altında, trans- 1-bromo-4-/6v-biitilsikloheksan çok yavaş tepkime verir. Konformasyon yapı larım yazarak, bu cis- ve trans- izomerlerin etkinliklerindeki değişikliği açıklayınız.

P ro b l e m 7.7

(a) m-l-Bromo-2-metilsikloheksan bir E2 tepkimesi verdiğinde iki ürün (sikloal- < kenler) oluşur. Bu sikloalkenlar hangileridir ve ana ürünün hangisi olmasını bekler siniz? Her birinin nasıl oluştuğunu göstermek için konformasyon yapılarını yazınız. (b) trans-l-Bromo-2-metilsikloheksan bir E2 tepkimesi verdiğinde, yalnız bir sikloalkan oluşur. Bu ürün nedir? Konformasyon yapılarını yazarak, niçin bu ürünün tek ürün olarak oluştuğunu gösteriniz.

P ro bl em 7.8

7 .7

A

lk o ller d en

Su Ç

ik a r ilm a s i

(D

e h îd r a s y o n

)

Bir çok alkolün kuvvetli bir asitle ısıtılması molekülün bir mol su kaybetmesine neden olur ve bir alken oluşur: I I ha — c — C---- ^ ısı H OH

\ / C=C + / \

H ,0

Bu tepkime bir ayrılma tepkimesidir ve yüksek sıcaklıkta meydana gelir (Altbölüm 6.19). Laboratuvarda en çok kullanılan asitler, sülfürik asit ve fosforik asit gibi proton verici Bronsted asitleridir. Alüminyum oksit (A120 3) gibi Lewis asitleri, endüstride gaz fazın da su çıkarma tepkimelerinde sıkça kullanılır. Alkollerden su çıkarılması tepkimeleri, biraz sonra açıklayacağımız bazı önemli özel likler gösterir.

293

294


1. Sıcaklık ve asit derişimi gibi deneysel koşullar, su çıkarılmasına neden olması bakımından gereklidir ve her bir alkolün yapısıyla yakından ilgilidir. Su ayrıl ması tepkimesini en zor birincil alkoller verir. Örneğin etanoldan su çıkarılması, de rişik sülfürik asit ve 180°C sıcaklık gerektirir. H H

H

H

\

der.

/

C=C H—C—C—H I I H:S°. / \ H O— H l8°°C H H

+ H ,0

Etanol (1° alkol)

İkincil alkollerden su çıkarılması genellikle daha ılımlı koşullarda gerçekleşir. Ör neğin, sikloheksanolden su çıkarılması, %85’lik fosforik asit içinde 165-170°C’da meydana gelir. + H20 Sikioheksanol

Sikloheksen ( % 80)

Üçüncül alkollerden su çıkarılması, oldukça ılımlı koşullarda, genellikle çok kolay gerçekleşir. Örneğin, rir-bütil alkolden su çıkarılması, %2 0 ’lik sulu sülfürik asit içe risinde 85°C’da gerçekleşir. CH3 I c h 3—(j:— oh

CH, II -

%20 H,SQ4 85°C

+ Ho0 ch3

ch3 ter-Bütil alkol

ch3

2-Metilpropen (%84)

Yukarıda anlatılanlar ve örnekler, alkollerden su çıkarılması tepkimesinin bağıl ko laylığının aşağıdaki sırayı izlediğini gösterir: R R H I I I R—c —OH > R—c —OH > R—c —OH I I I R H H 3° Alkol

2° Alkol

1° Alkol

Bu davranış. Altbölüm 7.7B’de göreceğimiz gibi, karbokatyonların bağıl kararlılık larıyla ilgilidir.

2. Bazı birincil ve ikincil alkoller, su çıkarılması sırasında karbon iskeletlerinde çevrilmelere de uğrarlar. Bu tür bir çevrilme, 3.3-dimetil-2-btitanoldan su çıkarıl ması sırasında meydana gelir. CH3 CH3—C-

ch3 %85 H,PO,

-CH—CH, —

c h 3 oh 3,3-Dimetil-2-bütanol

80°C

I

►CH3—C—

ch3

CH,

CH,

I

C— CH3+ CH2= C ----- CHCH3

2,3-Dimetil-2-büten (%80)

2,3-Dimetil-l-büten ( % 20)


Tepkimeye giren maddelerden birinin karbon iskeleti c c c I I I C—Ç—C—C şeklinde iken diğerininkinin C—C—C—C C şeklinde olduğuna dikkat ediniz. Altbölüm 7.8’de de göreceğimiz gibi bu tepkime, bir karbon atomundan diğerine bir metil grubunun göçmesini içermektedir. İkincil ve Ü ç ü ncül A lk ol ler de n Su Çıkarılması Te p k i m e s i n i n Mekanizması: Bir El T e p ki m es i Bu tip bir tepkimenin gözlemleriyle ilgili açıklamalar F. Whitmore (Pennsylvania Sta te Üniversitesi) tarafından yapılmış ve basamaklı mekanizma önerilmiştir. Bu mekaniz ma substratın bir protonlanmış alkol (veya bir alkiloksonyum iyonu, bkz. Altbölüm 6.14E) olduğu bir El tepkimesidir. Bir örnek olarak n?;-bütil alkolden su çıkarılmasını ele alalım: CH, ^ ^ H f ’ ı+ I .î çl CH,— C O — H + H— O" ^CH,—ç — o —H +H—(): 1. Basamak H

CH.

CH,

H

Protonlanmış alkol ya da alkiloksonyum iyonu

Bir asit-baz tepkimesi olan bu basamakta, bir proton, hızlı bir şekilde asit molekü lünden alkol molekülünün ortaklaşılmamış elektron çiftlerinden birine aktarılır. Seyreltik sülfürik asit içerisindeki asit, bir hidronyum iyonu ve derişik sülfürik asit içerisindeki proton verici ise sülfürik asidin kendisidir. Bu basamak, bir alkolün kuvvetli bir asitle verdiği tüm tepkimelerin ortak özelliğidir. Protonlanmış alkol molekülünün oksijeni üzerindeki pozitif yükün varlığı, karbon-oksijen bağı da dahil oksijenle oluşmuş tüm bağları zayıflatır ve 2 . basamakta karbon-oksijen bağı kırılır. Ayrılan grup bir su molekülüdür.

2. Basamak

CH, H £l + CH,—C—O—H CH,

CH, H I I ± /C t^ + O —H CH, CH, Bir karbokatyon

Karbon-oksijen bağı heterolitik olarak kırılır. Bağ elektronları su molekülünde ka lır ve bir karbokatyon oluşur. Bu karbokatyon şüphesiz çok etkindir, çünkü merkezde ki karbon atomu değerlik kabuğunda sekiz elektron değil altı elektron bulundurur. 3. Basamakta, karbokatyon, bir su molekülüne bir proton aktarır. Sonuç olarak, bir alken ve bir hidronyum iyonu oluşur. H

3. Basamak

H—C-pH H k* ' A ı

^C\

CH,

+ :0 —H < = ±

CH,

CH7 ıı -

H ı

^C\ CH,

+ H—O—H CH,

2-Metilpropen

295


Bir asit-baz tepkimesi olan 3.basamakta, üç metil grubunda var olan dokuz proto nun herhangi biri bir su molekülüne aktarılır. Bir proton ayrıldığında geride kalan elekt ron çifti, bir alkenin ikili bağınm İkincisini oluşturur. Bu basamakta, merkezdeki karbon atomunun oktet boşluğunun elektronlar tarafından tekrar doldurulduğuna dikkat ediniz. >• 2-Propanolden su çıkarılması, %75 lik H2S 0 4 içerisinde 100°C’da meydana gelir. (a) Eğri okları kullanarak su çıkarılması tepkimesinin mekanizmasını tüm basamak larıyla yazınız, (b) Alkollerden su çıkarılması tepkimesinde asit katalizörün rolü nü açıklayınız. {İpucu: Eğer ortamda asit bulunmasaydı ne olacağını düşününüz.) Whitmore mekanizması, alkollerin gözlenen üçüncül > ikincil > birincil şeklinde ki etkinlik sırasını açıklamaz. Bu mekanizma tek başına alınınca, alkollerden su çıka rılmasında birden fazla ürün oluşumunu ve karbon iskeletinde yeniden bir düzenlenmenin gerçekleşmesini de açıklayamaz. Fakat, Whitmore mekanizması, karbokatyonların ka rarlılıkları hakkında bilinenlerle birleştirildiğinde, ikincil ve üçüncül alkollerle ilgili bu gözlemlerin tümünün sebebini açıklar. 7.7B Kar bok aty on Kararlılığı ve Geçiş Hali Altbölüm 6.12'de gördüğümüz gibi, karbokatyonların kararlılıkları üçüncül > ikincil > birincil > metil şeklindedir. H H H K / / / / R—C+ > R—C+ > R—C+ > H—C+ \

3°

\

\

\

H

R

R o

P ro bl em 7.9

V

296

>

1°

H >

Metil

İkincil ve üçüncül alkollerden su çıkarılması tepkimesinde (yani, aşağıda verilen 1 3 basamakları içinde) en yavaş basamak 2 . basamaktır, çünkü birazdan göreceğimiz gi bi bu basamak hayli endergonik olan bir basamaktır (Altbölüm 6 .8 ); protonlanmış alkolden karbokatyonun oluşumu. Birinci ve üçüncü basamaklar basit asit-baz tepki meleridir. Bu tür proton aktarımı tepkimeleri çok hızlı meydana gelir.

T e pk im e için Bir Mekanizma _______ : İkincil ve Üçüncül Alkollerden Asit-Katalizli Su Çıkarılması: El Tepkimesi

R

H

—c —c —o — H

+

: A"

hızlı

H

R'

2° ya da 3° Alkol (R\ H olabilir)

H

R'

Kuvvetli asit Protonlanmış (Tipik olarak sülfürik alkol ya da fosforik asit) Alkol, hızlı basamakta, asitten bir proton alır.

Konjuge baz


297

2. Basamak R 1

1

H

/=s!,

—c —c —o —H

«

»

R H | / 1 —c —C + + : 0

I \ R' H Protonlanmış alkol bir su molekülü kaybederek karbokatvon oluşturur. Bu basamak yavaştır ve hız belirleyicidir. jj

yavaş (hız belirleyici)

3. Basamak +

:A‘

-t- H—A hızlı A lk e n

Karbokatyon, baza bir proton verir. Bu basamakta baz. diğer bir alkol, su veya bir asidin konjuge bazının bir molekülü olabilir. Proton aktarımı, alken oluşumu ile sonuçlanır. Asidin, tepkimenin başından sonuna kadarki rolünün tepkimeyi katalizleme olduğuna dikkat ediniz (tepkimede kullanılır ve yeniden oluşturulur).

2. Basamak, hız belirleyici basamaktır ve bu basamak alkollerin su çıkarılması tep kimelerindeki etkinliğini belirler. Bunu dikkate aldığımızda, üçüncül alkollerden neden en kolay su çıkarıldığı daha kolay anlaşılır. Üçüncül karbokatyon oluşumu en kolaydır, çünkü bir üçüncül karbokatyonu oluşturan bir tepkimede 2 . basamağın serbest aktifleşme enerjisi en düşüktür (bkz. Şekil 7.7). İkincil alkollerden su çıkarılması o kadar kolay de ğildir, çünkü bunlardan su çıkarılmasına ait serbest aktifleşme enerjisi daha yüksektir ve ikincil karbokatyon daha az kararlıdır. Birincil alkollerden bir karbokatyon oluşumu yoluyla su çıkarılması tepkimesinde serbest aktifleşme enerjisi öyle yüksektir ki, bun lardan su çıkarılması başka bir mekanizmaya göre meydana gelir (AltbölLim 7.7C).

Şekil 7.7 Protonlanmış üçüncül, ikincil ve birincil alkollerden karbokatyonların oluşumu için serbest enerji diyag ramları. Bağıl serbest aktifleşme enerjileri üçüncül < ikincil «c birincil şeklindedir.

298


Protonlanmış alkollerden karbokatyonların oluştuğu tepkimeler oldukça endergoniktir. Hammond-Leffler varsayımına (Altbölüm 6.14A) göre her bir durumda geçiş hali ve ürün arasında kuvvetli bir benzerlik vardır. Üçüncül karbokatyon oluşumuna yol açan geçiş hali en düşük serbest enerjilidir, çünkü o en kararlı ürüne benzer. Birin cil karbokatyon oluşturan geçiş haliyse, tam tersine daha yüksek serbest enerjide mey dana gelir, çünkü o en az kararlı ürüne benzer. Bundan başka, karbokatyonu kararlı kılan bir etkenin olması halinde, aynı etken geçiş halini de kararlı kılar. Bu etki yük dağılı mıdır. Geçiş halinin oluşum sürecini incelersek bu sonucu kavrayabiliriz.

H

H

H

I f^l + —c —o —H Protonlanmış alkol

/

— C ---0—H

— C+

\

Geçiş hali

I

+ : O— H

Karbokatyon

Protonlanmış alkolün oksijen atomu tam bir pozitif yük taşır. Geçiş hali oluşmaya başlarken, bu oksijen atomu bağlı bulunduğu karbon atomundan ayrılmaya başlar. Kar bon atomu, oksijenle oluşturduğu bağ elektronlarını kaybetmeye başladığından, kısmî bir pozitif yük oluşturmaya başlar. Üç adet elektron verici alkil grubunun bulunuşun dan dolayı, bu oluşmaya başlayan pozitif yük bir üçiinciil karbokatyon oluşturan ge çiş haline en etkin şekilde dağılır. Bu pozitif yük, bir ikincil karbokatyon oluşumuna yol açan geçiş haline daha az etkinlikle dağılırken (iki adet elektron verici grup), bir bi rincil karbokatyon oluşumuna neden olan geçiş haline ise en az etkinlikle dağılır (bir adet elektron verici grup). Bu nedenle, bir birincil alkolden su çıkarılması farklı bir me kanizmayla, E2 mekanizmasıyla ilerler. 5+ R

8+

H

| 5+R -^ C ---0 — H t 8+ •i

R

8+

3° Karbokatyon oluşturan geçiş hali (en kararlı)

7.7C

R

H

s+ ^

1

R -* C ---0 — H

1

H

5+

R -^ C --- 0 — H 8+

*+

H 2° Karbokatyon oluşturan geçiş lıali

H

I I H

1° Karbokatyon oluşturan geçiş hali (en az kararlı)

Birincil Alko ll er d en Su Çıkarılması T e p ki m es in in Mekanizması: E2 T e p ki m es i

Birincil alkollerden su çıkarılması tepkimesinin bir E2 mekanizması üzerinden yürüdü ğüne inanılmaktadır, çünkü El mekanizmasına göre su çıkarılması bir karbokatyon olu şumunu gerektirir ve oluşması beklenilen karbokatyon çok kararsızdır. Bir birincil alkolden su çıkarılmasında birincil basamak, El mekanizmasında olduğu gibi, protonlanmadır. Sonra, protonlanmış hidroksil iyi bir ayrılan grup haline geldiği için karışım da bulunan Lewis bazı (3 -hidrojenini kopartırken bu protonlanmış hidroksil grubu ayrılır ve aynı anda alkenin ikili bağı oluşur.

7.8 Karbokkatyon Kararlılığı ve Moleküler Çevrilmelerin Meydana Gelişi

Tepkime için Bir Mekanizma ______ B ir Birincil Alkolden Su Çıkarılm ası: B ir E2 Tepkim esi

H

____

—c —c —O—H H

H

+

H—A

hızlı

—C—C—O —H H

H

+

: A~

H

Protonlanmış alkol

Kuvvetli asit (Genellikle sülfürik ya da fosforik asit)

Birinci alkol

H

Konjuge baz

Alkol hızlı basamakta asitten bir proton alır.

H I ^ H

H

M

+

yavaş

. \

H« ------------------(hız belirleyici)

/

/ —' *-•>

M

H H

H

Alken

Bir baz bir /3-karbon atomundan bir hidrojen uzaklaştırırken ikili bağ oluşur ve protonlanmış hidroksil grubu ayrılır. (Baz. diğer bir alkol molekülü ya da asidin konjuge bazı olabilir.)

7 .8

K a r b o k a t y o n Ka r a r l i l i ğ i M o l e k ü l e r Ç ev r îlm e le r în M e y d a n a G eliş İ

ve

Karbokatyon kararlılığını ve bunun geçiş hali üzerine etkisini öğrendiğimiz için şimdi bazı alkollerin su ayrılması tepkimelerinde gözlenen, karbon iskeletindeki çevrilmeleri açıklamaya geçebiliriz. 7.8A İkincil A lk o ll er d en Su Çıkarılması Sırasında Ç e v r i l m e l e r 3,3-Dimetil-2-bütanolden su çıkarılmasında oluşan çevrilmeyi tekrar ele alalım. CH3

CH. CH3—C----- CH—CH3 I I ch3

85% H.PO,

ch3

ch3

ch3

-+ CH —C = C —CH? + CH;= C -----CH—CH3

oh

2,3-Dimetil-2-büten (ana ürün)

3,3-Dimetil-2-bütanol

2,3-Dimetil-l-büten (yan ürün)

Su çıkarılması tepkimesinde birinci basamak protonlanmış alkol oluşumudur: H CH3 I 1. Basamak CH3—C CH— CH3 + H — 0=+ CH3 :0 — H

H

CH3 =* CH,— C

CH—CH3 + H20:

CH3 : o h 2 Protonlanmış alkol

299

300


İkinci basamakta, protonlanmış alkol su kaybeder ve bir ikincil karbokatyon oluşur: 2. Basamak

ÇH3

ÇH3

CH,— C----CH—CH, ı CH, :OH,

CH,— C — CH—CH3 + H,Ö: ı + CH, Bir 2° karbokatyon

Çevrilme şimdi meydana gelir.

D a h a a z k a ra rlı o la n ik in c il k a rb o k a ty o n ç e v r ilm e y e

u ğ ra y a ra k d a h a k a ra rlı o la n ü ç ü n c iil k a rb o k a ty o ııa d ö n ü şü r.

3. Basamak CH, /CH, v 3 8+ / s8 + IS ı CH,— c — CHCH,-------► CH3— c — CHCH, 1

CH, + 1 -------► CH,— c| — CHCH,3 3

i

+

CH, Geçiş hali

CH, 2° Karbokatyon (daha az kararlı)

CH, 3° Karbokatyon (daha kararlı)

Çevrilme tepkimesi, bir alkil grubunun (metil) pozitif yüklü karbon atomuna komşu olan bir karbon atomundan göç etmesiyle meydana gelir. Metil grubu, elektron çiftiyle bir likte bir metil anyonu olarak. ~:CH,, (metaniir iyonu olarak adlandırılır), göçer. Göç me tamamlandıktan sonra, metil anyonunun ayrıldığı karbon atomu bir karbokatyona dönüşür ve üzerine göçmenin olduğu pozitif yüklü karbon atomu ise nötr hale gelir. Bir grup, bir karbon atomundan komşu karbon atomuna göç ettiğinden, bu tür çevrilmeler genellikle 1 ,2 -kayması olarak tanımlanır. Geçiş halinde, elektron çiftleriyle göç eden metil grubu her iki karbon atomuna kıs men bağlanmıştır. Ancak karbon iskeletinden asla ayrılmaz. Tepkimenin son basamağı, yeni karbokatyondan (tepkime karışımındaki bir Lewis bazıyla) bir protonun uzaklaştırılmasını ve bir alkenin oluşmasını içerir. Bununla bir likte, bu basamak iki yolla meydana gelebilir. 4. Basamak la)

* C H ,= C --- CH—CH, ■ I I ch3 ch3

Daha az kararlı alken

(yan ürün) (b)

> CH,—C— C— CH, ' I I CH, CH3

+ HA Daha kararlı alken

(ana ürün)

Daha fazla yeğlenen yol, oluşan alkenin türüyle belirlenir, (b) Yolu, çok kararlı tetrasübstitüe alkeni verir ve bu yol karbokatyonların bir çoğu tarafından takip edilir. Diğer taraftan, (a) yolu daha az kararlı bir disübstitüe alkeni verir ve tepkimede en az oluşan ürünü oluşturur. A lk o lle rin a s it k a ta lizli su ç ık a rılm a sı te p k im e le rin d e , d a h a k a ra rlı b ir a lk e n in o lu şm a sı g e n e l b ir k u r a ld ır (Z a itse v k u ra lı).

Karbokatyon tepkimelerinin binlercesini içeren çalışmalar yukarıda verilen türdeki çevrilmelerin genel bir oluşum olduğunu ortaya koymuştur. B u tü r ç e v r ilm e le r , b ir alk a n iir veya b ir h id riir iy o n u g ö ç ü n ü n d a h a k a ra rlı b ir k a rb o k a ty o n o lu ştu rd u ğ u d u ru m la rd a g e r ç e k le şir.

Aşağıda bazı örnekler verilmiştir:

7.8 Karbokatyon Kararlılığı ve Molekül Çevrilmelerin Meydana Gelir

CH3 ____

CH,

301

CH, _

metanür

_ __

_

C — CH— CH ,---- ——►CH,— C — CH— CH, î°çu

CH,

CH,

2° Karbokatvon

3° Karbokatvon

H ^

H ■~

hidrür

CH,— C— CH—CH ,----- — * CH,— C — CH— CH, goçu

CH,

CH,

2° Karbokatyon

3° Karbokatyon

Aşağıdaki örneklerde olduğu gibi, karbokatyonların çevrilmeleri halka büyüklüğün de bir değişikliğe de yolaçabilir:

Od 2° Karbokatyon

3° Karbokatyon

Bu süreç, özellikle halka gerginliğinde bir rahatlama meydana geldiğinde tercih edilir.

---------------------------------------Neopentil alkolün, (CH ) CCH OH, asit katalizli su çıkarılması tepkimesi ana ürün -< 3 3

2

P ro b l e m 7.10

olarak 2-metil-2-büten oluşturmaktadır. Bu ürünün oluşumundaki bütün basamak ları gösteren bir mekanizma tasarlayınız. veya 3-metil-l-bütanolün asit katalizli su çıkarılması tepkimesi ■< P ro b l e m 7.1 I ana ürün olarak 2-metil-2-biiten oluşturmaktadır. Bu sonuçları açıklayan uygun me kanizmaları yazınız. 2 -Metil-l-bütanol

İzoborneol olarak adlandırılan bileşik %50’lik sülfürik asitle ısıtıldığında, bu tepki- *< menin ürünü, oluşması muhtemel olan bornilen değil, komfen olarak adlandırılan bileşiktir. Modelleri size yardımcı olarak kullanarak, kamfenin nasıl oluştuğunu gös teren bir mekanizmayı basamak basamak yazınız.

7.8B

Bir Birincil A lk ol de n Su Çıkarılmasından Sonraki Ç e v r i l m e l e r

Birincil alkollerden su çıkarılması tepkimelerini izleyen çevrilmeler de vardır. Bir bi rincil alkolden su çıkarılması esnasında bir birincil karbokatyonun oluşması mümkün

P ro b l e m 7 . 12

H

302


olmadığından birincil alkolden bir alkenin oluşması, Altbölüm 7.7C’de tanımlandığı gi bi bir E2 mekanizmasıyla olur. Bununla birlikte, alken bir proton alarak, bir alkolden su çıkarılmasına ait El mekanizmasındaki proton ayrılması basamağının tersi bir süreç le bir karbokatyon oluşturur (Altbölüm 7.7A). Bir uç alken bunu, uçtaki karbon atomu na bir proton bağlamak için n elektronlarını kullanarak gerçekleştirdiğinde, zincirin ikinci karbonunda bir karbokatyon oluşur.* Bu karbokatyon zincire göre iç kısımda bulundu ğundan, substrata bağlı olarak ikincil veya üçüncül olabilir. Henüz öğrendiğimiz çeşit li süreçler, şimdi oluşan bu karbokatyondan meydana gelebilir: ( 1 ) başlangıçta oluşan uç alkenden daha kararlı bir alken vermek üzere farklı bir /3-hidrojeni ayrılabilir; (2 ) daha kararlı bir karbokatyon vermek üzere bir hidrür veya alkaniir çevrilmesi meydana gelebilir (örn. 2°’den 3° karbokatyon), daha sonra ayrılmayla süreç tamamlanabilir ve ya (3 ) bir nükleofil bir yer değiştirme ürünü oluşturmak üzere bu karbokatyonların her hangi birine atak yapabilir. Alkollerin su çıkarılmasındaki yüksek sıcaklık koşullarında başlıca ürünler, yer değiştirme ürünlerinden daha çok alkenler olacaktır.

Tepkime için Bir Mekanizma : Bir Birincil Alkolden Su Çıkarılması Sırasında Çevrilmeyle Bir Alkenin Oluşumu

R H H I I 11 — c —c — c 1 1 I1 H R H

E2

\\ // R C H / \ / H C=C + O— H + H—A / \ R H

Birincil alkol Başlangıçtaki alken (R, hidrojen olabilir) Birincil alkol, başlangıçta, bir E2 mekanizmasıyla su çıkarılması tepkimesini verir (Altbölüm7.7C).

V R H / x , ı H C— Ç— H + ; Aprotonlama

'

R

H

Daha sonra başlangıçtaki alken n elektronlarını, bir ikincil ya da üçüncül karbokatyon oluşturmak üzere uçtaki karbon atomuna bir proton bağlamak için kullanılabilir.

R H H —Q | C — C—H + H—A : A- + H ^ c — c —H ----------------► proton ayrılması I R R H H \

/

R

Son alken Başlangıçtaki alken yerine daha fazla sübstitüe bir alken oluşturmak üzere karbokatyondan bir /3-hidrojeni ayrılabilir. Bu proton ayrılması basamağı, genel bir El avrdması tepkimesinin tamamlanmasındakivle aynıdır. (Bu karbokatyon. bir SN1 süreciyle gerçekleşen ayrılma ya da yer değiştirmelerden önce daha ileri çevrilmeler gibi farklı yönlere de kayabilir.)

__•- _' ■ ' * Bu karbokatyon. bir birincil alkolden, protonlanmış hidroksil grubunun ayrılması ve bir hidrürün /3-karbon atomundan uçtaki karbon atomuna kaymasıyla da doğrudan oluşabilirdi.

7.9 Komşu Dibromürlerden Brom Çıkarılmasıyla Alken Sentezi

7.9

K o m ş u D îb r o m ü r l e r d e n B rom Ç IK A R ILM A S IYLA A L K E N S E N TE Z İ

Komşu (İng. vicinal veya vic) dihalojeniirler, halojenlerin birbirine bitişik karbon atom larına bağlı olduğu dilıalo bileşikleridir. İkiz (İng. geminal veya gem) dihalojentirlerse, halojen atomlarının aynı karbon atomuna bağlı olduğu dihalojenürleıdir. X —c —c —

—c —c —

X X

X

Bir &o/MŞH-dihalojenür

Bir ı&iz-dihalojenür

A'ömş'M-Dibromürler, asetondaki bir sodyum iyodür çözeltisiyle veya asetik asit (ya da etanol) içinde toz haline getirilmiş çinkoyla etkileştirildiğinde brom ayrılmasına uğ rarlar. . aseton

—c —c — + 2 N a l-------- ► C = C + I, + 2 NaBr I I / \ Br Br CH,CO,H

\

ya da CH.CH.OH

/

/

—C—C— + Zn ------ ► C = C Br Br

+ ZnBr, \

Sodyum iyodürle meydana gelen brom ayrılması, hidrojen halojenür ayrılmasına ben zeyen bir E2 mekanizmasıyla yürür. T e p k i m e için B i r M e k a n i z m a ~

fcomşu-Dibromürlerden Brom Çıkarılması 1. Basamak ^ > :Br I: +

+

B r:

: B r: B u b a s a m a k ta , b i r iy o d ü r iy o n u b ro m a to m u ü z e rin e b ir SN2 ata ğı y a p a ra k on a b a ğ la n ır; b r o m a to m u n u n u za kla şm a sı, E2 a y rılm a s ın a ve b ir i k i l i ba ğ o lu ş u m u n a neden o lu r.

2. Basamak 1-S+

l — B r:

I— I* + : Br

B u ra d a , iy o d ü r iy o n u n u n İ B r ’ ye SN2 tip in d e k i b ir ata ğı I 2 ve b r o m ü r iy o n u n u n o lu ş u m u n a y o l a ça r.

Molekülden çinko yardımıyla brom çıkarılması metalin yüzeyinde meydana gelir ve mekanizması belirli değildir. Diğer elektropozitif metaller de (örneğin Na, Ca ve Mg) /:<9mş7<-dibromürlerden brom çıkarılmasına yol açabilir. tomş'M-Dibromürler, genellikle bir alkene brom katılmasıyla elde edilirler (Altbölüm 8 .6 ). Sonuç olarak, bir Â:omş'«-dibromürden halojen çıkarılması genel bir sentez yönte-

303

304


mi olarak nadiren kullanılmaktadır. Bromlama ve ardından da brom çıkarılması, alkenlerin saflaştırılması (bkz. Problem 7.39) ve ikili bağın korunması bakımından yararlı dır. Bunun bir örneğini daha sonra göreceğiz.

7.10

A Y R IL M A TEPKİM ELER İYLE A LK İN LE R İN SENTEZİ

Alkinler, alkenlerden de sentezlenebilirler. Bu yöntemde bir alken önce bromla etkileş tirilerek bir A'om^n-dibromo bileşiği oluşturulur. H H I I RCH=CHR + B r ,----►R—C—C—R I I Br Br Aomşu-Dibromür Daha sonra. Aw?z£w-dibromür, kuvvetli bir bazla tepkimeye sokularak molekülden hid rojen halojenür çıkarılır. Hidrojen halojenür çıkarılması iki basamakta meydana gelir. Birinci basamak, bir bromoalken verir.

İ T e pk im e için Bir Mekanizma

Koşullara bağlı olarak, bu iki hidrojen halojenür çıkarılması ayrı ayrı tepkimeler ola rak gerçekleştirilebileceği gibi, birbirini izleyen tepkimeler olarak bir tek karışım içeri-

7.11 Uç Alkinlerin Asitliği

sinde de gerçekleştirilebilir. Kuvvetli baz olan sodyum amit, tek bir tepkime karışımın da her iki hidrojen halojeniir çıkarılmasını da etkili bir şekilde gerçekleştirebilir (Dihalojenür bileşiğinin her molti için en az iki eşdeğer mol, eğer ürün bir uç alkinse üç eşdeğer mol sodyum amit kullanılmalıdır. Çünkü, karışım içerisinde uç alkin oluştuğu anda sod yum amit tarafından protonu kopartılır.) Sodyum amit yardımıyla hidrojen halojeniir çı karılması genellikle sıvı amonyak içerisinde veya mineral yağı gibi soy bir ortamda gerçekleştirilir. Aşağıdaki örnekler, bu yöntemi göstermektedir; Br,

NaNH,

CH,CH,CH=CH, — —►CH,CH,CHCH,Br —---i i- CC14 J 2T L mineral yağı ■

Br

110-160°C

CH?CH2CH=CHBr NaNH, NaNH, ~ -f -------- -—►[CH,CH2C = C H ]------ -> mineral yağı CH,CHX=CH, 1I0-I60°C Br CH,CH,C=C: Na+

CH3CH2C = C H + NH, + NaCl

Ketonlar, fosfor pentaklorürle verdikleri tepkimelerinde //c/z-dihalojenürlere dönüş türülebilirler ve bu ürünler de alkinlerin sentezlenmesinde kullanılabilir.

(2) H+

Sikloheksil metil keton

Bir /Ar/z-dihalojenür (%70-80)

Sikloheksilasetilen (%46)

Propinin. aşağıdaki bileşiklerin her birinden sentezindeki tüm basamakları gösteriniz. ^ (a) CH3COCH3 (c) CH3CHBrCH2Br (b) CH3 CH2CHBr2 (d) CH3CH =CH 2

7.11

U Ç A LK İN LER İN A SİTLİĞ İ

1

1

U

Etin molekülündeki hidrojen atomları, eten veya elan molekülündekilere göre çok daha asidiktir (bkz. AltbölLim 3.7). H H 1 1 H\ / H -c — c = c \ 1 H H H H PKu = 44 PK = 50 Anyonların bazlıklarının sırası hidrokarbonların bağıl asitlikleıinin tersidir. Etanür iyonu en baziktir, etiniir iyonu ise en az bazikliğe sahiptir. Bağıl Bazlık CH3CH2 r > CH2= C H : > H C = C : Etin ve etinür iyonları hakkında söylediğimiz şeyler herhangi bir uç alkin (RC=CH) ve herhangi bir alkinür iyonu (RC=C*_) için de doğrudur. Eğer buna,

P ro bl em 7 . 13

305

306


periyodik çizelgenin birinci sıra elementlerinin diğer hidrojen bileşiklerini de dahil eder sek, aşağıdaki bağıl asitlik ve bazlık sıralarını yazabiliriz. Bağıl Asitlik H— ÖH > H—ÖR > H— C =C R > H—NH2 > H—CH=CH 2 > H—CH2CH3

pKa

15,7

16-17

25

38

44

50

Bağıl Bazlık

- : ÖH < - :ÖR < - C=CR < - :NH2 < - :CH = C H 2 < -: CH2CH3 Yukarıda verilen sıralamadan, uç alkinlerin amonyaktan daha asidik, su ve alkollerdense daha az asidik olduğunu görmekteyiz. Bu sonuçlar sadece çözelti içinde meydana gelen asit-baz tepkimeleri için geçerlidir. Gaz fazındaki asitlik ve bazlık çok farklıdır. Örneğin, hidroksit iyonu gaz fazında asetilenür iyonundan daha kuvvetli bir bazdır. Bunun açıklaması bize tek rar, iyonları içeren çözeltilerdeki tepkimelerde çözücünün ne kadar önemli oldu ğunu gösterir (bkz. Altbölüm 6.14). Çözelti içindeki daha küçük iyonlar (örneğin hidroksit iyonu) daha büyük iyonlara göre (örneğin, etinür iyonları) çok daha et kili bir şekilde sarılırlar. Bu bakımdan küçük iyonlar daha kararlıdır ve bazlıkları daha azdır. Gaz fazında büyük iyonlar kendi bağ elektronlarının polarize olmasıyla kararlı kılınırlar. Bir grup büyüdükçe daha çok polarize olabilir. Bunun sonucu olarak gaz fazında büyük iyonların bazlıkları daha azdır.

P ro bl em 7.14

>

Aşağıdaki asit-baz tepkimelerinin ürünlerini tahmin ediniz. Eğer dengede kayda de ğer miktarda ürün oluşmazsa, onu da belirtiniz. Her bir durumda, daha kuvvetli asi di, daha kuvvetli bazı, daha zayıf asidi ve daha zayıf bazı belirleyip işaretleyiniz. (a) CH3 CH=CH 2 + NaNH, — ► (d) CH3 C =C : + CH3 CH2OH — ► (b) CH3C=CH + NaNH2 — *> (e) CH3C=C : + NH4C1 — (c) CH3CH2CH3 + NaNH2 ----►

7.12 Uç A

A

l k i n l e r İn

t o m u n u n

Y

er

a s e tîl e n îk

D

H

e ğ îş tîr m e s

îd r o je n

İ

Sodyum etinür ve diğer sodyum alkinürler, uç alkinlerin sıvı amonyak içerisinde sod yum amitle etkileştirilmesiyle elde edilirler. H—C = C —H + NaNH2

H—C= C: “ Na+ + NH3

CH3C = C —H + NaNH, smNHl» CH3C = C :

Na+ + NH3

Bu tepkimeler asit-baz tepkimeleridir. Amit iyonu, çok zayıf bir asit olan amonyağın (pÂ^ = 38) konjuge bazıdır ve uç alkinlerin (pKa = 25) asetilenik protonlarını uzaklaş tırabilir. Tepkime çok yüksek verimle gerçekleşir. Altbölüm 4.18'de gördüğümüz gibi, sodyum alkinürler, diğer alkinlerin sentezi için kullanılabilir yararlı ara ürünlerdir. Bu tepkimeler, sodyum alkinürün bir birincil alkil halojenürle etkileştirilmesiyle başarılı bir şekilde gerçekleştirilebilir. R—C = C '^ if e + T ^ C H 2- ^ B r --- ►R— C = C — CH,R' + NaBr Sodyum alkinür

Birincil alkil halojenür

Mono- ya da disübstitüe asetilen

(R veya R' ya da her ikisi de hidrojen olabilir).

7.12 Uç Alkinlerin Asetilenik Hidrojen Atomunun Yer Değiştirmesi

Aşağıdaki örnek, alkinlerin bu tür sentezini göstermektedir: CH3CH2C = C :

+ CH,CH,— Br

sıvı NH, 6 saat

+ CH3CH2C =C C H 2CH, + NaBr 3-Heksin (%75)

Bu ve diğer örneklerde, alkinür iyonunun nükleofil olarak davranarak birincil bir alkil halojenürün halojenür iyonunuyla yer değiştirdiğini görmekteyiz. Bu bir SN2 tepkime sidir (Altbölüm 6 .6 ). ^

C-^ ••

nükleofılik

c —B•• r:— ——— ►RC = C—CH,5R' + NaBr yer değiştirme Sw2

H 1° Alkil halojenür

Alkinür iyonunun ortaklaşılmamış elektron çifti, halojen atomu taşıyan karbon atomu na arkadan atak yapar ve onunla bir bağ oluşturur. Halojen atomu bir halojenür iyonu olarak ayrılır. Bu sentez ikincil ve üçüncül alkil halojenürlerin kullanılması halinde başarısız olur, çünkü alkinür iyonu bir nükleofilden daha çok bir baz olarak hareket eder ve bu durum da esas tepkime bir E2 ayrılmasıdır (Altbölüm 6.17). Bu ayrılmanın ürünleri bir alken ve sodyum alkinürün oluşturulduğu alkindir. R' s - > H “r C

RC=C-~

Aı

("Y — > RC =C1I + R'CH=CHR" + B r C—Br E2

2° Alkil halojenür

Amacınız, 4,4-dimetil-2-pentil sentezlemek olsun. Bunun için, aşağıdaki reaktifle- ^ rin herhangi birini seçerek başlayabilirsiniz. CH3 CH3C =C H

CH3—C- Br ch3

CH, CH3—C—C = C H

CH3I

ch3

Elinizde sodyum amit ve sıvı amonyağın da olduğunu varsayınız. İstenen bileşiğin en iyi sentezini tasarlayınız.

7 .1 3

A

lk e n le r în

H

îd r o jen le n m es î

Alkenler, çok ince bölünmüş çeşitli metal katalizörler kullanıldığında hidrojenle tepki me verirler (bkz. Altbölüm 4.18A). Meydana gelen tepkime bir katılma tepkimesidir; ikili bağın her bir karbon atomuna bir hidrojen atomu katılır. Bu tepkime, katalizör kul-

P ro b l e m 7 . 15

307

n

ımyası

G ıda Endüstrisinde H idrojeniem e v J ı d a endüstrisinde, margarin ve katı pişirme yağılarının yapımında, sıvı bit kisel yağların yarı katı yağlara dönüştürülmesinde katalitik hidrojenlenmeden ya rarlanılır. Bir çok hazır gıdanın üzerindeki etiketleri incelediğinizde bunların “kısmen hidrojenlenmiş bitkisel yağlar” içerdiklerini görürsünüz. Gıdaların bu bit kisel yağları içermesinin bir kaç nedeni vardır, bunlardan biri kısmen hidrojen lenmiş bitkisel yağların daha uzun süre raf ömrünün olmasıdır. Katı ve sıvı yağlar (Altbölüm 23.2) "yağ asitleri" denilen uzun zincirli karbokFırında pişirme işlerinde silik asitlerin gliseril esterleridir. Yağ asitleri, doymuş (molekülde ikili bağ yok), tekli kullanılan; yağlar, kısmen doymamış (molekülde bir ikili bağ var) veya çoklu doymamış (molekülde birden daha hidrojenlendirilmiş mono fazla ikili bağ var) yapıya sahiptirler. Sıvı yağlar tipik olarak katı yağlara göre daha yük ve diaçilgliseroller içeren sek oranda bir veya daha fazla ikili bağ içeren yağ asitleri içerirler. Bir sıvı yağın hidbir ürün. rojenlenmesi, onun bazı ikili bağlarını birli bağlara dönüştürür ve bu dönüşüm sonucu, margarin veya yarı katı bir pişirme yağı kıvamında katı bir yağ oluşur. Vücudumuz birden fazla ikili bağ içeren doymamış yağları yapamaz, dolayısıyla sağ lıklı olabilmek için yiyeceklerimizle düzgün bir şekilde belirli bir oranda bu tür yağlar alınmalıdır. Doymuş katı yağlar, vücudumuzun hücrelerinde diğer gıda kaynaklarından yapılabilirler, örneğin karbohidratlardan (yani şekerler ve nişastalardan). Bu nedenle, günlük yiyeceklerimiz arasında doymuş katı yağların bulunması gerekli değildir ve çok fazla katı yağ alınması kalp damarları hastalıklarına neden olur. Önemli bir problem; kısmen hidrojenlenmiş bitkisel yağ üretmek için kullanılan ka talitik hidrojenieme sırasında hidrojenieme için kullanılan katalizörlerin, yağ asitlerinin (bunların bazıları hidrojen katmaz) ikili bağlarının bazılarının izomerleşmesine yol aç masıdır. Birçok doğal katı ve sıvı yağlarda, yağ asitlerinin ikili bağları cis konfigürasyonuna sahiptir. Hidrojenlenmc için kullanılan katalizörler, bu cis ikili bağların bazılarını doğal olmayan trans konfigiirasyona çevirirler. Trans yağ asitlerinin sağlık üzerine etkisiyle ilgili çalışmalar henüz devam etmektedir, fakat son zamanlardaki de neysel veriler, bunların kan serumundaki kolesterol ve triaçilgliserol seviyesini arttırdı ğını göstermektedir ki buna bağlı olarak da kalp damarları hastalıkları riski artmaktadır. lanılmadığında kayda değer bir hızda meydana gelmez. (Katalizörün işlevini Altbölüm 7.14'de göreceğiz.) Ni. Pd,

CH-.=CH-> + H ,-----^ veya Pi

CH,— CH, *

25°C

CH,CH=CH,- + H,1 veyaPt Nl’ Pp> CH,CH2— CH3J “ 25°C

Bir alkene hidrojen katılması sonucu bir alkan oluşur. Alkanlar yalnızca birli bağ bulundururlar ve hidrokarbonların sahip olabileceği en fazla sayıda hidrojen atomuna sahiptirler. Bu nedenle alkanlar doymuş bileşikler olarak adlandırılırlar. İkili bağ bu lunduran alkenler maksimum hidrojen atomu sayısından daha az sayıda hidrojen atomu na sahiptirler, hidrojen katabilirler ve doymamış bileşikler olarak adlandırılırlar. Bir alkene hidrojen katılması işlemi bazen indirgenme tepkimesi olarak tanımlanır. Bunun la birlikte, hidrojen katılmasını tanımlamak için çoğu zaman katalitik hidrojenieme te rimi kullanılır.

308

7.14 Hidrojenleme: Katalizörün Görevi

7.14

309

H İD R O JEN LEM E: K A T A L İZ Ö R Ü N G Ö R E V İ

Bir alkenin hidrojenlenmesi eksotermik bir tepkimedir (AH° = -1 2 0 kJ mol-1). R—CH =CH—R + H2

hidrojenlem e

R—CH2—CH2—R + ısı

Hidrojenleme tepkimeleri genellikle yüksek serbest aktifleşme enerjisine sahiptir. Bir alken, oda sıcaklığında katalizörsüz ortamda moleküler hidrojenle tepkime vermez, fa kat metal katalizör ilave edildiğinde tepkime oda sıcaklığında gerçekleşil'. Katalizör, da ha düşük serbest aktifleşme enerjili bir tepkime için yeni bir yol sağlar (Şekil 7.8). Hidrojenleme için çok yaygın olarak kullanılan katalizörler (çok ince bölünmüş pla tin, nikel, paladyum, rodyum ve rutenyum) hidrojen moleküllerini yüzeylerinde tutarlar (adsorblarlar). Hidrojen adsorblanması genellikle kimyasal bir tepkimedir ve metal yü zeyindeki ortaklaşılmamış elektronlar hidrojenin elektronlarıyla eşleşirler (Şekil 1,9a) ve hidrojeni yüzeye bağlarlar. Bir alkenin adsorplanmış hidrojene sahip bir yüzeyle çar pışması, aynı zamanda alken molekülünün de yüzeye tutunmasını sağlar (Şekil 17.9/?). Basamaklar üzerinden hidrojen aktarılması meydana gelir ve organik molekül katalizör yüzeyini terketmeden önce bir alkan oluşturur (Şekil 1.9c, d). Sonuç olarak, her iki hid rojen atomu genellikle molekülün aynı tarafından katılır. Bu tür bir katılma, bir sin ka tılması olarak tanımlanır (Altbölüm 7.14A).

Hidrojenleme

pt C = C4^ — ► c —C + / \ H H H—H Katalitik hidrojenleme, bir sin katılmadır.

7.I4A

S in ve A n t i Ka tılma la r

Bir katılma tepkimesinde, reaktifin kısımları reaktant molekülüne aynı taraftan katılı yorsa bu tür bir katılma sin katılma olarak adlandırılır. Henüz gördüğümüz platin katalizli hidrojen katılması tepkimesi (X = Y = H) bir sin katılmadır. Bir sin

C = C ^ + X—Y

katılma

Katalizör yok (kuramsal)

\ /

C = C

Şekil 7.8

/ \

A H° = —120 kJ mol-1

Katalizör var (genellikle birçok basamak)

— C H — CH —

Bir alkenin bir katalizör be raberinde hidrojenlenmesinin ve katali zör yokluğunda kuramsal tepkimesinin serbest enerji diyagram. Katalizlenme yen tepkimenin serbest aktifleşme enerji si [AG*h], katalizlenen tepkimenin en büyük serbest aktifleşme enerjisinden [AGf2)] çok daha büyüktür.

310


Şekil 7.9 İyice bölünmüş platin metali nin katalizörlüğünde bir alkene hidrojen katılmasının mekanizması: (a) hidrojen adsorbsiyonu; (b) alken adsorbsivonu; (c) ve (d), her iki hidrojen atomunun alken mole külüne aynı taraftan basamak basamak ka tılması (sin katılma).

Bir sin katılmanın zıttı anti katılmadır. Bir anti katılmada, katılan reaktifin kısım ları reaktantın ters yüzeylerine katılır.

-C =C -

Bir anti katılma

+ X— Y

Bölüm 8 ’de, önemli sin ve anti katılmaların bir kısmını öğreneceğiz.

7 .1 5

A

l k î n l e r İn

H İd

r o jen len m es

İ

Bir karbon-karbon üçlü bağına, şartlar ve kullanılan katalizöre bağlı olarak bir veya iki mol hidrojen katılır. Bir platin katalizör kullanıldığında alkin molekülü genellikle iki eşdeğer mol hidrojenle tepkime vererek bir alkan oluşturur. CH,C=CCH3

Hz

[CH,CH=CHCH,J

İt 2

CH3CH,CH,CH3

Bununla birlikte, bir alkinin hidrojenlenerek alkene dönüştürülmesi özel katalizör ler veya reaktifler kullanılarak yapılır. Ayrıca, bu özel yöntemler, disübstitüe alkinleıden (E) veya (Z) konfigürasyonundaki alkenlerin hazırlanmasına imkan verir. 7 . 1 5A Hi drojenin Sin Katılması: m - A l k e n l e r i n Sentezi Bir alkinin bir alkene hidrojenlenmesini sağlayan bir katalizör nikel borür bileşiğidir ve P-2 katalizörü olarak adlandırılır. Bu katalizör, nikel asetatın sodyum borhidrürle indir genmesiyle hazırlanır. O NaBH,

—►Ni2B Ni OCCH? l 2 -----C,H,OH P-2

Alkinlerin P-2 katalizörü beraberinde hidrojenlenmesi hidrojenin sin katılmasına ne den olur ve bir iç alkinden oluşan alken (Z), yani cis konfigiirasyonuna sahiptir. 3-Heksinin hidrojenlenmesi bu yöntemi açıklar. Katalizörün yüzeyinde meydana gelen bu tepkime (Altbölüm 7.14) sin katılmaya yol açar.

7.14 Hidrojenleme: Katalizörün Görevi

CH3CH2C=CCH 2CH3

H ,/N i2B(P-2)^

CH?CH2

\ / H

(sin katılma)

3-Heksin

/

c=c \

c h 2c h 3

H

(Z)-3-Heksen (m-3-heksen) (%97)

Disübstitüe alkinlerden cis- alkenleri elde etmek için diğer özel şartlandırılmış katali zörler de kullanılabilir. Örneğin, metalik paladyum, kalsiyum karbonat üzerinde birik tirilir, sonra kurşun asetat ve kinolin (Altbölüm 20. İB) ile şartlandırılır. Bu özel katalizör Lindlar katalizörü olarak bilinir. R—C = C — R

H 2, Pd/CaCO, (Lindlar katalizörü)^ kinolin (sin katılma)

R R.\ / r =C / \ H H

7 . I 5 B Hidr o je n in A n t i Katılması: frans-Alkenlerin Sentezi Alkinler. lityum veya metalik sodyumla, amonyak veya etilamin içerisinde düşük sıcak lıklarda indirgendiği zaman üçlü bağa bir anti katılma meydana gelir. Bu tepkime bir çözünen metal indirgemesi olarak adlandırılır ve (E) veya trans- alken oluşturur. CH3(CH2)2n CH3(CH2)2—C= C—(CH2)2CH3

(1) L i. C:H 5N H ,, -7 8 °C ^ (2) NH,C1

H 4-Oktin

Tepkime için Bir Mekanizma

/

xh

c=c\

(CH2)2CH3

(£)-4-Okten (lra/ıs-4-okten) (%52)

311

312


Yukarıda kutu içerisinde gösterilen bu tepkimenin mekanizması, lityum (veya sodyum) atomlarından, birbirini izleyen, elektron aktarımım ve aminlerden (veya amonyaktan) proton aktarımını içerir. Birinci basamakta, bir lityum atomu alkin molekülüne bir elekt ron aktararak, bir negatif yüke sahip, ortaklaşılmamış tek elektron bulunduran, radikal anyon olarak adlandırılan bir ara ürün oluşturur. İkinci basamakta amin bir proton ak tararak bir viniiik radikal oluşturur. Sonra, diğer bir elektronun aktarılmasıyla bir vinilik anyon oluşur. Bu basamak, tepkimenin stereokimyasım belirler. Öncelikle trans-vinilik anyon meydana gelir, çünkü, hacimli alkil grupları farklı düzlemlerde bu lunacağı için bu yapı daha kararlıdır. fra/ıs-Vinilik anyonun protonlanması trans-alken verir.

7 . 1 6 H İ d r o k a r b o n l a r i n M o l e k ü l F o r m ü l l e r !: HİDROJEN EKSİKLİĞİ İNDEKSİ Molekül formülerinde yalnızca bir ikili bağ bulunan alkenlerin genel formülleri C„H2„ şeklindedir. Bunlar, sikloalkanlarla izomerdir. Örneğin. 1-heksen ve sikloheksan aynı molekül formülüne (C()H,2) sahiptir: CH: = CHCH,CH2CH-,CH, 1-Heksen

Sikloheksan

(C6H12)

(C6Hu)

Sikloheksan ve 1-heksen yapı izomerleridir. İki ikili bağ bulunduran alkenler (alkadienler) ve alkinler C„H2„_2 genel formülüne sahiptirler. Bir üçlü bağla birlikte bir ikili bağ bulunduran hidrokarbonlar (alkeninler) ve üç ikili bağ bulunduran alkenler (alkatrienler) vb., C„H2„_4 genel formülüne sahiptir. c h 2= c h — c h = c h 2

1,3-Bütadien (C4H6)

c h 2= c h — c h = c h — c h = c h 2

1,3,5-Heksatrien (C«H8)

Bilinmeyen bir hidrokarbonla çalışan bir kimyacı, bu bileşiğin molekül formülün den ve hidrojen eksikliği indeksinden molekülün yapısı hakkında önemli bilgiler elde edebilir. Hidrojen eksikliği indeksi, karşılık gelen alkanın molekül formülündeki hidro jen sayısından, dikkate alınan bileşiğin molekül formülündeki hidrojen sayısı çıkarıldı ğında bulunan hidrojen atomu çiftlerinin sayısı olarak tanımlanır.* Örneğin, sikloheksan ve 1 -heksenin her ikisi için hidrojen eksikliği indeksi (bir çift hidrojen atomu anlamına gelen) birdir. Karşılık gelen alkan (yani aynı sayıda karbon atomuna sahip alkan) heksandır. Q H 14 = karşılık gelen alkanın formülü (heksan) C6H 12 = bileşiğin formülü (1-heksen veya sikloheksan) H2 = fark = 1 çift hidrojen atomu Hidrojen eksikliği indeksi = 1 Etin (asetilen) veya 1.3-biitadienin hidrojen eksikliği indeksi 2; 1,3,5-heksatrienin hidrojen eksikliği indeksiyse 3’tiir (hesaplayınız). Verilen bir bileşikte olan halka sayısının belirlenmesi, deneysel olarak kolaylıkla ya pılır. İkili ve üçlü bağ içeren moleküller, platin katalizörlüğünde oda sıcaklığında hid* Bazı organik kimyacılar, hidrojen eksikliği indeksini "doymanuşlık derecesi" veya "ikili bağ eşdeğerliği sa yısı" olarak ifade ederler.

İsteğe Bağlı Konu

rojen katabilirler. Her bir ikili bağa bir eşdeğer mol hidrojen ve her bir üçlü bağa da iki eşdeğer mol hidrojen katdabilir. H alkalar, oda sıcaklığında lıidrojenlenmeden etkilenmezler. Böylece, hidıojenleme tepkimesi, bir taraftan halkalar ve diğer ta

raftan ikili veya üçlü bağlar arasındaki farkı belirlememize yardım eder. Bir örnek olarak, C6H ,2 molekül formüllü 1-beksen ve sikloheksan bileşiklerini ele alalım. 1-Heksen. bir mol hidrojenle tepkime vererek heksan oluştururken, aynı koşullar altında sikloheksan tepkime vermez. CH2=CH(CH 2)3CH3 + H2 Pt

CH3(CH2)4CH3 * tepkime vermez

25°C

Diğer bir örneği ele alalım. Sikloheksen ve 1.3-heksadien aynı molekül formülüne (Cf,H|0) sahiptir. Her iki bileşik de bir katalizör beraberinde hidrojenle tepkime verir, fa kat halkalı yapıya sahip olan ve tek bir ikili bağ bulunduran sikloheksen. yalnızca bir mol hidrojenle tepkimeye girer. 1,3-Heksadiene ise iki mol hidrojen katılabilir.

Sikloheksen

CH2=CHCH=CHCH 2CH3 + 2 H2 J

oc ►CH3(CH2)4CH3

1,3-Heksadien

(a) 2-Hekseniıı hidrojen eksikliği indeksi nedir? (b) Metilsiklopentanın hidrojen ^ eksikliği indeksi kaçtır? (c) Hidrojen eksikliği indeksi, zincirdeki ikili bağın ko numu hakkında herhangi bir fikir verir mi? (d) Hidrojen eksikliği indeksi, halka nın büyüklüğü hakkında bir fikir verir mi? (e) 2-Heksinin hidrojen eksikliği indeksi kaçtır? (f) Genel anlamda C | 0H ,6 molekül formülüne sahip bir bileşik için hangi yapısal olasılıklar mümkündür?

P ro bl em 7 . 16

Zencefilden izole edilen zingiberen güzel kokulu bir bileşiktir; C,5H24 molekül for- •< mülüne sahiptir ve hiçbir üçlü bağ bulundurmadığı bilinmektedir, (a) Zingiberenin hidrojen eksikliği indeksi nedir? (b) Zingiberen. aşırı hidrojen kullanılarak katalitik hidrojenlemeye uğratıldığında, bir mol zingiberenin 3 mol hidrojen kattığı ve molekül formülü C 15H30 olan bir bileşik oluşturduğu belirlenmiştir. Bir zingibe ren molekülünde kaç tane ikili bağ vardır? (c) Bir zingiberen molekülünde kaç ta ne halka vardır?

P ro bl em 7.17

İs

teğ e

Ba

ğli

Ko

n u

H id ro je n Eksikliği İndeksinin ( H E İ ) Hesaplanmasıyla İlgili Ek Bilgiler Hidrokarbonlar dışındaki bileşiklerin de hidrojen eksikliği indeksinin (HEİ) hesaplan ması nispeten kolaydır. Halojen atomu bulunduran bileşiklerde, halojen atom ları basitçe hidrojen ato mu gibi savılır. Molekül formülü C4HAC12 olan bir bileşik düşünün. Hidrojen eksikliği

313

314


indeksini hesaplamak için klor atomlarını hidrojen atomlarıyla değiştirerek, bileşiğin for mülünü C4H8 gibi düşünün. Bu formül, bir doymuş alkan formülünden (C4H10) iki hid rojen atomu daha eksiktir ve bu bize bileşiğin hidrojen eksikliği indeksinin bire eşit olduğunu (HEİ = 1) ifade eder. Dolayısıyla, bileşik ya bir halkaya ya da bir ikili bağa sahiptir. [Bir hidrojenleme deneyinden hangisi olduğunu söyleyebiliriz: Eğer bileşik, ka talizör varlığında ve oda sıcaklığında bir mol hidrojen (H2) katarsa o, bir ikili bağ bu lundurmaktadır; eğer, bileşik hidrojen katmıyorsa bir halkaya sahiptir].

Oksijen bulunduran bileşiklerde, basitçe oksijen atomlarını ihmal ederiz ve ge riye kalan formülden HEİ’ni hesaplarız. Bir örnek olarak, bir bileşiğin C4H80 for mülüne sahip olduğunu düşünün. Hesaplama amacıyla, bileşiği basit olarak C4H8 gibi düşünürüz ve HEİ = 1 olarak hesaplarız. Bu sonuç şu anlama gelir: bileşik ya bir halka, ya da bir ikili bağ bulundurmaktadır. Bu bileşik için bazı yapısal olasılıklar aşağıda ve rilmektedir. İkili bağın bir karbon-oksijen ikili bağı olarak bulunabileceğine dikkat edi niz. O II c h 2= c h c h 2c h 2oh c h 3c h = c h c h 2oh c h 3c h 2c c h 3 o II ch 3c h 2c h 2ch

v.s.

Azot atomu bulunduran bileşiklerde, her bir azot atomu için bir hidrojen çıka rırız ve azot atomlarını ihmal ederiz. Örneğin, C4H9N formülüne sahip bir bileşiği C4H8 gibi kabul ederiz ve tekrar HEİ = 1 olarak hesaplarız. Bu sonuca göre yapısal ola sılıklar aşağıdaki gibidir: NH CH,=CHCH,CH,NH,

CH3CH=CHCH 2NH2

c h 3c h 2c c h 3

v.s.

c h 3ch 2c h 2c h = nh

A l k e n v e A lk in l e r in Elde Ediliş Y ö n t e m l e r i n i n Ö z e t i Bu bölümde, alkenlerin sentezi için dört genel yöntem anlattık.

1. Alkil Halojenürlerden Hidrojen Halojenür Çıkarılması (Altbölüm 7.6) Genel Tepkime

—c —c — Özel Örnekler

H

X

\

baz <-HX)

v

/ c=c\

C,H,ONa

c h 3c h 2c h c h 3 — -------► c h 3c h = c h c h 3 C,H,OH

Br

(cis ve trans, %81)

+

c h 3c h 2c h = c h .

(%19)


CH3CH2CHCH3

Br

(CH3)3COK 70°C (CH3)3COII

* CH3CH=CHCH3 +

CH3CH2C H = C H 2

Disübstitüe alkenler (cis ve trans, %47)

Monosübstitüe alken (%53)

2. Alkollerden Su Çıkarılması (Altbölüm 7.7 ve 7.8) Genel Tepkime I

I

asit

\

/

- Ç - Ç — ür*’ / c = c \ + H Io H

OH

Özel Örnekler c h 3c h 2o h

der. H,SO,

— l8- ;c- - ■> CH2= C H 2 + H ,0

CH,

ch3

CH,C— OH

I '

%20 H,SO,

850C ->

c h 3c = c h 2 + h 2o

CH,

(%83)

3. A:o/ti|M-Dibromürlerden Brom Çıkarılması (Altbölüm 7.9) Genel Tepkime I I

Zn

^

/

CH,CO:H

/

\

— c — C------ —----- ► C = C |

|

+ ZnBr, 2

Br Br

4. Alkinlerin Hidrojenlenmesi (Altbölüm 7.15) Genel Tepkime

R (sin-katılma)

R— C = C— R' Li veya Na

R' / C= C \ / H H (Z)-Alken \

R \

H / C= Ç \ / R' H (£)-Alken

*►♦•**•

Alken sentezleri için olan diğer bir çok yöntemi daha sonraki bölümlerde göreceğiz.

A n a h ta r T e r i m l e r ve K av ra m la r (E)-(Z)Sistemi Alkenlerin bağıl kararlılıkları Hidrojen halojenür çıkarılması Zaitsev Kuralı Sin ve anti periplanar Hofmann Kuralı Su çıkarılması

Altbölüm 7.2 Altbölüm 7.3C Altbölüm 7.6 Altbölümler 7.6A,B, 7.8 Altbölüm 7.6C Altbölüm 7.7 Altbölüm 7.7

315

316


1,2-Kaymaları ve moleküler çevrilmeler Hidrür, metanür ve alkanür çevrilmeleri /cw///.yH-Dilıalojeniirler ikiz-Di halojen ür ler Brom çıkartılması Sin ve anti katılmalar Hidrojeııleme Doymuş ve doymamış bileşikler Hidrojen eksikliği indeksi

EK PROBLEMLER

Altbölüın 7.8 Altbölüm 7.8 Altbölüın 7.9 Altbölüm 7.9 Altbölüm 7.9 Altbölüm 7.14A Altbölümler 7.3A, 7.13-7.15 Altbölüm 7.13 Altbölüm 7.16

7.18

Aşağıdaki bileşiklerin adları doğru değildir. Doğru adı veriniz ve nedenini açık layınız. (a) f;vmy-2-penten (d) 4-Metilsiklobüten (b) 1,1-Dimetileten (e) (Z)-3-Kloro-2-büten (c) 2-Metilsikloheksen (f) 5,6-Diklorosikloheksen

7.19

Aşağıdaki bileşiklerin yapı formüllerini yazınız: (g) (Z,47?)-4-Metil-2-heksen (a) 3-Metilsiklobüten (b) 1 -Metilsiklopenten (h) (£,4S)-4-Kloro-2-penten (i) (Z)-l-Siklopropil-l-penten (c) 2,3-Dimetil-2-penten (j) 5-Siklobütil-l-penten (d) (Z)-3-Heksen (k) (/?)-4-Kloro-2-pentin (e) (£)-2-Penten (l) (£)-4-Metil-4-heksen-l-in (f) 3,3,3-Tribromopropen

7.20

Aşağıdaki bileşiklerin üç boyutlu formüllerini yazınız ve bu izomerleri (R -S ) ve (E)-(Z) adlandırma sistemiyle adlandırınız. (a) 4-Brotrıo-2-heksen (c) 2.4-Dikloro-2-penten (b) 3-Kloro-l,4-heksadien (d) 2-Bromo-4-kioro-2-heksen-5-in

7.21

Aşağıdaki bileşiklerin her birinin IUPAC adlarını yazınız.

7.22

Aşağıdaki maddelerin her birinden çıkarak propeni sentezleyiniz. (a) Propil klorür (d) Tzopropil alkol (b) İzopropil klorür (e) 1,2-Dibromopropan (c) Propil alkol (f) Propin

7.23

Aşağıdaki her bir bileşikten çıkarak siklopenteni sentezleyiniz. (a) Bromosiklopentan, (b) 1,2-Diklorosiklopentan, (c) Siklopentanol*

* Yıldızla işaretlenmiş problemler "çözülmesi daha zor olan problemlerdir.

Ek Problemler

7.24

Etinden başlayarak aşağıdakilerden her birinin sentezini yazınız. Gerekli reaktifleri kullanabilirsiniz ve bu problemin daha önceki kısımlarında hazırlanan bi leşiklerin sentezini göstermeniz gerekli değildir. (a) Propin (f) 1-Pentin (k) CH3CH2C = C D (b) 1-Bütin (g) 2-Heksin (l) H,C CH3 3\ / 3 (c) 2-Bütin (h) (Z)-2-Heksen C=C / \ (d) c/i-2-Büten (i) (£)-2-Heksen D D (e) trans-2-Büten (j) 3-Heksin

7.25

1-Metilsikloheksenle başlayarak ve herhangi diğer gerekli reaktifleri kullanarak, aşağıdaki döteryum etiketli bileşiğin sentezini tasarlayınız. D ch3

H 7.26

fra/?5 -2 -Metilsikloheksanolden asit katalizli su çıkartıldığında (bkz. aşağıdaki tep kime), ana ürün 1 -metilsikloheksendir:

Ancak, rra/7.ç-l-bromo-2 -metilsikloheksandan hidrojen halojeniir çıkartıldığında ise ana ürün 3-metilsikloheksendir: Br

CH3CH;CT CH,CH:OH ısı

Bu iki tepkimenin değişik ürünler vermesinin nedenini açıklayınız. 7.27

Aşağıdakilerin her birinden feniktin sentezleyiniz. (a) 1,1-Dibromo-l-feniletan (c) Fenikten (stiren) (b) l.l-Dibromo-2-feniktan (d) Asetofenon (C6H5COCH3)

7.28

Siklobütanın yanma ısısı 2744 kJ mol_1,dir. Bu, bütenin izomerleriyle karşılaş tırıldığında siklobiitanın bağıl kararlılığı hakkında ne anlama gelir (Altbölüm 7.3B)?

7.29

Verilen yanma ısılarını (3375 kJ mol-1, 3369 kJ m o l1, 3365 kJ mol-1, 3361 kJ mol-1, 3355 kJ mol-1) aşağıdaki alkenlerle karşılaştırınız: m-2-Penten, trans-2penten, 2-metil-2-büten, 1-penten, 2-metil-l-büten. Yanma ısıları hangi alkenlere karşılık gelmektedir?

7.30

Çizelgelere bakmasızın, aşağıdaki bileşikleri azalan asitlik derecelerine göre dü zenleyiniz. pentan

7.31

1 -penten

1 -pentin

1 -pentanol

Aşağıdaki alkil halojenürlerin her birinin etanol içerisinde sodyum etoksitle ısı tılması sonucu elde edilen tüm ürünlerin yapı formüllerini yazınız. Birden daha fazla ürün oluştuğunda, hangisinin ana ürün ve hangisinin yan ürün (ürünler) ol

317

318


duğunu gösteriniz. Bu soruyu cevaplarken, bu ürünlerin cis-trans izomerlerini ihmal edebilirsiniz. (a) 2-Bromo-3-metilbütan (d) 1-Bromo-l-metilsikloheksan (b) 3-Bromo-2,2-dimetilbütan (e) c/.s-l-Brorno-2-etilsikloheksan (c) 3-Bromo-3-metilpentan (f) rii7«i-l-Bromo-2 -etilsikloheksan 7.32

Aşağıdaki alkil halojenürlerin her birinin, /er-bütil alkol içinde potasyum ter-bütoksitle ısıtılması sonucu elde edilen ürünlerin yapı formüllerini yazınız Birden daha fazla ürün oluştuğunda, hangisinin ana ürün ve hangisinin yan ürün (ürün ler) olduğunu gösteriniz. Bu soruyu cevaplarken, bu ürünlerin cis-trans izomer lerini ihmal edebilirsiniz. (a) 2-Bromo-3-metilbütan (d) 4-Bromo-2,2-dimetilpentan (b) 4-Bromo-2,2-dimetilbütan (e) 1-Bromo-l-metilsikloheksan (c) 3-Bromo-3-metilpentan

7.33

Bir uygun alkil halojenür ve bazla başlayarak, aşağıdaki alkenleri ana (veya tek) ürün olarak oluşturan sentezleri tasarlayınız. (a) 1-Penten (d) 4-Metilsikloheksen (b) 3-Metil-l-btiten (e) 1-Metilsiklopenten (c) 2,3-Dimetil-l-büten

7.34

Aşağıdaki alkolleri asit katalizli su çıkarılması tepkimelerindeki etkinlik sırası na göre düzenleyiniz (Önce en etkin olandan başlayınız). 1-pentanol

2-metil-2-bütanol

3-metil-2-bütanol

7.35

Aşağıdaki alkollerin her biri asit katalizli su çıkartılması tepkimesine uğratıldı ğında oluşan ürünleri yazınız. Eğer birden fazla ürün oluşursa, ana ürün olan alkeni gösteriniz (cis-trans izomerisini ihmal ediniz). (a) 2-Metil-2-propanol (d) 2,2-Dimetil-l-propanol (b) 3-Metil-2-bütanol (e) 1,4-Dimetilsikloheksanol (c) 3-Metil-3-pentanol

7.36

l-Bromobisiklo[2,2,l]heptan, bazla ısıtıldığında ayrılma tepkimesine (aşağıda) uğramaz. Tepkimeyi engelleyen olumsuzluğu açıklayınız. (Molekül modelleri kul lanmanızın yardımı olabilir.)

7.37

Aşağıda gösterilen döteryum etiketli bileşik, etanol içerisinde sodyum etoksit kul lanılarak hidrojen halojenür çıkarılması tepkimesine uğratıldığında, alken ürünü yalnızca 3-metilsikloheksendir. (Ürün, döteryum içermez.) Sonuç için bir açık lama yapınız.

7.38

Aşağıdaki olayların her biri için, mekanizmalarıyla birlikte, açıklamalar yapınız. (a) 1-Bütanolün asit katalizli su çıkarılması tepkimesi ana ürün olarak trans-2büten oluşturur. (b) 2,2-Dimetilsikloheksanolün asit katalizli su çıkarılması tepkimesi ana ürün olarak 1 ,2 -dimetilsikloheksen oluşturur.

Ek Problemler

(c) 3-İyodo-2,2-dimetiIbiitan. etanol içinde gümüş nitratla etkileştirildiğinde ana ürün olarak 2,3-dimetil-2-büten oluşturur. (d) (15, 2/?)-l-Bromo-l,2-difenilpropandan hidrojen halojenür çıkartıldığında yal nızca (£ > l, 2 -difenilpropen oluşur. 7.39

Kolesterol önemli bir steroittir ve yaklaşık olarak tüm vücut dokularında bulu nur. Bu bileşik aynı zamanda safra taşlarının da önemli bileşenidir. Saf olmayan kolesterol, safra taşlarından bir organik çözücüyle özütlenerek elde edilebilir. Bundan dolayı, saf olmayan kolesterolün saflaştırılması için (a) CC14 içinde Br, ile etkileştirilir, (b) ürün dikkatlice kristallendirilir ve (c) daha sonra etanol için de metalik çinkoyla etkileştirilir. Bu yöntem, hangi tepkimeleri içermektedir? H,CX / H , / H 2 / C H, CR, CH CH,

7.40

Karyofillen, karanfil çiçeği yağında bulunan bir bileşiktir, CI5H24 molekül for mülüne sahiptir ve üçlü bağ içermez. Karyofillenin. platin katalizörlüğünde aşı rı hidrojenle tepkimesi C 15H28 formülüne sahip bileşiği oluşturur. Bir karyofillen molekülünde (a) kaç tane ikili bağ ve (b) kaç tane halka bulunmaktadır?

7.41

Skualen, steroitlerin biyosentezinde önemli bir bileşiktir, C30H50 formülüne sa hiptir ve üçlü bağ içermez, (a) Skualenin hidrojen eksikliği indeksini bulunuz, (b) Skualen, katalitik hidrojenlemeye uğrayarak, C30H62 molekül formülüne sa hip bir bileşik oluşturur. Bir skualen molekülünde kaç tane ikili bağ vardır? (c) Kaç tane halka vardır?

7.42

cA-2-Büten ve rra«5'-2 -bütenin birbirine dönüşümlerini düşününüz, (a) m-2-Büte n ----►trans-2-büten tepkimesinin AH° değeri nedir? (b) AH°ÂG° olduğunu varsayınız. Bu tepkime için hangi minimum AG%değerini beklersiniz? (c) Bu tep kime için bir serbest enerji diyagramı taslağı çizerek, AG° ve AG%Meri belirtiniz.

7.43

E -H bileşikleri için yapılar öneriniz. E bileşiği, C5H8 molekül formülüne sahip tir ve optikçe aktiftir. Katalitik hidrojenlemeyle E bileşiği F ’yi oluşturmaktadır. F bileşiği, C5H |0 molekül formülüne sahip olup optikçe aktif değildir ve ayrı ay rı enantiyomerlerine ayrılamaz. G bileşiği, C6H 10 molekül formülüne sahiptir ve optikçe aktiftir. G bileşiği üçlü bağ içermez. Katalitik hidrojenlemeyle G bileşi ği H ’yi oluşturmaktadır. H bileşiği, C6H 14 molekül formülüne sahiptir, optikçe aktiftir ve ayrı ayrı enantiyomerlerine ayrılamaz.

7.44

I ve J bileşikleri, C7H I4 molekül formülüne sahiptir. I ve J bileşiklerinin her iki si de optikçe aktiftir ve her ikisi de düzlem polarize ışığı aynı yöne döndürür. Katalitik hidrojenlemeyle I ve J aynı bileşik olan K ’yı (C7H16) oluşturur. K bi leşiği optikçe aktiftir. I, J ve K bileşikleri için olası yapıları öneriniz.

7.45

L ve M bileşikleri, C7H I4 molekül formülüne sahiptir. Optikçe aktif olmayan L ve M bileşikleri yarılamazlar ve birbirlerinin diastereomerleridir. Hem L hem de M'nin katalitik hidrojenlenmesi N bileşiğini oluşturur. N bileşiği optikçe aktif değildir, fakat ayrı ayrı enantiyomerlerine ayrılabilir. L, M ve N için olası yapı lar öneriniz.

319

320


7.46

(a) (1R. 2/?)-l,2-Dibromo-l,2-difeniletan veya (lS,2S)-l,2-dibromo-l,2-difeniletan enantiyomerlerinin (veya ikisinin rasem karışımının) kısmî dehidrahalojenlenmesi (Z)-l-bromo-l,2-difenileten verir, oysa (b) (l/?,2S')-l,2difenilmetandan (mezo bileşiği) kısmî hidrojen halojenür çıkarılmasıyla yalnız (£)-l-bromo-l,2 difenileten oluşur, (c) (l/?,2.S)-l,2-dibromo-l,2-difeniletanın aseton içinde sod yum iyodürle etkileştirilmesi yalnızca (E) 1,2-difenileten oluşturur. Bu sonuçlan açıklayınız.

*7.47 (a) Bu bölümde gördüğümüz tepkimelerden yararlanarak aşağıdaki alkinin, Prob lem 7.38 (b)’de elde edilen ürünün 7 üyeli bir homoloğu olan bileşiğe nasıl dö nüştürülebileceğini gösteriniz, (b) Bu iki durumda elde edilen homolog ürünlerin yapıları için 1620-1680cırr' bölgelerinde gözlenen soğurmalarına güvenilebilir mi? r V <

H>

v^ c = ch

*7.48 A, B ve C Bileşiklerinin yapılarını tahmin ediniz: A Bileşiği, dallanmamış bir altı karbonlu alkin (C6) ve aynı zamanda bir birincil alkoldür.

B bileşiği, A bileşiğinden, hidrojen ve nikel borür katalizörü veya çözünen me tal indirgemesi yöntemi kullanılarak elde edilir. C bileşiği. B bileşiğinin, oda sıcaklığında sulu asitle etkileştirilmesiyle oluşturu lur. C bileşiği, 1620-1680 cm-1 veya 3590-3650 cm“ 1 bölgelerinde infrared soğurması göstermez. Bu bileşiğin, hidrojen eksikliği indeksi birdir ve bir stereomerkeze sahiptir; fakat rasemat olarak oluşur. *7.49 Aşağıdaki bileşiklerin hidrojen eksikliği indeksleri kaçtır? (a) C vH 10O2

(b) C5H4N4

1. 2-Kloro-2,3-dimetilbütanın; (a) etanol (EtOH) içinde sodyum etoksit (NaOEt) ile 80°C’daki tepkimesiyle veya (ayrıca bir tepkimede) (b) rir-bütanol [HOC(CH3)3] içinde 80°C’da potasyum ter-butoksit [KOC(CH3)3] ile tepkimesiyle elde edilen ürü nün (ürünlerin) yapılarını yazınız. Eğer birden fazla ürün oluşursa, hangisinin ana Ö ğrenme G rubu ürün olarak oluşabileceğini belirtiniz. Her bir tepkimede oluşan ana ürün için geçiş P roblemler! hali dahil ayrıntılı bir mekanizma öneriniz. 2. Mekanistik tartışmaları kullanarak, (25)-2-bromo-1,2-difenilpropanın. sodyum etoksitle (NaOEt) etanol (EtOH) içinde 80°C’daki tepkimesinde, neden (Z)-l,2-difenilpropenin oluştuğunu (E diastereomerin hiç biri oluşmaz) açıklayınız. 3. 1-Metilsikloheksanol %85’lik H3P 0 4 ile 150°C’da tepkime verdiğinde oluşan ürü nün (ürünlerin) yapılarını yazınız. Bu tepkime için ayrıntılı bir mekanizma yazınız. 4. 1-Siklobütilecanolün ( 1 -hidroksietilsiklobütan) derişik H2S0 4 ile 120°C,daki tepki mesinde oluşabilecek tüm olası organik ürünlerin yapılarını yazınız. Ürünlerden bi rinin metilsiklopenten olduğunu varsayarak, bu ürünün oluşum mekanizmasını yazınız. Aynı zamanda, oluşan diğer tüm ürünlerin oluşum mekanizmalarım da gös teriniz.

Alkenler ve Alkinler II: Katılma Tepkimeleri D e n iz : B iy o lo jik O la r a k A k t if D o ğ a l Ü r ü n le r H âzin es i Dünyadaki okyanuslar, çözünmüş halojenür iyonlarının çok büyük bir deposudur. Ok yanuslardaki halojenürlerin derişimi yaklaşık olarak, klorür iyonları için 0,5 M, bromür iyonları için 1 mM ve iyodür iyonları için 1 M’dir. Bundan dolayı deniz organizmala rının metabolitlerinin pek çoğunun yapısında halojen atomlarının bulunması belki sürp riz değildir. Bunların arasında ilgi çekici polihalojenlenmiş bileşikler olarak halomon, daktilin (yukarıda gösterilen), tetrakloromertensen, (3£)-laureatin ve (37?)- ve (3S)-siklosimopol vardır (bkz. sayfa 322). Bu metabolitlerdeki halojen atomlarının sayıları me rak konusudur. Bu moleküllerin bazıları, onları yapan organizmalar için, yırtıcıları caydırarak veya rakip organizmaların gelişmelerini engelleyerek türünün hayatta kal masına destek sağlayan savunma mekanizmalarının bir parçasıdır. Doğal deniz ürünle rinin çok büyük olan bu kaynağı, insanlar için yeni tedavi edici maddelerin bir kaynağı olarak her zaman daha büyük potansiyele sahiptir. Örneğin, halomon. belirli tümör hüc re tiplerine karşı, klinik öncesinde bir sitotoksik madde olarak değerlendirilirken; dak tilin, pentabarbital metabolizmasının bir inhibitörüdür; siklosimopol enantiyomerleriyse, hangi enantiyomerin kullanıldığına bağlı olarak, insan progesteronu alıcısı üzerinde agonistik veya antagonistik etkiler gösterir.

321

Halomon

Siklosimopol monometil eter

Tetrakloromertensen

Halojenlermiş bazı doğal deniz ürünlerinin biyosentezi ilgi çekicidir. Bunların halojen lerinin bazılan deniz suyunda çözünen bir madde olarak bulunduklarında, özellikleri ge reği bir Lewis bazı veya nükleofil iken yapıya daha çok elekîrofil olarak girerler. Fakat, deniz organizmaları, nükleofilik halojenür anyonlarını, metabolitlerine katılacak elektrofilik türlere nasıl dönüştürürler? Birçok deniz organizması, nükleofilik iyodür, bromür ve klorür anyonlannı, I+, Br+ ve Cl+ gibi tepkime veren elektrofilik türlere dönüştüren haloperoksidaz olarak adlandırılan enzimlere sahiptir. Bazı halojenlenmiş doğal ürün ler için önerilen biyosentetik şemalarda, bir alken veya alkin molekülündeki 7T-bağı elekt ronları, pozitif halojen ara ürünlerine atak yapar ve bu, katılma tepkimesi olarak adlandırılır. Her ne kadar halojenleri daha önce elektrofilik reaktifler olarak düşünmediyseniz de bu bölümde ınoleküler halojenlerin alken ve alkinerle bu yolla tepkime verdiklerini göre ceğiz. Ek olarak, bu bölümde bir Öğrenme Grubu Problemi sizden, elektrofilik halojen katılmasıyla bir doğal deniz ürünü olan kumepaloksanın biyosentezi için bir şema öner menizi isteyecektir. Kumepaloksan, Guam kabarcık salyangozu, Haminoea cymbalum, tarafından muhtemelen salyangoz için bir savunma mekanizması olarak sentezlenen bir balık antibesin maddesidir. Daha sonraki bölümlerde, brevetoksin B ve ümit verici bir antikanser reaktif olan eleuteropin gibi gerçekten dikkate değer doğal deniz ürünlerinin diğer örneklerini göreceğiz.

8.1

GİRİŞ: A L K E N L E R E K A T I L M A L A R

Bir karbon-karbon ikili bağı bulunduran bileşiklerin özel bir tepkimesi, aşağıda genel bir tipi gösterilen katılmadır. \ / C=C + A —B / \

katılma

> A—C—C—B

Altbölüm 7.13'te, alkenlere hidrojen katılmasını gördük. Bu bölümde, alkenlerin iki li bağlarına katılmaların diğer örneklerini öğreneceğiz. Hidrojen halojenürlerin, sülfü rik asitin, suyun (bir asit katalizör varlığında) ve halojenlerin katılmasıyla başlayacağız.

322

8.1 Giriş: Alkenlere Katılmalar H—X

Alkil halojenür (Altbölümler 8.2, 8.3, ve 10.9)

Alkil hidrojen sülfat

\ /

(Altbölüm 8.4)

Alkol (Altbölüm 8.5)

Dihaloalkan (Altbölümler 8.6 ve 8.7'

İkili bağların iki özelliği bu katılma tepkimelerinin niçin meydana geldiğini anlama mıza yardım eder: 1. Bir katılma tepkimesi, bir n bağı (Altbölüm 1.13) ve bir o bağının iki o bağına dönüşmesiyle sonuçlanır. Bu değişikliğin sonucu, enerji yönünden genellikle uy gundur. İki er bağının oluşumunda açığa çıkan ısı, bir o bağı ve bir k bağının kı rılması için gerekli olandan fazladır (çünkü, n bağları daha zayıftır) ve bu nedenle katılma tepkimeleri genellikle eksotermiktir.

Kırılan bağlar

2.

Oluşan bağlar

n Bağının elektronları korumasızdır. Çünkü, n bağları p orbitallerinin örtüşmesiyle oluşur ve n elektronları ikili bağ düzleminin üstünde ve altında yer alır:

Etenin elektrostatik potansiyel haritası negatif yük yoğunluğunun rc bağı bölgesinde daha çok olduğunu göstermektedir.

it bağının elektron çifti, ti moleküler orbitalinin her iki lobu arasında dağılmıştır.

k Bağı, elektron arayan reaktiflerden genellikle etkilenir. Böyle reaktiflerin elektrofilik (elektron arayan) olduğu söylenir ve bunlar elektrofıller olarak adlandırılır lar. Elektrofiller, protonlar (H+) gibi pozitif reaktifleri, brom gibi nötr reaktifleri (çünkü, bir uç pozitif olacak şekilde kutuplaşabilir), BF3 ve A1C13 gibi Lewis asit lerini kapsar. Boş orbitaller bulunduran metal iyonları da—örneğin, gümüş iyonla rı (Ag+), civa(II) iyonları (Hg21) ve platin iyonları (Pt:+)—elektrofil olarak davranırlar.

Örneğin, hidrojen halojenürler, k bağına bir proton vererek alkenlerle tepkimeye gi rerler. Proton, n bağının iki elektronunu kullanarak karbon atomlarından biriyle bir o

323

Giriş: Alkenlere Katılmalar 8.2 Alkenlere Hidrojen Halojenür Katılması: Markovnikov Kuralı 8.3 Bir Alkene İyonik Katılmanın Stereokimyası 8.4 Alkenlere Sülfürik Asit Katılması 8.5 Alkenlere Su Katılması: Asit-Katalizli Hidrasyon 8.6 Alkenlre Brom ve Klor Katılması 8.7 Alkenlere Halojen Katılmasının Stereokimyası 8.8 Halohidrin oluşumu 8.9 İki değerlikli Karbon Bileşikleri: Karbenler 8.10 Alkenierin Yükseltgenmesi: Sin Hidroksilleme 8.11 Alkenierin Yükseltgemeli Bölünmesi 8.12 Alkinlere Brom ve Klor Katılması 8.13 Alkinlere Hidrojen Halojenür Katılması 8.14 Alkinlerin Yükseltgemeli Bölünmesi 8.15 Sentetik Stratejilerin Yeniden Geçirilmesi 8.1

324

Bölüm 8 / Alkenler ve Alkinler II: Katılma Tepkimeleri

bağı oluşturur. Bu, boş bir p orbitalinin ve öteki karbon atomu üzerinde pozitif bir yü kün oluşumuna yol açar. Toplam sonuç, alken ve HX'ten bir karbokatyon ve bir halojenür iyonu oluşumudur: $ 7 ^ s+

Karbokatyon oldukça etkindir ve halojenür iyonunun bir elektron çiftini alarak bu halojenür iyonuyla birleşir.

Karbokatyon

Elektrofıllerin Önemli Özellikleri

Katılma ürünü

Elektrofiller Lewis Asitleridir Elektrofiller, bir elektron çifti alan moleküller ve ya iyonlardır. Nıikleofiller ise bir elektron çifti veren moleküller veya iyonlardır (yani, Lewis bazları). Bir elektrofilin herhangi bir tepkimesi de bir niikleofili gerektirir. Bir alkenin protonlanmasında elektrofil bir asit tarafından verilen proton, nükleofilse alkendir. H

—c—c+ +=x = Elektrofil

Nükleofıl

Bundan sonraki basamakta, karbokatyonun bir halojenür iyonuyla tepkimesinde, kar bokatyon elektrofil ve halojenür iyonuysa nükleofildir.

Elektrofil

8 .2

Nükleofil

A l k e n l e r e H i d r o j e n H a l o j e n ü r Ka t i l m a s i : M a r k o v n İk o v K u r a l i

Hidrojen halojenürler (HI, HBr, HC1 ve HF) alkenlerdeki ikili bağa katılırlar:

H

X

8.2 Alkenlere Hidrojen Halojenlir Katılması: Markovnikov Kuralı

Geçmişte bu tür katılmalar; hidrojen halojenür, asetik asit veya CH2C12 gibi bir çö zücü içerisinde çözülerek ya da gaz halindeki hidrojen halojenür doğrudan alken içeri sinden geçirilerek ve alkenin kendisi çözücü olarak kullanılarak gerçekleştirilirdi. HF, piridin içerisinde polihidrojen florür olarak hazırlanır. Hidrojen halojenürlerin etkinlik sırası HI > HBr > HC1 > HF şeklindedir ve alken çok fazla sübstitüe olmadıkça, HC1 çok yavaş tekime verir ki bu tepkime sentez yöntemi olarak yararlı bir tepkime değil dir. HBr katılması kolaylıkla meydana gelir, fakat Altbölüm 10.9’da öğreneceğimiz gi bi. önlemler alınmadıkça tepkime bir başka yol izleyebilir. Bununla birlikte, araştırmacıların son zamanlarda elde ettiği verilere göre. CH2C12 içerisindeki alken ve HC1 ya da HBr karışımına sil ika jel veya alümina ilave edilmesi katılmanın hızını çar pıcı bir şekilde arttırır ve bu tepkimeyi kolay gerçekleşen bir tepkime haline getirir.* Simetrik olmayan bir alkene HX katılması büyük bir olasılıkla iki yoldan meydana gelebilir. Bununla birlikte uygulamada bir ürünün oluşumu genellikle ağır basar. Örne ğin, propene HBr katılması, büyük bir olasılıkla ya 1-bromopropan ya da 2-brompropan oluşturur. Bununla birlikte ana ürün 2-bromopropandır. CH2=CHCH 3 + HBr----► CH3CHCH3

{çok az BrCH2CH2CH3)

Br 2-Bromopropan

1-Bromopropan

2-Metilpropen, HBr ile tepkimeye girdiğinde ana ürün izobıitil bromür değil, ter-bütil bromürdür. CH,

H3C C = C H 2 + HBr----►CH3— c — CH3 H?C

çok az CH3 —CH— CH2— Br

Br

2-Metilpropen (izobütilen)

ter-Bütil bromür

İzobütil bromür

Buna benzer bir çok örneğin göz önüne alınması, Rus Kimyacı Vladimir Markovnikov'un 1870’de, bugün Markorvnikov Kuralı olarak bilinen kuralı açıkça ifade etme sine yol açmıştır. Bu kuralı ifade etmenin bir yolu da; b ir a lk e n e H X k a tılm a sın d a , h id ro je n a to m u n u n ik ili b a ğ lı k a rb o n a to m la rın d a n en f a z la h id ro je n a to m u b u lu n d u ra n k a rb o n a k a tıla c a ğ ın ı

Daha fazla sayıda hidrojen atomu bulunduran karbon atomu

söylemektir.f Propene HBr katılması buna bir örnektir. ^ CH, =CHCH 3 -— ► c h 2— c h c h 3 4I 4I 1 1 11 11 H Br I 1 I Markovnikov katılma H Br urunu

Markovnikov kuralına uyan tepkimeler, markovnikov katılmaları olarak tanımlanırlar.

* Bkz. Kropp P. J.: Daus K.A.: Crawford. S. D.: Tubergen M. W.: Kepler K. D.; Craig S. L.; Wilson V. P.;

J. Anı. Chem. Soc. 1990, 112, 7433-7434. tMarkovnikov. orjinal yayınında bu kuralı, halojen atomunun bağlanması yönünden tanımladı ve asimetrik bir alkenin bir hidrojen halojenürle birleşmesinde halojenür iyonunun daha az hidrojen atomuna sahip karbon atomuna katılacağım belirtti.

325

326


Bir hidrojen halojenürün bir alkene katılmasının mekanizması aşağıda gösterilen iki basamağı içerir:

j Te p k im e için Bir Mekanizma

Önemli basamak — hız belirleyen basam ak olduğundan— 1. basamaktır. Birinci basa makta alken, hidrojen halojenürden bir proton alır ve bir karbokatyon oluşturur. Bu ba samak (Şekil 8.1) oldukça endotermiktir ve yüksek bir serbest aktifleşme enerjisine sahiptir. Sonuç olarak, bu basamak yavaş meydana gelir. Basamak 2’de, oldukça etkin

Şekil 8 .1 HX’in bir alkene ka tılmasının serbest enerji diyagramı. 1. Basamağın serbest aktifleşme enerjisi 2. basamak için olandan çok daha büyüktür.

Geçiş hali 1

H

I I —c —c — I I x

----v----

Basamak 2

8.2 Alkenlere Hidrojen Halojenür Katılması: Markovnikov Kuralı

olan karbokatyon bir halojenür iyonuyla birleşerek kendini kararlı kılar. Bu eksotermik basamak, çok düşük bir serbest aktifleşme enerjisine sahiptir ve çok hızlı meydana gelir.

8.2A M a r k o v n ik o v K u r a lın ın T e o r i k A ç ık l a m a s ı Eğer hidrojen halojenür katılmasına uğrayan alken propen gibi asimetrik bir alken ise, 1 . basamak, muhtemelen iki farklı karbokatyonun oluşumuna yol açabilir. H ¿9

X— H + CH3C H = C H ,

►CH3CH—CH, + X" 1° Karbokatyon (daha az kararlı)

CH3CH=CH 2 + H— X-

-►CH3CH— CH2— H + X 2° Karbokatyon (daha kararlı)

Bununla birlikte, bu iki karbokatyon eşit kararlılıkta değildir. İkincil karbokatyon daha kararlıd\x ve ikincil karbokatyonun bu daha fazla olan kararlılığı, Markovnikov kuralına göre yürüyen bütün katılmaların doğru yorumlanmasını sağlar. Örneğin, propene HBr katılmasında tepkime aşağıdaki yolu izler: +

Br~

CH3CH2CH2----►CH3CH2CH2Br Io

CH3CH =CH 2

1-Bromopropan ( ç o k a z oluşur)

HBr yavaş

+

----►CH3CHCH3

j>_-

c h 3ç h c h 3

Br 2°

2-Bromopropan (ana ürün)

|------ Basamak 1---------------1-------------- Basamak 2-------1 Bu tepkimenin ana ürünü 2-bromopropandır, çünkü daha kararlı olan ikincil karbokat yon birinci adımda öncelikli olarak oluşur. Daha kararlı karbokatyon daha baskındır, çünkü daha hızlı oluşur. Eğer, Şekil 8.2’deki serbest enerji diyagramını incelersek, bunun niçin doğru olduğunu anlayabiliriz. İkincil karbokatyon oluşumuna (sonuçta 2-bromopropana) yol açan bu tepkime (Şe kil 8.2) daha az serbest aktifleşme enerjisine sahiptir. Bu durum mantıklıdır çünkü ge çiş hali, daha kararlı olan karbokatyona benzer. Birincil karbokatyon veren tepkime (sonunda 1 -bromopropan oluşur) daha yüksek bir serbest aktifleşme enerjisine sahiptir, çünkü onun geçiş hali daha az kararlı olan birincil karbokatyona benzer. Bu ikinci tep kime çok daha yavaştır ve birinci tepkimeyle yanşamaz. HBr’nin 2-metilpropenle tepkimesi, aynı nedenle yalnız ier-bütil bromür oluşturur. Burada birinci basamakta (yani protonun takıldığı basamakta) bir birincil karbokatyonla bir üçüncül karbokatyon arasındaki seçim çok daha belirgindir. Bu yüzden, izobütil bromür, oluşumu için bir birincil karbokatyonun oluşması ge rektiğinden, tepkimenin bir ürünü olarak elde edilmez. Böyle bir tepkime, bir üçüncül karbokatyon oluşumuna yol açan bir tepkimeninkinden çok daha fazla serbest aktifleş me enerjisine sahiptir.

327

328


Şekil 8.2 Propene HBr katılmasının serbest enerji diyagramları. AG*,„ AGf^’den daha düşüktür.

CH 3CH B1CH 3

T e pk im e için Bir Mekanizma 2-Metilpropene H B r Katılması

Aşağıdaki tepkime meydana gelir: ÇH

ch3

3

H3C— C = C H ,

---- ►

H— Br :

C— CH— CH3

H

----- 1

CH3 | h 3c — c — ch 3 Gerçek ürün

- __ -=Br =

: B r: ter-Bütil bronıür

3° Karbokatvon (daha kararlı karbokatvon)

Aşağıdaki tepkime ise belirli bir şekilde meydana gelmez. CH,

CH,

CH,

H3C— C = C H , -X-> H3C— C— ÇH2 -X-> H3C— CH— CH2 — B r: f i-

H

H — Br =

Oluşmaz

B r:

1° Karbokatvon

İzobütil bromür

(daha az kararlı karbokatvon)

Bir alkene HX katılmasında karbokatyonlar oluştuğundan, başlangıçta oluşan karbokatyonlar, daha kararlı bir karbokatyona dönüşebileceğinde sürekli olarak çevrilme ye uğrarlar (bkz. Problem 8.3).

8.2 Alkenlere Hidrojen Halojenür Katılması: Markovnikov Kuralı

8.2B Marko vn ikov Kuralının Mode rn Açıklaması Henüz görmüş olduğumuz alkenlere hidrojen h’alojenürlerin iyonik katılmasının meka nizmasının anlaşılmasıyla, şimdi, aşağıdaki Markovnikov Kııralı’nın modem açıkla masını verecek durumdayız. Bir ikili bağa asimetrik bir reaktifin iyonik katılmasında, katılan reaktifin pozitif kısmı, bir ara ürün olarak dalıa kararlı karbokatyonu vere cek şekilde ikili bağın bir karbon atomuna bağlanır. Çünkü bu, ilk (katılan reaktifin

Markovnikov Kuralı

H,C H?C

st. r^îr \ ı =C H , + : I — C hC / 2

H.C 3

\

—O X

negatif kısmının katılmasından önce) meydana gelen ve tepkimenin tüm yönelimini be lirleyen basamaktır. Markovnikov kuralının bu açıklamasının, IC1 gibi bir reaktifin katılmasının sonucu nu önceden kestirebilmemize imkan sağlayacağına dikkat ediniz. Klorun daha fazla olan elektronegatifliğinden dolayı, bu molekülün pozitif kısmı iyottur. 2-Metilpropene IC1 katılması, aşağıdaki yolla meydana gelir ve 2 -kloro-l-iyodo-2 -metilpropan verir.

c — CH2— I:

H,C

C|:~

-Metilpropen

- —► CH3— C—CH2— I : Cl: 2-Kloro-l-ivodo-2-metilpropan

Propene, IBr’nin iyonik katılmasından elde edilebilecek ürünün yapısını ve adını •< yazınız.

P ro b l e m 8 . 1

(a) 2-Metil-l-bütene HBr katılmasının, (b) 2-Metil-2-bütene IC1 katılmasının ve (c) •< 1-metilsiklopentene HI katılmasının mekanizmasını tasarlayınız.

P ro b l e m 8.2

Aşağıdaki tepkimeler için mekanizmalı açıklamalar yapınız: (a) 3-Metil-l-bütene < hidrojen kloriir katılması iki ürün oluşturur: 2-kloro-3-metilbütan ve 2-kloro-2-metilbütan, (b) 3,3-Dimetil-l-bütene hidrojen klorür katılması iki ürün verir: 3-kloro2.2-dimetilbütan ve 2-kloro-2,3-dimetilbütan. (Bu tepkimelerin her ikisinin de ilerleyişinin açıklamaları F. Whitmore tarafından yapılmıştır (bkz. Altböliim 7.7A).

P ro b l e m 8.3

8.2C

Y e r seçimli T e p k i m e l e r

Kimyacılar, alkenlere hidrojen halojenürlerin Markovnikov katılmalarına benzer tepki meleri yer seçimli (İng: regioseleetive) olarak tanımlarlar. Regio, yön anlamına gelen Latince kelime regionem'den gelmektedir. İki veya daha fazla yapı izomeri verme ola sılığı olan fa ka t gerçekte yalnızca birini (veya daha baskın olarak birini) verebilen tepkimeler yer seçimli tepkimeler olarak adlandırılırlar. Örneğin, propen gibi asimet

rik bir alkene HX katılması, muhtemelen iki yapı izomeri oluşturabilir. Bununla birlik te, görmüş olduğumuz gibi bu tepkime yalnızca bir ürün verir ve bu nedenle yer seçimli olarak tanımlanır. 8.2D

Ma rk ov ni kov Kuralına Bir İstisna

Altbölüm 10.9’da Markovnikov kuralının bir istisnasını göreceğiz. Bu istisna, katılma peroksitler (yani, genel formülü ROOR olan bileşikler) varlığında gerçekleştirildiğin de, alkenlere HBr katılmasıyla ilgilidir. Alkenler peroksit varlığında HBr ile etkileştirildiklerinde, tepkime, hidrojen atomunun daha az hidrojen atomuna sahip karbon

Yer seçimlilik

329

330


atomuna katıldığı anlamına gelen anti-Markovnikov katılması şeklinde meydana gelir. Örneğin, propene katılma aşağıdaki gibi meydana gelir. ROOR CH3CH=CH 2 + H B r-------- ►CH3CH2CH2Br Altbölüm 10.9’da göreceğimiz gibi, bu katılma, Altbölüm 8.2’nin başlangıcında verilen iyonik mekanizmayla değil, bir radikal mekanizmasıyla, meydana gelir. Bu anti-Mar kovnikov katılması, yalnızca peroksitlerin varlığında H Br kullanıldığında oluşur; HF, HC1 ve HI ile ise peroksit varlığında bile belirgin bir tepkime meydana gelmez.

8 .3

BİR A L K E N E İ Y O N İ K K A T I L M A N I N STER EO KİM YA SI

1-Bütene HX’in aşağıdaki katılmasını göz önüne alınız ve tepkimenin, bir stereomerkez içeren bir ürünü, 2 -halobütanı oluşturduğuna dikkat ediniz. CH3CH2CH =CH 2 + HX----►CH3CH2ÇHCH3 X Ürün, bu nedenle bir enantiyomer çifti olarak bulunur. Şimdi bu enantiyomerlerin nasıl oluştuğu sorusu ortaya çıkar. Bir enantiyomer diğerinden daha fazla oranda oluşur mu? Bu soruya cevap, hayırdır; katılmanın birinci basamağında oluşan karbokatyon (aşağı daki şemaya bakınız) üçgen düzlemseldir ve akiraldır (bir modeli, onun bir simetri düz lemine sahip olduğunu size gösterecektir). İkinci basamakta, halojenür iyonu bu akiral karbokatyonla tepkimeye girdiğinde, tepkime her iki yüzeyde de eşit olarak yürür. İki enantiyomer oluşturan tepkimeler aynı hızda meydana gelirler ve bu nedenle enantiyomerler bir rasemik yapı olarak eşit miktarlarda oluşurlar.

j T e p k i m e n i n Stereokimyası i ' : Bir Alkene İyonik Katılma

-------

(a)

C2H5 ch3

(S)-2-Halobütan (%50)

+ :X : C,H,—C H = C H ,----► C,HS—CL ' (^.. A >C H ,—H ^ H —X = (b)

Akiral, üçgen düzlemsel karbokatyon 1-Büten, HX’ten bir proton alarak bir akiral karbokatyon oluşturur.

8 .4

C?H

H CH3

' X* (R)-2-Halobütan (%50) Karbokatyon, halojenür iyonu ile (a) veya (b) yoluyla eşit hızda tepkime vererek bir rasemat olarak enantiomerleri oluşturul-.

A LK E N LER E SÜLFÜR İK A S İT K A TILM A S I

Alkenler, soğuk derişik sülfürik asitle etkileştirildiklerinde, katılm a şeklinde tepkime vererek alkil hidrojen sülfatları oluşturduklarından çözünürler. Bu mekanizma, HX ka-

8.5 Alkenlere Su Katılması: Asit-Katalizli Hidrasyon

tılması için olana benzer. Tepkimenin birinci basamağında, alkenin sülfürik asitten bir proton almasıyla bir karbokatyon oluşur; ikinci basamaktaysa karbokatyon, bir alkil hid rojen sülfat oluşturmak üzere bir hidrojen sülfat iyonuyla tepkimeye girer.

\

C=C

\

O: (vII •• + H—O—S— O—H «=

H \ + c —c — + / I

Ö: —S— Ö—H

"

O: Alken

Hidrojen sülfat iyon

H

—c —c —

II •• ():

Karbokatyon

Sülfürik asit

H 0 3S 0

I I Alkil hidrojen sülfat

Sülfürik asit içerisinde çözünür.

Sülfürik asit katılması da yer seçimlidir ve Markovnikov kuralını takip eder. Örneğin, propen, propil hidrojen sülfattan daha çok izopropil hidrojen sülfat oluşturmak üzere tepkimeye girer. H| H H \ \ C—CH,— H - -> H^C—C—CH C= c h 2 — ► /+ / H3C * H3c OSO 3H ^ H — Ö S O ,H --- : OS03H 2° Karbokatyon (daha kararlı karbokatyon)

İzopropil hidrojen sülfat

8.4 A Alkil H id ro je n Sülfatlardan A lko ll eri n Eldesi Alkil hidrojen sülfatlar, suyla ısıtılarak kolaylıkla alkollere hidroliz edilebilirler. Bir alkene sülfürik asit katılmasının ve ardından da hidrolizinin toplam sonucu H ve OH’nin Markovnikov katılmasıdır. CH,CH=CH 0 soğ % >CTTCHCH, " jl' ısı ►CH,CHCH, + H,SO, 3 n H 2S 0 4 3 I 3 3 j 3 2 4 OSO3H OH

Etanolün bir endüstriyel sentezinde, eten önce %95’lik sülfürik asit içerisinde çö- -< zülür. İkinci basamakta su ilave edilir ve karışım ısıtılır. Meydana gelen tepkime leri açıklayınız.

8 .5

A l k e n l e r e S u Ka t i l m a s i : A S İT K A TA LİZ Lİ H İD R A SYO N

Bir alkenin ikili bağına asit—katalizli su katılması (bir alkenin hidrasyonu), büyük öl çekli endüstriyel süreçlerde çok yararlı olan küçük molekül kütleli alkollerin hazırlan ması için bir yöntemdir. Alkenlerin hidrasyonunu katalizlemek için kullanılan en yaygın asitler, sülfürik asit ve fosforik asitin seyreltik çözeltileridir. Bu tepkimeler de çoğun lukla yer seçimlidir ve bir ikili bağa su katılması Markovnikov kuralını izler. Tepkime genelde aşağıdaki şekilde yürür: \

/

C=C

/

H .O +

I

I

-t- HOH ———► — c —c — \ I I H OH

P ro b l e m 8.4

331

332


Buna bir örnek, 2-metilpropene su katılmasıdır. CH, H,()" C =C H , + HOH ------- ►CH.—C — 25°C 3 / 2 ch3 OH ch3

\

2-Metilpropen (izobütilen)

ter-Bütil alkol

Bu tepkimeler Markovnikov kuralını izlediklerinden, alkenlerin asit katalizli hidrasyoniarı, etenin hidrolizinin özel durumu hariç, birincil alkolleri vermez. h 3po 4

CH,=CH, + HOH — — 4-> CH,CH7OH 300°C

Bir alkenin hidrasyonu için olan mekanizma, basitçe, bir alkolün dehidrasyonu için olan mekanizmanın tersidir. Bunu 2-metilpropenin hidrasyonu için olan mekanizmayı vererek ve Altbölüm 7.7A'da verilen ter-bütil alkolün dehidrasyonunun mekanizmasıy la karşılaştırarak gösterebiliriz.

Hidrasyon mekanizmasında hız belirleyen basamak karbokatyon oluşumunu içeren 1. basamaktır. Bu. ayrıca, bir ikili bağa suyun Markovnikov katılmasının nedenini açık layan basamaktır. Bu tepkimede /¿r-bütil alkol oluşur, çünkü, 1. basamak çok daha az kararlı olan izobütil kayonundan daha çok, daha kararlı olan ter-bütil katyonunun olu şumuna yol açar. CH, ll~ C. H3C

H ^ pil + H— o — H ch3 V

(^H2+ çok yavaş

H

CH,C— H + ;0 — H CH,

1

Tüm pratik amaçlar için bu tepkime, tepkimede 1 ° karbokatyon oluştuğundan meydana gelmez.

8.5 Alkenlere Su Katılması: Asit-Katalizli Hidrasyon

Alkenlere su katılması veya alkollerden su çıkarılması yoluyla yürüyen tepkimeler, son ürünün dengenin konumuyla kontrol edildiği tepkimelerdir. Bu yüzden, bir alkolün deklârasyonunda su derişiminin düşük olması için bir derişik asidin kullanılması en iyi yoldur. (Su oluşur oluşmaz uzaklaştırılabilir ve bu durum, yüksek sıcaklık kullanılma sına yardımcı olur.) Bir alkenin hidrasyonundaysa, su derişiminin yüksek olması için seyreltik asit kullanılması en iyi yoldur. (Bu durum da düşük sıcaklık kullanılmasına genellikle yardımcı olur.) (a) Sikloheksanol elde etmek için yapılan sikloheksenin asit-katalizli hidrasyonun- -< daki bütün basamakları gösteriniz ve iyi bir ürün verimi almak için kullanacağınız genel koşulları belirtiniz, (b) Tersi olan tepkimeyi, sikloheksen eldesi için sikloheksanolün dehidrasyonunu gerçekleştirmek için kullanacağınız genel koşulları belir tiniz. (c) 1-Metilsikloheksene asit-katalizli su katılmasından hangi ürünü elde etmeyi umarsınız? Cevabınızı açıklayınız.

P ro bl em 8.5

Alkenlere su katılmasıyla ilgili bir karışık durum, çevrilmelerin meydana gelmesi dir. Çünkü, tepkime birinci basamakta bir karbokatyonun oluşumunu gerektirir ve baş langıçta oluşan karbokatyon daha kararlı olanını vermek üzere, eğer böyle bir çevrilme mümkünse, her zaman çevrilmeye uğrar. Buna bir örnek, 3,3-dimetil-l-bütene su katıl dığında 2,3-dimetil-2-bütanolün oluşmasıdır: CH3 I c h 3— c — c h =

OH ch2

ch3

3,3-Dimetil-l-büten

h , so 4

i

--► CH,—C

H ,0

3

I

CH,

CH—CH, ch,

2,3-Dimetil-2-bütanol (ana ürün)

3,3-Dimetil-l-bütenin asit katalizli hidrasyonunda 2,3-dimetil-2-bütanolün nasıl oluş- «< tuğunu gösteren bir mekanizmadaki tüm basamakları açıklayınız.

P ro bl em 8.6

Aşağıdaki alkenlerin asit katalizli hidrasyonunda aşağıdaki etkinlik sırası gözlenir. <

P ro bl em 8.7

(CH,)2C =C H 2 > Bu etkinlik sırasını açıklayınız.

c h 3c h = c h 2 > c h 2= c h 2

2-Metilpropen (izobütilen), kuvvetli bir asit içeren metanol içerisinde çözündüğün- *< de rcr-bütil metil eter, CH30(CH3)3, oluşturan bir tepkime meydana gelir. Bunu açık layan bir mekanizma yazınız.

Karbokatyon çevrilmelerinin meydana gelişi, alkollerin hazırlanmasında bir laboratuvar yöntemi olarak alkenlere su katılmasının yararlılığını sınırlandırır. Bölüm 1l ’de çok ya rarlı iki laboratuvar sentezini öğreneceğiz. Bunlardan oksiciva katılması-civa ayrıl ması olarak adlandırılanı, çevrilmeler olmaksızın, (H) ve (OH)'nin Markovnikov katılmasını sağlar. Hidroborasyon-yükseltgeme olarak adlandırılan diğeriyse (H) ve (OH)'nin anti-Markovnikov ve sin katılmasına imkan sağlar.

P ro b l e m 8.8

333

334


8 .6

A l k e n l e r e B r o m ve Kl o r Ka t il m a s i

Alkenler, klor ve bromla, nükleofilik özellik göstermeyen çözücüler içerisinde hızla tep kime vererek komşu dihalojenürler oluştururlar. Aşağıdakiler, bu tepkimenin özel ör nekleridir. CH,CH=CHCH, + C l,------- ►CH,CH—CHCH. (%100) -

—9°C

cı

cı

CH,CH,CH= CH, + C l,------- ►CH,CH,CH— CH, (%97) 3

—9°C

1

I

I

Cl

Cl

H ^ + enantıyomer (%95)

+ Br,

/rans-l,2-Dibromosikloheksan (rasemik bir yapı olarak)

Bu tepkimede brom kullanıldığında, tepkime karbon-karbon çoklu bağlarının var lığını test etmek için işe yarar. Bir alkene (veya alkine, bkz. Altbölüm 8.12) brom ila ve ettiğimizde, alken (veya alkin) ortamda aşırı miktarda bulunduğu sürece bromun kırmızı-kahve rengi hemen kaybolur. \ /

/ C — C

\

Bir alken (renksiz)

+ Br

-

oda sıcaklığı karanlıkta, CC1,

—c —c — Br Br fcomşH-Dibromür (bir renksiz bileşik)

Br,/CCl4 çözeltisinin renginin hızla kaybolması alken ve alkinler için bir testtir.

Bu davranış, alkanlarınkiyle belirgin bir zıtlık gösterir. Alkanlar, oda sıcaklığında ve ışıksız bir ortamda brom veya klorla önemli sayılabilecek bir tepkime vermezler. Bu nunla birlikte alkanlar, bu koşullarda tepkime verdiklerinde, tepkime katılmadan daha çok yer değiştirmeyle olur ve Bölüm 10’da tartışacağımız radikalleri içeren bir meka nizmayla gerçekleşir. oda sıcaklığı

■> önemli sayılabilecek bir tepkime vermez Br, karanlıkta, CC14 Brom Alkan (renksiz) (kırmızı kahverengi) R—H

+

8.6A Halojen Katılmasının mekanizması Halojen katılması için önerilmiş bir mekanizma, bir iyonik mekanizmadır.* Birinci basamakta, alkenin n bağının elektronları halojen atomuna aşağıdaki yolla atak yapar:

* Alkenler ve klor arasındaki bazı tepkimelerin, oksijen yokluğunda bir radikal mekanizmasıyla yürüdüğüne ilişkin deliller vardır. Bununla birlikte, bu mekanizmayı şimdilik burada tartışmayacağız.

8.7 Alkenlere Halojen Katılmasının Stereokimyası

T e p k i m e için B i r M e k a n i z m a

: B r:

Bromonyum iyonu Bromür iyonu Bir brom molekülü alkene yaklaştığında polarlaşır. Polarlanmış brom molekülü, alkene pozitif bir brom atomu (değerlik kabuğundaki altı elektronu ile) aktarır ve tepkime bir bromonyum iyonu oluşumu ile sonuçlanır.

=Br Br:

v c-c'

../ Br

İ""

Bromonyum iyonu Bromür iyonu Ao/zıû-Dibromür Bir bromür iyonu, iyonun bir karbon atomuna (veya ötekine) arka taraftan bir SN2 tepkimesiyle atak yaparak halkanın açılmasına neden olur ve bir &o//ı.jM-dibromür oluşur.

Alkenin n elektronları brom molekülüne yaklaştığında, brom-brom bağının elektron ları, yaklaşan alkenden daha uzakta bulunan brom atomuna doğru itilir. Sonuç olarak, brom molekülü polarlaşır (kutuplaşır). Daha uzakta bulunan brom üzerinde bir kısmî negatif yük oluşurken, daha yakın brom kısmî pozitif hale gelir. Polarlaşma brom-brom bağını zayıflatarak heterolitik olarak kırılmasına neden olur. Bir bromür iyonu ayrılır ve bir bromonyum iyonu oluşur. Bromonyum iyonundaki pozitif yüklü brom atomu iki elektron çiftiyle iki karbon atomuna bağlanır: bir çifti, alkenin iz bağından ve diğer çif tiyse brom atomundan (ortaklaşılmamış elektron çiftlerinin bir tanesi). Bu yolla, bro monyum iyonunun tüm atomları sekiz elektronludur (brom atomu hâlâ pozitif bir formal yüke sahip olmasına rağmen). İkinci basamakta, birinci basamakta oluşturulan bromür iyonlarından biri bromon yum iyonunun karbon atomlarından birine arka taraftan atak yapar. Nıikleofilik atak, üç üyeli halkanın açılmasıyla bir komşu-di brom ürün oluşumuyla sonuçlanır. Bu halka açılması (ilerideki şemaya bakınız) bir SN2 tepkimesidir. Bromonyum iyo nunun pozitif brom atomu ayrılan bir grup olarak davranırken, nükleofil olarak hareket eden bromür iyonu bir elektron çiftini kullanarak bromonyum iyonunun bir karbon ato muyla bağ oluşturur.

8 .7

A lkenlere H alo STER EO KİM YA SI

jen

Ka

tilm a s in in

Siklopenlene brom katılması, brom katılmalarında bromonyum iyonu ara ürünü için ek kanıtlar sağlar. Siklopenten, karbon tetraklorür içerisinde bromla tepkime verdiğinde.

335

336


anti katılma meydana gelir ve tepkimenin ürünleri, trans-1 ,2 -dibromosiklopentan enantiyomerleridir (rasemat olarak). Br

r r r-> 4

+ enantiyomer \ Br

H/

H Br trfl//s-l,2-Dibromosiklopentan

Siklopentene bromun bu anti katılması, birincil basamakta bir bromonyum iyonu nun oluşumunu içeren bir mekanizma yardımıyla açıklanabilir. İkinci basamakta, bir bromür iyonu halkanın karbon atomlarından birine bronyum iyonunun zıt tarafından atak yapar. Bu tepkime bir SN2 tepkimesidir. Bromıir iyonunun niikleoflik saldırısı, atağa uğrayan karbon atomunun konfigiirasyonunun tersine dönmesine neden olur (Altbölüm 6.9). Halkanın bir karbon atomundaki bu konfigürasyon değişikliği bir trans-1,2dibromosiklopentan enantiyomerinin oluşumuna yol açar. Diğer enantiyomer. bromür iyonunun bromonyum iyonundaki diğer karbon atomuna atağından oluşur.

' G

'

Bu tepkimenin molekül modelleriyle birlikte ince lennıesi, stereokimyasal sonucun açıklanmasına yardım eder.

Sikloheksen brom katılmasına uğradığında ürün //a/i5 -l, 2 -dibromosikloheksan enan tiyomerinin bir rasematıdır (Altbölüm 8 .6 ). Bu durumda da, anti katılma, bir bromon yum iyonu ara ürününün oluşumu ve ardından bir bromür iyonunun SN2 atağından kaynaklanır. Burada gösterilen tepkime, bir enantiyomerin oluşumunu açıklar. (Bromür iyonu bromonyum iyonunun diğer karbon atomuna saldırdığında veya bromonyum iyo nu halkanın diğer tarafından oluştuğunda diğer enantiyomer meydana gelir.)

Y /ra«.v-l,2-Dibromasiklolıeksan

8.7 Alkenlere Halojen Katılmasının Stereokimyası

Tepkimenin ilk ürününün diaksiyal konformer olduğuna dikkat ediniz. Bu. hızlı bir şe kilde diekvatoryal şekle dönüşür ve dengeye ulaşıldığında diekvatoryal yapı baskın du ruma gelir. Sikloheksan türevlerinin ayrılma tepkimelerinde gerekli konformasyonun diaksiyal olanı olduğunu daha önce görmüştük (Altbölüm 7.6C). Burada, sikloheksan katılmaya uğradığında (ayrılmanın tersi) ilk ürünün yine diaksiyal olduğunu görüyoruz. 8.7A

St ere oöz gü te pk im el e r

Bir alkene bir halojenin anti katılması bize, stereoözgü tepkime olarak adlandırılan bir tepkime örneği sağlar. Başlangıç maddesinin belirli bir stereoizonıerik şekli, ürünün özel bir stereoizonıerik şeklini verecek bir yolla tepkime verirse . bu tür tepkime stereoözgü dür. Bu, tep

kimenin mekanizması belirli bir yolda, atomların konfigiirasyonlarında değişiklik gerektirdiği için olur. cis- ve r/ww-2 -Bütenin bromla aşağıda gösterildiği gibi tepkime verdiğini düşünü nüz. rratts-2-Bütene brom katıldığında ürün, bir mezo bileşiği olan, (2/?.3.S)-2.3-dibromobütandır. cA-2-Bütene brom katıldığındaysa ürün, (2/C3S>2,3-dibromobütan ve (2/?,3S)-2,3-dibromobütanın bir rasemik şeklidir. Tepkime 1

CH,

H

H,C,

c

B r,

----—► ccı4 H

1

r B r^ H CH,

CH,

(2/f,3S)-2,3-Dibromobütan (bir mezo bileşiği)

!ra//s-2-Büten Tepkime 2

H ,C \ C

CH, Brv f ^ H

/H B r,

+

C C l,

H,C

H

c/s-2 -Bütene

î ^B r

ÇH3 Hv I > Br ‘C‘

CH,

B r^ 4 CH,

(İR,İR)

(2S.3S)

Başlangıç maddeleri olan m - 1-büten ve trans-2-böXtn stereoizomerdir, bunlar diastereomerlerdir. Tepkime 1'in ürünü. (2/?,3S)-2,3-dibromobütan, bir mezo bileşiğidir ve tepkime 2 ’nin ürünlerinden her ikisinin de (enantiyomerik 2.3-dibromobütanlar) steroizomeridir. Bu nedenle, tanım olarak her iki tepkime de stereoözgüdür. Bir reaktantm (örneğin. r/z///^-2 -bütenin). bir stereoizonıerik şekli bir ürün (mezo bileşiği ) verirken reaktantm diğer stereoizonıerik şekli (m - 2 -büten) stereoizonıerik olarak farklı olan bir ürün (enantiyomerler) oluşturur. Eğer, bunların mekanizmalarını incelersek bu iki tepkimenin sonuçlarını daha iyi an layabiliriz. Aşağıdaki çerçeveli kısımda verilen ilk mekanizma, m-2-bütenin nasıl brom kata rak akiral olan bromonyum iyonu ara ürününü oluşturduğunu göstermektedir. (Bromonyum iyonu bir simetri düzlemine sahiptir. Onu bulabilir misiniz?) Bu bromonyum iyonları, daha sonra (a) yolu ya da (b) yoluyla brornür iyonlarıyla tepkimeye girer. Yol (a) ile yü rüyen tepkime bir 2,3-dibromobütan enantiyomerini; yol (b) ile yürüyen tepkime ise di ğer enantiyomeri oluşturur. Tepkime, her iki yoldan da aynı hızda meydana gelir, bundan dolayı da iki enantiyomer eşit miktarlarda oluşur (bir rasemik yapı olarak).

A Stereoözgülük

337

338


Çerçeveli kısımdaki ikinci mekanizma, fra«.s-2-bütenin alt taraftan tepkimeye gire rek kiral olan bir bromonyum iyonu ara ürününü nasıl oluşturduğunu göstermektedir. (Öteki taraftan olan tepkime, enantiyomerik bromonyum iyonunu oluşturur.) Bu kiral bromonyum iyonunun (veya enantiyomerinin) bir bromür iyonuyla (a) yolu ya da (b) yoluyla olan tepkimesi aynı bileşiği, mezo-2,3-dibromobütanı oluşturur.

Tepkimenin Stereokimyası c/s- ve trons-2-Bütene Brom Katılması

ds-2-Büten, brom ile aşağıdaki mekanizmayla tepkimeye girerek enantiyomerik 2,3-dibromobütanları verir: H Br CH, (a) :B r: ^ C —C ^ H 'V \ 0 0 (b) H.C Br H JA CH3 H/y/, >H H3C ^ (2/î,3/?)-2,3-Dibromobütan < H3C

C=C t

(kiral)

CH,

'C É r:5-

H

,Br+

: Br :5+

(b)

Bromonyum iyonu (akiral)

h 3c ^

/

/ C—

Br

C ^h CH,

Br

(2S,3S)-2,3-Dibromobütan (kiral)

J U c/.v-2-Büten, brom ile tepkime vererek bir akiral bromonyum iyonu ve bir bromür iyonu oluşturur. [Alkenin diğer vü/.eyindeki (üst yüzey) tepkime aynı bromonyum ivonunu verecektir.]

Bromonyum iyonları bromür iyonları ile (a) ve (b) yollarıyla eşil hızlarda tepkime vererek eşit miktarlarda iki enantiyomer (yani bir rasamik yapı) oluşturur.

rrans-2-Büten, brom ile tepkimeye girerek w£,zo-2,3-bromobütan oluşturur. Br CH, (a) >H 9 c —Cv :B r:~ H""/ \ Br H3C H,, (/?,S)-2,3-Dibromobütan > CH3 (mezo) H h 3c H Br (b) H3C 4 / :Br: C—C0 "CH3 Bromonyum iyonu / İTıBr :ö" (kiral) ^H Br 's +

(R,S )-2,3-Dibromobütan

(mezo)

J L

u ira/fS-2-Büten, brom ile tepkime vererek kiral bromonyum iyonlarını oluşturur. [Diğer yüzeydeki (üst yüzey) tepkime, burada gösterildiği gibi, bromonyum iyonunun enantivomerini verecektir.]

_______

Bromonyum iyonları, (a) yolu ya da (b) yoluyla tepkimeye girdiğinde aynı akiral mezo bileşiğini oluştururlar. [Bromonyum iyonu ara ürününün enantiyomerinin tepkimesi aynı sonucu verecektir.]

8.8 Halohidrin Oluşumu

Altbölüm 8 .7’de, siklopentene brom katıldığında trans-1,2-dibromosiklopentanın bir -< enantiyomerinin oluşumuna ait bir mekanizmayı öğrendiniz. Şimdi, diğer enantiyomerin nasıl oluştuğunu gösteren bir mekanizma yazınız. 8 .8

H

İd r î n O

a l o h

P ro bl em 8.9

lu ş u m u

Eğer bir alkenin halojenlenmesi sulu çözelti içerisinde (karbon tetraklorür yerine) ger çekleştirilirse, toplam tepkimenin ana ürünü Â:owş7Y-dihalojenür değildir; onun yerine ha lohidrin olarak adlandırılan bir halo alkol oluşur. Bu durumda, çözücünün molekülleri de bir reaktant olarak davranır. \

C=C

/

/

I I

I I

+ X, + H . O — ►— C— C — + — C— C— + HX

\

-

2

I I

I I

X OH Halohidrin (en çok)

X = C1 veya Br

X X Aromşrı-Dihalojenür (en az)

Halohidrin oluşumu aşağıdaki mekanizmayla açıklanabilir.

Tepkime için Bir Mekanizma _______ B ir Alkene B rom Katılması

h/,, 1. Basamak

^

v c—

C=C

:X :

\ /

X

:X =8+ İH

Halonyuın iyonu

:X =6-

Halojenür iyonu

Bu basamak, bir alkene halojen katılması için olanla avnıdır. :0 — H H 1 1 O ^H H :o / & v; + H— O—H c — ► c —c V'"o / V" I X, v H H 1

2. ve 3. Basamak

C—C \/£

+ :0 — H

Halonyum iyonu

H

X..

Protonlanmış halohidrin Bununla birlikte, burada bir su molekülü nükleofil olarak davranarak halkanın bir karbon atomuna atak yapar ve protonlanmış bir halohidrinin oluşumuna neden olur.

Halohidrin Protonlanmış halohidrin bir proton kaybeder (proton bir su molekülüne aktarılır). Bu basamak, halohidrin ve hidronyum iyonlarını oluşturur.

Birinci basamak, halojen katılması için olanla aynıdır. Bununla birlikte, ikinci basa makta bu iki mekanizma farklılaşır. Halohidrin oluşumunda, su molekülü nükleofil ola rak hareket eder ve halonyum iyonunun bir karbon atomuna atak yapar. Üç üyeli halka açılır ve protonlanmış bir halohidrin oluşur. Daha sonra, bir protonun kaybedilmesi ken diliğinden halohidrin oluşumuna yol açar. (Bu tartışmaya sayfa 342 de devam edilecek tir.)

339

a

ımyası

S im e trik O lm a y a n S ü b stitü e B ro m o n y u m İ y o n la r ı n d a Y e r S eçicilik: E t e n , P r o p e n v e 2 - M e t i l p r o p e n i n B r o m o n y u m İy o n la rı.

Şekil 8.A Alkil s. gruplarının sayısı ( O arttırıldıkça kar bon daha fazla pozitif yük barındırabilir ve brom onun elektron yoğunluğu nun daha azına katkıda bulunur.

340

- B i r nükleofil. bir bromonyum iyonuyla tepkimeye girdiğinde, Markovnikov konum kimyasına (İng. regiochemistry) göre katılma meydana gelir. Örneğin, bromolıidrinlerin oluşumunda brom, en az sübstitüe olmuş karbon atomuna; hidroksil grubu (suyun nükleofilik atağından gelen) ise daha fazla sübstitüe olmuş karbon atomuna (yani bro monyum iyonunda daha fazla pozitif yük bulunduran karbona) bağlanır. Eten, propen ve 2 -metilpropenden oluşmuş olan bromonyum iyonlarına, yük dağılımı, bağ uzunluk ları ve en düşük boş moleküler orbitallerinin (LUMO) şekilleri açısından daha dikkat lice bakılırsa, bu etkenlerin Markovnikov katılmalarının gözlenen sonuçlarını desteklediği görülür. Eten, propen ve 2-metilpropenin bromonyum iyonlarında ki elektron yoğunluğunun bağıl dağılımı, bitişikteki hesaplan mış elektrostatik potansiyel ha ritalarında gösterilmektedir (Şekil 8 .A). Daha önce kullan dığımız elektrostatik potansiyel haritalarında olduğu gibi kırmı zı, bağıl negatif alanları: mavi ise bağıl pozitif (veya daha az negatif) alanları göstermektedir. Bu üç yapıdaki yük dağılımlarının haritasını çıkarmak için aynı mutlak renk ölçeği kullanılır, böylece, birbirleriyle doğrudan karşılaştırılabi lirler. Bu yük yoğunluğu haritalarında açıkça göze çarpan özellik, bromonyum iyonla rında alkil gruplarının sayısının artmasıyla, daha fazla alkil grubuna sahip olan karbonun bromdan gelen elektron yoğunluğu yardımıyla olan kararlılığa daha az ihtiyaç göster diğidir. Örneğin, etenin bromonyum iyonunda (I), brom atomu elektron yoğunluğuna önemli ölçüde katkı sağlar. Bu, elektrostatik potansiyel haritasında, broma yakın yer lerde daha fazla yeşil ve sarı (yani daha az kırmızı) renklerle belirtilmiştir. Diğer uçta olan 2 -metilpropenden oluşan bromonyum iyonunda (III), üçüncül karbon önemli öl çüde pozitif yük barındırabilir ve bundan dolayı pozitif yükün büyük bir kısmı orada (elektrostatik potansiyel haritasında üçüncül karbonda koyu maviyle gösterildiği gibi) toplanır. Brom, elektron yoğunluğunun büyük kısmını üzerinde (broma yakın yerlerde kırmızı renkle gösterildiği gibi) tutar. Bu yapı, 2-metilpropenden oluşturulan bromon yum iyonunun, aslında karbon atomlarındaki bir üçüncül karbokatyonun yük dağılımı na sahip olduğunu gösterir. Propenden oluşan, bir ikincil karbon atomuna sahip olan bromonyum iyonunun ise, bromdaki elektron yoğunluğundan, etende (I) olduğu kadar değilse de, 1 1 ‘de broma yakın yerlerin daha hafif sarıyla gösterildiği gibi biraz yarar lanır. Toplam olarak, bir nükleofil, sübstitüe bromonyum iyonları II ya da IH'ün her hangi biriyle tepkimeye girdiğinde, Markovnikov konum kimyasına uygun olarak daha büyük pozitif yük taşıyan karbona atak yapar. Yani, su (bir nükleofil) II ile tepkime ye girdiğinde halohidrin ürün CH3CHOHCH:Br ve su III ile tepkimeye girdiğinde halohidrin ürün (CH3)2CHOHCH2Br,dir (bkz. sayfa 342)._________________________

Şekil

8 .B

Pozitif yükün ( O kararlı kılınması için bromdan sağlanması gereken elekt ron yoğunluğu azaldıkça, merkez karbonundaki karbon-brom bağ uzun luğu (angstrom olarak verilmiştir) artar. İlave alkil grupları yükün ka rarlı kılınmasına yardım ettiğinden, bromdan da ha az elektron yoğunluğu sağlanmasına gerek var dır.

Şekil

8

.C

Bromonyum iyo nuna bağlı alkil gruplarının sayısının ar tırılmasıyla, nükleofilden sağlanan elektron yoğun luğunun bulunacağı LUMO’nun lobu, çok daha fazla sübstitüe olmuş olan karbona doğru ka yar.

Bu üç bromonyum iyonundaki C—Br bağ uzunlukları benzer ola yı anlatır (Şekil 8 .B). Etenin bromonyum iyonunda (I), C—Br bağ uzunlukları kuşku suz iyondaki simetri den dolayı eşdeğerdir ve bu değer 2,06 A'dur. Pı openin bromonyum iyonunda (II) ikincil karbonu kapsayan C—Br bağı 2.17 Â iken birincil karbon atomuyla olan bağın uzunluğu 2,03 Â’dur. İkin cil karbon atomuyla olan bağın daha uzun olması, bromdan bu ikincil karbon atomuna olan elektron yoğunluğu katkısının daha az olmasıyla uyumludur, çünkü ikincil karbon, yükü birincil karbondan dalla iyi banndırabilir. 2-Metilpropenin bromonyum iyonunda (III), üçüncül karbonu içeren C—Br bağı çok uzundur ve 2,39 A olarak ölçülmüştür. Di ğer taraftan birincil karbonu içeren C—Br bağı ise 1,99 Â’dur. Bu durum, üçüncül kar bondaki (aslında bir üçüncül karbokatyona benzer hale gelmiştir) yükü kararlı kılmak için bromdan gelen elektron yoğunluğu katkısının önemli ölçüde az olacağını, oysa bi rincil karbonla olan bağın tipik bir alkil bromiir için beklenenle benzer olduğunu göster mektedir. Son olarak, hesaplamalar, bu üç bromonyum iyonunun en düşük boş moleküler orbitallerinin, bu iyonların etkinliklerinin konum kimyasıyla da uyumlu olduğunu göster mektedir. Niikleofil içeren tepkimeler göz önüne alındığında elektrofilin LUMO’su, bir bağ oluşturduğunda nükleofilden gelecek olan elektron yoğunluğunu alan orbitali tem sil eder. Şekil 8 .C'de üç bromonyum iyonu için, her birinin LUMO’larının tam şekli gösterilmiştir (farklı renkler, basitçe, orbital lopların matematiksel fazını göstermektedir). Bununla birlik te, dikkatimizi üzerine yoğunlaştırdı ğımız LUMO'nun lopları, her birinde, bromonyum iyonunun üç üyeli halka kısmına zıttır (iyonun karbonlaruıın "altında"). Etenin bromonyum iyonu nun LUMO’su (I), simetriden dolayı, niikleofil in atak yapabileceği iki karbona yakın olan LUMO lobunun eşit dağılımını gös terir. Niikleofil, etenin bromonyum iyonunun her iki karbon atomuna da kuşkusuz eşit bir şekilde bağlanır. Propenin bromonyum iyonunda (II), karşılık gelen LUMO lobunun daha fazla sübstitüe olan karbon atomuyla birleşik olarak hacmin çoğuna sahip olması, nükleofilden sağlanan elektron yoğunluğunun en iyi burada barındınlacağını gösterir. Bu, gözlenen Markovnikov katılmasıyla uyumludur. Son olarak, 2-metilpropenin bromon yum iyonunda (III), üçüncül karbon atomuyla birleşik olan LUMO’nun bu lobu hemen hemen tüm hacme sahiptir ve gerçekten birincil karbonla hiç bir ilişkisi yoktur. Bu da, niikleofilin, üçüncül karbon atomuna gözlenen atağıyla uyumludur.

341

342


Su molekülü, burada ve diğer pek çok tepkimede, ortaklaşılmamış elektron çiftin den dolayı bir nükleofil olarak davranır. Bu olayda, su molekülleri halojenür iyonların dan sayıca fazladır, çünkü su, reaktantlar için çözücüdür. Bu da halohidrinin ana ürün oluşunu açıklar. P ro b l e m 8 . 10

>■ Siklopenten bromun bir sulu çözeltisiyle etkileştirildiğinde fra/ıs-2-bromosiklopentanol ve enantiyomeri oluşur. Bunu açıklayan bir mekanizma öneriniz. +

Br

Br

/rans-2-BromosiklopentanoI enantiyomerleri

Eğer alken simetrik değilse, halojen en fazla hidrojen atomu bulunduran karbon ato muna bağlanır. Ara ürün olan bromonyum iyonundaki bağlanma asimetriktir (önceki çerçeveli kısma bakınız). Oldukça fazla sübstitüe olmuş karbon atomu, daha kararlı karbokatyona benzediğinden daha büyük pozitif yük taşır. Sonuç olarak, su, öncelikle bu karbon atomuna atak yapar. Birincil karbon atomuna olan atak daha az sterik engelli ol sa bile, üçüncül karbon atomundaki daha büyük pozitif yük, daha düşük serbest aktif leşme enerjili bir yola imkan sağlar. OH,

\

C=C H ,

13C

P ro b l e m 8 . 1 I

CH3 —c —CH, Br «+

CH3—Ç—CH,Br — ^

?H

CH3— Ç—CH,Br

CH,3

CH,3

(%73)

>■ Eten gazı, brom ve sodyum klorürün bir sulu çözeltisinden geçirildiğinde tepkime nin ürünleri BrCH2CH2Br, BrCH2CH2OH ve BrCH2CH2Cl’dir. Her bir ürünün nasıl oluştuğunu mekanizmalarıyla yazarak gösteriniz.

8 .9

İKİ D E Ğ E R L İ K L İ K A R B O N B İ L E Ş İ K L E R İ : Ka r b en ler

Karbonun, yalnız iki bağ oluşturduğu bir grup bileşik de vardır. Bu nötr, iki değerlikli karbon bileşikleri karbenler olarak adlandırılırlar. Karbenlerin pek çoğu, yalnızca kısa süre var olabilen oldukça kararsız bileşiklerdir. Karbenler oluşur oluşmaz hemen bir baş ka molekülle tepkimeye girerler. Karbenlerin tepkimeleri özellikle ilginçtir, çünkü bu tepkimeler bir çok durumda farkedilebilir bir stereoözgü özellik gösterirler. Karbenle rin tepkimeleri, üç üyeli halkalı bileşiklerin eldesinde geniş ölçüde kullanılır.

Bisiklo[4.1.0]heptan

8.9A

Metilenin Yapısı ve T e p k i m e l e r i

En basit karben, metilen (CH2) olarak adlandırılan bileşiktir. Metilen, çok zehirli sarı bir gaz olan diazometanın (CH2N2) bozunmasıyla elde edilir. Bu bozunma tepkimesi, diazometanın ısıtılmasıyla (termolizle) veya onun soğurabileceği bir dalga boyundaki ışıkla ışınlamayla (fotolizle) gerçekleştirilir.

8.9 İki Değerli Karbon Bileşikleri: Karbenler : C H , - r N = N : veya ışık ► =CH,

+ :N = N:

2 ^1

Diazonıetan

Metilen

Azot

Diazometanın yapısı gerçekte üç yapının bir rezonans melezidir. ;CH2— N = N: ◄—► C H ,= N = N: ◄ —►:CH2 — N = N: I

n

III

Biz, diazometanın bozunmasını göstermek için rezonans yapısı Fi seçtik, çünkü meti len ve moleküler azotun oluşumuyla sonuçlanan karbon-azot bağının heterolitik kırıl ması I ile kolayca gösterilebilir. Metilen, ikili bağa katılmak suretiyle alkenlerle tepkime vererek siklopropanlar oluş turur.

: CH,

+

u II

u

/

\

\

/ C— C / \/ \ c

- ->

ü ' XH Alken

Metilen

Siklopropan

8.9B D iğ er karbenlerin T e p k i m e l e r i : Dihal oka rbe nle r Dihalokarbenler, alkenlerden siklopropan türevlerinin sentezinde de sıkça kullanılırlar. Dihalokarbenlerin bir çok tepkimesi stereoözgüdür. R/f,,

:CX2 katılması stereoözgüdür. Eğer, alkenin R grupları trans ise, bunlar ürünlerde de trans olacaktır. (Eğer, alkil grupları başlangıçta cis olsalardı, bunlar üründe de cis olacaklardı.)

\H

,C = C ^

R

-M

CCI,----► C A CİCİ

Diklorokarben, kloroformdan hidrojen klorürün elementlerinin a ayrılmasıy\a sentezlenebilir. Bu tepkime, alkil halojenürlerden alkenlerin sentezlendiği ¡3 ayrılma tep kimelerine benzer (Altbölüm 6.16). R — Ö:-K++H:CC13 * = * R— Ö:H + : CC13 + K+ ___ ► ••

••

yavaş

: CC12

+ :CI:~

Diklorokarben

Bir P hidrojenine sahip bileşikler, özellikle fi ayrılmasıyla tepkime verirler. (3 Hidro jeni bulundurmayan, fakat a hidrojenine sahip bileşikler (kloroform gibi) ise a ayrıl masıyla tepkime verirler. Çeşitli siklopropan türevleri, alkenlerin varlığında diklorokarben oluşturularak ha zırlanmışlardır. Örneğin sikloheksen. kloroformun potasyum /
K O C Ç C IÇ ), C H C l,

*

H 7,7-Diklorobisiklo[4.1.0Jheptan (%59)

343

344


8.9C

K arbenoitler: Sim m ons-Sm lth Siklopropan Sentezi.

Yararlı bir siklopropan sentezi. Dupont Şirketimden H. E. Simmons ve R. D. Smith ta rafından geliştirilmiştir. Bu sentezde, diiyodometan ve bir çinko-bakır İkilisi bir alkenle birlikte karıştırılır. Diiyodometan ve çinko tepkime vererek, karbenoit olarak adlandırılan karbene benzeyen bir tür oluşturur. CH2I, + Zn(Cu)----► TCH2ZnT Bir karbenoit

Daha sonra, oluşan bu karbenoit. bir CH2 grubunun doğrudan ikili bağa stercoözgü ka tılmasına neden olur. P ro bl em 8 . 12

^

Aşağıdaki tepkimelerin her birinden hangi ürünün oluşacağını umuyorsunuz? KOC(CH2), (a) rra/7.y-2 -Büten CHC1, * KOC(CH.), (b) Siklopenten CHBr, (c) cıs-2 -Büten

CH,I,/Zn(Cu) ----—--------- ► dietil eter

P ro bl em 8 . 13

>- Sikloheksenden başlayarak ve herhangi diğer ihtiyaç duyulan reaktifleri kullanarak, 7,7-dibromobisiklo[4, l,0|heptanın sentezini tasarlayınız.

P ro b l e m 8 . 14

>- Sikloheksenin 1,1-diiyodoetan ve bir çinko-bakır İkilisiyle etkileştirilmesi iki izomerik ürünün oluşmasına yol açar. Bunların yapıları nasıldır?

8 .1 0

A LK E N LER İN Y Ü K S ELTG EN M ES İ: SİN H İD R O K S İL L E M E

Alkenler. karbon-karbon ikili bağının yükseltgendiği bir takım tepkimeye uğrarlar. Ör neğin, potasyum permanganat ve osmiyum tetraoksit. alkenleri. glikoller olarak adlan dırılan 1 ,2 -dioIlere yükseltgemek için kullanılabilirler. CH2= C H 2 + KMn0 3

soğuk O H , 11,0

H,C—CH, OH OH 1,2-Etandioi (etilen glikol)

Eten Siklopentene osmiyum tetraoksit katılması

(1) OsOj. pi ridin

CH3CH =CH 2 _________ _

__________________________ w. /-’u

(2) N a,S0,/H ,0 veya NaHS03/H ,0

p u

3I

OH Propen

___r u

|

2

OH

1,2-Propandiol (propilen glikol)

8 . 1 OA A lke nl eri n Sin Hidroksillenmesinin Mekanizması Glikollerin. permanganat iyonu ve osmiyum tetraoksitle yükseltgenıne yoluyla oluşumla rının mekanizmaları, önce halkalı ara ürünlerin oluşumunu içerir. Daha sonra, birkaç ba samakta oksijen-metal bağında kopma meydana gelerek (aşağıdaki tepkimelerde kesikli çizgilerle gösterildiği gibi) sonunda glikol ve MnCbveya osmiyum metali oluşur.

8.10 Alkenlerin Yükseltgenmesi: Sin Hidroksilleme

\ / C=C / \

c I oX X O

V / * O

OHH ,()

birkaç

Mn

X

\

basamak

—C— c — I I OH OH +

O“ MnO,

o

Nc - X\ --------— cy - c - ^H:()* / pındın

°x x° +

I I —c — c — I I OH OH

/ ° \ O O

X O Osv X \ o o 0

Bir osmat esteri

Os

Bu tepkimelerin meydana geliş şekli sin hidroksilleme türiindedir. Siklopentenin (baz içerisinde) soğuk seyreltik potasyum permanganat veya osmiyum tetraoksit (ardından NaHSO, veya Na2SO, ile etkileştirilir) ile tepkimesinde bu durum kolaylıkla görülebi lir. Her iki durumda da ürün c/s-l ,2 -siklopentandioldür. (cis-1,2-Siklopentandiol bir ırıezo bileşiğidir.) Mn04"

soğuk

OH

OH

c/s-1 ,2-Siklopentandiol

(bir ınezo bileşiği)

Sin lıidroksillemede kullanılan iki reaktiften osmiyum tetraoksit daha yüksek verim lidir. Bununla birlikte, osmiyum tetraoksit oldukça zehirlidir ve çok pahalıdır. Bu ne denle geliştirilen yöntemler Os0 4’ün bir ortak yükseltgeyiciyle birlikte katalizör olarak kullanılmasına imkan verir.* Potasyum permanganat çok güçlü bir yükseltgeyici mad dedir ve Altbölüm 8 .1 1'de göreceğimiz gibi, glikolun claha ileri yükseltgenmesine ko laylıkla neden olabilir. Tepkimeyi yalnız hidroksillemeyle sınırlamak çoğunlukla zordur, fakat genellikle soğuk, seyreltik ve bazik potasyum permanganat çözeltilerinin kullanıl ması denenir. Öyle olmasına rağmen, ürünlerin verimi bazen çok düşüktür. * Osmiyum tetraoksit ve kiral ligandlar kullanarak 1.2-diol oluşumu için bir enantiyoseçimli katalitik işlem açıklanmıştır. (Bkz. Corey. E. J.; Noe, M. C., ve arkadaşları, J. A m . C henı. S o c ., 1996, ¡1 8 . 319—329 ve Nelson, D. W.; Sharpless, K. B.. ve arkadaşları. A m . C h e m . S o c .. 1997. 119, 1840—1858.)

345

346


P ro b l e m 8.15

^

Bir alkenden başlayarak aşağıdakilerden her birinin sentezini tasarlayınız: çh3

ç h 2c h 3

(ve enantiyomeri)

P ro bl em 8.16

^

(ve enantiyomeri)

Aşağıdaki olayları açıklayınız: (a) (Z)-2-Bütenin piridin içerisindeki 0 s 0 4 ve son ra NaHS0 3 ile etkileştirilmesi optikçe aktif olmayan ve enantiyomerlerine yarıla mayan bir diol verir, (b) (£)-2-B(itenin 0 s 0 4 ve sonra NaHSO, ile etkileştirilmesi optikçe aktif olmayan fakat enantiyomerlerine yarılabilen bir diol verir.

8.1 I

A

l k e n l e r İn

Y

ü k seltg em eli

Bö

lü n m esi

Monosübstitüe karbon atomlu alkenler sıcak bazik permanganat çözeltileriyle yükseltgenerek karboksilik asitlerin tuzlarına bölünürler. Bu tepkimeyi, cis- veya trans-2-bütenin her ikisinin de yükseltgenerek iki mol asetat iyonuna bölünmesiyle gösterebiliriz. Bu tepkimede ara ürün bir glikol olabilir ve bu da karbon-karbon bağının bölünmesiy le daha ileri bir yükseltgenmeye uğrar. O O IJ+ Z' ✓ KMnO.,, OH~. H,0 ►2 CH,C 2 CH.C CH3CH=j=CHCH3 \ 1 \ OH O (cis veya trans)

Asetat iyonu

Asetik asit

Yükseltgenme tamamlandıktan sonra karışımın asitlendirilmesi 2-bütenin her bir molü başına iki mol asetik asit oluşturur. Herhangi bir 1-alken molekülünde, uçtaki CH, grubu, sıcak permanganat çözeltisiy le tamamen karbondioksit ve suya yükseltgenir. Bir ikili bağdaki disübstitüe bir karbon

\

atomu, bir ketonun ^ C = 0 CH. |

3

grubuna dönüşür (Altbölüm 2.10).

(1) KMn04,0 H -

CH.

CH.CH,C=İ=CH,----- ---------------- ►C H ,C H ,C = 0 + 0 = C = 0 + H ,0 ı

*

( 2 ) H ,C T

Alkenlerin yükseltgemeli bölünmesi, bir alken zinciri veya halkasındaki ikili bağın yerinin belirlenmesinde kullanılmaktadır. Muhakemeye yönelik bu işlem, bizim geriye dönük sentetik analizde yaptığımız gibi, geriye doğru düşünmemizi gerektirir. Burada, üründen çıkarak, bu ürünleri verebilen reaktanta doğru geriye gitmemiz gerekir. Aşağı daki örneklerle, bunun nasıl yapılabildiğini görebiliriz: >• Örnek Problem ----------------------------------------------------------------------------------------------C8H 16 kapalı formülüne sahip bilinmeyen bir alkenin sıcak bazik permanganat çözel tisiyle yükseltgendiğinde bir üç karbonlu karboksilik asit (propanoik asit) ve bir beş karbonlu karboksilik asit (pentanoik asit) verdiği bulunmuştur. Bu alkenin yapısı na sıldır? o O (1) KMn04, H ,0,

---- ------------►CH,CH2C—OH + HO—CCH,CK,CH,CH3

8 16 (2) H30 +

3

2

2

Propanoik asit

Pentanoik asit

2

2

3

8.11 Alkenlerin Yükseltgemeli Bölünmesi

Cevap: Yükseltgemeli bölünme aşağıdaki gibi meydana gelmelidir ve bilinmeyen alken de cis- veya /rans-3-okten olmalıdır. Bölünme burada meydana gelir

CH3CH2CH4= c h c h 2c h ,c h ;c h , Bilinmeyen alken (cis- ya da /rons-3-okten)

(1) KMn04, H,0, OH , ısı (2) H ,0-

O

o

►CH,CH2C— OH + HO— CCH2CH2CH2CH,

Örnek Problem C7 H 12 kapalı formülüne sahip bilinmeyen bir alken, sıcak bazik Kmn0 4 çözeltisiyle yükseltgendiğinde, asitlendirildikten sonra, yalnız aşağıdaki ürünü vermektedir: (1) KMn04, H,0,

O

O

---- ^ CH,CCH,CH2CH7CH,C—OH

7 12 (2) H30

3

2

2

2

2

Cevap: Ürün reaktantla aynı sayıda karbon atomu içerdiğinden, akla yatkın tek açık lama, reaktantın bir halkada bulunan bir ikili bağa sahip olduğudur. Bu ikili bağın yükseltgemeli bölünmesi halka açılmasına yol açar. O O (1) KMn04, H,0, OHMsı (2) H ,0+

c h 3c ch 2ch 2c h 2c h 2c — OH

Bilinmeyen alken (1-metilsikloheksen)

8.1 I A

A lk en le ri n O zo n la nm a sı

Bir alkenin ikili bağının yerinin belirlenmesi için daha çok kullanılan bir yöntem ozon (0 3) kullanımını içerir. Ozon, alkenlerle şiddetlice tepkimeye girerek, başlangıç ozonürleri olarak adlandırılan kararsız bileşikleri oluşturur ki bu moleküller de kendiliğin den (ve genellikle gürültülü bir biçimde) çevrilmeye uğrayarak ozonürler olarak bilinen bileşikleri verirler.

j T e pk im e için Bir Mekanizma : Bir A lk e n d e n O zo n ü r O lu şu m u

Başlangıç ozonürü Ozon, alkene katılarak bir Başlangıç ozonürü parçaları başlangıç ozonürü oluşturur.

:ö -o 4 x

-9-Q/ X Ozonür

Bu parçalar yeniden birleşerek

........

347

348


Bu çevrilme tepkimesinde, başlangıç ozonıiriin etkin parçalara ayrıştığı ve bu parçala rın da yeniden birleşerek ozonürü oluşturduğu düşünülmektedir. Ozonürler, kendiliklerinden, çok kararsız bileşiklerdir ve düşük molekül kütleli ozonürler çoğu kez çok şiddetli patlarlar. Bu özellikten dolayı, bunlar genellikle izole edil mezler, fakat çinko ve asetik asit (HOAc) ile etkileştirilerek doğrudan indirgenirler. Bu indirgeme ürünleri, güvenli bir şekilde izole edilebilen ve yapıları belirlenebilen karbo nil bileşikleridir (ya aldehitler ya da ketonlardır, bkz. Altböliim 2.10). \

C / \ :0

HOAc

/

\

..

.•

/

C + Z n------- ► C = 0 + 0 = C + Zn(HOAc), / \ / " \ —0 ;

Ozonür

Aldehitler ve/veya ketonlar

Ozonlama işlemini, karbon-karbon ikili bağının aşağıdaki şekilde parçalanması için çinko ve asetik asitle indirgeme izler. R \

R" j_

R'

/

(1) Oj, ClTCl-,. —78°C ^ (2) Zn/HOAc *

H

R \ C= O + /

0

/ =C^

R" H

İkili bağa bağlı bulunan bir — H'nin. permanganatla yükseltgemede olduğu gibi — OH’ye yükseltgenmediğine dikkat ediniz. Aşağıdaki örnekleri, bu sürecin tamamının bir gös terimi olarak gözönüne alınız. CH, (1) 0 3, CH2C1,, —78°C ^

CH,C=yCHCH, 2-Metil-2-büten

(2) Zn/HOAc

C H ,C = 0 + Aseton

c h 3c h

Asetaldehit

CH, O

CH,

O

(1) O..CH,Cl„ -78°C

CH,CH— c h =

----- —-------- ► CH,CH— CH c h 2 ----(2) Zn/HOAc İ/.obütiraldehit

3-Metil-l-büten

P ro bl em 8.17

+

HCH Formaldehit

► Ozon ve daha sonra çinko ve asetik asitle etkileştirildiğinde aşağıdaki ürünleri ve rebilecek olan alkenlerin yapılarım yazınız. (a) CH3COCH, ve CH,CH(CH3)CHO (b) Yalnız CH,CH2CHO (bir mol alkenden 2 mol oluşur)

8 .1 2

A

lk în le r e

B

rom

ve

K

lor

Ka

tilm a s i

Alkinler de alkenlerin yaptıkları gibi klor ve broma karşı aynı tür tepkimeleri verirler: Alkinler de katılma tepkimesi verirler. Bununla birlikte, alkinlerle olan katılmalar, et kileştirdiğimiz halojenin mol sayısına bağlı olarak bir veya iki defa gerçekleşebilir. Br Br Br \ / Br, Br, C=C — C = C- ccı4 ccı,1 — C—C/ \ Br Br Br Dlbromoalken

Tetrabromoalkan

8.13 Alkinlere Hidrojen Halojenür Katılması

Cl, \ / —C = C — CCIj r r , ► / C = C\ cr

Cl

cı cı Cl, I I rr] ► — c —c — ccı^ I I cı cı

Dikloroalken

Tetrakloroalkan

Bir dihaloalkenin elde edilmesi basitçe bir eşdeğer mol halojenin katılmasıyla mümkün dür. CH,CH,CH,CH,C = CCH-.OH 1,1:1' mol> ►CH,CH,CH,CH,CBr = CBrCILOH •

-

-

-

-

CC14

,

2

2

2

°°c (%80) Klor ve bromun alkinlere katılmasının çoğu anti katılmadır ve rra/?5 -dihaloalkenleri oluş tururlar. Örneğin, bromun asetilendikarboksilik asite katılması, %70 verimle trans- izo mer verir. HO,C Br Br, ' \ / HO^C — C = C—CO,H — '-*■ C=C 2 2 / \ Br C02H Asetilendikarboksilik asit

(%70)

Alkenler, elektrofilik reaktiflerin (Br2, Cl2 veya HC1 gibi) katılmalarına karşı alkin- -< lerden daha etkindirler. Alkinler ile bu elektrofilik reaktiflerin aynılarının bir eşde ğer molü etkileştirildiğinde katılmayı "alken basamağında" durdurmak kolaydır. Bu durum mantıksız gibi görünmektedir, fakat öyle değildir. Bunu açıklayınız.

8 .1 3

ALK İN LER E HİD R O JEN H A LO JE N Ü R K ATILM ASI

Alkinler, kullanılan hidrojen halojenürün bir veya iki eşdeğer mol olup olmadığına bağ lı olarak hidrojen klorlir ve hidrojen bromürle tepkime verirler ve haloalkenleri veya ikiz dihalojenürleri oluştururlar. Her iki katılm a da yer seçimlidir ve M arkovnikov kuralını takip eder:

H — C= C

HX

\ / c=c / \

HX

Haloalkan

H X I I —c — c — I I H X ı'Arız-Dihalojenür

Hidrojen halojenürün hidrojen atomu, en fazla hidrojen atomu bulunduran karbon ato muna bağlanır. Örneğin, 1 -heksin bir eşdeğer mol hidrojen bromürle yavaşça tepkime ye girerek 2 -bromo-l-heksen ve iki eşdeğer mol hidrojen bromürle 2 .2 -dibromoheksan oluşturur. Br c 4h , c = c h

HBr

----- ►c 4h 9— c =

ch2

Br 2-Broıno-l-heksen

HBr

— ► c 4h 9— ç — c h , Br 2,2-Dibromoheksan

Bir alkine HBr katılması, sulu hidrojen bromür yerine asetil bromür (CH,COBr) ve alümina kullanılarak daha kolay gerçekleştirilebilir. Bir HBr kaynağı olarak davranan asetil bromür, alüminayla tepkimeye girerek HBr’yi oluşturur. Karışımda alüminanın

P ro b l e m 8 . 18

349

350

Bölüm 8 / Alkenler ve Alkinler II: Katılma Tepkimeleri varlığı tepkimenin hızını arttırır (Altbölüm 8.2). Örneğin, bu yöntem kullanılarak 1-hep-

tin iyi bir verimle 2 -bromo-l-heptine dönüştürülebilir. Br \ “ HBr” C =C H , C5HnC = C H ------------------► CH?COBr/alümina / 2 CH2C12 C5Hn (%

82)

Tepkime karışımında peroksitler bulunduğunda hidrojen bromürıin alkinlere katıl ması anti-Markovnikov katılması şeklinde gerçekleşir. Bu tepkimeler serbest radikal me kanizması üzerinde yürür (Altbölüm 10.9). HBr

CH3CH2CH2CH2C = C H

peroksitler

CH2CH2CH2CH2CH=CHBr (%74)

Alkinlere su katılması, ketonların sentezinde bir yöntem olarak, Altbölüm 16.5’te tartı şılmıştır.

8 .1 4

A

l k İn l e r î n

Y

ü k seltg em elî

Bö

l ü n m e s

İ

Alkinlerin, ozon veya bazik potasyum permanganatla etkileştirilmesi karbon-karbon üç lü bağının kırılmasına neden olur. Burada oluşan ürünler karboksilik asitlerdir:

(D 03

veya

R — C = C — R--------------►RC02H + R'COıH (2) HOAc R— C= C— R

P ro bl em 8.19

( I) KMn04, OH------------ ► RC 0 2H + R 'C 0 2H

^

A ve B alkinleri, C8H ,4 molekül formülüne sahiptir. Bileşik A veya B, bir metal ka talizör varlığında aşırı hidrojenle etkileştirilirse oktan oluşur. Bir C bileşiğinin (C8H 12) de benzer şekilde etkileştirilmesi CSH ,6 formülüne sahip bir ürün verir. Alkin A’mn önce ozon ve daha sonra asetik asitle etkileştirilmesi tek bir ürün, CH3CH2CH2C 0 2H oluşturur. Alkin C ’nin de önce ozon ve daha sonra suyla etki leştirilmesi yine tek bir ürün, H 0 2C(CH2)6C 0 2H verir. B bileşiğinin ÎR spekturumunda ~3300cnT] ’de bir soğurması vardır. A, B ve C bileşikleri nelerdir?

8.

I5

S E N T E T İK STRATEJİLER İN Y E N İD E N G ö z d e n G e ç îr îlm e s İ

Bir sentezin plânlanmasında, birbiriyle ilgisi olan dört durumu göz önüne almalıyız: 1. Karbon iskeletinin oluşturulması 3. Konum kimyasının kontrolü 2. Fonksiyonel gruplarının birbirine dönüştürülmesi 4. Stereokimyanın kontrolü Daha önceki kısımlarda, sentetik stratejilerin ilk ikisi hakkında bazı deneyimler edin miştiniz. Altbölüm 4.20’de, geriye doğru sentetik analiz düşüncesi ve bu tür düşüncenin alkan ve sikloalkanların karbon iskeletlerinin yapısına nasıl uygulandığıyla karşılaştınız. Altbölüm 6.15’te isz, fonksiyonel grupların birbirine dönüşümlerinin anlamını ve nükleofilik yer değiştirme tepkimelerinin bu amaçla nasıl kullanıldığını öğrendiniz. Diğer altbölümlerde de belki farkına varmadan, karbon iskeletlerini kurmak ve fonksiyonel grup ların birbirine dönüştürülmesini gerçekleştirmek için olan temel yöntemleri bilgilerini ze eklemeye başladınız. Şu an, öğrendiğiniz tüm tepkimeler için, özellikle bunların sentezlere uygulamalarını not etmek üzere bir kart dosyası oluşturmaya başlamanın tam zamanıdır. Bu dosya, sizin Organik Sentezler için Alet Takımınız olacaktır.

8.15 Sentetik Stratejilerin Yeniden Gözden Geçirilmesi

Şimdi, bazı yeni örneklere bakacağız ve sentezin bu dört aşamasının hepsini plânı mıza nasıl ekleyeceğimizi göreceğiz. İki veya daha az karbon atomlu bileşiklerden çıkarak 2 -bromobütanm sentezini tasar lamamızı isteyen bir problemi ele alın. Bu sentez, göreceğimiz gibi, karbon iskeletinin oluşturulmasını, fonksiyonel grupların birbirine dönüştürülmesini ve konum kimyasının kontrolünü içerir. Geriye doğru düşünerek başlıyoruz. 2-Bromobütanı hazırlamanın bir yolu. 1-bütene hidrojen bromür katmaktır. Bu fonksiyonel grupların birbirine dönüşümünün konum kim yası Markovnikov katılması olmalıdır. Geriye Doğru Sentetik Analiz

CH3CH2CHCH3

CH3CH,CH=CH, + H — Br Markovnikov katılması

Br Sentez

CH3CH2CH=CH 2 + HBr

peroksit

c h 3c h 2c h c h 3

yok

Br

Hatırlatma: Açık ok, hedeflenen molekülü başlangıç maddeleriyle ilişkilendiren ge riye doğru sentez işlemini göstermek için kullanılan bir semboldür. Hedeflenen molekül

öncü maddeler

Daha sonra, karbon iskeletini iki veya daha az karbon atomlu bileşiklerden yapma mız gerektiğini akılda tutarak, 1 -bütenin sentezi için bir yol düşünmeyi deneriz. Geriye Doğru Sentetik Analiz

CH3CH2CH = CH2 = > CH3CH2C = C—H + H2 CH3CH2C = C H = > CH3CH2Br + NaC=CH N aC = CH = > H C = CH + NaNH2 Sentez

H C = C —H + Na+ -NH,

sıvıNH,

J ►HC=C:~Na+

-33°C

CH3CH2-^Br + Na+ _:C =C H ~V‘^ CH3CH2C =C H +

h2

Nl:B(P'--»

►CH3CH2C =C H

c h 3c h 2c h = c h 2

Geriye doğru sentetik analize bir yaklaşım, geriye dönük sentetik bir adımı, bağ lardan birinin “kopması” olarak düşünmektir (Altbölüm 4.20A).* Örneğin, yuka rıdaki sentezde önemli bir basamak, yeni bir karbon-karbon bağının oluştuğu basamaktır. Bu, geriye doğru sentetik olarak aşağıdaki şekilde gösterilebilir: CH3CH2- ^ C = C H = > CH3CH2 + -:C = C H * Bu yaklaşımın oldukça ayrıntılı bir uygulaması için aşağıda verüenleri okuyabilirsiniz: Warren S. O rg a n ic S y n th e sis, T h e D isc o n n e c tio n A p p ro a c h ; New York, 1982, ve Warren, S., W o rk b o o k f o r O rg a n ic S y n th e sis. T h e D isc o n n e c tio n A p p ro a c h ; Wiley; New York, 1982.

351

352


Bu ayrılmanın parçaları, bir etil katyonu ve bir etinür anyonudur. Bu parçalar, eşler olarak adlandırılır. Bu eşleri görmek, aşağıdaki sonuçlara ulaşmamıza yardımcı olur. "Teorik olarak, bir etil katyonuyla bir etinür anyonunu birleştirerek 1-biitin molekü lünü sentezleyebiliriz." Bununla birlikte, karbokatyonlann ve karbanyonların laboratuvar dolaplarımızda, şişelerde bulunmadığını da biliyoruz. İhtiyaç duyduğumuz şey, bu eşlerin sentetik eşdeğerleridir. Bir etinür iyonunun sentetik eşdeğeri sodyum etinürdür. çünkü sodyum etinür bir etinür iyonu (ve bir sodyum katyonu) içerir. Bir etil katyonun sentetik eşdeğeriyse etil bromürdür. Bunun doğruluğunu anlamak için aşa ğıdakiler gibi mantık yürütürüz: Eğer, etil bromür bir SN1 tepkimesiyle etkileşseydi, bu tepkimede bir etil katyonu ve bir bromür iyonu oluşurdu. Bununla birlikte, etil bromürün, birincil halojenür olduğundan. SN1 tepkimesiyle tepkimeye görmesinin müm kün olmadığını biliyoruz. Etil bromür, sodyum etinür gibi kuvvetli bir nükleofille SN2 tepkimesi verir ve bu tepkimede oluşan ürün, bir etil katyonunun sodyum etinürle tep kimesinde elde edilen ürünle aynıdır. Bu nedenle, bu tepkimede etil bromür, bir etil katyonunun sentetik eşdeğeri olarak işlev görür. Stereokimyasal kontrol gerektiren bir sentezi diğer bir örnek olarak ele alalım: İki veya daha az karbon atomlu bileşiklerden, enantiyomerik 2,3-bütandiollerin, (2R.3R) 2,3bütandiol ve (2S,3S)-2,3-bütandiolün sentezi. Burada (Problem 8.16’yı hatırlayın), bu enantiyomerlere ulaşmada son basamağın rra/7s-2 -bütenin sin-hidroksillenmesi olduğunu görürüz. Geriye D o ğ rıı Sentetik A n a liz

H

niT H CH- ^ . / O H C

()H

CH3"'/S )H

ch3

HOvfc > 1

hr

1

ch3

(R,R)

Enantiyomerik 2,3-bütandioller

Alkenin her iki yüzünde sin

H A hidroksilleme H O \ ,^ C H 3 h ,c h c trans-2-

ch3

Hv ? ^ O H C 1

H er

H CH3 V c II c

H

Büten

H O ^V cH , H

i H ch3

(S, S) Sentez CH,

H CH, HOv

V

c II c A

h ,c h

tra/is-2-Büten

(1 ) OsO,

---------A ---------- ► 12) NaHSO,, H,()

f >H i r

H ^âÔ H

CH,

(R.R)

CH, Hv

f y

1 c HO^ 1^

CH, (S,S)

Enantiyomerik 2,3-bütandioIler

Bu tepkime stereoözgüdür ve istenilen enantiyomerik 2,3-bütandiollerin bir rasemik ya pısını oluşturur.

8.15 Sentetik Stratejilerin Yeniden Gözden Geçirilmesi

Daha sonra riw?s-2-bütenin sentezi; sıvı amonyak içerisinde metalik lityumla 2-bütinin etkileştirilmesiyle gerçekleştirilebilir. Bu tepkime yardımıyla hidrojenin anti katıl ması bize ihtiyaç duyduğumuz trans ürünü verir. Bu tepkime, stereoseçimli tepkimenin bir örneğidir. Bir stereoseçimli tepkime, reaktifin kiral olmasının gerekmediği (bir alkinin kullanıldığı durumdaki gibi), fakat tepkimede ürünün bir stereoizomerik şeklinin (veya mümkün olanların arasından stereoizomerlerin belirli bir alt serisinin) ya tek ya da baskın olarak oluştuğu tepkimedir. Stereoseçimli ve stereoözgü tepkimeler arasında ki farka dikkat ediniz. Stereoözgü bir tepkime, reaktantın belirli bir stereoizomerik şek li kullanıldığında, ürünün bir stereoizomerini tek olarak ya da baskın olarak oluşturan tepkimedir. (Bütün stereoözgü tepkimeler stereoseçimlidir. fakat tersi genellikle doğru değildir.) Geriye Doğru Sentetik Analiz H CH;

CH,

V c

anti k atılm a

C

A

1' c c 1

CH, 2-Bütin

h 3c h

tröHy-2-Büten

Sentez

CH, C C CH,

iiCHı ( 1) Li, EıNH, (2) NH.CI H .'n in anti

katılması

2-Bütin

C C il H,C H t/Y7HS-2-Büten

Son olarak, propinden, öncelikle propinin sodyum propinüre dönüştürülmesi ve ar dından sodyum propinürlin metil iyodürle alkillenmesiyle 2 -bütini sentezleyebiliriz. Geriye Doğru Sentetik Analiz

CH3 —C =C -f-C H 3

. CH,— C = C :-N a + + CH,— I

CH3 —C = C : N a '= > C H 3 —C = C —H + NaNH2 Sentez

CH.ı

C=C

H

CH,—C = C —CH,

Son olarak, etinden propini sentezleyebiliriz: Geriye Doğru Sentetik Analiz

H—C = C ^-C H , = > H — C = C : Na+ 4- CH,—I Sentez

H—C = C — H

( I ) NaNH,/sıvı NH,

(2) CHjI

* CH—c= c —H

353

K

ımyası

Kolesterolün Biyosentezi: Doğadaki Mükemmel ve Bildik Tepkimeler

K,,

ılesterol; kortizon, estradiol ve testosteronun biyokimyasal başlangıç maddesidir. Gerçekte kolesterol, vücuttaki steroid hormonlarının tamamının ve safra asitlerinin kay nağıdır (Altbölüm 23.4). Kolesterolün biyosentezi, biyokimyada bilinen bir çok güzel ve ilgi çekici metabolik dönüşümün bazılarını içerir. Bu sentez, enzimlerin sentetik üs tünlüğünün ilk örneğidir ve organik kimya çalışmaları sırasında gözden kaçırılmama sı gereken bir biyokimyasal başarıdır. Bizim çalışmalarımız, kolesterolün son halkalı olmayan başlangıç maddesi olan skualen noktasında kolesterolün biyosentezine katılacaktır. Skualen, 30 karbona sahip doğ rusal bir polialken zincirinden oluşmuştur. Skualenden elde edilen ilk halkalı başlangıç maddesi lanosteroldür ve bir dizi olağanüstü enzim katalizli katılma tepkimesi ve dört birleşik halka ve yedi stereomerkez oluşturan çevrilmelerle oluşur. Teorik olarak, lanosterolün iskeletine sahip bir yapı için 2 7(veya 128) stereoizomer mümkündür, fakat bu enzimatik tepkime yalnızca tek bir stereoizomer oluşturur. Bu tepkimeleri şimdi ayrın tılı olarak inceleyeceğiz. Burada kapsanan moleküller karmaşık olsalar da, organik kim ya çalışmalarınızda henüz öğrendiğiniz şeyler arasında olduklarından, onların biyosentezlerinin arkasında, kolayca farkedilebilen kimyasal ilkeleri bulacaksınız.

/

Kolesterol

Skualenin Polialken Halkalanmasıyla Lanosterol Oluşturulması Skualenden lanosterole olan dönüşümlerin olağanüstü dizisi, skualenin 2,3-ikili ba ğının, (3S)-2,3-oksidoskualeni [2,3-epoksit de denir (bir epoksit, üç üyeli halkalı bir eter dir, bkz. Altbölüm 11.18)] oluşturmak üzere enzimatik yükseltgenmesiyle başlar. Bu

354

noktada, alkene, üç boyutlu olarak düşünüldüğünde sandalye -kayık- sandalye konformasyonu olarak adlandırılan konformasyonel şekiller üzerinden ilerleyen bir seri katıl ma tepkimesi başlar (aşağıdaki şemaya bakınız). (35)-2,3-oksidoskualenin, skualen oksidosiklazla protonlanması oksijene formal bir pozitif yük kazandırır ve onu iyi bir ayrılan grup haline dönüştürür. Bu protonlanmış epoksit, üçüncül karbonda (C2) elekt ron eksikliğine neden olur (bir üçüncül karbokatyona benzeterek) ve C2, skualen zinci rindeki C6 ve C7 arasındaki ikili bağa bir elektrofil olarak etkiyerek bir katılma tepkimesi verir. Bu alken, epoksitin üçüncül karbonuna atak yaptığından C6’da diğer bir üçüncül karbokatyon oluşmaya başlar. Bu da sonraki ikili bağ tarafından atağa uğrar ve aşağıda gösterilen eksosiklik üçüncül karbokatyonla sonuçlanmcaya kadar buna benzer şekilde iki ilave alken katılması daha (aşağıya bakınız) olur. Bu ara ürün, protosteril katyonu olarak adlandırılır. Skualen

Çalışma Problemi ^ Alkene olan katılmaların tümü, lanosterolün oluşumuna yol açan halka kapanması tepkimesi hariç, özellik olarak, genellikle Markovnikov kuralına göre yürüdü. 2,3Oksidoskualenin halka kapanması sırasmda hangi alken katılması basamağı bir anti Markovnikov katılması şeklinde meydana gelir? (Alkeni ve 2,3-oksidoskualen zinciri boyunca numaralarına göre, elektrofilik karbonları belirleyiniz.) Eğer bir Mar kovnikov katılması yerine anti-Markovnikov katılması meydana gelseydi 2,3-oksidoskualenin halka kapanmasından, protosteril katyonu yerine hangi halka yapısı oluşurdu? Konformasyonel yapılan veya basit bağ-çizgi formülü kullanarak yapı sını gösteriniz.

1,2-Metanür ve 1,2-Hidrür Çevrilmelerinin Bir Serisini İçeren Bir Ayrılma Tepki mesi Lanosterol biyosentezinin sonraki safhası (hâlâ skualen oksidosiklazın kontrolü al tında) ilk kısım kadar çarpıcıdır ve yine kimyasal mantığın ilkeleriyle olan uyumunu Ç e rç e v e iç in d e k i ko n u sa y fa 3 5 6 ’d a d eva m ediyor.

355

sürdürmektedir. Burada kapsanan dönüşümler, bir seri göçme (karbokatyon çevrilmele ri) ve bunu izleyen bir alken oluşturmak üzere bir proton ayrılmasıdır. Bu işlemler, C17’de pozitif yük oluşumuna yol açan, C17'den C18'e (stereoitler için olan standart numaralar kullanılarak, bkz. Altbölüm 23.4) 1,2-hidrür göçüyle başlar. C17’de pozitif yükün oluşumu. C13’ten C17’ye diğer bir hidrür göçüyle birlikte C14’ten C13’e ve C 8 'den C14'e metanür göçmelerini kolaylaştırır. Sonuçta, C9’dan bir protonun enzimatik ayrılması, skualen oksidoksiklaz tepkimesinin kararlı ürünü olan lanosterolün olu şumuna yol açan C8-C9 ikili bağını oluşturur.

Kolesterol oluşumunda geri kalan basamaklar, 19 yiikseltgenme indirgenme basamağı üzerinden üç karbon atomunun kaybını içerir, fakat biz onları burada tartışmayacağız.

Bu mükemmel dönüşümler, doğada organik kimyanın güzelliğini göstermektedir. Görebileceğiniz gibi, biyosentetik tepkimeler, klasik organik kimyada öğrendiğiniz tep kime yollarıyla ve aym temel ilkelere göre meydana gelir. Biyokimyada, asit-baz tepki meleri, nükleofiller, elektrofiller, ayrılan gruplar ve çevrilmeler vb. vardır. Altbölüm 6.15’te "Biyolojik Metillemenin Kimyası" başlığı altında biyolojik aminleri ve 5-adenosilmetiyonini içeren biyosentetik nükleofilik yer değiştirme tepkimelerinin bir örneğini gördük. Burada kolesterolün biyosentezinde, karbokatyon 1arın, elektrofillerin, alkenlerin katılma tepkimelerinin ve iskelette meydana gelen çevrilmelerin doğadaki kullanımlarını gördük. Bu işlemlerin tamamı, son zamanlarda öğrendiğiniz tepkimelerin benzerleridir.

356


357

>■ Ö r n e k P r o b l e m -------------------------------------------------------------------------------------------Ç o k B a s a m a k lı B ir S te re o ö zg ii S e n te zin A ç ık la n m a s ı

İki veya daha az karbonlu bileşiklerden başlayarak, me-zo^^-dibrornoheksamn bir stereoözgü sentezini tasarlayınız. C e va p :

Çözüme, üründen geriye doğru giderek başlarız. Bir alkene brom katılması, stereoözgü olarak antidir. Bundan dolayı, fra/7s-3 -heksene brom katılması, mezo-3,4-dibromheksanı verecektir: H CH2CH3

V c I c ii

H\

(a) B r, C < = * Br

ç h 2c h 3

ÇH,CH,

"İ

^ B r+■

CH7CH3

1

1

â

Br/C Ç H

1

veya (b)

Hy ' ' B r

(b) y v. CH3CH7 H

CH3CH2 H

CH7CH3 B rv ^ H

B r

c h 2c h 3

CH3CH7 (a) yoluyla 1

iraws-3-Heksen

ch 2c h 3

(b) yoluyla j T

wıezo-3,4-Dibromoheksan

3-Hekseni, stereoseçimli bir yolla, 3-heksini sıvı amonyak içerisinde lityumla indirge yerek elde edebiliriz (Altbölüm 7.15B). Katılma yine antidir. Et 1 c c I

H \

(l)L i, EtNH, ^ (2) NH4CI

Et

II c /

Et

Et 3-Heksin

/ C

\ H

frans-3-Heksen

3-Heksin, asetilen ve etilbromürden, baz olarak sodyum amit kullanılarak ard arda ya pılan alkillemelerle elde edilebilir. H—C = C — H (11 NaNH,, -sıvı NH,^

^ >N»NH^ ' V' (2) CH,CH,Br

(2) CH,CHjBr

C^ CH^

C C H X a

{3RAR)- ve (35,45)-Dibromoheksenin bir rasemik şeklini sentezlemek için örnek •< problemde verilen işlemleri nasıl değiştirirdiniz?

P ro b le m 8.20

Anahtar Terimler ve Kavramlar Elektrofil Katılma tepkisi Markovnikov kuralı Anti Markovnikov katılması Yer seçimli tepkime Su katılması Bromonyum iyonu

Altbölüm 8.1 Altbölümler 8.1-8.9, 8.12, 8.13 Altbölümler 8.2, 8.13 Altbölümler 8.2D, 8.13 Altbölümler 8.2C, 8.13 Altbölüm 8.5 Altbölüm 8.6A

Stereoözgü tepkime Stereoseçimli tepkime Halohidrin Karbenler sin-Hidroksilleme O/.onlama Yükseltgemeli bölünme

Altbölüm 8.7A Altbölüm 8.15 Altbölüm 8.8 Altbölüm 8.9 Altbölüm 8.10A Altbölümler 8.11A, 8.14 Altbölümler 8.11, 8.14

358


Anahtar Tepkimelerin Özeti Alkenlerin Katılma Tepkimelerinin Özeti

Alkenlerin, öğrendiğimiz katılma tepkimelerinin stereokimyası ve yer özgülüğü (uygun olduğu yerde) aşağıdaki şekilde özetlenmiştir. Burada başlangıç alkeni olarak 1-metilsiklopenten kullanılmıştır.

Bir organik substrat olarak 1-metilsiklopenten türü alkenlerin katılma tep kimelerinin bir özeti. ^ işareti ile gösterilen bağ, grubun stereokimyasının belirsiz olduğu anlamındadır. Ürünün kiral olduğu tümdurumlarda rasemik şekiller oluşsa bile, kısa olması için, ürünün yalnız bir enantiyomerik yapısı gösterilmiştir.

H2 /Pt, Ni, veya Pd

^

Sin katüma

vMe

^ Hidroj enleme H/ (Altböİümler 7.13 ve 7.14)

H

H

HX (X=C1, Br, I, veya 0S 0 3H) Markovnikov katılması i

HBr, ROOR

HX’in İyonik Katılması (Altböİümler 8.2 ve 8.3) (w" yukarı veya aşağı anlamındadır) HBr’nin Serbest Radikal Katılması (Altböİümler 8.2D ve 10.9)

anti-Markovnikov katılması

h 3o +/ h 2o

Su Katılması (Altböİümler 8.4A ve 8.5)

Markovnikov katılması OH X2 (X = Cl, Br)

^ VMe

Anti katılma

H Halojenleme X/ (Altböİümler 8.6 ve 8.7) H

x 2 / h 2o

Anti katılma, Markovnikov kuralını izler CH2I2/Zn(Cu) (veya diğer koşuüar)

^

^ \Me

^ H alohidrin Oluşumu X/ (Altbölıim 8.8)

OH

H Karben katılm ası (Altbölüm8.9)

Sin katılma CHo Soğuk sey. KMn04 veya (1) 0 s 0 4 (2) NaHS03 Sin katılma

(Me OH

(l)K M n04, OH , veya ısı (2) H30 h

(1 )0 3 (2) Zn/HOAc

Sin Hidroksilleme H/ (Altbölüm 8.10) OH Yükseltgemeli Bölünme (Altbölüm 8.11)

Ozonlama (Altbölüm 8.11A)

Ek Problemler

Alkinlerin Katılma Tepkimelerinin Özeti

Alkinlerin katılma tepkimeleri aşağıdaki şekilde özetlenmiştir. R R XC = ( /

H2 /Ni2B (P-2 kat.) Sin katılma

H

Li/NH3 (veya RNH2)

\

Anti katılma

H

/

\

H

/ H / C=C\

Hi droj enleme (Altböİüm 7.15)

R

H2/Pt ■> R—CHo—CHo—R

R—C = C —R-

X2 (bir eşdeğer mol) Anti katılma

HX (bir eşdeğer mol) Anti katılma

R

X

\ = r / Z '

X

- - 2 ► D p v

\

p y

Halojenleme (Altböİüm 8.13)

R

R X Xc = c ——— Rp u pY r HX katılm ası Z ' \ RLH2CX2R (Altböİüm 8.14) H R

O

O

(1) 0 3 (2) HOAc veya x> (1) KMn04, OH- (2) H+

r

KriX2LX2K

RCOH + HOCR

Yükseltgenm e (Altböİüm 8.15)

Alkinlerin katılma tepkimelerinin bir özeti.

8.21 1-Büten aşağıdaki reaktiflerin her biriyle tepkimeye girdiğinde oluşan ürünün yapı formüllerini yazınız: (h) CC14 içerisinde Br2, sonra aseton içerisinde KT (a) HI (b) H2, Pt 1 (i) H20 içerisinde Br2 (c) Sey. H2S 04, ılık (j) Alümina varlığında HC1 (d) Soğuk derişik H2S0 4 (k) Soğuk derişik KMn04, OH' (e) Soğuk derişik H2S 04, (l) 0 3, sonra Zn. HOAc sonra H,0 ve ısı (m) 0 s 0 4, sonra NaHS0 3/H20 (f) Alümina varlığında HBr (n) KMn04, OH", ısı, sonra H ,0 ‘ (g) CC14 içerisinde Br2 8.22 1-Büten yerine siklohekseni kullanarak problem 8.21 ’i tekrarlayınız.

Yıldızla işaretlenmiş problemler "çözülmesi dalia zor olan problemleridir.

EK P R O B L E M L E R

359

360


8.23

1-Bütinin aşağıdakilerin her biriyle olan tepkimesinden oluşmasını beklediğiniz ürünlerin yapısını yazınız. (a) Bir eşdeğer mol Br2 (b) Alümina varlığında bir eşdeğer mol HBr (c) Alümina varlığında iki eşdeğer mol HBr (d) H2 (aşırı)/Pt (e) H2, Ni2B (P-2) (f) Sıvı NH3 içerisinde NaNH2, sonra CH3I (g) Sıvı NH3 içerisinde NaNH2, sonra (CH3)3CBr

8.24

2-Bütinin aşağıdakilerden her biriyle olan tepkimesinden (eğer tepkime verirse) oluşmasını beklediğiniz ürünlerin yapısını yazınız. (a) Alümina varlığında bir eşdeğer mol HBr (b) Alümina varlığında iki eşdeğer mol HBr (c) Bir eşdeğer mol Br2 (d) İki eşdeğer mol Br2 (e) H2, Ni2B(P-2) (f) Alümina varlığında bir eşdeğer mol HC1 (g) Li/sıvı NH3 (h) H2 (aşırı)/Pt (i) İki eşdeğer mol H2, Pt (j) KMn04, OH. sonra H30 + ( k ) 0 3, HOAc (l) NaNH2, sıvı NH,

8.25

1-Bütinin, aşağıdakilerin her birinden nasıl sentezlenebileceğini gösteriniz. (a) 1-Büten (c) 1-Kloro-l-büten (e) Etin ve etil bromtir (b) 1-Klorobütan (d) 1,1-Diklorobiitan

8.26

2-Metilpropenden (izobütilen) başlayarak ve diğer gerekli reaktifleri kullanarak aşağıdakilerin her biri için bir sentez tasarlayınız. (a) (CH3)3COH (d) (CH3)3CF (b) (CH3)3CC1 (e) (CH3)2C(0H)CH 2C1 (c) (CH3)CBr

8.27

Mum ağacının mumunda bulunan güzel kokulu bir bileşik olan mirsen C 10H 16ka palı formülüne sahiptir ve hiç üçlü bağ içermediği bilinmektedir, (a) Mirsenin hidrojen eksikliği indeksi nedir? Mirsen, aşırı hidrojen ve bir platin katalizörle etkileştiğinde formülü CI0H22 olan bir A bileşiğine dönüşmektedir, (b) Mirsen kaç halka içennektedir? (c) Kaç tane ikili bağ vardır? A bileşiğinin 2,6-dimeliloktan olduğu belirlenmiştir. Mirsenin ozonlanması ve ardından çinko ve ase tik asitle etkileştirilmesiyle iki mol formaldehit (HCHO), bir mol aseton (CH.COCH,) ve formülü C5H60 3 olan üçüncü bir B bileşiği oluşur, (d) Mirsenin yapı formülü nedir? (e) B bileşiğinin yapı formülü nedir?

8.28

Propen, etanol içerisinde hidrojen klorürle etkileştirildiğinde tepkimenin ürünle rinden biri etil izopropil eterdir. Bu bileşiğin oluşumuna ilişkin, kabul edilebilir bir mekanizma yazınız.

8.29

2-Metilpropen, propen ve eten birbirinden ayrı tepkimelerle aynı koşullar altın da, yani aynı derişim ve sıcaklıkta HI ile tepkimeye sokulduğunda, 2-metilpropenin en hızlı ve eterin ise en yavaş etkileştiği saptanmıştır. Bu bağıl hızlar için bir açıklama yapımz.

Ek. Problemler

8.30

Famesen (aşağıda) elmaların kabuğundaki muma benzeyen örtü maddesinde bu lunan bir maddedir. Farnesen. bir platin katalizör varlığında aşırı hidrojenle tep kimeye sokulduğunda oluşan bileşiğin yapısını ve IUPAC adını belirtiniz.

Farnesen

8.31

Limonotu yağının bir bileşeni olan geranial önce ozon, sonra çinko ve suyla etkileştirildiğinde oluşan bileşiklerin yapı formüllerini yazınız. H

8.32

Limonen, portakal ve limon yağında bulunan bir bileşiktir. Limonen, aşırı hidro jen ve bir platin katalizörle etkileştirildiğinde tepkimenin ürünü l-izopropil-4metilsikloheksandır. Limonen önce ozon sonra çinko ve suyla etkileştirildiğinde, tepkimenin ürünleri HCHO ve aşağıdaki bileşiktir. Limonenin yapı formülünü yazınız. O

O

8.33

2,2-Difenil-l-etanol sulu HI ile etkileştirildiğinde tepkimenin ana ürünü 1-iyodo-Ll-difeniletandır. Bu bileşiğin durumu için olası bir mekanizma öneriniz.

8.34

3,3-Dimetil-2-bütanol derişik HI ile etkileştirildiğinde bir çevrilme meydana ge lir. Bu tepkimeden hangi alkil iyodürün oluşacağını umuyorsunuz? (Bu tepkime nin mekanizmasını gösteriniz.)

8.35

Feromonlar (Altbölüm 4.16), hayvanlar (özellikle böcekler) tarafından salgıla nan maddelerdir ve aynı türlerin diğer üyelerinde özel bir davranış tepkisi oluş tururlar. Feromonlar çok düşük derişimlerde bile etkilidirler ve sekse çekici, uyarıcı maddeler ile "bir araya toplayıcı" maddeler içerirler. Meyva kurdunun sek se çekici feromonunun molekül formülü C,3H240'dur. Bu feromon. katalitik hidrojenlemeyle iki eşdeğer mol hidrojen soğurur ve 3-etil-7-metil-l-dekanole dönüşür. Bu bileşik, önce ozon ardından da çinko ve suyla etkileştirildiğinde, CH3CH2CH2COCH3, CH3CH2COCH2CH2CHO ve OHCCH2OH oluşturur, (a) İki li bağların stereokimyasını ihmal ederek, bu feromon için genel bir yapı yazınız, (b) İkili bağların (elde edilen diğer kanıtlardan), (2Z.6E) olduğu bilinmektedir. Meyva kurdunun seks çekicisi için bir stereokimyasal formül yazınız.

361


8.36

Yaygın olarak bulunan karasineğin (Musca domestica) seks çekicisi muskalur olarak adlandırılan bir bileşiktir. Muskalurun yapısı, (Z) CH1(CH2) 12CH=CH(CH 2)7CH3 ’tür. Etin ve diğer gerekli reaktiflerle başlayarak muskalur için mümkün olabilecek bir sentez tasarlayınız.

*8.37 Organik reaktifler olarak (çözücüler hariç) yalnızca etin ve 1-bromopentandan çıkarak ve gerekli olabilecek diğer inorganik bileşikleri kullanarak aşağıda gös terilen bileşik için bir sentez tasarlayınız.

Br 8.38

Br

Aşağıda gösterilen tepkime, önemli bir parfüm bileşeni olan c/5 -jasmonun sen tezinde son basamaktır. Bu son basamağı gerçekleştirmek için hangi reaktifleri seçerdiniz? O

O CH2—C = C—CH2CH3

cıs-Jasmon

Aşağıdaki tepkimelerin her birinden beklediğiniz ürünlerin tümü için stereokimyasal formüllerini yazınız (Modeller yararlı olabilir). \

(a)

H H,C

8.40

/

CH,CH, 2

3

OsO, fi) -------------► (2) NaHSO,. H,0

H H

H,C 3

\

(c)

H OsO, fi) ---á---------► (2) NaHSO,. H20

H,C 3

\

/ =C \

H

/

Br„ ccı,

CH2CH CH.CH 2 ; _= Br„1__ CCI,

(d) CH,CH, H H H Problem 8.39'a cevap olarak verilen her bir değişik bileşik için (R-S) tanımla rını belirtiniz. /

(b)

\

u II

3

/ =C \

xn II

3

Xn II II n /

H,C

Xn II

8.39

II

362

8.41

Sikloheksen, bir sulu sodyum klorür çözeltisi içerisinde bromla tepkimeye sokul duğunda ürünler, trans-\ ,2 -dibromosikloheksan, rzazzs^-bromosikloheksanol ve zzvmî-l-bromo-2-klorosikloheksandır. Bu son ürünün oluşumunu açıklayan uy gun bir mekanizma yazınız.

8.42

Aşağıdaki bileşik çiftlerinin üyelerini birbirinden ayırt etmekte kullanabileceği niz İR spektrumlarındaki özellikleri öneriniz. (a) Pentan ve 1-pentin (f) 1-Penten ve 1-pentanol (b) Pentan ve 1-penten (g) Pentan ve 1-pentanol (c) 1-Penten ve 1-pentin (h) l-Bromo-2-penten ve 1-bromopentan (d) Pentan ve 1-bromopentan (î) 1-Pentanol ve 2-penten-l-ol (e) 2-Pentin ve 1-pentin

8.43

Tetrakloroetenin ikili bağının, brom/karbon tetraklorür içerisindeki doymamış tık, testi belirgin değildir. Bu davranış için mantıklı bir açıklama yapınız.

*8.44 A, B ve C bileşiklerinin tümü C6H,0 formülüne sahiptir. Üç bileşiğin hepsi so ğuk derişik sülfirik asit içerisinde çözünür ve CC14 içerisinde bromun rengini hız-

Ek Problemler

la giderir. A bileşiği, IR spektrumunda yaklaşık 3300 cm-1 de bir soğurmaya sa hiptir, fakat B ve C bileşiklerinin orada bir soğurması yoktur. A ve B bileşikle rinin her ikisi de, bir platin katalizörü varlığında aşırı hidrojenle etkileştirildiğinde heksan verirler. Bu koşullar altında, (C) bileşiği yalnızca bir eşdeğer mol hidro jen soğurur ve C6H 12 formülüne sahip bir bileşik verir. A bileşiği sıcakta bazik potasyum permanganat ile yükseltgendikten sonra oluşan çözelti asitlendirildiğinde izole edilen tek ürün, CH3(CH3)3C0 2H’dir. (B) bileşiğinin benzer yükseltgenmesi yalnız CH3CH2C 02H verirken C bileşiğinin benzer şekilde etkileştirilmesi ise yalnız H 0 2C(CH2)4C 0 2H verir. A, B, ve C bileşiklerinin yapıları nasıldır? 8.45

Risinoleik asit, CH3(CH2)5CH0HCH=CH(CH 2)7C 02H yapısına sahip hintyağından izole edilen bir bileşiktir, (a) Bu yapının kaç tane stereoizomeri mümkün dür? (b) Bu yapıları yazınız.

8.46

H 0 2CCH=CHC02H genel formülüne sahip iki dikarboksilik asit vardır. Bu karboksilik asitlerden biri maleik asit, diğeri ise fumarik asit olarak adlandırılır. Kekule, 1880 yılında, soğuk seyreltik KMn04 ile etkileştirildiğinde maleik asitin mezo-tartarik asit, fumarik asitin ise (±)-tartarik asit verdiğini bulmuştur. Bu bil gilerin maleik asit ve fumarik asitin stereokimyasal formüllerini yazmada nasıl kullanıldığını gösteriniz.

8.47

Maleik asit ve fumarik asite brom katılmasının stereokimyasal sonuçlarım tah min etmek için bir önceki probleme verdiğiniz cevabı kullanınız, (a) Hangi di karboksilik asit brom katarak bir mezo bileşiği verir? (b) Hangisi bir rasemik yapı oluşturur?

8.48

Optikçe aktif bir bileşik olan A (bu bileşiğin dekstrorotatori olduğunu varsayı nız) C?Hı|Br molekül formülüne sahiptir. A bileşiği, peroksitsiz ortamda hidro jen bromıir ile tepkime vererek C7H 12Br2molekül formülüne sahip B ve C izomerik ürünlerini verir. B bileşiği optikçe aktif, C ise optikçe aktif değildir. B'nin bir mol potasyum ier-bütoksit ile etkileştirilmesiyle (+)-A oluşur. C bir mol potas yum /er-bütoksit ile etkileştirilirse D (C7Hhj) oluşur. Bir mol (D), önce ozon ile ardından çinko ve asetik asit ile etkileştirilirse 2 mol formaldehit ve 1 mol 1 ,3 siklopentandion oluşur.

1,3-Siklopentandion

A, B, C ve D için streokimyasal formülleri öneriniz ve bu dönüşümlerin içerdi ği tepkimeleri yazınız. 8.49

Kikomisin olarak adlandırılan doğal olarak bulunan bir antibiyotik, aşağıdaki for müle sahiptir. Mikomisin, optikçe aktiftir. Mikomisinin enantiyomerik şekilleri ni yazarak bunu açıklayınız. H C = C —-C = C —C H = C = C H —(CH=CH) 2CH2C02H Mikomisin

8.50

Optikçe aktif bir bileşik olan D, C6H ,0 formülüne sahiptir ve İR spektumunda yakla şık 3300 cm"1’de bir pik verir. D, katalitik hidrojenleme ile E (C6H,4)’yi oluşturur. E bileşiği optikçe aktif değildir ve yanlamaz. D ve E bileşiklerinin yapılannı öneriniz.

363

364


8.51

(a) Alkenlere brom katılması mekanizmasının benzerini uygulayarak A, C'nin muhtemel üç boyutlu yapılarını çiziniz.

B ve

Siklopentenin bromla tepkimesi A'yı verir. A'nın sulu NaOH (1 eşdeğer, soğuk) ile tepkimesi B'yi. C^H^C) verir (3590-3650 cm ' ’de infared soğurması yoktur). (Bir ipucu için skulenin halkalanmasındaki tartışmaya bakınız.) B’nin katalitik miktarda kuvvetli bir asit içeren metanol içerisinde ısıtılması, 35903650 cm'1'de infrared soğurması yapan C ’yi. C6H,20 2, verir. (b) C bileşiği için tahmin ettiğiniz yapılardaki stereomerkezlerin R ve S konfigtirasyonlarını belirleyiniz. Bu bileşik, tek bir stereoizoıner olarak mı yoksa bir rasemat olarak mı oluşur. (c) C'nin stereokimyası hakkındakı tahminlerinizi deneysel olarak nasıl doğru larsınız? *8.52 Trietilamin, (C2H5),N. tüm aminlerde olduğu gibi ortaklaşılmamış bir elektron çif tine sahip azot atomu bulundurur. Diklorokaıben molekülü de ortaklaşılmamış bir elektron çiftine sahiptir. Bunların her ikisi de aşağıdaki gibi gösterilebilir. D, E ve F bileşiklerinin yapılarını çiziniz. (C2H5)3N: + : CC12 ----►D (kararsız bir katılma ürünü) D ----►E + C2H4 (molekül içi bir Eı tepkimesiyle) h ,o

E ——►F (Su, ikiz dihalojenürleri elde etmek için kullanılanın tersi bir yer değiştirme verir. )

O . Ö

1.

(a) Etin, l-kloro-2-sikloheksiletan. bromometan ve gerekli olabilecek diğer reaktiflerden çıkarak, (35',4/?)-3,4-dibromo-l-sikloheksiIpentanı (ve. rasemik bir karı şım oluşacağından onun enantiyomerini) sentezleyiniz. (Etini, l-kloro-2 -sikloheksiletanı ve bromometanı karbon atomlarının tek kaynağı olarak kullanınız.) Probleme, geriye doğru sentetik bir analizi göstererek başlayınız. İşlem de. hedeflenen molekülün hangi atomlarının başlangıç maddelerinin hangi atom larından geleceğine karar veriniz. Ayrıca, son ürünün istenilen stereokimyasal şekline ulaşmak için kullanabileceğiniz tepkimelerin stereoözgülüğünün nasıl ol duğunu hafızanızda tutunuz. (b) Bu sentezde niçin ürünlerin rasemik bir karışımının oluştuğunu açıklayınız. (c) (3RAR) ve (3S,4S) izomerlerinin bir rasemik karışımını elde etmek için bu sen tezi nasıl değiştirirdiniz?

2.

Aşağıdaki dönüşümler için mantıklı ve ayrıntılı bir mekanizma yazınız.

G rubu PROBLEMLERİ

ğ renm e


3.

365

A-D bileşiklerinin yapılarını açıklayınız. Uygun olduğu yerde, stereokimyayı gösteren yapıları çiziniz.

^•6^10^4 D (optikçe aktif değil)

C„H20 B (optikçe aktif)

H-,, Lindlarkatalizarörü basınç

(1) sıcak KMn04, OH ( 2) ^ 11^18

(1) Li, EtNH, (2) NH4C1

►(4/?,5/ö-4-etil-2,4-dimetil-2,5-heptadien

(optikçe aktif)

(D O, (2) Zn. HOAc ^6^10^3

O

O

+ h 5c

ch3

H,C

(optikçe aktif)

4.

Guam kabarcık salyangozu {Haminoea cymbalum), bir yırtıcı etobur tarafından rahatsız edildiği zaman kümepaloksan adında bir kimyasal uyarı maddesi (aşağı da gösterilmektedir) salgılar. Kümepaloksan benzeri bromoeterlerin biyosentezinin, bir “Br+” reaktifinin enzimatik ara ürünü üzerinden meydana geldiği düşünülmektedir. Kümepaloksana ulaşmak için mümkün olan bir biyosentetik baş langıç maddesinin {ipucu: bir alken alkol) yapısını çiziniz, Br+ ve herhangi bir ge nel proton alıcısını. Y~, kullanarak başlangıç maddesinin kümepalaksona dönüştürülebileceği uygun ve ayrıntılı bir mekanizma yazınız.

Kümepaloksan

OH

B ölüm

Nükleer Manyetik Rezonans ve Kütle Spektrometri: Yapı Tayini İçin Kullanılan Aletler Sıvı H e ly u m T e rm o s u Kimya ve tıpta kullanılan en önemli cihazların bazılarında, sıvı helyuma daldırılmış kuv vetli mıknatıslar kullanılır. Bu aletlerde kullanılan alan şiddeti yüksek mıknatıslar sü per iletken mıknatıslardır ve bunların mıknatıs sargı bölümleri elektriği sıfır dirençle iletirler. Süper iletken mıknatısların kullanıldığı cihazlar, Fourier transform nükleer man yetik rezonans (FT NMR) spektrometreleri, kütle spektrometrelerinin belirli tipleri ve manyetik rezonans görüntüleme (MRI) makinalarıdır. Bu kitaptaki NMR spektrumları, süper iletken mıknatıslı bir FT NMR cihazından alınmıştır. Süper iletken mıknatıs bo binine bir kez elektrik uygulandığında ve devre kapatıldığında, teorik olarak bobin sar malından sürekli olarak akım geçer. Süper iletkenliğin sürekli olarak korunabilmesi için mıknatıs bobinin sürekli olarak sıvı helyum ile soğutulması gerekir. Helyum 4,3 K’de (mutlak sıfır noktasının 4,3 derece üzerinde) kaynar. Eğer mıknatıs bobini, sıvı helyum

366

sıcaklığının üstünde bir değere ulaşırsa, bobin sarmalını oluşturan tellerde direnç orta ya çıkar ve teller ısınır. Bunun sonucunda helyum hızla buharlaşıp uzaklaşır ve manye tik alan yok olur. Süper iletken mıknatıs bobininin sürekli olarak sıvı helyum banyosunda tutulabil mesi için, mıknatıs tümüyle bir Dewar kabının içerisine yerleştirilir (orijinal vakum ce ketli bu kaba, onu bulan İskoç kimyası James Dewar’in adı verilmiştir). Gerçekte Dewar kabı dev bir termostur. Bir süper iletken mıknatısta, Dewar kabının en iç bölümünde sı vı helyum bulunur ve bu bölüme süper iletken mıknatıs bobini yerleştirilmiştir. Bu iç bölümü çevreleyen sıvı azotla (kaynama noktası 77,4 K) dolu bir ikinci bölüm ve en dışta da bir vakum ceketi bulunmaktadır. Elbette bildiğimiz termoslarda sıvı helyum ya da sıvı azot kullanılmaz. Onların işlevselliği vakum ceketinin sağladığı yalıtkanlığa da yanır. Öte yandan, süper iletken mıknatısların etkinliğinin sürekli olarak korunabilme si için aletin, periyodik olarak, sıvı helyum ve sıvı azotla beslenmesi gerekir. Araştırma amaçlı kullanılan pek çok Fourier transform NMR spektrometresinin sü per iletken mıknatısı 14 tesla şiddetinde manyetik alana sahiptir (bu değer dünyanın man yetik alan şiddetinin yaklaşık 140.000 katıdır). FT NMR spektrometrelerinde, mıknatıs ne kadar büyükse alet o kadar iyi ve pahalıdır. Daha kuvvetli bir mıknatıs, daha fazla numune duyarlılığı ve daha az karmaşık sinyaller demektir. Kütle spektrometrelerinin pek çoğunda, elektromıknatıslar, kalıcı mıknatıslar ya da kuadropol adı verilen cihazlar kullanılır. Bununla beraber, ICR (iyon siklotron rezonans) kütle spektrometrelerinde sü per iletken mıknatıslar kullanılır. İyon siklotran rezonans ilkeleri, ICR kütle spektromet resinin çok ileri derecede bir kütle ayrılmasını gerçekleştirebilmesini sağlar. NMR spektrometrelerinde geçerli olan ilkelerden hareketle geliştirilmiş olan manyetik rezo nans görüntüleme cihazları, alan şiddeti 1 - 2 tesla (yaklaşık olarak, dünyanın manyetik alan şiddetinin 1 0 .0 0 0 - 2 0 .0 0 0 katı) olan süper iletken mıknatısların kullanıldığı tipik spektrometrelerdir. MRI cihazlarının iyi yönü, bunlarda numunenin (insan bedeni) sı caklığı mutlak sıfır noktasının 4,3 derece yukarısında olan bir odaya konmak zorunda olmamasıdır. Aksine, numune yaklaşık oda sıcaklığında oldukça rahat bir ortamdadır. FT NMR spektrometrelerinde, cihazın manyetik alan bölgesindeki kısmı yaklaşık ola rak oda sıcaklığına odaklanır (özel amaçlı NMR deneyleri için olanlar hariç).

9.1

GiRiş

Bir molekülün fiziksel özellikleri, etkinliği ve biyolojik etkinliği onun yapısı tarafından belirlenir. Bu kitabın tümünde, mekanizmanın anlaşılması, fiziksel özelliklerin tahmini ve etkinlikle ilgili bilgilerimizin düzenlenmesi için moleküler yapı temel olarak alın mıştır. Fakat moleküler yapı nasıl belirlenecektir? Bunun bir yolu, spektroskopik yön temlerin kullanılmasıdır. Molekül yapısının belirlenmesinde, bağımsız sentezlemeyle doğrulama ya da bilinen maddelerle kıyaslama gibi başka yaklaşımlar da vardır. Ama genelde spektroskopik yöntemler en uygun olanlardır. Spektroskopi, enerjinin maddeyle etkileşiminin incelenmesidir. Maddeye enerji uy gulandığında, soğurulabilir, dışarıya verilebilir, kimyasal değişime yol açabilir ya da mad deden geçip gidebilir. Bu bölümde, enerjinin moleküllerle etkileşim sonuçlarının yorumlanması yoluyla, molekül yapısına ilişkin ayrıntılı bilginin nasıl elde edilebileceği ni göreceğiz. Nükleer manyetik rezonans (NMR) spektrometriyle ilgili incelemelerimiz de, dikkatimizi kuvvetli bir manyetik alana yerleştirilmiş olan moleküllerin enerji soğurması üzerinde yoğunlaştıracağız. Kütle spektrometride (MS) ise, yüksek enerjili elekt-

367

368

Bölüm 9 / Nükleer Manyetik Rezonans ve Kütle Spektrometri: Yapı Tayini için Kullanılan Aletler

9.1 Giriş 9.2 Elektromanyetik Spektrum 9.3 Nükleer Manyetik Rezonas Spektroskopisi. 9.4 Çekirdek Spini: Sinyalin Kaynağı. 9.5 Protonların Perdelenmesi ve Perdelenmemesi. 9.6 Kimyasal Kayma. 9.7 Kimyasal Kayması Eşdeğer ve Eşdeğer Olmayan Protonlar. 9.8 Sinyal Yarılması: Spin-Spin Eşleşmesi. 9.9 Proton NMR Spekturumları ve Hız İşlemleri. 9.10 Karbon-13 NMR Spektroskopisi. 9.11 İki Boyutlu (2D) NMR Teknikleri. 9.12 Kütle Spektrometriye Giriş. 9.13 Kütle Spektrometresi. 9.14 Kütle Spektrumu 9.15 Molekül Formüllerinin veMolekül Kütlelerinin Belirlenmesi. 9.16 Parçalanma. 9.17 GC/MS Analizi. 9.18 Biyomoleküllerin Kütle Spektrumları.

ron demetiyle bombardıman edilen moleküllerden yararlanarak moleküler yapının nasıl incelendiğini göreceğiz. Bu iki teknik (NMR ve MS), organik moleküllerin yapılarının aydınlatılmasında çok kuvvetli bir kombinasyondur. Bu yöntemler infrared (İR) spektroskopisiyle (Altbölüm 2.16) birlikte organik kimyacıların kullandığı spektroskopik aletle rin tipik bir takımını oluşturur. Daha sonra, çok kısa olarak, GC/MS cihazlarında, bir karışımdaki bileşenlerin her birine ilişkin kütle spektrometri verilerinin elde edilmesi için, gaz kromatografisi (GC) ile kütle spektrometresi bağlantısının nasıl kurulduğunu tartışacağız.

9 .1

E L E K T R O M A N Y E T İK SP E K TR U M

Elektromanyetik ışıma bir enerji tipidir ve pek çok şeklinin ismi, yakından tanıdığımız terimlerden oluşur. Örneğin, tıpta kullanılan X- ışınları, görmede kullandığımız ışık, gü neş yanıklarına yol açan ultraviyole (UV) ışınları ve iletişimde kullanılan radyo ve ra dar dalgaları aynı olgunun değişik şekilleridir. Yani bunların tümü elektromanyetik ışımalardır. Elektromanyetik ışınım, görünüşte birbiriyle çelişen iki özelliğe birden sahiptir. Ya ni hem dalga hem de parçacık karakterindedir. Elektromanyetik ışınım, elektrik ve man yetik alanlardan oluşan bir dalga olarak açıklanabildiği gibi, kuant veya foton adı verilen parçacıklardan ibaret olduğu şeklinde de açıklanabilir. Bir çok farklı deney, elektroman yetik ışınımın bu iki farklı yüzünü ortaya koymuştur. Ancak bu iki karakter aynı deney de birlikte görünmez. Bir dalga genelde dalga boyu (A) ya da frekans (v) terimleriyle tanımlanır. Basit bir dalga Şekil 9.1’de görülmektedir. Ardışık iki tepe (veya çukur) arasındaki mesafe ye dalga boyu adı verilir. Dalganın yayıldığı uzayın belirli bir noktasından bir saniye de geçen dalga sayısına frekans denir ve saniyedeki titreşim sayısı ya da hertz* olarak ölçülür. Tüm elektromanyetik ışınım, boşlukta aynı hızla yayılır. Işık hızı (c) adı verilen bu hızın değeri 2,99792458 X 108 m s ”dir ve dalga boyuyla frekansın çarpımına eşittir c = Av. Elektromanyetik ışınımın dalga boyu, metre (m), milimetre (1 mm = 10 m), mikrometre (1 p m = 10 "m) ya da nanometre (1 nm = 10~''m) olarak ifade edilir. [Da ha önceleri mikrometre için mikron ip.) ve nanometre için de milimikron terimleri kul lanıyordu.] Bir elektromanyetik enerjinin bir kuantumunun enerjisi, frekansıyla doğrudan iliş kilidir. E = hv burada h = Plank sabiti 6,63X10~34 J s v = frekans (Hz)

Şekil 9.1

Basit bir dalga

dalga boyu

* Hertz terimi (Alman fizikçi H. R. Hertz'in anısına) Hz olarak kısaltılır, eski bir terim olan saniyedeki titre şim sayısı (c p s ) terimi yerine kullanılır. Elektromanyetik ışınımın frekansı, bazen, santimetredeki dalga sayı sı anlamında d a lg a sa y ısı olarak da ifade edilir.

9.2 Elektromanyetik Spektrum

! 0 i 9H z Kozmik ve y - ışınlan

X-ışınlan

0,1 nm

I 0 I5H z (U V ) Vakum ultraviyole

(U V ) Yakın ultraviyole

200 nm

Şekil 9.2

Görünür bölge

400 nm

I 0 i 3H z (N İR ) Yakın infrared

800 nm

(İR) infrared

2/im

Mikrodalga radyo

50;ttm

Elektromanyetik spektrum

Bu. ışının frekansı ne kadar yüksekse, enerjisi de o kadar yüksek olduğu anlamına ge lir. Örneğin X-ışınları, görünür ışığa kıyasla çok daha fazla enerjiye sahiptir, çünkü Xışınlarının frekansı 1019 Hz düzeyinde olmasına karşılık, görünür ışığın frekansı 1015 Hz düzeyindedir. v = c/A olduğundan, elektromanyetik ışınımın enerjisi dalga boyuyla ters orantılıdır:

burada, c = ışık hızı Bu yüzden, kuantum başına, dalga boyu uzun olan elektromanyetik ışınımın enerjisi, dalga boyu kısa olanlarınkinden daha düşüktür. X-ışınlarının dalga boyu 0.1 nm düze yinde iken görünür ışığın dalga boyu 400 ile 750 nm arasındadır. Görünür ışık konusunda bir şeyi de vurgulamak faydalı olacaktır. O da şudur: Renk olarak görüp algıladığımız şey, ışığın dalga boyu (ya da frekansıyla) ilişkili bir şeydir. Bizim kırmızı ışık adını verdiğimiz ışığın dalga boyu 750 nm ve mor ışık diye adlan dırdığımız ışığın dalga boyu ise yaklaşık 400 nm'dir. Görünür spektrumun (gök kuşa ğı) öteki bütün renkleri, bu iki dalga boyunun arasında yer alır. Elektromanyetik spektrumun farklı bölgeleri Şekil 9.2“de verilmiştir. X- ışınlarından mikrodalga ve radyo dalgalarına kadar elektromanyetik spektrumunun hemen hemen tüm bölümleri atom ve moleküllerin yapılarının aydınlatılmasında kullanılmaktadır. Elekt romanyetik spektrumun içinde çalıştığımız bölgelerine bağlı olarak, teknikler farklı ol sa da. temel ilkelerde bir uyum ve birlik vardır. İkinci bölümde, kovalent bağların gerilme ve eğilme titreşimlerinin incelenmesinde ve buna dayanarak molekülde hangi fonksiyonel grupların olduğunun belirlenmesinde elektromanyetik spekturumun infrared bölgesinin nasıl kullanılabileceğini görmüştük. Bu bölümde ise. önce karbon ve hidrojen atomlarının manyetik alanda radyo frekans enerjisini soğurmalarına dayanan ve bu yolla bu atomların moleküler çevreleri hakkın da bilgi sağlayan bir spektroskopi şekli olan nükleer manyetik rezonansla ilgileneceğiz. Daha sonra da, kütle spektrometriyi tartışacağız. Kütle spektrometri, kütleleri belirlene * Elektromanyetik ışınınım enerjisiyle dalga boyu (nm cinsinden) arasındaki ilişkiyi gösteren formül aşağıda verilmiştir: 1,20 x 10-* kJ mol 1 E (k J mol ') dalga boyu (nm)

369

370


bilen ve orijinal yapıyla ilişkilendirilen iyon ve parçaları oluşturmak için, elektron de metinin bir organik molekülle çarpışmasına dayanır. Bölüm 13’te ise moleküler yapı hakkında bilgi elde etmek üzere, görünür bölge ve ultraviyole spektroskopisinin nasıl kullanıldığını göreceğiz.

9 .2

N ükleer M a n y e S P E K TR O S TO P İS İ

tik

R

e z o n a n s

Belirli element ve izotopların çekirdekleri, bir eksen etrafında dönmekte olan mıkna tıslar gibi davranırlar. Hidrojen ('H) ve karbon-13 (BC) çekirdekleri bu özelliğe sa hiptir. 'H veya I3C atomlarını içeren bir molekül çok kuvvetli bir manyetik alana yerleştirilir ve aynı zamanda elektromanyetik enerji ile ışınlanırsa bileşikteki çekir dekler enerji soğurabilir. Bu olaya manyetik rezonans* adı verilir. Bu enerji soğurulması kuantlaşmıştır ve moleküller için karakteristik spektrumlar oluşturur, manyetik alan kuvveti ve elektromanyetik ışınının frekansı uygun değerlerde olmadıkça soğur ma gerçekleşmez. Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) spektrometreleri, kimyacıların, 'H veya 13C çe kirdeği ya da Altbölüm 9.4’te tartışacağımız başka element çekirdeklerinin yardımıyla, söz konusu enerji soğurmalarını ölçme imkanı verir. Bu cihazlarda çok kuvvetli mıkna tıslar kullanılır ve numuneler, radyo frekans (rf) bölgesindeki elektromanyetik ışıma ile ışınlanır. Bugün organik kimyacılar, tasarımları farklı iki tip NMR spektrometresi kul lanmaktadırlar: Taramalı [veya sürekli dalga (CW)] ve Fourior transform (FT) spektro metreleri. 9 .3 A Sürekli Dalga ( C W ) N M R Spektrometreleri Nükleer manyetik rezonans spektrometreleri, numune sabit frekansta bir elektromanye tik enerjiyle ışınlanırken, manyetik alan şiddeti sürekli olarak değiştirilecek şekilde ta sarımlanabilir (Şekil 9.3). Manyetik alan şiddeti uygun değere ulaştığında, bileşikteki çekirdekler enerji soğururlar ve rezonans gerçekleşir. Bu soğurma, numuneyi kuşatan alıcı bobininde zayıf bir elektrik akımına yol açar. Cihaz, oluşan bu elektrik akımını kuvvetlendirerek, frekans (Hz) birimleri cinsinden ayarlanmış özel kağıtlar üzerine bir sinyal (bir pik veya pikler serisi) olarak kaydeder. Sonuç bir NMR spektrumudur. Şekil 9.3

Bir sürekli dalga (CW) NMR spektrometresi diyagramı.

Num une

.....

B( Değişken m anyetik alanlı

C

>

(ı

P) H A

mıknatıs

B0

Radyo frekans vericisi

— -

>

— k.

Yükseltici

* Manyetik rezonans, daha önceki bölümlerde tartıştığımız kimsayal yapılara ilişkin rezonans teorisinden tü müyle farklı bir olaydır.

9.3 Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi

371

9.3B Fourier Transform ( F T ) NM R Spektrometreleri Mevcut gelişmiş NMR spektrometrelerinde, öncekilere göre, alan şiddeti çok daha yüksek olan süper iletken mıknatıslar kullanılır. Bu cihazlarda, Fourier Transform olarak bilinen bir matematiksel hesaplama yöntemiyle sinyalleri değerlendiren bir bilgisayar da bulunur. Uygulamada cihaz çok sayıda veriyi inceleyip değerlendirir ve düzensiz elektronik gürül tüleri eler. Böylece gerçek NMR sinyalleri kuvvetlenir. Fourier transformasyon cihazları (Şekil 9.4), CW NMR cihazlarına göre çok daha yüksek bir ayırma gücü ve duyarlığa sa hiptir. CW spektrometrelerinde numune, değeri sabit bir radyo frekansla ışınlanırken man yetik alan kademeli olarak artırılıyor ve her protonun tek tek uyarılması sağlanıyordu. FT cihazlarında ise, numune kısa bir radyo frekans ışınım pulsu ile ışınlanır (~10'5 s) ve CW cihazlarmdakinin aksine bütün çekirdekler aynı anda uyarılır. Sürekli dalga (CW) ya da alan tarama yöntemiyle ve pulsla uyarı yöntemi yoluyla elde edilen veriler biribirinden fark lıdır. Bu farklardan biri spektrum kaydetme zamanıyla ilgilidir. Sürekli dalga (alan tarama) yöntemiyle bir spektrumun kaydı, 2 -5 dakika sürmesine rağmen puls yönteminde bu sü re 5 s kadar kısa bir süredir. Bir başka fark da spektrumun özelliğiyle ilgilidir. Sürekli dal ga yönteminde spektrum, doğrudan, frekansın (Hz) bir fonksiyonu olarak kaydedilirken puls yönteminde, bulgular zamanın bir fonksiyonu olarak toplanır. Numuneye puls gönderildik ten sonra, propta eşzamanlı olarak belirlenen piklerin tümü hakkındaki bilgileri içeren bir tek sinyal elde edilir. Bu sinyal daha sonra, piklerin her biri tek tek teşhis edilmeden önce, bir bilgisayar ile frekansın fonksiyonu şekline dönüştürülmelidir. Sinyalin zaman alanından frekans alanına Fourier transform (FT) adı verilen bu dönü şümü bilgisayar tarafından gerçekleştirilir. Bu işlemin matematiksel yönü bizi ilgilendir miyor ancak, alınan verilerin farklı noktalarda depolandığını yani sayısallaştırıldığını ifade edebiliriz. Puls yöntemiyle çalışan NMR cihazlarında, numune bir rf pulsu ile uyarıldıktan sonra sinyal, NMR cihazının probunda bir gerilim değeri olarak belirlenir. Yükseltilme iş leminde bu sinyal, noktasal bir veri şekline dönüştürülerek bilgisayarın belleğinde sakla nır. Kuvvetli bir sinyal oluşturmaya yetecek miktarda veri sağlamncaya kadar, bu işlem tekrarlanır ve elde edilen veriler Fourier yöntemiyle frekans spektrumuna dönüştürülür. NMR spektroskopisiyle ilgili çalışmalarımıza, hidrojen çekirdeğinden kaynaklanan spektrumun temel özelliklerini kısaca inceleyerek başlayacağız. Bu spektrumlar, sık sık pro ton manyetik rezonans (PMR) spektrumları ya da *H NMR spektrumları olarak adlandı rılırlar. NMR Spektroskopisiyle ilgili tartışmalarımızı CW cihazlarına ilişkin terminoloji içinde gerçekleştireceğiz. Çünkü, çalışmaları, rf değerinin sabit tutularak, manyetik alanın kademeli olarak değiştirilmesine dayanan bu aletlerle ilgili açıklamalar daha basittir. Oy sa FT cihazlarında veri sağlanması, bir bakıma, manyetik alan sabit tutulup rf değerinin deŞekil 9.4 Bir Fourier transform nükleer manyetik rezonans spektrometresinin diyagramı

Mıknatısın merkezindeki boşlukta bulunan prop bobininin içerisine yerleştirilmiş olan numune tüpü sürekli olarak kendi ekseni etrafında döndürülür.

Sinyalin zaman alanından frekans alanına Fourier transform işlemi bilgi-işlem masasında gerçekleşir,

372


A NMR Spektrumunu Yoruınlaıııa Aletleri.

ğiştirildiği bir yöntemle sağlanır ve bu cihazlara ilişkin terimlerle yapılan tartışmaların önçekiyle eşdeğer ama çok daha karmaşık olması kaçınılmazdır. Şu ana kadar konuya kısaca göz atmış olduk. Bundan sonra. NMR spektroskopisiyle ilgili kimyasal kayma, pik alanı (integrasyon), sinyal yarılması ve diğer özellikleri ayrıntı], biçimde inceleyeceğiz. 9.3C Kimyasal Kayma. Bir NM R Spektrumunda Piklerin Yerleri Hidrojen çekirdeği, elektronlarından arındırılmış ve diğer çekirdeklerden tümüyle yalıtılmış olsaydı, hidrojen çekirdeklerinin (protonlar) tamamı verilen bir elektromanyetik ışınım fre kansı için, aynı manyetik alan kuvvetinde enerji soğururdu. Ama çok şükür ki bileşikler deki hidrojen çekirdeklerinin durumu böyle değildir. Verilen bir moleküldeki hidrojen çekirdeklerinin etrafında elektronlar bulunmaktadır ve bazı çekirdeklerin etrafındaki elekt ron yoğunluğu diğerlerine kıyasla daha fazladır. Bunun bir sonucu olarak bu çekirdekler (protonlar), enerji soğurmasını, kiiçiik de olsa farklı manyetik alan şiddetlerinde gerçekleş tirirler. Sonuçta, bu protonlara ilişkin sinyaller NMR spekturumunun farklı konumlarında ortaya çıkar. Bu durum, protonlann farklı kimyasal kayma değerlerine sahip oldukları şek linde ifade edilir. Soğurmanın oluştuğu gerçek manyetik alan şiddeti (kimyasal kayma) bü yük ölçüde, her bir protonun manyetik çevresine bağlıdır. Bu manyetik çevre iki etkene bağlıdır. Bunlardan biri çekirdeğin etrafında dönmekte olan elektronların oluşturduğu man yetik alan, diğeri de komşu protonlardan (veya diğer çekirlerden) kaynaklanan manyetik alandır. Şekil 9.5'te 1,4-dimetilbenzenin (p-ksilen de denilen bir bileşik) 'H NMR spektrumu görülmektedir. Kimyasal kayma değerleri, spekturumun alt tarafı boyunca olan bir delta (5) ölçeğin de (milyonda bir birimiyle) ifade edilir. Daha sonra bu birim hakkında daha fazla bilgi ve rilecektir. Şimdilik, uygulanan dış manyetik alan şiddetinin soldan sağa doğru arttığını belirtmekle yetineceğiz. Kimyasal kayma değeri ö l olan sinyal, kimyasal kayma değeri S 2 olan pikten daha düşük alanda ortaya çıkar. Spektrumun sol tarafında ortaya çıkan pik lerin düşük alanda, sağ taraftakilerin ise yüksek alanda olduğu söylenir. Şekil 9.5’te <50 noktasında küçük bir pik görülmektedir. Bu pik, kimyasal kayma ölçe ğinin ayarlanabilmesi için numuneye katılan terametilsilan (TMS) bileşiğinden kaynaklan maktadır.

6H

(a)

9.3 Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi

İşaret etmek istediğimiz ilk özellik, bileşikteki farklı türdeki hidrojen atomlarının sayısıyla NMR spektrumundaki sinyal sayısı arasındaki ilişkidir. 1,4-Dimetilbenzen, yapısındaki simetri nedeniyle sadece iki farklı tür hidrojen atomu na sahiptir ve NMR spektrumunda sadece iki sinyal vermektedir 1,4-Dimetilbenzenin iki tür hidrojen atomundan biri, metil gruplarının hidrojen atomları, öteki ise benzen halkasın daki hidrojen atomlarıdır. 1,4-Dimetilbenzenin metil gruplarındaki altı hidrojen atomunun tümü biribirinin eşdeğeridir ve bunların çevresi, benzen halkasında bulunan ve birbirinin eşdeğeri olan dört hidrojen atomunun çevresinden farklıdır. Metil gruplarının altı hidrojen atomu 52,3’te, benzen halkasının dört hidrojen atomu ise <57,05’te sinyal vermektedir. 9 .3 D Pik Alanlarının İntegrasyonu ve İntegral Eğrisi Bu bölümde, ikinci özellik olarak, belirli hidrojen atomu gruplarının tayininde çok işe yarayan bağıl pik büyüklüklerini ele alacağız. Burada önemli olan her bir pikin yüksek liği değil onun altında kalan alandır. Bu alanlar, doğru olarak ölçüldüklerinde, o pikin ortaya çıkmasını sağlayan hidrojen atomlarının sayısıyla doğru orantılıdır. Şekil 9.5’ten de görülebileceği gibi, 1,4 dimetilbenzendeki metil hidrojen atomlarına (6 H) ilişkin sin yalin altında kalan alan, halka hidrojenlerininkinden (4H) daha büyüktür. Spektrometre bu alanları otomatik olarak ölçer ve her bir sinyalin üzerine, adına integral eğrisi denen eğriler olarak çizer. İntegral eğrilerinin yüksekliği, sinyallerin altında kalan alanlarla oran tılıdır. Bizim örneğimizde bu oran 1,5:1 ya da 6 :4 tür. 9 .3 E Sinyal Yarılması 'H NMR spektrumlarının, bir bileşiğin yapısı hakkında bilgi sağlayan üçüncü özelliği spin yarılmasıdır ve bu özellik, 1,1,2-trikloroetanın spektrumu (Şekil 9.6) incelendiğin de görülebilir. Spin yarılmasının bir örneği Şekil 9.6’da görülmektedir. Spin yarılması, sinyali oluş turan hidrojen atomlarını taşıyan atoma bitişik atomda bulunan hidrojen atomlarının man yetik etkisiyle ortaya çıkan bir olaydır. — CH2C1 Grubunun iki eşdeğer hidrojen atomuna ilişkin sinyal (b),— CHC12 grubundaki hidrojen atomunun manyetik etkisiyle iki pike (bir ikili) yarılır. Öte yandan, — CHC12 grubundaki hidrojene ait olan sinyal (a) ise, — CH2C 1

8

7

6

5

4

3

2

1

0

S,, (ppm)

Şekil 9.6 1,1,2-Trikloroetanın 300 MHz ‘H NMR spektrumu. Sinyallerin genişletilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca verilmiştir.

373

374


grubunun eşdeğer iki protonunun manyetik etkisiyle üç pike (bir üçlü) yarılır. Bu noktada, spin yarılması gereksiz bir karışıklık gibi görülebilir. Ancak, 'H NMR spektrumlarını yorumlamada deneyim kazandıkça, bileşik hakkında önemli bilgiler sağ layan spin yarılmasının, molekül yapısının aydınlatılmasında çok faydalı bir yol oldu ğu anlaşılacaktır. Şu ana kadar 'H NMR spekturumlarının önemli özelliklerine bir giriş yapmış bulun maktayız ve artık bunları daha ayrıntılı olarak ele almaya hazırız.

9 .4

Ç E K İR D E K S P İN İ: S İN Y A L İN K A Y N A Ğ I

Elektron spini kavramına ve bunların + 2 ya da - \ olan spin kuantum hallerine yaban cı değiliz. Elektron spini, Pauli-dışlama ilkesinin (Altbölüm 1.10) temelidir ve spinleri çiftleşmiş iki elektronun, nasıl olup da aynı atomik ya da moleküler orbitalde buluna bildiklerini anlamamıza yardımcı olur. Belirli izotopların çekirdekleri de kendi eksenleri etrafında dönerler ve bu yüzden onların da spin kuantum sayıları (/) vardır. Elektronda olduğu gibi, hidrojen atomu çe kirdeğinin (proton) spin kuantum sayısı dir ve proton + 2 yada - \ olan iki spin halinden birinde bulunabilir. Bunlar manyetik mamentle ilişkilendirilebilir, / = ' için w = + i ya da - ~ . nC, l9F ve 3IP çekirdekleri, spin kuantum sayısı / = \ olan diğer örneklerdir. I2C, ,60 ve 32S gibi çekirdeklerin spinleri yoktur (/ = 0) ve bu çekirdekler NMR spektrumu vermezler. Buraya kadar adı geçenlerin dışında kalan çekirdeklerin spin kuantum sayıları \ den büyüktür. Biz burada öncelikle, her ikisinin de spin kuantum sayısı / = \ olan 'H ve l3C çekirdeklerinin verdiği spektrumlarla ilgileneceğiz ve pro ton spektrumu ile başlıyacağız. Elektriksel olarak yüklü olması nedeniyle, kendi ekseni etrafında dönmekte olan pro ton çok küçük ve dönme ekseninin üzerinde yer alan bir manyetik moment oluştur (Şe kil 9.7). Bu küçük manyetik moment, dönmekte olan protona bir küçük mıknatıs özelliği kazandırır. Manyetik alan olmadığı zaman (Şekil 9.8a) moleküldeki protonların manyetik mo mentleri rastgele bir şekilde her tarafa doğru yönlenirler. Ancak, hidrojen içeren bir bi leşik (yani protonlar) bir dış manyetik alanın bulunduğu yere yerleştirildiğinde protonlar, dış manyetik alana göre mümkün olan iki yönlenmenin birisinde olabilirler. Protonla rın manyetik momentleri ya dış manyetik alan ile “aynı” yönde ya da “zıt” yönde ola cak şekilde dizilirler (Şekil 9.8b). Bu diziliş, daha önce ifade edilmiş olan iki spin durumuna karşılık gelir. Şekil 9.7

(a) Dönmekte olan proto na eşlik eden manyetik alan.

(b ) Dönmekte olan proton, küçük bir mıknatıs çubuğuna benzer.

9.4 Çekirdek Spini: Sinyalin Kaynağı

Şekil 9.8

\ ^ /

(a) Manyetik alan yokken, protonların manyetik momentleri (oklarla gösterilmiş) düzensiz olarak yönlenirler. (b) Protonlar, bir dış manyetik alan (B0) uygulandığında, bazıları manyetik alanla aynı yönde (a spin durumu) bazıları da zıt yönde ((3 spin durumu) olacak şekilde dizi lirler.

p

'

i t

\ -

Uygulanan m anyetik alan

M anyetik alan yok

(a)

B0

(b)

Tahmin edebileceğimiz gibi, protonların dış manyetik alandaki bu iki farklı dizilişi nin enerjileri aynı değildir. Manyetik alanla aynı yönelişe sahip protonların enerjileri zıt yönde yönlenmiş olanlarınkinden küçüktür. Protonu, düşük enerjili halinden (alanla aynı yönde) yüksek enerjili haline (alana zıt yönde) “takla anırabilmek” için enerji gerekir. NMR spektrometresinde, gereken bu ener ji radyo frekans bölgesindeki elektromanyetik ışıma ile sağlanır. Bu enerji soğurulması gerçekleştiğinde, çekirdeklerin elektromanyetik ışıma ile rezonansta olduğu söylenir. Gerekli enerji manyetik alanın kuvvetiyle doğru orantılıdır (Şekil 9.9). Örneğin, yakla şık 7,04 tesla şiddetindeki manyetik alanda, saniyede 300 X İO6 çevrim yapan (cps) (300 MHz) bir elektromanyetik ışıma protonların soğurması için gereken enerjiyi sağlar*. Bu bölümde verilen NMR spektrumlarının tümü 300 MHz spektrumlarıdır. fi Spin

hali

I ----->AE

B 0 = 1,41 tesla

>AE

-_L

a Spin

hali

B0= 7,04 tesla

(a)

(b)

375

(c)

Şekil 9.9 Bir protonun iki spin hali arasındaki fark, uygulanan dış manyetik alanın şiddetine (B0) bağlıdır, (a) Uygulanan bir manyetik alan yoksa (B0 = 0), iki spin hali ara sında enerji farkı yoktur. (b) Eğer B0 = 1,41 tesla ise, enerji farkı, 60 X 106 Hz (60 MHzj’lik elektromanyetik ışımanın enerjisine karşılık gelir, (c) Yaklaşık 7,04 tesla şid detindeki manyetik alan kuvveti içerisinde bu enerji farkı 300 X 10'' Hz (300 MHz)’lik bir elektromanyetik ışımanın enerjisine karşılık gelir. Bu frekansta ve hatta daha yüksek fre kanslarda (800 MHz’ten 1 gigahertze kadar) çalışan cihazlar da mevcuttur. * Manyetik alan şiddetiyle, ışıma frekansı arasındaki ilişki aşağıdaki formülle verilir:

v= 7bo 2n Burada y, manyetojirik (ya da jiromanyetik) orandır ve proton için değeri y = 26,753 rad s 1tesla 1dir.

376

Bölüm 9 / Nükleer Manyetik Rezonans ve Külle Spektrometri: Yapı Tayini için Kullanılan Aletler

Şekil 9.10 Bir dış manyetik alanın etkisi altında bulunan C — H bağının elektronlarının dolaşımı. Bu elektron dolaşımı, protonu dış alana karşı perdeleyen küçük bir manyetik alan (bir indüklenmiş alan) oluşturur.

9 .5

İndüklenm iş m an y e tik alan

P R O T O N L A R IN P ER D ELEN M ESİ VE PER D ELEN M EM ESİ

Bütün protonlar, aynı manyetik alan şiddetinde enerji soğurmazlar. Bu durumu, daha önce incelediğimiz iki spektrum bize göstermektedir. 1,4-Dimetilbenzenin aromatik pro tonları düşük alan şiddetinde (5 7,05) soğurma yaparlar. Buna karşılık, 1,4-dimetilbenzen ve 1 , 1 ,2 -trikloroetandaki değişik alkil protonları daha yüksek alan şiddetinde soğurma yaparlar. NMR spektrumunda bir sinyalin genel konumu, yani soğurmanın gerçekleşmesi için gereken manyetik alan şiddeti, bileşikteki elektron yoğunluğu ve elektron dolaşımıyla bağlantılı olabilir. Dış manyetik alanın etkisi altındaki elektronlar belirli yörüngelerde hareket ederler. Elektronlar yüklü parçacıklar olduğundan, onların bu hareketi küçük manyetik alanların oluşmasına yol açar. Bunun nasıl gerçekleştiğini, C — H ö bağındaki elektronların proton etrafındaki dö nüşlerini ele alarak gösterebiliriz. Bunu yaparken, g elektronlarının, genel olarak daire sel bir yörüngede hareket ettiklerini kabul etmemiz gerekir. Çünkü, bu şekilde, durumu çok daha basitleştirerek anlatmak mümkündür, g Elektronlarının oluşturduğu manyetik alan Şekil 9.10’da görülmektedir. Elektronlarca oluşturulan bu küçük manyetik alana indüklenmiş alan adı verilir. Pro tondaki indüklenmiş manyetik alan, dış manyetik alanla ters yöndedir. Bu nedenle, protonun algıladığı gerçek manyetik alan, dış manyetik alandan birazcık daha küçüktür. Böylece, elektronlar protonu perdelemiş olurlar. Elektronlarca kuvvetli bir şekilde perdelenmiş olan protonlar, elbette, daha az per delenmiş protonlarla aynı dış alan şiddetinde soğurma yapmazlar. Daha fazla perdelen miş olan proton, daha yüksek dış alan şiddetinde soğurma yapacaktır (FT cihazlarında daha yüksek frekansta). Bu nedenle, indüklenmiş küçük alanı telafi edebilmek için, dış manyetik alan spektrometre tarafından artırılır (Şekil 9.11).

Şekil 9.1 I o Elektronlarının perdelemesi 'H NMR soğurma sını daha yüksek dış alan şidde tine kaydırır.

O E lektro n la rın ın p erd e le m e si, s in y a li dah a y ü k se k a la n a k a yd ırm ıştır

o E lektro n la rı o lm a sa yd ı sin y a l b u ra d a çıka ca ktı.

Dış manyetik alan B0 Düşük alan

> Yüksek alan

9.6 Kimyasal Kayma

377

Şekil 9.12 77Elektronlarının dolaşımıyla etin pro

tonlarının perdelenmesi. Perdeleme, sp karbonlarına bağlı protonların vinilik protonlardan daha yüksek alanda soğurma yapmasına yol açar.

o Elektronlarının dolaşımıyla bir protonun ne ölçüde perdeleneceği, onun etrafındaki bağıl elektron yoğunluğuna bağlıdır. Bu elektron yoğunluğu ise büyük ölçüde elektrone gatif grupların olup olmamasına bağlıdır. Elektronegatif gruplar, özellikle de protonun bu lunduğu karbon atomuna bağlı olanlar, C — H bağından elektron çekerek protonun etrafındaki elektron yoğunluğunu azaltırlar. Bu etkinin bir örneğini, 1,1,2-trikloroetanın spektrumunda görebiliriz (Şekil 9.6). C1 karbonundaki proton (55,77), C2 karbonundaki protonlara (5 3,95) göre daha düşük manyetik alan şiddetinde soğurma yapar. C1 karbo nunda iki tane çok elektronegatif klor atomu bulunmasına karşılık C2 karbonunda sadece bir klor atomu bulunmaktadır. Sonuç olarak. C2 karbonunda bulunan protonlar çok daha etkin bir şekilde perdeleneceklerdir. Çünkü bunlar etrafındaki o elektronlarının yoğunlu ğu daha fazladır. Delokalize olmuş 7 7 elektronlarının dolaşımlarının oluşturduğu indüklenıniş manye tik alanlar yakınlardaki protonlarda hem perdeleme hem de perdelememe etkisi yara tabilirler. Perdeleme mi yoksa perdelememenin mi olacağı, protonun indüklenmiş alandaki yerine bağlıdır. Benzen türevlerindeki aromatik protonlarda, bunlar indüklen miş elektromanyetik alanın dış manyetik alanı kuvvetlendirdiği bölgede yer aldıklarından, perdelememe etkisi söz konusudur (Altbölüm 14.7B). Bu perdelememe etkisi nedeniyle aromatik protonların enerji soğurması, nispeten da ha küçük manyetik alan kuvvetindeki düşük alanda gerçekleşir. Örneğin, benzenin pro tonlarıyla 1,4-dimetilbenzenin aromatik protonları (Şekil 9.5), sırasıyla, 57,27 ve 57,05 değerlerinde soğurma yaparlar. 77 Elektronlarının dolaşımıyla yaratılan manyetik alan, etinin (ya da diğer alkinlerin) protonlarını perdeleyerek onlarm beklenenden daha yüksek bir alan şiddetinde soğurma yapmalarına neden olur. Eğer yalnızca, karbon atomlarının üç melezleşme halindeki elekt ronegatifi iklerini ele alacak olursak onlara bağlı bulunan protonlar için aşağıda verilen sıra söz konusu olacaktır. (düşük alan şiddeti) sp < sp1 < sp1 (yüksek alan şiddeti) Gerçekte ise uç alkinlerin protonları 5 2,0 ve 5 3,0 değerleri arasında soğurma yapar ve sıralama aşağıdaki gibidir: (düşük alan şiddeti) sp' < sp < sp3 (yüksek alan şiddeti) Alkin protonlarında görülen yüksek alana kayma, üçlü bağ 77 elektronlarının dolaşımıy la ortaya çıkan perdeleme etkisinden kaynaklanmaktadır ve bu perdelemenin kaynağı, Şekil 9.12'de gösterilmiştir.

9 .6

K İm

ya sa l

K

a y m a

Şimdi, protonların soğurmalarının, çıplak (yani elektronlarından sıyrılmış) bir proton dan beklenen değerden farklı bir konumda gerçekleşmesine neden olan perdeleme ve perdelememe etkilerini inceleyeceğiz Kimyasal bağlardaki elektronların dolaşımından kaynaklanan bu kaymalara kimyasal kayma adı verilir. Kimyasal kaymalar, bir referans bileşiğin protonlarının soğurması referans alınarak ölçülür. Soğurmanın oluştuğu noktadaki manyetik alanın gerçek değerini ölçmenin, pra-

378


tikte pek bir yararı yoktur. O nedenle, referans madde kullanılır ve en sık kullanılan re ferans madde tetrametilsilandır (TMS). Spektrumu alınacak numuneye çok az miktarda tetrametilsilan ilave edilir ve TMS’nin 12 eşdeğer protonunun sinyali, delta (5) ölçe ğinde sıfır olarak işaretlenir. Si(CH3) 4

Tetrametilsilan TMS Tetrametilsilan pek çok nedenle referans madde olarak seçilmiştir. 12 Hidrojen ato muna sahip olduğu için, TMS'nin çok az miktarı bile yeterince şiddetli bir pik verebil mektedir. Ayrıca tüm hidrojen atomları eşdeğer olduğu için tek bir sinyal elde edilir. Silisyum karbondan daha az elektronegatif olduğu için, TMS protonlarının etrafındaki elektron yoğunluğu fazladır ve bu protonlar önemli ölçüde perdelenmişlerdir. Bu ne denle TMS’den kaynaklanan sinyal, oldukça sağa kaymış olarak, spektrumun pek az atomun soğurma yaptığı bölgesinde ortaya çıkar. Bu yüzden, TMS sinyaliyle başka hid rojen atomlarının sinyalinin karışması nadiren karşılaşılan bir durumdur. Ayrıca, tetram etilsilan, bir alkan gibi nispeten soydur. Kaynama noktası 27°C olan TMS çok kolay buharlaşabilen bir maddedir ve spektrum kaydedildikten sonra, numuneden kolaylıkla buharlaştırılarak uzaklaştırılabilir. Kimyasal kaymalar, elektromanyetik ışımanın frekansı değiştiriliyormuş gibi, hertz (cps) cinsinden ölçülür.

Çizelge 9.1 Protonların Yaklaşık Kimyasal Kaymaları Kimyasal Kayma (5, ppm)

Proton Türü 1° A lk il, R C H ,

0 ,8 -1 ,0

2° A lk il. R C H , R

1 ,2 -1 ,4

3° A lk il. R 3C H

1 ,4 -1 ,7

A lk il, R ,C = C — C H ,

2

1

3

1 ,6 -1 ,9

R Keton, R C C H ,

II

0

2 ,1 -2 ,6

' 2 ,2 -2 ,5

B e n zilik , A r C H 3 A setilenik, R C =

C II

2 ,5 -3 ,1

A lk il iyodür, RCH-,1

3 ,1 -3 ,3

Eter, R O C H , R

3 ,3 -3 ,9

A lk o l. H O C H , R

3 ,3 -4 ,0

A lk il brom ür, R C H , B r

3 ,4 -3 ,6

A lk il klorür, R C H ,C 1

3 ,6 -3 ,8

V in ilik , R , C = C H ,

4 .6 -5 ,0

V in ilik . R 2C = C H

5 ,2 -5 ,7

R A ro m a tik . A r H

6 .0 -9 .5

A lde h it, R C H II

9 ,5 -1 0 ,5

0 A lk o l hidroksili. R O H

0 ,5 -6 ,0 u

A m in o . R - N H ,

l,0 -5 ,0 a

Fenolik, A r O H

4 ,5 -7 ,7 °

K arboksilik. RCOI-1

10-13°

II

0 a Bu

protonların kimyasal kaym aları, sıcaklık, derişim vc çözücüye bağlı olarak değişir.

9.7 Kimyasal Kayması Eşdeğer ve Eşdeğer Olmayan Protonlar

Gerçekte CW cihazlarında değiştirilen, manyetik alandır. Ancak, frekans değeriyle man yetik alanın şiddeti matematiksel olarak orantılı olduğundan frekans biriminin (Hz) kul lanılması uygundur. Bir protonun kimyasal kayması, hertz olarak ifade edildiğinde, dış manyetik alan şiddetiyle orantılıdır. Genel olarak spektrometrelerde kullanılan alan şiddeti farklı oldu ğundan, kimyasal kaymanın dış manyetik alandan bağımsız bir şekilde ifade edilmesi istenir. Kimyasal kayma aletin frekansına bölünerek, bu kolayca yapılabilir. Ama kes rin pay ve paydasının her ikisi de frekans birimiyle (Hz) ifade edilmelidir. Toplam alan şiddetine (60, 300 ya da 600 milyon Hz) kıyasla kimyasal kaymalar (5000 Hz den az) her zaman çok küçük olduğu için, bu kesrin, milyonda bir kısım (ppm) birimi cinsinden verilmesi uygun olacaktır. Bu yaklaşım, kimyasal kaymanın TMS ile ilişkili olarak del ta ölçeğinde ifade edilmesinin çıkış noktasıdır. (hertz cinsinden, TMS’den gözlenen kayma) X (hertz cinsinden cihazın çalışma frekansı)

10'’

Örneğin 300 MHz’de çalışan bir cihaz kullandığında, benzen protonlarının kimyasal kay ması 2181 Hz’dir. Bu nedenle, 2181 Hz X 106 o = ------------------ = 7,27 300 X 10fi Hz Hidrojen içeren bazı grupların yaklaşık proton kimyasal kayma değerleri Çizelge 9.1’de verilmiştir. 9 .7

K İM Y A S A L K A Y M A S I E Ş D E Ğ E R VE E Ş D E Ğ E R O lm ayan Pr o to n lar

Özdeş çevrelerde bulunan iki ya da daha çok proton, aynı kimyasal kaymaya sahiptir ve bunlar 'H NMR spekturumunda sadece bir sinyal verirler. Protonların aynı çevrede ol duğunu nasıl bileceğiz? Çoğu bileşikte, aynı çevre içinde bulunan protonlar, kimyasal tepkimelerde biribirinin eşdeğeri olarak davranırlar. İşte bu kimyasal olarak eşdeğer olan protonlara, 'H NMR spektrumunda kimyasal kayması eşdeğer protonlar denir. 9 .7 A Homotopik Hidrojen Atomları Verilen bir moleküldeki iki ya da daha fazla protonun, kimyasal kayması eşdeğer pro tonlar olup olmadıklarına karar vermenin basit bir yolu, bu protonların her birini, teker teker başka gruplarla değiştirmektir. Bu grup gerçek ya da hayali olabilir. Eğer yapı lan bu işlem sonunda aynı bileşik elde ediliyorsa, değiştirilen hidrojen atomlarına kim yasal olarak eşdeğer veya homotopik protonlar adı verilir. Homotopik atomların (ya

da grupların) kimyasal kayması da eşdeğerdir. Örnek olarak 2 -metilpropeni ele alalım: CH, (b)

(a) H

\ c= /

(a) H

C

/ \

CH3 (b)

,---------------------- N, H yerine C l gelirse > l//

H \

CH2C1

/,

c=c / \

H

CH3

3-Kloro-2-metilpropen

+

Cl \

ch3

H

ch3

/ c= c / \

l-Kloro-2-meti)propen

Burada iki tane homotopik hidrojen grubu bulunmaktadır. Bu gruplardan birini, altı adet metil hidrojeni (b) oluşturmaktadır ve bunlardan herhangi birinin klorla yer değiştirme si aynı bileşiği, 3-kloro-2-metilpropeni verir. İki adet vinil hidrojeni (a) ise diğer gru bu oluşturmaktadır. Bunlardan birinin klor atomuyla yer değiştirmesi sonucunda l-kloro-2-metilpropene ulaşılır. Öyleyse, 2-metilpropen iki 'H NMR sinyali verecektir.

379

380


P ro b le m 9.1

>■ Benzer bir analizi 1.4-dimetilbenzen (Altbölüm 9.3C) için yapınız ve bunun, kim yasal kayması eşdeğer olan iki proton grubuna sahip olduğunu gösteriniz. Ayrıca, bu molekülün spekturumunda (Şekil 9.5) neden sadece iki sinyal olduğunu açıkla yınız. ________________

P ro b le m 9.2

>

Aşağıdaki moleküllerin 'H NMR spektnımlarında kaçar sinyal bulunur? (d) 2,3-Dimetil-2-büten (a) Etan (e) (Z)-2-Bıiten (b) Propan (f) (£> 2 -Biiten (c) rcz-Bütil metil eter

9.7B

Enantiyotopik ve Diastereotopik Hidrojen Atomları

Bir karbon atomundaki iki hidrojen atomun her biri, teker teker aynı grupla yer değiş tirdiğinde enantiyomerler elde ediliyorsa, bu iki hidrojen atomuna enantiyopik hidro jen atomları denir. Enantiyotopik hidrojen atomlarının kimyasal kaymaları aynıdır ve sadece bir tane ‘H NMR sinyali verirler* Br ■ C -H .

c h

Br

Br Her bir H

f

Z ile yer değiştirirse

3

j £j_ j

1 CH, T

Enantiyomerler

Etil bromürün — CH2Br grubundaki iki hidrojen atomu enantiyotopik protonlardır. Bu nedenle etil bromürün 'H NMR spektrumunda iki sinyal ortaya çıkar. Bunlardan bi ri. — CH2Br grubunun iki enantiyotopik protonuna, diğeri de — CH3 grubunun üç eş değer protonuna aittir. [Aslında etil bromürün 'H NMR spektrumu, daha sonra göreceğimiz gibi (sinyallerin birinde üç. diğerinde dört olmak üzere) yedi pikten olu şur. Sinyal yarılmasından ileri gelen bu durum Altbölüm 9.8'de açıklanacaktır.] Eğer iki hidrojenin her biri bir Z grubuyla yer değiştirdiğinde diastereomerler elde ediliyorsa, bu iki hidrojene diastereotopik hidrojen atomları denir. Tasadüfi durumlar dışında, diastereotopik protonların kimyasal kaymaları aynı değildir, ve farklı 'H NMR sinyalleri verirler.

Örneğin, kloroetenin = C H 2 grubundaki iki proton diastereotopik protondur. cı

H

değiştirme

/

c=c

/

cı

z

\

\

\

I u

Z ile yer

-------------- ►

\ H

cı

H

/ u II u

/

+

\

\ II

H

/

H

c\

Z|

Diastereomerler

Bu nedenle, kloroetenin eşdeğer olmayan üç protonuna ilişkin sinyaller ortaya çıkacak tır. Bunlardan biri, C 1C H = grubundaki protona, diğer ikisi de = C H 2 grubundaki di astereotopik protonlara aittir. * Kiral çözücülerde, enantiyotopik hidrojen atomlarının kimyasal kayması aym olmayabilir. Ancak ‘H NMR spektrumları çoğunlukla akiral çözücülerde kaydedilir ve enantiyotopik protonlann kimyasal kaymaları aym olur.

9.8 Sinyal Yarılması: Spin-Spin Eşleşmesi 5 eA-Bütil alkolün metilen (—CH2—) grubundaki iki proton da diastereotopik proton lardır. Bunu s
ÇH3

çh3

H ^ c ^*OH

h ^ c ^*oh

çh3 h ^ c >* o h

Z ile yer değiştirme

H ^T^H CH, seA-Bütil alkol (bir enantiyomer)

CH3

ch3

Diastereomerler

Bu iki proton farklı kimyasal kaymalara sahiptir ve 'H NMR spekturumunda farklı iki sinyal verir. Ancak bu iki sinyal, örtüşebilecek kadar birbirine yakın olabilir.

(a) sÂ-Bütil alkolün diğer enantiyomerindeki iki metilen protonunun her birinin, Z ■< P ro b le m 9.3 ile yer değiştirmesi sonucunda elde edilen diastereomer çiftini gösteriniz, (b) sekBütil alkolde kimyasal olarak farklı kaç tür proton vardır? (c) seA-Bütil alkolün spektrumunda kaç tane 'H NMR sinyali bulmayı beklersiniz? Aşağıdaki bileşiklerin her birinde kaçar 'H NMR sinyali ortaya çıkar? (a) CH3 CH2CH2CH3 (f) 1,1-Dimetilsiklopropan (g) trans-\,2-Dimetilsiklopropan (b) CH3CH2OH (c) CH3CH = CH2 (h) cis-1,2-Dimetilsiklopropan (d) nw 7.y-2 -Büten (i) 1- Penten (e) 1,2-Dibromopropan (j) l-Kloro-2-propanol

9 .8

<

S İN Y A L Y A R IL M A S I: S P İN -S P İN EŞLEŞM ESİ

Sinyal yarılması, komşu atomlardaki protonların manyetik alanlarının etkisinden kay naklanır. Sinyal yarılmasının bir örneğini 1,1,2-trikloroetanın spektrumunda görmüştük (Şekil 9.6). 1,1,2-Trikloroetanm — CH2C1 grubundaki iki eşdeğer protonun sinyali, CHC12— grubundaki tek proton tarafından iki pike bölünmektedir. Benzer şekilde CHClo— grubundaki tek protona ilişkin sinyal de, — CH2C1 grubunun iki protonu ta rafından yarılarak üç pik şeklinde ortaya çıkmaktadır. Bu. ileride Şekil 9.13’te gösteril miştir. Sinyal yarılması, birazdan ele alacağımız spin-spin eşleşmesi olarak bilinen olay dan kaynaklanır. Spin-spin eşleşme etkileri başlıca, bağ elektronları yoluyla iletilir ve genelde aralarında üçten fazla o bağı bulunan protonların eşleşmesinde görülmez*. Bundan dolayı, sinyal yarılması, 1,1,2-trikloroetanda olduğu gibi, birbirlerine o bağıy la bağlanmış olan bitişik atomlardaki protonlar arasında görülür (Şekil 9.6). Bu konu da iyi bir örnek de aşağıda verilen /er-bütil metil eter molekülüdür. ter-Bütil metil eterde *Konformasyonel yapısı esnek olmayan moleküllerde ve ttbağları içeren sistemlerde, aralarındaki mesafe üç bağdan fazla olan protonlarda da spin-spin eşleşmesi görülebilir ve buna uzun mesafe eşleşmesi denir.

P ro b le m 9.4

381

382


(o)

Şekil 9.13 1,1,2-T rikloroetandaki sinyal yarılması. (a )

(b)

C H C I2C H ; C1 1 ,1 .2Trikloroelan

Protonunun

(b) Protonunun sinyali

sinyali

ı İki

I

ı

(b) protonu tarafından

Bir (a ) protonu tarafından bir İkiliye yanlmış

bir üçlüye yarılmış

sinyal yarılması görülmeyecektir. Çünkü, (a) protonlarıyla (b) protonlarının arasında ki mesafe üç bağdan daha çoktur. (a)

CH3 (a)

I '

(b)

ch 3—ç —o —CH3 ch3 (a)

ter-Bütil metil eter (sinyal yarılması yok) K im y a s a l o la ra k e ş d e ğ e r (lıo m o to p ik ) y a d a e n a n tiy o to p ik p r o to n la r a ra sın d a da

Bir başka deyişle, k im y a s a l k a y m a sı ta m o la ra k a y n ı olan protonlar arasında sinyal yarılması olmaz. Bu nedenle, altı eşdeğer protona sahip olan etanın spektrumunda tek sinyal elde edilir ve bir sinyal yarılmasıyla karşılaşılmaz. s in y a l y a r ılm a s ı g ö zle n m e z.

CH3CH3 (sinyal yarılması yok) Ayrıca, Şekil 9.14’te görüldüğü gibi, metoksiasetonitrilin enantiyotopik protonlarının sinyallerinde de yarılma olmaz Spin-spin eşleşmesiyle, sinyal yarılması arasında küçük bir fark vardır. Aslında, kimyasal kayması aynı olan proton gruplan arasında, sık sık spin-spin eşleşmesi gerçekleşmektedir (ve bu eşleşmenin belirlenebildiği yöntemler vardır ama biz bu rada bunlara girmiyeceğiz). Bununla beraber, sadece kimyasal kaymaları farklı olan proton gruplarının spin-spin eşleşmeleri sinyal yarılmasına yol açar.

Şimdi, kimyasal kayması farklı olan proton gruplarının eşleşmesiyle sinyal yarılma sının nasıl ortaya çıktığını açıklayalım. Protonların, manyetik alan içinde, manyetik alanla aynı ya da zıt yönlü olarak sade ce iki şekilde yönlendiklerini görmüştük. Bu nedenle, komşu atomdaki protonun man yetik momenti, bu iki yönelmeden sadece birinde bulunan ve sinyalini incelemekte olduğumuz protondaki manyetik alanı etkileyebilir. Birbirinden çok az fark bulunan bu iki etki, tek pik yerine, biri ondan birazcık düşük alanda, öteki de birazcık yüksek alan da yer alan daha küçük iki pikin ortaya çıkmasına yol açar. Komşu protonunun olası iki yönelmesinin, Hü protonuna ilişkin sinyali nasıl iki ye böldüğü Şekil 9.15’te verilmiştir. (Ha ve eşdeğer protonlar değildir.)

9.8 Sinyal Yarılması: Spin-Spin Eşleşmesi

383

Şekil 9.14 Metoksiasetonitrilin 300 MHz 'H NMR spektrumu. Enantiyotopik protonların (b) sinyali yarılmaz.

Frekans birimleri cinsinden bu piklerin arasındaki, mesafeye eşleşme sabiti denir ve Jah şeklinde kısaltılır. Eşleşme sabitleri genellikle hertz olarak verilir. Eşleşmeler tü

müyle iç kuvvetler nedeniyle ortaya çıktığından eşleşme sabitlerinin büyüklüğü uygu lanan manyetik alanın büyüklüğüne bağlı değildir. Örneğin, eşleşme sabitinin (Hz cinsinden) 60 MHz lik bir cihazda ölçülen değeriyle 300 MHz ya da başka herhangi bir alan şiddetinde çalışan cihazda ölçülen değerleri birbirine eşittir.

U. H ft Protonunun olm adığı durum da

—C—C—

H fl p rotonunun sinyali A

/ (

(a) nin iki m anyetik yönelim i

Uygulanan alan B 0

ı

/

/ \

\

\

\ H /; nin m anyetik m om enti,

ı H a nin sinyalini şiddetleri

eşit iki pike ayın r ve b ir ikili (1: 1) oluşur.

Şekil 9.15 Bir komşu hidrojen atomunun eşdeğer olmayan bir protonla olan spin-spin eşleşmesinin yol açtığı sinyal yarılması. Teorik analiz (a) da, spektrumun gerçek görünümü ise (b) de verilmiştir. İkili piklerinin merkezleri arasındaki mesafeye eşleşme sabiti Jab adı verilir ve bu sabit hertz cinsinden ifade edilir. Eşleşme sabitinin büyüklüğü, uygulanan manyetik alanın büyüklüğüne bağlı değildir ve aletin çalıştırıldığı frekans ne olursa olsun, eşleşme sabitlerinin değeri (Hz cinsinden) hep aynı olur.

384


'H NMR spektrumlarım değerlendirirken, şüphesiz, milyonlarca molekülün yarattı ğı etkileri de gözleriz. H/; protonunun olası iki yönlenme konumu arasındaki enerji far kının çok küçük olması nedeniyle bu iki yönlenme konumunda yer alan protonların sayısı, tam olmasa da, yaklaşık olarak eşittir. Bu nedenle, H„ protonunun sinyali, şiddetleri ka baca birbirine eşit olan iki pike bölünür ve bir 1:1 ikili olarak ortaya çıkar.

P ro b le m 9.5

► CHBr2CHCl2 molekülünün 'HNMR spektrumunu çiziniz ve CHBr2— ile—CHC12 gruplarından hangisinin sinyalinin daha düşük manyetik alan şiddetinde yer alaca ğını nedenleriyle birlikte açıklayınız. Bitişik bir karbon atomunda ( ya da bitişik eşdeğer komşu karbon atomlarında) bu lunan iki eşdeğer proton, soğurma yapan bir protonun sinyalini üçe bölerek bir üçlü oluştururlar (1:2:1). Bunun nasıl olduğunun bir örneği Şekil 9.16'da verilmiştir. Şekil 9.16’da gösterilen molekül tiplerinin her ikisinde de protonlar uygulanan man yetik alanla aynı yönde yönlenebilirler. Bu yönlenme tarzı, Ha protonuna ilişkin pikin, H/; protonlarının olmadığı duruma göre, daha düşük alanda ortaya çıkmasına neden olur. Ama bunun tam aksine, tüm protonlar uygulanan manyetik alanla ters yönde de yönle nebilirler. protonlarının bu şekilde yönelişi, protonundan beklenen pikin, bu kez, H/; protonlarının olmadığı duruma göre daha yüksek manyetik alanda ortaya çıkmasına neden olur. Bu ikisinin dışında, protonlarından birinin uygulanan manyetik alanla aynı, ötekinin ters yönde yönlendiği iki yönlenme durumu daha bulunmaktadır. Ama bunlar söz konusu sinyalin yerini değiştirmezler. Bu son yönlenme düzeninin olasılığı, öteki iki durumun her birinin iki katıdır ve bu nedenle, üçlünün merkez pikinin şidde ti, diğerlerinin iki katıdır. 1,1,2-Trikloroetanm CHC12— grubundaki proton, bir bitişik karbon atomunda iki eşdeğer proton bulunan proton tipine bir örnektir ve sinyali bir üçlü (1:2:1) olarak or taya çıkar (Şekil 9.6). Öte yandan, 1,1,2-trikloroetanın — CH2C1 grubunun sinyali ise, beklendiği gibi CHC12— grubundaki proton tarafından ikiye bölünür ve bir ikili (1:1) olarak ortaya çıkar. 1,1,2,3,3-Pentakloropropanın spektrumu da (Şekil 9.17) 1,1,2-trikloroetanın spektrumuna benzer ve o da bir üçlü (1:2:1) ve bir İkiliden (1:1) oluşur. 1,1,2,3,3-Pcntakloroetanın iki H/, protonu, ayrı karbon atomlarında bulunmalarına karşın birbirinin eşdeğeridir.

Şekil 9.16 Ha protonunun sinyali, bitişik karbondaki iki eşdeğer proton (H^) tarafından bölünerek bir üçlüye (1:2:1) dönüştürülür.

»o

H„

—c —c — I I H ,

V‘ V* 1 1 1

— c — c — c -

(

(H ft protonlarının

^ yada

protonlannın

olası yön len m eleri)

Uygulanan alan B 0

yokluğundaki sinyal)

/ r 1 1 1 1

/ //

✓ 1\ I \V I \ I I I

I I I

I

¡

(H fc protonlan sinyali b ir üçlüye ( l : 2 : l ) dönüştürür.)

9.8 Sinyal Yarılması: Spin-Spin Eşleşmesi

385

(a)

8

7

6

5

4

3

2

1

0

5h (ppmj

Şekil 9.17 1,1,2,3,3-Pentakloroetanın 300 MHz 'H NMR spektrumu. Sinyallerin genişle tilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca görülmektedir.

1,1,2-Trikloroetan (Şekil 9.6) ve 1.1,2.3,3-pentakIoropropandaki (Şekil 9.17) ikili < ve üçlülerin bağıl konumlan tersine dönmüştür. Bu durumu açıklayınız.

P ro b le m 9.3

Hfl protonunun sinyali, komşu karbondaki üç eşdeğer proton (H/,) tarafından bölüne rek bir dörtlüye (1:3:3:1) dönüştürülür. Bunun bir ömeği Şekil 9.18'de gösterilmiştir. Bu tip bir sinyal yarılması nedeniyle, etil bromiirdeki — CH2Br grubu protonlarının sinyali bir dörtlü (1:3:3:1) olarak ortaya çıkar. CH3— grubunun üç eşdeğer protonu ise, — CH2Br grubunun eşdeğer iki protonunun etkisiyle üçe bölünür ve bir üçlü (1:2:1) ve rir. Bu yaptığımız türden analizler genişletilerek komşu karbonunda daha fazla eşdeğer proton bulunan bileşiklere de uyarlanabilir. Bütün bu analizler şunu göstermektedir. Eğer Ha

Şekil 9.18 Hfl protonunun sinyali komşu karbon daki üç eşdeğer proton (H^) tarafından dörde bölü nerek bir dörtlüye (1:3:3:1) dönüştürülür.

H,H„ ( H/, protonlarının yokluğundaki sinyal)

H,

H,, p rotonlan,

sinyali

b ir d örtlü ye (1 3 :3 :1 ) dönüştürür.

(H ö protonlarının olası yönlenm eleri)

386


8

7

6

5

4

3

2

1

0

Sh (ppm)

Şekil 9.19 Etil bromürün 300 MHz 'H NMR spektrumu. Sinyallerin genişletilmiş şekil leri kaydırılmış olarak ayrıca görülmektedir. k o m şu k a rb o n d a

n sa y ıd a e ş d e ğ e r p r o to n b u lu n u y o rsa s in y a l n + 1 sa y ıd a p ik e b ö

(Bazıları çok küçük olabileceği için, gerçek spektrumda bu piklerin tamamı gözlenemeyebilir).

lü n ü r.

P ro b le m 9.7

^

(C12CH)3CH Bileşiğinin nasıl bir 'H NMR spektrumu vermesini beklersiniz. Bu spektrumu, sinyal yarılmalarını ve her bir sinyalin bağıl konumlarını gösterecek bi çimde çiziniz.

P ro b le m 9.8

^

Şekil 9.20'de spektrumları verilmiş olan bileşiklerin yapılarını, her bir sinyalin ya rılma şeklini de dikkate alarak bulunuz.

Eşleşme Sabitlerinin Karşılıklı Olarak Eşitliği.

Bileşiklerin her birinde sadece iki eşdeğer olmayan proton grubu olduğu için. Şekil 9.20’de görülen spin yarılma şekillerini değerlendirmek oldukça kolaydır. Ancak bütün spektrumlarda, çok karmaşık spektrumlardaki yarılma şekillerini değerlendirmede bize yardımcı olan bir özellik bulunmaktadır. Bu özellik, eşleşme sabitlerinin karşılıklı ola

rak eşit olmasıdır. Hertz cinsinden, pikler arasındaki mesafe eşleşme sabitinin değerini ifade eder. İki li, üçlü, dörtlü ve sonrası piklerin aynı eşleşme sabitlerine sahip olması, bunların biribiriyle ilişkili olduğu anlamına gelir. Çünkü bu çokluların oluşması, onların karşılıklı olarak spin-spin eşleşmelerinden kaynaklanmaktadır ve bu bilgi spektrumların değer lendirilmesinde iyi bir şanstır. Örneğin etil grubunun iki proton takımı, üçlü ve dörtlü olarak ortaya çıkar. Ancak bunun için, etil grubunun bağlı olduğu atomda hiç bir hidrojen atomu bulunmamalıdır. Etil grubuna ilişkin üçlü ve dörtlüdeki piklerin arasındaki mesafeler aynı olacaktır, çün kü bunların eşleşme sabitleri (Jab) biribirine eşittir (Şekil 9.21). FT NMR yöntemlerinin mümkün kıldığı diğer bazı tekniklerle karmaşık spin yarıl ma ilişkilerinin kolayca anlaşılması mümkündür. COSY (Altbölüm 9.11) adı verilen, 'H - 'H ilişkilendirme spektroskopisi, bu tekniklerden biridir. Proton NMR spektrumlarının başka özellikleri de vardır, ancak bunların, molekül ya pısının aydınlatılmasına fazla bir katkıları yoktur.

• • I' ■ '■ ■ “ “I“

' ' ................

■• • .............................I ............................I ' ' 1 .................. .. ............................I ' ' • * I ' ' ' • I

A,C3H7I

J ____________________ I__________I__________ I__________ı__________ I----- ----------1--------------- 1--------------- 1--------------- 1--------------- İ--------------- 1 .............ı........... .............1--------------- 1--------------- u

8

7

6

5

4

3

2

1

0

5h (ppm)

Şekil 9.20 Problem 9.8 için 300 MHz ‘H NMR spektrumlan. Sinyallerin genişletilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca görülmektedir.

387

388


Şekil 9.21 Bir etil grubunun teorik olarak yarılma şekilleri. Gerçek bir örnek için etil bromürün spektrumuna bakınız (Şekil 9.19).

1.

2.

3.

Kimyasal kaymaları birbirine çok yakın olan sinyaller örtüşebilirlcr. Örneğin, etil kloroasetatın 60 MHz spekturumıında (Şekil 9.22a), — CH2C1 grubunun birlisi etil grubundan kaynaklanan dörtlünün en kenardaki pikinin tam üzerine denk gelmek tedir. Daha yüksek manyetik alan şiddetine sahip ('H'in rezonans frekansına kar şılık gelen 300, 500 veya 600 MHz'lik) spektrometıelerin kullanılması, daha düşük alan şiddetlerinde örtüşen sinyallerin birbirinden ayrılmasına izin vermektedir (bu na bir örnek için bkz Şekil 9.22b). Bitişik olmayan atomlarda bulunan protonlar arasında da spin-spin eşleşmesi ola bilir. Bu uzun aralıklı eşleşme, sıklıkla, eşleşen protonları taşıyan atomların arası na 7r—bağlı atomların girdiği bileşiklerde ve esnek olmayan bazı halkalı moleküllerde görülür. Aromatik grupların yarılma şekillerinin analiz edilmesi zordur. Monosübstitiie ben zen halkası (teniI grubu) üç farklı tipte protona sahiptir. Bu protonların kimyasal X

H.. kaymaları birbirine çok yakın olabilir ve öyle ki fenil grubu birliye benzer bir sin yal verir. Ya da kimyasal kayma değerleri birbirinden çok farklı olur ve fenil gru bunun sinyali, uzun aralıklı eşleşmeler nedeniyle karmaşık bir çoklu olarak ortaya çıkar. Buraya kadar ele almış olduğumuz tüm 'H NMR spektrumlarında, dikkatimizi sade ce komşu karbonlarda bulunan iki eşdeğer proton grubunun etkileşmesiyle oluşan sinyal yarılmasına yoğunlaştırdık. Peki, ikiden fazla eşdeğer proton grubunun etkileştiği mole küllerde ne tür bir yarılma şekli ortaya çıkacaktır? Yer darlığımız nedeniyle, burada, bu soruyu tam olarak cevaplamamız mümkün değildir. Fakat uygun bir örnek üzerinde bu türden bir analizi kısaca ele alabiliriz. Örneğimiz 1-sübstitüe propan olsun. ( a )

(b

)

(c )

c h 3 — c h 2 — c h 2— z

Burada üç tane eşdeğer proton grubu bulunmaktadır. CH3— ve — CH2Z grupların da yer alan protonların nasıl bir sinyal yarılmasına sahip olacaklarına karar vermekte herhangi bir sorunumuz yoktur. Metil grubu sadece merkezdeki — CH2— grubunun iki protonuyla spin-spin eşleşmesine girer ve bunun sonucunda metil grubunun sinyali bir üçlü olarak ortaya çıkar. — CH2Z grubundaki protonlar da, benzer şekilde, sadece mer kezdeki — CH2— grubunun iki protonuyla eşleşir ve bunlara ilişkin sinyal de bir üçlü olarak görünmelidir. Fakat merkezî — CH2— grubundaki protonlar (b) ne tür bir sinyal verecektir? Bunlar (c) grubunun üç ve (a) grubunun iki protonuyla spin-spin eşleşmesine girerler. Üstelik

9.8 Sinyal Yarılması: Spin-Spin Eşleşmesi Hz

300

400

500

100

200

(b) a) O II CİCHt - c (b)

(c )

(a)

(a)

(c)

JJ 7.0

8.0

6.0

5.0

X 4.0

3.0

Z0

.0

o

< 5(ppm )

b) (b)

V

(c) (a)

Şekil 9.22 (a) Etil kloroasetatın 60 MHz 'H NMR Spektrumu. <54’teki sinyallerin örtüşmesine dikkat ediniz, (b) Etil kloroasetatın, 60 MHz de örtüşen sinyallerinin, daha yüksek alan şiddetindeki ayrılmasını gösteren 300 MHz 'H NMR spektrumu. Piklerin genişletilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca gösterilmiştir.

(a) grubunun protonlarıyla (b) grubunun protonları birbirinin eşdeğeri değildir. Eğer Jah ve Jhc eşleşme sabitleri oldukça farklı değerlere sahipse, bu durumda (b) protonlarının sinyali, önce üç (a) protonu tarafından bir dörtlüye ve sonra da bu dörtlünün çizgileri nin her biri, iki b protonu tarafından bir üçlüye yarılacaktır (Şekil 9.23). Bununla beraber, bir gerçek spektrumda eşleşme sabitlerinin, pikleri genellikle diğer piklerin tepelerine düşürecek şekilde olması nedeniyle 12 kadar pikin gözlenmesi ola sı değildir. Tipik bir 1-monosübstitüe propan olan 1-nitropropanın 'H NMR spektrumu Şekil 9.24'te verilmiştir. Burada (b) protonlarının altı ana pike yarıldığını ve bunların her birinde de daha ileri yan İmanın çok hafif izlerini görmekteyiz.

389

390


Şekil 9.23 Burada olduğu gibi eğer Jab Jbc’den çok daha büyükse (Jah = 3Jbc), CH3CH2CH2Z deki (b) protonlarının yanlına şekli şekil de görüldüğü gibi oluşur.

(b) (a) (b) (c) c h 3c h 2c h 2z

/ / I N\

I P ro b le m 9.9

! i'i

! ! i

>■ Jab = 2Jbc ve Jah = Jbc durumları için CH3CH2CH2Z bileşiğindeki protonunun vereceği sinyalin kaç pike yarılacağım Şekil 9.23’te verilen türden bir analizle gös teriniz. {İpucu: Her iki durumda da pikler piklerin tepelerine düşeceğinden pik sa yısı 12 den az olur.) Buraya kadar yapılan değerlendirme ve analizler, yalnızca birinci derece spektrumlar için geçerlidir. Birinci derece spektrumlarda, eşleşmiş olan sinyallerdeki pikle rin kimyasal kayma değerleri arasındaki hertz cinsinden fark (Av), eşleşme sabitinden (,J) çok büyüktür (Av » J). Burada tartışmayacağımız ikinci derece spektrumlar da ise, Av ve J değerleri birbirine çok yakındır ve durum çok daha karmaşıktır, ikinci derece spektrumlarda, birinci derece spektrum olarak göz önüne alındığın da. beklenenlere göre pik sayısı daha çoktur ama pik şiddetleri daha fazla değildir.

Şekil 9.24 1-Nitropropanın 300 MHz 'H NMR spektrumu. Sinyallerin genişletilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca gösterilmiştir.

9.9 Proton NMR Spektrumları ve Hız İşlemleri

9.8

Pr

o to n

NMR

S

p ec tr a

ve

Hı z

İş l e m

ler

İ

NMR spektrumlarının organik kimya problemlerine uygulanmasının öncülerinden J. D. Roberts (Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü), NMR spektrometrelerini, objektif kapak hı zı nispeten düşük olan bir kameraya benzetmektedir. Nasıl ki, çok hızlı hareket eden ci simlerin fotoğrafları, objektif kapak hızı düşük bir kamerayla çekildiğinde elde edilen resimler bulanık çıkar, aynı şekilde, NMR spektrometreleriyle de çok hızlı gerçekleşen moleküler süreçlerin bulanık bir resmi elde edilir. Organik molekülerde çok hızlı oluşan moleküler süreçlerin bazıları nelerdir? Oda sıcaklığına yakın sıcaklıklarda, birbirlerine karbon-karbon birli bağlarıyla bağ lı bulunan gruplar birli bağ etrafında çok büyük bir hızla dönerler (esnek olmayan hal ka sistemlerinde olduğu gibi, bazı yapısal sınırlamalar nedeniyle dönmenin engellendiği durumlar hariç). Bu nedenle, dönmeye izin veren birli bağlara sahip bileşiklerde elde ettiğimiz spektrum, sık sık, ortalama bir çevre içerisinde bulunan ayrı ayrı hidrojen atom larını yansıtır. Burada ortalama çevreden kastımız, grupların dönmesi nedeniyle proton ların sahip olduğu tüm çevrelerin bir ortalamasıdır. Bu etkinin bir örneğini görmek için etil bromürün spektrumunu tekrar ele alalım. Etil bromürün en kararlı konformasyonu, bütün grupların tam olarak çapraz olduğu konformasyondur. Bu konformasyonda, metil grubunun hidrojenlerinden biri (aşağıdaki ya pıda kırmızı ile gösterilen), öteki ikisinden farklı bir çevrede bulunmaktadır. Eğer NMR spektrometresi, etil bromürün bu özel konformasyonunu algılayabilseydi, metil grubun daki bu proton, diğerlerinden farklı bir kimyasal kaymaya sahip olacaktı. Ama biz bili yoruz ki, etil bromürün spektrumunda (Şekil 9.19), metil grubunun üç protonu bir tek sinyal verir (bu sinyal, bitişik karbondaki iki protonun spin spin eşleşmesi nedeniyle bir üçlüye yarılmıştır). H H \ IV u o ...c—C \ h7 O Br H Br Etil bromürün metil protonları, oda sıcaklığında, birbirine karbon-karbon birli ba ğıyla bağlı bulunan gruplar yaklaşık olarak saniyede 1 milyon kere döndüklerinden tek bir sinyal verirler. NMR spektrometresinin “objektif kapak hızı” böylesine yüksek bir dönüşü “fotoğraflamak” için çok ama çok düşüktür. Bunun yerine, spektrometre, metil protonlarını ortalama çevrelerinde fotoğraflar. Bu da metil grubunun bulanık bir resmi nin elde edileceği anlamına gelir. Bileşiğin sıcaklığı düşürülürse birli bağ etrafındaki dönme hızı azalır. Yeterince dü şük sıcaklıkta yapılan spektrum alma çalışmalarında, dönme hızındaki bu azalma mo lekülün değişik konformasyonlarmı “görmemize' izin verir. Bu olayın ve döteryumla işaretleme yönteminin yararının bir örneği sikloheksan ile undekadöteryosikloheksanın düşük sıcaklık 'H NMR spektrumlarında görülebilir. (Bu deneyler, ilk defa Los Angeles Kaliforniya Üniversitesinde, NMR spektroskopisinin or ganik kimyaya, özellikle de konformasyon analizine, uygulanmasında bir diğer öncü olan F. A. L. Anet tarafından gerçekleştirilmiştir).

Undekadöteryosikloheksan

391

392


Oda sıcaklığında, sikloheksan bir tek sinyal verir. Çünkü değişik sandalye yapıları arasındaki dönüşüm çok hızlıdır. Bununla beraber düşük sıcaklıktaki sikloheksan çok karmaşık bir 'H NMR spektrumu verir. Çünkü düşük sıcaklıkta konformasyonlar arası dönüşümler yavaştır ve bu durumda, aksiyal ve ekvatoryal protonlar farklı kimyasal kay maya sahip olurlar ve çok karmaşık spin-spin eşleşmeleri ortaya çıkar. - 100l’C’da, undekadöteryosikloheksan eşit şiddetli iki sinyal verir. Bu sinyaller, aşa ğıda verilen iki sandalye konformasyonun aksiyal ve ekvatoryal hidrojen atomlarından kaynaklanır. Böylesine düşük bir sıcaklıkta bile, bu iki konformasyon arasında dönü şüm gerçekleşir. Ama dönüşümün hızı, NMR spektrometresinin her iki konformeri ay rı ayrı belirlemesine yetecek kadar düşüktür. [Döteryum atomunun çekirdeği protondan çok küçük bir manyetik momente sahiptir ve 'H NMR spektrumunda soğurma sinyali vermez].

P ro b le m 9.10

>

Undekadöteryosikloksandan oda sıcaklığında ne tür bir'H NMR spektrumu elde et meyi beklersiniz?

İki yapı arasındaki hızlı değişimin bir başka örneğini de etanoliin 'H NMR spektru munda görmek mümkündür. Sıradan etanolün 'H NMR spektrumunda, — OH protonu birli, — CH2— protonları ise dörtlü olarak ortaya çıkar (Şekil 9.25). Yani, bitişik atom lar üzerinde olmalarına karşın hidroksil — OH protonu ile — CH2— protonları ara sındaki eşleşmelerden kaynaklanan sinyal yarılmaları gözlenmez. Ama, eğer çok saf etanolün 'H NMR spektrumu incelenirse — OH protonuna ilişkin sinyalin üçlüye — CH-,— grubu protonlarına ilişkin sinyalin ise sekiz pikten oluşan bir çokluya yarıklığı görülecektir. Bu sonuçtan açıkça görüldüğü gibi, çok saf etanolde,

(a )

(b)

(c)

Şekil 9.25 Sıradan etanolün 300 MHz 'H NMR spektrumu. Sinyallerin genişletilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca gösterilmiştir.

9.10 Karbon-13 NMR Spektroskopisi

hidroksil grubu protonunun spiııiyle — CH2— grubunun protonlarının spinleri arasın da bir eşleşme olmaktadır. Hidroksil protonlarıyla metilen protonları arasında bir eşleşmenin olup olmayacağı, protonun belirli bir etanol molekülünde bulunma süresine bağlıdır. Çünkü oksijen ve azotta olduğu gibi, ortaklaşılmamış elektron çillerine sahip elektronegatif atomlara bağ lı bulunan protonlar hızla kimyasal değişime uğrarlar. Yani bu protonlar hızlı bir şe kilde bir molekülden diğerine aktarılırlar. Ama çok saf ctaııoldc bu kimyasal değişim yavaştır ve bunun sonucu olarak, spektıumda. hem hidroksil protonunun sinyalindeki yarılmayı, hem de hidroksil protonunun yol açtığı yarılmayı görebiliriz. Sıradan etanolde ise, asidik ve bazik safsızlıklar kimyasal değişimi katalizlerler: protonun moleküller arasındaki yer değiştirmesi öylesine hızlanır ki hidroksil protonu yarılmamış bir sinyal verir ve metilen protonlarının sinyali ise yalnızca metil grubunun protonlarıyla eşleşe rek yarılır. Bu yüzden, bu tür hızlı değişimlerin spin eşleşmemesine yol açtığım söyle riz. Spin eşleşmemesi, alkollerin, aminlerin ve karboksilik asitlerin 'H NMR spektrumlarında görülür ve normal olarak OH ve NH protonlarının sinyallerinde yarılma gözlenmez.

Hızlı kimyasal değişime uğrayan protonlar (yani oksijen ve azota bağlı bulu nanlar), bileşiğin D,() içerisine konulmasıyla kolayca belirlenebilirler. Çünkü, bu protonlar çabucak döteryum ile yer değiştirirler ve spektrumdan bu protonların sinyalleri kaybolur.

A Döteryum Değişimi.

9 . 1 0 KARBON-13 SPEKTROSKOPİSİ 9 . I 0 A l3C N M R Spektrumlarının Yorum u "C Spektroskopisiyle ilgili çalışmalarımıza C-13 çekirdeğinden kaynaklanan spektrumların kendine has bazı özelliklerinin kısa bir incelemesiyle başlıyacağız. Bu spektrumlar sıklıkla karbon manyetik rezonans (CMR) spektrumlan ya da ”C NMR spektı umları olarak da adlandırılırlar. Doğadaki karbonun sadece %1,1’i UC olmasına rağmen, l?C’iin verdiği NMR sinyalleri, organik bileşiklerin analizinde büyük öneme sahiptir. Öte yan dan. doğadaki karbonun yaklaşık %99’unu oluşturan başlıca izotop karbon-12 (l2C), net bir manyetik spine sahip değildir ve bu nedenle NMR sinyali vermez. Genelde l3C spektrumları bir çok bakımdan daha az karmaşıktır ve 'I-I NMR spektrumlaı ına göre daha ko lay yorumlanırlar. 9 .I 0 B H e r Bir Farklı Karbon A to m u İçin Bir Pik LİC NMR spektrumlarının bir özelliği de. sıradan bir organik moleküldeki her bir fark lı karbon için sadece bir tane l3C NMR piki elde edildiğinden spektrumlan yorum lama işleminin büyük ölçüde kolay olmasıdır. Karbon-karbon spin eşleşmesi olmadığı için sinyallerin çoklu piklere yarılması söz konusu değildir. Oysa, 'H NMR spektrumunda. protonların kendisine komşu bulunan (birkaç bağ üzerinden) diğer protonların her biriyle etkileştiğini ve her bir protona ilişkin sinyalin pik çoklukları şeklinde ortaya çık tığını hatırlayınız. MC spektrumlarında bitişik karbon atomları için durum böyle değil dir. Çünkü 100 karbon atomundan sadece biri karbon -13 izotopudur (doğal bolluk % 1.1). Bu durumda iki karbon-13 atomunun birbiriyle bitişik olma olasılığı, yaklaşık olarak, onbinde birdir (%1.1 X % 1,1). Bu da esasen, iki komşu karbon atomunun birbirlerinin sinyallerini pik çokluklarına dönüştürme olasılıklarını yok eder. L'C çekirdeklerinin do ğal bolluğunun düşüklüğü ve doğal olarak duyarlılığının az olması nedeniyle C-13 NMR spektrumlan sadece puls FT NMR spektrometrelerinde alınabilir. I3C NMR spektrumlarında karbon - karbon sinyal yarılmasının olmamasına karşın karbona bağlı hidrojen atomları, l3C NMR sinyallerini yararak çoklu piklere dönüştüre-

393

394


bilirler. Ancak NMR spektrometresinde. proton - karbon arasındaki eşleşmeyi önleyen uygun aletsel parametreler seçilerek 'H - 13C eşleşmesinden kaynaklanan sinyal yarılma sı önlenebilir. Bu şekilde protonun etkisi yok edilmiş olan nC spektrumlarına, bütün tür lerin proton-karbon etkileşmeleri karbon sinyallerini etkilemediğinden, genişband (BB) proton eşleşmesi/ spektrumu adı verilir. Bu yüzden tipik bir genişband eşleşmesiz l3C spektrumunda, her bir tür karbon atomu için sadece bir pik elde edilir. IJC NMR spektrumlarmın pek çoğu, bu basitleştirilmiş eşleşmesiz tarzda elde edilir.

9 . I 0 C l3C Kim yasal K aym aları 'H spektrumlarında gördüğümüz gibi, verilen bir çekirdeğin kimyasal kayması o atomun etrafındaki bağıl elektron yoğunluğuna bağlıdır. Bir atom etrafındaki düşük elektron yo ğunluğu, atomu manyetik alana karşı perdelemez ve NMR spektrumunda sinyalin daha düşük alanda (daha yüksek ppm’de, solda) çıkmasına yol açar. Bir atom etrafındaki nis peten yüksek elektron yoğunluğu ise atomu manyetik alana karşı perdeler ve sinyalin, NMR spektrumunda daha yüksek alanda (daha düşük ppm’de, sağda) çıkmasına neden olur. Örneğin sadece karbon ve hidrojen atomlarına bağlı bulunan karbon atomları, et raflarındaki elektron yoğunluğu tarafından manyetik alana karşı nispeten perdelenirler ve bunun sonucu olarak bu tip karbon atomlarının pikleri l3C NMR spektrumlarının da ha yüksek alan bölgelerinde çıkar. Diğer taraftan, elektronegatif grupların bağlı bulun duğu karbon atomları, bu grupların elektron çekici etkilerinden dolayı manyetik alana karşı perdelenmezler ve bu nedenle pikleri NMR spektrumunun aşağı alan bölgesinde Çizelge 9.2 Yaklaşık C-13 Kimyasal Kaymaları

Karbon Atomu Tipi

Kimyasal kayma (5, ppm)

1° Alkil, RCH, 2° Alkil, RCH:R 3° Alkil, RCHR,

0-40 10-50 15-50

1 ( 1 ) Alkil halojenür ya da amin, —C — X \X = Cl, Br, ya da N—/

10-65

Alkol ya da eter, — C — O I

50-90

Alkin, —C =

60-90

\ Alken, JZ —

100-170

Ari,, < g f c -

100-170

Nitriller, —C = N o Y i Amitler, — C — N—

120-130 150-180

O II Karboksilik asitler, esterler, —C — O

160-185

O II Aldehitler, ketonlar, —C —

182-215

9.10 Karbon-13 NMR Spektroskopisi

ortaya çıkar. Halojenler ve hidroksil grupları gibi elektronegatif gruplar ile diğer elekt ron çekici fonksiyonel gruplar, bağlı bulundukları karbon atomunun perdelenmesini en gellerler ve bu yüzden bu tip karbonların sinyalleri, sübstitüe olmayan karbonların sinyallerinden daha düşük alanda gözlenir. Farklı sübstitüentler taşıyan karbon atomla rının yaklaşık kimyasal kaymalarını gösteren çizelgeler elde edilebilir. Çizelge 9.2 bun lara bir örnektir. [I3C NMR spektrumlarında da sıfır ppm noktasını gösteren referans standart yine tetrametilsilandır (TMS), (CH3)4Si.J l3C NMR spektrumlannm yorumlanmasında ilk örnek olarak, l-kloro-2-propanol mo lekülünün l3C spektrumunu (Şekil 9.26a) ele alalım. ( a)

(c )

(b)

q 4 — c h 2— (|:h — c h 3 oh

l-Kloro-2-propanol Bu bileşik üç farklı karbon atomu içermektedir ve bu nedenle genişband eşleşmesiz l3C NMR spektrumunda sadece üç pik elde edilir. Bu piklerin yaklaşık kimyasal kayma de 1

j '

I

1

[

"f T " ’

|" r

1

• |

1

1

' |

1

1

■ | '

1 1

!

1

1

' I

1

i

^

~

r

\ 1

* l ‘ |

f 1

a)

TMS

CDC13 _

.

_

________________________ jL

b)

ch3

___ _________/

1

1

n roX

________________________ i

CH _

i 1

220

ı

ı

.

1 ■ ı

200

.. ’

1 ' ı

180

■

1

160

ı

ı

1

140

ı

ı

1

120

.

ı

ı

1

100

,

______

L

ı

ı

.

1

80

ı

ı

1

60

ı

ı

ı

1

40

ı

ı

<

1

ı

ı

ı

20

8 C (ppm)

Şekil 9.26 (a) l-Kloro-2-propanolun genişband proton eşleşmesiz l3C NMR spektrumu. (b) Bu üç spektrum l-kIoro-2-propanolün DEPT l3C NMR spektrumunu göstermektedir (bkz. Altböiüm 9.10E). (Bu, bir DEPT spektrumunun bu kitaptaki yalnızca tam gösterimi dir. Diğer ,3C NMR şekilleri ise, DEPT l3C spektrumundan C, CH, CH2, veya CH3 olarak belirlenen birbirine yakın piklerin her biri hakkındaki bilgiyi içeren genişband protoneşleşmesiz spektrumlarını göstermektedir.)

1, i

0

395

396


ğerleri 520. 5 51. ve 567'dir. Şekil 9.26'da bu piklere ek olarak 5 77"de birbirine çok yakın piklerden oluşmuş bir pik grubu da görülmektedir. Çözücü olarak kullanılan döteryokloroformdan (CDCÇ) kaynaklanan bu pikler birçok MC NMR spektrumunda or taya çıkmaktadır. Burada bizi ilgilendirmemesine rağmen, döteryokloroformdaki tek karbonun sinyalinin yarılarak üçlü pike dönüşmesi, karbona bağlı döteryum atomundan kaynaklanmaktadır ve bu pikler, L,C spektrumlarının yorumlanmasında dikkate alınma malıdır. Görülebileceği gibi, l-kloro-2-propanolün üç pikinin kimyasal kayma değerleri bir birinden yeterince farklıdır. Bu fark, her bir karbonun kendi çevresindeki elektronların dairesel dolanımmm yarattığı perdeleme etkisinden kaynaklanmaktadır. Şimdi bir şeyi hatırlamalıyız: Bir karbonun etrafındaki elektron yoğunluğu ne kadar düşükse, o karbo nun perdelenmesi o kadar zayıftır ve sinyali de o ölçüde düşük alanda ortaya çıkar. Hid roksil grubunun oksijen atomu çok elektronegatiftir ve çok etkin bir şekilde elektron çeker. Bunun sonucu olarak. — OH grubunu taşıyan karbon atomu aşırı derecede perdelenme me özelliğine sahip olduğundan çok düşük alan bölgesinde. 567, sinyal verir. Klor, ok sijene göre daha az elektronegatif olduğundan bağlı bulunduğu karbonun sinyali daha yüksek alanda, 551. ortaya çıkar. Metil grubu karbonu ise kendisine doğrudan bağlı bir elektronegatif grup bulunmadığından, çok daha yüksek alanda, 5 20, sinyal verir. Tipik kimyasal kayma değerleri çizelgelerini (Çizelge 9.2 gibi) kullanarak, karbon atomları nın her birine bağlı bulunan grupları da temel alarak LİC NMR spektrumundaki sinyal lerin her birinin, moleküldeki hangi karbona ait olduğunu tayin etmek mümkündür. 9.1

OD

Rezonans Dışı Eşleşmesiz Spektrumlar

Bir molekülün belirli bir karbon atomuna ilişkin NMR pikinin tayin edilmesinde, za man zaman, tahmin edilen kimyasal kayma değerlerinden daha fazla bilgiye gereksinim duyulur. Ama iyi ki. NMR spektrometreleri. karbon atomlarını, her bir karbona bağlı bulunan hidrojen atomlarının sayısına bağlı olarak birbirinden ayırdedebilmektedirlir. Bunun başarılması için pek çok yöntem vardır. Eski bir yöntem olan rezonans-dışı eş leşmesi/ denilen bir yöntem bunlardan biridir. Bir rezonans-dışı eşleşmesiz 13C spekt rumunda, her karbon sinyali, o karbon atomunda kaç hidrojenin bulunduğuna bağlı olarak yarılır ve pik çoklukları oluşturur. Bu konuda n + 1 kuralı uygulanır. Burada n ilgili kar bonun üzerindeki hidrojenlerin sayısıdır. Bundan dolayı, hidrojeni bulunmayan bir kar bon (n = 0) için bir birli, bir hidrojeni olan karbon için bir ikili (iki pik), iki hidrojeni olan karbon için bir üçlü (üç pik) ve metil grubu karbonu için ise bir dörtlü (dört pik) elde edilir. Rezonans-dışı eşleşmesiz 1?C spektrumlarında pikler çoğu kez örtüşerek spektrumların yorumlanmasında güçlüklere yol açmaktadır. 9 .I0 E

D E P T l3C Spektrumları

Günümüzde karbon tipine bağlı olarak yorumlanması çok daha kolay olan l3C NMR spektrumları elde etmek mümkündür. DEPT nC .spektrumu adı verilen spektrum bunlardan biridir. Bir DEPT (distortionless enclıanced polarization transfer) spektrumu. gerçekte her bir karbon tipinin ayrı bir spektrumla ifade edildiği bir çok spektrumdan ibarettir. Böylece, tüm karbon tiplerini bir arada gösteren bir 1C spektrumuyla birlikte. CH. CH2 ve CH3 karbonlarının her birinin tek tek spektrumları da elde edilir (bkz. Şekil 9.26b). Sonuç olarak bu yöntemle her bir karbon tipi kesin bir şekilde tayin edilebilir. B u n o k t a d a n s o n r a b u k o n u y l a i lg i li o l a r a k e le a l ı n a c a k t ü m s p e k t r u m l a r d a , s ı n ı f l a n d ı r ı l m ış d ö r t D E P T

sp ektru m u n u n

ta m a m ın d a n

ç o k , ele a l m a n

s p e k tr u m u n d a n s a ğ la n a n b ilg iy e g ö r e işa re tle n e n

,JC

m o lek ü lü n

DEPT

p ik le riy le ilgilen eceğiz.

9.11 İki Boyutlu (2D) NMR Teknikleri

CH-,

TMS

JL 220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

8 C (ppm)

Şekil

9 .2 7

M et il m e ta k r ila tın g e n iş b a n d pro to n -eş le şm e s iz

l3C sp e k tr u ıııu .

DEPT

l3C

N M R s p e k t r u m l a r ı n d a n eld e edilen bilg ile r p ikle rin ü z e r in d e v e r ilm işt ir.

I3C spektrumlarının yorumlanmasında ikinci örnek olarak metil metakrilatın spektrumunu ele alalım (Şekil 9.27). (Bir monomer olan bu bileşik. Lucite ve Plexiglas ticari polimerlerinin çıkış maddesidir.) Metil metakrilatin beş karbon atomu ı;'C spektrumunun çeşitli kimyasal kayma bölgelerindeki karbon tiplerini temsil etmektedir. Dahası, metil metakrilatın yapısı simetrik olmadığı için, karbon atomlarının her biri kimyasal bakım dan diğerlerinden farklıdır ve bu nedenle, beş farklı karbon NMR sinyali elde edilir. Yaklaşık L,C kimyasal kayma değerlerinin verildiği çizelgeyi (Çizelge 9.2) kullanarak, 5 167.3'teki pikin ester karbonili karbonuna. <551,5 ’teki pikin ester oksijenine bağlı me til karbonuna, <5 18,3'teki pikin C2'ye bağlı metil grubuna ait olduğunu: <5 136,9 ve <5 124,7’deki piklerin ise alken karbonlarından ileri geldiğini kolayca anlıyabiliriz. Bun lara ek olarak. DEPT IJC spektrumundan elde edilen verileri kullanarak, alken karbon larına ilişkin sinyalleri kolayca tayin edebiliriz. DEPT spektrumu bize <5124,7‘deki pikin kesinlikle iki hidrojeni olan bir karbona ait olduğunu ifade etmektedir. Öyleyse bu pik. metil metakrilatın uç alken karbonu olan C3‘ten kaynaklanmaktadır. Bu durumda, hiç hidrojeni olmayan alken karbonu da elbetteki C2'dir. Molekül formülü C5H||Br olan A, B, ve C bileşikleri biribirinin izomeridir. Bunların genişband proton-eşleşmesiz l3C spektrumları Şekil 9.28'de (sayfa 398‘de) ve rilmiştir. DEPT I3C NMR spektrumuna ilişkin bulgular, her pikin yakınında verilmiştir. A, B ve C bileşiklerinin yapı formüllerini bulunuz.

9.1 I

İKİ B

o y u tl u

(2D) NMR

T

e k n

İk

ler

İ

Bugün NMR spektrumlarının yorumlanmasını çok kolaylaştıran pek çok teknik bulun maktadır. Günümüzde kimyacılar, çok boyutlu NMR spektroskopisi adı verilen tek nikler yardımıyla, spin-spin eşleşmeleri ve atomların molekül içinde oluşturdukları kesin birleşme şekilleri hakkında kolaylıkla bilgi elde edebilmektedirler. Ancak bu teknikler, puls (Fourier transform) tipi spektrometreleri gerektirir. En yaygın çok boyutlu teknik ler, iki boyutlu NMR kullanır ve bu teknikler COSY, HETCOR ve benzeri başka isim lerle tanınırlar. [Hatta üç boyutlu teknikler (daha ötesi) de mümkündür, bununla birlikte,

P ro b le m 9 . 1 I

397

220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

8 C (ppm)

T~r T

220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

8 C (ppm)

C, C 5 H n Br

CH, Diğerlerinin tam am ı C H 1

TM S

C D C I3

J- L_.l 220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

8 C (ppm)

Şekil 9.28 Problem 9.11’deki A, B ve C, bileşiklerinin genişband proton-eşleşmesiz ,3C NMR spektrumu. DEPT ,JC NMR spektrumundan elde edilen bulgular piklerin üzerinde verilmiştir.

398

9.11 İki-Boyutlu 520) NMR Teknikleri

kullanılabilirliği hesaplama özellikleriyle sınırlıdır.] 2D NMR Spektrumlarında iki bo yutluluk düşüncesi, spektrumun kağıt üzerinde öyle göründüğü anlamına gelmez. Bu nun yerine, değişken zaman aralıklarıyla gönderilen iki radyo frekans pulsu kullanılarak yapılan hesaplamalardan elde edilen verilerin yansıtılmasını ifade eder. Bu arada, yön tem birçok aletsel parametrelerin ayrıntılı bir şekilde uygulanmasını da gerektirir. An cak, bu parametrelerin tartışılması ve çok boyutlu NMR spektroskopisinin dayandığı fizik bilgileri bu kitabın sınırlarının dışında kalmaktadır. Sonuç, yatay ve düşey eksenler bo yunca yer alan alışılmış tek boyutlu bir NMR spektrumu ve grafiğin x - y alanında göz lenen bir ilişkilendirme pikleri grubudur. 2D NMR. 'H NMR’a uygulandığında 'H - 'H ilişkilendirme spektroskopisi (İng. correlation spectroscopy) (ya da kısaca COSY) adını alır. COSY spektrumları, proton - proton eşleşme ilişkilerinin anlaşılmasında olağanüstü faydalı spektrumlardır. 2D NMR spektrumları ayrıca, hidrojenler ve bu hidrojenlerin bağlı oldukları karbonlar arasında ki eşleşmeleri de belirtecek şekilde elde edilebilir. Bu durumda heteronükleer ilişkilendirme spektroskopisi (HETCOR veya C - H HETCOR) adını alır. Tek boyutlu 'H ve l3C spektrumlarında bazı belirsizliklerin olduğu durumlarda, hangi piklerin hangi pro ton ve hangi karbon atomlarına ait olduğunun kesin olarak tayin edilmesinde HETCOR spektrumları çok faydalı olmaktadır. 9.1 I A C O S Y Çapraz-Pik İlişkilendirme 1 -Kloro-2-propanolün COSY spektrumu Şekil 9.29’da (s. 400’de) verilmiştir. Bir COSY spektrumunda. tek boyutlu 'H NMR spektrumu yatay ve düşey eksenlerin her ikisi bo yunca ayrı ayrı gösterilir. Bu arada bir COSY spektrumunun x - y bölgesi bir topografik haritaya benzer. O kadar ki, kendimizi bir dağlık bölge haritasının eş yükselti çizgilerine bakıyor gibi hissedebiliriz. COSY spektrumunun köşegeni boyunca görünü mü, l-kloro-2-propanolün tek boyutlu spektrumundaki her piki, sanki bir dağmış gibi ele alarak, onların topografik haritasını çizmişiz gibidir. Köşegen üzerinde verilen her pikin tek boyutlu karşılığı, ilgili eksen boyunca yer alan tek boyutlu spektrumda görül mektedir. Köşegende bulunan bu pikler, her bir eksen boyunca yer alan tek boyutlu spektrumdaki piklerden elde edilenlere göre, daha yeni bilgi sağlamazlar. Bununla beraber, COSY spektrumundan önemli ve yeni bilgiler sağlanır. Ancak bu, köşegendeki pikler yerine, köşegen dışında yer alan ve “çapraz pikler” adı verilen ilişki lendirme pikleri (“dağlar”) yoluyla olur. Eğer verilen bir çapraz pikten başlayarak, her bir spektrum eksenine paralel olmak üzere köşegene uzanan iki dikey çizgi çizilirse, bu çiz gilerin köşegen üzerinde kestiği pikler, birbiriyle eşleşen piklerdir. Bu yüzden tek boyut lu spektrumda, birbiriyle eşleşen köşegen piklerin tam altında yer alan pikler de birbirleriyle eşleşirler. Köşegenin üst tarafında yer alan çapraz pikler ise, alt taraftakilerin ayna gö rüntüsüdür; o nedenle bunlar fazladan bilgidir ve spektrumun yorumlanmasında sadece keşegenin bir tarafındaki bilgi gereklidir. x - y Alanındaki çapraz pik ilişkilendirmeleri COSY spektrumunun elde edilmesinde kullanılan aletsel parametrelerin bir sonucudur. Şimdi l-kloro-2-propanolun COSY spektrumunu açık ve anlaşılır kılan eşleşme iliş kilerini daha yakından inceleyelim (Şekil 9.29). (Gerçi, l-kloro-2-propanol için sıradan tek boyutlu spektrumlarındaki eşleşme ilişkilerini yorumlamak çok daha kolaydır ama bu molekül, COSY spektrumlarının yorumlanmasında çok iyi bir başlangıç oluşturur.) Eşleşme ilişkilerini incelemeye başlamak için, önce COSY spektrumunda bir başlangıç noktası seçilir. Tek boyutlu spektrumda tayin edilmesi nispeten kolay olan bir pik iyi bir refarans noktasıdır. Bu bileşik için, 1,2 ppm’deki metil grubundan ileri gelen ikili gayet açık ve kolay tayin edilebilen bir piktir ve referans noktası olarak çok uygundur.

399

400


LT>

O

O c\i

cOX CO

ın co o

ıq

o

LO 5,0

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

5H
Şekil 9.29 l-Kloro-2-propanolün COSY spektrumu. Eğer köşegende bu metil İkilisine karşılık gelen (Şekil 9.29’da CH olarak işaretlenen ve her iki eksendeki tek boyutlu metil İkilisinin tam üstünde yer alan) piki bulursak, bura dan köşegen dışındaki x - y alanında yer alan ilişkilendirme pikini (bH - CH olarak gös terilen) kesecek şekilde düşey eksene hayali bir paralel çizgi çizilebilir. Buradan, köşegen piklerini kesecek şekilde geriye doğru hayali dikey bir çizgi çizilir. Bu kesişme noktasında yer alan bu köşegen pikinin, 3,9’daki tek boyutlu spektrum pikinin tam üstüne denk geldiğini görebiliriz. Böylece l ,2’deki metil hidrojenlerinin, sinyali ö 3,9’da gözlenen hidrojenle eşleştiği anlaşılır. Şimdi bu noktada açıkça görül mektedir ki, ö 3,9’da gözlenen pikler, l-kloro-2-propanolün alkol karbonundaki hidro jenden (C2’deki bH protonu) ileri gelmektedir. <53,9’daki köşegen pikine geri dönelim. Bu noktadan yatay eksene çizilen paraletin S 3,4 ve S 3,5 arasında kestiği bir çapraz pik çifti bulunmaktadır. Bu çapraz piklerin her bi rinden (aH' - bH ve aH" - bH) köşegene doğru geri gidersek, <53,9’da gözlenen sinyali veren hidrojenin, S 3,4 ve 8 3,5’te gözlenen sinyalleri veren hidrojenlerle eşleştiği görü lebilir. Böylece, <53,4 ve 5 3,5’te sinyal veren hidrojenlerin klorun bağlı olduğu karbon atomundaki hidrojen atomları ÇH' ve aH") olduğu anlaşılır. Hatta, aH' ve aH" nin çapraz piklerine ve onların hemen üzerendeki köşegen piklerine bakılarak bu hidrojenlerin de birbirleriyle eşleştiği görülebilir. Görüldüğü gibi. COSY spektrumundan hangi hidrojen atomlarının birbiriyle eşleştiğini kolayca anlayabiliriz. Sonuç olarak, referans noktasın dan başlayarak, bir molekülün “etrafında yürüyüş” yapabilir, COSY spektrumu üzerin de ilerlerken molekülün karbon iskeleti boyunca komşu eşleşme ilişkilerini izleyebiliriz.

9.11 İki-Boyutlu (2D) NMR Teknikleri

9 . 1 I B H E T C O R Çapraz-Pik ilişkilendirmeleri Bir HETCOR spektrumunda, iki eksenden biri boyunca l3C spektrumıı öteki boyunca da 'H spektrumıı gösterilir. Bu iki tip spektrumun biribiriyle ilişkisini gösteren çapraz pik ler ise x - y alanında yer alır. Bir HETCOR spektrumundaki çapraz pikler, özellikle, bir molekülde hangi hidrojen atomunun hangi karbon atomuna, veya tersi, bağlı olduğunu göstermektedir. Bu çapraz pik ilişkilendirmeleri HETCOR spektrumunun elde edilme sinde kullanılan aletsel parametrelerin bir sonucudur. HETCOR spektrumunun x —y böl gesinde, COSY spektrumunda gördüğümüz gibi bir köşegen spektrum bulunmaz. Onun yerine sadece çapraz pikler bulunur ve x - y alanında verilen bir çapraz pikten her iki ek sene hayali paralel çizgiler çizilirse bunların 'H NMR ve nC NMR spektrumlarının yer aldığı eksenleri kestiği noktada, birbiıiyle eşleşen (ve birbirine bağlı) H ve C atomları na karşılık gelen sinyallere ulaşılır. Bu nedenle, bir moleküldeki hangi hidrojen atomu nun hangi karbon atomuna bağlı bulunduğu HETCOR spektrumuyla kolayca anlaşılabilir. Şimdi l-kloro-2-propanolün HETCOR spektrumuna (Şekil 9.30) bir göz atalım. COSY spektrumunu yorumlamış olduğumuz için moleküldeki hangi protonun 'H spekt rumundaki hangi piki ürettiğini kesin olarak biliyoruz. Şimdi, düşey eksende yer alan proton spektrumundaki 5 1,2 ppm’de gözlenen metil İkilisinden x - y alanındaki ilişkilendirme pikine hayali bir çizgi çizilirse ve daha sonra üzerinde l3C spektrumunun yer aldığı yatay eksene dikey olarak indirse, 20 ppm'de gözlenen ve l-kloro-2-propanolün metil karbonundan (C3) kaynaklanan L'C pikine ulaşılır. Aynı şekilde,'H NMR spektru munda 3,9 ppm'de gözlenen molekülün alkol karbonundaki (C2) protona ilişkin pikten hareket edilerek. >3C spektrumunda 67 ppm'de gözlenen ve alkol karbonundan (C2) ile ri gelen pike ulaşılır Son olarak da, 'H NMR spektrumunda 3,4-3,5 ppm'de gözlenen, klorun bağlı bulunduğu (Cl) karbondaki iki hidrojenin pikinden çapraz pike ve oradanda 551 deki l3C (Cl) pikine ulaşılır.

5C (ppm)

Şekil 9.30 l-Kloro-2-propanolün 'H - UC HETCOR spektrumu. 'H NMR Spektrumıı mavi ve l3C spektrumu yeşil renkle gösterilmiştir. 'H - l3C çapraz pikleriyle tek boyutlu spektrumların ilişkilendirilmeleri kırmızı çizgi ile belirtilmiştir.

401

K

ımyası

T ı p t a Manyetik Rezonans G ö rü n tü le m e NMR spektroskopisinin bugün tıptaki en önemli uygulaması, manyetik re zonans görüntüleme ya da MRI (İng. magnetic resonance imaging) adı verilen tek

Manyetik rezonans görüntülemeyle elde edilen bir görüntü.

niktir. X-ışınlarının aksine MRI’nın büyük avantajı, bu teknikte, tehlikeli İyonlaştırıcı : ] ışımanın kullanılmaması ve görüntülemede kontrast oluşturmak için, potansiyel ola rak zararlı bir takım kimyasalların vücuda verilmesine gerek duyulmamasıdır. MRI tekniğinde hastanın bedeninin incelenecek kısmı kuvvetli bir manyetik alan içine yer leştirilir ve radyo frekans enerjisiyle ışınlanır. Tipik bir MRI görüntüsü, yandaki şekilde görülmektedir. Böyle bir görüntünün elde edil diği alet, incelenen doku parçalarının uyarılmasında puls yöntemini kulllanır (Altbölüm 9.3) ve bulgulan da Fourier Transformasyon tekniğiyle görüntüye dönüştürür. Görüntünün fark lı bölgelerindeki parlaklıklar iki şeyle ilgilidir. Bu konuda ilk etken, söz konusu bölgede bulunan dokudaki proton sayısıdır. İkinci et ken ise, protonların durulma süreleri denilen durumdan ileri gelir. Protonlar, rf enerji pulsuyla uyarılarak bir üst enerji düzeyine çıktıklarında belirli bir enerji soğurmuş olurlar. Bunlar ikinci bir pulsla uyarılmadan önce, düşük enerjili spin durumlarına geri dönmek için bu enerjiyi geri vermek zorundadırlar. Çekirdeklerin enerji kaybettikleri bu işleme durul ma ve bu işlemin gerçekleştiği zamana da durulma süresi adı verilir. Protonlar için iki temel durulma şekli bulunmaktadır. Bunlardan biri, spin-örgü durul ması denilendir ve bunda fazla enerji, çevrede (veya örgüde) bulunan komşu moleküllere aktarılır. Bu işlemin gerçekleşmesi için gereken süreye T, denir ve bu, spin sisteminin çev resiyle ısısal dengeye gelmesi için gerekli sürenin karakteristiğidir. Katilarda bu süre (T,) saatler boyunca olabilir. Saf sıvı sudaki protonlar için bu süre sadece bir kaç saniyedir. Spin-spin durulması adı verilen öteki durulma tipinde ise, fazla enerji hemen yakındaki atom ların çekirdeklerine aktarılır. Bu işlem için gerekli süreye T2 denir. Sıvılarda îynin büyük lüğü yaklaşık olarak T/’e eşittir. Ancak, katilarda T, çok daha uzundur. Yumuşak dokulardaki değişik bölgeler arasında kontrastlar yaratmak için durulma sü releri arasındaki farkları kullanan, rf ışıma pulsları arasındaki zamana dayalı değişik tek nikler geliştirilmiştir. MRI yöntemiyle elde edilen yumuşak doku kontrastı, X - ışınları tekniğiyle elde edilenden doğal olarak daha yüksektir. Manyetik görüntüleme yöntemi, tü mör, yara ve ödemlerin belirlenmesinde büyük bir etkinlikle kullanılmaktadır. Bu teknikte ki gelişmeler hızla sürmektedir ve yöntem proton sinyallerinin gözlenmesiyle sınırlı değildir. Tıbbi araştırmaların bir önemli alanı da ’'P sinyallerinin gözlenmesine dayanmaktadır. Adenin trifosfat (ATP) ve adenin difosfat (ADP) örneklerinde olduğu gibi, fosfat esterleri şeklinde fosfat içeren bileşikler (Altbölüm 11.12), pek çok metabolik süreçte yer almakta dır. NMR’a dayanan tekniklerin kullanıma girmesiyle, araştırmacılar, bugün hücresel me tabolizmanın izlenmesinde zararsız bir yönteme sahip olmuşlardır.

Böylelikle, COSY ve HETCOR spektrumlarının birleştirilmesiyle, tüm ,3C ve 'H pik lerinin her birinin l-kloro-2-propanol molekülündeki hangi hidrojen ve karbon atomla rına ait oldukları açıkça tayin edilebilir. (Gerçi biz, 1-kloro-2-propanol basit örneğinde GOSY ve HETCOR verileri olmaksızın da, moleküldeki protonlara ilişkin tayin işlem lerini bütünüyle yapabilmiştik. Ancak pek çok bileşik için 2D NMR tekniklerinin yar dımı olmaksızın yapının tayini oldukça zordur.)

402

9.13 Kütle Spektrometresi

9 . 1 2 K ü t l e S p e k t r o m e t r î y e GiRîş Bir kütle spektrometresi, bir molekülün yapısında bulunan parçacıkların bir spektrumunu oluşturur. Kütle spektrumu. ÎR (Altbölüm 2.16) ve NMR (Altbölümler 9.3 -9.11) teknik lerinde olduğu gibi elektromanyetik ışımayla ilişkili bir spektrum değildir. Aksine kütle spektrumu, bir molekülün, o molekülden oluşan parçacıkların ya da her ikisinin de for mül kütlelerine karşılık gelen iyon kütlelerinin bir spektrumu veya grafiğidir. Tipik bir kütle spektrumu Şekil 9.31’de verilmiştir. Bir kütle spektrumunun x- ekseni boyunca yer alan pikler, kütle spektrumu alman bileşiğin molekülünden oluşan parçacıkların kütle da ğılımına karşılık gelir. Bu piklerin y- ekseni ölçeğinde değerlerini bulan yükseklikleri ise, spektrumu alınan molekülden oluşan her bir iyonun bağıl miktarlarını ifade eder. Her bir iyonun kütle ve bağıl miktarına ilişkin bulgular, bize molekülün yapısı hakkında pek çok bilgi sağlar. Bu moleküler iyonlar ile parçacık iyonların, geleneksel elektron çarpma (Eİ) kütle spektrometresinde nasıl oluştuklarını bundan sonraki kısımda göreceğiz.

9.13 Kü t l e Spektrom etresi Bir elektron çarpma kütle spektrometresinde (Şekil 9.32), gaz halindeki moleküller, dü şük basınç altında, yüksek enerjili elektron demetiyle bombardıman edilirler. Genellik le, elektron demetinin enerjisi, 70 eV (elektron volt) tur ve bu bombardıman, moleküldeki elektronlardan birini uzaklaştırarak moleküler iyon adı verilen pozitif yüklü iyonları oluşturabilir. M Molekül

+

e“

----►

Yüksek enerjili elektron

+ 2 e~

Moleküler iyon

Oluşan moleküler iyon sadece bir katyon değildir. Tek sayıda elektrona sahip olduğun dan aynı zamanda bir radikaldir. Radikaller çiftlenmemiş elektronlara sahiptirler (Altbölüm 3.1 A). Bu nedenle, bu gruba giren iyonlara radikal katyonlar adı verilir. Örneğin

m İz

Şekil 9.3 I l-Prapanolün kütle spektrumu (Silverstein, R. M.; Webster F.X. Spectrométrie Identification o f Organic Compounds, 6 th ed.; Wiley: New York, 1998;

s 19’dan uyarlanmıştır.)

403

4-

O

Şekil 9.32 Kütle spektrometresi. CEG model 21-103 ün şematik diyagramı. Değişik kütle/yük (m/z) oranlarındaki iyonları kaydediciye sevkeden manye tik alan kâğıt düzlemine diktir. (Holüm, J.R. Organic Chemistry: A Brief Course; Willey: New York, 1975’ten izin alınarak kullanılmıştır.)

9.13 Kütle Spektrometresi

bombardımana maruz kalan molekül bir amonyok molekülüdür ve aşağıdaki tepkime meydana gelir. H:N=H + eH

>

H:N:Hİ H J

+ 2e

Moleküler iyon M i (bir radikal katyon)

9 . I 3 A Parçalanma 70 eV (~ 6,7X 103 kJ mol'')luk bir enerjiye sahip olan elektron demeti, sadece molekül lerden elektron çıkarmakla ve moleküler iyonları oluşturmakla kalmaz. Artakalan önem li ölçüdeki enerjisini de moleküler iyonlara aktarır. Ancak, bu işlem sırasında oluşan moleküler iyonların tümü aynı miktarda enerjiye sahip değildirler. Ama yine de pek ço ğunun sahip olduğu enerji, bir kovalent bağın kırılması için gerekli olan miktardan (200-400 kJ mol ') daha fazladır ve bu moleküler iyonlar, oluşmalarından kısa bir sü re sonra parçalara ayrılmaya başlarlar. Bu parçalanma, her bir moleküler iyonun ken di doğasına bağlı olarak değişik şekillerde gerçekleşebilir. Daha sonra göreceğimiz gibi (Altbölüm 9.16), moleküler iyonun parçalanma şekli, karmaşık moleküllerin yapısı hak kında çok faydalı bilgiler verebilir. Nispeten basit bir molekül olan amonyak molekü lünde bile, parçalanma pek çok yeni katyon oluşturabilir. Örneğin, moleküler iyondan bir hidrojen atomu atılarak NH2+katyonu oluşur. H =N=H----►H=N= + HH H + Bu NH? katyonu da bir hidrojen atomu kaybederek yol izlenerek N katyonuna ulaşabilir.

+ NH- oluşturabilir ve aynı

H:N: — ►H:N: + HH H :N: ----►:N: + H9 . I 3 B İyonların Sınıflandırılması Kütle spektrometresi, daha sonra katyonları kütle/yük ya da m/z temelinde sınıflandırır. Pratik olarak, tüm iyonların yükü +1 kabul edildiğinden aslında bu sınıflandırma kat yonların kütlelerine göre yapılmaktadır. Geleneksel kütle spektrometresinde bu işlem, iyonların bir seri yarıklar boyunca hızlandırılmasından sonra, iyon demetinin eğik bir boruya (bkz. yine Şekil 9.32) gönderilmesiyle gerçekleştirilir. Bu eğri boru değişken bir manyetik alan içinden geçmekte ve manyetik alan, boru içinde ilerleyen iyonları etki lemektedir. Verilen bir andaki kuvvetine bağlı olmak üzere, manyetik alan, belirli bir mlz oranına sahip iyonların izledikleri yolun eğriliğinin, içinde ilerledikleri borunun eğ riliğiyle aynı olmasını sağlar. İşte bu yüzden söz konusu iyonlar “kaydediciye” ulaşa bilirler. Çünkü bu iyonlar, öteki yarıktan geçerler ve iyon şiddetinin elektronik olarak ölçüldüğü bir iyon toplayıcısına çarparlar. İyon şiddeti, belli bir mlz oranına sahip iyon ların bağıl bolluğunun basit bir ölçüsüdür. Bazı kütle spektrometreleri çok duyarlıdırlar ve bunlar dedektörlerine ulaşan tek bir iyonu bile bel ¡diyebilmektedirler. Aslında, iyonların gerçek sınıflandırılması manyetik alan içerisinde gerçekleşir. Bu nun nedeni ise, manyetik alanda ilerleyen yüklü taneciklerin izleyeceği yolun fizik ku-

405

406


rallarınca belirlenmesidir. Genel bir söylemle, manyetik alan, kendi içinde ilerleyen yük lü taneciklerin bir daire parçasıyla temsil edilen eğri bir yol izlemelerine neden olur. Bu dairesel yolun eğrilik yarıçapı, iyonların mlz oranlarına, manyetik alanın büyüklüğüne (tesla cinsinden, Bn) ve uygulanan hızlandırıcı gerilime bağlıdır. Eğer hızlandırıcı geri lim sabit tutularak manyetik alan düzenli bir şekilde artırılırsa iyonlar, mlz oranlarının artış sırasıyla, eğrilik yarıçapları aletin yapısındaki borununkiyle aynı olan yörüngelere sahip olacaklar ve söz konusu eğri boruyu geçme şansına sahip olacaklardır. B0 değe rinin sürekli olarak artması nedeniyle iyonlar, mlz oranlarının artış sırasıyla kaydedici ye ulaşacak ve iyon toplayıcıda belirleneceklerdir. Daha önce de belirttiğimiz gibi, iyonların hemen hemen tümünün yükü birimseldir. Bunun anlamı, iyonlar, artan kütle sırasıyla toplayıcıya ulaşırlar ve kaydedilirler. Bu açıkladığımız olaya “manyetik odaklama” (veya “manyetik tarama”) adı verilir ve bunların tümü kütle spektrometresince otomatik olarak gerçekleştirilir. Kütle spektrometresi, sonuçları, her biri belirli bir mlz oranına karşılık gelen değişik şiddetteki pik lerden oluşan bir grafik şeklinde gösterir. Bu gösterim (bkz Şekil 9.31) bir kütle spektrumunun bir gösteriş türüdür İyon sınıflandırılması “elektriksel odaklamayla” da yapılabilir. Bu teknikte manye tik alan sabit tutularak hızlandırma gerilimi değiştirilir. Şüphe yok ki, her iki teknikte aynı sonucu sağlar ve bazı yüksek ayırma gücüne sahip kütle spektrometrelerinde her iki teknik birlikte kullanılır. Özetleyecek olursak; bir elektron çarpma spektrometresinde organik moleküller yük sek enerjili bir elektron demetiyle bombardıman edilir ve bu işlem, moleküllerin iyon laşmasına ve parçalanmasına yol açar. Daha sonra, oluşan iyon karışımı mlz değerlerine göre biribirinden ayrılır ve her bir iyonik parçacığın bağıl miktarı kaydedilir. Sonuç, iyonların bağıl bolluğunun mlz değerlerine karşı çizilmiş bir grafiği olarak gösterilir.

9.14

K

ü tl e

S

p ek tr u m u

Genel olarak, kütle spektrumları çubuk grafikleri ya da çizelgeleri şeklinde verilir. Bu nun bir örneği Şekil 9.33’te verilen amonyağın kütle spektrumunda görülmektedir. Her iki gösterim biçiminde de şiddeti en yüksek olan pike temel pik adı verilir. Temel pi kin şiddeti keyfi olarak %100 kabul edilir ve diğer piklerin tümünün şiddeti, temel pi kin belirli bir yüzde oranı olarak ifade edilir. Bir kütle spektrumunda verilen iyonların kütleleri onları oluşturan atomların kütle lerinin en yakın tam sayıya yuvarlatılmış değerleri kullanılarak hesaplanabilir. En çok karşılaşılan atomlar için söz konusu yuvarlatılmış değerler aşağıda verilmiştir.

100

H= 1 C = 12 N = 14

(moleküler iyon) Mİ m lz

Şekil 9.33 Amonyağın çubuk grafik ve çizelge biçiminde gösterilmiş kütle spektrumu

80 60

14

2,2

15

7,5

16

40

17 18

20

ıi + 1

r~ 15 m lz

20

Pik şiddeti (Temel pikin yüzdesi olarak)

80 100,0 (temel pik) 0,4

0 = 16 F = 19

9.14 Kütle Spektrumu

Amonyağın kütle spektrumunda, ana pikleri mlz = 14, 15, 16, ve 17 değerlerinde görmekteyiz. Bunlar moleküler iyona ve daha önce gördüğümüz parçacıklara karşılık gelmektedir. ► [NH3]î ~ ^

NH3

m/z

=

17

lNH]t ~

[NH2]+ ~ ^

16

[N]+

15

14

(moleküler iyon)

Kural olarak bunlar aşağıdaki gibi ifade edilir: H :N: H , [NHsJt olarak H + H :N : , [NH2]+ olarak H H :N : , [NH]t

olarak

: N: , [N]+

olarak

ve

Amonyak örneğinde temel pik, moleküler iyondan kaynaklanan piktir. Ancak bu her zaman böyle olmaz. Daha sonra göreceğimiz gibi, pek çok spektrumda temel pik (en şiddetli pik) moleküler iyondan farklı bir mlz değerine sahiptir. Bunun nedeni, çoğu ör nekte moleküler iyonun büyük bir hızla parçalanmasıdır. Bu parçalanma sırasında orta ya çıkan ve mlz oranı daha düşük olan bir iyon, şiddeti en büyük olan piki oluşturur. Kütle spektrumlarında, arada bir de olsa, moleküler iyon piki çok düşük şiddetle orta ya çıkar ve bazen de hiç gözlenemez. Amonyağın kütle spektrumunun bir başka özelliğinin de açıklanması gerekmekte dir. Spektrumda mlz değeri 18 olan küçük bir pik bulunmaktadır. Bu pik, kütlesinin mo leküler iyondan bir birim kütle fazla olduğunu belirtmek için çubuk spektrumunda Mi + 1 olarak ifade edilmiştir. Çoğu elementin (örneğin azot ve hidrojen) bir çok doğal izo topu bulunması nedeniyle kütle spektrumlarinda Mî + 1 pikleri ortaya çıkmaktadır (Çi zelge 9.3). Bir amonyak örneğindeki moleküllerin çok büyük bir çoğunluğunun IJN'H3 moleküllerinden oluşmasına rağmen, küçük ama belirlenebilir bir kısmı da l5N'H3

Çizelge 9.3 Bazı Yaygın Elementlerin Başlıca Kararlı İzotopları“ En

D iğ e r İ z o t o p la r ın D o ğ a l B o llu ğ u

Y a y g ın

( E n Y a y g ın İ z o t o p u n

İ z o to p

1 0 0 A to m u n a K a r ş ılık )

E le m e n t

Karbon

12C

100

13C

1,11

Hidrojen

'H

100

2h

0.016

Azot

14n

100

15n

0,38

Oksijen

16q

100

l7o

0.04

180

0,20

Flor

I9 p

100 29Si

5,10

30Sİ

3,35

34S

4,40

Silisyum

28Sİ

100

Fosfor

3 1p

100

Kükürt

32s

100

33s

0,78

Klor

35cı

100

37cı

32,5

Brom

79Br

100

3lBr

98,0

İyot

127]

100

a Bu veriler. Silverstein, R.M; Webster, F.X. S p e c tr o sc o p ic Id e n tific a tio n o f OrganicC o m p o u n d s 6 th ed .; Wiley: New York, 1998; s 7’den alınmıştır.

407

408


Şekil 9.34 Problem 9.12 için kütle spektrumu. Şiddet

m iz

2,6

12

13 14

8,6 17,1

15

85,6

16 17

100,0 1,15

moleküllerinden oluşmaktadır. Hatta çok çok az olmakla birlikte 14H'H22H molekülleri de söz konusudur. îşte bu moleküller (l5N'H3 ve l4N'H22H), miz değeri 18 olan M: + 1 iyonlarını üretirler. Amonyağın kütle spektrumu bir başlangıçtır ve iyonların her birine ait kütlelerin (ve ya mh oranlarının) bize iyonların bileşimi hakkında nasıl bilgi sağladığını ve bu bilgi nin, bir bileşiğin olası yapılarına ulaşılmasında ne ölçüde yardımcı olabildiğini gösteren basit bir örnektir. Aşağıda verilen problemler (9.12-9.14) bu konuda bize daha fazla uy gulama imkanı sağlayacaktır.

P ro b le m 9.12

>- Kütle spektrumu Şekil 9.34’te verilen bileşik için bir yapı öneriniz ve spektrumda yer alan her piki, yapıyla uyumlu bir şekilde açıklayınız.

P ro b le m 9.13

>

Kütle spektrumu Şekil 9.35’te verilen bileşik için bir yapı öneriniz ve spektrumda yer alan her piki, yapıyla uyumlu bir şekilde açıklayınız.

P ro b le m 9.14

>

Kütle spektrumu Şekil 9.36’da verilen bileşik biri flor olmak üzere üç element içer mektedir. Bu bileşik için bir yapı öneriniz ve spektrumda yer alan her piki, yapıyla uyumlu bir şekilde açıklayınız.

Şekil 9.35 Problem 9.13 için kütle spektrumu.

25

m İz

Şiddet

16

0,9

17

21,1

18

100,0

19

0,06

20

0.2

9.15 Molekül Formüllerinin ve Molekül Kütlelerinin Belirlenmesi

m İz

9.15

Şiddet

14

17,2

İ5 19

100,0

3i 32

10,4 9,4 89,5

34 35

95,4

M o l e k ü l F o r m ü l l e r i n İn v e M K Ü T L E L E R İN İN B E L İR L E N M E S İ


2,0

33

409

U

o le k ü l

9 . 1 5A Moleküler İyon ve İzotopik Pikler Çizelge 9.3’e baktığımızda, organik moleküllerde bulunan elementlerin pek çoğunun da ha ağır izotoplara sahip olduğunu görürüz. Bu elementlerden üçünde—karbon, hidrojen, azot—ağır izotopların en çok rastlananı en yaygın izotoptan kütlece bir birim fazla olanıdır. Bu yüzden bu üç atomun yer aldığı organik moleküllerin kütle spektrumlarında, moleküler iyondan bir kütle birimi daha büyük değerde küçük bir izotopik pik orta ya çıkar (Mî + 1). Ancak dört elementte—oksijen, kükürt, klor ve brom—başlıca daha ağır izotop, en yaygın izotoptan iki kütle birimi daha büyüktür ve bu nedenle, bir orga nik molekülde bu dört elementin varlığı, kütle spektrumunda Mî + 2 değerinde bir izo topik pikin ortaya çıkmasına yol açar. M.++ 1 Elementler: C, H, N M: + 2 Elementler: O, S, Br, C1

İzotopik pikler, molekül formülerinin belirlenmesinde bize bir yöntem sağlar. Bu nun nasıl olabildiğini anlamak için, normal izotopun 100 atomuna karşılık izotop bol luklarını gösteren Çizelge 9.3’ü inceleyerek başlayabiliriz. Şimdi bir örnek olarak elimizde 100 tane metan (CH4) molekülü olduğunu var sayalım. Bu durumda, bunlara ek olarak l?C içeren 1,11 molekül ve 4 X 0,016 tane de :H içeren metan molekülümüz daha olacaktır. Bu daha ağır izotopların toplu katkısıyla, moleküler iyonun pik şiddeti nin yaklaşık %1,17 si kadar olan bir şiddette Mİ + 1 piki ortaya çıkacaktır. 1,11 + 4 (0,016) - %1,17 Bu sonuç, metanın Şekil 9.34’te verilen gerçek spektrumunda gözlenen Mî + 1 pi kiyle çok iyi bir şekilde uyuşmaktadır. Az sayıda atom içeren moleküllerin molekül formülleri aşağıda açıklanan yolla be lirlenebilir. Eğer M: piki temel pik değilse, bilinmeyen maddenin spektrumuyla ilgili olarak yapacağımız ilk şey, Mî + 1 ve Mî + 2 piklerinin şiddetini Mî pikinin şiddetinin yüzdesi olarak yeniden hesaplamaktır. Bir örnek olarak. Şekil 9.37'de verilen kütle spektrumunu ele alalım. Burada mtz 72 de görülen Mî piki temel pik değildir. Bu nedenle spektrumumuzdaki m/z 72, 73 ve 74 piklerinin şiddetini, m/z 72 pikinin yüzdesi cinsin-

//

410


Şekil 9.37 Bilinmeyen bir bileşiğin kütle spektrumu.

m İz

Şiddet (temel pikinyüzdesi olarak)

41

59.0 15.0 54,0 23,0 60,0

42

12,0

43

79,0

44

73

(temel) 73,0 Mt > 3,3

74

0,2

27 28 29 39

72

m İz

72 73 74

V.

Şiddet (M. 'inyüzdesi olarak) Mİ 100,0 Mİ + 1 4,5 Mİ + 2 0,3

Mi 'itemel pikkabul ederek yenidenhesaplananpik şiddetleri , V

4 1 1

|

1 1 1 1

100,0

s

/

den hesaplamamız gerekir. Bunu da, her pikin şiddetini M; pikinin şiddetine (% 73) bö lüp 100 ile çarpmak suretiyle gerçekleştirebiliriz. Bulunan sonuçlar aşağıda ve Şekil 9.37’nin ikinci sütununda verilmiştir.

m lz

72 73 74

Şiddet (Mî in %si)

73,0/73 X100 = 100 3,3/73 X100 =4,5 0,2/73 X100 =0,3

Molekül formülünün belirlenmesinde aşağıdaki ilkeler uygulanır.

MS ile molekül formülü tayini için araçlar.

1.

M.4değeri tek midir çift midir? Eğer çift ise, azot kuralına göre, verilen mole külde çift sayıda azot atomu bulunacaktır (sıfır çift sayıdır). Bizim bilinmeyen örneğimizde M4 çift olduğundan bileşiğimiz çift sayıda azot atomu içermelidir.

2.

M: + 1 pikinin bağıl bolluğu, moleküldeki karbon atomlarının sayısını göste rir. C atomlarının sayısı = (Mi + 1) in bağıl bolluğu /1,1.

3.

Bizim örneğimizde (Şekil 9.37), C atomu sayısı = —— = 4 ’tür. 1,1 (Bu formül. M: + 1 pikine en büyük katkı payı L,C izotopuna ait ve bunun da yak laşık doğal bolluğu %1,1 olduğu için doğru sonuç verir.) M.4+ 2 pikinin bağıl bolluğu, molekülde S (%4,4), C1 (%33) ya da Br (%98) atomlarının olup olmadığını gösterir (bkz. Çizelge 9.3). Bilinmeyen örneğimizde, Mi + 2 = % 0,3?tür. Bu nedenle, söz konusu molekülde S, C1 ve Br bulunmadığı sonucuna varırız.

4.

Molekülümüzdeki hidrojen atomlarının sayısını belirleyerek veya eğer gere kiyorsa uygun sayıda oksijen atomunu da ekleyerek örneğimizin molekül for mülünü oluşturabiliriz.

9.15 Molekül Formüllerinin ve Molekül Kütlelerinin Belirlenmesi

Ömeğimisdeki mlz 72 değerindeki M" piki, bilinmeyenin molekül kütlesini göster mektedir. Ayrıca bu değer, molekülümüzde azot atomunun bulunmadığını da ifade et mektedir. Çünkü molekül kütlesinin çift sayı olması, eğer molekülde azot atomu varsa bunun ancak çift sayıda bulunabileceğini göstermektedir. Yani molekülümüzde buluna bilecek azot atomu sayısı en az iki olacaktır. Daha önce molekülde dört tane karbon ato munun bulunduğunu belirlemiştik. Eğer azot atomunun varlığı söz konusuysa bilinmeyen örneğin molekül kütlesi dört karbon ve iki azot atomu göz önüne alınınca, en az 76 ol malıdır. Oysa örneğimizin molekül kütlesinin 72 olduğunu biliyoruz. Sadece C ve H'den oluşan bir molekül için: H = 72 - (4 X 12) = 24 bulunur ve molekül formülü C4H24 olurdu ama böyle bir molekül mümkün değildir. C, H, ve bir O'dan oluşan bir molekül için ise: H = 72 - (4 X 12) - 16 = 8 bulunur ve bu, bilinmeyen örneğimizin molekül formülünün C4H80 olduğunu gösterir. (a) C4H80 formülüne sahip en az 14 kararlı bileşiğin yapı formüllerini yazınız, (b) *< Bu bilinmeyen bileşiğin İR spektrumu,1730 cm 1civarında kuvvetli bir pik vermek tedir. Buna göre, yazdığınız olası yapı formüllerinden hangileri mümkün olabilir? (Bu bileşikle ilgili sorulara problem 9.25’te devam edeceğiz).

P ro b le m 9 . 15

Aşağıda kütle spektrumu verileri verilen bileşiğin molekül formülünü yazınız.

*<

P ro b le m 9.16

(a) CH3C1 molekülünün M: ve Mî + 2 piklerinin yaklaşık şiddetlerinin ne olmasını •< beklersiniz? (b) CH3Br molekülünün M: ve Mî + 2 piklerinin yaklaşık ne olacağını umarsınız? (c) Bir organik molekül mlz 122’de M: piki ve mlz 124'te bir başka pik vermektedir. Bu iki pikin şiddetleri yaklaşık aynı olduğuna göre, bileşiğin olası mo lekül formülü ne olur?

P ro b le m 9.17

Aşağıdaki spektral verileri kullanarak ilgili bileşiğin molekül formülünü bulunuz.

P ro b le m 9 . 18

m lz

86 M t

Şiddet (temel pikin % si olarak) 10.00

87

0,56

88

0,04

Şiddet (temel pikin % si olarak) 14 15 18 28 29 42 43 44 73 74 75

8,0 38,6 16,3 39,7 23,4 46,6 10,7 100,0 (temel) 86,1 Mİ 3,2 0,2

•<

411

412


P ro b le m 9.19

^

(a) Kütle spektrumu aşağıdaki çizelgede verilen bileşiğin molekül formülünü bulu nuz. (b) Bu bileşiğin 'H NMR spektrumu sadece geniş bir ikili ve küçük bir yedili pik grubundan oluştuğuna göre molekülün yapı formülünü bulunuz.

m /z

27 39 41 43 63 65 78 79 80

Şiddet (temel pikin % si olarak) 34

11 22 100 (temel pik) 26 8 24M t 0.8 8

Bir moleküldeki atom sayısı arttıkça, bu tür hesaplamalar daha karmaşık ve zaman alıcı hale gelir. Neyse ki bu hesaplamalar bilgisayarlarla kolayca yapılabilmektedir ve molekül kütleleri 500’e kadar olan bileşiklerde, organik moleküllerde yaygın olarak yer alan elementlerin tüm birleşim şekilleri için M: + 1 ve M.4+ 2 piklerinin bağıl değerle rini gösteren çizelgeler vardır. Bu çizelgelerin birinden alman bir kısım değerler. Çizel ge 9.4’te verilmiştir. Çizelge 9.4'ü kullanarak Şekil 9.37’de verilen örneğimizi ve Problem 9.18 için verdiğiniz cevabı kontrol ediniz. 9 . 1 5B Yüksek Çözünürlüklü Kütle Spektrometrisi Buraya kadar açıklamış bulunduğumuz tüm spektrumlann elde edildiği cihazlara “dü şük çözünürlüklü” kütle spektrometreleri adı verilir. Daha önce de belirtildiği gibi, bu spektrometrelerde m/z değerleri kütle numaralarına en yakın tam sayı olarak kaydedi lir.

Çizelge 9.4 C, H, N ve O atomlarının, molekül kütlesi 72 ve 73 olan çeşitli birleşim şe killerine ilişkin M: + 1 ve M: + 2 piklerinin bağıl şiddetleri" Mi Şiddetinin Yüzdesi

Mİ Şiddetinin Yüzdesi Mİ 72

Formül

Mİ+1

Mİ+ 2

Mİ

Formül

Mİ+1

CH7N30 c h 4n 4 C,H0NO, c 7h 4n ?o c 7h 6n , c 3h 4o 2 c 3h 6n o c 3h 8n 2 c 4h 8o c 4h 10n c 2h 12

2,30 2,67 2,65 3,03 3,40 3,38 3,76 4,13 4,49 4,86 5,60

0,22 0,03 0,42 0,23 0,04 0,44 0,25 0,07 0,28 0,09 0,13

73

CHN70 7 c h 3n , ö c h 5n . c 7h o . c 2h 3n o 2 c 7h , n 7o c , h 7n 3 C3HsO, c 3h 7n ö c 3h , n 2 c 4h 90 c 4h u n c 6h

1,94 2,31 2,69 2,30 2,67 3,04 3,42 3,40 3,77 4,15 4.51 4,88 6.50

Mİ +2 0.41 0,22 0,03 0,62 0,42 0,23 0,04 0,44 0.25 0,07 0.28 0,10 0,18

"Bu değerler “ Beynon, J. H. M a ss S p e c tr o m e try a n d its A p p lic a tio n s to o rg a n ic C h e m istry ; Elsevier: Amsterdam, 1960; s 489,? dan alınmıştır.

Çizelge 9.5 İzotop

Ç ekirdeklerin Tam Kütleleri Kütle

İzotop

Kütle

'H

1.00783

I9p

18.9984

2H

2,01410

32S

31,9721

12c

12.00000 (std)

33S

32,9715

I3C

13,00336

«S

33,9679

un

14.0031

35C1

34,9689

«N 160

15.0001

VC1

36,9659

15.9949

79B r

78.9183

170

16.9991

8'Br

80.9163

ISO

17,9992

1271

126,9045

Bazı laboratuvarlarda bu tip kütle spektrometreleri bulunmaktadır. Pek çok laboratuvar ise oldukça pahalı olan “yüksek çözünürlüklü” kütle spektrometreleriyle donatılmıştır. Bu spektrometreler mtz değerlerini, virgülden sonra üçüncü ya da dördüncü basamaklarına kadar kesinleşmiş ondalık sayılar olarak belirleyebilmek tedirler. Böylece. bu cihazlar molekül kütlelerinin tam doğru bir biçimde tayin edilme si için, bir yöntem sağlarlar. Ayrıca, molekül kütleleri böylesine doğru ölçüldüğünden bu spektrometreler yardımıyla molekül formülleri de bulunabilir. Molekül kütlelerinin kesin değerlerinden hareketle molekül formüllerini belirlemek mümkündür. Çünkü atomik parçacıkların gerçek kütleleri tam sayılardan ibaret değildir (Çizelge 9.5). Örneğin en yakın tam sayılarla ifade ettiğimizde molekül kütleleri 32 olan 0 2, N2H4 ve CH3OH moleküllerinin gerçek molekül kütleleri birbirinden farklıdır. 02 = 2(15,9949) = 31,9898 N2H4 = 2(14.0031) + 4(1,00783) = 32,0375 CH40 = 12,00000 + 4(1,00783) + 15,9949 = 32,0262 Kütle değerlerini 40.000’de 1 ya da daha iyi doğrulukla, tayin edebilme kapasitesine sa hip kütle spektrometreleri bulunmaktadır. Böyle bir spektrometre bu üç molekülü ko laylıkla birbirinden ayırt edebilmekte ve bize molekül formülünü verebilmektedir.

9.16

Pa

r ç a la n m a

Çoğu örnekte, moleküler iyon çok yüksek enerjili haldedir ve kompleks bir molekül söz konusu olduğunda, bu iyon üzerinde bir çok değişim gerçekleşir. Moleküler iyon deği şik yollarla parçalanabilir ve oluşan parçacıklar da daha ileri bir parçalanma sürecine girebilirler. Kütle spektroskopisi, bir bakıma bir “kaba kuvvet” tekniği olarak ele alına bilir. Organik moleküllerin, 70-eV enerjiye sahip elektronlarla çarpışması, kibrit çöp lerinden yapılmış bir eve havan topuyla ateş etmek gibi bir şeydir. Parçalanma dikkate değer bir doğrulukla önceden tahmin edilebilen bir yolla gerçekleşir. Olağan kimyasal tepkimeleri yöneten bildiğimiz etkenler parçalanma süreçlerine de uygulanır ve karbokatyonlar, radikaller ve moleküllerin bağıl kararlıkları hakkında öğrendiğimiz pek çok şey, bu süreçte neler olup bittiğini anlamamıza yardımcı olmaktadır. Ne tür bir parça lanmanın gerçekleşeceğini tahmin etme konusunda bilgilerimiz arttıkça organik mole küllerin yapılarının belirlenmesinde kütle spektroskopisini kullanma beceri ve yeteneğimiz daha ileri bir düzeye ulaşacaktır. Burada, ayırabileceğimiz yer sınırlı olduğundan, konuyu tüm ayrıntılarıyla incele memiz elbette mümkün değildir. Ancak en önemli olanlarından bazılarım ele alabiliriz.

414


Başlangıç olarak iki önemli ilkeyi hep aklımızda tutmalıyız. (1) Kütle spektrometresinde yer alan tepkimeler genelde tek moleküllüdür. Yani bu tepkimeler sadece tek bir molekülün parçalanmasını içerirler. Çünkü spektrometre içerisindeki basınç çok düşük (~ 10-6 torr) bir değerdedir ve bu nedenle iki moleküllü tepkimeler için gerekli olan çarpışmalar pek gerçekleşmez. (2) Pik şiddeti olarak ölçülen bağıl iyon bollukları son derece önemlidir. Spektrumda çok bilinen belirli piklerin ortaya çıkması, oluşan parça ların yapısı ve bunların molekül üzerindeki orijinal yeri hakkında çok önemli bilgiler verir. 9 . I 6 A Birli Bağın Kırılmasıyla Oluşan Parçalanma

Tek çengelli okların tek elektronun (bir çiftten çok) hareketini gösterdiği ni hatırlayınız (Altbölüm 3.1A).

Parçalanmanın önemli bir tipi birli bağ kırılmasına dayanır. Bir radikal katyonda yer alan bu bağ kırılması, en az iki yolla ilerler ve bir katyon ve bir radikal üretir. Bir po zitif iyon kütle spektrometresinde yalnızca katyonlar belirlenir. (Radikaller yüksüz ol duklarından manyetik alanda herhangi bir sapmaya uğramazlar ve bu nedenle spektrometre tarafından belirlenmezler.) Örneğin propandan oluşan moleküler iyonun olası iki parçalanma şekli aşağıda gösterildiği gibidir: CH3CH2tvCH3 — ►CH3CH2+ + CH3 m/z 29

CH,CH,|CH3 3/ O ' 3

-►c h 3c h 2• + +c h 3 m/z 15

Ancak bu iki parçalanma şekli aynı hızla gerçekleşmez. Böylesi bir parçalanmanın üret tiği katyonların bağıl bolluğunu, oluşan karbokatyon ve radikalin her ikisinin de karar lılıkları etkilemektedir. Ancak bu konuda karbokatyonun kararlılığı dalıa önemlidir.* Propanm spektrumunda m/z 29 (CH3CH2+) piki en şiddetli piktir; m/z 15 (CH3+) piki ise sadece %5.6’lık bir şiddete sahiptir. Bu durum. CH3+ e göre CH3CH2+ katyonun daha büyük bir kararlılığa sahip olduğuna işaret etmektedir. 9 . I 6 B Parçalanma Denklemleri Bu konuda daha fazla ilerlemeden önce, parçalanma tepkimelerine ilişkin denklemlerin yazılmasında kullanılan bazı kuralları incelememiz gerekir. Propandaki birli bağın par çalanmasına ilişkin iki denklemi yukarıda göstermiş ve bu denklemlerde, pozitif yükle tek elektronu, moleküler iyonun karbon - karbon sigma bağlarından biri üzerine yerleş tirmiştik. Yapıyı bu şekilde yazdığımız zaman, pozitif yük ile tek elektronun yerleştiri leceği yer bazen keyfi olarak seçilir. Ancak yine de olabildiğince moleküler iyon için en olası yapıyı yazmak gerekir. Bunun için en iyi yol, molekülde en gevşek bağlı elekt ronun ayrılması sonucu ortaya çıkacak olan yapıyı tahmin etmektir. Olası moleküler iyo nu tahmin ederken en iyi dayanak iyonlaşma potansiyelleridir (Çizelge 9.6). [Bir molekülün iyonlaşma potansiyeli, o molekülden bir elektronun uzaklaştırılması için ge reken enerjinin eV cinsinden büyüklüğüdür.] Moleküler iyonun yapısını tahmin etmekte kullandığımız iyonlaşma potansiyelleri, azot ve oksijendeki ortaklaşılmamış elektronlarla aromatik ve olefinik yapılardaki 7r elekt ronlarının, karbon - karbon ve karbon-hidrojen sigma bağlarındaki elektronlara göre da ha gevşek bağlandığını göstermektedir. Bu nedenle, molekül eğer bir oksijen, bir azot, bir ikili bağ ya da bir aromatik halka içeriyorsa, tek elektronla pozitif yükün molekülün * Bu durum, bizim burada giremeyeceğimiz termoidmyasal hesaplamalarla gösterilebilir. Konuya ilgi duyan öğrenciler, McLafferty, F. W. In te rp re ta tio n o f M a ss S p e c tra , 2nd ed.; Benjamin: Reading, MA. 1973 s 41 ve s 210-21 l ’e bakabilirler.

9.16 Parçalanma

415

Çizelge 9.6 Bazı Moleküllerin İyonlaşma Potansiyelleri Bileşik

İyonlaşma Potansiyeli (eV)

CH3(CH2)3NH2 C6H6 (benzen) c 2h 4 c h 3o h c 2h 6 ch4

8,7 9.2 10,5

10,8 11,5 12,7

neresinde yer alacağına ilişkin kural çok kullanışlıdır. Ama eğer molekülde çok sayıda ve sadece karbon-karbon ve karbon - hidrojen sigma bağları bulunuyorsa, bu durum da tek elektron ve pozitif yükün moleküldeki yerleştirileceği noktanın seçimi keyfi bir tercihtir ve bu pek de uygun bir yöntem değildir. Böylesi örnekler için genelde başka bir kurala başvurulur. Bu tür moleküllerde, radikal katyon köşeli parantez içinde yazı lır ve tek elektron ve yük parantezin sağ üst köşesine yerleştirilir. Bu kuralın, propanın iki parçalanma tepkimesine uygulaması aşağıda gösterilmiştir: [CH3CH2CH3] Î — ►CH3CH2+ + -c h 3 [CH3CH2CH3] - ---- ►c h 3c h 2- + +CH3

P ro b le m 9.20

2,2-Dimetilbütanın kütle spektrumunda en şiddetli pik mlz 57’de ortaya çıkmaktadır. -< (a) Bu pik hangi karbokatyonu temsil etmektedir? (b) Yukarıda açıklanan kuralı kul lanarak, moleküler iyondan bu karbonun oluşumunu gösteren bir denklem yazınız.

Şekil 9.38’de uzun zincirli bir alkanda gerçekleşen bir parçalanma türü görülmekte dir. Burada örneğimiz heksandır ve mlz 86 değerinde uygun büyüklükte bir moleküler iyon pikiyle ona eşlik eden küçük bir M: + 1 piki görülmektedir. Spektrumda, ayrıca, CH3 ayrılmasına karşılık gelen ve mlz 71 (M! - 15) de ortaya çıkan küçük bir pikle -CH2CH3 ayrılmasıyla oluşan ve mlz 57 (Mt - 29) de ortaya çıkan temel pik bulunmaktadır. Diğer göze çarpan pikler ise mlz 43 (Mî - 43) ve mlz 29

MÎ-29 57

100

Şekil 9.38 Heksanın kütle spektrumu.

80

-

(te;mel)

43

-

-

60 ' 40

-

MÎ- 57 2/

-

8

LO

20

0.

0

6

J ,

20

30

40

J ____

İ

50 m lz

60

70

80

L

MÎ+ 1 90 100

416

Bölüm 9 / Nükleer Manyetik Rezonans ve Kütle Spektrometri: Yapı Tayini için Kullanılan Aletler M .: - 29

Şekil 9.39 2-Metilbütamn kütle spektrumu.

mlz (M: - 57) da ortaya çıkan ve moleküler iyondan sırasıyla ‘Cl-ÇCIHÇCFÇ ve 'CH2CH2 CH2CH3 radikallerinin ayrılmasıyla oluşan karbokatyonlara karşılık gelmektedir. Bura da beklediğimiz önemli parçalanma tepkimeleri aşağıda verilmiştir. — ►c h 3c h 2c h 2c h 2c h 2- + CH3 mİz 71

[CH3CH2CH2CH2CH2CH,]t

— ►CH3CH2CH2CH2+ + CH2CH3 t t t l z 57 ----►CH3CH2CH2+ + CH2CH2CH3 m İ z 43 ---- ►CH3CH2+ + -CH2CH2CH2CH3 m İ z 29

Zincirin dallanması, dallanma noktasındaki bu tür parçalanmayı hızlandırır. Çünkü bu durumda daha kararlı bir karbokatyon ortaya çıkar. 2-Metilbütanm kütle spektrumunu (Şekil 9.39) heksanınkiyle kıyaslarsak. (M! - 15) pikinin. 2-metilbütanın kütle spektrumunda çok daha şiddetli olarak ortaya çıktığını görürüz. Çünkü, 2-metilbütanın molekü ler iyonundan bir metil radikalinin ayrılmasıyla bir ikincil karbokatyon oluşurken; CH, CH3CHCH,CH3

m/z 72 M-

CH3CHCH2CH3 + -CH,

mlz 57 M 7 —15

heksandan bir metil radikalinin ayrılması yalnızca bir birincil karbokatyon verebilir. Neopentan molekülünde dallanmanın etkisi çok daha çarpıcıdır (Şekil 9.40). Bu ör nekte, moleküler iyondan bir metil radikalinin ayrılmasıyla üçüncül bir karbokatyon olu şur. Bu tepkime o kadar hızla gerçekleşir ki, moleküler iyonlardan hemen hemen hiç biri belirlenebilecek kadar ömre sahip olamaz. çh 3

n.33

CH, 1 / 3 —c — ch 3 --- ►CH,—C+ + CH3 3 \ 1 ch 3 mlz 57 yn 1 +• S

mlz 72 M-

9.16 Parçalanma

Şekil 9.40 Neopentanın kütle

M i - 15 57

100

spektrum u

80 - 60 T<33U T ^

M ’- - 43 29

40

MÎ

- 31 11

M i - 5' 15

Mİ 72

_ l ____ ___ ı İ i 20 10 30

JLl________

40

■

50

1

ı l JL_ 60 m

70

80

90

100

İz

2-Metilbütan ve neopentanın aksine 2-metilpentanın kütle spektrumunda (verilme- ■< P ro bl em 9.20 di) çok düşük şiddette bir M: - 15 pikiyle çok yüksek şiddetle bir Mi -29 piki bu lunmaktadır. Açıklayınız. Rezonansla kararlı kılınan karbokatyonlar da kütle spektrumlarında genellikle bas kındır. Bu tür kaıkokatyonların oluşabildiği parçalanma örnekleri aşağıda verilmiştir. 1.

Alkenler sıklıkla allilik katyonlar oluşturan parçalanma tepkimeleri verirler.

C H . - C Î M İ k R ----►CH?—CH = CH, + -R 2l> 2 2 m/z 41 2.

Ortaklaşılmamış elektron çiftine sahip bir atoma komşu olan karbon - karbon bağ ları kolaylıkla kırılır. Çünkü bu şekilde oluşan karbokatyon rezonans etkisiyle ka rarlı kılınır. R— Z — CH,;CH, 2U 3

* R—Z = C H , + -CH,

I/ R—Z — CH,

Z = N, O ya da S; R de H olabilir 3.

Aldehit ya da ketonun karbonil grubuna komşu olan karbon - karbon bağları kolay ca kırılır. Çünkü burada açilyum iyonu denilen rezonans kararlı iyonlar oluşmak tadır. C = 0 : ----►R R'

C = 0 : + R• J

yada

417

R. \ \n+ + ç\_ C j= 0 =--- ►R —CÔ= + R'R'

J

R' — C = 0 :

R—C = 0 :

Açilyum iyonu

Acilvum ivonu

418


4.

Substitue benzenler, bir hidrojen atomu ya da bir metil grubunun ayrılmasıyla nis peten kararlı tropilyum iyonunu oluştururlar (bkz. Altbölüm 14.7C). Bu parçalan ma m/z 91’de belirgin bir pik (bazen temel pik) verir.

5.

Monosübstitue benzenler de sübstitüentlerini kaybederek m/z 77 değerinde pik ve ren fenil katyonunu oluştururlar. O

m/z 77

P r o b l e m 9.22

>• 4-Metil-l-heksanın kütle spektrumu (verilmedi) m/z 57 ve m/z 41 değerlerinde iki şiddetli pik göstermektedir. Bu piklerin nasıl bir parçalanma tepkimesinden kaynak landığını açıklayınız.

P r o b l e m 9.23

^

Alkollerin kütle spektrumlarından elde edilen aşağıdaki gözlemleri açıklayınız, (a) Birincil ve ikincil alkollerin moleküler iyon pikleri çok küçük olmakta ve üçüncül alkollerde ise genellikle hiç gözlenememektedir. (b) Birincil alkoller m/z 31 değe rinde belirgin bir pik vermektedirler, (c) İkincil alkoller genelde m/z 45, 59, 73 vs değerlerinde belirgin pikler vermektedirler, (d) Üçüncül alkoller m/z 73, 87 vs de ğerlerinde belirgin pikler vermektedirler.

P r o b l e m 9.24

^

Bütil izopzopil eter ile bütil propil eterin kütle spektrumları Şekil 9.41 ve 9.42’de verilmiştir, (a) Hangi spektrum hangi etere aittir? (b) Yaptığınız seçimi açıklayınız.

100 /

-

43 80

57

-

-

aj 60 T3 rp 40

• 01

73

20

j ____L 1 1

ı l _ 10

20

30

40

MI 116“ i_____ ____ ı__

__I____

il 50

60

70

80

90

m İz


-

100

110

120

9.16 Parçalama

57

/ 43

-

-

-

-

-

-

-

-

73

Mt 116“

87 1 1.1 il l! li ll___ ___ _i l l iı Jl i. 1 JlJ____1

a

10

20

30

40

50

_________İl______ ____ ___1_____________________________ l_

60

70

80

90

100

110

m İz

Şekil

9.I6C

9.42 Problem9.24 için kütle spektrumu.

İki Bağın Kırılmasıyla Oluşan Parçalanma

Kütle spektrumlarındaki pek çok pik, iki kovalent bağın kırılmasını içeren parçalanma tepkimeleriyle açıklanabilir. Bir radikal katyon bu tip bir parçalanmaya uğradığında, ürün ler yeni bir radikal katyon ve bir nötr moleküldür. Konuya ilişkin bazı önemli örnekler aşağıda verilmiştir. 1.

Alkollerde sıklıkla ortaya çıkan en dikkat çekici pik, moleküler iyondan bir su mo lekülünün ayrılmasına karşılık gelen Mî - 18 pikidir. fOH R—CH—CH,

* R—CH—CH2 + H—Ö—H

Mt

M t - 18

ya da

[R—CH,—CH,—OH]t----►[R—CH=CH,]+ + H,0 Mt

M t - 18

2.

Sikloalkenler bir retro-Diels-Alder tepkimesine uğrayarak (Altböliim 13.11) bir alken ve bir alkadienil katyon radikaline dönüşebilirler.

3.

y Karbonunda hidrojen atomu bulunan karbonil bileşikleri McLafferty çevrilmesi adı verilen bir parçalanmaya uğrarlar.

Y = R, H, OR, OH vs. olabilir.

Bunlara ek olarak, kütle spektrumlarında sık sık, H2, NH3, CO, HCN, H2S, alkol ve alkenler gibi küçük ve kararlı ve nötr moleküllerin ayrılmasından kaynaklanan piklere de rastlanır. t-

120

419

420


Şekil 9.43 Tipik bir kapiler gaz

Elektron demeti

kromatograf/kütle spektrunıu şeması

Taşıyıcı gaz girişi

İyonlaşma burada olur.

9. 17 GC/MS

A

n a l İz î

(ÎC/MS analizi adı verilen bir teknikte, gaz kromatografi ile kütle spektrometri teknik leri birlikte kullanılır. Gaz kromatografi (GC) karışımdaki bileşenleri birbirinden ayırır ve ona bağlı bulunan kütle spektrometresi (MS) ise, bu bileşenlerin her birinin yapısal özelliklerine ilişkin bilgileri elde etmemize yarar (Şekil 9.43). Eğer derişimi bilinen stan dartlar kullanılırsa, GC/MS yöntemiyle örneğimizle ilgili nicel veriler de elde edebiliriz. GC yönteminde karışımın çok küçük bir miktarını analiz etmek mümkündür. Bu yön temde uygulama, genellikle numunenin seyreltik bir çözeltisinin 0,001 mL (1,0 ¿¿L)’lik ya da daha az bir miktarının, bir şırıngayla gaz kromatografinin ısıtılan kısmına veril mesiyle başlar. Numune, enjeksiyon bölümünde buharlaşır ve soy bir gazla kapiler ko lona taşınır. Tipik bir kapiler kolon, 10-30 m boyunda ve çapı 0,1 mm ile 0,5 mm arasında değişen ince bir borudur ve sıcaklığı analiz edilecek numunenin uçuculuğuna göre ayar lanabilen bir bölmenin (“fırının”) içerisine yerleştirilmiştir. Kapiler kolunun iç yüzeyi, genel olarak polar olmayan bir “durağan fazla” kaplanır (durağan faz olarak, yüksek kaynama noktasına sahip çok viskoz sıvılar olan silikon esaslı polimerler kullanılır). Karışımdaki moleküller, bir gaz tarafından kolon boyunca sürüklenirlerken, kaynama noktalarına ve durağan faz olan ilgilerine bağlı olarak kolon içinde değişik hızlarla hareket ederler. Kaynama noktası ve durağan faza ilgisi yüksek olan moleküller kolonu daha uzun bir sürede geçerken, kaynama noktası düşük ve polar olmayan moleküller kolonu çok daha çabuk geçerler. Her bir bileşenin kolonu geçme süresine alıkanma süresi adı verilir. Alıkonma süresinin uzunluğu, kullanılan kolona ve numuneye bağlı olmak üzere, genellikle 1 dakikadan 30 dakikaya kadar değişebilir. Karışımdaki her bir bileşen GC kolonundan çıktıktan sonra kütle spektrometresine girer. Burada elektron bombardımanına uğrayan örnek moleküllerinden moleküler iyon ve parçalar oluşur. Ve nihayet bu bölümde daha önce açıklamış olduğumuz şekilde kütle spektrumu elde edilir. Böylece, orijinal karışımdaki her bir bileşenin ayrılarak kütle spektrumlarının kaydedilmesi önemli bir avantajdır. GC/MS yönteminin karışımları ayırma ve her bileşenin yapısı hakkında bilgi sağlama yeteneği onu analitik, adli tıp ve organik sentez laboratuvarlarının vaz geçilmez aracı haline getirmiştir.

9. 18 Silverstein, R. M.; Webs ter, F. X. Spectrométrie Identification of Organic Compounds, 6th ed.; Wi ley: New York, 1998 kitabı MS, NMR ve İR yöntemle ri hakkında klasik ve çok kullanılan bir kaynaktır.

Bİy

o m o l e k ü l l e r

İn K

ü tl e

Sp

ektr um lar i

Son gelişmeler, kütle spektrometresini çok büyük biyomoleküllerin analizi konusunda da olağanüstü potansiyele sahip cihazlar haline getirmiştir. Her ne kadar daha önce açık ladığımız elektron bombardımanına dayanan kütle spektrometresi teknikleri, molekül kütlesi 1000 daltona (atomik kütle birim) ulaşan uçucu moleküllerin analizinde pek işe yaramaz olsa da şimdi molekül kütleleri 1000 daltona ulaşan hatta geçen proteinler, nükleik asitler ve daha başka uygun biyolojik moleküller gibi uçucu olmayan bileşiklerin analizinde bile artık daha “yumuşak” başka iyonlaşma tekniklerini kullanmak mümkün-

Ek Problemler

dür. Bu yeni teknikler arasında, elektrosprey iyonlaşmalı (ESI), iyon spreyli, matriks destekli lazer desorpsiyon iyonlaşmalı (MALDI) ve hızlı atom bombardımanlı (FAB) kütle spektrometrilerini sayabiliriz. Bu saydığımız yöntemlere dayanan spektrometreler. proteinlerin molekül kütlelerinin, enzim-substrat komplekslerinin, antikor-antijen bağlantılarının, ilaç-reseptör ve DNA oligonükleotit sıralarının analiz ve belirlenmesin de çok etkin cihazlar olarak ortaya çıkmışlardır. Bu tekniklerle oluşturulan iyonların ay rılma ve analiz yöntemleri, kuadropol kütle filitreleri, iyon tuzakları, uçuş zamanı (TOF) ve Fourier tamsform-iyon siklotron rezonansını, (FT ICR ya da FT MS) kapsamaktadır.

Anahtar

Terimler ve Kavramlar

Spektroskopi Dalga boyu Frekans Hertz Kimyasal kayma İntegrasyon Sinyal yarılması Protonların perdelenmesi/perdelenmemesi Yüksek alan / düşük alan Homotopik (kimyasal eşdeğer) hidrojen atomları Enantiyotopik hidrojen atom ları Diastereotopik hidrojen atom ları Spin-spin yarılması Eşleşme sabiti (Jah) K arbon-13 NMR Spektroskopisi Genişband proton eşleşmesiz Rezonans dışı eşleşmesiz DEPT L1C Spektrum u COSY HETCOR Manyetik rezonans görüntülem e M olüküler iyon İyon sınıflandırm a Temel pik Parçalanm a GC/MS analizi

Altbölüm 9.1 Altbölüm 9.2 Altbölüm 9.2 Altbölüm 9.2 Altbölümler 9.3A, 9.6, 9.10C Altbölüm 9.3B Altbölümler 9.3C, 9.8 Altbölüm 9.5 Altbölüm 9.5 Altbölüm 9.7A Altbölüm 9.7B Altbölüm 9.7B Altbölüm 9.8 Altbölüm 9.8 Altbölüm 9.10 Altbölüm 9.10B Altbölüm 9.10D Altbölüm 9.10E Altbölüm 9.11A Altbölüm 9.11B Altbölüm 9.11B Altbölüm 9.13 Altbölüm 9.13B Altbölüm 9.14 Altbölümler 9.13A, 9.16 Altbölüm 9.17

9.25

Problem 9.15’i ve Şekil 9.37’de verilen spektrumu yeniden hatırlayınız. Burada molekülün yapısına ilişkin önemli ip uçları, m/z 44 (temel pik) ve m/z 29 pikle ridir. Bu molekül için bir yapı formülü ve verilen piklerin ortaya çıkışını açıkla yan parçalanma denklemini yazınız.

9.26

Birincil aminlerin, CI-yCFL^NFL, CH3NH2 den C H ^C Fy^N F^’ye kadar olan homolog serisinde temel pik m/z 30 değerinde ortaya çıkmaktadır. Bu iyonun ne yi temsil ettiğini ve nasıl oluştuğunu açıklayınız.

* Y ıld ız la işaretlenmiş problem ler “ çözülm esi daha z o r olan problem leredir.

EK PROBLEMLER

421

422


100

Şekil 9.44 A bileşiğinin kütle spektrumu (Problem 9.27).

58

-

-

80 -

-

-

-

60 j

! 40 -

73 Mî

20

_____ 1____ _______L İL 1_________ l l l _______ _______ L i 30 40 50 60 20 10

0

1 70

80

90

100

m İz

9.27

A bileşiğinin kütle spektrumu Şekil 9.44’te verilmiştir. A’mn 'H NMR spektru mu, alan oranları 9 : 2 olan iki birliden ibarettir. Bu birlilerden daha geniş olanı S 1,2’de, küçük olanı ise 8 1,3’te ortaya çıkmaktadır. A bileşiği için bir yapı for mülü öneriniz.

9.28

B bileşiğinin kütle spektrumu Şekil 9.45’te verilmiştir. B’nin İR spektrumunda 3200 cm'1ile 3550 cm 1arasında geniş bir pik bulunmaktadır. B’nin NMR spekt rumunda ise aşağıda verilen pikler ortaya çıkmaktadır: 50.9’da bir birli, 8 1,1 ’de bir birli ve 8 1,6’da bir dörtlü. Bu piklerin alan oranlan sırasıyla 3: 7: 2 şeklin dedir. B molekülü için bir yapı formülü öneriniz.

9.29

Aşağıda pek çok bileşiğe ilişkin 'H NMR soğurma pikleri liste halinde verilmiş tir. (Ayrıca bazılarında İR değerleri de ifade edilmiştir) Bu veri gruplannın her biri için uygun bir yapı formülü öneriniz. (a) C4H10O

•H NMR spektrumu <5 1,28 (9H) ö 1,35 (İH) İH NMR spektrumu 8 1,71 (6H) ikili, S 4,32 (İH) yedili, İH NMR spektrumu üçlü, 8 1,05 (3H) 8 2,13 (3H) birli, 8 2,47 (2H) dörtlü, birli, birli,

(b) C3H7Br (c) C4H80

Şekil 9.45 B bileşiğinin kütle spektrumu (Problem 9.28).

m !z

İR spektrumu 1720’nin civarında kuvvetli pik

Ek Problemler

(d) C7HgO

»H NMR spektrumu 8 2,43 (İH) S 4,58 (2H) S 7,28 (5H) »H NMR spektrumu ikili, ö 1,04 (6H) çoklu, S 1,95 (İH) S 3,35 (2H) ikili, •H NMR spektrumu ikili, 8 2,20 (3H) 8 5,08 (İH) yedili, çoklu, 8 7,25 (1 OH) İH NMR spektrumu üçlü, 8 1,08 (3H) 8 2,07 (2H) çoklu, 8 4,23 (İH) üçlü, birli, 8 10,97 (İH) lH NMR spektrumu üçlü, 8 1,25 (3H) dörtlü, 8 2,68 (2H) çoklu, 8 7,23 (5H) İH NMR spektrumu üçlü, 8 1,27 (3H) dörtlü, 8 3,66 (2H) birli, 8 4,13 (2H) birli, 8 10,95 (İH) İH NMR spektrumu ikili, 8 1,55 (6H) yedili, 8 4,67 (İH) İH NMR spektrumu birli, 8 3,25 (6H) birli, 8 3,45 (4H) İH NMR spektrumu ikili, 8 1,10 (6H) birli, 8 2,10 (3H) yedili, 8 2,50 (İH) İH NMR spektrumu ikili, 8 2,0 (3H) dörtlü, 8 5,15 (İH) çoklu, 8 7,35 (5H) birli, birli, çoklu,

(e) C4H9C1

(f) c 15h 14o

(g) C4H7B r02

(h) C8H10

(i) c 4h 8o 3

(i) c 3h 7n o 2 (k) C4H10O2

(I) c 5h 10o

(m) C8H9Br

İR spektrumu 3200-3550 cm-1 bölgesinde geniş pik

İR spektrumu 1720 c n r1 yakınk kuvvetli pik İR spektrumu 2500-3000 cm-1 bölgesinde geniş 1715 cm-1de bir

İR spektrumu 2500-3000 c n r1 bölgesinde geniş 1715 cm'1de bir

İR spektrumu 1720 c n r1 civarında kuvvetli pik

9.30

E (C8H6) bileşiğinin İR spektrumu Şekil 9.48’de (s 424’de) verilmiştir. E bileşiği karbon tetraklorürdeki brom çözeltisiyle tepkimeye girmekte ve E bileşiğinin İR spektrumu, 3300 cm 1de bir soğurma bandı vermektedir. E’nin yapı formülü nedir?

9.31

'H NMR spektrumları, sırasıyla Şekil 9.47 (s 424’de) ve Şekil 9.48’de (s 425’de) verilen G ve H bileşikleri için birer yapı formülü öneriniz.

9.32

İki karbonlu bir bileşik (J) sadece karbon, hidrojen ve klor içermektedir. Bu bileşiğin nispeten basit olan İR spektrumu aşağıda verilen soğurma piklerine sahip tir: 3125 cm 1(o), 1625 cm ' (o), 1280 cm 1(o), 820 cm 1(k), 695 cm ' (k). J ’nin 'H NMR spektrumu ise S 6,3’te ortaya çıkan bir birliden ibarettir. Çizelge 2.4’ü kullanarak J bileşiği için bir yapı formülü öneriniz.

423


2 .5

3 1

0

0.05 —— 0.10

Absorbans

424

\

4

5

Dalga boyu 6

7

8

9 10

12

r ^ r n 11n v n

r \ "*E,C8H6 ı

15

20

i

wl

i

0.20

0.30 0.40 0.50 0.60 0.80

_J-------

1.0

2.0

4000

3500

3000

2500

I2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 Frekans

600

3040

r1 400

200

Şekil 9.46 Problem 9.30’da verilen E bileşiğinin İR spektrumu. (Spektrum, Sadtler Research Laboratories, Inc, Philadelphia’nın izniyle kullanılmıştır). 9.33

Molekül formülü C4H80 2 olan K bileşiğinin CDC13 içerisinde kaydedilen 'H NMR spektrumu, <5 1,35'te bir ikili, 8 2,15'te bir birli. 53,75'te geniş bir birli (İH) ve <54,25'te bir dörtlüden (İH) oluşmaktadır. Eğer bileşiğimiz D20 da çö zülerek spektrum kaydedilirse, yine benzer bir 'H NMR spektrumu elde edilmek te ama bu kez 8 3,75’teki sinyal yok olmaktadır. Ayrıca bileşiğin İR spektrumu, 1720 cm'1civarında kuvvetli bir pik göstermektedir, (a) K bileşiği için bir yapı formülü öneriniz, (b) Çözücü, olarak D20 kullanıldığında, 8 3,15 sinyalinin ne den kaybolduğunu açıklayınız.

*9.34 Varsayalım ki, elimizde bulunan belirli bir 'H NMR spektrumunda, şiddetleri kaba ca birbirine eşit olan iki pik yer almaktadır. Siz, bu iki pikin aralarında eşleşme bulunmayan farklı protonlara ilişkin ve değişik kimyasal kayma değerlerinde ortaya çıkan birli pikler mi olduğu, yoksa bu iki pikin komşu bir protunun etkisinden kaynaklanan bir ikili mi olduğu konusunda kararsız kalıyorsunuz. Bu iki olasılıktan hangisinin doğru olduğunu anlamak için nasıl bir işlem yaparsınız? i------ r -------i— " — ı----------1----------- i------------------ 1

—

i

•

T

7-1

r-

~

'

!

■* • ‘ ■■■ ı

5h (ppm)

Şekil 9.47 Problem 9.31’de verilen G bileşiğinin 300 MHZ 'H NMR spektrumu. Sinyallerin genişletilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca görülmektedir.

i

Ek Problemler

H. C3H4Br2

Ş e k i l 9 . 4 8 Problem 9.31’de verilen H bileşiğinin 300 M H z İ H N M R Spektrumu. Sinyallerin genişletilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca görülmektedir.

9.35

O (C6H8) Bileşiği bir katalizör varlığında iki eşdeğer mol hidrojenle tepkimeye girerek P (C6H !2) bileşiğini oluşturmaktadır. O'nun proton-eşleşmesiz nC spektrumunda 8 26,0 ve 8 124,5 değerlerinde iki birli bulunmaktadır. O'nun DEPT l3C spektrumunda ise. <526.0'da CH2 ve <5 124,5'te CH gruplarına ait sinyaller ortaya çıkmaktadır. O ve P bileşikleri için birer yapı formülü öneriniz.

*9.36 Q Bileşiğinin molekül formülü C7H8'dir. Katalitik hidrojenlenmeyle Q, R (C6H)2)’ye dönüşmektedir. Q'nun genişband proton-eşleşmesiz nC spektrumu Şekil 9.49'da verilmiştir. Q ve R bileşikleri için birer yapı formülü öneriniz.

CH

220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

8C (ppnı)

Şekil 9.49 Problem 9.36’da verilen Q bileşiğinin, genişband proton-eşleşmesiz 13C NMR spektrumu. DEPT l3C NMR spektrumundan elde edilen bilgiler her bir pik üzerinde gös terilmiştir.

0

425

426


5C (ppm)

Şekil 9.50 Problem 9.37’de verilen S bileşiğinin genişband proton-eşleşmesiz ,3C NMR spektrumu. DEPT l3C NMR spektrumundan elde edilen bilgiler her bir pir üzerinde gös terilmiştir.

:i:9.37 Genişband proton-eşleşmesiz spektrumu Şekil 9.50’de verilen S (C8H16) bileşiği, bromun karbon tetraklorürdeki çözeltisinin rengini gidermektedir. S bileşiği için bir yapı formülü öneriniz. 9.38

220

200

T (C5H80 ) Bileşiği, 1745 cm '’de kuvvetli bir İR soğurma bandına sahiptir ve genişband proton-eşleşmesiz l3C spekturumu Şekil 9.51’de verilmiştir. T bileşiği için bir yapı formülü öneriniz.

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

8C (ppm)

Şekil 9.5 I Problem 9.38’de verilen T bileşiğinin, proton-eşleşmesiz l3C NMR spektrumu. DEPT ,3C NMR spektrumdan elde edilen bilgiler her bir pikin üzerinde gösterilmiştir.


427

%60 HBr

OH

OH

X Ürününün İR spektrumunda 3590 ve 3650 c n r1değerlerinde hiç bir soğurma piki bulunmamakta, ancak 1370 ve 1380 cm ' değerlerinde soğurma pikleri yer almaktadır. Bu son iki pikten hangisi ikiz -dimetil gruplarına aittir? X’in kütle spektrumu aşağıdaki pikleri içermektedir: Bağıl şiddetleri sırasıyla 1: 2: 1 olan m/z diğerleri 270, 272 ve 274 olan pik grubu. Bağıl şiddetleri yaklaşık birbine eşit olan m/z 191 ve m/z 193 ’te ortaya çıkan başka bir pik grubu. NMR Spektrumlan: (a) 'H Spektrumunda, S 1,70 ve ö 1,80’de, bağıl alanlan 3 : 1 olan iki birli bulun maktadır. (b ) l3C Spektrumu, 32 (CH3), 40 (CH2) ve 54 (kuatemer C) piklerine sahiptir.

X’in yapı formülü nedir? X’in oluşumunu gösteren bir mekanizma öneriniz. - i -Mg —►Y

*9.40 o.

o

(Bu tepkime, magnezyum ile alkil halajenürler arasında yer alan tipik bir tepkime değildir.) Y Ürününün spektrumundan yorumlanması kolay olmayan veriler elde edilmek tedir. Y’nin kütle spektrumunda en şiddetli pik m/z 215 değerinde ortaya çıkmaktadır. Benzer maddelere analog olarak bu pikin M - 15 iyonundan kaynaklandığı bilin mektedir. Y’nin 'H NMR spektrumu, 5 3,4’teki ikilinin (2H) 8 1.64’teki çokluyla (4H) yer değişmesi dışında, esasen çıkış maddesinin spektrumuna benzemektedir. Y bileşiğinin yapı formülü nedir?

1.

Aşağıda verilen bilgiler A ve B bileşiklerinin yapısını açıklayıcı verilerdir. A ve B’nin molekül kütleleri eşittir ve her ikisi de H C l’nin seyreltik sulu çözeltisinde çözünmektedir. A’nm kütle spektrumunda Mî 149 (şiddeti temel pikin %37,1’i) ve M.+ + 1 150 (şiddeti moleküler iyonun %4,2’si) pikleri gözlenmektedir. A ve B’ye ilişkin diğer spektroskopik özellikler aşağıda verilmiştir. Verilen spektroskopik özellikleri değerlendirerek, A ve B için önerdiğiniz yapı formüllerini doğrulayınız. Bu yapılardan beklenen NMR spektrumlarını taslak halinde çizi niz. a. 'HA’nın İR spektrumu 3300-3500 cnr' bölgesinde iki band vermektedir. Genişband proton-eşleşmesiz ,3C NMR spektrumu aşağıdaki sinyalleri göster-

ÖĞRENME

GRUBU

PROBLEMLERİ

428


inektedir (DEPT l3C spektrumlarından elde edilen bilgiler ı:’C kimyasal kayma değerleri ile birlikte parantez içinde verilmiştir): nC NMR: <5 140 (C), 127 (C), 125 (CH), 118 (CH), 24 (CH2), 13 (CH3) b.

bileşiğinin İR spektrumu 3300-3500 cm 1bölgesinde band göstermemek tedir. Genişband proton-eşleşmesiz r'C spektrumunda aşağıdaki sinyaller görülmektedir (DEPT UC spektrumlarından elde edilen bilgiler l3C kimyasal kayma değerleri ile birlikte parantez içinde verilmiştir): B

13C NMR: <5 147 (C), 129 (CH), 115 (CH). 11 1 (CH), 44 (CH2), 13 (CH3). 2.

Molekül formülleri C5HmO olan iki bileşiğe ilişkin 'H ve l3C NMR bulguları aşağıda verilmiştir. Her iki bileşik de 1710-1740 cm 1 bölgesinde kuvvetli bir İR soğurmasına sahiptir. Spektrumları yorumlayınız ve bu bileşiğin yapı formü lerini yazınız. Her bir NMR spektrumunu çiziniz. a.

H NMR: <52,55 (yedili İH), 2,10 (birli. 3H), 1,05 (ikili 6H) ,3C NMR: <5212,6, 41,5, 27,2, 17,8

b.

'H NMR: <52,38 (üçlü. 2H). 2,10 (birli, 3H). 1.57 (altılı. 2H), 0,88 (üçlü. 3H) l3C NMR: <5209,0, 45,5, 29.5, 17,0, 13,2

Radikal Tepkimeleri K alikam isin

: D N A İs k e le tin in D ilim le n m e s i için B ir R adikal C ih a zı

Kalikamisin 7 /, öldürücü etkinliğini gizleyen olağanüstü bir yapıya sahiptir. Kalikamisin 1”in bir ucunda, organik moleküllerde pek sık rastlanmayan ve nükleofil etkisiyle. DNA is keletinin dilimler halinde parçalanması için etkin bir araca dönüşen bir endiin sistemi bulun maktadır. Kalikamisin y i ş t e bu kısmından DNA üzerinde bulunan uygun bir yuvaya bağlanır. Kalikamisin 7 / ve benzerlerine büyük bir klinik ilgi vardır. Çünkü bunlar, tümör hücreleri üze rinde olağan üstü bir öldürücü etkiye sahiptir. Ayrıca bunların apoptosis (programlanmış hüc re ölümü) başlatma etkilerinin varlığı da gösterilmiştir. Micromonospora echinospora adı verilen bakteriler, diğer organizmalara karşı kimyasal bir savunucu olduğu tahmin edilen ve doğal bir metabolit olan kalikamisin y , 1 üretmektedir. K. C. Nicolau ve araştırma grubu (Scripps Araş tırma Enstitüsü. Kaliforniya Üniversitesi, San Diego) tarafından kalikamisin y^'in tam olarak sentezlenebilmesi, sentetik organik kimyada olağanüstü bir başarı olmuştur. Bu araştırma gru bunun kalikamisin ve benzerlerinin sentezi ve başka pek çok araştırmacının çalışmaları, bizim bu maddenin biyolojik ve kimyasal özelliklerinin büyüleyiciliğini kavramamızı sağlamıştır.

7

429

o

kalikamisin T,1 Kalikamisin y^ in DNA molekülünü parçalama özelliği, onun karbon radikalleri üreten bir moleküler makina olarak davranmasından kaynaklanmaktadır. Bir karbon radikali, üzerinde tek elektron bulunan, kararsız ve çok etkin bir ara üründür. Oluşan karbon radikali, başka bir molekülden bir proton ve bir elektron (yani hidrojen atomu) çıkararak yeniden kararlı bir mo leküle dönüşebilir. Bu yolla, radikal üzerindeki tek elektron, oluşan bağdaki elektron çiftinin bir parçası haline gelir. (Bunu gerçekleştirmek için başka yollar da mümkündür). Hidrojen atomu kaybeden molekül ise yeni bir radikale dönüşür. Kalikamisin y^’in radikal silâhları etkinleştirildiğinde, kalikamisin y,1 DNA iskeletinden bir hidrojen atomu koparır. Bu olay, DNA molekülünü kararsız bir radikal ara ürüne dönüştürür ve bu süreç, DNA çift sarmalının yarılması ve hücrenin ölümüyle sonuçlanır.

Bergman sikloaromatikleşmesi^

Bölüm 17’de “DNA’nın Parçalanması için Kalikamisin y,' Aktivasyonunun Kimyası” adlı çerçeveli kısımda kalikamisin y t' konusunu tekrar ele alacağız ve yapısını bir radikal üretim makinası olarak yeniden modellendireceğiz.

430

10.1 Giriş

1 0 .1 GiRiş Buraya kadar mekanizmasını incelediğimiz tüm tepkimeler iyonik tepkimelerdi. İyo nik tepkimeler, kovalent bağların heterolitik olarak bölünmeye uğradığı tepkimelerdir ve bu tür tepkimelerde ilgili iyonlar ürün, ara ürün ya da tepkimeye giren madde konu munda olabilirler. Tepkimelerin geniş bir bölümü ise, kovalent bağların humolitik bölünmeye uğrama sıyla radikal (ya da serbest radikal) adı verilen ve üzerlerinde eşleşmemiş elektron bu lunan ara ürünlerin oluştuğu bir mekanizma içerir. A-B

homolitik bölünme >

A- + -B Radikaller

Bu basit örnekte, tepkime mekanizmalarının yazılmasında kullanılan başka bir eğri ok tipi görülmektedir. Burada tek bir elektronun (daha önce yaptığımız gibi bir elekt ron çiftinin değil) hareketini göstermek için tek çengelli oklar kullanılmıştır. Bu örnek te A ve B gruplarının her biri, bunları birbirine bağlayan kovalent bağdaki elektronlardan birini alarak ortaya çıkmışlardır. 10.I A Radikallerin O l u ş u m u Kovalent bağların homolitik bölünmeye uğraması için enerji vermek gerekir (Altbölüm 10.2) ve bu işlem genellikle iki şekilde gerçekleştirilir: numuneyi ısıtmak veya ışığa ma ruz bırakmak. Örneğin oksijen-oksijen birli bağının bulunduğu peroksitler, oksijen-oksijen bağı zayıf olduğundan, ısıtıldıklarında kolayca homolitik parçalanmaya uğrarlar. Bu parçalanma tepkimesinde ürün olarak iki alkoksi radikali oluşur. .. d R— 0 : 0 —R V "

2R — O-

Dialkil peroksit

Alkoksi radikalleri

Halojen molekülleri de (X2) nispeten zayıf bağlara sahiptir. Yakında göreceğimiz gi bi, halojenler ısıtılır ya da halojen moleküllerinin soğurabilecekleri dalga boyunda bir ışığa maruz bırakılırlarsa, kolayca homolitik parçalamaya uğrarlar. .. r i : X: X: V "

homolitik parçalanma ^

.£

ısı veya ışık

Bu homolitik parçalanma tepkimesinin ürünleri halojen atomlarıdır ve bu halojen atomları, çiftleşmemiş bir elektron içerdikleri için radikaldirler. 10. IB Radikallerin T e p k i m e l e r i Küçük radikallerin hemen hemen tümü kısa ömürlü ve çok etkin türlerdir. Diğer moleküller le çarpıştıklarında, onlardan bir elektron alarak, sahip oldukları tek elektronu çiftleyecek şe kilde tepkimeye girerler. Bunu yapabilmelerinin tek yolu, çarpıştıkları molekülden bir atomu koparıp almalarıdır. Örneğin bir halojen atomu bir alkandan bir hidrojen atomu koparır. Bu hidrojen yakalama, halojen atomuna eşleşmemiş elektronuyla eşleşecek bir elektron (hidro jen atomundan) sağlar. Burada dikkat edilmesi gereken şey, bu tip tepkimelerde oluşan diğer ürünün de bir radikal olduğudur. Burada bu bir alkil radikalidir. : X- + H?R — ►: X= H + w Alkan

R-

Alkil radikali

431

10.1 Giriş 10.2 Homolitik Bağ Ayrışma Enerjileri 10.3 Alkanların Halojenlerle Tepkimeleri 10.4 Metanın Klorlanması: Tepkime Mekanizması 10.5 Metanın Klorlanması: Enerji Değişimleri 10.6 Yüksek Alkanların Halojenlenmesi 10.7 Alkil Radikallerinin Geometrisi 10.8 Düzgün Dörtyüzlü Stereomerkez Oluşturan Tepkimeler 10.9 Alkenlere Radikalik Katılması: Hidrojen Bromürün AntiMarkovnikov Katılması 10.10 Alkenlerin Radikalik Polimerleşmesi: Zincir-Büyütme Polimerleri 10.11 Diğer Önemli Radikal Tepkimeleri

ımyası Biyoloji, T ı p v e E n d ü s t r i d e R a d i k a l l e r I^ a d ik a l tepkimeleri biyoloji ve tıpta yaşamsal bir öneme sahiptir ve yaşayan herşeyin her yerinde her an gerçekleşmektedir. Çünkü radikaller, metabolizmanın normal iş leyişi sırasında sürekli olarak üretilmektedirler. Aslında radikallerle iç içe yaşamaktayız. Moleküler oksijenin (-Ö— Ö-) kendisi bir diradikaldir (Altbölüm 10.11 A). Bir başka radikal ise, normal hücre fonksiyonundaki önemi şüphe götürmeyen nitrik oksittir ( • N = 0 *) Nitrik oksitin canlı sistemlerde olağanüstü sayıda ve çok önemli rollere sa hip olduğu belirlenmiştir. Serbest nitrik oksit oldukça kararsız ve potansiyel bir toksik gaz olmasına rağmen, biyolojik sistemlerde kan basıncının düzenlenmesi, kanın pıhtı laşması, sinir iletişimi ve imün sistemini tümör hücrelerine karşı harekete geçirme gibi görevler üstlenmiştir. Nitrik oksit, halen doğanın en şaşırtıcı kimyasal habercisi olarak biyolojik sistemin her tarafına sürekli olarak bilgi ileten bir projektör konumundadır. 1998 Nobel Tıp Ödülü, NO’nun bu özelliğini keşfederek onun bir sinyal taşıyıcı mole kül olduğunu belirleyen ekibe (R. F. Furchgott, L. J. Ignarro, ve F. Murad) verilmiştir. Bununla birlikte, radikaller oldukça etkin reaktif olduklarından, bedenin tüm organ larında kontrol edilemeyen hasarlara yol açabilirler. Bu nedenle, radikallerin ömrü kı saltan kronik hastalıkların gelişimine yol açtığı düşüncesiyle, bunların “yaşlanma sürecinde” çok büyük bir öneme sahip olduklarına inanılmaktadır. Örneğin radikallerin kanser ve damar tıkanıklığı hastalıklarının gelişmesindeki önemine ilişkin pek çok de lil bulunmakta ve bunların sayısı sürekli olarak artmaktadır. Süperoksit (0 27) adı veri len ve doğal olarak oluşan bir radikalin durumu ise tam bir paradokstur. Çünkü bu radikalin imün sistemini patojenlere (hastalık oluşturan mikrop ve virüsler) karşı hare kete geçirme özelliğinin yanısıra belirli bazı hastalıkları geliştirme etkisi de bulunmak tadır. Bedendeki süperoksit düzeyini süperoksit dismutaz adı verilen bir emzin düzenlemektedir (Altbölüm 10.1 İA). Solunan sigara dumanındaki radikaller, akciğer lerdeki antiproteazı deaktive ederler ve bu deaktivasyon da anfizem adı verilen hastalı ğın gelişmesine yol açar. Bakterilerin salgıladığı doğal bir ürün olan kal ¡karnisinin, tümör hücrelerine saldırarak, radikal tepkimeleriyle onların DNA’sını parçaladığı için klinik öneme sahip olduğunu da bölüm girişinde görmüştük. Radikal tepkimeleri pek çok endüstriyel işlemde de önemli yer tutmaktadır. Polieti len, Teflon ve polistiren gibi faydalı “plastiklerin” ya da polimerlerin üretiminde radi kal tepkimelerinin nasıl kullanılacağını Altbölüm 10.10’da göreceğiz (Konuya ilişkin ilave bilgi, bu bölümün sonunda yer alan Özel Konu A kısmında verilmiştir). Radikal tepkimeleri, petrolden benzin ve diğer yakıtların oluşturulduğu kraking işleminin de te mel tepkimeleridir. Dahası, yakıtların enerjiye dönüştüğü yanma olayı da radikal tepki meleri içermektedir (Altbölüm 10.10B). Ö z e l Ö rn e k

:Ç1 ‘ + HjCH; ----►: Ç1: H + CH3' Metan

Metil radikali

Tepkimenin gelişim biçimi, radikal tepkimelerine has bir özelliktir. Şimdi radikallerin başka bir şekilde tepkimeye girdiği yeni bir örneği ele alalım: Bu örnekte radikaller iki

432

10.2 Homolitik Bağ Aynşma Enerjileri

li bağ içeren bir bileşikle tepkimeye girerek daha büyük yeni bir radikali oluşturmakta dır. (Bu tip tepkimeleri Altbölüm 10.10’da inceleyeceğiz). R *^ R I ./ \^ y V C=C —c —c / \ I \ Alken

Yeni radikal

10 .2 H O M O L İ T İ K B A Ğ A Y R I Ş M A E N E R J İ L E R İ Atomlar molekülleri oluşturmak için birleştiklerinde, kovalent bağ oluşurken enerji açı ğa çıkar. Yani tepkime öncesi atomlara kıyasla ürün moleküllerinin entalpisi daha dü şüktür. Örneğin, hidrojen moleküllerini oluşturmak üzere hidrojen atomlarının birleşme tepkimesi eksotermik bir tepkimedir ve hidrojenin her molü için 435 kJ ısı açığa çıkar. Benzer şekilde, klor atomları klor moleküllerini oluşturmak üzere birleştirildiklerinde 243 kJ mol 1ısı açığa çıkar. H- + H----- ►H—H

AH° = -435 kJ mol"1

nBağ- oluşumu , . , .. eksotermik

Cl* + C1----- ►Cl— C1

AH° = -243 kJ mol"1

bir süreçtir.

Kovalent bağların kırılması için enerji verilmelidir. Sadece bağ kırılmaların yer al dığı tepkimeler her zaman endotermiktir. Hidrojen veya klorun kovalent bağlarını ho molitik olarak kırmak için gereken enerji, molekülü oluşturmak için ayrı atomlar birleştirildiğinde açığa çıkan enerjiyle tam olarak eşittir. Bununla birlikte bağın kırıldı ğı tepkimelerde AH" pozitiftir. H—H ----►H- + HAH° = +435 kJ m o r1 Cl—C l----►Cl- + Cl-

AH° = +243 kJ mol“1

Kovalent bağları kırmak için gerekli enerjiler, kovalent bağların birçok tipi için de neysel olarak tayin edilmiştir. Bu enerjilere, homolitik bağ ayrışma enerjileri adı ve rilir ve genel olarak DH" semboliyle ifade edilir. Buna göre, hidrojen ve klorun homolitik bağ ayrışma enerjileri, aşağıdaki gibi yazılmalıdır. H—H

Cl—Cl

(DH° = 435 kJ mol-1)

Çeşitli kovalent bağların homolitik bağ aynşma enerjileri Çizelge 10.l ’de verilmiştir.

10.2A H o m o l i t i k Bağ A y r ı ş m a Enerjileri ve T e p k i m e Isıları Bağ ayrışma enerjileri, göreceğimiz gibi çeşitli şekillerde kullanılmaktadır. Örneğin bir tepkimenin entalpi değişiminin (AH") hesaplanmasında kullanılabilirler. Böylesi bir he saplamada (aşağıdaki tepkimeye bakınız), AH" değerinin, bağ kırılmalarında pozitif, bağ oluşumlarında ise negatif olacağı unutulmamalıdır. Bir örnek olarak, 1 mol hid rojenle 1 mol klorun birleşerek 2 mol hidrojen klorür oluşturduğu tepkimeyi ele alalım. Çizelge 10.1’den aşağıda verilen DH" değerlerini elde edebiliriz. H—H

+

Cl—Cl

----►

0>//°=435kJ m ol-1) (DH°= + 243 kJ mol"1) Bağ kırılm aları için +678 kJ mol- 1 enerji gerekir.

2 H —Cl

(Z)//°=431 kJ mol"1) X 2 Bağ oluşumunda —862 kJ mol- 1 enerji açığa çıkar

433

434

Bölüm 10 / Radikal Tepkimeleri

Çizelge i 0.1 Birli Bağların 25°C’da Homolitik Bağ Ayrışma Enerjileri, DH° A : B ---- ► A* + B*

Kınlan Bağlar (kırmızıyla gösterilen)

kJ mol1 435 444 159 243 192 151 569 431 366 297 435 452 349 293 234 383 335 410 444 341 289 224 283 335 410 444 341 289 224 383 335 395 439 339

H—H D—D F—F C l—Cl Br — Br I—I H—F H—Cl H—Br H—I CH3—H CH3—F CH3—Cl CH,—Br CH3—I c h 3— OH c h 3— o c h 3 c h 3c h 2— fi CH3CH,— F CH3CH2— Cl CH3CH,— Br c h 3c h 2— i CH3CH,— OH CH,CH2— o c h 3 c h 3c h , c h 7— h c h 3c h 7c h 7— f c h 3c h 2c h 2— Cl e m a r e n ’— Br CH,CH,CH,— I CH3CH,CH2— OH c h , c h 7c h 2— o c h 3 (CH3)7 C H — H (CH3)2 CH — F (CH3)2 CH — Cl

Kırılan Bağlar (kırmızıyla gösterilen) (CH3)2 CH — Br (CH3)2 CH — I (CH3)2 CH — OH (CH3), CH — OCH3 (CH3)2 c h c h 2— h (CH3)3 C — h (CH3)3C — Cl (CH3)3 C — Br (CH3)3C — I (CH3)3 C — OH (CH3)3 c — o c h 3 C6H5CH2 — H CH — CHCH, — H CH2= CH — H c 6h 5- h HC = C — H c h 3— c h 3 c h , c h 7— c h 3 c h 3c h 7c h ,— c h 3 CH3CH, — CHj CHj (CH3)2CH— c h 3 (CH3)3C — c h 3 HO— H HOO— H HO — OH (CH3)3CO — OC(CH), 0

II

o II

kJ mol1 285 222 385 337 410 381 328 264 207 379 326 356 356 452 460 j Zj j Oo

356 356 343 351 335 498 377 213 157

C(H CO — OCCfC CH,CH,0 — OCH, CH,CH‘0 — H 0 “

139 184 431

CH,C — H

364

Toplam tepkime eksotermiktir: AH° = ( - 862 kJ m o r' + 678 kJ m o r 1) = - 184 kJ mol“1 Hasaplamalarımızı yapabilmek amacıyla, tepkimenin aşağıda verilen mekanizmaya göre yürüdüğünü varsayıyoruz. H—H — ►2 H* ve sonra

Cl—C1----►2 Cl* 2 H* + 2 Cl* ----►2 H—Cl

10.2 Homolitik Bağ Ayrışma Enerjileri

Bu yazılan mekanizma, tepkimenin gerçekten bu şekilde yürüdüğünü göstermez. An cak, tepkime ısısı, AH° termodinamik bir büyüklüktür ve yalnızca tepkimeye giren mo leküllerin başlangıç ve son hallerine bağlıdır. AH° değeri, izlenen mekanizmadan bağımsızdır ve bu nedenle yaptığımız hesaplama geçerlidir.

Aşağıdaki tepkimeler için tepkime ısılarını, AH°, hesaplayınız:

■<

(a) H2 + F2 — ► 2 HF (b) CFU + F 2 — ►CH3F + HF

(c) CH4 + Cl2 ----►CH3C1 + HC1 (d) CH4 + Br2 — ► CH3Br + HBr (e) CH4 + I2 — ► CH3I + HI

(f) CH3CH3 + Cl2 — ►CH3CH2C1 + HC1 (g) CH 3 CH 2 CH3 + Cl2 ----► CH 3 CHC1CH3 + HC1 (h) (CH3)3CH + Cl2 — ►(CH3)3CC1 + HC1

10.2B H o m o l i t i k Bağ A y r ı ş m a Enerjileri ve Radikallerin Bağıl Kararlılığı Homolitik bağ ayrışma enerjileri, radikallerin bağıl kararlılıklarının tahmin edilmesin de bize uygun bir yöntem sağlar. Eğer Çizelge 10.Ede verilen verileri incelersek, propanın birincil ve ikincil C— H bağları için aşağıda verilen değerleri buluruz. CH3CH2CH2— H (DH° = 410 kj m or1)

(CH3)2CH—H (DH° = 395 kj mol-1)

Bu, söz konusu C — H bağlarının homolitik bir kırılma tepkimesine uğradığı anlamına gelmektedir ve A//"değerleri aşağıda verilmiştir. CH3CH2CH2— H ----►CH3CH2CH2- + H

AH° = +410 kJ m o r1

Propil radikali (1 ° bir radikal) CH3CHCH3---- ► CH3ÇHCH3 + H-

.

AH° = +395 kJ mol"'

İzobütil radikali (2 ° bir radikal)

Bu tepkimeler iki bakımdan birbirine benzemektedir: Her ikisi de aynı alkanla (propan) başlamakta ve bir alkil radikaliyle bir hidrojen atomu üretmektedir. Ancak, gereken ener ji ve oluşturdukları radikal tipi açısından farklıdırlar ve bu farklar birbiriyle ilişkilidir. Alkil radikalleri, çiftleşmemiş elektron içeren karbon atomuna bağlı olarak, 1°, 2° ve 3" şeklinde sınıflandırılır. Aynı bileşikten (propan) birincil bir radikal (propil radikali) oluşturmak için gereken enerji, ikincil bir alkil radikali (izopropil radikali) oluşturmak için gereken enerjiden daha büyüktür. Bu sonuç, birincil radikalin daha fazla enerji soğurduğu ve bu nedenle daha büyük bir potansiyel enerjiye sahip olduğu anlamına gel mektedir. Kimyasal türlerin bağıl kararlılıkları, onların potansiyel enerjileriyle ters orantılı olduğundan örneğimizdeki ikincil radikal birincil radikalden daha kararlı radikal olma lıdır (Şekil 10.1a). Gerçekten de, ikincil izopropil radikali birincil propil radikalinden 15 kJ mol 1daha kararlıdır.

P ro b l e m 10.1

435

436


Şekil 10.1 (a) Propanla bağ lantılı olarak, propil ve izopropil radikallerinin (+ H ) potansiyel enerjilerinin kıyas lanması. îzopropil radikali—bir 2° radikal— 1° propil radikalin den 15 k j mor1daha kararlıdır. (b) İzobütanla bağlantılı olarak, ter-bütil ve izobütil radikalleri nin (+H ) potansiyel enerjileri nin kıyaslanması. Üçüncül radikal birincil radikalden 29 k j mor1daha kararlıdır.

Çizelge 10.1’deki verileri kullanarak benzeri bir kıyaslamayı, izobütana göre /er-bütil (3° radikal) ve izobütil (1° radikal) radikalleri için de yapabiliriz. CH,

CH. 3

1 1

X

1 X u 1 -u-

1

—►

1 H

1 X

1 CN X

u 1 -u-

Bağıl radikal kararlılığı.

—►

CH, | 3 CH,CCH

AH° = +410 kJ mol-1

11

H İzobütil radikali (1° radikal)

H

I

AH° = +381 kJmol-'

ier-Bütil radikali (3° radikal)

CH, ı 3

A

CH3 ÇCH3

Bu iki radikalin kararlılıkları arasında oldukça büyük bir fark bulunmaktadır (Şekil 10.1 b) ve üçüncül radikal birincil radikalden 29 kJ mol'1daha kararlıdır. Bu örneklerde ortaya koyduğumuz durum, genelde tüm alkil radikalleri için geçerlidir ve bunların bağıl kararlılıkları aşağıda verilmiştir:

Û

1 u

Üçüncül > İkincil > Birincil > Metil C C Z1 Z1 / / > H— C> c — c- > c — c\ \ \ \ H H H c

10.3 Alkenlerin Halojenlerle Tepkimeleri

437

Alkil radikallerinin kararlılık sırası ve dayandığı neden karbonyum iyonlarınınkiyle ay nıdır (Altbölüm 6. 12 B). Alkil radikalleri yüksüz olmalarına rağmen, üzerinde tek elekt ron bulunan karbon atomları elektron eksikliğine sahiptir. Bu yüzden, bu karbona bağlı bulunan elektron verici alkil grupları radikalin kararlılığını artırırlar ve bağlanan alkil grupları sayısı arttıkça radikalin kararlılığı artar.

Aşağıda verilen radikalleri, kararlılıklarının azalışlarına göre sıralayınız.

-<

P ro bl em 10.2

CH3 CH3-

(CH3)2CHCH2-

c h 3c h 2c -

c h 3c h 2c h -

ch3

10.3

A

lk a n la r in

H

a lo jen ler le

ch3

T

e p k İm e l e r

İ

Metan, etan ve diğer alkanlar, halojen ailesinin ilk üç üyesi olan flor, klor ve bromla tepkimeye girerler. Alkanlar iyotla dikkate değer bir tepkime vermezler. Halojenlerin metanla tepkimesinde, halometanlarm bir karışımı ile hidrojen halojenür elde edilir. H

H H—C— H + X, 1 H Metan

Halojen

X = F, CI, veya Br

veya

ışık

X

H—C— X + H— C— X + 1 H H Halometan

X

H—Ç— X

X | +

X— c — X

+

H— X

1

X X Dihalometan Trihalometan Tetrahalometan (Burada oluşan her bir halojenlenmiş metanın mol sayılarının toplamı, tepkimeye giren metanın mol sayısına eşittir.)

Bir alkanın bir halojenle verdiği tepkime, halojenlenme adı verilen bir yer değiş tirme tepkimesidir. Bir monohaloalkan oluşturan genel tepkime aşağıdaki şekilde ya zılabilir: R—H + X2----►R—X + HX Bu tepkimelerde halojen atomu, alkanın bir ya da daha çok hidrojen atomuyla yer değiştirir.

10.3 A Ço klu Y e r D eğ iş ti rm e T e p k i m e s i ve Seçicilik Alkanlarin halojenlenme tepkimelerinin karmaşık bir yanı da, hemen hemen her zaman çoklu yer değiştirme tepkimelerinin gerçekleşmesidir. Bu bölümün başlangıcında gör düğümüz gibi, metanın halojenlemesinde monohalometan, dihalometan, trihalometan ve tetraholometanlann bir karışımı elde edilir. Çünkü karbona bağlı bulunan hirdojenlerin hepsi de flor, klor ve bromla tepkime verebilme yeteneğine sahiptir. Bir örnek olarak metanla klor arasındaki tepkimeyi ele alalım. Metanla kloru karış tırdıktan sonra (oda sıcaklığında her iki madde de gazdır) ısıtırsak ya da karışımı ışığa maruz bırakırsak şiddetli bir tepkime başlar. Başlangıçta, yani karışımda sadece metan

Hidrojen halojenür

438


ve klor varken, yalnızca bir tek tepkime gerçekleşir ve ürün olarak klorometan ve hid rojen klorür oluşur. H

H

H—C—H + C l,---►H—C—CI + H—C1 I - ' I H H Ancak tepkime ilerledikçe, karışımdaki klorometan derişimi artar ve ikinci bir yer değiştirme tepkimesi oluşmaya başlar. Klorometan klorla tepkimeye girerek diklorometanı üretir. H Cl H— C — Cl + Cl2----- ►H— C — Cl + H— Cl H

H

Oluşan diklorometan. triklorometan vermek üzere tepkimeye girebilir ve triklorometan da karışımda biriktiğinde klorla tepkimeye girerek tetraklorometanı oluşturabilir. — Cl ile — H'nin yer değiştirme tepkimesinde, her zaman, bir H— Cl molekülü oluşur.

Örnek Problem -------------------------------------------------------------------------------------------Eğer bir sentezin amacı CH3C1 elde etmekse, tepkime karışımında aşırı miktarda me tan kullanılarak CEfClg miktarı çok fazla, CH2C12, CHC13 ve CC14 miktarları da en alt düzeyde tutulabilir. Bunun nasıl mümkün olduğunu açıklayınız. Cevap

Metanın aşırı miktarda kullanılması, klorun metan molekülleriyle tepkimeye girme olasılığını en üst düzeye çıkaracaktır. Çünkü bu durumda, metanın karışımdaki deri şimi her zaman diğerlerinden epeyce büyük olacaktır. Öte yandan, klorun CH3C1, CH2C12 ve CHC13 molekülleriyle tepkimeye girme olasılığı en alt düzeyde olacak tır. Çünkü bunların karışımdaki derişimleri her zaman oldukça küçük olacaktır. Tep kime bittikten sonra, tepkimeye girmemiş olan metan geri kazanılarak yeniden devreye sokulabilir.

Yüksek alkanların birçoğunun klorlanması, daha fazla klorlanmış bileşikler kadar izomerik monokloro ürünler karışımını da verir. Klorun seçiciliği pek fazla değildir. Yani bir alkandaki hidrojen atomlarının değişik tipleri (birincil, ikincil ve üçüncül) ara sında önemli bir ayrım gözetmez. Bu duruma bir örnek olarak, izobütanın ışık-destekli monoklorlanması verilebilir. CH,

CH3 CFLCHCH, J

°

Cl,

,

ışık

CH,

CH3CHCH,CI + CH3CCH3 -t- poliklorlanmış + HCI

Cl İzobütan

İzobütil klorür (%48)

ter-Bütil klorür (%29)

ürünler (%23)

10.4 Metanın Klorlanması: Tepkime Mekanizması

Alkanların klorlanma tepkimesi, genel olarak, karmaşık bir ürünler karışımı verir. Bu yüzden, belirli bir alkil halojenürün elde edilmesi amaçlandığında bu, pek de kulla nışlı bir sentez yöntemi değildir. Bunun bir istisnası, hidrojen atomlarının tümünün bir birine eşdeğer olduğu bir alkanın (veya sikloalkanın) klorlanma tepkimesidir. [Eşdeğer hidrojen atomları, örneğin klor gibi, herhangi bir grupla yer değiştirdiklerinde aynı ürü nü veren hidrojen atomlarıdır]. Örneğin, neopentan molekülü monoklorlanma tepkime sinde sadece bir tane ürün verebilir ve neopentanın aşırısı kullanılarak poliklorlanma en aza indirilebilir. CH3 ch

ch

3— Ç — C H 3 + C I2

439

Klorlanma seçimli değildir.

3

C H 3— C — C H 2C1 + HC1 ışık

CH3

Neopentan (aşırı)

ch

3

Neopentil klorür

Genelde brom, alkanlara karşı klordan daha düşük etkinliğe fakat tepkimeye girdi ğinde atak yeri bakımından daha fazla seçiciliğe sahiptir. Bu konuyu daha sonra Altbölüm 10.6A’daele alacağız.

10.4

M E T A N IN KLO R LAN M ASI: TEP K İM E M EKAN İZM ASI

Alkanların halojenlerime tepkimesi bir radikal mekanizmasıyla gerçekleşir. Bunlarla il gili incelemelerimize, alkanların halojenlenmesinin basit bir örneğiyle başlayalım: me tanın klorla gaz fazında gerçekleşen tepkimesi. Bu tepkime hakkında önemli pek çok gözlem yapılabilir: C H 4 + C l2 -----►C H 3C1 + HC1 ( + C H 2 C I 2 , CHCI3, ve CC14)

1. Tepkime ısı veya ışıkla gerçekleştirilir. Oda sıcaklığında metan ve klor arasın da, karışım ışıktan uzak tutulduğu sürece, farkedilebilir bir tepkime olmaz. Ancak, gaz Hatırlatma: Bu kitapta, karışımı UV ile ışınlanırsa ya da metanla klor karışımının sıcaklığı 100°C’un üzerine çı tepkime mekanizmaları gösterilirken şu kurallar karılırsa, tepkime karanlıkta bile gerçekleşir. uygulanır: 2. Işık-destekli tepkime oldukça verimlidir. Nispeten küçük miktarda bir ışık fo 1. veya /=i okları her tonu, nispeten oldukça büyük miktarda klorlanmış ürünün oluşumunu sağlar. zaman elektronların

Bu gözlemlere dayanan tepkime mekanizması pek çok basamak içerir. Bunların il ki, ısı veya ışığın etkisiyle klor molekülünün iki klor atomuna dönüşmesidir. Daha baş ka pek çok delil nedeniyle, klorun böyle tepkimeler verdiği bilinmektedir. Bundan başka, metanın klorlanma tepkimesini sağlayan ışığın frekansının, yalnızca klor molekülleri nin soğurabilecekleri değerde olduğu ve bu frekanstaki ışığın metan molekülleri tara fından soğurulmadığı gösterilebilir.

hareket yönünü gösterir. 2. Tek çengelli oklar çiftleşmemiş bir elektronun atağını (veya hareketini) gösterir. 3. Çift çengelli oklar bir elektron çiftinin atağını (veya hareketini) gösterir.

440


İlgili mekanizma aşağıda verilmiştir.

İ Te p k im e için Bir Mekanizma -ı------------------------------------------: Metanın Radikal Klorlanması

Tepkime:

CH4 + C \,-------r*CH,CI + HC1 veya ışık Mekanizma:

1. Basamak

:CI fC l:

— 1

H

2. Basamak

••

=c i +

k h

I

: c— H H

Klor atomu bir metan molekülünden bir hidrojen atom unu çıkarır.

3. Basamak

-----► : ÇI +

“ veya ışık Klor molekülü ısı ya da ışığın etkisiyle ayrışır: atom ların her biri bağ elektronlarından birini alır.

Çl:

Bu basam ak, çok etkin olan klor atom unu oluşturur.

H

\

-* :Ç1: H + e —H H Bu basamak bir hidrojen klorür molekülüyle bir metil radikali oluşturur.

H I .. H —C- + -CI : C l: ---- H—C :Q : + Cl: \ " u I " H H Metil radikali bir klor molekülünden bir klor atomu çıkarır.

Bu basam ak bir metil klorür molekülü ve bir klor atomu oluşturur. Bu klor atomu, 2. basamağın tekrarına yol açabilir.

3. Basamakta, çok etkin olan metil radikali klor molekülüyle tepkimeye girerek on dan bir klor atomu çıkarır ve tepkime, bir klorometan molekülüyle (tepkimenin son ürün lerinden biri) bir klor atomunun oluşumuyla sonuçlanır. Bu basamakta oluşan klor atomu, 2. basamağın tekrarına neden olması bakımında özel bir öneme sahiptir. Daha sonra 3. basamak tekrarlanır ve bu işlem bu şekilde yüzlerce ya da binlerce kez tekrarlanır (3. basamağın her tekrarlanışında bir klorometan molekülü oluşur). Burada olduğu gibi, her basamağında oluşan etkin ara ürünlerin tepkimedeki bir sonraki basamağın oluşmasına yol açtığı basamaklar serisi şeklindeki tepkimelere zincir tepkimesi adı verilir.

10.4 Metanın Klorlanması: Tepkime Mekanizması

1. basamak, zincir başlama basamağı adını alır ve burada ra d ik a lle r ü retilir. 2. ve 3. basamaklara zincir gelişme basamakları adı verilir ve bu basamaklarda b ir b a şk a ra d ik a l o lu şu r. Z in c ir B a ş la m a s ı

1. Basamak

Ch* ışık ‘S| ►2 Cl-

Z in c ir G e liş m e s i

2. Basamak

CH4 + Cl-

►CH3- + H—Cl

3. Basamak

CH3- + Cl2---►CH3C1 + Cl-

Işık-destekli yürüyen tepkimelerde gözlenen yüksek etkinlik, bu tepkimelerin zincir özelliğiyle açıklanır. Binlerce klorometan molekülünün oluşması için herhangi bir an da bir kaç tane klor atomunun varlığı yeterli olmaktadır. Zincir sonlanmasının sebebi nedir? Neden mevcut metan moleküllerinin tamamının klorlanması için bir tek ışık fotonu yeterli olmamaktadır. Aslında bunun olmayacağının farkındayız. Çünkü biliyoruz ki, düşük sıcaklıkta yapılan klorlama tepkimesinde, ışın lamanın sürekli olarak yapılması gerekmektedir. Aksi taktirde tepkime yavaşlayarak dur maktadır. Bütün bu soruların cevabı, bir zincir sonlanma basamağının varlığıdır. Zincir sonlanma basamağı pek sık gerçekleşmez, ama yine de etkin ara ürünlerden birini ve ya hepsini birden harcayıp bitirmeye yetecek sıklıkta oluşur. Zincir sonlanma basama ğı tarafından tüketilen ara ürünlerin, sürekli olarak yerine konulabilmesi için, sürekli olarak ışınlama gerekmektedir. Akla yatkın bazı zincir sonlanma basamakları aşağıda verilmiştir. Z in c ir S o n la n m a sı

H ı .. C • Ç l: H H H

I I I I

C C —H H H ve

:C1-^K C l:

: Cl '•Cl •

Bu son basamak, gerçekleşme olasılığı en düşük olan basamaktır. İki klor atomunun sa hip olduğu enerji çok yüksektir; sonuç olarak bunlardan oluşan basit diatomik klor mo lekülü, diğer moleküllere ya da kabın duvarlarına çarparak aşırı enerjisini hızla harcamak zorundadır. Aksi taktirde, yeniden kolaylıkla atomlarına ayrışır. Bunun aksi ne, diğer iki zincir sonlanma basamağında oluşan klorometan ve etan ise, aşırı enerjile rini C — H bağlarının titreşimi yoluyla harcarlar.

Tepkime mekanizmamız, metanın klorla tepkimesinde, çok halojenli ürünlerin, CH2C12, CHC13 ve CCl4’ün nasıl oluştuğunu da (HC1 oluşumunu olduğu kadar) açık-

441

442


lamaktadır. Tepkime oluşurken, karışımdaki klorometan (CH3C1) miktarı artar ve onun hidrojen atomları da klor tarafından çıkarılmaya karşı duyarlı hale gelir. Böylece, klorometil radikalleri de diklorometanı (CH2C12) oluştururlar.

2a Basamağı

3a Basamağı

Cl Cl \ A rll H-.C— H —">H--C1+ C— / vy | H H Cl Cl 1 / H—C:CI + C1 I H H

Daha sonra 2a basamağı tekrarlanır. Ondan sonra da 3a tekrarlanır, ve bu böylece sü rer. Basamak 2a’nın her tekrarlanışında bir HC1 molekülü ve basamak 3a’nın her tekrarlanışında ise bir CH2C12 molekülü oluşur.

P ro bl em 10 3

>• Metanın klorlanma tepkimesinde elde edilen CH4, CHC13, CH2C 12, CHC13 ve CC14 moleküllerinin karışımını ayırmak için bir yöntem öneriniz. (Bir el kitabına baş vu rabilirsiniz.) Bu karışımın ayrılabilmesi ve her bir bileşene ilişkin yapısal bilgilerin elde edilebilmesi için hangi analitik yöntem kullanılabilir. Bu moleküllerin her bi rinin kütle spektrumlarında ortaya çıkacak olan moleküler iyonlar arasında, yapıla rında bulunan klor sayısına bağlı olarak hangi farklılıklar görülecektir (klorun başlıca iki izotopunun ,5C 1 ve 37C 1 olduğunu hatırlayınız)?

P ro b l e m 10 4

>> Metan klorlandığında, ürünler arasında eser miktarda kloroetan da bulunmaktadır. Bu molekül nasıl oluşmaktadır ve bu oluşum neyi ifade eder?

P ro bl em 10 5

>■ Eğer amacımız en yüksek verimle CC14 elde etmekse, bu, aşın miktarda C l2 kul lanılarak başarılabilir. Açıklayınız.

10.5

M E T A N IN KLO R LAN M AS I: E n e r ji D EĞİŞİM LERİ

Bir tepkimenin toplam ısısını, bağ ayrışma enerjilerinden yararlanarak hesaplayabilece ğimizi Altbölüm 10.2A’da görmüştük. Tepkime mekanizmasındaki her basamağın tep kime ısısını da hesaplayabiliriz. Z in c ir Başlaması

1. Basamak

C1— C1 — ► (.DH° = 243)

2C1-

AH° = + 243 k J m o r 1

Z in c ir Gelişmesi

2. Basamak

CH3— H + Cl- — ► CH3- + H — C1 (DH° = 435) (DH° = 431)

A//° = + 4 kJ mol"1

3. Basamak

CH3- + C l — Cl — ►CH3— Cl- + Ç i ti)//0= 243) (i)//° = 349)

AH° = - 106 kJm ol-1

10.5 Metanın Klorlanması: Enerji Değişimleri Zincir Sonlanması c h 3-

+ cı-

- —► c h 3— Cl (DH° = 349)

c h 3-

+ *c h 3 -— ►c h 3— c h 3

AH° = - 349 kJ mol AH° = - 368 kJ mol-

(DH° = 368)

Cl- + c ı -

— -> Cl— Cl (DH° = 243)

AH0 - - 243 kJ moP

Zincir başlama basamağında sadece bir bağ kırılır—iki klor atomu arasındaki bağ— ve hiç bağ oluşmaz. Bu basamaktaki tepkime ısısı, basitçe, klor molekülünün bağ ay rışma enerjisidir ve tepkime oldukça endotermikdir. Zincir sonlanma basamağında yeni bağlar oluşur fakat hiç bağ kırılması olmaz. So nuç olarak, zincir sonlanma tepkimelerinin tümü yüksek derecede eksotermiktir. Öte yandan, zincir gelişme basamaklarının her birinde bir bağ kırılırken bir başka bağ oluşmaktadır. Bu basamakların her biri için AH" değeri, oluşan ve kırılan bağların bağ ayrışma enerjilerinin arasındaki farktır. Zincir gelişme basamaklarının ilki, biraz cık endotermiktir (AH° = + 4 kJ mol '), ama ikinci basamak önemli ölçüde eksotermik tir (A//° = - 106 kJ mol '). Yukarıdaki mekanizmanın geçerli olduğunu varsayarak, metanın Horlanma tepki- ■< P ro bl em 10.6 meşine ilişkin zincir başlama, zincir gelişme ve zincir sonlanması basamaklarının AH° değerlerini hesaplayınız.

Zincir gelişme basamaklarının toplanması, metanın klorlanma tepkimesinin toplu denk lemini verir: ei- + CH3—H ---► + H—C1 Ah 0 = +4 kJ m o r1 gfl3- + Cl—c i ---►CH3—C1 + e l._______ AH° = - 106 kJ m o r1 CH3—H + c i—C l---►CH3—Cl + H—Cl AH° = - 102 kJ mol"1

Bir zincir tepkimesinin toplam AHUdeğerinin hesaplanması

ve her bir zincir gelişme basamağı için olan AH" değerlerinin toplanmasıyla da tepki menin toplam AH" değeri elde edilir.

Metanın Horlanması için olan toplam AH"değerinin hesaplanmasında, zincir geliş- -< mesi basamaklarını nasıl kullanabileceğinizi gösteriniz (bkz. Problem 10.6).

10.5A T o p l a m Se rb est-Enerji Değişimi Pek çok tepkimede entropi değişimi, aşağıdaki ifadede yer alan TAS" terimini sıfır ya pacak kadar küçüktür, AG" = AH" - TASn bu nedenle de AGÜyaklaşık olarak AH0'a eşittir. Bu, özellikle tepkimeye girenlerle ürün lerin bağıl düzensizliklerinin aşağı yukarı aynı düzeyde olduğu tepkimelerde böyledir. Entropinin, bir sistemin düzensizliğinin ya da rastgeleliğinin ölçüsü olduğunu hatırlayı nız (Altbölüm 3.9). Bir kimyasal sistemdeki moleküllerin bağıl düzensizliği, mevcut mo leküllerin ve onların yapısında bulunan atomların serbestlik derecelerinin sayısıyla

P ro bl em 10.7

443

444


Şekil 10.2 Basit bir diatomik molekül de öteleme, dönme ve titreşim serbestlik dereceleri.

açıklanabilir. Serbestlik dereceleri ise bunların hareketlerine ya da bağıl konumlarında oluşabilen değişikliklere bağlıdır. Moleküller üç tür serbestlik derecesine sahiptir. Öte leme serbestlik derecesi molekülün tamamının uzaydaki hareketine; dönme serbestlik derecesi molekülün yuvarlanıp takla atmasına; ve titreşim serbestlik derecesi ise. atom ların kendilerini birleştiren bağ etrafında yaptıkları gerilme ve bükülme hareketlerine dayanmaktadır (Şekil 10.2). Eğer bir tepkimede, ürünlere ilişkin atomların serbestlik de receleri tepkimeye girenlerinkinden büyükse tepkimenin entropi değişimi (AS") pozitif tir. Ama eğer durum bunun tersiyse, yani ürünlerdeki atomların hareketleri, tepkimeye girenlerdekine göre daha fazla engellenmiş bulunuyorsa (serbestlik derecesi daha dü şükse), bu kez entropi değişimi (AS") negatif olacaktır. Metanın klorla verdiği tepkimeyi ele alalım. CH4 + Cl2----►CH,C1 + HC1 Burada 2 mol reaktant tepkimeye girerek 2 mol ürün oluşturmaktadır. Bu durumda, ürün lere ve tepkimeye girenlere ilişkin öteleme serbestlik dereceleri birbirine eşittir. Ayrı ca, CH4 gibi CH3C1 de düzgün dörtyüzlü bir moleküldür; C l2 ve HC1 moleküllerinin her ikisi de diatomik moleküllerdir. Bu, ürünlere ve tepkimeye girenlere ilişkin dönme ve titreşim serbestlik enerjilerinin yaklaşık olarak birbirlerine eşit olması gerektiği anlamına gelir. Nitekim bu tepkimenin gerçek enropi değişimi oldukça küçüktür, AS" = -1- 2,8 J K 1mol '. O nedenle, oda sıcaklığında (298 K) TAS° terimi 0.8 kJ mol 1'dir. Tepkimenin entalpi değişimiyle serbest enerji değişimi neredeyse biribirine eşittir; AH" = - 102,5 kJ mol 've AG" = - 103,3 kJ mok' Bu gibi durumlarda, tepkimenin gerçekleşip gerçekleşmeyeceğini tahmin etmek için, AG°’dan daha çok AH° değerlerini kullanmak genelde daha uygundur. Çünkü AH" de ğerleri. bağ ayrışma enerjilerinden kolayca elde edilebilir. 10.5B Aktifleşme Enerjileri Enropi değişimleri küçük olan tepkimeler incelenirken, onların hızlarının tahmin edil mesinde de serbest aktifleşme enerjilerinden, AG?, çok aktifleşme enerjileri, Z?akt, kul lanılır. Fazla ayrıntıya girmeksizin, bu iki değerin birbiriyle yakından ilişkili olduğunu ve her ikisinin de, tepkimeye girenlerle geçiş hali arasındaki enerji farkını ifade et tiğini söyleyebiliriz. Bu nedenle, aktifleşme enerjisinin düşük değerde olması tepkime nin hızlı, yüksek değerde olması ise tepkimenin yavaş yürüyeceği anlamına gelir. Bu bölümde, metanın klorlanma tepkimesinin her basamağı için, AH" değerinin na sıl hesaplanacağını daha önce görmüştük. Şimdi de. bu basamakların her birinin aktif leşme enerjilerini ele alalım. Bu değerler aşağıda verilmiştir. Zincir Başlaması 1. Basamak

Cl;

* 2 Cl-

¿ak, = + 243 kJ mol 1

10.5 Metanın Klorlanması: Enerji Değişimleri

Zincir Gelişmesi 2. Basamak Cl- + CH4 — ► HC1 + C H 33. Basamak CH3- + Cl2 — ►CH3C1 + Cl-

= + 16 kJ m o r 1

= ~ 8 kJ m ol"1

Acaba bir tepkimenin aktifleşmesi enerjisinin ne olduğu nasıl bulunabilir? Örneğin bağ ayrışma enerjilerini kullanarak, Cl - + CH4----->HC1 + CH3- tepkimesinin aktifleş me enerjisinin 16 kJ mol 'olduğunu kesinlikle belirleyebilir miyiz? Bu sorunun cevabı hayırdır. Aktifleşme enerjisi diğer deneysel verilerden belirlenmelidir. Aktifleşme ener jisi doğrudan ölçülemez, hesaplanabilir. Bununla beraber aktifleşme enerjisi değerine ulaşabilmek için belirli bazı ilkeler saptanmıştır. İçinde bağ kırılmasının yer aldığı tepkimelerin aktifleşme enerjileri sıfırdan bü yüktür. Bu, çok daha kuvvetli bağların oluşması ve tepkim enin eksotermik olması durum unda dahi böyledir. Çünkü geçiş halinde, bağ kırılm alarıyla bağ oluşum ları aynı anda gerçekleşmez. Bağ oluşum ları, bağ kırılm alarına göre biraz daha geçikmeli olarak gerçekleşir, bağ kırılm aları sırasında, bağ olu şum undan kaynaklanan enerji mevcut değildir. Bağ kırılması ve bağ oluşumlarının birlikte yer aldığı endotermik tepkimelerde ak tifleşme enerjisi, tepkime ısısından, AH", daha biiyiik olacaktır. Bu ilke, aşağı

da verilen iki örnekle açıklanabilir. Bu örnekler, metanın klorlanma ve bromlanma tepkimelerine ilişkin zincir gelişmesi basamaklarından ilkidir: Cl- +

CH3— H - —► H— Cl + (DH° = 431)

ch3

AH° = + 4 kJ m o r1 £ak-t ==+ 16 kJ mol-1

CH3— H - —► H— Br + (DH° = 366)

ch3

AH° = + 69 kJ mol-1 £ ;lk, = + 78 kJ mol“1

(DH° = 435)

Br- +

(DH° = 435)

Görüldüğü gibi, bu tepkimelerin her ikisinde de bağ oluşumuyla açığa çıkan enerji, bağ kırılması için gereken enerjiden daha küçüktür. Bu nedenle bu tepkimelerin ikisi de en dotermiktir. Şekil 10.3’te verilen potansiyel enerji diyagramlarını inceleyerek bu tepki melerin her ikisinde de aktifleşme enerjilerinin neden tepkime ısılarından daha büyük olduklarını kolayca görebiliriz. Her iki durumda da tepkimeye girenlerden ürünlere ge çiş yolu, düşük bir enerji platosundan daha yüksek bir enerji platosuna ulaşmaktadır. An cak hâlâ bu iki plato arasında yüksek bir enerji tepesi bulunmaktadır ve aktifleşme enerjisi, tepkimeye girenlerin platosuyla bu enerji tepesinin en üst noktası arasındaki düşey (ener ji) mesafe olduğu için, aktifleşme enerjisi tepkime ısısından büyüktür. Şekil 10.3 Potansiyel enerji diyagramları (a) klor atomunun metanla tepkimesi için (b) brom atomunun metanla tepkimesi için.

445

446


Şekil 10.4 Klor molekülünün klor atomlarına ayrışmasına ilişkin potansi yel enerji diyagramı.

3.

Sadece homolitik bağ kırılmalarının yer aldığı ama hiç bir bağın oluşmadı ğı bir gaz-fazı tepkimesinde, aktifleşme enerjisi AH" değerine eşittir.* Bu tep kime tipinin bir örneği, metanın klorlanma tepkimesindeki zincir başlama basamağıdır ve bu basamakta klor molekülü klor atomlarına ayrışır. C l — C1 ---- ► 2 C1 • (DH° = 243)

= + 243 kJ moP1 £akt —+ 243 kJ mol-1

A //°

Bu tepkimenin potansiyel enerji diyagramı Şekil 10.4’te verilmiştir.

4.

Küçük radikallerin birleşerek molekülleri oluşturduğu bir gaz-fazı tepkime sinde genel olarak aktivasyon enerjisi sıfırdır. Bu tepkime tipinde, eş zamanlı olarak gerçekleşmeyen bağ kırılması ve bağ oluşumu sorunu yoktur. Sadece bir tek olay gerçekleşir, o da bağ oluşumudur. Metanın klorlanma tepkimesindeki, tüm zincir sonlanması basamakları bu gruba girer. İki metil radikalinin birleşerek etan molekülünü oluşturduğu tepkime buna iyi bir örnektir. 2 CH3- --- ►CH3—CH3 (DH° = 368)

AH° = - 368 kJ mol"1 Eak. = 0

Bu tepkimede yer alan potansiyel eneıji değişimleri Şekil 10.5’te görülmektedir.

Şekil 10.5 İki metil radikalinin birleşerek etan molekülünü oluşturduğu tepkimenin potansiyel enerji diyagramı.

* Bu kural sadece gaz fazında yürüyen radikal tepkimelerine uygulanır. Çözeltilerde, özellikle de iyon içeren çözeltilerde yürüyen tepkimelere uygulanmaz, çünkü solvasyon enerjileri de önemlidir.


Pentan yüksek bir sıcaklığa kadar ısıtılırsa, radikal tepkimeleri gerçekleşir ve diğer birçok -< ürün arasında metan, etan, propan ve bütan molekülleri de oluşur. Bu tip tepkimelere ter mal kraking tepkimeleri adı verilir Meydana gelen tepkimeler aşağıda verilmiştir. (1) c h 3c h 2c h 2c h 2c h 3 — ►c h 3- + c h 3c h 2c h 2c h 2(2) ch 3c h 2c h 2c h 2c h 3 — ►c h 3ch 2- + c h 3c h 2c h 2(3) CH3’ + CH3- — ►CH3CH3 (4) c h 3- + c h 3c h 2c h 2c h 2c h 3 — ►c h 4 + c h 3c h 2c h 2c h 2c h 2(5) ch 3- + c h 3c h 2- — ►c h 3c h 2c h 3 (6) ch 3c h 2- + c h 3c h 2- — ►c h 3c h 2c h 2c h 3 (a) Bu tepkimelerden hangisinde (c) Hangisinde A/7°’a eşittir?

sıfıra eşittir? (b) Hangilerinde sıfırdan büyüktür?

Metanın klorlanma tepkimesindeki ilk zincir gelişmesi basamağının (Problem 10.6 ile ^ karşılaştırınız) aktifleşme enerjisinin + 5,0 kJ mol 1olduğu bilinmektedir. Ayrıca ikin ci zincir gelişme basamağına ilişkin olan aktifleşme enerjisinin de çok küçük olduğu bilinmektedir. Bu küçük değerin +1,0 kJ mol"' olduğunu varsayarak, (a) ve (b) söz ko nusu bu iki zincir gelişme basamağının potansiyel enerji diyagramlarını çiziniz, (c) Me tanın Horlanma tepkimesinin zincir gelişme basamağının ve (d) CH3F molekülünün oluştuğu zincir sonlanma basamağının potansiyel enerji diyagramlarını çiziniz, (e) Aşa ğıda verilen tepkimenin potansiyel enerji diyagramını çiziniz. CH3- + HF----►CH4 + F* 10.5C Metanın D iğ e r Halojenlerle T e p k i m e s i Bir maddenin diğerine karşı etkinliği, bunların birbirleriyle verdikleri tepkimenin hızıyla ölçülür. Belirli bir maddeyle çok hızlı bir şekilde tepkimeye giren moleküllerin o mad deye karşı çok etkin oldukları söylenir. Bunlar eğer yavaş bir şekilde tepkimeye giri yorlarsa, düşük bir etkinliğe sahip oldukları, ancak aynı deneysel koşullarda (örneğin derişim, basınç ve sıcaklık) hiç tepkime vermiyorlarsa, o maddeye karşı etkin olmadık ları ifade edilir. Halojenlerin (flor, klor ve iyot) metanla tepkimesi, geniş bir bağıl et kinlik aralığına sahiptir. Bu tepkimede etkinliği en yüksek olan halojen flordur. Bu etkinlik o kadar yüksektir ki, eğer gerekli önlemler alınmazsa florla metanın karışımı bir patlamaya yol açabilir. Etkinlik bakımından ikinci sırayı klor alır. Isı ve ışığın uy gun bir şekilde kontrol edilmesiyle metanın klorlanma tepkimesi kolaylıkla kontrol al tında tutulabilir. Bromun metana karşı etkinliği klora göre çok düşüktür. İyoda gelince, iyodun metana karşı etkinliği o kadar düşüktür ki pratik olarak, bu ikisinin birbiriyle tepkimeye girmediği söylenebilir. Eğer metanın florlanma, bromlanma ve iyotlanma tepkimelerinin mekanizması, klor lanma için olanla aynıysa, her bir basamağın AH" ve £ akl değerlerini kullanarak, halo jenlerin etkinliklerindeki büyük farkları açıklayabiliriz. FLORLAMA A //°(kJ mol-1)

£ akt(kJ moF1)

+ 159

+159

F- + CH4--- ►HF + CH3- 134 CH3- + F2 ►CH3F + F-293 Toplam AH0 = ~ 427

+ 5,0 Küçük

Zincir Başlaması

F2 ----►2 F*

P ro bl em 10.8

Zincir Gelişmesi

Pr o bl em 10.9

447

448

Bölüm 10/Radikal Tepkimeleri

Florlama tepkimenin zincir başlama basamağı bir hayli endotermiktir ve bundan do layı aktifleşme enerjisi yüksektir. Başka etkenleri bilmiyor olsaydık, sadece zincir başlaması basamağının aktifleşme enerjisinden hareket ederek, dikkatsiz bir şekilde, florun metana karşı etkin olmadığı sonucuna varabilirdik. (Eğer söz konusu tepkimeyi denemeye kalkmış olsaydık bu dik katsizce yapılan işin sonucu tam bir felâket olurdu.) Bununla birlikte, biliyoruz ki zin cir başlama basamağı zincir gelişme basamağına göre sadece daha az meydana gelir. Bir başlama basamağı binlerce florlarıma tepkimesinin oluşmasını sağlayabilir. Sonuç olarak, bu basamağın aktifleşme enerjisinin büyük olması, tepkime için bir engel değil dir. Bunun aksine, zincir gelişme basamakları yüksek aktifleşme enerjisine sahip olamaz lar. Eğer sahip olurlarsa, çok etkin olan ara ürünler, zincir pek fazla uzamadan zincir sonlanması basamağı yoluyla yok edilirler. Florlarıma tepkimesindeki zincir gelişme ba samaklarının her ikisi de çok düşük aktifleşme enerjisine sahiptir. Bu durum, tepkimey le sonuçlanan çarpışma sayısının oda sıcaklığında bile bağıl olarak artmasına neden olur. Buna ek olarak, tepkimenin toplam ısısı, AH", çok büyüktür. Yani tepkime oluşurken çok miktarda ısı açığa çıkar. Bu ısının çevreye verilenden daha fazlası hızla tepkime ka rışımında birikebilir ve sıcaklığın artmasına neden olur. Bu nedenle tepkimedeki ilâve zincir gelişme basamaklarının hızı artar ve ilâve zincirler oluşur. Bu iki etken, zincir başlama basamaklarının aktifleşme enerjilerinin düşük ve toplam tepkime ısısının bü yük olması, florun metana karşı yüksek etkinliğini açıklar. (Florlama tepkimeleri kont rol edilebilirler. Bu, genellikle tepkime öncesi, hidrokarbon ve florun her ikisinin de helyum gibi bir soy gaz içinde seyreltilmesiyle mümkün olur. Tepkime bakır bilyelerle doldurulmuş bir reaktörde yapılır. Bakır, açığa çıkan ısıyı soğurarak tepkimenin hızım düşürür.)

KLORLAMA A H 0 (kj mol-1)

£ ;lkI(kJ mol-1)

+243

+243

Zincir Başlaması

Cl2 ----►2 CF

Zincir Gelişmesi

CF + C H 4 -----►H C l + C H , -

+4

CH3- + Cl2 ----►CH3C1 + CF ~ 106 Toplam AH°= “ 102

+16

Küçük

Metanın klorlanmasında ilk zincir gelişme basamağının (hidrojen koparma basama ğı) yüsek aktifleşme enerjisinin (+ 16 kJ mol ') florlamadaki düşük aktifleşme enerjisi ne (+ 5,0 kJ mol“1) karşılık gelmesi, klorun düşük etkinliğini kısmen de olsa açıklar. Başlangıç basamağında, klor-klor bağının kırılması için gereken yüksek enerji de (C12 için 243 kJ mol" 1 ve F2 için, 159 kJ mol ” dir) bir miktar etkiye sahiptir. Ancak, florla ma tepkimesindeki toplam tepkime ısısının yüksek olması, florun yüksek etkinliğinin nedenini açıklamakta, muhtemelen, en büyük role sahiptir.


BROMLAMA A //°(kJm or')

£ aki(kJ mol-1)

+ 192

+192

Zincir Başlaması

Br2 ----►2 Br-

Zincir Gelişmesi

Br- +CH 4 ----►HBr+CHr +69 CHr + Br2 ----►CH,Br + Br- 100 Toplam A//° = — 31

+78 Küçük

Klorlamanın aksine, bromlamada hidrojen atomu koparma basamağının aktifleşme enerjisi çok büyüktür (£A= 78 kJ mol '). Bu, sıcaklık 300’C’a çıkarıldığında bile, brom atomlarıyla metan molekülleri arasındaki çarpışmaların, net tepkimenin az da olsa eksotermik olmasına rağmen, ancak küçük bir bölümünün etkin olabileceği anlamına gel mektedir. Sonuç olarak, brom, metana karşı klordan daha az etkindir ve net tepkime hafif eksotermiktir. İYOTLAMA AH° (kJ mol” *)

E.m (kJ mol ')

+151

+ 151

Zincir Başlaması

I2 --- ►2 1-

Zincir Gelişmesi

1- + CH4 — ►HT+CHr +138 CH3- + I2 — ►CH3I+ I- 84 Toplam AH° = + 54

+ 140 Küçük

Bu tepkimelere ilişkin termodinamik büyüklükler açıkça göstermektedir ki halojen lerde gözlenen etkinlik sırası (F2 > C l 2 > Br2 > I2) zincir başlama basamağına dayan mamaktadır. Görüldüğü gibi, iyot-iyot bağı flor-flor bağından bile daha zayıftır. Yalnızca bu açıdan bakıldığında, en etkin halojenin iyot olması beklenir. Ama gerçekte bunun böyle olmadığı açıkça ortadadır. Bir kez daha belirtelim ki. deneysel olarak belirlenen etkinlik sırası, hidrojen koparma basamağıyla ilişkilidir. İyotlama tepkimesinde bu ba samağın aktifleşme enerjisi çok büyüktür (140 kJ mol'1) ve 300°C’da her 10'2 çarpış manın sadece iki tanesi tepkime verebilecek düzeyde enerjiye sahiptir. Sonuç olarak, iyotlama tepkimesinin deneysel olarak gerçekleşmesi mümkün değildir. Bu konuyu kapatmadan önce bir konuya açıklık getirmemiz gerekir. Halojenlerin metana karşı bağıl etkinliklerini açıklarken, sadece enerji değerlerini dikkate aldık. Bu, ancak böyle mümkün olabilirdi. Çünkii bıı tepkimeler birbirine çok benzemektedirler ve bu nedenle entropi değişimleri de birbirine çok yakın değerlerde bulunmaktadır. Eğer farklı tipte tepkimeler ele alınsaydı, bu tür bir analiz uygun olmayacaktı ve bizi yanlış açıklama ve sonuçlara götürebilecekti.

449

450


10.6

Y

üksek

A

H

lk a n la r in

a lo jen len m esî

Yüksek alkanlarin halojenlerle verdiği tepkimeler de buraya kadar incelediğimiz tür de bir zincir makanizmasıyla yürürler. Örneğin, etan klorla tepkimeye girdiğinde kloroetan (etil klorür) oluşur ve tepkimenin mekanizması aşağıdaki gibidir.

j T e p k i m e için Bir M e ka ni z m a : Etanın Radikalik Halojenlenmes Z in c ir B a ş la m a sı ışık

1. Basamak

Cİ2 ^

2

Q-

Z in c ir G e lişm e si

r \r \ 2. Basamak

C H ,^ : H +

C 1 --- ►C H 3C H 2 • + H t C1

3. Basamak CH3CH2 * + C1 :^CI----►CH3CH2 : CI + CI * Zincir gelişmesi 2, 3, 2, 3, ...vb. basamakları şeklinde devam eder. Z in c ir S o n la n m a sı

CH3CH2 •

+ • c i ----►CH3CH2: C1

CH3CH2* + -CH2CH3 — ►CH3CH2 :CH2CH3

cı • + •cı

C1:CI

Pr o bl em 10,10

> Etanın klorlanma tepkimesinde, hidrojen atomunun koparıldığı basamağın aktifleş me enerjisi 4,2 kJ m o f ’dir. (a) Çizelge lO.Tdeki homolitik bağ ayrışma enerjileri ni kullanarak bu basamağın AH" değerini hesaplayınız, (b) Metanın klorlanmasına ilişkin Şekil lOJtf’da verilen diyagrama benzer şekilde, etanın klorlanma tepkime sindeki hidrojen atomunun koparıldığı basamağın potansiyel enerji diyagramını çi ziniz. (c) Bir eşmolar metan-etan karışımı klorlandığında, ürünlerden etil klorür. metil klorüre göre çok aşırı miktarda oluşmaktadır (Her bir metil klorür molekülüne kar şılık ~ 400 etil klorür molekülü). Etil klorürün neden daha yüksek verimle elde edil diğini açıklayınız.

P ro bl em 10.11

>■ Etanın klorlanma tepkimesinde, ileri derecede klorlanmış etan molekülleri kadar 1,1dikloroetan ve 1,2-dikloroetan molekülleri de oluşmaktadır (bkz. Altbölüm 10.3A). 1,1-Dikloroetan ile 1,2-dikloroetan moleküllerinin oluşum mekanizmalarını yazınız.

İkiden çok karbon atomu içeren alkanlarin klorlanma tepkimesinde, izomerik monokloro ürünlerin bir karışımı elde edilir (ileri derecede klorlanmış bileşikler yanında).

10.6 Yüksek Alkanların Halojenlenmesi Aşağıda birkaç örnek verilmiştir ve bu örneklerde verilen yüzde oranlan, her tepkime de oluşan toplam monokloro ürün miktarlarına dayanmaktadır. Cl, CH3CH2CH3 > CH3CH2CH2CI + c h 3ç h c h 3 ışık. 25°C

Cl Propan ch 3

1

c h 3c h c h 3

C l, ışık 25°C

İzobütan

„ ►

Propil klorür (%45)

tzopropil klorür (%55)

ch3 __ i ___ _ c h ,c h c h , c i

ÇH3 +

i

1

c h 3c c h

‘ I

'

Cl ter-Bütil klorür

İzobütil klorür (%63)

(%37)

CH3 I c h ^ç c h 2c h 3

CH3

CH, Cl, 300°C

1

3

1

+

C1CH2CHCH2CH3

H 2-Metilbütan

3

CH3CCH2CH3 Cl

l-Kloro-2-metilbütan (%30)

2-Kloro-2-metilbütan (%22) ch3

+

c h 3c h ç h c h 3

ch3

+

c h 3c h c h , c h , ci

Cl 2-Kloro-3-metilbütan (%33)

l-Kloro-3-metilbütan (%15)

Görüldüğü gibi, yüksek alkanların klorlanma tepkimelerinde elde edilen ürünlerin bağıl oranları birbirine eşit değildir. Eğer bütün hidrojen atomlarının etkinlikleri eşit ol saydı; bu oranların da eşit olması beklenirdi. Bu durumda görüyoruz ki, farklı hidrojen atomların etkinlikleriyle yer değiştiren hidrojen atomun türü ( 1 °, 2°, 3°) arasında bir iliş ki bulunmaktadır. Alkanların hidrojen atomları etkinlik bakımından değerlendirilecek olursa, etkinlikleri en yüksek olanı üçüncül hidrojen atomlarıdır. İkincil hidrojen atom ları sonraki en etkin olanı ve birincil hidrojen atomları da en az etkin olanlarıdır (bkz. Problem 10.12).

(a) Eğer 1° ve 2° hidrojen atomlarının etkinlikleri birbirine eşit olsaydı, propanın klor- < lanma tepkimesinde elde edilen propil klorür ve izopropil klorür ürünlerinin yüzde oranları ne olurdu? (b) l üve 3° hidrojen atomlarının etkinlikleri birbirine eşit olsay dı, izobütanın klorlanma tepkimesinde elde edilen izobütil klorürle ter-bütil klorür moleküllerinin yüzde oranlarının ne olmasını beklerdiniz? (c) Hesaplayarak buldu ğunuz bu değerlerle, yukarıda verilen tepkimelerde görülen deneysel bulguları kar şılaştırınız ve hidrojen atomlarının etkinlik sırasının 3° > 2° > 1 ° şeklinde olduğunu doğrulayınız. Klorlanma tepkimesinde birincil, ikincil ve üçüncül hidrojen atomlarının bağıl et kinliklerini, daha önce gördüğümüz homolitik bağ ayrışma enerjileri bağlamında açık-

P r o b l e m 10.9

451

452


Iayabiliriz (Çizelge 10.1). Bu üç tür hidrojen atomundan üçüncül C — H bağının kırıl ması için gereken enerji en düşük, birincil C — H bağının kırılması için gereken enerji ise en büyük değere sahiptir. Klorlanmanın yeri ve yönelimi, C — H bağının kırılma ba samağı (yani hidrojen atomunun koparılma basamağı) tarafından belirlendiği için, üçün cül hidrojen atomunun koparılmasına ilişkin aktifleşme enerjisinin (£akt) en küçük ve birincil hidrojen atomunun koparılmasına ilişkin aktifleşme enerjisinin (£akl) en büyük değere sahip olması beklenir. Bu nedenle, üçüncül hidrojen atomları en etkin, ikincil hidrojen atomları ikinci derece etkin ve birincil hidrojen atomları ise en az etkin olma lıdır. Bununla beraber, birincil, ikincil ve üçüncül hidrojen atomlarının klorla yer değiş tirme hızları arasındaki fark pek büyük değildir. Sonuç olarak, yüksek alkanların laboratuvarlarda uygulanan klorlanma tepkimesi tekniklerinde, klor değişik tipteki hidrojen atomları arasında ayırım yapmamaktadır. (Alkanların klorlanma tepkimeleri, özellikle alkil halojenürlerin karışımlarının kullanılabildiği endüstriyel işlemlerde uygulama ala nı bulmaktadır.)

P r o b l e m 10.13

>■ Bazı belirli alkanların klorlanma tepkimeleri, laboratuvarda sentez amacıyla kulla nılabilir. Siklopropandan siklopropil klorür ve siklobütandan siklobütil klorür elde edilmesi bunun örnekleridir. Bu moleküllerin hangi yapısal özelliklerinin böyle bir tepkimeyi mümkün hale getirdiğini açıklayınız.

P r o b l e m 10.14

>• Aşağıda verilen alkanların her biri klorla tepkimeye girerek, bir tek monokloro yer değiştirme ürünü vermektedir. Bu bilgiye dayanarak verilen alkanların yapılarını açıklayınız. (a) C5 H 10 (b) C8H 18 ( c) C5 H 12

10. 6A B r o m u n Seçi ci l i ği B r o m la r ım a s e ç im lid ir .

Genellikle brom alkanlara karşı klordan daha az etkindir, fakat tepkimeye girdiğin de atağın alkanın neresine olacağı konusunda çok daha seçicidir. Brom, farklı tipteki hidrojen atomlarını birbirinden ayırt etmekte büyük bir yeteneğe sahiptir. Örneğin izobütanın bromla tepkimesinde, hemen hemen tümüyle üçüncül hidrojen atomu yer değiş tirmeye uğramaktadır. CH, CH,—C—CH, I H

Br, ışık, 127°C

CH. CH, I I * CH,—ç —CH, + CH,— —CH2Br H

Br (>%99)

(eser)

İzobütan klorla tepkimeye sokulduğunda ise çok farklı bir sonuç ortaya çıkmaktadır.

CH.CHCH,

CH,

CH,

CH. Cl„ hv 25°C

CH3ÇCH, + CH,CHCH,C1 ”

3y

3

v' “ 3'

cı (%37)

(%63)

10.8 Düzgün Dörtyüzlü Steıeomerkez Oluşturan Tepkimeler

(a) Metil radikalinin şematik görünümü. Merkezdeki sp2 melezleşmiş karbon atomunun yarı dolmuş p orbitalinde ortaklaşılmamış tek elektron, ve hidrojen atomlarıy la oluşturduğu kovalent bağlarda ise üç elektron çifti yer almaktadır. Ortaklaşılmamış elekt ron, p orbitalinin herhangi bir lobunda gösterilebilir. (b) Metil radikalinin hesaplanan yapısıdır ve işgal edilmiş en yüksek dolu moleküler orbitali göstermektedir. Ortaklaşılma mış elektron kırmızı ve mavi renklerle gösterilen bölümde bulunur. Karbon ve hidrojen atom larının etrafındaki bağ elektronları yoğunluğu ise gri bölgededir. Ş ek il

1 0 .6

Klor atomundan oldukça fazla etkin olan flor, klordan bile daha az seçicidir. Çün kü. flor tarafından herhangi bir hidrojen tipinin koparılması için gereken aktifleşme ener jisinin küçük obuasının yanı sıra, florla tepkimeye giren 1°, 2° ya da 3° hidrojen atomlarının tepkime hızları arasındaki fark da çok küçüktür. Alkanların florla tepkime sinde, sanki alkanın tüm hidrojenleri eşit etkinlikteymiş gibi bir ürün dağılımı ortaya çı kar.

Radikalik klorlanma tepkimelerine karşı bir alkanın hidrojenlerinin etkinliklerini ta- < yin etmek için izomer dağılımları kullanıldığında neden sıcaklık önemli bir değiş ken olur?

1 0 .7 A L K İ L R A D İ K A L L E R İ N İ N G E O M E T R E S İ Deneysel kanıtlar, çoğu alkil radikalinin, karbon atomu üzerinde ortaklaşılmamış bir elektron bulunan üçgen düzlemsel geometrik yapıda olduğunu göstermektedir. Bu ya pı, ancak sp2 melezleşmiş bir merkez atom tarafından oluşturulabilir. Bir alkil radika linde p orbitali ortaklaşılmamış bir elektron içerir (Şekil 10.6).

10.8 D ü z g ü n D ö r t y ü z l ü S t e r e o m e r k e z O l u ş t u r a n T epkîmeler

Akiral moleküller tepkimeye girdiklerinde bir tek düzgün dörtyüzlü stereomerkeze sahip bir bileşik oluşturuyorlarsa, rasemik yapıda bir ürün eldeedilecektir. Tep kime üzerinde enzim ya da kiral bir çözücü kullanılması gibi kiral bir etkinin bulunmadığı durumlarda bu hep böyle olacaktır.

P r o b l e m 10.15

453

454

Bölüm 10/Radikal Tepkimeleri

Bu ilkenin temsil edildiği bir tepkime olan, pentanın klorlanmasını ele alalım. c h 3c h 2c h 2c h 2c h 3

(al!ıı'al) ► CH3CH2CH2CH2CH2CI + CH3CH2CH2CHC1CH3

P enta n

1 -K lo ro p e n ta n

(a k ir a l)

(a k ir a l)

(± ) -2 - K lo r o p e n ta n (ra s e m ik y a p ı)

+

c h 3c h 2c h c i c h 2c h 3 3 -K lo ro p e n ta n ( a k ir a l)

Tepkimemizde, ileri derecede klorlanmış ürünler yanında burada gösterilmiş olan ürünler de oluşur. (Çoklu klorlanmayı en aza indirmek için pentanın aşırısını kullana biliriz.) Ürünlerimizden 1-kloropentanda ve 3-kloropentanda stereomerkez bulunmamak tadır ama 2-kloropentanda vardır ve bu bir rasemik yapı olarak elde edilir. Eğer tepkimenin mekanizmasını incelersek, bunun nedenini görürüz.

T e p k i m e için Bir M ek a n i z m a * Pentanın C2 Karbonundaki Klorlamanın Stereokimyası

T C2T c h , c h 2c h , c h 2c h

,

Cl-

h 3c^

/C H 3 *

C1 +C1— V « c h 2c h 2c h 3

h c h 2c h 2c h 3

H " f _ C 1 + C1' c h 2c h 2c h 3

(S )-2 -K lo ro p e n ta n

Ü çgen d ü zle m se l

(/? )-2 -K lo ro p e n ta n

(% 5 0 )

r a d ik a l

(%50)

( a k ir a l)

Enantlyomerler

C2 karbonundan bir hidrojen atomunun koparılmasıyla akiral bir üçgen düzlemsel radikal oluşur. Sonra bu radikal, düzlemin her iki tarafından da klorla tepkimeye girer [(a) yoluyla ya da (b) yoluyla]. Çünkü radikal akiraldir ve tepkimenin her iki yolla da gerçekleşme olasılığı aynıdır. Böylece iki enantiyomer eşit miktarda oluşur ve 2-kloropentanm rasemik bir yapısı elde edilir.

10. 8A

Ra di ka l H a l o j e n l e n m e s i n d e İkinci Bir S tereo m erk ezin Oluşması

Şimdi de kiral bir molekülün (bir stereomerkezi olan), ikinci bir stereomerkeze sahip yeni bir ürün oluşturmak üzere tepkimeye girdiğinde neler olduğunu inceleyelim. Örnek olarak da (5)-2-kloropentanın C3 karbonundaki klorlanmayı ele alalım (Bu tepkimede, öteki karbonların klorlanması sonucu, elbette başka ürünler de oluşur). C3’teki klorlan manın sonuçları aşağıdaki çerçeveli kısımda verilmiştir.

10.8 Düzgün Dörtyüzlü Stereomerkez Oluşturan Tepkimeler

T e p k i m e için Bir Me ka ni zm a (S)-2 -Klo ro pen tan ın C3 Klorlanmasının Stereokimyası c h

3

C1

H, I CH, I CH, I • ch3

(S )-2-Kloropentan

lc , ÇH3 Hv l >

cı-

+

CH3

cı

^ c^ H cı CH, ch3

(2S,3S )-2,3-Dikloropentan (kiral)

HV

?>

C

ch3 C1

C

cı,

CI,

(a)

(b)

H2Ç h h 3c

Üçgen düzlemsel radikal (kiral)

+ H

CH,

cı-

CI

ch3

(2S,3R )-2,3-Dikloropentan

(kiral)

Dlastereomerler

(5)-2-Kloropentanın C3,ünden bir hidrojenin koparılmasıyla kiral bir radikal oluşur (bu radikalin C2’sinde bir stereomerkezi bulunmaktadır). Sonra bu radikal, klorla, bir taralından [(a) yoluyla] tepkimeye girerek, (2.S',3.S’)-2,3-dikloropentam oluştururken, öbür tarafından [(b) yoluyla] tepkimeye girerek de (2S,3/?)-2,3-dikloropentanı oluşturur. Bu iki bileşik birbirinin diastereomeridir ve bunlar eşit miktarlarda oluşmazlar. Her ikisi de kiraldir ve her ikisi de tek tek optikçe aktiftir.

Bu tepkimeden ürün olarak elde edilen (25,35')-2,3-dikloropentan molekülleri birbi rinin diastereomerleridir. (Bunlar stereoizomerdirler ama birbirlerinin ayna görüntüsü değildirler.) Bu iki diastereomer eşit miktarlarda oluşmaz. Çünkü ara ürün olan radika lin kendisi kiraldir ve bunun iki tarafında olan tepkimeler aynı kolaylıkla gerçekleşmez. Bu nedenle, radikalin klorla tepkimesi bir tarafında öbür tarafından daha ileri boyutta gerçekleşir (Ama bunun hangi tarafta olduğunu kolayca tahmin edemeyiz). Yani, radi kalde bir stereomerkezin varlığı (C2 de), yeni bir stereomerkez (C3) oluşturan tepkime yi etkilemektedir. 2,3-Dikloropentan diastereomerlerinin her ikisi de kiraldir ve bu nedenle her ikisi de optikçe aktiftir. Bunlar birbirinin diastereomeri olduğu için farklı fiziksel özelliklere sa hiptirler (örneğin erime ve kaynama noktaları farklıdır) ve alışılagelmiş yöntemlerle bir birinden ayrılabilirler (örneğin gaz kromotografisiyle veya dikkatlice yapılan bir aynmsal damıtmayla). (5)-2-Kloropentanm C4’teki klorlanmasını düşününüz (a) Oluşacak ürünlerin stere- -< okimyasal yapılarını yazınız ve bunların (R - S ) konfigürasyonlarım gösteriniz, (b) Bu ürünler arasındaki stereoizomerik ilişki nedir? (c) Ürünlerin her ikisi de kiral mi-

P ro bl em 10.16

455

456


dir? (d) Her ikisi de optikçe aktif midir? (e) Ürünleri alışılagelmiş yöntemlerle bir birinden ayırmak mümkün olabilir mi? (f) (S)-2-Kloropentanın klorlanmasında baş ka hangi dikloropentanhır da oluşur? (g) Bunlardan hangileri optikçe aktiftir? P ro bl em 10.17

P ro bl em 10.18

^

Dibromlanmayı sağlayacak yeterlikte brom kulanılarak gerçekleştirilen bütanın bromlanma tepkimesini ele alınız. Tepkime sona erdikten sonra, gaz kromotografisi ya da ayrımsal damıtma yöntemiyle, oluşan tüm ürünleri ayırdığınızı varsayınız, (a) Kaç farklı kısım elde edersiniz? (b) Bu kısımların her birinde hangi bileşik (ya da bileşikler) bulunur? (c) Eğer varsa, hangi kısımlar optikçe aktiflik gösterir? (d) Bromun 7,)Br ve KIBr izotoplarının doğada hemen hemen eşit miktarda bulundukları bilindiğine göre, dibromo izomerlerin kütle spektrumunda hangi kütle/yük pikleri daha baskın olacaktır? 2-Metilbütanm klorlanma tepkimesinde, l-kloro-2-metilbütan, 2-kloro-3-metilbütan ve 1-kloro-3-metilbütan molekülleri oluşmaktadır, (a) Tepkimeden sonra bu bi leşiklerin ayımsal damıtımıyla ayrıldığını var sayarak, bu kısımlardan her hangi birinin optikçe aktiflik gösterip göstermeyeceğini açıklayınız, (b) Bu kısımlardan her hangi biri yeniden kısımlarına ayrılabilir mi? (c) Bu bileşiklerin Tl NMR spektrumları, klorun bağlandığı konumda nasıl bir fark gösterecektir? Damıtmadan elde edilen her bir kışımın yapısı, sadece 'H NMR speklroskopisiyle aydınlatılabilir mi?

10.9

A LK E N LER E R A DİKALİK K A TIL M A : H İD R O JEN B R O M Ü R Ü N A N T İ-M A R K O V N İK O V KA TILM ASI

1933 öncesi, hidrojen bromürün alkenlere katılma tepkimesinde yönelme, çok karışık bir konuydu. Katılma, kimi zaman, Markovnikov kuralına uygun olarak gerçekleştiği halde, kimi zaman da tam tersi bir durum ortaya çıkıyordu. Bu konuda, aynı koşullar da gerçekleştirilen pek çok çalışma örneği yayınlanmış fakat konu bir türlü aydınlatılamamıştı. Bir laboratuvarda Markovnikov katılması elde edilirken, bir başkasında anti-Markovnikov katılması elde ediliyordu. Hatta aynı araştırmacının, aynı koşullarda yaptığı değişik çalışmalarda bile aynı durum ortaya çıkıyordu. Sır, 1933'te M. S. Kharasch ve F. R. Mayo (Şikago Üniversitesi) tarafından gerçek leştirilen bir araştırmayla çözüldü ve açıklayıcı etkenin, alkenlerde bulunan organik pe roksitler olduğu ortaya çıktı—alkenlere havadaki oksijenin etkisiyle peroksitler oluşmaktadır (Altböliim 10.1 İC)—. Böylece Kharasch ve Mayo, peroksit ya da hidroperoksit içeren alkenlerin. hidrojen bromürle, anti-Markovnikov katılması vereceğini bul dular. R—Ö—Ö—R R—Ö—Ö—H Organik peroksit

Organik hidroperoksit

Bu koşullar altında, örneğin propenden 1-bromopropan oluşacaktır. Ancak örneği mizde peroksit bulunmuyorsa, ya da ortama radikal yakalayıcı bileşikler (radikal tuza ğı) eklenmişse, normal Markovnikov katılması gerçekleşecektir. CH,CH=CH, + HBr

►CH,CH2CH,Br

CH,CH=CH, + HBr —— -— ► CH,CHCH3 J

-

yok

Br 2-Bronıopropan

Anti-Markovnikov katılması Markovnikov katılması

10.9 Alkenlere Radikalik Katılma: Hidrojen Bromürün Anti-Markovnikov Katılması

Hidrojen florür, hidrojen klorür ve hidrojen iyodür, ortam da peroksitler olsa bile anti-M arkovnikov katılması vermezler.

Kharasch ve Mayo’ya göre, hidrojen bromürün anti-Markovnikov katılması perok sitler tarafından başlatılan bir radikal /.incir tepkimesidir.

T e p k i m e için Bir Me ka ni z m a A n ti-M a rk in o v Katılması Zincir Başlaması

1. Basamak

•• r*R—O j O—R ---- ►2 R—O • r Isı, zayıf olan oksijen- oksijen bağının honıolitik kırılmasına yol açar.

2. Basamak

.. ~ R—O - + H : Br U“

R—O 'H + : Br

Alkoksi radikali, HBr'den bir hidrojen atomu koparır ve bir brom atomu oluşturur.

3. Basamak

: Br • + H2C = C H — CH3 — ►: Br - CH2— C H — CH3 2 Radikal Brom atomu ikili bağa katılarak daha kararlı olan 2 ° alkil radikalini oluşturur.

4. Basamak

:Br—CH2 —CH—CH, + Hj B r ---- ►=Br— CH2—ÇH—CH, + B r H 1-Bromopropan 2° alkil radikali HBr'den bir hidrojen atomu koparır ve böylece katılma ürünüyle bir brom atomu oluşturur. Daha sonra, 3. ve 4. basamakların ard arda tekrarlanması bir zincir tepkimesine yol açar.

1. basamak, peroksit molekülünün iki alkoksil radikaline dönüştüğü basit bir homolitik parçalanma tepkimesidir. Peroksitlerdeki oksijen-oksijen bağı çok zayıftır ve bu tür tepkimelerin kolaylıkla gerçekleştiği bilinmektedir.

R—Ö =Ö — R ---- ►2 R—ÖPeroksit

A/y° = + 150kJ mol-1

Alkoksil radikali

Mekanizmanın 2. basamağı, radikal tarafından bir hidrojen atomunun koparıldığı. aktifleşme enerjisi düşük ve eksotermik bir tepkimedir. R—Ö • + H: B r---- ► R—Ö: H + : Br-

AH° = ~ 96 kJ mol" 1 £akt düşük

Mekanizmanın 3. basamağı ise, üründe bromun bağlanacağı konumu belirler. Tep kime, mekanizma denkleminde gösterildiği gibi gerçekleşir çünkü, bromun atağı, daha aı sterik engele sahip birincil karbon atomuna olur ve böylece daha kararlı olan bir

457

458


ikincil radikal oluşur. Eğer bromun propene atağı ikincil karbon atomuna olsaydı daha az kararlı olan bir birincil radikal ortaya çıkacak, / Br • + CH2=CHCH 3

•CH2CHCH3 Br 1° Radikal (daha az kararlı)

ve atak, daha fazla engelli ikincil karbona olmuş olacaktı. Mekanizmanın 4. basamağı, 3. basamakta oluşan radikalle hidrojen bromür arasın da yer alan basit bir hidrojen koparma tepkimesidir. Bu tepkimede oluşan brom atomu 3. basamağın tekrarına yol açabilir ve daha sonra 4. basamak tekrarlanır. Böylece bir zincir tepkimesi gerçekleşir. 10.9 A

Alkil halojenür sentezine bir örnek.

Alk en le re H B r ’nin Ma rk ov ni kov ve A n t i - M a r k o v n i k o v Katılmasının Karşılaştırmalı Ö z e t i

Şimdi HBr’nin bir alkene katılmasının iki farklı şekli arasındaki zıtlığı görebiliriz. Ortamda peroksit yoksa, ikili bağa ilk atak yapan reaktif protondur. Çünkü protonun küçük olması ne deniyle sterik etkiler önemli değildir. Proton, iyonik bir mekanizmayla ve en kararlı karbokatyonu oluşturacak şekilde bir karbon atomuna bağlanır. Sonuç Markovnikov katılmasıdır. İyonik Katılma c h 3c h = c h 2

-h-~ Bi- »

c h 3c h c h , -111—►CH3ÇHCH3

Br Daha kararlı karbokatyon

Markovnikov ürünü

Eğer ortamda peroksit bulunuyorsa bu kez alkene ilk atak yapacak olan reaktif da ha büyük bir atom olan brom atomudur. Brom atomu, radikalik bir mekanizmayla ve en kararlı radikal ara ürünü oluşturacak şekilde, sterik bakımdan en az engellenmiş karbon atomuna bağlanır. Bu kez sonuç anti-Markovnikov katılmasıdır. Radikal Katılması CH3CH=CH 2 ►CH3CHCH2Br HBr ►CH3CH2CH2Br + BrDaha kararlı radikal

10.10

Anti-Markovnikov ürünü

A l k e n l e r İ n R a d İk a l î k P o l î m e r l e ş m Z İN C İR B Ü Y Ü T M E POLİM ERLERİ

esî

Polimerler, makromoleküller adı verilen ve pek çok alt birimin yapı içinde tekrar edil mesiyle meydana gelen maddelerdir. Polimerlerin sentezinde kullanılan moleküler alt birimlere monomerler ve monomerlerin birbirine bağlanma tepkimelerine de polimerleşme adı verilir. Pek çok polimerleşme tepkimesi radikaller tarafından başlatılır. Örneğin etilen (eten), çok bilinen bir polimer olan polietilenin elde edilmesinde kul lanılan bir monomerdir. Monomerik birimler

p o lim erleşm e

m CH2= C H 2 --------------- ►—CH2CH,-eCH 2CH2^ C H 2CH2— Etilen monomer

Polietilen polimer

(m ve ıı büyük sayılardır)

10.10 Alkenlerin Radikalik Polimerleşmesi: Zincir Büyütme Polimerleri

Polietilen gibi polimerlerin katılma tepkimesiyle elde edilmeleri nedeniyle, bu tip polimerlere sık sık /incir büyütme polimerleri ya da katılma polimerleri adı verilir. Şim di polietilenin elde edilmesini biraz daha ayrıntılı olarak inceleyelim. Etilen, az miktarda bir organik peroksitle (bir diaçil peroksitle) birlikte 1000 atm ba sınç altında ısıtılırsa, radikal mekanizmasıyla polimerleşir.

T e p k i m e için Bir Me ka ni z m a Etenin Radikalik Polimerleşmesi Zincir Başlaması

O

ı

O

O

rv ı

^ı

1. Basamak R—C— OjO—C— R — ► 2 R |C ^ g --

2 C 02 + 2 R

Diaçil peroksit

2. Basamak R

— ►R : CH2—CH2 •

Diaçil peroksit ayrışarak, zincir tepkimesini başlatacak olan radikalleri oluşturur. Zincir Gelişmesi

3. Basamak R—CH2CH2- + n CH2= C H 2 ----►R-(-CH2CH2-)t;CH2CH2Etilen birimlerinin birbirinin ardından radikale eklenmesiyle zincir gelişmesi devam eder. Bu gelişme, birleşme ya da disproporsiyonlanma tepkimeleri nedeniyle zincir büyümesinin durduğu anda sona erer. Zincir Sonlanması

ş—-----►[R

CH2CH2

CH2CH2

4. Basamak 2 R-(-CH2CH2^ C H 2CH2 • , disproporsiyonlanma

►R-eCH 2CH2^ C H = C H 2 + r - ^ c h 2c h 2- ^ c h 2c h 3

Bir radikal, zincir büyüme işleminin sonunda kendisinden “arkasını ısırarak” bir hidrojen atomu koparabilir. Bu, zincirin dallanmasına neden olur. "n

Zincir Dallanması

¿C

ch2

I R— CH2CH CH2 ---- ►RCH2ÇH-eCH 2CH2^ C H 2CH2— H (CH2CH2{ 'i I C H ,= C H ,

r c h 2ch - t c h 2ch 2

c h 2c h 3

ch2 ch2

^vb.

Molekül kütlesi yaklaşık olarak 1.000.000 olmadıkça, polietilenin radikalik polimerleşme yöntemiyle elde edilmesi faydalı değildir. Molekül kütlesi çok yüksek olan polietilen, düşük derişimli bir başlatıcı kullanılarak elde edilebilir. Bu yöntem, sadece

459

460

Bölüm 10 / Radikal Tepkimeleri Çizelge

10. 2

Diğer Yaygın Zincir Büyütme Polimerleri Polimer

Monomer

isim

ch , = c hch ,

-t-CH — CH-fc " 1

Pol iprop den

ch 2= chci

-e O f —CH-^

Poli(vinil klorür), PVC

CH—CHCN

cı - fC H —C H ^

Poliakrilonitril, Orion

ch 3 2

11

1

cf 2= cf 2

- f CF,

çh 3 c h , = cco 2ch 3

CN CF2~F

CH, | 3 - f c h 2— ch ; co 2ch 3

Politetrafloroeten Teflon Poli(metil metakrilat), Lusit. Pleksiglas. Perspeks

bir kaç zincirin büyümesini başlatır ve zincirlerin her birinde, mevcut monomerin aşırı miktarda yer almasını sağlar. Polimerleşme sırasında zincir sonlanırken, biraz daha başlatıcı eklenebilir ve bu şekilde yeni zincirler oluşmaya başlar. 1943 yılından beri ticari olarak üretilmekte olan polietilen, esnek şişelerin, fil imle rin, levhaların üretiminde ve elektrik tellerinin yalıtımında kullanılır. Polietilen ıadikalik mekanizmayla üretilir ve yumuşama noktası yaklaşık 1 lO'C'dur. Polietilen, katalizör kullanılarak başka bir yöntemle de elde edilebilir'. Geçiş metalle rinin organometalik bir kompleksi olan bu katalizöre Ziegler-Natta katalizörü adı ve rilir. Bu yöntemde ne radikal oluşur, ne de arkadan ısırmanın bir sonucu olarak zincir dallanması görülür. Bu yöntemle elde edilen polietilen, çok daha yoğun, daha yüksek erime noktasına ve kuvvete sahip bir polimerdir. (Ziegler—Natta katalizörüm, daha sonra. Özel Konu A'da ayrıntılı olarak tartışılacaktır.) p o lim erleşm e

■CH,CH -e CH2CH -fc c h 2ch -

O Stiren

(O O Polisti ren

Bilinen bir başka polimer de polistirend'n. Polistirenin elde edilmesinde kullanılan monomer, stiren olarak bilinen feniletendir. Diğer çok bilinen zincir büyütme polimerleri Çizelge 10.2'de verilmiştir. Bunların her biri hakkında daha fazla bilgi Özel Konu A’dan elde edinilebilir.

10. 1 I

D İĞ ER Ö N E M L İ R A D İK A L TEPKİM ELER İ

Diğer pek çok organik tepkimenin anlaşılmasında radikal mekanizmaları çok önem lidir. Diğer örnekleri daha sonraki bölümlerde göreceğiz ama burada bir kaç önemli ra dikali ve radikal tepkimesini inceleyelim. Oksijen ve süperoksit, alkanların yanması, otoksidasyon. antioksidasyon ve statosferdeki koruyucu ozon tabakasını tehdit eden klorofloroetanların bazı tepkimelerini bunlar arasında sayabiliriz.

10.11 Diğer Önemli Radikal Tepkimeleri

10. 1 I A

Moleküler Oksijen ve Süperoksit

En önemli radikallerden biri (ve hayatımızın her anında karşılaştığımız) moleküler ok sijendir. Temel haldeki moleküler oksijen, oksijen atomlarının her ikisinde de birer çift leşmemiş elektron bulunan bir diradikaldir. Oksijen bir radikal olarak, daha önce gördüğümüz radikaller gibi hidrojen atomlarını koparabilir. Bunun örneklerini yanma (Altböliim 10.11B) ve otoksidasyon (Altbölıim 10.1 İC) tepkimelerinde görebiliriz. Bi yolojik sistemlerde oksijen elektron alıcıdır ve moleküler oksijen bir elektron aldığında süperoksit (0 2*) adı verilen bir radikal anyona dönüşür. Süperoksit hem olumlu ve hem de olumsuz fizyolojik rollere sahiptir: bağışıklık sistemi süperoksidi patojenlere karşı kendi savunması için kullanır. Ama öte yandan, süperoksidin sağlıklı hücreler üzerin deki yaşlandırma ve yiikseltgen hasarlara yol açan hastalık süreçlerinde yer almasından da kuşku duyulmaktadır. Süperoksit dismutaz enzimi, süperoksit düzeyini düzenlemek te ve bunu da, süperoksidin, hidrojen peroksit ve moleküler oksijene dönüşümünü ka talizleyerek gerçekleştirmektedir. Ancak hidroksil radikali (HO-) ürettiği için hidrojen peroksit de zararlı bir maddedir. Bu kez katalaz enzimi devreye girer ve hidrojen pe roksidi, su ve oksijene dönüştürerek hidroksil radikalinin oluşumunu önler. 2 0 2: + 2 W süperı,ksıljis"ıuuız ►H20 2 + 0 2 2

I0.IIB

H20 2 ---- — ----- ►2 H20 + 0 2

Alkanların Yanması

Alkanlar oksijenle tepkimeye girdiğinde (örneğin petrol ve gaz fırınlarında ve içten yan malı motorlarda) karmaşık bir tepkimeler dizisi gerçekleşir ve sonunda alkan, karbon dioksit ve suya dönüşür (Altbölüm 4 .10A). Yanma tepkimelerinin ayrıntılı mekanizma sı hakkında tam ve açık bir fikre sahip olmasak da bu önemli tepkimelerin radikal me kanizmasıyla yürüdüğünü biliyoruz. Aşağıda verilen tepkimelerde görüldüğü gibi, bu mekanizmada zincir başlama ve zincir gelişme basamakları bulunur. RH + Oı

►R • + • OOH

R • + Ot

►R

Başlama

00 ■

R—0 0 - + R— H ----►R— OOH + R •

f Gelişme

İkinci zincir gelişme basamağının ürünlerinden biri, alkil hidroperoksit adı verilen R— OOH molekülüdür. Alkil hidroperoksitleıdeki oksijen-oksijen bağı oldukça zayıftır ve kırılarak diğer zincir tepkimelerini başlatabilecek olan radikalleri üretebilir. RO—OH----►RO- + ■OH I0.IIC

Otoksidasyon

Linoleik asit bir çoklu doymamış yağ asididir ve bu tür asitler çoklu doymamış yağ larda ester şeklinde bulunurlar (Altbölüm 7.13A, “Besin Endüstrisinde Hidrojenleme" ve Bölüm 23). Çoklu doymamışlık bir bileşikte iki ya da daha çok ikili bağın bulundu ğu anlamına gelir. H HH H

CH3(CH2)4

(CH:)7CO:R' H

H

Linoleik asit (ester şeklinde)

461

462


Çoklu doymamış yağlar, günlük besinlerimizin bir bileşeni olarak, sıvı ve katı yağ larda bol miktarlarda bulunurlar. Ayrıca; bedendeki yaşamsal fonksiyonları yürüten do kularda da yaygın bir şekilde yer alırlar. Linoleik esterin iki ikili bağı arasında bulunan — CH2— grubundaki hidrojen atom ları (Lin— H), radikaller tarafından koparılmaya karşı özel bir duyarlılığa sahiptir (ne denini Bölüm 13’de göreceğiz). Bu hidrojen atomlarından birinin koparılması sonucu yeni bir radikal (Lin ) oluşur. Bu radikal otoksidasyon (Şekil 10.7) adı verilen bir ge nel tepkime tipi içerisinde, oksijenle bir zincir tepkimesi verebilmektedir. Otoksidasyon 1. Basamak Zincir Başlam ası H

CH3(CH2)4

HH

,(p

H

(CH2)7C 02R'

H H

I

HH

CH3(CH2)4

i

H

(CH2)7C 02R'

H

2. Basamak Z incir Gelişmesi

r

ö —ö0— 0=

(CH2)7C 0 2R'

3. Basamak Zincir Gelişmesi Diğer radikal Lin— H

H— O—

-0— 0

H

/

HH

0:

+ Lin1

H

H

Linoleik esterin diğer bir m olekülünden hidrojen koparılm ası

B ir hidroperoksit

Şekil 10.7 Linoleik ait esterin otoksidasyonu. 1. basamakta iki ikili bağ arasındaki — CH2 — grubunun hidrojen atomlarına bir radikalin atağıyla tepkime başlatılır; bu basa makta gerçekleşen hidrojen koparılma tepkimesinde, rezonans melezi olan bir radikal el de edilir. Bu radikal, 2. basamaktaki iki zincir gelişme basamağının ilkinde oksijenle tepkimeye girerek, oksijen içeren bir radikal oluşturur. Bu yeni radikal de 3.basamakta yeni bir Linoleik esterden (Lin — H) bir hidrojen koparır. Bu ikinci zincir gelişmesi basa^ inağının sonunda, bir hidroperoksit ve 2. basamağın tekrarlanmasına sebep olan bir radi kal (Lin) oluşur.


sonucu bir hidroperoksit oluşur. Otoksidasyon pek çok maddede oluşan bir süreçtir: Ör neğin, sıvı ve katı yağlar bozunduğunda ortaya çıkan küflenme ve ekşimenin, ve açık havaya terkedilen bitümli şistlerin kendiliğinden yanmaya başlamasının sorumlusu otoksidasyondur. Otoksidasyon beden içinde de gerçekleşir ve orada geri dönüşümsüz tah ribatlara yol açabilir. I0.IID

Antio ksid an lar

Ortama, antioksidanlar adı verilen ve hızlı bir şekilde radikalleri “tuzağa düşürebilen“ bileşikler eklendiğinde otoksidasyon önlenir. Çünkü antioksidanlar, radikallerle tepki meye girerek onları, zinciri sürdüremeyecek olan, yeni ve kararlı radikallere dönüştü rür. E vitamini (a - tokoferol), radikal tuzağı olarak davranabilme kapasitesine sahiptir ve E vitamininin vücutta oynadığı en önemli rol, hücre tahribatlarına neden olabilen ra dikal tepkimelere engel olmasıdır. C vitamini de bir antioksidandır. Ancak son zaman larda yapılan araştırmalar, C vitaminin günde 500 mg’dan fazla alındığı taktirde prooksidant etkilere sahip olabileceğini göstermektedir. Besin maddelerine eklenen BHT gibi bileşikler otoksidasyonu önlemektedir. BHTrnin de radikalleri tuzağa düşürdüğü bilinmektedir.

(o:-tokoferol)

OH

(CH3)3C

ch 3 BHT

(bütillenmiş hidroksitoluen)

10.1 I E

O z o n A za lm as ı ve K lo ro fl o ro k ar bo nl a r ( C F C )

Yerden yaklaşık 25 km yükseklikteki stratosferde; çok yüksek enerjili (çok kısa dalga boylu) UV ışını diatomik oksijeni (0 2) ozona (0 3) dönüştürür. Oluşan tepkimeler aşa ğıda verilen şekilde gösterilebilir. 1. Basamak 2. Basamak

0 2 + h v ----- > O + O O + 0 2 + M ----- > 0 3 + M + ısı

burada M, ikinci basamakta açığa çıkan enerjinin bir kısmını soğurabilen başka bir ta neciktir. 2. Basamakta oluşan ozon da UV ışınıyla aşağıdaki şekilde etkileşebilir.3 3. Basamak

0 3 + h v-----> 0 2 + O + ısı

463

464


3. Basamakta oluşan oksijen atomu 2. basamağın tekrarlanmasına neden olabilir ve bu böyle devam eder. Bütün bu basamakların net sonucu, yüksek enerjili UV ışınının ısıya dönüşmesidir. Bu çok önemli bir sonuçtur, çünkü bu döngünün varlığı dünyayı canlı organizmalara karşı zararlı olan ışımalardan korumaktadır. Bu koruma dünya üze rinde hayatı mümkün kılmaktadır. Yer yüzüne ulaşan yüksek enerjili UV ışınların mik tarında nispeten bir artış bile, cilt kanseri olayında büyük bir artışa neden olacaktır. Kloroflorokarbonlar (CFC) ya da freonlar adı verilen kloroflorametanlar (ve klorofloroetanlar) 1930 yılında üretilmeye başlanmıştır. Bu bileşikler, soğutucu, çözüdü, ve aeresol kutularında taşıyıcı (itici) gaz olarak kullanılmaktadır. Trikloroflorometan. CFC13 (freon- 11 denir) ve diklorodiflorometan, CF2C12 (freon- 1 2 denir) bileşikleri tipik freonlardır. 1974 yılına kadar dünya freon üretimi, yılda 1 milyon ton kadardı. Soğutma ama cıyla kullanılmakta olsa bile, freonların büyük bir çoğunluğu sonuçta atmosfere geçer ve orada hiç bir değişime uğramadan stratosfer tabakasına ulaşır. F. S. Rowland ve M. J. Molina, Haziran 1974’te freonun stratosferde bir radikal tepkimesi başlatabileceğini ve bunun, ozonun doğal dengesini alt üst edebileceğini gösteren bir makale yayınladı lar ve böyle bir tehlikenin varlığını dünyaya ilk kez duyurmuş oldular. Bu alanda yap tıkları çalışmalar sonucu, 1995 Kimya Nobel Ödülü P.J. Crutzen, M. J. Molina ve F. S. Ruwland’a verilmiştir. Söz konusu tepkimeler aşağıda verilmiştir. (Örnek olarak freon1 2 kullanılmıştır.) Zincir Başlaması 1. Basamak CF2C 12 + h v ----->CF2C 1• + C 1• Zincir Gelişmesi 2. Basamak Cl- + 0 3 ----->CIO- + 0 2 3. Basamak CIO- + 0 ----->0 2 + C 1Zincir başlama basamağında, UV ışını freonun C — Cl bağının homolitik olarak kırıl masına neden olur. Böylece oluşan klor atomu gerçek bir yok edicidir ve stratosferin dışına difüzleninceye, ya da başka bir maddeyle tepkimeye girinceye kadar binlerce ozon molekülünü yok eder. 1975’te Ulusal Bilimler Akademisince yapılan bir araştırma, Rowland ve Molina’nın vardığı sonuçları doğruladı ve Haziran 1978'de freonun aerosol kutularında kullanılma sı Amerikada yasaklandı. Yasak halen yürürlüktedir. 1985'te Antartika üzerinde ozon tabakasında bir delik keşfedildi. Ozon tabakasında ki delik oluşumunu sağlayan nedenlerden birinin de klor atomunun ozonda yarattığı tahribat olduğunun iddia edilmesinden beri, bu konuda yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Ozon tabakasındaki deliğin büyümesi devam etmektedir ve ozon tabakasında benzer bir delik de Kuzey Kutbunda keşfedilmiştir. Ozon tabakası inceldikçe, güneşin tahrip edi ci ışınları yer yüzüne daha yoğun olarak ulaşacaktır. Sorunun küreselliği 1987'de “Montreal Protokolüyle” kabul edildi. Bu anlaşma, im zalayan ülkelerin, kloroflorokarbonların üretimini ve tüketimini azaltmalarının öngör mektedir. Anlaşmanın bir gereği olarak, sanayileşmiş ülkeler, 1 Ocak 1996 tarihinden itibaren kloroflorokarbon üretimini durdurmuşlardır. Bugün 120 den fazla ülke, “Mont real Protokolünü” imzalamış bulunmaktadır. Stratosferdeki ozon azalması sorunu dün ya tarafından daha iyi anlaşıldıkça, kloroflorokarbonların aşamalı bir şekilde terkedilmesi hızlanacaktır.


Tepkimelerin Özeti Alkenlerin Radikalik Halojenlenmesi ısı ya da ışık ^

Zincir Başlaması

X — x — 2------ — ►X + X

Eğer X = Br ise hidrojen , koparılması seçimlidir. - ¿ _ H Eğer X = Cl. ise | hidrojen koparılması seçimli | değildir. . H— X + - C -

zincir p i li s i

| x ~ x ►— C— X + X

\

I Ver değiştirme ürünü

Kenetlenme

—c=x

—c—c—

I

I

I

Hazı olası zincir sonlanma basamakları

Hidrojen Bromürün Alkenlere anti-Markovnikov Katılması RQ=QR=

ısı =>RÛ- * RO Zincir Gelişmesi

* ROM + Br }

RO> * H = l r

Brom radikalinin alkene katılması, daha kararlı bir karbon radikali ara ürünü oluşacak şekilde gerçekleşir, (Tepkimede gösterilen alken, başlangıçtaki karbon atomlarında bulunalı sübstitüsyon derecelerindeki farkı ifade eden herhangi bir alkendlv.)

\ F

/ —c

Zincir gelişm esi

\

\

I

m

R BrV

î

T1 Br

I

1

I

1

1

1

Bazı olası zincir sonlanma basamakları

?

f

► R' + R + 2 CO,

R = C = 0 — O— C— R

S

/

/

\

c= c

Zincir başlaması

I

Br H Br Anti-Markovnikov ^Kenetlenme katılma ürünü

— c- -c— c—cI T1 T1 ı1 1 Br R R Br

Radikalik PoHmerfeşme

I

* R— c —c — + Br

I

1

c—

HBr

465

466


I

/

R- ? - c \ \ / c=c / \

R- r n

\

r

r

/

^ Zincir gelişmesi

C=C / \

R—C—C --C —C—C—C

T

Disproporsiyonlann^/

| Kenetlenme

Olası zincir sonlanma basamakları

A n a h t a r T e r i m l e r ve K a v r a m l a r Homoliz Radikaller Hidrojen koparılması Homolitik bağ ayrışm a enerjisi (D H °) Alkanların halojenlenınesi Zincir tepkimeleri Alkenlere radikal katılması H B r'nin anti-M arkovnikov katılması Monomerler Polim erler IVIakromoleküller Otoksidasyon

Ek P roblemler

Atbölüm 10.1 Altbölüm 10.1 Altbölüm 10.1B Altbölüm 10.2 Altbölümler 10.3, 10.4,10.5, 10.6, 10.8 Altbölümler 10.4, 10.5, 10.6, 10.11 Altbölüm 10.9 Altbölüm 10.9 Altbölüm 10.10 Altbölüm 10.10 Altbölüm 10.10 Altbölüm 10.11C

10.19

Propanın klorla verdiği radikalik tepkimede, ileri derecede halojenmiş ürünler yanında, 1-kloropropan ile 2-kloropropan molekülleri de oluşur. Bu iki molekülün her biri için zincir başlaması ve zincir gelişmesi tepkimelerini yazınız.

*10.20

Bütanın klorlanmasında, ileri derecede klorlanmış ürünlere ek olarak, mole kül formülü C4 H9C1 olan ürünlerin bir karışımı da elde edilir, (a) Stereokimyasal açıdan bakılırsa, bu tepkimede, C4H9C1 formülüne sahip kaç tane izomer beklersiniz? (b) Eğer C4H9C l’nin izomerleri ayrımsal damıtma ya da gaz kromotografisine tabi tutulursa, kaç kışımın elde edileceğini beklersiniz? (c) Han gi kısımlar optikçe aktiflik göstermez? (d) Kısımlardan hangisini

Yıldızla işaretlenmiş olan problemler “çözülmesi daha zor olan problemlerdir.

Ek PRoblemler

enantiyomerlerine ayırabilirsiniz? (e) Gaz kromatograsi ya da damıtmayla ay rılan izomerlerin 'H ve l3C DEPT NMR spektrumları arasındaki ayırt edici özel likler hakkında beklediğiniz farkları açıklayınız, (f) İzomerleri birbirinden ayırt edebilmek için onların kütle spektrumlarındaki parçalanmalar nasıl kullanıla bilir? 10.21

(/?)-2 -Klorobütanm klorlanmasında, C4H8C12 formülüne sahip izomerlerin bir karışımı elde edilmektedir, (a) Kaç farklı izomerin oluşacağını umuyorsunuz? (b) Eğer C4H8C12 formüllü izomerler karışımı ayrımsal damıtmaya tabi tutu lursa, kaç kışımın elde edileceğini düşünüyorsunuz? (c) Bu kısımlardan han gisi ya da hangileri optikçe aktif olacaktır?

10.22

Alkanların halojenlenmesinde olduğu gibi, zincir tepkimelerinin başlatılma sında sık sık peroksitler kullanılır. Çizelge 10.1’de verilen bağ enerjilerini in celeyiniz ve neden özellikle peroksitlerin etkin bir radikal başlatıcısı olduğunu açıklayınız, (b) Cevabınızı, di-ter-bütil peroksitin, (CH3)3CO — OC(CH3)3, alkanların halojenlenmesini nasıl başlattığını göstererek açıklayınız.

10.23

2-Metilbütandan bir hidrojen atomunun koparılmasıyla oluşabilecek radikal leri azalan kararlılıklarına göre sıralayınız.

10.24

Aşağıda metanın klorlanması için farklı bir mekanizma verilmiştir. (1) C l 2 -----» 2 Cl(2) Cl- + CH4 -----> CH3C1 + H(3) H- + C l 2 -----» HC1 + ClBu mekanizmanın her basamağı için AH' değerlerini hesaplayınız, ve daha sonra, bu mekanizmanın, Altbölüm 10.4 ve 10.5’de verilen mekanizmalarla yarışıp yanşamayacağını açıklayınız.

10.25

Verilen maddelerden çıkarak ve gereken diğer maddeleri de kullanarak, aşağıdaki bileşiklerin elde edilmesini gösteriniz. (Bu bileşiklerden herhangi birinin sentezinde yazdığınız tepkime basamağını, problemin daha sonraki aşamalarında tekrarlamanız gerekmez.) (a ) Etandan etil iyodür. (b) Etandan dietil eter. (c) Siklopentandan siklopenten. (d) 2-Metilbütandan 2-bromo-3-metilbütan. (e) Metan ve asetilenden 2-büten. (f) Etan ve asetilenden 2-bütanol (g) Etandan etilazıir (CH3CH2N3).

10.26

1-Florobütanın klorlanma tepkimesine ilişkin olarak, çeşitli konumlardaki ba ğıl hızlar aşağıda verilmiştir. H3C — CH2 — CH2 — CH2— F 1,0 3,7 1,7 0,9 Bu etkinlik sırasını açıklayınız.

*10.27

2,2-Dimetilheksanın radikalik yer değiştirmesinde, C5 konumundaki klor yer değiştirmesi, tipik bir ikincil karbon atomundakine göre çok hızlıdır (örneğin, bütandaki C2 konumu). Radikalik polimerleşmeye ilişkin tartışmaları yeniden gözden geçirdikten sonra, 2,2-dimetilheksanın C5 konumundaki bu yüksek yer değiştirme hızına bir açıklama getiriniz.

467

468


10.28

1894 yılında İngiliz Kimyacı H. J. H Fenton’un açıkladığı gibi, hidrojen peroksitle ferröz sülfat) tepkimeye girerek hidroksil (HO) radikalini oluştu rurlar. Bu şekilde elde edelin HO- ile fer-bütil alkol etkileştirilirse, erime nok tası 92"C olan kristal yapıda bir X maddesi elde edilmektedir. Spektral özellikleri aşağıda verilen X bileşiğinin yapısını bulunuz ve oluşum tep kimesinin mekanizmasını yazınız. MS: kütle değeri en büyük olan pik 131 ııı/z de ortaya çıkıyor. IR: 3620, 3550 (geniş), 2980, 2940, 1385. 1370 cırı

12

'H NMR: 5 1,22, 1,58 ve 2,95’te keskin birliler (alan oranları 6 : 2 : 1) 13C NMR: 5 28 (CH3), 35 (CH2),

Ö

G rubu PROBLEMLERİ

ğ renm e

1.

2.

68

(C)

Aşırı miktarda cis-\ ,3-dimetilheksanm ısı ve ışık altında Br2 ile tepkimesinde oluşacak tüm organik ürünlerin yapı formüllerini yazınız. Tepkimenin stereokimyasını gösterebilmek için üç boyutlu formülleri kullanınız. (b) Aşırı miktarda c7s-l,3-dimetilsikloheksanm ısı ve ışık altında C l 2 ile tepkimesinde oluşacak tüm organik ürünlerin yapı formüllerini yazınız. Tepkimenin stereokimyasını gösterebilmek için üç boyutlu formülleri kullanınız. (c) Bir alternatif olarak, (a) ve (b) şıklarında verilen soruları c*/\v-1,2-dimetilsikloheksan için cevaplayınız. (a) Karbon atomu kaynağı olarak sadece propan ve metandan çıkarak ve gerekli diğer reaktilleri de kullanarak 2 -metoksipropeııin elde edilmesini gösteriniz. Bunun için ilk önce retrosentetik bir analiz (geriye doğru çözüm) tasarlayınız. (b) 2-Metoksipropan bir radikal başlatıcıyla etkileştirildiğinde bir polimer oluştu rur. Radikal mekanizmasının bir diaçil peroksit tarafından başlatıldığını varsaya rak. polimerleşme tepkimesinin mekanizmasını ve oluşan polimerin yapı formülünü yazınız. (a)

Özel Konu

A

Zincir-Büyütme Polimerlen Orlon. Pleksiglas. Lusit. polietilen ve Teflon isimlerini artık çoğumuz yakında tanımak tayız. Bu plastikler (ya da polimerler), giyim kuşamımızdan ev eşyalarımıza kadar et rafımızda bulunan ve 70 yıl öncesine kadar tanımadığımız pek çok maddenin yapımında kullanılmaktadır. Yirminci yüzyılda, kimya endüstrisindeki dikkat çekici büyüme, di ğer etkenlerin her birinden daha çok. polimerlerin üretim yöntemlerindeki gelişmeden kaynaklanmaktadır. Bu arada, bazı bilim adamları bu sentetik plastiklere duyduğumuz güven hakkındaki kaygılarını dile getirmektedirler. Çünkü bunlar, doğadaki oluşumlardan daha çok laboratuvarın ve endüstriyel yöntemlerin bir ürünüdür ve bunların çoğu doğada parçalanamamaktadır. Gerçi son yıllarda “bakteriler tarafından aynştırılabilen plastik lerin“ geliştirilmesinde ilerlemeler kaydedilmiştir ama bakteriler tarafından ayrıştırıl mayan pek çok madde hâlâ kullanılmaktadır. Çoğu plastik, yanabilir maddeler olmasına rağmen, yakma işlemi, yaratacağı hava kirliliği nedeniyle bunları yok etmek için uygun bir yöntem değildir. Elbette bütün polimerler sentetik değildir. Doğal olarak oluşan pek çok bileşik de polimer yapısındadır. Örneğin ipek ve yün, proteinler denilen polimerlerdir. Besin mad demiz olan nişastalarla odun ve pamuktaki selüloz da doğal polimer örnekleridir. Polimerler çok sayıda alt birimin tekrarlanmasıyla oluşan çok büyük moleküller dir. Polimerlerin elde edilmesinde kullanılan moleküler alt birimlere monomerler ve monomerlerin birbirine bağlanma tepkimelerine ise polimerleşme tepkimeleri adı ve rilir. Örneğin propilen (propen), polipropileııi oluşturmak üzere polimerleşebilir. Bu po limerleşme bir zincir tepkimesiyle gerçekleşir, ve sonuç olarak, polipropilen türü polimerlere z in c ir -b ü y ü tm e ya da k a tılm a p o lim e r le n adı verilir. polimerleşme

CR

Polipropilen

Propilen

Altbölüm 10.10'da gördüğümüz gibi, zincir-büyütme polimerlerinin elde edilmesin de alkenler uygun çıkış maddeleridir. Katılma tepkimeleri, nasıl başlatıldıklarına bağlı olarak radikalik. katyonik ya da anyonik mekanizmalardan biriyle gerçekleşebilir. Aşağıda bu mekanizmalara örnekler verilmiştir. Bu tepkimelerin hepsi zincir tepkime sidir.

469

Polipropilen (sindiyotaktik)

470

Özel Konu A/Zincir Büyütme Polimerleri R a d ik a lik P o lim e rle şm e

R

+

\

\

/

/ / / C—C ----►R-C— C ı x

K a ty o n ik P o lim e rle şm e

R++

\

/

C=C K Z S x

\

I / ►R — C—C I \

\ / / c=c / / \

-►R—C—C—C—Cı \

/ 1

1

1

/

i

I

i

\

----------- ►r — c — c — c — c +

\

/

/ \

/ c=cx

A n y o n ik P o lim e rle şm e

\

c=c

I I

z:r +^ c=c —► z—c— c:V>\ i i

/

c=c

I I I

> vb.

\ / c=c / \

\

* vb

/

c=c

/ \ 1 1 1 1 / \ -----------►Z — c —c —c —C : - ----------►vb.

Kloroetenin (vinil klorür) radikalik polimerleşmesi PVC olarak da bilinen ve po1i(vini 1 klorür) adı verilen polimeri oluşturur. n CH?= C H ----► 4 - C R — CH-

•cıı

TV - cıı

Vinil klorür

Poli(vinii klorür) (PVC)

Bu tepkimede elde edilen polimer. molekül kütlesi yaklaşik 1.500.000 olan sert, kırıl gan ve esnekliği bulunmayan bir maddedir. Bu haliyle çoğunlukla boru, çubuk ve sıkış tırılmış disklerin üretiminde kullanılır. Poli(vinil klorür), esterlerle (plastikleştirici adı verilen) karıştırılarak yumuşak hale getirilebilir. Bu yumuşak şekli de “vinil derisi”, plas tik yağmurluklar, duş perdeleri ve bahçe hortumlarının üretiminde kullanılır. Vinil kloriire maruz kalma ile ender olarak görülen ve angiokarsinoma adı verilen karaciğer kanseri arasında bir bağlantı bulunmaktadır. Bu bağlantı ilk defa 1974 ve 1975 yıllarında vinil klorür fabrikalarında çalışan işçiler arasında farkedilip açıklanmıştır. Bu olayın ortaya çıkarılmasından itibaren, işçilerin vinil klorürden etkilenmesini sınırlayan standartlar oluşturulmuş ve bir işçinin günde 8 saatlik mesaisi boyunca alacağı ortala ma vinil klorür miktarının, milyonda bir kışımın (ppm) altında olmasına karar verilmiş tir. Amerika Birleşik Devletleri Gıda ve İlaç Yönetimi (FDA), besinlerin ambalaj maddesi olarak PVC’nin kullanılmasını yasaklamıştır. [Poli(vinil klorür) polimerinin eser mik tarda vinil klorür içerdiği ile ilgili kanıtlar vardır.] Akrilonitril (CH2 = CHCN) polimerleşerek poliakrilonitril ya da Orlon adı verilen polimeri oluşturur. Bu tepkimede başlatıcı olarak ferröz sülfat ve hidrojen peroksitin ka rışımı kullanılır. Bu iki bileşik zincir başlatıcı olarak davranan hidroksil radikalini ( OH) oluşturmak üzere tepkimeye girer. FeSO.

n CH,=CH --------- *----- 1 H— O— O— H

CN

CR, — C H \

ı )

C N /„

Akrilonitril

Poliakrilonitril (Orlon)

Poliakrilonitril ısıtıldığında erimeden önce bozunur ve bu yüzden lif üretmek için eğirme ve bükme işleminde kullanılamaz. Ancak poliakriloritril A.A-dimetilformamit içerisinde çözünür ve bu çözelti lif üretiminde kullanılabilir. Bu yöntemle elde edilen lifler halı ve giyim eşyası üretiminde kullanılamaktadır. Teflon ise, tetrafloroetenin su içerisindeki süspansiyonunun polimerleştirilmesiyle elde edilir. n CF2= C F 2 }—q -* -GCF2 h 2o

CF2Aî

Özel Konu A/Zincir Büyütme Polimerleri

Bu tepkime yüksek derecede eksotermiktir ve ortamda bulunan su, açığa çıkan ısıyı dağıtarak yok edilmesine yardımcı olur. Bir katılma polimeri için alışılmadık derecede yüksek bir erime noktasına (327°C) sahip olan teflon, kimyasal etkilere çok dirençli ol ması yanında, sürtünme katsayısı da çok düşük bir maddedir. Teflon bu özellikleri nede niyle, yağlamasız mil yataklarında, tava ve çanakların astarlanmasında ve aşındırıcı kimyasallara karşı yüksek dirence sahip maddelerin gerektiği özel durumlarda kullanılır. Vinil alkol kendiliğinden asetaldehite dönüşen kararsız bir bileşiktir (bkz. Altbölüm 17.2). Bu nedenle, suda çözünen bir polimer olan poli(vinil alkol)ün doğrudan elde C H ,= C H «=-► CH,— CH

' I

II

OH Vinil alkol

O Asetaldehit

edilmesi mümkün değildir. Ancak bu, vinil asetatın polimerleştirilerek poli(vinil asetat) oluşturulmasıyla başlayan, dolaylı bir yöntemle gerçekleştirilebilir. Bundan sonra olu şan polimer hidrolizlenerek poli(vinil alkol) elde edilir. Ancak bu hidroliz işleminin ta mamlanması genelde istenmez. Çünkü ortamda az miktarda ester grubunun bulunması, ürünün suda çözünürlüğünü artırır. Ester grupları polimer zincirlerinin birbirlerinden ay rı tutulmalarına yardımcı olur ve bu durum da hidroksil gruplarının hidrasyonuna im kan tanır. İçerisinde % 1 0 oranında ester kalmış bulunan poli(vinil alkol) suda kolaylıkla çözünür. Poli(vinil alkol) suda çözünen filimlerin ve yapışkanların üretiminde, poli(vinil asetat) ise su bazlı boyalarda emülsiyon olarak kullanılır. n C H ,= C H

----► -t^CH,— C H ^ ----- -^C H ,— CH H,0

/

0

I1 c=o I1

O II -u -

1

\

ch3

OH

o ı

ch3

/

Politvinil asetat)

Vinil asetat

Poli( vinil alkol)

Kusursuz optik özelliklere sahip bir polimer, metil metakrilatın radikalik polimerleşmesiyle elde edilir. Poli(metil metakrilat); Lusit, Pleksiglas ve Perpeks isimleri altın da pazarlanmaktadır. CH, I 3 C

C=0 och3

Metil metakrilat

ÇHj w

-ch2

c

c=o \ OCH3 Poli(metil metakrilat)

Vinil klorür ve viniliden klorür karışımı polimerleştirilirse, kopolimer olarak bilinen bir polimer elde edilir. Saran Wrap olarak bilinen ve gıda ambalajında kullanılan poli mer, işte böyle bir kopolimerdir ve viniliden klorürün aşırı miktarda bulunduğu bir ka rışımın polimerleştirilmesiyle elde edilir. / C1

CH2= C ^

+ C H ,= Ç H

cı Viniliden klorür (aşırı)

Vinil klorür

cı Saran Wrap

Polimer zinciri boyunca alt birimlerin düzenli bir şekilde değişmesi gerekli değildir.

471

472


P ro b l e m A . I

>■ Stirenin (C6H5CH = CH2) radikalik polimerleşmesiyle elde edilen polistiren. başkuyruk şeklinde bir bağlanmayla oluşur. R—CH,—CH •' + CH,=CH I ■ I

-> R — CH-,—CH— CH,— CH • " I ■ I

c 6h 5

c 6h 5

c 6h 5

Kuvruk”

“Baş’

c 6h 5

Polistiren

Bu oluşum biçimi, aşağıdaki baş-baş bağlanma tarzından daha çok tercih edilir. Bu du rumun neden kaynaklandığını açıklayınız. R— C H ,— CH • + C H = C H , -----►R — C H ,— C H — CH — CH ,-

" I I

‘

c 6h 5

“Baş’'

P ro bl em A . 2

^

" I I

c 6h 5

c 6h 5 c 6h 5

‘‘Baş”

Aşağıda verilen polimerlerin her birinin radikalik bir polimerleşmeyle elde edile bilmesi için genel bir yöntem öneriniz. Kullanmak istediğiniz monomerleri göste riniz. (a) -hCH 2—CH—CH2—CH—CH,—CH-b OCH,

OCH,

OCH,

(b) -f-CH,—CC1,—CH,—CC1,— CH2—CCL-fo*4 Alkeııler de kuvvetli asitlerle etkileştirildiklerinde polimerleşirler. Asit katalizörlü polimerleşmelerde zincir büyümesi, radikallerden daha çok katyonlar tarafından gerçekleş tirilir. Aşağıda verilen tepkimeler, izobütilenin katyonik polimerleşmesini göstermektedir. /. Basamak H—O: + BF, <—- H H

O

BF3

H

/CH, ■’’+ \ CH, CH,

CH, 4. Basamak CH,

Ç CH,

CH,

/ CH, CH=C r~ ‘ xch , C+ ►CH, CH,

CH, Ç CH,

CH, CH,

t CH,

CH, ( H2

'-*■ CH,

Katyonik polimerleşmelerde kullanılan katalizör, genel olarak, az miktarda su içe ren Lewis asiftleridir. İzobütilenin polimerleşmesi, katalizörün (BF3 ve H20) katyonik zincir büyümesinde nasıl bir görev üstlendiğini göstermektedir.

A. 1 Zincir Büyütme Polimerlerinin Stereokimyası

Eten gibi alkenler, vinil klorür ve akrilonitril öyle kolaylıkla katyonik polimerleşmeye girmezler. Ama izobütilenin katyonik polimerleşmesi çok hızlı bir şekilde gerçekleşir. İlgili moleküllerin bu davranışlarına bir açıklama getiriniz.

P ro bl em A . 3

Elektron çekici gruplar içeren alkenler. kuvvetli bazların varlığında polinıerleşirler. Örneğin akrilonitril, sıvı amonyak içerisinde sodyum amit (NaNH2) ile etkileştirilirse polimerleşir. Bu polimerleşmede zincir büyümesi anyonlar tarafından gerçekleştirilir. ..

h 2n

f\

nh,

: + CH2=(^H — -+

h 2n — c h 2— CH:'

CN H,N— CH, — CH:' I CN

CH— CHCN

►

CN R , N — C R , — C H — C H , —CH

' I

*

CN

vb. =~ —— ►

ı CN

Ticari üretim bakımından akrilonitrilin anyonik polimerleşmesi, daha önce gördüğümüz radikalik polimerleşmesinden daha az öneme sahiptir.

Dikkate değer bir yapışkan olan “superglue” anyonik bir polimerleşme sonucu olu- ^ şur: Superglue, saflaştırılmış metil a-siyanoakrilat içeren bir çözeltidir. CN c h 2= c x c o 2c h 3

Metil a-siyanoakrilat

Metil siyanoakrilat hidroksil iyonu gibi bir anyon tarafından polimerleştirilebilir, fakat birbirine yapıştırılacak iki maddenin yüzeyinde eser miktarda bulunan suyun etkisiyle bile polimerleşir. (Bu iki madde, malesef sık sık, yapıştırma işlemini yapanın parmak ları olmaktadır.) Metil ot-siyanoakrilatın anyonik polimerleşmesinin nasıl olduğunu gös teriniz.

A .

I

Z İ n c İr - B ü y ü t m STER EO KİM YA SI

e

Po

l

İm

e r l e r î n In

Propilenin baş-kuyruk polimerleşmesinde, her atomu stereomerkez olan bir polimer el de edilir. Bu yöntemle elde edilen polipropilenin pek çok fiziksel özelliği, bu stereomerkezlerin stereokimyasına bağlıdır. £j_j =

çh

CH,

polimerleşme (baş-kuyruk)

—CH,CHCH,CHCH?CHCH,CH—

*1

CH,

‘I

CH,

‘I

CH,

‘I

CH,

Metil gruplarıyla hidrojen atomlarının zincir boyunca üç genel düzenlenmesi mev cuttur. Bu düzenlemeler ataktık, sindiyotaktik ve izotaktik olarak tanımlanır.

P ro bl em A . 4

473

474


Şekil A. I Ataktik polipropilen (daha açık olarak gösterebilmek için, şekilde “gergin” karbon zinciri kullanılmıştır.)

A ı A ı A i "3A T A r A F* ı.ı

H

I

u

CHo H

I

u

CH, H

I

U

H

H

I

U

CH, H

I

H

IT

H

H

veya

Ziegler ve Natta bu buluşları için 1963 yılında Kimya Nobel Ödülünü Kazancıııar.

Şekil A.2 Sindiyotaktik polipropilen.

Eğer stereomerkezlerin stereokimyası, düzensiz bir durumdaysa (Şekil A. 1) bu polimere ataktik polimer denir (a,-siz + Yunanca: taktikos, düzen). Ataktik polipropilende metil grupları gergin karbon zincirinin her iki yanında rastgele bir şekilde yer alırlar. Eğer keyfi olarak, karbon zincirinin bir ucunun öbüründen daha öncelikli olduğunu kabul edersek, zincirdeki stereomerkezleri (R - S ) simgeleriy le tanımlıyabiliriz (Altbölüm 5.6). Ataktik polipropilende, (R - S) sıralaması, zincir bo yunca düzensiz bir durum gösterir. Radikalik polimerleşmeyle yüksek basınçta üretilen polipropilen ataktiktir. Çünkü bu polipropilen kristal olmayan, yumuşama noktası düşük ve zayıf mekanik özelliklere sahip ataktik bir polimerdir. Grupların karbon zinciri boyunca olası ikinci bir düzenlenme şekli ise sindiyotaktik polipropilende olduğu gibidir. Sindiyotaktik polipropilende metil grupları gergin kar bon zinciri boyunca birbirini düzenli bir şekilde takip eder (Şekil A.2). Eğer yine key fi olarak, sindiyotaktik polipropilenin karbon zincirinin bir ucunun öbüründen daha öncelikli olduğunu kabul edersek, zincirin stereomerkezlerinin konfigürasyonu, (R), (S), (R), (S), (/?), (S), (/?), (S) vb. şeklinde değişecektir. Stereomerkezlerin olası üçüncü düzenlenmesi de Şekil A.3’te görülen izotaktik dü zenlenmedir. îzotaktik düzenlenmede metil grupları karbon zincirinin aynı tarafında bu lunurlar. Zincirin hangi ucunun daha öncelikli olduğunun kabul edilmesine bağlı olarak, tüm stereomerkezlerin konfigürasyonları, ya (R) ya da (S) olacaktır. İzotaktik ve sindiyotaktik isimleri, Yunancadaki taktikos (düzen) artı iso (aynı) ve syndio (ikisi birlikte) terimlerinden kaynaklanmaktadır. 1953 yılı öncesinde izotaktik ve sindiyotaktik polimerler bilinmiyordu. Ama 1953 yılında, Alman kimyacısı Kari Ziegler ve İtalyan kimyacı Giulio Natta, birbirlerinden bağımsız olarak, polimerleşme tepkimelerinin stereokimyasal kontrolüne izin veren bir katalizör bulduklarını duyurdular. Bugünkü adıyla Ziegler-Natta katalizörü, geçiş metali halojenürleriyle indirgen maddelerin tepkimesinden elde edilir. En çok kullanılan katalizör, titan tetraklarür (TiCl4) ile trialkilalüminyumdan (R3A1) elde edilmektedir. H

ifi H veya

I CH, h, H

__

H

„

H

H

ICH, h, H

__

H

1 1 1 xHs JL i JL rJL i IH

H

ICH, h, H

IH

III

H

I

h,

A.l Zincir Büyütme Polimerlerinin Stereokimyası

Şekil A.3 İzotaktik polipropilen.

Ziegler-Natta katalizörleri genel olarak süspanse edilmiş katilar olarak kullanılır ve polimerleşme muhtemelen, parçacıkların yüzeyindeki metal atomlarında gerçekleşir. Polimerleşme iyonik bir mekanizmaya sahiptir, fakat mekanizmanın ayrıntıları tam olarak anlaşılamamıştır. Polimerleşmenin, büyüyen polimer zinciri ile metal arasına bir alkil monomerinin girmesiyle gerçekleştiğine dair kanıtlar bulunmaktadır. Sindiyotaktik ve izotaktik polipropilenlerin her ikisi de, Ziegler-Natta katalizörünün kullanılmasıyla elde edilmektedir. Polimerleşme çok düşük basınçta gerçekleşir ve olu şan polimerler ataktik polipropilenden daha yüksek sıcaklıkta erirler. Örneğin izotaktik polipropilen 175"C’da erir. İzotaktik ve sindiyotaktik polimerler ataktik polimerlerden daha kristal yapıdadırlar, grupların zincir boyunca daha düzenli bir şekilde yerleşmesi, kristal yapısına daha iyi bir şekilde uyum sağlamasına imkan verir. Poli(metii metakrilat)m ataktik, sindiyotaktik ve izotaktik şekilleri bilinmektedir. Ataktik şekli kristal yapıda olmayan bir camdır. Kristal sindiyotaktik ve izotaktik şekil leri ise sırasıyla 160" ve 200°C’da erirler.

(a) Polistirenin ataktik, sindiyotaktik ve izotaktik şekillerine ilişkin zincir parçala- < rının yapısal formüllerini yazınız (bkz. Problem A.l) (b) Polistirenin bu şekilleri nin çözeltileri hazırlansa, hangi çözeltinin optikçe aktiflik göstereceğini umarsınız?

P ro bl em A . 5

475

B ölüm

Eterler

Alkol

M o le k ü le r K o n u k ç u la r Hücre zarı, yukarıdaki kutu yığıcı robotun, kutuların “derişimlerini” bir yerden diğer yere değiştirmesi gibi, hücrelerin dışı ve içi arasında kritik derişimleri düzenler. Örne ğin, hücre içi ve hücre dışı arasındaki sodyum ve potasyum derişimlerindeki farklılık lar, sinirlerin işlevinde, önemli besinlerin hücre içerisine taşınmasında ve uygun hücre hacminin korunmasında gereklidir.* Etkinlikleri, bu önemli iyon derişimi değişikliğini bozmaktan kaynaklanan bir antibiyotik grubu vardır. Bu antibiyotiklere iyonoforlar de nir. Monensin, böyle bir iyonofor antibiyotiktir. Monensin, sodyum iyonlarını bağlayıp hücre zarı içerisinden dışarıya taşıyan bir bile şik olduğu için taşıyıcı iyonofor olarak adlandırılır. (Gramisidin ve valinomisin gibi di ğer iyonofor antibiyotikler, hücre zarında gözenekler açtıklarından, kanal oluşturucu iyonoforlardır.) * Sodyum ve potasyum derişimlerindeki değişiklikleri düzenleyen gerçek molekül pompasının özelliklerinin keşfi ve tanımlanması (Na+, K+ - ATPaz). Jens Skou'ya (Aarhus Üniversitesi, Danimarka) 1997 Nobel Kim ya ödülünün yarısını kazandırmıştır. Ödülün diğer yarısı ise. ATP sentezinin enzimatik mekanizmasını aydın lattıkları için Paul D. Boyer(UCLA. Kaliforniya Üniversitesi. Los Angeles) ve John E. VValkcr’a (Cambridge) verilmiştir.

476

Monensinin iyon taşıma yete neği, başlıca çok sayıda eter fonksiyonel gruplarını içerme sinden ileri gelir ve bu neden le. bir polieter antibiyotik örneğidir. Bu moleküllerin ok sijen atomlarının metal iyonla rını bağlaması Lewis asit-baz etkileşimi şeklindedir. Her monensin molekülü, sodyum iyonlarıyla bir düzgün sekiz Monensin yüzlü kompleks oluşturur. Kompleks, polar olmayan hücre zarının bir tarafından diğer tarafına, monensinin “konuğu” olarak taşınacak iyon lar için, hidrofobik “konukçu”dur. Bu taşıma işlemi, hücre işlevi için gerekli olan kri tik sodyum derişimi değişimini bozar. Taç eter olarak adlandırılan bileşikler moleküler konukçular ve aynı zamanda polieter iyonoforlardır. Taç eterler, antibiyotik olarak kullanılmamalarına rağmen, iyonik reaktiflerle polar olmayan çözücülerde gerçekleştirilen tepkimeler için yararlıdırlar. 1987 Nobel Kimya Ödülü, taç eterler ve ilgili bileşiklerle çalışmalarından do layı, Charles J. Pedersen, Donald J. Cram ve Jean-Maria Lehme verilmiştir. Bu araştırmanın, konukçu-konuk kimyası olarak adlandırılan ça Taşıma iyonoforlarınm taşıyıcı (solda) lışma alanının başlangıcı olduğu ifade edilmek ve kanal oluşturucu biçimleri tedir. Taç eterler Altbölüm 11.20'de tekrar ele alınacaktır.

ooooo

I l.l

Y A P I VE A D L A N D I R M A

Alkoller, moleküllerinde doymuş bir karbon atomuna* bağlı hidroksil grubu bulundu ran bileşiklerdir. Doymuş karbon atomu, aşağıdaki örneklerde görülen basit alkil grup larının karbon atomları gibidir.

Çh 3 CH,OH

CH,CH,OH

CH,CHCH, I OH

ch 3c c h 3

Metanol (metil alkol)

Etanol (etil alkol) 7° alkol

2-Propanol (izopropil alkol)

2-Metil-2-propanol (ter-bütil alkol)

2° alkol

3° alkol

OH

* Hidroksil grubunun, bir ikili bağın doymamış karbon atomuna (C = C —OH gibi) bağlı bulunduğu bileşik lere enoller denir (bkz. Altbölüm 17.2)

477

478

Bölüm 11 / Alkoller ve Eterler

11.1 Yapı ve Adlandırma 11.2 Alkollerin ve Eterlerin Fiziksel Özellikleri 11.3 Önemli Alkoller ve Eterler 11.4 Alkollerin Alkenlerden Sentezi 11.5 Oksiciva KatılmasıCiva Ayrılması Tepkimesiyle Alkenlerden Alkollerin Eldesi 11.6 Hidroborasyon: Organobaronların Sentezi 11.7 HidroborasyonYükseltgemeyle Alkenlerden Alkollerin Eldesi 11.8 Alkollerin Tepkimeleri 11.9 Alkollerin Asit Olarak Davranışı 11.10 Alkollerin Mesilatlara ve Tosilatlara Dönüştürülmesi 11.11 Sn2 Tepkimelerinde Mesilatlar ve Tosilatlar 11.12 Alkollerin Alkil Halojenürlere Dönüştürülmesi 11.13 Alkollerin Hidrojen Halojenürlerle Tepkimelerinden Alkil Halojenürlerin Elde Edilmesi 11.14 Alkollerin PBr, ve SOCI2 ile Tepkimelerinden Alkil Halojenürlerin Elde Edilmesi 11.15 Eterlerin Sentezleri 11.16 Eterlerin Tepkimeleri 11.17 Epoksitler 11.18 Epoksitlerin Tepkimeleri 11.19 Alkenlerin Epoksitler Üzerinden AntiHidroksillenmesi 11.20 Taç Eterler: Bağıl Olarak Polar Olmayan Aprotik Çözücülerde Faz-Transfer Kataliziyle Nükleofilik Yer Değiştirme 11.21 Alkenlerin, Alkollerin ve Eterlerin Tepkimelerinin Özeti

Alkolün karbon atomu, bir alkenil veya bir alkinil grubunun doymuş bir karbon ato mu da olabilir: ya da karbon atomu, benzen halkasına bağlanmış bir doymuş karbon ato mu olabilir.

CH2=CHCH2OH

H—C= CCH2OH

2-Propenol (allil alkol)

2-Propinol (proparjil alkol)

Benzil alkol benzilik alkol

attilik alkol

Hidroksil grubunun doğrudan benzen halkasına bağlı olduğu bileşiklere fenoller de nir. (Fenoller, Bölüm 21’de ayrıntılı olarak incelenecektir.) Ar—OH Fenol

/7-Metilfenol

Fenollerin genel formülü

bir siibstitüe fenol

Eterler, oksijen atomuna iki karbon atomunun bağlı olması nedeniyle alkollerden fark lıdırlar. Hidrokarbon grupları alkil, alkenil, vinil. alkinil veya aril olabilir. Aşağıda çe şitli örnekler verilmiştir. CH3CH2—O—CH2CH,

CH2= CHCH2—O—CH3

Dietil eter

Allil metil eter

C H ,=C H —O—CH=CH 2

och3

Metil fenil eter

Divinil eter

I I . I A Alkollerin Adlandırılması Alkollerin IUPAC sistemine göre adlandırılmasını Altbölüm 4.3F'de incelemiştik. Bir tekrar olarak aşağıdaki örnekleri ele alacağız.

Örnek Probl em--------------------------Aşağıdaki alkollerin IUPAC adlarını yazınız. (a) CH3CHCH2CHCH2OH

(c) CH3CHCH2CH=CH 2

CH3 CH3 (b) CH3CHCH2CHCH3 OH

OH

C6H5

Cevap: H id r o k s il g ru b u n u n b a ğ lı b u lu n d u ğ u

ol dür. Sonra en

en uzun zincir bize

te m e l a d ı

verir. Son ek -

u zu n zin c iri, h id r o k s il g ru b u n u ta şıy a n k a rb o n a m ü m k ü n o la n en

k ü ç ü k n u m a ra v e rile c e k y ö n d e b ir u çta n b a şla y a ra k

numaralarız. Buna göre adlar:

11.1 Yapı ve Adlandırma 5

4

3

2

1

(a) CH,CHCH,CHCH,OH I I ch3

(c) CH3CHCH2CH=CH 2 OH

ch3

2,4-Dimetil-l-pentanol

(b)

1

2

3

4

4-Penten-2-ol

5

c h 3c h c h 2c h c h 3

OH

C6H5

4-Fenil-2-pentanol

Adlandırmada, hangi fonksiyonel grubun son ek olacağına karar verirken, hidroksil grubunun ikili bağ ve üçlü bağdan öncelikli olduğu göz önüne alınır [(c) örneğine ba kınız]. Fonksiyonel gruba dayanmayan yaygın adlandırmada (Altbölüm 2.7) alkoller; metil alkol, etil alkol v.b. gibi alkil alkoller olarak adlandırılırlar.

“İzopropanol” ve “te/'-bütanol" gibi adların kullanılmasındaki yanlışlık nedir?

*<

I I . I B Eterlerin Adlandırılması Basit eterler, çoğu kez yaygın adlarıyla verilirler. Basit bir yol, oksijen atomuna bağlı her iki grubun adının (alfabetik sırada) sonuna eter kelimesi eklemektir.

c h 3o c h 2c h 3

CH3 I ' c 6h 5o ç — c h 3

c h 3c h 2o c h 2c h 3

ch3

Etil metil eter

Dietil eter

ter-Bütil fenil eter

Ancak karmaşık eterlerle birden fazla eter bağı içeren bileşiklerin adlandırılmasın da IUPAC adlarının kullanılması gerekir. Bu IUPAC adlandırmasında, eterler alkoksialkanlar, alkoksialkenler ve alkoksiarenler olarak adlandırılırlar. RO— grubu, bir alkoksi grubudur. • CH3CHCH2CH2CH3

CH3CH2Q—

—c

h 3

c h 3o c h 2c h 2o c h 3

och3

2-Metoksipentan

l-Etoksi-4-metilbenzen

1,2-Dimetoksietan

Halkalı eterler, değişik yollardan adlandırılabilirler. Basit bir yol, yerine geçme ad landırmasının kullanılmasıdır. Bu durumda, halkalı eter, hidrokarbon halka sistemi ola rak göz önüne alınır ve oksijen atomunun bir CH2 grubu yerine geçtiğini belirtmek için

oksa- ön takısı kullanılır. Bir diğer sistemdeyse, üç üyeli halkalı eter oksiran. dört üye li halkalı eter de oksetan olarak adlandırılır. Bazı basit halkalı eterler de yaygın adlarıy-

P ro bl em I I . I

479

480


la belirtilir; aşağıdaki örneklerde yaygın adlar parantez içinde belirtilmiştir. Tetrahidrofuran (THF) ve 1.4-dioksan yararlı çözücülerdir.

Oksasiklopropan veya oksiran (etilen oksit)

Oksasiklopentan (tetrahidrofuran)

P ro bl em 11.2

Oksasiklobütan veya oksetan

1,4-Dioksasikloheksan (1,4-dioksan)

► Molekül formülleri (a) C3 H80 ve (b) C4 H10O olan tüm alkollerin ve eterlerin bağçizgi formüllerini yazınız ve adlandırınız.

I 1.2

A L K O L L E R İ N VE E T E R L E R İN FİZİK S EL Ö ZELLİK LER İ

Bazı alkollerin ve eterlerin fiziksel özellikleri Çizgelge 11.1 ve 11.2’de verilmiştir. Eterlerin kaynama noktaları, molekül kütleleri aynı olan hidrokarbonların kaynama noktalarıyla hemen hemen aynıdır. Örneğin, dietil eterin (MK = 74) kaynama noktası 34,6°C; pentanınki ise (MK = 72) 36°C’dıır. Buna karşılık alkollerin kaynama noktalan, aynı molekül kütleli eter ve hidrokarbonların kaynama noktalarından çok da ha yüksektir. Bütil alkolün (MK = 74) kaynama noktası 117.7°C'dur. Bu kaynama nok tası farkının nedenini Altböliim 2.14C’de öğrenmiştik.

Çizelge ll.l Eterlerin Fiziksel Özellikleri Adı

Dimetil eter Etil metil eter Dietil eter Dipropil eter Diizopropil eter Dibütil eter 1.2-Dimetoksietan Tetrahidrofuran

en (°C)

Formülü

kn (°C)

CH3 OCH3 CH3 OCH2CH3

-138

-24.9

c h 3 c h 2o c h 2c h 3

-1 16

(CH3CH2CH2)20 (CH3 )2CHOCH(CH3) 2 (CH3 CH2CH2CH2)20 c h 3o c h , c h , o c h 3

-1 2 2

34,6 90,5

- 86 - 97,9 - 68

141 83

-108

65,4

1 0 ,8

68

Yoğunluğu df(g mL >)

0,661 0,697 0,714 0,736 0,725 0,769 0,863 0 .8 8 8

Q

1,4-Dioksan

0 ^___0

Anizol (metoksibenzen)

< Q

11

^ 0CH3

- 37,3

10 1

1.033

158,3

0,994

481

I 1.2 Alkollerin ve Eterlerin Fiziksel Özellikleri

Çizelge I 1.2 Alkollerin Fiziksel Özellikleri Bileşik

Adı

en (°C)

kn (°C) (1 atm)

64.7 78,3 97,2 82,3 117,7 108.0 99.5 82,5 138.0 156,5 176 195

Yoğunluğu df(g mi,-1)

Suda çözünürlüğü (g 100 mL-ı H,0)

Monohidroksi Alkoller OO OO OO OO 8,3

CH3OH CH3CH2OH c h 3c h 2c h 2o h CH3CH(OH)CH3 CH3CH2CH2CH2OH CH3CH(CH3)CH2OH CH3CH2CH(OH)CH3 (CH3)3COH CH3(CH2)3CH2OH CH3(CH2)4CH2OH CH3(CH2)sCH2OH CH3(CH2)6CH2OH CH3(CH2)7CH2OH CH3(CH2)8CH2OH c h 2= c h c h 2o h

Metanol Etanol Propil alkol İzopropil alkol Bütil alkol İzobütil alkol seA-Bütil alkol rir-Bütil alkol Pentil alkol Heksil alkol Heptil alkol Oktil alkol Nonil alkol Deşil alkol Ali il alkol

-97 -117 -126

-129

228 97

0.792 0.789 0.804 0,786 0,810 0.802 0.808 0,789 0.817 0,819 0,822 0,825 0,827 0,829 0,855

O oh

Siklopentanol

-19

140

0,949

< ^ 0H

Sikloheksanol

24

161.5

0,962

3.6

C6H5CH2OH

Benzil alkol

-15

205

1,046

4

Diol ve Trioller c h 2o iic h 2o h c h 3c h o h c h 2o h c h 2o h c h c h 2o h c h 2o h c h o h c h 2o h

Etilen glikol Propilen glikol Trimetilen glikol Gliserin

- 1 2 ,6 -59 -30 -18

197 187 215 290

1,113 1,040 1,060 1,261

OO OO OO OO

-8 8

-90 -108 -114 25 -78.5 -52 -34 -15 5,5 6

212

Alkol molekülleri, hidrojen bağı oluşturarak birbirlerine tutunabilirler; buna karşılık, eter ve hidrokarbon molekülleri hidrojen bağı oluşturamazlar.

Buna karşılık eterler, su gibi moleküllerle hidrojen bağı oluşturabilirler. Bu neden le eterler, aynı molekül kütleli alkoller gibi suda çözünürler ve bu özellikleriyle hidro karbonlardan çok farklıdırlar. Örneğin, dietil eter ve 1 -bütanolün sudaki çözünürlüğü yaklaşık aynı olup oda sı caklığında 100 miride 8 g’dır. Bunun aksine, pentan suda çözünmez.

1 0 ,0

26,0 OO 2,4 0 ,6 0 .2

0.05

OO

482


Metanol, etanol, her iki propil alkol ve fer-bütil alkol suyla tamamen karışır (Çizel ge 11.2). Geriye kalan bütil alkollerin sudaki çözünürlükleri 100 mL suda 8,3-26,0 g dır. Alkollerin sudaki çözünürlüğü, molekülün hidrokarbon kısmı uzadıkça giderek aza lır. Uzun zincirli alkoller daha çok “alkan’a benzer” ve suya benzerlikleri daha azdır.

P ro bl em I I .

>- 1,2-Propandiol ve 1,3-propandiolün (sırasıyla propilen glikol ve trimetilen glikol, bkz. Çizelge 11.2) kaynama noktalan bütil alkollerin ve hatta molekül kütleleri yak laşık aynı olan tüm diğer bileşiklerin kaynama noktalarından daha yüksektir. Bu du rumu nasıl açıklarsınız?

I 1.3

Ö

nem li

A

lko ller

ve

Eter

ler

I 1.3 A Metanol Eski yıllarda metanolün çoğu, odunun kuru kuru damıtılması (havasız ortamda odunun yüksek sıcaklıklara ısıtılması) ile elde edilirdi. Bu üretim yönteminden dolayı, metanole “odun alkolü” de denilmektedir. Günümüzde metanolün büyük bir kısmı, karbon monoksitin hidrojenlenmesiyle elde edilmektedir. Bu tepkime, yüksek basınç altında ve 300^400°C sıcaklıkta meydana gelir. CO + 2 H2

3 0 0 -4 0 0 °C [ 2 0 0 -3 0 0 atm

CH3OH

Zn O —C r,O ı

Metanol oldukça zehirlidir. Az miktarda metanolün yutulması körlüğe; fazla mikta rı ise ölüme yol açar. Metanol zehirlenmesi, buharlarının solunması ya da cildin uzun ca süre metanole maruz kalmasıyla da meydana gelebilir.

I 1 .3 B Etanol

Bir taş fıçıda fermantas yona uğratılan üzümler

Etanol, şekerlerin fermantasyonuyla elde edilir ve tüm alkollü içkilerin alkolüdür. Mey ve sularındaki şekerlerin fermantasyonuyla etanoiün şarap şeklinde sentezi, belki de, or ganik sentez alanındaki ilk başarımızdır. Çok değişik kaynaklardaki şekerler, alkollü içkilerin üretiminde kullanılır. Bu şekerler çoğunlukla hububattan elde edildiklerinden, etanole hububattan türediği anlamında, “hububat alkolü” de denilmektedir. Fermantasyon genellikle, suyla şekerlerin karışımına maya ilavesiyle yapılır. Maya nın içerdiği enzimler, uzun bir tepkime dizisi sonunda basit şekeri (C6H 120 6) etanol ve karbon dioksite dönüştürür. C6Hl20 6^

2

CH3CH2OH + 2 C0 2 (~ %95 verim)

Fermantasyon sonunda, etanol içeriği %12-15’ten daha yüksek olan içki meydana gelmez; çünkü daha yüksek derişimlerde maya enzimleri etkinliklerini kaybederler. Da ha yüksek alkol içerikli içkileri üretmek için sulu çözelti damıtılmalıdır. Brandi, viski ve votka bu şekilde üretilir. Bir alkollü içkinin “alkol derecesi” (“proof”) alkol yüzdesinin (hacimce) iki katıdır. Yüz derecelik viskinin %50’si etanoldür. Değişik damıtık li körlerin tad ve kokuları, alkol ve suyla birlikte damıtılan diğer organik bileşiklerden kaynaklanır.

11.3 Önemli Alkoller ve Eterler

Etanol ve su çözeltisinin damıtılmasıyla %95’ten daha derişik etanol elde edilemez. %95 Etanol ve %5 su karışımı, saf etanol (kn 78,3°C) ve saf sudan (kn 100°C) daha dü şük sıcaklıkta kaynar (78,15°C). Bu tür bir karışım, bir azeotrop örneğidir. (Azeotropların kaynama noktaları, her iki saf bileşiğin kaynama noktasından da daha yüksek olabilir.) Saf etanol, %95’lik etanol su karışımına benzenin ilavesi ve sonra bu çözelti nin damıtılmasıyla elde edilebilir. Benzen, etanol ve suyla %7,5 su içeren başka bir aze otrop oluşturur. Bu azeotrop 64,9°C’da kaynar ve suyun uzaklaşmasını sağlar (bir miktar etanolle birlikte). Daha sonra saf etanol damıtılır. Saf etanole mutlak etanol denir. Etanol oldukça ucuzdur; ancak bu, içki üretiminde kullanıldığında büyük ölçüde ver gilendirilmektedir. (ABD’nin çoğu eyaletlerinde, vergi, galon başına 20 doların üzerin dedir.) ABD’deki federal yasalar, bilimsel ve endüstriyel amaçlarla kullanılacak etanolün içilemez hale getirilmesi için içine başka maddelerin karıştırılmasını veya “denatüre” edilmesini gerektirir. Metanol de dahil değişik denatüre edici maddeler kullanı lır. Etanol önemli bir endüstriyel kimyasaldır. Endüstriyel amaçlı etanolün büyük ço ğunluğu, etenin asit katalizli hidrasyonuyla elde edilir. CH,=CH, - + HtO — ÎlKlt—►CfUCfDOH J

*

Etanol bir hipnotiktir (uyku verici). Uyarıcı olduğuna inanılmasına karşın, beynin üst kısmının etkinliğini azaltır. Etanol de zehirlidir; ancak metanole oranla zehirliliğiçok daha düşüktür. Farelerde etanolün ölümcül dozu, vücut kütlesi başına 13,7 g kg-‘’dir. Günümüzde birçok ülkenin önemli problemlerinden birisi etanolün kötü amaçla uyuş turucu olarak kullanılmasıdır. I I . 3 C Etilen Glikol Etilen glikolün (HOCH2CH2OH) molekül kütlesi düşük, kaynama noktası yüksektir ve suyla karışır. Bu özellikleri, etilen glikolü ideal otomobil antifrizi yapmaktadır. Çok mik tarda etilen glikol, değişik ticari adlar altında bu amaçla satılır; ancak etilen glikol de zehirlidir. I 1. 3D Dietil Eter Dietil eter kaynama noktası düşük olan çok yanıcı bir sıvıdır. Laboratuvarlarda dietil eter kullanırken çok dikkatli olmak gerekir; çünkü açık alev veya elektrik düğmesinden çıkabilecek bir kıvılcım, dietil eter hava karışımlarının patlayarak yanmasına yol açar. Eterlerin çoğu, oksijenle radikalik olarak otoksidasyon (bkz. Altbölüm 10-1İC) de nilen yavaş bir tepkimeye girerek hidroperoksitleri ve peroksitleri oluşturur. 7. Basamak

\ OO-

OR' 2. Basamak

./ —C

\

+ o,

►— c —OR' OOH

OO3. Basamak (3a) — c — OR' + — C— OR'

*

— C—OR' Bir hidroperoksit

./ + —C

OR'

\

483


veya i i 00 • O R '----►R'O—C—0 0 — C—OR' 1 ./ ı ı 3. Basamak (3b) — C — OR' H---- C \

Bir peroksit

Uzun süre havayla temas (şişenin üst kısmındaki hava yeterlidir) sonucu oluşan ve biriken hidroperoksitler ve peroksitler tehlikeli patlayıcılardır. Bu bileşikler, eterli çö zeltiler hemen hemen kuruluğa kadar damıtıldıklarında herhangi bir uyarı vermeksizin patlarlar. Eterler ekstraksiyon işlemlerinde çok kullanıldıklarından, eterli çözeltiler da mıtılmadan önce peroksit varlığı araştırılmalı ve eğer varsa bozunması sağlanmalıdır. (Çalışmadan önce laboratuar kılavuzlarını inceleyiniz). Dietil eter ilk kez 1842*de C.W. Long of Jefferson tarafından Georgia'da cerrahi anestetik olarak kullanılmıştır. Ancak Long bu çalışmayı yayınlamamıştır. Kısa bir sü re sonra bu bileşiğin cerrahide kullanımı J. C. Warren tarafından Massachusetts Gene ral Hospital'da (Boston) başlatılmıştır. En gözde modern anastetik halotandır (CF,CHBrCl). Halotan. dietil eterin aksine ya nıcı değildir.

I 1.4

A LK O LLER İN A LK EN LER D EN SEN TEZİ ^ *

Bir alkol sentez yöntemi olan alkenlerin asit- katalizli lıidrasyonıınu daha önce ince lemiştik (Altböliim 8.5). Aşağıda bu yöntemi kısaca özetledikten sonra, iki ek yöntemi daha inceleyeceğiz. Altbölüm 11.5 ve 11.7‘de bu iki yöntemi ayrıntılı olarak ele alaca ğız. 1.

Alkenlerin Asit-Katalizli Hidrasyonu Altbölüm 8.5'te de incelediğimiz gibi, alkenlere bir asit katalizörün varlığında su katılır. Katılma. Markovnikov kuralını

'

H

/

+ H ,o

<—= ^ - Ç| ---- ç h ,o H

H

+A-* H

+ HA

1 u— u1— 1

/

C=C + HA «--►—c— / \ 1

îl

\

+ > 1

izler. Buna göre, etene su katılması hariç, tepkime ikincil ve üçüncül alkolleri oluş turur. Tepkime tersinirdir ve bir alkenin hidrasyonuna ilişkin mekanizma, bir alko lün delıidrasyonundakinin tersidir.

>n

484

H :Q\

H

Alkol

Alken

Çoğu kez çevrilme olması nedeniyle, alkenlerin asit-katalizli hidrasyonu, bir laboratuvar yöntemi olarak fazla yararlı ve kullanışlı değildir. [Hatırlatma: Çev rilme olduğunda, daha az kararlı bir karbokatyon daha kararlı bir kaıbokatyona (hidriir veya alkanür kaymasıyla) dönüşebiliri. P ro bl em

1.4

^

Aşağıdaki alkenleren asit-katalizli su katılmasından hangi ürünler oluşur? (a) Eten (c) 2-Metilpropen (b) Propen (d) 2-Metil-l-büten

Pr o bl em

1.5

^

3,3-Dimetil-l-bütenin sulu sülfürik asitle tepkimeye sokulması, 3,3-dimetil-2-bütanol eldesi için başarılı bir yöntem değildir; çünkü izomerik bileşik ana ürün olarak oluşur. Bu izomerik bileşik nedir ve nasıl oluşur?

11.5 Oksiciva Katılması-Civa Ayrılması Tekimesiyle Alkenlerden Alkollerin Eldesi

485

Şimdi diğer iki yöntemi inceleyeceğiz. 2.

3.

Oksiciva katılması - civa ayrılması olarak bilinen tepkime dizisi (Altbölüm 11.5), -H ve -OH'nin M a r k o v n i k o v katılması nedeniyle, asit katalizdi su katılmasını tamamlayan ilave bir yöntemdir: bu tepki mede ç e v r i l m e m e y d a n a g e l m e z . H id ro b o rasyo n - Y ü k se ltg em e Hidroborasyon - yükseltgeıne (Altbölüm 1 1 . 7 ) olarak bilinen diğer bir tepkime dizisi daha önceki iki yöntemi tamamlar; çünkü bu yöntem, -H ve -OH'nin bir alkene anti Markovnikov tarzı katılmasını sağlar. Bu tepkime -H ve -OH'nin s i n katılmasıyla sonuçlanır. O k s ic iv a k atılm ası - C iv a a y rılm a sı

I 1.5 O K S İ C İ V A K A T I L M A S I - C İ V A A Y R I L MA S I TEPKİMESİYLE ALKENLERDEN A L K O L L E R İ N EL DES İ Alkenlerden alkolleri elde etmek için kullanılan yararlı bir laboratuvar yöntemi o k s i c i v a k a t ı l m a s ı - c i v a a y r ı l m a s ı olarak bilinen iki basamaklı bir yöntemdir. Alkenler, THF ve su karışımı içerisinde civa(II) asetatla tepkimeye sokulduğunda (hidroksialkil)civa bileşiklerini verirler. Bu (hidroksialkil)civa bileşikleri sodyum borhidriirle alkollere indirgenebilir: 1. B a sa m a k: O k s i c i v a k a t ı l m a s ı

O / o \ / \ II ) THF C = C + H ,ü + Hg V0CCH3/, ------ ► —c —c — o + CH3COH / \ I I II HO Hg— OCCH3

\

2. B a sa m a k: C i v a a y r ı l m a s ı

I I —c —ç — I I HO

O II

+ OH- + NaBH.

O II

I I

* ~ Ç— Ç — + H§ + CH3C 0 I I

Hg— OCCH3

HO

H

Birinci basamakta, o k s i c i v a k a t ı l m a s ı n d a , su ve civa(II) asetat ikili bağa katılır; ikin ci basamakta, c i v a a y r ı l m a s ı n d a y s a sodyum borhidrür, asetoksiciva grubunu indirger ve bu grup hidrojenle yer değiştirir. (Asetat grubu, çoğu kez -OAc olarak kısaltılır.) Her iki basamak aynı tepkime kabında uygulanabilir ve her iki tepkime de oda sı caklığında ya da daha düşük sıcaklıklarda çok hızlı gerçekleşir. Birinci basamak-oksiciva katılması-genellikle 2 0 s ile 1 0 dakika içerisinde tamamlanır. İkinci basamak-civa ayrılması-ise normalde 1 saatten daha kısa sürer. Toplam tepkime sonunda, genellikle %90'ın üzerinde bir verimle alkol oluşur. Oksiciva katılması-civa ayrılması tepkimesi, büyük ölçüde yer seçicidir. Suyun -H ve -O H ’sinin katılma yönelimleri M a r k o v n i k o v k u r a l ı y l a u y u m l u d u r . H-, daha faz la sayıda hidrojen atomu içeren ikili bağ karbon atomuna bağlanır. H \

H / C=C / \ R H + HO— H

H (1) Hg(OAc),/THF—H ,0 (2) NaBH4, OH

Civa bileşikleri son derece teh likelidir. Civa ve bileşiklerinin katıldığı bir tepkimeyi uygula m adan önce bu bileşiklerin kullanılışı ve zararsız lıale dö nüştürülüp atılması konusun da bilgi sahibi olmalısınız.

H

►R—C—C—H HO

H

A Oksiciva katılm ası-civa ayrılm ası tepkimesinin yer seçiciliği

486


Aşağıda bazı özel örnekler verilmiştir Hg(OAc)

CH,(CH-),CH=CH,

NaBH,

►CH3(CH2)2ÇH— ç h 2

TH F-H ,0 (15 s)"

OH

HgOAc

OH(1 saat)

> CH3(CH2)2CHCH3 + Hg OH 2-Pentanol (%93)

1-Penten

NaBH,

Hg(OAc)2

------

Oksiciva katılması - civa ayrılması, hidrür veya alkanür çevrilmesine eğilimli değildir.

+ Hg

OH(6 dakika)

TH F-H ,0 (20 s)'

l-Metilsiklopentanol

1-Metilsiklopenten

Oksiciva katılması-civa ayrılması tepkimesinde karbon iskeletinin çevrilmesi çok na dir meydana gelir. Aşağıda verilen 3,3-dimetil-l-biitenin oksiciva katılması-civa ayrıl ması tepkimesi bu gerçeği ortaya koyan çarpıcı bir örnektir. CH3

CH, CHjC— CH=CH,

(2) NaBH,. OH”

-CHCH,

CHjÇCH, *3

CH3

OH

3,3-Dimetil-2bütanol (%94)

3,3-Dinıetil-lbüten

Ürün karışımının gaz kromatografisiyle yapılan analizinde hiç 2,3-dimetil-2-bütanol var lığı belirlenememiştir. Bunun aksine, 3,3-dimetil-l-bütenin asit katalizli hidrasyonununun ana ürünü, 2,3-dimetil-2-bütanoldür (Altbölüm 8.5). Tepkimenin oksiciva katılması kısmında katılmanın yönelimini gösteren ve aynı za manda çevrilmenin meydana gelmeyişini açıklayan mekanizma aşağıda gösterilmiştir. Bu mekanizmaya göre, HgOAc daha az sübstitüe ikili bağ karbonuna (yani, daha fazla sayıda hidrojen içeren karbon atomuna) atak yapmaktadır. Mekanizma, bir örnek ola rak 3,3-dimetil-l-büten kullanılarak açıklanmıştır:

Tepkime İçin Bir Mekanizma Oksiciva katılması /. Basamak Hg(OAc)2- rHgOAc + OAc Civa(II) asetat ayrışarak, bir HgOAc iyonu ve bir asetat iyonu oluşturur. CH3 I + 2. Basamak H3C—C—CH-^-CH, + HgOAc ►H3C CH3 +

3,3-Dimetil-l-büten

ch3

I -+ C CH

CH2

CH,

HgOAc

Civa-köprülü karbokatyon

Elektrofîlik HgOAc iyonu, alkenden bir elektron çifti alarak bir köprülü karbokatyon oluşturur. Bu karbokatyonda pozitif yük, 2° karbon atomu ve civa atomu arasında paylaşılmıştır. Karbon atomu üzerindeki yük. katılmanın Markovnikov yönelimi için yeterli büyüklükte olmasına karşın bir çevrilme için yeterli büyüklükte değildir.

11.5 Oksiciva Katılması-Civa Ayrılması Tepkimesiyle Alkenlerden Alkollerin

H H,Ç +:0 3. Basamak H3C— C—CH—CH2 CH3

H

* H3c —c —CH—CH, I i H3C HgOAc

V^HgOAc ö-f

Kısmî pozitif yüklü karbon atomuna bir su molekülü atak yapar.

H

H I¡^\ k H3C :() — H 1

:0 —H

H,C 'O : ' —----- ►H3C—C—CH—CH,

4. Basamak H3C—C—CH—CH2 H,C

HgOAc

H3C

+ H— Ö— H

HgOAc

H

(Hidroksialkil)civa bileşiği Bir asit-baz tepkimesinde proton, diğer su molekülüne veya asetat iyonuna aktarılır. Bu basamakta (hidroksialkil)civa bileşiği oluşur.

Hesaplamalar, bu tepkimede meydana gelen civa köprülü karbokatyonlarda pozitif yükün büyük ölçüde civa üzerinde toplanmış olduğunu ortaya koymuştur. Pozitif yükün çok az kısmı daha fazla sübstitüe olmuş karbon atomu üzerinde bulunur. Bu yük dağı lımı, Markovnikov katılmasını açıklamak için yeterli olmasına rağmen pozitif yük taşı yan karbokatyonlarda meydana gelen hızlı karbon iskeleti çevrilmeleri için küçüktür. Asetoksiciva grubunun hidrojenle yer değiştirme mekanizması iyi bilinmemektedir. Radikal oluşumu üzerinden yürüyor olabilir.

Uygun bir alkenden başlayarak, aşağıdaki alkollerin oksiciva katılması-civa ayrıl- •< ması tepkimesiyle sentezinin tüm basamaklarını gösteriniz. (a) te/-Bütilalkol (b) İzopropil alkol (c) 2-Metil-2-bütanol Bir alken; bir alkol (ROH) içeren THF’de civa(II) trifloroasetatla tepkimeye sokuldu ğunda, bir (alkoksialkil)civa bileşiği meydana gelir. Bu ürün NaBR,/OH~ ile etkileş- ^ tirildiğinde bir eter oluşur. Toplam süreç çözücü ve civa katılması (solvomerkürasyon) - civa ayrılması (demerkürasyon) olarak adlandırılır.

XC

RO ^ _ (L _ (L _

Q

/

\

çözücü ve civa katılması

j

|

Hg0 2CCF3 Alken

(Alkoksialkil)civa(II) trifloroasetat

NaB^-OH^

RO \

^

civa ayrılması

H Eter

(a) Bu eter sentezinin çözücü ve civa katılması basamağının olası mekanizmasını açık layınız. (b) Çözücü ve civa katılması - civa ayrılması işlemini, ter-bütil metil eter elde etmek için nasıl uygulayacağınızı gösteriniz.

P r o b l e m 11. 6

P r o b l e m 11. 7

487

488


I 1.6 Brovvn’ın hidroborasyonu buluşu, onun 1979 Nobel Ödülünü bir başkasıyla or tak olarak kazanmasını sağladı.

H İD R O B O R A SYO N : O SENTEZİ

r g a n o b o r a n la r in

Bir alkene hidrojen-bor bağı, içeren bir bileşiğin

H—

/

(bor hidrür olarak adlan

dırılır) katılması, çok yararlı bazı sentetik işlemlerin başlangıç noktasıdır. Hidroborasyon olarak bilinen bu katılma Herbest C. Brown (Purdue Üniversitesi) tarafından bu lunmuştur. Hidroboıasyon. en basit olarak aşağıdaki gibi gösterilebilir. \

/ C = C ^ + H— B

/

lıidroborasyon

----------- — > — C—C—

I I H /B . Alken

Bor hidrür

Organoboran

Hidroboıasyon, diboran olarak adlandırılan bor hidrür (B2Hf,) ile yapılabilir. Diboranın THF'deki çözeltisinin kullanılması çok daha uygundur. Diboran. THF'de çözül düğünde, her B2H 6 molekülü ayrışarak, BH3 (boran denir) ile THF arasındaki kompleksin iki molekülünü oluşturur.

B2H6 + 2 :Q : Diboran

THF

:, ö =BH3 THF: BH.,

BH., bir Lewis asididir (çünkü borun değerlik kabuğunda yalnızca altı elektron bulunmaktadır) ve THF’deki oksijen atomunun bir elektron çiftini alır.

THF:BH3 kompleksi içeren çözeltiler, ticari olarak elde edilebilirler. Hidroborasyon tep kimeleri, genellikle eterler içerisinde yapılır; bu amaçla etil eter (C2H5)20 veya “diglim” [(CH,0CH 2CH2)20 , ¿//etilen g//kol dimetileter] gibi molekül kütlesi daha yüksek eterler kullanılır. D ib o ra n re alkil boranların çok dikkatli k u lla nılm a la rı gerekir, çünkü bu bile şikler havada kendi kendilerine tu tu şu rlar (yeşil b ir alevle). T H F : B H 3 çözelti sinin kendiliğinden yanm a eğilim i nispeten daha d ü şü ktü r; fakat yin e de soy b ir atmosferde ve dikkatli k u lla n ılm a lıd ır.

I I . 6 A Hidroborasyonun Mekanizması Propen gibi bir 1-alken, THF:BH, kompleksi içeren bir çözeltiyle etkileştirildiğindc bor hidrür, üç alken molekülünün ikili bağına katılarak bir trialkil boran oluşturur. Daha cok sübstitüe

\ , CH,CH=CH, + H—BH,

Daha az sübstitüe C H C H — CH

-> CH3CHCH; — BH, — ----------^ (CH,CH2CH2)2BH H C H X H = CH ,

(CH3CH2CH2)3B Tripropilboran

Hidroborasyonun konum kimyası

Her katılma basamağında bor atomu, daha az sübstitüe ikili bağ karbon atomuna bağ lanır ve bor atomundan bir hidrojen atomu, diğer ikili bağ karbonuna aktarılır. Bu ne denle, hidroborasyon yer seçici ve anti-M arkovnikov türü bir katılma tepkimesidir

11.6 Hidroborasyon: Organoboranlann Sentezi

(hidrojen atomu, daha az sayıda hidrojen atomu içeren karbon atomuna bağlanır). Bor atomunun daha az sübstitüe karbon atomuna bağlanma eğilimini gösteren diğer örnekler ve bağlanma yüzdeleri aşağıda gösterilmiştir. Daha az sübstitüe

CH,

CH,C=ÇHCH, 5 ^ 3

CH,CH2Ç = ^ H 2

% 99

%1

Daha az sübstitüe

CH,

% 2 % 9S

Bor atomunun, bu gözlenen daha az sübstitüe ikili bağ karbon atomuna bağlanması, kıs men sterik etkenlerin sonucudur. Bor içeren hacimli grup daha az sübstitüe karbon ato muna daha kolay yaklaşır. BHj’ün ikili bağa katılmasına ilişkin önerilmiş bir mekanizma, ikili bağın 7Telekt ronlarını BH,'ün boş p orbitaline vermesiyle başlar (aşağıdaki mekanizmaya bakınız). Bundan sonraki basamakta bu kompleks, bor atomunun, ikili bağın daha az sübstitüe ol muş karbon atomuna ve bir hidrojen atomunun diğer karbon atomuna kısmen bağlı bu lunduğu dört merkezli bir geçiş hali üzerinden geçerek katılma ürününe dönüşür. Bu geçiş halinde olduğu gibi, elektronlar ikili bağın daha fazla sübstitüe karbon atomundan bor atomuna doğru kayar. Bu durum, daha fazla sübstitüe karbon atomunu kısmî pozi tif yüklü duruma getirir ve bu karbon atomu elektron veren bir alkil grubu taşıdığı için, pozitif yükü daha iyi barındırabilir. Bu nedenle, hem elektronik hem de sterik etkiler katılmanın anti Markovnikov yönelimini destekler.

T e p k i m e için Bir Me ka ni z m a Hidroborasyon

H H ,C \ ^ C===C>* H + H H \

/H B

k H ,C \ ^ C==C^

H3C \ s+ >H C ^C H ^! Ş h H -B^ t H

H \

/H B

H

H

H

Dört-merkezli geçiş hali Katılma bir başlangıç 7t kompleksi oluşumuyla gerçekleşir; bu kompleks, bor atomunun daha az sübstitüe karbon atomuna katıldığı dört merkezli geçiş haline dönüşür. Geçiş halindeki kesik çizgili bağlar, kısmen oluşmuş ve kısmen kırılmış bağlan göstermektedir. 7t

kompleksi

H'

4

C—C‘

H ‘H

H /B \ H H Geçiş hali, bir alkil borana dönüşür. Alkil boranın diğer B-H bağlan, benzer katılmalara uğrayabilir ve sonunda trialkilboran meydana gelir.

____

489

490


I I . 6B Hidroborasyonun Stereokimyası Hidroborasyonun stereokimyası

Hidroborasyonun geçiş hali, bor atomu ve hidrojen atomunun, ikili bağın aynı tarafın dan katılmasını gerektirir (daha önce verilen mekanizmayı tekrar inceleyiniz). Bu ne denle katılma, bir sin katılmadır. sin katı lm a

U r

i

II u

İlil,..

'

/

/

'c \ B —

H

H — B

/ \

1-Metilsiklopentenin hidroborasyonunda sin katılmanın sonuçlarını görebiliriz:

Eş olasılıklı enantiyomer oluşumu, bor hidrürün, 1-metilsiklopentene üst taraftan katıl masının sonucudur.

P ro bl em 11.8

P ro bl em 11.9

^

Uygun bir alkenden başlayarak, (a) tribütilboran (b) triizobütilboran ve (c) tri-5 cÂrbütilboran sentezini açıklayınız; (d) 1-Metilsikloheksenin hidroborasyonunun stereokimyasını gösteriniz. 2-Metil-2-büten gibi sterik engelli bir alken. THF:BH3 ile etkileştirildiğinde, bir trialkilboran yerine bir dialkilboran meydana gelir. Eğer iki mol 2-metil-2-büten 1 mol BH3’e katılırsa “disiamilboran” olarak da bilinen bir ürün oluşur. Yapısını göste riniz. Disiamilboran, sterik engelli boranların gerekli olduğu sentezlerde yararlı bir reaktiftir. (“£)/-5 ekonder-/zo-am//”den gelen “disiamil” adı hiç sistematik olmayan ve kabul görmeyen bir addır. “Amil” adı, beş karbonlu alkil grubunun eski yaygın adıdır.)

I 1.7

H İd r o A lken

b o r a s y o n ler d en

A

-Y

ük seltg em eyle

lk o lle r in

E

ldesî

Suyun kısımlarının ikili bağa katılması, laboratuvarda diboran veya THF:BH3 kullanı larak da gerçekleştirilebilir. Suyun katılması doğrudan değil, ardarda iki tepkimeyle mey dana gelir. Birincisi boranın ikili bağa katılması, yani hidroborasyotı; İkincisi, organoboran ara ürününün bir alkol ve borik aside yükseltgenmesi ve hidrolizidir. Bu basamakları, propenin hidroborasyon-yükseltgeme tepkimesiyle gösterebiliriz. 3 CH3CH=CH 2

V (CH3CH2CH2)3B — ----- ►3 CH3CH2CH2OH

Propen

Tripropilboran Hidroborasyon

Propil alkol Yükseltgeme

11.7 Hidroborasyon-Yükseltgemeyle Alkenlerden Alkollerin Eldesi

Hidroborasyon basamağında oluşan alkilboranlar genellikle izole edilmezler. Bun lar aynı tepkime kabında, sulu baz içerisindeki hidrojen peroksidin ilavesiyle yükseltgenir ve alkollere hidrolizlenirler. R’B

3

R- ° H + Na'B°-'

yükseltgeme

Yükseltgenme basamağının mekanizması, bir hidroperoksit (HOO-) iyonunun, elekt ron eksikliği olan bor atomuna katılmasıyla başlar.

İ Te pk im e için Bir Mekanizma I : Trialkilboranların Yükseltgenmesi R R -1 „ \ .. •• R — B + : ( ) — O— H ---- ► R—B— o — o —H ---- ► B— 0 — R + =0 — H / .. \ " " R R R R

/¿c "N •-

Trialkilboran

Kararsız ara ürün

Hidroperoksit iyonu

Bor atomu, hidroperoksit iyonunundan bir elektron çifti alarak kararsız bir ara ürün oluşturur.

Borat esteri

Bir hidroksit iyonu ayrılırken bir alkil grubu, bordan komşu oksijen atomuna göç eder.

Alkil göçü, alkil grubunun konfigüı asyonu korunarak gerçekleşir. Bu iki basamağın tekrarlanması, alkil gruplarının tamamının oksijene bağlanmasına kadar sürer. Bunun sonunda bir ester olan tiralkil borat, B(OR) 3 oluşur. Bu ester, daha sonra bazik hidroli ze uğrayarak, üç molekül alkol ve bir borat iyonu oluşturur. B(OR) 3 + 3 OH- — ^

3 ROH + B033-

Hidroborasyon tepkimeleri yer seçici olduğundan, hidroborasyon-yükseltgeme tep kimesinin net sonucu, suyun anti Markovnikov katılmasıdır. Sonuç olarak, hidrobo rasyon-yükseltgeme; alkenlerin asit katalizli hidrasyonu ya da oksiciva katdması-civa ayrılması tepkimeleriyle elde edilemeyen alkollerin elde edilmesi için bir yöntem sağ Hidroborasyonlar. Örneğin, 1 - heksenin asit katalizli hidrasyonu (veya oksiciva katılması-civa ayrıl yükseltgemenin konum kimyası ması tepkimesi) 2 -heksanolü verir. c h 3c h 2c h 2c h 2c h = c h 2 11,0

’ H:° ►CH3CH2CH2CH2CHCH3 OH

1-Heksen

2-Heksanol

Hidroborasyon-yükseltgemeyle bunun tersi bir ürün, 1-heksanol elde edilir. c h 3c h 2ch 2c h 2c h ==c h 2

1-Heksen

(2) M

CH3CH2CH2CH2CH2CH2OH 1-Heksanol (%90)

491

492


Diğer hidroborasyon-yükseltgeme tepkimelerinin örnekleri aşağıda verilmiştir:

CH,—C=CHCH,

(1) THFsBHj

CH,— C —CHCH, I I H oh

(2) H,ü 2.O H -

3-Metil-2-bütanol (%59)

2-Metil-2-bütcn (1) THF:BHı

enantiyomer

(2) H ,0: , OH”

H HO /rflH.v-2-Metilsiklopentanol (%8 6 )

1-Metilsiklopenten

I I . 7 A Organoboranların Yükseltgenmesinin Stereokimyası

A Hidroborasyon-yükseltgemenin toplam stereokimyası

P ro bl em I I . I

Alkollerin hidroborasyon-yükseltgeme sentezinin yükseltgenme basamağı, konfigiirasyonun korunmasıyla yürüdüğünden bor atomunun yerine geçen hidroksil grubu, orgaııoboran bileşiğindeki bor atomunun bulunduğu konuma geçer. İki basamağın (hidroborasyoıı ve yiikseltgeme) net sonucu. H-ve-OH'nin sin katılmasıdır. 1-Melilsiklopentenin hidroborasyon-yükseltgenmesini (Şekil 11.1) incelediğimizde bunu görebili riz.

>■ Uygun bir alkenle başlayarak aşağıdaki alkolleri, hidroborasyon-yükseltgeme tep kimesiyle nasıl elde edeceğinizi gösteriniz. (a) 1-Pentanol (b) 2-Metil- 1-pentanol (c) 3-Metil-2-pentanol (d) 2-Metil-3-pentanol (e) r/Y//ii-2-Metilsiklobütanol

Hidroborasyon

h 2 o 2, oh ~

bor gi’ubu yer değiştirir

Yiikseltgeme

konfigürasyonu korunur irans-2-Metilsiklopentanol

Şekil I I. I 1-Metilsiklopentenin hidroborasyon-yükseltgeme tepkimesi. İlk basamak, bo ranın sin katılmasıdır. (Bu gösterimde, bor ve hidrojenin, 1-metil-siklopentenin alt tarafın dan girişleri gösterilmiştir. Tepkime, eşit hızla üst taraftan da meydana gelerek enantiyomeri oluşturur.) İkinci tepkimede bor atomu, konfigürasyon korunarak hidroksil grubuyla yer değiştirir. Ürün bir trans bileşiktir (Pa/ıs-2-metilsikloheksanol) ve toplam sonuç, -H ve -O H ’nin sin katılmasıdır.

11.8 Alkollerin Tepkimeleri

I I.7B

Organoboranların Protonlanması

Bir organoboramn asetik asitle ısıtılması, karbon-bor bağının aşağıdaki gibi bölünme sine neden olur. C H ,C O ,H

R— B

/ ► R— H + CH3C — O — B

\

O Organoboran

Alkan

Bu tepkimede de konfigürasyon korunur. Hidrojen, organoborandaki borla, borun bu lunduğu konumda yer değiştirir. Bundan dolayı tepkimenin stereokimyası, organoboranların ytikseltgenmesindeki gibidir ve döteryum ya da trityumun özel bir yoldan sokulması açısından çok yararlı olabilir.

Gerekli herhangi bir alkenden (veya sikloalkenden) başlayarak ve elinizde döteryo- *< asetik asit (CH3 C 0 2D) bulunduğunu varsayarak, aşağıdaki döteryumla işaretlenmiş bileşiklerin sentezlerini tasarlayınız. CH3 (+ enantiyomer) (a) (CH3 )2CHCH2CH2D (b) (CH3 )2CHCHDCH3 (c) D (d) Yine elinizde THF:BD3 ve CH3C 0 2T bulunduğunu varsayarak aşağıdaki bile şik için bir sentez öneriniz. D

I 1.8

A L K O L L E R İN TEPKİM ELERİ

Alkol fonksiyonel grubundaki elektron dağılımının ve bu dağılımın etkinliği nasıl etki lediğinin incelenmesi, alkollerin tepkimelerini anlamamıza yardımcı olacaktır. Bir al kolün oksijen atomu, hem C -0 bağım hem de O-H bağını polarlaştırır.

»»>• C u / 8+

H

Bir alkol fonksiyonel grubu

C Metanolün bir elektrostatik potansiyel haritası

O-H bağının polarlanması, karbon atomunu kısmen pozitif yapar ve alkollerin neden zayıf asitler olduklarım açıklar (Altbölüm 11.9). C— O bağının polarlanması ise kar bon atomunu kısmen pozitif yapar. Eğer OH- kuvvetli bir baz ve dolayısıyla zor ayrı lan bir grup olmasaydı, bu durum, karbon atomunu nükleofilik ataklara karşı duyarlı yapardı.

P ro bl em I l . l I

493

494


Oksijen atomu üzerindeki elektron çiftleri, oksijeni hem bazik ve hem de nükleofilik yapar. Kuvvetli asitlerin varlığında alkoller baz olarak etkirler ve aşağıda görüldü ğü gibi proton alırlar.

—C—O —H + Alkol

H—A

Kuvvetli asit

I L -C—O— H + A' Protonlaşmış alkol

Alkollerin protonlanması, zor ayrılan bir grubu (OH~) kolay ayrılabilen bir gruba (H20) dönüştürür. Bu durum, karbon atomunu da daha pozitif hale getirir (çünkü —OH2+, -OH’den daha fazla elektron çekicidir) ve bu nedenle, nükleofilik atağa karşı daha du yarlı olur. Şimdi yer değiştirme tepkimeleri mümkün hale gelmiştir (alkolün sınıfına bağ lı olarak, SN2 veya SN1, Altbölüm 11.13). H

H

N u ^ + ^ C — O — H - ^ > Nu—C— + :() — H

I

"

I

Protonlanmış alkol

Alkoller nükleofil olduklarından, protonlanmış alkollerle de tepkimeye girebilirler. Bu, Altbölüm 11.15’te de inceleyceğimiz gibi, eterlerin sentezinde önemli bir basamaktır. H H .. rai| o2 ..I R— 0 : + —C —() — H R—O—C— + =0—H H

H Protonlaşmış eter

Çizelge 1 1.3 Bazı Zayıf Asitlerin pKa Değerleri Asit

CH3OH H20 c h 3c h 2o h (CH3)3COH

Yeterince yüksek sıcaklıklarda ve güçlü bir nükleofilin olmadığı durumlarda protonlanmış alkoller, alkollerin dehidrasyon tepkimelerinde olduğu gibi (Altbölüm 7.7) El ve E2 tepkimeleri verebilirler. Alkoller, PBr3 ve SOCl2 ile de tepkimeye girerek alkil bromür ve alkil klorürleri oluş tururlar. Altbölüm 11.14’te de görüleceği gibi, bu tepkimeler ortaklaşılmamış elektron ları olan ve nükleofil olarak davranan alkoller tarafından başlatılır.

PK

15,5 15,74 15,9 18,0

Hatırlatma: Bir asidin

konjuge bazını kararlı kılan herhangi bir etken, asitliği arttırır.

I 1.9

A LK O LL E R İN A S İT O L A R A K DAVR AN IŞI

Beklenildiği gibi; alkollerin asitliği suyun asitliğiyle karşılaştırılabilir düzeydedir. Metanol sudan (jpKa = 15,7) çok az daha kuvvetli asittir; ancak alkollerin çoğu sudan daha zayıf asittir. Bazı alkollerin pKa değerleri Çizelge 11.3 ’te verilmiştir. ter-Bütil alkol gibi sterik engelli alkollerin daha düşük asitliği, sarılma etkilerinden ileri gelir. Sterik engelsiz alkollerin olması durumunda, alkol kuvvetli baza proton verdiğinde oluşan alkoksit iyonunun negatif oksijeni su molekülleri tarafından sarılabilir. Bu sarılma, alkoksit iyonunu kararlı kılar ve alkolün asitliğini arttırır. H H k r~ \ 1 » I. R— O— H :0 — H «-=* R~ 9 :" + H — O— H Alkol

Alkoksit iyonu (sarılma ile kararlı kılınır)

11.10 Alkollerin Mesilatlara ve Tasilatlara Dönüştürülmesi

495

Alkolün R—grubu hacimli ise, alkoksit iyonunun sarılması engellenir ve alkoksit iyo nu etkin bir şekilde kararlı halde tutulamaz. Bu nedenle bu alkol daha zayıf asit olur. Ancak tüm alkoller, uç alkinlerden çok daha kuvvetli asittir. Alkoller; hidrojen, amon yak ve alkanlardan da çok çok daha kuvvetli asittir (Çizelge 3.1’e bakınız). Bağıl asitlik

H20 > ROH > RC=CH > H2 > NH3 > RH Bir alkolün konjuge bazı bir alkoksit iyonudur. Sodyum ve potasyum alkoksitler, alkollerin metalik sodyum veya potasyumla ya da metal hidrürlerle etkileştirilmesiyle elde edilebilirler (Altbölüm 6.16B). Alkollerin çoğu sudan daha zayıf asit oldukların dan, alkoksit iyonlarının pek çoğu, hidroksit iyonundan daha kuvvetli bazdır. Bağıl bazlık

R" > NH2 > H" > RC=C~ > RCT > HCT Aşağıda verilen bileşiklerin çözeltilerine etanol katıldığında meydana gelebilecek ■< P ro bl em 11.12 (eğer olursa) asit-baz tepkimelerinin eşitliklerini yazınız. Her tepkimedeki kuvvetli asit ve kuvvetli bazı işaretleyiniz, (a) Sodyum amit (b) Sodyum etinür ve (c) Sod yum asetat (Çizelge 3.1'i inceleyiniz). Sodyum ve potasyum alkoksitler, çoğu zaman organik sentezlerde baz olarak kulla nılırlar (Altbölüm 6.16B). Bir organik tepkime uygulanırken, hidroksit iyonundan daha kuvvetli bir baz gerektiğinde, ancak amit iyonu veya bir alkanın anyonu gibi çok daha kuvvetli bazlar gerekmedikçe, etoksit veya rer-bütoksit gibi alkoksitleri kullanırız. Eğer bir tepkimede su yerine alkol çözücü olarak kullanılacaksa (çözünürlük nedeniyle), baz olarak alkoksit iyonları kullanılır. 1 1 . 1 0 A L K O L L E R İ N M E S İ L A T L A R A VE T O S İ L A T L A R A DÖNÜŞTÜRÜLM ESİ

CV

Alkoller sülfonil klorürlerle tepkimeye girerek sülfonatlar adı verilen esterleri oluştu rurlar. Örneğin, etanol metansülfonil klorürle tepkimeye girerek etil metansülfonatı ve p-toluensiilfonil klorürle, etil /7-toluensülfonatı oluşturur. Bu tepkimelerde, alkolün C—O bağı değil, O—H bağı kırılır [Alkol kiral ise konfigurasyon değişmesi olmaz (bkz. Altbölüm 11.11)]. O

CH,S —Cl O Metansülfonil klorür

O II + H—OCH,CH, ^ , ► CH,S— ()CH,CH, 2 3 (-H C I) II o Etanol

Etil metansülfonat (etil mesilat)

O CH,

O

OH-

Cl + H — OCH2CH,

O

P-Toluensülfonil klorür

baz

(—HCD

CH

S—OCH2CH3 O

Etanol

Etil p-toluensülfonat (etil tosilat)

Altbölüm 11.11’de görüleceği gibi, bir sülfonat ester oluşumu, bir alkolün hidroksil grubunu bir ayrılan gruba dönüştürmede yararlıdır.

496


Tepkimenin izlediği mekanizma (bir örnek olarak metansülfonil klorür kullanıldı ğında) alkolün C—O bağının kırılmadığı gerçeğini açıklar.

Tepkime İçin Bir Mekanizma Bir Alkolün Alkil Metansülfonata Dönüşümü

Me—S — Cl + H—O— R O Metansülfonil Alkol klorür Alkol oksijeni, siilfonil klorürün kükürt atomuna atak yapar.

../«

V Me— S—0 + S \ \ O ^Cl H

Ara ürün bir klorür iyonu kaybeder.

O R II Me— S—0 + II H o

o -► Me—S —O—R :B

+ H B

O

(birbaz) Alkil metansülfonat Bir protonun ayrılmasıyla ürün oluşur.

P ro bl em 11.13

^

Bir izotopla işaretlenmiş bir alkol kullanarak, alkil slilfonat oluşumunda alkolün C—O bağının bölünmediğini gösteren bir deney öneriniz.

Sülfonil klorürler, genellikle sülfonik asitlerin fosfor pentakloıürle etkileştirilmesiyle elde edilirler. (Sülfonik asitlerin sentezini 15. Bölümde inceleyeceğiz.)

-►CH,

Cl + POCI, + HCI O

p-Toluensülfonik asit

p-Toluensülfonil klorür (tosil klorür)

Metansülfonil klorür ve p-toluensülfonilklorür çok sık kullanıldıklarından, organik kimyacılar bunların gerçekten uzun olan adlarını, sırasıyla, “mesil klorür” ve “tosil klorür” olarak kısaltırlar. Yine metansülfonil grubuna çoğu zaman “mesil” grubu ve p-toluensülfonil grubuna “tosil” grubu denir. Metansülfonatlar “mesilatlar” ve p-toluensiilfonatlar “tosilatlar” olarak adlandırılır. 0 11

CH,—S— veya Ms— ‘ II

o

Mesil grubu

C H (/ ' x\ ^ /

O II II 0

Tosil grubu

veyaTs—

11.11 Sn2 Tepkimelerinde Mesilatlar ve Tosilatlar

497

O CH,—S— OR veya MsOR O Bir alkil mesilat

Bir alkil tosilat

Uygun sülfonik asit ve PC15 veya uygun sülfonil klorıirlerle başlayarak (a) metil p- < toluensülfonat (b) izobiitil metansülfonat ve (c) ter-bütil metansülfonatı nasıl elde edebileceğinizi gösteriniz. I l . l I S n 2 T E P K İM E L E R İN D E M E S İL A T L A R VE

P ro bl em 11.14

>

TO S İLA TLA R Stilfonat iyonları çok iyi ayrılan gruplar olduklarından alkil sülfonatlar, nükleofilik yer değiştirme tepkimelerinde substrat olarak çok sık kullanılırlar. O O II ,
Sülfanat iyonu (çok zayıf baz — iyi ayrılan bir grup)

Triflorometansülfonat iyonu (CFjSCbCT) bilinen ayrılan grupların en iyilerinden biri sidir. Alkil triflorometansiilfonatlar-ü/A// triflatlar olarak adlandınlırlar-niikleofilik yer değiştirme tepkimelerinde son derece hızlı tepkime verirler. İyi ayrılan grup olan triflatlardan vinilik triflatlar da S^l tepkimelerine uğrayarak vinilik katyonları verirler.

,o s o 2c f 3 C _oı_ÜE__►\ C = C — + OSO,CF, \ / Vinilik Vinilik Triflat triflat katyon iyonu Alkil sülfonatlar. alkollerle nükleofilik yer değiştirme tepkimelerinin uygulanması için dolaylı bir yöntem sağlarlar. Önce alkol, alkil sülfonata dönüştürülür ve sonra sül A fonat. bir nLikleofiİle tepkimeye sokulur. Eğer—OH grubunun bağlı olduğu karbon ato mu bir stereomerkezse, ilk basamak—sülfonat oluşumu—konfigurasyon korunarak Alkol hidroksil grubunu gerçekleşir, çünkü stereomerkeze bağlı hiçbir bağ kırılmaz. Yalnız O—H bağı kırılır. ayrılan grup haline dönüştürmek için bir İkinci basamak, eğer tepkime SN2 ise. konfigurasyonun devrilmesiyle gerçekleşir. yöntem P

1. Basamak

\

H

yc

konfigürasyon değişmez

— O H - H + C l — r T s -----►

- hci

c — o —

H

R'

R \

y

R' konfigürasyon

2. Basamak

Nu

Ts

deâişir

R '

c — o —Ts - cV - > Nu— c + O—Ts s *2 V H R'

Alkil sülfonatlar (tosilatlar vb.), alkil halojenıirlerin verdiği tüm nükleofilik yer değiş tirme tepkimelerini verirler.

ımyası Alkil F o s fa tla r ^ L lkoller fosforik asitle tepkimeye girerek alkil fosfatları oluştururlar: O

O

ROH + H O - j - O H - ^ ^

R O -P -O H

OH Fosforik asit

OH Alkil dihidrojen fosfat

O ROH

O

II

R O -P -O H

KOH

II

R O -P -O R

OR Dialkil hidrojen fosfat

OR Trialkil fosfat

Fosforik asit esterleri biyokimyasal tepkimelerde önemlidir. Özellikle önemi olan trifosfat esterleridir. Ester grubunun veya bir alkiltrifosfatın anhidrit bağının hidroliz tep kimesi eksotermik olmasına rağmen, sulu çözeltilerde bu tepkimeler çok yavaş yürürler. pH 7 civarında, bu trifosfatlar negatif yüklü iyonlar halinde bulunurlar ve bundan do layı, nükleofilik atağa fazla duyarlı değildirler. Bunun sonucu olarak alkiltrifosfatlar, canlı hücrenin sulu ortamında bağıl olarak kararlı bileşiklerdir. 0

0

0

II “> ROH + HO—P—o — p—o —p—OH 1

I

O

OH

Ester bağı O O

0

RO— P— O— P— O— P— OH OH

OH Anhidrit

bağları

OH

H ,0

Yavaş

I

OH 0

I

I

II

I

OH

0

I

-> RO—P—OH + HO —p—o —p—OH 1 I I OH OH OH O II II -* RO—p—o —p—OH + HO— p—OH 0

0

1

I

OH

I

OH

I

OH

Diğer taraftan enzimler, anhidrit bağlarının bölünmesiyle enerji sağlayan bu trifosfat tepkimelerini katalizleyerek hücrenin diğer kimyasal bağları oluşturmasına yardım ederler. Bölüm 22'de, adenosin trifosfat (veya ATP) olarak bilinen önemli trifosfatı in celediğimizde, bu konuda daha fazla bilgi edineceğiz.

Pr o bl em 11.15

498

► (a) (/?)-2-Bütanol bir tosilata dönüştürüldüğünde ve (b) bu tosilat SN2 yoluyla hid roksit iyonuyla tepkimeye girdiğinde, (c) ds-4-metilsikloheksanol tosilata dönüştü rülüp, bu tosilat LiCl ile (uygun bir çözücüde) tepkimeye sokularak //-¿m5'-l-kloro-4 -metilsikloheksan oluşturulduğunda, oluşan ürünlerin konfigürasyonlarını belirtiniz. Bu basamakların stereokimyasını açıklayınız.

11.13 Alkollerin Hidrojen Halojenürlerle Tepkimelerinden Alkil Halojenürlerin Elde Edilmesi

1 1 . 1 2 A l k o l l e r İn A l k î l H DÖNÜŞTÜRÜLM ESİ

a lo jen ü r ler e

Alkoller, değişik reaktiflerle tepkimeye girerek, alkil halojenürleri meydana getirirler. En çok kullanılan reaktifler; hidrojen halojenürler (HC1, HBr veya HI), fosfor tribromür (PBr3) ve tiyonil klorürdür (SOCl2). Bu reaktiflerin kullanılışına ilişkin örnekler aşağı da verilmiştir. Bu tepkimelerin hepsinde, alkolün C—O bağı kırılır. CH, CH3 | 25
ch3 (%94)

CH3CH2CH2CH2OH + HBr(der)—— ♦ CH3CH2CH2CH2Br soğutucu altında kaynatma

3 (CH3 )2CHCH2OH + PBr, ~

(%95)

3 (CH3)2CHCH2Br + H3P0 3 (% 5 5 -6 0 )

S0 2

+

HC1

(piridinle bir tuz oluşturur) (%91)

11. 13 A LK O LLE R İN HİD R O JEN H A LO JEN Ü R LE R LE TE P K İM ELER İN D EN A LK İL H A LO JEN Ü R LE R İN E l d e E d İl m e s İ Alkoller bir hidrojen halojenürle tepkimeye girdiklerinde, bir yer değiştirme meydana gelerek bir alkil halojenür ve su oluşur. R -j-O H + HX -----►R — X + H20

Hidrojen halojenürlerin etkinlik sırası HI > HBr > HC1 (HF genellikle etkin değil); ve alkollerin etkinlik sırası 3° >2° >1° > metil şeklindedir. Tepkime asit-katalizlidir. Alkoller, kuvvetli asit olan hidrojen halojenürlerle (HC1, HBr ve HI) tepkime verir; fakat asidik olmayan NaCl, NaBr ve Nal ile tepkime vermez ler. Birincil ve ikincil alkoller, sodyum halojenür ve sülfürik asit karışımıyla tepkime ye sokulduklarında, alkil klorür ve alkil bromürlere dönüştürülebilirler. ROH + NaX H;S° V

rX

+ N aH S 04 + H20

I I . I 3 A Alkollerin H X ile Tepkimelerinin Mekanizmaları İkincil, üçüncül, allilik ve benzilik alkoller belirgin olarak, daha önce Altbölüm 3.13’te incelediğimiz, karbokatyon oluşumunu içeren bir mekanizmayla tepkimeye girerler; biz bunu, protonlarımış alkolün substrar olarak davrandığı bir SNJ tepkimesi olarak tanım layabiliriz. Bu mekanizma, ter-bütil alkol ve hidroklorik asitin tepkimesiyle tekrar açık lanacaktır.

499

500


İlk iki basamak, bir alkolün dehidrasyon mekanizmasındaki basamaklarla aynıdır (Altbölüm 7.7). Alkol bir proton alır ve sonra protonlanmış alkol ayrışarak bir karbonkatyon ve su oluşur. CH3 CH, H

/ t

1. Basamak CH3—C — O— H + H — O— H CH, ch,

hızlı

iC H 3

H h

i U k 2. Basamak CH,—C O

CH,

H

± CH

H

H

CH. yavaş

O— H + : Ö— H

+ O— H *\ ch3

CH,

Alkol dehidrasyonu ile bir alkil halojenürün oluşum mekanizmalarının 3. basamak ları farklıdır. Dehidrasyon mekanizmalarında karbokatyon. El tepkimesiyle bir proton kaybederek bir alken oluşturur. Bir alkil halojenür oluşumunda ise. karbokatyon bir nüklcofille (bir halojenür iyonu) SN1 tepkimesi verir. CH, hızlı

3. Basamak

=►CH,— C—C1 ' I “ CH,

Bu iki tepkimenin faklı yürüyüşünü nasıl açıklayabiliriz? Bir alkolü dehidrasyona uğratacağımızda genellikle tepkimeyi, derişik sülfürik asit içe risinde yaparız. Tepkime karışımındaki nükleofiller yalnız su ve hidrojen sülfat (HS04-) iyonudur. Bunların her ikisi de güçsüz nükleofildir ve bunlar genellikle düşük derişimIeıdedir. Bu koşullarda, etkinliği yüksek olan karbokatyon, bir proton kaybederek ken disini kararlı hale getirir ve bir alkene dönüşür. Net sonuç bir El tepkimesidir. Bunun tersi olan tepkimede, yani bir alkenin hidıasyonunda (Altbölüm 8.5), kar bokatyon bir nükleofille, suyla tepkimeye girer. Alken hidrasyonları. su derişiminin yüksek olduğu seyreltik sülfürik asit içinde yapılır. Bazı hallerde karbokatyonlar HSÜTı iyonu veya sülfürik asidin kendisiyle de tepkimeye girebilirler. Bu durum larda alkil hidrojen sülfat (R—OSO,OH) oluşur. Bir alkolü, bir alkil halojenime dönüştürürken tepkimeyi hem asil varlığında hem de halojenür iyonları varlığında uygularız. Halojenür iyonları iyi nükleofilIerdir (sudan çok daha güçlü nükleofillcrdir) ve halojenür iyonları yüksek derişimde var olduklarından karbokatyonların büyük çoğunluğu halojenür iyonunun bir elektron çiftini alarak, ken dilerini kararlı hale dönüştürürler. Genel sonuç, bir SN1 tepkimesidir. Bu iki tepkime, dehidrasyon ve alkil halojenür oluşumu, nükleofilik yer değiştirme ve ayrılma (bkz. Altbölüm 6.19) tepkimeleri arasındaki yarışa başka bir örnek oluştu rur. Bir alkolün bir alkil halojenime dönüştürülmesi sırasında, çoğu kez tepkimeye bir alken (ayrılmayla oluşan) oluşumunun eşlik ettiğini gözleriz. Karbokatyonların verdiği bu iki tepkimenin serbest aktifleşme enerjileri birbirinden çok farklı değildir. Buna gö re, karbokatyonların tamamı nükleofillerle tepkimeye girmez; bazıları proton kaybede rek kararlı hale geçerler. Alkollerin asit katalizli tepkimeyle alkil halojenürlere dönüşümlerinin tamamı, kar bokatyon oluşumu üzerinden yürümez. Birincil alkoller ve metanol SN2 olarak bildiğimiz mekanizmayla tepkimeye girerler. Bu tepkimelerde asidin işlevi, protonlanmış alkol oluş turmaktır. Sonra halojenür iyonu bir su molekülü (iyi ayrılan grup) ile yer değiştirir ve bir alkil halojenür oluşturur.

11.13 Alkollerin Hdıojen Halojenüılerle Tepkimelerinden Alkil Halojenürlerin Elde Edilmesi

H H ^ ^ 1 nsi 1 + + R -C — 0—H 11 H (protonlanmış 1° alkol veya metanol)

H I •0 — H

H ----►: X— C — R + H

(ivi ayrılan bir grup)

Halojenür iyonları (özellikle iyodür ve bromür iyonu) güçlü nükleofiller olmalarına rağmen alkollerle yer değiştirme tepkimesi verebilecek kadar güçlü değillerdir. Yani aşa ğıda gösterilen türde bir tepkime olmaz. .. - i ı /Y . . ı : Br =- H----- C — O -^-►:Br— C— +--O H İH " I Ayrılan grup çok kuvvetli bir baz olan hidroksit iyonu olduğundan bu tepkime meyda na gelmez. Alkollerin hidrojen halojenüılerle tepkimelerinin neden asit katalizli olduğunu şim di anlayabiliyoruz. Üçüncül ve ikincil alkollerle tepkimelerde asidin görevi bir karbokatyon oluşumuna yardım etmektir. Metanol ve birincil alkollerle tepkimelerde ise asidin görevi, ayrılan grubu kuvvetli bazik hidroksit grubu yerine zayıf bazik su molekülü olan bir substrata dönüştürmektir. Beklenildiği gibi alkollerin hidrojen halojenürle. özellikle karbokatyoııların oluştu ğu. tepkimelerine çevrilmeler eşlik eder. Kloriir iyonu, bromür ya da iyodür iyonundan daha zayıf nükleofil olduğu için bi rincil ve ikincil alkollerle tepkime vermez. Tepkime ancak karışıma çinko kloriir veya benzer bir Lewis asidi ilave edildiğinde gerçekleşir. İyi bir Lewis asidi olan çinko klorür oksijen atomunun ortaklaşılmamış elektron çiftiyle birleşerek alkolle bir kompleks oluşturur. Bu durum, tepkime için sudan daha iyi bir ayrılan grup oluşumuna yol açar.

a Tersi olan tepkime, yani bir alkil halojenürün hidroksit iyonuyla tepkimesi de meydana gelir ve bu, bir alkol sentez yöntemidir. Bu tepkimeyi 6. Bölümde incelemiştik.

R—Ö: + ZnCL +=± R—Ö—ZnCL I ■ I H 11 Cl:- + R— O—ZnCL i

* :C1 — R + [Zn(OH)Cl,]~

H [Zn(OH)Cl2] + H+

ZnCL + H,0

(a) Üçüncül alkollerin HX ile ikincil alkollerden daha hızlı tepkime vermesini na- ^ sil açıklarsınız? (b) Metanolün HX ile bir birincil alkolden daha hızlı tepkime ver mesini nasıl açıklarsınız?

P ro b l e m 11.16

3-Metil-2-bütanol (aşağı tepkimeye bakınız) HBr ile tek ürün olarak 2-bromo-2-me- ^ tilbiitanı verir. Tepkimenin mekanizmasını açıklayınız.

P ro bl em 11.17

CH, I CH.CHCHCH. I OH 3-Metil-2-bütanol

501

CH3 | CH,CCH,CH, I Br 2-Bronıo-2-metilbütan

502


11. 14

A L K O L L E R İ N P B r 3 V E Y A S O C I 2 İLE TEPK İM ELER İN D EN A L K İL H A LO jE N Ü R LE R İN E l d e E d îlm es î

Birincil ve ikincil alkoller fosfor tribromürle tepkimeye girdiklerinde alkil bromürleri verirler. 3 R-j-OH + PBr3 --►3 R —Br + H3P0 3

A PBr3: 1° ve 2° alkil bromürlerin sentezinde kul lanılan bir reaktif.

(1 ° veya 2 °)

Bir alkolün HBr ile tepkimesinden farklı olarak, PBr3 ile tepkimesinde karbokatyon oluş maz ve genellikle karbon iskeletinde bir çevrilme olmaksızın (özellikle sıcaklık 0°C’un altında tutulursa) meydana gelir. Bu nedenle, bir alkolün alkil bromüre dönüştürülme sinde, reaktif olarak çoğu kez fosfor tribromür tercih edilir. Tepkimenin ilk basamağı, alkolün fosfor üzerine nükleofilik etkisiyle oluşan bir yer değiştirme tepkimesini içerir. Bu basamakta protonlanmış alkil dibromofosfit meydana gelir (aşağıdaki tepkimeye bakınız). RCH,OI^+^r-—P ^ -B r----► R—CH?Ö— PBr, + B r:~ I I ” Br H Protonlanmış alkil dibromofosfit

Dalıa sonra bromür iyonu ııükleofil olarak etkir ve HOPBr2 ile yer değiştirir. •• ^ : B r + RCH2— O PBr,--- ►RCH,Br + IiOPBr,

H ı_______ ı İyi ayrılan bir grup

HOPBr2, daha fazla alkolle tepkimeye girebilir; buna göre net sonuç 1 mol fosfor trib romürle 3 mol alkolün alkil bromüre dönüşümüdür. Tiyonil klorür (SOCl2), birincil ve ikincil alkolleri alkil klorlirlere dönüştürür (ge nellikle çevrilme olmaz). R—OH + SOCİ,

geri so ğ u tu cu a lü n d a k ay n atm a

R—C1 + S0 2 + HC1

(1° veya 2°)

HC1 ile tuz oluşturarak tepkimenin iyi yürümesini sağlamak için karışıma çoğu kez bir üçüncül amin ilave edilir. klorürlerin sentezinde kullanılan bir reaktif.

R?N: + HC1----►R,NH+ + CP Tepkime mekanizması, başlangıçta alkil klorosülfit oluşumunu içerir.

RCH,OH + Cl — S—C1 \\H

O

■ f\ H "Cl S'l + — ► RCH2— 0 — S—Cl

H Cl l+ 1 rch 2 ic ı

Ol

0

-* RCH?— O— S—Cl + HC1 II o Alkil klorosülfit

11.15 Eterlerin Sentezleri

Daha sonra bir klorür iyonu (R3N + HC1 ----► R3NH++Cl- ,den) bir SN2 yer değiştir me tepkimesiyle çok iyi ayrılan bir grubun (C1S02_) yerine geçer; ayrılan grup bozunarak (S0 2 gazı ve Cl- iyonuna) tepkimenin ürünler yönüne doğru kaymasına yardım eder.

: Cl =^T r CH?-Ô —S—C l----►RCH.Cl + Ô^-S—C l ----►RCH.Cl + SO,t + Çi li--------------------------------- II o o

Ö r n e k P ro bl em

11. 15 ETER LER İN S E N TE Z L E R İ I I . I 5 A A lko ll eri n Moleküller Arası Dehidrasyon uyla Eterlerin Sentezi Alkoller dehidrasyona uğrayarak alkenleri oluşturabilirler. Bu konuyu Altbölümler 7.7 ve 7.8’de inceledik. Birincil alkoller, dehidrasyonla eterleri de oluşturabilirler. R— OH + HO— R

( H2U) R— O—R

Eter oluşumu amacıyla uygulanan dehidrasyon, genellikle alken oluşumu için uygu lanan dehidrasyondan daha düşük sıcaklıklarda yapılır ve oluşan eter damıtılarak, de hidrasyon, eter oluşumu yönüne kaydırılabilir. Ticari dietil eter, etanolün dehidrasyonuyla elde edilir. 140° C’da başlıca ürün dietil eterdir; 180° C’da ise eten ana üründür. H,SO, 180°C

* CH2= C H 2 Eten

CH3CH2OH h 2so 4

,* >

140 c

c h 3c h , o c h x h 3 3

2

2

3

Dietil eter

Eter oluşumu SN2 mekanizmasıyla gerçekleşir; alkolün bir molekülü nükleofil ve protonlanmış bir diğer alkol molekülü de substrat olarak etkir (bkz. Altbölüm 11.8).

503

504


Tepkime İçin Bir Mekanizma ' Alkollerin Moleküller Arası Dehidrasyonuyla Eter Oluşumu H

l. Bascımak

^

I

C H 3C H 2— O — H + H — O S 0 3H * = ►

C H 3C H 2— O ^ H

-E " 0 S 0 3H

Bu basamak, alkolün sült'irik asitten bir proton aklığı bir asit - baz tepkimesidir.

2. Basamak

II H ^ I I CH3CH2—O—H + CH3CH2— O — H *=► CH3CH2—O

H

CH2CH3 + :0 —H

Diğer alkol molekülü nükleofil olarak etkir ve protonlanmış alkole bir Sps-2 tepkimesi ile atak yapar. H

3. Basamak

CH3CH2—O—CH2CH3 + :0

H *=► CH3CH,

O

CH2CH3 + H ~ O

H

Bir protonun, su molekülüne veya bir başka alkol molekülüne aktarılmasıyla gerçekleşen bir başka asit - baz tepkimesi protonlanmış eteri etere dönüştürür.

Bu sentez yöntemi sadece birincil alkoller kullanıldığında yararlıdır. İkincil alkollerin moleküller arası dehidrasyonuyla ikincil alkil grupları içeren eterlerin sentezi girişimi, kolaylıkla alken oluşması nedeniyle genellikle başarılı olmaz. Üçüncül alkil grupları içe ren eterlerin elde edilmesi denendiğinde de sadece alkenler meydana gelir. Ayrıca bu yöntem birincil alkollerden simetrik olmayan eterlerin elde edilmesinde de yararlı ol maz; çünkü tepkime sonunda bir ürün karışımı ele geçer.

'

P r o b l e m 11. 13

A T İ Alexander William Willamson 1824-1924 yılları arasında yaşamış bir İngiliz kimyacısıdır. Onun yöntemi, özellikle simetrik olmayan eterlerin sentezi için yararlıdır.

ROH + R'OHj ) 11 Io alkoller

h ;so

4

ROR + » ROR' + ERO +

ROR'

^

Alkil gruplarından birinin ter-bütil, diğerinin bir birincil alkil grubu olduğu simet rik olmayan bir eter bileşiğinin sentezi, bu konuda yukarıda söylediklerimizin dışın dadır. Bu sentez, oda sıcaklığında birincil alkol ve H2S0 4 karışımına ter-bütil alkolün ilave edilmesiyle başarılabilir. Bu tepkime için olası bir mekanizma önerinizi ve bu nun neden başarılı olduğunu açıklayınız. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------

I I . I 5 B W illia m s o n E te r Sentezi

Simetrik olmayan eterlerin sentezi için önemli bir yol. illiamson vöıık olarak bi linen bir nükleofilik yer değiştirme tepkimesidir. Bu sentez, bir sodyum alkoksitin. bir alkil halojenür, bir alkil sülfonat veya bir alkil sülfatla verdiği bir SN2 tepkimesini içe rir.

11.15 Eterlerin Sentezi

T e pk im e İçin Bir Mekanizma Williamson Eter Sentezi R

*

Sodyum (veya potasyum) alkoksit

R — Ö— R' + Na+ :L-

Alkil halojenür. alkil sülfonat veya dialkil sülfat

Eter

Alkoksit iyonu substrat ile SN2 tepkimesi vererek eter oluşturur. Substrat iyi ayrılan bir grup içermelidir. Tipik substartlar alkil halojenürler, alkil sülfonatlar ve dialkil sülfatlar vb. dir.

—L

=

—İir:, —I:,

—0 S 0 2R", veya—OS02OR"

Aşağıdaki tepkime, Williamson sentezinin tipik bir örneğidir. Sodyum alkoksit bir alkolün NaH ile tepkimesinden elde edilebilir. CH3CH2CH2OH + NaH----►CH,CH2CH2Ö: Na+ + H — H Propil alkol

Sodyum propoksit |cH,CH,I

CH3CH,()CH2CH2CH, + Na+IEtil propil eter

(%70) Sn2 tepkimelerini sınırlayan kurallar burada da geçerlidir. Alkil halojenür, sülfonat ve sülfat birincil (ya da metil) olduğunda, en iyi sonuçlar elde edilir. Eğer substrat üçün cülse. ayrılma tepkimesi meydana gelir. Düşük sıcaklıklar da yer değiştirmeye olumlu etkir.

Bir Williamson eter sentezini olumlu etkileyen koşullar

(a) Williamson senteziyle izopropil metil eter elde edilmesine ilişkin iki yöntem ta- •< şarlayınız, (b) Bu yöntemlerden birisi çok daha yüksek verimle eter elde edilmesini sağlar. Bunlardan hangisinin daha iyi yöntem olduğunu belirtiniz ve nedenini açıkla yınız.

P ro b l e m 11.19

2-Etoksi-l-fenilpropanm aşağıda gösterilen iki ayrı sentezi, optik çevirmeleri zıt olan < ürünler verir. K Dotasvum C,H^Br C H sCH2CHCH,— ►* „ ' ------►C,HcCH,CHCH, 6 5 2I 3 alkoksit (—KBr) 6 5 - 1 3 OH + H2 OC2H5 f«l = +33,0° [O!] = +23,5°

P ro bl em I 1.20

^TsCl/baz (Ts = p-toluensülfonil. Altbölüm 11.10) C,H,OH

C6H5CH2CHCH3 ■ : _ -►C6H5CH2CHCH3 + KOTs K,CO.

OTs Bu sonucu nasıl açıklarsınız?

OC2H5 |«J = -19,9°

505

506


P ro bl em 11.21

^

4-Kloro-l-bütanol ve sulu sodyum hidroksitin tepkimesinden tetrahidrofuranın (THF) oluşumunun mekanizmasını yazınız.

P ro bl em I 1.22

^

Epoksitler, halohidrinlerin sulu bazla tepkimesinden elde edilebilirler. Örneğin C1CH2CH20H ile sodyum hidroksit çözeltisinin etkileştirilmesinden etilen oksit el de edilir, (a) Bu tepkime için bir mekanizma öneriniz, (b) /ra« 5'-2 -Klorosikloheksanol, sodyum hidroksitle hemen tepkimeye girerek, sikloheksen oksiti oluşturur. m-2-Klorosikloheksanol ise tepkime vermez. Bu farkı nasıl açıklarsınız?

I I . I 5 C A lko ll eri n Alkillenmesiyle ter-Bütil Eterler. Ko ru y uc u Gruplar Birincil alkoller, sülfürik asit gibi kuvvetli bir asitte çözülüp, sonra bu çözeltiye izobütilen ilave edildiğinde ter-bütil eterlere dönüştürülebilirler. (Bu işlem, izobütilenin dimerleşmesini ve polimerleşmesini en aza indirir.)

RCH,OH + CH, = CCH, * I *

H,SO,

— — ->

ch3

r-

1 ter-Bütil RCH.,0—CCH, y koruyucu

I

CH3 J

grubu

Bu yöntem, molekülün başka kısmında başka bir tepkime gerçekleştirildiğinde, birincil alkolün hidroksil grubunun “korunmasında” sık sık kullanılır. Koruyucu ter-bütil gru bu, eterle seyreltik asit çözeltisinin etkileştirilmesiyle kolayca uzaklaştırılabilir. Örneğin, 3-bromo-1-propanol ve sodyum asetilenürden 4-pentin-1-olü elde etmek is tediğimizi varsayalım. Eğer iki bileşiği doğrudan tepkimeye sokarsak, kuvvetli baz olan sodyum asetilenür, önce hidroksil grubuyla tepkimeye girecektir. HOCH2CH2CH2Br + N aC =C H ---- ►NaOCH2CH,CH2Br + HC=CH 3-Bromo-l-propanol

Ancak, önce —OH grubunu korursak sentez gerçekleştirilebilir. HOCH2CH2CH2Br m tbso.

121 CH:=ClCII,)*

(CH3 )3COCH2CH2CH2Br

NaC = C H

(CH.,).,COCH2CH2CH2C = C H H'° /Hi° » HOCH2CH2CH2C = C H + (CH3)3COH 4-Pentin-l-ol

P ro bl em 11.23

► (a) Bir birincil alkol ve izobütilenden ter-bütil eter oluşumu mekanizması, Problem 11.18’de tartışılana benzemektedir. Bir mekanizma öneriniz, (b) Koruyucu ter-bütil grubunun çok kolay uzaklaştırılmasına etkiyen etken nedir? (Altböliim 11.16’da da görüleceği gibi, diğer eterlerin bölünebilmesi için çok daha zorlayıcı koşullar gere kir.) (c) Koruyucu ter-bütil grubunun uzaklaştırılmasına ilişkin bir mekanizma öne riniz. I I.I5D

K o ru y u cu G r u p O l a r a k Silil E te rl e r

Bir hidroksil grubu, silil eter grubuna dönüştürülerek de korunabilir. Trietilsilil, triizopropilsilil, ter-bütildifenilsilil ve diğerleri de kullanılabilmesine rağmen, en yaygın olan lardan biri, ter-bütildimetilsilil eter grubudur [ter-bütil (CH3)2Si—O—R veya

11.16 Eterlerin Tepkimeleri

TBDMS—O—R]. ter-Bütildimetilsilil eter pH 4-12 aralığında kararlıdır. Koruyucu grup olarak alkole TBDMS grubu takılması, imidazol veya pridin gibi bir aromatik amin (bir baz) varlığında bir alkolün tiT-bütilklorodimetilsilanla tepkimesiyle gerçekleştirilebilir.

+

Cl—Si— C(CH,), I CH,

TBDMS eterler

CH, I R—O—Si —C(CH,)3

ch3 R— O — H

*~>

A

imidazol DMF ( — H C1)

CH,

ter-Bütilklorodimetilsilan (TBDMSC1)

(R—O—TBDMS)

İmidazol

TBDMS grubu, florür iyonu (tetrabütilamonyum florür sıkça kullanılır) ile etkileştirile rek uzaklaştırılabilir. CH,

CH, I

R — O — Si — C(CH,),

Bu.N+F"

^

THF

►R— O— H + F — Şi— C(CH,)3

CH,

CH, (R —O—TBDMS)

Piridin

Bir alkolün silil etere dönüştürülmesi alkolü daha uçucu hale getirir. Uçuculuklarının artışı, alkollerin (silil eter olarak) gaz kromaforafisiyle analiz edilmelerini çok daha uy gun hale getirir. Trimetilsilil eterler çoğu zaman bu amaçla kullanılır. (Ancak, trimetilsilil grubu oldukça kararsız olduğundan, çoğu tepkimelerde koruyucu grup olarak kullanılmaz.)

11. 16 E t e r

le r in

T

e p k İm e l e r

İ

Dialkil eterler, asitler dışında çok az reaktifle tepkimeye girerler. Bir dialkil eter mole külünün etkin kısımları sadece alkil gruplarının C—H bağlan ve eter bağlarıdır —O— . Eterler nükleofilik ataklara (neden?) ve bazlara dirençlidir. Eterlerin bu düşük etkinli ğiyle birlikte katyonları sarma yeteneği (oksijen atomundaki bir elektron çiftini vere rek), eterleri bir çok tepkime için uygun çözücü haline getirir. Eterler alkanlar gibi halojenlenme tepkimelerine uğrarlar (Bölüm 10); ancak bu tep kimelerin sentetik önemi pek yoktur. Eter bağının oksijen atomu eterleri bazik yapar. Eterler, proton verici reaktiflerle tep kime vererek oksonyuın tuzlarını oluştururlar. + CH3CH2ÖCH2CH3 + HBr « = * CH,CH2—Ö—CH2CH3 Br" H Bir oksonyum tuzu

Dialkil eterler çok kuvvetli asitlerle (HI, HBr ve H2S04) ısıtıldıklarında, karbon-oksijen bağının kırıldığı tepkimelere uğrarlar. Örneğin, dietil eter sıcak derişik hibrobromik asitle tepkimeye girerek iki eşdeğer mol etil bromür oluşturur. CH3CH2OCH2CH3 + 2 HBr---- ►2 CH3CH2Br + H20

Eter

bölünmesi

507

508


Bu tepkimeye ilişkin mekanizma, bir oksonyum iyonu oluşumuyla başlar. Daha sonra bromür iyonunun nükleofil olarak etkidiği bir SN2 tepkimesi, etanol ve etil bromürü oluş turur. Aşırı HBr. etanolle ikinci mol etil bromürü verir.

T e pk im e İçin Bir Mekanizma * Kuvvetli Asitlerle Eter Bölünmesi

1. Basamak CH3CH2OCH2CH3 + H B r:i= ^ CH3CH2O ^ C H 2CH3 + :Br = ----►CH3CH20= + CH3CH2Br H

H Etanol

Etil bromür

İkinci basamakta etanol (henüz oluşmuş olan) HBr (ortamda aşırı olarak var) ile tepkimeye girerek ikinci eşdeğer mol etil bromürü oluşturur.

2. Basamak CH,CH,OH + H — Br: - 2Ğ*r

=Br:_ + CH,CH,-r-0—H ---- ►CH.CH,— Br= + =O— H

••

-

3

H

P ro bl em I 1.24

2

"

| H

► Bir eter, soğuk derişik HI ile etkileştinldiğinde, aşağıdaki gibi bir bölünme olur. R— O— R + H I---- ►ROH + RI

Karışık eterler kullanıldığında, oluşan alkol ve alkil halojenür. alkil gruplarının özel liğine bağlıdır. Aşağıdaki gözlemleri açıklayınız, (a) (/?)-2-Metoksibiitan tepkime ye girdiğinde, ürünler metil iyodür ve (/?)-2-bütanoldür. (b) frr-Bütil metil eter tepkimeye girdiğindeyse ürünler metanol ve ter-bütil iyodürdür.

11. 17

Ep

o k s îtle r

Epoksitler üç üyeli halkalı eterlerdir. IUPAC adlandırmasında epoksitler oksiraıılaı ola rak adlandırılırlar. En basit epoksidin yaygın adı etilen oksittir. —C— C— \ / •O.

H,C— CH-, ' \,/ "

Bir epoksit

IUPAC adı: oksiran Yaygın adı: etilen oksit

.O.

Epoksitlerin sentezinde en fazla kullanılan yöntem, bir alkenin, bir organik peroksi asit (bazan basitçe perasit de denir) ile tepkimeye sokulmasıdır; bu işleme, epoksitlenıe denir.

11.17 Epoksitler

O

O

RCH = CHR + R'C— O — OH cpoksıtleme ►RHC — CHR + R'C — OH

\ / O Bir alken

Bir peroksi asit

Bir cpoksit (veya oksiran)

Bu tepkimede peroksi asit, alkene bir oksijen atomu aktarır. Tepkime için aşağıdaki me kanizma önerilmektedir.

j Te pk im e İçin Bir Mekanizma

Peroksi asit: halkalı, tek basamaklı bir mekanizmayla bir oksijen atomunu alkene ak tarır. Sonuç, bir epoksit ve bir karboksilik asidin oluşumuyla, oksijen atomunun alkene s i n katılmasıdır. Bir epoksitleme tepkimesinde, oksijenin ikili bağa katılmasının sin ka tılma olması gerekir. Çünkü, üç üyeli bir halka oluşumu için, oksijen atomunun ikili bağ karbon atomlarına aynı taraftan katılması gerekir. Daha önce, epoksitleriıı elde edilmesinde kullanılan bazı peroksi asitler kararsızdır ve dolayısıyla güvenli değillerdir. Kararlı olması nedeniyle, günümüzde en çok kulla nılan peroksi asit, magnezyum monoperoksiftalattır (MMPP).

Magnezyum monoperoksiftalat (MMPP)

Örneğin, sikloheksen. magnezyum monoperoksiftalatla etanol içerisinde tepkimeye gi rerek 1 ,2 -epoksisikloheksam verir. MMPP CH,CH:OH

1,2-Epoksisikloheksan (sikloheksen oksit) (%85)

509

K

ımyası

Sharpies Asimetrik Epoksitlemesi 1-980’de K. B. Sharpless (o tarihte Massachusetts Teknoloji Enstitüsünde idi; şu an California San Diego Üniversitesi, Scripps Araştırma Enstitüsünde) ve araştırma grubu, o günden beri kiral sentez için en değerli araç haline gelen bir yöntem yayınladı. Sharpless asimetrik epoksitlemesi; allilik alkollerin (Altbölüm 11.1) çok yüksek bir enantiyoc o 2r seçicilikle (yani bir rasemik karışımın oluşumu yerine bir enantiyomerin tercih edilmesi) Bir (+)-dialkil tartarat ester kiral epoksi alkollere dönüşmesini gerçekleştiren bir yöntemdir. Bu yöntemde ahilik al kol, rer-bütil hidroperoksit, titan(IV) tetraizopropoksit [Ti(0-/Pr)4] ve bir tartarat este rinin belirli bir stereoizomeriyle etkileştirilmektedir. (Tartarat stereoizomeri epoksidin istenen enantiyomerine göre seçilir.) Aşağıda bir örnek verilmiştir.

Geraniol

verim %77 (%95 enantiyomerik saflık)

Ahilik alkole epoksit oluşturması için aktarılan oksijen te/-bütil hidroperoksitten türetilir. Tepkimenin enantiyoseçiciliğiyse, ligandlardan birinin enantiyomerik olarak saf tartarat esterin olduğu, reaktifler arasındaki titan kompleksi tarafından sağlanır. Stereokimyasal kontrol için (+) ya da (-) -tartarat esterin seçimi, epoksidin hangi enantiyomerinin istendiğine bağlıdır. [(+) ve (-) tartaratlar, dietil ya da diizopropil esterlerdir]. Tepkimenin stereokimyasal tercihi iyi çalışılmıştır; öyle ki kiral ligant olarak uygun (+) veya (-) tartarat izomerin seçilmesiyle, kiral epoksidin her iki enantiyomerinin yük sek enantiyomerik saflıkta elde edilmesi mümkündür. ..O OH (S)-Metilglisidol (+)-dialkil tartarat

s '

OH Sharpless asimetrik epoksitlemesi (—)-dialkil tartarat

(jR)-Metilglisidol

Bu genel yapıya sahip olan bileşikler; bir moleküle, bir epoksit fonksiyonel grubu (etkinliği yüksek elektrofilik kısım), bir alkol fonksiyonel grubu (bir potansiyel nükleofilik kısım) ve enantiyomerik saflığı yüksek en azından bir stereomerkez bağlanmış

510

olduğu için son derece yararlı ve çok yönlü eştir. Sharpless asimetrik epoksitlemesiyle elde edilen kiral epoksi alkol eşlerin sentetik kullanımı, bir çok önemli bileşiğin enantiyoseçimli sentezinde tekrar tekrar ortaya konulmuştur. E. J. Corey (Harward), polieter antibiyotik X-206 sentezi; J. K. Baker, ticari güve feromonu (7/?,85)disparlur sentezi; K. C. Nicolaou (Kaliforniya San Diego Üniversitesi, Scripps Araştırma Enstitüsü) zaragozik asit (bu bileşik skualestatin Sİ olarak da adlandırılır ve test hayvanlarında skualen biyosentezini durdurarak kolesterol seviyesini düşürdüğü görülmüştür, 8 . Bölümde “Kolesterol Biyosentezinin Kimyası”na bakınız) sentezi bazı örnekleri oluşturmaktadır.

Zaragozik asit A (skualestatin Sİ)

(7J?,8S)-Disparlur

Alkenlerin peroksi asitlerle tepkimesi stereoözgü olarak yürür. Örneğin, m-2-büten yalnız c7.s-2,3-dimetiloksiranı; trans-2-büten ise yalnız rasemik i/w?.s-2.3-dimetiloksiranları verir.

Hjcx /H

ch3

O li + RCOOH Oı

/ c\ H,C H

H cıs-2,3-DimetiIoksiran (bir mezo bileşik)

m-2-Büten

CH3 H3C \

/ c\ H CH3 trans-2-Büten

O II + RCOOH

H CH3 Enantiyomerik /ra«s-2,3-dimetiloksiranlar

511

512


1 1 .1 8

E P O K S İTLER İN TEPKİM ELER İ

Epoksit molekülleri gergin üç üyeli halkaya sahip olduğu için diğer eterlere göre ııükleofilik yer değiştirme tepkimelerinde çok daha etkindir. Asit katalizör, karbon atomuna bağlı grubu daha iyi ayrılan grup haline getirerek (bir alkol), karbon nükleofilik atağa uğradığında epoksit halkasının açılmasına yardımcı olur. Nükleofil, su ya da alkol gibi zayıf bir nükleofil olduğunda, asit katalizör özellikle önem kazanır. Bir epoksidin asit katalizli hidrolizi buna örnektir.

Te pk im e İçin Bir Mekanizma

Epoksitler baz katalizli halka açılmasına da uğrarlar. Bu tür tepkimeler diğer eterler le olmaz, fakat epoksitlerle mümkündür (halka gerginliği nedeniyle). Epoksit halkasına atak yapan nükleofillcr de bir alkoksit iyonu veya bir hidroksit iyonu gibi kuvvetli baz lardır.

j T e pk im e İçin Bir Mekanizma : Epoksitin Baz Katalizli Halka Açılması R — O:

Güçlü nükleofil

II—o OR + — c — c - ----- ►RO—C— C— 0 : --------- ►RO— C— C — OH " I I " 1 1 Epoksit

Bir alkoksit iyonu

+ R Ö:

Bir alkoksit iyonu veya bir hidroksit iyonu gibi güçlü bir nükleofil. doğrudan bir SN2 tepkimesi ile gergin epoksit halkasının açılmasını sağlayabilir.

11.18 Epoksitlerin Tepkimeleri

Epoksit simetrik değilse, baz katalizli halka açılmasında, alkoksit iyonu daha az siibstitiie karbon atom una atak yapar. Örneğin, metiloksiran. bir alkoksit iyonuyla birincil

513

A

karbon atomu üzerinden tepkimeye girer. Epoksitlerin açılmasında yer seçicilik

, / 1 Karbon atomu daha az stcrik engelli ^

C H ,C H ,O H

C H ,C H ,0 :- + H ,C — CHCH,

w

• CH,CH ,OCH 2CHCH3 -----— -----►

o

O"

Metiloksiran ch 3c h 2och 2chch 3 + ch 3ch 2o _ OH

l-Etoksi-2-propanol

Tepkimenin bu şekilde olması beklenen bir durumdur. Tepkime bir SN2 tepkimesidir ve daha önce öğrendiğimiz gibi (Altböliim 6.14A), daha az sterik engelli olmaları nedeniy le. Sn-2 tepkimelerinde birincil subtratlar daha hızlı tepkimeye girerler. Simetrik olmayan epoksitlerin asit katalizli halka açılmasında, nükleofil başlıca daha fa z la siibstitüe olmuş karbon atom una atak yapar. Örneğin, CH,

ÇH3 CH,OH + CH3,— C\ —/ CH,-

HA

O

> C H ,— C — CITO H

’

I OCH,

Nedeni: Protonlanmış epoksitteki bağlanma (aşağıdaki tepkimeye bakınız) simetrik de ğildir. daha fazla siibstitüe olmuş karbon atomu, dikkate değer bir pozitif yük taşır: tep kime SN1 benzeridir. Dolayısıyla nükleofil, daha fazla siibstitüe olmuş olan bu karbon atomuna atak yapar. Bu karbon bir 3° karbokatyona benzer. CH, CH,O H + CH3— C— CH,

¿ o 7«* H

C H ,— C — CH,OH och3

H

Protonlanmış epoksit

Daha fazla sübstitüe olmuş karbon atomu, daha kararlı olan üçüncül karbokatyona ben zediğinden daha fazla pozitif yük taşır. [Bu tepkimenin (ve açıklanmasının), Altbölüm 8.8’deki simetrik olmayan alkenleıden halohidıinlerin oluşumu için verilen tepkimeye benzediğine dikkat ediniz.]

Aşağıdaki her bir üriin için bir yapı öneriniz. HA

(a) Oksiran fu UH Lri2

C,H<0, j *> î (Metil Sellosolv olarak bilinen bir endüstriyel çözücü)

HA

(b) Oksiran CH chl.OH*’ OtUuA; (Etil Sellosolv) Ki

(c) Oksiran H Q» C,H4IO NH,

(d) Oksiran------- ►C,H7NO CH,

_

(e) Oksiran CH0H—*V3HaO,

^

P r o b l e m I 1.25

514


H2C — C(CH3)2 metanolde sodyum metoksitle etkileştirildi\ / o ğinde başlıca l-metoksi-2-metil-2-propanol verir. Bu sonucu nasıl açıklarsınız?

P ro b l e m I 1.26

>■ 2,2-Dimetiloksiran,

P ro bl em I 1.27

>■ Sodyum etoksit, I ’de yıldızla gösterilen 14C ile etiketlenmiş l-(klorometil)oksiranla tepkimeye girdiğinde, ana ürün, H ’deki gibi etiketi taşıyan bir epoksittir. Bu tep kime için bir açıklama getiriniz. *

NaOC H

*

C l — C H , — C H — C H , ----------- C ü , — C H — C R , — O C 0H ,

\ / O

V / o

I

II

l-(Klorometil)oksiran

(epiklorohidrin)

ımyası Epoksitler, Karsinojenler ve Biyolojik Yükseltgenme V-êvremizdeki bazı moleküller, bunların vücuttan atılması hazırlığı sırasındaki metabolik işlemlerde “etkinleşerek” karsinojenik hale gelirler. Dibenzo[a,/]piren ve aflatoksin B,. bir fungal metabolit olarak bilinen en karsinojenik iki bileşiktir ve bu tür bir oluşumla meydana gelirler. Karaciğer ve bağırsaklardaki yükseltgenmeyle ilgili işlem lerin yürüyüşü sırasında, bu moleküller, P450 sitokromlar olarak adlandırılan enzim ler tarafından epoksitlenir. Beklenildiği gibi, bunların epoksit ürünleri son derece etkin elektrofillerdir ve bu nedenle bu bileşikler kesin olarak karsinojeniktirler. Dibenzo[a,7]piren ve aflatoksin B, epoksitleri, DNA ile çok kolay nükleofilik yer değiştir me tepkimeleri verirler. DNA üzerindeki nükleofilik kısımlar epoksit halkasını açarak tepkime verirler ve karsinojenlerle kovalent bağ oluşturarak, DNA’nın alkillenmesine yol açarlar. DNA’nın bu yoldan değişimi, hastalığın başlamasına neden olur.

Dibenzo[a,i]piren

Dibenzo[a,I]piren-ll,12-diol-13,I4-epoksit

Dibenzo[öf,7]piren ve aflatoksin B, gibi yabancı moleküllerin dışarıya atılmasında normal yol, bunların epoksitlerinin nükleofilik yer değiştirme tepkimelerini de içerir. Bir başka yol ise, glutatiyonla nükleofilik yer değiştirme sonucu epoksit halkasının açıl masını içerir. Glutatiyon, güçlü nükleofilik sülfidril grubu olan, oldukça polar bir mo leküldür.

I I . I 8 A Polieter O l u ş u m u Etilen oksitin sodyum metoksitle (az miktarda metanol varlığında) etkileştirilmesiyle bir p o l i e t e r oluşturulabilir. H3C — 0 : + H2C— CH2

■* H3C — O — CH,— CH2- "O: + HıC— CH2

" H3C — O — CH2— CH2— O— CH2— CH2— O :

H3c —Ö -eC H 2— c h 2— ö ^

&

* C H ,O H w

"►ete.--------- ►

c h 2— c h 2— ö

— H + H3C — Ö :

Poli(etilen glikol) (bir polieter)

Bu, a n y o n i k p o l i m e r le ş m e y e (Özel Konu A) bir örnektir. Polimer zincirleri, zincirin sonundaki alkoksit grubunun metanol tarafından protonlanmasına kadar büyümeye de vam eder. Büyüyen zincirin ortalama uzunluğu ve dolayısıyla polimerin ortalama mo-

515

516


lekiil kütlesi, ortamda bulunan metanol miktarıyla kontrol edilebilir. Polimerin fiziksel özellikleri, ortalama molekül kütlesine bağlıdır. Polieterlerin. su molekülleriyle çok sayıda hidrojen bağı oluşturma yeteneklerinden dolayı, suda çözünürlükleri yüksektir. Karbovvakslar olarak pazarlanan bu polimerlerin. gaz kromatografisi kolonlarından kozmetikdeki uygulamalarına kadar çok değişik kul lanım alanları vardır.

1 1 . 1 9 A l k e n l e r î n E p o k s İt l e HİD ROKSİLLENM ESİ

Ü

r

z e r în d e n

A

n tî

Siklopentenin epoksitlenmesi 1,2-epoksisiklopentan verir:

(1)

A > \ / \ _____/

+

0 II RCOOH

\ ---- ►

/ \

0

A A *5

+

RCOH

H Siklopenten

1,2-epoksisiklopentan

1.2-Epoksisiklopentanm asit katalizdi hidroliziyle bir trans-diol, trans-1.2-siklopentandiol elde edilir. Nükleofilik olarak etkiyen su, protonlanmış epokside, epoksit gru buna göre ters yönden atak yapar. Saldırıya uğrayan karbon atomunun konfigılrasyonu değişir. Burada sadece bir karbon atomuna yapılan atağı gösterdik. Bu simetrik siste min diğer karbon atomuna da eşit olasılıkla atak olur ve trans-1.2-siklopentandiolün enantiyomerik şekli meydana gelir.

trans-1,2-Siklopentanelini

Epoksitlemeyi izleyen asit katalizli hidroliz, böylece bize bir ikili bağın anti lıidroksilleninesi için bir yöntem sağlar (sin hidroksillemenin tersi. Altbölüm 8.10). Bu tek niğin stereokimyası, daha önce verilmiş olan (Altbölüm 8.7) siklopentenin bromlanmasınm stereokimyasıyla paralellik gösterir.

P ro b l e m 11. 13

^

f/£//?5-l,2-Siklopentandiolün enantiyomerik şeklinin nasıl meydana geldiğini göste ren, daha önce verilmiş mekanizmaya benzer, bir mekanizma tasarlayınız.

11.19 Alkeıılerin Epoksitler Üzerinden Aııti Hidroksillenmesi

517

CH ,

Şekil I I .2 as-2,3-Dimetiloksiranın asit kataiizli hidrolizi (a) yolundan (2J?,3/î)-2,3-bütandiolü ve (b) yolun dan (2S, 3S)-2,3-bütandiolü verir (ik na olmanız için model kullanınız).

H<

O.

H3c / H cis-2,3-Dimetiloksiran

| h20-, ha

(b)

(a )

+ H 2O x

CHg Hv /O H

ch3

+ /yC\. \ H ,0 \C H H

H 3c / G x o h H

i-

HA

I-

CH.

HOx

im

HA

qh3

/O H

yH

' / '

3

HO ' \C H ..

oh

H

H

(2 S ,3 S )-2,3-Bütandiol

(2i?,3i?)-2,3-Bütandiol Enantiyomerler

Örnek Problem-------------------------------------------------------------------------------Altbölüm 11.17’de, m-2-bütenin epoksitlenmesiyle c/5 -2 ,3 -dimetiloksiranın ve

r;Y7/7.v-2-bütenin epoksitlenmesiyle de trans-2, 3-dimetiloksiranın meydana geldiğini gösterdik, (a) Şimdi bu iki epoksidin asit kataiizli hidrolizini göz önüne alarak, her birinden hangi ürün ya da ürünlerin oluşacağını gösteriniz, (b) Bu tepkimeler stereoözgü müdür? Cevap:

Mezo bileşik olan m-dimetiloksiran (Şekil 11.2) hidrolizle (2/C3/?)-2,3-bütandiol ve (2S,3S)-2,3-biitandiolii verir. Ürünler enantiyomerdirler.

518


Şekil I 1.3 tran,s-2,3-Dimetiloksiranın enantivomerinden birinin asit katalizli hid rolizi, (a) ya da (b) yolundan mezo bileşiği, (2fl,3S)-2,3-bütandiol, meydana getirir. Diğer enantiyomerin (veya rasemik modifikasyonun) hidrolizi de aynı ürünü verir. (Yukarıda verilen bileşiklere karşılık gelen ürünlerin aynı bileşiği gösterdiğine ikna olmak için model kullanmalısınız.)

CH3

CH 3 t r a n s - 2 , 3-Dimetiloksiranın

enantiyomerlerinden biri

J h 2o + , HA

H 00 :— \ ( b ) II 7 CH,

(b)

(a)

+ h 2o x

(b)

PHg > h

H / OH CH ,

ch

4

h

h 2o

HOx

H / OH CH,

\ 'H CH , j-H A

j-H A

CH, /> H

3 /O H

ch

H<

3 /O H

. . o \ ı . CH,

Bu moleküller ajmıdır: Bunların ikisi de mezo bileşiği 2,3-bütandiolü gösterir.

( 2 R ,3 S ) -

Suyun her iki karbona atağı [Şekil 11.2’deki (a) yolu veya (b) yolu] aynı hızla olaca ğından, ürün rasemik halde elde edilir. n-£m.ç-2,3-Dimetiloksiran enantiyomerlerinin her ikisi asit katalizli hidrolize uğradı ğında elde edilen tek ürün mezo bileşiği olup (2/?,3S)-2,3-bütandioldür. Bir enantiyo merin hidrolizi Şekil 11.3’te gösterilmiştir (ikna olmak için, diğer enantiyomerin hidrolizinde de aynı ürünün oluşacağını gösteren benzer bir diyagram yapabilirsiniz). Bir alkenin bir diole (glikol) dönüştürüldüğü bu yöntemin her iki basamağı da (epoksitleme basamağı ve asit katalizli hidroliz) stereoözgü olduğundan net sonuç, ikili ba ğın seteroözgü anti hidroksillenmesidir (Şekil 11.4).

11.20 Taç Eterler: Nükleofilik Yer Değiştirme Tepkimeleri

pH 3

H CHo

1

0

II (l)RCOOH

QH3 c

C

—►

+

(2) HA, H20 (anti hidroksilleme)

H 3C / H CH 3

OH

H

cıs-2-Büten

HO

Şekil I 1.4 Epoksitlemeyi izleyen asit katalizli hidrolizin genel sonucu, ikili bağın stereoözgü anti hidroksillenmesidir. cis-2-Büten, enantiyomerik 2,3bütandiolleri; trans-2-büten mezo bileşiği meydana getirir.

\C H . H

Enantiyomerik 2,3-bütandioller

pH 3

HoC H

0 I

M c

H O \ 4H C

(l)RCOOH (2) HA. H20 (anti hidroksilleme)

c

A

C,

HO

H CH3 imns-2-Büten

519

\C H 3 H

meso-2,3-Bütandiol

I 1.20 T a ç E t e r l e r : B a ğ i l O l a r a k P o l a r O l m a y a n A p r o t î k Ç ö z ü c ü l e r d e Fa z TR A N SFER K A TA LİZ İY LE N Ü K LE O FİLİK YER D EĞ İŞ TİR M E TEPKİM ELER İ Altbölüm 6.14-C’de, nükleofilik yer değiştirme tepkimelerinde çözücü etkisini inceler ken, Sn2 tepkimelerinin dimetilsülfoksit ve /V,/V-dimetilformamit gibi polar aprotik çö zücülerde çok daha hızlı yürüdüğünü ortaya koyduk. Bunun nedeni: Bu polar aprotik çözücülerde nükleofil, çözücü tarafından çok az sarılır ve bunun sonucu olarak et kinliği yüksektir.

Nükleofilin, bu artan etkinliği ayrı bir avantajdır. Saatlerce ya da günlerce süren tep kimeler, bir kaç dakikada tamamlanabilir. Ancak DMSO ve DMF gibi çözücülerin kul lanılmasının bazı olumsuzlukları da vardır. Bu çözücülerin kaynama noktaları çok yüksektir ve bu nedenle, tepkime sonrasında bunların uzaklaştırılması zordur. Bu çözü cülerin saflaştırılması zaman alıcıdır ve bunlar pahalıdır. Yüksek sıcaklıklarda, bazı po lar aprotik çözücüler bozunurlar. Bazı durumlarda, bir hidrokarbon veya bağıl olarak polar olmayan bir klorlu hidro karbon gibi p o la r olm a ya n aprotik çözücüler, SN2 tepkimeleri için ideal çözücü olabi lirler. Bunların kaynama noktalan düşüktür, pahalı değillerdir ve bağıl olarak kararlıdırlar. Yakın zamana kadar, iyonik bileşikleri çözememeleri nedeniyle, hidrokarbon ve klor lu hidrokarbon gibi aprotik çözücüler nükleofilik yer değiştirme tepkimelerinde çok sey rek kullanılmışlardır. Bu durum, faz transfer katalizi olarak adlandırılan bir işlemin geliştirilmesiyle değişmiştir. Faz transfer kataliziyle, genellikle birbiriyle karışmayan, sadece temas eden iki faz kullanınz. Bunlar iyonik reaktant içeren su fazı ve organik substratı içeren organik faz dır (benzen, CHC13 vb). Normal olarak bu gibi ayrı fazlardaki iki maddenin tepkimesi, reaktiflerin bir araya gelememeleri nedeniyle gerçekleşmez. Bir faz transfer katalizörü nün ilavesi, iyonik reaktantı organik faza taşıyarak bu problemi çözer. Tepkime ortamı aprotik olduğundan, SN2 tepkimesi hızlı yürür.

520

Bölüm i 1 / Alkoller ve Eterler

Şekil I 1.5 Sodyum siyanür ve bir alkil lıalojenür arasındaki SN2 tepkimesinin faz transfer katalizi. Su fazı

Na+CN"___ Na+CNQ X.

Q+Xilavesi

—

Organik

Su fazı

. li Tl

il

W

Q X+ RCN

RX

Na+X" + Q+CN~

Q CN" + RX

(CH2cı2)

Organik faz (CH2C12)

Faz-transfer katalizörü siyanür iyonunu (Q+CN~ olarak) organik faza taşnve burada tepkime CN~ + RX —>RCN + X" şeklinde lıızla gerçekleşir.

Nükleofil, CN_, RX ile tepkimeye girmek için organik faza geçemediğinden, burada tepkime olmaz.

Faz transfer katalizörüne bir örnek Şekil 11.5'de açıklanmıştır. Faz transfer katali zörü (Q+X ), genellikle tetrabiitilamonyum halojenür, (CFI3CH2CFI2CH2)4N+X-, gibi bir kuaterner amonyum halojenürdür (R4N+X~). Faz transfer katalizörü, nükleofilin (CN_ vb.) bir iyon çifti (Q+CN_) şeklinde organik faza taşınmasını sağlar. Bu iyon çiftinin katyonu (Q+), pozitif yüküne rağmen dört alkil grubuyla bir hidrokarbona benzediğin den transferin gerçekleşeceği açıktır. Lipofilik olması nedeniyle, polar olmayan bir çev reyi. sulu çevreye tercih eder. Organik fazda iyon çiftinin nıikleofili (CN~). organik substrat RX ile tepkimeye girer. Katyon (Q+) [ve anyon (X- )] daha sonra çevrimi ta mamlamak için su fazına geri dönerler. Bu işlem, tüm nükleofil veya organik substrat tepkimeye girinceye kadar sürer. Faz transfer katalizli nükleofilik yer değiştirme tepkimesine bir örnek, 1-klorooktanın (dekan içerisinde) ve sodyum siyanürün (suda) tepkimesidir (105°C’da). Tepkime iki saatten daha kısa bir sürede tamamlanır ve yer değiştirme ürünü verimi %95’tir. ...................................

CH3(CH2)6CH2CI (dekan içerisinde) ^

R JST B r

NaCN |05„c» CH3(CH2)6CH2CN (%95)

Çok sayıda nükleofilik yer değiştirme tepkimesi benzer yoldan uygulanmaktadır. Ancak, faz transferi katalizleme tepkimeleri, nükleofilik yer değiştirme tepkimele riyle sınırlı değildir. Çok sayıda başka tür tepkimeler de faz transfer katalizle uyumlu dur. Benzende çözünmüş alkenlerin yükseltgenmesi, bir kuaterner amonyum tuzu varlığında potasyum permanganat (suda) kullanılarak yüksek verimle gerçekleştirilebi lir. CH3(CH2)5CH=CH2 (benzende) suk, kmI cv

CH3(CH2)5C02H + HC02H (%99)

Potasyum permanganat, kuaterner amonyum tuzlarıyla kimyasal testler amacıyla da benzene taşınabilir. Oluşan “mor benzen’*, doymamış bileşikler için test reaktifi olarak kullanılabilir. KMn04'iin benzendeki çözeltisine doymamış bir bileşik ilave edildiğin-

11.20 Taç Eterler: Nükleofilik Yer Değiştirme Tepkimeleri

de. mor rengin kaybolması ve Mn02 oluşumu nedeniyle rengin kahverengine dönmesi, ikili ya da üçlü bağ varlığını gösteren bir pozitif testtir. Şekil 11.5’te gösterildiği gibi CH3(CH2)6CH2CI ile siyanür iyonunun faz transfer ka- ■< P r o b l e m I 1.29 talizli tepkimesinin nasıl meydana geldiğini gösteren bir şema düzenleyiniz. Orga nik fazda hangi iyonun, su fazında hangi iyonunun bulunduğunu ve hangisinin bir fazdan diğerine geçtiğini gösterirken emin olunuz.

I I . 2 0 A T a ç E te rle r

T;ıç eterler olarak adlandırılan bileşikler de faz transfer katalizörleridir ve iyonik bile şikleri bir organik faza taşıyabilirler. Taç eterler. 18-crown-6 gibi, etilen glikolün hal kalı poiimerleridir.

18-Crovvn-6

Taç eterler, x-crown-y şeklinde adlandırılır; burada x, halkadaki toplam atom sayısını; y ise oksijen atomları sayısını gösterir. Taç eterlerle taşıyacağı iyon arasındaki ilişkiye, konukçu-konuk ilişkisi denir. Taç eter konukçu olarak, tutunan iyon da konuk olarak davranır. 1987 Nobel Kimya Ödülü, taç eterleri ve “yapıya özgü etkileşimleriyle yüksek seçi ciliğe sahip” diğer molekülleri bulmaları ve geliştirmeleri, “moleküler teşhis” denilen kavramı anlamamıza katkıları, örneğin, enzimlerin substratlarım nasıl tanıdıkları, hor monların nasıl etki ettikleri, antikorların antijenleri nasıl teşhis ettikleri, sinir ileticilerin sinyallerini nasıl ilettiklerini ve biyokimyanın diğer bir çok konusunu açıklamaları ne deniyle Charles J. Pedersen (DuPoııt şirketinden emekli), Donald J. Cram (Kaliforniya Üniversitesinden, Los Angeles, emekli) ve Jean Maria Lehn (Louis Pasteur Üniversite si, Strasburg. Franas)’e verildi. Taç eterler bir metal katyonuyla koordine olduklarında, metal katyonunu, dışı hid rokarbona benzeyen bir türe dönüştürürler. Örneğin. 18-crown-6 potasyum iyonlarıyla etkin şekilde koordine olur; çünkü oyuk çapı uygundur ve altı oksijen atomu elektron larını merkezdeki iyona vermek için elverişli durumdadır. Taç eterler bir çok tuzun polar olmayan çözücülerde çözünmesini sağlarlar. Örne ğin, KF. KCN ve CH3C 0 2K gibi tuzlar, katalitik miktarda 18-crown-6 kullanılarak aprotik çözücülere geçirilebilirler. Organik fazda bağıl olarak çözünmeyen bu tuzların anyonları, organik substratla nükleofilik yer değiştirme tepkimesi verebilirler. 18 -cro w n -6

K CN + RCELX ___ ►RCPLCN + K+X‘ benzen Q,H5CH2C1 + K~F~

18-crown-6 asetonitril

C6H5CH2F + K ' cı (%100)

521

522


Taç eterler, faz transfer reaktifi olarak başka bir çok tepkimede de kullanılabilirler. Aşa ğıdaki tepkime, taç eterin yükseltgemede kullanılışına bir örnektir.

(%90)

Disikloheksano-18-crown-6’nın yapısı aşağıdadır.

r o

P ro bl em 11.30

^

(a) 15-crown-5 ve (b) 12-crown-4’ün yapılarını yazınız.

I I.20B Taşıyıcı A n t i b i y o t i k le r ve T a ç E te rle r En fazla dikkat çekenleri nonaktin ve va lin o m isin olan ve iyonoforlar (bölümün başın daki resime bakınız) olarak adlandırılan çeşitli antibiyotikler vardır; bunlar, taç eterle re benzer şekilde metal katyonlarını bağlarlar. Normal olarak, hücreler, hücre duvarlarının iç ve dış tarafındaki sodyum ve potasyum iyonları derişimleri arasındaki değişimi ko rumak zorundadırlar. Potasyum iyonları içe; sodyum iyonları dışa “pompalanır”. Hüc re zarının iç tarafı hidrokarbona benzer; çünkü bu bölge başlıca lipitlerin (Bölüm 23) hidrokarbon kısımlarından oluşmuştur. Sulu sodyum ve potasyum iyonlarının hüçre za rı içerisinden taşınması yavaştır ve bu taşınmada hücrenin enerji harcaması gerekir. Ör neğin, nonaktin, potasyum iyonlarıyla sodyum iyonlarından daha kuvvetli koordine olarak bu iyonların derişim değişimini bozar. Potasyum iyonları nonaktinin iç kısmına bağlan dığı için, bu konukçu-konuk kompleks, yüzeyde hidrokarbona benzer hale gelir ve he men hücre zarı, potasyum iyonlarının geçişine izin verir hale gelir ve böylece temel derişim değişimi bozulur.

11.21 Alkenlerin, Alkollerin ve Eterlerin Tepkimelerinin Özeti

I 1. 21

A lk e n le r în , A lk o ller TEPKİM ELER İN İN Ö Z E T İ

in

ve

Eter

le r in

Bu bölümde ve 8. Bölümde, sentez tasarımında son derece yararlı olabilecek tepki meleri inceledik. Alkolleri ve eterleri kapsayan bu tepkimelerin çoğu Çizelge 11.6 da özetlenmiştir. Alkil halojenürleri, sülfonat esterleri, eterleri ve alkenleri aide et mek için alkolleri kullanabiliriz. Epoksitleri, diolleri, aldehitleri, ketonları ve karboksilik asitleri (özel alkenlere ve koşullara bağlı olarak) elde etmek için alkenleri yükseltgeyebiliriz. Alkanları, alkolleri ve alkil halojenürleri elde etmek için de al kenleri kullanabiliriz. Eğer elimizde, uygun bir komşu dihalojenürden elde edilebi lecek bir uç alkin varsa, bundan türetilen alkinür iyonunu, nükleofilik yer değiştirme

HzS04. 140°C

HX (X = Br, I)

-------------► q (Altb ölümII.I5A) CH3qCH2o0CH„CH 2 3 ( A ltb ö lü m

11.16)

ROM, H+

(Atoölüml,,8)>ROCH2CH2OH

RCOOH

CH0=CH 2—

(Altbölüm7.7)

( Al t böl üm 11.17) *

^ C\ / CH z

ROH, 0H-

(A,bö,üml,,8)^ROCH2CH2OH

O Na veya NaH

RCH7X

-> ppr p p j riTUo ------------—

(A ltb ö lü m le r 6 . 16B

( A ltb ö lü m I 1.1 5 B)

ve I1.9) TsCI

HX (X = Br, I)

.

* —CH3q—CH0OCH,R (................ » CHoCH0X Al t b ö l ü m I 1.16) v- 'i i 3 '- / i i 2 + r c h 2x

^

(Altbölüm11.ıo)

CH3CH2OH

Bazı sentez aletleri

2CH3CH2X

0 H2S04, 180°C

_

Nu-(Nu-= 0H-.I-.CN-. vb.)

CH3CH2OTs

MsCI

(Altbölümı ı.ı i)

„

CH3CH2Nu

Nu- (Nu- = 0H -,|-,C N -.vb.)

CH3CH2OMs ........ (A ................ u 2 ltbölümI1.1I)........ * CHL3qCH0N

(AltbölümI1.10) HX

(AltbölümI1.13) ^ CH3CH2X PBr,

RONa

(Altbölüm11.14) * CH3CH2Br

(AltbölümII.I5B)"* CH3CH2OR

socı, (A ltbölüm "Ï 1.14)

* C H 3C H 2 C 1

CH, CH,=C(CH,)2/H2S04

i

CHo H,ü"/H,0

2 )4-►CH3CH2OCCH, (A .ltb . . ö3lüm2II.I5C) » CHl q CH0OH + HOCCH, 3 2 (Altbölüm3I2I.I5C CH, CH, TBDMSCI

523

.

Bu4N+F-,THF

~ ltbölü ___ rrA,)» CHQ CH0OH mII.I5D '-'AA3V -'AA2V + FTBDMS (Altb------------► ölümII.I5D) CH,CH0 3 2 OTBDMS (A Şekil I 1.6 Alkollerin ve eterlerin etanolle başlayan önemli tepkimelerinin özeti.

524


ile karbon-karbon bağı oluşturmada kullanabiliriz. Şimdi elimizde şu ana kadar incele diğimiz tüm fonksiyonel grupları doğrudan ya da dolaylı birbirlerine dönüştürecek bir tepkime repertuarı bulunmaktadır. Altböliim 11.21A'da alkenlerin bazı tepkimeleri özet lenecektir. II.2IA

Se nt ezlerde A lk en le r

Gerçekte alkenler. incelemiş olduğumuz diğer fonksiyonel grupların hepsinin elde edil mesinde giriş (anahtar) noktasıdır. Bu nedenle, tepkimelerin büyük çoğunluğu bize, ürü nün konum kimyasal ve/veya steıeokimyasal şeklinin kontrolü imkanını sağladığından, alkenler. sentezlerde çok yönlü ara ürünlerdir. Örneğin, eğer biz bir ikili bağa M arkovnikov yönelimi uyarınca su katm ak istersek, bunu gerçekleştirmek için üç yön temden yararlanırız: (1) oksiciva katılması-civa ayrılması (Altböliim 11.5), (2) asit katalizli hidrasyon (Altböliim B.5) ve (3) sülfürik asit katılmasını izleyen hidroliz (Alt böliim 8.4). Bu yöntemlerden oksiciva katılması-civa ayrılması laboratuvarda en yarar lı olanıdır: çünkü kolay uygulanır ve çevrilme meydana gelmez. Eğer ikili bağa anti-M arkovnikov yönelimine göre su katm ak istersek, hidroborasyon-yükseltgemeyi kullanırız (Altbölüm 11.7). Hidroborasyon-yükseltgemeyle. H— ve —OH gruplarının sin katılmasını da başarmış oluruz. Bir organoboranm bor grubunun, hidroksil, döteryum ve trityum la da yer değiştirebileceğini (Altböliim 11.7B) ve hidroborasyonun H— ve -B— 'ııiıı bir sin katılmasını içerdiğini hatırlayınız. Eğer ikili bağa HX’i M arkovnikov kuralına göre katm ak (Altbölüm 8.2) ister sek, alkeni HF, HC1, HBr veya HI ile tepkimeye sokarız. Eğer H B r’yi anti M arkovnikov yönelimine uygun olarak katm ak istersek (Alt böliim 10.9). alkeni HBr ve bir peroksitle etkileştiririz. (Diğer hidrojen halojenürler. pe roksit varlığında anti Markovnikov katılması vermezler). Brom ve kloru ikili bağa katabiliriz (Altbölüm 8.6) ve bu katılma bir anti katıl madır (Altbölüm 8.7). Bromlama veya klorlamayı su içerisinde uygulayarak (Altböliim 8.8). ikili bağa X—ve — OH'yi de katabiliriz (halohidrin sentezi). Bu katılma da bir anti katılmadır.

Ek Problemler

Eğer ikili bağın sin hidroksillenıesini gerçekleştirmek islersek, ya KMn04'ün so ğuk bazik çözeltisini veya 0 s 0 4 ile tepkimeyi izleyen NaHS03muamelesini kullanırız (Altbölıim 8.10). Bu iki yöntemden sonuncusu tercih edilebilir; çünkü KMn04, alkeni aşırı yiikseltgeyerek ikili bağın bölünmesine de yol açabilir. Bir ikili bağın anti hidroksillenmesi. alkeni önce bir “e p o k s id e ” dönüştürmek ve ardından asit katalizli hidroliz uygulamakla gerçekleştirilir (Allbölüm 11.19). Bu tepkimelerin çoğunun eşitlikleri Şekil 8.3 ve 11.7’de verilmiştir.

A n a h t a r T e r i m l e r ve K a v r a m l a r Alkenlerin Hidrasyonu Oksiciva katılması - civa ayrılması Hidroborasvon - yükseltgeme Sülfonat esterleri Williamson eter sentezi Koruyucu gruplar Oksanyuın tuzları Oksiranlar (epoksitler) Alkenlerin hidroksillenmesi Taç eterler Faz-transfer katalizi Konukçu-konuk ilişkisi

Altbölümler 8.5 ve 11.4 Altbülüın 11.5 Altbölüm 11.7 Altbölümler 11.10 ve 11.11 Altbölüm 11.15B Altbölümler 11.15C ve 11.15D Altbölüm 11.16 Altbölümler 11.17 ve 11.18 Altbölüm 11.19 Altbölüm 11.21 Altbölüm 11.21 Altbölüm 11.21

11.31 Aşağıdaki alkollerin IUPAC adlarını yazınız. (a) (CH3)3CCH2CH2OH ch3

(b) CH2=CHCH2CHOH (c) HOCH2CHCH2CH2OH ch3

(d) C6H5CH2CH2OH

(f) HO

11.32 Aşağıda verilenlerin her birinin yapı formüllerini yazınız. (a) (Z)-2-Büten-l-ol (f) Tetrahidrofrun (b) (/?)-1.2.4-Bütantriol (g)2-Etoksipentan (c) (l/?.2/?)-l,2-Siklopentandiol (h) Etil fenil eter (d) 1-Etilsiklobütanol (i) Diizopropil eter (e) 2-Kloro-3-heksin-l-ol (j) 2-Etoksietanol 11.33 Aşağıda verilenlerin her birinden başlayarak 1-bütanolun en kolay yoldan sente zini tasarlayınız. (a) 1-Büten (b) 1-Klorobütan (c) 2-Klorobiitan (d) 1-Bütin 11.34 1-Bromobütanın aşağıda verilenlerden nasıl elde edebileceğinizi gösteriniz. (a) 2-Bütanol, CH3CH2CHOCH3 (c) 1-Büten (b) 1-Bütanol. CH3CH2CH2CH2OH (d) 1-Bütin * Yıldızla işaretlenmiş problemler “çözülmesi daha zor olan problemleredir.

EK PROBLEMLER

525

526


11.35

Aşağıdaki dönüşümleri nasıl yapabileceğinizi gösteriniz. (a) Sikloheksanol ---- ► klorosikloheksan (b) Sikloheksen---- ► klorosikloheksan (c) 1-Metilsikloheksen ---- ► 1-bromo-l-metil-sikloheksan (d) 1-Metilsikloheksen— ►nzmj-2-metilsikloheksanol (e) 1-Bromo-l-metilsikloheksan ---- ►sikloheksilmetanol

11.36 1-Bütanolün aşağıdaki reaktiflerin her biriyle etkileştirilmesi sonucunda oluşa cak bileşiklerin yapılarını ve kabul edilebilir adlarını yazınız. (g) Fosfor triklorür (a) Sodyum hidrür (h) Tiyonil klorür (b) Sodyum hidrür, daha sonra (i) Sülfürik asit, 140° C ’da 1-bromopropan (j) Derişik HBr ile geri soğutucu (c) Metansülfonil klorür ve baz altında kaynatma (d) p-Toluen sülfonil klorür (k) ter-bütilklorodimetilsilan (e) (c) ürünü, sonra sodyum metoksit (l) (k) ürünü, sonra florür iyonu (f) (d) ürünü, sonra KI 11.37 2-Bütanolün, Problem 11.36'da verilen reaktiflerin her biriyle etkileştirilmesiyle oluşabilecek bileşiklerin yapılarını ve adlarını yazınız. 11.38 Aşağıdaki eterlerin her birinin aşırı, derişik hidrobromik asitle geri soğutucu al tında kaynatılmasıyla hangi bileşiklerin oluşabileceğini belirtiniz. (a) Etil metil eter (c) Tetrahidrofuran (b) te/-Bütil etil eter (d) 1,4-Dioksan 11.39

Aşağıdaki tepkimeyi açıklayan bir mekanizma yazınız. h 3cx xc h 3 ,OH / ' \ . c H3 HA

+ HOH

U L . CH3 11.40

Aşağıdaki alkolleri elde etmek için, hidroborasyon-yükseltgeme işlemini nasıl uy gulayabileceğinizi gösteriniz. (a) 3,3-Dimetil-l-bütanol (c) 2-Feniletanol (b) 1-Heksanol (d) frans^-Metilsiklopentanol

11.41

1-Metilsikloheksenin aşağıdaki reaktiflerin her biriyle etkileştirilmesi sonunda olu şacak ürünün üç boyutlu formülünü yazınız. Her bir üründeki, döteryum ve trit yum atomlarının konumlarını gösteriniz. (a) (1) THF: BH3,(2)CH3C 0 2T (c) (1) THF:BD3, (2) NaOH, H20 2, H20 (b) (1) THF:BD3, (2) CH3C 0 2D

11.42 İzobütanla başlayarak aşağıdakilerin her birini nasıl sentezleyebileceğinizi gös teriniz (Problemin daha önceki şıklarında sentezi gösterilmiş bir bileşiği tekrar sentezlemenize gerek yoktur). (a) rer-Bütil bromür çh 3 (b) 2-Metilpropen (i) CH3CHCH2CN (c) İzobütil bromür çh3 (d) İzobütil iyodür (e) İzobütil alkol (iki yoldan) (j) c h 3c h c h 2s c h 3 (iki yoldan) (f) rer-Bütil alkol CH, (g) İzobütil metil eter CH3 O (k) CH3CCH2CBr3

(h)

CH3CHCH2OCCH3

Br

Ek Problemler

11.43

Komşu halo alkoller (halohidrinler), epoksitlerle HX'in etkileştirilmesiyle sentezlenebilirler. (a) Bu yöntemi, siklopentenden çıkarak 2-klorosiklopentanol sentezin de nasıl uygulayabileceğinizi gösteriniz, (b) Ürünün cA-2-klorosiklopentanol mü yoksa trans-2-klorosiklopentanol mü olmasını beklersiniz? Yani, —C1 ve —OH’nin net sin katılmasını mı yoksa net anti katılmasını mı beklersiniz? Açıklayınız.

11.44

Güve seks çekicisi E ’nin (bir tür feromon. bkz Altbölüm 4.16) bir sentezi aşa ğıda açıklanmıştır. Sentezdeki ara ürünlerin (A-D) ve E'nin yapısını gösteriniz. 1-bromo-5-metilheksan sıvı NH,

HC=CNa i-bromodekan

C (C19H36)

h2 Ni2B(P-2)

A (C9H,6)—vıN- ;; » B (C9Hl5Na) D (C19H38)

q h 5c o , h

E (C,9H380)

11.45

2-Metilpropenden (izobütilen) başlayarak ve gerekli diğer reaktifleri de kulla narak aşağıdaki her bir bileşiğin sentezini tasarlayınız. (a) (CH3)2CHCH2OH (c) (CH3)2CDCH2T (b ) (CH3)2CHCH2T (d ) (CH3)2CHCH2OCH2CH3

11.46

Aşağıda verilen alkolleri, uygun alkenlerden başlayarak oksiciva katılması-civa ayrılmasıyla nasıl elde edebileceğinizi gösteriniz. (a) 2-Pentanol (c) 3-Metil-3-pentanol (b ) 1-Siklopentiletanol (d ) 1-Etilsiklopentanol

*11.47 A-L Bileşiklerinin her birinin stereokimyasal formülünü gösteriniz; (b) ve (g) şıklarındaki sorulan cevaplayınız. ..............

(a) 1-Metılsıklobüten

(1 )T H F :B H , TsCl (2) h , o ., oh * A (c sH ıo ° )

B (Cl2Hl6S03) ^ - * c (C5H10O)

(b) A ve C arasındaki stereoizomerik ilişki nedir? (c) B (Ci2H16S03) ----- ►D (C5H9I) (d )

. .

Piws-4-Metılsıkloheksanol

(e) (tf)-2-Bütanol (f) (/?)-2-Bütanol

MsCl

H C =C N a

QH_ » E (C8H|6S03) -----------►F (C9H,4)

[H (C4H9ONa)] j (C5H120) K (C5H12S03) .ÇH^0Na »L (C5H120)

(g) J ve L arasındaki stereoizomerik ilişki nedir?

*11.48 Stereokimyasal yapısı A olan 3-bromo-2-bütanol derişik HBr ile etkileştirildiğinde W£’zö-2,3-dibromobütam oluşturur; 3-bromo-2-bütanol. B , benzer tepki meyle (±)-2,3-dibromobütanı meydana getirir. 1939 yılında S. Winstein ve H. J. Lucas tarafından gerçekleştirilen bu klasik deneme, komşu grup etkileri ola rak adlandırılan araştırma serisinin başlangıç noktasıdır. Bu tepkimelerin stereokimyasmı açıklayan mekanizmalar öneriniz. ch 3 Br \ 1+ H ,..C—-C \ OH CH, A

H Br \ İ * CH ,G —-C H İ? \ ch3 OH B

*11.49 Bir üçüncül amin (veya piridin) varlığında, bir alkolün tiyonil klorürle tepkime si sonunda, OH grubunun, kon figü rasyon u n d e v rilm e siy le C1 ile yer değiştirmiş olduğu bir ürün meydana gelir (Altbölüm 11.14). Ancak amin olmadığında ge-

527

528


nellikle konfigurasyonun korunduğu bir yer değiştirme gerçekleşir. Her iki du rumda da aynı klorosülfit ara ürünü oluşmaktadır. Bu ara ürünün, konfigürasyonun korunduğu ürünü oluşturmasına ilişkin bir mekanizma öneriniz. 11.50

1. Ö

G rubu PROBLEMLERİ

ğ renm e

2.

3.

1,2,3-Siklopentantriol bileşiğinin olası stereoizomerlerini yazınız. Stereomerkezlcri işaretleyiniz ve hangilerinin enantiyomer, hangilerinin diastereomer olduk larını belirtiniz. [Bazı izomerler “yalancı asimetrik merkez” içerirler; bunun iki konfigiirasyonu mümkündür, her biri farklı bir izomer meydana getirir, bunla rın her biri ayna görüntüleriyle aynıdır. Bu gibi stereoizomerler sadece yalancıasimetrik merkeze bağlı R , S gruplarının düzenlenme şekliyle farklandırılabilirler. Bunlardan /?, S'den daha öncelikli kabul edilerek, konfigürasyon r ya da s ola rak belirlenir. Yalancı asimetri belirlenmesinde küçük harfler kullanılır.]

Asetilen (etin) ve metandan başlayarak, m e zo - 2,3-bütandiol için iki sentez yolu tasarlayınız. Üründe gerekli stereokimyanın kaynağının kontrol edilmesi için tep kimelerin yürüyüşü sırasında, iki yolunuzun yaklaşımı farklı olmalıdır. (a) Etil 2-metilpropil eter (etil izobütil eter) için düşünebildiğiniz, kimyasal ola rak akla yatkın sentezleri yazınız. Sentezlerinizin birinde ya da bazılarının her hangi bir basamağında aşağıdaki reaktiflerden gerekli olanı kullanabilirsiniz (ancak hepsini aynı sentezde değil): PBr„ SOCl2, p-toluensülfonil klorür (tosil klorür), NaH. etanol, 2-metil-l-propanol (izobütil alkol), der. H2S 04, Hg(OAc)2. eten (eti len). (b) Etkinlik ve seçiciliklerini göz önüne alarak, sentezlerinizin bağıl üstünlükle rini değerlendiriniz [Hangilerinin “en iyi” sentezler ve hangilerinin “daha az dik kate değer” sentezler olarak ifade edilebileceğine karar veriniz.] Karbon atomu kaynağı olarak metilsiklopentan ve 2-metilpropandan başlayarak ve gerekli diğer reaktifleri de kullanarak aşağıdaki bileşiği sentezleyiniz. Sentez de gerek duyabileceğiniz araçlar Markovnikov veya anti Markovnikov hidrasyonu, Markovnikov veya anti Markovnikov hidrobromlanması, radikalik halojenleme, ayrılma ve nükleofilik yer değiştirme tepkimelerini kapsıyor ola bilir.

B ölüm

Alkollerin Karbonil Bileşiklerinden Se Yükseltgenme - İndirgenme ve Organometalik Bileşikler K o e n z im N A D H ’nin İki H a li Yiyeceklerimizdeki vitaminlerin pek çoğu enzimatik tepkimeler için koenzim haline dönü şürler. Koenzimler. tepkimeleri katalizleyen enzimlerin kullandığı organik makinenin bir par çası olan moleküllerdir. İki vitamin, niasin (nikotinik asit) ve bunun amidi niasinamit (nikotinarnit, yukarıda soya fasulyelerinin fotoğrafının yanında gösterilmiştir), koenzim nikotinamit adenin diniikleotidin öncüleridir. Soya fasulyesi, niasin kaynağı olan bir yiyecektir.

NH,

Niasin (Nikotinik asit)

R NAD+ (R karmaşık bir gruptur)

529

Bu koenzim değişik özellikler gösterir. Yükseltgenmiş şekli NAD+, indirgenmiş şekli ise NADH olarak bilinir. NAD+ glikolizde, sitrik asit çevriminde ve diğer bir çok biyo kimyasal işlemde bir yükseltgen olarak görev yapar. Diğer taraftan onun değişikliğe uğ ramış şekli olan NADH elektron taşıma zincirinde ve diğer metabolik işlemlerde indirgendir; bir elektron verici ve çoğu kez biyokimyasal hidrür (“H"”) kaynağı olarak davranır. Bu bölümde, NAD+ ve NADH ile yürüyen işlemlerin benzeri olan yükseltgenme ve indirgenme tepkimelerinin laboratuvarda uygulanmasında kullanılan reaktifleri öğreneceğiz. “Alkol Dehidrojenaz’ın Kimyası”nda doğanın, bu enzimle etanol ve asetaldehitin (etanal) birbirine dönüşümünde NAD+ ve NADH’yi nasıl kullandığını daha yakından inceleyeceğiz.

12.1 Giriş 12.2 Organik Kimyada Yükseltgenme - İndirgenme Tepkimeleri 12.3 Karbonil Bileşiklerinin İndirgen mesiyle Alkollerin Eldesi 12.4 Alkollerin yükseltgenmesi 12.5 Organometalik Bileşikler 12.6 Organolityum ve Organomagnezyum Bileşiklerinin Elde Edilişi 12.7 Organolityum ve Organomagnezyum Bileşiklerinin Tepkimeleri 12.8 Grignard Reaktiflerinden Alkollerin Eldesi 12.9 Lityum Dialkilkupratlar: CoreyPosner, Whitesides-House Sentezi 12.10 Koruyucu Gruplar

Formaldehitin (HCHO) n bağlayıcı moleküler orbitali: n Bağının elektron çifti her iki lobu da işgal eder.

530

12.1 GiRiş Karbonil bileşikleri; aldehitleri, ketonları, karboksilik asitleri ve esterleri içine alan ge niş bir bileşik sınıfıdır. \ /

R

c=o

Karbonil grubu

\ /

R

c=o

H

Bir aldehit

\ /

\

c=o

R'

Bir keton

HO

/

R,

\

C=0

Bir karboksilik asit

R'O

/

C=0

Bir karboksilik ester

Bölüm 16-19’a gelene kadar bu bileşiklerin kimyasını ayrıntılı olarak incelemeyecek ol mamıza rağmen, bu bileşiklerin alkollere dönüştürüldüğü tepkimeleri göz önüne alma mız yararlı olacaktır. Ancak daha önce karbonil grubunun yapısını ve karbonil bileşiklerinin etkinliğiyle ilişkisini inceleyeceğiz.

12. I A Karbonil G r u b u n u n Yapısı Karbonil karbon atomu s p 2 melezleşmiştir. Bu nedenle karbona bağlı üç grup aynı düz lem üzerinde yer alır. Bağlar arasındaki açılar da üçgen düzlem yapıda beklediğimiz gi bi yaklaşık 120o,dir.

Karbon-oksijen ikili bağı, <7bağının iki elektronu ve 7t bağının iki elektronundan olu şur. k Bağı, karbonun p orbitalinin, oksijenin bir p orbitaliyle örtüşmesinden oluşmuş tur. 7t Bağındaki elektron çifti her iki lobu da işgal eder (7ü bağı düzleminin altında ve üstünde).

12.1 Giriş

531

Daha elektronegatif olan oksijen atomu, hem o bağı ve hem de n bağı elektronları nı kuvvetle çeker ve karbonil grubunun önemli ölçüde polarlanmasma neden olur; bu yüzden karbon atomu kısmî pozitif, oksijen atomu da kısmî negatif yük taşır, n Bağı nın polarlanması, karbonil grubunun aşağıda görülen rezonans yapıları (ayrıca Altbölüm 3.10’a bakınız) ile gösterilebilir. \

\

C— O 4—► +C— O:

veya

Karbonil grubunun rezonans yapıları

\s +

6-

C— O

Melez

Karbon-oksijen bağının polarlığının kanıtı karbonil bileşiklerinin oldukça yüksek olan dipol momentleridir.

-» H

\

-— » h 3cx

C=0

/ H Formaldehit /t = 2,27 D

I2.IB

h 3c

c=ö‘

/

Asetonun elektrostatik potansiyel haritası

Aseton fi = 2,88 D

Karbonil Bileşiklerinin Nükleofillerle T e p k i m e l e r i

Sentetik açıdan, karbonil bileşiklerinin en önemli tepkimelerinden birisi nükleofilik ka tılmadır. Henüz gördüğümüz gibi, karbonil grubu kısmî pozitif yük taşıdığından, nükle ofilik atağa duyarlıdır. Bir nükleofıl karbonil grubuna katıldığında, karbonilin karbon atomuyla bağ yapmak için kendi elektron çiftini kullanır. Karbon-oksijen ikili bağının bir elektron çifti oksijene kayabileceği için, karbonil karbonu bir elektron çifti kabul edebi lir. /•"

\ s+

Nu:~

+

s-

|

C = Ö — ►Nu — C — Ö:/ | -

Tepkime meydana geldiğinde karbon atomunun geometrisinde ve melezleşme duru munda bir değişme olur; karbon üçgen düzlem geometri ve sp2 melezleşmiş durumdan, düzgün dörtyüzlü geometriye ve sp3 melezleşmiş duruma geçer. Karbonil bileşiklerine katılan iki önemli nükleofıl, NaBH4 veya LİA1H4 (Altbölüm 12.3) gibi bileşiklerin hidrür iyonları ve RLi ya da RMgX gibi bileşiklerin (Altbölüm 12.7c) karbanyonlarıdır. Diğer ilgili tepkimeler alkollerin ve karbonil bileşiklerinin yükseltgendiği ve indir gendiği (Altbölümler 12.2-12.4) tepkimelerdir. Örneğin, birincil alkoller aldehitlere yükseltgenebilir ve aldehitler de alkollere indirgenebilirler. ¥ „

I

IOJ

R

-

yükseltgenme

\„

••

indirgenme

/

R— C— O— H 4 H Bir birincil alkol

İH]

*

C=0

H Bir aldehit

Şimdi, organik bileşiklerin yükseltgenmesi ve indirgenmesinde uygulanan bazı genel ku ralları ele alacağız.

B ir k a r b o n ile n ü k le o filik k a tılm a

532

Bölüm 12 /Alkollerin Karbonil Bileşiklerinden Sentezi. Yükseltgenme-İndirgenme ve Organometalik Bileşikler

12.2

O R G A N İK K İM Y A D A Y Ü K S E L T G E N M E İNDİRGENM E TEPKİM ELER İ

Bir organik bileşiğin indirgenmesi genellikle onun hidrojen içeriğinin artması veya oksijen içeriğinin azalmasıyla ilişkileildirilir. Örneğin, bir karboksilik asidin bir alde-

hide dönüşmesi bir indirgenmedir, çünkü oksijen içeriği azalmaktadır. f

Oksijen içeriği azalır

O

o

II

R — C— OH —

IHI m—

indirgenme

II

► R— C— H

Karboksilik asit

Aldehit

Bir aldehidin bir alkole dönüştürülmesi de bir indirgenmedir. f

Hidrojen içeriği artar

O

R— C— H

— —— ► RCH,OH indirgenme

Bir alkolün bir alkana dönüşümü de yine bir indirgenmedir. Oksijen içeriği azalır

RCR,OH

|H1

^

in d irg en m e

Bu örneklerde bir organik bileşiğin indirgendiğini göstermek için [H] simgesini kullan dık. Bu, indirgenin ne olduğunu belirtmeksizin, bir genel eşitlik yazılmak istendiğinde kullanılır. İndirgenmenin tersi yükseltgenınedir. Buna göre, bir organik molekülün oksijen içeriğinin artması veya hidrojen içeriğinin azalması yiikseltgenmedir. Biraz önce yu karıda gösterdiğimiz her tepkimenin tersi bir organik molekülün ytikseltgenmesidir ve yükseltgenme-indirgenme tepkimelerini aşağıdaki gibi özetleyebiliriz. Bir organik mo lekülün yükseltgendiğini göstermek için [O] simgesini kullanırız. O

RCH,

RCH,OH*===^ R C H « = ± IH ]

Organik bileşiklerde yükseltgenme-indirgenme tepkimelerinin genel gösterimine dikkat ediniz.

O

'

[H ]

RCOH

[H j

En yüksek yükseltgenme basamağı

En düşük vükseltgenme basamağı

B ir organik bileşiğin yiikseltgenmesi, daha genel olarak, karbondan daha elektronega tif he rh ang i b ir elementin içeriğinin arttığı b ir tepkime olarak tanım lanabilir.

Örneğin,

hidrojen atomlarının yerine klor atomlarının geçmesi bir yükseltgenmedir.

Ar—CH3 * M ± A t—CHLC1 [H|

'

Ar—CHC1, [H ]

‘

Ar—CC1, [H ]

Bir organik bileşik indirgendiğinde bir başka madde— indirgen m addi— yükseltgenmelidir. Diğer taraftan bir organik bileşik yükseltgendiğinde ise bir başka mad de— yükseltgen m adde— indirgenmelidir. Bu indirgen ve yükseltgenler çoğu kez

12.3 Karbonil Bileşiklerinin İndirgenmesiyle Alkollerin Eldesi

533

inorganik bileşiklerdir ve bundan sonra gelen iki altbölümde bunların bazılarını göre ceğiz. Bir organik bileşiğin karbon atomunun yükseltgenme sayısı karbona bağlı gruplara < bakılarak bulunabilir. Hidrojenle (veya karbondan daha az elektronegatif herhangi bir elementle) olan bir bağ, karbonun yükseltgenme sayısına -1; oksijen, azot veya halojenle (veya karbondan daha elektronegatif herhangi bir elementle) olan bir bağ karbonun yükseltgenme sayısına +1; başka bir karbonla olan bağ ise 0 etki yapar. Buna göre, metanda karbonun yükseltgenme durumu -4 ve karbon dioksitte O II

+4’tür. (a) Bu yöntemi kullanarak, metanol (CH,OH), forrnik asit

HCOH

ve formaldehitte \HCH/ karbon atomlarının yükseltgenme durumunu tayin ediniz, (b) Metan, karbon dioksit, metanol. forrnik asit ve formaldehiti karbonun artan yük seltgenme durumuna göre sıralayınız, (c) Metanol formaldehit tepkimesinde ki yükseltgenme durumu değişmesi nedir? (d) Bu bir yükseltgenme mi yoksa indirgenme midir? (e) Bu tepkimede, yükseltgen olarak H2Cr04, kullanılırsa H2Cr04’teki krom Cr3+ haline gelir. Kromun yükseltgenme durumunda ne gibi bir değişiklik olmuştur? (a) Etanolün ve asetaldehitin her bir karbon atomunun yükseltgenme durumunu belir- ^ lemek için önceki problemde açıklanan yöntemi kullanınız, (b) Etanol asetaldehite yükseltgendiğinde bu sayılar yükseltgenme yeri konusunda ne ifade eder? (c) Bu işlemi, asetaldehitin asetik asite yükseltgenmesi için tekrarlayınız.

P ro b l e m 12.1

Yükseltgenme-indirgenme tepkimelerinin denkleştiril mesi. Organik yükseltgen me-indirgenme tepkimelerinin eşitlenmesi için, bu kitabın çalışma klavuzunda bir yöntem açıklanmıştır.

P ro bl em 12.2

(a) Bir alkenin hidrojenlenmesini, bir katılma tepkimesi olarak açıklamamıza karşın, ■< P ro bl em 12.3 organik kimyacılar çoğu kez bunu bir “indirgeme” olarak ifade ederler. Problem 12.1 'deki yöntemi göz önüne alarak bunu açıklayınız, (b) Benzer yorumları aşağıdaki tepkime için yapınız. O

CH3— C—H + H2

12.3

CH3CH2OH

K A R B O N İL BİLEŞİKLERİNİN İN D İR G EN M ES İYLE A L K O L L E R İN ELDESİ

(\

\

Birincil ve ikincil alkoller, karbonil 1 C = 0 I grubu içeren çeşitli bileşiklerin indir genmesiyle elde edilebilirler. Burada bir kaç genel örnek verilmiştir. O

R—C — OH

R — CH2OH

Karboksilik asit O

1° Alkol

II

R — C—OR' Ester

İH I

R — CH,OH (+ R'OH) 1° Alkol

534

Bölüm 12 / Alkollerin Karbonil Bileşiklerinden Sentezi. Yükseltgenme-İndirgenme ve Organometalik Bileşikler

O I R —C— H Aldehit

R— CH2OH 1° Alkol

0 II R—C—R'

R — CH—R'

Keton

OH 2° Alkol

En zor karboksilik asitler indirgenir, fakat güçlü bir indirgen olan lityum alümin yum hidrür (LİA1H4, LAH olarak kısaltılır) ile karboksilik asitlerin indirgenmesi başa rılabilir. LİA1H4, karboksilik asitleri çok yüksek verimlerle birincil alkollere indirger. 4 RCO,H + 3 LİAIH, Lityum üminyum alüminyum hidrür

Et,0

> [(RCH20)4AI]L1 + 4 H2 + 2 LiAlO,

H,0/H,SO4 1_^

4 RCH,OH + A1,(S04), + Li2S04

2,2-Dimetilpropanoik asitin lityum alüminyum hidrürle indirgenmesi buna bir örnektir. ch3

A

1

Önceden gerekli önlemler alınmadıkça, lityum alüminyum hidrür indirgemeleri tehlikeli olabilir. Böyle bir indirgemeden önce uygun laboratuvar klavuzlarını incelemeli ve tepkimeyi küçük ölçekte uygula malısınız.

(1) LiAIH4/Et,Q ^

CH3—C—CO,H • I

; o-C.

(2) HjO/H,SC)4

c h 3—C—CH,OH

ch3

ch 3

2,2-Dimetilpropanoik asit

Neopentil alkol (%92)

Esterler yüksek basınçlı hidrojenlemeyle (endüstriyel işlemlerde tercih edilen ve iş lem sırasında karbon-oksijen bağı bölündüğünden “hidrojenoliz” olarak ifade edilen bir tepkime) veya lityum alüminyum hidrür kullanılarak indirgenebilirler. O RC—OR' + H, Cu0 CuCr—4-> RCH,OH + R'OH 175°C 5000 psi

O RC— OR (1) 1!

Ll (> ►RCH,OH + R'OII

(2) H,0/H,S04

İkinci yöntem, küçük ölçekteki laboratuvar sentezlerinde en fazla kullanılan yöntemdir. Aldehit ve ketonlar da hidrojen ve bir metal katalizör yardımıyla veya alkol içeri sinde sodyumla ya da lityum alüminyum hidrürle alkollere indirgenebilirler. Ancak, en fazla kullanılan indirgen, sodyum borhidrürdür (NaBH4). O 4

RCH + NaBH4 + 3 H , 0 -►4 RCH,OH + NaH,BO, O ch 3ch 2ch 2ch

Vll;llı>

Bütanal

ch 3ch 2ch 2c h 2oh

1-Bütanol (%85)

CH,CH,CCH, NaB% CH,CH,CHCH, 3

2 II

O Bütanon

3

H ,O

I

OH 2-Bütanol (%87)

12.3 Karbonil Bileşiklerinin İndirgenmesiyle Alkollerin Eldesi

Bir karbonil bileşiğinin lityum alüminyum hidrür ya da sodyum borhidrürle indir genmesinin anahtar basamağı, metalden karbonil karbonuna bir hidrür iyonunun akta rılmasıdır. Bu aktarmada hidrür iyonu nükleofil olarak davranır. Bir ketonun sodyum borhidrürle indirgenmesine ilişkin mekanizma aşağıda açıklanmıştır.

Te pk im e için Bir Mekanizma Aldehit ve Ketonların H id rü r A ktarım ıyla İndirgenmesi

H,B— H +

R I

.. C = 0 . ---- ►H—Ç—0A “.( H—OH►H—C—O—H

R'

R' Alkoksit iyonu

Alkol

Bu basamaklar, bora bağlı tüm hidrojen atomları aktarılana kadar tekrarlanır. Sodyum borhidrür, lityum alüminyum hidrürden daha zayıf bir indirgendir. Lityum alüminyum hidrür asitleri, esterleri, aldehitleri ve ketonları indirger; fakat sodyum bor hidrür yalnızca aldehit ve ketonları indirger. LiAIFI4ile indirgenirler NaBH_t ile indirgenirler I------------- *■ --------1 0

I

0

0

I

I

0

I

R—C—0 “ < R—C—OR' < R—C—R' < R—C—H

İndirgenmekolaylığı L ity u m a lü m in y u m h id r ü r su y la ş id d e tli te p k im e v e rir ve bu nedenle lityum alü minyum hidrürle indirgemeler susuz çözücülerde, genellikle susuz eterde uygulanmalı dır. (Tepkimenin tamamlanmasından sonra, LiAlH4’ün aşırısının bozunmasmı sağlamak için etil asetat ilave edilir, bundan sonra alüminyum kompleksinin bozunması için su ilavesi yapılır.) Bunun aksine, sodyum borhidrür indirgemeleri sulu veya alkollü çözel tilerde yapılabilir.

Aşağıdaki dönüşümleri gerçekleştirmek için hangi indirgeni, LiAlH4 ya da NaBH4, ^ kullanırsınız?

O

(c) HC

O

O II

COCH3

*

HOCH,

COCH,

Problem 12.4

535

i ^ l k o l dehidrojenaz enzimi asetaldehiti etanole dönüştüreceğinde, NADH indirgen ola rak etkir ve nikotinamit halkasının 4 nolu karbon atomundan bir hidrürü asetaldehitin karbonil grubuna aktarır. Nikotinamit halkasındaki azot atomu, bağ oluşumunda kulla nılmamış elektron çiftini halkaya vererek bu işlemi kolaylaştırır ve hidrür kaybıyla da halka, NAD+ yapısında bulunan ve enerji içeriği açısından daha kararlı olan halkaya dö nüşür. (Onun neden daha kararlı olduğunu Bölüm 14’te göreceğiz.) Hidrür aktarımıyla asetaldehitten oluşan etoksit anyonu, enzim tarafından protonlanarak etanole dönüştü rülür.

Etanol

Asetaldehitin hidrürü alan karbonil karbonu, elektronegatif oksijen nedeniyle do ğal olarak elektrofil olmasına rağmen, enzim, oksijen atomuna koordine olabilen bir Lewis asidi olan çinko iyonu sağlayarak, karbonil karbonunun elektrofi 1ik özelliğini arttırır. Lewis asidi, geçiş halinde ortaya çıkan oksijenin negatif yükünü kararlı duru ma getirir. Enzim proteininin katlı yapısının rolü: çinko iyonunu, koenzimi ve substratı. geçiş halinin enerjisini düşürmek için gerekli olan üç boyutlu düzende tutmaktır. Tepkime tamamen tersinirdir; etanolün bağıl derişimi yüksek olduğunda, alkol dehid rojenaz bir hidrür uzaklaştırarak etanolün yükseltgenmesini sağlar. Alkol dehidrojenazın bu rolü, etanol zehirlenmesinin önlenmesinde önemlidir. Alkol dehidrojenaz tepkimelerinin stereokimyasal yönünü, “Karbonil Gruplarının Stereoseçimli İndirgen melerinin Kimyası”nda inceleyeceğiz.

536

imyasi Karbonil Gruplarının Stereoseçimli İndirgenmeleri

Yellowstone Milli Parkı’ndaki gibi sıcak akarsularda büyüyüp çoğalan terınofilik bak teri, ekstremozinıler olarak adlandırılan ve bir çok kimyasal işlem lerde yararlı olduğu görülen sıcağa dayanıklı enzimler üretir.

Enantiyoseçimlilik Bir karbonil grubunun stereoseçimli indirgenme olasılığı, bir çok sentezde önemlidir. İndirgenecek olan karbonil grubunun yapısına bağlı olarak, hidrür aktarımıyla oluşacak düzgün dörtyüzlü karbon yeni bir stereomerkez olabilir. NaBH4 ve LİA1H4 gibi akiral reaktifler, akiral üçgen düzlemsel substralın her iki tarafından eşit hız la tepkimeye girerek, bir ürünün rasemik şeklinin oluşmasına yol açarlar. Fakat, örneğin, enzimler kiraldir ve tepkimelere kiral bir reaktant katıldığı için, kiral ürünün bir enantiyomerik şekli çok yük sek verimle elde edilir. Bu tür tepkimeler, enantiyoseçimli olarak adlandırılır. Böylece, karbonil grupları NADH (bölüm girişine ba kınız) gibi koenzimler kullanılarak alkol dehidrojenazla indirgendiğinde, enzimler üç gen düzlemsel karbonil substratın iki yüzü arasında farkı gözeterek, düzgün dörtyüzlü ürünün iki stereoizomerik şeklinden birisinin çok yüksek yüzde de oluşmasını sağlar lar. (Eğer başlangıçtaki reaktant kiralse, yeni stereomerkezin oluşumu, tercihan ürünün bir d ia stere o m erin in meydana gelmesine yol açar; bu durumda tepkimenin d ia ste re o se ç im li olduğu söylenebilir.) Üçgen düzlemsel merkezin bir tarafından veya diğer tarafından bakıldığında, bağlı bulunan gruplara göre, üçgen düzlemsel merkezin her iki tarafının yönü. Cahn Ingold Prelog öncelikliğine (Altbölüm 5.6) uygun olarak re ve si şeklinde işaretlenir (re saat yelkovanı dönme yönü, si ise yelkovan dönme yönü tersidir). re yüzü (bu taraftan bakıldığında, yelkovan dönme yönünde öncelik sırası vardır)

yüzü (bu taraftan bakıldığında, yelkovan dönme yönü tersinde öncelik sırası vardır) si

Bir karbonil grubunun re ve si yüzleri (burada Cahn-Ingold-Prelog öncelikliği O > XR > 2R şeklindedir).

NADH-bağımlı bir çok enzimin, substratlarının re ya da si taraflarını tercihi bilinmek tedir. Bu bilgi, bu enzimlerden bazılarının sentezler için son derece yararlı seteroseçimli ıeaktifler haline gelmelerini sağlamıştır. Bunlardan en fazla kullanılanı maya alkol dehidrojenazıdır. Terınofilik bakteriler de yaygın kullanılan önemli enzimlerdir (yüksek sıcaklıklarda gelişen bir bakteri). Sıcaklığa dayanıklı enzimlerin (ekstromozimler olarak adlandırılar) kullanılması, daha düşük sıcaklıklarda daha yüksek enantiyoseçicilik elde edilmesine rağmen, yüksek sıcaklığın (bazı hallerde 100° C’un üze rinde) hız arttırıcı etkisiyle tepkimelerin daha hızlı tamamlanmasını sağlar. HO H Term oanaerobium brockii

%96 enantiyomerik saflık %85 verim Ç e rç e v e li lasını sa yfa 5 3 8 'd e deva m e d iy o r

537

/?-AIpin-Boran

Karbonil gruplarının stereoseçimli indirgenmesi amacıyla, bazı kiral kimyasal reaktifler de geliştirilmiştir. Bunlarm çoğu, bir ya da daha fazla sayıda kiral organik ligand içeren standart alüminyum veya borhidrür indirgenlerin türevleridir. Örneğin, S-AlpinBoran ve /?-Alpin-Boran sırasıyla (-)-a-pinen ya da (+)-oc-pinen (enantiyomerik doğal hidrokarbonlar) ve diborandan (B2H6) türetilmiş reaktiflerdir. LİA1H4 ve kiral aminler den türetilmiş reaktifler de geliştirilmiştir. Stereoseçimliliğin boyutu enzimatik indirgeme veya substratın yapısına bağlı olarak kiral indirgenlerle artırılabilir. En uygun stereoseçimliliği elde etmek için, çoğu kez değişik tepkime koşullarında deneylerin yapılması gereklidir.

%97 enantiyomerik saflık %60-65 verim

Prokirallik NADH tepkimelerinin stereokimyasının ikinci bir yönü, NADH’nin 4 nolu karbon ato muna bağlı bulunan iki hidrojenin de ilke olarak bir indirgeme sürecinde hidrür olarak aktarılmasıdır. Ancak, verilen bir enzimatik tepkimede, NADH’nin C4 atomundan belli bir hidrür aktarılabilir. Hangi hidıürün aktarılacağı, tepkimeye katılan enzime bağlıdır ve bunu, stereokimyasal adlandırmayı genişleterek belirtebiliriz. NADH’nin C4’deki hidrojenleri prokiral olarak ifade edilir. Bunların her biri hidrojenden daha öncelikli bir grupla yer değiştirdiğinde konfigurasyonun R ya da S olmasına (hayalimizde) göre, birisi ni pro-/f, diğerini pro-S olarak adlandırırız. Eğer bu uygulama R konfigurasyonu oluşturuyorsa, “yer değiştiren” hidrojen pro-/? ve eğer S konfigurasyon oluşturuyorsa pro-S’dir. Genel olarak bir prokiral merkez, bir üçgen düzlemsel atoma bir grubun katılması (bir ketonun indirmesinde olduğu gibi) veya bir düzgün dörtyüzlü atomdaki iki eşdeğer gruptan birisinin yer değiştirmesiyle yeni bir stereomerkeziıı oluşmasına yol açan merkezdir. „

Hc

pro-R ve pro-S hidrojenlerin görüldüğü NADH’nin nikotinamit halkası

12.4

ALK O LLER İN YÜ KSELTG EN M ESİ

I2 .4 A Birincil Alkol le ri n A ld eh it le re Yükseltgenmesi: R C H 2O H — * R C H O Birincil alkoller aldehitlere ve karboksilik asitlere yükseltgenebilirler. O O R—CH,OH - M * R—C — H -Î21* R—C — OH 1° Alkol Aldehit Karboksilik asit

538

12.4 Alkollerin Yükseltgenmesi

Sulu çözeltilerde aldehitlerin karboksilik asitlere yükseltgenmesi, genellikle birincil alkolleri aldehitlere yükseltgeyen reaktiflerden daha az kuvvetli yükseltgenlerle meydana gelir; bu nedenle yükseltgenmeyi aldehit basamağında durdurmak güçtür. [Bir organik bi leşiğin dehidrojenlenmesinin yükseltgenmeye. buna karşılık hidrojenlenmesinin (Problem 12.3’e bakınız) indirgenmeye karşılık geldiğine dikkat ediniz.] Bu nedenle, laboratuvarda aldehitlerin birincil alkollerden elde edilmesinde çoğu kez özel yükseltgenler kullan mak durumundayız. Bu amaçla kullanılan çok değişik reaktifler vardır ve bunların tamamım incelemek programımız dışındadır. Bu amaca uygun mükemmel bir reaktif, CrO,’ün hidroklorik asitte çözülmesi ve sonra pridinle muamele edilmesiyle elde edilen bileşiktir. Cr03 + HC1 +

CrO,ClPiridin (CSHSN)

Piridinvum klorokromat (PCC)

Pridinyum klorokrom at (PCC olarak kısaltılır) olarak adlandırılan bu bileşik CH2Cl2’de çözüldüğünde, bir birincil alkolü aldehite yükseltger ve bu basamakta durur. CH, CH3 O pıj r'M (C2H5)2C— CH,OH + PCC ; 2 ► (C2H5)2C---- CH 2-Etil-2-metiI-l^ 2-Etil-2-metiIbütanal bütanol Pridinyum klorokromat ikili bağa da etkimez. Pridinyum klorokromatla yükseltgemenin başarılı olmasının bir nedeni de, yükseltgemenin, PCC’nin çözündüğü CH2C12 gibi bir çözücü içinde gerçekleştirilmesidir. Bu çözücüde aldehitler, krom bileşikleriyle yiikseltgemede olağan ortam olan suda çözül düklerinde kendiliğinden oluşan aldehit hidratlar, RCH(OH)2, kadar kolay yükseltgenmezler. RCHO + H20*==*RCH(0H)2 Bunu, Altbölıim 12.4D’de tekrar açıklayacağız.

I2.4B Birincil Alkol ler in Karboksilik Asi tlere Yükseltgenmesi: R C H 2O H — ► r c o 2h Birincil alkoller, potasyum permanganatla karboksilik asitlere yükseltgenebilirler. Tep kime genellikle sulu bazik çözeltilerde yapılır; burada yükseltgenme meydana geldiğin de M n02 çöker. Yükseltgenme tamamlandıktan sonra, süzmeyle M n02 uzaklaştırılır ve süzüntünün asitlendirilmesiyle karboksilik asit elde edilir. R— CH.OH + KMnO,

011 H ,( )

►R C 02 K+ + Mn()2 | h.,o+ R C 02H

I2 .4 C İkincil A lko ll eri n Ketonlara Yükseltgenmesi: OH 1

O r

RC HR' ------►RCR' İkincil alkoller ketonlara yükseltgenebilirler. Daha ileri bir yükseltgenmede karbon-karbon bağının bölünmesi gerektiğinden, tepkime keton basamağında durur.

539

540


OH

O

1 —R' R—CH

101 C—R'11 R—

2° Alkol

Keton

Krom (VI) esaslı değişik yükseltgenler. ikincil alkolleri ketonlara yükseltgemede kul lanılır. En fazla kulandan reaktif kromik asittir (H2Cr04). Kromik asit genellikle krom (VI) oksitin (Cr03) veya sodyum dikromatın (Na2Cr20 7) sulu sülfürik asite ilavesiyle el de edilir. İkincil alkollerin yükseltgenmesi genellikle aseton ya da asetik asit çözeltile rinde uygulanır. Aşağıda denkleştirilmiş bir tepkime eşitliği görülmektedir. m

3

R\

\

CHOH + 2 H,CrO, + 6 H+ ----^ 3 C = 0 + 2 Cr3+ + 8 H,0 / 2 4 / R' R' Kromik asit alkolü ketona yiikseltgediğinde, krom. +6 yükseltgenme basamağından (H2Cr04). +3 yükseltgenme basamağına (CrJ+) indirgenir. Sıcaklık kontrol edildiğinde, alkollerin yükseltgenmesi çok yüksek verimlerle ketonları verir. Siklooktanoliin siklooktanona yükseltgenmesi iyi bir örnektir.

Kromik asitle yükseltgennıeye eşlik eden turuncudan yeşile renk değişimi, birincil ve ikincil alkoller için bir test olarak kullandır (Altbölüm 12.4E)

H2CrQ4

aseton 35°C

Siklooktanol

Siklooktanon (%92-96)

Sulu asetonda Cr03’ün kullanılması Jones Yükseltgenmesi (veya Jones Reaktifiyle Yükseltgeme) olarak adlandırılır. Bu işlem molekülde bulunan ikili bağları nadiren et kiler. 12. 4D K r o m a t Yük sel tge m el er ini n Mekanizması Alkollerin kromik asitle yükseltgenmelerinin mekanizması ayrıntılı olarak incelenmiş tir. Bu mekanizma, bir organik ve bir inorganik bileşik arasındaki tepkimede yükselt genme basamaklarının nasıl değiştiğini göstermesi açısından ilginçtir. İlk basamak, alkolün bir kromat esterinin oluşumudur. Bu basamağı burada bir 2° alkol kullanarak göstereceğiz.

Te pk im e İçin Bir Mekanizma Kromat Yükseltgemeleri: Kromat Esterinin Oluşumu 1 . Basamak

H h —o :^

H

?

...

/ C\

- ‘

% H3c x /

H,C 2° Alkol

y)

o ,-

+ H — O — C r— 0 : ^11 H -.o.&l\ H

Oksijen bir proton alırken, alkol krom atomuna bir elektron cifti verir.

H-, c \ ~

/°

yC

h3c

v

•O : = 0 : ^ h

I

H

I

H

^

h -t-ö ^ h &l\

H Bir oksijen proton kaybeder, diğer oksijen bir proton alır.

12.4 Alkollerin Yükseltgenmesi

o II \ f ~ O; C r^ O : II,C\ / r ^ \r / C N :O : o — H H'C

"

H

'OH,C ' \

*0;---- C r= Ö ‘ I + Ö—H :ü : H,C H H H Kronıat ester Bir su molekülü ayrılan grup olarak çıkarken, bir krom • oksijen ikili bağı oluşur. /

Kromat esteri kararsızdır ve izole edilmez. Ester, bir baza (genellikle su) bir proton aktarır ve aynı anda bir HCr03' iyonu ayrılır.

Tepkime İçin Bir Mekanizma K ro m a t Yükseltgemeleri: Yükseltgeme Basamağı

2.

B a sa m a k

•o-

•oH,C \ .• II ^ HıCv ;0.— C r = 0 . ---- ► C = 0 . + =Cr— 0 : + H — O — H Y A ı ' / ' \ " ı H,C H / CV :9 ! Keton H,C H I \ H H +

T

H— Ö

H Krom atomu alkole ait olan bir elektron çiftiyle ayrılır: bu nedenle alkol vükseltgenir ve krom indirgenir.

İkinci basamağın toplam sonucu, kromun yükseltgeme basamağında iki elektron (2 e~) değişimiyle, krom(VI) dan krom (rV )’e, HCr04- ’nin HCr03- ’ye indirgenmesidir. Aynı anda alkol 2 er yükseltgenmesine uğrayarak ketona dönüşür.

Mekanizmanın geriye kalan basamakları karmaşıktır ve bunların ayrıntılı verilmesi ne de gerek yoktur. Diğer yükseltgenmelerin (ve disproporsiyonlanmaların) sonuçta Cr(IV) bileşiklerinin Cr3+ iyonlarına dönüşmesiyle meydana geldiğini söylemek yeterlidir. Mekanizmanın 1. basamağında bir kromat esterin oluşma gereği, neden sulu çözel tilerde 1° alkollerin kolayca aldehit basamağından öteye yükseltgengendiklerini (ve bu nun yanında CH2Cl2’de PCC ile yükseltgemenin neden aldehit basamağında durduğunu) anlamamıza yardım eder. Başlangıçta 1° alkolden oluşan aldehit (henüz verdiğimiz me kanizmaya benzer bir mekanizmayla oluşur) suyla tepkimeye girerek bir aldehit hidrat oluşturur. Bundan sonra aldehit hidrat HCr04~ (ve H+) ile tepkimeye girerek bir kromat ester oluşturabilir ve bu da daha sonra bir karboksilik aside yükseltgenir. Su yokluğun-

541

542


da (veya CH2Cl2’de PCC kullanıldığında) aldehit hidrat oluşmaz; bu nedenle daha ileri bir yükseltgenme de olmaz.

)

/A H

tl

0

n

R\

.. - 0 —H | H

—

R\c /°‘ / H

\

, 0 —H

« -—

H

Rx / 0 ~ H C / \ H 0 —H Aldehit hidrat

HCr(V. H+

H

R\

/° n v / C\ r^\ II H — ():

H ^

o—

H

R\

C r— O H

►

/ 0H

ç

+ H C rO .r + H30

O Karboksilik asit

O

Sayfa 541’de verilen mekanizmanın 2. basamağında meydana gelen ayrılma, neden 3° alkollerin kromat yükseltgenmesinde genellikle tepkime vermediklerini anlamamıza yardımcı olur. 3° alkollerin kromat esterleri oluşturmalarında bir zorluk olmamasına rağ men, oluşan esterler ayrılabilecek bir hidrojen içermezler ve bu nedenle yükseltgenme olmaz. O O R\ Cr20 72-’nin Cr3+,ya indirgenmesi sırasında meydana gelen renk değişimi, alkollü sürücüleri belirlemede kullanılan “nefes analiz tüpleri”nin esasını oluşturur. Nefes analizleyicide, silica jel grandi leri dikromat tuzuyla kaplanmıştır.

/ ° - H

/ c\ R R 3° Alkol

I2.4E

+

K

O — Ç r— O — H + H+ O

\ / / c\

O— Cr— O— H II o

+

h 2o

R R Bu kromat ester H2Cr()3 ayrılması veremez.

Birincil ve İkincil A l k o l l e r İçin Bir Kimyasal T e s t

Birincil ve ikincil alkollerin nispeten kolay yükseltgenmeleri, üçüncül alkollerinse yük seltgenme zorluğu, bize alkolleri ayırt etmemizi sağlar. Bu yükseltgenme farklılığı ta nıma testinin esasını teşkil eder. Birincil ve ikincil alkoller, Cr03'iin sulu sülfürik asitteki çözeltisiyle hızlı bir şekilde yükseltgenirler. Sulu sülfürik asitte çözünen kromik oksit (Cr03), Cr20 72~ iyonlarını içeren berrak portakal rengi bir çözelti oluşturur. Bu berrak portakal rengi çözelti 2 s içerisinde donuk hale gelir ve yeşilimsi bir renk alırsa, test olumludur. RCH2OH veya 4- CrOj/sulu H2S 04 RCHOH

-►Cr3+ ve yükseltgenme ürünleri

R T Berrak portakal rengi çözelti

Yeşilimsi donuk çözelti

Bu test (tanıma deneyi) sadece birincil ve ikincil alkolleri, üçüncül alkollerden ayırt et mekle kalmaz; birincil ve ikincil alkolerin aldehitler dışında, bir çok başka bileşikler den ayırt edilmesini de sağlar.

12.5 Organometalik Bileşikler

Aşağıdaki her bir dönüşümün nasıl gerçekleştirilebileceğini gösteriniz.

I2.4F

<

A lk o l l e r İçin Spektroskopik Kanıtlar

Alkoller infrared spektnımlarında, 3200-3600 cm-' aralığında O—H gerilme soğurma ları verirler. Alkol hidroksil hidrojeni. D20'nun döteryumuyla yer değiştirerek ortadan kaldırılabilen, değişken kimyasal kayma değerleri olabilen tipik, geniş H-NMR sinyali oluşturur. Bir alkolün l3C NMR spekturumunda, 8 50-90 aralığında alkol karbonu sin yali görülür. Bir birincil ya da ikincil alkol karbonundaki hidrojen atomları, *H NMR spekturumunda 8 3,3- 8 4,0 aralığında, sırasıyla integrasyonu 2 veya 1 hidrojene karşı lık gelen sinyaler verirler.

12.5

O

r g a n o m e ta lik

B

îleşîkler

Karbon-metal bağı içeren bileşiklere organometalik bileşikler denir. Karbon—metal bağının özelliği, esas olarak iyonik karakteri olan bağdan, başlıca kovalent karakterli olan bağa kadar geniş bir aralıkta değişir. Organometalik bileşiğin organik kısmının ya pısının, karbon-metal bağının özeliğine bazı etkileri söz konusuysa da metalin kendisi nin niteliği çok daha önemlidir. Karbon-sodyum ve karbon-potasyum bağları büyük ölçüde iyonik karakterlidir; karbon-kurşun, karbon-kalay, karbon-talyum ve karbon-civa bağlarıysa esas itibariyle kovalenttir. Karbon-lityum ve karbon-magnezyum bağla rı, bu iki sınır arasında yer alır. |S — 8 +

— C :~M+

— C :M

I Başlıca iyonik (M = Na+ veya K+)

I (M = Mg veya Li)

—C — M I Başlıca kovalent (M = Pb, Sn, Hg, veya Tl)

Organometalik bileşiklerin etkinliği, karbon-metal bağının iyonik karakteri yüzdesiyle artar. Alkilsodyum ve alkilpotasyum bileşikleri oldukça etkin ve en kuvvetli baz lar arasındadır. Bunlar suyla patlayarak tepkimeye girerler ve havayla temas ettiklerinde alev alarak yanarlar. Organociva ve organokurşun bileşiklerinin etkinliği çok daha dü şüktür; bunlar çoğu zaman uçucu ve havada kararlıdırlar. Bunların tamamı zehirlidir.

P ro bl em 12.5

543

544

A


l

Bazı organometalik reaktifler, karbon-karbon ba ğı oluşturma tepkimelerinde çok kullanışlıdır (Altbölümler 12.8 ve 12.9’a bakınız).

Bu bileşikler genellikle polar olmayan çözücülerde çözünürler. Örneğin, tetraetilkurşun benzinde “vuruntu önleyici” olarak kullanılır. Zehirli olması nedeniyle, tetraetilkurşun yerini vuruntu önleyici başka maddelere bırakmıştır. rer-Bütil metil eter şu an kullanım da olan vuruntu önleyici bir katkı maddesidir. Lityum ve magnezyumun organometalik bileşikleri, organik sentezlerde büyük öne me sahiptir. Bunlar eter çözeltilerinde nispeten kararlıdır, ancak bunların karbon-metal bağları önemli ölçüde iyonik karakterlidir. Bu iyonik özellik nedeniyle, organolityum ve organomagnezyum bileşiklerinin metale bağlı karbon atomları kuvvetli baz ve güç lü nükleofillerdir. Biz şimdi, bu iki özelliğin her ikisini de açıklayan tepkimeleri ince leyeceğiz.

12.6

O R G A N O L İ T Y U M VE O R G A N O M A G N E Z Y U M B İL E Ş İK L E R İN İN E L D E EDİLİŞİ

I 2 . 6 A O r g a n o l i t y u m Bileşikleri Organolityum bileşikleri çoğu kez organik halojenürlerin lityum metaliyle indirgenme siyle elde edilir. Bu indirgenme genellikle eter çözücüleri içerisinde yapılır ve organo lityum bileşikleri kuvvetli bazlar olduklarından ortamda nem olmamasına dikkat edilmelidir (neden?). Çözücü olarak en fazla kullanılan eterler, dietil eter ve tetrahidrofurandır. (Tetrahidrofuran bir halkalı eterdir.) CH,CH2ÖCH2CH3 Dietil eter (Et20)

Tetrahidrofuran (THF)

Örneğin, bütil bromür dietil eterde metalik lityumla tepkimeye sokulduğunda bütillityumun bir çözeltisi elde edilir. —ınor1 CH3CH2CH2CH2Br + 2 Li Et Q »CH 3CH2CH2CH2Li + LiBr Bütil bromür

Bütillityum (%80-90)

Metillityum, etillityum ve fenillityum gibi diğer organolityum bileşikleri aynı genel yol dan elde edilebilir. R—X

+ 2 Li Et2° » RLi

(veya Ar—X)

+ LiX

(veyaArLi)

Halojenürlerin etkinlik sırası RI > RBr > RC1 şeklindedir. (Alkil ve aril florürler, orga nolityum bileşiklerinin elde edilmesinde nadiren kullanılırlar.) Organolityum bileşiklerinin çoğu, eterlere yavaş bir şekilde etkiyerek, ayrılma tepkime sine yol açarlar. s-

+-

R : Li + H— CH2 —CH2— OCH2CH3 ----►RH + CH2= C H 2 + LiOCH2CH3 Bu nedenle, organolityum reaktiflerinin eter çözeltileri genellikle uzun süre bekletilmez: hazırlandıktan sonra hemen kullanılır. Organolityum bileşikleri hidrokarbon çözücülerde çok daha kararlıdır. Sanayide bir çok alkil ve arillityum reaktifi, heksan veya diğer hid rokarbonlardaki çözeltileri şeklinde muhafaza edilir ve satılır.

12.6 Organolilyum ve Organomagnezyum Bileşiklerinin Elde Edilmesi

I2.6B G r ig n a r d Reaktifleri Organomagnezyum halojcnürler 1900 yılında Fransız kimyacı Victor Grignand tarafın dan bulundu. Grignard. bu buluşu nedeniyle 1912 yılında Nobel Ödülünü kazandı ve şimdi organomagnezyum halojenürlere, onun anısına, Grinard reaktifleri denilmekte dir. Grignard reaktifleri organik sentezlerde çok kullanılmaktadır. Grignard reaktifleri genellikle, bir eter çözücüde, bir organik halojenürün ve meta lik magnezyumun (şerit) tepkimesiyle elde edilir. RX + Mg

►RMgX

G rignard reaktifleri

Et y

ArX + Mg —-—►ArMgXJ Magnezyuma karşı halojenürlerin etkinlik sırası da RI > RBr > RC1 şeklindedir. Çok az organomagnezyum florür elde edilebilmiştir. Aril Grignard reaktifleri aril bromür ve aril iyodürlerden daha kolay elde edilin aril klorürler çok yavaş tepkime verirler. Grignard tepkimeleri nadiren izole edilirler fakat çoğunlukla, daha sonraki tepkime ler için eter çözeltileri içerisinde kullanılırlar. Bu eter çözeltileri. Grinard reaktifi içeri ği açısından analiz edilebilirler; ancak Grignard reaktifi verimleri genellikle daima çok yüksektir (%>85-95). Aşağıda iki örnek verilmiştir. CH.I + Mg -§ Ş »

CH,MgI Metilmagnezyum iyodür

(%95)

CftflUBr + Mg

CfiH5MgBr Fenilmagnezyum brom ür

(%95) Grignard tepkimelerinin gerçek yapısı, RMgX olarak gösterilen genel formüldekinden çok daha karmaşıktır. Radyoaktif magnezyumla yapılan deneyler. Grignard reaktiflerin çoğun da alkilmagnezyum halojenür ve dialkilmagnezyum arasında bir dengenin olduğunu orta ya koymuştur.

2 RMgX Alkilmagnezyum halojenür

„

► R2Mg

+

MgX2

Dialkilmagnezyum

Ancak bu kitapta, kolaylık açısından, Grignard reaktiflerinin formüllerini basitçe RMgX olarak yazacağız.

Grignard reaktifleri, tepkimelerinde çözücü olarak kullanılan eterle bir kompleks oluş tururlar; bu kompleksin yapısı aşağıdaki gibi gösterilebilir. R R W O R — M g— X

Ö

/" \ R R Eter molekülleriyle kompleks oluşumu. Grignard reaktifinin oluşması ve kararlılığı için önemli bir etkendir. Organomagnezyum bileşikleri eter içermeyen çözeltilerde de hazır lanabilir, ancak bu daha zordur.

V ictor G rig n a rd

545

546


Grignard reaktiflerinin oluşumuna ilişkin mekanizma karmaşık ve tartışamalıdır.* Radikal oluşumuyla yürüdüğüne dair genel bir görüş hakimdir ve aşağıdakine benzer bir mekanizma düşünülebilir. R—X + :Mg-----►R - + -MgX R- + *MgX-----►RMgX

12.7

O r g a n o l İt y u m v e O r g a n o BİLEŞİKLERİNİN TEPK İM ELER İ

m a g n e z y u m

I 2.7 A Asidik Hidrojen A t o m l a r ı İçeren Bileşiklerle Te pk im el er i Grignard reaktifleri ve organolityum bileşikleri çok kuvvetli bazlardır. Bunlar; oksijen, azot ya da kükürt gibi elektronegatif atomlara bağlı hidrojen atomu içeren bileşiklerle tepkimeye girerler. Eğer Grignard reaktifini ve organolityum bileşiklerini aşağıdaki gi bi gösterirsek, bu tepkimelerin nasıl meydana geldiğini anlayabiliriz. 8- 8+ S- «+ R:MgX ve R=Li Bunu yaptığımızda, Grignard reaktiflerinin su ve alkollerle tepkimelerinin, asit-baz tep kimelerinden başka bir şey olmadığını görebiliriz; bu tepkimeler, daha zayıf konjuge asidin ve daha zayıf konjuge bazın oluşumuna yol açarlar. Grignard reaktifi, sanki alkanın anyonunu içeriyormuş gibi, sanki bir karbanyon içeriyormuş gibi davranır. ' s+ -5» e^.. R : MgX + H :OH Grignard reaktifi (daha kuvvetli baz)

R=H

Su (daha kuvvetli asit)

Alkan (daha zayıf asit)

8- / 8+ R : MgX + H =OR ---- ► R : H + Grignard reaktifi (daha kuvvetli baz)

Alkol (daha kuvvetli asit)

+


HO:

+

Mg2+ + X

Hidroksit iyonu (daha zayıf baz)

R Ö :-

+

Mg: + x-

Alkoksit iyonu (daha zayıf baz)

P ro bl em 12.6

>■ Fenillityum (a) su ve (b) etanolle etkileştirildiğinde meyadan gelecek tepkimeler için yukarıda verilenlere benzer eşitlikler yazınız. Dha kuvvetli ve daha zayıf asit leri, daha kuvvetli ve daha zayıf bazları gösteriniz.

P ro b l e m 12.7

^

Elinizin altında bromobenzen (C6H5Br), magnezyum, kuru eter ve döteryum oksit (D20) bulunduğunu varsayarak, aşağıdaki döteryumla etiketlenmiş bileşiği nasıl sentezleyebileceğinizi gösteriniz.

* İlg i duyanlar şu makaleleri ok uyabilirler: Garst, J. L .: S w ift, B. L . W alborsk y,

H.

M.

Acc. Chem. Res. 1990, 23.

28 6-29 3; ve Garst. J. L .

J, Am.Chem. Soc. 1989. 111. 241-250; Acc. Chem. Res. 1991. 24. 95-97.

12.7 Organolityum ve Organomagnezyum Bileşiklerin Tepkimeleri

Grignard reaktifleri ve organolityum bileşikleri, suyun ve alkolünkinden daha zayıf asidik protonları da koparırlar. Örneğin, bunlar, 1 -alkinlerin uç hidrojen atomlarıyla tep kimeye girerler ve bu, alkinil magnezyum halojenürlerin ve alkinil lityumların elde edil mesi için yararlı bir yöntemdir. Bu tepkimeler de asit-baz tepkimeleridir. /¿ n

5 -\

5+

R—C = C —H + R' =MgX Uç alkin (daha kuvvetli asit)

> R— C = C =MgX + R' H

G rignard reaktifi (daha kuvvetli baz)

Alkinilmagnezyunı halojenür (daha zayıf baz)


S - \ 5+

R—C = C — H + Uç alkin (daha kuvvetli asit)

R ': Li

Alkillityum (daha kuvvetli baz)

* R — C = C : U + R ': H Alkinillityum (daha zayıf baz)


Alkanların pÂ^ değerlerinin ~50, buna karşın uç alkinlerinkilerin ~25 (Çizelge 3.1) ol duğunu dikkate aldığımızda, bu tepkimelerin tamamen sağa doğru yürümesi şaşırtıcı de ğildir. Grignard reaktifleri sadece kuvvetli baz değildirler; bunlar aynı zamanda güçlü nükleofillerdir. Grignard reaktiflerinin nükleofil olarak etkidiği tepkimeler çok daha önem lidir. Şu andan itibaren, bir Grignard reaktifinin doymuş ve doymamış karbon atomlarına atak yaparak nükleofil olarak etkime yeteneğini ortaya koyan genel örnekleri göz önü ne alacağız. I2.7B

G r ig n a r d Reaktiflerinin O k s ir an la r ( E po k s it le r) İle T epkimeleri

Grignard reaktifleri oksiranlarla tepkimeye girdiklerinde, doymuş bir karbona bir nükleofilik atak olur. Genel yürüyüşü aşağıda gösterilen bu tepkime, birincil alkoller için uygun bir sentez yolu oluşturur. Grignard reaktifinin nükleofilik alkil grubu, oksiran halkasının kısmî pozitif karbo nuna atak yapar. Halka, gergin olduğundan açılır ve tepkime sonunda bir birincil alko lün tuzu oluşur. Bunu izleyen asitlendirmeyle alkol meydana gelir. (Bu tepkimeyi, Altbölüm 11.18’de incelediğimiz baz katalizli halka açılmasıyla karşılaştırınız.) S -f

ö — / / 's +

..

R MgX + H2C— -CH 2 ----►R — CH2CH2—0 :

2+V —

x

14'+

••

---- ►R — CH2CH2OH

SO ksiran

Bir birincil alkol

Ö z e l Ö rn ek

C6H5MgBr + H2C ^ ; C H O

2

C6H5CH2CH2OMgBr

C6H5CH2CH2OH

Grignard reaktifleri, oksiranlarla tepkimeye girdiklerinde halkanın daha az sübstitüe olmuş karbon atomuna atak yaparlar. Ö z e l Ö rn e k

C6H,MgBr + HıC---- ;CH —CH3 -= -r* C6H5CH,CHCH3 H'° ►C6H5CH2CHCH3 \ / fct2U | | O OMgBr OH

547

548


I2.7C

G r i g n a r d R e a k t i f le r i n i n K a r b o n i l B i le ş i k l e r i y l e T epkimeleri

/}

Sentetik açıdan Grignard reaktiflerinin ve organolityum bileşiklerinin en önemli tepki meleri, bu bileşiklerin nükleofil olarak etkidiği ve bir doymamış karbona, özellikle bir karbonil grubunun karbonuna atak yaptığı tepkimelerdir. Altbölüm 12.1B’de karbonil bileşiklerinin nükleofilik saldırıya oldukça duyarlı ol duklarını görmüştük. Grignard reaktifleri karbonil bileşikleri (aldehitler ve ketonlar) ile aşağıda gösterilen yoldan tepkimeye girerler.

T e p k i m e İçin B ir M e k a n izm a

Gringard Tepkimesi Tepkime \ RMgX +

(1) eter*

C =0

(2 ) H , 0

X

+ R—

O — H + MgX2

Mekanizma / . Basamak

+ R : MgX ^ Grignard reaktifı

/

C = 0 . — ►R (s>J 1

Karbonil bileşiği

^ **— TI _ Ç O: Mg- x |

Halomagnezyum alkoksit

Kuvvetli nükleofil olan Grignard reaktifi karbon atomuyla bağ oluşturmak için kendi elektron çiftini kullanır. Karbonil grubunun bir elektron çifti oksijene kayar. Bu tepkime karbonil grubuna bir nükleofilik katılmadır ve Mg2+ ve X- ile birleşik bir alkoksit iyonunun oluşumuyla sonuçlanır.

2. Basamak

R~C —0

Mg2+X" + H -^ Ö ^ H + X H

Halomagnezyum alkoksit

----►R— C—O—H + :0 —H + MgX, I " ı H Alkol İkinci basamakta, sulu HX ilavesi alkoksit iyonunun protonlanmasına yol açar; bu da bir alkol ve MgX, oluşmasını sağlar. * O k u n üstüne “ (1 ) eter” ve okun altına “ (2 ) H 30 +X ” yazarak, birinci basamakta G rig n a rd reaktifi ve karbo nil büeşiğinin eter çözücüsünde tepkim eye sokulduğunu: sonra ikinci basamakta, G rigna rd bileşiğiyle karbo nil bileşiğinin tepkimesi tamamlandıktan sonra, sulu asit (seyretlik H X g ib i) ilave ederek alkolün tuzunu ( R O M g X ) alkolün kendisine dönüştürdüğüm üzü belirtiriz. E ğe r alkol üçüncülse, asit katalizli dehidrasyona duyarlı olur. Bu durum da çoğu zaman N H j C l ’nin sudaki çözeltisi kullan ılır: çünkü bu R O M g X ?i R O H 'a çe virecek kadar asidiktir ve dehidrasyona yo l açmaz.

12.8 Girgnard Reaktiflerinden Alkollerin Eldesi

12.8

G R İG N A R D R EAK TİFLER İN D EN A LK O LLE R İN ELDESİ

Karbonil bileşiklerine Grignard katılmaları oldukça yararlı tepkimelerdir. Çünkü bu tep kimelerle birincil, ikincil ve üçüncül alkoller elde edilebilir. 1

.

G rig n ard R eaktifleri F orm aldehitle Tepkim eye G irdiğinde Birincil Al kolleri V erirler. H H I .. S — f 8+ /" A •. H,()+ R— C— 0 : MgX R : MgX + ^ C = (). ►R — C—ÖH I " I “ H H H Formaldehit

2.

1° Alkol

G rig n ard R eaktifleri Tüm Diğer A ldehitlerle Tepkim eye G irdiğinde İkincil Alkolleri O lu ştu ru rla r. R s - i s+ R :M gX

•• +

R'

C— Ö ;MgX -------►R — C — ÖH HjO+ | ı H H

^ C = 0 .

H Formaldehitten başka bir aldehit

3.

2° Alkol

G rig n ard Bileşikleri K etonlarla Tepkim eye G irerek Üçüncül Alkolle ri O lu ştu ru rla r. R' R' R'\ 1 .. NH.CI ^ t = o -—►R— c —O MgX ---- -—►R— C—tOH H,0 / 1 *’ 1 " R" R" R" 3° Alkol

Keton

4.

E sterler İki Eşdeğer Mol G rig n ard R eaktifiyle Tepkim eye G irerek Üçüncül Alkolleri O lu ştu ru rla r Bir Grignard reaktifi bir esterin karbonil gru buna katıldığında ilk ürün kararsızdır ve bu ürün bir magnezyum alkoksit kaybe derek bir keton oluşturur. Ketonlar, Grignard bileşiklerine karşı esterlerden daha etkindirler. Bu nedenle, oluşan karışımdaki keton, hemen ikinci Grignard molekülülüyle tepkimeye girer. Hidroliz sonrası; a y n ı ik i a l k i l g r u b u i ç e r e n b i r ü ç ü n c ü l a l k o l oluşur; bu alkil grupları Grignard reaktifinin alkil kısmıdır.

RMgX +

-A- /=âı •. ~C =0.

*

R—

R'G

R I v^N

C — O — MgX

— R "O M g X kendiliğinden

:o — R" Başlangıç ürünü (kararsız)

Ester

O R Keton

R M eX

----^

R—

R R I I • N U .C I C— OMgX--------►R—C—OH H ,() I R R

Bir alkol tuzu (izole edilmez)

3° Alkol

549

550


Bu tepkimelere ilişkin özel örnekler aşağıda verilmiştir. GRIGNARD REAKTİFÎ

SON ÜRÜN

KARBONİL REAKTİFİ

Formaldehitle tepkime

H

\

C6H5MgBr

+

G=0

------►

CJH-CH,—OMgBr

E t20

C6H5CH2OH

H Fenilmagnezyum bromür

Benzil Alkol (%90)

Formaldehit

Diğer aldehitlerle tepkime

ÇH3

c h 3x

CH3CH,MgBr + Etilmagnezyum bromür

/ C=0 H

CH3CH2Ç—OMgBr

------►

H,° ►

c h 3c h 2c h c h 3

E t20

OH

H

2-Bütanol (%80)

Asetaldehit

Bir ketonla tepkime

CH3

ch3

\

CH3CH,CH2CH,MgBr + CH3

c=o

ch3

I

E t,O

N H jC l

ch3

oh

2-Metil-2-heksanol (%92)

Aseton

Bütilmagnezyum bromür

I

CH,CH,CH,CH,C—OMgBr--- — ►CH.CH^HXH^C—CH 3 " ‘ 2| HjO 3 * ' ' i

Bir esterle tepkime

H,C CHjCHjMgBr

\ /

c=o ---E t20

CH, I CHjCH — C— OMgBr

c 2h 5o

OC2H5

Etil asetat

Etilmagnezyum bromür

H,C

-C 2H 5OM gBr

CH3

CH, \

/ c h 3c h 2

C = ()

C ^M gB ^

■

L

3

İŞ S ^ H ,()

c h 3c h ,ç c h ,c h , I

OH

OMgBr

3-Metil-3-pentanol (%67)

P ro bl em 12.8

>

y Fenilmagnezyum bromür, benzoil klorürle, C 6H5 CC1, tepkimeye girerek trifenilmetanolü, (C6H5)3COH, oluşturur. Bu tepkime, Grignard reaktiflerinin açil klorürlerle verdiği tipik bir tepkimedir ve mekanizması bir Grignard reaktifinin bir esterle verdiği, biraz önce gösterilen tepkimenin mekanizmasına benzemektedir. Trifenilmetanolün oluşumunun basamaklarını gösteriniz.

12.8 Grignard Reaktiflerinden Alkollerin Eldesi

I 2 .8 A Bir G ri g n a r d Sentezinin Ta s a rı m ı Grignard sentezlerini iyi kullanarak, istediğimiz herhangi bir alkolü sentezleyebiliriz. Bir Grignard sentezini tasarlarken, doğru Grignard reaktifini ve doğru aldehit, keton, ester veya epoksidi seçmeliyiz. Bu seçimi, elde etmek istediğimiz alkolü inceleyerek ve —OH grubunun bağlı olduğu karbon atomuna bağlı bulunan grupları dikkate alarak ya parız. Çoğu kez, sentezi birden fazla yoldan uygulayabiliriz. Bu durumda son seçimi miz başlangıç bileşiklerinin bulunabilirliğine göre olacaktır. Şimdi bir örnekle bunu açıklayalım. 3-Fenil-3-pentanolü elde etmek istediğimizi varsayalım. Alkolün yapısını inceleriz ve —OH grubunu taşıyan karbon atomuna bir fenil grubu ve iki etil grubunun bağlı olduğuC,HS I ' c h 3c h 2— c — c h 2c h 3 OH 3 -F e n il-3 -p e n ta n o I

nu görürüz. Bu, bize bu bileşiği değişik yollardan elde edebileceğimizi belirtir. 1.

İki etil grubu içeren bir keton (3-pentanon) kullanabiliriz ve bunu fenilmagnezyum bromürle tepkimeye sokarız. A n a liz

Ç6h 5 t" CH3CH2—C—CH2CH, = > CH,CH2—C—CH2CH3 + C6H5MgBr

OH

O

Sentez

C6H5MgBr +

C„H< I ►CH3CH2—Ç—CH,CH

(H E t O

CH3CH2CCH2CH3 ■

;

(2 ) N H 4C1 H ,0

O 3 -P e n ta n o n

F e n ilm a g n e z y u m

OH 3 -F e n il-3 -p e n ta n o I

b ro m ü r

2.

Bir etil grubu ve bir fenil grubu içeren bir keton (etil fenil keton) kullanabiliriz ve bu ketonu etilmagnezyum bromürle tepkimeye sokarız. A n a liz

C,H. *> 3

Ç„h 5

CH3CH2— C -f CH2CH3 = > CH3CH2—C OH

+ CH,CH,MgBr

O

Sentez

c 6h 5X

CH3CH,MgBr

+

/

c=o

c h 3c h 2 E tilm a g n e z y u m

E t il fe n il

b ro m ü r

k e to n

(1 )

e l ,0

(2 ) N H 4CI H ,0

I

►c h 3c h 2— c—c h 2c h 3 OH 3 -F e n il-3 -p e n ta n o l

551

552


3.

Veya bir benzoik asit esteri kullanabilir ve bu esteri iki eşdeğer mol etilmagnezyum bromürle tepkimeye sokarız. Analiz Ç*H;

Ç6h 5 CH,C H ,-î-Ç -î-C H 2CH3 = > OH

^C x 0

+ 2 CH3CH,MgBr 0 C H 3

Sentez

O

Ç,h 5

11

(1 ) E t,O

2 CH3CHjMgBr + C6H5COCH3(2 ) Etilmagnezyum bromür

►CH3CH,— Ç — CH:CH,

N H 4C1 H ,0

OH 3-Fenil-3-pentanol

Metil benzoate

Bu yöntemlerin hepsi, arzu edilen bileşiği büyük olasılıkla %80’in üzerinde bir verim le oluşturacaklardır.

Ö r n e k P r o b l e m ----------------------------------------------------------------------------------------Çok Basamaklı Bir Sentezin Gösterilişi Organik çıkış maddesi olarak sadece en fazla dört karbon atomu içeren bir alkolü kul lanarak A’nın sentezini tasarlayınız. O II c h 3c h c h 2c c h c h 3

I

" I

CH3

CH3 A

Cevap:

Karbon iskeletini bir Grignard tepkimesiyle, iki adet dört karbonlu bileşikten oluştu rabiliriz. Oluşan alkolün yükseltgenmesi sonucu istenen keton elde edilir. Analiz Geriye doğru sentez düşüncesiyle bölme

CH3

I H3Cx

^CHjMgBr CH

O A

OH

/ CH\ + HC

I

CH3

o

C

B

Sentez OH

0 CH3CHCH2MgBr + ch3

B

II

(1 ) E t,0

HCf

C H 3 (2 , H , 0 -

ch3

c

H ,C r O ,

+ CH,CHCH,CHCHCH, J | ifc 3 ch3 ch3

CH,

II

----- ►A

aseton


Grignard reaktifini (B) ve aldehiti (C), izobütil alkolden sentezleyebiliriz. CH,CHCH,OH + PB r,----►CH,CHCH,Br \

|

ch3

EuO

B

ch3

CH3CHCH2OH

pcc

C H ,C i,

►c

ch3

Ö r n e k P ro bl em Çok Basamaklı Bir Sentezin Gösterilişi

Bromobenzenle başlayarak ve gerekli olan diğer reaktifleri de kullanarak aşağıdaki aldehitin sentezini tasarlayınız.

Cevap:

Geriye doğru çözümle, aldehiti karşılığı olan alkolden PCC (Altbölüm 12.4A) ile yükseltgeyerek sentezleyebiieceğimizi hatırlayalım. Alkol, fenilmagnezyum bromürün oksiranla etkileştirilmesinden elde edilebilir [oksiranın bir Grignard reaktifine katılması, bir organik gruba -CH2CH,OH biriminin eklenmesi için uygulanan çok yararlı bir yöntemdir (Altbölüm 12.7B)]. Fenilmagnezyum bromür, bilinen yoldan, bromobenzenin bir eter çözücüde magnezyumla etkileştirilmesinden elde edilebilir. Analiz O

Aşağıdaki bileşiklerin sentezi için Grignard tepkimelerini nasıl kullanabileceğinizi ^ gösteriniz. (Bir organik halojenürle başlamalısınız ve gerekli olan diğer bileşikleri kullanabilirsiniz.) (a) 2-Metil-2-bütanol (üç yoldan) (b) 3-Metil-3-pentanol (üç yoldan) (c) 3-Elil-2-pentanol (iki yoldan) (d) 2-Fenil-2-pentanol (üç yoldan) (e) Trifenilmetanol (iki yoldan)

P ro bl em 12.9

Aşağıdakilerin her birinin sentezini tasarlayınız. Başlangıç maddesi olarak feniimag- ■< nezyum bromür, oksiran, formaldehit, dört ya da daha az sayıda karbon atomu içeren

P ro bl em 12.10

553

554


alkolleri veya esterleri kullanmanıza izin verilmektedir. İnorganik reaktifleri ve piridinyum klorokromat (PCC) gibi yükseltgenleri kullanabilirsiniz. OH

(a) C6H5ÇHCH2CH3

(c) C6H5CCH2CH3

OH

c 6h 5

O

OH

(b) C6H5CH

(d) C6H5CHÇHCH3 CH,

I2.8B

G ri g n a rd Reaktiflerinin Kullanımındaki Sı nırlamal ar

Grignard sentezi, tüm genel sentetik işlemler arasında, başka bileşiklere dönüştürülebilirliği en fazla olanlardan birisi olmasına rağmen, bunun da bazı kısıtlamaları vardır. Bu kısıtlamaların çoğu, Grignard reaktifinin bir rıükleofil ve bir baz olarak olağanüstü et kinlik özelliğinden kaynaklanmaktadır. Bir karbanyon içerdiğinden, G rig n a rd r e a k tifi ç o k k u v v e tli b ir b a zd ır. Bu nedenle, bir Grignard reaktifini, bir al kan ya da bir alkenin hidrojen atomlarından daha asidik hidrojen içeren bir organik gruptan elde etmek imkansızdır. Örneğin, bir —OH grubu, bir —NH— grubu, bir —SH grubu, bir —CO,H grubu veya bir —SO,H grubu içeren bir bileşikten bir Grignard reaktifi elde edemeyiz. Eğer bir Grignard reaktifini, bu grup lardan birisin içeren bir organik halojenürdeıı elde etme girişiminde bulunursak, Grig nard reaktifi oluşumu gerçekleşmez. (Bir Grignard reaktifi oluşsaydı bile, bu hemen asidik grupla tepkimeye girerdi.) Grignard reaktifleri güçlü nükleofiller olduklarından, bir karbonil, epoksi. ııitro ve ya siyano (—CN) grubu içeren bir organik halojenürden Grignard reaktifi elde edeme yiz. Eğer bu tür bir tepkimeyi uygulamaya girişirsek, oluşan Grignard reaktifi tepkimeye girmemiş başlangıç maddesiyle tepkime verir. — OH, — NH2, — NHR, — C ü 2H, — SO.,H, — SH, — C = C — H

O

O

O

O

— CH, — CR, — COR, — CNH2, — N 0 2, — C = N , — C — ^ C ~

Bu grupları içeren Grignard reaktifleri elde edilemez.

O Tepkimede yarışan bir başka grubun etkinliğini maskelemek için bazen bir koruyucu grup kullanılabilir (Bkz Altbölümler 11.15C, 11.15D ve 12.10).

B u , G r ig n a r d re a k tifle r i eld e e tm e k iste d iğ im izd e ; a lk il h a lo je n iir le r veya k a rb o n k a rb o n ik ili b a ğ la rı, h id ro je n iç e rm e y e n k a r b o n -k a rb o n ü çlü b a ğ la rı, e te r b a ğ la rı ve

—N R 2 g ru p la rı

iç ere n b e n z e r o rg a n ik h a lo je m ir le rle sın ırlı k a la c a ğ ım ız a n la m ın a g e

lir.

Grignard tepkimeleri asidik bileşiklere öyle duyarlıdır ki, bir Grignard reaktifi ha zırlayacağımız zaman, düzeneğimizdeki nemi uzaklaştırmak için gerekli önlemleri al mamız ve çözücü olarak susuz eter kullanmamız gereklidir. Daha önce de gördüğümüz gibi, asetilenik hidrojenler Grignard reaktifleriyle tepki meye girecek kadar asidiktir. Asetilenik Grignard reaktiflerini; uç alkinleri. alkil Grig nard reaktifleriyle tepkimeye sokarak elde edebiliriz (Altbölüm 12.7A). Sonra bu asetilenik Grignard reaktiflerini başka sentezler için kullanırız.


Örneğin. C6HsC = C H + C2H,MgBr---- ►CftHsC=CMgBr + C2H6 f O CfiH-C=CMgBr + C,H,CH --------- ►CfıH,C = C —CHC,H, 6 9 & 25 (2)H,063 I OH (%52)

Grignard sentezleri tasarladığımızda, Grignard reaktifinin bir asidik grup içeren al dehit. keton, epoksit veya esterle etkileştiğini düşünerek bu tür tepkimenin oluşumunu da önleyecek tedbirleri almalıyız. (Bir uç alkinle tasarlayarak uyguladığımız tepkime bunun dışındadır.) Eğer bu önlem alınmazsa Grignard reaktifi bir nlikleofil olarak kar bonil ya da epoksit karbonuyla tepkimeye gireceği yerde, bir baz olarak asidik hidro jenle tepkimeye girer. Örneğin, 4-hidroksi-2-bütanonu metilmagnezyum bromürle etkileştirdiğimizde, önce aşağıdaki tepkime meydana gelir. CH,MeBr +

HOCH,CHXCH3 ----►CH,t + BrMgOCH.CH.CCH. 'II ' 1 o o 4-Hidroksi-2-bütanon

Katılma tepkimesi meydana gelmez. CH, hochxhxch,

CH,MgBr + HOCH2CH2CCH3

I OMgBr

O

Eğer bir eşdeğer mol Grignard reaktifini gereksiz yere fazladan kullanarak katılma ürününü elde etmek istersek, 4-hidroksi-2-biitanonu iki eşdeğer mol Grignard reaktifiyle etkileştiririz ve bu şekilde karbonil grubuna katılma sağlanır. CH, 2 CH.MgBr

I

HOCH2CH2CCH3 ---- — ----►BrMgOCH2CH2CCH3 O

CH, 2 NH4C1

“ “ Q ►HOCH2CHXCH3

OMgBr

OH

Grignard reaktifi ucuz diğer reaktifler pahalı olduğunda, bu teknik bazen küçük ölçek li tepkimelerde kullanılır. I2 .8 C L it y u m Reaktiflerinin Kullanılışı Organolityum reaktifleri (Rli), Grignard reaktiflerininkiyle aynı yoldan karbonil bile şikleriyle tepkimeye girerek alkollerin elde edilişi için değişik bir yöntem sağlarlar. 1 6- [5+ R L i 4 ^ C = Ö ‘ - -► R — C— 0 =Lİ H- ~ » R — C— OH / b r | 1 " Organolityum reaktifi

Aldehit veya keton

Lityum alkoksit

Alkol

Organolityum reaktiflerinin, Grignard reaktiflerinden bir miktar daha etkin olma avan tajı vardır.

555

556


I2 .8 D So d yu m A lk i n ü rl e ri n Kullanılışı Sodyum alkinürler de aldehit ve ketonlarla tepkimeye girerek alkolleri oluştururlar. Aşa ğıda bir örnek verilmiştir. NaNH,

C H , C = C H -------------- C H , C = C N a -N H ,

CH3

CH3 ^ “C = 0

/

-—

► C H 3C = C —

__ _

I

H ,0 +

Ç—ONa ------------ >

C H 3C — c — c — |

ch 3

►

i

ch3

ch3

ch3

Ö r n e k P ro bl em

Çok Basamaklı Bir Sentezin Gösterilişi

Altı veya daha az sayıda karbon atomu içeren hidrokarbonlar, organik halojenürler, alkoller, aldehitler, ketonlar ya da esterlerle başlayarak ve diğer gerekli reaktifleri de kullanarak, aşağıdakilerin her birinin sentezini tasarlayınız. OH / \ /OH I r'-'A /OH (a) ( X (b) CH,— Ç—C6H5 (c) l x C:=C H \ ___/ CH2CH3 c 6h 5

Cevap:

PBr,

Ma;

O (1 ) C H ,C O C H ,

(b) t fıH5Br Etp * C(ıH-MgBr (2)

NHjC1

C—C6H5 Hp ► * CH3— H3 c 6h 5

HO. NaNH,

(c) HC = CH -------HC = CNa

12.9

Nobel Komitesinin ifade siyle “Batı dünyasında yüksek yaşam standardına ve sağlıklı yaşama katkıda bulunan” organik bileşiklerin sentezinde yeni yöntemler bulduğu için, 1990 yılında Corey, Nobel Kimya Ödülünü kazandı.

,C = C H

(1) (2) N H 4C1, H 20

Lity u m D îalkîl K u p r a tl a r : C W H ITE S ID E S -H O U S E SENTEZİ

o r ey

- Po

s n er

,

Organik halojenürlerden alkanların ve diğer hidrokarbonların sentezi için çok yönlü bir yöntem E. J. Corey (Harvard Üniversitesi), G. H. Posner (Johns Hopkins Üniversitesi) ve G. M. Whitesides (Harvard Üniversitesi) ile H. O. House (Georgia Teknoloji Ensti tüsü) tarafından geliştirildi. Bu sentez, Grignard tepkimeleri ve Altbölüm 12.8!de tartı şılan diğer tepkimelerde olduğu gibi daha ileri tepkimeler için yeni bir fonksiyonel grup yaratmamasına rağmen, toplam sentez, iki alkil halojenürün alkil gruplarının kenetlen mesine imkan sağlayarak bir alkan oluşturur. R— X + R — X

birkaç basamak ( - 2 X)

R—R

12.9 Lityum Dialk.il Kupratlar: Corey-Posner. Whitesides-House Sentezi

557

Bu kenetlenmeyi başarabilmek için, bir alkil halojenimi, lityum dialkilkuprata (R2CuLi) dönüştürmemiz gerekir. Bu dönüşüm iki basamakta olur. Birincisinde, alkil haloje nin bir eter çözücüde metalik lityumla etkileştirilerek bir alkillityuma. RLi. dönüştürülür. dietil

R—X + 2 Li

eler » RLi

+

LiX

Alkillityum

Daha sonra alkillityum, bakır(I) iyodürle (Cul) etkileştirilir ve lityum dialkilkuprata dö nüştürülür. 2 RLi + C u l-----►R;CuLi + Lil Alkillityum

Lityum dialkilkuprat

Lityum dialkilkuprat, ikinci bir alkil halojenürle (R'—X) etkileştirildiğinde lityum dialkilkupratın bir alkil grubu ile alkil halojenürün, R'—X, alkil grubu arasında kenet leme meydana gelir. R;CuLi

+


R — X -------►R— R' + RCu + LiX Alkil halojenür Alkan

Son basamakta iyi bir verimle alkan oluşması için, alkil halojenür, R'—X. bir metil ha lojenür, bir birincil alkil halojenür veya bir ikincil sikloalkil halojenür olmalıdır. Lityum dialkilkupratın alkil grubu metil, 1°, 2° veya 3°* olabilir. Ayrıca, kenetlenecek alkil gruplarının farklı olmaları gerekmez. Bu alkan sentezinin genel şeması aşağıda gösterilmiştir. RLi

CuK

-----►

_

R2CuLi

R X

"

►R— R' 4- RCu + LiX

Bir lityum dialkilkuprat

Bir alkil lityum

Li t E t.O |

R—X Herhangi bir alkil halojenür

R —X Bir metil, 1° alkil veya 2° sikloalkil halojenür

Bunlar organik çıkış maddeleridir. R— ve R' — gruplarının farklı olması gerekmez.

Aşağıdaki iki örneği, metil iyodür ve pentil iyodürden heksan sentezini ve bütil bromürle pentil bromürden nonan sentezini inceleyelim. CH,—I

Li

(ILCILCILCILBr

►(CH3 ),CuLi Li

E t,0

(CH3CH 2CH 2CH2hCuLİ

C H , C H : C H 2C H 2C H 2I

CILCILCTLCILLİ C H j C H , C H , C H 2C H :B r

CH3— CH2C H 2CH2CH2CH3

Heksan (%98)

Cul

CH,CH2CH2CH2—CH2CH2CH2CH2CH3 Nonan (%98)

* R üçüncül olduğunda, burada incelem eyeceğim iz özel teknikler gerekir. B u tepkim elerin tüm ayrıntıları için, Posner, G . H . Substitution Reactions U s in g O rganocopper Reagents, 1975, V o l 22, s. 2 5 3 -4 0 0 ’e bakınız.

Organic Reactions;

W ile y , N e w Y o rk

Lityum dialkilkupratlar ilk kez Henry Gilman (Iowa Eyalet Üniversitesi) tarafından sentezlenmişlerdir ve bu nedenle bunlara çoğu kez Gilman reaktifleri denir.

558


Lityum diaikilkupratiar diğer organik gruplarla da kenetlenirler. Lityum dimetilkupratın iki sikloalkil halojenürle kenetlenme tepkimesi aşağıda gösterilmiştir.

+ CH,Cu + Lil Metilsikloheksan (%75)

+ CH3Cu + LiBr 3-Metilsikloheksan (%75)

Lityum diaikilkupratiar fenil ve vinil halojenürlerle de kenetlenir. Fenil halojenürle yapılan senteze örnek olarak aşağıda bütilbenzen sentezi verilmiştir.

(CH3CH2CH2CH2)2CuLİ +

----- ►c h 3c h 2c h 2c h Et20

Bütilbenzen (%75)

Lityum dialkilkupratın kenetlenme tepkimeleri aşağıdaki şemada özetlenmiştir.

R'CH, — R

Corey-Posner, Whitesides-House sentezinin mekanizması kapsamımız dışındadır; an cak Özel Konu H ’de incelenen tiptedir.

Tepkimenin Özeli

1 2 .1 0

K

o r u y u c u

G

ruplar

Bir koruyucu grup, amaçlanan bir dönüştürme işleminde reaktantın gerekli tepkime koşullarına uyumsuz bir grup içermesi durumunda, yani amaçlanan tepkimeyle yarışan başka bir tepkime olduğunda kullanılır. Örneğin eğer Grignard reaktifinin bir alkol hid roksil grubu içeren bir alkil halojenürden elde edilmesi gerekiyorsa, ilk önce alkolün, Grignard reaktifi varlığında kararlı bir fonksiyonel gruba, örneğin bir ter-bütildimetilsilil etere (Altbölüm 11.15D) dönüştürülerek korunmasından sonra istenilen Grignard reaktifi elde edilebilir. Grignard tepkimesi gerçekleştirilebilir ve sonra silil eterin florür iyonlarıyla bölünmesiyle (Problem 12.25’e bakınız) alkol grubu serbest hale getirilebi lir. Aynı yol, uyumsuz (tepkimede yarışan) bir grubun varlığında, bir organolityum re aktifi veya alkinür iyonu elde edilmesi gerektiğinde de kullanılabilir. Bundan sonraki bölümlerde, değişik tepkimeler sırasında diğer fonksiyonel grupları korumada kullanı labilen yöntemlerle karşılaşacağız (Altbölüm 16.7D).

Tepkimelerin Özeti Bu bölümde incelenen tepkimelerin özetleri aşağıda verilmiştir. Özetlenen tepkime lerin ayrıntılı koşulları, bölüm içindeki incelendikleri kısımlarda bulunabilir.

I. İndirgeme Tepkimelerinin (Altbölüm 12.3) Genel Özeti

Aldehitler

0 II R— C — H

OH 1 R— C— H

Ketonlar

0 II R— c — R'

OH 1 R — C — R' 1 H

Esterler

0 II R — c — OR'

Karhoksilik asitler

0 II R — c — OH

H

OH 1 R— C— H 1 H OH 1 R — C — R' 1 H H 1 R — C — OH + HOR' 1 H H 1 R — C — OH 1 H

(Mavi renkle gösterilen hidrojenler, tepkime yürüyüşü sırasında su veya sulu asitler tarafından katılanlardır.)

559

560

Bölüm 12 / Alkollerin Karbonil Bileşiklerinden Sentezi. Yükseltgenme-îndirgenme ve Organometalik Bileşikler

2. Yükseltgenme Tepkimelerinin (Altbölüm 12.4) Genel Özeti Reaktant

PCC

OH

0

1

Birincil alkoller R — C —H

H OH

0

1

İkincil alkoller K

O

II R—c — H

R'

II R—c —R'

H 2C r0 4

KM n0 4

0

0

II R—c —OH

II R—c —OH

0

0

II R—C—R'

II R—c —R'

H OH 1 1

Üçüncül alkoller R

Ç

R” “

R'

3. Organolityum ve Grignard Reaktiflerinin Oluşumu (Altbölüm 12.6) R— X + 2 L i---- ►R—Li + LiX R— X + M g----- ►R—MgX 4. Grignard ve Organolityum Reaktiflerinin Tepkimeleri (Altbölümler 12.7 ve 12.8)

R — M (M = Li veya MgBr)

R

Ek Problemler

561

5. Corey-Posner, Whitesides-House Sentezi (Altbölüm 12.9) 2 RLi + Cul---►R CuLi (R ,D,=1° ~X »R—R + RCu + LiX veya 2° halkalı)

İ Anahtar Te rim le r ve Kavramlar ' Yükseltgenme Yükseltgen İndirgenme İndirgen Stereoseçimli tepkime Enantiyoseçimli tepkime Diastereoseçimli tepkime Prokiral merkez Koruyucu grup

Altbölümler 12.2 ve 12.4 Altbölüm 12.2 Altbölümler 12.2 ve 12.3 Altbölümler 12.2 ve 12.3 Altbölüm 12.3 Altbölüm 12.3 Altbölüm 12.3 Altbölüm 12.3 Altbölümler 11.15C, 11.15D ve 12.10

12.11 İzobiitil bromiiriin, (CH3)2CHCH2Br, aşağıdaki reaktiflerin herbiriyle tepkimesi sonunda hangi üriin (veya ürünler) oluşabilir? q (a) 0 H - ,H 20 (b) CN-, etanol (c) (CH3)3C O , (CH3)3COH (d) CH30 - CH3OH O II (e) Li, Et20, sonra CH3CCH3, sonra NH4C1, H,0 O II (f) Mg. Et20, sonra CH3CH, daha sonra H30 4

(g) Mg. Et20, sonra CH3COCH3, sonra NH4C1, H20

A

(h) Mg, Et20, sonra H2C —CH„ sonra H ,0 4

O II (i) Mg, Et,O, sonra H—C— H, sonra NH4C1, H,0 (j) Li, Et20 , sonra CH3OH (k) Li. Et20 , sonra CH3C=CH

12.12 Etilmagnezyum bromüriin (CH3CH2MgBr) aşağıdaki reaktiflerin her biriyle tep kimesinden hangi ürünlerin oluşmasını beklersiniz?

(a) H20 (b) D20 O (c) C6H5CH, sonraH30 + O II (d) C6H5CC6H5, sonra NH4C1. H20

EK PROBLEMLER

(e) C6H,COCH3, sonra NH4C1, H20 O II (f) C6H5CCH3, sonra NH4C1. H20 O II (g) CH3CH2C=C H , sonra CH3CH, sonra H30 + (h) Siklopentadien

Yıldızla işaretlenm iş problem ler “çözülm esi daha zor olan p ro b lem le rd ir.

562


12.13 Propillityumun (CH3CH2CH2Li), aşağıdaki reaktiflerin her biriyle tepkimesinden hangi ürünler meydana gelir? O II (d) Etanol (a) (CH3)2CHCH, sonra H30 + (e) Cul, sonra CH2=CHCH2Br O (f) Cul, sonra siklopentil bromür II (b) (CH3)2CHCCH3, sonra NH4C1, H20 (g) Cul, sonra (Z)-l-iyodopropan O (h) Cul, sonra CH3I (c) 1-Pentin, sonra CH3CCH3, sonra NH4C1, H20

(i) CH3C02D

12.14 Aşağıdaki dönüşümleri uygulamak için hangi yükseltgen ya da indirgenleri kul lanırsınız? (a) CH3C0CH 2CH2C 0 2CH3 ----- ►CH3CHOHCH2CH2CH2OH + CH3OH (b) CH3C0CH 2CH2C 0 2CH3 ----- ►CH3CH0HCH 2CH2C 0 2CH3 (c) H 0 2CCH2CH2CH2C 02H — ►HOCH2CH2CH2CH2CH2OH (d) HOCH2CH2CH2CH2CH2OH— - H 0 2CCH2CH2CH2C 02H (e) HOCH2CH2CH2CH2CH2O H ---- ►OHCCH2CH2CH2CHO 12.15 İzopropil alkolün, CH3CH(OH)CH3, aşağıdaki ürünlere dönüştürüldüğü her bir sentezin tüm basamaklarını tasarlayınız. (a) (CH3)2CHCH(OH)CH3 (b) (CH3)2CHCH2OH (c) (CH3)2CHCH2CH2C1 (f) (d) (CH3)2CHCH(OH)CH(CH3) 2 (e) CH3CHDCH3 12.16 Aşağıdaki tepkimelerin her birisinden hangi organik ürünler elde edilir? (a) Metillityum + 1-bütin --------► (b) (a) ’nın ürünü + sikloheksanon, sonra NH4C1, H20 ( c ) (b) ’nin ürünü + Ni2B (P-2) ve H2 ----- ► (d) (b)’nin ürünü -t- NaH,sonra CH3CH20 S 0 2CH3 ----(e) CH,CH,COCH3 + NaBH4 -------► baz ’nin ürünü -t- mesil klorür (f) (e) ’nin ürünü -l- CH3C 02Na -1 (g) (f) ’nin ürünü + LİA1H4, sonra H20 (h) (g) 12.17 1-Pentanolün, aşağıda verilen bileşiklere nasıl dönüştürülebileceğim gösteriniz. (Gerekli inorganik reaktifleri kullanabilirsiniz ve bir bileşiğin sentezini birden fazla göstermeniz gerekmez.) (i) 2-Pentanon (CH3COCH2CH2CH3) (a) 1-Bromopentan (j) Pentanoik asit (CH3CH2CH2CH2C 0 2H) (b) 2-Penten (k) Dipentil eter (iki yol) (c) 2-Pentanol (l) 1-Pentin (d) Pentan (m) 2-Bromo-1-penten (e) 2-Bromopentan (n) Pentillityum (f) 1-Heksanol (o) Dekan (g) 1-Heptanol (h) Pentanal (CH3CH2CH2CH2CHO) ( p ) 4-Metil-4-nonanol 12.18 Aşağıdaki her bir dönüşümün nasıl ı gerçekleştirilebileceğini gösteriniz. (a) Feniletilen (b) C6H5COCH3

C6H5C=CC(OH)(CH 3) 2 1 -feniletanol

Ek Problemler

(c) Feniletin --------► fenileten (d) Fenileten --------►2-feniletanol (e) 2-Feniletanol--------►4-fenilbütanol (f) 2-Fenilbütanol------►l-metoksi-2-feniletan 12.19 Kullanabileceğiniz dört karbon atomundan daha fazla karbon atomu içermeyen alkollere veya esterlere sahip olduğunuzu varsayarak, aşağıda verilen her bir bi leşiği nasıl sentezleyebileceğinizi gösteriniz. Sentezin bir basamağında bir Grig nard reaktifi kullanmalısınız. Eğer gerekirse oksiran ve bromobenzen kullanabilirsiniz; fakat gerekli olan diğer organik bileşiklerin nasıl sentezleneceğini göstermelisiniz. Gerekli olan çözücülere, yükseltgen ve indirgenler de dahil tüm inorganik reaktiflere sahip olduğunuzu varsayınız. (a) (CH3)2CHCOC6H5 (e) (CH3)2CHCH2CH2C 0 2H (b) 4-Etil-4-heptanol (f) 1-Propilsiklobütanol (c) 1-Siklobütil-2-metil-1-propanol (g) CH3CH2CH2COCH2CH(CH3) 2 (d) C6H5CH2CHO (h) 3-Bromo-3-fenilpentan 12.20 Aşağıda formülü verilen alkol, parfüm yapımında kullanılır. Bu alkolün, bromo benzen ve 1 -bütenden sentezini gösteriniz. OH

12.21 Aşağıdaki sentezde bir Grignard reaktifinin nasıl kullanılacağını gösteriniz.

12.22 Dört veya daha az sayıda karbon atomu içeren bileşiklerle başlayarak, ılımlı bir hipnotik (uyku veren bileşik) olan rasemik meparfinolün sentezini tasarlayınız.

CH3—CH2—C—C= CH OH Meparfınol 12.23 Oksiran (oksasiklopropan) ve oksetan (oksasiklobütan), Grignard reaktifleri ve organolityum bileşikleriyle tepkimeye girerek alkolleri oluşturdukları halde, tetrahidrofuran (oksasiklopentan) o kadar istemsizdir ki bu bileşik organometalik bileşiklerin elde edilişinde çözücü olarak kullanılabilir. Bu oksijen içeren heterohalkalı bileşiklerin etkinlik farklarını açıklayınız. 12.24 Bir Grignard reaktifinin aşağıdaki bileşiklerle tepkimesi sonunda oluşacak ürün leri tahmin ediniz. O II (a) Dietil karbonat, C,H5—O—C—O—C2H5 O II (b) Etil format, H—C—O—C2H5

563

564

Bölüm 12 /Alkollerin Karbonil Bileşiklerinden Sentezi. Yükseltgenme-İndirgenme ve Organometalik Bileşikler

*12.25 Aşağıdaki bileşiği l-bromo-4-hidroksimetilsikloheksan ve gerekli diğer reaktiflerden elde etmek için bir Grignard sentezi tasarlayınız. OH

HO *12.26 2-Feniletanol, 1,2-difeniletanol, 1,1-difeniletanol, 2,2-difeniletanoik asit (C6H5)2CHC0 2H) ve benzil 2-feniletanoatı (C6H5CH2C 0 2CH2C6H5) birbirlerin den ayırdetmek için ‘H NMR, 13C NMR, ve İR spektroskopisinden nasıl yarar lanabileceğinizi açıklayınız. Sukroz (çay şekeri-sakkaroz) asit çözeltisiyle etkileştirildiğinde, bölünerek aşa ğıda görülen türden daha basit şekerleri oluşturur. X

CH.OH I1 2 c= o I 1 R A

"•in II

12.27

ve

I1 R B

Daha sonra incelenecek nedenlerden dolayı, bu işlemlerin, sakkaroz gibi sakkaritlerle ilgili şekerlerin teşhisi için kullanılması durumunda analizden önce ürün karışımı çoğu kez sodyum borhidrürle etkileştirilir. Bu durum, başlangıç sakkarillerin şeker yapı birimlerinin teşhisine ne gibi bir sınırlama getirir? *12.28 Bilinmeyen bir X bileşiği, infrared de 3200 - 3550 cm-' de geniş bir soğurma bandı gösterir, fakat 1620-1780 bölgesinde band vermez. Bileşik sadece C, H ve O içerir. 116 mg’lık bir örnek, metilmagnezyum bromüriin aşırısıyla etkileştirildiğin de, 20°C’da ve 750 mmHg'da civa üzerinde 48,7 mL metan gazı toplanmıştır. X bileşiğin kütle spektrumunda en yüksek kütleli pik (zor belirlenebiliyor) 116 m/z’de ve başka bir parça piki de 98’de gözlenmektedir. Bu bulgular X in yapısı hakkında hangi bilgileri verir?

Ö

G rubu PROBLEMLERİ

ğ renm e

Crixivamn (Merck and Company’nin ümit veren HIV proteaz inhibitöıü) halkalı olma yan merkezî kısmını sentezlemek istediğimizi varsayalım. Aşağıdaki iki problem. Crixi van sentezine ilişkin bazı kuramsal yolların tasarlanması amacıyla yöneltilmiştir.

Crixivan


1. Crixivan sağdaki kısmının (aşağıda gösterilmiştir) rasemik alt birimini, sol tarafta ki fonksiyonel grup içermeyen başlangıç maddesinden sentezleyiniz. Benzilik ko numda (benzen halkasına bitişik bir sp3 karbonu) seçimli olarak radikal ve karbokatyon ara ürünlerin oluşabileceğini göz önünde bulundurunuz.

OD İndan

Crixivan molekülünün sağdaki kısmı

2. Crixivan’ın halkalı olmayan merkezî kısmının kuramsal sentezini açıklayan aşağı daki tepkime dizisindeki soru işareti bulunan yerlere uygun bileşikleri ve reaktifleri yerleştiriniz. Aşağıda gösterilen bazı yapılar arasında birden fazla ara ürün olabileceğine dikkat ediniz.

(Başlangıçta R, H olabilir. Daha sonra bu hidrojen, burada belirtilmesine gerek olmayan tepkimelerle bir alkil grubuna dönüştürülebilir.)

565

Birinci Karma Problem Takımı

1. Aşağıdaki tepkimeler için akla yatkın mekanizmalar öneriniz. OH OH,

B r ,, H ,0 , N a Cl _

1

1

Br

►\

j

+ diğer ürünler C1

(c)

(b)'de verilen tepkimede başka hangi ürünler elde edilebilir?

2.

Aşağıda verilen bileşik çiftlerinde hangi bileşik daha polardır? H cı cı (c) CH3I ya da CH,Br (a) CHCI3 ya da CC14 (b) C1 Cl \ / \ / C = CC veya C - =C \ \ H cı H H

3.

Her biri aynı tür kimyasal bağ içerdiği halde BF3’ün dipol momenti sıfır, NF3’ünki ise 0,24 D’dir. Bu değerler molekül biçimleri hakkında hangi bilgiyi verir?

4. (a) H9C— CH, bileşiğinde karbon atomlarının melezleşme türü nedir? CH2 (b) Beklenen melezleşme türü göz önüne alındığında, bu bileşiğin bağ açılarındaki olağandışılık nedir? (c) Bu bileşiğin karbon-karbon bağının bölünme kolaylığı, CH3CH2CH3 bileşiğin dekiyle karşılaştırıldığında nasıl bir sonuç beklersiniz? 5. Aşağıdaki değerler verilmiştir: CH2 = C H 2 C—CI bağ uzunluğu C = C bağ uzunluğu C—CI bağ uzunluğu Dipol moment

566

CH,CH2C1 1,76 À

1,34 Ä

C = C bağ uzunluğu 1,69 Â 1,38 Â

1,54 Â 0

2,05 D

1,44 D


Aşağıdakileri açıklamak için rezonans kuramını kullanınız: (a) CH2=CHC1 bileşi ğindeki C—C1 bağının, CH3CH2C1 bileşiğindekinden daha kısa olması, (b) CH2=CHC1 bileşiğindeki C = C bağının, CH2= C H 2 bileşiğindekinden daha uzun olması, (c) CH3CH2C1 bileşiğinin dipol momentinin. CH2=CHC1 bileşiğininkinden daha büyük olması. 6. Kara sineğinin cinsel çekici feromonu olan “muskalur” un sentezi aşağıda verilmiş tir. Her bir ara ürünün ve muskalurun yapışım belirtiniz. CH^CHAnCH^Br HC^ CNa» A (C,sH28) - N—H.2 ►B (C13H,7Na) f-bromooktan > sıvı NH,

C (C23H44) H2,Nl2B(P"2V muskalur (C23H4f)) 7. 2,3-Difenil-2-bütenin diastereomerlerinin yapılarını yazınız ve her diastereomeri (E) ya da (Z) olarak belirleyiniz. Bu diastereomerlerden birinin palladyum katali zörü kullanarak hidrojenlenmesi, bir rasemik karışım oluşturur; diğerinin benzer tep kimesi sonunda bir mezo bileşik meydana gelir. Bu denemelere dayanarak hangi diastereomerin (E) ve hangisinin (Z) olduğunu belirtiniz. 8.

Bir hidrokarbonun (A), molekül formülü C7HH)’dur. Katalitik hidrojenlemeyle A, B (C7H12) bileşiğine dönüştürülüyor. Soğuk ve bazik KMn04 çözeltisiyle A, C (C7H120 2) bileşiğine dönüşüyor. Bazik çözeltide Kmn04 ile ısıtıldıktan sonra asitlendirildiğinde hem A hem de C, 1,3-siklopentandikarboksilik asidin (aşağıdaki ya pıya bakınız) mezo şeklini oluşturur. A-C bileşiklerinin yapı formüllerini bulunuz.

9.

Propinle başlayarak ve gerekli olan diğer reaktifleri de kullanarak aşağıdaki bile şiklerin nasıl sentezlendiğini gösteriniz. Problemin daha önceki şıklarında uygula dığınız basamakların tekrarlanmasına gerek yoktur. (a) 2-Bütin (g) 2-Bromobütan (rasemik karışım olarak) (b) c/5-2-Büten (h) (2/?,3S)-2,3-Dibromobütan (c) //vmv-2-büten (i) (2R,3R)~ ve (2S,3S)-2,3-Dibromobütan (d) 1-Büten (rasemik karışım olarak) (e) 1,3-Bütadien (j) wezo-2,3-Bütandiol (f) l-Bromobütan (k) (Z)-2-Bromo-2-büten

1,3-Siklopentandikarboksilik asit

10. 2-Metilbütanın bromlanması sonunda molekül formülü C5HuBr olan temel bir ürün oluşur. Bu ürün nedir? Bu bileşikten aşağıdaki bileşiklerin her birinin nasıl sentez lendiğini gösteriniz. (Daha önceki şıklarda uygulanan basamakların tekrarlanması na gerek yoktur.) (a) 2-Metil-2-büten (h) 1-İyodo-3-metilbütan (b) 2-Metil-2-bütanol O O (c) 3-Metil-2-bütanol II II (d) 3-Metil-l-bütin (¡) CH3CCH3 ve CH3CH (e) l-Bromo-3-metilbütan o (f) 2-Kloro-3-metilbütan II (g) 2-Kloro-2-metilbütan (j) (CH3)2CHCH 11. Molekül formülü C6H,4olan bir alkan (A), klorla tepkimeye girerek molekül for mülü C6H!3C1 olan B, C ve D bileşiklerini oluşturmaktadır. Bunlardan sadece C ve D etanolde sodyum etoksitle dehidrohalojenlenmeye uğrayarak bir alken oluştur

567

568

Birincil Karma Problem Takımı

maktadır. Ayrıca C ve D aynı alkeni, E(C6H12) vermektedir. E'nin hidrojenlenmesiyle A oluşmaktadır. E HC1 ile etkileştirildiğinde B. C ve Drnin izomeri olan bir bileşik (F) meydana gelmektedir. F, Zn ve asetik asitle etkleştirildiğinde A'mn izo meri olan bir bileşik (G) oluşmaktadır. A-G bileşiklerinin yapılarını belirleyiniz. 12. A bileşiği (C4H6) platin katalizör varlığında hidrojenle tepkimeye sokulduğunda bü tan oluşmaktadır. A bileşiği CC14 de Br2 ile ve KMn04 çözeltisiyle tepkime vermek tedir. A’nın İR spektrumunda 2200-2300 cm-' bölgesinde bir soğurma gözlenmemektedir. Hidrojen ve Ni2B (P-2 katalizörü) ile etkileştirildiğinde A, B bi leşiğine (C4Hx) dönüşmektedir. B. 0 s 0 4 ve ardından NaHSO, ile etkileştirildiğinde C(C4HK,02)'ye dönüşmektedir. C bileşiği enantiyomerlerine ayrılamamıştır. A-C bileşiklerinin yapılarını gösteriniz. 13. wero-2,3-Dibromobütan etanolde potasyum iyodürle etkileştirildiğinde. dehalojenlenme meydana gelir. Ürün, t/i7//5-2-bütendir. 2,3-Dibromobütanın her iki enantiyomerik şeklinin aynı şekilde dehalojenlenmcsiyle m-2-büten oluşur. Bu sonuçlara mekanizmalı bir açıklama getiriniz. 14. nıezo-1,2-Dibromo-1,2-difeniletanın etanolde sodyum etoksit etkisiyle dehidrohalojenlenmesi sonunda (£)-l-bromo-l,2-difen ileten meydana gelir. 1,2-Dibromo-1.2difeniletanın diğer iki enantiyomerik şeklinin aynı şekilde dehidrohalojenlenmesi sonunda da (Z)-l-bromo-l,2-difenileten oluşmaktadır. Bu sonuçları açıklayınız. 15. l-re/'-Bütilsikloheksenin aşağıda verilen reaktiflerle tepkimesi sonunda oluşacak ana ürünlerin konfomıasyonel yapılarını yazınız. Eğer ürün bir rasemik karışımsa, bu nu da belirtmelisiniz. (a) Br,, CC14 ( b ) 0 s 0 4; sonra NaHSO, çözeltisi (c) C6H5C 0 3H, sonra H30+. H20 (d) THF:BH3, sonra H20 2. OH(e) THF -H20 içinde H2(OAc)2; sonra NaBH4, OH(f) Br2, H,0 (g)

ICİ

(h) O,, sonra Zn, HOAc (konfomıasyonel yapılar gerekli değildir) (i) D2, Pt (j) THF:BD3; sonra CH3C 02T 16. A-C yapılarını yazınız. CH3 CH3CCH:CH2CH3

E tC T/ E tO H

T H F :B H ,

►A (C6H12) ana ürün --------- -►

Br H ,0 „ O H -

B (CftH13)2BH ——------►C (C6H140)

17. (£)-3-Metil-1-penten aşağıda verilen reaktiflerle ayrı ayrı etkileştiriliyor ve her iş lem sonunda ürünler ayrımsal damıtmayla ayrılıyor. Her kısmındaki bileşenlerin for müllerini yazınız ve her kısırım optifçe aktif olup olmadığım belirtiniz. (a) Br2, CC14 THF:BH„ sonra H20 2. OH ( b ) H2. Pt (e) Hg(OAc), THF-H20 . sonra NaBH4, OH(c) 0 s 0 4, sonra NaHS03 (f) Magnezyum perftalat, sonra H30 +. H20 18. A Bileşiği (C8HI5C1), bir rasemik karışım şeklinde bulunmaktadır. A. Br2/ CC14 ve ya KMn04 çözeltisiyle tepkimeye girmemektedir. A bileşiği çinko ve asetik asitle


tepkimeye sokulup, ardından karışım gaz kromatografısiyle ayrıldığında iki kısım (B ve C) elde edilmektedir. Her iki kışımın bileşenlerinin molekül formülü de C8H,6'dır. B kışımı bir rasemik karışım içermekte ve enantiyomerlerine ayrılabil mekledir. C kışımı enantiyomerlere ayrılamamaktadır. A, etanolde sodyum etoksitle tepkimeye sokulduğunda D bileşiğine (C8H,4) dönüşmektedir. D’nin bir platin katalizör kullanılarak hidrojenlenımesiyle C meydana gelmektedir. D ozonlanıp, ar dından çinko ve suyla etkileştirildiğinde aşağıdaki bileşik oluşmakladır. O O II II c h ,c c h :c h 2c h ,c h 2c c h , A, B, C ve D bileşikleri için stereokimyalarmı da belirten uygun yapılar yazınız. 19. Aşağıdaki spektroskopik verilere sahip bileşiğin yapısını aydınlatınız. Verileri, öner diğiniz yapıyla ilişkilendiriniz. MS (miı): 120. 105 (temel pik), 77 >H NMR (1): 7,2-7.6 (ç, 5H). 2.95 (yedili, İH), 1,29 (i, 6H) 20. X Bileşiği (C5Hl0O), yaklaşık 1710 cm-1 civarında kuvvetli bir İR soğurma piki ver mektedir. X Bileşiğinin genişband proton eşleşmesiz l3C NMR spektrumu Şekil 1'de görülmektedir. X için bir yapı öneriniz. 21. 1.2.3.4.5.6-Heksaklorosikloheksanm dokuz stereoizomeri vardır. Bu izomerlerin ye disi mezo bileşik ve ikisi bir enantiyomer çiftidir, (a) Tüm stereoizomerlerin yapı larını yazınız; mezo şekilleri ve enantiyomer çifti işaretleyiniz, (b) Bu stereoizomerlerden birisi, diğerlerinden çok daha yavaş E2 tepkimesi verir. Bu han gi izomerdir ve neden bu kadar yavaş E2 tepkimesi verir? 22. 2-Metilbiitanın Borlanması, daha ileri Borlanmış ürünlere ilave olarak, molekül for mülü C5HuF olan bir ürün karışımı verir, (a) Stereokimyayı da dikkate alarak, mo lekül formülü C5HnF olan kaç farklı izomerin oluşmasını beklerisiniz? (b) C5H,,F

TM S

—İL* 220

200

180

160

140

120

.

100

80

60

40

20

‘V p p m i

Şekil I X Bileşiğinin genişband proton eşleşmesiz 13C NMR spektrumu (Problem 20). DEPT 13C NMR spektrumundan elde edilen bilgiler, her bir pikin yanında verilmiştir.

o

569

570

Birincil Karma Problem Takımı

izomerleri karışımı ayrımsal damıtmaya tabi tutulduklarında, kaç kısıntın elde edil mesini beklersiniz? (c) Hangi optikçe inaktif olabilir? (d) Hangisi enantiyomerlerine ayrılabilir? 23. (/?)-2-Florobütanm Horlanmasıyla molekül formülü C4H8F2 olan bir izomer karışı mı meydana gelir, (a) Kaç farklı izomerin oluşmasını beklersiniz? (c) Bu kısımların hangileri optikçe aktif olabilir? 24. US-di-ji’A'-Bütilsikloheksanm iki optikçe inaktif (yarılamayan) şekli vardır. Bunla rın yapılarını yazınız. 25. Aşağıdaki döteryümla işaretlenmiş izomer, ayrılma tepkimesine uğratıldığında trans2-büten ve m-2-büten-2-d oluşturur (bir miktar da l-büten-3-d oluşur). ÇH3 OCMT C 2H 5O H

H ^V ^B r CH3

H ,CH / \ C= c + \ / h 3c H

D. H \ c= c \ / h 3c CH c/s-2-Büten-2- d

/rans-2-Büten

(+ CH,CHDCH=CH2) Aşağıdaki bileşikler oluşmaz: H H \ / C= c \ / H3C CH cw-2-Büten

Sonuçları açıklayınız.

h 3c x

veya

/ ^C = C \ D CH3

ira«s-2-Büten-2- d

B ölüm

Konjuge Doymamış Sistemler S e n te tik M o le k ü lle rd e N o b e l Ö d ü llü le r Organik kimyacılar için bir çok organik molekülün sentezi çok büyük hedefler ara sında yer almıştır. Bu bileşiklerin her birinin sentezi aynı soydaki maddelerin senteziy le aynı genel tepkimeyle gerçekleşir. Bu genel tepkime görünüş bakımından aldatıcı bir şekilde basit, fakat başarılması bakımından oldukça zordur. Halkalı olmayan bileşikler den tek bir stereoözgti basamakla, dörde kadar yeni stereomerkeze sahip olabilecek al tı üyeli halka elde edilebilir. Bu süreç başka işlevsilleğe geçişte kullanılabilecek ikili bağ da oluşturabilir. Bu bölümde daha sonra incelenecek olan Diels Alder tepkimesi bu tür bir tepkimeye örnek olarak verilebilir. Bu tepkimeyi geliştirdikleri için Otto Diels ve Kurt Alder 1950’de Kimya Nobel Ödülünü kazandılar.

571

Diels - Alder tepkimesi kullanılarak sentezlenen moleküllerden morfin (yukarıda ve fotoğrafta), birçok cerrahi operasyon sonrası kullanılan yatıştırıcı (M. Gates); reserpin (yukarıda), klinik olarak kullanılan bir yüksek tansiyon önleyici (R. B. Woodward); ko lesterol, vücuttaki bütün steroitlerin başlatıcısı; kortizon (yukarıda), iltihap önleyici madde (her ikisi de R. B. Woodward tarafından); hormon ailesinin üyelerinden prostoglandinler F-,a ve E2 (Altböliim 13.1 İD), kan basıncını ayarlayan, kas kasılmasını kolay laştıran ve iltihap önleyici (E. J. Corey); Vitamin Bi2 (Altböliim 4.20), kan ve sinir hücrelerinin üretiminde bir madde (A. Eschenmoser ve R. B. Woodward) ve bu kitabın kapağında yer alan Faksol güçlü bir kanser kemoteropi maddesi (K. C. Nicolaou) ola rak kullanılırlar. Bu liste sadece büyük sentetik başarıların bir tekrarıdır, fakat Diels Alder tepkimesi kullanılarak sentezi başarılamayan başka birçok molekül vardır. Bu mo leküllerin her birinin sentezinin Nobel ödülüne aday olduğu söylenebilir.

13.1 Giriş 13.2 Allilik Yer Değiştirme ve Allil Radikali 13.3 Allil Radikalinin Kararlılığı 13.4 Allil Katyonu 13.5 Rezonans Kurallarının Özeti 13.6 Alkadienler ve Doymamışlığı Fazla Olan Hidrokarbonlar 13.7 1,3-Bütadien: Elektron Delokalizasyonu 13.8 Konjuge Dienlerin Kararlılığı 13.9 Ultraviyole-Görünür Bölge Spektroskopisi 13.10 Konjuge Dienlere Elektrofilik Atak: 1,4 Katılması 13.11 Diels-Alder Tepkimesi: Dienlerinl,4Siklokatılma Tepkimeleri

572

13.1 G iriş Bölüm 8’de alkenlerin tepkimelerini incelerken doymamış bileşiklerin kimyasını anla mada 7t bağının ne kadar önemli olduğunu görmüştük. Bu bölümde doymamış bileşik lerin özel bir grubunu inceleyeceğiz ve molekülün önemli kısmının yine 77 bağı olduğunu göreceğiz. Burada, ikili bağa bitişik atomunda p orbitali taşıyan türleri ele alacağız, p Orbitali, allil radikalinde (CH2 = CH— CHy) olduğu gibi tek bir elektron içeren bir orbital (Altböliim 13.2); allil katyonunda (CH2 = CHCH2+) olduğu gibi boş bir p orbi tali (Altböliim 13.4); veya 1,3-biitadiende (CH2 = CH — CH = CH2) olduğu gibi di ğer ikili bağın p orbitali olabilir (Altbölüm 13.7). Ayrıca, ikili bağa bitişik bir atomda bir p orbitaline sahip olanlarda 77 bağının iki çekirdekten daha geniş bir alana yayıldı ğını göreceğiz. İkili bağa komşu bir atomda bir p orbitaline sahip sistemler-delokalize (dağılmış) 77 bağlı moleküller-konjuge doymamış sistemler olarak adlandırılırlar. Bu olay konju ge olma olarak isimlendirilir. Göreceğimiz gibi, konjugasyon bu sistemlere değişik özel likler verir. Örneğin, konjuge radikal, iyon veya moleküllerin, konjuge olmayanlardan daha kararlı olduğunu göreceğiz. Bunu allil radikali, allil katyonu ve 1.3-biitadien ile anlatacağız. Konjuge moleküllerin elektromanyetik spektrumun ultraviyole ve görünür bölgesinde enerji soğurduğuntı (Altbölüm 13.9). ve bunun için UV - Vis spektroskopisini kullanabileceğimizi göreceğiz. Konjugelenme; moleküllerin, alışılmamış tepkime ler vermesine sebep olur. Bu tepkimelerden biri de halkalı bileşikler oluşturan Diels Alder tepkimesidir (Altbölüm 13.11).

13.2 Allilik Yer Değiştirme ve Allil Radikali

13.2

A

l l İl İk

Y

D

er

e ğ İş t İr m e v e

A

l l İl

Ra

dîkalî

Propen, brom veya klor ile düşük sıcaklıkta tepkimeye girdiğinde, tepkime, olağan ola rak ikili bağa halojenin katılması şeklinde gerçekleşir. CH:= C H — CH3 + X,

düşük sıcaklık CC14 (katılma tepkimesi)

CH,— CH— CH

I ■

x

I

x

Bununla birlikte, propen, klor veya bromla çok yüksek sıcaklıklarda veya halojenin derişiminin çok az olduğu şartlar altında tepkimeye girerse oluşan tepkime bir yer değiş tirmedir. Bu iki örnek, şartların değiştirilmesiyle bir organik tepkimenin yönünün basitçe nasıl değiştirilebileceğini gösterir. (Deneysel sonuçlar aynı zamanda bir tepkimenin şart larının dikkatli bir şekilde belirlenmesinin gerektiğini göstermektedir.) yüksek sıcaklık______

CH2= C H — CH, + X,

veya X ,'n in düşük derişimi (yer değiştirme tepkimesi)

Propen

> C H ,= C H — CH2X + HX

Bu yer değiştirmede, bir halojen atomu propenin metil grubunun hidrojen atomla rından biri ile yer değiştirir. Bu hidrojen atomları allilik hidrojen atomları olarak ad landırılır ve bu yer değiştirme tepkimesi bir allilik y e r değiştirme olarak bilinir. H H

\

/ C= C \ /

/ H

H / C \

}

Allilik hidrojen atom ları

H

Bir ikili bağa bitişik herhangi bir doymuş karbon atomunun hidrojen atomlarına allilik hidrojen atomları denir.

/

C=

H Bir allilik hidrojen atomunun yer değiştirdiği herhangi bir tepkime bir allilik yer değiştirme olarak isimlendirilir.

I3.2A Allilik Klorlama (Yüksek Sıcaklık) Propen ve klor 400°C'da gaz fazında tepkimeye girdiğinde propen, allilik klorlamaya uğrar. Allil klorür sentezi için kullanılan bu yöntem “Shell İşlemi” olarak adlandırılır. 400° C

C H ?= C H — CH3 + CU — 7----► C H ,= C H — CTDC1 + HC1 gaz fazı 3-Kloropropen (allil klorür)

Allilik yer değiştirmenin mekanizması Bölüm lO’da gördüğümüz alkanların halojenlenmesi için verilen zincir mekanizmasının aynısıdır. Zincir-başlama basamağında, klor molekülü klor atomlarına ayrışır.

573

574

Bölüm 13 / Konjuge Doymamış Sistemler Z in c ir - B a ş la m a B a s a m a ğ ı

hv

î Cİ îCI:

2 :Cl:

Birinci zincir-gelişme basamağında klor atomu allilik hidrojen atomlarının birini çı karır. B ir in c i Z in c ir - G e liş m e B a s a m a ğ ı

X

c

II

H

/

X

H\

\

H

H

H

/ C1

\ / •• Ç ;H)0Ç1:- —► / C = C \ H

H Allil radikali

Bu basamakta oluşan radikal, allil radikali olarak adlandırılır. \ / genel yapısındaki bir radikale allilik radikal denir. C=C / \ c— /■ İkinci zincir-gelişme basamağında allil radikali bir klor molekülü ile tepkimeye gi rer. İ k in c i Z in c ir - G e liş m e B a s a m a ğ ı

H\ /

_

/ H C\

H

..

H\

/ H

C H j^ Ç M Ç M — ► / - = \ H

CH2: Ç l: + : Ç l' Allil klorür

Bu basamak bir allil klorür molekülü ve bir klor atomunun oluşması ile sonuçlanır. Bu klor atomu ilk zincir-gelişme basamağının tekrarlanmasına yol açar. Zincir tepkimesi, radikallerin tükendiği olağan zincir-sonlanma basamağına kadar devam eder. Bir allilik karbon-hidrojen bağının bağ ayrışma enerjisini inceler ve diğer karbonhidrojen bağlarının bağ ayrışma enerjileri ile karşılaştırırsak, propenin allilik hidrojen atomlarındaki yer değiştirme tepkimesinin nedeni daha iyi anlaşılacaktır (bkz. çizelge 10. 1). c h 2= c h c h 2— H

Propen

— ►CH2= C H C H 2- + HAllil radikal

DH° = 360 kJ m or

(CH3)3C — H — ►(CH3)3C- + Hİzobütan 3° Radikal

DH° = 380 kJ moP

(CH3)2CH— H - - * (CH3)2CH- + HPropan 2° Radikal

DH° - 395 kJ mol“1

CH3CH2CH2— H ---- ►CH3CH2CH2- + H1° Radikal Propan

DH° = 410 kJ mol“

CH2= C H — H -—> CH2= C H - + HEten Vinü radikal

DH° = 452 kJ m or

Propenin bir allilik karbon-hidrojen bağının, izobütanın üçüncül karbon-hidrojen ba ğından bile daha kolay ve vinilik karbon-hidrojen bağından çok çok daha kolay kırıl-

13.2 Allilik Yer Değiştirme ve Allil Radikali

CH3 CCH3

I ch3

CH3 CHCH3 2° Radikal

c h 2= c h CH3 CH2 CH2- Vinii radikal 1° Radikal

CH2=CHCH2‘ 3° Radikal Allil radikal = 395 kJ mol-1

D H °

380 kJ mol-1

D H ° =

360 kJ mol-1

D H ° =

CH2 =CHCH 3

CH3 CHCH3

Şekil 13.1 Allil radikalinin 1°, 2°, 3°, ve vinil radikalleri ile kar şılaştırılmış bağıl kararlılıkları. (Radikallerin kararlılığı her biri nin oluştuğu hidrokarbona bağlı dır ve toplam kararlılık sırası allil > 3° > 2° >1° > vinil şeklindedir).

= 452 kJ mol-1

D H °

= 410 kJ mol-1

D H °

CH3 CH2 CH3

CH3 CH2 CH3

c h 2= c h 2

ch3

dığı görülmektedir. K A .. CH2= C H —CH2—H + -X :----►CH2= C H —CTV + HX

£akI düşük

Allil radikal

.. ¡A ■X- + H71C H =CH —CH,----► C H =C H —CH3 + HX

E akt

yüksek

Vinil radikal

Bir allilik karbon-hidrojen bağının kolay kırılması birincil, ikincil, üçüncül ve vinilik serbest radikallere göre allil radikalinin daha kararlı olduğunu gösterir (Şekil 13.1). Bağıl kararlılık

allilik veya allil > 3° > 2° > 1 > vinil veya vinilik

I3.2B N-Bromosüksinimit ile Allilik Bromlama (Düşük B r2 Derişimi) Propen, peroksitler veya ışık varlığında CC14 içerisinde /V-Bromosüksinimit (NBS) ile etkileştirildiğinde allilik bromlama meydana gelir. 'Oışık veya ROOR^ CC14

CH2= C H —CH2Br + -.0:

A-Bromosüksinimit (NBS)

3-Brmonopen (aliyi bromide)

Süksinimit

Tepkime az miktarda Br-'un oluşumuyla başlatılır (muhtemelen NBS’deki N—Br ba ğının ayrışması ile oluşur). Bu tepkimenin başlıca gelişme basamakları, allilik klorlama için olanın aynısıdır (Altbölüm 13.2A). C H = C H —CH0—H + -Br

CH2= C H —CH2- + HBr

CH,=CH—CH, • + Br—Br

CH,=CH—CH.Br + -Br

575

576

Bölüm 13 / Konjuge Doymamış Sistemler

/V-Bromosüksinimit CCl4’te hemen hemen hiç çözünmez ve bu da tepkime karışı mındaki brom derişiminin sabit, fakat çok düşük olmasını sağlar. Bu, yer değiştirme tep kimesinde oluşan HBr ile NBS’nin çok hızlı bir şekilde tepkimesiyle gerçekleşir. Her bir HBr molekülü bir Br2 molekülü ile yer değiştirir.

Bu şartlar altında, apolar bir çözücüde ve çok düşük brom derişiminde, ikili bağa çok az brom katılır; böylece yer değiştirme tepkimesi gerçekleşir ve brom bir allilik hid rojen atomunun yerine geçer.

İS T E Ğ E B A Ğ L I M A D D E L E R Niçin düşük derişimi i bromun katılma yerine allilik yer değiştirmeyi tercih ettiğini sor malıyız? Bunu anlamak için katılma mekanizmasını hatırlamalı ve ilk basamakta brom molekülünün sadece bir atomunun tersinir (dönüşümlü) bir basamakta alkene bağlan dığına dikkat etmeliyiz. \

/ C

+ x —

B ı< |

Br—Br +

—C— Br + Br

I Br— C —

C—

A

Diğer atom (şimdi bromür iyonu) ikinci basamakta bağlanır. Şimdi, eğer brom derişimi düşük olursa, ilk basamaktaki denge sola doğru ilerleyecektir. Üstelik, bromonyum iyo nu oluştuğu zaman bile, etrafında bromür iyonu bulunma olasılığı da düşüktür. Bu iki etken katılmayı yavaşlatır, bu yüzden de allilik yer değiştirme başarılı bir şekilde katıl mayla yanşır. Apolar bir çözücü kullanılması da katılmayı yavaşlatır. İlk basamakta oluşan bro mür iyonlarını saracak (ve böylece onu kararlı kılacak) polar moleküller bulunmadığı zaman, bromür iyonu yedek olarak bir brom molekülünü kullanır: \ 2Br, +

/ f

ı_ ^

C

/ \

^

¿ <

1

çözücü

+Br,p—

|

Bu da demektir ki, apolar bir çözücüdeki hız eşitliği broma göre ikinci derecedendir, hız = k

\ /

C=C

/ \

[Br7V-

ve düşük brom derişimi katılma hızını yavaşlatmada daha kesin bir etkiye sahiptir. Yüksek sıcaklığın niçin katılmaya göre, allilik yer değiştirmeyi yeğlediğini anlamak için dengedeki entropi değişiminin etkisini göz önüne almak gerekir (Altbölüm 3.9). Ka tılma tepkimesi, iki molekülün birleşmesi sebebiyle, ek bir negatif entropi değişimine sahiptir. Düşük sıcaklıklarda, AG° = AH0 - 7’A50,daki TAS0 terimi, AH° terimini uy-

13.3 Allil Radikalinin Kararlılığı

577

gun şekilde karşılamak için yeterince büyük değildir. Fakat sıcaklık arttırıldığında, TAS' terimi daha belirleyici hale gelir, AG" daha pozitif olur, ve denge daha istemsiz olur.

I 3.3

A L L İL R A D İK A L İN İN

K A R A R L IL IĞ I

Allil radikalinin kararlılığının açıklaması, moleküler orbital teorisi veya rezonans teori siyle yapılabilir (AltbölLim 1.8). Her iki yaklaşım bize birazdan göreceğimiz gibi allil radikalinin eşdeğer tanımlarını verir. Moleküler orbital yaklaşımı hayalimizde canlan dırma bakımından da kolaydır, bu yüzden onunla başlayacağız. (Bu bölüme hazırlık ola rak, Altböliimler 1.11 ve 1.13’te verilen moleküler orbital teorisinin gözden geçirilmesi yararlı olacaktır).

I3.3A Allil Radikalinin Moleküler Orbital Tanım ı Propenden bir allilik hidrojen atomu çıkarıldığında (aşağıdaki diyagrama bakınız) me til grubunun s/r-melezleşmiş karbon atomu, ¿’/r-melezleşmiş hale dönüşür (bkz. Altböliim 10.7). Bu yeni s/r-melezleşmiş karbon atomunun p orbitali. merkez karbon atomunun p orbitalieri ile örtiişür. Böylece, allil radikalindeki üç p orbitali, üç karbon atomunun hepsini kuşatmış 77 moleküler orbitallerinin bir takımını oluşturmak üzere örtüşmüş olur. Allil radikalinin yeni p orbitallerinin ikili bağa konjuge olduğu ve allil radikalinin koııjuge doymamış sistem olduğu söylenir. s p 2 Melezleşmiş

s p 3 Melezleşmiş

Allil radikalinin eşlenmemiş elektronu ile tt bağının iki elektronu, üç karbon atomunun tamamı üzerine dağılmıştır. Bu eşlenmemiş elektronların bu delokalizasyonu, birincil, ikincil ve üçüncül radikallerle karşılaştırıldığı zaman, allil radikaline daha büyük bir kararlılık verir. Birincil, ikincil ve üçüncül radikallerde de biraz delokalizasyon oluşma sına rağmen, delokalizasyon g bağları boyunca oluştuğu için etkili değildir. Şekil 13.2’deki diyagram, allil radikalinin üç p orbitalinin, üç tt moleküler orbitali oluşturmak için nasıl birleştiğini göstermektedir. (Hatırlatma: Moleküler orbitallerin sa yısı daima birleşen atomik orbitallerin sayısına eşittir, bkz. Altbölüm 1.11) Bağlayıcı tt moleküler orbitali en düşük enerjili olanıdır: üç karbon atomunun hepsini kuşatn- ve spini çiftleşmiş iki elektron tarafından doldurulur. Bu bağlayıcı tt orbitali komşu karbon atomları arasındaki p orbitallerinin aynı işaretli loblarının örtüşmesiyle meydana gelir. Bu tip örtüşme, hatırlayacağımız gibi, bağlanmanın gerçekleşeceği atomlar arasındaki böl gede gerekli olan elektron yoğunluğunu arttırır. Bağ yapmaya katılmayan tt orbitali bir elektron taşır ve merkez karbon atomunda bir düğüme sahiptir. Bu düğüm, sadece 1 ve 3 karbonları çevresinde yerleşmiş eşlenmemiş elektron demektir. Karşıtbağlayıcı tt mo leküler orbitalieri, bitişik karbon atomları arasında zıt işaretli orbital loblarının girişimi

Bu orbitaller, gösterimi basitleştirmek için küreler şeklinde çizilmiştir,

578


Karşıtbağlayıcı orbital

Düğüm Düğüm

j __j__L

Bağa katılmayan orbital

Üç ayrı p orbitali (her biri bir elektronlu)

il

Bağlayıcı orbital

Atomik orbitaller

Moleküler orbitaller şeması

¥

¥

Şekil I 3.2 Allil radikalinde üç 7r moleküler orbitalin oluşması için üç atomik p orbitalinin y v

\ O

y

birleşmesi. Bağlayıcı tt moleküler orbitali, atom düzlemlerinin altında ve üstünde örtüsen aynı işaretli loblara sahip üç p orbitalinin birleşmesiyle meydana gelir. Bağa katılmayan tt moleküler orbitali C 2 de bir düğüme sahiptir. Karşıtbağlayıcı tt moleküler orbitali iki dü ğüme sahiptir: C 1 ile C 2 ve C 2 ile C 3 arasında. Allil radikallerinin moleküler orbitallerinin biçimi kuantum mekaniği kuralları kullanılarak hesaplanmıştır ve yukarıdaki moleküler orbital şemasında görülmektedir.

olduğunda meydana gelir: Bu tür örtüşme, tt karşıtbağlayıcı orbitalde karbon atomları nın her bir çifti arasında bir düğümün var olduğu anlamındadır. Allil radikallerinin bu karşıtbağlayıcı orbitalleri en yüksek enerjilidir ve radikalin temel durumunda boştur. Allil radikalinin şeklini, moleküler orbital teorisinde verilenden daha basit şekilde aşağıdaki yapı ile gösterebiliriz. H '2 3

Hir ¿ <

x:

H

H

-H

Karbon-karbon bağının her ikisindeki kesikli çizgi bize, kısmî ikili bağı gösterir. Bu, moleküler orbital teorisinin bize söylediği şeylerden biriyle bağdaşır: üç atomun hepsi ni kuşatan bir tt bağı vardır. Ayrıca C 1 ve C3 atomlarının yanına -y sembolünü de yerleştiririz. Moleküler orbital teorisinin söylediği ikinci şey: Eşleşmemiş elektronlar zamanlarını Cl ve C3'iın çevresinde geçirirler. Sonuç olarak, allil radikali için mole küler orbital teorisi özetle; allil radikalinin iki ucunun eşdeğer olduğunu ifade eder. Mo leküler orbital tanımının bu yönü yukarıda verilen formülde de belirgindir.

13.3 Allil Radikalinin Kararlılığı

I3.3B Allil Radikalinin Rezonans Tanım ı Daha önceki altbölümde allil radikalinin yapısmı A olarak yazmıştık. H -H

Hv C. I

H

Bununla beraber A’ya eşdeğer olan B yapısı da yazılabilir. H Hv

.H

%

C I

H

B yapısını yazdığımızda, basitçe, A yapısmı ve onun çevrilmiş halini aldığımızı ima et mek istemiyoruz. Yaptığımız şey aşağıda olduğu gibi elektronları hareket ettirmektir.

H I H\

/H

H

H

A to m ç e k ir d e k le r in in k e n d ile r in i h a r e k e t e ttir m e m e liy iz .

Rezonans teorisi (Altbölüm 1.8) bize, bir kimyasal yapı için sadece e le k tr o n la r ın iki yapı yazabileceğimizi; bu kimyasal yapının, bu yapıların yalnız başına ikisinden biri ile gösterilemeyeceğini, fakat ikisinin bir melezi olduğunu söyler. Bu melezi iki yolla gösterebiliriz. A ve B yapılarının her ikisini de yazabiliriz ve bu yapıları, rezonans teorisine ait özel bir işaretle, onların rezonans yapıları olduğu nu belirten çift başlıklı bir ok ile birleştiririz.

y e r le r in in f a r k l ı o ld u ğ u

H 1

H

\ 3/ H C-

H

H

H

A

H B

Veya rezonans yapıların her ikisinin özelliğinin bir karışımı olan tek bir yapı, C, yazabili riz. H ,1

ı.C

C ı.

H

H C

Sonuç olarak rezonans teorisi, moleküler orbital teorisinden elde edilen allil radika linin şeklinin aynısını bize tam olarak verir. C yapısı, allil radikalinin karbon-karbon bağlarını, kısmî ikili bağ olarak gösterir. A ve B rezonans yapıları aynı zamanda bize, eşleşmemiş elektronların sadece C1 ve C3 atomları tarafından paylaşıldığım belirtir. Biz

579

580


Allil radikalinin bağıl kararlılığı

P ro b le m

13.1

bunu C yapısında, C1 ve C3'ün yanına -h. yerleştirerek gösteririz. Çünkü A ve B rezo nans yapıları, aynı zamanda Cl ve C3 birbirine eşdeğerdir. Rezonans teorisinde bir başka kural da, bir kimyasal tür için eşdeğer rezonans ya pılar yazılabildiğinde, bu kimyasal tür her zaman herhangi bir rezonans yapıdan (yal nız başına alındığında) çok daha kararlıdır der. A ve B'den her birini yalnız başına incelersek, onların birincil bir radikale benzediğine karar verebiliriz. Bu yüzden, allil radikalinin kararlılığını, yaklaşık olarak bir birincil radikalin kararlılığına benzetebili riz. Böyle yapmakla, allil radikalinin kararlılığını büyük oranda anlayabiliriz. Rezonans teorisi bize, A ve B eşdeğer rezonans yapılar olduğundan, allil radikalinin bir birincil radikalden çok daha kararlı olduğunu söyler. Bu ilişkilerin doğruluğu deneylerle göste rilmiştir; allil radikali üçüncül bir radikalden bile daha kararlıdır.

>• (a) Birinci karbonu 14C olarak işaretlenmiş propen, allilik klorlamaya veya bromlamaya maruz bırakıldığında hangi ürünün (ürünlerin) oluşacağını umarsınız? (b) Ce vabınızı açıklayınız. ,

i4CH t= C H C H ,

yüksek sıcaklık

+ X, ---------------- ► ? veya düşük derişimde X 2

(c) Birden daha fazla ürün elde edilirse, bunların bağıl oranlarının nasıl olmasını beklersiniz?

13.4 A llil Ka t y o n u

d

Allil katyonu (CH2= C H C H /) olağanüstü kararlı bir karbokatyondur (buna rağmen bu rada deneysel olarak kanıtlayanlayız). İkincil bir karbokatyondan bile daha kararlıdır ve hemen hemen üçüncül bir karbokatyon kadar kararlıdır. Genel olarak karbokatyon ka rarlılıklarının bağıl sırası aşağıda verilen şekildedir. Karbokatyon kararlılığının bağıl sırası

I

I + I

C

C

I

—c = c —c—c—> c—c+> c h 2= Allil katyonunun bağıl kararlılığı

chchç

I

3°

• H >

Allil

H

> c— > c—c+> c h 2=

C Sübstitüe olmuş allilik >

I

>

2°

ch+

H >

1°

>

Vinil

Beklediğimiz gibi, allil katyonunun ve diğer allilik katyonların olağanüstü kararlı lıkları. moleküler orbital veya rezonans teorisi ile de açıklanabilir. Allil katyonunun moleküler orbital tanımı Şekil 13.3’te gösterilmiştir. Allil katyonunun bağlayıcı 77 moleküler orbitali, allil radikalinde olduğu gibi (Şekil 13.2) çiftleşmiş spinli iki elektron içerir. Bununla birlikte allil katyonunun bağ yapma yan 7Tmolekül orbitali boştur. Bir allil radikalinden bir elektron çıkardığımızda bir al* Aşağıda gösterildiği gibi olan bir rezonans yapı, çiftleşmemiş bir elektronun C2 ile birleştiğini belirtir. Bu yapı uygun değildir, çünkü rezonans teorisi tiim re zo n a n s y a p ıla rın a ynı sa y ıd a ç iftle şm e m iş ele k tro n a sa h ip o lm a sı g e r e k tiğ in i b elirtir, (bkz. Altbölüm 13.5).

•ch2—ch —ch2(y a n lış b i r r e z o n a n s y a p ı)

13.4 Allil Katyonu

581

Şekil 13.3 Allil katyonunun rr moleküler orbitalleri. Allil katyonu allil radikali gibi konjuge doyma mış bir sistemdir. Kuantum meka niği prensipleri kullandarak hesaplanan allil katyonunun mole küler orbitallerinin şekilleri ve şe matik orbitalleri yanyana gösterilmiştir.

Moleküler orbitaller şeması

Hesaplanan moleküler orbitaller

lil katyonu elde ederiz ki, bu elektron, bağa katılmayan moleküler orbitalden çıkarılır. CH2=CHCH2- z j -+

c h 2= c h c h 2+

Bağa katılmayan bir orbitalden bir elektronun uzaklaştırılması (bkz. Şekil 13.2) için gerekli enerjinin bir bağ orbitalinden bir elektronun uzaklaştırılması için gerekli olan dan daha az olduğu bilinmektedir. Bunun yanısıra, allil katyonu üzerinde oluşan pozi tif yük C1 ve C3 arasında etkili bir şekilde dağıtılmaktadır. Böylece, moleküler orbital teorisindeki bu iki etken, yani bağ yapmamış elektronun uzaklaştırılmasının kolaylığı ve yükün dağılımı, allil katyonunun kararlılığını destekler. Rezonans teorisi, allil katyonunu burada gösterilen D ve E yapılarının bir melezi ola rak gösterir. H H 21 2I I

H

I

I

H

H

D

I

H

E

D ve E eşdeğer rezonans yapılar olduğundan için, rezonans teorisi ile allil katyonunun olağanüstü kararlı olabileceği tahmin edilebilir. Pozitif yükün D’de C3 üzerine ve E ’de C1 üzerine yerleşmesinden dolayı rezonans teorisi bize pozitif yükün karbon atomları nın her ikisi üzerine dağıtabileceğini söyler. 2. karbon atomu hiç pozitif yük taşımaz. F melez yapısı. D ve E ’nin her ikisininde bağ yapılarını ve yükünü kapsar. H 2I

±^cr

%c:

H

H F

■H

582

Bölüm 13 / Konjııge Doymamış Sistemler

P ro b le m 13.2

>• (a) Aşağıda verilen karbokatyon için D, E ve F ’ye karşılık gelen yapıları yazınız. c h 3— c h — c h = c h 2

(b) Bu karbokatyonun, bir üçüncül karbokatyondan bile daha kararlı olduğu görülür; bu nu nasıl açıklarsınız, (c) Bu karbokatyon klor iyonu ile tepkimeye girerse hangi ürünün (ürünlerin) oluşmasını beklersiniz?

13.5 A

1

Rezonans, yapı ve tepki meye girme kabiliyeti tar tışıldığı zaman sık sık kullandığımız önemli bir araçtır.

Re

z o n a n s

K

u r a l l a r in in

Ö

zetî

Bu bölümün önceki kısımlarında, 7r bağlarındaki elektronların (ve yüklerin) dağılımı ile iyonları ve radikalleri tanımlarken rezonans teorisini oldukça çok kullanmıştık. Re zonans teorisi bu gibi sistemlerde oldukça faydalıdır ve biz bu teoriyi ilerideki bölüm lerde tekrar tekrar kullanacağız. Altbölüm 1.8’de rezonans teorisine bir giriş yapmıştık ve şimdi o giriş, rezonans yapıların yazılması ve verilen bir yapının melez yapıya olan katkısının tahmin edilmesi için kuralları özetlerken yardımcı olacaktır. I3.5A Rezonans Yapıların Yazımı için Kurullar ^ 1 . Rezonans yapılar sadece kağıt üzerinde vardır. Rezonans yapılar gerçek olma masına rağmen, tek bir Lewis yapısının yetersiz kaldığı durumlarda, iyon, radikal ve moleküllerin tanımlanmasında bize yardımcı olduklarından faydalıdırlar. Rezonans ve ya rezonansa katkıda bulunan yapılar olarak adlandırılan iki veya daha fazla Lewis ya pısı yazabiliriz. Bu yapılan çift başlıklı ok (◄—►) ile birleştiririz ve gerçek molekülün, radikalin veya iyonun, onların hepsinin bir melezi olduğunu söyleriz. 2. Rezonans yapıların yazımında sadece elektronların hareketine izin veririz. Atom ların çekirdeklerinin yerleri yapıların hepsinde aynı kalmak zorundadır. Aşağıda veri len 3 yapısı, allil katyonu için bir rezonans yapı değildir, çünkü onu oluşturmak için bir hidrojen atomunu hareket ettirmek zorundayız ve buna da izin verilmez. +

CH3— CH— C H = C H 2

CH3— C H =C H —CH, 2

Bu yapılar 1,3-bütadienin bir proton aldığı zaman oluşan allil katyonu için rezonons yapılardır.

CH2— CHj — CH =CH , '

3

Bir hidrojen atomu yer değiştirdiğinden dolayı allilik katyon için uygun bir rezonons yapı değildir.

Genellikle, elektronları hareket ettirdiğimizde sadece 7r bağlarının elektronlarını (yuka rıdaki örnekte olduğu gibi) ve serbest elektron çiftlerini hareket ettiririz. 3. Tüm yapılar Lewis yapılarına uygun olmalıdır. Örneğin karbon atomu için beş bağa sahip olduğu yapılar yazılamaz. H H— C = 0 — H H

Karbon beş bağ yaptığından, bu, metanol için uygun bir rezonans yapısı değildir. Periyodik çizelgenin birinci sırasının (2 . periyot) elementleri, değerlik kabuklarında sekiz elektrondan fazla bulunduramazlar.

13.5 Rezonans Kurallarının Özeti

4. Bütün rezonans yapılar aynı sayıda çiftleşmemiş elektrona sahip olmalıdır. Aşağıdaki yapı, üç tane elektron içerdiği için allil radikali için bir rezonans yapı değil dir ve allil radikali sadece bir elektron bulundurur. 1 CH CH /

• h 2c

\

İH,C

c h 2•

r

CR,1

* Bu yapı, CH^CHCHj-’de olduğu gibi aynı sayıda çiftleşmemiş elektron bulundurmadığı için allil radikali için uygun bir rezonons yapı değildir.

5. Delokalize olan sistemin tüm atomları aynı düzlemde veya düzlem yapıya çok yakın bir durumda olmak zorundadır. Örneğin 2,3-di-fcr-bütil-l,3-bütadiende ter-bütil grupları çok hacimli gruplar olduğu için yapıyı döndürürler ve ikili bağın aynı düz lemde bulunabilmesini engellerler, bu yüzden bu bileşik konjuge olmayan bir dien gibi davranır. C2 ve C3’teki p orbitalleri aynı düzlemde olmadığı için örtüşmezler ve delokalizasyon (bundan dolayı rezonans) önlenir. (CH3)3C^

/

h 2c

^

ch2

C(CH3)3

2,3-Di-ter-bütil-l,3 bütadien

6. Gerçek molekülün enerjisi katkıda bulunan rezonans yapılarından herhangi birisinin enerjisinden daha azdır. Örneğin, gerçek allil katyonu ayrı ayrı gösterilen 4 veya 5 rezonans yapılarının herhangi birinden daha kararlıdır. 4 ve 5 yapıları birincil karbokatyona benzer ve allil katyonu ikincil bir karbokatyondan daha kararlıdır (düşük enerjilidir). Kimyacılar sık sık kararlılığın bu çeşidini rezonans kararlılığı olarak adlan dırırlar. CH2= C H —CH2 —►CH2— c h = 4

ch2

5

Bölüm 14’te, iki özdeş yapının melezi olan, bu nedenle çok fazla rezonans kararlılığı na sahip olan benzeni inceleyeceğiz.

Benzenin rezonons yapıları

Melez gösterimi

7. Eşdeğer rezonans yapılar meleze eşit katkılarda bulunur ve bunların temsil ettiği bir sistem büyük bir rezonans kararlılığına sahiptir. 4 ve 5 yapıları eşdeğer olduğu için allil katyonuna katkıları eşit olur. Allil katyonunun alışılmamış ölçüde ka rarlı olması da bu özdeş rezonans yapıların çok büyük kararlılık katkısı yapmasıyla açık lanabilir. Aynı şeyler benzenin eşdeğer yapılan ve allil radikalinin eşdeğer A ve B yapılan (Altbölüm 13.3B) tarafından yapılan katkılar için de söylenebilir. 8. Bir yapı ne kadar kararlı ise (kendisi ele alındığında) meleze katkısı o kadar büyüktür. Eşdeğer olmayan yapılar eşit katkı yapmazlar. Örneğin, aşağıdaki katyon, 6

583

584


ve 7 yapılarının bir melezidir. 6 yapısı 7 yapısından daha fazla bir katkı yapar, çünkü 7 yapısı bir birincil karbokatyon iken 6 yapısı daha kararlı bir üçüncül karbokatyondur. X

1 J 1b c d C H , — C — C H = —C H , = 5+ 5+

u-

X

u-

CH,

a

1

c h 3— ç - ^ c h ^ = c h 2

1 ►c h 3— c =

6

c h — çh2

7

6 yapısının daha büyük bir katkıda bulunmasının anlamı, melezin b karbonu üzerinde ki kısmî pozitif yükün d karbonu üzerindeki kısmi pozitif yükten daha büyük olabile ceğidir. Aynı zamanda bunun anlamı, c ve d karbon atomları arasındaki bağın b ve c karbon atomları arasındaki bağdan daha fazla ikili bağa benzeyebileceğidir.

I3.5B Rezonans Yapıların Bağıl Kararlılıklarının Tahm in Edilmesi Aşağıdaki kurallar, rezonans yapıların bağıl kararlılıkları hakkında karar vermemize yar dımcı olacaktır. a. Bir yapı ne kadar çok kovalent bağa sahip ise o kadar kararlıdır. Bu tama men beklenen durumdur, çünkü bir kovalent bağ oluşurken atomların enerjisi düşer. 1,3Bütadien için verilen aşağıdaki yapılardan 8, birden fazla bağ ihtiva ettiği için en büyük katkı yapan ve en kararlı olandır. (Aynı zamanda altta verilecek olan c kuralına göre da ha kararlıdır.) + CH2= C H — CH=CH2 «—►c h 2— c h = 8 _________|_________

r-

c h —ch 2

•" ►c h 2— c h =

9

+

c h —c h 2

10

■ Bu yapı daha fazla kovalent bağ içerdiği için en kararlıdır.

b. Değerlik kabukları tamamen elektronlarla dolu olan (vani soy gaz yapısmda) atomlardan oluşan yapılar özellikle kararlıdır ve meleze büyük katkı yaparlar. Bu sonuç, bağlanma hakkında bildiklerimize göre beklememiz gereken bir sonuçtur. Örneğin, 12 yapısı, bütün atomlarının değerlik kabukları dolu olduğundan 11 yapısına göre aşağıdaki katyonun kararlılığına daha büyük katkı sağlar. (12 yapısının 11'den çok daha fazla kovalent bağa sahip olduğuna dikkat ediniz; bkz. kural a). +

\£).

+

CH„— O—CH, «—►C H ,= 0 — CH, ▲

▲

11

12

Burada bu karbon-----Burada karbon atomu sekiz atomu sadece altı elektrona sahiptir, elektrona sahiptir.

c. Yük ayrımı kararlılığı azaltır. Zıt yükleri ayırmak enerji gerektirir. Bu yüzden zıt yüklü yapılar yük ayrımı olmamış olanlardan daha büyük enerjiye sahiptir (daha az kararlıdır). Vinil klorürün aşağıdaki iki yapısından 13 yapısında yük ayırımı olmadığı için yapıya katkısı çok büyüktür. (Bu, 14 yapısı meleze katkı yapmaz anlamında değil dir, 14 yapısının katkısını çok az olduğunu ifade eder.)

13.5 Rezonans Kurallarının Özeti

A ıA CH2= C H — Ç l: «—►: CH2— C H = Ç 1 :+ 13

14

Aşağıdakilerin her biri için önemli olan rezonans yapıları yazınız. CH3 I (a) CH2= C — « V (b) CH2= C H — ÇH— c h =

P ro b le m 13.3

+ (e) CH3C H = C H — C H =O H (f) CH2= C H — Br ch2

(h) " :CH2— C — CH, (i) CH3— S— CH2+ (j) CH3 n o 2

Aşağıdaki rezonans yapıların her birisinin meleze en büyük katkıda bulunanını se- -< çiniz ve seçiminizi açıklayınız. çh3

çh3

(a) CH3CH2C = C H — CH2+

►CH3CH2C— C H = C H 2

CH,

P ro b le m 13.4

CH

(d) CH3— C— Ö— H «—►CH3— C = Ö — H (e) ÇH2C H = C H C H = C H 2 (f) :NH2— C = N :

CH2= C H Ç H C H =C H 2

►n h 2=

►CH2= C H C H =C H Ç H 2

c = n! '

Aşağıdaki keto ve enol yapılarında elektronların yerleri farklıdır, fakat bu yapılar -< rezonans yapılar değildir. Niçin? Açıklayınız. H

H / C

H

\

-O— H

Enol yapısı

H

H

H— C— C

\

.0 : H Keto yapısı

P ro b le m 13.5

585

586

Bölüm 13 /Konjuge Doymamış Sistemler

13.6 A l k a d î e n l e r

ve D o y m a m i ş l i ğ i H İD R O K A R B O N L A R

F a z l a O la n

Bir çok hidrokarbon birden fazla ikili bağ veya üçlü bağ içerir. Bir hidrokarbon iki iki li bağ ihtiva ediyorsa alkadien; üç ikili bağ ihtiva ediyorsa alkatrien olarak adlandırı lır, ve böylece devam eder. Konuşma dilinde bu bileşikler çoğu kez basitçe “dienler” veya “trienler” olarak ifade edilir. İki tane üçlü bağ içeren bir hidrokarbon alkadiin, ve bir ikili ve bir üçlü bağ bulunduran bir hidrokarbon ise alkenin olarak isimlendirilir. Aşağıdaki doymamişliği fazla olan hidrokarbon örneklerinde bu özel bileşiklerin na sıl adlandırıldığı gösterilmiştir. 1

2

3

1

2

3

4

c h 2= c = c h 2

c h 2= c h — c h = c h 2

1,2-Propadien (ailen)

1,3-Bütadien

6

H,C « \4

3 \ 5 4/ r = ■r

5 / C=CX 2

h 3c

\3

H

,

c h = ch2

(3Z)-1,3-Pentadien (cı's-l,3-pentadien)

6 3\ 5

H,C

(2E,4Zs)-2,4-Heksadien (trans,/rans-2,4-heksadien)

H

1 4/ CH C= c / \3 1/ r= C H / \ H

5

4

3

2

1

H C = C —CH2CH =CH2

H

(2Z,4Zs)-2,4-Heksadien (c/.Y,/ra/ı.v-2,4-heksadien)

H,C \

H

2/ .c = c / \ ı H CH

/

3 / H

H

l-Penten-4-in

3 /H

2

C

/ c

H

\4

/ H

r =

5 /

H

r \

6

/° H

1/ \

H 8

ch3

(2E,4Z?,6£')-2,4,6-Oktatnen (trans,trans,trans-2,4,6-oktatrien) 2

3

5

6

1,3-Sikloheksadien

1,4-Sikloheksadien

Doymamişliği fazla olan bileşiklerin çoklu bağları kümüle, konjuge veya izole ola rak sınıflandırılır. Ailenin (1,2 propadien) ikili bağları, iki ikili bağa da bir karbon ato mu (merkezi karbon) katıldığından bir kümüle diendir. İkili bağları birbirine bitişik olan hidrokarbonlar kümülenler olarak adlandırılır. Ailen ismi (Altbölüm 5.17) aynı zaman-

13.7 1,3-Bütadien: Elektron Delokalizasyonu

da iki bitişik ikili bağlı moleküller için bir sınıf ismi olarak kullanılır. CH2= C = C H 2 Ailen

\

/

C=C=C,

\

Bir kümüle dien

Konjuge dienlerin bir örneği 1 ,3 -bütadiendir. Konjuge polienlerde ikili ve birli bağ lar zincir boyunca ardışık olarak gelir

/ \ Bir konjuge dien

1,3-Bütadien

(2£,4£,6£)-2,4,6-Oktatrien konjuge alkatrienlere bir örnektir. Eğer bir veya daha fazla doymuş hidrokarbon atomu, bir alkadienin ikili bağları ara sında bulunuyorsa, ikili bağların izole (ayrık) olduğu söylenir. İzole dienlere örnek ola rak 1,4-pentadien verilebilir.

\ / XC = C X

\ / / C==C\ (CH2)„

c h 2= c h — c h 2— c h = c h 2

Bir izole dien («5*0)

1,4-Pentadien

P ro b le m I 3.6

(a) Bölüm 13.6’daki bileşiklerin hangileri konjuge diendir? (b) Hangi bileşik izole < bir diendir? (c) Hangi bileşik bir izole enindir?

Bölüm 5’te uygun sübstitue kümüle dienlerin (allenlerin) kiral moleküller verdiğini görmüştük. Kümüle dienler bazı ticari öneme sahiptir ve kümüle ikili bağlara doğal mo leküllerin yapısında arasıra rastlanır. Genel olarak kümüle dienler, izole dienlerden da ha az kararlıdır. İzole dienlerin ikili bağları, isimlerinde belirtildiği gibi izole “enler” gibi davranır lar ve alkenlerin tepkimelerini verirler. Aynı tepkimeyi iki kez vermeleri şaşırtıcı değil dir. Konjuge dienler oldukça ilginçtir, çünkü ikili bağların her biri birbiriyle etkileşir. Bu etkileşme beklenmeyen özelliklere ve tepkimelere yol açar. Bu yüzden konjuge di enlerin kimyasını ayrıntılı olarak inceleyeceğiz.

13.7 1,3-Bü t a d İe n : E l e k t r o n D e l o k a l İz a s y o n u

o/

I3.7A 1,3-Bütadienin Bağ Uzunlukları 1,3-Bütadienin karbon-karbon bağ uzunlukları belirlenmiştir ve aşağıda verilmiştır. 1

2

3

4

C H , = CH----- CH— 1,34 Â

1,47Â

CH2

1,34Â

587

588


Çizelge 13.1 K arbon-K arbon Birli Bağ Uzunlukları ve Melezleşme Şekilleri.

Melezleşme Şekli

Bileşik h 3c — c h

Bağ Uzunluğu (Â)

sp3-sp3 sp2-sp3 sp2-sp2 sp-sp3 sp-sp2 sp-sp

3

c h 2= c h — c h

, c h 2= c h — c h = c h 2 H C = C —CH3 H C =C —C H =C H 2 H C = (—C=CH

1,54 1,50 1,47 1,46 1,43 1,37

C1— C2 bağı ve C3 — C4 bağı, etenin karbon - karbon ikili bağında olduğu gibi aynı uzunluktadır (deneysel hata sınırları içinde). 1,3-Bütandienin merkezî bağı (1.47 Â) etanın birli bağından (1.54 Â) önemli ölçüde daha kısadır. Bu sonuç şaşırtıcı değildir. 1,3-Bütadienin karbon atomlarının hepsi sp2 melezleşmiştir ve sonuç olarak bütadienin merkezî bağı sp: orbitallarinin örtüşmesinin sonucu dur. Bildiğimiz gibi, bir sigma bağı, yani sp3- s p 3, daha uzundur. Gerçekten, bağlı atomların melezleşme durumlarında sp3den sp'ye değişimle birlikte karbon-karbon bir li bağlarının bağ uzunluğunda düzenli bir azalma vardır. (Çizelge 13.1). İ3.7B 1,3-Bütadienin Konformasyonları 1.3- Bütadienin mümkün olan iki tane düzlemsel konformasyonu vardır: s-cis ve s-trans konformasyonlar. 2

3

r ~ \ 1,3-Bütandienin s-cis konformasyonu

. 1,3-Bütandienin s-trans konformasyonu

1,3-Bütadienin s-cis ve s-trans konformasyonları birli bağ çevresinde dönmeyle bir birlerine dönüşebildiği için (bundan dolayı s ön eki almıştır, İng. single band) cis ve trans şekilleri doğru değildir. s-Trans konformasyonu oda sıcaklığında daha baskındır. Diels - Alder tepkimesinde (Altböliim 13.11) 1,3-bütadien ve diğer konjuge alkenlerin s-cis konformasyonunda olması gerektiğini göreceğiz. I3.7C 1,3-Bütadienin Moleküler Orbitalleri 1.3- Bütadienin merkez karbon atomları (Şekil 13.4) C2 ve C3’ün p orbitalleri örtüşme için yeterli derece birbirine yakındır. C 2-C 3 arasındaki örtüşme C1 ve C2 orbitallerindeki kadar (veya C3 ile C4 arasındaki kadar) etkili değildir. Şekil 13.4 1,3-Bütadienin küreler şeklinde gös terilen p orbitalleri (bkz. Şekil 1 3 .5 .1,3-Bütadien için hesaplanmış moleküler orbitallerin şekilleri.)

13.8 Konjuge Dienlerin Kararlılığı

Karşıtbağlayıcı moleküler orbitaller

lit Dört izolep orbitali (her biri bir elektronlu)

Bağlayıcı moleküler orbitaller

Moleküler orbital şeması

M

Hesaplanan moleküler orbitaller

Şekil 13.5 Dört izole p orbitalinden 1,3-bütadienin

tt moleküler orbitallerinin oluşumu. Kuantum mekaniği prensipleri kullanılarak hesaplanan 1,3-bütadien için moleküler orbitallerin şekilleri moleküler orbital şemasının yanında gösterilmiştir.

C2 - C3 orbital örtüşmesi aynı zamanda merkezî bağa kısmî ikili bağ karakteri verir ve 1,3-bütadienin dört tt elektronu, dört atomun hepsi üzerine dağılır. Şekil 13.5, 1,3-bütadiende dört p orbitalinin nasıl dört yeni moleküler orbital takımı oluşturduklarını göstermektedir. 1.3Bütadienin tt moleküler orbitallerinin ikisi bağlayıcı molekül orbitallerdir. Te mel halde bu orbitallerin her biri dört tt elektronunu, ikişer adet, spini çiftleşmiş elekt ronlar şeklinde bulundurur. Diğer iki tt moleküler orbital karşıtbağlayıcı moleküler orbitallerdir. Temel halde bu orbitaller boştur. 1,3-Bütadien, 217 nm dalga boyunda bir ışık soğurduğunda bir elektron, en yüksek dolu moleküler orbitalden (HOMO), en dü şük boş moleküler orbitale (LUMO) çıkabilir. (Altbölüm 13.9’da doymamış moleküller tarafından ışığın soğurulmasım inceleyeceğiz.) 1.3Bütadien için açıkladığımız delokalize bağlanma tüm konjuge polienlerin bir özel liğidir.

13.8

Ko

n ju g e

D

îenlerîn

Ka

r a r l il iğ i

0

Konjuge alkadienler izomerik alkadienlerden termodinamik olarak daha kararlıdır. Kon juge dienlerin bu fazladan kararlılığı Çizelge 13.2’deki hidrojenlenme ısıları incelene rek açıklanabilir.

589

590


Çizelge 13.2 Alken ve Alkedienlerin Hidrojenienme Isıları Bileşik

(mol)

AH° (kj mol >)

1-Bütan 1-Penten //•ü?/«-2-Penten 1,3-Bütadien trans-l ,3-Pentadien 1,4-Pentadien 1,5-Heksadien

1 1 1 2 2 2 2

-127 -126 -115 -239 -226 -254 -253

1,3-Bütadien, aynı zincir uzunluğundaki izole bir dien ile doğrudan karşılaştırıla maz. Bununla beraber, iki eşdeğer mol 1-bütenin hidrojenlendirilmesinden elde edilen ısıyla, 1,3-bütadienin hidrojenienme ısısı arasında bir karşılaştırma yapılabilir. AH° (kJ mol'') 2 CH2=CHCH2CH3 + 2 H2----►2 CH3CH2CH2CH3 (2 X —127) = -2 5 4 1-Büten

CH2=CH CH=CH2 + 2 H2-----►CH3CH2CH2CH3 Fark

, -Bütadien

1 3

= -239 15 kJ mol-1

1,3-Bütadiendeki ikili bağların her biri. 1-bidendeki monosübstitüe ikili bağ türü ile ay nı olduğundan, 1,3-bütadienin hidrojenienme ısısının, 1-bütenin iki eşdeğer molünün ısı miktarı (254 kJ moH) ile aynı değerde olmasını bekleriz. Ancak 1,3-bütadienin bekle nilen değerden 15 kJ mol-1 kadar düşük olan 239 kJ m oH ’lik bir ısı açığa çıkardığı gö rülür. Bundan dolayı konjugasyonun fazladan bir kararlılık verdiği sonucuna varılır (Şekil 13.6). Konjugelenme ile kararlı oluşa bir örnek, r/w«-l,3-pentadienin hidrojenienme ısısı nın /?£7«5-2-penten ve 1-pentenin hidrojenienme ısıları toplamıyla karşılaştırılması ile verilebilir. Bu yolla, karşılaştırılabilir tipteki ikili bağları karşılaştırıyoruz. c h 2= c h c h 2c h 2c h ,

AH° = —126 kJ mol-1

1-Penten c h 3c h 2x

/

H

H

c=c \

AH° = -115 k Jm o r1 Toplam = —241 kJ mol-1 CH3

tra/ii-2-Penten

CH2= C H ^

H

C=C / \ H CH3

AH° = -226 kJ m o r1 Fark = 15kJmol-'

lrans-l,3-Pentadien

Bu hesaplamalardan, konjugasyonun, t;a/?i-l,3-pentadiene kazandırdığı 15 kJ mol_|,lik fazladan kararlılık değerinin 1,3-bütadien için elde edilen değere eşit olduğu nu görüyoruz.

13.9 Ultraviyole-Görünür Bölge Spektroskopisi

c h 2= c h - c h = c h 2

Şekil 13.6 1 mol 1,3-bütadien ve 2 mol 1-bütenin hidrojenlenme ısıları.

+ 2 H2

A H 0 = -254 kJ mol

A H 0 = -239

kJ mol-1

c h 3c h 2c h 2c h 3

Bu gibi hesaplamalar diğer konjuge dienler için yapılırsa, benzer sonuçlar elde edi lir; konjuge dienlerin, izole dienlerden daha kararlı olduğu bulunur. Soru şudur: Kon juge dienlerle ilişkili olan fazladan kararlılığın kaynağı nedir? Katkıda bulunan iki etken vardır. Konjuge dienlerin fazladan kararlılığı, kısmen içerdikleri daha güçlü merkezî bağ dan, ve kısmen de konjuge dienlerde oluşan ilave tt elektronlarının delokalizasyonundan kaynaklanır.

13.9

U l t r a v İy o l e - G ö S P E K TR O S K O P İS İ

r ü n ü r

Bö

591

lg e

Konjuge dienlerin, konjuge olmayan dienlerle karşılaştırıldığında görülen fazladan ka rarlılığı uttravfyole - gürünür bölge (UV - Vis) spektroskopisinden elde edilen ve rilerden de görülebilir. Ultraviyole ve görünür bölgedeki elektromanyetik ışıma, çoklu bağlar içeren bir bileşiğin içinden geçtiğinde, ışımanın bir kısmı genellikle bileşik tara fından soğurulur. Tam olarak ne kadar bir ışımanın soğurulduğu ışımanın dalga boyu na ve bileşiğin yapısına bağlıdır. (Elektromanyetik ışımanın özellikleri ile ilgili Altbölüm 9.2’yi gözden geçirebilirsiniz.) UV - Vis spektroskopisinde ışımanın soğurulması, daha düşük enerjili orbitaldeki elektronların daha yüksek enerjili orbitale uya rılmasıyla ışımanın enerjisinde bir azalmaya yol açar. Bölüm 13.9B’de özellikle UV Vis spektroskopisinden elde edilen verilerin konjuge dienlerin fazladan kararlılığı ile ilişkisini daha sonra tartışacağız. Önce UV - Vis spektroskopisinden verilerin nasıl el de edildiğine kısaca bir göz atalım. I3.9A U V - Vis Spektrofotometreleri Bir UV - Vis spektrofotometre, elektromanyetik spektrumun UV ve görünür bölgele rinde her dalga boyunda soğurulan ışığın miktarını ölçer. UV ve görünür bölge ışıma sı, infrared ışıması (İR spektroskopisinde kullanılan) ve radyo frekansı ışımasından (NMR de kullanılan) daha yüksek enerjilidir. Fakat X-ışınlan kadar enerjili değildir (Şekil 13.7). Standart bir UV - Vis spektrofotometrede bir ışık ışını ikiye yarılır; ışının bir yarı sı (numune ışını) doğrudan analiz edilecek bileşiğin bir çözeltisini içeren şeffaf bir hüc reden geçer, ve diğer yarısı (referans ışını) bileşiği içermeyen, fakat çözücüyü içeren benzer bir hücreden geçer. Çözücüler analiz için kullanılacak spektrum bölgesinde ge çirgen olacak şekilde seçilir. Alet istenilen dalga boylarında tarama yapmak için iki ışı nın şiddetlerinin bir karşılaştırmasını yapacak şekilde tasarlanmıştır. Eğer bileşik belirli bir dalga boyunda ışığı soğurursa, numune isminin şiddeti (7S), referans ışınının (/R) şid detinden daha az olur.


1019Hz Kozmik ve y - ışınları

_________________________________ A (UV) Vakum ultraviyole

X-ışınları 0,1 nm

(UV) Yakın ultraviyole 200 nm

_______________________________________10I3Hz (NİR) Yakın infrared

Görünür bölge

400 nm

800 nm

(İR) Infrared 2^m

Mikrodalga radyo 50/im

Şekil I 3.7 Elektromanyetik spektrum.

UV - Vis spektrofotometreler bu bölgede absorbansa (A) karşı dalga boyu grafiğini oto matik olarak kaydederler. [Belirli bir dalga boyundaki absorbans Ak = log (/R//s) Eşit liğiyle belirlenir.] Böyle bir grafik bir absorpsiyon soğurm a spektrum u olarak adlandırılır. (Diyot-dizinli UV - Vis spektrofometrelerinde analiz bölgesindeki ışığın bütün dalga boylarının absorbansı bir fotodiyot serisi yoluyla aynı anda ölçülür. Çözü cünün soğurması ilk olarak bütün dalga boyları aralığında ölçülür, ve sonra numunenin soğurması aynı aralıkla kaydedilir. Çözücüden elde edilen veriler, numune için elde edi len verilerden elektronik olarak çıkarılır. Fark, numune için soğurma spektrumu olarak gösterilir.) Tipik bir UV soğurma spektrumu 2,5-dimetil-2,4-heksadien için. Şekil 13.8’de ve rilmiştir. 210 ve 260 nm arasındaki bölgede geniş bir soğurma bandı görülmektedir.

200

210

220

230

240

250

260 270 Dalga boyu (nm)

280

290

300

310

320

Şekil 13.8 1,00-cm’lik bir hücrede 5,95 X 105 M’lik bir derişimde, ınetanol içerisindeki 2,5-dimetil-2.4-heksadienin UV soğurma spektrumu (Sadtler Araştırma Laboratuvarları Spektrum Bölümü Inc., Philadelphia)


Soğurma maksimumu 242.5 nm’dir. Bu. kimya kaynaklarında genellikle A.maks ola rak gösterilen dalga boyudur. Ayrıca, maksimum soğurma dalga boyu (A.maks) ifadesi, kimyacılar tarafından sık sık soğurma şiddetini veya gücünü belirten bir başka nicelik olarak gösterilir ki bu, molar absorptivité, e* olarak isimlendirilir. Molar absorptivité, belirli bir dalga boyunda (A) gözlenen soğurmanın (A), numune hücresinden geçen ışık ışınının yol uzunluğu (/) (santimetre olarak) ve numunenin mo lar derişimizde (C) ilişkisini gösteren sabit bir orandır. A=e

X

C

X

l ya da £ = — —— C X I

Metanolde çözülmüş 2,5-dimetil-2,4-heksadien için maksimum soğurmanın dalga bo yundaki (242,5 nm) molar absorptivité. 13.100 M 1 cm ‘’dir. Bu kimya kaynaklarında aşağıdaki gibi gösterilir: 2.5-Dimetil-2.4-heksadien, A S T ' 242,5 nm

O = 13.100)

I3.9B Konjuge ve Konjuge Olmayan Dienler için Maksimum Soğurma Daha önce belirttiğimiz gibi, bileşikler, UY ve görünür bölgelerde ışık soğurduğunda elektronlar daha düşük elektronik enerji seviyesinden daha yüksek enerji seviyelerine uyarılırlar. Bundan dolayı, UV ve görünür bölge spektrumları elektronik spektrum lar olarak adlandırılırlar. 2,5-Dimetil-2,4-heksadienin soğurma spektrumu tipik bir elektro nik spektrumdur, çünkü soğurma bandı (veya piki) çok geniştir. UV ve görünür bölge deki pek çok soğurma bandı, her bir elektronik enerji seviyesi titreşim ve dönme seviyeleri ile binleştiğinden geniştir. Bu yüzden, elektron geçişleri, bir elektronik seviyenin her hangi bir titreşim ve dönme seviyesinden, daha yüksek seviyedeki herhangi bir titreşim ve dönme seviyesine olabilir. Alkenler ve konjuge olmayan dienler genellikle 200 nm ’nin altında bir m aksi mum soğurm aya sahiptir. Örneğin, eten 171 ntu’de; 1,4-pentadien 178 nm’de bir mak

simum soğurma verir. Bu soğurmalar, bir çok ultraviyale-görünür bölge spektrometresinin çalışma bölgesinin dışında kalan dalga boylarında olur. Çünkü eten ve 1.4-pentadienin soğurma yaptığı bölgede havadaki oksijen de soğurma yapar. Bun ların ölçümlerinde özel havasız ortamlı teknikler kullanılmalıdır. Konjuge çoklu bağlar içeren moleküllerin bileşikleri 200 nm ’den daha uzun dal ga boyunda m aksimum soğurm aya sahiptirler. Örneğin 1,3-biitadien 217 mirde so

ğurma yapar. Konjuge dienlerin daha uzun dalga boyundaki bu soğurması doğrudan konjugasyonun bir sonucudur. Eğer Şekil 13.9’u incelersek, çoklu bağların konjugasyonunun nasıl daha uzun dal ga boyunda ışık soğurulmasına yol açtığını anlayabiliriz. Bir molekül, en uzun dalga boyundaki ışığı soğurduğunda, bir elektron, en yüksek dolu moleküler orbitalden (HOMO) en düşük boş moleküler orbitale (LUMO) uya rılır. Çoğu alkenler ve alkadienler için HOMO bir bağlayıcı tt orbitali vc LUMO ise bir karşıtbağlayıcı 7r* orbitalidir. Maksimum soğurmanın dalga boyu bu iki seviye ara sındaki enerji farkı tarafından belirlenir. Etenin HOMO ve LUMO’su arasındaki enerji farkı, buna karşılık gelen 1,3-bütadienin orbitalleri arasındaki enerji farkından daha bü yüktür. * Daha eski kaynaklarda, molar absorptivité (e ), sık sık molar sönme katsayısı olarak kullanılır.

593

594


Şekil 13.9 1,3-Bütadien ve etenin

7I4*

tt —p

moleküler orbitallerinin bağıl enerjileri (Bölüm 13.7).

t i*

(LUMO)

- p

tc3*

LUMO

Karşıtbağlayıcı >• moleküler orbitaller

uyar ima uyarılma ”

tc2 HOMO

Bağlayıcı > moleküler orbitaller

n (HOMO)

c h

2=

c h

2

c h

2=

c h c h

=

c h

2

Bundan dolayı etenin 7 r----►tt* elektron geçişi, 1,3-bütadienin 7t2 ----►7r3* a karşı lık gelen uyarılmasından daha büyük enerjili (daha kısa dalga boylu) ışık soğurulması nı gerektirir. İki bileşiğin HOMO ve LUMO’ları arasındaki enerji farkı onların soğurma spektrumlarına yansır. Etenin Xmaks değeri 171 nm; 1,3-bütadienin \ maks değeriyse 217 nm’dir. 1,3-Bütadiendeki HOMO ve LUMO arasındaki aralığın daha dar olması tt bağları nın konjugasyonundan kaynaklanır. Moleküler orbital hesaplamaları izole alkadienlerde çok daha büyük bir aralığın olması gerektiğini göstermiştir. Bu deneysel olarak da ispatlanmıştır. İzole alkadienler alkenlerinkine benzer soğurma spektrumu verirler. Bun ların Xmaks’ları daha kısa dalga boylarında, genellikle 200 nm’nin aşağısındadır. Bah settiğimiz gibi, 1,4-pentadien 178 nm’de \ maks’a sahiptir. Konjuge alkatrienler, konjuge alkadienlerden daha uzun dalga boylarında soğurma yaparlar ve bu da moleküler orbital hesaplamalarıyla bulunabilir. Bir alkatrienin HO MO ve LUMO’su arasındaki enerji aralığı bir alkadieninkinden bile daha küçüktür. Ge nel bir kural olarak, bir bileşiğin içerdiği konjuge çoklu bağların sayısının artmasıyla bileşiğin soğurduğu ışığın dalga boyu da artar denilebilir. Sekiz ya da daha fazla konjuge ikili bağlı polienler spektrumun görünür bölgesinde ışık soğururlar. Örneğin, A vitamininin öncüsü ve havuca portakal rengini veren bile şik olan /3-karoten görünür bölgede 497 nm’de bir soğurma maksimumuna sahiptir. 497 nm’deki ışığın rengi mavi - yeşildir; bu /3-karoten tarafından soğurulan ışıktır. Biz ma vi - yeşil rengin tamamlayıcısı olan kırmızımsı - portakal rengini algılarız.

ß -Karoten

Likopen, kısmen domatesin kırmızı renginden sorumlu olan bir bileşiktir. Aynı za manda 11 konjuge ikili bağa sahiptir. Likopen 505 nm’de bir maksimum soğurmaya sa-


hiptir, ve orada şiddetli bir şekilde soğurma yapar. (Yaklaşık olarak 0,02 g likopen bir kg taze olgun dometesten elde edilebilir.)

L ik o p e n

Çizelge 13.3’te birçok doymamış bileşik için Xmaks değerleri verilmiştir. Karbon - oksijen ikili bağlı bileşikler de UV bölgesinde ışık soğururlar. Örneğin, aseton 280 nm’de geniş bir soğurma piki verir ve bu pik, ortaklaşılmamış elektron {konu sayfa 599'da devam ediyor) Çizelge 13.3 Doymamış H idrokarbonların Uzun-Dalga Boylu Soğurma M aksim um ları.

Bileşik Eten //•
Yapı c h 2= c h 2 CH3CH,. .H C=C / \ H CH,CH3

Sikloheksen

^maks(nm) 171

^maks 15.530

184

10.000

182

7.600

177 185 217

12.600 2.000 21.000

223

22.600

223,5

23.000

228 178

7.800 17.000

239

3.400

256

8.000

274

50.000

O 1-Okten 1-Oktin 1,3-Bütadien

CH3(CH,),CH=CH, CH3(CH?),C=CH c h 2= c h c h = c h 2 H3Cx

c/i-l^-Pentadien

/ H

x CH=CH2

c=c \

H

h 3c x

trans-1,3-Pentadien

/

C=C

H l-Büten-3-in 1-Pentadien

\

CH=CH2

CH,=CHC = CH CH'=CHCH.CH= CH,

f i

1,3-Siklopentadien 1,3-Sikloheksadien

c h 2= c h x

trû/75-l,3,5-Heksatrien

/

H C=C

\

____________________________ H_______ CH=CH2

595

ımyası CjTözün retinasına ışık etki ettiğinde oluşan kimyasal değişiklikler, bizim incelemiş olduğumuz birkaç olayı içerir. Moleküler seviyede görme işleminin anlaşılmasında özel likle iki olay esastır: konjuge polienler tarafından ışığın soğurulması ve cis-trans izo merlerin karşılıklı dönüşümleri. İnsan gözünün retinası iki çeşit alıcı hücre içerir. Şekillerinden dolayı, bu hücreler rod ve kon isimlerini almışlardır. Rodlar özellikle retinanın çevresinde yerleşmiştir ve loş ışıkta görmeden sorumludur. Rodlar, bununla birlikte, renk körüdür ve sadece gri tonlarında “görür”. Konlar en fazla retinanın merkezinde bulunur ve parlak ışıkta gör meden sorumludur. Konlar aynı zamanda pigmentlere sahiptir. Bu yüzden renkli gör meden sorumludurlar. Bazı hayvanlar rod ve konun ikisine birden sahip değildir. Güvercinlerin retinaları sadece kon içerir. Bu yüzden güvercinler renkli gördükleri halde, sadece günün parlak ışıklarında görürler. Baykuşun retinası ise sadece roda sahiptir; baykuş karanlıkta çok iyi görür fakat renk körüdür. Rodlarda meydana gelen kimyasal değişiklikler konlarda olanlardan daha iyi anla şılır. Bundan dolayı, burada yalnızca rodla görme ile ilgileneceğiz. Işık rod hücrelerine çarptığı zaman, rodopsin olarak isimlendirilen bir bileşik tarafmdan soğurulur. Bu bir seri kimyasal olayı başlatır ki, en sonunda beyine bir sinir dür tüsünün iletilmesiyle sonuçlanır. Rodopsinin kimyasal yapısı ve rodopsinin ışık soğurduğunda oluşan konforınasyonel değişikliklerini anlamamız, çoğunlukla George Wald ve çalışma arkadaşlarının Har vard Üniversitesindeki araştırmaları sayesindedir. Wald’in araştırmaları 1933’te Berlin’de üniversite öğrencisi iken başladı. Ancak rodopsinlerle ilgili çalışmalar diğer laboratuvarlarda da çok daha önce başlamıştı. Rodopsin 1877'de Alman Fizyolojisi Frans Boll tarafından keşfedildi. Boll, kurba ğanın retinasındaki bir pigmentin başlangıç kırmızı - mor renginin ışığın etkisi ile “ağardığrııın farkına vardı. Ağarma işlemi, ilk olarak sarı, daha sonra da renksiz bir retinaya yol açıyordu. Bir yıl sonra, başka bir Alman bilim adamı, Willy Kühne, kırmızı - mor pigmenti izole etti ve rengi nedeniyle sehpurpur veya “görsel mor” olarak isimlendir di. Bu isim rodopsin için hâlâ yaygın olarak kullanılmaktadır. 11_12

h 3c

H 3C

CH,. C— O 3 I h 2n

Rodopsin

Şekil I3.A 11-m-Retinal ve opsinden rodopsinin oluşumu.

596

Şekil I3.B Rodopsinin görünür bölge soğurma spektrumu ve rod görme için duyarlık eğrisinin bir karşılaştırması (Hecht; S; Shlaer, S.; Pirenne M. H. J. Gen. Plıysiol. 1942, 25, 819-840’den uyarlanmıştır.)

1952 de Wald ve öğrencilerinden biri, Ruth Hubbard, rodopsinin kroınoforunun (ışıksoğurucu grup) çoklu doymamış bir aldehit olan 1l-cA-retinal olduğunu gösterdi. Rodopsin, bu aldehitle opsin olarak isimlendirilen bir proteinin tepkime ürünüdür (Şekil 13.A). Tepkime 11 -m-retinalin aldehit grubu ve protein zircirindeki bir amino grubu arasındadır ve bir su molekülü kaybını içerir. Proteinin — SH gruplarını içeren diğer ikincil etkileşim de muhtemelen cis-retinali orada tutar. Protein zincirinin bir tarafı, cisretinallinkinin bir tarafına tam olarak uyar. 11-m-Retinalin konjuge çoklu doymamış zinciri, rodopsine, görünür bölge spektrumunun geniş bir bölgesinde ışığı soğurma yeteneği verir. Şekil 13.B görünür bölgede ki rodopsinin soğurma eğrisini göstermekte ve insanın rod görüşü için duyarlık eğrisi ile soğurma eğrisini karşılaştırmaktadır. Gerçekte birbirine benzeyen bu iki eğri rodop sinin rod görmedeki ışık-duyarlık maddesi olduğuna güçlü bir kanıt sağlar. Rodopsin bir ışık fotonu soğurduğunda, 11 -m-retinal kromoforu tamamen trans şek line izomerleşir. İlk foto ürün batorodopsin olarak isimlendirilen bir ara üründür. Bu bi leşik rodopsinden yaklaşık 150 kJ mol 1daha fazla enerjiye sahiptir. Batorodopsin daha sonra, bir seri basamak sonunda, metarodopsin TFye (tamamen trans) dönüşür. Tama men trans kromofor-protein birleşiminin yüksek enerjisi, şeklinin değişmesine yol açar. Sonuç olarak, enzimatik tepkimelerin akışı, beyne bir sinir sinyalinin iletilmesinde en son ulaşılan aşamadır. Kromofor en sonunda hidroliz edilir ve tamamen-frans-retinal olarak çıkarılır. Bu basamaklar Şekil 13.C’de gösterilmektedir. Rodopsin 498 nnTde bir maksimum soğurmaya sahiptir. Bu rodopsine kırmızı-mor rengini verir. Bununla birlikte, trans-retinal ve opsin birlikte 387 nm de maksimum so ğurmaya sahiptir ve bu yüzden sarıdır. Rodopsinin tamamen-rra/w-retinale ve opsine ışık-etkisi ile dönüşümü. Boll’un gözlemlediği kurbağa retinalarındaki ilk ağarmaya kar şılık gelir. Renksiz bir yapıya doğru daha ileri ağarma i/am-retinalin enzimatik olarak tamamen trans-\itamin A’ya indirgendiği zaman olur. Bu indirgeme, retinalin aldehit grubunu vitamin A’nın birincil alkol grubuna dönüştürür. H I c =

CH,OH

çerçeve içindeki konıı sayfa 598’de devam ediyor

597

hv (ış ığ ın b ir

İ Batorodopsin

fotonu)

r

' B irk a ç basam ak

Enzimatik akış ve sinir dürtüsü

Şekil I3.C Görme işleminin önemli kimyasal basamakları. Rodopsinin 11-c/s-retinal kısmı ta rafından bir ışık fotonunun soğurulması, bir seri basamak sonucunda, metarodopsin Il’ye izo merleşme sonucu olan bir sinir dürtüsü meydana getirir. Daha sonra metarodopsin IFnin hidrolizi, tamamen-/rans-retinal ve opsini oluşturur. Yukarıdaki gösterim rodopsin biçimini geniş ölçüde basitleştirir: retinal kısmı gerçekte çok kompleks bir protein yapısının merkezine iyice gömülmüştür. Rodopsin yapısının çok daha ayrıntılı gösterimi ve bir sinir sinyalinde bir dizi tep kimenin nasıl sonuçlandığını anlamak için bkz. Stryer, L., “The Molécules of Visual Excitation”, Sci. Am. 1987, 257(7), 42-50.

598


çiftinin bir elektronunun (bağa katılmayan bir “n elektronu) karbon - oksijen ikili bağma ait tt* orbitaline uyarılması sonucu oluşur.

Aseton

Karbon - oksijen ikili bağının bir karbon —karbon ikili bağına konjuge olduğu bi leşikler 7t--- ►77 * uyarılması ve n ---- ►ır* uyarılmasına karşılık gelen maksimum so ğurmaya sahiptirler, n — ^77* maksimum soğurması daha uzun dalga boyunda meydana gelir, fakat çok daha zayıftır (yani daha küçük molar absorptiviteye sahip). CH,=CH — Ç= O CH3 n -------► 7 7 * A maks I = 324 nm,£maks = 24 7 7 -------► 7 7 *

A maks = 219 nm,e k = 3600

I3.9C U V - Vis Spektroskopisinin Analitik Kullanımları U V - Vis spektroskopisi, verilen bir örnekte konjugasyon bulunup bulunmadığını belir leyerek organik moleküllerin yapı aydınlatılmasında kullanılabilir. Bir moleküldeki kon jugasyon İR, NMR ya da kütle spektroskopisindeki verilerle gösterilebilmesine rağmen, UV - Vis analizleri doğrulayıcı bilgi sağlayabilir. UV - Vis spektroskopisinin daha geniş bir kullanıma da bilinmeyen bir örneğin derişimlerinin tayin edilmesidir. Altbölüm 13.9A’da bahsedildiği gibi, A = eCl bağıntısı, bir örneğin belirli bir dalya boyunda derişimine bağlı olarak yaptığı soğurma miktarını gösterir. Bu bağıntı genellikle analizler için uygun derişim aralığında doğrusaldır. Bir örneğin bilinmeyen derişimini tayin etmek için, bilinen derişimlerde bir seri standart için derişime karşı absorbans grafiği çizilir. Analiz için kullanılan dalga boyu genellik le numunenin \ maks’ıdır. Numunenin derişimi, absorbansının ölçülmesiyle ve bilinen derişimlerin grafiğinden karşılık geldiği derişim bulunarak tayin edilir. UV - Vis spektroskopisinin nicel analizde kullanımı biyokimyasal çalışmalarda enzimatik tepki melerin hızını ölçmek için rutin olarak kullanılır. Tepkimede yer alan bir türün derişi mi (UV - Vis soğurmasıyla ilişkili olarak) tepkimenin hızını tayin etmek için, zamana karşı grafiğe geçirilir. UV - Vis spektroskopisi, çeşitli metal iyonlarının (bazen metal içeren organik komplekslerin) derişimlerini tayin etmek için çevre kimyasında ve bir ta yin yöntemi olarak yüksek performanslı sıvı kromatografisinde (HPLC) de kullanılır.

İki bileşik, A ve B, aynı molekül formülüne sahiptir, C6H8. A ve B’nin her ikisi de -< sikloheksan vermek üzere platin varlığında hidrojenin iki eşdeğer molü ile tepki meye girer. A bileşiği genişband eşleşmesiz L1C NMR spektrumunda üç sinyal ve rir. B bileşiği ise sadece iki l3C NMR sinyali gösterir. A bileşiği 256 nm’de bir soğurma maksimumuna sahiptir, buna karşın B bileşiği 200 nm’den daha uzun dal ga boyunda hiç bir soğurma göstermez. A ve B’nin yapısı nedir?

P ro b le m 13.7

599

600


P ro b le m 13.8

>• Üç bileşik, D, E ve F, C5H6 molekül formülüne sahiptir. Üç bileşiğin hepsi de pla tin varlığında 3 eşdeğer mol hidrojen soğurur ve pentan oluşturur. E ve F bileşikle ri yaklaşık olarak 3300 cm '’de bir İR soğurmasına sahiptir. D bileşiği ise bu bölgede İR absorbsiyonuna sahip değildir. D ve E bileşikleri UV - Vis spektrumlarında 230 nm yakınlarında bir maksimum soğurma gösterir. F bileşiği 200 nm’nin ötesinde maksimum soğurma göstermez. D, E ve F için yapılar öneriniz.

1 3 .1 0

K o n j u g e D ie n l e r e E l A T A K : 1.4 K A T I L M A S I

e k t r o f î l İk

&

Konjuge dienler, konjuge olmayan dienlerden sadece biraz daha kararlı olmaları bakı mından değil aynı zamanda elektrofilik reaktiflerle tepkimeye girdiklerinde özel tepki me vermeleriyle de farklılık gösterirler. Örneğin 1,3-bütadien bir eşdeğer mol hidrojen klorür ile tepkimeye girdiğinde iki ürün verir: 3-kloro-l-büten ve l-kloro-2-büten. CH2= C H — CH=CH2 ^

►CH3—CH—CH=CH2 + CH3—C H =CH —CH2C1 cı 3-Kloro-l-büten (%78)

1,3-Bütadien

l-Kloro-2-büten (%2 2 )

Eğer sadece ilk ürün (3-kloro-l-büten) oluşsaydı. şaşırmayacaktık. Biz her zamanki yol la 1,3-bütadienin bir ikili bağına hidrojen klorürün katılacağı sonucunu çıkarabilirdik. 1

2

3

4

c h 2= c h — c h = c h 2

1,4 katılması

+

> ç h 2— ç h — c h = c h 2

H

H—C1

C1 3-Kloro-l-büten

İkinci ürün, alışılmamış l-kloro-2-bütendir. Bu bileşiğin ikili bağı merkez atomlar ara sındadır. ve hidrojen klorürün elementleri C1 ve C4 atomlarına katılmıştır. !

4

1.4 katılması

_ TT

_,TT

^ TT

_ IT

c h 2= c h — c h = c h 2 ------------►c h 2— CH — c h = c h 2

+

_

H

C1 3-Kloro-l-büten

1,3-Bütadienin bu beklenmedik davranışı, doğrudan bir alilik katyonun delokalize ya pısına ve kararlılığına bağlanabilir (Altbölüm 13.4). Bunu açıklamak için, hidrojen klo rürün katıldığı bir mekanizmayı ele alalım. 1. Basamak :CI—H + CH,==CH— C H =C H , — ►CH3 — CH— CH =C Fh «—»►CH3 — C H = C H — CEU + CH3— Ç H ~ C H ~ Ç H 2 ’e eşdeğer + alilik katyon

CH3CH—CH = CH, 1,2 Katılması 5+

2. Basamak

5+

■I cı

CH3C H ~C H “ CH2 +y;ç\ (a)

(b)

CH3CH— CHCH2CI 1,4 Katılması

: C 1 :~

13.10 Konjuge Dieniere Elektrofilik Atak: 1,4 Katılması

1. Basamakta, doğal olarak, rezonans kararlı alilik katyonu oluşturmak üzere 1,3biitadienin uçtaki karbon atomlarının birine bir proton katılır. İçteki karbon atomların dan birine bir protonun katılması rezonansla kararlı olamayan, çok daha az kararlı bir birincil katyon oluştururdu. c h 2=t=c h — c h = c h 2 -*-► +c h 2— c h 2— c h = c h 2 + cr A 1° karbokatyon 67

2. Basamakta ise bir klorür iyonu kısmen pozitif bir yük taşıyan allilik katyonun kar bon atomlarından birine bağlanır. Karbon atomlarından biriyle olan tepkime 1,2-katılma ürünü; diğerindeki tepkime 1,4-katılma ürünü verir.

(a) Hidrojen klorür 2,4-heksadien (CH3CH=CHCH==CHCH3) ile, (b) 1.3-pentadi- -< en, (CH2=CH CH=CHCH3) ile tepkimeye girdiği zaman elde edilmesi beklenen ürünler neler olacaktır? (cis,trans izomerisini ihmal ediniz.)

1,3-Bütadien, H C l’den daha elektrofilik olan reaktiflerle de 1,4-katılma tepkimele ri verir. Aşağıda, hidrojen bromiirün (peroksit bulunmadığında) ve bromun katılmasını gösteren iki örnek verilmiştir. CH2=CH CH =C H 2

CH3CHBrCH=CH2 + CH2CH=CHCH2Br ( % 20)

CH2=C H C H =C H 2

( % 80)

CH2BrCHBrCH=CH2 + CH2BrCH=CHCH2Br (%54)

(%46)

Bu tip tepkimeler diğer konjuge dienler için de geçerlidir. Konjuge trienler çoğunlukla 1,6 katılması verirler. 1.3,5-siklooktatriene brom katılması buna bir örnektir.

I 3. I 0A Bir Kimyasal Tepkimede Term odinam ik ve Kinetik Kontrol 1,3-Biitadiene hidrojen bromür katılmasının ilginç bir başka yönü daha vardır. Elde edi len 1,2 ve 1,4-katılma ürünlerinin bağıl miktarları, tepkimenin gerçekleştiği sıcaklığa bağlıdır. 1,3-Bütadien ve hidrojen bromür. peroksit bulunmayan ortamda, düşük sıcaklıkta (-80°C) tepkimeye girdiğinde ana tepkime 1,2 katılmasıdır; %80 civarında 1,2 ürünü ve sadece %20 civarında 1,4 ürünü elde edilir. Daha yüksek sıcaklıkta (40'’C) sonuç tam tersidir. Ana tepkime 1,4 katılmasıdır; %80 kadar 1,4 ürünü ve sadece %20 1.2 ürünü elde edilir. Daha düşük sıcaklıkta oluşan bir karışım, daha yüksek sıcaklığa getirildiğin de, iki ürünün bağıl miktarları da değişir. Bu yeni tepkime karışımı sonuçta, daha yük-

P ro b le m 13.9

601

602


sek sıcaklıkta gerçekleştirilen tepkimenin verdiği ürünleri aynı oranda içerir. —80°C

c h 3c h c h = c h 2 + CH3CH=CHCH2Br

Br

CH2=C H C H =C H 2 + HBr

40°C

( % 80)

40°C

( % 20)

▼ CH3CHCH=CH2 + CH3CH=CHCH2Br

Br (%20)

(%80)

Dalıa yüksek sıcaklıkta ve hidrojen bromür varlığında, 1,2-katılma ürününün 1,4 ürü nüne dönüştüğü, ve ikisi arasında bir dengenin var olduğu da gösterilebilir. 40°C. HBr

CH3CHCH=CH2----<=— ►CH3CH=CHCH2Br Br 1,2-Katıima ürünü

1,4-Katılma ürünü

Çünkü bu denge daha kararlı bir ürün olan 1,4-katılma ürününü tercih eder. 1.3Bütadien ile hidrojen bromürün tepkimesi, bir kimyasal tepkimenin yürüyeceği yolun, bir durumda yarışan tepkimelerin bağıl hızlan, diğer durumdaysa son ürünlerin bağıl kararlılıkları tarafından belirlendiğini gösteren çarpıcı bir örnektir. Daha düşük sı caklıkta katılma ürünlerinin bağıl miktarları, meydana gelen iki katılmanın bağıl hızla rı tarafından tayin edilir; 1,2-katılması daha hızlı oluştuğundan 1,2-katılma ürünü ana üründür. Daha yüksek sıcaklıkta, ürünlerin bağıl miktarları, dengenin durumu ile belir lenir. 1,4-katılma ürünü daha kararlıdır bu yüzden ana üründür. 1.3Bütadien ve HBr’nin bu davranışı Şekil 13.10’da gösterilen diyagramdan daha iyi anlaşılabilir. Tepkime sonucunun belirlendiği basamak, melez alilik katyonun bromür iyonu ile birleştiği basamaktır. Bı-

C H ,= C H — CH =CH ,

HBr

> CH3— CH — CH= CH2 Br

►H,C— CH ~ CH ~ CH,

1,2 Ürünü Br-

> CH3— CH = CH— CH2Br 1,4 Ürünü

t

Bu basamak tepkimenin yer seçiciliği belirler.

Bu basamak için, 1,4 ürünü daha kararlı olmasına rağmen, 1,2-katılma ürününe yol açan serbest aktifleşme enerjisinin 1,4-katılma ürününe yol açan serbest aktifleşme ener jisinden daha düşük olduğu Şekil 13.10’da görülmektedir. Düşük sıcaklıklarda, ara ürün iyonları arasındaki çarpışmaların daha büyük bir kısmı, daha küçük engeli (1,2 ürünü nün oluşumuna neden olan) geçmek için yeteri kadar enerjiye sahipken çarpışmaların sadece çok küçük bir kısmı daha yüksek engeli (1,4 ürününe götüren) aşmak için ye terli enerjiye sahiptir. Her durumda da (ve bu anahtar noktadır) ürün oluşumu tersin mezdir. Çünkü her iki ürün, enerji engelini aşıp tepkimeye girenlere dönüşmek için gerekli enerjiye sahip değildir. 1,2-katılması daha hızlı oluştuğu için 1,2 ürünü baskındır ve tep kimeye kinetik kontrollü veya hız kontrollü denir.

13.10 Konjuge Dienlere Elektrofilik Atak: 1,4 Katılması

603

Şekil I3 .İ0 1,3-Bütadiene HBr’nin 1,2- ve 1,4-katılmasında serbest enerjiye karşı tepki me koordinatı diyagramının şeması. Bir alilik karbokatyon diyagramda görülen iki yolda da hareket eder. 1,2-Katılma ürünü oluşturmak için alilik katyona bromürün atağındaki enerji engeli, 1,4-katılma ürünü oluşturmak için olandan daha azdır. 1,2-katılma ürünü ki netik olarak tercih edilir. 1,4-Katılma ürünü daha kararlıdır, bu yüzden termodinamik ola rak tercih edilen üründür.

Daha yüksek sıcaklıklarda ara ürün iyonları her iki engeli aşmak için yeteri kadar enerjiye sahiptir. Daha önemlisi, her iki tepkime de tersinirdir. Ürünü, alilik katyon ve bromür ara ürünü seviyesine geri getirmek için yeterli enerji bulunmaktadır. 1,2 ürünü hâlâ daha hızlı oluşur, fakat 1,4 ürününden daha az kararlıdır, ve ayrıca alilik katyona daha hızlı geri dönüşür. Bu şartlar altında, yani yüksek sıcaklıklarda, ürünlerin bağıl oranları, alilik katyondan ürünlerin oluşmasına yol açan enerji engelinin bağıl yüksek liklerini yansıtmaz. Bunun yerine, ürünlerin kendilerinin bağıl kararlılıklarını yansıtır. 1.2 ürününden, 1,4 ürününe dönüşüm enerji bakımından desteklendiğinden, 1,4 ürünü, 1.2 ürünü harcanarak oluşur ve daha kararlıdır. Böyle bir tepkimenin term odinam ik kontrollü veya denge kontrollü olduğu söylenir. Bu konuyu bitirmeden önce son bir noktaya daha değinilmelidir. Bu örnek açıkça gösteriyor ki, yalnızca ürün kararlılığına dayanan bağıl tepkime hız tahmini yanlış ola bilir. Ancak bu her durumda geçerli değildir, ortak bir ara ürünün iki veya daha fazla ürünün oluşumuna yol açtığı bir çok tepkime için, en kararlı ürün en hızlı oluşandır.

(a) 1,3-Bütadien ile hidrojen bromürün 1,2-katılma tepkimesinin, 1,4-katılma tep- *< kimesinden daha hızlı oluştuğunu gösteren muhtemel bir açıklama önerebilir misi niz? {İpucu: Allilik katyonun rezonans melezini oluşturan CH3CHCH = CH2 ve CH3CH = CHCH2 yapılarının bağıl katkısını göz önünde bulundurunuz.) (b) 1,4katılma ürününün daha kararlı olmasını nasıl açıklarsınız?

P ro b le m 13.10

604


13.11

D İE L S -A L D E R TE P K İM E S İ:

Dİ e n l e r İn I,4-Sİ k l o k a t i l m a T epk îm esî 1928’de iki Alman kimyacısı Otto Diels ve Kurt Alder, dienlerin, daha sonraları kendi adlarıyla anılacak olan. 1,4-siklokatılma tepkimesi verdiğini buldular. Bu tepkime öyle büyük çok yönlülük ve sentetik yarar sağladı ki Diels ve Alder 1950’de Kimya Nobel ödülünü kazandılar. Diels - Alder tepkimesinin bir örneği 1.3-bütadien ve maleik anhidritin 100°C’da birlikte ısıtıldıklarında oluşan tepkimedir. Ürün kantitatif verimle elde edilir. O CH-, HC' + II HC-

HC HC %

CH,

1,3-Bütadien (dien)

c\ ;0 - ^ > benzen

C \\ O Maleik anhidrit (dienofil)

/C H 2\ HC^ ^C H

O II c. X)

HC- .

/ C H ^ C/ CH, \ O Katılma ürünü (%100)

Bu tepkime daha basit olarak aşağıdaki gibi yazılabilir.

Diels-AIder Tepkimesi

Diels-AIder tepkimesi sikloheksan halkalarının hazırlanmasında çok yararlı bir sentetik araçtır.

Genel olarak tepkime, dienofil (dien + yunanca phileiıı, seven) olarak adlandırılan bir ikili bağ içeren bir bileşik (2 rr-elektron sistemi) ve bir konjuge dien (4 77-elektron sistemi) arasındadır. Bir Diels - Alder tepkimesinin ürünü genellikle katılma ürünü olarak adlandırılır. Diels - Alder tepkimesinde, dien ve dienofilin iki tt bağı harcana rak iki yeni crbağı oluşur. Katılma ürünü, bir ikili bağı olan altı üyeli yeni bir halka içe rir. a Bağları genellikle 7r bağlarından daha kuvvetli olduğundan, ürünün oluşumu genellikle enerji olarak desteklenir, fakat çoğu Diels - Alder tepkimesi tersinirdir. Aşağıda olduğu gibi, eğri oklar kullanarak bir Diels - Alder tepkimesindeki bağ de ğişmelerini gösterebiliriz.

Dien

Dienofil

Ürün

Burada eğri okları mekanizmayı açıklama amacıyla değil sadece elektronların hareke tini göstermek için kullanıyoruz. Diels - Alder tepkimesine en basit örnek 1,3-bütadien ve eten arasında oluşan tep kimedir. Bu tepkime bütadien ile maleik anhidrit arasındaki tepkimeden çok daha ya vaş bir şekilde oluşur ve aynı zamanda tepkimenin gerçekleşmesi için basınç gereklidir.

(%20)

13.11 Diels-Alder Tepkimesi: Dienlerin 1,4-Siklokatılma Tepkimesi

605

Bir başka örnek, kansere karşı bir ilaç olarak kullanılan TaksoTun sentezindeki bir ara ürünün K. C. Nicolaou (Kaliforniya Üniversitesi, Scripps Araştırma Enstitüsü. San Diego) tarafından hazırlanmasıdır.

(Toksol'un sentezinde kullanılır)

O

13.1 I A Diels - Alder Tepkimesini Destekleyen Etkenler Alder, Diels - Alder tepkimesinin, dienofildeki elektron çekici grupların ve diendeki elektron verici grupların varlığında kolaylaştığını belirtmiştir. Maleik anhidrit, ikili ba ğa bitişik karbon atom lan üzerinde elektron çeken iki karbonil grubuna sahip, çok güç lü bir dienofildir. Diendeki elektron veren grupların yardımcı etkisi de gösterilebilir; örneğin 2,3-dimetil-1,3-bütadien, Diels - Alder tepkimesinde 1,3-bütadienden yaklaşık beş kat daha fazla etkindir. 2,3-Dimetil-l,3-bütadien, propenal (akrolein) ile sadece 30°C'da tepki meye girdiğinde, ürün kantitatif verimle elde edilir.

H3C 2,3-Dimetil-l,3bütadien

Araştırmalar (Duke Üniversitesi’nden C. K. Bradsher tarafından yapılan) dienofil ve diendeki elektron çekici ve elektron verici grupların yerlerinin, katılma ürünlerinin ve rimlerini azaltmaksızın tersine çevrilebileceğini göstermiştir. Yani, elektron çekici grup lar içeren dienler ile elektron verici gruplar içeren dienofillerin kolaylıkla tepkimeye gireceği bulunmuştur. Elektron salıcı ve verici özelliklere sahip olan dienler ve dienofillerden faydalanma ya ilave olarak, yüksek sıcaklık ve basınç dahil diğer etkerlerin Diels - Alder tepkime lerinin hızını arttırdığı bulunmuştur. Yaygın olarak kullanılan diğer bir yöntem, Lewis asit katalizörlerinin kullanımıdır. Aşağıdaki tepkime, bir Lewis asit katalizörü varlığın da, çok düşük sıcaklıkta kolaylıkla Diels - Alder katılma ürünlerini oluşturan bir çok tepkime örneğinden biridir. (Altbölüm 13.1 ID’de Lewis asitlerinin, tepkime ürünlerin de asimetriye yol açan kiral ligandlarla nasıl kullanılabileceğini göreceğiz.)

Bu kitabın ön kapağında Taksol’un bir moleküler grafiği gösterilmiştir. Taksol’un doğal kaynağı, biyolo jik özellikleri ve sentezi kitabın arka kapağında ve rilmiştir.

606


O

O

OH

OH

13. 11B Diels - A lder Tepkimesinin Stereokimyası Şimdi Diels - Alder tepkimesini stereokimyasal açıdan inceleyelim. Aşağıda, Diels - Al der tepkimelerinin sentezlerde niçin son derece yararlı olduğunu açıklayan etkenlerden bazılan verilmiştir. 1.

Diels - Alder tepkimesi oldukça stereoözgüdür. Tepkime bir sin katılmadır ve dienofilin konfigürasyonu katılma ürününde korunur. Aşağıdaki iki örnek, tep kimenin bu özelliğini göstermektedir.

Dimetil maleat (bir c/s-dienofil)

Dimetil fumarat (bir trans-dienofil)

Dimetil 4-sikloheksen-cı's1,2-dikarboksilat

Dimetil 4-sikIoheksen-irans1,2-dikarboksilat

Birinci örnekte, cis ester gruplu bir dienofil cis ester gruplu bir katılma ürünü ver mek üzere 1,3-bütadien ile tepkimeye girer. İkinci örnekte tam tersi doğrudur. Bir tra/w-dienofil bir trans katılma ürünü verir. 2.

Dien, zorunlu olarak, s-trans’dan çok s-cis konformasyonda tepkimeye girer.

s-cis Konformasyon

s-trans Konformasyon

Eğer dien, s-trans konformasyonunda tepkimeye girseydi, çok gergin olan bir trans ikili bağa sahip altı üyeli bir halka oluşurdu. Diels - Alder tepkimesinde bu durum hiç gözlenmemiştir. O O

,C— R

Aşırı gergin

13.11 Diels-Alder Tepkimesi: Dieıılerin 1,4-SikJokatılma Tepkimesi

607

s-cis Konformasyonunda tutulan ikili bağ içeren halkalı dienler Diels - Alder tep kimesinde oldukça etkindirler. Örneğin, siklopentadien ile maleik anhidrit oda sı caklığında kantitatif verimle aşağıdaki ürünü vermek üzere tepkimeye girer.

Siklopentadien oda sıcaklığında o kadar etkindir ki yavaş bir şekilde kendi kendi ne ile Diels - Alder tepkimesi verir. 25 c

"Disiklopentadien"

Bununla beraber, tepkime tersinirdir. “Disiklopentadien” damıtıldığında iki eşdeğer mol siklopentadiene ayrışır. Siklopentadienin tepkimeleri Diels-Alder tepkimesinin stercokimyasal bakım dan üçüncü bir özelliğini de açıklar. 3. Diels - Alder tepkimesi kinetik kontrollü olduğunda, ekso ürününden çok endo ürünü oluşturacak yönde y ü rü r (bkz Problem 13.28). Endo ve ekso, bisiklo [2.2.1]heptan gibi köprülü halkaların stereokimyasım belirtmek için kullanılan terimlerdir. Referans nokta en uzun köprüdür. En uzun köprüye (iki karbonlu köprü) göre zıt tarafta olan bir grup ekso olarak: en uzun köprüyle aynı tarafta olan grup ise endo olarak adlandırılır.

Ekso/Endo Diels-Alder Tepkimesi

Ekso sübstitüent daima bir bisiklik yapının daha uzun köprüsünün zıt taralında dır. (Ekso, dış; endo iç). Örneğin,

13.1 I C Endo Geçiş Halinin Yeğlenmesinin Moleküler Orbitallerle Açıklanması Siklopentadienin maleik anhidrit ile Diels - Alder tepkimesindeki ana üründe anhidrit bağlantısının (—C —O —C —) endo konfigürasyonda olduğu kabul edilir. StereokimO

O

yasal olarak endo ürününün yeğlenmesinin, dienofilin doymamış gruplarının rr elekt ronları ile diende gelişen ikili bağın tt elektronları arasındaki etkileşimlerden kaynak landığı görülmektedir. Şekil 13.1 l ’de, iki molekül endo yönelmeyle birbirlerine yaklaştığında, maleik anhidritin LUMO orbitalleri ile siklopentadienin HOMO orbitallerinin, oluşacak yeni sigma bağı karbonlarında etkileştiğini görebiliriz (Şekil 13.11 'de, bu orbitallerin etkileşimleri mor renkle gösterilmiştir). Aynı yönelme (endo), maleik an hidritin karbonil gruplarındaki LUMO lopları ile siklopentadienin HOMO lopları ara-

608


Şekil 13.11 Siklopentadien ve maleik anhidritin Diels - Alder tepkimesi, (a) Dienin (siklopentadi en) en yüksek dolu moleküler orbitali (HOMO) dienofdin (maleik anhidrit) en düşük boş moleküler orbitali (LUMO) ile etkileşir, dienofilin orbitallerini içeren uygun ikincil orbital etkileşimleri oluşur, (b) Bu etkileşim mor düzlem ile gösterilmiştir. İkincil orbitallerin (yeşil düzlem ile gösterilen) uygun şekilde örtüşmeleri yukarıda göste rildiği gibi yeğlenen endo geçiş ha lini oluşturur.

sındaki örtüşmeden de görülebilir (Bu orbitallerin etkileşimi yeşil renk ile gösterilmiş tir.) Bu, ikincil orbital etkileşimi diye adlandırılan etkileşim de yeğlenebilir ve dienofilin endo yaklaşmasına yol açar; öyle ki dienofilin doymamış grupları, ekso yönelmede dışarı çıkmaktan ve uzaklaşmaktan daha çok, dienin içine ve altına yönelir. Yukarıda tanımlanan uygun orbital etkileşimlerinden dolayı endo ürün için geçiş du rumu daha düşük enerjilidir ve bu yüzden endo şekli, bu Diels - Alder tepkimesinin ki netik (ve ana) ürünüdür. Ekso şekli termodinamik üründür, çünkü sterik etkileşimler ekso ürününde, endo ürününden daha azdır (Şekil 13.12). Bundan dolayı ekso ürün daha ka rarlıdır, fakat daha yavaş bir şekilde oluştuğu için ana ürün değildir. Görüldüğü gibi, Diels - Alder tepkimesi stereoözgüdür, çünkü (1) dienofilin konfigürasyonu ürün içinde korunur ve (2) kinetik kontrollü tepkimede endo katılma yeğlenir. Yukarıda anlatılanlar, bir stereoizomerik yapının (başlangıç dienofilin konfigürasyonunun korunmasıyla, endo) başlıca oluşmasına sebep olmasına rağmen, ürün yine de rasemik bir karışım olarak oluşur. Bundan dolayı, dienin herhangi bir tarafı dienofil ile etkile şebilir. Dienofil, dienin bir yüzü ile bağ yaptığında ürün bir enantiyomer olarak oluşur ve dienofil, dienin diğer yüzü ile bağ yaptığında oluşan ürünse diğer enantiyomerdir. Kiral etkilerin yokluğunda dienin her iki tarafına olacak ataklar muhtemelen eşittir.

Problem 13.11 >- Siklopentadienin dimerleşmesi de endo şeklinde oluşur, (a) Bunun nasıl olduğunu gösteriniz, (b) Hangi

tt elektronları

etkileşir? (c) Ürünün üç boyutlu yapısı nasıldır?

13.11 Diels-Alder Tepkimesi: Dienlerin 1,4-Siklokatılma Tepkimesi

609

Şekil 13.12 Siklopentadien ve nıaleik anhidritin Diels-Alder tepkimesinde en do ve ekso ürün oluşumu.

Aşağıdaki tepkimelerden beklediğiniz ürünler nelerdir?

<

P ro b l e m 13.12

<

P ro b l e m 13.13

>

Oqc

O ıdaki bileşiği sentezlemek için hangi dien ve dienofili kullanırsınız?

610


P ro bl em 13.14

>■ Diels - Alder tepkimeleri üç bağlı (asetilenik) dienofillerle de oluşur. Aşağıdaki bi

leşiği hazırlamak için hangi dien ve dienofili kullanırsınız?

P ro bl em 13.15

>- 1,3-Bütadien ve aşağıda gösterilen dienofil, B 12 vitaminin sentezinde A. Eschenmoser ve R. B. Woodword tarafından kullanılmıştır. Bu tepkimede oluşabilecek Diels - Alder enantiyomerlerinin yapısını çiziniz ve onların oluşumuna yol açan iki geçiş durumunu gösteriniz. H ?C

h o 2c

13.1 İ D Asimetrik Diels - Alder Tepkimeleri Diels - Alder tepkimelerinde enantiyoseçiciliği teşvik etmek için çeşitli yöntemler ge liştirilmiştir. Bu yöntemlerden biri kiral yardımcıların kullanımını kapsar. Bir kiral yar dımcı, sadece bir enantiyomerik yapıda olan, yani tepkimenin yürüyüşü üzerine bir kiral etki sağlamak için dienofil veya diene bir fonksiyonel grup tarafından takılmış olan grup tur. Tepkime bittikten sonra ve kiral yardımcının etkisine artık ihtiyaç duyulmadığında, uygun bir tepkimeyle uzaklaştırılır. Daha iyi bir yaklaşım, kiral yardımcıyı eklemek veya çıkarmak için ayrı bir tepki menin gerekmediği, bir kiral Lewis asit katalizörünün kullanımıdır. F2a ve E2 prostagladinlerin orijinal sentezinin iyileştirilmesinde E. J. Corey ve arkadaşları tarafından kullanılan tepkime buna iyi bir örnektir.

Prostaglandinler Burada, kiral Lewis asit katalizörü, sadece olağanüstü etkili enantiyomerik ürün oluşu muna sebep olmaz, aynı zamanda geri kazanılır ve sonraki tepkimelerde tekrar kullanı lır.

O

O

O

Tepkimelerin Özeti Bu örnekte, kiral katalizörü içeren geçiş durumu, dienofilin, dienin eter fonksiyonel gru buna zıt olan tarafından yaklaşmasını kuvvetlice destekler. Enantiyoseçiciliğe yol açan diğer yöntem “ kiron yaklaşımı’ dır. Bu yöntemde Diels - Alder reaktifleri seçilirken tek bir enantiyomerle başlanır ve sentezi hedeflenen moleküldeki stereomerkez bu seçilen enantiyomerden oluşur. “ Kiron”daki stereomerkezin kiral etkisi dien ve dienofilin enantiyoseçici etkileşimine neden olur. Bu yaklaşımın birçok örneği kimya kaynaklarında bulunabilir.

13.1 IE Molekül İçi Diels - Alder Tepkimesi Dien ve dienofilin aynı molekülde olduğu Diels - Alder tepkimeleri de vardır. Böyle bir tepkime molekül içi Diels - Alder tepkimesi olarak adlandırılır. Bu tip reaktantlar, istenilen ürünün yapısı bu starejiye uygun olduğunda birçok kompleks molekülün sen tezinde kullanılır. Aşağıdaki tepkime, K. C. Nicolaou (Scripps Araştırma Enstitüsü, Ka liforniya Üniversitesi, San Diego) ve çalışma arkadaşları tarafından yapılan endiantrik asitlerin (A - D) eldesinde ara ürün olarak kullanılan maddenin sentezini göstermekte dir.

Tepkim elerin Özeti 1.

Düşük derişimde X2 (X = Br veya C l) ile allilik holojenleme (Altbölüm 13.2).

H \

-*\/C=cx/ C\

\ . (düşük derişim

/ C\

/C =CX

yüksek sıcaklık

2. /V-Bromosüksinimit kullanılarak ahilik halojenleme (Altbölüm 13.2B). H

\

_ C —

/ C\

Br

-

NBS

►\

peroksitler veya ışık

/

/ C\

C= C

\

611

612

Bölüm 13 / Konjuge Doymamış Sistemler 3.

Konjuge katılma: 1,4 ve 1,2 katılması (Altbölüm 13.10)

I

I

I

\

/ Br

ÜÜL*

B r— .C.

..c :

'C — H

H 1,2

k a tılm a ü r ü n ü

1,4 k a tılm a ü r ü n ü

Kinetik kontrol (düşük sıcaklık)

Çok

Az

Termodinamik kontrol (daha yüksek sıcaklık)

Az

Çok

4.

Diels - Alder tepkimesi (Altbölüm 13.11)

> D ie n

D ie n o fil

K a tılm a ü r ü n ü

A n a h t a r T e r i m l e r ve K a v r a m l a r Konjuge sistem Aliilik radikal Allilik katyon Adilik yer değiştirme Rezonans yapılar (katkı sağlayıcılar) Ultraviyole-görünür bölge (UV-Vis) soğurma spektrum u HOMO LUMO Kinetik (hız) kontrol Term odinam ik (denge) kontrol Dien Dienofil Katılma ürünü Endo ve ekso gruplar Kiral yardımcı Kiron

Ek P

roblemler

13.16

Altbölüm 13.1 Altbölümler 13.2A ve 13.3 Altbölüm 13.4 Altbölüm 13.2 Altbölümler 13.3B ve 13.5 Altbölüm 13.9 Altbölüm 13.9B Altbölüm 13.9B Altbölüm 13.10A Altbölüm 13.10A Altbölüm 13.11 Altbölüm 13.11 Altbölüm 13.11 Altbölümler 13.1 İB ve 131İC Altbölüm 13.111) Altbölüm 13.1 İD

Aşağıdakilerden çıkarak 1,3-bütadienin sentezini tasarlayınız. (a) 1,4-Dibromobütan (e) CH2= CH C H C 1C H 3 (b) HOCH2(CH2)CH2OH (f)CH2=CHCH(OH)CH3 (c) CH2= C H C H 2CH2OH (g) H C = C C H = C H 2 (d) CH2= C H C H 2CH2C1

Yıldızla işaretlenmiş problemler “çözülmesi daha zor olan problemleredir

Ek Problemler

13.17

Aşağıdaki tepkimede hangi ürünün oluşmasını beklersiniz? (CH3)2C— C(CH3)2 + 2 KOH cı

etanol ısı

cı

13.18

Aşağıdaki reaktiflerin her biri ile 1,3-bütadienin 1 molünün tepkimesinden han gi ürünlerin oluşmasını beklersiniz? (Eğer tepkime olmuyorsa o şekilde belir tiniz.) (a) Bir mol C l2 (e) H20 da bir mol C l2 (b) İki mol C l2 (f) Sıcak KM n04 (c) İki mol Br2 (g) H2S 0 4, H20 (d) İki mol H2, Ni

13.19

Aşağıdaki dönüşümlerin her birinin nasıl gerçekleşebileceğini gösteriniz. (Bazı dönüşümlerde birkaç basamak gerekebilir.) (a) 1-Büten-----►1,3-bütadien (b) 1-Penten ----- ► 1,3-pentadieıı (c) CH,CH2CH2CH2O H -----►CH2BrCH=CHCH2 Br (d) CH3C H =C H C H 3-----►CH3C H =C H C H 2Br

13.20

Konjuge dienler serbest radikaller ile 1,2 ve 1,4 katılma tepkimesinin her iki sini de verirler. Buna göre, bir örnek olarak, peroksidi ortamda 1,3-bütadiene HBr’nin bir eşdeğer molünün katılmasını gösteriniz.

13.21

UV-Vis, İR, NMR ve kütle spektrometresi spektroskopik aletlerdir ve bileşikler hakkında yapısal bilgileri elde etmek için kullanırız. Aşağıdaki bileşik çiftlerinden, bir çiftteki bir bileşiği diğerinden ayırdedebilecek bir spektroskopik yöntem (UV - Vis, İR, NMR ya da kütle spektroskopisi) belir tiniz. (a) 1.3-Bütadien ve l-bütün (b) 1,3-Bütadien ve bütan (c) Bütan ve CH2= C H C H 2CH2OH (d) 1,3-Bütadien ve CH2= C H C H 2CH2Br (e) CH2BrCH =CH CH 2Br ve CH3C Br=C BrCH 3

13.22

(a) 1.4-Pentadienin C3’üne bağlanan hidrojen atomları nadiren radikaller tarafından çıkarılabilir. Bu durumu nasıl açıklarsınız? (b) 1,4-Pentadienin C3’ıine bağlanan protonların propenin metil hidrojen atomlarından daha asidik olacağı gerçeğine bir açıklama getirebilir misiniz?

13.23

2-Metil-1,3-bütadien (izopren) hidrojen klorür ile 1.4 katılması verdiğinde ana ürün l-kloro-3-metil-2-bütendir. l-Kloro-2-metil-2-büten ya çok az oluşur ya da hiç oluşmaz. Bu durumu nasıl açıklayabilirsiniz?

613

614


13.24

Aşağıdakilerin her birinin sentezinde, hangi dien ve dienofili kullanırsınız?

13.25

Aşağıdaki bileşiklerin her ikisinin de maleik anhidrit ile Diels-Alder tepkimesi veremeyecek olmalarının sebebini açıklayınız.

H C = C —C =C H

13.26

veya

Asetilenik bileşikler Diels-Alder tepkimesinde dienofil olarak kullanılabilir ler (Problem 13.14’e bakınız). 1,3-Bütadienin aşağıdaki reaktifler ile tep kimesinden elde edilmesi beklenen ürünlerin yapılarını yazınız. O

O

(a) CH3O C C = CCOCH3

(b) CF3C =

CCF3

(dimetil asetilendikarboksilat)

(heksafloro-2-bütin)

13.27

Siklopentadien eten ile 160-180’C ’da bir Diels-Alder tepkimesi verir. Bu tep kime ürününün yapısını yazınız.

13.28

Furan ve maleimit 25°C’da Diels - Alder tepkimesi verdiğinde başlıca endo ürün G oluşur. Tepkimesi 90'C ’da gerçekleştirildiği zaman, başlıca ürün izo mer H ’dir. Endo ürün 90"C’a ısıtıldığı zaman ekso ürüne izomerleşir. Bu so nuçlar için bir açıklama getiriniz.

Ek Problem

13.29

Aldrin ve dieldrin çok tartışılan iki “sert” böcek öldürücüdür (aşağıya bakı nız). [Çevre Koruma Komitesi (EPA) bu böcek öldürücülerin kullanımını muh temel yan etkileri ve biyolojik olarak ayrışamamaları nedeniyle durdurmuştur.] Aldrinin ticari sentezi norbornadien ve heksaklorosiklopentadien ile başlar. Di eldrin ise aldrinden sentezlenir. Bu sentezlerin nasıl yapılabileceğini gösteri niz.

13.30

(a) Aldrinin sentezi için kullanılan norbornadien. asetilen ve siklopentadienden hazırlanabilir (Problem 13.29). İlgili tepkimeyi gösteriniz. (b ) Bu ürün, siklopentadienin vinil klorürle tepkimeye sokulup oluşan ürünün bir bazla etkileştirilmesiyle de elde edilebilir. Bu sentezi tasarlayınız.

13.31

Diğer iki güçlü böcek öldürücü (Problem 13.29’a bakınız) klordan ve heptaklordur. Bunların ticari sentezi siklopentadien ve heksaklorosiklopenladien ile başlar. Bu sentezlerin nasıl yapılabileceğini gösteriniz.

615

616


13.32

Aklrinin bir izomeri olan isodıin, burada gösterildiği gibi, siklopentadien, heksaklorobornadien ile tepkimeye girdiğinde oluşur. İsodrin için bir yapı öne riniz. C1 -----►îsodrin

13.33

CH3C H =C H C H 2OH derişik HC1 ile etkileştirildiğinde iki ürün, CH3C H =C H C H 2C1 ve CH3CH C1CH =CH 2, oluşur. Bunu açıklayan bir me kanizma öneriniz.

13.34

1,3-Bütadienin CH3OH’deki bir çözeltisi klor ile etkileştirildiğinde, ürünler C 1CH2CH=CHCH2OCH3 (%30) ve C 1CH2CHCH=CH2 (%70) dir. Bunların olu şumunu gösteren bir mekanizma yazınız. och3

13.35

/tömş'M-Di hal ojen Liri erin dehidrohalojenlenmesi (iki eşdeğer mol HX'in çıka

rılması) normal olarak bir konjuge dienden daha çok bir alkini verir. Halbuki, 1.2-dibromosikloheksan delıidrohalojenlendiğinde 1.3-sikloheksadien iyi bir ve rimle elde edilir. Bunu etkileyen etken nedir? 13.36

1-Penten, /V-bromosüksinimit ile tepkimeye girdiğinde, C3H9Br formüllü iki ürün elde edilir. Bu ürünler nelerdir ve nasıl oluşurlar?

13.37

l-Kloro-3-metil-2-biiten veya 3-kloro-3-metil-l-büten su içerisinde Ag20 ile etkileştirildiğinde alkollerin aynı karışımını (A gC l’e ek olarak) verir: (CH3)2C = C H C H 2OH (%15) ve (CH3)2Ç C H =C H 2 (%85). (a) Bu ürünlerin OH oluşumunu gösteren bir mekanizma yazınız, (b) Oluşan iki alkcnin bağıl oran ları nasıl açıklanabilir?

13.38

Ailenin hidrojenlenme ısısı 298 kJ mol ’’dür, halbuki propininki 290 kJ mol pdir. (a) Hangi bileşik daha kararlıdır? (b) Ailen ile kuvvetli bir bazın etkileştirilmesi propine izomerleşmesine yol açar. Niçin? Açıklayınız.

13.39

Diclil eter içerisindeki maleik anhidrit ile furanın (Problem 13.28) karıştırılması erime noktası 125l,C olan katı bir kristal verir. Bu bileşik eridiği zaman bir gaz çıkışı olduğunu görürsünüz. Eğer erimiş madde tekrar katılaşmaya bırakılırsa, erime noktası artık 125"C yerine 56"C bulunur. Uygun bir kimya el kitabına bakarak, neler olduğunu açıklayan bir açıklama öneriniz.

Ek Problemler

13.40

1,3-Biitadien aşağıdakilerin her biri ile tepkime verdiğinde oluşabilecek ürünlerin yapılarım yazınız. (a) (£)-CH3C H = C H C 0 2CH3 (c) (£)-CH3C H =C H C N (b) (Z)-CH3C H = C H C 0 2CH3 (d) (Z)-CH3CH=CHCN

13.41

Bütil bromür ve 4-bromo-l-bütenin her ikisi de birincil halojenürler olduğu halde. İkincisi daha hızlı ayrılma verir. Bu davranış asıl açıklanabilir?

13.42

Aşağıda gösterilen molekül bir konjuge dien olmasına rağmen, niçin bir Diels - Alder tepkimesi vermez?

13.43

Aşağıdaki tepkimede oluşan ürünün yapısını çiziniz (K. C. Nicolaou tarafından endiandrik asitlerden birinin sentezi esnasında oluştu).

OSi(n?r-Bu)Ph,

toluen

1U)0C ►

*13.44 Tetrafenilsiklopentadienon (A) maleik anhidrit (B) ile ısıtıldığında. A' mn koyu eflatun rengi kaybolur, karbon monoksit çıkar ve son ürün olarak C oluşur. Tepkime bir Diels - Alder ara ürünü üzerinden yürür. C bileşiği 8 3,7; 7,1; 7,3 ve 7,4!de birli 'H NMR piklerine sahiptir (alan oranları 1 ; 2 : 4 : 4).

C bir eşdeğer mol bromıirle tepkimeye girerse, iki hidrojen atomunun yükseltgenme sonucu çıkmasıyla iki eşdeğer mol HBr oluşur. Meydana gelen ürün D’dir. D sadece <5 7.2: 7,3, ve 7,5'de H NMR pikleri verir (alan oranları 1:2:2). C ve D’nin yapıları nasıldır? *13.45

(a) Siklopentadienle ilgili bir çalışmada siklopentadien ile BrCl (piridinin katılma ürünü şeklinde 1, /V-bromopiridinyum klorür olarak tepkimeye sokul duğunda baskın olarak BrCTnin 1,2-katılma ürünü oluştu. Katılma markovnikov katılmasıdır ve basit alkenlere bromür katılmasının stereokimyasına benzer. Ürünün yapısını çiziniz, (b) BrCl'nin kendini serbest olarak kendi kendine kul lanıldığı zaman (yani pridin katılma kompleksi olarak değil) a.v-1,4-katılması baskındır. Bu ürünün yapısını çiziniz, (c) Yukarıdaki iki katılma ürününün me tilen grupları 'H NMR spektrumlan ile ayırdedilebilir ki bunlar:

Br A-Bromopiridinyium klorür

617

618


İzomer 1 için: CH2min Ha’sı: 8 2,57 (çift üçlü, J değerleri 2,5 ve 16 Hz) CH2’nin Hb’si: 8 3,14 (çift üçlü, J değerleri 6,6 ve 16 Hz) İzomer 2 için: CH2’nin Ha’sı: 8 2,76 (geniş ikili, J değeri 18 Hz) CH2’nin Hb’si: 8 3,35 (çift ikili, J değerleri 5,5 ve 18 Hz) Hangi izomer hangisidir?

Ö

Aşağıda “yol haritası” verilmiş problemde A’dan I ’ya kadar olan bileşiklerin yapısını aydınlatınız. Verilmeyen her bir reaktifi belirtiniz.

G rubu PROBLEMLERİ

ğren m e

A (C5Hg)

B

+

---- ►

(C9H,o)

^ Br2, ılık ( 1 eşdeğer mol)

1| NaOEt, ısı

F

E

^CH,ONa (2 eşdeğer mol)

1I NBS, ROOR. ısı

D

G

(C9H12)

jHBrIROOR yok)

H |

k OC(CH3)3,

i ___ ___

(C7H140 2)

isi

-----------► reaktifler?

2.

r

ÔCH? /OCH3

(a)

2-Metil-2-bütenin, 2-metil-l,3-bütadiene nasıl dönüştüğünü gösteren tepkimeleri yazınız. (b) Etilbenzenin aşağıdaki bileşiğe nasıl dönüştüğünü gösteren tepkimeleri yazınız.

(c)

(b)’de gösterilen bileşik ile 2-metil-l,3-bütadienin tepkimesi sonucunda oluşabilecek Diels - Alder ürünlerinin yapılarını yazınız.

Aromatik Bileşikler “Yeşil” Kimya Yirmibirinci yüzyılda, kimyacıların, acil olarak çevre dostu “yeşil” yöntemler geliştir me zorunluluğu ortaya çıkmıştır. Çevre bakımından iyi olan kimya, özellikle, dünya ça pında yıllık milyarlarca tona varabilen bileşik sentezi yapan kimya sanayinde önemlidir. Büyük ölçekli bir sürecin çevreye etkisini azaltacak pek çok yol düşünebiliriz. Tepki meyi tehlikeli olabilecek organik çözücüler yerine daha güvenli su-esaslı sistemlerde yapabilir, ısı vererek yapma yerine ortam sıcaklığında yürütebilir ve geri döngülü ola bilecek maddeleri kullanabiliriz. Ayrıca, zehirli maddelerin kullanımını içermeyen ve bunları süreç içerisinde üretmeyen yolları kullanabiliriz. Bunların hepsi, kaynakların tü ketilmesini veya sürecin çevredeki kirlenmeye yol açan etkisini azaltabilir. Bilinen bir karsinojen madde olan benzenin yerine daha güvenli olanların kullanıldığı iki yeni ola sılığı ele alalım. (Benzenin bir moleküler modeli, yeniden döngüye giren maddelerin fo toğrafının üst kısmında gösterilmiştir.) Kimya sanayinde, polistiren (ve bileşiminde stiren olan diğer polimerlerin) üretiminde monomer olarak her yıl büyük miktarlarla stiren kullanılır. Benzeni stirene dönüştür mek için halen kullanılan endüstriyel yöntem iki basamak içerir: Friedel-Crafts alkil-

619

lemesi (Altbölüm 15.6) ve ardından bunu izleyen bir dehidrohalojenleme. Kaliforniya Üniversitesinden O. L. Chapman (Los Angeles) tasarımı iyi (daha zararsız) yeni bir stiren sentezi geliştirmiştir. Chapman'ın yönteminde, ksilen karışımları (karsinojen ol mayan bileşikler) tek bir basamakta stirene dönüştürülür. Bu yeni yöntem her yıl mil yarlarca ton benzenin kullanılmasını önleme potansiyeline sahiptir. Benzene dayalı sanayiyi terketmeye fırsat sağlayacak bir başka yöntem, adipik asitin farklı bir yolla üretiminin geliştirilmesiyle ortaya çıkabilecektir. Günümüz sanayisi yılda hemen hemen 1 milyon ton gibi çok büyük miktarda adipik asiti naylon üretimi için kul lanmaktadır. Adipik asit, yaygın olarak, benzenden çıkılarak üretilmektedir. Günümüz de Michigan Eyalet Üniversitesinden J. W. Frost, genleri amaca uygun şekilde değiştirilmiş bakteriler kullanarak adipik asit üretimini gerçekleştirmek için araştırmalar yapmaktadır. Bu yöntem benzene olan ihtiyacı yok edebileceği gibi aynı zamanda benze nin yer aldığı süreçte istenmeyen yan ürün olarak oluşan nitröz oksitin meydana gelmesi ni de önlemiş olacaktır. Nitröz oksit ozon tabakasını tahrip ettiği gibi sera etkisi de yaratır. Bu örnekler, öğrencilere, gelecekte karşılacakları bu tür sorunlara karşı hazır olmaları ve bu tür problemleri çözme konusunda kendilerini çok iyi eğitilmiş kimyacılar olarak yetiştirmeye zorunlu olduklarını gösterme açısından önemlidir.

14.1 14.2

Giriş Benzen Türevlerinin Adlandırılması 14.3 Benzenin Tepkimeleri 14.4 Benzenin Kekule Yapısı 14.5 Benzenin Kararlılığı

14.1 GiRiş Organik kimyacıların aromatik bileşikler olarak sınıflandırılan (Altbölüm 2.20) bileşik ler üzerinde çalışmaları, İngiliz kimyacı Michael Faraday (Kraliyet Enstitüsü) tarafın dan 1825 yılında yeni bir hidrokarbonun bulunması ile başlamıştır. Faraday, günümüzde benzen olarak adlandırdığımız bu yeni hidrokarbonu “ hidrojenin bikarbüreti” olarak isim lendirmiştir. Faraday, benzeni, balina yağının piroliz edilmesiyle elde edilen sıkıştırıl mış aydınlatma gazından elde etmiştir.

14.6 Benzenin Yapısıyla İlgili Modern Teoriler 14.7 Hückel Kuralı: (4/ı + 2)77 Elektron Kuralı 14.8 Diğer Aromatik Bileşikler 14.9 Heterohalkalı Aromatik Bileşikler 14.10 Biyokimyada Aromatik Bileşikler 14.11 Aromatik Bileşiklerin Spektroskopisi

Benzenin tt moleküler orbitallerinden birisinin van der YVaals yüzeyindeki elektrostatik po tansiyelinin ağ şeklindeki gösterimi arasından görünüşü. 1834’te Alman kimyacısı Eilhardt Mitscherlich (Berlin Üniversitesi) benzeni, benzoik asiti kalsiyum oksitle ısıtarak sentezlemiş ve buhar yoğunluğu ölçümlerini kulla narak benzenin molekül formülünün C6H6 olduğunu göstermiştir. İSI

C6H5C 02H + CaO — ► C6H6 + CaC03

Benzoik asit

Benzen

Benzenin molekül formülü çok şaşırtıcı idi. Benzende sadece karbon atom u kadar hidrojen atom u vardı. O zamana kadar bilinen bileşiklerin pek çoğundaki hidrojen atom larının karbon atomlarına oranı çoğunlukla iki kat veya daha fazlaydı. C6H6 (veya C„H2„_6) formülüne sahip olan benzen, hidrojen eksikliği indeksi dört olduğundan ol dukça doymamış yapıda bir bileşik olabilirdi. Sonuçta, kimyacılar, benzeni ilgi çekici

620

14.2 Benzen Türevlerinin Adlandırılması ve alışılmamış özelliklerinden dolayı yeni sınıf bir bileşik olarak algılamaya başladılar. Altböliim 14.3" te göreceğimiz gibi benzen, oldukça doymamış yapıda olmasına rağmen bu bileşiklerden beklenen davranışları göstermez. Ondokuzuncu yüzyılın sonlarında Kekule-Couper-Butlerov değerlik teorisi: siste matik olarak, bilinen bütün organik bileşiklere uygulandı. Bu çalışma sonuçlarından bi ri. organik bileşikleri iki geniş sınıftan birisine yerleştinnek oldu. Bileşikler alifatik ya da aromatik olarak sınıflandırıldı. Bir bileşiğin alifatik olarak sınıflandırılması, onun “yağa benzer“ kimyasal davranış gösterdiği anlamına geliyordu. (Günümüzde ise bile şiğin alkan, alken, alkin veya türevlerinden birisi gibi tepkimeye girdiği anlamına ge lir.) Bir bileşiğin aromatik olarak sınıflandırılması, onun hidrojen/karbon oranının düşük ve “güzel kokulu“ olması demekti. İlk aromatik bileşiklerin çoğu balzam. reçine veya uçucu yağlardan elde edildi. Bunlar arasında benzaldehit (acı badem yağından), benzoik asit ve benzil alkol (benzoin sakızından) ve toluen (tolu balzamından) yer alıyordu. İlk bulunan aromatik bileşiklerin altı karbon atomu içerdiği ve bu bileşiklerin kim yasal dönüşümleri ve bozulmalarının çoğunda bu altı karbon biriminin korunduğunu ilk farkeden Kekule oldu. Benzen bu yeni serinin temel bileşiği olarak tanımlandı. Bu yeni bileşik grubunun kokularından çok daha önemli olan ayırdedici özellikleri nin olduğunun bulunması, “a ro m a tik ” teriminin daha çok kimyasal anlam kazanması nın başlamasına yol açtı. Bu bölümde aromatik teriminin anlamının, kimyacıların aromatik bileşiklerin özelliklerini ve tepkimelerini daha ayrıntılı öğrenmeleriyle ortaya çıktığını göreceğiz.

14.2

B

en zen

T

ü r e v l e r İn î n

A

d la n d ir ilm a s i

Monosübstitüe benzenlerin adlandırılmasında iki sistem kullanılır. Bazı bileşiklerde ben zen temel ad olarak alınır ve sübstitüent, basitçe bir ön ek ile belirtilir. Örneğin,

F

C1

Br

Florobenzen

Klorobenzen

Bromobenzen

6

6

6 Nitrobenzen

Diğer bileşikler için, sübstitüent ve benzen halkası birlikte yeni bir temel ad oluştu rurlar. Metilbenzen genellikle tolııen. hidroksibenzen hemen hemen daima fe n o l, aminobenzen çoğu zaman anilin olarak adlandırılır. Bu bileşikler ve diğer örnekler aşağıda verilmiştir.

enzensülfonik asit

Benzoik asit

Asetofenon

Anizol

621

622

Bölüm 14 / Aromatik Bileşikler İki sübstitüent varsa bunların bağıl konumları orto, meta ve para {o-, m- ve p- ola rak kısaltılır) ön ekleri ile veya rakamlarla belirtilir. Dibromobenzenler için;

Rakamlar, iki veya daha fazla sübstitüent için kul lanılabilir fakat orto, meta ve para terimleri ikiden fazla sübstitüent için asla kullanılmamalıdır.

Br Br

1,2-Dibromobenzen (o-dibromobenzen)

1,3-Dibromobenzen (M-dibromobenzen)

1,4-Dibromobenzen (p-dibromobenzen)

orto

meta

para

ve nitrobenzoik asitler için: CO,H

NO,

2-Nitrobenzoik asit (o-nitrobenzoik asit)

4-Nitrobenzoik asit (p-nitrobenzoik asit)

3-Nitrobenzoik asit (m-nitrobenzoik asit)

Dimetilbenzenler sıklıkla ksilerıler olarak adlandırılırlar.

CH3 ch 3

CH3

1,2-Dimetilbenzen (o-ksilen)

1,3-Dimetilbenzen (m-ksilen)

1,4-Dimetilbenzen (p-ksilen)

Benzen halkasında ikiden fazla grup varsa, bunların konumları rakam lar kullanıla rak belirtilir. Örnek olarak aşağıdaki iki bileşiği ele alalım. C1

Br

1,2,3-Triklorobenzen

1,2,4-Tribromobenzen (1,3,4-tribromobenzen değil)

Benzen halkası, sübstitüentlerin olduğu yerlere m ümkün olan en küçük numaralar verilecek şekilde numaralanır. İkiden fazla sübstitüent varsa ve sübstitüentler farklı ise alfabatik sırada yazılırlar.

14.3 Benzenin Tepkimeleri

623

Bir sübstitüent, benzen halkası ile yeni bir temel adı oluşturduğunda, sübstitiientin 1 konumunda olduğu varsayılır ve yeni temel ad kullanılır. S03H

C ChH

F

3,5-Dinitrobenzoik asit

2,4-Diflorobenzensülfonik asit

C6H5 grubu sübstitüent olarak isimlendirildiğinde fenil grubu olarak adlandırılır. Bir doymuş grup ve bir benzen halkasından oluşan bir hidrokarbon daha büyük olan yapı sal birimin bir türevi olarak isimlendirilir. Ancak, zincir doymamış bir yapıdaysa bile şik halka büyüklüğüne bakılmaksızın zincirin türevi olarak adlandırılabilir. Aşağıda bazı örnekler verilmiştir:

CH2CH2CH2CH3

CH3— C = C H — CH3

Bütilbenzen

2-Fenil-2-büten

CFI.CHCH.CFFCFFCH, c

h

3

2-Fenilheptan Fenil grubu çoğu zaman C6H5— , Ph— veya cf>— olarak kısaltılır. Benzi! adı fenilmetil grubu yerine kullanılan bir isimdir ve bazen kısaltılmış şekli olan Bz kullanılır.

14.3

© _CHi_

< ö ^CHp

Benzil grubu (Fenilmetil grubu)

Benzil klurür (fenilmetil klorür)

B E N Z E N İN TEPKİM ELER İ

°\

Ondokuzuncu yüzyılın ortalarında benzen, kimyacılara gerçek bir bilmece olmuştu. For mülünden (Altbölüm 14.1) benzenin oldukça doymamış yapıda olduğunu biliyor ve doy mamış bileşikler gibi tepkimeye girmesini bekliyorlardı. Alkene karbon tetraklorür içerisinde brom katılmasında olduğu gibi bromun rengini gidermesini beklediler, yiikseltgenerek sulu potasyum permanganatın rengini değiştireceğini ve kuvvetli asitlerin varlığında su katabileceğim umdular. Benzen bunların hiçbirini yapmaz. Benzen karanlıkta karbon tetraklorür içerisinde bromla veya sulu potasyum permanganatla ya da seyreltik asitlerle etkileştirildiğinde

Yaygın aromatik gruplar için olan kısaltmalara dik kat ediniz.

624

Bölüm 14 / Aromatik Bileşikler

beklenen tepkimelerin hiçbiri olmaz. Benzen, çok ince öğütülmüş nikelin varlığında, an cak yüksek sıcaklıkta ve yüksek basınç altında hidrojen katar. Brom katılması olınaz Yükseltgenme olma/.

Benzen Su katılması olmaz

Yüksek sıcaklık ve basınçta çok yavaş katılma olur.

Benzen bromla, sadece ferrik klorür gibi bir Lewis asit katalizörü eşliğinde tepki meye girer. Ancak, şaşırtıcı bir şekilde katılma değil yer değiştirme tepkimesi— ben zende yer değiştirme verir. Yer değiştirme FeBn

C6H6 + Br2 ------►C6H5Br + HBr

Gözlenir

Katılma C6H6 + Br2 X —►CfiH6Br2 + C6H6Br4 + C6H6Br6 Gözlenmez Benzen bromla tepkimeye girdiğinde sadece bir monobromobenzen oluşur. Yani, ürünler arasında formülü C6H5Br olan yalnızca bir bileşik vardır. Benzer şekilde ben zen klorlandığında sadece bir monoklorobenzen elde edilir. Bu gözlemler için iki mümkün açıklama getirilebilir. İlki, bu reaktiflere karşı altı hidrojen atomundan sadece birisi etkindir. İkincisi, benzendeki altı hidrojen atomunun tümü özdeş olduğu için bunlardan birinin bir siibstitüentle yer değiştirmesi her zaman aynı ürünü verir. Daha sonra göreceğimiz gibi ikinci açıklama doğrudur.

P r o b l e m 14.1

>► Aşağıda molekül formülü C6H6 olan dört bileşik verilmiştir. Bir hidrojen bir brom la yer değiştirirse, bu bileşiklerden hangisi sadece bir tane mono-yer değiştirme ürünü verir?

(d)

(a) CH3C = C — C = C C H 3

14.4 B E N Z E N İ N K e k u l e Y A P I S I

c

1865 yılında yapı teorisini (Altbölüm 1.3) ortaya atan Kekule, benzen* için günümüz de halen kullanılan ilk belirgin yapıyı önermiştir (daha sonra da göreceğimiz gibi, biz. Kekule’nin verdiği anlamdan farklı bir anlam vereceğiz). Kekule, benzendeki karbon atomlarının halkada birbirlerini izleyen birli ve ikili bağlarla bağlı olarak yer aldığı ve her bir karbon atomuna bir hidrojen atomunun bağlı olduğu bir yapı ileri sürmüştür. Bu *1861’de AvusturyalI kim yacı Jolıann Josef Loschm idt, benzen halkasını daireli olarak gösterm iş, ancak kar bon atom larının halkada gerçek olarak nasıl düzenlendiklerini belirtm ek için bir girişim de bulunm am ıştır.

14.4 Benzenin Kekule Yapısı yapı, karbon atomlarının dört bağ yaptığı ve benzendeki hidrojen atomlarının tümünün eşdeğer olduğu yapı teorisinin gereklerini sağlamaktadır. H

C

C

H '

H

H Benzenin Kekule formülü Ancak kısa bir süre sonra Kekule yapısı ile ilgili bir problem ortaya çıktı. Kekule yapısı iki farklı, 1,2-dibromobenzenin olması gerektiğini önerir. Bu hayali bileşiklerin (aşağıda) birinde brom içeren karbon atomları bir birli bağla, diğerinde ise bir ikili bağ la ayrılır. A ncak, şim diye kadar sadece bir tane 1 ,2-dibrom obenzen bulunm uştur.

Kekule, bu karşı çıkışı uygun bir şekilde açıklamak için, benzenin (ve benzen tü revlerinin) bu iki şeklinin bir denge halinde bulunduğunu ve dengenin, bunların ayrı bileşikler şeklinde ayrılmasını önleyecek kadar yüksek bir hızla oluştuğunu ileri sürdü. Bundan dolayı bu iki 1,2-dibromobenzen çok hızlı bir şekilde dengeye gelecekti ve bu da kimyacıların neden bu iki yapıyı ayrı ayrı elde edemediğini açıklıyordu.

Bu önerinin doğru olmadığım ve böyle bir dengenin var olm adığını biliyoruz. Bu nunla birlikte, benzen yapısı için Kekule formülü ilerisi için önemli bir adımdır ve pek çok pratik nedenle günümüzde halen kullanılmaktadır. Ancak anlamının farklı olduğu nu biliyoruz. Benzenin katılma yerine yer değiştirme ile tepkimeye girme eğilimi aromatiklik kav ramına yeni bir anlayış getirir. Bir bileşiğin aromatik olarak adlandırılması için yüksek derecede doymamış olmasına karşın deneysel olarak katılma tepkimelerinden çok yer değiştirme tepkimeleri vermesi gerekir. 1900'den önce kimyacılar, aromatikliği sağlayan yapı özelliklerinden birisinin, hal kalı bileşiklerin birbirini izleyen birli ve ikili bağlara sahip olması gerekliliği olduğunu kabul etmişlerdi. O yıllarda sadece benzen ve benzen türevleri (yani allı üyeli halkalı bileşikler) bilinen aromatik bileşikler olduğundan, kimyacılar, doğal olarak başka ör nekler aradılar, siklooktatetraen bileşiği en yakın aday olarak görüldü.

Siklooktatetraen 1911 yılında. Richard Willstatter, siklooktatetreni sentezlemeyi başardı. Bununla bir likte Willslatter, bu bileşiğin tam olarak benzene benzemediğini buldu. Siklooktatetra-

625

626

Bölüm 14 / Aromatik Bileşikler en bromla katılma tepkimesi veriyor, hızla hidrojen katıyor, potasyum permanganat çö zeltileriyle yükseltgeniyordu ve bundan dolayı da açık bir şekilde arom atik olm adığı an laşılıyordu. Bu bulgular Willstatter’de büyük bir hayal kırıklığına sebep olmuştu. Ancak, bu bileşiğin aromatik olduğunu kanıtlayamayan bu sonuçlar oldukça önemliydi. Sonuç olarak, kimyacıların, benzenin aromatikliğinin kaynağmı anlayabilmek için çok daha ay rıntılı araştırmalar yapması gerekiyordu.

14.5

B E N Z E N İN KARARLILIĞI

Benzenin Kekule yapısına dayanarak katılmaya uğramasını umarken, beklenmedik bir şekilde yer değiştirme tepkimesi verdiğini görmüştük. Benzen bir başka durumda da bek lenmeyen bir davranış sergiler: Kekule’nin önerdiği yapıdan daha kararlıdır. Bunun na sıl olduğunu görmek için aşağıda verilen termokimyasal sonuçları göz önüne alalım. Bir tek ikili bağ içeren altı üyeli bir halka olan sikloheksen, kolaylıkla hidrojenlenerek sikloheksana dönüştürülebilir. Bu tepkimenin AH° değeri ölçüldüğünde -120 kJ mol'1 olduğu bulunmuştur; bu değer, sübstitüe alkenler için bulunan değerlere çok yakındır.

Sikloheksen

Sikloheksan

1,3-Sikloheksadien hidrojenlendiğinde yaklaşık iki kat fazla ısının açığa çıkması ge rekir ki bu durumda AH ° yaklaşık -240 kJ mol-1’e eşit olmalıdır. Böyle bir deney ya pıldığında ise sonuç AH° = -232 kJ mol ’’dir. Bu sonuç hesapladığımız değere çok yakındır ve fark, konjuge ikili bağların izole (ayrık) ikili bağlardan daha kararlı olduğu gerçeğinin dikkate alınmasıyla açıklanabilir (Altbölüm 13.8). Hesaplanan Pt AH° = (2 X 120) = —240 kJ mol' + 2H , Gözlenen AH° = —232 kJ mol-1

Sikloheksan

1,3-Sikloheksadien

Şekil 14.1 Sikloheksan, 1,3-siklo-

+ 3 H2

heksadien, 1,3,5-sikloheksatrien (hayali) ve benzenin bağıl kararlı lıkları.

Rezonans (kararlılık) enerjisi = 152 kJ mol-1

+ 2 H2 Benzen + 3 H 2

AH° = -360

+ H,

kJ mol-1

A H 0 = -232

AH° = -208

kJ mol-1

kJ mol-1

A H 0 = -1 2 0 kJ mol-1 Sikloheksan

14.6 Benzenin Yapısıyla İlgili Modern Teoriler Bu düşünceyi genişleterek benzeni basitçe 1,3,5-sikloheksatrien olarak düşünürsek, bu bileşiğin hidrojenlenmesinden yaklaşık 350 kJ moT1 enerjinin açığa çıkmasını bek leriz. Bu deney gerçekleştirildiğinde ise sonuç şaşırtıcı biçimde farklıdır. Tepkime eksotermiktir fakat sadece 208 kJ mol 1 ısı açığa çıkar.

Benzen

Sikloheksan

Hesaplanan AH ° = (3 X -120) = -360 kJ mol“ 1 Gözlenen____A//° = —208 kJ mol-1 Fark = 152 kJ mol-1

Sonuçlar Şekil 14.2'deki gibi gösterildiğinde benzenin hesapladığımız değere göre olması gerekenden çok daha kararlı olduğu açıkça görülür. Hayali olarak var saydığı mız 1,3,5-sikloheksatrienden 152 kJ moH daha kararlıdır. Gerçekte açığa çıkan ve Ke kule yapısına dayanarak hesaplanan ısı miktarları arasındaki farka bileşiğin rezonans enerjisi denir.

14.6

B E N Z E N İ N Y A P I S I Y L A İLGİLİ M O D E R N T E O R İ L E R

1920’lerde kuantum mekaniğinin gelişimine kadar benzenin olağan dışı davranışı ve ka rarlılığı anlaşılamamıştır. Kuantum mekaniği, daha önce gördüğümüz gibi, moleküller deki bağların açıklanmasını iki yolla yapar: rezonans teorisi ve moleküler orbital teorisi. Şimdi bunların her ikisinin de benzene uygulanışına bakalım.

I4.6A Benzenin Yapısının Rezonansla Açıklanması Rezonans teorisi (Altbölümler 1.8 ve 13.5), bir molekül için sadece elektronlarının ko num larının fa rk lı olduğu iki veya daha fazla Lewis yapısı yazılabildiğinde, bu yapıla rın hiç birisinin bileşiğin kimyasal ve fiziksel özellikleri ile tam bir uyum içerisinde olmadığı esasına dayanır. Eğer bunu kabul edersek, benzen için olan iki Kekule yapısı nın (I ve II) doğasını anlayabiliriz. İki Kekule yapısı sadece elektronlarının konumları bakımından farklıdır. Bu yüzden, I ve II yapıları, Kekule’ nin önerdiği gibi dengedeki iki farklı molekülü temsil etmezler. Oysa bu yapılar, klasik değerlik teorisi kurallarına göre moleküler formülün kısıtlamaları içinde benzen için ulaşabileceğiz en yakın yapı lardır ve altı hidrojen atomu da kimyasal olarak eşdeğerdir. Kekule yapıları ile ilgili so run. bu yapıların Lewis yapıları olması ve Lewis yapılarının da elektronları yerleşik olarak göstermesidir. (Halbuki daha sonra göreceğimiz gibi, benzendeki elektronlar yerleşik değil dağılmıştır.) Rezonans teorisi bize bu tür zorluklarla karşılaştığımızda ne yapma mız gerektiğini ve çıkış yolunu gösterir. Rezonans teorisi ayrıca bize, benzenin gerçek molekül yapısını göstermek için yapıya katkıda bulunan I ve II rezonans yapılarını kul lanmamızı belirtir. I ve II yapıları, aralarına çift başlı bir ok konularak birleştirilmeli „ araya iki ayrı ok konulmamalıdır (iki ayrı ok. kimyasal dengenin belirtilmesi için kul lanılan bir semboldür). Tekrar vurgularsak I ve II yapıları denge halinde değildir. On lar, gerçek moleküllerin yapıları da değildir; değerlik teorisinin basit kurallarıyla ulaşabileceğimiz en yakın yapılardır, fakat gerçek molekülü bir melez olarak düşünme mize çok yardımcı olacaklardır. 4 ------ ------------►

(*

I

değil)

II

Yapılara daha dikkatli bakalım. Yapı I ’deki bütün birli bağlar yapı ILdeki ikili bağ lardır. I ve II yapılarını karıştırırsak yani, onların bir melezini oluşturursak o zaman

, „

627


628 H

\

/ c n ____. nc 1.39Â

H

H 120'" 120°

\

H

Şekil 14.2 Benzendeki bağ açıları ve bağ uzun lukları. (Yalnızca u bağla rı gösterilmiştir.)

benzendeki karbon-karbon bağları ne birli ne de ikili bağ olacaktır. Bağ dereceleri bir li bağ ile ikili bağ arasındadır. Bu sonuç, deneysel olarak bulduğumuzla tam olarak ay nıdır. Spektroskopik ölçümler, benzen molekülünün düzlemsel ve bütün karbon-karbon bağlarının eşit uzunlukta olduğunu göstermiştir. Ayrıca benzendeki karbon-karbon ba ğı uzunluğu (Şekil 14.2) 1.39 Â'dur ve bu değer sp 2 melezleşmiş atomlardaki karbon-kar bon birli bağları için olan değerle (1,47 Â) (bkz Çizelge 13.1) karbon-karbon ikili bağlan için bulunan değer (1,33 Â) arasındadır. Melez yapı, düzgün altıgen içine bir daire çizilerek gösterilir ve bu yeni formül (III) benzen için günümüzde en çok kullanılan formüldür. Ancak, elektronların göz önüne alınmasının gerekli olduğu durumlar vardır ve bu amaçla Kekule yapılarından herhan gi birini kullanabiliriz. Kekule formülünde elektronlar gayet açık olarak seçilirken bir daire veya dairenin bir kısmı ile gösterilen elektronların sayıları belirsizdir. Benzenin formülündeki daire altı elektronun benzen halkasındaki altı karbon atomu üzerinde da ğıldığını gösterir. Diğer aromatik sistemlerde ise daire, altıdan farklı sayıda elektronun halkada dağıldığım gösterebilir.

III

Problem 14.2

>■

Benzen 1,3,5-sikloheksatrien olsaydı, karbon-karbon bağları, aşağıdaki yapılarda belirtildiği gibi dönüşümlü olarak bir uzun bir kısa olurdu. Bununla birlikte, bu ya pıları rezonans yapıları olarak düşünmek (ya da bunları iki başlı okla birleştirmek) rezonans teorisinin temel ilkelerine aykırıdır. Açıklayınız.

Rezonans teorisi (Altbölüm 13.5) ayrıca, bir molekül için eşdeğer rezonans yapılar yazılabildiği durumlarda molekülün (veya melezin), ayrı ayrı rezonans yapıların (var olsalardı) her birinden çok daha kararlı olduğunu belirtir. Rezonans teorisi, hayali

Şekil 14.3 Benzende stilize edilmiş p orbitalleri. Orbital örtüşmesi, loblar arasındaki kırmızı noktalarla gösterilmiştir.

14.6 Benzenin Yapısıyla İlgili Modem Teoriler

629

Altı izole /? orbitali (altı elektronlu)

Atomik orbitaller

Şekil 14.4 Altı p orbitalinin (her biri benzendeki farklı karbondan) altı 7r molekül orbitalini oluşturmak için nasıl birleştiği. Moleküier orbitallerden üçünün enerjisi izole p orbitallerinin enerjisinden daha düşüktür; bunlar bağlayıcı moleküier orbitallerdir.Moleküler orbitallerden üçünün enerjisi izole p orbitallerinin enerjisinden daha yüksektir; bunlar karşıtbağlayıcı moleküier orbitalleı dir. P, ve ¥ 3 orbitalleri aynı enerjilidir ve bunlar de jenere (yozlaşmış) olarak adlandırılır. Aynı durum *P4 ve ¥ 5 orbitalleri için de geçerlidir.

olarak varolduğu kabul edilen 1,3,5-sikloheksatrien ile karşılaştırıldığında benzenin da ha fazla kararlı olmasını açıklar. Bu nedenle, benzen ile birlikte anılan bu fazladan ka rarlılığa rezonans enerjisi denir.

I4.6B Benzenin Yapısının Moleküier Orbital Teorisiyle Açıklanması Benzen halkasındaki karbon atomlarının bağ açılarının 120° olması, karbon atomlarının sp 2 m elezleşm iş olduğunu belirtir. Bu düşünceyi kabul edersek, ve Şekil 14.3'te göste rildiği gibi sp 2 karbon atomlarından altı üyeli düzlemsel bir halka oluşturursak, benze

nin başka bir şekli ortaya çıkmaya başlar. Karbon karbon bağ uzunluklarının tamamı 1,39 Â olduğundan p orbitalleri, etkili bir şekilde örtüşmek için gerçekten yeterince ya kınlardır (kırmızı kesikli çizgilerle gösterilmiştir), p Orbitalleri tüm halka etrafında eş değer biçimde örtüşürler. Moleküier orbital teorisine göre, örtüşen altı p orbitali altı ir moleküier orbitali ta kımını oluşturmak üzere birleşir. Ayrıca moleküier orbital teorisi, 7r moleküier orbital lerinin bağıl enerjilerini hesaplamamıza da imkan sağlar. Bu hesaplamalar tartışmamızın dışındadır fakat bu enerji seviyeleri Şekil 14.4’te gösterilmiştir. Bir moleküier orbital, gördüğümüz gibi, spinleri zıt iki elektron barındırabilir. Bu yüzden, benzenin temel halinin elektronik yapısı. Şekil 14.4’te gösterildiği gibi, en dü şük enerji seviyesine sahip olandan başlayarak 7r moleküier orbitallerine altı elektron eklenerek elde edilir. Benzende bütün bağlayıcı orbitallerin dolu olduğuna, elektronla rın tamamının spinlerinin eşleşmiş olduğuna ve karşıtbağlayıcı orbitallerde elektron bu lunmadığına dikkat ediniz. Bundan dolayı, benzenin, dağılmış 7r elektronlarının bağ yapm aya karşı kapalı bir kabuğunun olduğu söylenir. Bu kapalı bağlayıcı kabuk, kıs men, benzenin kararlılığından sorumludur. Benzenin moleküier orbitallerini inceledikten sonra, şimdi, benzen için kuantum me kaniği ilkeleriyle hesaplanmış van der Waals yüzeyinin elektrostatik potansiyel harita sına bir göz atmak yararlı olacaktu- (Şekil 14.5). Bu gösterimin, benzenin 7relektronlarının yerleşik olmadığı hakkındaki bildiklerimizle uyumlu olduğunu, ancak, benzendeki kar bon halkasının üst ve alt yüzeyi (gösterilmemiş) çevresinde eşit olarak dağıtıldığını gö rebiliriz. Son zamanlarda bulunan kristal benzenin, benzen halkaları arasında, üstte ve altta dizilen benzen moleküllerinin kısmen negatif yüzeyiyle bir diğerinin kısmen pozitif dış sınırını birleştirecek şekilde dikey etkileşimler içerdiğinin açıklanması ilgi çekicidir.

Benzenin moleküier orbi talleri

Şekil 14.5 Benzenin elektrostatik potansiyel haritası.

630


14.7 H ü c k e l K u r a l i : (4n El e k t r o n K u r a l i

+

2)

tt

1931 Yılında Alman Fizikçisi Eric Hückel, şimdi açıklayacağımız teoriye dayanan ma tematiksel hesaplamalar yapmıştır. Hückel kuralı, benzende olduğu gibi her atom u bir p orbitaline sahip olan bir düzlemsel halka içeren bileşiklerle ilgilidir. HückeFin he saplamaları (An + 2) sayıda (n = 0,1,2,3, . . . , vb) 7r elektronu içeren (yani 2,6,10.14, . . . , vb sayıda tt elektronu olan) düzlem yapıdaki tek halkalı bileşiklerin benzen gibi ka palı dağılmış elektron kabuğuna sahip olduklarını ve bunların önemli ölçüde rezonans enerjilerinin olması gerektiğini göstermiştir. Başka bir deyişle, 2,6,10,14, . . . , dağıl mış 7r elektronuna sahip düzlem yapıdaki tek halkalı bileşikler arom atiktir. Hückel hesaplamaları konumuzun dışında olmasına rağmen, tek halkalı konjuge sis temlerin 77 moleküler orbitallerinin bağıl enerjilerinin bir şeklini elde edebiliriz. B asit olarak, bir dairenin içerisine, çokgenin bir köşesi alta gelecek şekilde, ele alm an b ile şiğin halkasına karşılık gelen düzgün bir çokgen çizeriz. Çokgenin köşelerinin daire

ye değdiği noktalar sistemin 7r moleküler orbitallerinin enerji seviyelerine karşılık gelir. Bu yöntem, benzen için (Şekil 14.6, aşağıda), daha önce Şekil 14.4'te gördüğü müz kuantum mekaniği hesaplamalarına dayalı olarak bulunan enerji seviyeleri ile ay nı sonucu verir. Karşıtbağlayıcı k orbitalleri (Bağ yapmayan

tt orbitalleri)

Bağlayıcı n orbitalleri Daire İçinde çokgen

MO'lerin enerji seviyeleri

7t Orbital türü

Şekil 14.6 Benzendeki tt moleküler orbitallerinin bağıl enerjilerinin türetilmesinde çok gen ve daire yöntemi. Dairenin ortasındaki yatay çizgi bağlayıcı orbitalleri karşıtbağlayıcı orbitallerden ayırır. Bu çizgide bir orbital varsa bağ yapmayan orbitaldir. Bu yöntem C. A. Coulson Oksford Üniversitesi) tarafından geliştirilmiştir. Şimdi siklooktatetraenin neden aromatik olmadığını anlayabiliriz. Siklooktatetraenin toplam 8 7r elektronu vardır. Sekiz, bir Hückel sayısı değildir; An sayısıdır, An + 2 sa İ - İ .İ yısı değildir. Çokgen ve daire yöntemini kullanarak (Şekil 14.7) siklooktatetraen için şu sonuçları bulabiliriz: Siklooktatetraen düzlemsel olsaydı, benzeninkine benzeyen kapa Şekil 14.7 Siklooktatetralı bir 77 elektron kabuğuna sahip olam ayacak, bağ yapmayan iki orbitalin her birinde bi en düzlemsel olsaydı sahip rer çiftleşmemiş elektron bulunacaktı. Çiftleşmemiş elektronu olan moleküler (radikaller) olması gereken tt orbitalleri “alışılmamış kararlılığa” sahip değildir: bunlar oldukça etkindirler ve kararsızdırlar. Bu böyle olurdu. Benzenin ak nedenle, siklooktatetraenin, düzlem şeklinin benzene tamamen benzemesi ve aromatik sine bu molekülün iki bağ olması mümkün değildir. yapmayan orbitale sahip ol Siklooktatetraen düzlemsel hale gelerek kararlılık kazanamayacağından, aşağıda gös duğuna ve bu bileşiğin sekiz terilen tüp şeklini alır. (Altbölüm 14.7D'de siklooktatetraenin düzlemsel hale geldiğin elektronu olduğundan iki de gerçekten kararlılığını kaybettiğini göreceğiz.)

0

—1___L _

bağ yapmayan orbitalin her birinde çiftleşmemiş birer elektron bulunduğuna dik kat ediniz. Böyle bir siste min aromatik olması beklenmez.

Siklooktatetraenin bağlarının birer atlayarak kısa ve uzun olduğu bilinmektedir. Xışını çalışmaları bu bağların 1.48 ve 1,34 Â olduğunu göstermiştir. I 4 .7 A Anuienler

Anulen adı, halkada birer atlayarak birli ve ikili bağlar taşıyan tek halkalı bileşikler için genel bir isim olarak önerilmiştir. Bir anulenin halka büyüklüğü parantez içindeki bir

14.7 Hückel Kuralı: (4» + 2) k Elektron Kuralı sayıyla belirtilir. Buna göre benzen bir [6]anulen, siklooktatetraen ise [8]anulendir. Hüc kel kuralı (4/? + 2) 7t elektronlu ve karbon isteletinin düzlemsel yapıda olduğu anulenlerin aromatik olduğunu söyler.

Benzen ([6]anulen)

Siklooktatetraen ([8]anulen)

Bu isimler çoğu kez 10 veya daha fazla karbon atomlu konjuge halkalar için kulla nılır, ancak benzen ve siklo oktatetraen için nadiren kullanılır.

1960’dan önce Hückel'in tahminlerini kontrol etmek için kullanılan anulenler yal nızca benzen ve siklooktatetraendi. 1960’lara gelindiğinde, büyük çoğunluğu F. Sondheimer tarafından olmak üzere pek çok büyük halkalı anulen sentezlendi ve böylece Hückel kuralı da doğrulandı. Örnek olarak [14J, [16], [18], [20], [22] ve [24]anulenleri ele alalım. Bunlar arasın da H ückel kuralının öngördüğü gibi, [14], [18] ve [22]anulenlerin (sırasıyla n = 3,4,5 olduğunda 4/7 + 2) aromatik olduğu bulunmuştur. [16]anulen ve [24]anulen aromatik değildir. Bunlar 4/? + 2 bileşikleri değil 4/7 bileşikleridir.

[10] ve [12]anulen örnekleri de sentezlenmiştir ve hiçbiri aromatik değildir. [12]Anulenlerin 12 7r elektronu olduğundan aromatik olmalarını bekleyemeyiz, bunlar Hückel kuralına uymazlar. Elektron sayılarına göre aşağıdaki [10]anulenieıin aromatik olmaları beklenir ancak halkaları düzlemsel değildir.

[18]Anulen

[10]Anulenler Düzlemsel olmadıklarından hiçbiri aromatik değildir. [10]Anulenin (4) iki trans ikili bağı vardır. Bağ açıları yaklaşık 120°’dir. bu neden le hissedilebilinir bir açı gerginliği yoktur. Ancak, halkanın karbon atomlarının, halka nın merkezindeki iki hidrojen atomunun birbirini itmesi nedeniyle düzlemsel hale gelmeleri önlenir. Halka düzlemsel olmadığından, karbon atomlarının p orbitalleri pa ralel değildir ve bu yüzden bir aromatik sistemin tt moleküler orbitallerini oluşturmak için halkanın etrafında etkili bir şekilde örtüşemezler. Bütün ikili bağları cis konumda olan [10]anulen (5) düzlemsel olsaydı iç bağ açıla rı 144° olacağından kaydedeğer bir açı gerginliği olacaktı. Bunun sonucunda, bu izo merin aromatik olmasıyla kazanacağı kararlılık, artan açı gerginliğinin kararsız kılıcı etkisinden daha fazla olmayacaktı. Benzer bir problem, ikili bağlarından birisi trans olan

631

632

Bölüm 14 / Aromatik Bileşikler [10]anulen (6) izomerinde de görülür. Bu yapı düzlemsel olsaydı çok büyük bir açı ger ginliği ortaya çıkardı. Bu da aromatik oluşu engeller. Uzun yıllardan beri pek çok başarısız girişimden sonra 1965 yılında |4]anulen (ve ya siklobütadien), Teksas Üniversitesi'nden (Austin) R. Pettit ve çalışma grubu tarafın dan sentezlendi. Siklobütadien bir 4ı? molekülüdür. 4?? + 2 molekülü değildir. Beklendiği gibi oldukça kararsız bir bileşiktir ve aromatik değildir.

Siklobütadien veya [4]anulen (aromatik değil)

P ro bl em 14.3

►

Siklobütadienin 77 moleküler orbitallerini tasarlamak için çokgen ve daire yöntemi ni kullanınız ve buna dayanarak onun niçin aromatik olmasını beklemezsiniz, açık layınız.

I4.7B

NMR Spektroskopisi. Aromatik Bileşiklerde Elektron Dağılımının Kanıtı

Benzenin 'H NMR spektrumu S 7,27’de yarılmamış tek bir sinyal içerir. Yalnızca ya rılmamış bir tek sinyalin görülmesi benzendeki bütün hidrojen atomlarının eşdeğer ol duğunun başka bir kanıtıdır. Sinyalin bu kadar düşük manyetik alan şiddetinde çıkması benzendeki 77 elektronlarının yerleşik olmadığını, dağıldığım kabul etmemizi gerekti ren bir sonuçtur. Altbölüm 9.5‘te C— H bağlarının ît elektronlarının dolaşımının, NMR spektrometresinde alkan protonlarına uygulanan manyetik alana karşı bir perd elem e oluşturduğu ve bunun sonucu olarak da bu protonların daha yüksek manyetik olan kuvvetinde so ğurma yaptığını öğrenmiştik. Şimdi ise, benzen protonlarının daha düşük alan şiddetin de soğurma yapmalarının sebebini, benzenin 7r elektro n la rın ın halka boyunca dönm elerinden kaynaklanan perdelem em e etkisine dayandırarak açıklayacağız. Daha son ra göreceğimiz gibi, bu açıklama 7r elektronlarının dağılmış olmasını gerektirir. Benzen molekülleri NMR spektrometresinin güçlü manyetik alanına yerleştirildiğin de elektronlar Şekil 14.8'de gösterildiği yönde dolaşım yaparak bir halka akımı oluşİndüklenmiş manyetik alan

Şekil 14.8 Benzenin 77 elektron larının indüklenmiş manyetik ala nı benzen protonlarını perdelemez. Perdelememe, protonların bulun duğu konumdaki indüklenmiş manyetik alanın uygulanan man yetik alanla aynı yönde olmasından kaynaklanır.

indüklenmiş alan tarafından protonun perdelenmemesi k Elektronların dolaşımı

(halka akımı) uygulanan manyetik alan

14.7 Hückel Kuralı: (4//

2) 71 Elektron Kuralı

633

tururlar. (Fizik çalışmışsanız, elektronların niçin bu yolda dolaşım yaptıklarını anlaya H H caksınız.) Bu 7r elektronlarının halka boyunca dönmesi indüklenmiş bir manyetik alan yaratır. Bu alan, benzen protonlarının bulundukları konum a uygulanan m anyetik alanı kuvvetlendirir ve bu kuvvetlendirme, protonların kuvvetle perdelenm em esine neden olur. H J-y H h “Perdelememe” ile protonların iki alanın toplamım hissettiklerini belirtmek istiyoruz ve h ^ bundan dolayı uygulanan manyetik alan kuvveti, indüklenmiş alanın yokluğunda gerek li olduğu kadar yüksek olmayacaktır. Yerleşik o lm a ya n , dağılm ış tt elektronlarının oluş h ^ V h h h - l " H turduğu halka akımına dayandırdığımız bu kuvvetli perdelememe aromatik protonların H neden çok düşük manyetik alan şiddetinde soğurma yaptıklarını açıklar. H H Halka akımından kaynaklanan dış protonların perdelenmeme etkisi, aromatik halka lardaki 77 elektronlarının dağılımı için en iyi fiziksel kanıtlardan biridir. Aslında düşük Şekil 14.9 [18]Anulen. İçteki alan şiddetindeki proton soğurması çoğu zaman, yeni sentezlenmiş olan konjuge halka protonlar (kırınızı) oldukça lı bileşiklerin aromatikliği için bir kriter olarak kullanılır. fazla perdelenmiştir ve 8 Ancak, bütün aromatik protonlar düşük alan şiddetinde soğurma yapmazlar. Halka -3,0’da soğurma yaparlar. merkezinde (7 7 elektron boşluğunda) hidrojeni olan büyük halkalı aromatik bileşiklerin Dıştaki protonlar (mavi) ise içteki protonları beklenmedik şekilde yüksek alan şiddetinde soğurma yaparlar, çünkü oldukça fazla perdelenmemişbunlar, halkanın merkezindeki zıt indüklenmiş manyetik alan tarafından oldukça fazla lerdir ve 8 9,3’te soğurma ya perdelenirler (Şekil 14.8). Buna bir örnek [ 18Janulendir (Şekil 14.9). [18]Anulenin iç parlar. teki protonları TMS sinyalinin yukarısında, oldukça yüksek alanda. 8 -3,0'da soğurma yaparlarken dıştaki protonlar çok düşük alanda, 8 9,3'te soğurma yaparlar. 118|Anulenin (4n + 2) 77 elektronunun olduğunu göz önüne alarak bu sonucun, aromatiklik için bir kriter olan 77 elektronlarının dağılmasının kanıtı için oldukça önemli bir destek ol duğunu söyleyebiliriz. Bu örnek Hückel kuralının tahmin gücünü de gösterir.

I4.7C Aromatik İyonlar Şu ana kadar tartıştığımız nötr moleküllere ek olarak, bir pozitif ya da bir negatif yük taşıyan çok sayıda tek halkalı liir vardır. Bu iyonlardan bazıları arom atik oldukları şek linde önerilmelerine yol açan beklenmedik kararlılık gösterirler. Hückel kuralı bu iyon ların özelliklerinin belirlenmesinde de yararlıdır. Şimdi iki örneği inceleyeceğiz: siklopentadienil anyonu ve sikloheptarienil katyonu. Siklopentadien aromatik değildir ancak bir hidrokarbon için beklenmeyen ölçüde asidiktir. (Siklopentadienin pK(l's\ 16, sikloheptatrienin ise. aksine, pÂ^’sı 36’dır.) Bu asitliğiııden dolayı, siklopentadien orta kuvvetteki bir bazla etkileştirilerek anyonuna dönüştürülebilir. Ayrıca, siklopentadienil anyonu umulmadık ölçüde kararlıdır ve NMR spektrumu, siklopentadienil anyonundaki beş hidrojen atomunun tamamının eşdeğer ol duğunu ve düşük alanda soğurma yaptıklarını gösterir.

Q

H

H

Siklopentadien

Siklopentadienil anyonu

Siklopentadienin orbital yapısı (Şekil 14.10) siklopentadienin kendisinin niçin aro matik olmadığını göstermektedir. 7 7 Elektronlarının sayısının uygun olmaması yanında, p orbital i olmayan s p 1 melezleşmesi yapmış bir — CH2— grubunun araya girmesi ne deniyle 77 elektronları halkanın tamamına dağılamaz. Diğer taraftan. — CH2— karbon atomu bir proton kaybettikten sonra sp : melezleş miş hale gelirse (Şekil 14.10) geride kalan iki elektron, henüz oluşan yeni p orbitalini işgal edebilir. Bundan başka, bu yeni p orbitali yanlarında bulunan diğer/? orbitalleriy-

634


Şekil 14.10 Siklopentadien ve siklopentadienil an yonunun stilize edilmiş p orbitalleri.

le örtüşebilir ve böylece altı dağılmış t t elektronuna sahip bir halkaya dönüşür. Elekt ronlar dağıldığından, hidrojen atomlarının tümü eşdeğerdir ve bu durum NMR spektroskopisinden elde edilen verilerle uyumludur. Siklopentadienil anyonunun hesaplanmış elektrostatik potonsiyel haritası (Şekil 14.11) negatif yükün halka içine simetrik dağılı şını ve halka yapısının toplam simetrisini göstermektedir. Altı, Hückel rakamıdır (4n + 2, burada n = l'dir) ve siklopentadienil anyonu ger çekte bir aromatik anyondur. Siklopentadienin beklenmedik ölçüdeki asitliği anyonu nun çok kararlı olmasından ileri gelir.

P ro bl em 14.4

Şekil 14.1 I Siklopentadi enil anyonunun elektrosta tik potansiyel haritası. Şüphesiz iyonun her yeri negatif yüklüdür, ancak daha fazla negatif potansi yele sahip yerler kırımızı, daha az negatif potansiyele sahip yerler mavi ile göste rilmiştir. En üst ve en alt yüzlerin (şekilde görülmü yor) merkezlerindeki nega tif potansiyel yoğunluğu, iyondaki fazladan olan elektronun aromatik 7r elektron sistemi içinde ol duğunu gösterir.

^

(a) Daire içerisine düzgün beşgen çizerek siklopentadienil sisteminin ı r molekül orbitallerini gösteriniz ve siklopentadienil anyonunun niçin aromatik olduğunu açık layınız. (b) Siklopentadienil katyonu için elektron dağılımı nasıl olmalıdır? (c) Bu katyon sizce aromatik midir? Cevabınızı açıklayınız, (d) Hückel kuralını esas aldı ğınızda siklopentadienil katyonunun aromatik olmasını bekler misiniz?

Sikloheptatrien (Şekil 14.12) (yaygın adı tropilidendir) 6 7r elektronuna sahiptir an cak sikloheptatriende kullanılabilir p orbitalleri olmayan — CH2— grubunun varlığı do layısıyla 6 77 elektronu halka boyunca tamamen dağılamaz (Şekil 14.12). Sikloheptatrien, hidrür iyonu uzaklaştırabilen bir reaktifle tepkimeye sokulduğunda, sikloheptatrienil katyonuna dönüşür. Sikloheptatrienden hidrür iyonu kaybı beklenme dik şekilde kolayca gerçekleşir ve oluşan sikloheptatirienil katyonu olağanüstü kararlı dır. Sikloheptatrien katyonunun NMR spektrumu, yapısında bulunan yedi hidrojenin de özdeş olduğunu gösterir. Şekil 14.12’yi iyi incelediğimizde bu durumu kolayca açıkla yabiliriz.

O

H

H

Sikloheptatrien

Sikloheptatrienil katyonu (tropiliyum iyonu)

Sikloheptatrienin — CH,— grubundan bir hidrür iyonu uzaklaştırıldığında boş bir p orbitali oluşur ve bu karbon atomu sp 2 melezleşmiş hale gelir. Oluşan katyon altı dağıl mış 77elektronu içeren yedi örtüşmüş p orbitaline sahiptir. Sikloheptatrienil katyonu bun dan dolayı bir aromatik katyondur ve hidrojenlerinin tamamı eşdeğerdir; bu da yine deneysel olarak bulunanla aynıdır.

14.7 Hückel Kuralı: (4« + 2) n Elektron Kuralı

Şekil 14. 12 Sikloheptatrien ve sikloheptatrienil (tropiliyum) katyonunun stilize edilmiş p orbitalleri. Sikloheptatrienil (tropiliyum) katyonunun hesaplanan elektrostatik potansiyel hari tası, bu iyonun simetrisini de gösterir. Aromatik sistemdeki 7r elektronlarının elektros tatik potansiyeli kırmızıyla gösterilmiştir ve karbon iskeletinin en üst yüzeyi ( ve şekilde görülmeyen en alt yüzeyi) etrafında dağılmıştır. İyonun tamamı pozitif yüklüdür ve en fazla pozitif yük taşıyan kısım iyonun çevresi etrafında mavi renkle gösterilmiş olan kı sımdır.

Şekil 14. 13 Tropiliyum katyonunun elektrostatik potansiyel haritası. İyon her yerinde pozitif yük ta şır ancak halkanın en üst ve en alt yüzünde (şekilde görülmüyor) bağıl olarak daha fazla negatif elekrostatik potonsiyel vardır. Bu bölgelerde elektronlar aro matik halkanın rr sistemine oluştururlar.

(a) Sikloheptatrien katyonunun ı t molekiiler orbitallerinin bağıl enerjilerini şekille -< göstermek için çokgen ve daire yöntemini kullanınız ve niçin aromatik olduğunu açıklayınız, (b) tt Moleküler orbitallerinin elektron dağılımını esas aldığınızda, sik loheptatrienil anyonunun aromatik olmasını bekler misiniz? (c) Hückel kuralını esas aldığınızda sikloheptatrienil anyonu aromatik midir?

P ro b l e m 14.5

1,3,5-Sikloheptatrien (sayfa 634), 1,3,5-heptatrienden daha az asidiktir. Bu deney- *< sel gözlemin, önceki problemdeki (b) ve (c) şıklarındaki cevaplarınızı desteklediği ni nasıl açıklarsınız?

P ro b l e m 14.6

1,3,5-Sikloheptatrien C C 14 içinde 0°C'da, bir eşdeğer mol bromla tepkimeye girdi- -< ğinde 1,6 katılması verir, (a) Oluşan ürünün yapısını yazınız (b) Meydana gelen 1,6 katılma ürünü ısıtıldığında HBr kaybederek molekül formülü C7H7Br olan tro p ili yum brom urü oluşturur. Tropiliyum bromür polar olmayan çözücülerde çözünmez ken suda çözünür ve erime noktası oldukça yüksektir (en 203°C). Bu bileşiğin sulu çözeltisi gümüş nitratla etkileştirildiğinde AgBr çöker. Bu deneysel sonuçlar tropi liyum bromürün bağlanma türü hakkında neyi belirtir?

P ro bl em 14.7

I4.7D

Aromatik, Antiaromatik ve Aromatik Olmayan (nonaromatik) Bileşikler

Bir bileşiğin aromatik olduğunu söylediğimizde ne ifade etmiş oluruz? Bu bileşiğin 7r elektronlarının tüm halka boyunca dağıldığım böylece tt elektronlarının bu dağılımıyla kararlı kılındığını belirtmiş oluruz.

635

636

Bölüm 14 / Aromatik Bileşikler Halkalı bir sistemin 77 elektronlarının dağılıp dağılmadığını anlamanın en iyi yolu NMR spektrumuna bakmaktır. NMR spektroskopisiyle '77elektronlarının delokalize olup olmadığı kolayca anlaşılır. Bir bileşiğin ttelektronları dağılımıyla kararlı olduğunu söylememiz neyi ifade eder? Bu konuda daha önce, benzenin hidrojenlenme ısısını, hayali 1,3,5-sikloheksatrienin hidrojenleme ısısıyla karşılaştırdığımızda bilgi sahibi olmuştuk. 77 Elektronları delokalize olan benzenin 1,3,5-sikloheksatrienden (77 elektronları delokalize olmayan model) çok daha kararlı olduğunu görmüştük. Bu iki bileşik arasındaki enerji farkını rezonans ener jisi (delokalizasyon enerjisi) veya kararlılık enerjisi olarak adlandırmıştık. Diğer aromatik bileşiklerden aynı karşılaştırmayı yapabilmek için uygun modeller seçmemiz gereklidir. Bu modeller nasıl olmalıdır? Önerilerden bir tanesi, halkalı sistemin 77 elektronlarının enerjisini aynı bileşiğe kar şılık olan açık zincirli bileşiğin 77 elektronlarının enerjisiyle karşılaştırmaktır. Bu yak laşım sadece anulenler için değil, aromatik kalyon ve anyonlar için de bir model oluşturduğu için oldukça yararlıdır. (Halkalı sistem gergin yapıda olduğunda şüphesiz düzeltme yapılması gerekir.) Bu yaklaşım kullanıldığında halkalı bileşikle aynı sayıda 77 elektronları içeren kar şılık gelen açık zincirli bileşik alınır. Bu bileşiğin uç karbon atomlarından iki hidrojen atomu çıkararak halkalı bileşiğe ulaşıldığını kabul ederiz. Eğer halkalı yapı, karşılık ge len halkalı olmayan, açık zincirli yapıdan daha az 77 elektron enerjisine sahipse halka aromatik, eğer aynı 77 elektron enerjisine sahipse aromatik değildir (nonaromatik). Eğer halka daha fazla 77 elektron enerjisine sahipse halka and aromatiktir denir. 7 7 elektronlarının enerjilerinin deneysel olarak ve hesaplamalarla nasıl bulunduğu bi zim amacımızın dışındadır, ancak bu yaklaşımın nasıl uygulandığım dört örnekle gös tereceğiz.

Siklobütadien Siklobütadien için, aşağıdaki olduğunu varsaydığımız dönüşümde elektron enerjilerinin nasıl değiştiğini ele alalım.

77

_ E 'üli'ilîll'i] _ e n e rjis i a r t a r

1,3-Bütadien 4 77 elektronlu

Siklobütadien 4 77 elektronlu (antiaromatik)

Hesaplama ve deneysel sonuçlar siklobüıadienin enerjisinin, karşılığı olan açık zincirli bileşikten (1,3-bütadien) daha fazla olduğunu göstermiştir. Bunun sonucu olarak siklo bütadien antiaromatik olarak sınıflandırılır.

Benzen

Aşağıda verilen ve olduğu varsayılan dönüşümü ele alalım. _ ^ -d e k _ tro n _

_

+ H,

e n e r jisi a z a l ı r

1,3,5-Heksatrien 6 77 elektronlu

Benzen 6 7relektronlu (aromatik)

Hesaplamalar ve deneysel sonuçlar benzenin 77 elektron enerjisinin 1,3,5-heksatrieninkinden daha az olduğunu gösterir. Bu karşılaştırma sonucu benzen aromatiktir denir.

14.8 Diğer Aromatik Bileşikler

Siklopentadienil Anyonu

Aşağıdaki hayali dönüşüm için bir doğrusal anyon kul

lanalım. 7 7 -e le k lr o n

+ H,

enerjisi azalır

6 7r elektronlu

Siklopentadienil anyonu 6 77 elektronlu (aromatik) Hesaplamalar ve deneysel sonuçlar halkalı yapıdaki anyonun, karşılığı olan açık zincir li yapıdan daha az enerjili olduğunu göstermiştir. Bunun sonucu olarak siklopentadienil anyonu aromatik olarak tanımlanır.

Siklooktatetraen

Siklooktatetraen için aşağıdaki hayali dönüşümü ele alalım. 7 T -e le k tro ıı

+ H,

e n e rjis i a r t a r

8 77 elektronlu

Siklooktatetraen 8 77 elektronlu (antiaromatik) Hesaplamalar ve deneysel veriler düzlem yapıda olduğu varsayılan siklooktatetraenin tt elektron enerjisinin, karşılığı olan açık zincirli yapınınkinden daha fazla olduğunu gös termiştir. Bunun sonucu olarak siklooktatetraen düzlem yapıda olsaydı bile antiaroma tik olacaktı. Daha önce de ifade ettiğimiz gibi siklooktatetraen düzlem yapıda değildir ve basit halkalı bir polien gibi davranır.

Hesaplamalar, aşağıda verilen ali il katyonunun siklopropenil katyonuna hayali dö- -< nüşümünde, elektron enerjisinin azaldığını göstermiştir. CH2= C H — CH2+ — ►^

P ro b l e m 14.8

+ H2

Bu sonuç bu bileşiğin aromatikliğiyle ilgili hangi bilgiyi verir? (Bu katyon için Prob lem 14.10'da daha fazla ayrıntı verilmiştir.)

Siklopentadienil katyonu antiaromatiktir. Bu sonuç halkalı yapıdaki ve bunun açık zincirli karşılığı olan bileşik hakkında hangi bilgileri verir?

P ro b l e m 14.9

1967 yılında R. Breslow (Columbia Üniversitesi) ve çalışma arkadaşları, CH2C l2’li, ^ ortamda 3-klorosiklopropene SbCl5 ilave ettiklerinde beyaz renkte C3H3 +SbCl6_'nin çöktüğünü gözlemişlerdir. Bu tuz çözeltisinin NMR spektrumu hidrojen atomları nın özdeş olduğunu göstermiştir. Breslovv ve çalışma arkadaşlarının elde ettiği aro matik iyon nedir?

P ro b l e m 14.10

14.8

D İĞ E R A R O M A T İ K BİLEŞİKLER

I4.8A Benzenoit Aromatik Bileşikler Buraya kadar gördüklerimize ilave olarak birçok aromatik bileşik daha vardır. Benze noit arom atik bileşiklerin geniş bir sınıfı çok halkalı benzonoit arom atik hidrokar-

637

638


Şekil 14.14 Benzenoit aro matik hidrokarbonlar.

7 6

A n trasen

N aftalin

CjfrHg

CuH 9

6 5

jo

8

10

jl 7

'8

4

3

10

P ire n

F e n a n tre n c 14h 10

^ 20^12

bonlar olarak adlandırılır. Şekil 14.14'te örnekler verilmiştir. Tüm bu moleküller bir birine bitişik (kaynaşık) iki veya daha fazla benzen halkasına sahiptir. Bunlardan biri ni, örneğin naftalini alarak benzenoit kelimesiyle ne ifade ettiğimizi daha iyi inceleyelim. Rezonans teorisine göre naftalin molekülü, üç Kekule yapısının melezi olarak kabul edilebilir. Bu Kekule yapılarından birisi Şekil 14.15’ te gösterilmiştir. Naftalin halka larında iki ortak karbon atomu vardır {CAa ve C8a). Bu iki atoma halka birleşm e (kay naşma) noktaları denir. Bu iki atom doğrudan doğruya diğer halka atomlarına bağlanmıştır ve hidrojen taşımazlar. Naftalinin moleküler orbital hesaplamaları Şekil 14.16 baz alınarak başlatılır, p Orbitalleri her iki halkanın çevresi etrafında ve halkaların birleşme noktaları boyunca örtüşür. Şekil 14.16’da verilen model kullanılarak naftalin için moleküler orbital hesaplama ları yapıldığında, hesaplama sonuçları naftalin için deneysel olarak bulduklarımızla uyum sağlar. Hesaplamalar, iki halka boyunca 10 tt elektronun delokalizasyonuyla elde edi len yapının, her bir Kekule yapısı için hesaplanandan daha az enerjili olduğunu göster miştir. Sonuç olarak naftalin, rezonans enerjisine sahiptir. Benzen için bildiklerimizi temel alarak, naftalin katılma tepkimeleri vermeyip yer değiştirme tepkimeleri verir di yebiliriz. Diğer özelliklerinin de aromatik bileşiklerle aynı olduğunu söyleyebiliriz. Antrasen ve fenantren izomer iki bileşiktir. Antrasende üç halka doğrusal şekilde, fenantrende ise açılı bir molekül meydana getirecek şekilde birleşmişlerdir. Her iki mo lekül de çok büyük rezonans enerjisine sahiptir ve kimyasal özellikleri aromatik bileşiklerinkine benzer. Piren de aromatiktir. Piren çok uzun zamandır bilinen bir bileşiktir. Piren türevle rinden birisi, Hiickel kuralının bir başka ilgi çekici uygulamasını göstermek amacıyla araştırma konusu olmuştur. Şekil 14. 15 Naftalinin Kekulé yapılarından birisi.

H

H

ç5 H

H

;ç H

»

H

14.8 Diğer Aromatik Bileşikler

639

Şekil 14. 16 Naftalinin stilize edilmiş p orbitalleri.

Bu özel araştırmayı anlayabilmemiz için pirenin Kekule yapısını (Şekil 14.17) ince lememiz gerekir. Pirenin toplam 77 elektronları sayısı 16’dır (8 ikili bağ = 16 7r elekt ronu). 16 Hückel sayısı değildir ancak Hlickel kuralımnn yalnız tek halkalı bileşiklere uygulanması amaçlanmıştır. Piren ise açıkça görüldüğü gibi dört halkalı (tetrasiklik) bir bileşiktir. Eğer pirenin içteki ikili bağını dikkate almazsak ve dış yüzünden bakarsak, dış yüzeyinin düzlem yapıda olduğunu ve 14 tt elektronu içerdiğini görürüz. Dış yüzey [14Janulene çok benzer. Ondört Hückel sayısıdır (4/? + 2, burada n = 3’tür). Pirenin iç teki ikili bağının olmadığı kabul edilirse ve dış yüzünden bakılırsa aromatik kabul edi lebilir.

Şekil 14.17 Pirenin Kekule yapılarından birisi. İçteki bağı göstermek için bağ, daire içine alınmıştır.

V. Boekelheide (Oregon Üniversitesi'nden) f/w/5-15,16-dimetildihidropireni sentezlemiş ve bu bileşiğin aromatik olduğunu göstermiştir.

P‘c//?A'-15,16-Dimetildihidropirenin 'H NMR spektrumunda düşük alandaki sinyale *< ilave olarak 8 = - 4,2’de bir sinyal daha gözlenir. Yüksek alandaki bu sinyalin var lığını nasıl açıklarsınız?

I4.8B Benzenoit Olmayan Aromatik Bileşikler B enzenoit aromatik bileşiklere örnek olarak naftalin, fenantren ve antrasen verilebilir.

Siklopentadienil anyonu, sikloheplatrienil katyonu. fra/«-15.16-dimetildihidropiren ve aromatik anulenler ([ölanilen dışında) benzenoit olmayan aromatik bileşikler olarak sınıflandırılır.

P ro b l e m 14.1 I

640


Şekil 14.18 Azulenin hesaplanan elektrostatik potansiyel haritası. (Kırmızı bölgeler daha negatif, mavi bölgelerse daha az negatiftir.)

Benzenoit olmayan aromatik bileşiklere bir başka örnek de azulendir. Azulenin re zonans enerjisi 205 kJ mol "dir. Azulende halkalar arasında önemli ölçüde yük ayrımı vardır. Bu yük ayrımı Şekil 14.18'de elektrostatik potonsiyel haritasıyla gösterilmiştir. Aromatiklikle ilgili kurallar azulenin bu özelliğini açıklar (Bkz Problem 14.12).

Problem 14.12

>- Azulen kayda değer dipol momente sahiptir. Azulenin aromatikliğini ve dipol mo mente sahip oluşunu açıklayan rezonans yapıları yazınız.

I4.8C Fulerenler

1990 yılında; W. Krâtschmer (Max Planck Enstitüsü. Heidelberg). D. Huffman (Arizo na Üniversitesi) ve çalışma arkadaşları, futbol topuna benzeyen, "buckminsterfulleren” olarak adlandırılan C60 molekülünü sentezlediler. Soy atmosferde grafitin ısıtılmasıyla elde edilen C6Ümolekülü, fulerenler olarak adlandırılan yeni bir aromatik bileşikler sımfınının bir üyesidir. Fulerenler tepesi kesilmiş ikosahedran veya jeodezik kubbe ge ometrisine sahip kafes biçiminde moleküllerdir. Jeodezik kubbeli yapıları geliştirmesiyle ünlü mimar Buckminster Fullerin anısına bu isim verilmiştir. C60'ın yapısı 5 yıl önce H. W. Krolo (Sussex Üniversitesi). R. E. Smalley ve R. F. Curl (Rice Üniversitesi) ve çalışma gruplarınca bulunmuştur. Kroto, Curl ve Smalley grafiti lazerle buharlaştırarak oldukça kararlı karbon demetleri karışımı olan C60 ve C70 (Şek 14.19) bileşiklerini bul muşlardır. 1990'dan beri kimyagerler daha küçük ve daha büyük molekül kütleli fulerenleri sentezlemişler ve bu bileşeklerin ilgi cekici kimyasal özelleklerini incelemeğe başlamışlardır.

Şekil 14.19 C60 ve C70’in yapıları. [ Diederich, F.; Whetten, R. L. Acc. Clteın. Res, 1992, 25, 119-126’dan uyarlanmıştır.]

o B o

o 0 o cp
e

%

°c° f

o °S > 0 ° 0
o

,9

°

o

8

00° â 0

ti

n

o

°co ° 0 c° ° O ^ V C o

Qv

°

cb

c.

O °

^

cr> ° Ö

O o

0 0

O

o °

R

ımyası

N a n o tü p le r anotüpler, buckminsterfullerenlerle ilgili karbon esaslı malzemelerin oluştur duğu yeni bir sınıftır. Bir nanotüp, grafit türü karbon tabakalarının (bitişik ben zen halkalarının civciv kafesine benzeyen düzlemsel bir ağ örgüsü şeklinde) bir tüp şekline yuvarlanmasıyla ve her bir ucun bir “bucky topu”nun yarısıyla kapatılmasıyla oluşmuş gibi görünen bir yapıdadır. Nanotüpler çok serttir. Çelik le karşılaştırıldığında çelikten 100 kat daha kuvvetlidir. Kompozit malzemeler için sağlamlaştırıcı özelliklerinin yanında, bazı nanotüpler, kusursuz yapılarıyla yarı iletken veya elektrik iletkeni olarak kullanılır. DNA ve proteinlerin atomik kuv vet mikroskopisi (AFM) ile analizinde prob ucu olarak da kullanılırlar. Nanotüp ler için, moleküler büyüklükte deney tüpleri olarak ve ilaçların taşınması amacıyla kapsüller olarak kullanılması gibi, pek çok kullanım alanı tasarlanmıştır.

Taramalı mikroskop görüntüsünde görüldüğü gibi nanotüplerin dış yüzeyi benzen halkalarından meydana gelmiştir ve bu durum resimde siyah renkle gösterilmiştir. Görüntü C. M. Lieberin (Harvard Üniversitesi) izniyle kullanılmıştır.

Bir jeodezik kubbeye benzer şekilde bir fuleren. beşgen ve altıgenlerin bir ağ örgü sünden meydana gelmiştir. Fulerenin küresel yapıya dönüşmesi için, tam 12 adet beş üyeli halkaya sahip olması gereklidir. Ancak altı üyeli halkadan oluşan yüzeylerin sa yısı çok değişkendir. Örneğin C60 yapısında 20 adet altıgen yüzey varken C70 yapısında 25 tane altıgen yüzey vardır. Fulerende her bir karbon atomu diğer üç karbon atomuna bağlıdır ve karbonlar sp2melezleşmişlerdir. Her bir karbondaki diğer elektronlar mole küler orbital sistemlerine ve moleküle aromatik özellik kazandırırlar. Fulerenlerin kimyası sentezlerinden çok daha ilgi çekicidir. Fulerenlerin elektron il gileri çok fazladır. Alkali metallerden kolayca elektron alarak yeni bir metal fazı (bir "bakür" tuzu) oluştururlar. Bu tuzlardan biri de K^C6ü'tır ve bu tuz, aralarmda potas yum atomları olan yüzey merkezli kübik yapılı “bucky toplan” olarak adlandırılan ka rarlı metalik kristallerden meydana gelmiştir. Bu tuz 18 K’nin altına kadar soğutulduğunda süper iletken hale gelir. Karbon atomu kafesinin içerisinde metal atom ları bulunan fulerenler de sentezlerimiştir. 1996 Yılında Kimya Dalın da Nobel Ödülü fulerenleri bulan Profesörler Curl, Kroto ve Smalley’e veril miştir.

Robert F. Curl

Harold W. Kroto

Richard E. Smalley 641

642

Bölüm 14/Aromatik Bileşikler

Şekil 14.20 Piridinin stilize edilmiş p orbitalleri.

H

14.9

H

e te r o h a lk a li

A

r o m a tîk

b ile ş ik le r

Buraya kadar incelediğimiz halkalı moleküllerin hepsinde halka üzerinde karbon atom ları vardı. Halka üzerinde karbon atomundan başka elementlerin de bulunduğu halkalı bileşikler de vardır. Bu bileşiklere heterohalkali bileşikler denir. Heterohalkali mole küllere doğada sıkça rastlanır. Bu moleküllerin yapıları buraya kadar incelediğimiz bi leşiklerin yapılarıyla çok benzerlik gösterdiği için şimdi bazı örnekler vereceğiz. Heterohalkali bileşiklerden, halka üzerinde; azot, oksijen veya kükürt içerenleri çok yaygındır. Bunlardan önemli olan dört tanesinin Kekule yapıları aşağıda verilmiştir. Bu dört bileşiğin hepsi aromatiktir. 4

Piridin

Pirol

Furan

Tiyofen

Bu yapıları incelediğimizde piridinin yapısının elektronik olarak benzene; pirol, tu ran ve tiyofenin yapılarının ise siklopentadienil anyonuna benzediğini görürüz. Piridin ve piroliin moleküllerindeki azot atomları sp: melezleşmiştir. Piridinde (Şe kil 14.20) sp2 melezleşmiş azot atomu, bağ elektronlarından birini 77 sistemine verir. Bu elektron ve beş karbon atomunun her birisinden gelen birer elektron piridinin elektron sayısını benzende olduğu gibi altıya tamamlarlar. Piridinde azot atomu üzerindeki or-

Şekil 14.21 Pirolün stilize edilmiş p orbitalleri. (Şekil 14.10’daki siklopentadienil anyonunun orbital yapısıyla karşılaştırınız.)

14.10 Biyokimyada Aromatik Bileşikler

643

Şekil 14.22 Furan ve tiyofenin stilize edilmiş p orbitalleri.

taklaşılmamış iki elektron, halkadaki atomlarla aynı düzlemde bulunan sp2 orbitalindedir. Bu sp1 orbitali halkadaki p orbitalleriyle örtüşmez (Bu nedenle onun, p orbitallerine göre ortogonal olduğu söylenir). Azot atomunun ortaklaşılmamış elektron çifti ır sisteminin bir parçası değildir ve bu elektronlar piridine zayıf baz özelliği kazandırır lar. Pirolde (Şekil 14.21) elektronlar farklı şekilde düzenlenmiştir. Pirol halkasının kar bon atomları dört elektronla katkıda bulunduğu için, sp2 melezleşmiş azot atomu üze rindeki iki elektronun da katkısıyla aromatik altı elektronlu yapıya ulaşılır. Bu elektronlar aromatik yapının bir parçası olduğu için, poroton almada kullanılamaz. Bu bakımdan, sulu çözeltilerde pirol yeterli derecede bazik özellik göstermez. Furan ve tiyofen yapısal olarak pirole çok benzerler. Furanda oksijen atomu, tiyofende kükürt atomu sp2 melezleşmiştir. Her iki bileşikte de heteroatomun p orbitali, iki elektronunu tt sistemine veril'. Furan ve tiyofende, oksijen ve kükürt atomları ortakla şılmamış birer elektron çiftlerini rr sistemine ortogonal konumda olan sp2 orbitalinde bulundururlar (Şekil 14.22).

1 4 .1 0

B

iy o k

İm

y a d a

A

r o m a tik

B İl e ş ik l e r

q

I

Aromatik halkalı bileşikler, canlı organizmalardaki tepkimelerde çok önemli rol oynar lar. Bu bölümde tüm bu tepkimeleri anlatmak mümkün değildir. Bu tepkimelerle ilgili, burada, az da olsa örnek vereceğiz. Diğer tepkimeleri daha ileride göreceğiz. Protein sentezlerinde gerekli olan amino asitlerden benzen halkası içeren ikisi aşa ğıda verilmiştir.

Fenilalanin

Tirosin

Üçüncü bir aromatik amino asit, pirol halkasına bitişik benzen halkası içeren triplofandır (Böyle aromatik halkalı sisteme indol sistemi denir, bkz. Altbölüm 20.İB).

7

H Triptofan

İndol

644


Evrimin seyri nedeniyle insanlar benzen halkasını sentezleyecek yeteneğe sahip de ğildir. Bunun sonucu olarak fenilalanin ve triptofan türevleri, insanın beslenmesinde temel amino asitlerdir. Tirosin. fenilalanin hidroksilaz olarak bilen bir enzimin katali ziyle fenil alaninden sentezlenebildiği için, fenilalanin var oldukça, beslenme için te mel madde değildir. Bir çok biyokimyasal sistemde heterohalkalı aromatik bileşikler bulunur. Pürin ve pirimidin türevleri DNA ve RNA’nın temel kısımlarım oluştururlar. 1‘N 2

N ^4 "N ç H Pürin

VıPirimidin

DNA molekülü genetik bilgilerin depolanmasından sorumludur. RNA ise enzimlerin ve diğer proteinlerin sentezinde baskın şekilde rol alır (Bölüm 25).

Probl em 14.13

>• (a)—SH grubu bazen merkapto grubu olarak da adlandırılır. 6-Merkaptopürin akut kan kanseri (lösemi) tedavisinde kullanılır. Yapısını yazınız, (b) Allopürinol 6-hidroksipürin, gut hastalığının tedavisinde kullanılan bir bileşiktir. Yapısını yazınız.

Bir piridin türevi (nikotinamit) ve bir pürin türevi (adenin). biyolojik yükseltgenmelerde yer alan en önemli koenzimlerden birinde (Altbölüm 24.9) bulunur. Bu molekül nikotinamit adenin dinükleotittir (NAD+. yükseltgenmiş şeklidir ve Şekil I4.23'te ve rilmiştir). İndirgenmiş yapısı ise NADH’dir. NAD\ alkol dehidrojenaz olarak adlandırılan karaciğer enziminin bir kısmıdır ve al kolleri aldehitlere yükseltgeyebilir. Toplam değişim çok karmaşık olmasına karşın bir durumda, aromatik halkanın kazandırdığı fazladan kararlılığın (rezonans veya delokalizasyon enerjisi) biyolojik bir kullanımını görebiliriz. Alkollerin aldehitlere yükseltgenmesinin basit gösterilişi bundan sonraki sayfanın ba şında verilmiştir. Şekil 14.23 Nikotinamit ade nin dinükleotit (NAD*).

N ikotinam it

Adenin ____ A ____

4.10 Biyokimyada Aromatik Bileşikler

645

O H I RCOH I H

Bu ezinıatik tepkimeler hakkındaki ilave bilgiler Bölüm 12 girişinde “Koenzim NADH’nin İki Durumu”nda verilmiştir.

I o Alkol (yükseltgenmiş hali)

(indirgenmiş hali)

NAD+’daki aromatik piridiıı halkası (gerçekte pozitif yüklü olduğu için piridinyum hal kası) NADH'deki aromatik olmayan halkaya dönüşür. Piridin halkasının ekstra kararlı lığı bu değişimle kaybolur. Sonuç olarak NADH'deki serbest enerji NAD+’dekinden daha büyüktür. Bununla birlikte, alkolün aldehite dönüşümünde serbest enerji azalır. Bu tep kimeler biyolojik sistemlerdekine eşlik ettiği için (Şekil 14.24) alkolün içerdiği serbest enerjinin bir kısmı NADH’ye transfer olmuş olur. NADH'deki depolanmış enerji, ener ji gerektiren ve hayat için gerekli olan diğer biyokimyasal tepkimeleri sağlamak için kullanılır. Yaşam için birçok aromatik bileşik çok gerekli olmasına rağmen, bazıları da tehli kelidir. Birçoğu zehirli ve benzen de dahil olmak üzere bazı benzenoit bileşikler karsinojendir. Karsinojen bileşiklere örnek olarak benzo[öt]piren ve 7-metilbenz[<7]antrasen verilebilir. 3 4

Benzo[a] piren

7-Metilbenz[a]antrasen

Benzo[a]piren, sigara dumanı ve otomobil eksoz gazlarında bulunmuştur. Fosil ya kıtlarının tam yanmaması sonucu da bu bileşik meydana gelir. Ayrıca kömürde yapılan ızgara etlerde ve yaz günlerinde asfalt caddelerde asfalttan gelen sızıntılarda da bulun muştur.

Benzo[aJpiren gibi bileşik lerin karsinojenik etkileri nin mekanizması Altbölüm 11.18’de “Epoksitler, Karsinojenler ve Biyolojik Yükseltgenmenin Kimya sı” kısmında tartışılmıştır.

Şekil 14.24 Bir alkolün yükseltgenmesi ve nikotinamit adenin dinükleotitin biyolojik kenetlenmesi için serbest enerji diyagramı.

R NAD+


Benzo[«lpiren son derece karsinojen bir maddedir. Bunu gözlemek için bir farenin vü cudunda belirli bir bölgedeki tüyleri traş ettikten sonra bu bölgeyi benzol«[pirenle kap lamak yeteriidir. Fare deri kanserine yakalanacaktır. 14. 1 I

A R O M A T İ K BİLEŞİKLERİN S P E K TR O S K O P İS İ

14.11 A >H NMR Spektrumu Bölüm 9’da gördüğümüz gibi benzen türevlerinin hidrojenleri, düşük alanda, 8 6,0-9,5 bölgesinde elektromanyetik ışımayı soğururlar. Altbölüm 14.7B‘de gördüğümüz gibi ben zen halkası tarafından oluşturulan halka akımı bir manyetik alan meydana getirir. Bu alan halka üzerinde protonların bulunduğu bölgede uygulanan manyetik alanı kuvvet lendirir ve “indüklenmiş alan” olarak adlandırılır. Bu kuvvetlendirme benzen protonla rının oldukça düşük alanda soğurma yapmalarına sebep olur. Altbölüm 14.7B’de görüldüğü gibi fl8]anulen gibi büyük halkalı aromatik bileşik lerde iç kısımdaki hidrojenler, konumları dolayısıyla, bu indüklenmiş alan tarafından oldukça fazla perdelenir. Bu bakımdan bu protonlar alışılmadık ölçüde yüksek alanda, hatta çoğu zaman negatif delta değerlerinde soğurma yaparlar. 14.1 IB l3C NMR Spektrumu Benzen halkası üzerindeki karbon atomları "C NMR spektrumunda 8 100-170 bölge sinde soğurma yaparlar. Şekil 14.25’te 4-A/,/V-dimetilaminobenzaldehitin, genişband pro ton eşleşmesiz nC NMR spektrumu görülmektedir. Bu spektrumdan hem aromatik hem de alifatik karbon atomları içeren bir bileşiğin l3C soğurma değerlerinin analizi için ya rarlanılabilir. DEPT spektrumu (yerden kazanmak için verilmemiştir) 8 45'teki sinyalin CH2, 8 13’teki sinyalin ise CH3 karbonuna ait olduğunu gösterir. Bu iki sinyal etil gruplarının iki karbon atomuna aittir.

T

220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

5C (ppra)

Şekil 14.25 4-A,Af-dietilaminobenzaldehitin genişband proton eşleşmesiz 13C NMR spektruıııu. DEPT bilgileri ve hangi pikin hangi karbona karşılık geldiği her bir pik üzerinde ve rilmiştir.

14.11 Aromatik Bileşiklerin Spektroskopisi

DEPT spektrumundaki 5 126 ve 6 153'teki sinyaller hidrojen içermeyen (b) ve (e) karbon atomlarına aittir (bkz Şekil 14.25). Azot atomunun daha büyük olan elektronegatifliği (karbona göre) (e) karbonuna ait sinyalin oldukça düşük olana (6 153) kayma sına sebep olur. DEPT spektrumunda 8 190‘da gözlenen CH karbonuna ait sinyal aldehit karbonuna aittir. Aldehit karbonu, oksijen atomunun çok kuvvetli elektronegatif özelli ği ve karbonil grubundaki rezonans yapılardan ikinci yapının meleze katkısının çok faz la olması nedeniyle bütün sinyallerden daha düşük alanda yer alır. Her iki etki nedeniyle bu karbonun elektron yoğunluğu çok düşüktür, bunun sonucu olarak oldukça düşük ala na kayar.

Bir aldehit grubu için rezonansla katkıda bulunan yapılar

8 112 ve 8 133’teki sinyaller benzen halkasında bulunan (c) ve (d) olarak etiketle nen iki karbon atomu takımına aittir. DEPT spektrumunda da bu sinyallerin CH grup larına ait olduğu verilmiştir. Fakat bu sinyaller karbon atomlarının hangi takımına aittir? Burada rezonans kuramının ilgi çekici bir uygulaması da görülmektedir. Arnino grubunun ortaklaşılmamış elektron çiftinin yer aldığı A-D rezonans yapıla rını yazarsak, meleze katkıda bulunan yapılardan B ve D yapılarının {d) karbonunda elektron yoğunluğunu artırdığını görürüz. Diğer taraftan

aldehit grubunu da içeren E -H rezonans yapıları yazıldığında, F ve H yapılarında, (c) olarak gösterilen karbon takımında

elektron yoğunluğunun azaldığı görülür. (Başka rezonans yapılar da yazılabilir. Ancak burada tartışmamızın konusu değildir.) Karbon atomunda elektron yoğunluğunun artması onun perdelenmesini artırır ve sin yali yüksek olana kaydırır. Bunun sonucu olarak 8 112’deki sinyal, (d) olarak işaretle nen karbon atomları takımına aittir. Karbon atomu çevresinde elektron yoğunluğunu azaltan etkiler ise bu karbonun sinyalinin düşük alana kaymasına yol açar. Böylece, so nucu 8 133’teki sinyal (c) olarak etiketlenen karbon atomları takımına aittir. Karbon-13 spektroskopisi çok fazla simetriye sahip bileşikleri tanımada oldukça ya rarlıdır. Aşağıda bununla ilgili bir örnek problem verilmiştir.

647

648


Örnek Problem ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Tribromobenzenin (C6H3Br3) genişband proton eşleşmesiz l3C spektrumu Şekil 14.26’da verilmiştir. Bu hangi tribromobenzendir?

TMS

CDC13

_________ ı____ ________ L 220

200

180

160

140

120 100 5C(ppm)

80

60

40

20

0

Şekil I4.26 Bir tribromobenzenin genişband proton eşleşmesiz ,3C spektrumu. Cevap:

Tribromobenzen'in üç farklı yapıda yazılması mümkündür: Br

1,2,3-Tribromobenzen

Br


Br


Spektrumumuzda (Şekil 14.26) sadece iki pik vardır. Yani iki farklı karbon atomu ol ması gerekir. Bu yapılarda sadece 1.3.5-tribromobenzen oldukça simetrik bir yapıdadır ve yalnızca iki sinyal verebilir. Doğru yapı 1,3,5-tribromobenzendir. 1,2.3-Tribromobenzen dört, 1,2,4-tribromobenzen ise altı sinyal verir.

P ro bl em 14.14

>• Oıto-, meta-, ve /?£/;r/-dibromobenzen izomerini 13C spektroskopi verilerini kullana rak nasıl ayırt edebilirsiniz?

14.1 IC S ü b stitü e B en zen lerin İn frared S p e k tru m u

Benzen türevleri kendilerine özgü 3030 cm ''de C—H gerilme piki verirler (Çizelge 2.7). Benzen halkasındaki karmaşık seri hareketler 1450-1600 cn r1bölgesinde dört pik ve rebilir. Bu piklerden ikisi 1500 ve 1600 cm-1‘dedir ve kuvvetli band olarak gözlenir. Benzen bileşiklerinde hangi konumlarda substitiient bulunduğunu anlamak için çoğu zaman (fakat her zaman değil) 680-860 cm 1 bölgesindeki soğurma pikleri kullanılır

14.1 I Aromatik Bileşiklerin Spektıoskopisi Çizelge

14.21 680-860 cm 1Bölgesindeki İnfrared Soğurmaları" 11

12

13

14

15 Mm

(Çizelge 14.1). Monosübstitüe benzenler 690-710 cm ”de ve 730-770 cm pde iki kuv vetli pik verirler. Orto-disübstitüe benzenler 735-770 c m 1'de C—H eğilme hareketlerinden kay naklanan kuvvetli bir soğurma piki verirler. Bu absorpsiyon C—H eğilme hareketinden kaynaklanır. Meta-disübstitiie benzenler 680-725 cm 1 arasında kuvvetli, 750-810 cm 1arasında çok kuvvetli olmak üzere iki pik verirler. Para-disübstitüe benzenler ve 800-860 cm 1arasında tek bir kuvvetli soğurma gösterirler.

Formülü C7H7Br olan dört benzenoit bileşik 680- 860 cm 1bölgesinde aşağıdaki İR ^ piklerini verir. A, 740 c n r1(kuvvetli) C. 680 cm 1(kuvvetli) ve 760 cm 1(çok kuvvetli) B. 800 cm-1 (çok kuvvetli) D. 693 cm '(çok kuvvetli) ve 765 cm 1(çok kuvvetli) A, B, C, D için yapılar öneriniz.

14.1 İD Aromatik Bileşiklerin G örünür-Ultraviyole Spektrumları

Benzen halkasının konjuğe ttelektronları ultraviyole bölgede benzen halkasına özgü bir soğurma yapar. Bilinmeyen bir bileşikte, benzen halkası olup olmadığı kolayca anlaşı labilir. 205 nm'de orta şiddette bir soğurma demeti, 250-275 mirde ise şiddeti daha az olan bir başka soğurma demeti gözlenir. Benzen halkasının dışında konjugelenme var sa başka dalga boylarında da soğurma vardır.

P ro bl em 14.15

649

ımyası Güneş Koruyucuları (Güneş Işınlarına Maruz Kalma ve Bunun Etkileri) ( j ü n e ş koruyucularının kullanımı, son zamanlarda, deri kanseri riskinin UV ışınla rına manız kalmayla ilişkili olması nedeniyle artmıştır. Örneğin ultraviyole ışınları DNA’da bitişik timin bazlarının mutajenik dinlerleri oluşturmasına yol açar. Güneş ko ruyucuları, UV bölgesindeki elektromanyetik ışımayı soğuran aromatik moleküller içer diği için deriyi güneş ışınlarından korurlar. UV ışınları bu moleküller tarafından soğurulduğunda n elektronları ve bağa katılmayan elektronlar yüksek enerji seviyesi ne uyarılırlar (Altbölüm 13.9B). Daha sonra durulmayla, enerji, titreşimlerle molekül den etrafa yayılır. Böylece UV ışıması ısıya (IR ışımasına) dönüştürülür. Güneş koruyucuları, UV spektrumundaki maksimum soğurma değerlerine göre sı nıflandırılırlar. Tipik olarak UV spektrumun üç bölgesi göz önüne alınır. 320-400 nm bölgesi UV-A, 280-320 nm bölgesi UV-B ve 100-280 nm bölgesi UV-C olarak ta nımlanmıştır. En tehlikeli bölge, en küçük dalga boyuna sahip olan UV-C bölgesidir. Güneş koruyucularından Bu bölge en fazla enerjilidir. Yeryüzü atmosferindeki ozon ve diğer bileşenler UV-C UV-A ve UV-B aktif mad dalgalarını soğururlar. Atmosfer tabakası, ozonu tahrip eden kirleticilerce bozulmadık de olarak aktil metoksisi- ça, spektrumun bu bölgesindeki ışınlardan korunmamız doğal olarak devam edecektir. namat ve oksibenzon UV-A bölgesindeki ışınların çoğunluğu ve UV-B bölgesindeki ışınların bir kısmı at içerir. mosferden bize ulaşacağı için, bu ışınlardan korunma amacıyla güneş koruyucuları bu lunmuştur. Güneşte esmerleşme ve güneş yanıkları UV-B ışımasıyla meydana gelir. Deri kanseri riski, bazı UV-A dalga boylarında da önemli olmasına rağmen başlıca UV-B ışımasıyla ilgilidir. Güneş koruyucularının koruma alanları, yapılarında bulunan UV-soğurucu grupla ra bağlıdır. Güneş koruyucuların yapıları aşağıdaki temel bileşiklerden oluşur: p-aminobenzoik asit (PABA), sinamik asit (3-fenilpropenoik asit) benzofenon (difenil keton) ve salisilik asit (o-hidroksibenzoik asit). Çok yaygın olarak kullanılan güneş koruyu cularından birkaçının yapıları ve Amaks değerleri aşağıda verilmiştir. Bu yapılardaki or tak taraf, aromatik halkayla konjuge diğer fonksiyonel grupları içermeleridir.

2-Hidroksi-4-metoksibenzofenon (Oksibenzon) Amaks 288 ve 325 nm

650

Homomentil salisilat (Homosalat) Amaks 309 nm

2-Etilheksil 2-siyano-3,3-difenilakrilat (Oktokrilen) Amaks 310 nm

Ek Problemler

14.1 IE Aromatik Bileşiklerin Kütle Spektrumu Alkil grubu takılı benzenlerin kütle spektrumunda temel iyon, halkaya bağlı alkil gru bunun birinci ve ikinci karbon atomları arasındaki bağının kopmasıyla oluşur ve sıkça mJz 91'de gözlenir. İyon önce benzilik katyon olarak meydana gelir ve çevrilme sonu cu tropilyum katyonuna (C7H7\ Altbölüm 14.7C) dönüşür. Monoalkilbenzen bileşikle rinin külle spektrumunda çok sık görülen diğer bir iyon da C6H5+’dır ve miz 77’de görülür.

Anahtar Te rim le r ve Kavramlar Alifatik bileşikler Aromatik bileşikler Benzende yer değiştirme Rezonans enerjisi Hückel kuralı Anulenler ¿Aromatik iyonlar Benzenoit aromatik bileşikler Benzenoit olmayan aromatik bileşikler Heterohalkalı aromatik bileşikler Fulerenler ve nanotüpler

Altbölüm 14.1 Altbölümler 14.1 ve 14.7D Altbölüm 14.3 Altbölüm 14.5 Altbölüm 14.7 Altbölüm 14.7A Altbölüm 17.7C Altbölümler 14.7D ve 14.8A Altbölümler 14.7D ve 14.8B Altbölüm 14.9 Altbölüm 14.8C

14.16

Aşağıdaki bileşiklerin yapı formüllerini yazınız. (a) 3-Nitrobenzoik asit (j) Benzil bromiir (b) p-Bromotoluen (k) p-Nitroanilin (c) o-Dibromobenzen (ı) ö-Ksilen (d) M-Dinitrobenzen (m) ter-Bütilbenzen (e) 3,5-Dinitrofenol (n) p-Krezol (f) p-Nitrobenzoik asit (o) p-Bıomoasetofenon (g) 3-Kloro-l-etoksibenzen (p) 3-Fenilsikloheksanol (h) p-Klorobenzensülfonik asit (q) 2-Metil-3-Fenil-l-bütanol (i) Metil p-toluensüll'onat (r) o-Kloroanizol

14.17

Aşağıdaki her bir isim için kaç bileşik yazabilirsiniz? Her biri için yazabile ceğiniz bileşiklerin açık formüllerini ve adlarını yazınız. (a) Tribromobenzenler (d) Metilbenzensülfonik asit (b) Diklorofenoller (e) C6HS— C4H9 izomerleri (c) Nitroanilinler

14.18

Hückel kuralı (Altbölüm 14.7) tek halkalı bileşiklere kesin uygulanmasına kar şın, naftalinde olduğu gibi tüm çevresindeki ikili bağlar boyunca rezonans ya pılar yazılabilen bisiklik bileşiklere de uygulanabilir.

* Yıldızla işaretlenmiş problemler “çözülmesi daha zor alan problemler’dir.

Ek P

roblemler

651

652


Naftalin (Altbölüm 14.8A)ve azulenin (Altböliim 14.8B) her ikisi de 10 tt elektronuna sahiptir ve her ikisi de aromatiktir. Pentalen (aşağıda verilmiştir) oldukça antiaromatiktir ve -1 00°C‘da bile kararsızdır. Heptalen elde edilmiştir fakat brom bu bileşiğe katılabilir. Heptalen asitlerle tepkime verir ve düzlem yapıda değildir. Bu bileşiğe Hiickel kuralı uygulanabilir mi? Hückel kuralı uy gulanabilirse aromatik olmayışını nasıl açıklarsınız?

Pentalen 14.19

Heptalen

(a) 1960 yılında T. Katz (Columbia Üniversitesi), siklooktotetraenin potasyum metaliyle ısıtıldığında, kararlı bir dianyon olan düzlem yapıdaki CSH62 ’yi (dipotasyum tuzu olarak) meydana getirdiğini ve bu değişim olurken de siklooktatetraenin iki elektron kazandığını göstermiştir.

Şekil 14.7'deki moleküler orbital diyagramını kullanarak bu sonucu açıklayı nız. (b) 1964 yılında Katz aşağıdaki bileşikten iki proton uzaklaştırarak (baz olarak bütillityum kullanarak) C8H62 kararlı dianyonunu elde etmiştir + 2 CjH4Lİ — ►2 Li+ CbH62- + 2 C4H10 Problem 14.18’deki cevabınızı dikkate alarak burada ne olduğunu açıklayınız. 14.20

Altbölüm 14.7A’da verilen IlOJanulenlerin hiçbirisinin aromatik olmamasına karşın aşağıda verilen 10 tt elektronlu sistem aromatiktir.

Hangi etkenler bu bileşiğin aromatik olmasını sağlamaktadır? 14.21

Sikloheptatrienon (I) oldukça kararlıdır. Siklopentadienon (II), aksine olduk ça kararsızdır ve oldukça hızlı bir şekilde Diels-Alder tepkimesi verir (a) Bu iki bileşiğin farklı kararlılıkları için bir açıklama getiriniz, (b) Siklopentadienonun Diels-Alder katılma ürününün yapısını yazınız. O

I 14.22

II

5-Kloro-l,3-siklopentadienonda (aşağıda) klor atomu her iki ikili bağa göre de allilik konumda olmasına karşın, bu bileşik gümüş iyonu varlığında olduk ça yavaş SN1 tepkimesi verir (Altbölüm 15.15). Bu davranışı açıklayınız.

14.23

Aşağıdaki sonuçlan açıklayınız: (a) Sikloheptatrienil anyonu antiaromatik iken siklononatetraenil anyonu düzlem yapıda (açı gerginliğine sahip olmasına rağ men) ve aromatiktir, (b) [löJAnulen aromatik olmamasına karşın kolaylıkla iki elektron alır ve aromatik dianyon oluşturur.

14.24

Rezonans enerji ölçümlerinden de (furan için rezonans enerjisi 96 kJ mol'1, benzen için 151 kJ mol'1) anlaşılaşılacağı gibi furanın aromatik özelliği ben zenden daha azdır. Furanın, benzenden aromatikliğinin daha az oluşunu daha önce hangi kimyasal olayla incelemiştik?

14.25

Şekil 14.27 (s. 654)’de 'H NMR spektrumları verilen A, nin her birinin yapılarını bulunuz.

14.26

Siklooktatetraenin 'H NMR spektrumu 8 5,78‘de tek bir pik içerir. Bu sinya lin yeri siklooktatetraenin elektron delokalizasyonu hakkında nasıl bir açıkla ma getirir?

14.27

Şekil 14.28’de (s. 655) 'H NMR ve IR spektrumları verilen F bileşiği için bir yapı yazınız.

14.28

Molekül kütlesi C9H10 olan bir bileşik (L) karbon tetrakloriirlü ortamda brom la tepkimeye girer. L Bileşiğinin İR spektrumu aşağıdaki soğurma piklerini içe rir: 3035 cm"1(o), 3020 cn r1(o), 2925 cm 1(o), 2853 cm ' (z), 1640 cm 1(o), 990 cn r1(k), 915 cm 1(k), 740 cm 1(k), 695 cm 1 (k). L’tıin 'H NMR spekt rumu aşağıdaki verileri içerir: 8 3,1 (2H), ikili 8 4.8 çoklu

8 5,1 çoklu 8 5,8 çoklu

B, ve C bileşikleri

8 7,1 (5H) çoklu

UV Spektrumu 255 nm'de maksimum soğurma gösterir. L Bileşiği için bir ya pı öneriniz ve her bir İR pikini yorumlayınız. 14.29

M Bileşiğinin molekül kütlesi C9H |2'dir. M'nin 'H NMR spektrumu Şekil 14.29 (s. 655) ve İR spektrumu Şekil 14.30 (s. 656)’da verilmiştir. M için bir yapı öneriniz.

14.30

Molekül formülü C9H10O olan bileşik (N), soğuk sulu potasyum permanganat ile tepkime verir. N bileşiğinin 'H NMR spektrumu Şekil 14.31 'de (s. 656) İR spektrumu ise Şekil 14.32'de (s: 656) verilmiştir. N için bir yapı öneriniz.

14.31

X bileşiğinin (C8H !0) İR ve 'H NMR spektrumları Şekil 14.33’de (s. 657) ve rilmiştir. X bileşiği için bir yapı öneriniz.

14.32

Y bileşiğinin (C9H120) ÎR ve 'H NMR spektrumları Şekil 14.34'de (s. 658) verilmiştir. Y bileşiği için bir yapı öneriniz

14.33

Kafeinin 'H NMR spektrumunda kaç tane pik oluşmasını beklersiniz? O CH, N

(b) Kafeinin İR spektrumunda bu bileşiğe özgü hangi pikleri beklersiniz?

B .C 8H n N

C .C 9H 10

Şekil 14.27 Problem 14.25 için 300 MHz ‘H NMR spektrumu. Sinyallerin genişletilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca verilmiştir.

Dalga boyu (¿¿m)

3

4

5

6

7

8

9

10

12

15

20

30 40

Absorba ns

2.5


Şekil 14.28 Problem 14.27’deki F bileşiğinin 300 MHz 'H N1Y1R ve İR spektrumu. Sinyal lerin genişletilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca verilmiştir.

Şekil 14.29 Problem 14.29’daki M bileşiği için 300 MHz 'H NMR spektrumu. Sinyallerin genişletilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca verilmiştir.

655

656

Bölüm 14 / Aromatik Bileşikler Dalga sayısı (cm ') 4000

3000

2500

2000

1500

1300

1100

1000

900

800

650 625

Şekil 14.30

Problem 14.29’daki M bileşiğinin İR spektrumu (Aldrich Chemical Co., Milwauke, Wl.’nin izniyle).

Şekil 14.3 I Problem 14.30’daki N bileşiğinin 300 MHz 'H NMR spektrumu. Sinyallerin genişletilmiş şeklleri kaydırılmış olarak ayrıca verilmiştir. Dalga sayısı (cm-1) 4000

3000

Şekil 14.32

2500

2000

1500

1300

Problem 14.30’daki N bileşiğinin woukee, Wl.’nin izniyle).

1100

1000

900

İR spektrumu (Aldrich

800

650 625

Chemical Co., Mil-

Ek Problemler

4000

3600

3200

2800

2400

2000 1800 1600 Dalga sayısı(cm-1)

1400

1200

1000

Şekil 14.33 Problem 14.31’deki X bileşiğinin IR ve 300 MHz 'H NMR spektrumu. Sin yallerin genişletilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca verilmiştir.

* 14.34 Aşağıda verilen verilere göre, /?-klorostirenin vinil hidrojenleri 'H NMR spektrumunda nasıl gözlenecektir? (b)

(O i

0

\

H(«)

C1 Halkanın indüklenmiş manyetik alan tarafından yapılan perdelememe etkisi en fazla (c) protonunda (56,7) en az ise (b) protonunda (55,3) hissedilir, (ürj’nın kimyasal kayma değeri yaklaşık 5 5,7’dir. Eşleşme sabitleri yaklaşık olarak Jac = 18 Hz, Jhc = 11 Hz, ve Jab = 2 Hz’dir. (Bu eşleşme sabitleri vinilik sistemlere özgüdür. Trans hidrojenlerin eşleşme sabitleri cis hidrojen atom-

800

650

657

658

Bölüm 14 / Aromatik Bileşikler Dalga boyu (,um) 6 7

2.5

8

9

10

12

15

20

30 40

Dalga sayısı (cm l)

Şekil 14.34 Problem 14.32’deki Y bileşiğinin İR ve 300 MHz 'H NMR spektrumu. Sin yallerin genişletilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca verilmiştir.

larının eşleşme sabitlerinden daha büyüktür. İkiz vinilik hidrojenlerin eşleşme sabitleri oldukça küçüktür.) * 14.35 Aşağıdaki tepkimeyi ele alınız.

HBr

w

A ----------- ►R

A

—f-BuOH

A ara ürünü kovalent bağlı bir bileşiktir. Bu bileşiğin 'H NMR spektrumunda aromatik halka protonları için olanlara ek olarak 8 1,21’de bir pik daha vardır ve bu sinyallerin alan oranı 5 : 3’tür. En son ürün olan B. iyonik yapı dadır ve sadece aromatik hidrojen sinyalleri vardır. A ve B nin yapılarını bulunuz.


659

* 14.36 Aşağıdaki verilen sentezde son ürün D, kırmızı renkli kristal yapıda olup eri me noktası 174° ve kütlesi 186’dır. Siklopentadien + N a ----►C + H2 2 C + FeCl2 ----►D + 2 NaCl D ürününün 'H ve ÜC NMR spektrumu bu bileşiğin tek tip karbon ve tek tip hidrojen atomuna sahip olduğunu göstermiştir. C ’nin yapısını bulunuz. D’nin simetrisinin çok fazla oluşunu yapıyla nasıl açıklarsınız? (D, öğle yemeğinden sonra yiyebileceğimiz tat veren bileşikler grubundan olan bir bileşiktir.) * 14.37 E bileşiğinin spektrum verileri aşağıda verilmiştir Yapısını bulunuz. MS (m/z): En ağır pik 202’dedir. İR (cm-1): 3030-3080, 2150 (çz), 1600, 1490, 760 ve 690 ‘H NMR (5): merkezi 7,34’de olan bir çoklu. UV (nm): 287 (e = 25.000), 305 (e = 36.000) ve 326 (e = 33.000)

1.

2.

Kalistefin klorür, eflatun-kırmızı yıldız çiçeğinden alman bir kırmızı çiçek pig mentidir. Bu bileşiğin sentezindeki basamaklardan birisi aşağıda verilmiştir. Bu Ö basamaktaki mekanizmayı oklarla gösteriniz. Bu dönüşümün niçin uygun bir süreç P olduğunu açıklayınız.

Prostoglandin F2a ve prostoglandin E2 sentezlerinin başlangıcında, E. J. Corey (J. Am. Chem Soc. 1969, 91 9675-5677) aşağıdaki tepkime serisini kullanmıştır. Bu tepkimeyi gösteriniz ve bu tepkimenin niçin mantıklı bir işlem olduğunu açıklayı nız. (1) kuvvetli baz (2) CICH2OCH3

3.

Metil p-hidroksibenzoatın aromatik hidrojenlerine ait 'H NMR sinyalleri 7,05 ve 8,04 ppm’de (5) iki ikili şeklinde gözlenir. Her bir sinyalin hangi hidrojenlere ait olduğunu bulunuz. Katkıda bulunan rezonans yapılan çizerek cevabınızı bağıl elekt ron yoğunluklarına göre açıklayınız.

Hı

ğren m e

G

r o b l e m l e r

rubu

!

660


4.

DNA’nın yapısında bulunan bir heterohalkalı aromatik bileşik olan adeniniıı yapı sını çiziniz. Adenin halkasının aromatik sistemine ait olmayan elektronlarını be lirtiniz. Halka üzerindeki azot atomlarından hangisi en kuvvetli bazik, hangisi en az bazik özellik gösterir?

5.

NADH ve N A D ’da bulunan nikotinamit halkasının yapısını çiziniz. NADH'nin NAD+,ya dönüşümünde, NAD+'daki aromatik piridinyum iyonu oluşurken hangi hidrojen transfer olur?

Aromatik Bileşiklerin Tepkimeleri T iro k s in in B iy o s en te zi: İy o t İç e re n A r o m a tik Y e r D e ğ iş tirm e Tiroksin (yukarıdaki şekilde gösterilen) metabolik hızı düzenlemede rol alan anahtar hor monlardan birisidir. Tiroksin, pek çok dokuda oksijen tüketiminde genel bir artışa ne den olduğu gibi, karbohidratlann, proteinlerin ve lipitlerin metabolizmasında da bir artışa neden olur. Düşük tiroksin seviyeleri (hipotiroidizm) şişmanlığa ve uyuşukluğa yol aça bilir. Yüksek tiroksin seviyeleri (hipertirokdizm) ise zıt etkilere neden olabilir. Tiroit bezi, troksini, beslenmemizdeki iki gerekli bileşen olan iyot ve tiroksinden yapar. Bazı kültürlerde deniz yosunundan elde edilen (yukarıdaki fotoğrafa bakınız) gıda ve katkı maddelerinin iyotun ana kaynağı olmasına rağmen, çoğumuz iyotu iyotlanmış tuzdan alırız. Bununla birlikte, tiroit hormununun anormal seviyesi yaygın bir hastalıktır. Kro nik olarak düşük tiroksin seviyeleri (tedavi edilmezse) tiroit bezinin büyüttüğü guatır olarak bilinen rahatsızlığa neden olabilir. Düşük tiroksin seviyeleri hormon ilavesi ile kolaylıkla düzeltilebilir.

661

I

I Tiroksin

Tiroksin biyosentezi için, yukarıda belirtildiği gibi, tirosin ve iyot gereklidir. Tiroid be zi, iyot ve tiresini, tiroglobulin olarak adlandırılan bir protein (anıino asitlerin bir poli meri) şeklinde depolar. Her bir tiroglobulin molekülü 140 tirosin birimi(birçok diğer amino asit ile birlikte) içerir. İyot, tiroglobulündeki tirosin birimlerinin yaklaşık %20’sine girer. İyotun tiroglobuline girmesini sağlamak için, iyodoperoksidaz denilen bir enzim yiyeceklerimizdeki (örn. iyotlu sofra tuzundan) nükleofilik iyodür anyonlarını elektrofilik iyot türlerine dönüştürür. İyotun bu elektrofilik şekli, tiroglobulündeki tirosin ile, bu bölümün konusu olan elektrofilik aromatik yer değiştirme olarak isimlendirilen bir mekanizma ile tepkimeye girer. Elektrofilik aromatik yer değiştirmeyi inceledikten son ra, bu bölümde sonraki bir kısımda “Tiroksin Biyosentezine İyotun Katılımının Kimya sında tiroksine tekrar döneceğiz.

15. 1

E LE K TR O FİLİK A R O M A T İK YER DEĞ İŞTİR M E TEPKİM ELER İ

Aromatik hidrokarbonlar genellikle arenler olarak bilinirler. Bir aril grubu arenden bir hidrojen atomu çıkarılması ile oluşur ve sembolü Ar— dir. Bundan dolayı arenler, alkanların RH olarak gösterilmesi gibi ArH olarak gösterilirler. Benzenoit arenlerin en karakteristik tepkimesi, elektrofilik reaktiflerle tepkimeye gir diği zaman verdiği yer değiştirme tepkimeleridir: Bu tepkimeler aşağıda genel olarak verilen tipteki tepkimelerdir. Ar— H + E— A --- ►Ar — E + H—A

Elektrofiller ya pozitif bir iyon (E+) ya da büyük kısmî pozitif yüke sahip elektron eksikliği olan diğer bazı türlerdir. Atbölüm 15.3’te öğreneceğimiz gibi, benzen, FeBr3. varlığında bromla tepkimeye girdiğinde broınlanabilir. Brom ve FeBr3 pozitif brom iyo nunu (Br+) oluşturmak üzere tepkime verirler. Bu pozitif brom iyonları elektrofil olarak davranır ve benzen halkasına atak yaparak bir hidrojen atomuyla yer değiştirir. Bu tep kimeye elektrofilik aromatik yer değiştirme, (EAS) denir. Elektrofilik aromatik yer değiştirmeler aromatik bir halkaya değişik grupların doğ rudan girmesini sağlar. Bu bakımdan birçok önemli bileşiğin elde edilmesinde sentetik bakımdan önemli bir yoldur. Beş temel elektrofilik aromatik yer değiştirme tepkimesi Şekil 15.1 ’de verilmiştir. Altbölüm 15.3 ve 15.7'de tepkimelerin her birinde elektrofilin ne olduğunu da öğreneceğiz. 662

15.2 Elektrofilik Aromatik Yer Değiştirme için Genel Bir Mekanizma: Arenyum İyorlan H aloj enlem e (Altbölüm 15.3)

N itro lam a (Altbölüm 15.4)

Sülfolam a (Altbölüm 15.5)

F rie d e l-C ra fts A lkillem esi (Altbölümler 15.6 ve 15.8)

F rie d e l-C ra fts A çillem esi (Altbölümler 15.7 ve 15.9)

Şekil I 5.1Elektrofilik aromatik yer değiştirme tepkimeleri.

1 5.2

ELEKTR OFİLİK A R O M A TİK YER G e n e l B İr M e k a n î z m a : A r e n

D E Ğ İŞ T İR M E İÇİN y u m İy o n l a r i

Benzen esasen içerdiği 77 elektronlarından dolayı elektrofilik atağa karşı duyarlıdır. Bu bakımdan, benzen bir alkene benzer ve bir alkenin bir elektrofille tepkimesinde olduğu gibi atak yapılan yer 7r bağıdır. Ancak Bölüm 14’te, aromatik bileşiklerin tepkimelerinin alkenleı inkinden çok fark lı olduğunu gördük. Benzenin halkadaki altı 77 elektronunun oluşturduğu kapalı kabuk, benzene özgü bir kararlılık sağlar. Böylece, benzen elektrofilik atağa karşı hassas olma sına karşın katılma tepkimelerinden çok yer değiştirme tepkimelerine uğrar. Yer değiş tirme tepkimelerinde elektrofil ile tepkime olduktan sonra, 6 7 7 elektronlu aromatik sistem yeniden sağlanır. Elektrofilik aromatik yer değiştirme için genel bir mekanizmayı ince lersek bunun nasıl olduğunu anlayabiliriz. Birçok deney sonucu, elektrofillerin benzenin 77 sistemine, arenyum iyonu (veya bazen bir a kompleksi) olarak bilinen aromatik olmayan bir karbokatyon oluşturmak üzere atak yaptığını gösterir. Bu basamağı gösterirken 77 elektronlarının hareketini da ha iyi izlemek için Kekule yapılarını kullanmak daha uygundur. r ^

663

15.1 Elektrofilik Aromatik Yer Değiştirme Tepkimeleri 15.2 Elektrofilik Aromatik Yer Değiştirme için Genel Bir Mekanizma: Arenyum İyonları 15.3 Benzenin Halojenlenmesi 15.4 Benzenin Nitrolanması 15.5 Benzenin Sülfolanması 15.6 Friedel-Crafts Alkillemesi 15.7 Friedel-Crafts Açillemesi 15.8 Friedel-Crafts Tepkimelerinin Kısıtla maları 15.9 Friedel-Crafts Açillemelerinin Sentetik Uygulamaları: Cleınmensen İndirgemesi 15.10 Etkinlik ve Yönlendirme Üzerine Sübstitüent Etkileri 15.11 Elektrofilik Aromatik Yer Değiştirmede Sübstitüent Etkileri Teorisi 15.12 Alkilbenzenlerin Yan Zincir Tepkimeleri 15.13 Alkenilbenzenler 15.14 Sentetik Uygulamalar 15.15 Nükleofilik Yer Değiştirme Tepkimelerinde Benzilik ve Allilik Halojenürler 15.16 Aromatik Bileşiklerin İndirgenmesi

E— A

1. Basamak

Arenyum iyonu (o kompleksi)

1. Basamakta elektrofil, benzen halkasının bir karbonuyla bir crbağı oluşturmak için altı-elektronlu 77-sisteminden iki elektron alır. Bu bağın oluşumu halkalı yapıdaki 7 7 elekt ron sistemini bozar, çünkü, arenyum iyonu oluşumunda elektrofille bağı oluşturan kar-

Resonans yapıları (burada arenyum iyonları için kul lanılanlarda olduğu gibi) elektrofilik aromatik yer değiştirmeyi görmeniz için önemli olacaktır.

664

Bölüm 15 / Aromatik Bileşiklerin Tepkimeleri

Kimyasal formüller için olan renkli şemamızda, mavi renk genellikle elektrofilik veya elektron çekici karakterdeki grupları gös terir. Kırmızı renk Lewis bazı veya elektron verici karakterdeki ya da öyle olabilen grupları belirtir.

bon atomu sp* melezleşmiş yapıya dönüşmüştür ve bu nedenle artık kullanılabilir p oıbitali kalmamıştır. Şimdi halkanın yalnızca sp2 melezleşmiş beş karbon atomu ve p orbitalleri vardır. Bu beş p orbitali boyunca arenyum iyonunun dört tt elektronu delokalize olur. Bromun benzene elektrofilik katılması ile oluşan arenyum iyonu için hesaplanmış elektrostatik potansiyel haritası, arenyum iyonu halkasındaki pozitif yük dağılımının (Şe kil 15.2) katkıda bulunan rezonans yapılarında gösterildiği gibi olduğunu belirtir. 2. basamakta arenyum iyonunun elektrofili bulunduran karbon atomundan bir pro ton çıkartılır. Bu protonu karbona bağlayan iki elektron tt sisteminin bir parçası hali ne gelir. Elektrofili içeren karbon atomu tekrar sp2 melezleşir ve altı tam delokalize tt elektronlu benzen türevi oluşur. 2. basamağı, arenyum iyonlarını temsil eden rezonans yapılarından herhangi biri ile gösterebiliriz. + H— A (Proton, ortamdaki herhangi bir baz ile, örneğin, elektrofilden türemiş anyon ile uzak laştırılır.)

P ro bl em 15.1

>- Arenyum iyonu için olan üç rezonans yapıdan her birisini kullanarak bir proton çı kışının nasıl olduğunu ve her bir gösterilişin üç konjuge ikili bağa sahip (yani, altı tam delokalize olmuş tt elektronu olan) benzen halkasını nasıl oluşturduğunu gös teriniz.

Kekule yapıları, elektrofilik aromatik yer değiştirme tepkimelerinde (biraz ileride in celeyeceğimiz, anlamamıza yaptığı katkıdan dolayı çok değerli olan rezonans teorisinin kullanımınına izin verdiğinden) tepkime mekanizmalarının yazılması için çok uygun dur. Mekanizma, kısa ve öz şekliyle benzenin modern formülü kullanılarak aşağıdaki şekilde yazılabilir. Şekil 10.2 Bromun benze ne elektrolitik katılması ile oluşan arenyum iyonu ara ürünü için hesaplanarak bulunan yapı (Altbölüm 15.3). Bağ yapan elektronla rın temel konumu için olan elektrostatik potansiyel ha ritasından (üç boyutlu yü zeyle gösterilmiştir) pozitif yükün (mavi) başlıca elektrofilin bağlandığı karbona göre orto ve para karbon larda olduğu görülmektedir. Yükün bu dağılımı arenyum iyonu için olan rezonans modeli ile uyum içindedir, (van der Waals yüzeyi tel örgüyle gösterilmiştir.)

Elektrofilik aromatik yer değiştirme tepkimelerinde arenyum iyonunun gerçek bir ara ürün olduğunu gösteren kesin deneysel kanıt vardır. Ara ürün bir geçiş hali değil dir. Arenyum iyonu, serbest enerji diyagramında (Şekil 15.3) iki geçiş halinin enerji va disinde bulunur. Benzen ve elektrofilden, E+, arenyum iyonu oluşturan tepkime için serbest aktifleş me enerjisi, AG \| >, arenyum iyonundan son ürüne neden olan tepkimenin aktifleşme ener jisinden. AG'\2), büyüktür. Bu beklediğimiz bir sonuçtur. Benzen ve elektrofilden arenyum iyonunu veren tepkime, benzenin rezonans enerjisini kaybetmesinden dolayı, oldukça endotermikdir. Tersine, arenyum iyonundan substitüe benzeni veren tepkime, benzen halkasının rezonans enerjisini tekrar kazanmasından dolayı oldukça eksotermiktir.

15.3 Benzenin Halojenlenmesi

H -A

Şekil 15.3 Elektrofilik aromatik yer de ğiştirme tepkimesi için serbest enerji diyag ramı. Arenyum iyonu 1. ve 2. geçiş hallerinin arasında bulunan gerçek bir ara üründür. Geçiş halinde, elektrofil ve benze nin bir karbon atomu arasındaki bağ kıs men oluşur. Geçiş hali 2’deyse, aynı benzen karbon atomu ve hidrojen atomu arasındaki bağ kısmen kırılır.

Tepkime

Aşağıdaki iki basamaktan birincisi — arenyum iyonu oluşum basamağı — elektro filik aromatik yer değiştirmede genellikle hız belirleyici basamaktır. + : A~

1. Basamak H

Yavaş, hız belirleyici

E Hızlı

İkinci basamaktaki bir protonun çıkışı, 1.basamağa göre daha hızlı olur ve toplam tep kime hızına bir etkisi yoktur.

15.3

B EN ZEN İN HALO JEN LENM ESİ

Benzen, karışımda bir Lewis asidi bulunmadıkça brom veya klorla tepkime vermez. (So nuç olarak, benzen karbon tetraklorür içerisindeki bromun rengini gidermez.) Ancak Le wis asitleri bulunduğunda benzen, brom veya klorla hemen tepkimeye girer ve tepkimeler, iyi verimlerle, sırasıyla bromobenzen ve klorobenzeni verir.

Klorobenzen (%90)

Br2

FeBr, ^ ısı

Bromobenzen (%75)

665

666


Aromatik halkanın klorlanması ve bromlanmasında kullanılan en etkin Lewis asit leri susuz FeCl3, FeBr3 ve AlCl3'tür. Ferrik klorür ve ferrik bromür genellikle tepkime ortamına demir eklenerek oluşturulur. Demir, ferrik halojenürü oluşturmak üzere halo jenle tepkimeye girer. 2

Fe + 3 X2 — ►2 FeX3

Aromatik bromlama için mekanizma aşağıdaki gibidir.

T e p k i m e için Bir M eka n i z m a --------- 1-------------------------------: Aromatik Bromlama

1. Basamak

B r— Br: + FeBr,

» c&t •• •• : Br — Br—FeBr,--- ►: Br+ + =Br—FeBr3

Brom, FeBr, ile etkileşerek bir kompleks oluşturur. Bu kompleks de pozitif brom iyonu ve FeBr4~ oluşturmak üzere ayrışır. Br= Bu arenyum iyonu için bir elektrostatik potansiyel haritası Şekil 15.2’de gösteril miştir.

H

Br=

yavaş

+ Br=- —

2. Basamak

1

y

Arenyum iyonu Pozitif brom iyonu bir arenyum iyonu oluşturmak üzere benzene atak yapar. H

3. Basamak

••

:B p -F eB r3

Br= + H — B r : + FeBr,

Bromobenzeni oluşturmak için arenyum iyonundan bir proton çıkarılır.

Tiroksin bivosentezindeki elektrofilik iyotlama tep kimesinde bu bölümün açılış kısmında bahsedil mişti. Aynı konu Altbölüm 15.11F’den sonra “Kimyası...” adlı çerçeveli kısımda tartışılmıştır.

Lewis asidinin görevi, 1. basamakta görülebilir. Ferrik bromür; bir pozitif brom iyo nu, B r\ (ve FeBr4) oluşturmak üzere brom ile tepkimeye girer. 2. basamakta bu Br+ iyonu, bir arenyum iyonu oluşturmak üzere benzen halkasına atak yapar. Son olarak 3. basamakta FeBr4 ile arenyum iyonundan bir proton uzaklaştırılır. Bu tepkime, tepkime ürünleri olarak bromobenzen ve hidrojen bromürün oluşumuyla sonuçlanır. Aynı zaman da bu basamakta FeBr3 katalizörü tekrar geri kazanılır. Benzenin, ferrik klorürlü ortamda klorlanma mekanizması, bromlanma için olan me kanizmaya benzer. Ferrik klorür aromatik klorlamada, aromatik bromlamada ferrik bro mürün yaptığı ile aynı şekilde davranır. Pozitif halojen iyonunun oluşumuna ve aktarılmasına yardım eder. Flor, benzen ile çok hızlı tepkimeye girdiği için, aromatik florlama özel koşul ve özel tipte düzenek gerektirir. Hatta, tepkimeyi monoflorlamayla kısıtlamak zordur. An cak. florobenzen Altbölüm 20.8D'de göreceğimiz dolaylı bir yöntemle sentezlenebilir. Diğer taraftan iyot, aynı tepkimeyi verecek kadar etkin değildir. Etkili bir iyotlama için özel bir teknik kullanılmalı: tepkime nitrik asit gibi bir yükseltgen madde varlığın da yapılmalıdır.

15.4 Benzenin Nitrolanması

(%

15.4

86)

B EN ZEN İN N İTR O LA N M A S I

Benzen, sıcak derişik nitrik asitle yavaş bir şekilde etkileşerek nitrobenzen verir. Tep kime. derişik nitrik asit ve derişik sülfürik asit karışımı kullanılır ve ısıtılırsa çok daha hızlı yürür? + HNO, + H2S04

50-55°C

+ H3Of + HS04“ (%85)

Derişik sülfürik asit, aşağıdaki mekanizmanın ilk iki basamağında gösterildiği gibi, elektrofilin (nitronyum iyonunun, NCV) derişimini artırarak tepkimenin hızım artırır.

T e p k i m e için Bir M e ka ni z m a Benzenin Sülfolanması H Y

o¡.Basamak

H03S 0 — H + H—O—N (h 2so 4)

* = * H—Q— Nx

+ HS04‘

.o:"

.o : ■

Bu basamakta nitrik asit, daha kuvvetli asit olan sülfürik asitten proton alır. H

0:

\ k f )

2. Basamak

H—O—N, t d

H-.0

+

O' II II .0.

Nitronyum iyonu Şimdi, protoniaıımış nitrik asit, nitronyum iyonu vermek üzere ayrışabilir.

3. Basamak 1 ?11^’

yavaş ^

.0 . Arenyum iyunu Nitronyum iyonu nitrolamada gerçek eletrofildir; ve rezonans kararlı arenyum iyonu vermek üzere benzen ile tepkimeye girer.

2

4. Basamak

+

H—Ö— H I H

Arenyum iyonu bir Lewis bazına proton verir ve nitrobenzen oluşur.

667

668


P ro b l e m I 5.2

> H2S04'ün pKa değeri - 9 , HN03’ün pKu değeri -1,4’tür. Nitrolamanın neden deri şik nitrik ve sülfürik asit karışımında, sadece derişik nitrik asitle yapılana göre da ha hızlı gerçekleştiğini açıklayınız.

15.5

B EN ZEN İN SÜ LFO LA N M A SI

Benzen dumanlı sülfürik asitle oda sıcaklığında benzensülfonik asit vermek üzere tep kimeye girer. Dumanlı sülfürik asit, ilave edilmiş kükürt trioksit (S03) içeren sülfürik asittir. Sülfolama. derişik sülfürik asitle de gerçekleşir, ancak daha yavaş olur. 0‘

O’*

•■O..

Kükürt trioksit

Benzensülfonik asit (%56)

İki tepkimede de elektrofil kükürt trioksittir. Derişik sülfürik asitte, kükürt trioksit, H2S 04’ün hem asit hem baz olarak davrandığı bir denge tepkimesiyle oluşur (aşağıda ki mekanizmanın 1. basamağına bakınız).

T e p k i m e için Bir M e ka ni z m a

15.6 Friedel-Crafts Alkillemesi

669

Kükürt trioksitin sülfürik asitten oluşumunu içeren 1. basamak dahil bütün basamak lar denge tepkimeleridir. Dolayısıyla toplam tepkime de bir denge tepkimesidir. Deri şik sülfürik asit içerisinde toplam denge 1-4 basamaklarının toplamıdır.

Dumanlı sülfürik asitte çözünmüş kükürt trioksit doğrudan tepkimeye girdiğinden, 1.basamak önemli değildir. Bütün basamaklar dengede olduğundan, denge konumu uyguladığımız koşullardan etkilenebilir. Benzeni sülfolamak istediğimiz zaman derişik sülfürik asit—veya daha iyi si dumanlı sülfürik asit—kullanırız. Bu koşullarda denge sağa kayar ve benzen sülfonik asidi iyi bir verimle elde ederiz. Diğer taraftan, bir benzen halkasından sülfonik asit grubunu çıkarmak isteyebiliriz. Bunu yapmak için, seyreltik sülfürik asit kullanırız ve karışımından genellikle buhar ge çiririz. Bu koşullarda—yüksek su derişimi ile—denge sola kayar ve desülfolama olur. Aromatik bileşiğin uçucu özellikte olması durumunda, bu bileşiklerin buharla damıtalabilmesi nedeniyle denge daha da sola kayar. Daha ileride, sülfolama ve desülfolama tepkimelerinin sentetik çalışmalarda sık kul lanıldığını göreceğiz. Örneğin, bazen tepkimenin seyrini etkilemek için sülfonik asit gru bunu benzen halkasına bağlarız. Sonra da desülfolama ile sülfonik asit grubunu çıkarabiliriz.

15.6

F

r ied el

-C

r afts

A

Sülfolanıa-desülfolama elektrofilik aromatik yer değiştirmeyi içeren sentez lerde yararlı bir araçtır.

lk îllem es î

1877 yılında Fransız kimyası Charles Friedel ve Amerikalı çalışma arkadaşı James M. Crafts alkil benzenlerin (ArR) ve açil benzenlerin (ArCOR) hazırlanması için yeni yön temler buldular. Bu tepkimeler Friedel-Crafts alkilleme ve açilleme tepkimeleri olarak bilinir. Burada Friedel-Crafts alkillemesi tartışılacak, Friedel-Crafts açillemesi ise Altbölüm 15.7'de ele alınacaktır. Bir Friedel-Crafts alkillemesi için genel eşitlik aşağıdaki gibidir.

Tepkime için mekanizma (R—X olarak izopropil klorür alındığında, aşağıdaki basamak larla gösterilmiştir) karbokatyon oluşumuyla (1. basamak) başlar. Daha sonra, karbokatyon bir elektrofil olarak davranır (2. basamak) ve bir arenyum iyonu oluşturmak üzere benzene atak yapar. Arenyum iyonu (3. basamak) daha sonra izopropil benzeni vermek üzere bir proton kaybeder.

Charles Friedel

James Mason Crafts

670


j T e p k i m e için Bir M ek a n i z m a -j----------------------------------------* Friedel-Crafts Alkillemesi

H3C /. Basamak H,C

:C1:

\ CH—CP + / B u b ir L e w is a s it - b a z

te p k im e s id ir ( A ltb ö lü m 3 .2 B 'y e b a k ın ız ).

:C1:

H,C

H*C\

^ ch —g —Al—ç p «=*

H,C

:Ç1S

:C1: \+

CH +

:çı—Al—C1:

H3C

:C1 •

B u k o m p le k s , b ir k a r b o k a ty o n ve A IC 1 7 v e rm e k üzere a y r ış ır.

CH3

ÇH3

<=*/ V CH

2. Basamak ch3

' ---- / H

diğer rezonans yapılan

ch3

E le k tr o fıl o la r a k d a v ra n a n k a rb o k a ty o n , b ir a re n v u m iy o n u o lu ş tu rm a k üze re benzenle te p k im e y e g ire r.

,___+ 3. Basamak

CH,

=CP

CH + :C1—Al—CP I " £ h3

:cı:

^H 3

o -

CH + HC1 + AlCl, ch3

İz o p ro p ilb e n z e n o lu ş tu rm a k iç in a re n v u m iy o n u n d a n b ir p r o to n ç ık a r ılır . B u b a s a m a k A l C l , ’ ü ye n id e n o lu ş tu r u r ve HC1 açığa ç ık a r.

R — X, bir birincil halojenür olduğunda, muhtemelen basit bir karbokatyon oluş maz. Bunun yerine, alüminyum klorür, alkil halojenür ile bir kompleks oluşturur ve bu kompleks elektrofil olarak davranır. Bu komplekste karbon-halojen bağı kırılmaya ha zırdır ve karbon atomu da belirgin bir pozitif yük taşır. 8+

8-

RCH2—CPA1C1, Hatta bu kompleks, basit bir karbokatyon olmamasına karşın basit bir karbokatyon gi bi davranır ve aromatik halkaya bir pozitif alkil grubu aktarır. Altkısım 15.8’de görece ğimiz gibi, bu kompleksler bir karbokatyona öyle benzer ki onlar gibi tipik karbokatyon çevrilmelerine de uğrarlar. Friedel-Crafts alkillemeleri, alkil halojenür ve alüminyum klorür kullanımı ile kı sıtlı değildir. Karbokatyon (veya karbokatyon benzeri bileşikler) oluşturan diğer pek çok

15.7 Friedel-Crafts Açillemesi

reaktif çiftleri de kullanılabilir. Örneğin bir alken ve bir asit karışanının kullanılması da mümkündür. CH(CH3)2 + C H ,C H = C H , Propen

İzopropilbenzen (kümen) (%84)

+ Sikloheksen

Sikloheksilbenzen (%62)

Bir alkol ve bir asit karışımı da kullanılabilir.

Sikioheksanol

Sikloheksilbenzen (%56)

Friedel-Crafts tepkimesinin bazı önemli kısıtlamaları vardır. Bunlar Kısım 15.8’de tartışılmıştır.

Sıvı HF içerisindeki benzen ve propenden (yukarıda gösterilen) izopropil benzen *< oluşumunu gösteren tepkime için mantığa uygun tüm basamakları içeren bir meka nizma yazınız. Mekanizmanız ürünün niçin propilbenzen olmayıp izopropilbenzen olduğunu açıklamalıdır.

1 5 .7

Fr

ied el

-C

r afts

A

ç îlle m e s î

o RC grubuna acil grubu denir ve açil grubunun bir bileşiğe bağlanması açilleme tep kimesi olarak bilinir. İki uygun açil grubu, asetil ve benzoil grubudur. (Benzoil grubu, benzil grubu — CH2C6H5 ile karıştırılmamalıdır. Altbölüm 14.2’ye bakınız). O

Asetil grubu (etanoil grubu)

O

Benzoil grubu

Friedel-Crafts açilleme tepkimesi, aromatik bir halkaya bir açil grubunun bağlan masının etkili bir yoludur. Tepkime genellikle aromatik bileşiğin bir açil halojenür ile etkileştirilmesiyle yapılır. Aromatik bileşiğin etkinliği yüksek olmadıkça, tepkime en

P ro bl em 15.3

671


azından bir eşdeğer Lewis asidi (A1C13 gibi) ilavesini gerektirir. Tepkime ürünü bir aril ketondur. O O

+ CH,C—C1

A1C13 aşın benzen 80°C

Asetofenon (metil fenil keton) (%97)

Asetil klorür

Asit klorürler olarak da bilinen açil klorürler, karboksilik asitlerin tiyonil klorür (SOCl2) veya fosfor pentaklorür (PC 1 5) ile etkileştinİmesi ile kolaylıkla sentezlenirler. O

O 80 C

+ s o c ı 2 ----- ►CH,CC1 + S0 2 + HC1 Tiyonil Asetil klorür klorür (%80 -90)

c h 3c o h

Asetik asit

/-----\

0

0 1!

y > -c ° H

+

PC15

■ -

Fosfor pentokloriir

Benzoik asit

< 0 ^-CCI + POCl

3

Benzoil klorür (%90)

Friedel-Crafts açillemeleri, karboksilik asit anhidritleri kullanılarak da yapılabilir.

O Asetik anhidrit (karboksilik asit anhidrit)

Asetofenon (%82-85)

Pek çok Friedel-Crafts açillemesinde elektrofil. açilyum iyonudur ve açil halojenürden aşağıdaki verilen mekanizmayla oluşur. Ö‘

1. Basamak

ö .. I .+. _ R ~ C ~ Çl: + A1C13 <=± R— C— Ç1:A1C13 ö*

2. B asam ak

R— Cs

ChÂlCl, s = t

R— C ^ Ö : «-*■ R— C = 0 + 1-------------------- V-------------------- -

Bir açilvum iyonu (rezonans melezi)

A1CI4

Friedel-Crafts Tepkimelerinin Kısıtlamaları

A IC I 3 varlığında. Asetik anhidritten, açilyum iyonunun nasıl oluştuğunu gösteri- -< niz.

Benzenin Friedel-Crafts açillemesinde diğer basamaklar aşağıdaki gibidir:

Te p k im e için Bir Mekanizma ________ ___ ’ B e n z e n in S ü lfolanm ası R H

R

'S

3. Basamak

(|

|+ C

+ ,

ili, 0+

.0 =

^ Arenvum iyonu

R H 4. Basamak

Q r^

5. Basamak

o

XP : + AICI4 - ---- ►

T

v

^

a

^

X-^ :+

o

r

>

HC1

+ A1C1,

AlClı

____________________ Son basamakta, alüminyum klorür (bir Lewis asidi) keton (bir Lewis bazı) ile bir komp leks oluşturur. Tepkime tamamlandıktan sonra, kompleksin su ile etkileştirilmesi keto nu verir. 6. Basamak

R \ /

R C=Ö:A1CL13 +1 3 FLO— w►

c 6h 5

\

C = Öv ; +' nAl(OH), * \ \ s ı ± j $ + 3 HC1

c 6h 5

Friedel-Crafts tepkimesinin bazı önemli sentetik uygulamaları Altbölüm 15’9 da be lirtilmiştir.

15.8

F r ie d e l -C r a f t s T K IS ITL A M A L A R I

e p k İm e l e r İ n

İn

Friedel-Crafts tepkimelerinin kullanımında çeşitli kısıtlamalar vardır. 1.

Bir alkil halojenür, bir alken veya bir alkolden bir karbokatyon oluştuğu zaman, bu karbokatyon daha kararlı karbokatyona dönüşebilir. Tepkimeden elde edilen ana ürün genellikle daha kararlı karbokatyondan elde edilen ü rü n dür.

P ro b le m I 5.4

673

674


Örneğin, benzen bütil bromiir ile alkillendiğinde, oluşan bütil katyonları bir hidrür kayması ile 1° karbokatyondan (aşağıdaki tepkimelere bakınız) daha kararlı olan 2° karbokatyona çevrilir. Sonra, benzen, bütil benzen ve seA'-bütilbenzeni oluşturmak üzere her iki karbokatyonla da tepkimeye girer: A1C1,

CH,CH7CH7CH2Br — 3

2

2

2

«+

+

s ~

CH, CTLCHCH7— BrAlCl,-------------- ►CH,CH7CHCH, 3

2 |^ î

-

3 (-BrAlCl3-)

3

2

H

Bütilbenzen (karışımın %32-36)

2.

sek-Bütil benzen (karışımın %64-68)

Friedel-C rafts tepkimeleri, aromatik halkada kuvvetli elektron çekici grup (Altbölüm 15.11) bulunduğunda veya halka bir — NH2, — NHR veya — NR2 grubu içerdiğinde genellikle çok düşük verimlidir. Bu hem alkilleme hem de açillemelerde böyledir. O

O II

Bu bileşiklerin Friedel-Crafts tepkimeleri genellikle düşük verimlidir. Altbölüm 15.10’da, aromatik halkadaki grupların halkanın elektrofilik aromatik yer değiştirmesinde tepkime hızına büyük etkilerinin olacağını öğreneceğiz. Elektron-çekici gruplar halkayı elektronca eksik yaparak halkayı daha az etkin kılarlar. Halojenden daha fazla elektron-çekici (veya pasifleştirici) bir sübstitüent, yani her hangi bir meta-yönlendirici grup (Altbölüm 15.11C), aromatik halkayı Friedel-Crafts tepkime sini veremeyecek kadar elektronca eksik yapar. Amino gruplan — NH2, — NHR ve — NR2, Friedel-Crafts tepkimelerini katalizlemede kullanılan Lewis asitleri ile etkile şerek kuvvetli elektron-çekici gruba dönüşürler. Aşağıda, buna bir örnek verilmiştir.

Friedel-Crafts tepkimesi vermez

15.9 Friedel-Crafts Açillemelerinin Sentetik Uygulamaları: Clemmensen İndirgemesi

3.

Aril ve vinilik halojenürler kolay karbokatyon o lu ştu rm a d ık la rın d a n halojenür bileşeni olarak kullanılam azlar (Altbölüm 6.15A’ya bakınız).

cı 4.

Sıklıkla polialkilleme olur. Alkil grupları elektron verici gruplardır ve bir tanesi halkaya bağlanır bağlanmaz halkayı yeni bir yer değiştirmeye karşı etkin hale getirirler (Altbölüm 15.10’a bakınız).

CH(CH3)2 İzopropilbenzen (%24)

p-Diizopropilbenzen (%14)

Ancak, F riedel-C rafts açillemelerinde poliaçilleme sorunu yoktur. Açil gru bunun (RCO— ) kendisi elektron-çekici gruptur ve tepkimenin son basamağında A1C13 ile bir kompleks oluşturur (Altbölüm 15.7) ve bu durum daha fazla elekt ron çekilmesine neden olur. Bu da daha ileri bir yer değiştirmeyi engeller ve monoaçillemeyi kolaylaştırır.

Benzen, alüminyum klorürlü ortamda neopentil klorür ile tepkimeye girdiğinde ana ^ ürün neopentilbenzen değil, 2-metil-2-fenilbiitandır. Bu sonucu açıklayınız.

P r o b l e m 15.5

Benzen bor triflorürlü ortamda propil alkolle tepkimeye girdiğinde ürün olarak pro- << pilbenzen ve izopropilbenzen elde edilmiştir. Bu sonucu gösteren bir mekanizma yazınız.

P r o b l e m 15.6

15.9 F R İ E D E L - C R A F T S A Ç İ L L E M E L E R İ N İ N S E N T E T İ K U Y G U L A M A L A R I : C L E M M E N S E N İ N Dİ RG E ME S İ Friedel-Crafts açillemelerinde karbon zincirinde çevrilme olmaz. Açilyum iyonu rezo nans kararlı olduğundan, diğer pek çok karbokatyondan daha kararlıdır. Bu yüzden çev rilme için itici bir kuvvet yoktur. Çevrilme olmadığı için Friedel-C rafts açillemesini izleyen karbonil grubunun CH2’ye indirgenmesi, dallanmamış alkilbenzenlerin sentezi

675

676


için Friedel - Crafts alkillemelerinden daha iyi bir yöntemdir. Örnek olarak, propilbenzenin senteziyle ilgili problemi (Problem 15.6) ele alalım. Bu sentezi F riedel- Crafts alkillemesi ile yapmaya kalkışırsak bir çevrilme olur ve ana ürün izopropilbenzendir (Problem 15.6'ya bakınız).

İz o p ro p ilb e n z e n

P ro p ilb e n z e n

Tersine, benzenin propanoil klorür ile Friedel - Crafts açillenmesi. karbon zinciri çev rilmeye uğramadan, mükemmel bir verimle bir keton verir O

P ro p a n o il

E t il fe n il k e to n

k lo r ü r

(% 9 0 )

Bu keton daha sonra çeşitli yöntemlerle propilbenzene indirgenebilir. Clemmensen in dirgemesi olarak bilinen bir yöntem, ketonun amalganlanmış çinko içeren hidroklorik asitte geri soğutucu altında kaynatılmasını içerir. [Uyarı: Daha sonra (Altbölüm 20.5B) tartışacağımız gibi çinko ve hidroklorik asit nitro gruplarını da amino gruplarına indir ger.] O II CCH2CH3 /^ /C H ,C H ,C H , zmtngl HC1, W geri soğutucu altında kaynatma

E til fe n ill k e to n

O II ^

^

U

Zn(Hg) HCl. geri * ^ soğutucu altında kaynatma

P ro p ilb e n z e n

(%8ü)

^ 2^

Halkalı anhidritler kullanıldığında Friedel-Crafts açillemesiyle bir aromatik bileşi ğe yeni bir halka ilave edilebilir. Bununla ilgili bir örnek aşağıda gösterilmiştir. Clem mensen indirgeme basamağında yalnızca ketonun indirgendiğine dikkat ediniz. Karboksilik asit etkilenmez. O O II II CCH,CH,COH

Zn(Hg), HC1 geri soğutucu altında kaynatma

Benzen

S ü k s in ik

(a ş ırı)

a n h id r it

3 -B e n z o ilp ro p a n o ik asit

(%83-90)

15.10 Etkinlik ve Yönlenme Üzerine Sübstitüent Etkileri

4-Fenillbütanoik asit

4-Fenillbütanoil klorür

a -Tetralon

Benzen ve uygun açil klorür veya asit anhidritten başlayarak aşağıdakilerin her bi- ^ rinin sentezini özetleyiniz. H H (a) Bütilbenzen (b) (CH3)2 CHCH2CH2C6H5 (c) Benzofenan (C6H5COC6H5) (d) 9.10-Dihidroantrosen H H 9,10-Dihidroanthrasen

1 5 .1 0

E T K İN L İK VE Y Ö N L E N D İR M E Ü Z E R İN E S Ü B S T İ T Ü E N T E TK İL E R İ

Sübstitüe benzenler elektrofilik atağa uğradığında halkada bulunan gruplar tepkimenin hızı ve atak bölgesini etkilerler. Bu yüzden sübstitüentlerin, elektrofilik aromatik yer değiştinne tepkimelerinde hem etkinliği hem de yönlenmeyi etkilediğini söyleriz. Sübstitüent gruplar, halkanın etkinliği üzerindeki etkilerine göre iki sınıfa ayrılır lar. Halkayı benzenden çok daha etkin yapan sübstitüentlere etkinleştiren gruplar, hal kayı benzenden daha az etkin yapan sübstitüentlere ise etkinlik azaltıcı gruplar denir. Sübstitüent grupları ayrıca gelen elektrofilin atak yönüne etkilerine göre de iki sını fa ayırabiliriz. Bir sınıftaki sübstitüenler, elektrofilik yer değiştirmeyi başlıca, kendile rine göre orto ve para konumlarına yönlendirme eğilimindedirler. Bu grupları, gelen grupları orto ve para konumlarına yönlendirme eğilimlerinden dolayı o r to - para yön lendiriciler olarak isimlendiririz. İkinci sınıftaki sübstitüentler gelen elektrofili meta konumuna yönlendirme eğilimindedir. Bu grupları da meta yönlendiriciler olarak ad landırırız. Bu terimlerle neyi ifade etmek istediğimizi çeşitli örnekler açık olarak gösterecektir.

I5.I0A Etkinleştirici Gruplar: O rto - Para Yönlendiriciler Metil grubu etkinleştirici, ve o r to - p a r a yönlendici bir gruptur: Toluen bütün elekt rofilik yer değiştirmelerde benzenden belirgin bir şekilde daha hızla tepkimeye girer.

Bir etkinleştirici grup

Elektrofilik yer değiştirmeye karşı benzenden daha etkindir.

P ro b le m 15.7

677

678


Toluenin daha büyük olan etkinliğini birkaç yolla gözleriz. Örneğin toiuen ile olan elektrofilik yer değiştirmede, benzenle olandan daha olumlu koşullar—düşük sıcaklık ve elektrofilin daha düşük derişimleri—kullanılabilir. Aynı koşullarda toluenin benzen den daha hızlı tepkime verdiğini de buluruz. Örneğin, nitrolamada, toiuen benzenden 25 kat hızlı tepkime verir. Ayrıca toiuen elektrofilik yer değiştirmeye uğradığında yer değiştirmenin çoğunluk la orto ve para konumlarında olduğu görülür. Tolueni nitrik ve sülfürik asitle nitrolladığımızda aşağıdaki bağıl oranlarda mononitrotoluenler elde ederiz. Meta

o-Nitrotoluen (%59)

p-Nitrotoluen (%37)

m-Nitrotoluen (%4)

Tepkimeden elde edilen mononitrotoluenlerden %96’sı (%59 + %37) orto ve para ko numunda ııitro grubu içerir. Yalnızca %4’iinde nitro meta konumundadır.

Problem 15.8

^

Metil grubunun gelen elektrofile hiç bir etkisinin olmadığını varsaydığınızda yuka rıda verilen bileşiklerin oluşma yiizdeleri nasıl olurdu? Açıklayınız.

Toluenin orto ve para konumlarında baskın yer değiştirmesi nitrolama tepkimeleri ile kısıtlı değildir. Aynı davranış halojenleme, sülfolama ve başka tepkimelerde de göz lenir. Bütün alkil grupları etkinleştirici gruplardır ve orto-para yönlendiricidirler. Metoksi grubu (CH30 —) ve asetamido grubu (CH3CONH—) kuvvetli etkinleştiren ve orto-pa ra yönlendiren gruplardır. Hidroksil ve amino grubu çok güçlü etkinleştiren ve orto-para yönlendiren gruplar dır. Fenol ve anilin, sulu ortamda bromla (katalizöre gerek yoktur) çok hızlı tepkimeye girerek her iki orto konumunda ve para konumunda yer değiştirmeye uğramış ürünler verirler. Bu tribromo ürünleri hemen hemen kantitatif verimle oluşur.

OH

NH, Br

OH Br

2,4,6-T ribromoanilin

2,4,6-Tribromonilin (~ %

100)

2,4,6-Tribromofenol ( ~ % 100)

15.10 Etkinlik ve Yönlendirme Üzerine Sübstitüent Etkileri

I5.I0B Etkinlik Azaltıcı Gruplar: Meta Yönlendiriciler Nitro grubu çok kuvvetli etkinlik azaltıcı bir gruptur. Nitrobenzen. benzenden 10 4 defa daha yavaş bir hızla nitrolamaya uğrar. Nitro grubu meta yönlendiricidir. Nitro benzen nitrik asit ve sülfürik asit ile nitrolandığında yer değiştirmenin %93’ü meta ko numunda olur.

N 02

(%93) Karboksil grubu (— C 0 2H), sülfo grubu (— S 0 3H) ve triflorometil grubu (—CF3) da etkinlik azaltıcı ve meta-yönlendirici gruplardır. I5.I0C Halojen Sübstitüentler: Etkinlik Azaltıcı O r t o - P a r a Yönlendiriciler Kloro ve bromo grupları zayıf etkinlik azaltıcı gruplardır. Klorobenzen ve bromobenzen, nitrolamaya, benzenin nitrolama hızından, sırasıyla, 33 ve 30 kat daha yavaş uğ rar. Ancak kloro ve bromo grupları orto-para yönlendiricidir. Klorobenzen klorlandığı, bromlandığı, nitrolandığı ve sülfolandığı zaman elde edilen monosübstitüe ürünlerin ba ğıl yüzdeleri çizelge 15.1’de verilmiştir. Bromobenzenin elektrofilik yer değiştirme tepkimelerinden de benzer sonuçlar elde edilir.

Çizelge 15.1 Klorobenzede Elektrofilik Yer Değiştirme Orto Ürün Tepkime

Klorlama Bromlama Nitrolama Sülfolama

{%) 39 11

30

Para Ürün

Toplam Orto ve Para

(%)

(%)

55 87 70

94 98 1 00

100

100

Meta Ürün

6 2

15.1 OD Sübstitüentlerin Sınıflandırılması Bu altbölümde gösterdiğimiz çalışmalara benzer çalışmalar pek çok sayıda sübstitüe benzelerle de yapılmıştır. Bu sübstitüentlerin etkinlik ve yönlenme üzerine etkileri Çizelge 15.2’de verilmiştir. Aşağıdaki tepkimelerdeki ana ürünleri Çizelge 15.2’den yararlanarak yazınız. ^ (a) Toluen sülfolamyor. (b) Benzoik asit nitrolamyor. (c) Nitrobenzen bromlanıyor. (d) Fenol Friedel-Crafts tepkimesiyle açilleniyor. Eğer ana ürünler orto ve para izomerlerinin bir karışımı oluyorsa onu da belirtiniz.

P ro b le m 15.9

679

680

Bölüm 15 / Aromatik Bileşiklerin Tepkimeleri Çizelge 15.2 Elektrofilik Arom atik Yer Değiştirme

Üzerine Sübstitüent Etkileri Orto-Para Yönlendiriciler

Meta Yönlendiriciler

Kuvvetli Etkinleştiriciler

Ilımlı Etkinlik Azaltıcılar

—NH2, —NHR. — NR2 —OH, —Ö="

—C = N —SO,H —CO:H, — c o 2r —CHO, —COR

Ilımlı Etkinleştiriciler —NHCOCH3 , —NHCOR —ÖCH3, —ÖR Zayıf Etkinleştiriciler —CH„ — C2Hs, —R

Kuvvetli Etkinlik Azaltıcı —NO2 — NR3+

—CF3, —CCİ3

- c öh 5

Zayıf Etkinlik Azaltıcılar

— F:, — Çl:, — Br:, — j:

15 . 1 I E l e k t r o f i l i k A r o m a t i k Y e r D S Ü B S T İ T Ü E N T E T K İL E R İ TE O R İS İ

e ğ iş tir m e d e

15.1 IA Etkinlik: Elektron Çekici ve Elektron Verici Grupların Etkisi Elektrofilik aromatik yer değiştirmeye karşı belirli grupların benzen halkasını etkinleş tirdiklerini, oysa diğer grupların etkinlik azalttıklarını henüz öğrendik. Bir grubun hal kayı etkinleştirdiğini söylediğimiz zaman, şüphesiz grubun tepkimenin bağıl hızına etkisini kastederiz. Etkinleştirici bir gruba sahip aromatik bir bileşiğin elektrofilik yer değiştirmelerde benzenden daha hızlı tepkime verdiğini söyleriz. Bir grubun halkanın etkinliğini azalttığını söylediğimiz zaman ise etkinlik azaltıcı bir gruba sahip aromatik bir bileşiğin benzenden daha yavaş tepkimeye girdiğini belirtiniz. Ayrıca, hız belirleyici basamakların geçiş halini inceleyerek bağıl tepkime hızları hakkında birşeyler söyleyebileceğimizi öğrendik. Geçiş halinin enerjisini reaktantlarmkine göre artıran herhangi bir etkenin tepkimenin bağıl hızını azaltacağını da biliyoruz. Bu sonuç, bu etkenin, tepkimenin aktifleşme serbest enerjisini artırmasından kaynakla nır. Aynı yolla, geçiş halinin enerjisini reaktantlarınkine göre azaltan herhangi bir etken aktifleşme serbest enerjisini ve tepkimenin bağıl hızını artırır. Siibstitüe benzenlerin elektrofilik yer değiştirmelerinde hız belirleyici basamak arenyum iyonunu oluşturan basamaktır. Halkadaki herhangi bir sübstitüenti, hidrojen dahil, göstermek için Q harfini kullanırsak sübstitüe bir benzen için genelleştirilmiş bir for mül yazabiliriz. (Q hidrojense bileşik benzenin kendisidir.) Arenyum iyonu için de ya pıyı burada gösterildiği gibi yazabiliriz. Bu formülle Q'nun elektrofile, E, göre orto-meta veya para konumlarından herhangi birinde olduğunu söyleriz. Bu formüllemeyi kulla narak, elektrofilik aromatik yer değiştirme için hız belirleyici basamağı aşağıdaki, gibi genel bir şekilde yazabiliriz.

15.11 Elektrofilik Aromatik Yer Değiştirmede Sübstitüent Etkileri Teorisi

Çok fazla sayıda tepkime için bu basamağı incelediğimizde tepkimelerin bağıl hız larının Q'nun elektron çekmesine veya elektron vermesine bağlı olduğunu anlarız. Q, elektron verici bir grupsa (hidrojene göre), tepkime benzenin verdiği tepkimeden daha hızlıdır. Q, elektron çekici bir grupsa, tepkime benzeninkinden daha yavaştır.

Tepkime daha hızlıdır Q elektron verir

Geçiş hali kararlıdır

Arenyum iyonu kararlıdır Tepkime daha yavaştır

E H Q elektron çeker

Geçiş hali kararsızdır

Arenyum iyonu kararsızdır

Sonuç olarak, sübstitüentin (Q). reaktantlarınkine göre geçiş halinin kararlılığına da ha çok etki ettiği açığa çıkar. Elektron verici gruplar geçiş halini daha kararlı kılarken elektron çekici gruplar daha az kararlı yapar. Geçiş hali arenyum iyonuna benzediğin den ve delokalize olmuş bir karbokatyon olduğundan bu açıklama mantığa uygundur. Bu etki Hammond-Leffler varsayımının başka bir uygulamasını gösterir (Altbölüm 6.14A). Arenyum iyonu yüksek enerjili bir ara üründür ve arenyum iyonunu oluşturan basamak oldukça endotermik bir basamaktır. Bu yüzden Hammond-Leffler varsayı mına göre, arenyum iyonu ve onu oluşturan geçiş hali arasında kuvvetli bir benzerlik olmalıdır. Arenyum iyonu pozitif yüklü olduğundan elektron verici bir grup; arenyum iyonu nu ve arenyum iyonuna ulaştıran geçiş halini, geçiş hali delokalize karbokatyon oldu ğu için, kararlı kılar. Aynı tanışmayı elektron çeken grupların etkisi için de yapabiliriz. Elektron çeken bir grup arenyum iyonunu daha az kararlı yapmalı ve arenyum iyonu na yol açan geçiş halini daha az kararlı kılmalıdır. Şekil 15.4, sübstitıientlerin elektron çekme ve verme yeteneklerinin, elektrofilik aro matik yer değiştinne tepkimelerinin bağıl serbest aktifleşme enerjilerine nasıl etki etti ğini göstermektedir.

681

682


Şekil I 5.4 Üç tür aro matik elektrofılik yer değiştirmede arenyum iyonu için bağıl enerji kesitleri (l)'de Q, elektron çekici bir gruptur. (2)’de Q=H’dir. (3)’de Q elektron verici bir gruptur. AGfX)> AG,2) > AG(3).

(1)

(

2)

(3)

Elektron verici metil grubunun yükü kararlı kılıcı etkisi ile elektron çekici triflorometil grubunun kararsız kılıcı etkisini karşılaştıran iki arenyum iyonu için hesaplanmış elektrotatik potansiyel haritaları Şekil 15.5’te gösterilmiştir. Soldaki arenyum iyonu (Şe kil 15.5a) bromun metilbenzene (toiuen) para konumundan katılmasıyla oluşur. Sağda ki arenyum iyonu (Şekil 15.5b) ise bromun triflorometilbenzene meta konumundan katılmasıyla oluşur. Şekil 15.5a’da halka üzerindeki atomların daha az pozitif olduğu nu ve halkanın daha kararlı kılındığını gösteren, halka atomlarıyla birleşen rengin çok daha az mavi olduğuna dikkat ediniz. 15.1 IB İndüktif ve Rezonans Etkiler: Yönlendirme Teorisi Grupların elektron - çekme ve elektron-verme özelliklerini indüktif ve rezonans etkiler olmak üzere iki etkene dayanarak açıklayabiliriz. Bu iki etkenin aromatik yer değiştir me tepkimelerinde yönlenmeyi belirlediğini de göreceğiz.

(a)

İh)

Şekil I 5.5 Bromun (a) metilbenzene (toiuen) ve (b) triflorometilbenzene elektrofılik katıl masındaki arenyum iyonları için hesaplanmış elektrostatik potansiyel haritaları. Triflorometilbenzenin (b) arenyum iyonundaki pozitif yük triflorometil grubunun elektron çekici etkisi ile artarken metilbenzenin halkasının (a) arenyum iyonundaki pozitif yük, metil gru bunun elektron verme yeteneğiyle dağılır. (Bu iki yapı için olan elektrostatik potansiyel ha ritalarında, doğrudan karşılaştırılabilmeleri için potansiyele göre aynı renk ölçeği kullanılmıştır.)


Sübstitüent Q'nun indüktif etkisi, halka elektrofilin atağına uğrarken halkada olu şan pozitif yükle Q ’ya bağlı polarlaşmış bağın elektrostatik etkileşiminden oluşur. Ör neğin, Q karbondan daha elektronegatif bir atomsa (veya grupsa) halka dipolün pozitif ucundadır. (Örneğin, Q = F, Cl, veya Br)

Q

Bu dipolleşme ilave bir pozitif yüke sebep olacağı için elektrofilin atağı gecikecektir. Halojenlerin hepsi karbondan daha elektronegatiftir ve elektron çekici indüktif etkiye neden olurlar. Halkaya doğrudan bağlı atomları tamamen veya kısmen pozitif yük içe ren diğer grupların da elektron çekici indüktif etkileri vardır. Aşağıda bunlarla ilgili ör nekler verilmiştir.

x5/

NR3

(R = alkil veya H)

"o" 2-11

o-

.0

■NH

t

OH

O

X* : 0 :~

O

->-C—G

^ c +— G (G = H, R, OH, veya OR) Halkaya bağlı atomları üzerinde tam veya kısmî yüke sahip elektron çekici gruplar

Sübstitüent Qmun rezonans etkisi, Q ’nun varlığının ara ürün arenyum iyonunun re zonans kararlılığını artırma veya azaltma olasılığını gösterir. Örneğin Q sübstitüenti aren yum iyonu için, rezonans melezine katkıda bulunan üç rezonans yapıdan biı tanesinin Q'nun hidrojen olduğu durumdan daha iyi ya da daha kötü olmasına yol açabilir. Ay rıca, Q, bir veya daha fazla bağa katılmayan elektron çiftine sahip bir atom olduğunda, pozitif yükün Q ’da olduğu dördüncü bir rezonans yapısı sağlayarak arenyum iyonuna fazladan bir kararlılık verebilir.

H

H

Bu elektron verme etkisi aşağıdaki sıralamada azalan kuvvete göre verilmiştir. En fazla elektron verenler

>

>

En az elektron verenler

Yukarıdaki sıralama bu grupların etkinleştirme yeteneklerinin de bir sırasıdır. Amino grupları oldukça etkinleştirici, hidroksil ve alkoksil grupları bir dereceye kadar daha az etkinleştirici ve halojen sübstitüentleri zayıf etkinlik azaltıcılardır. X = F olduğunda, bu sıralama, bağa katılmayan elektron çifti taşıyan atomların elektronegatifiikleri ile iliş kili olabilir. Atom ne kadar fazla elektronegatif ise pozitif yükü kabul etme yeteneği 0 kadar düşüktür (flor en elektronegatif, azot en az elektronegatiftir). X = Cl. Br, ya da 1 olduğunda halojenlerin rezonansla elektron vemıe yeteneklerinin bağıl olarak zayıflığı basit bir temel üzerinden anlaşılabilir. Bu atomlar (Cl, Br ve I) karbondan daha büyük türler, ve, bu yüzden bağa katılmayan elektron çiftlerini içeren orbitaller çekirdekten uzak tırlar ve karbonun 2p orbitali ile iyi örtüşemezler. (Bu genel bir olgudur: Rezonans etkileri, periyodik çizelgedeki farklı periyot atomları arasında iyi bir şekilde iletilemezler.)

683

684


15.1 IC Meta-Yönlendirici Gruplar Meta-yönlendirici grupla rın özellikleri.

Bütün meta-yönlendirici grupların, halkaya doğrudan bağlı atom unda kısmî veya tam pozitif yükü vardır. Tipik bir örnek olarak triflorometil grubunu ele alalım.

Triflorometil grubu, elektronegatifliği yüksek üç flor atomundan dolayı kuvvetlice elektron çeker. Kuvvetli etkinlik azaltıcı bir gruptur ve elektrofilik aromatik yer değiş tirme tepkimelerinde kuvvetli bir meta yönlendiricidir. Triflorometil grubunun bu iki özelliğini aşağıdaki gibi açıklayabiliriz. Triflorometil grubu arenyum iyonunun oluşumuna yol açan geçiş halini çok fazla kararsız kılarak etkinliğe etki eder. Bunu, oluşan karbokatyondan elektron çekerek ve böylece halkadaki pozitif yükü artırarak yapar.

Triflorometilbenzen

Geçiş hali

Arenyum iyonu

Triflorometilbenzeninin orto, meta ve para konumlarına bir elektrofil atak yaptığın dan oluşan arenyum iyonları için olan rezonans yapılarını incelersek triflorometil gru bunun yönlenmeye nasıl etki ettiğini anlayabiliriz. Ortoya atak

Oldukça kararsız katkı sağlayıcı Metaya atak

Oldukça kararsız katkı sağlayıcı

Orto ve paraya atakla oluşan arenyum iyonu için olan rezonans yapılarından birisi, pozitif yiik elektron çekici gruba bağlı halka karbonunda olduğu için diğerlerine göre çok kararsızdır. Metaya atakla oluşan arenyum iyonu rezonans yapılarından hiç birin-


685

de bu denli kararsız bir yapı yoktur. Bu durum, metaya atakla oluşan arenyum iyonu nun diğer konumlara etkiyle oluşanlara göre daha kararlı olduğunu gösterir. Normal bir muhakemeyle de meta-sübstitüe arenyum iyonuna götüren geçiş halinin en kararlı ola cağını ve bundan dolayı metaya atağın yeğleneceğini umabilirdik. Bu. deneysel olarak bulunanla tamamen uyumludur. Triflorometil grubu çok kuvvetli bir meta yönlendirici dir. ÇF3

+ HNO, - ;S% Triflorometilbenzen

O

NO,

(~%100)

Ancak, meta yer değiştirmesinin üç yeğlenmeyen yoldan en az yeğlenmeyeniyle ala nı olduğu unutulmamalıdır. Triflorobenzenin meta konumundaki yer değiştirme tepki mesinin serbest aktifleşme enerjisi, orto ve para konumlarındaki yer değiştirme için olandan daha azdır, ancak benzenin elektrofilik yer değiştirme tepkimesinin serbest aktifleşme enerjisinden büyüktür. Triflorometilbenzenin meta konumunda yer değiştir me, orto ve para konumlarındaki yer değiştirmelerden daha hızlıdır fakat benzen ile olan yer değiştirmeden daha yavaştır.

Nitro grubu, karboksil grubu ve diğer meta yönlendirici gruplar kuvvetli elekt ron çekici gruplardır ve benzer şekilde davranırlar.

Meta yönlendirici grup ların diğer örnekleri.

I 15.1 ID O rto -Para Yönlendirici Gruplar Alkil ve fenil sübstitiientleri dışında, Çizelge 15.2’deki bütün orto-para yönlendirici gruplar aşağıdaki genel yapıdadır.

En azından bağa katılmayan bir elektron çifti

bunlarda olduğu gibi: Anilin

Fenol

Klorobenzen

Bu yapısal özellik—halkaya bağlı atomda ortaklaşılmamış bir elektron çifti— elektro filik aromatik yer değiştirmede etkinliği etkiler ve yönlenmeyi tayin eder. Ortaklaşılmamış elektronu olan bu grupların yönlendirme etkilen büyük ölçüde Bütün orto-para yön lendiriciler, benzen elektron verici rezonans etkiden ileri gelir. Rezonans etkisi, ayrıca, özellikle arenyum halkasına bitişik atomları iyonunda, dolayısıyla bu arenyum iyonunu veren geçiş halinde etkilidir. üzerinde en azından bağa Halojenler dışında, bu grupların etkinlik üzerindeki başlıca etkileri, elektron verici katılmayan bir elektron rezonans etkiden ileri gelir. Bu etki yine özellikle arenyum iyonunu veren geçiş hali çifti bulundururlar. üzerinde etkilidir. Bu rezonans etkilerini anlamak için, elektrofilik aromatik yer değiştirme tepkimele rinde arnino grubunun etkisini inceleyelim. Amino grubu sadece kuvvetli bir etkinleş tirici grup değil aynı zamanda kuvvetli bir orto-para yönlendiricidir. Daha önce (Altbölüm 15.10A) anilinin sulu çözeltide bromla oda sıcaklığında tepkimeye girdiğini ve katalizörsüz ortamda her iki orto ve para konumu sübstitüe olmuş bir ürün verdiğini öğrenmiştik.

686


Amino grubunun indüktif etkisi onu zayıf elektron çekici yapar. Bildiğimiz gibi azot karbondan daha elektronegatiftir. Anilinde karbon ve azot arasındaki elektronegatiflik farkı büyük değildir, bununla birlikte, benzen halkasındaki karbon s/r melezleştiğinden bu karbon sp* melezleşmiş halinden daha fazla elektronegatif olacaktır. Elektrofilik aromatik yer değiştirmede amino grubunun rezonans etkisi indüktif et kisinden daha önemlidir ve bu rezonans etki amino grubunu elektron verici yapar. Anilinin orto, meta ve para konumlarına elektrofilin atakla oluşan arenyum iyonlarının rezonans yapılarını yazarsak bu etkiyi anlayabiliriz. O rto y o atak

Metay a

+

Oldukça kararlı katkı sağlayıcı

atak

Oldukça kararlı katkı sağlayıcı

Orto ve paraya atakla oluşan arenyum iyonları için dört mantıklı rezonans yapı, oy sa metaya atakla oluşan arenyum iyonu için üç rezonans yapının yazılabildiğini görü yoruz. Bunun sonucu olarak orto ve para-sübstitüe arenyum iyonları daha kararlıdır diyebiliriz. Ancak daha önemli olan orto ve para-sübstitüe arenyum iyonları için olan meleze katkı sağlayan nispeten kararlı yapılardır. Bu yapılarda azottaki, bağa katılma yan bir elektron çifti halkanın karbonuyla fazladan bir bağ oluşturur. Fazladan olan bu bağ— ve yapılardaki her bir atomun dış kabuğunun elektron oktetinin tam olması ger çeği—bu yapıları diğer rezonans yapılarına göre en kararlı kılar. Bu yapılar beklenme dik ölçüde kararlı olduğundan meleze büyük— ve karalı kılıcı—katkıda bulunurlar. Bu Şüphesiz, orto ve para-sübstitüe arenyum iyonlarının, metaya atak ile oluşan arenyum iyonlarından beklenilmedik ölçüde kararlı olması demektir. Orto ve para-sübstitüe aren yum iyonlarını veren geçiş halleri oldukça düşük serbest enerjilerde bulunurlar. Sonuç olarak elektrofiller orto ve para konumlarında çok hızlı tepkimeye girerler. P ro b le m 15.10

>■ Rezonans teorisini kullanarak fenoldeki hidroksil grubunun niçin etkinleştirici ve orto-para yönlendirici bir grup olduğunu açıklayınız. Açıklamanızı, fenol, Br+ ile orto, meta ve para konumlarında tepkimeye girdiğinde oluşan arenyum iyonlarını göstererek örneklendiriniz.

15.11 Elektrofilik Aromatik Yer Değiştirmede Sübstitiient Etkileri Teorisi Fenol, sodyum asetat varlığında, asetik anhidritle tepkimeye girerek bir ester, fenil *< asetat, verir. q OH (CH-C0)- ° > CH,CO,Na

Fenol

o-

II c

CH,

Fenil asetat

Fenil asetatın CH3COO— grubu, fenoldeki —OH grubu gibi (Problem 15.10) orto-pa ra yönlendiricidir, (a) CH3COO— grubunun hangi yapısal özelliği bu durumu açıklar? (b) Fenil asetat o ve p konumlarından tepkimeye girmesine karşın elektrofilik aromatik yer değiştirmeye karşı fenolden daha az etkindir. Bunun sebebini açıklamak için rezo nans teorisini kullanınız, (c) Anilin çoğu zaman elektrofilik aromatik yer değiştirme tep kimesinde çok etkindir ve istenmeyen tepkimeler de oluşur (Altbölüm 15.14A). Bu istenmeyen tepkimeleri önlemenin bir yolu; anilini, asetil klorür veya asetik anhidrit ile etkileştirerek asetanilite (aşağıda) dönüştürmektir. O

Anilin

Asetanilit

Asetamido grubunun (CH3CONH—) ne tür bir yönlendirici etkiye sahip olmasını bek lersiniz? (d) Asetamido grubunun neden amino grubundan (—NH2) daha az etkileştirici olduğunu açıklayınız. Halo sübstitüenlerinin yönlendirme etkileri ve etkinlikleri önce ters gelebilir. Halo gruplan orto-para yönlendirir (Çizelge 15.2) ancak etkinlik azaltıcısı gruplardır. [Bu davranışlarından dolayı halojen sübstitüentlerini kırmızı (elektron-verici) veya mavi (elektron-çekici) yerine yeşil renkte yazdık.] Diğer bütün etkinlik azaltıcı gruplar meta yönlendiricidir. Ancak, halo sübstitüentlerinin elektron çekici indüktif etkilerinin etkin liğe ve elektron-verici rezonans etkilerinin yönlenmeye etki ettiğini varsayarsak bu sübstitüentlerin davranışlarını hemen açıklayabiliriz. Bu varsayımları özellikle klorobenzene uygulayalım. Klor atomu oldukça elektro negatif bir atomdur. Bu yüzden klor atomunun benzen halkasından elektron çekmesini ve böylece benzen halkasının etkinliğini azaltmasını bekleyebiliriz. *C1: _ Klor atomunun indüktif etkisi halkanın etkinliğini azaltır.

6 Diğer taraftan, elektrofilik atak meydana geldiğinde klor atomu: orto ve paraya atak sonrası oluşan arenyum iyonlarını, metaya atak ile oluşan arenyum iyonundan kararlı kılar. Klor atomu bunu amino ve hidroksil gruplarının yaptığı şekilde ortaklaşılmamış bir elektron çiftini vererek yapar. Bu elektronlar, orto ve para sübstitüe arenyum iyon ları için melezlere katkıda bulunan kararlı rezonans yapıların oluşmasını sağlarlar (Alt bölüm 15.1 İD). O rtn vn ntnk

Nispeten kararlı katkı sağlayıcı

P ro b le m 15.1 I

687

688


M etaya atak : C1:

: C1:

: C1:

S C I*

Paraya atak

Nispeten kararlı katkı sağlayıcı Klorobenzen için açıkladıklarımız şüphesiz bromobenzen için de doğrudur. Halo sübstitüentlerinin indüktif ve rezonans etkilerini aşağıdaki gibi özetleyebiliriz. Halo grupları, elektron çekici indüktif etkileri ile halkayı benzenden daha pozitif yapar lar. Bu, herhangi bir elektrofiIik aromatik yer değiştirme tepkimesi için olan serbest ak tifleşme enerjisinin benzen için olandan daha büyük olmasına ve bundan dolayı da halo gruplarının etkinlik azaltıcı olmalarına neden olur. Ancak elektron verici rezonans etki leri de. orto ve para konumlarında yer değiştirmeye yol açan tepkimelerin serbest aktif leşme enerjilerinin, meta yer değiştirmesine yol açan tepkimenin serbest aktifleşme enerjisinden daha düşük olmasını sağlarlar. Kısaca, halojenlerin rezonans etkileri bu tür yer değiştirmelerde onları orto-para yönlendirici yapar: Halojenlerin beklenmeyen etkileri için verilen açıklamalar ve daha önce amino ve hidroksil gruplan için verilen açıklamalar arasında belirgin bir çelişki olduğunu farkedebilirsiniz. Yani oksijen, klor veya bromdan (ve özellikle iyottan) daluı elekt ronegatiftir. Halojenler etkinlik azaltıcı gruplarken hidroksil grubu etkinleştirici bir gruptur. Bu durum, benzen halkasına doğrudan bağlı olan ve benzen halkasına bir elektron çifti verebilen bir grup (— Q) içeren (—Q = —NH2, —O—H, —F: , — C B , — B r :,— I :) rezonans yapılar tarafından, arenyum iyonunu oluşturan geçiş haline yapılan bağıl kararlı kılıcı katkılar ile açıklanabilir. Q, —OH ya da —NH2 ise, bu rezonans yapılar oksijen ve azotunkiyle karbonun 2p orbitalinin örtüşmesinden ileri gelir. Böyle bir örtüşme, atomlar hemen hemen aynı büyük lükte olduğundan yeğlenir. Benzen halkasına elektron çifti vericisi klor olduğun da, karbonun 2p orbitalinin klorun 3p orbitali ile örtüşmesi gerekir. Klor atomu daha büyük ve 3/ı orbitali çekirdekten daha uzak olduğundan böyle bir örtüşme fazla etkili değildir. Brom ve iyotta örtüşme daha da az etkilidir. Flor halojenle rin en elektronegatif olmasına karşın, florobenzen (Q = —F :) halobenzenlerin en etkin olanıdır ve — F : halojenler içinde en kuvvetli orto-para yönlendirici olan gruptur. Flordaki elektron çiftinin halkaya verilmesi, florun 2p orbitalinin kar bonun 2p orbitaliyle (— NH2 ve —OH’de olduğu gibi) örtüşmesinden kaynak lanır. Bu örtüşme = ( / v e —F: orbitallerinin hemen hemen ayını büyüklükte \ olmasından dolayı etkilidir.


Hidrojen klorürkloroetene, etene katıldığından daha yavaş katılır ve ürün, 1,1-diklo- ^ roetandır. Rezonans ve indüktif etkileri kullanarak bu sonucu nasıl açıklarsınız? c ı— c h =

ch2

HCl

— ►c ı—ÇH— ç h 2 C1

H

15.1 IE Alkilbenzenlerin Orto-Para Yönlendirme Etkileri Ve Etkinlikleri Alkil grupları hidrojenden daha iyi elektron verici gruplardır. Bu nedenle, arenyum iyo nunu veren geçiş halini kararlı kılarak, benzen halkasını, elektrofilik aromatik yer de ğiştirmeye karşı etkinleştirebilirler.

Geçiş hali kararlı kılınır.

Arenyum iyonu kararlı kılınır.

Bir alkilbenzen için arenyum iyonunu veren basamağın serbest aktifleşmesi enerjisi (henüz gösterildi) benzeninkinden daha düşüktür ve alkilbenzenler daha hızlı tepkime verirler. Alkil gruplan orto-para yönlendiricidirler. Alkil gruplarının bu özelliğini elektron verme yetenekleri ile açıklayabiliriz. Alkil gruplarının etkisi özellikle, alkil grupları po zitif karbon atomuna doğrudan bağlı olduğunda önemlidir (Altbölüm 6 .12 ve Şekil 6.9'da alkil gruplarının karbokatyonları nasıl kararlı kıldığını tartışmıştık.) Örneğin, toluen elektrofilik aromatik yer değiştirmeye uğradığı zaman oluşan aren yum iyonu için rezonans yapıları yazdığımızda, aşağıdaki ve sayfa 691’deki sonuçları elde ederiz.

Ortoya atak

Nispeten kararlı katkı sağlayıcı Metaya atak

H H—C— H H

E

E

E

E

P ro b le m 15.12

689

ımyası Tiroksin Biyosentezine İyotun Katılımı T P iroksinin biyosentezi, tiroglobulinin (bu bölümün girişine bakınız) tirosin birimleri ne iyot atomlarının bağlanmasını içerir. Bu süreç elektrofilik aromatik yer değiştirmenin biyokimyasal bir uyarlamasıyla olur. İyodoperoksidaz enzimi, elektrofilik iyotu (I — OH gibi bir tür olarak varsayılabilir) oluşturmak için iyodür anyonları ve hidrojen peroksit arasındaki tepkimeyi katalizler. Tirosinin aromatik halkasının elektrofilik iyota nükleofilik atağı tiroglobulindeki tirosin halkalarının 3 ve 5 konumlarına iyotun bağlanmasına neden olur. Bu konumlar, tiresinde elektrofilik aromatik yer değiştirmenin olmasını bek lediğimiz, fenol hidroksil grubuna göre orto konumlardır. (Hidroksil grubuna göre para konumu kapalı olduğundan, hidroksile göre para yerinde yer değiştirme olamaz ve alkil gruplarına göre orto yer değiştirme hidroksilin orto konumundan daha az yeğlenir.)

Tiroglobulin (İki tirosin grubu gösterilmiştir. Tiroglobulin proteinin geri kalan kısmı gölgelenmiş kısımla belirtilmiştir.)

Tiroksin

690

Tiroit bezindeki tiroksinin biyosentezi, tiroglobulindeki Tyr uçlarının iyotlanması, çevrilmesi, hidrolizi (proteoliz) ile olur. Nispeten nadir olarak açığa çıkan I" tiroit hormonu tarafından etkin bir şekilde tutulur.

Elektrofilik iyot, tiroksinin biyosentezini tamamlamada gerekli olan iki tirosin birimi nin eşleşmesinde de yer alır. Elektrofilik aromatik yer değiştirme, 1927’de C. Harrinton ve G. Barger’in laboratuvarda gerçekleştirdikleri tiroksin sentesinde de önemli rol oynamıştır. G. Harring ton ve G. Barger’in sentezleri, sentetik bileşiğin doğal tiroksin ile karşılaştırılması ile bu önemli hormonun yapısının ortaya çıkarılmasına yardım etmiştir. Harrington ve Bar ger, tiroksinin fenol halkasının orto konumlarına iyotu bağlamak için elektrofilik aro matik yer değiştirmeyi kullanmışlardır. Ancak, diğer tiroksin halkasına iyotu bağlamak için farklı bir tepkime (nükleofilik aromatik yer değiştirme, Bölüm 21’de inceleyeceği miz bir tepkime) kullanmışlardır. Paraya atak

Nispeten kararlı katkı sağlayıcı

Orto ve para konumuna atak olduğunda, metil grubunun halkanın pozitif yüklü kar bonuna doğrudan bağlı olduğu rezonans yapılarını yazabileceğimizi görürüz. Bu yapı lar diğerlerine oranla daha kararlıdır, çünkü onlarda metil grubunun (elektron vererek) kararlı kılma etkisi en etkindir. Bu nedenle bu yapılar, orto- ve para-sübstitüe arenyum iyonlarının melezine daha büyük (kararlı kılıcı) katkıda bulunurlar. Meta-sübstitüe aren yum iyonu için böyle bir bağıl kararlı yapı yoktur ve sonuçta meta sübstitüe arenyum iyonu orto- veya para-sübstitüe arenyum iyonundan daha az kararlıdır. Orto- ve para-arenyum iyonları daha kararlı olduğundan, bunları oluşturan geçiş halleri de daha düşük enerjidedir ve orto ve para yer değiştirmeleri daha hızlı gerçekleşir.

Etilbenzen, Br+iyonu (Br2 /FeBr3’ten oluşur) ile tepkimeye girdiğinde oluşan orto < ve para arenyum iyonları için rezonans yapılarını yazınız.

P ro b le m 15.13

Bifenil (C6H5 — C6H5) nitrolandığında benzenden daha hızlı tepkimeye girer ve ana -< ürünler l-nitro-2-fenilbenzen ve 1-nitro-4-fenilbenzendir. Bu sonuçları açıklayınız.

P ro b le m 15.14

15.1 IF Yönlendirme ve Etkinlik Üzerine Substitüent Etkilerinin Özeti Grupların yönlendirme ve etkinlik üzerine etkilerini aşağıdaki gibi (Çizelge 15.3) özet leyebiliriz.

691

692


Çizelge 15.3 Yönlenme Üzerinde Sübstitüent Etkilerinin Özeti Halkaya doğrudan bağlı atomu üzerinde en az Alkil bir çift bağa katılmayan elektronu bulunan grup veya veya kısmen (+ı Halojen —-NH2, —ÖH, vs. Aril ◄— meta yönlendirici— ------------------- orto-para yönlendirici-------------------► <--------------- etkinlik azaltıcı------------- ----------------- etkinleştirici--------------►

1 5 .1 2

A Y

l k î l b e n z e n l e r İn a n

Z İN C İR T

e p k İm e l e r

İ

Hem alifatik hem de aromatik gruplar içeren hidrokarbonlar arenler olarak da bilinir. Toluen, etilbenzen ve izopropilbenzen alkilbenzenlerdir.

Metilbenzen (toluen)

Etilbenzen

İzopropilbenzen (kümen)

Fenileten (stiren veya vinilbenzen)

Çoğunlukla stiren olarak bilinen fenileten, alkenilbenzenlere bir örnektir. Bu bileşik lerin alifatik kısımları çoğu kez yan zincir olarak bilinir. I5.I2A Benzilik Radikaller ve Katyonlar Metilbenzenin (toluen) metil grubundan hidrojen çıkarılması benzi! radikali olarak bi linen bir radikal oluşturur: Benzilik hidrojen

{ Metilbenzen (toluen)

Benzil radikali

Bir benzilik radikal

Benzil radikali bu tepkimede oluşan radikal için kulandan özel bir isimdir. Benzilik ra dikal adı, benzene doğrudan bağlı yan zincir karbonundaki çiftleşmemiş bir elektronu bulunan bütün radikallere verilen bir isimdir. Benzen halkasına doğrudan bağlı karbon atomundaki hidrojen atomları benzilik hidrojen atom ları olarak adlandırılırlar. Bir benzilik konumdan bir ayrılan grubun (AG) çıkışı bir benzilik katyon oluştu rur.

Benzil katyon

ımyası Endüstriyel Stiren Sentezi S t i r e n en önemli endüstriyel kimyasallardan biridir— her yıl 5 milyon tondan fazla üretilir. Stirenin başlıca ticari sentezlerinden birinin başlangıç maddesi, benzenin Friedel-Crafts alkillemesi ile oluşturulan etilbenzendir:

Etilbenzen Daha sonra, etilbenzenden. bir katalizör (çinko oksit veya krom oksit) varlığında, stiren oluşturmak üzere hidrojen çıkartılır. Stiren sentezi için bir diğer yöntem Bölüm 14'ün girişinde tartışılmıştır.)

Stiren (%90-92 verimle) Stirenin büyük bir kısmı, çok bilinen bir plastik olan polistirene polimerleştirilir (Özel KonU A). katalizör — ► CH 2(^H— (CH 2(^H)n— CH,ÇH— c 6h 5c h = c h 2 C6H5

C6H5 Polistiren

c 6h 5

Benzilik radikaller ve benzilik katyonlar konjuge doymamış sistemlerdir ve her iki si de olağanüstü kararlıdır. Bunlar allilik radikaller ve katyonlar ile yaklaşık aynı ka rarlılıktadırlar. Benzilik radikal ve katyonların bu olağanüstü kararlılığı rezonans teorisiyle açıklanabilir. Her iki durumda, halkanın orto veya para karbonu üzerinde çift leşmemiş bir elektron (radikal olması durumunda) veya pozitif yük (katyon olması du rumunda) bulunduran rezonans yapıları yazılabilir (aşağıdaki yapılara bakınız). Böylece rezonans çiftleşmemiş bir elektronu veya yükü delokalize eder ve bu delokalizasyon, radikal veya katyonun oldukça fazla kararlı olmasına neden olur.

Benzilik radikaller rezonans ile kararlı kılınırlar.

Benzilik katyonlar rezonans ile kararlı kılınırlar.

Benzil radikali ve benzil katyonu için hesaplanmış yapılar Şekil 15.6'da gösterilmiş tir. Bu yapılar, radikaldeki çiftleşmemiş elektron yoğunluğunun ve katyondaki pozitif yükün, yukarıdaki rezonans yapıları ile uyumlu bir şekilde, orto ve para konumlarında bulunduğunu göstermektedir.

693

694


Benzil radikali

Benzil katyonu

Şekil I 5.6 Benzil radikali için hesaplanmış yapıda gri loblar (solda) çiftleşmemiş elektron dan gelen yoğunluğun yerini göstermektedir. Bu model benzilik konumdaki çiftleşmemiş elektronun daha önce benzilik radikal için tartışılan rezonans modeli ile uyumlu olan orto ve para konumlarında bulunduğunu göstermektedir. Benzil katyonunda (sağda) bağlayıcı elektronlar için hesaplanmış elektrostatik potansiyel haritası, pozitif yükün (mavi bölgeler) başlıca benzilik, orto ve para karbonlarında olduğunu gösterir. Bu da benzilik katyon için olan rezonans modeliyle uyum içindedir. Her iki yapının van der Waals yüzeyi tel örgüyle gösterilmiştir.

I5.I2B Yan Zincirin Halojenlenmesi Benzilik Radikaller Brom ve klorun bir Lewis asit varlığında tepkimeye girdiğinde toluen halkasındaki hid rojen atomlarının yerini aldığını öğrenmiştik. Halka halojenlenmesinde elektrofiller. po zitif klor veya brom iyonları ya da pozitif holajenleri olan Lewis asit kompleksleridir. Pozitif elektrofiller benzen halkasının tt elektronlarına atak yapar ve aromatik yer de ğiştirme gerçekleşir. Klor ve brom, toluenin metil grubundaki hidrojenlerinin yerine de geçebilir. Tepki me Lewis asitleri olmadan ve radikal oluşumunun yeğlendiği koşullarda yapıldığın da yan-zincir veya benzilik halojenlenme olur. Örneğin, toluen, /V-bromosiksinimit (NBS) ile ışıklı ortamda tepkimeye girer ve ana ürün benzil bromiirdür. /V-Bromosiksinimit dü şük derişimde Br2 sağlar ve tepkime Altbölüm 13.2B’de allilik bromlama için tartışılan tepkimeye benzer. q O II .c h 2ç ^ \

O NBS

II h 2ct

NBr

1

H,C^ Benzil bromür (a-bromotoluen) (%64)

"C

/

0

Toluenin yan-zincir klorlanması gaz fazında 400-600oC veya UV ışığı varlığında olur. Aşırı klor kullanıldığında yan zincirde çoklu klorlama gerçekleşir.

Benzil klorür

Diklorometilbenzen

Triklorometilbenzen

15.12 Alkilbenzenlerin Yan Zincir Tepkimeleri

695

Bu halojenlemeler Altbölüm 10.4’te alkenler için öğrendiğimiz radikal mekanizmayla aynı mekanizma üzerinden yürür. Halojenler, halojen atomları oluşturmak üzere ayrışır ve sonra halojen atomu metil grubundan hidrojen alarak zincir tepkimelerini başlatır.


Toluenin metil grubundan bir hidrojenin çıkarılması bir benzil radikali oluşturur. Benzil radikali, daha sonra bir halojen molekülüyle tepkimeye girerek bir benzil halojenür ve bir hidrojen atomu verir. Halojen alonıu 2. basamağın tekrarına yol açar, soma 3. basamak tekrar olur ve bu böyle devam eder. Benzilik halojenlenme olağanüstü kararlı radikaller oluşumunu içeren allilik halojenlenmeye benzer (Altbölüm 15.12A) Benzilik ve allilik radikaller üçüncül radikaller den daha kararlıdır. Benzilik radikallerin bu kararlılığı etilbenzen halojenlendiğinde ara ürünün 1-halo1-feniletan olma nedenini açıklar. Benzilik radikal 1° radikalden çok daha hızlı oluşur. X CHCH,

-f X '

CH,CH,

CH,CH,X + X 1° Radikal (daha az kararlı)

l-HaIo-2-feniletan (yan ürün)

Propilbenzen UV ışını varlığında klor ile tepkimeye girdiğinde, ana ürün 1-kloro- X 1-fenilpropandır. 2-Kloro-l-fenilpropan ve 3-kloro-l-fenilpropan yan ürünlerdir. Her bir ürünü veren radikalin yapısını yazınız ve 1 -kloro-1 -fenilpropanın ana ürün ol ma nedenini açıklayınız.

P ro b le m 15.15

696

Bölüm 15 / Aromatik Bileşiklerin Tepkimeleri Örnek Problem Çok Basamaklı Bir Sentezin Gösterilişi

Etilbenzenden başlayarak fenilasetilenin (C6H5C = C H ) sentezini tasarlayınız. Cevap:

Geriye doğru gelerek, yani retrosentetik analizi kullanarak, fenilasetileni, aşağıdaki bileşiklerin her birisinden, mineral yağı içerisinde sodyum amit kullanarak hidrohalojeniir çıkışı ile yapabileceğimizi buluruz (Altbölüm 7.10). C6H5CBr2CH3

(1) NaNHı, mineral yağ, ısı (2) H,CT

C6H5CHBrCH2Br

(1) NaNH;, mineral yağ, ısı (2) H,0

c 6h 5c = ch c 6h 5c = ch

İlk bileşiği etilbenzenin 2 mol NBS ile tepkimesinden elde edebiliriz. c 6h 5c h 2c h 3

NBS. ışık ccl

-> G.HfCBışCH,

İkinci bileşiği etilbenzenden oluşturabileceğimiz stirene brom katarak aşağıdaki gibi yapabiliriz NBS. ışık fi OH. ısı C6H5CH2CH3 CCL * C6H3CHBrCH3 CftH3CH=CH,

P ro b le m 15.16

Br;, CC14

> C6H5CHBrCH2Br

> Fenilasetilen (C6H 5C = C H ) ile başlayarak (a) 1-fenilpropin, (b) 1-fenil- 1 -bütin, (c) (Z)-l-fenilpropen ve (d) (El-l-fenilpropenin sentezlerini tasarlayınız.

1 5 .1 3

A

l k e n il b e n z e n l e r

15.13A Konjuge Alkenilbenzenlerin Kararlılığı Yan zincirlerinde benzen halkasıyla konjugelenmiş ikili bağ taşıyan alkenilbenzenler di ğer alkenil benzenlere göre daha kararlıdırlar.

Konjuge sistem

Konjuge olmayan sistem

Konjuge alkenilbenzenlerin kararlı oluşunun bir kanıtı da bildiğimiz, alkollerin asil ka talizi i dehidrasyon tepkimelerinde en kararlı alkeni oluşturmalarıdır (Altböliim 7.8). Ör neğin aşağıda verilen alkolün dehidrasyonu tamamen konjuge sistemi verir.

15.13 Alkilbenzenler

H\

697

/

OH Konjugasyon her zaman n elektronlarının dağılmasına izin veren doymamış bir sis temin enerjisini düşürür, bu beklediğimiz bir davranıştır.

I5.I3B Alkenilbenzenlerin İkili Bağına Katılmaları Hidrojen bromür, peroksitli ortamda, ana ürün olarak 2-bromo-l-fenilpropan vermek üze re l-fenilpropenin ikili bağına katılır. C H - C H C H , - ^ - * < Q > - CH2ÇHCH3 Br 2-Bromo-l -fenilpropan

1-Fenilpropen

HBr, peroksitlerin yokluğunda tam tersi yoldan katılır. ( j C ^ C H = C H C H 3 (pero^ fyok- >

Br 1-Fenilpropen 1-Bromo-l-fenilpropan Hidrojen bromürün 1-fenilpropene katılması; peroksitlerin varlığında benzilik radikal üzerinden, peroksit yokluğundaysa benzilik katyon üzerinden olur (bkz. Problem 15.17 ve Altbölüm 10.9). HBr'nin 1-fenilpropen ile (a) peroksit varlığındaki, (b) peroksitsiz ortamdaki tepki- ■< meleri için mekanizmalar yazınız. Her bir durumda katılmanın yer seçiciliğinin se bebini açıklayınız (yani, peroksit varken 2-bromo-l-fenilpropanın peroksit yokken 1-bromo-l-fenilpropanın ana ürün olmasının nedenini açıklayınız).

P ro b le m 15.17

1-Fenilpropenin aşağıdaki tepkimelerdeki ana ürününün ne olmasını beklersiniz (a) *< HC1 ile tepkimeye girdiğinide (b) Oksiciva katılması-civa atılmasına ayrılmasına uğradığında.

P ro b le m 15.18

I5.I3C Yan Zincirin Yükseltgenmesi Kuvvetli yükseltgen reaktifler tolueni benzoik asite yiikseltgerler. Bu yiikseltgeme sıcak bazik potasyum permanganatın etkisiyle yapılabilir. Bu yöntem hemen hemen kantitatif verimle benzoik asit verir. O (1) K M n04,0 H - , ısı (2) H ,0 +

COH Benzoik asit (~%10ü>


Yan-zincir yükseltgenmelerinin en önemli özelliği yükseltgenmenin benzilik karbon da olmasıdır. Alkil grubu metilden daha uzun olan benzenler de sonunda benzoik asite parçalanırlar. o c h 2c h 2c h 2r

c — OH (1) KMn04, OH" (2) H ,Ö +

Bir alkilbenzen

Benzoik asit

Yan-zincir yükseltgenmelerinde ilk basamakta yükseltgeyici madde bir benzilik hid rojen çıkartır. Bu tepkimeler bu bakımdan benzilik halojenlenmeye benzerler. Benzilik karbonda yükseltgenme bir kere başladığında o bölgede devam eder ve süreç içinde yükseltgen madde yan zincirin geri kalan karbon atomlarını ayırarak uzaklaştırır; sonunda benzilik karbonu bir karboksilik aside yükseltger (rcr-Bütilbenzen yan zincir yükseltgenmesine karşı dirençlidir. Niçin?) Yan-zincir yükseltgenmesi sadece alkil gruplarıyla sınırlı değildir. Alkenil, alkinil ve açil grupları da sıcak bazik potasyum perm anganat ile aynı şekilde yükseltgenirler. c 6h 5c h

=

chch3

veya c 6h 5c

=

O

cch,

(1) KMnO ,, OH , ısı

+

(2) H ,0

veya

c 6h 5c o h

O II c 6h 5c c h 2c h 3

I5.I3D Benzen Halkasının Yükseltgenmesi Bir alkilbenzenin benzen halkası ozonlamayı izleyen hidrojen peroksit etkileştirilmesi ile karboksil grubuna dönüştürülebilir. R

1 5 .1 4

Se

n t e t ik

C6H;

U

(1) O,, CH,CO,H ------3-------3----(2) H,Ü,

R— COH

y g u la m a la r

Aromatik halkaların yer değiştirme tepkimeleri ve alkil ve aikenilbenzenlerin yan-zin cir tepkimeleri, birlikte ele alındığında, organik sentezler için zengin bir tepkime seti sunarlar. Bu tepkimeleri başarılı bir şekilde kullanırsak, oldukça fazla sayıda benzen tü revini sentezleyebiliriz. Organik bir sentezi plânlamada hüner, tepkimelerin sırasını düzenleyebilmektir. Ör neğin ö-bromonitrobenzeni sentezlemek isteyelim. Brom orto-para yönlendirici oldu ğundan, halkaya önce bromun yerleştirilmesi gerektiğini kolayca görebiliriz.

o-Bromonitrobenzen

p-BromonitrO' benzen

15.14 Sentetik Uygulamalar

Ürün olarak elde ettiğimiz orto ve para bileşikler değişik yöntemlerle aynlabirler. Ancak nitro grubunu önce bağlasaydık ana ürün olarak tf-bromonitrobenzeni elde eder dik. Tepkimeler için uygun sıranın seçilmesiyle ilgili diğer önemli örnekler orto-, me ta-, ve para-nitrobenzoik asitlerin sentezidir. Orto- ve para- Nitrobenzoik asitleri; önce tolueni nitrolayarak, sonra orto- ve para- nitrotoluenleri ayırarak ve daha sonra da metil gruplarım karboksil gruplarına yiikseltgeyerek sentezleyebiliriz.

o-Nitrotoluen

o-Nitrobenzoik asit

/?7-Nitrobenzoik asiti, tepkime sırasını tersine çevirerek sentezleyebiliriz. CH,

CO,H -2 2 % [ f y

HUSO., I W . NO, /«-Nitrobenzoik asit

Örnek Problem Toluenden başlayarak (a) l-bromo-2-triklorometilbenzen, (b)l-bromo-3-triklorobenzen ve (c) l-bromo-4-triklorobenzenin sentezlerini tasarlayımz. Cevap:

(a) ve (c) bileşiklerinin sentezi, toluenin halka bromlanmasını ve ardından 3 eşdeğer mol klor kullanılarak yapılan yan-zincir klorlanmasını içerir. Br

699

700


(b) Bileşiğini sentezlemek için önceki tepkime sırasının tersi izlenmelidir. Önce yan zincir, meta yönlendirici bir grup yapmak için —CC13’e dönüştürülür ve böylece brom istenilen konuma sokulur.

(b)

P ro b le m 15.19

>■ Benzenden w-kloroetilbenzen sentezlemeniz gerektiğini varsayınız. C1

Benzeni klorlayarak başlayabilir ve sonra CH3CH2C1 ve A1C13 kullanarak Friedel-Crafts alkillemesi yapabilirsiniz veya önce Friedel-Crafts alkillemesi sonra da klorlama yapabilirsiniz. Ancak iki yöntem de istenen ürünü vermez. (a) Niçin iki yöntem de istenen ürünü vermez? (b) Basamaklar doğru sırada yapılırsa bunu başarabilecek üç basamaklı bir yöntem vardır. Bu yöntem nedir?

I5.I4A Koruyucu ve Kapatıcı Grupların Kullanımı Arnino ve hidroksil gruplan gibi çok kuvvetli etkinleştirici gruplar benzen halkasını istenmeyen tepkimeler verecek kadar etkin yaparlar. Nitrik asit gibi elektrofilik yer de

ğiştirme için kullanılan bazı reaktifler kuvvetli yükseltgeyici madde olarak da kullanı lırlar. (Hem elektrofiller hem de yükseltgeyici maddeler elektron ararlar.) Bu yüzden amino ve hidroksil grupları, halkayı sadece elektrofilik yer değiştirmeye karşı etkinleştirmezler, yiikseltgenmeye karşı da etkinleştirirler. Örneğin anilinin nitrolanması, ben zen halkasının nitrik asit ile yiikseltgenmesinden dolayı önemli bir bozunma ile sonuçlanır. Sonuç olarak o- ve p-nitroanilinin hazırlanması için anilinin doğrudan nitrolanması uygun bir yöntem değildir. Anilini asetil klorür, CH3COCl, veya asetik anhidrit CH3C 0) 20 , ile etkileştirmek anilini asetanilite dönüştürür. Amino gurubu, yalnızca ılımlı bir etkinleştirici olan ve halkayı yükseltgenlere karşı daha hassas yapmayan asetamido (— NFICOCH3) grubuna dönüştürülür (Problem 15.1 l ’e bakınız). Artık asetanilit ile doğrudan ııitrolama müm kün hale gelmiştir.

15.14 Sentetik Uygulamalar

O N H tT H

Anilin

Asetanilit

p-Nitroasetanilit (%90)

o-Nitroasetanilit (çok az)

(1 ) H , 0 . H , S 0 4, ısı (2 ) O H -

o +

c h 3c o

Asetanilitin nitrolanması sadece çok az orto izomeri ile mükemmel bir verimle p-nitroasetanilit verir. p-Nitroasetanilitin asidik hidrolizi (AltbölLim 18.8F) asetil grubunu uzak laştırır ve iyi bir verimle de p-nitroanilini verir. Ancak o-nitroaniline ihtiyacımız olduğunu varsayalım. Açıkladığımız sentezin, nitrolama tepkimesinde yalnızca eser miktarda ö-nitroanilit elde edildiği için iyi bir sentez yöntemi olamayacağı açıktır. (Asetamido grubu pek çok tepkimede sadece para yönlen diricidir. Örneğin asetanilitin bromlanması tamamen p-bromoasetaniliti verir.) Bununla birlikte, o-nitroanilini aşağıdaki tepkimeler üzerinden sentezleyebiliririz:

Asetanilit

o-Nitroanilin (%56)

Burada bir sülfonik asit gurubunun nasıl “kapatıcı grup” olarak kullanıldığını gördük. Sülfonik asit grubunu daha sonraki bir basamakta desülfolama ile uzaklaştırabiliriz. Bu örnekte desülfolama için kullanılan reaktif (seyreltik H2S04) benzen halkasını nitrik asit yiikseltgemesinden “korumak" için kullanılan asetil grubunu da halkadan çıkarır. I5.I4B Disübstitüe Benzenlerde Yönlenme Benzen halkasında iki farklı grup bulunduğunda genellikle, daha fazla etkinleştiren grup (Çizelge 15.2) tepkimenin sonucunu belirler. Bir örnek olarak, p-metilasetanilitin elektrofilik yer değiştirme tepkimesindeki yönlenmeyi ele alalım. Asetat grubu metil grubun dan çok daha kuvvetli etkinleştirici gruptur. Aşağıdaki örnek asetamido grubunun

701


tepkimenin sonucunu belirlediğini göstermektedir. Yer değiştirme asetamido grubuna göre başlıca orta konumda olur. NHCOCH3

CH? Bütün orto- para yönlendiriciler meta yönlendiricilerden daha etkinleştirici grup lar olduklarından, orto-para yönlendiriciler, girecek olan grubun yönlenmesini belir lerler.

Aromatik yer değiştirmelerde sterik etkiler de önemlidir. Meta siibstitüentler ara sında, başka bir konum açıksa, önemli ölçüde yer değiştirme olmaz. Bu etkinin iyi bir örneği, /??-bromoklorobenzenin nitrolanmasında görülebilir.

Brom ve klor arasında nitro grubu içeren mononitro ürünü sadece % 1 oranında oluşur. Probl em 15.20

>• Aşağıdaki bileşiklerin her birisi nitrolandığından elde edilebilecek ana ürünü (veya ürünleri) belirtiniz.

cf3

15.15

\ r Allilik

ü k l e o f İl î k

A

l l î l İk v e

B

Y

er

D

e n z îü k

e ğ î ş t İr m e

H

T

e p k İm e l e r î n d e

a lo je n ü r ler

Allilik ve benzilik halojenürler diğer organik halojenürlerin sınıflandınldığı gibi sınıflandırılabilirler: R' R H / / C^ x

/

\ 2° Allilik

\

/

/

II o

\

u II u

J2 H2X =c

N

n

702

Ar— C— X

1° Benzilik

2° Benzilik

\ 3° Allilik

1 |

Ar—CH,X

R

Ar—C—

|

>

R' 3° Benzilik

Bu bileşiklerin hepsi nükleofilik yer değiştirme tepkimesine uğrar. Diğer üçüncül halojenürlerde olduğu gibi (Altbölüm 6.14) halojen taşıyan karbonda bulunan üç hacim li grubun oluşturduğu sterik engel üçüncül alilik ve benzilik halojenürlerin SN2 mekaniz masıyla tepkime vermelerini önler. Bunlar nükleofillerle, yalnızca SN1 mekanizmasıyla tepkime verirler.

15.15 Nükleofilik Yer Değiştirme Tepkimelerinde Allilik ve Benzilik Halojenürler

Çizelge 15.4 Alkil, Allilik ve Benzilik Halojenürlerin SN Tepkim elerindeki Davranışlarının Bir Özeti Bu halojenürler başlıca SN2 tepkimeleri Bu halojenürler verirler. başlıca SN1 CH,—X R— CH,—X R—CH—X tepkimeleri verirler. 1 R' R Bu halojenürler SN1 ya da Sv2 tepkimeleri verebilirler. Ar—CH,— X

Ar— CH —X

/

H\ \

\

/

C. / VY

R'

n II o

CH,—X / "

O

\

O

R

R '—C—X 1 R" R 1 Ar—C—X 1 R'

\

W\ *

/

Birincil ve ikincil allilik ve benzilik halojenürler. asidik olmayan normal çözücülerde SN1 mekanizmasıyla ya da SN2 mekanizmasıyla tepkime verebilirler. Bu halojenürlerin, yapısal olarak birincil ve ikincil alkil halojenüre benzediklerinden, SN2 mekanizması ile tepkimeye girmelerini bekleyebilirdik. (Halojen taşıyan karbona bağlı sadece bir veya iki grubun bulunması SN2 atağını engellemez) Ancak, birincil ve ikincil allilik ve ben zilik halojenürler nispeten kararlı karbokatyon oluşturabildiklerinden SN1 mekanizma sı ile de tepkimeye girebilirler ve bu açıdan birincil ve ikincil alkil halojenlerden farklıdırlar. Alkil, allilik ve benzilik halojenürlerin etkinlikleri üzerindeki yapısal etkenleri. Çi zelge 15.4'de gösterildiği gibi özetleyebiliriz. Örnek Problem ------------------------------------------------------------------------------------------3-Kloro-1-bütenin [(R) veya (5)] herhangi bir enantiyomeri hidrolize uğradığında, tep kime ürünleri optikçe aktif değildir. Bu sonuçları açıklayınız. Cevap:

Solvoliz tepkimesi SNl'diı\ Ara ürün allilik katyonu kiral değildir ve bu nedenle su ile, eşit miktarlarda enantiyomerik 3-bLiten-2-olleri ve bir miktar da kiral olmayan 2büten-l-olü vermek üzere tepkimeye girer. C1 OH (R) veya (S)

Akiral

Rasemik Akiral (ancak iki diastereomer oluşumu mümkündür)

* 2° alkil halojenürlerin su ve alkol karışımları veya aseton gibi asidik olmayan normal çözeltilerde SN1 mekanizmasıyla tepkimeye girip girmediği konusunda bazı tartışmalar vardır: ancak bütün pratik amaçlar için Sn2 mekanizmanın çok daha önemli bir yol olduğu açıktır.

703

704


P ro b le m 15.21

>• Aşağıdaki gözlemleri açıklayınız: (a)l-Kloro-2-büten etanollü ortamda derişik sod yum etoksit çözeltisi ile tepkimeye girdiğinde tepkime hızı allilik halojeniirün ve etoksit iyonunun derişimine bağlıdır. Tepkime ürünü olarak yüksek verimle CH3 CH=CHCH 2 0 CH2CH3 elde edilir, (b) 1-Kloro-2-büten etanol içerisinde çok seyreltik sodyum etoksit çözeltisiyle (veya sadece etanol ile) tepkimeye girdiğinde tepkimenin hızı etoksit iyonunun derişimine bağlı değildir, sadece allilik halojenürün derişimine bağlıdır. Bu koşullarda tepkimede CH3CH==CHCH2OCH2CH3 ve CH,CHCH=CH2. karışımı oluşur. OCH2CH3 (c) Eser miktarda su varlığında l-kloro-2-büten yavaşça l-kloro-2-büten ve 3-kloro-l-büten karışımına dönüşür.

P ro b le m 15.22

> 1-Kloro-3-metil-2-büten su ve dioksan karışımında l-kloro-2-büteninkinden bin kat daha hızlı hidrolize uğrar, (a) Etkinlikteki bu farklılığın nedeni nedir, (b) Hangi ürün leri elde etmeyi beklersiniz? [Dioksan suyla her oranda karışan halkalı (aşağıda) bir eterdir ve buna benzer tepkimeleri yapmak için yararlı bir yardımcı çözücüdür. Di oksan kanserojendir (yani kansere neden olur) ve bununla birlikte pek çok eter gi bi peroksitleri oluşturma eğilimindedir.]

Dioksan

P ro b le m 15.23

>■ Pek çok birincil alkil halojenür SN1 tipi tepkimeye uğramazken, ROCH2X tipinde ki birincil alkil halojeniirler SN1 tipi tepkimeye uğrarlar. ROCH2X tipindeki halojeniirlerin SN1 tepkimesine uğraması için bir rezonans açıklaması önerebilir misiniz?

P ro b le m |5.24

>- Aşağıdaki klorürler, etanol içerisinde, bağıl hızları parantez içinde verilen solvolize uğrarlar. Bu sonuçları nasıl açıklarsınız? C6H,CH2C1 (C6H5)2CHCH3 (C6H5)2CHC1 (C6H5)3CC1 cı (0,08)

1 5 .1 6

(1 )

(300)

(3 x 106)

A R O M A T İ K B İL E Ş İK L E R İN İN D İR G E N M E S İ

Benzenin basınç altında nikel gibi bir metal katalizör kullanılarak yapılan hidrojenlenme tepkimesi 3 eşdeğer mol hidrojenin katılması ve sikloheksan oluşumuyla sonuçlanır (Altbölüm 14.3). Ancak ara ürün olan sikloheksadienler ve sikloheksen benzenden çok da ha hızlı katalitik hidrojenleme verdiği için izole edilemezler.

Benzen

Sikloheksadienler

Sikloheksen

Sikloheksan

15.16 Aromatik Bileşiklerin İndirgenmesi

15.16A

Birch İndirgemesi

Benzen sıvı amonyak ve alkol karışımı içerisinde bir alkali metal (sodyum, lityum ve ya potasyum) ile etkileştirilerek 1,4-sikloheksadiene indirgenebilir.

n

—

L

U N H j, E tO H

Benzen

1,4-Sikloheksadien

Bu, başka bir çözünen metal indirgemesidir ve mekanizma, Altböltim 7.15B'de in celediğimiz alkiıılerin indirgenme mekanizmasına benzer. Alkali metalden elektron ak tarımı ve ardından alkolden proton aktarımı gerçekleşir.

T e p k i m e için Bir M e ka ni z m a _____ Birch İn di rg e m e s i İlk elektron aktarımı bir delokalize benzen radikal anyonu oluşturur.

Na-

Benzen

Benzen radikal anyonu E tO H

H

vs.

H-

H

H

Protonlanına bir sikloheksadienil radikali (aynı zamanda delokalize olmuş bir tür) oluşturur.

Sikloheksadienil radikali Na •

H-

vb.

H-

H

Bir başka elektron aktarımı, bir delokalize sikloheksadienil anyonu ve bunun protonlanması da 1.4sikioheksadienin oluşumuna yol açar.

EtO TI

H Sikloheksadienil anvonu

1,4-Sikloheksadien

1.4-Sikloheksadienin bu tip bir tepkimeyle oluşumu oldukça yaygındır, fakat daha kararlı olan konjuge 1,3-sikloheksadienin yerine 1,4-sikloheksadien oluşumunun yeğlenmesi anlaşılamamıştır. Bu tür metal indirgenmesi Australyalı kimyacı A. J. Birch tarafından yapıldığı için onun adıyla, Birch indirgemesi olarak bilinir. Benzen halkası üzerindeki gruplar tepkimenin seyrini etkiler. Metoksibenzenin (anizol) Birch indirgemesi 1-metoksi- 1,4-sikloheksadien verir. Bu bileşik seyreltik asitle

705

706


2-sikloheksenona hidroliz edilebilir. Bu yöntem 2-sikloheksenonların sentezinde oldukça yararlıdır.

Metoksibenzen (anizol

P ro b le m 15.25

l-Metoksi-1,4sisloheksadien (%84)

2-SikIoheksenon

> Toluenin Birch indirgenmesi moleküler formülü C7 H 10 olan bir ürün verir. Ozonlama ve ardından çinko ve suyla indirgeme bu ürünü CH3 COCH2CHO ve OHCCH2CHO ya dönüştürür. Birch indirgenme ürününün yapısı nedir?

A r o m a t i k Bileşiklerin A n a h t a r T e p k i m e l e r i için M eka n i z m a Ö z e t l e r i Şekil 15.1 (sayfa 663) bu bölümde tartışılan elektrofilik aromatik yer değiştirme tepkimelerini özetlemekte ve ayrıntılı olarak tartışılan her bir kısma ait kaynakları vermek tedir. Çizelge 15.2 (sayfa 680) ve 15.3 (sayfa 692) sübstitüentleri sınıflandırmakta ve bunların elektrofilik aromatik yer değiştirmede benzen halkalarının etkinliklerine ve yön lenmeye etkilerini belirtmektedir. Çizelge 15.4 (sayfa 703) alkil, allilik ve benzilik lıalojenürlerin nükleofilik yer değiştirme tepkimelerindeki etkinliklerini özetlemektedir. Bunlara ek olarak burada, aşağıda verilen tepkimeleri de inceledik.

1. Friedel-Crafts Açillemesi için Asit Klorürlerin Elde Edilmeleri (Altbölüm 15.7) O O S O C İ, v ey a P C I,

2. Clemmensen İndirgemesi (Atbölüm 15.9). O Z n (H g ), HC1

Ar— CH2— R

3. Fenoller ve Aromatik Aminler için Koruyucu ve Kapatıcı Gruplar (Altbölüm 15.14A). C H .C O C İ, baz veya ( C H , C 0 ) , 0

^

¥

Ar—OH — ------------ ----------- '—>■Ar—O—COCH3 C H .C O C İ. baz veya ( C H , C 0 ) , 0

Ar—NH2 — ------------ ------ ---- Ar—NH—COCH,

4. Benzilik Halojenleme (Altbölüm 15.12B). H I

Ar— C-

X X , (veya N B S), ve peroksitler, ısıt, v ey a ışık X = B r v e y a C1

►Ar— c —

Ek Problemler

707

5. Yan-Zincir Yükseltgennıesi (Altbölüm 15.13C). (1) K M n O j, H O " , ısı

Ar—R -------- 1---------- ► Ar— CO,H (2 )

H30 +

6. Benzen Halkasının Yükseltgenmesi (Altbölüm 15.13D). r — c 6h 5

( 1 ) 0 , , C H ,C O ,H

(2)H;Q:

-

►r— c q 2h

7. Birch İndirgemesi (Altbölüm 15.16A). Na N H „ C H ,C H ,O H

j A n a h t a r T e r i m l e r ve K a v r a m l a r ’ Elektrofilik aromatik yer değiştirme Arenyum iyonu Etkinleştirici grup Etkinlik azaltıcı grup Orto-para yönlendirme Meta yönlendirme Allilik karbokatyon Benzilik karbokatyon Benzilik radikal Koruyucu ve kapatıcı gruplar

Altbölümler 15.1 ve 15.2 Altbölüm 15.2 Altbölüm 15.10A Altbölümler 15.10B, 15.10C, ve 15.11A AltböIümlerl5.10A, 15.10C, 15.11D ve 15.11E Altbölümler 15.10B ve 15.11C Altbölümler 13.10 ve 15.15 Altbölümler 15.12A ve 15.15 Altbölümler 15.12A ve 15.15 Altbölüm 15.14A

15.26

Aşağıda verilen her bir bileşik C l 2 ve FeCl 3 ile halka klorlanmasına uğratıldığında elde edilebilecek ana ürünü (veya ürünleri) yazınız. (a) Etilbenzen (e) Nitrobenzen (b) Anizol (C6H5OCNH,) (f) Klorobenzen (c) Florobenzen (g) Bifenil (C6H5— C6H5) (d) Benzoik asit (h) Etil fenil eter

15.27

Aşağıdaki her bir bileşiğin halka nitrolanmasında oluşan ana ürünü (veya ürünleri) yazınız. (a) Asetanilit (C6H5NHCOCH3) (b) Fenil asetat (CH3C 0 2C6H5) (c) 4-Klorobenzoik asit (d) 3-Klorobenzoik asit

(e) C6H5COC6H5 * Y ıld ız la iş a r e tle n m iş p r o b le m le r " ç ö z ü lm e s i d a h a z o r o la n p r o b l e m l e r 'd i r .

E k PROBLEMLER

708


15.28

Aşağıdaki tepkimelerin ana ürünlerini belirtiniz. (a) (b) (C) (d)

Stiren + HC1 — ► 2-Bıomo-l-fenilpropan + C2 H5ONa----► HA ısı C 6H5CH2CHOHCH2CH3 —► ............................. . peroksitler (c) nın urunu + HBr----------► HA (e) (c)'nin ürünü + H20 ——► Dt (f) (c)'nin ürünü + H2 (l eşdeğer mol) 25°C (g) (f)’nin ürünü

(1) K M n O ,. H O . ıs ı, (2) H ? O f

15.29

Benzenle başlayarak, aşağıdaki bileşiklerin her birinin sentezini tasarlayınız. (h) m-Dinitrobenzen (a) İzopropilbenzen (i) m-Bromonitrobenzen (b) ter-Bütilbenzen (j) p-Bromonitrobenzen (c) Propilbenzen (k) o-Klorobenzensülfoik asit (d) Biitilbenzen (l) o-Kloronitrobenzen (e) l-fer-Bütil-4-klorobenzen (m) m-Nitrobenzensiilfoik asit (f) 1-Fenilsiklopenen (g) /rc///.v-2-Fenilsiklopentanol

15.30

Stirenle başlayarak, aşağıdakilerden her birinin sentezini tasarlayınız. (h) Q H 5CH2CH2D (a) Q H 5CHC1CH2C1 (i) C6H5CH2CH2Br (b) C(1H5CH2CH3 (j) C6H5CH2CH2I (c) C6H5CHOHCH2OH (k) C6H5CH2CH2CN (d) C6H5C 02H (l) C(,HsCHDCH2D (e) C6H5CHOHCH, (m) Sikloheksilbenzen (f) C6H5CHBrCH, (n) C6H5CH2CH2OCH3 (g) C(,H5CH2CH2OH

15.31

Toluenle başlayarak, aşağıdakilerin her birinin sentezini tasarlayınız. (a) m-Klorobenzoik asit (f) p-İzopropiltoluen (p-kümen) (b) p-Metilasetofenon (g)l-Sikloheksil-4-metilbe (c) 2-Bromo-4-nitıotoluen (h) 2,4,6-Trinitrotoluen (TNT) (d) p-Bromobenzoik asit (i) 4-Kloro-2-nitıobenzoik asit (e) l-KIoro-3-triklorometilbenzen (j) l-Bütil-4-metilbenzen

15.32

Anilinle başlayarak, aşağıdakilerin her birinin sentezini tasarlayınız. (a) p-Bromoanilin (d) 4-Bromo-2-nitroanilin (b) o-Bromoanilin (e) 2.4,6-Tribromoanilin (c) 2-Bromo-4-nitroanilin

15.33

Aşağıdaki her iki sentez de başarısız olacaktır. Her birinde neyin yanlış oldu-

Ek Problemler

15.34

Fenilbenzoatın bir halkası diğerinden daha kolay elektrofilik aromatik yer değiştirmeye uğrar, (a) Bu halka hangisidir? (b) Cevabınızı açıklayınız. O

F e n il b e nzoat

15.35

Aşağıdaki bileşikler Br2 ve FeBr, ile halka bromlamasına uğratıldıklarında hangi ürünün (veya ürünleri) oluşmasını beklersiniz? O

O

15.36

O

Pek çok polisiklik aromatik bileşik Bradsher tepkimesi veya aromatik siklodehidrasyon olarak bilinen halkalaşma tepkimesi ile sentezlenmiştir. Bu yöntem 9-metilfenantrenin aşağıdaki sentezi ile gösterilebilir.

Bu tepkimede arenyum iyonu bir ara üründür ve son basamak alkolün dehidrasyoııunu içerir. Bradsher tepkimesi için verilen yukarıdaki örnek için mantıklı bir mekanizma öneriniz. 15.37

G -I Bileşiklerinin yapılarını bulunuz.

OH d e r H ,S 0 4 60-65 C

d e rl-IN O , u

der H ,S 0 4

H , 0 ' . H ,0 n

ısı

1

OH (C6H6S2Og)

15.38

(C6HsNS2O10)

(C6H5N()4)

2,6-Diklorofenol iki kene türünün (Amblyomma americanum ve A. maculatum) dişilerinden izole edilmiştir ve bu maddenin bir seks çekicisi olduğu bi linmektedir. Her bir dişi keneden yaklaşık 5 ng 2,6-diklorofenol elde edilir. Bu miktardan daha fazlasına ihtiyacınız olduğunu varsayınız ve bunun içinde 2,6-diklorofenolün fenolden başlayan bir sentezini tasarlayınız (Ipııcu: Fenol 100°C’da sıilfolandığında ürün başlıca p-hidroksibenzensülfonik asittir.)

709

710


15.39

Hidrojen halojenürün (hidrojen bromür veya hidrojen klorilr) l-fenil-l,3-bütadiene katılması (sadece) l-fenil-3-halo-l-büten verir, (a) Bu ürünün oluşumunu açıklayan bir mekanizma yazınız, (b) Bu, biitadien sistemine 1.4 veya 1.2 katılması mıdır? (c) Tepkimenin ürünü en kararlı karbokatyon ara ürünü oluşumu ile uyumlu mudur? (d) Tepkime kinetik kontrollü mü yoksa denge kontrollü müdür? Açıklayınız.

1 5 .4 0

2-Metilnaftalin toluenden aşağıdaki tepkime sırası ile sentezlenebilir. Her bir ara ürünün yapısını yazınız. A1C1,

Toluen + süksinik anhidrit------►

Z n (H ? )

A

riv_I" ►

( C „ H 120 3) SOCE

A lC lj

------ >

C

NaBH4

------ ->

D

(C n H u C lO ) h ,s o

4

—--- ► ısı

---------►

(C u H 12Ö ) nbs

F

B ( C „ H 140 2)

„

--------- >

G

“ (Cı ı H ıı B r )

CCl.ı, ışık

(C ||H |2)

E ( C u H 140 )

N aO E t E tO H ısı

2-Metilnaftalin

15.41

Dimetilbenzenin (bir ksilen) halka nitrolanması sadece bir nitıodimetilbenzen verir. Bu dimetilbenzenin yapısı nedir?

15.42

Aşağıdaki tepkimeleri açıklayan mekanizmaları yazınız.

15.43

a-Tetralon ile başlayarak aşağıdakilerin her birini nasıl sentezleyeceğinizi gös teriniz (Altbölüm 15.9).

15.44

Fenilbenzen (C6H5 — C6H5) bileşiği bifenil olarak isimlendirilir ve halkalar aşağıdaki gibi numaralandırılır. 3

2

2'

3'

5

6

6'

5'

Sübstitiie bifenil 1er hakkında aşağıdaki soruları cevaplamak için modeller kullanınız, (a) Belirli büyük gruplar orto konumlarının üç veya dördünde bulunursa (yani. 2 , 6 , 2 ' ve 6 ') sübstitüe bifenil enantiyomerik yapılarda bu lunabilir. Enantiyomerik yapılarda bulunan bifenillere örnek. 2-N02. 6 -CCfH. 2'-NO?, 6'-C 02H sübstitiientleri bulunduran bifenildir. (b) Bundan sorumlu olan etkenler nelerdir, (b) 2-Br, 6-C0 2H. 6 '-H bulunduran bifenilin enanti yomerik yapılarda bulunmasını bekler misiniz? (c) 2-N02, 6-N02, 2'-C 0 2 H. 6 '-Br bulunduran bifenil enantiyomerik yapılara ayrılamaz (yarılamaz) Niçin? Açıklayınız.

Ek Problemler

15.45

A -G Bileşiklerinin yapılarım (uygun olduğunda stereokimyasıyla) yazınız. O A1C1

(a) Benzen + CH3CH2CC1 ------A “

PCI

►B (C9H 10C12)

2 NaNH,

--------- —► mineral yağ, ısı

H r N İ,B (P -2 )

C (C9H8)

* D (C9H10)

1

(İpucu: C bileşiğinin 'H NMR spektrumu 8 7,20'de bir çoklu (5H) ve 8 2,0’da bir birli (3H) içerir. (b) C (c)

(1 ) L i, sıvı N H ,^ (2 ) H 20

*

E

(C 9 H | q)

Br-., C C l4

D "İZ5oç+ F + enantıyomer (ana ürünler)

(d) E

B r., C C U

2 _5 oc

►G + enantiyomer (ana ürünler)

15.46

Sikloheksenin asetil klorür ve A1C13 ile etkileştirilmesi molekül formülü C8H 13C10 olan bir ürün verir. Bu ürünün bir baz ile etkileştirilmesi ise 1-asetilsiklohekseni oluşturur. Bu tepkime sıralarının her iki basamağı için mekanizma öneriniz.

15.47

fcr-Bütil grubu, bazı aromatik bileşiklerin sentezlerinde bir kapatıcı grup olarak kullanılır, (a) ter-Bıitil grubunu nasıl katarsınız? (b) Nasıl çıkarırsınız? (c) Bir kapatıcı grup olarak /er-bütil grubunun S 03H grubuna göre olumlu yan ları nelerdir?

15.48

Tolueıı oda sıcaklığında sıilfolandığında (derişik H2S 0 4 ile) tepkime ürününün yaklaşık %95'\ orto ve para yer değiştirme ürünleridir. Daha yüksek sıcaklık (150-200UC) ve daha uzun tepkime süresi uygulanırsa, ürünün yaklaşık %95’i meta (başlıca) ve para yer değiştirme ürünüdür. Bu farklılığının nedenini açık layınız. (ipucu: w-Toluensülfonik asit en kararlı izomerdir).

15.49

Bir C—D bağının kırılması bir C—H bağının kırılmasından zordur ve sonuç ta C—D bağlarının kırıldığı tepkimeler, C—H bağının kırıldığı tepkimeler den daha yavaştır. Perdöteryobenzenin (C6D6) normal benzenle (C6H6) aynı hızda nitrolandığı gözleminden hareket ettiğinizde nasıl bir mekanizma bil gisine ulaşırsınız.

15.50

Benzil bromiir veya allil bromürden başlayarak aşağıdaki bileşiklerin her bi rini nasıl sentezleyeceğinizi gösteriniz. (a) C6H5CH2CN (d) C6H5CH2I (b) C6H5CH2OCH3 (e) C H ,=C H C H 2N3 (c) C6H5CH20 2CCH3 (f) CH2 = C H C H 2OCH2OCH2CH(CH3) 2

15.51

A,

B ve C Bileşiklerinin yapılarını bulunuz? Na

B en Z ei1

s ıv ı N H ,.E t O H *

NBS A

"Ğ C İ7 *

(C H ,),C u L i

B (C 6 H7 Br) ------------ ------------- (C7H10)

15.52

1.1,1-Trifeniletanolü eser miktarda kuvvetli asit içeren etanolle ısıttığınızda 1-etoksi-1,1,1-trifenilmetan oluşur. Bu ürünün oluşumunu açıklayan akla yatkın bir mekanizma yazınız?

15.53

(a) Bir Sn2 tepkimesinde aşağıdaki halojenürlerin hangisinin en etkin olması nı beklersiniz? (b) SN1 Tepkimesinde hangisi en etkindir? Cevaplarınızı açıklayınız. CH3CH2CH = CHCH2Br CH,CH=CHCHBrCH 3 CH2=CHCBr(CH 3) 2

711

712


15.54

Asetanilit aşağıdaki sırada bir seri tepkimeye sokulmuştur, (a) der. H2S 04: (b ) HN03, ısı; (c) H20 . H2S 04, ısı sonra OH . Son ürünün 13C NMR spektrumu altı sinyal verir. Son ürünün yapısını yazınız.

*15.55

Ligninler doğal bileşiklerle selüloz liflerinin bağlandığı pek çok tipteki kerestenin esas bileşenleri olan makromoleküllerdir. Ligninler değişik küçük moleküllerden (pek çoğunda fenilpropan iskeleti olan) oluşur. Bu öncü mole küller değişik şekillerde kovalent bağlarla bağlanmış olarak bulunurlar ve karmaşık olan ligninleri oluştururlar. Lignin ozonlandığında birçok ürün elde edilir. Bu bileşiklerden biri olan B bileşiğinin oluşumunu açıklamak için A, lignin bileşiği modeli olarak alınarak aşağıdaki tepkimelere maruz bırakılmış tır. B nin yapısı nasıl olabilir?

1) N a B H ,

2 )0 ,

-------- ^

3) H .O

' ►B

OH Gaz kromolografi-kütle spektroskopisi (GC/MS) için B'yi yeteri kadar uçucu yapmak amacıyla (Altböliim 9.17) B önce. M*. 308 m/z olan tris(0-trimeti 1silil) türevine dönüştürülür |"Tris”. belirtilen kompleks grubun (örneğin, bura da trimetilsilil grupları) üç tane olduğu anlamına gelir. İtalik büyük O bunların esas bileşiğin oksijen atomlarına bağlandığı ve hidrojen atomlarının yerini al dığı anlamındadır. Benzer şekilde ön ek “bis” iki kompleks grubun varlığını belirtir ve “tetrakis” (aşağıdaki soruda kullanılmıştır) dört anlamına gelir.| B'nin İR spektrumu 3400 cm-1 de geniş bir soğurma bandı; 'H NMR spektru mu 8 3,6 da bir tek çoklu pik verir. B'nin yapısı nedir? *15.56

Ligninde çok, sık rastlanan birim olan C bileşiği model olarak kullanıldığında, C ozonlanırsa D elde edilir. Değişik yollarla, böyle bir lignin biriminin üç kar bon yan zincirinin stereokimyasının. böyle bir yükseltgenme esnasında tama men değişmeden kaldığı tespit edilmiştir. OCH, O,

H .O

'► — ►d

c h 2oh

c

c h 3o

GC/MS'de, D M:'sı 424 m/z olan tetrakis(O-trimetilsilil) türevine dönüştürülmüştür. D'nin İR spektrumu 3000 cm ''de (geniş, kuvvetli) ve


713

1710 cm ‘''de (kuvvetli) bandlar içerir. D'nin 'H NMR spektrumu, D20 ile etkileştirildikten sonra. 8 3.7 de (çoklu 3H) ve 8 4.2 de (ikili, İH) içermektedir. DEPT 'C NMR spektrumları 8 64 (CH2), 8 75 (CH), 8 82 (CH) ve 8 177'de (C) sinyaller vermiştir. D'nin yapısını stereokimyasıyla birlikte bulunuz?

1.

2.

3.

Metabolik hızı düzenlemeye yardım eden bir tiroit hormonu olan tiroksinin yapı sı, doğal tiroksinle aynı yapıda olduğuna inanılan sentetik bir bileşik ile karşılaştırılarak kısmen tayin edilmiştir. Harington ve Barger'in tiroksinin laboıatuvar sentezinin son basamağı aşağıda gösterilmiştir ve bu, bir elektrofilik aromatik yer değiştirme içerir. Bu basamak için ayrıntılı bir mekanizma yazınız ve iyot yer değiştirmesinin fenolik hidroksil grubuna göre niçin orto konumunda olduğunu, aril eterin oksijenine göre orto konumda olmadığını açıklayınız. [Besinlerimizde (yani iyotlu tuzda) iyotun gerekli olmasının bir nedeni tiroksinin biyosentezi için gerekli olmasıdır.)

Toluen ve diğer gerekli reaktiflerden 2-kloro-4-nitrobenzoik asiti sentezleyiniz. Aşağıdaki sentez sürecinde E - L bileşiklerinin yapılarını bulunuz. HBr

(C8H„Br)

(peroksit yok)

F

+

‘

G rasemat

mezo (CxH14Br2)

ıCCLEt

C O :E l

>I

( D o, (2 ) N aH S O ,

O O CO,Et

J (C,2HI40 3) A1C1, CH,

K (Cl9H22()3)

Z n (H g ). HC1. geri soğutucu altında kaynatma

(1 ) Z n (H g ), HC1, geri soğııtu altında kaynatm a (2 ) S O C I, (3 ) AIC1,"

L

Ö

ğr e n m e

G

PROBLEMLERİ

rubu

B ölüm

Aldehitler ve Ketonlar I. Karbonil Grubuna Nükleofilik Katlin Ç o k Y ö n lü B ir V ita m in , P irid o k sin (V ita m in B6) Piridoksal fosfat (PLP) bir çok enzim tarafından yönetilen kimyanın tam merkezindedir. Bir çoğumuz koenzim piridoksal fosfatı, gıdamızda kendisinden türetilen piridoksin veya vitamin B6 ile olan yakın ilgisinden dolayı biliriz. Buğday, B 6 vitamini açısından iyi bir besin kaynağıdır. Piridoksal fosfat (yukarı köşedeki fotoğrafta gösterilmiştir) aldehit aile sinin bir üyesi olmasına rağmen, biyolojik kimya içerisine girdiğinde, çoğu kez, bir imin olarak adlandırılan karbon-azot ikili bağına sahip, aldehit ile yakından ilişkili bir fonksi yonel grup içerir. Bu bölüm boyunca, aldehitleri, iminleri ve ilgili grupları öğreneceğiz.

H

H

Piridoksal fosfat

Piridoksin

714

PLP’nin yer aldığı bazı enzimatik tepkimeler; amino asitleri, sitrik asit çevriminde ve diğer yollarda kullanılan ketonlara çeviren transaminlemeler: histamin, dopamin ve se rotonin gibi sinir İletişimcilerin biyosentezi için amino asitlerin dekarboksitlenmesi\ ve bakterideki hücre duvarlarının biyosentezi için gerekli olduğu gibi, amino asit stereomerkezlerinin rcısemlenmesidir. O R \ /C \ C OH O O R\ H

C

H,N

NH2

O OH +

R\

H

H

OH NH,

Bir a -amino asit D ek arb o k sillem e

R\ r / H

4 V

H

NfL

Bütün bu tepkimelerde, diğer pek çok tepkimede de, PLP’nin asıl görevi elektron yo ğunluğu için bir oluk gibi davranarak, karbanyon ara ürününü kararlı hale getirmektir. Bu dönüşümlerin aşamaları daha sonra bu bölümde (bkz. Altbölüm 16.8) “Piridoksal Fosfatin Kimyasf’nda daha ayrıntılı açıklanacaktır. PLP’nin bütün tepkimeleri, biyolo jik süreçlerin organik kimyayı nasıl uyguladıklarının şahane örnekleridir.

16.1 GiRiş En basit aldehit olan formaldehit hariç, bütün aldehitler, bir tarafından bir karbona O II diğer tarafından bir hidrojene bağlı bir karbonil grubuna, / C \ , sahiptir. Ketonlarda karbonil grubu iki karbon atomu arasında yer alır.

H

O

O

O H

Formaldehit

R

H RCHO

Bir aldehit için genel formüller

R

R' RCOR'

Bir keton için genel formüller

Önceki bölümler bize karbonil bileşikleri kimyası hakkında bir öngörüş vermişler se de. şimdi onların kimyası daha ayrıntılı olarak ele alınacaktır. Bunun nedeni: Karbo nil grubunun kimyası, sonraki bölümlerin pek çoğunun kimyasının merkezini oluşturur. Bu bölümde dikkatimiz, aldehitlerin ve ketonların hazırlanmasına, onların fiziksel özelliklerine ve özellikle onların karbonil grubunda meydana gelen nükleofilik katılma tepkimelerine odaklanacaktır. 17. Bölümde, karbonil grubuna bitişik karbon atomların daki hidrojen atomlarının asitliğinden kaynaklanan aldehit ve ketonların kimyasını öğ reneceğiz.

715

716

Bölüm 16 / Aldehitler ve Ketonlar I. Karbonil Grubuna Nükleofilik Katılma

16.1 Giriş 16.2 Aldehitler ve Ketonların Adlandırılması 16.3 Fiziksel Özellikleri 16.4 Aldehitlerin Sentezleri 16.5 Ketonların Sentezleri 16.6 Karbon-Oksijen İkili Bağına Nükleofilik Katılma 16.7 Alkollerin Katılması: Yarı-Asetaller ve Asetaller 16.8 Amonyak Türevlerinin Katılması 16.9 Hidrojen Siyanür Katılması 16.10 Yilürlerin Katılması: Wittig Tepkimesi 16.11 Organometalik Reaktiflerin Katılması: Reformatskv Tepkimesi 16.12 Aldehitlerin ve Ketonların Yükseltgenınesi 16.13 Aldehitler ve Ketonlar için Kimyasal Analizler 16.14 Aldehit ve Ketonların Spektroskopik Özellikleri

16.1

A L D E H İT L E R VE K E T O N L A R IN

A D L A N D IR IL M A S I

IUPAC Sisteminde, alifatik aldehitler, ilgili alkantn sonuna -al eki getirilerek adlandı rılırlar. Aldehit grubunun karbon atomlarının zincirinin ucunda olması gerektiğinden, yerini belirtmeye gerek yoktur. Başka siibstitüentler varsa, bu durumda, karbonil grubu karbonuna 1 rakamı verilir. Birçok aldehitin ayrıca yaygın adları da vardır ve bunlar bu rada parantez içerisinde verilmiştir. Bu yaygın adlar: ilgili karboksilik asitlerin yaygın adlarından (Altbölüm 18.2A) türemiştir, ve bunlardan bazıları IUPAC tarafından kabul edilebilir adlar olarak belirtilmiştir. O /C \ H H

O I CH3C— H

CH3CH2C—H

Metanal (formaldehit)

Etanal (asetaldehit)

Propanal (propiyonaldehit)

O

O

O

C1CH2CH2CH2CH,C—H 5-Kloropentanal

C6H5CH2C — H

Feniletanal (fenilasetaldehit)

— CHO grubu bir halka sistemine bağlı olan aldehitler karbaldehit son eki ilave edi lerek adlandırılırlar. Bazı örnekler aşağıda verilmiştir:

Benzenkarbaldehit (benzaldehit)

Sikloheksankarbaldehit

2-Naftalinkarbaldehit

C(,H5CHO’nun yaygın adı olan benzaldehit. benzenkarbaldehitden çok daha sık kul lanılır ve bu kitapta biz bu adı kullanacağız. Alifatik ketonlar, ilgili alkanın adının sonuna -on eki getirilerek adlandırılır. Zincir, daha sonra, karbonil karbonuna mümkün olan en küçük sayı gelecek şekilde numara landırılır ve bu sayı onun yerini belirtmek için kullanılır. O CH3CH2CCH3

CH3CCH2CH2CH3

O II c h 3c c h 2c h = c h 2

O Bütanon (etil metil keton)

2-Pentanon (metil propil keton)

4-Penten-2-on (l-penten-4-on değil) (allil metil keton)

Ketonların yaygın isimleri (yukarıda parantez içerisinde) basitçe, karbonil grubuna bağlı iki grubun ayrı ayrı adlandmlması ve keton kelimesinin ayrı bir kelime olarak ek lenmesiyle elde edilir.

16.3 Fiziksel Özellikleri

Bazı ketonlar. IUPAC sisteminde de kabul edilen yaygın adlara sahiptir. O O O CH3CCH3 Asetofenon (1-feniletanon veya metil fenil keton)

Aseton (propanon veya dimetil keton)

Benzofenon (difeniiınetanon veya difenil keton)

O — CH

grubu bir ön ek olarak adlandırılması gerektiğinde, metanoil veya formil O

grubu adını alır. CH,C— grubuna ise etanoil veya asetil grubu (çoğu zaman Ac olaO rak kısaltılır) denir. Eğer RC — grupları sübstituent olarak adlandırılacaksa, alkonoil veya açıl grupları olarak adlandırılır.

2-Metanoilbenzoik asit (o-fornıilbenzoik asit)

4-Etanoilbenzensülfonik asit (p-asetilbenzensülfonik asit)

(a) C5 H,0O Formülüne sahip yedi izomerik aldehit ve ketonun IUPAC türetme ad- *< larını yazınız, (b) C8H80 formülüne sahip ve bir benzen halkası içeren tüm aldehit ve ketonların yapılarını ve adlarını (yaygın ve IUPAC türetme adlarını) yazınız.

16.3 F İ Z İ K S E L Ö Z E L L İ K L E R İ Karbonil grubu polar bir gruptur, bu yüzden aldehit ve ketonlar aynı molekül kütleli hidrokarbonlardan daha yüksek kaynama noktasına sahiptir. Bununla birlikte, aldehit ler ve ketonlar molekülleri arasında kuvvetli hidrojen bağları oluşturamadıkları için, karşılık gelen alkollerden daha düşük kaynama noktalarına sahiptirler. Benzer molekül kütlesine sahip olan aşağıdaki bileşikler bu eğilime bir örnek oluştururlar.

0

0

II c h 3c h : c h : c h

Bütan kn —0,5°C (MK = 58)

,

c h 3c h 2c h

C H 3C C H ,

c h ?c h ; c h 2o h

Propanal kn 49°C (MK = 58)

Aseton kn 56,1°C (MK = 58)

1-Propanol kn 97,2°C (MK = 60)

P r o b l e m 16.1

717

718


P ro b le m I 6.2

>* Aşağıda verilen bileşik çiftlerinin her birinde hangi bileşik daha yüksek kaynama noktasına sahiptir. (Bu problemle ilgili çizelgeye bakmadan cevaplayınız) (a) Pentanal veya 1-Pentanol (d) Asetofenon veya 2-feniletanol (b) 2-Pentanon veya 2-Pentanol (e) Benzaldehit veya beıızil alkol (c) Pentan veya pentanal Karbonilin oksijen atomu, aldehit ve ketonların su molekülleri ile kuvvetli hidrojen bağları oluşturmasına imkân verir. Bunun sonucu olarak, düşük molekül kütleli aldehit ve ketonlar suda kayda değer çözünürlük gösterirler. Aseton ve asetaldehit suda her oran da çözünür. Çizelge 16.1'de bazı yaygın aldehit ve ketonların fiziksel özellikleri sıralanmıştır. Bazı doğal kaynaklardan elde edilen aromatik aldehitler çok hoş, güzel kokulara sa hiptirler. Bunlardan bazıları aşağıda verilmiştir: CHO CHO CHO

d

Y OH

Benzaldehit (acı bademden)

¿r

° CH3

Vanilya (vanilya tohumundan)

O

Sinnamaldehit (tarçından)

Salisilaldehit (güz çiğdeminden)

CHO

O / o —CH, Piperonal (safrolden üretilir; güneş çiçeği kokusu)

Çizelge 16.1 Aldehit ve Ketonların Fiziksel Özellikleri e.n Formül Adı (°C) Formaldehit -92 HCHO Asetaldehit -125 CH3CHO CH3CH2CH0 Propanal -81 Biitanal -99 CH3 (CH2)2CH0 Pentanal -91,5 CH3 (CH2)3CHO Heksanal CH3(CH^)4CHO -51 Benzaldehit -26 C6H5CHÖ Fenilasetaldehit 33 c 6h 5c h 2c h o Aseton c h 3c o c h 3 -95 c h 3c o c h 2c h 3 Bütanon -8 6 c h 3 c o c h ?c h ?c h 3 2-Pentanon -78 c h 3c h , c ö c HoC h 3 3-Pentanon -39 Asetofenon 21 c 6h 5c o c h 3 Benzofenon 48 c 6h 5c o c 6h 5

k.n (°C) -2 1

Sudaki Çözüniirlülüğü Çok çözünür

21

oo

49 76

Çok çözünür Çözünür Az çözünür Az çözünür Az çözünür Az çözünür

102

131 178 193 56.1 79,6 102 102 202

306

oo

Çok çözünür Çözünür Çözünür Çözünmez Çözünmez

16.4 Aldehitlerin Sentezleri

16.4

A L D E H İTL E R İN SE N TE ZLE R İ

I6.4A 1° Alkollerin Yükseltgenmesiyle Aldehitler Altbölüm 12.4A'da öğrendiğimiz gibi aldehitlerin yükseltgenme basamakları 1" alkol lerle karboksilik asitler arasında yer alır ve aldehitler. 1 ° alkollerin piridinyum klorokromat (PCC) ile ylikseltgenmesinden elde edilebilir.

roı.

O II

O [o].

R — C H ,O H + = ^ R— c — 2

İH )

R — c — OH

IH I

1° Alkol

Aldehit

R — CH,OIl

Karboksilik asit

C ; H ; N H +C r ( ) , C r (P C C ) CH ,C 1,

O II * R- e — H Aldehit

1° Alkol

Aldehitlerin bu tür sentezinin bir örneği 1-heptanolün heplanale yükseltgenmesidir. CH3(CH2)5CH2OH

C ; H ; N H +C r C ).,C n P C C )^

* CH3(CH2)5CHO Heptanal

C H 2C I2

1-Heptanol

(% 9 3 )

I6.4B Açil Klorürler, Esterler ve Nitrillerin İndirgenmesiyle Aldehitler Teorik olarak, karboksilik asillerin indirgenmesiyle aldehitlerin hazırlanması mümkün olmalıdır. Uygulamada bu mümkün değildir, çünkü karboksilik asiti indirgemek için kul lanılan reaktif lityum alüminyum hidrürdür (LİA1H4 veya LAH) ve bir karboksilik asit LAH ile etkileştirildiğinde 1° alkole kadar indirgenir. Bu. LAH çok güçlü bir indirge me reaktifi olduğundan ve aldehitler çok kolay indirgendiğinden gerçekleşir. Tepkime karışımında bulunabilecek herhangi bir aldehit, anında LAH tarafından 1°alkole indir genir. (Stokiyometrik miktarda LAH kullanılmasının yardımı olmaz, çünkü, karışımda ilk birkaç aldehit molekülü oluşur oluşmaz, ortamdaki hâlâ çok miktarda tepkimeye gir memiş LAH. aldehiti indirgeyecektir.) O II R

O L iA İH ,

OH

Karboksilik asit

L iA İH ,

R

■* R—CH2OH

H

Aldehit

1° Alkol

Burada başarının sırrı, karboksilik asidin kendisini kullanmamak, fakat daha kolay indirgenen bir karboksilik asit türevini ve LAH'den daha az etkin olan bir alüminyum hidrür türevini kullanmaktır. Karboksilik asit türevlerini ayrıntılı olarak Bölüm 18'de inceleyeceğiz, fakat burada açil klorürlerin (RCOCİ), esterlerin (RCOıR) ve nitrille rin (RCN) hepsinin karboksilik asitlerden kolayca hazırlandığım ve bunların tümünün daha kolay indirgendiğini söylemek yeterlidir. (Açil klorürler, esterler ve ııitriller kar boksilik asitlerle aynı yükseltgenme basamağına sahiptir. Problem 12.1 'de öğrendiğiniz ilkeleri uygulayarak bunu kendinize kanıtlayınız.) LAH'den daha az etkin olan iki alü minyum hidrür türevi (kısmen daha fazla sterik engelli olmaları ve bundan dolayı da

719

720

Bölüm 16 / Aldehitler ve Ketonlar I. Karbonil Grubuna NükleofilLk Katılma

hidriir iyonlarını aktarmada zorlanmaları nedeniyle) lityum tri-rer-bütoksialüminyum hidrürdür (DIBAL-H). ch3

CHXHCH, I “ /A l\ H CHXHCH, I

OC(CH3) 3 L iH

H—Al—OC(CH3)3 OC(CH3) 3

ch3

Lityum tri-ter-bütoksialüminyum hidrür

Dnzobütilalüminyum hidrür (/'-Bu,AIH veya DIBAL-H olarak kısaltılır)

Aşağıdaki şema bu reaktiflerin. asit türevlerinden aldehitlerin sentezinde nasıl kullanıl dığını özetlemektedir. O

O (1 ) L iA İH (Q -f -B u )3, — 78°C (2) H , 0

Aldehit

Açil klorür

O

O (1) D IB A L -H , h ek sa n ,-7 8 ° C

/C .

i

------------------------------ ► . c OR' (2) H^° R

R

H Aldehit

Ester

O ( 1) D I B A L -H , heksan R —

C =

N (2 ) H , 0

Nitril

R Aldehit

Bu aldehit sentezlerinin her birini şimdi daha ayrıntılı inceleyeceğiz.

Açil Klorürlerden Aldehitler: RCOCİ ----*• RCHO Açil klorürler. lityum tri-fcr-bütoksialüminyum hidrür, LiAlH[OC(CH3)3]3, ile -78"C’da etkileştirilerek aldehitlere in dirgenebilir. (Karboksilik asitler, açil klorürlere SOCl2 kullanılarak dönüştürülebilirler: bkz. Altbölüm 15.7). O II

O

O

RCOH

socı.

>RCC1

(1 ) L iA IH (O -r -H u ),, E t ,( ), -7 8 ° C ^

RCH

(2 ) H , 0

Aşağıda, bununla ilgili özel bir örnek verilmiştir:

o C \ h 3c

ß r

cı

OCH3 3-Metoksi-4-metilbenzoil klorür

(1) L i A ! H ( 0 - f - B u l „ E t jO , -7 8 ° C (2 ) H , 0

H,C OCHı 3-Metoksi-4-metilbenzaldehit

16.4 Aldehitlerin Sentezleri

Mekanizma açısından indirgeme, açil klortirün karbonil karbonuna alüminyum atomun dan bir hidrür iyonunun aktarılmasıyla gerçekleşir (bkz. Altbölüm 12.3). Daha sonraki hidroliz, aldehiti açığa çıkarır.

T e p k i m e için Bir M e ka ni z m a ____ A çil klorürün A ldehite İndirgenm esi

O—Li ^ / O ■ LİA1H[0C(CH3) 3]3 ----► R — R—C

+ A1H[0C(CH3)3] 3

:C1:

\

:C1: Li

Li

:Q:

Âl[OC(CH3) 3] 3 _ / /I R C k _^^ h

R— Ç —H AlfOC(CH3) 3] 3

:C1 :

=C1: Alüminyum atomu bir Le\vis asidi gibi davranarak oksijenden bir elektron çifti alır.

Hidrür iyonunun karbonil karbonuna aktarılması indirgenmeye neden olur. qÖ-Â1[OC(CH 3)3] 3

R —C —H Li+ :ç ı : Bu ara ürün oksijenin elektron çifti yardımıyla klorür ivontı kavbeder.

+0—Al[OC(CH3)3] 3 -L iC l

OH,0

R—C

/ * R —C

H

Suyun ilave edilmesi bu alüminyum kompleksinin hidroliz olmasına ve aldehitin oluşmasına yol açar. (Birçok basamak içerir.)

Esterler ve Nitrillerden Aldehitler: R C O ıR '---- ►RCHO ve RC — ► RCHO Hem esterler hem de nitriller DIBAL-H kullanılarak aldehitlere indirgenebilirler. Daha ileri indirgemeyi engellemek için reaktifin dikkatlice kontrol edilen miktarları kullanıl malı ve ester indirgenmesi düşük sıcaklıklarda yürütülmelidir. Her iki indirgeme de es terin karbonil karbonuna veya nitrilin —C = N grubunun karbonuna hidrür iyonunun katılmasıyla oluşan nispeten kararlı bir ara ürünle sonuçlanır. Ara ürünün hidrolizi ise aldehiti açığa çıkarır. Şematik olarak, tepkimeler aşağıdaki yolla gösterilebilir.

H

721


j T e p k i m e için Bir M e ka ni z m a I * Esterin Aldehite İndirgenmesi

Ö :Â1(/-Bu), I * -c H : 0 R'

+0 —A1(/-Bu)2

/

A fr /I :OR'

Alüminyum atomu, bir Lewis asitbaz tepkimesinde, karbonil karbon atomundan bir elektron çifti alır.

Hidriir iyonunun karbonil karbonuna aktarılması onun indirgenmesine yol açar.

+Ö A1(/-Bu) 2

^ Ö — A 1 (/-B u )2

:Ö

4*1

70

R— C — H

R— C \

------►

.

=

/

— ►R—C

\ H

J

H

L

0 H->0

I

722

Suyun ilave edilmesi bu alüminyum kompleksinin hidroliz olmasına ve aldehitin oluşmasına yol açar. (Birçok basamak içerir.)

Bu ara ürün, oksijenin elektron çifti yardımıyla bir alkoksit iyonu kaybeder.

___

j T e p k i m e için Bir M eka n i z m a * Nitrilin Aldehite İndirgenmesi

r=* +_ R—C = N —A1(/-Bu)2

R—C = N :Â1(/-B u) 2

H

H

Hidriir iyonunun nitril karbon atomuna aktarılması onun indirgenmesine yol açar.

Alüminyum atomu, bir Lewis asit-baz tepkimesinde, nitrilden bir elektron çifti alır.

N. /

(): A1(/-Bu)2

R —C

H ,()

/

— ►R— C

\

\

H

H Suyun ilave edilmesi bu alüminyum kompleksinin hidroliz olmasına ve aldehitin oluşmasına neden olur. (Bir çok basamak içerir)

Aşağıdaki özel örnekler bu sentezleri göstermektedir. O

OA1(/-Bu)2 (;-B u ),A lH

CH,(CH,),0COEt

> CH3(CH2)ioCH

heksan, — 78°C

OEt

H ,0

O II ►CH3(CH2)10CH (%8 8 )

16.5 Ketonların Sentezleri

O II

NA1(/-Bu)2 (i-Bu),AlH

II

CH3C H = C H C H ,C H ,C H ,C = N ------ ------ ►CH,CH=CHCH1CH,CH,CH heksan

J

H,0

------►C I,C H =C H C H 2CH2CH,CH

Aşağıdakilerin her birinden propanali nasıl sentezleyebileceğinizi gösteriniz: (a) l- •< propanol ve (b) propanoik asit (CH3 CH2C 0 2H).

I6.5

K E TO N L A R IN S E N TEZLER İ

I6.5A Alkenler, Arenler ve 2° Alkollerden Ketonlar Önceki bölümlerde ketonların elde edilmeleri için üç laboratuvar yöntemi görmüştük. I. Alkenlerin ozonlanmasıyla ketonlar (ve aldehitler) (Altbölüm 8.1 lA'da tartışıldı). /

R"

/ R'

\

R d )

n II n

R \

°3

\ /

(2 ) Z n . H ,0

H

C=0 + o = c

R' Keton

/ \

R" H

Aldehit

2. Friedel-Crafts açillemesiyle arenlerden ketonlar (Altbölüm 15.7’de tartışıldı). O

O A1C1

ArH + R — C — C1------- > Ar—C — R + HC1 Bir alkil aril keton

bundan başka, O

•?

II

O

A1C1

II

ArH + Ar —C —C1----- Ar— C— Ar + HC1 Bir diaril keton

3. Yükseltgenmeyle ikincil alkollerden ketonlar (Altbölüm 12.4’de tartışıldı). O OH H ,C rO ,

R — CH — R' — ----- ►R— C — R'

I6.5B Alkinlerden Ketonlar Alkinler, tepkime kuvvetli asitler ve civa iyonları (Hg2") ile katalizlendiğinde kolayca su katarlar. Genellikle, sülfürik asit ve civa sülfatın sulu çözeltileri bu amaç için kulla nılır. Başlangıçta oluşan vinilik alkol genellikle kararsızdır ve hızla bir ketona (veya etin olması halinde etanale) çevrilir. Bu çevrilme, hidroksil grubundan bir proton kaybını, komşu karbon atomuna bir proton katılmasını ve ikili bağın yer değiştirmesini kapsar. H

H HgS04

—C = C —

H- ° H W

*

\ /

/

C=C

\

OH

Bir vinilik alkol (kararsız)

-* —C— C \ O H Keton

723

P ro b le m 16.3

724


Bir tautonıerleşme olarak bilinen bu tür bir çevrilme asit katalizlidir ve aşağıdaki yol la olur: H

H li£)

H—O —H +

/ H

C=C

/

H I / c —c + H,0 I \ O: H

-> — C— C

\

<>\ O—H

H ,() =

O— H

H

Keton

Vinilik alkol

Vinilik alkol, ikili bağına bir proton alarak bir katyonik ara ürün oluşturur ve bu ara ürün de daha sonra oksijeninden bir proton kaybederek bir keton verir. Vinilik alkollere çoğu kez enoller denir (alkenin-en eki, artı alkolün-«/ eki). Çevril ine ürünü genellikle ketondur ve bu çevrilmeler keto-enol taııtomerleşıııeleri olarak bilinir. / C

A

\

:0

H

Enol hali

Keto hali

Bu olay daha ayrıntılı olarak Altbölüm 17.2!de incelenecektir. Alkinlere su katılması Markovnikov kuralını izler—hidrojen atomu en fazla sayıda hidrojeni olan karbon atomuna bağlanır. Bundan dolayı, etin (asetilen) dışındaki uç al kinlere su katıldığında ürün, aldehitten daha çok ketondur. H

IK R H \ / C=C / \ HO H

R — C = C— H + H,()

/

-> R— C \

H n

Bir keton

Bu tür keton sentezleri için iki örnek aşağıdadır: CH, \ C = CH, / LHO

Hg2

c h 3c

=

ch

+

h 2o

- ^

ch3

/

-> CH3—c \ o Aseton

HgS04

CH3CH,CH?CH?C = C H + H,0 ——

h 2s o

4

c h , c h ?c h 7c h ?ç c h 3

o (%

80)

Etinin kendisi su katılmasına uğradığında, ürün bir aldehittir.

HgS04

H—C = C—H + H ,0 -------- ► h ,s o

Etin

4

/ H

c=c \

OHJ

>HT

?

/H

H

C\ O

Etanal (asetaldehit)

16.5 Ketonların Sentezleri

Bu yöntem etanalin ticari üretiminde önemlidir. Ketonların hazırlanması için diğer iki yöntem, şimdi tartışılacağı gibi, organometalik bileşiklerin kullanımına dayanır. I6.5C Lityum Dialkilkupratlardan Ketonlar Bir lityum dialkilkupratın eter çözeltisi, bir açil klorürle -780C’da etkileştirildiğinde ürün bir ketondur. Bu keton sentezi, Corey-Posner, Whitesides-House alkan sentezinin bir değişiğidir (Altböliim 12.9). G enel Tepkime

O R,CuLi

+

O

/ R —C

/ -►R '—C

4-RCu+LiCl

\

cı


R Keton

Açil klorür

Ö zel Ö rnek

O

O

O

/

n

/

-78°C

4- (CH,),CuLi

+ CH,Cu + LiCl

\

E t,O

cı

CH,

(%81)

Sikloheksankarbonil klorür

1-Sikloheksiletanon (Sikloheksil metil keton)

I6.5D Nitrillerden Ketonlar Bir nitrilin (R— C = N ) Grignard reaktifi veya organolityum reaktifi ile etkileştirilmesi ve ardından hidrolizi bir keton verir. G enel Tepkim eler

N" MgXH R—C = N +

R'

— MgX

/ ►R—C

.0 H .O +

/ > R—C

+ NH4+ 4 Mg2+ +X~

\

R'

R' N-Li-

R— C = N + R — Li

/

-►R

.0 11X1*

/ * R—C

R'

+ NH4+ + Li+ R'

Asidik hidroliz basamağının mekanizması Altbölüm 16.8’de göreceğimiz imin oluşumu için olanın tersidir. Ö zel Ö rnek

-1-► (1 ) E t,O

C6H5—C = N + CH,CH2CH2CH2Lİ

(2 ) H ,0 +

c 6H - c

/ c h 2c h 2c h 2c h ,

3

CH3CH—C = N + C6H;MgBr CH3 2-Sivanopropan

(1) E t,O ;— ► (2 ) H , 0 +

CH,CH—C I \ ch3

c 6h 5

2-Metil-l-fenilpropanon (İzopropil fenil keton)

725

726


Nitril bir üçlü bağa sahip olsa bile, Grignard veya lityum reaktifinin katılması yalnızca bir kere gerçekleşir. Bunun nedeni: Eğer katılma iki kez olsaydı, azot atomu iki nega tif yükle yüklenecekti. N2" 2 Li+ I

N'Li R ' — Li

/

R — Li

R—C = N : -------- ►R—C

-X-*

R — C — R'

I

R'

R'

(Dianyon oluşmaz.)

Örnek Problem Çok Basamaklı bir Sentezin Gösterilişi: Başlangıç organik bileşiği olarak yalnızca 1-bütanol kullanarak 5-nonanonun sentezini tasar layınız. Cevap

5-Nonanon, bütilmagnezyum bromiirün aşağıdaki nitrile katılmasıyla sentezlenebilir. Analiz

O C H 3C H 2C H 2C H 2 — C - r C H 2C H 2C H 2C H 3= = > C H 3C H 2C H 2C H 2 — C = ^ : + B r M g — C H 2C H 2C H 2C H 3

Sentez O (1) E t,O

C H 3C H , C H , C H , C =

il

N + C H , C H 2C H 2C H 2M g B r ---------- — ► C H 3( C H 2) 3C ( C H 2)3C H 3 (2) H , 0

5-Nonanon

Nitril, biitil bromür ve sodyum siyanürden bir SN2 tepkimesiyle sentezlenebilir. CH3CH2CH2CH2Br + NaCN----►CH3CH2CH2CH2C = N + NaBı Bütil bromür. Grignard reaktifinin hazırlanmasında da kullanılabilir. CH3CH2CH2CH2Br + Mg ^

CH3CH2CH2CH2MgBr

Ve, son olarak bütil bromür, 1-bütanolden hazırlanabilir. CH3CH2CH2CH2OH

P ro b le m 16.4

^

CH3CH2CH2CH2Br

Aşağıdaki tepkimelerin her birini gerçekleştirmek için hangi reaktifleri kullanırdınız? (a) Benzen------►bromobenzon------►fenilmagnezyum bromür------► benzi 1 alkol-----► benzaldehit (b) Toluen------►benzoik asit------►benzoil kloıür------►benzaldehit (c) Etil bromür------►1-bütin------►bütanon

16.6 Karbon-Oksijen İkili Bağına Nükleofilik Katılma

(d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (k)

2-Bütin------►bütanon 1-Feniletanol ------►asetofenon Benzen----- ►asetofenon Benzoil klorür------►asetofenon Benzoik asit------ ►asetofenon Benzil bromür------►C6H5CH2CN -----►l-fenil-2-bütanon C6H5CH2CN----- ►2-feniletanol CH3(CH2)4C 0 2CH,-----►heksanal

16.6

K a r b o n - O k s îj e n İk il î B a N Ü K L E O F İL İK K A T IL M A

ğ in a

Aldehit ve ketonların en karakteristik tepkimesi karbon-oksijen ikili bağına nükleofilik katılmadır. Genel Tepkime C = 0 + H — Nu < H

Nu I R— C— OH I H

Özel Örnek h 3<

o c h 2c h ,

\

/ H

C = 0 + H — OCH,CH,

CH,— C— OH H Bir yarı-asetal (bkz. Altbölüm 16.7)

h 3c

h 3c

\ C = 0 + H —CN /

CN I CH3— C—OH ' I CH3 Siyanohidrin (bkz. Altbölüm 16.9)

Aldehit ve ketonlar, Altbölüm 12.1 'de tartıştığımız ve aşağıda gösterilen yapısal özel liklerinden dolayı özellikle nüklefilik katılmaya yatkındır. R ///ı„. s+ R ^ "C~ Aldehit veya keton (R veya R' H olabilir)

Karbonil karbonu etrafındaki grupların üçgen düzlem düzenlenmesi, karbonil karbonu nun, alttan veya üstten olabilecek bir atağa nispeten daha açık olacağı anlamına gelir. Karbonilin karbon atomundaki pozitif yük onun özellikle bir nükleofilin atağına karşı duyarlı olduğu anlamındadır. Karbonil oksijen atomundaki negatif yük ise nükleofilik katılmanın asit katalizlere daha yatkın olduğu anlamına gelir. Bu yüzden, karbon oksi jen ikili bağına nükleofilik katılma iki genel yoldan birine göre meydana gelir.

727

728


1.

Reaktif kuvvetli nükleofil (Nu) olduğunda, katılma, üçgen düzlemsel aldehit veya ketonu düzgün dörtyüzlü ürüne dönüştürerek, genellikle aşağıdaki yolla oluşur.

T e p k i m e için Bir M e ka ni z m a Kuvvetli bir Nükleofilin Aldehit veya Ketona Katılması

Nu: Nu

r;

\

*

R/

8-

R

Düzgün dörtyüzlü ara ürün

Bu basamakta nükleofil bir elektron çifti vererek karbon atomuna bağlanır. Bir elektron çifti oksijen üzerine kayar.

\\" 'y

R/

R

Üçgen düzlem

\ C —O—H + •Nu"

H — Nu

9'

R ^ c % °8+

•• -

Düzgün dörtyüzlü ürün

Bu basamakta, alkoksit oksijeni, kuvetli bazik olduğu için H —Nu'den veya diğer bazı asitlerden bir proton koparır,

Bu tür katılmalarda nükleofil, elektron çiftlerini, karbonilin karbon atomuna bir bağ oluşturmak için kullanır. Bu olurken, karbon oksijen v bağındaki elektron çifti karbonil oksijenine kayar ve karbonun melezleşme şekli sp*1'den sp3,e değişir. B u basam ağın en önem li yö n ii, k arb o n il oksijen atom unun, karbon oksijen ik ili bağının elektron ç iftin i üzerine alab ilm e yeteneğidir.

İkinci basamakta oksijen atomu bir proton alır. Bu. oksijen atomunun şimdi daha bazik olmasından; tam bir negatif yük taşımasından ve bir alkoksit iyonu olmasından dolayı meydana gelir. Kaı bon-oksijen ikili bağına nükleofilik katılmaları yürüten ikinci mekanizma asit katalizli bir mekanizmadır.

T e p k i m e için Bir M ek a n i z m a : Bir Aldehit veya Ketona Asit Katalizli Nükleofilik Katılma

1. Basamak R*

R

0 = + H— A

8—

\ ^ C t = ,Ö h R«< ^ î+

R

c — OH + A:

(veya bir Lewis asidi) Bu basamakta, karbonil oksijeninin bir elektron çifti asitten bir proton alarak (veya Lewis asiti ile birleşerek) bir oksonyum katyonu üretir. Oksonyum katyonunun karbonu, nükleofilik atağa karşı başlangıç ketonunun karbonil karbonundan daha hassastır.

16.6 Karbon-Oksijen İkili Bağına Niikleofilik Katılma

729

Bu mekanizma, karbonil bileşiği zayıf nükleof iller varlığında kuvvetli asitlerle etkileştirildiğinde işler. Tik basamakta bu asit, karbonil oksijen atomunun bir elekt ron çiftine bir proton verir. Oluşan protonlanmış karbonil bileşiği yani oksonvum Üç kovalent bağ yapan po katyonu, karbonil karbon atomunun protonlanmamış bileşiktekine göre daha faz zitif yüklü bir oksijen ato la pozitif yük taşıması nedeniyle, karbonil karbonu üzerinden nükleofilin atağına mu içeren bileşik bir oksonvum katyonudur. karşı oldukça etkindir. I6.6A Karbon-Oksijen İkili Bağına Olan Niikleofilik Katılmaların Geri Dönüşebilirliği Karbon-oksijen ikili bağına olan niikleofilik katılmaların bir çoğu geri dönüşümlüdür; bu yüzden bu tepkimelerin toplam sonucu dengenin durumuna bağlıdır. Bu davranış, karbon-karbon ikili bağına olan elektrofilik katılmaların bir çoğuna ve doymuş karbon atomlarındaki nükleofilik yer değiştirmelere göre oldukça terstir. Bu ikinci tepkimeler esas itibariyle geri dönüşümlü değildir ve toplam sonuçlar bağıl tepkime hızlarının bir fonksiyonudur. I6.6B Bağıl Etkinlik: Ketonlara karşı Aldehitler Genel olarak, nükleofilik yer değiştirmelerde aldehitler ketonlardan daha etkindir. Sterik ve elektronik etkenlerin ikisi de aldehitleri destekler. Gruplardan birinin küçük hidrojen atomu olmasıyla, aldehitten oluşacak düzgün dörtyüzlü ürünün merkez karbon atomu daha az kalabalık ve ürün kararlı olacaktır. Bu yüzden, dengede ürünün oluşumu tercih edilir. Ketonlarda ise, karbonil karbonuna bağlı iki alkil grubu, düzgün dörtyüz lü üründe daha fazla sterik kalabalığa neden olur ve onu daha az kararlı yapar. Bu yüz den, dengede daha küçük derişimlerde ürün vardır. Alkil grupları elektron verici olduklarından aldehitler, elektronik yönden de ke tonlardan daha etkindir. Aldehitler, karbonil karbon atomlarındaki pozitif yükü kıs men nötralize eden ve böylece kararlı yapan yalnız bir tane elektron verici gruba sahiptir. Ketonlar, iki elektron verici gruba sahiptir ve çok daha kararlıdır. Ketonun (tepkimeye giren) ürünlerine kıyasla daha kararlı oluşu, ketondan düzgün dörtyüzlü ürünün oluşu munda denge sabitinin daha küçük olduğu ve bu tepkimenin daha az yeğlendiği anla mına gelir. 0 sO8L y^ı5+ **R ' R R H Aldehit Karbonil karbonu çok daha pozitif.

Keton Karbonil karbonu daha az pozitif.

730


Bu açıdan bile, elektron-çeken gruplar (örneğin, — CF3 veya CC13 grupları) karbo nil karbonunun daha pozitif olmasına neden olur (ve başlangıç bileşiği daha az kararlı hale gelir) ve katılma tepkimesinin daha çok tercih edilmesine yol açar.

I6.6C Katılma Ürünlerinin Sonraki Tepkimeleri Karbon-oksijen bağına nükleofilik katılma, kullandığımız tepkime koşullarında daha ka rarlı ürünün oluşumuna yol açabilir. Eğer böyleyse, biz daha sonra, aşağıdaki genel ya pıda ürünler elde edebiliriz.

\

/ Nu C / \ R OH Diğer tepkimelerde, başlangıçta oluşan ürün kararsız olabilir ve ürün, anında peşisıra tepkimelere girebilir. Bununla birlikte, başlangıç katılma ürünü kararlı olsa bile, tepki me koşullarım değiştirerek takip eden tepkimelerin oluşumunu özellikle sağlayabiliriz. Özel tepkimeleri öğrenmeye başladığımızda, genel bir ardışık tepkime olan ayrılma tep kimesini, özellikle su ayrılmasını göreceğiz.

P ro b le m 16.5

>• Bir aldehit veya ketonun bir Grignard reaktifiyle (Altbölüm 12.8) tepkimesi karbonoksijen ikili bağına bir nükleofilik katılmadır, (a) Nükleofil nedir? (b) Grignard reaktifinin magnezyum kısmı bu tepkimede önemli bir görev yapar. Bu görev nedir? (c) Başlangıçta hangi ürün oluşur? (d) Su ilave edildiğinde oluşan ürün nedir?

P ro b le m I 6.6

>■ Aldehit ve ketonların LİA1H4 ve NaBH4 (Altbölüm 12.3) ile tepkimeleri karbonil grubuna nükleofilik katılmalardır. Bu tepkimelerde nükleofil nedir?

16.7

A L K O L L E R İN K A TIL M A S I: Y a r i-A s e t a l l e r v e A s e t a

ller

I6.7A Yarı-asetaller Aldehit veya ketonların bir alkolde çözülmesi bu iki bileşik arasında yavaş bir denge nin kurulmasına ve yarı-asetal adı verilen yeni bir bileşiğin oluşmasına neden olur. Yarı-asetal aldehit veya ketonun karbonil karbonuna alkol oksijeninin nükleofilik katılmasının sonucudur.

16.7 Alkollerin Katılması: Yarı-Asetaller ve Asetaller

i T e p k i m e için Bir Me ka ni z m a

Bir yarı-asetalin kendine özgü yapısal özelliği —OH ve —OR gruplarının aynı kar bon atomuna bağlı olmasıdır. Açık zincirli yarı-asetallerin pek çoğu, elde edilebilmeleri için yeterli kararlılığa sa hip değildir. Diğer yandan beş veya altı üyeli halkaya sahip halkalı yarı-asetaller genel likle çok daha kararlıdır. 77O ^11

HOCH,CHXH,CH

H ,C " "I H ,C -

-C H , \ V A c

t./

0 ." •

h

-► basamak

\

" 0

iki

-CH, O — H \V " C

2ç | q

H

H Basit şekerlerin pek çoğu (Bölüm 22) başlıca halkalı yarı-asetal yapısında bulunur. Glikoz buna bir örnektir. CH,OH _

OH (-l-)-Glikoz (halkalı yarı asetal)

Ketonlar, bir alkolde çözüldüklerinde benzer tepkimelere girerler. Ürünler (açık zin cirli bileşikler olduklarında bunlar da kararsızdır) bazen yarı-ketaller olarak adlandırı lırlar. fakat bu kullanım, IUPAC tarafından artık tavsiye edilmemektedir. Tercih edilen, onların da yarı-asetaller olarak adlandırılmalarıdır. H R" K\ C—0 + HO —R' <*-— / / R R

0 —R

cv \

M

R\

/ 9 - R'

►" x c /

basamak

:0 ;-

Keton Yarı-asetallerin oluşumu asitler ve bazlarla katalizlenir.

/

R

\

:0 —H

Yarı-asetal

731

732


İ T e p k i m e için Bir M ek a n i z m a : Asit-Katalizli Yarı-Asetal Oluşumu

R" C =0. / 8+

+ H— o —R'

/ ;

8-

R

H

C = Ö —H + 67+

()— R ' «= I H

Bir alkol molekülü, oksonyum katyonunun karbonuna katdır.

(R", H olabilir) Aldehit ve ketonun oksijen atomunun protonlauması, karbonil karbonunu nükleofilik atağa karşı daha hassas yapar. [Protonlanınış alkol, alkolün (fazla miktarda var) HC1 gibi bir asit katalizör ile tepkimesinden oluşur.]

+ / H^ V R '— Ö ^) :
: Ö — R'

I

H

R "—

R

..

t.

ç —O—H + H—O—R' H

R

Pozitif oksijenden, diğer bir alkol molekülüne bir protonun aktarılması yarı-asetalin oluşumuna yol açar.

İ T e p k i m e için M e ka ni z m a --------------------------------------- i--------------------------------------------------------------------------------- 1---------------- : Baz-katalizli Yarı-Asetal Oluşumu \ .. ~:9 yC~rO. < /s+ 6578R R" \

. R — Ö:

X

-

R

•• /> \\ —OR' R"— C — 0 : « ”

R —0 : I R"—C — 0 — H + |

R

(R H olabilir)

:0

R'

R

Alkoksit anyonu, yarı-asetali oluşturmak ve alkoksit anyonunu yeniden üretmek üzere alkol molekülünden bir proton koparır,

Alkoksit anyonu bir nükleofil olarak davranır ve karbonil karbon atomuna atak yapar. Bir elektron çifti, yeni bir alloksit anyonu oluşturarak oksijen atomu üzerine kayar.

Aldehit Hidratlar: /&/z-Dioller Asetaldehit gibi bir aldehitin suda çözülmesi aldehit ile onun hidratı arasında bir dengenin kurulmasına neden olur. Bu hidrat gerçekte bir 1.1dioldiir ve /A/z-diol adı verilir. H,CX

H3Cx ^ 0 - H

C = 0 + H, 0 H Asetaldehit

C H

O —H

Hidrat (bir ikiz-diol)

16.7 Alkollerin Katılması: Yarı-Asetaiier ve Asetaller İkiz-diol, aldehitin karbonil grubuna suyun nükleofilik katılmasından oluşur.

T e p k i m e için M e ka ni z m a H id ra t O luşum u

+ k ir r ^ s C=7zP. + ÖH,+- =* / 6+ tyhH

h 3c x

H3Cx / H

x OH,

C \

. -P,~

4- —

H’c \ > X, / \ H

1

Bu basamakta su, karbonil karbonuna atak yapar

Bu iki moleküller arası basamakta pozitif oksijen atomundan bir proton ayrılır ve negatif oksijen atomu bir proton kazanır.

Bir çok ketona su katılmasında denge yeğlenmez, halbuki bazı aldehitler (örneğin formaldehit) sulu çözeltiler içerisinde başlıca ikiz-diol halindedir. Oluştukları sulu çözeltilerden /A7z-diolleri izole etmek mümkün değildir. Örneğin, suyun buharlaştırılması. dengeyi sağa kaydırır ve ikiz-diol (veya hidrat), karbonil bile şiğine geri döner. Rs

damıtma --------------- ►

C / H

R

OH \ OH

\

c= o +

h 2o

H

Kuvvetli elektron çekici grupların karbonil grubuna bağlı olduğu bileşikler kararlı /A7z-dioller oluşturabilirler. Kloral hidrat olarak adlandırılan bileşik buna bir örnektir. C13CX

OH

/ C\ H OH Kloral hidrat

Formaldehitin suda çözülmesiyle, başlıca /A7z-diol, CH2(0H)2, içeren bir çözelti olu- -< şur. Formaldehitten bu /A7z-diolün oluşumundaki basamakları gösteriniz.

P ro b le m I 6.7

Aseton, normal K,0 yerine lsO içeren suda (yani, H Ô yerine H2 l!tO’de) ■< P ro b le m 16.8 l80 çözüldüğünde, aseton kısa sürede lsO kazanmaya başlar ve CH3CCH3 oluşur. Bu oksijeni etiketli asetonun oluşması eser miktardaki kuvvetli asitler ve kuvvetli baz lar (OH~ gibi) tarafından katalizlenir. Asit-katalizli ve baz-katalizli bu tepkimelerin her ikisini de açıklayan basamakları gösteriniz?

733

734

Bölüm 16 / Aldehitler ve Ketonlar I. Karbonil Grubuna Nlikleofilik Katılma

I6.7B Asetaller Eğer bir aldehitin (veya ketonun) alkol çözeltisini alır ve içinden az miktarda HC1 ga zı geçirirsek, yarı-asetal oluşur ve daha sonra ikinci bir tepkime meydana gelir. Yanasetal, eşdeğer miktarda ikinci bir mol alkol ile asetal (bazen ketal denir) oluşturmak üzere tepkimeye girer. Asetal, aynı karbon atomuna bağlı iki — OR grubuna sahiptir. OR' I -> R—c —OR' + H,0

OH Her

R—C—OR' I R"

K ' — OH

R"

Yarı asetal (R", H olabilir)

P ro b le m I 6.9

Asetal (R'',H olabilir)

► Aşağıda gösterilen yapı formülü sukroza (sofra şekeri) aittir. Sukroz iki asetal gru buna sahiptir. Bunları belirleyiniz.

Asetal oluşum mekanizması, asit-katalizli yarı-asetal oluşumunu, daha sonra asit-kalalizli su ayrılmasını ve ardından ikinci bir alkol katılması ile bir proton kaybını içerir.

j T e p k i m e için Bir M e ka ni z m a Asit-Katazli Asetal Oluşumu

Karbonil oksijenine proton aktarılması

R—

+/ H

:0 — R 1

H—Ç—Ö— H R

H

İlk alkol molekülünün nükleofilik katılması

=0 —R

+ - H—C— Ö— H + H—Ö—R' I ” I R H

Pozitif oksijenden proton ayrılması sonucu bir yarı-asetal oluşur.

16.7 Alkollerin Katılması: Yan-Asetaller ve Asetaller

Benzaldehit ve metanolden, bir asit katalizör varlığında asetal oluşumu için ayrıntılı bir mekanizma yazınız.

735

P ro b le m 16 10

Bir aldehitten bir asetalin oluşumundaki bütün basamaklar tersinirdir. Eğer, bir aldehiti susuz bir alkolün aşırısında çözersek ve küçük bir miktar susuz asit (örne ğin HC1 gazı veya der. H2S 0 4) ilave edersek denge asetal oluşumu yönünü oldukça faz Denge şartları yarı-aseteller la tercih eder. Denge kurulduktan sonra asidi nötralize ederek ve aşırı alkolü ve asetallerin oluşumunu ve buharlaştırarak asetal i elde edebiliriz. hidrolizini yönetir. Eğer, asetali su içerisine koyar ve küçük bir miktar asit eklersek, tüm basamaklar geri döner. Bu şartlar altında (su fazlalığında) denge aldehitin oluşumunu yeğler. Ase tal hidrolize uğrar. 0 II H,0+ *>R— C — H + 2 R'OH A + H,0 — « (birkaç H OR' basamak) Asetal Aldehit

Rx / OR'

Asetal oluşumu, ketonlar, basit alkoller ve HC1 gazı ile etkileştirildiğinde tercih edil mez. Fakat halkalı asetal oluşumu, bir keton, 1,2-diolün aşırısıyla ve eser miktarda asit ile etkileştirildiğinde tercih edilir. HOCH, \ yC = 0 + / HOCH, Keton

(aşırı)

H,0+

r;

\

/

/

c

o —c h ,

E H ,0

\

R O—CH, Halkalı asetal

Bu tepkime de asetalin sulu asitle etkileştirilmesiyle geri döndüriilebilir. O—CH, / C\ R O—CH,

M,o* R\ + H,0 Rx

CH.OH

c=o + I

c h 2o h

736


P ro b le m 16.11

>■ Aseton ve etilen glikolden, HC1 gazı varlığında, halkalı asetal oluşum mekanizma sının bütün basamaklarım gösteriniz.

I6.7C Koruyucu Gruplar Olarak Asetaller Asetaller, sulu asit içerisinde aldehitlere ve ketonlara hidroliz olmalarına karşın, bazik çözeltilerde kararlıdırlar. R

OR' \

H

/

OH”

+ H ,0 ------►tepkime olmaz OR'

R' O—CR, \ / OH + H ,0 ------►tepkime olmaz / C\ R O—CH, Bu özellikten dolayı asetaller bize, aldehit ve keton gruplarının bazik çözeltiler deki istenmeyen tepkimelerden korunması için kullanılıştı bir yöntem sağlar. (Ase taller aslmda /¿/z-dieterlerdir ve bağlara karşı etkinlikleri eterler gibi bağıl olarak oldukça Koruyucu gruplar sentezler azdır.) Bir aldehit veya ketonu bir asetale dönüştürebilir, molekülün başka bir yerinde için stratejik aletlerdir. bir tepkime gerçekleştirir ve daha sonra asetali sulu asitle hidroliz edebiliriz. Bir örnek olarak, aşağıdaki dönüşüm problemini ele alalım. O

A

B

Keto grupları ester gruplarından daha kolay indirgenir. A’mn ester grubunu indirgeye bildi bir indirgeyici madde (örneğin LİA1H4 veya H2/Ni) keto grubunu da indirger. Fa kat. eğer biz keto grubunu bir halkalı asetal grubuna dönüştürerek “korursak” (ester grubu tepkime vermez) bazik ortamda halkalı asetali etkilemeden ester grubunu indirgeyebi liriz. Ester indirgemesini bitirdikten sonra, halkalı asetali hidroliz edebilir ve arzuladı ğımız ürünü, B yi, elde edebiliriz. O

P ro b le m 16.12

O

>• Eğer A, halkalı asetale çevrilmeden lityum alüminyum hidrür ile etkileştirilseydi hangi ürün elde edilirdi?

16.7 Alkollerin Katılması: Yarı-Asetaller ve Asetaller

(a) Aşağıdaki dönüşümü yapabilmek için bir halkalı asetali nasıl kullanabileceğini- *< zi gösteriniz. nT,

P ro b le m 16.13

(b) Metilmagnezyum bromüriin doğrudan A'ya katılması neden C ’yi oluşturmada başa rısız olur? ________________ Dihidropiran, eser miktarda susuz HC1 veya H2S 0 4 varlığında bir alkolle kolayca < tepkimeye girerek bir tetrahidropironil (THP) eter oluşturur.

ihidropiran

Tetrahidropiranil eter

(a) Bu tepkime için uygun bir mekanizma yazınız, (b) Tetrahidropiranil eterler sulu baz larda kararlıdırlar fakat sulu asitlerde hızla hidrolize uğrayarak başlangıç alkolünü ve di ğer bir bileşiği verirler. Açıklayınız. (Diğer bileşik nedir?) (c) Tetrahidropiranil grubu alkol ve fenoller için koruyucu grup olarak kullanılabilir. 4-Kloro-l-bütanol ile başlayarak ya pılan 5-metil-1.5-heksandiol sentezinde bu grubu nasıl kullanabileceğinizi gösteriniz. O I6.7D Tiyoasetaller — C —

RS *

SR

\ / —C—

Aldehitler ve ketonlar tiyollerle tepkimeye girerek tiyoasetalleri oluştururlar. Rx

R / S—CH,CH, ,C = 0 + 2 CH,CH,SH-----► /C + H,0 / 3 2 HA / \ 2 H H S—CH2CH, Tivoasetal

Rx

\ c = o + h s c h 2c h 2sh — u

R'

XS_CH’ + H,0

c R'

S— CH,

Halkalı tivoasetal

Tiyoasetaller Raney nikeli ile tepkimeye girerek hidrokarbonları verdiklerinden organik sentezlerde önemlidirler. Raney nikeli, soğurulmuş hidrojen içeren özel bir nikel katalizördür. Bu tepkimeler (yani tiyoasetal oluşumu ve bunun ardından “kükiirtün giderilmesi”) aldehit ve ketonların karbonil gruplarının —CH2— gruplarına R S—CH, \ / / C\ R' S—CH,

Raney Ni (H,l

R CH, + H — CH,CH,— H + NİS R'

dönüştürülmesi için bize ek bir yöntem sağlar. Öğrendiğimiz diğer yöntem Clemmensen indirgemesidir (Altbölüm 15.9). Altbölüm 16.8B‘de ise bunun Wolff-Kishner in dirgemesiyle nasıl sağlanabileceğini göreceğiz.

P ro b le m 16.14

737

738


P ro b le m 16.15

J

>

(a) Sikloheksanonun sikloheksanole (b) benzaldehitin toluene dönüştürülmesinde tiyoasetal oluşumu ve Raney Nikel kükürt gidermesini nasıl kullanabileceğinizi gös teriniz.

16.8

A

m o n y a k

T

ü r e v l e r İn

İn K a

til m a s i

Aldehitler ve ketonlar birincil aminlerle (RNH2) tepkime vererek iminler (RCH=NR veya R 2C = N R ) diye adlandırılan karbon-azot ikili bağına sahip bileşikleri oluşturur lar. Tepkime asitle katalizlenir ve ürün (£) ve (Z) izomerlerinin bir karışımı olarak olu şabilir. \

.

..

H,0+ \ / R * y C = N .. + H ,0 :

/ C = 0 > H,N — R «Aldehit veya keton

1° Amin

İmin [(£) ve (Z) izomer]

İmin oluşumu çok düşük ve çok yüksek pH'de yavaştır ve genel olarak pH 4 ve 5 arasında en hızlı gerçekleşir. Eğer imin oluşumu için önerilen mekanizma dikkate alı nırsa neden asit katalizörün gerekli olduğunu anlayabiliriz. Önemli basamak, protonlanmış alkolün bir su molekülü kaybederek iminyum iyonu haline geldiği basamaktır Asit, alkol grubunu protonlayarak, zayıf bir ayrılan grubu (—OH grubu) iyi bir ayrılan gru ba (—OH2+ grubu) çevirir.

| T e p k i m e için M e k a n i z m a —

•İmin Oluşumu

\ / C=Z ° - + H2N— R

/N H 2- R

/ CV . :

Aldehit 1 Amin veya keton Amin karbonil grubuna katdarak bir dipolar düzgün dörtyüzlü ara ürün oluşturur. , Al/NH — R /Ov ^ O H 2+ Protanlanmış aminoalkol Oksijenin protonlanması iyi ayrdan bir grup oluşturur. Bir su molekülünün kaybı iminvum iyonunu verir.

-H ,0 (

0-

\ / NH~ R H,0 c / \~ OH

Aminoalkol Dipolar ara ürün Azottan oksijene molekül içi proton aktarımı aminoalkolü oluşturur. \ /C = N X R İminyum iyonu

İmin [(£) ve (Z) izomerleri] Bir protonun suya aktarılması imini oluşturur ve katalitik iyonu yeniden ortaya çıkarır.

Eğer hidronyum iyonu derişimi çok yüksekse tepkime daha yavaş ilerler, çünkü, aminin kendisi önemli oranda protonlanır ve bu da ilk basamakta gerekli nükleofil derişimini azal tacak bir etkendir. Hidronyum iyon derişimi çok az ise, tepkime yine yavaşlar çünkü, pro-

16.8 Amonyak Türevlerinin Katılması

tonlanmış aminoalkol derişimi azalır. pH 4 ve pH 5 arasındaki bir pH en uygun olanıdır. İmin oluşumu, bir çok biyokimyasal tepkimede de meydana gelir, çünkü enzimler, genellikle bir aldehit veya keton ile olan tepkimelerinde —NH2 gruplarını kullanırlar. Bir imin bağının oluşumu, görme süreci sırasında meydana gelen tepkimelerin bir ba samağında da önemlidir (bkz. “Görmenin Fotokimyası” Altbölüm 13.9) lininler ayrıca, Altbölüm 20.5'te inceleyeceğimiz gibi, aminlerin yararlı laboratuvar sentezlerinde ara ürünler olarak oluşurlar. Hidroksilamin (NH2OH), hidrazin (NH2NH2) ve semikarbazit (NH2NHCONH2) gi bi bileşiklerin iminleri aldehit ve ketonların türevleri olarak kullanım alanı bulurlar (Altbölüm 16.8A). Çizelge 16.2'de (sayfa 740'da) bu bileşiklerin örnekleri sıralanmış tır. Bu türevlerin oluşum mekanizmaları, az önce incelediğimiz, birincil aminlerden iminlerin oluşumu mekanizmasına benzer. İminlerde olduğu gibi, (E) ve (Z) izomerlerinin oluşumu da mümkündür.

I6.8A 2.4-Dinitrofenilhidrazonlar, S em i ka r b az o n l ar ve Ok simle r Aldehitler ve ketonların 2,4-dinitrofenilhidrazin, semikarbazit ve hidroksilamin ile olan tepkimelerinin ürünleri çoğu zaman bilinmeyen aldehit ve ketonların tanınması için kul lanılır. Bu bileşikler, yani 2,4-dinitrofenilhidrazonlar, semikarbazonlar ve oksimler, genellikle nispeten çözünmeyen katilardır ve keskin tipik erime noktalarına sahiptirler. Bilinmeyen bir bileşiğin türevinin erime noktası ile kimya kaynaklarındaki bilinen bir türevin erime noktasının karşılaştırılması, bilinmeyen bileşiğin tanınması için delil sağ layabilir. Organik Kimya için olan pek çok laboratuvar kitabı erime noktalarını veren çizelgeleri fazlaca içermektedir. Ancak, türevlerin erime noktalarının karşılaştırılması yöntemi yalnızca, türevlerinin erime noktaları daha önce literatürde bildirilen bileşikler için işe yarar. Spektroskopik yöntemler (özellikle İR, NMR, ve kütle spektrometrisi) bi linmeyen bileşiklerin tanınmasında genellikle daha çok kullanılırlar (Altbölüm 16.14).

I6.8B Hidrazonlar: Wolff-Kishner İndirgemesi Hidrazonlar aldehit ve ketonların tanınmasında ara sıra kullanılır. Fakat, 2,4-dinitrofenilhidrazonlardan farklı olarak, basit hidrazonlar genellikle düşük erime noktalarına sa hiptirler. Bununla beraber hidrazonlar, Wolff-Kishner indirgemesi diye bilinen aldehit ve ketonların karbonil gruplarının —CH2— gruplarına indirgenmesi için uygun bir yön temin temelini oluştururlar. Genel Tepkime

\

C = q . + H,N—NH

ısı

Aldehit veya keton

/

Hidrazon (izole edilmez)

\ / CH, + N. Özel Örnek

O CCH2CH, + H2NNH2

N aO H metilen uilikol 200°C

CH2CH2CH, + N, (%82)

739

Bu bölüm girişinde ta rtışı lan pridoksal fosfat, imin fonksiyonel grubu üzerin den tepkimeye giren önemli bir koenzimdir. Ayrıca bkz. “ Pridoksal Fosfatın Kimyası” , sayfa

742.

740


Çizelge 16.2 Aldehitler ve Ketonların Amonyak Türevleriyle Tepkimeleri 1.

Birincil Aminlerle Tepkimesi G e n e l T e p k im e

\

•• + H,N— R

^C=0

Aldehit veya keton

\

/

,R + n 20

► / C— N.

1° amin

Bir imin [(E) ve (Z) izomerleri)]

Ö zel Ö rnek

CH3CH2

c h 3c h 2

\

\

C = 0 + H,N—CH2CH2C H ,----►

h 3c

h 3c

10 . 1 amin

c = n c h ,c h 2c h 3

+

h ,o

. .

Bir imin

Bütanon H idroksilam in ile Tepkimesi G e n e l T e p k im e

\

C=0

+

H,N—OH

Aldehit veya keton

—►

\

/ 0H

C=N .

+ H,0

Bir oksim [(£) ve (Z) izomerleri)]

Hidroksilamin

Ö zel Ö rnek

h 3c x

h 3c x

C=NOH + H,0

C = 0 + H,NOH -----► H

H

Asetaldoksim

Asetaldchit

3. H idrazin, Fenillıidrazin ve 2,4-Dinitrofenilhidrazin ile Tepkimeleri G e n e l T e p k im e le r

Aldehit veya keton

\

\ / C = 0 + H2NNH2 ----► / C=N, Hidrazin

\

C— O +

\

h 2n n h c 6h 5

+ H2NNH

+ H,0

Bir hidrazon [(F) ve (Z) izomerleri)]

----► /

Fenilhidrazin

\= 0 /

NH,

\(^ )/

c = n n h c 6h 5

+

h 2o

Bir fenilhidrazon

NO, + H,0

N O ,----►XC=N N H / NO,

no2

2,4-Dinitrofenilhidrazin

Bir 2,4-dinitrofenilhidrazon

Ö zel Ö rn ek

c 6h n /

c = o + H,NNHC06H3

H,C Asetofenon

H ,04 c h , c o 2h

5\ IC=NNHC 6H5 / H3C Asetofenon fenilhidrazon

+ H,0

16.8 Amonyak Türevlerinin Katılması

741

Çizelge 16.2 (devam ediyor) 3. S em ik arb azit ile T epkim esi

Genel Tepkime \

O

O \ C = 0 + H2NNHCNH2 — ►/C=NN HCN H 2 + /

Aldehit veya keton

Semikarbazit

h 2o

Bir sem ikarbazon

Özel Örnek O

O

o

-

0

+ H,NNHCNHT

NNHCNH, + HıO

O

Sikloheksanon

Siklotıeksanon sem ikarbazon

Wolff-Kishner indirgemesi, eğer dimetilsülfoksit çözücü olarak kullanılırsa, çok da ha düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilebilir. Wolff-Kishner indirgemesi, Clemmensen indirgemesini (Altbölüm 15.9) ve tiyoasetallerin indirgenmesini (Altbölüm 16.7D) tamamlar, çünkü bu üç tepkimenin hepsi

\ ^C —O

grubunu —CH2— grubuna dönüştürür. Clemmensen indirgemesi kuvvetli

asidik ortamda gerçekleştirilir ve bazlara duyarlı bileşikler için kullanılabilir. Wolff-Kish ner indirgemesi kuvvetli bazik çözeltilerde yapılır ve asitlere duyarlı bileşikler için kul lanılabilir. Tiyoasetallerin indirgenmesi ise nötr çözeltilerde yapılır ve hem asit hem de bazlara duyarlı bileşikler için kullanılabilir. Wolff-Kishner indirgemesinin mekanizması aşağıdaki gibidir. İlk basamak hidrazon oluşumudur. Daha sonra kuvvetli baz, hidrazonun

\

CH— N — NH

yapılı yeni bir

türeve tautomerleşmesine yol açar. Bu türev, sonra, azot molekülünün baz-katalizli ayrılmasına uğrar. Özellikle kararlı azot molekülünün kaybedilişi tepkime için bir itici güç sağlar.


A ldehit ve k eto n k a rb o n il lerin in - C H 2- g ru b u n a indirgenm esi için a ra ç la r.

K

ımyası

Piridoksal Fosfat J P iridoksal Fosfat (PLP), «-amino asitlerin önemli pek çok tepkimesine karışan biyolo jik bir moleküldür (bkz. bölüm açılışı). Substrat ve özel enzime bağlı olarak PLP: amino ve keto gruplarının birbirine dönüşümü, dekarboksilleme, stereokimyasal olarak tersine dön me, ayrılma ve yer değiştirmeyle sonuçlanacak tepkimeleri katalizleyebilir. PLP ile kata lizlenen bu tepkimelerin tümünde, PLP’nin görevi geri dönüşümlü bir elektron çifti kabul edicisi olarak hizmet etmektir. Bu işlevinin özel bir örneği olarak PLP’nin yer aldığı bir rasemleşme tepkimesini ele alalım. Bakteriler, hücre duvarlarının yapunı için (7?)-(-)-alanine (D-alanin olarak da bilinir, Altbölüm 24.2) ihtiyaç duyarlar. Fakat, alaninin en çok bulunan şekli, enantiyomer (S)-(+)-alanindir (veya L-alanin). Hücre duvarı sentezi için gerekli olan (R) enantiyomeri elde etmek için bakteriler, alaninin rasemik karışımının oluşumunu kata lizlemek. böylece (/?)-(-)-alanin elde etmek için alanin rasemaz adlı bir enzimi kullanırlar. PLP’nin dahil olduğu enzimatik tepkimelerde ilk basamak, PLP'nin enzime bağlı oldu ğu imin bağının, PLP ile amino substrat arasındaki imin bağına dönüşümünü içerir. Bura da (5)-(+)-alanin ile bu işlem görülmektedir.

Sonraki basamak enzimin içerisindeki bazik bir grubun etkisiyle alaninin «-karbonun dan bir protonun uzaklaştırılmasını içerir. Bu anyonun oluşumu. PLP’deki pozitif yüklü piridin halkası, bir elektron çifti alıcısı olarak hizmet ettiğinden mümkün olan bir işlemdir (bkz. Problem 16.B2). Bu konjuge karbanyon ara ürünün oluşumu, alaninin «-karbonunda ki kiralliğin kaybolmasına yol açar. Bunun ardından, üçgen düzlemsel «-karbon ara ürünün (diğer yüzünden) yeniden protonlanması alaninin rasemlenmesiyle sonuçlanır. Rasemlenmiş amino asidin ortaya çıkışı imin bağmın, tekrar enzimin amino grubuna geri dönmesiy le meydana gelir (ilk basamağın tersi olan hidroliz basamağı yukarıda gösterilmektedir).

742

P ro b le m I 6.B I

>• Bir enzim bağlı PLP İTnininin, alanin gibi bir substrat bağlı PLP iminine nasıl dönüşebileceğini gösteren bir mekanizma yazınız.

P ro b le m I6 .B 2

>■ Alaninin rasemleşmesinde cr-karbanyonun, piridiıı halkasının konjugasyonuyla nasıl kararlı kılındığını gösteren rezonans yapılarını yazınız.

16.9

H İD R O JE N S İY A N Ü R K A T IL M A S I

Hidrojen siyanür, aldehitlerin ve ketonların birçoğunun karbonil grubuna katılarak siyanoiıidrinler denilen bileşikleri oluşturur. Karbonil grubunun oldukça fazla engellenmiş olduğu ketonlar bu tepkimeye girmezler. O

R

OH \ / / cx H CN

RCH + HCN

“ Siyanohidrinler

O *•

+ HCN

R \

/

R'

OH CN.

Hidrojen siyanürün kendisinin katılması oldukça yavaş olur, çünkü HCN zayıf bir nükleofil kaynağıdır. Potasyum siyanürün veya zayıf asit olan HCN’den siyanür iyon ları üretecek bir bazın katılması tepkimenin hızında önemli artışlara neden olur. Bu et ki, İngiliz kimyacısı Arthur Lapworth tarafından 1903 yılında keşfedildi ve onun HCN katılması üzerindeki bu çalışmaları, Lapworth’u organik kimyanın mekamistik görüş ön cülerinden birisi yaptı. Lapworth, katılmanın iyonik yapıda olduğunu varsaydı (13 yıl somaki Lewis ve Kössel’in bağ teorilteri dikkate alındığında önemli bir görüş). Lapworth, “siyanohidrinlerin oluşumunun, negatif siyanür iyonlarının karbonil ile nispeten yavaş olarak birleşmesi, ve bunun ardından, neredeyse aniden kompleksin hidrojenle birleşmesi şeklinde gösterilebileceğini” önerdi*.

Te p k im e için Bir Mekanizma Siyanohidrin Oluşum u \

•.

C=0 + ~: C=N:

/ t^ r '

yavaş

\

/

c

/

\

0

=

A

\

1— C = N : w \

-H — C = N :

C=N :

/

/O — H

/

C

+ ~:C = N : C = N:

* Lapworth. A ../. C h e m . So c. 1903. 8 3 , 995 - 1005. Lapworth,’un çalışmasıyla ilgili güzel bir derleme için bkz. Saltzman, M. J. C h em . Ecluc. 1972, 4 9 , 750-752.

743

744


Siyanür iyonu, daha kuvvetli bir nükleofil olduğundan, karbonil karbonuna HCN’nin kendisinden çok daha hızlı atak yapabilir ve bu onun katalitik etkisinin kaynağıdır. Si yanür iyonunun katılması bir kere olunca, ara ürünün kuvvetli bazik alkoksit oksijen atomu, ortamda var olan herhangi bir asitten bir proton koparır. Eğer bu asit HCN ise, bu basamak siyanür iyonunu tekrar üretir. Siyanür iyonundan daha kuvvetli olan bazlar, bu tepkimeyi, HCN’yi (pÂ^ = 9) bir asit-baz tepkimesiyle siyanür iyonuna dönüştürerek katalizlerler.

B r + H A := N :4 ^ B :H +

=C = N:

Sıvı hidrojen siyanür bu tepkime için kullanılabilir (HCN oda sıcaklığında gazdır), fakat HCN çok zehirli ve uçucu olduğundan tepkime ortamında oluşturulması daha güvenlidir. Bu, aldehit veya ketonun sulu sodyum siyanür ile karıştırılması ve sonra karışıma yavaşça sülfürik asit katılmasıyla yapılabilir. Bununla beraber, bu işlemde bi le büyük özen gösterilmeli ve tepkime çok etkin bir çeker ocakta yürütülmelidir.

Siyanohidrinler organik sentezlerde yararlı ara ürünlerdir. Kullanılan şartlara bağlı olarak, asidik hidroliz siyanohidrinleri a-hidroksi asitlere ya da a,/3-doymamış asitlere dönüştürür. (Bu hidrolizin mekanizması Altbölüm 18.8H'de tartışılacaktır.) Siyanohidrinlerden a-hidroksi asitlerin hazırlanması basit şekerlerin Kiliani-Fischer sentezinin bir kısmıdır (Altbölüm 22.9A). O c h 3c h 2

HO HO O I IICN ►CH?CH,—Ç—CN İ1£L+ CH,CH,—C — COH H,0

ch3

ısı

CH3

'

|

CH3 « -Hidroksi asit

%95 HjS04 ısı

▼ o II COIİ CH3C H = C ^ ch3

a fi -Doymamış asit

Lityum alüminyum hidrür ile bir siyanohidrinin indirgenmesi bir jS-aminoalkol verir.

(DLİAİH, ^ (2) H,0

Problem 16.16 >■ (a) Asetaldehitten çıkarak, bir siyanohidrin ara ürünü üzerinden laktik asili (CH3CH0HC0 2H) nasıl hazırlayabiieceğinizi gösteriniz, (b) Laktik asitin hangi stereoizomerini elde etmeyi umuyorsunuz?

16.10 Yilürlerin Katılması: Wittig Tepkimesi

16.10

745

Y İL Ü R L E R İN K A T IL M A S I: W İ T T İ G TE P K İM E S İ

Aldehit ve ketonlar fosfor yi Kirlerle tepkimeye girerek dikenleri ve trifenilfosfin oksiti verirler. (Bir yilür. pozitif bir heteroatoma bitişik bir negatif karbonu olan nötr bir mo leküldür). Fosfor yiliirler fosforanlar olarak da bilinirler. R\ / c“ ° R' Aldehit veya keton

R\

♦ , / R" + (C6h 5)3p — c x r

"

/R "

/ '- c x

+ 0 = P ( C 6H5) 3

R'

R" Alken [(£) ve (Z) izomerleri)]

Fosfor yilür (veya fosforan)

Trifenilfosfin oksit

VVittig tepkimesi olarak bilinen bu tepkimenin alkenlerin sentezi için önemli bir yön tem olduğu kanıtlanmıştır. Wittig tepkimesi çok çeşitli bileşiklere uygulanabilir ve so nuçta (E) ve (Z) izomerlerin bir karışımı oluşmasına rağmen, üründeki ikili bağın yerinde herhangi bir belirsizlik olmadığından diğer alken sentezlerine üstünlük sağlar. (Bu tep kime, oluşan karbokatyonun daha kararlı karbokatyon ara ürünlerine çevrilmesiyle çok sayıda alken ürünler veren El ayrılmalarına zıttır. Hem El hem de E2 ayrılma tepkimeleri, uzaklaştınlabilecek farklı ^-hidrojenler olduğunda çok sayıda ürünler üretebilir.) Fosfor yilürler, trifenilfosfin ve alkil halojenürlerden kolayca hazırlanabilirler. Bun ların hazırlanması iki tepkimeyi kapsar. Genel Tepkime 1. Tepkime

(C6HS)3P

_____4 + r

♦

^

"

X R*

Trifenilfosfin

2. Tepkime

/ K"

^C H —X — ► (C6H5)3P— CH

Alkiltrifenilfosfonyum halejenür

+ 4-> (C6H5)3 P—C —H :B R'"

+ / * (C6H5)3P—

+ H :B R"

Fosfor yilür

Özel Örnek C I-L

1. Tepkime

+

(C6H5)3P: + CH,Br

(C6H5)3P—CH, Br~ Metiltrifenilfosfonyum bromür (%89)

2. Tepkime

(C6H5 )3P—CH3 + C6H5L i Br~

►(C6H5)3P— CH,:~ + C6H6 + LiBr

İlk tepkime nlikleofilik yer değiştirme tepkimesidir. Trifenilfosfin çok iyi bir niikleofil ve zayıf bir bazdır. T’ ve 2” alkil halojenürlerle bir SN2 mekanizmasına göre kolayca tepkimeye girerek, bir alkiltrifenilfosfonyum tuzu vemek üzere, alkil halojenüıün halojenürü ile yer değiştirir. İkinci tepkime bir asit-baz tepkimesidir. Kuvvetli bir baz (ge nellikle alkillityum veya fenillityum) fosfora bağlı karbondan bir proton kopararak yiliirü oluşturur.

Georg VVittig, bu tep kimeyi, Tübingen Üniver sitesinde 1954’de keşfetti ve 1979 yılında Kimya Nobel Ödülünü bir ortakla kazandı.

746

Bölüm 16 / Aldehitler ve Ketonlar 1. Karbonil Grubuna Nükleofilik Katılma

Fosfor yilürler, aşağıda gösterilen iki rezonans yapının melezi olarak gösterilebilir. Kuantun mekaniği hesaplamaları ilk yapının katkısının nisbeten önemsiz olduğunu be lirtmektedir. „ „ / R + / R (C6H5)3P=C x 4 - * (C6H5)3P—C^R"

R"

Wittig tepkimesinin mekanizması önemli oranda çalışma konusu olmuştur. İlk ön ceki mekanistik öneride, karbanyon olarak davranan yilürlerin aldehit ve ketonun kar bonil karbonuna atak yaptığı, ayrılmış yüklere sahip ve betain olarak adlandırılan bir ara ürünün oluştuğu ileri sürülmüştür. Sonraki basamakta, betainin, oksafosfetan ola rak adlandırılan dört üyeli kararsız bir halkalı sisteme dönüştüğü ve bunun da, kendili ğinden hemen trifenilfosfin oksit kaybederek bir alkene dönüştüğü düşünülür. Bununla birlikte, E. Vedejs’in (Wisconsin Üniversitesi) ve diğerlerinin çalışmalarında betainin ara ürün olmadığı, oksafosfetanın siklokatılma tepkimesi ile doğrudan oluştuğu ileri sü rülmüştür. Wittig tepkimesinin itici gücü trifenilfosfin oksitteki çok kuvvetli (DH" = 540 kJ mol ') fosfor-oksijen bağının oluşmasıdır.

16.10 Yilürlerin Katılması: Wittig Tepkimesi

Betainden (eğer gerçekten oluştuysa) trifenilfosfin oksitin ayrılması az önce gösterildi ği gibi iki ayrı basamakta gerçekleşebilir veya her iki adım da ayııı anda olabilir. Wittig sentezleri karışık görülebilmesine karşın, gerçekte uygulamada yapılmaları kolaydır. Çoğu basamaklar aynı tepkime kabında yürütülebilir ve sentezin bütünü birkaç saatte içerisinde gerçekleştirilebilir. Wittig sentezinin toplam sonucu aşağıdadır.

R,

X,

\

\

r= 0 +

R'

/

/

.R"

\

H

Rx

birçok 7

—+

basamak

R"'

/

C— C

R'

/

.R" + diastereomer

\

R'"

Wittig sentezinin plânlanması, istenilen alkende aldehit veya keton bileşeninin ve halojeniir bileşeninin neler olabileceğinin belirlenmesiyle başlar. R gruplarının herhan gi biri veya tamamı hidrojen olabilir, ancak, gruplardan en azından bir tanesi hidrojen olduğunda verimler genellikle daha iyidir. Halajenür bileşeni birincil, ikincil veya me til halojenür olmalıdır. Örnek Problem 2-Metil-l-fenil-l-propen için bir Wittig sentezi tasarlayınız. C evap

Bileşiğin yapısını ikili bağın her iki tarafındaki gruplara dikkat ederek inceleriz. CH, I C6H5CH= CCH, 2-Metil-l-fenil-l-propen

Sentez için iki genel yaklaşım mümkündür. Xx

CftHsx

(a)

X C=

+

0

/

/

c

H

H

\

ch3

/C H 3

c 6h 5N

/ H

CH,

c

\

CH,

veya

CA\

/C H 3

/H C

+ ()= C

/

\!

1

(hi

H

X

\

c 6h 5X

—► CH,

/ H

/C H 3

c = =c.

\

CH,

(a)’da önce 2 -kloropropandan yilürü hazırlarız ve daha sonra benzaldehitle tepkimeye sokarız. + (a) (CH3)2CHBr + (C6H5)3P---- ►(CH3)2CH—P(C6H5)3 Br~---- ► -

+

c 6h 5cho

(CH3 )2C—P(C6Hs)3— ---- ►(CH3)2C=CHC 6H5 + (C6H5 )3P = 0 (b) ’de ise yilürü benzil halojenürden yapabilir ve sonra asetonla tepkimeye sokabili riz. (b) C6H5CH2Br + (C6H5)3P ---- ►C6H5CH2—P(C6H5)3 B r C6H5CH—P(C6H5) 3 (CH3):C=0 ►c 6H 5C H = C(CH3)2 + (C6H5)3P = 0

747

748


Wittig tepkimesinin yaygın olarak kullanılan bir çeşidi Horner - Wadsworth - Em mons düzenlemesidir. Homer - Wadsworth - Emmons tepkimesi, trifenilfosfonyum tu zu yerine bir fosfonat esteri kullanımını gerektirir. Ana ürün genellikle alkenin (E) izomeridir. Fosfonat ester karbanyonu oluşturmak için sodyum hidrür, potasyum ter-bütoksit ve bütillityum gibi bazı bazlar kullanılır. Aşağıdaki tepkime dizisi bir örnek ola rak verilmiştir. 1. Basamak O II

\

J .

Na+ O II CH—P—OEt + H— H

NaH

CH,—P—O E t------ ► \ OEt

t

OEt

Bir fosfonat ester

Fosfonat esteri, bir trialkil fosfit [(RO)3 P] ile uygun bir halojenüriin (bu işlem Arbuzov tepkimesi olarak bilinir) tepkimesinden hazırlanır. Aşağıda bir örnek verilmiştir. O CH,—X + EtO— P—OEt \

t

\

CH,—P—OEt + EtX //

OEt

OEt

Trietil fosfit

P ro b le m 16.17

>■ Başlangıç maddeleri olarak trifenilfosfine ek olarak gerekli aldehitlere, ketonlara ve organik halojenürlere sahip olduğunu varsayınız. Wittig tepkimesini kullanarak aşa ğıdaki her bir alkeni nasıl sentezleyebileceğiniz gösteriniz. (a )

C 6H 5Ç = C H 2 CH,

(b)

C 6H 5Ç = C H C H , CH,

H,CX (c )

C = H ,C

CH,

(e) CH,CH2CH=CCH,CH, (f) C6H5CH=CHCH=CH, (g )

c

6h 5c

h

=

c h c

6h 5

16.11 Organometalik Reaktiflerin Katılması; Reformatsky Tepkimesi

Trifenifosfin, epoksitlerin alkene dönüştürülmesinde de kullanabilir, örneğin;

/° \

c 6h ,

/ H

c— cv

c 6h 5///î

+ (C6H,),P=—►

H

v

^

P ro b le m 16.18

^ ch,

^C = c^ • + (C6H5),PO H H

CH3

Bu tepkime için uygun bir mekanizma öneriniz.

16.11

O R G A N O M E T A L İK REAKTİFLERİN KATILMASI; REFORM ATSKY TEPKİM ESİ

Altbölüm 12.8’de Grignard bileşiklerinin, organolityum bileşiklerinin ve sodyum alkinürlerin aldehit ve ketonlara katılmasını öğrendik. Bu tepkimeler, o zaman gördüğümüz gibi, değişik alkollerin üretiminde kullanılabilir. s-

R : MgX+ y C = 0 M

R:Li +

C= 0 /

fi-

I

H0+

►R — Ç— O M g \-J— ►R — Ç— OH I

H ,0 +

I

►R — C— OLi —2— ►R— C— OH I I I

H 0+

RC = C :Na + ^ c = 0 --- ►RC = C— c — ONa —— ►RC = C— C— OH Şimdi, bir aldehit veya ketonun karbonil grubuna organoçinko reaktifinin katılma sını içeren benzer tepkimeleri inceleyeceğiz. Reformatsky tepkimesi olarak bilinen bu tepkime, aldehit ve ketonun karbon iskeletini uzatır ve /3-hidroksi esterler verir. Bu tep kime bir aldehit veya keton ile bir a-bromo esterin çinko metali varlığında etkileştirilmesini içerir; çözücü olarak çoğu kez benzen kullanılır. Başlangıç ürünü bir çinko alkoksittir ve bu da. /3-hidroksi esterin oluşması için hidroliz edilmelidir. BrZnO \ /

I C = 0 + Br— C —CO,R I

Aldehit veva keton

"

Zn benzen

HO

C—C— CO,R H ° ►— C—C— CO,R ^-Hidroksi ester

a-Bromo ester

Tepkimede ara ürün, Grignard reaktifine benzer bir davranışla karbonil grubuna ka tılan bir organoçinko bileşiği olarak ortaya çıkar.

T e p k i m e i ç in B i r M e k a n i z m a ; Reformatsky Tepkimesi BrZnO B r— C— CO,R-

Zn benzen

> BrZn:C— CO,R-

HO H ,0+

— C— c — CO,R— — ►— c — c — CO,R

749

750


Organoçinko reaktifi. Grignard reaktifinden daha az etkin olduğundan ester grubu na katılmaz. Reformatsky tepkimesinden elde edilen /3-hidroksi esterler, a,/3-doymamış ester vermek üzere kolayca su kaybederler. Çünkü, suyun ayrılması, ester grubunun karbon-oksijen ikili bağı ile konjuge olan karbon-karbon ikili bağı içeren bir sistem oluş turur. n u kj HO O h ,ct \ I I II / —c —c —COR — -----► C = C ısı / \ I I (-H.O ) COR H O

ß -Hidroksi ester

a ,/3-Doymamış ester

Refomatsky tepkimesinin örnekleri aşağıda verilmiştir (burada Et = CH3CH2 —): O OH (1) Zn

CH,CH2CH2CH + BrCH2CO,Et (1) H Q~> CH3CH2CH2CHCH2CQ2Et CH,

O

CH,CH + Br— Ç —C 02Et

OH (1) Zn (2) H,0

-►CH,CH— C — CO,Et

CH, CH,

O "

1

OH (1) Zn

CH,

_

CH, CH,

'

C6H5CH + Br — CH— CO,Et (1) H Q. ►C6H5CH— CH— C 0 2Et P ro b le m 16. |

9

>► Aşağıdaki bileşiklerin her birinin sentezinde Reformatsky tepkimesini nasıl kulla nabileceğinizi gösteriniz. (Bazı durumlarda ek basamaklar gerekebilir.) OH I (a) (CH3)2CCH2C0 2CH2CH, (c) CH,CH2CH2CH2C0 2CH2CH, (b)

/ ----\° H (

y — CHC02CH2CH3 CH,

I 6 . 12

A L D E H İTL E R İN VE K E TO N L A R IN YÜKSELTG EN M ESİ

Aldehitler ketonlardan çok daha kolay yükseltgenirler. Aldehitler potasyum permanga nat gibi kuvvetli yükseltgen maddelerle kolayca yükseltgenirler ve ayrıca, aldehitler, gü müş oksit gibi ılıman yükseltgen bileşiklerle de yükseltgenebilirler. O O O H,Q+ KMnüj, ()H~ * RCOH > RCORCH O O O RCH

Ag,Q, OH~

+ RCO-

> RCOH

Bu yükseltgenmelerde aldehitlerin karbonil karbon atomuna bağlı hidrojenini kaybet tiklerine dikkat ediniz. Ketonlar, bu hidrojenden yoksun olmaları nedeniyle, yükseltgenmeye karşı daha dirençlidir.

16.12 Aldehitlerin ve Ketonların Yükseltgenmesi

I6 .I2 A Aldehitler ve Ketonların Baeyer-Villiger Yükseltgenmesi Hem aldehitler hem de ketonlar peroksi asitler tarafından yükseltgenirler. Baeyer-Villi ger yükseltgemesi olarak bilinen bu tepkime özellikle ketonlar için yararlıdır, çünkü ke tonları karboksilik esterlere dönüştürür. Örnek olarak, asetofenonun peroksi asit ile etkileştinİmesi, onu bir estere, fenil asetata çevirir. O

C „ H -C -C H 3 Asetofenon

O I KCOOH^

O

C6H5— o —C—CH3 Fenil asetat

Bu tepkime için önerilen mekanizma aşağıdaki basamakları içerir.

Bu tepkimenin ürünleri, fenil grubunun metil grubundan daha fazla göçmeye karşı eğilimi olduğunu göstermiştir. Böyle bir durum olmasaydı, ürün CH3 COOC6H5 değil Cf)H5COOCH3 olurdu. Bir grubun göçmeye eğilimi, onun göçme kabiliyeti olarak bili nir. Baeyer-Villiger yükseltgenmesi ve diğer tepkimeler üzerindeki çalışmalar bir gru bun göçme kabiliyetinin H > fenil > 3° alkil > 2 alkil > 1 alkil > metil şeklinde olduğunu göstermiştir. Bütün durumlarda bu sıralama, elektron çiftleriyle göçen gruplar, yani an yonlar içindir.

751

752


P ro b le m 16.20

>- Benzaldehit bir peroksiasit ile tepkimeye girdiğinde ürün benzoik asittir. Bu tepki menin mekanizması asetofenon için az önce verilenin benzeridir ve sonuç, fenile göre hidrojen atomunun daha büyük göçme kabiliyeti olduğunu gösterir. Söz konu su tüm basamakları gösteriniz.

P robl em 16.21

>- Siklopentanonun Baeyer-Villiger yükseltgenmesinden oluşabilecek ürünün yapısı nı yazınız.

P ro b le m 16.22

>- 3-Metil-2-bütanonun Bayer-Villiger yükseltgenmesmden oluşabilecek ana ürün nedir?

1 6 .1 3

A L D E H İ T L E R V E K E T O N L A R İÇ İN K İM Y A S A L A N A L İZ L E R

I6 .I3 A Aldehitlerin ve Ketonların Türevleri Aldehitler ve ketonlar, karbonil içermeyen bileşiklerden, amonyak türevleriyle olan tep kimeleriyle ayırt edilebilirler (Altbölüm 16.8). Semikarbazit, 2,4-dinitrofenilhidrazin, ve hidroksilamin, aldehit ve ketonlarla tepkimeye girerek çökelekler oluştururlar. Semikarbazonlar ve oksimler genellikle renksizdir fakat 2,4-dinitrofenilhidrazonIar genellikle portakal rengindedir. Bu türevlerin erime noktaları belirli aldehit ve ketonların tanınma sında kullanılabilir.

I6.I3B Tollens Denemesi (Güm üş Aynası Denemesi) Aldehitlerin daha kolay yükseltgemesi aldehitlerin çoğu ketonlardan ayırt edilmesi için kullanışlı bir deneme sağlar. Sulu gümüş nitrat ile sulu amonyağın karıştırılması Tol lens reaktifi olarak bilinen bir çözelti oluşturur. Bu reaktif diamonyumgümüş(I) iyonu: Ag(NH3)2\ içerir. Bu iyon çok zayıf bir yükseltgen madde olmasına karşın, aldehitleri karboksilat anyonlarına yükseltger. Bu olduğunda, gümüş, +1 yükseltgenme basamağın dan [Ag(NH3)2+] metalik gümüşe indirgenir. Tepkime hızı yavaş ve kabın cidarları te mizse, metalik gümüş, deney tüpünün duvarlarında bir ayna olarak birikir; eğer böyle değilse griden siyaha bir çökelek oluşur. Tollens reaktifi a-hidroksi ketonlar hariç bü tün ketonlarla olumsuz sonuç verir: O

0 Ag(NH3)2+

+

R— C—H ~ Aldehit O

OH

0

o

Ag(NH,),+

R— C — C H - R' -Hidroksi keton

h ,o

Ag+ Gümüş aynası

‘ R - c - c

—R'

0 . Ag(NH,)2+ _

R—C—R -------;— ►tepkime olmaz Keton

H,()

+

Ag^ Gümüş aynası

16.14 Aldehit ve Ketonların Spektroskopik Özellikleri

I 6. I 4

A L D E H İ T VE K E T O N L A R I N S P E K T R O S K O P İ K ÖZELLİKLERİ

I6.I4A Aldehitler ve Ketonların İR Spektrumları Aldehitler ve ketonların karbonil grupları 1665 - 1780 c m 1 aralığında çok kuvvetli C = 0 gerilme soğurması bandları verirler. Soğurmanın tam yeri (Çizelge 16.3) aldehit veya ketonun yapısına bağlıdır ve bu. İR spekturumunda en tipik ve en yararlı soğurmadır. Doymuş, halkasız aldehitler tipik olarak 1730 cn r 1 civarında; benzeri ketonlar ise 1715 cm 1 civarında soğurma yaparlar. Karbonil grubunun bir ikili bağ veya bir benzen halkası ile konjugasyonu C = 0 soğurmasını yaklaşık 40 cnr1daha düşük frekanslara doğru kaydırır. Düşük frekansla ra olan bu kayma, konjuge bileşiğin ikili bağının birli bağ karakteri kazanmaya başlamasından kaynaklanır (aşağıdaki rezonans yapılara bakınız) ve birli bağlar ikili bağ lardan daha kolay gerilirler. .o'*

\

:|§ \ \

rv c

/c=c\

c—

Birli bağ

\ + / c —c / \

Halkalı ketonlarda karbonil soğurmasının yeri halkanın büyüklüğüne bağlıdır. (Çi zelge 16.3'teki halkalı bileşikleri karşılaştırınız). Halka büyüklüğü küçüldükçe C = 0 ge rilme bandı daha büyük frekanslara doğru kayar. Ayrıca, aldehitlerin CHO grubunun C —H bağ titreşimleri 2700-2775 cm 1 ve 2820 - 2900 cm 1 bölgelerinde kolayca tanınabilen iki zayıf band verirler. Şekil 16. Tde feniletanalin İR spektrumu görülmektedir.

I6.I4B Aldehitler ve Ketonların N M R Spektrumları UC NMR Spektrum ları Bir aldehit veya ketonun karbonil karbon atomu. MC spektrumunda 8 180 - 200 bölgesinde tipik NMR sinyalleri verir. Neredeyse bu bölgede baş ka sinyaller olmadığından bu bölgede (yaklaşık 8 200) bir sinyalin bulunuşu bir karbonil grubunun varlığını kuvvetle düşündürür. ‘H NMR Spektrum ları Bir aldehit protonu. 'H NMR spektrumunda hemen hemen diğer protonların soğurma yapmadığı oldukça düşük alandaki bir bölgede (5 9-10) bir sinyal verir ve bu yüzden kolayca tanınabilir. Ç izelge 16.3

Bileşik R — CHO Ar — CHO \ /

C =Ö Gerilme Frekansları Bölge Bileşik (cm'1) 1720-1740 RCOR ArCOR 1695-1715 \

/

c=c

\

Aldehitler ve Ketonların Karbonil Gerilme Bandları

1680-1690 CHO

/

Bölge (cm1)

1705-1720 1680-1700

/

c=c

\

COR Sikloheksanon Siklopentanon Siklobiitanon

1665-1680 1715 1751 1785

753

Böliim 16 / Aldehitler ve Ketonlar I. Karbonil Grubuna Nükleofilik Katılma 100

Geçingenlik (%)

754


Şekil I6.I Feniletanalin İnfrared Spektrumu.

Alifatik aldehitlerin aldehit protonu, komşu karbon atomundaki protonlarla spin-spin eşleşmesi yapar ve yarılmanın şekli, a-karbon atomundaki sıibstitüsyon derecesini or taya çıkarır. Örnek olarak asetaldehitte (CH^CHO) aldehit proton piki metilin üç proto nu tarafından bir dörtlüye, metil protonların piki ise aldehit protonu tarafından bir İkiliye yarılır. Eşleşme sabiti yaklaşık 3 Hz’dir. a-Karbondaki protonlar karbonil grubu tarafından perdelenmezler ve sinyalleri ge nellikle 8 2,0 - 2,3 bölgesinde görünür. Metil ketonlar 8 2.1 civarında kendilerine öz gü (3H) bir birli verirler. Şekil 16.2 ve 16.3'te feniletanalin açıklamalı 'H ve l3C spektrumları göstermektedir.

Şekil 16.2 Feniletanalin 300 MHz 'H NMR spektrumu Aldehit ve metilen protonları arasındaki küçük eşleşme (2,6 Hz) genişletilmiş olarak ayrıca gösterilmiştir.

16.14 Aldehit ve Ketonların Spektroskopik Özellikleri

(e) (d) X

CH

(b) (a)

X

(d.e/) CH CH CH, CH C D C I3

(a) 220

200

180

160

140

(b)

X

4 , 120

100

80

™ S

•mİ*. 60

40

20

8c (PPm)

Şekil 16.3 Feniletanalin genişband proton-eşleşmesiz 13C NMR spektrumu. DEPT |lC NMR’den elde edilen bilgiler ve ait oldukları karbonlar her pikin yanında gösterilmiştir.

I6 .I4 C Aldehit ve Ketonların Kütle Spektrumları Ketonların kütle spektrumu genellikle molekiiler iyona karşılık gelen bir pik verir. Al dehitler ise, kütle spektrumlarında, aldehit hidrojeninin kopmasından kaynaklanan bas kın bir M :-l piki oluştururlar. Ketonlar, genellikle karbonil grubunun her iki tarafından da kopmaya uğrayarak açilyum iyonları, R C = Ö Î. verir: burada R ketonun her iki ta rafındaki alkil grubu da olabilir. Çoğu aldehit ve ketonda McLafferty çevrilmesi üze rinden (Altbölüm 9.16C) parçalanma da mümkündür. I6 .I4 D U V Spektrumları Doymuş aldehitler ve ketonların karbonil grupları 270 ve 300 nm arasındaki UV bölge sinde zayıf bir soğurma bandı verirler. Bu band, karbonil grubu bir ikili bağ ile konjuge olduğunda daha uzun dalga boylarına (300-350 nm) kayar.

: Aldehit ve Ketonların Katılma Tepkimelerinin j Mekanizmalarının Özeti________________________________ i Şimdiye kadar incelediğimiz, aldehitler ve ketonların karbonil karbonunda meyda na gelen nükleofilik katılma tepkimeleri aşağıda özetlenmiştir. Bölüm 17'de diğer ör nekleri de göreceğiz. Aldehit ve Ketonların Nükleofilik Katılma Tepkimeleri 1. Organom etalik Bileşiklerin Katılması

Genel Tepkime 6-

R I ------►—c —o —H H ,0 +

0

755

756


Bir Grignard Reaktifinin Kullanıldığı Özel Örnek (Altbölüm 12.7) O OH (I) EuO

CH,CH,MgBr + CH,C—H (Z) - -ManJ , ►CH,CH,CHCH, (%67)

Refomatsky Tepkimesinin Kullanıldığı Özel Örnek (Altbölüm 16.11) 0 CH, HO CH3 1

I

c h 3ç h c h 2ch

(1) Zn

I

+ Br—ç — c o 2c h 2c h , 1

CH,

CH,

ch3

I

c h 3ç h c h 2c h ç — c o 2c h 2c h 3 ch3

(%65)

2. Hidrür İyonunun Katılması Genel Tepkime \ ^ı I I H v ± ^ C = 0 — ►H - Ç - O - - ¡ ^ * H - Ç - O H Metal Hidrürlerinin Kullanıldığı Özel Örnek (Altbölüm 12.3) / \

(D Et,O

OH (%90)

O

OH CH?OH

CH,CCH,CH2CH, + NaBH4

0 ” “ + CH3CHCH2CH2CH3 (%100)

3. Hidrojen Siyanür Katılması (Altbölüm 16.9) Genel Tepkime III

HîC.

z

h 3c

A

HA

1

/

I

c= o< i= ^ N —C—C—

O

\

Özel Örnek /

\

/

(1) NaCN _ --------► (2) HA

/

h 3c

c= 0

o

OH

\

h 3c

cn

Aseton siyanohidrin (%78)

4. Yilürlerin Katılması (Altbölüm 16.10) Wittig Tepkimesi \

> c=c

- C — CI I

/

+ Ar3PO

LAr»P O J 5. Alkollerin Katılması (Altbölüm 16.7) Genel Tepkime R — O — H H"

\ /

C=0

I

ROH

I

HA

R — O — C— OH < Yarı-asetal

* R— O — C— O — R + HOH Asetal

Ek Problemler

757

ÖzeI Örnek CH3

O

CHL C\H,()H

C,H,-OH + CH,CH « = * C,H.O—Ç— —— - 3 j I OH — H A ►C,H<0— Ç— OC2Hs + HOH

H

H 6.

Amonyak Türevlerinin Katılması (Altbölüm 16.8) Genel Tepkime N —H + ^ C = 0 H

-N—Ç — OH

/ -----► N = C -h2o / \

H

Özel Örnek

î

H\ /° H CH3CH + NH,OH----► C = N CH3 Asetaldoksim

i A n a h t a r T e r i m l e r v e K a v r a m la r Tautom erleşme Enolleı* Keto-enol tautomerleşmesi Karbonil karbonuna nüklcofilik katılma Yarı-asetaller Asetaller İm inler H idrazonlar, seıııikarbazonlar ve oksiıııler Sivanohidrinler Yilürler

Altbölüm Altbölüm Altbölüm Altbölüm Altbölüm Altbölüm Altbölüm Altbölüm Altbölüm Altbölüm

16.5B 16.5B 16.5B 16.6 16.7A 16.7B 16.8 16.8A 16.9 16.10

16.23

Aşağıdaki bileşiklerin her biri için bir yapı formülü yazınız ve bir başka kabul edilebilir isim veriniz. (a) Formaldehit (f) Asetofenon (k) Etil izopropil keton (b) Asetaldehit (g) Benzofenon (l) Di izopropil keton (c) Fenilasetaldehit (h) Salisilaldehit (m) Dibütil keton (d) Aseton (i) Vanilin (n) Dipropil keton (e) Etil metil keton (j) Dietil keton (o) Sinnamaldehit

16.24

Propanol, aşağıdaki her bir reaktifle tepkimeye girdiğinde oluşacak ürünlerin yapı formüllerini yazınız. (a) NaBH4, sulu NaOH içerisinde (f) H2 ve Pt (b) C6H5MgBr, soma H20 (g) HOCH2CH2OH ve HA (c) LiAlH4, soma H20 (h) CH3ĞH — P(C6H5) 3 (d) Ag20 , OH (i) (1) BrCH2C 0 2C2H5, Zn; (2) H3 0 + (e) (C6H5)3P = CH2 ö ) Ag(NH3)2+

* Yıldızla işaretlenmiş problemler "çözülmesi daha zor olan problemlerdir.

E K P R O B LE M LE R

758

Bölüm 16 / Aldehitler ve Ketonlar T. Karbonil Grubuna Nükleofilik Katılma

(k) Hidroksilamin (l) Semikarbazit (m) Fenilhidrazin

16.25 16.26

(o) HSCH2CH2SH, HA (p) HSCH2CH2SH, HA. sonra Raney nikeli Asetonun, Problem 16.24'teki her bir reaktifle tepkimesinden oluşan (eğer oluşursa) ürünlerin yapr formüllerini yazınız. Asetofenonun aşağıdaki tepkimelerinin her birinden ne elde ederdiniz? (a) Asetofenon

+ HN0< W + c 6h , n h n h , ---- >

(b) Asetofenon (c) Asetofenon

16.27

16.28

16.29

16.30

16.31

(n) Soğuk seyreltik KMn04

+ :CH2— P(C6Hj )3-

(d) Asetofenon

+

(e) Asetofenon

+ C.H .M sBr

(2) H , 0

(a) Fenil propil ketonun benzen ve gerekli olan diğer reaktiflerden sentezi için üç yöntem öneriniz, (b) Fenil propil ketonun bütilbenzene dönüşümü için de üç yöntem belirtiniz. Benzaldehiti aşağıdaki her bir bileşiğe nasıl dönüştürebileceğinizi gösteriniz. Gerek duyulan herhangi bir reaktif kullanabilir ve birden fazla basamağa ihti yaç duyabilirsiniz. (j) C6H,CH(OCH,)2 (a) Benzil alkol (b) Benzoik asit (k) C6H5CHl80 (l) C6H5CHDOH (c) Benzoil klorür (m) C6H5CH(OH)CN (d) Benzolenon (e) Asetofenon (n) C6H5CH=NOH (o) C6HSCH=NNHC6HS (f) 1-Feniletanol (p) C6H,CH=NNHCONH, (g) 3-Metil-1-fenil-1-bıitanol (q) C6HSCH =CHCH=CH7 (h) Benzil bronıür (i) Toluen Etil fenil ketonun aşağıdaki bileşiklerin her birinden nasıl sentezlenebileceğini gösteriniz: (a) Benzen (c) Benzonitril, C6H5CN (b) Benzol klorür (d) Benzaldehit Benzaldehitin aşağıdaki bileşiklerin her birinden nasıl sentezlenebileceğini gösteriniz. (a) Benzil alkol (c) Feniletin, (e) C6H5C 02CH3 (b) Benzoik asil (d) Fenileten (stiren) (f) C6H5C = N A - E bileşiklerinin yapılarını yazınız. H ,C r 0 4

(1) C H ,M g I

HA

Sikloheksanol------- ►A (C6H,0O) (2) .. -HiO4 - —► B (C7H140) —> ■ı c a l r \r \

u

'

(D o , C

(C 7H 1 2 )

► D(C7H120 2)

(2) Z n. H O A c

( 1) A g iO . OH (2) H , 0

► E (C7Hl20 3)

Aşağıdaki tepkime dizisi, bir aldehitin karbon zincirinin iki karbon atomu daha nasıl uzatılabileceğini gösteriyor. K - M ara ürünlerinin yapıları nasıldır?

16.32

„

.

Etanal

(1) B rCH dTO dEt. Z n w

_

(2) HjO*

„

IT

^

,

H A . ısı ^

—------- ►K (Cf,H|20 3) -------- ► H2. Pt

(1) DIBAL-H

L (C6H,0O2) —1— ►M (C6H,20 2) |2) ^ ~------►bütanal İpucu:

/ nin 'C NMR spektrumu 5 166,7, 8 114,5, 8 122,8, 5 60,2, 8 17,9 ve S 14,3 de sinyaller içerir.

16.33

Seyreltik HC1 ile ısıtılması, piperonali (Altbölüm 16.3) C7 H60 3 formülüne sahip bir bileşiğe çevirir. Bu bileşik nedir ve ne tür bir tepkime olmuştur?

16.34

Benzil bromiirden başlayarak, aşağıdaki her bir bileşiği nasıl sentezleyeceğinizi gösteriniz.

16.35

(a) C6H5CH2CHOHCH3

(c) C6H5C H =C H — C H =C H C 6H5

(b) C6H5CH2CH2CHO

(d) C6H5CH2COCH2CH3

A ve D Bileşikleri olumlu Tollens testi vermemesine karşın, C bileşiği olumlu test verir. A - D’nin yapılarını yazınız. 4-Bromobütanal

HOCH.CH.OH. HA

A (C6Hn0 2Br) (1) CHıCHO

[B (Q,HnMg02Br)| ^

^

Mo. Et,O

C (CftHÔ?)

CH OH

► D (C7H 14O2)

16.36

Aşağıdaki sentezde gösterilmeyen reaktifleri ve ara ürünleri belirtiniz.

16.37

Gliseraldehitin (Altbölüm 5.14A) bir sentezi burada gösterilmektedir. A - C ara ürünleri nelerdir ve gliseraldehitin hangi stereoizomerini elde edebileceği nizi umuyorsunuz? CH2=CHCH2OH

pcc c h 3ci 2

CH,OH. HA

■►A (C3H4O) ---------------- ►

KMnO.. OH HjO1 B (C5H 10O2) --------------► c (C5H120 4) İHO gliseraldehit soğuk, seyreltik

16.38

(/?)-3-Fenil-2-pentanonun sodyum borhidrür ile indirgenmesini göz önüne alınız. İndirgenme tamamlandıktan sonra, karışım kromatografi ile iki kışıma ayrılır. Bu kısımlar izomerik bileşikler içerir ve her izomer optikçe aktiftir. Bu iki izomer nedir ve bunlar arasındaki stereoizomerik ilişki nedir?

16.39

Uyku sineği dişisinin seks feromonunun (sekicisinin) yapısı aşağıdaki sentezle doğrulanmıştır. C bileşiğinin, doğal feıomonun her yönden aynısı olduğu görülmüştür (erkek sineğin davranışı dahil). A, B ve C için yapılar öneriniz. o BrCH2(CH,)7CH:Br

(D 2(C„H5)3P (2) 2 RLi

►A (C45H4JP2)

2 CH-(CH,),.CCH,

B (C37H72) 16.4ü

C (C37H76)

Aşağıdaki her bir şık için, bileşikleri birbirinden ayırt edici basit kimyasal testler öneriniz. (a) Benzaldehit ve benzil alkol (b) Heksanal ve 2-heksanon

760

Bölüm 16 / Aldehitler ve Ketonlar I. Karbonil Grubuna Niikleofilik Katılma

(c) 2-Heksanon ve heksan (d) 2-Heksanol ve 2-heksanon (e) C6H5CH=CHCOC6H5 ve C6H5COC6H5 (f) Pentanal ve dietil eter 0 0 OH o (g) CH3CCH2CCH3

16.41

ve

CH3C=CHCCH3

W ve X bileşikleri izomerlerdir ve C9H80 molekül formüllerine sahiplerdir. Her biri 1715 cnr' civannda kuvvetli bir soğunna bandı verir. Her birinin sıcak, bazik potasyum permanganat ile yükseltgenmesi ve ardından asitlendirilmesi ftalik asiti oluşturur. W ’nun 'H NMR spektrumunda 8 7,3 ?te bir çoklu, 8 3,4'te bir birli pik görünür. X'in 'H NMR spektrumda ise 57,5’te birçoklu. Ö3,l’de bir üçlü ve 8 2,5’te bir üçlü vardır. W ve X için yapılar öneriniz. C02H c o 2h

Ftalik asit 16.42

Y ve Z bileşikleri C|0H|2O formülüne sahip izomerlerdir. Her bir bileşiğin İR spektrumu 1710 cm ' civarında kuvvetli bir soğurma bandı veıiı. Y ve Z ’ııin 'H NMR spektrumu Şekil 16.4 ve Şekil 16.5'te verilmiştir. Y ve Z için yapılar

öneriniz. 16.43

A bileşiği (Ct,H]S0) fenilhidrazoıı oluşturur fakat olumsuz Tollens testi verir. A’nın İR spektrumu 1710 c m 1 civarından kuvvetli bir band içerir. A'nın

Y. C| q!112°

Şekil 16.4 Y Bileşiğinin 300 MHz 'H NMR spektrumu (Problem 16.42). Sinyallerin geniş letilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca gösterilmiştir.

Ek Problemler

Z , C k )H i 2 0

r 8

7

6

5

4

3

2

1

5ıı(PPm) Şekil 16.5 Z Bileşiğinin 300 MHz 'H NMR spektruınu (Problem 16.42). Sinyallerin geniş letilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca gösterilmiştir.

genişband protan-eşleşmesiz 13C NMR. spektrumu Şekil 16.6’da verilmiştir. A için bir yapı öneriniz. 16.44

B bileşiği (CgH,20 2) İR spektrumunda kuvvetli bir karbonil soğurması gösterir. B'nin genişband proton-eşleşmesiz L'C NMR spektrumu Şekil 16.7’de verilmiştir. B için bir yapı öneriniz.

16.45

Semikarbazit (H2NNHCONH2) bir ketonla (veya bir aldehitle) tepkimeye girdiğinde bir semikarbazon (Altbölüm 16.8A) oluşur. Bu tepkimede semikarbazitin yalnızca bir azot atomu nükleofil olarak davranır ve ketonun karbonil karbonuna atak yapar. Bu tepkimenin ürünü R2C=NCONHNH2'den

®c (ppm)

Şekil 16.6 A bileşiğinin genişband proton-eşleşmesiz L,C NMR spektrumu (Problem 16.43). DEPT "C NMR spektrumundan elde edilen bilgiler pikler üzerinde verilmiştir.

0

761

762


CH 3 B.C xH |20 2

TMS

C C

CDCI3

JL

__ i__

220

200

180

Şekil I6.7 16.44. DEPT

160

140

120 100 5c
80

60

40

20

0

B bileşiğinin geniş band protonu eşleşmesiz l3C NMR spektrumu, Problem UC NMR spektrumundan elde edilen bilgiler pikler üzerinde verilmiştir.

daha çok R2C=NNHCONH2’dir. Semikarbazitin iki azot atomunun bağıl ola rak daha az nükleofilik olduğu bu durumdan sorumlu olan etken nedir? 16.46

Hollanda karaağaç hastalığına, karaağaç kabuk böceği tarafından karaağaca aktarılan bir mantar neden olur. Dişi böcek güzel bir karaağaca yerleştiğinde aşağıda yapısı verilen multistriatin de dahil olmak üzere bir çok feromon salgılar. Bu feromonlar, beraberinde öldürücü mantar getiren erkek böcekleri

Multistriatinin oda sıcaklığında seyreltik sulu asitlerle etkileştirilmesi, 1715 cm 1 civarında kuvvetli bir infrared piki veren C10H2üO3 ürününün oluşumuna yol açar. Bu ürün için bir yapı öneriniz. 16.47

Benzaldehitin endüstriyel sentezinde toluen ve klor molekülü başlangıç maddesi olarak kullanılır ve C6H5CHC12 oluşur. Bu bileşik daha sonra benzaldehite dönüştürülür. Bu işlemin içerdiği basamakları yazınız.

16.48

C6H120 formüllü optikçe aktif bir bileşik 2,4-dinitrofenilhidrazin ile olumlu, fakat Tollens reaktifi ile olumsuz test sonuçları verir. Bu bileşiğin yapısı nedir?

16.49

Aldehitler ve simetrik olmayan ketonların olması durumunda, oksimlerin iki izomeri mümkündür. Bu izomerleşmenin kaynağı nedir?

16.50

E. J. Corey (Harvard Üniversitesi) tarafından yapılan prostaglandin F2a ve E2 sentezinde, aşağıdaki yapı bir ara üründür. Bir Horner-Wadsworth-Emmons

tepkimesi (E) alkeni oluşturmak için kullanılmıştır. Bu işlemde kullanılan kar bonil bileşiğinin ve fosfonat esterinin yapılarını yazınız. (Not: Tepkimenin karbonil bileşeni siklopentil grubu içerir.)

Ac = CH?C 16.51 Koenzim piridoksal fosfat (PLP. bölüm açılışına ve “Piridoksal Fosfatın Kimyasf’na. Altbölüm 16.8. bakınız) bazı a-amino asitlerin dekarboksillenme tep kimelerini katalizler. Diğer tüm PLP tepkimelerindeki gibi işlem PLP ile amino asit arasında bir iminin oluşmasıyla başlar. Mekanizmada, PLP’nin geçici elektron çifti alıcısı olarak kararlı hale getirdiği, amino asidin «-karbonundaki anyon ara ürünü oluşur. Karboksilik asit grubu kaybedilince, yeri, enzim içe risindeki bir bölgedeki (genellikle, bir “H — B— Enzim” grubundan) bir pro ton tarafından doldurulur. Verilen bu bilgilerle. PLP tarafından katalizlenen a-amino asitlerin dekarboksillenmesi için ayrıntılı bir mekanizma öneriniz. O + CO, * \ H NH2

Piridoksal fosfat

16.52 (a) 4-Hidroksisikloheptanonun (A) infrared spektrumunda beklenilen iki soğurma bandının frekanslarından hangisi daha baskın olabilir, (b) Gerçekte, bu ikisinden düşük frekanslı olan band çok zayıftır. A ile denge halinde bulunabilen ve bu gözlemleri açıklayan bir izomer yapı çiziniz. 16.53 Benzilik alkoller, eterler ve esterlerin önemli tepkimelerinden birisi, hidrojenleme sırasında bezil-oksijen bağının kolay kopmasıdır. Bu. hidrojen tarafından bir bağın koparılmasına yani “hidrojenoliz” e diğer bir örnektir. Bu. asit varlığında kolaylaşır. Hidrojenoliz gergin halkalı bileşiklerde de meydana gelebilir. B bileşiğinin (aşağıya bakınız), su ve dioksan içerisindeki hidrojen klorürürün bir seyreltik çözeltisinde Raney nikel katalizörü kullanılarak yapılan hidrojenlendirilmesinde, ürünlerin çoğu yan zincire bağlı 3,4-dimeloksifenil grupları na sahiptir. Bunların arasında, oluşumunda yalnız hirdo¡enlenme değil fenil grubunun göçme eğilimini de gösteren ilginç bir ürün, C, vardır. C ürünü için anahtar spektral değerler aşağıdadır:

764


MS (nı/z): 196.1084 (M.\ yüksek çözünürlükte), 178 İR (cm '): 3400 (geniş), 3050, 2850 (CHr O gerilme) 'H N M R(5. CHCl3’te): 1,21 (i, 3H. J = 7 Hz); 2,25 (b. İH); 2.83 (ç, İH); 3.58 (i, 2H. J = 7 Hz); 3.82 (b, 6H); 6,70 (b, 3H). C bileşiğinin yapısı nedir?

H,, H.cr

—— --- ►C Raney Ni

Ö

ğrenme

G

rubu

PROBLEMLERİ

D-(+)-Galaktozdan (2) çıkılarak yapılan askorbik asit (vitamin C, 1) sentezi sayfa 765'te görülmektedir. (Haworth. W.N., ve diğerleri J. Chem. Soc. 1933, 1419-1423). Bu sen tezde kullanılan tasarım ve tepkimelerle ilgili olarak aşağıdaki sorulan inceleyiniz. (a) Haword ve çalışma arkadaşları neden 3’teki asetal fonksiyonel gruplarını oluşturdular? (b) Asetallerden bir tanesinin oluşum mekanizmasını yazınız. (c) Asetallerden birisinin (4'ten 5’e) hidrolizi için bir mekanizma yazınız. Tepkime ortamında suyun olduğunu kabul ediniz. (d) 5’ten 6’ytt giden tepkimede, sodyum amalgam ile asit (örneğin; HC1) bulunduğunu kabul edebilirsiniz. Burada nasıl bir tepkime oldu ve tepkime gerçekte hangi fonksiyonel grup üzerinden yürüdü? (e) 7'nin aldehit karbonilinden bir fenilhidrazon oluşumu için bir mekanizma yazınız. [C2’deki hidrazon grubunu dikkate almayınız. Bölüm 22’de bu tür hidrazonların (ozason denir) oluşumunu öğreneceğiz.] (f) Askorbik asitte (1), sonunda lakton karbonil karbonunu oluşturan karbon atomu nu katmak için hangi tepkime kullanılmıştır?


OH

Na/Hg

(D NH, (2) NaOCİ

HO

HO

HO

KCN/CaCl,

HO

765

T İM (T r io z Fo sfat Is o m e ra z ), Enol Ü z e rin d e n K a rb o n u n G e ri K aza n ım ı Bir enol, bir vinil alkol veya bir alken alkoldür. Enoller bu bölümde öğreneceğimiz tep kimelerde olduğu kadar hayatın da merkezindedir. Örneğin enol ara ürünü, tüm canlı ların glikoz parçalanmasıyla enerji üretilmesi için kullandıkları bir yol olan glikol izde anahtar rol oynar. Enol ara ürünü olmasaydı, yalnız glikol izden ATP oluşumunda net verim sıfır olurdu. / C

OH

Bir enol

Glikolizin ilk aşamasında, glikozun C6 molekülü, iki farklı C3 molekülüne bölünür [dihidroksiaseton fosfat (DHAP) ve yukarıda köşedeki fotofrafta gösterilen gliseraldehit3-fosfat (GAP)]. Bu süreç. 2 ATP molekülünün oluşumunda enerji tüketir. Glikolizin ikinci aşamasında, C3 ara ürünlerinden birisinin (GAP) metabolizması iki ATP molekü lünün oluşmasına neden olur. Bu yüzden, glikolizin enerji üretim verimi, bu noktaya

kadar sıfırdır: Bununla birlikte, trioz fosfat izomeraz (TİM. veya TPI) denilen bir en zim glikozdan oluşan kullanılmamış C3 ara ürününü (DHAP) geri kazanır ve böylece glikolizin ikinci aşamasına geçmek mümkün olur. İkinci C3 biriminin metabolizması faz ladan iki ATP molekülü üretir, ve toplam verim bir glikoz molekülünden iki ATP’nin glikoliziyle sonuçlanır. Glikoz (C6Hu0 6)

i

2 ATP

I Glikoliz Aşaması ^

i

2 ADP

H

II Glikoliz Aşaması

I H—C— OH I

2 (2 ADP)

c=o H2c—OPO 2-

+

h 2c — o p o ,2-

\

TİM tarafından katalizlenir /

H.

O;

C' I

O

c=o

OH

I

3

DHAP

2 (2 ATP)

(Net verim 2 ATP)

GAP

I

ch3

Piruvat

.OH~ C

H2C0P032

OH

Endiol ara ürünü

Enolleri ve enolatları (enolün konjuge bazı), karbon-karbon bağlan yapılan tepkimeler de kullanacağız; aldol tepkimesi olarak bilinen tepkime buna bir örnektir. İlginçtir ki, glikolizdeki DHAP ve GAP'yi oluşturan temel bileşikler aldol olarak bilinen molekül tipidir (/3-hidroksi grup içeren bir aldehit veya keton). Bu temel bileşik, aldolaz denilen bir enzim tarafından DHAP ve GAP’ye parçalanır.

17.1

K a r b o n i l B İ l e ş î k l e r î n î n ce- H İ d r o j e n l e r î n İ n ASİTLİĞİ: E N O L A T A N Y O N L A R I

16. Bölümde, aldehitlerin ve ketonların önemli özgün özelliklerinden birinin, onların, karbonil gruplarına niikleofilik katılma yapabilme yetenekleri olduğunu görmüştük. \ C = 0 + H—Nu /

\ / / c\

OH

Nükleofilik katılma

Nu

Karbonil bileşiklerinin ikinci önemli özgün özelliği karbonil grubuna bağlı karbon atomlarındaki hidrojen atomlarının sıradışı asitliğidir. (Bu hidrojen atomları, genellikle

767

768

Bölüm 17 / Aldehitler ve Ketonlar II. Aldol Tepkimeleri

17.1 Karbonil Bileşiklerinin «Hidrojenlerinin Asitliği: Enolat Anyonları 17.2 Keto ve Enol Tautomerleri 17.3 Enoller ve Enolat Anyonları Üzerinden Olan Tepkimeler 17.4 Aldol Tepkimeleri: Enolat Anyonlarının Aldehitlere ve Ketonlara Katılması 17.5 Çapraz Aldol Tepkimeleri 17.6 Aldol Kondensasyonlarıyla Halkalannıalar 17.7 Lityum Enolatlar 17.8 a-Selenleme: «,/}-Doymamış Karbonil Bileşiklerinin Sentezi 17.9 «,/3-Doymamış Aldehitler ve Ketonlara Katılmalar

«-hidrojenler olarak tamamlanır ve bağlı oldukları karbon atomuna «-karbon denir.)

•*o‘ I L R—C—C—-ç— 11 H

a Hidrojenler

H

J \

oldukça asidiktir

(pKa = 19—20).

fi Hidrojenler asidik değildir (pKa = 40-50).

«-Hidrojenlerin asidik olduğunu söylediğimizde, onların karbon atomuna bağlı hid rojen atomlarına göre sıradışı bir asidik özellik gösterdiğini kastederiz. Pek çok basit aldehit ve ketonun «-hidrojenlerinin pKa değerleri 19-20 civarındadır (Ka = 10 '9- 10 2U). Bu, onların etinin hidrojen atomlarından, pKa= 25 {Ka = 10 25), daha asidik; etenin (pKa = 44) ve etanın (pKa = 50) hidrojenlerinden çok daha fazla asidik olduğu anlamındadır. Karbonil bileşiklerinin «-hidrojenlerinin sıradışı aşitliğinin nedenleri açıktır: Karbo nil grupları kuvvetli elektron çekicidir (Altbölüm 3.10) ve bir karbonil bileşiği bir «proton kaybederse, oluşan anyon rezonansla kararlı kılınır. Anyonun negatif yükü dağıtılır. 4r"\ :O H :B•.O' \ -SV \ / !C¥ ^ / c -^ c ^C = c + H— B C Ç^ııı / \ B Rezonans-kararlı anyon

Bu tepkimeden, bu anyon için A ve B rezonans yapılarının yazılabileceğini görüyo ruz. A yapısında, negatif yük karbon üzerinde ve B yapısında, negatif yük oksijen üze rindedir. Her iki yapı da meleze katkıda bulunur. A yapısı. B'nin daha zayıf karbon-karbon 7r-bağına göre daha kuvvetli olan karbon-oksijen 7r-bağı tarafından yeğ lenmesine rağmen, B yapısı meleze daha çok katida bulunur çünkü, oldukça elektrone gatif olan oksijen negatif yükü daha iyi banndırabilir. Melezi aşağıdaki yolla gösterebiliriz. Of

/

.

C ^C

\

Bu rezonans-kararlı anyon bir proton aldığında aşağıda gösterilen iki yoldan birisi gerçekleşebilir: Protonu, keto yapısı denilen başlangıç karbonil bileşiğini oluşturmak üzere karbon üzerine ya da bir enol oluşturmak üzere oksijen üzerine alabilir. Proton buraya katılabilir.

Proton buraya katılabilir.

"O«- ve-vai \ « -/ /C “ C

+ HB

Enolat anyonu HO

\ / / C - C x + B:

Enol yapısı

Keto yapısı

17.2 Keto ve Enol Tautomerleri

Her iki tepkime de tersinirdir. Enolle olan ilişkisinden dolayı, rezonans kararlı anyon enolat anyonu olarak adlandırılır. Asetonun enolat anyonu için hesaplanmış bir elektrostatik potansiyel haritası aşağı da görülmektedir. Bu harita, asetonun enolat anyonunun elektron yoğunluğunun en dış derecesini (van der Waals yüzeyini) yaklaşık olarak belirtmektedir. Oksijene yakın olan kırmızı renk, oksijenin, anyonun aşırı negatif yükünü daha iyi kararlı kılabilecek olma sıyla uyumludur. a-Hidrojenin uzaklaştırıldığı yerdeki karbondaki sarı renk, fazla ne gatif yükün birazının orada yerleşik olduğunu da belirtir. Bu anlatımlar, elektronegatiflik etkilere ve rezonansa dayalı melezdeki yük dağılımı hakkındaki yukarıda verilen yo rumlarla paraleldir. 8-

O

H h-< ■

.H

c I

H

H H

A s e t o n u n e n o la t ı

17.2

Ke t o ve En o l T a u t o m e r l e r î

Karbonil bileşiklerinin keto ve enol şekilleri özel tipte yapı izomerleridir. Çok az asit veya baz varlığında birbirine kolayca dönüştükleri için, kimyacılar bu tür yapı izomer lerini tanımlayan özel bir terim kullanırlar. Birbirine dönüşebilen keto ve enol halleri ne tautomerler denir ve onların birbirine dönüşümüne tautomerleşme adı verilir. Çoğu şartlar altında, denge halindeki keto-enol tautomerlerine rastlarız. (Sıradan laboratuvar cam kaplarının yüzeyleri birbirine dönüşümü katalizleyebilir ve dengeyi oluş turabilir.) Asetaldehit ve aseton gibi basit, tek karbonilli bileşikler için, dengede bulu nan enol halinin miktarı çok azdır. Asetonda % \ ’in çok altındadır, asetaldehitte ise enol derişimi belirlenemeyecek kadar azdır. Tek karbonilli bileşiklerin aşağıdaki keto şekil lerinin daha kararlı oluşu, karbon-karbon 7r-bağı ile karşılaştırıldığında karbon-oksijen 77-bağının daha güçlü (~ 250 kJ mol '’e karşı ~ 364 kJ mol ') olmasıyla ilişkilendirilebilir. Keto Şekli 0

Asetaldehit

c h 3c h (~%100) 0

Aseton

Enol Şekli

OH c h 2= c h

(son derece az) OH

CH3CCH3 <•-=> c h 2= c c h 3 (>%99) (%1,5 x 10-4) 0

OH

Sikloheksanon (%98,8)

( % 1, 2)

769

770


Moleküllerindeki karbonil grupları bir —CH2— grubu ile ayrılmış bileşiklerde (/3dikarbonil bileşikleri olarak adlandırılır) dengede var olan enol miktarı oldukça yüksek tir. Örneğin; 2,4-pentandion, %76 oranında enol halinde bulunur. 0 II

0 II

OH I c h 3c c h 2c c h 3 «=“* c h 3c = 2,4-Pentandion (%24)

O II chcch3

Enol hali (%76)

/3-dikarbonil bileşiklerinin enol hallerinin daha kararlı olması, konjuge ikili bağların re zonans kararlılığı ve (halka halindeki) hidrojen bağından kazanılan kararlılık ile ilişkilendirilebilir. Hidrojen bağı "

M- " fO ''-'Ol. Vl I* h 3c

ç

O:

:*0 :

h 3c "

ch3

CH,

Enol halinin rezonans kararlılığı

P r o b l e m 17.1

>■ Tüm pratik amaçlar için. 2,4-sikloheksadien-l-on bileşiği tamamen enol halinde bu lunur. 2,4-Sikloheksadien-l-onun yapısını ve enol halini yazınız. Hangi özel etken enol halinin kararlılığını açıklar.

17.3

E n o l l e r v e E n o l a t A n y o n l a r i Ü z e r İn d e n O l a n T e p k İm e l e r

I7.3A Ra s em le ş m e Eğer (+)-seÂ:-bütil fenil ketonun (aşağıdaki tepkimeye bakınız) sulu etanoldeki çözelti si asitlerle veya bazlarla etkileştirilirse, çözelti aşamalı olarak optikçe aktifliğini kaybe der. Bir süre sonra, ketonun ortamdan alınmasıyla onun rasemleşmiş olduğu görülür. O c , h 5x O c 2h 5x o c 2h ^

CC6H5

OH" veya H,0

s f ~ c C«Hs +

H3C /

H

^ C -C C 6Hs

H * CH3

(±)-se&-Bütil fenil keton (rasemik şekli)

(/?)-(+)-sek-Bütil fenil keton (kiral)

Rasemleşme, asitler veya bazların varlığında gerçekleşir, çünkü keton yavaş fakat geri dönüşümlü olarak enole dönüşür ve enol de akiraldir. Enol, keto haline geri dön düğünde, eşit miktarlarda iki enantiyomeri oluşur. c 2h 5x

O c c fiH5

OH veya HıO"^

H3c (R)-(+)-se&-Bütil fenil keton (kiral)

C= / c 6h 5

Enol (kiral değil)

l + l- ve (—Kveft-Bütil fenil kelon (yukarıda gösterildiği gibi rasemik halde)

17.3 Enoller ve Enolat Anyonları Üzerinden Olan Tepkimeler

Baz, bir enolat anyonu ara ürününün oluşumu üzerinden enol oluşumunu katalizler;

j T e pk im e için Bir Mekanizma ; Baz-Katalizli Enolleşme H — OH \ y ,,: - ¿ > c\ ^ HÖj H ••'o* Keton (kiral)

\ /

c

; ÖT^ c\

\ ^

/

c

Enolat anyonu (kiral değil)

/> c\

.. + :0 H ~

Enol (kiral değil)

Asit, enolleşmeyi aşağıdaki gibi katalizleyebilir:

T e p k i m e iç in B ir M e k a n i z m a Asit-Katalizli Enolleşme

H H

+

^

— H 1 H

H

O •*\ / u II u \

Keton (kiral)

Ç °

c\

/

H

\

tl

:

y°: C\ +

+ H— Ö— H

I H

Enol (kiral değil)

Halkasız ketonlarda, oluşan enol veya enolat anyonu (E) veya (Z) olabilir. (E) İzo merinin bir taraftan protonlanması ve (Z) izomerinin de aynı taraftan protonlanması enantiyomerleri oluşturur.

Aşağıdakiler gibi olan optikçe aktif ketonların asit veya baz katalizle rasemleşme- < ye uğramalarını bekler miydiniz? Cevabınızı açıklayınız.

P r o b l e m 17.2

771

772


P r o b l e m 17.3

>- se£-Bütil fenil keton D20 varlığında OD veya D3 0 +ile etkileştirildiğinde hidrojendöteryum değişimine uğrar ve aşağıdaki bileşiği oluşturur. CH, I c 2h 5— c d — c o c 6h 5 Bu davranışı açıklayan mekanizmalar yazınız. Diastereomerler, yalnız bir stereomerkezdeki konfigürasyonları farklı olduğunda ba zen epimer olarak adlandırılırlar. Keto-enol tautomerleşmesi bazı durumlarda daha az kararlı epimeri daha kararlısına çevirmek için kullanılabilir. Bu dengeleme işlemi epimerleşnıenin bir örneğidir. m-Dekalonun rraiîs-dekolona epimerleşmesi de buna bir örnektir. o

c b H

cis-Dekalon

P r o b l e m 17.4

trans-Dekalon

>■ Etanol içerisindeki sodyum hidroksiti kullanarak c/5 -dekalonun rra/ı^-dekalona epi merleşmesi için bir mekanizma yazınız. />tf/w-Dekalonun c/s-dekalondan daha ka rarlı olma nedenini gösteren sandalye konformasyonu yapılarını çiziniz. I7.3B Ketonların Halojenlenmesi

a-Hidrojen içeren ketonlar, halojenlerle kolayca yer değiştirme tepkimesi verirler. Bu halojenlenme tepkimelerinin hızları asitler veya bazların ilavesiyle artar ve yer değiş tirme hemen hemen tamamıyla a-karbonda gerçekleşir: H

O

I

II

X O asi,

I

II

—c —c — + X ,--------►—c —c — + HX * veya baz

Ketonların bu davranışı, daha önceden karşılaştığımız iki ilgili özellikle açıklanabilir: ketonların a-hidrojenlerinin asitliği ve ketonların enol oluşturma eğilimleri. Baz-Destekli H alojenlenıe Bazların varlığında halojenlenme, bir enolat anyonunun veya bir enolün yavaş oluşumu; ardından enolat anyonunun veya enolun halojenle hız lı bir tepkimesi üzerinden gerçekleşir.

T e p k im e için Bir Mekanizma --------------------------------- 1--------------------------------------------------------------------------------- — *Aldehitlerin ve Ketonların Baz Destekli Halojenlenmesi

s 1. Basamak B :- + — C — \

;'o?-

v

;o h

* ^ = * B : H + / C-“ CV

î = t ^c= C ^

Enolat anyonu

Enol

+ B=


A sit-K atalizli H alojenlem e Asitlerin varlığında halojenlenme bir enolün yavaş oluşumu ve ardından, enolün halojenle hızlı tepkimesi üzerinden meydana gelir.

Tepkime için Bir Mekanizma A ld ehitle r ve Ketonların Asit-Katalizli Halojenlenmesi

:B~ H I

1. Basamak

/ 3

— c — C

I

hızlı + II:B

\

1^/ — c — C

ı

yavaş \ 4

\

■ »

/

C = C

\

+H :

Enol

X

'O —H „ „

,

¿9

2. Basamak X— X + x ı

3. Basamak

Ç

')

Ç—C

hıziı^ hızlı

X \

+X

0±-H

< —t —c —

• ¿9 ' 0 +- H ^ x / +

i_

h ızlı.

-

I

Ç

J // f

O; //

+ X'

+ HX

Bu mekanizmaları destekleyen kanıtların bir kısmı, tepkimelerin kinetik çalışmala rından elde edilir. Hem baz-destekli hem de asit-katalizli ketonların halojenlenmesi, baş langıç hızlarının halojen derişiminden bağımsız olduğunu gösterir. Yazdığımız mekanizmalar bu gözlemlerle uyumludur: Her iki durumda da mekanizmanın yavaş ba samağı, halojenin işe karışmasından önce meydana gelir. (Başlangıç hızları halojenin cinsinden de bağımsızdır: bakınız Problem 17.6.) Ketonların baz içerisindeki halojenlenmesinin neden, “baz katalizlrden daha çok -< “baz-destekli” olduğunu söyleriz?

P r o b l e m 17.5

Az önce sunduğumuz halojenlenme mekanizmaları için ek kanıtlar şu gerçeklerden •< elde edilir: (a) Optikçe aktif seA-bütil fenil keton, asit-katalizli halojenlenme hızına

P r o b l e m 17.6

773


tam eşdeğer bir hızla asit katalizli rasemleşmeye uğrar, (b) seA-Bütil fenil ketonun asitkatalizli iyotlanma tepkimesinin hızı asit-katalizli bromlanmasının hızıyla aynıdır, (c) se/r-Bütil fenil ketonun baz-katalizii hidrojen-döteryum değişim hızı ile baz-destekli halojenlenme hızı aynıdır. Bu gözlemlerin her birinin sunduğumuz mekanizmaları nasıl desteklediğini açıklayınız.

I7.3C Haloform Tepkimesi Metil ketonlar, halojenlerle bazik ortamda tepkimeye girdiklerinde, metil grubunun kar bon atomunda daima çoklu halojenlenme meydana gelir. Çoklu halojenlenme, (elektro negatif olan) ilk halojenin girmesiyle metil karbonundaki kalan tüm hidrojenlerin daha asidik olması nedeniyle gerçekleşir. O

H

C,H,—C—C— H + 3 X, + 3 OH-

baz

O X II I > C6H5—C—C— X + 3 X" T 3 H,0

H

X

Te pk im e için Bir Mekanizma * Haloform Tepkimesinin Halojenleme Basamakları

•O' H II \% c 6h 5— c — c — H +

•o'-

'o- X ■

CfiH,— c —-c — h

H

X— X

►c 6h 5 — c —Ç—H + X

H

H

-:0 H "\ / c=c / \

c 6H5

h

Enolat anyonu

•o- X

•o- X

C6H5 —c —c —H -1- : B ♦= i H .............. ... ■ » J

■*

c 6h 5 — c — c — X

H

t -.O •\ c 6h 5

+ x

H =B , sonra X 3

/ =C \

H

n II

Elektron çeken halojen atom ları taralından asitlik arttırılır.

•O- X

c -—C î-

c 6h ,

\

774

X

CT-Hc

•O'- X II I C

C

X

Enolat anyonu

Metil ketonlar halojenlerle sulu sodyum hidroksit (yani hipohalit çözeltileri*) içeri sinde tepkimeye girdiğinde ek bir tepkime meydana gelir. Hidroksit iyonu, trihalo ke* Sulu sodyum hidroksit içerisinde halojenin çözülmesi aşağıdaki dengeden dolayı sodyum hipohalit (NaOX) içeren bir çözelti oluşturur.

X2 + 2NaOH

NaOX + NaX + H20


tonun karbonil karbonuna atak yapar ve karbonil grubu ile orta dereceli iyi ayrılan bir grup olan trihalometil grubu arasındaki karbon-karbon bağının kopmasına neden olur. Bu kopma, sonuçta bir karboksilat anyonu ve bir haloform (yani, CHC13, CHBr3 veya CHI3) oluşturur. Başlangıç basamağı, hidroksit iyonunun karbonil karbonuna nükleofilik atağıdır. Sonraki basamakta, karbon-karbon bağı kopar ve trihalometil anyonu (:CX3 ) ayrılır. Bu, karbanyonun ayrılan grup olarak davrandığı ender durumlardan biridir. Bu basamak, trihalometil anyonunun alışık olmadık kararlılığından dolayı meydana gelebi lir. Trihalometil anyonunun negatif yükü üç elektronegatif halojen atomunun tarafından dağıtılır (X = C1 olduğunda konjuge asidin, CHC13, pKa's\ 13,6’dır). Son basamakta ise karboksilik asit ile trihalometil anyonu arasında bir proton değişimi meydana gelir.

j T e pk im e için Bir Mekanizma

Haloform tepkimesi, metil ketonları karboksilik asitlere dönüştürme yöntemi olarak sentetik yarara sahiptir. Haloform tepkimesi sentezlerde kullanıldığında, halojen bileşe ni olarak en çok klor ve brom kullanılır. Kloroform (CHC13) ve bromoformun (CHBr3) her ikisi de suyla karışmayan sıvıdır ve karboksilat anyonu içeren sulu çözeltiden ko layca ayrılırlar. İyot, halojen bileşeni olarak kullanıldığında parlak sarı renkli bir katı olan iyodoform (CHI3) oluşur. Bu uyarlama, metil ketonlar ve metil ikincil alkoller (bun lar, tepkime koşullarında önce metil ketonlara yükseltgenirler) için laboratuvarda yapı lan sınıflandırma denemelerinin temelidir. —C—CH. + 3 I, + 3 OH“ ----►— C — II II o o

C I,

— c — CI, + OH- ----► — c — O- + O

O

+ 3 I" + 3 H,0 CHI,1 Sarı Çökelek

Su, halkın kullanımı için klorlanarak saflaştırıldığında sudaki organik safsızlıklardan haloform tepkimesi üzerinden kloroform üretilir. (Bu organik safsızlıklann çoğu,

775

776


humik bileşikleri gibi doğal olarak oluşurlar.) Çeşme suyunda, kloroformun bulunma sı, kloroformun kansorejen olması nedeniyle, su işleme tesisleri ve çevre yetkilileri için kaygı vericidir. Böylece, bir problemi çözen teknoloji diğerini yaratmaktadır. Ancak, suyun klorlanması uygulanmadan önce, kolera ve dizenteri gibi salgın hastalıklardan bin lerce insanın öldüğünü hatırlatmakta yarar var.

17.4 A l d o l T

e pk îm esî:

En o l a t A n y o n l a r in in A l d e h İt v e K e t o n l a r a K a t i l m a s i

Asetaldehit, seyreltik sodyum hidroksit ile oda sıcaklığında (veya altında) tepkimeye sokulduğunda, 3-hidroksibütanolü oluşturan bir dimerleşme meydana gelir. 3-Hidroksibütanol hem aldehit hemde alkol olduğu için “aldol” ismi verilmiştir ve bu genel tür deki tepkimeler aldol katılmaları (veya aldol tepkim eleri) olarak bilinegelmiştir. O 2 CH3CH Karbonil kimyasının iki anahtar durumuna dikkat ediniz: «-hidrojenin asitliği ve nükleofilik atağa yatkınlık

% 10 N a O H , H ,Q ^ 5 °C

OH I

O II c h 3c h c h 2ch 3-HidroksibütanaI (“ aldol” )

(%50) Aldol katılması için olan mekanizma, karbonil bileşiklerinin iki önemli özelliğini gösterir: «-hidrojenlerinin asitliği ve karbonil gruplarının nükleofilik katılmaya uğrama eğilimi.

İ T e pk im e için Bir Mekanizma * Aldol Katılması

1. Basamak O .. / ^ J ^ II H— 0 :_ + H— CH2— C—

:

H

0:-

I C H ,= C — H + H—O: I Enolat anyonu H

- :CH,— C— H

Bu basamakta baz (hidroksit iyonu) asetaldehitin bir molekülündeki a karbon atomundan bir protonu, rezonans-kararlı enolat anyonu vermek üzere, uzaklaştırır.

2. Basamak

o•'O M C H — C—H + - : CH,—C—H

:

0=-

CH,— CH— CH2—C—H Alkoksit anyonu

:Q r I c h 2= c — H Enolat anyonu daha sonra bir nükleofll olarak (bir karbonvon gibi) davranır ve ikinci asetaldehit molekülünün karbonil karbonuna atak yaparak bir alkoksit anyonu oluşturur.

17.4 Aldol Tepkimeleri: Enolat Anyonlarının Aldehitlere ve Ketonlara Katılması

I7 .4 A Aldol Katılma ü rü n ü n d e n su ayrılması

Eğer aldol içeren bazik karışım (önceki örnek) ısıtılırsa, su ayrılması meydana gelir ve 2-bütenal (krotonaldehit) oluşur. Geri kalan a-hidrojenlerin asitliği nedeniyle ve ürü nün, içerdiği konjuge ikili bağı tarafından kararlı kılınması nedeniyle su ayrılması (ay rılan grup hidroksit iyonu olsa bile) kolayca meydana gelir.

j Te pk im e için Bir Mekanizma : Aldol Katılma Ürününden Su Ayrılm ası Alken ve karbonil Bu hidrojenler ikili bağları / asidiktir. konjugedir.

:Ö— H 'O'O* 1^ I I I CH3— CH^r-CH— C— H ----►CH — CH=CH — c — H + H— 0= + H — 0 :_ 2-Bütenal (krotonaldehit)

L

Bazı aldol tepkimelerinde, su ayrılması o kadar kolay gerçekleşir ki ürün aldol halinde elde edilemez; yerine türevi olan enal (alken aldehit) elde edilir. Aldol katılması yeri ne bir aldol kondensanyonu meydana gelir. Bir kondensasyon tepkimesi, molekülle rin, su veya alkol gibi küçük bir molekülün moleküller arası ayrılmasıyla birbirine bağlandığı bir tepkimesidir. Katılma ürünü

OH

O II

Kondensasyon ürünü

O

baz

2 RCH.CH------► RCH.CHCHCH R İzole edilmez

-H,0

O II RCH9C H = C —CH I R Bir enal (a, fi -doymamış aldehit)

I7.4B Sentetik Uygulamaları

Aldol tepkimesi, a-hidrojen içeren aldehitlerin genel bir tepkimesidir. Örneğin propanal sulu sodyum hidroksit çözeltisiyle tepkimeye girerek 3-hidroksi-2-metilpentanal verir. OH O O I II OH CH,CH,CHCHCH 2 CH3CH2CH o - ı o ° c ■ ' I ch3

Propanal

3-Hidroksi-2-metilpentanal (%55-60)

777

778


P r o b l e m 17.7

(

H

(a) Propanal \C H 3CH,CH/ bir baz ile etkileştirildiğinde oluşacak aldol katılma tepkimelerindeki tüm basamakları gösteriniz, (b) Aldol katılma ürününün OH O OH O I II I II CH3CH2CHCH2CH2CH değil de CH3CH-,CHCHCH olmasını nasıl açıklarsınız? ch3

(c) Tepkime karışımı ısıtılırsa hangi ürünlerin oluşmasını beklersiniz?

Aldol tepkimesi: sentezler için bir araç.

Aldol tepkimesi, organik sentezlerde önemlidir, çünkü bize, iki küçük molekülün ara larında bir karbon-karbon bağı oluşturarak bağlandığı bir yöntem sağlar. Aldol ürünle rini, iki fonksiyonel grup (—OH ve —CHO) içermesi nedeniyle, sonraki başka tepkimelerde de da kullanabiliriz. Bununla ilgili bazı örnekler aşağıda verilmiştir. O OH O OH OH-

I

II

NaBH.

I

2 ROTCH —— ►RCH,CHCHCH---- RCH,CHCHCH,OH H,0

Aldehit

j

I

R

R

Aldol ha |

-

1,3-Diol

h ,o

O r c h 2c h 2ç h c h 2oh

R

H,/Ni yüksek basınç

Bir doymuş alkol

r c h ,c h = cch

LiAlH*

--------- ►RCH,CH=CCH0OH

i R Bir a, /3-doymamış aldehit

2

ı 2

R

Allilik alkol

^H 2, Pd-C

O 11

r c h ,c h ,c h c h

~

'I R Aldehit

P r o b l e m 17.8

1-Bütanolün sentezi için olan endüstriyel süreçlerden birisi asetaldehit ile başlar. Bu sentezin nasıl devam ettirileceğini gösteriniz.

P r o b l e m 17.9

>• Bütanalden başlayarak aşağıdaki her bir ürünün nasıl sentezlenebileceğini gösteriniz. (a) 2-Etil-3-hidroksiheksanal (b) 2-Etil-2-heksen-l-ol (c) 2-Etil-l-heksanol (d) 2-Etil-l,3-heksandiol (böcek kovucu “ 6 - 12”) * L İ A I H 4 a,/3-doym am ış aldehitlerin ve ketonların karbonil grubunu tem izce indirger. N a B H 4 ise çoğu kez karbon-karbon ik ili bağını da indirger.

17.4 Aldol Tepkimesi: Enolat Anyonlarının Aldehitlere ve Ketonlara Katılması

779

Ketonlar da baz katalizli aldol katılmalarına uğrarlar fakat onlar için denge yeğlen mez. Bununla birlikte, tepkime, oluşan ürünün bazla temas etmeden uzaklaştırılmasına imkan veren özel bir cihaz içerisinde yapılarak bu karmaşıklığın üstesinden gelinebilir. Ürünün uzaklaştırılması dengeyi sağa çevirir ve birçok ketonun da başarılı aldol katıl ması vermesine imkan sağlar. Örneğin aseton aşağıdaki gibi tepkime verir. O II

OH O o h

2 CH3CCH3 <

-

I

II

» c h ,c c h 2c c h 3 ch3

(%80)

I7.4C Aldol Katılmalarının Geri Dönüşümlülüğü Aldol katılması geri dönüşebilir. Örneğin, eğer asetondan elde edilen aldol katılma ürü nü (yukardaki gibi) kuvvetli bir bazla ısıtılırsa, çoğunlukla (%95) aseton içeren denge karşımma geri döner. Bu tür tepkimelere retro-aldol tepkimeleri denir. OH

O

CH,Ç — CH2CCH3

0 .7 OH~| H ,0

CH,

0

O

0

O

IV 11 CH.C — CH,CCH,^ —►CH,C

H ,0

OH-

11

1

CH,

Biyolojik retro-aldol tep kimesi glikolizde bir anahtar basamaktır, (bkz. Bölüm 16, bölüm açılışı)

2 CH3CCH3

CH

(%5)

(%95)

I7.4D Asit-Katalizli Aldol Kondensasyonları Aldol kondensasyonları asit katalizle de yapılabilir. Örneğin; asetonun hidrojen kloriir ile etkileştirilmesi bir aldol kondensasyon ürünü olan 4-metil-3-penten-2-onun oluşu muna yol açar. Genel olarak, asit-katalizli aldol tepkimeleri başlangıçta oluşan aldol ka tılma ürününden su ayrılmasına neden olur.

j T e pk im e için Bir Mekanizma : Asit-Katalizli Aldol Tepkimesi Tepkime:

O 2 h 3c — c — ch 3

O HCl

— ►h 3c — c — c h =

CH, c —ch3

+

h 2o

4-Metil-3-penten-2-on Mekanizma:

•o'

J O — II (-4.. ^ 1 1 ¡y' \ .. H,C— C—CH, + H— CV î = £ R 3C— C —CH2—H + CI" =0 —H H3C— C = C H 2 +H —Çl Mekanizma enolün asit-katalizli oluşumuyla başlar.

780


/=0—H

CH,

>>l

+0 —H

^

CH,

I

I ' I "

H,C—C=CH, + ( = () —H «=* H3c —c —CH2—c —o —H

'

I ”

CH,

CH,

Daha sonra enol, diğer bir aseton molekülünün protonlanuıış karboniline katılır.

+Ö—H

I

CH,

0‘

I

CH,

I

ı

..+

ch3

h

H3C—C—CH2—C—O—H «=* H,c—c —ÇH—Ç - ^ O —H «=* ch 3

h

:Ç\-

*’0 ‘

ch 3

1

I

..

I

H3c —c —CH=C—CH3 + H—Cl: + o —H H Sonunda, proton aktarım ı ve su ayrılması ürünle sonuçlanır.

P r o b l e m 17.10

>- Asetonun asit-katalizli aldol kondensasyonu (az önce gösterildi) bir miktar da 2,6dimetil-2,5-heptadien-4-on oluşturur. Bu ürünün oluşumu için bir mekanizma yazı nız.

P r o b l e m 17.11

>- Asetonun sülfürik asitle ısıtılması, mesitilenin (1,3,5-trimetilbenzen) oluşumuna yol açar. Bu tepkime için bir mekanizma öneriniz.

17.5 Ç a p r a z A

ldol

T e pk im eler i

s

c^

İki farklı karbonil bileşiği ile başlayan aldol tepkimesine çapraz aldol-tepkimesi de nir. Eğer her iki reaktant da a-hidrojenler içeriyorsa bu tepkimeler karmaşık bir ürün ler karışımı vereceğinden, sulu sodyum hidroksit çözeltisi kullanılarak yapılan çapraz aldol kondensasyonun sentetik önemi çok azdır. Örneğin; eğer asetaldehit ve propanal kullanarak çapraz aldol katılması yapsaydık, en az dört ürün elde ederdik. O O II II OHCH,CH + CH,CH2CH H,0

OH

o

c h ,c h c h 2c h

OH +

O

c h 3c h , c h c h c h

CH, 3-Hidroksi-2metilpentanal (iki propanal molekülünden)

3-Hidroksibütaııal (iki asetaldehit molekülünden)

OH I

O II

+ CELCHCHCH I

+

OH I

O I CH,CH,CHCH,CH • -

ch3 3-Hidroksi-2-metilbütanal 3-Hidroksipentanal Bir asetaldehit molekülü ve bir propanal molekülünden

17.5 Çapraz Aldol Tepkimeleri

Örnek Problem ------------------------------------------------------Asetaldehit ve propanal arasındaki çapraz aldol katılmasında oluşan, az önce verilen dört ürünün her birinin nasıl oluştuğunu gösteriniz.

Cevap: Sulu bazik çözeltide, başlangıçta dört organik yapı vardır: Asetaldehit molekülleri, propanal molekülleri, asetaldehitten türeyen enolat anyonları ve propanalden türeyen enolat anyonları. Bir asetaldehit molekülünün kendi enolat anyonu ile nasıl tepkime vererek 3-hidroksibütanal (aldol) oluşturabileceğini daha önce gördük (Altbölüm 17.4)

1.

Tepkime V^ı

oK-

o

o -'^ o N , _,

»3

II

I

CH3CH +

il

:CH2CH --►CH,CHCH,CH--------- ► OH

O

CH3CHCH,CH + OH3-Hidroksibütanal Propanalin kendi enolat anyonu ile 3-hidroksi-2-metilpentanal oluşturmak üzere nasıl tepkimeye girebildiğini de daha önce görmüştük (Problem 17.7) O^

O

O-

o IIJ_QT_I

2. Tepkime

CH3CH2CH + - =CHCH -

c h ,c h 2c h c h c h --------- ►

CH,

CH3

VI

Propanal

Propanalin enolatı

OH O I II c h ,c h 2c h c h c h

t oh-

ch3

3-Hidrosi-2metilpentanal Asetaldehit ayrıca propanalin enolatı ile tepkimeye girebilir. Bu tepkime, üçüncü ürün olan 3-hidroksi-2-metilbıitanali verir. H — OH

-* c h 3c h c h c h --------- >

3. Tepkime

CH. Asetaldehit

Propanalin enolatı

OH

O

CH3CHCHCH + OHch3

3-Hidroksi-2metilbütanal

781

782

Bölüm 17 / Aldehitler ve Ketonlar II. Aldol Tepkimesi

Ve son olarak, propanal, asetaldehitin enolatı ile tepkime verebilir. Bu tepkime de dördüncü ürünü açıklar. O 4. Tepkime

c h ,c h 2c h

O +

Propanal

: c h 2c h — ►c h ,c h 2c h c h 2c h

H -O H

QH»

Asetaldehitin enolatı

OH O I II CH,CH,CHCH2CH + OH3-Hidroksipentanal I7 .5 A Uygulamalı Ç a p ra z Aldol Te pkim e leri

C o^

NaOH gibi bir baz kulanılarak yapılan çapraz aldol tepkimeleri, reaktantlardaıı biri a-hidrojen içermediğinde ve bu yüzden enolat anyonu oluşturamadığı için kendi-kendine kondensasyona uğrayanladığında kullanışlıdır. Diğer yan tepkimeler, bu bileşen

baz içerisine konulup, daha sonra bu karışıma a-hidrojenli bileşik yavaşça ilave edile rek önlenebilir. Bıı şartlar altında, a-hidrojenli reaktantın derişimi daima azdır ve bu reaktantın çoğu enolat anyonu olarak bulunur. Meydana gelen ana tepkime enolat any onu ile a-hidrojensiz bileşik arasındadır. Çizelge 17.1’de sıralanan örnekler bu tekniği göstermektedir. Altbölüm 17.7’de çapraz aldol tepkimesinin diğer bir yöntemini göre ceğiz. Çizelge 17.1’deki örnekler, çapraz aldol tepkimesinin çoğu kez su ayrılması ile be raber yürüdüğünü göstermektedir. Tepkime şartlarının seçimiyle zaman zaman, su ayÇizelge 17.1 Çapraz Aldol Tepkimeleri a Hidrojensiz Bu Reaktant Baz İçerisinde Konur

a Hidrojenli Bu Reaktant Yavaşça İlave Edilir

+

f- || ch3ch 2ch Propanal

Benzaldehit

O II c 6h 5c h

CH, 0

O

0

CfiH-CH

Ürün 1

ıo°c

'

II

C6H5CH=C ----- CH 2-Metil-3-fenil-2-propenal (o'-metilsinnamaldehit) (%68)

O +

II c6h5ch 2ch

—— 20°C

0 II

C.H-CH=CCH 1

Cf(H5 CH, 0

0

II

HCH

2,3-Difenil-2-propenal

Fenilasetaldehit

Benzaldehit

+

■ II CH3CH— CH 1

ÇH3 o seyreltik Na,C03 40°C

CH„—C----- CH CH,OH

Formaldehit

2-Metilpropanal

3-Hidroksi-2,2dimetilpropanal (>%64)

17.5 Çapraz Aldol Tepkimemleri

rılmasının olup olmaması yönlendirilebilir, fakat su ayrılması, uzatılmış bir konjuge sistemin oluşumuna yol açıyarsa özellikle kolaydır.

Lili aldehit olarak adlandırılan, parfümlerde kullanılan bir bileşiğin sentezinin tas- < lağı aşağıdadır. Eksik yapıların tamamını yazınız. PCC

p-ter-Bütilbenzil alkol

CH C| > C,,H140

propanal

QH

P r o b l e m 17. 12

► H„, Pd-C

C14HlsO —-------- ►lili aldehit (C14H20O)

Sinnamaldehit (C6H5CH=CHCHO) sentezi için çapraz aldol tepkimelerinin nasıl -< kullanılacağını gösteriniz. Tepkime için ayrıntılı bir mekanizma yazınız.

P r o b l e m 17.13

Bazik çözeltideki formaldehitin aşırısı asetaldehit ile etkileştirildiğinde aşağıdaki tep- -< kime olur.

P r o b l e m 17. 14

O

O

CH2OH sevreltik Na,C03

3 HCH + CH,CH—------- 1 3

40° C

►HOCH,—C—CHO 2

|

c h 2o h

(%82)

Ürün oluşumunu açıklayan bir mekanizma yazınız.

17.5B C la is e n -S c h m id t Te p k im e le ri -f ü

Bileşenlerden birisi olarak keton kullanıldığında olan çapraz aldol tepkimelerine Alman kimyacılar J. G. Schmidt (1880’de tepkimeyi keşfeden) ve Ludwig Claisen (1881 ve 1889 yılları arasında geliştiren) anısına Claisen-Schmidt tepkimeleri adı verildi. Bu tepkimeler sodyum hidroksit gibi bazlar kullanıldığında uygulanabilir. Çünkü bu şart lar altında ketonlar, kendi kendilerine yeterli kondensasyon yapamazlar. (Denge yeğ lenmez: bkz. Altbölüm 17.4C.) Claisen-Schmidt tepkimelerine iki örnek aşağıda verilmiştir.

C6H5CH +

O

O

O

O

OH~ Ç H 3C Ç H

3

!00°C

O

C„HSCH + CH,CCfiH.

OH 20°C

c 6h 5c h

= chcçh3

4-Fenil-3-büten-2-on fbenzalaseton) (%70)

O II CiıH5CH =CH CC 6H5 l,3-Difenil-2-propen-l-on (benzalasetofenon) (%85)

783

784


j T e pk im e için Bir Mekanizma : Claisen-Schmidt Tepkimesi

1. Basmak :0:

O

■O'

H—O :- + H— CH2—C —CH3 « = * - :CH,—C— CH,

I

►C H ,= C —CH,

Enolat anyonu Bu basamakta baz (hidroksit iyonu), bir keton molekülünün a karbonundan bir hidrojen kopararak rezonons-kararlı bir enolat anyonu oluşturur.

2. Basamak

'oO’* M C6H5—C — H + y C H 2— C—CH,

+ H—O: I H

•’o‘

: 0:~

C6H5—CH—CH,— C—CH3 Bir alkoksit anyonu

I :Ö:~ I C H ,= C— CH3 Daha sonra enolat anyonu bir nükleofîl olarak—bir karbanyon gibi—davranır ve aldehit molekülünün karbonil karbonuna atak yaparak bir alkoksit anyonu oluşturur.

3. Basamak

:Ö: C6HS— C H — CH,— C — CH, + H— O— H --- ► =Ö — H

I

’O**

II

C6H5— CH— CH,— c — CH, + _:9

H

Alkoksit anyonu şimdi .su molekülünden bir proton uzaklaştırır.

4. Basamak O—H 1^

•o-

O-

C6H5— CH^rCH— c — CH,----►C^H,— CH=CH— C— CH, + H— O: + H— 0: H

H 4-Fenil-3-büten-2-on (benzalaseton) Su ayrdması konjuge ürünü oluşturur.

-----

Yukarıda verilen, Claisen-Schmidt tepkimelerinde su ayrılması kolayca gerçekleşir. Çünkü, oluşan ikili bağ hem karbonil grubu hem de benzen halkası ile konjugedir. Kon juge olan sistem böylece uzatılmıştır. A Vitamininin ticari sentezinde önemli bir basamak geranial ve aseton arasında Cla isen-Schmidt tepkimesinin kullanımını içerir.

17.5 Çapraz Aldol Tepkimeleri

Geranial, tropik bir otsu bitkinin yağından elde edilen doğal bir aldehittir. a-Hidrojeni viniliktİT ve bu yüzden asitliği önemsizdir. Dikkat edilirse, bu tepkimede de su ayrılma sı kolayca olur, çünkü su ayrılması konjuge sistemi uzatmıştır.

Psödoiyonon, BF3 ile asetik asit içerisinde etkileştirildiğinde halka kapanması olur X ve a ve /3-iyononlar oluşur. Bu, A vitamin'nin sentezindeki bir sonraki basamaktır.

(a) a ve /3-iyonon oluşumunu açıklayan mekanizmaları yazınız, (b) /3-iyonon ana ürün dür. Bunu nasıl açıklayabilirsiniz? (c) Hangi iyonon UV görünür bölgede daha uzun dal ga boyunda soğurma yapar? Niçin?

I7.5C

Nitroalkanlarla Kondensasyonlar

Nitroalkanların a-hidrojenleri aldehit ve ketonlarmkinden çok daha fazla asidiktir (pÂ^ = 10). Bu hidrojen atomlarının asitliği, aldehit ve ketonların «-hidrojenleri gibi, nitro grubunun kuvvetli elektron çekme etkisiyle ve oluşan anyonun rezonans-kararlılığı ile açıklanabilir. / R—CH,—N \

O + " :B O

<5° +•/ ►R—CH— N \ O"

♦ /° R—C H = N 4- H =B \

o-

Rezonans-kararlı anyon

a- Hidrojenler içeren nitroalkanlar, aldehit ve ketonlar ile olan aldol kondensasyonlarını andıran baz-katalizli kondensasyonlara uğrarlar. Benzaldehitin nitrometanla kondensasyonu buna bir örnektir. O II

OH-

C6H5CH + CH,N0 2 ------ ►C6H5CH=CHNO,

Bu kondensasyon özellikle kullanışlıdır, çünkü ürünün nitro grubu kolayca amino gru buna indirgenebilir. Bu dönüşümü gerçekleştiren tekniklerden biri hidrojen ve bir nikel

P r o b l e m 17.15

785

786


katalizör kullanır. Bu karışım, yalnız nitro grubunu değil, ikili bağı da indirger. c 6h 5c h = c h n o 2

P r o b l e m 17.16

H2- n-»

c 6h5c h 2ch 2nh 2

Gerekli aldehit, keton ve nitroalkanın elinizde var olduğunu varsayarak, aşağıdaki her bir bileşiği nasıl sentezleyeceğinizi gösteriniz ve her tepkime için ayrıntılı bir mekanizma yazınız. (a) C6H5C H =C N 0 2 (b) H0CH2CH2N0 2 ch3

I7.5D Nitrillerle Kondensasyonlar Nitrillerin a-hidrojeleri de yeterince fakat aldehit ve ketonlarınkinden daha az asidiktir. Asetonitrilin asitlik sabiti yaklaşık 10 25 (pKa = 25) tir. a-Hidrojenler içeren diğer nitriller de karşılaştırılabilir asitlik gösterirler ve bundan dolayı bu nitriller aldol türü kondensasyonlara uğrarlar. Benzaldehitin fenilasetonitril ile kondensasyonu buna bir ör nektir. O E te r w

C6HsCH + CfiH5CH,CN EtQH» CfiH5C H = Ç —CN c 6h 5

P r o b l e m 17.17

>- (a) Asetonitrilin etandan çok daha asidik olmasını açıklayan asetonitrilin anyonu için rezonans yapılarını yazınız, (b) Benzaldehit ile asetonitril kondensasyonunun mekanizmasını basamak basamak yazınız.

17.6 A l d o l K o n d e n s a s y o n l a r i y l a Halkalanmalar Aldol kondensasyonu, ayrıca, beş ve altı üyeli halkalı (ve bazen hatta daha büyük hal kalar içeren) moleküllerin sentezi için elverişli bir yol sunar. Bu halkalanmalar, substrat olarak bir ketoaldehit veya bir diketon kullanılarak bir molekül içi aldol kondensasyonu ile yapılabilir. 0

0

CH,CCH9CH,CH,CH,CH

O OH

a

II cch3

(%73)

Bu tepkime, hemen hemen kesin olarak, en az üç farklı enolatın oluşumunu içerir. Bununla birlikte, molekülün keton tarafmdan oluşan enolat, ürünün oluşumuna yol açan aldehit grubuna katılır.

17.6 Aldol Kondensasyonlanyla Halkalanmalar

787

Tepkime için Bir Mekanizma _____ Aldol Halkalanması 'CT

Bu enolat, molekül içi aldol kardensasyonu üzerinden ana ürünü verir.

Alkoksit anyonu sudan bir proton koparır.

Baz-destekli su ayrılması konjuge bağlı bir ürün verir.

+ H—0 : + H— 0 ; I H

—

Aldehit grubununun katılmaya uğramasını yeğlemesinin nedeni, aldehitlerin nükleofilik katılmaya karşı genellikle daha hiiyük etkinliğe sahip olmalarından ortaya çıkmış olabilir. Ketonun karbonil karbon atomu daha az pozitiftir (ve bu yüzden nükleofillere Aldol halkalanmasında seçi karşı daha az etkindir). Çünkü, elektron veren iki alkil grubu taşır ve ayrıca sterik ola cilik, karbonil tipi ve halka büyüklüğü tarafından etki rak daha fazla engellenmiştir. lenir.

R Aldehitler nükleofillere karşı daha çok etkindir.

Ketonlar nükleofillere karşı daha az etkindir.

Bu tür tepkimelerde, beş-üyeli halkalar, yedi-üyeii halkalardan çok daha kolay oluşur. Her durumda su ayrılmasının meydana geldiğini kabul ederek, bir önceki aldol hal- < kalanmasında oluşabilecek diğer iki ürünün yapısını yazınız. (Bu ürünlerden birisi beş-üyeli halka, diğeri ise yedi üyeli halkaya sahip olacaktır.)

P r o b l e m 17.18

Aşağıdakilerin herbirinin alkol halkalanmasıyla hazırlanmasında hangi başlangıç bi- ^ leşiğini kullanırdınız?

P r o b l e m 17.19

O


P r o b l e m 17.20

>* Hangi deneysel şartlar, moleküller arası kondensasyon sırasında molekül içi aldol tepkimesiyle halkalarıma işleminin tercih edilmesini sağlar?

1 7 .7 Lİ T Y U M E n o l a t l a r Enolat anyonunun oluşum derecesi, kullanılan bazın kuvvetine bağlıdır. Eğer, kullanı lan baz enolat anyonundan daha zayıf ise, daha sonra denge sola kayar. Bu, örneğin, bir ketonun sodyum hidroksit içeren bir sulu çözelti ile etkileştirildiğindeki durumdur. o o*-Na+ I: CH3 —c —CH3 + Na OH" «=*- CH3—C—CH25_ + H20 Daha zayıf asit (pKa = 20)

Daha zayıf baz

Daha kuvvetli baz

Daha kuvvetli asit (pKa = 16)

Diğer yandan, eğer kuvvetli bir baz kullanılırsa denge daha çok sağa kayar. Keton ları enolatlara dönüştürmede çok yararlı olan kuvvetli bir baz lityum diizopropilamittir, (/-C3H7 )2N-Lİ+. O

O s~ L İ +

II

II

CH3— C— CH3 + (î-C3H7)2N“Lİ+ — ►c h 3— C— CH2 + (i-C3H7)2NH Daha kuvvetli asit Daha kuvvetli Daha zayıf baz Daha zayıf asit (pK0 = 20) baz ' (pKa = 38)

Lityum diizopropilamit (LDA olarak kısaltılır), diizopropil aminin dietil eter veya THF gibi bir çözücüde çözülmesi ve bir alkillityum ile etkileştirilmesiyle hazırlanabilir. 8-

(ı'-C3H7)2NH +

8+

C4H9Lİ

Daha kuvvetli asit Daha kuvvetli (pKa = 38) baz

(î-C3H7)2N-Lİ+ + Daha zayıf baz

c 4h 10

Daha zayıf asit (ptfa = 50)

I7.7A Enolat Anyonlarının Yerseçimli Oluşumu 2-Metilsikloheksanon gibi simetrik olmayan bir keton iki enolat oluşturabilir. Hangi enolatm daha çok oluştuğu kullanılan baz ve uygulanan şartlara bağlıdır. Daha fazla sübstitüe olmuş ikili bağa sahip olan enolat termodinamik olarak daha kararlı enolatır [daha çok sübstitüe olmuş alkenin daha kararlı alken olduğu gibi (Altbölüm7.3)]. Bu enolat, termodinamik enolat olarak adlandırılır, dengenin oluşmasına imkan veren şartlarda ana ürün olarak oluşur. Bu, genellikle enolatın bir protik çözücü içerisinde nispeten za yıf bir baz kullanılarak üretilmesi halinde oluşacak olan enolattır. B:~

Kinetik (daha az kararlı) enolat

2-Metilsikloheksanon

Thermodinamik (daha çok kararlı) enolat

Bu enolat. ikili bağı daha çok sübstitüe olduğu için daha kararlıdır ve dengede daha çok bulunan enolattır.

17.7 Lityum Enolatlar

789

Diğer yandan, daha az sübstitüe ikili bağ içeren enolat genellikle daha hızlı oluşur, çünkü bu enolatın oluşması için uzaklaştırılması gerekli hidrojen sterik olarak daha az engellidir. Tepkime, kinetik (veya hız kontrolü) olarak kontrol edildiği zaman daha çok oluşan bu enolata kinetik enolat denir. Kinetik olarak yeğlenen enolat, lityum diizopropil amitin (LDA) kullanımıyla iyi bir şekilde oluşturulabilir. Bu kuvvetli, sterik olarak engelli baz, ketonun daha az sübs

titüe a-karbonundan protonu hızlıca uzaklaştırır. Aşağıdaki örnek, 2-metilsikloheksanonun bu amaçla kullanıldığı bir örnektir. Bu tepkime için kullanılan çözücü DME olarak kısaltılan 1,2-dimetoksietandır (CH3OCH2OCH3). LDA, —CH2— a-karbonundan hid rojeni çok daha hızlı uzaklaştırır çünkü daha az engellenmiştir ve orada tepkime vere cek iki misli hidrojen vardır. Bu enolat daha bazlı oluşur çünkü engelli olan kuvvetli baz daha az engelli protonu daha hızlı uzaklaştırır. Kinetik enolat

I7.7B Yönlendirilmiş Aldol Tepkimelerinde Lityum Enolatlar

Bir çapraz aldol tepkimesi oluşturmak için en etkin ve kullanışlı yollardan birisi; bir ketondan oluşturulan lityum enolatın bir bileşen ve bir aldehit veya ketonun diğer bile şen olarak kullanımıdır. Yönlendirilmiş aldol tepkimesi olarak adlandırılan bir örnek Şekil 17.1 ’de gösterilmektedir. Simetrik olmayan ketonlar, lityum diizopropilamit kullanılarak üretilmiş kinetik eno latlar ile yönlendirilmiş aldol tepkimelerinde kullanıldıklarında yer seçimliliğe ulaşılaO Keton LDA’ya katılır. Kuvvetli baz, ketondan a hidrojeni uzaklaştırarak bir enolat üretir.

Aldehit katılır ve enolat, aldehit karbonil karbonu ile tepkimeye girer.

O II c h 3 c c h 2c h c h 3 c h 3

Su ilave edildiğinde, lityum alkoksit protonlanarak bir asit baz tepkimesi meydana gelir.

O c h 3 c c h 2c h c h 2c h 3

OH

Lityunı enolatlar, çapraz aldol tepkimeleri ile yapılan sentezler için bir araçtır.

Şekil 17.1 Bir lityum enolat kullanılarak yapılan yönlendiril miş bir aldol sentezi.

790


bilir. Bu. daha az sübstitüe olmuş a-karbondan protonun uzaklaştırıldığı enolatın olu şumunu sağlar. Aşağıda bununla ilgili bir örnek verilmiştir.

Kinetik Enolat üzerinden Aldol Tepkimesi (LDA kullanarak)

V

c h 3c h 2c c h ,

f Lİ+ Î

LDA, THF

CH,CH

_780C » CH3CH2C = C H 2 ---- ---- ► O

0-Lİ+

II

I

O h ,o

OH

II

I

CHjCHjCCHjCHCHj — "►CH3CH,CCH2CHCH, (%7 5)

Bir tek çapraz aldol ürünüyle sonuçlanır.

Eğer aldol (Claisen-Schmidt) tepkimesi, baz olarak hidroksit iyonu kullanılarak kla sik yolla yapılmış olsaydı (Altbölüm 17.5B) önemli miktarlarda en az iki ürün meyda na gelirdi. Ketonda kinetik ve termodinomik enolatın her ikisi de oluşurdu ve bunların her biri aldehitin karbonil karbonuna katılırdı.

Kinetik ve Termodinamik Enolatların Her İkisi Üzerinden Bir Karışım Oluşturan Aldol Tepkimesi (Protik Şartlarda Dalla Zayıf Baz Kullanarak)

o

o-

o-

-OH

I

CH,CH,— C—C H ,-------------►C H ^ H ,—C = C H , + CH3C H = C —CH, protik çözücü

Kinetik enolat

Termodinamik enolat

O

O I

CHjCH

O

CHjCH

()-

c h 3 c h 2c c h 2c h c h 3

O II CH3CHCCH, chch3

O" İH,O O II

OH I

c h ,c h 2c c h 2c h c h ,

|

h ,o

O CH^CHCCH, ‘I CHCH3

OH Çapraz aldol ürünlerinin bir karışımı ile sonuçlanır.

17.7 Lityum Enolatlar

Seçeceğiniz ketonlar ve aldehitlerden başlayarak ve lityum enolatlar kullanarak aşa- < ğıdakilerin her biri için yönlendirilmiş aldol sentezini gösteriniz. O OH II I (c) c h 3ç h c c h 2c h c h 2c h 3

791

P r o b l e m 17.21

ch3

O II

OH I

(d) c h 3c h = c h c c h 2c h c h 3

a-Bisabolanon ve osimenon adlarındaki bileşiklerin her ikisi de yönlendirilmiş al- < dol sentezi ile sentezlenmişlerdir. Her iki sentezde de kullanılan başlangıç bileşiği (CH3 )2C=CHCOCH 3 ’tür. Siz diğer uygun başlangıç bileşiklerini seçiniz ve (a) abisabolanon ve (b) osimenonun sentezini tasarlayınız.

I7 .7 C Lityum Enolatlar Ü zerin d en Ketonların Doğrudan Alkillenmesi

P r o b l e m 17. 22

l A 'j İ

Lityum diizopropilamit kullanılarak yapılan lityum enolat oluşumu, ketonların yer se Lityum enolatların alkil çimli bir yolla alkillenmesi için kullanışlı bir yol sağlar. Örneğin, 2 -metilsikloheksanon- lenmesi sentezler için bir araçtır. dan oluşan lityum enolat (Altbölüm 17.7A) metil iyodür veya benzil bromürle tepkimeye sokulursa sırasıyla, metillenebilir veya benzillenebilir.

Buna benzer alkilleme tepkimelerinin önemli sınırlamaları vardır. Tepkimelerin SN2 tep kimeleri olması, enolat anyonlarının da kuvvetli baz olması nedeniyle, başarılı alkillemeler, yalnızca birincil alkil, birincil benzilik ve birincil allilik halojenürler kullanıldığı zaman meydana gelir. İkincil ve üçüncül halojenürler ile ana tepkime ayrılma olur.

Başarılı bir lityum enolat alkillenmesinde anahtar, uygun alkilleme bileşiğinin seçimidir.

ımyası Silil Enol E t e r l e n JZvnolat anyonları, oksijen atomunda kısmî negatif yük içermeleri nedeniyle nükleofilik yer değiştirme tepkimelerinde sanki alkoksit anyonları imiş gibi tepkime verebilir ler. Karbon atomunda kısmî negatif yüke sahip atomları nedeniyle de karbanyon olarak tepkime verebilirler. İk i taraftan tepkime verme yeteneğine sahip olan böyle nükleofillere ikiz (ambident) nükleofiller denir. taraf alkoksit gibi tepkime verir. 0

s-

li 5 -

c h 3— c — c h 2

Bu taraf karbonyon gibi tepkime verir.

Enolat anyonunun nasıl tepkime vereceği kısmen, tepkime vereceği bileşiğe bağlıdır. Klorotrialkilsilanlar, hemen hemen tamamen enolatın oksijen atomundan tepkime ver me eğilimindedirler. Kullanılan reaktifler, klorotimetilsilan, fer-bütilklorodimetilsilan

(TBDMSC1) ve ter-bütilklorodifenilsilandır (TBDPSC1). OSi(CH,), CH3C— CH2 + (CH ^Si—C1

CH3C = CH2

+ cr

Trimetilsilil enoi eter (%85)

Sililleme adı verilen bu tepkime (bkz. Altbölüm 11.15D), enolatın oksijen atomun yer aldığı, silisyum atomunda bir nükleofilik yer değiştirmedir ve trimetilsilil enol eterde oluşan oksijen-silisyum bağının çok kuvvetli (bir karbon-silisyum bağından çok daha kuvvetli) olmasından dolayı bu şekilde meydana gelir. Bu etken trimetilsilil enol eter oluşumunu yüksek derecede eksotermik yapar ve bunun sonucu olarak da oksijen ato mu üzerinden olan tepkimenin aktifleşme enerjisi, a-karbon atomu üzerinden olan tepkimeninkinden azdır.

Az önce verilen örnek, enolat anyonunun, trimetilsilil enol etere dönüştürülerek na sıl “yakalandığını” gösteriyor. Bu yöntem özellikle yararlıdır çünkü trimetilsilil eter, ge rekli görülürse saflaştırılabilir ve sonra enolata geri dönüştürülebilir. Bu dönüşümün gerçekleştirmesinin bir yolu trimetilsilil enol eterin florür iyonları içeren bir aprotik çö zelti ile etkileştirilmesidir.

+ (CH3)3Si —F

792

Bu tepkime floriir iyonları vasıtasıyla silisyum atomunda gerçekleştirilen bir nükleofilik yer değiştirme tepkimesidir. Florür iyonlarının silisyum atomlarına karşı Si—F bağı çok kuvvetli olduğundan aşırı ilgisi vardır. Trimetilsilil enol eteri, tekrar geriye, enolata dönüştürmenin diğer bir yolu da onu metil lityum ile etkileştirmektir.

P r o b l e m I 7 .B I

> Sikloheksanondan türetilen trimetilsilil enol eterin benzaldehit ve tetrabütilamonyum florür, (C4 H9)4 N+F (TBAF olarak kısaltılır) ile etkileştirilmesi aşağıdaki ürü nü vermektedir. Bu tepkimede meydana gelen basamakları gösteriniz.

(a) Aşağıdaki bileşiğe (iltihap girderici bir bileşik olan ve kahve çekirdeğinde -<

P r o b l e m 17.23

bulunan kafestolün E. J. Corey tarafmdan yapılan sentezinde bir ara ürün) bir metil grubu sokmak için lityum enolatın yer aldığı bir tepkime yazınız.

(b) Dienolatlar, LDA’nın iki eşdeğer miktarı kullanılarak fS-keto esterlerden oluş

turulabilirler. Bu dienolat, iki enolat karbonundan daha bazik olanı üzerinden seçimli olarak alkillendirilebilir. Aşağıdaki bileşiğin bir dienolat ve uygun bir alkil halojenür kullanılarak yapılan sentezi için bir tepkime yazınız.

793

794


1 7 .8 a - S E L E N L E M E : a , / 3 - D O Y M A M I Ş K A R B O N İ L B İ L E Ş İ K L E R İN İ N S E N T E Z İ Lityum enolatlar, ct-konumlarında C6H3 Se— içeren ürünler vermek üzere benzenselenil bromür (C6H5SeBr) (veya C6H3 SeCl) ile tepkimeye girerler.

Lityum enolat

B r + C 6H5

X

/ CH> CH

Bir a-benzen selenil keton

SeC6H5 cr-Benzenselenil ketonun hidrojen peroksit ile oda sıcaklığında etkileştirilmesi onu a,/3-doymamış ketona dönüştürür. O CJT 61 *5

O

c ^ c1iCH3 SeC„H5

C6H5

CH=CH 2 + C6H5SeOH (Ketona göre %84-89)

Bu şartlar bir ikili bağın oluşturulması için oldukça ılımlı şartlardır (oda sıcaklığı ve bir nötr çözelti) ve bu yöntemin önemli olması için bir nedendir. Mekanizma yönünden, a-benzenselenil ketonun, a:,/3-doymamış ketona dönüşümü iki basamak içerir. İlk basamak H20 2 tarafından yapılan yükseltgemedir. İkinci basa mak ise selenyum atomuna bağlı negatif yüklü oksijen atomunun bir baz olarak davran dığı, kendiliğinden olan bir molekül içi ayrılmadır. O II C c 6h ;

H,Q,

/C H 3 (yükseltgenme) CH CJrL

O II

h,

„

H +Se

C6H5Se C,H.

O: molekül içi ayrılma (—C6H5SeOH)

O c 6h 5

c h = ch2

Altbölüm 20.13B'deki Cope ayrılmasına geldiğimizde bu tür molekül içi ayrılma için başka bir örnek bulacağız.

17.9 a,^-Doymamış Aldehit ve Ketonlara Katılmalar

2-Metilsikloheksanon ile başlayarak aşağıdaki bileşiğin sentezinde a-selenlemeyi ■< nasıl kullanabileceğinizi gösteriniz. O

795

P r o b l e m 17.24

17.9 a,p-D O Y M A M I Ş

A L D E H İ T VE K e t o n l a r a Ka t il m a l a r

a,/3-Doymamış aldehitler ve ketonlar bir nükleofilik reaktifle iki yolla tepkime verebi lirler. Basit bir katılma, yani niikleofilin, karbonilin ikili bağına katılması ile veya konjuge katılmayla tepkime verebilirler. Bu iki süreç konjuge dienlerin 1,2- ve 1,4- katılma tepkimelerini (Altbölüm 13.10) hatırlatır. :OH

T C

I Nu

Basit katılma

+ Nu:

I

:? H

I

?

— Nu

I

Enol yapısı

Nu / \

Konjuge katılma

H Keto yapısı

Çoğu durumda, aynı karışımda her iki katılma şekli de meydana gelir. Örnek olarak, burada gösterilen Grignard tepkimesini ele alalım. O

OH I Basit Et,0 "►CH3CH— CHCCH, katılma (2) HjO+ urunu ch3 (%72) + O 1 Konjuge c h 3c h c h , c c h 3 katılma ürünü 1 (keto halinde) ch3 (%20)

Bu örnekte, basit katılmanın yeğlendiğini görmekteyiz, kuvvetli nükleofiller olması du rumunda genellikle bu katılma olur. Konjuge katılma ise daha zayıf nükleofiller kulla Nükleofil gücünün konjuge nıldığı zaman tercih edilir. ve basit katılmaya etkisine a,/3-doymamış aldehit ve ketonun toplam melezine katkıda bulunan rezonans yapı- dikkat ediniz.

796


lannı incelersek (A-C yapılarına bakınız) bu tepkimeleri daha iyi anlayacak duruma ge liriz. :

ı

*?'

I

: 0:~

0: "

. ı

A B C B ve C yapıları ayrılmış yükler içermesine karşın meleze önemli katkı yapar çünkü, her birinde negatif yük elektronegatif oksijen tarafından taşınmaktadır. B ve C yapıları ay rıca karbonil karbonu ve (3-karbonlarının her ikisinin de kısmi pozitif yük taşıdıklarını gösterir. Bütün bunlar melezi aşağıdaki gibi göstermemiz gerektiğini belirtir. 0 &I il c. .e

Bu yapı, nükleofilik reaktifin ya karbonil karbonuna ya da /3-karbonuna atak yapacağı nı gösterir. Basit aldehit ve ketonun karbonil karbonuna katılan hemen her nükleofil. bir a .¡3doymamış karbonil bileşiğinin /3-karbonuna da katılma gücüne sahiptir. Daha zayıf nükleofiller kullanıldığında çoğu durumda konjuge katılma ana tepkime yoludur. Aşağıdaki hidrojen siyanür katılmasını ele alalım. O O II

C ,H ,O H

C6H5CH=CHCC6H5 + CN-

,,u

C’ H .C O .H

II

c 6h 5ç h — c h 2c c 6h 5

CN (%95)

T e pk im e için Bir Mekanizma H C N ’nin Konjuge Katılması

O

?2

c 6h 5ç h = c h — c c 6h 5---- ► c 6h 5c h — c h = c c 6h 5 <—►c 6h 5ç h — c h — c c 6h 5

CN-

L

CN

CN Enolat anyonu ara ürünü

Daha sonra, bu enolat ara ürünü iki yolla proton alır:

OH I * C6H5CH—CH — CC6H5 Enol yapısı CN C6H5CH— CH— CC6H<; —

I

O

CN

C6H5ÇH — CH2— CC6H5 Keto yapısı CN

Bu tür katılmalara diğer bir örnek aşağıda verilmiştir:

17.9 a,/3-Doymamış Aldehit ve Ketonlara Katılmalar

CH3

O

c h 3c = c h c c h 3+

ÇH3 CH3NH;

O

CH3Ç— c h 2c c h 3 c h 3n h

(%75)

Te p k im e için Bir Mekanizma Bir A m in in Konjuge Katılması

CH3

O :'

CH,

:Ç£;

5+

H ,c —C = C H —c —CH, « = * H3c —c —C H = C —CH3 ..7

I H

H,C—N—H 1$ H

c h ,n h 2

H Nükleofil, kısmî pozitif P karbon atomuna atak yapar.

İki ayrı basamakta, azottan bir proton kaybedilir ve oksijen bir proton kazanır.

CH,

:0 — H

CH,

H,C—C—C H = C —CH,

H3C—C—CH2—C—CH3

H,C—N— H

H ,C—N— H

Enol yapısı

Keto yapısı

I7.9A O r g a n o b a k ır Reaktiflerinin Konjuge Katılması

4

Organobakır reaktifleri, RCu veya R2CuLi, a:,/3-doymamış karbonil bileşiklerine katı lırlar ve katılma hemen hemen tamamen konjuge katılma şeklinde olur. O O CH,CH=CH—C—CH3 3

O'

(1) CH,Cu ■> CHjCHC^CCH j

3 (2) H,Q

O

CH, (%85) O

Bu örnekte de görüldüğü gibi alkil-sübstitüe halkalı a,/3-doymamış keton ile lityum dialkilkupratlar, alkil grupları birbirine göre trans olan bileşikler verecek şekilde, başlıca, daha az engellenmiş yoldan katılırlar. “DNA'nın Parçalanması için Kalikamisin y / Aktivasyonunun Kimyası”nda (bkz. say fa 799) ve “Kendi Kendini Yok Eden Bir Enzim Substratının Kimyası”nda (Bölüm 19) biyokimyasal konjuge katılmalara örnekler göreceğiz.

797

798


I7.9B

Michael Katılmaları

Enolat anyonlarının a.jS-doymamış karbonil bileşiklerine konjuge katılmaları genellik le Michael katılmaları olarak bilinir. (Tufts Üniversitesinde ve daha sonra Harvard Üni versitesinde görev yapan Arthıır Michael tarafından 1887'deki keşfinden sonra). Buna bir örnek, sikloheksanonun C6H5CH=CHCOC 6H5’e katılmasıdır.

Aşağıdaki tepkime sırası konjuge aldol katılmasını (Michael katılması) izleyen ba sit bir aldol kondensasyonuyla, bir halkaya başka bir halkanın nasıl ilave edilebileceği ni göstermektedir. Bu yöntem Robinson halkaloma (halka oluşumu) tepkimesi olarak bilinir (doğal bileşikler kimyası alanındaki araştırmalarından dolayı 1947 yılında Nobel ödülü kazanan İngiliz kimyacı Sir Robert Robinson’ın anısına). O

2-Metil-l,3-sikloheksandion

P r o b l e m 17.25

>• (a) Yukarıda verilen Robinson halkalama tepkimesinin her iki dönüşüm basamağı için uygun mekanizmalar yazınız, (b) 2-Metil-l,3-sikloheksandionun sikloheksanondan daha kuvvetli mi yoksa daha zayıf asit mi olmasını beklersiniz? Cevabınızı açıklayınız.

P r o b l e m I 7.26

> (a) 1,3-Difenil-2-propen-l-on (Altbölüm 17.5B) ve asetofenonun (b)l .3-difenil-2propen-l-on ve siklopentadienin baz katalizli Michael katılmasından hangi ürünü elde edeceğinizi umarsınız? Her bir mekanizmada tüm basamakları gösteriniz.

ımyası D N A ’m n P a r ç a l a n m a s ı için K a li k a m is i n 7 ,' A k t i v a s y o n u -B ö lü m 1 0 'un girişinde, kalikamisin 7 / adlı etkili bir antitümör antibiyotiği anlatmış tık. Şimdi konjuge katılma tepkimelerini göz önüne aldığımızdan, bu muhteşem mole külü tekrar ziyaret etme zamanıdır. DNA’yı parçalamak için kalikamisinin moleküler makinası, aşağıdaki şemada gösterildiği gibi bir nükleofilin trisülfür bağlantısına ata ğıyla harekete geçer. Başlangıçta trisıilfürden ayrılan bir grup olan sülfür anyonu, hemen bir niikleofil haline gelir ve köprü başı olan alken karbonuna atak yapar. Bu alken kar bonu, komşu karbonil grubuyla konjuge olması nedeniyle, elektrofildir. Sülfür nükleof ilinin alken karbonuna atağı bir konjuge katılmadır. Şimdi artık, köprü başı karbonu düzgün dörtyüzlüdür ve bisiklik yapının bu geometrisi endiinin Bergman sikloaromatikleşmesi adı verilen (Berkeley, Kaliforniya Üniversitesinden R. G. Bergman anısına) bir tepkime ile 1,4-benzenoit diradikale dönüşümünü yeğler. Bir kere kalikamisin diradikal oluşunca, DNA iskeletinden iki hidrojen atomu sökebilir ve DNA’yı etkin diradi kale dönüştürür, ve sonunda DNA’nın parçalanmasına ve hücrenin ölmesine neden olur.

Akrolein, hidrazin ile tepkimeye girdiğinde ürün bir dihidropirazoldur: CH ,= CHCHO + H7N—N H ,---►

P ro b le m

17.27

V N H

Akrolein

Hidrazin

Bir dihidropirazol

Bu tepkimeyi açıklayan bir mekanizma öneriniz. Michael katılmasının daha ileri örneklerini Bölüm 19’da inceleyeceğiz.

799

800


i Anahtar Tepkimelerin Özeti İ A k t i f H id ro j e n Bileşiklerinin T epkimeleri

1 —c —z i H Bir aktif hidrojen bileşiği Özel Örnekler Z (bir Elektron Çekici Grup)

Baz ^ ► —c —z -OH -OR -nr2 Kararlı karbanyon

1 —c —z 1 E Ürün

------ ------------>.

fg §||j "

i

İ Ürün Yapısı

(bir Elektrofılik Reaktif)

||

f iilili

O — C — H,

—c —z 1

HA

O

H

— C— R, —C=N,

1 —c —z I

x2

Rasemlenme (Altbölüm 17.3A) (Eğer bir steromerkez varsa)

Halojenleme (Altbölüm 17.3B)

X O, o

ve diğerleri

— C — H(R)

1 \ /Z —c —z c 1 --------- ► II - ç —H(R) 1 H(R) Aldol katılması (veya aldol halkalaşması), ve su kaybı (Altbölümler 17.4,17.5, ve 17.6) 1

----- (Molekül içi) ^ ---- C — H(R) I o

f ---- C— Z

^ ---- C — H(R) (-H:0)* V,— I 1

OH

1 —c —z I

R—X

/— c

/Z

H(R)

Alkileme (Altbölüm 17.7C)

R Z

C6H5Se—X

1 — c —z 1

C„HsSe | —c —z \ /

c= c

/ \

/ o

—c — 1 — c —c 11 ııII o

H-,0-, / ------- —— ►— c (—C6H5SeOH) \ Selenleme-ayrılma (Altbölüm 17.8) Michael katılması (Altbölüm 17.9

Ek Problemler

A n a h t a r T e r i m l e r ve K a v r a m l a r û; Karbon a Hidrojenler Keto ve enol yapıları Enolat anyonu Tautomerler, tautoırıerieşme Epimerler, epimerleşme Haloform tepkimesi Aldol Aldol tepkimesi (katılmalar ve kondensasyonlar) Çapraz aldol tepkimesi Kinetik ve termodinamik enolat anyonları Lityum diizopropilamit (LDA) Yönlendirilmiş aldol tepkimesi İkiz (ambident) nükleofiller Sililleme Konjuge katılma (Michael katılması) Basit katılma

Altbölüm 17.1 Altbölümler 17.1, 17.5C ve 17.5D Altbölümler 17.1, 17.2 ve 17.3 Altbölümler 17.1, 17.3, 17.4 ve 17.7 Altbölüm 17.2 Altbölüm 17.3A Altbölüm 17.3C Altbölüm 17.4 Altbölümler 17.4, 17.5 ve 17.6 Altbölüm 17.5 Altbölüm 17.7A Altbölüm 17.7 Altbölüm 17.7B Altbölüm 17.7C Altbölümler 11.15 ve 17.7C Altbölüm 17.9 Altbölüm 17.9

17.28

Propanal aşağıda verilen her bir reaktifle etkileştirildiğinde oluşan tepkime (eğer olursa) ürünlerinin yapı formüllerini yazınız. (h) Ag(NH3)2+OH", sonra H30 + (a) OH-, H20 (i) NH2OH (b) C6H5CHO, OH Ü) C6H5CH — P(C6H5)3 (c) HCN (k) C6H5Li, sonra H30~ (d) NaBH4 (l) H C ^ C N a , sonra H30 ‘ (e) HOCH2CH2OH, p-TsOH (m) HSCH2CH2SH, HA, sonra Raney Ni, H2 (f) Ag20 , OH', sonra H30* (n) CH3CH2CHBrC02Et ve Zn. sonra H30 + (g) CH3MgI, sonra H30 +

17.29

Asetonun bir önceki reaktiflerin her biriyle etkileştirilmesiyle oluşan tepkime ürünlerinin (eğer olursa) yapı formülleri yazınız.

17.30

4-Metilbenzaldehit aşağıdakilerin her biri ile tepkimeye girdiği zaman hangi ürünler oluşur? (a) CH3CHO. OH(e) Sıcak KMn04, OH'sonra H30 + (b) CH3C = CNa sonra H30 ‘ (f) ~:CH2— P(C6H5)3 (c) CH3CH2MgBr, sonra H30 + (g) CH3COC6H5, OH (d) Soğuk seyreltik KMn04, OH", sonra H30 4(h) BrCH2C 02Et ve Zn sonra H30 +

17.31

Aşağıdaki her bir dönüşümün nasıl sağlandığını gösteriniz, gerekli olabilecek diğer reaktifleri kullanabilirsiniz. (a) CH3COC(CH3)3----- ►C6H5CH=CHCOC(CH3)3 (b) C6H5CHO — ►C6H5CH O

Yıldızla işaretlenmiş problemler “çözülmesi daha zor olan problemlerdir.

Ek P roblemler

801

802


(c) C6H5CHO — ►C6H5CH2CHNH2 CH3 O

O

(d) CH3C(CH2)4CCH3 — ►

h 3c

chch3

OH (e) CH?CN— ►CHp O

CH2OH

(f) CH3CH2CH2CH2CH — ►CH3(CH2)3CH=C(CH2)2CH3 o

17.32

Aşağıdaki tepkime Robinson halkalama tepkimesini (Altbölüm 17.9B) göste rir. Her bir basamağın mekanizmasını gösteriniz.

17.33

A, B ve C için yapı formüllerini yazınız. (2) CH,COCH, (3) NR,C1/H20

17.34

( C ^ O ) HgİHH 0l0,> B (C5H„A ) c‘H’CHa o h ~ - * C (C12H i40 2)

Krotonaldehitin y karbonunun hidrojen atomları oldukça asidiktir (pÂ^ = 20). y

P

«

c h 3c h = c h c h o

Krotonaldehit (a) Bu durumu açıklayacak rezonans yapıları yazınız. (b) Aşağıdaki tepkimeyi açıklayan bir mekanizma yazınız. C6H5CH=CHCHO + CH,CH=CHCHO

btUH

► C6H5(CH=CH),CHO (%87)

17.35

Aşağıdaki sentezin her bir basamağını gerçekleştirmek için hangi reaktifleri kullanırdınız?

Ek Problemler

17.36

(a) İnfrared spektrokopisi, bir Grignard bileşiğinin, bir a.jö-doymamış ketona katılma ürününün basit katılma ürünü mü ya da konjuge katılma ürünü mü ol duğuna karar vermek için basit bir yöntem sağlar. Açıklayınız. (Hangi pik ve ya pikler araştırılmalıdır?), (b) UV spektroskopi kullanarak aşağıdaki tepkimenin hızını nasıl takip edebilirsiniz? O

O (CH3)2C = CHCCH3 + CH3NH2

(CH3)2ÇCH2CCH3 c h 3nh

17.37

(a) U(C9Hı0O) bileşiği olumsuz iyodoform testi vennektedir. U’nun İR spektrumu 1690 cn r1 de kuvvetli bir soğurma piki gösterir. U’nun 'H NMR spektrumu verileri ise aşağıda verilmiştir. Üçlü 8 1,2 (3H) Dörtlü 8 3,0 (2H) Çoklu 8 7,7 (5H) U’nun yapısını bulunuz. (b) V bileşiği, U’nun bir izomeridir. V bileşiği olumlu iyodoform testi veriyor. V’nin ÎR spektrumu 1705 cn r1de kuvvetli bir pik gösteriyor. V’nin ‘H NMR spektrumu verileri aşağıda verilmiştir: Birli 8 2,0 (3H) Birli 8 3,5 (2H) Çoklu 8 7,1 (5H) V’nin yapısını bulunuz.

803

804


17.38

A bileşiği C6H 120 3 molekül formülüne sahiptir ve 1710 cm 1de kuvvetli ÎR soğurma piki göstermektedir. A, sulu sodyum hidroksit içinde iyotla etkileştirildiğinde sarı çökelek verir. A, Tollens reaktifi ile etkileştirildiğinde tepkime olmaz, fakat A önce bir damla sülfirik asit içeren su ile etkileştirilir sonra Tol lens reaktifi ile muamele edilirse deney tüpünde gümüş aynası oluşur. A bile şiğinin 'H NMR spektrumu verileri aşağıda verilmiştir: Birli 8 2,1 İkili 8 2,6 Birli 5 3,2 (6H) Üçlü 8 4,7 A’nın yapısını yazınız.

17.39

c/s-1-Dekalon çözeltisinin bir baz ile etkileştirilmesi bir izomerleşmenin meydana gelmesine neden olur. Sistem dengeye ulaştığı zaman, çözeltinin, yaklaşık %95 trans- 1-dekalon ve %5 ds-dekalon içerdiği bulunmuştur. Bu izomerleşmeyi açıklayınız.

17.40

Wittig tepkimesi (Altbölüm 16.10) aldehitlerin sentezinde kullanılabilir, örneğin.

m-l-Dekalon

O CH30

CCH3 -t- CH3OCH=P(C6H5)3

(a) CH3OCH=P(C6H3)3 bileşiğini nasıl hazırlardınız? (b) İkinci tepkimenin aldehiti nasıl oluşturduğunu bir mekanizma ile gösteriniz. (c) Sikloheksanondan bileşiğinin hazırlanmasında bu yöntemi nasıl kullanırdınız?

17.41

a-Hidrojeni içermeyen aldehitler, derişik baz ile etkileştirildiğinde Cannizza ro tepkimesi olarak anılan bir moleküller arası yükseltgenme-indirgenmeye uğrarlar. Buna bir örnek, benzaldehitin aşağıdaki tepkimesidir.

2 C6H — CHO

C6H5— CH2OH +

c 6h 5—

co2-

Ek Problemler (a) Tepkime D20 içerisinde yapılırsa, ayrılan benzil alkol, karbon atomuna

bağlı döteryum içermez. Ürün C6H5CH2OD’dir. Bu sonuç tepkime mekanizma sı açısından size ne ifade ediyor? (b) (CH3)2CHCHO ve Ba(0H)2/H20 kapalı bir tüpte ısıtılırsa tepkimede yalnız (CH3)2CHCH2OH ve [(CH3)2CHC02]2 Ba oluşur. Aldol tepkimesinden beklenenler yerine bu ürünlerin oluşumunu nasıl açıklarsınız? 17.42

Asetaldehitin aldol tepkimesi D20 içerisinde yapılırsa, tepkimeye girmemiş aldehitin metil grubunda döteryum bulunmaz. Fakat, asetonun aldol tep kimesinde, tepkimeye girmemiş asetonun metil grubuna döteryum bağlanmış tır. Bu farklı davranışı açıklayınız.

17.43

Aşağıda, karaağaç kabuk böceğinin feromonu olan multistriatinin (bkz. Problem 16.46) sentezi görülmektedir. A, B, C ve D bileşiklerinin yapılarını yazınız. O LiAlHı

TsCl

C02H ------ A (CsH10O)

B (Ci2H160 3S) —

RCO,H

c (C10H18O)---- —►D (C10H18O2) Multistriatin

17.44

Aseton 2 eşdeğer mol benzaldehit ile etonollü KOH varlığında tepkimeye gi rerse X bileşiği meydana gelir. X’in 13C NMR spektrumu Şekil 17.2’de verilmiştir. X bileşiği için bir yapı öneriniz.I

I ' 11I CH CH

TM S

CHİ CH CH

135

130

125

CDC13

220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

5C (ppm)

Şekil 17.2 X bileşiğinin genişband proton-eşleşnıesiz l3C NMR spektrumu (Problem 17.44). DEPT UC NMR spektrumlardan elde edilen bilgiler piklerin üstünde verilmektedir.

805

806

Bölüm 17 / Aldehitler ve Ketonlar E. Aldol Tepkimeleri

*17.45

Aldol tepkimesi olmamasına karşın, aldol katılma ürünlerinin enantiyoözgü oluşumuyla sonuçlanan. Derin C. D'Amico ve Michael E. Jung (UÇLA) tara fından geliştirilen bir tepkimenin basamaklarına bir örnek aşağıda verilmiştir. Basamaklar, Horner-Wadsworth-Emmons tepkimesi (Altböliim 16.10), Sharpless asimetrik epoksitleme (Altbölüm 11.17), ve sonunda aldol tipi ürünler ve ren özel çevrilmeler içerir. Gösterilen deney şartlarında, epoksi alkolün çevrilerek aldol ürünleri oluşturması için bir mekanizma öneriniz. [İpucu: Çev rilme, önce epoksi alkolden bir trialkilsilil eterin ayrı bir tepkimeyle hazırlan ması ve sonra, oluşan silil eterin bir Lewis asit katalizörü (örneğin BF3) ile etkileştirilmesiyle de gerçekleştirilebilir.] (1)

c h ,c h c o 2c h ,

PO(OCH3)2, NaH ^ (2) DIBAL-H

CH3 fiT-BuOOIl, Ti(0-/-Pr)4 D-( —)-diizopropil tartarat 3r

TBDMSO

0 H [3

Ö ğrenme G rubu Problemler!

H «-

TBDMSOTf (/iT-bütildimetilsilil triflat), 1,3 eşd. diizopropiletilamin, 1.35 eşd., moleküler elek. —42°C

OH

CH3 %94 (%95 enantiyomerik fazlalıkta)

Steroitler, doğal bileşiklerin ve ilaç bileşiklerinin çok önemli bir sınıfıdır. Steroitlere yönlenmiş sentetik çabalar yıllardır yürümekte ve önemli bir araştırma alanı olmaya de vam etmektedir. R. B. Woodward (Harvard Üniversitesi, 1965 yılı Kimya Nobel Ödü lünü almıştır) ve çalışma arkadaşları tarafından kolesterol ve kortizon sentezleri, steroit sentezindeki gelişmeleri temsil eder. Woodward'un kolesterol sentezinden seçilmiş tep kimeler aşağıdadır. Bu sentez, karbonil kimyası ve daha önce incelediğimiz diğer tep kime örnekleri bakımından zengindir. (a) 2’den 3’e geçişte olan tepkimenin türünü adlandmnız. Her bir reaktantı, tepkimedeki rolü bakımından sınıflandırınız. (b) 3’ten 4’e geçişte oluşan tepkime için bir mekanizma yazınız. Bu tepkime hem asit hem de bazik ortamda meydana gelebilir. (c) 5’ten 6'ya geçişte olan tepkime; enol eteri, hidrolizle ve su ayrılmasıyla bir enona çevirir. Bu süreç için bir mekanizma yazınız. (d) 7’den 8'e giden tepkime için bir mekanizma yazınız (anlaşılması için EtCLCHTıiıı diğer yazılışıları HC02Et, etil format ve etil metanoattır). 8 yapısı niçin enol yapısındadır? Açıklayınız. (e) 8’den 9’a giden tepkimenin adı nedir? Bu tepkime için bir mekanizma yazınız. [EVK (etil vinil keton) 4-penten-3-on için yaygın kısaltmadır.]


(f) 9Man 10’a giden tepkime türünün adı nedir? Bu tepkime için bir mekanizma ya (g)

(h)

(i) (j)

(k) (l)

zınız. Çalıştığımız 10’dan 11 ve l l ’den 12’nin oluşum tepkimelerini not ediniz. 12'de hangi forksiyonel grup oluşur? 14 ile 15/16 arasındaki tepkimenin 1. basamağı için bir mekanizma yazınız. Bu basamağın ilk ürünü bir nitril grubuna sahiptir, 15 ve 16'da ise karboksilik asit. Bölüm 18’de nitrilin karboksilik aside nasıl dönüştürüleceğini öğreneceğiz. Niçin 15 ve 16’nın bir karışımı oluşmuştur? 17 ile 19 arasındaki basamakların toplamını açıklayan bir mekanizma yazınız. 20’den 21 'in oluşum tepkimesinin türünü isimlendiriniz ve bir mekanizma yazı nız. 24'ten 25’e geçiş arasında hangi tepkime meydana gelir? Neden alkol karbonunda bir konfigürasyon karışımı ortaya çıkar? Açıklayınız. 27’den hemen önce gösterilen ketonun, 27’ye dönüşüm tepkimesi için bir mekanizma yazınız, (pyr kısaltması bir baz olan piridin içindir.)

807

808


10 I Os04

(1) (2)

17

N aO M e /EtO ,C H PhN H M e

19

^Na:Cr207

Kolesterol (1)

809

B ölüm

Karboksilik Asitler ve Türevleri. Açil Karbonunda Nükleofilik Katı Ima-Ayrı İma B ir G e n e l Bağ Poliesterler. naylon ve bir çok biyolojik molekül, sentezleri sırasında genel bir bağ olu şumunu paylaşırlar. Bu süreç açil transferi olarak adlandırılır ve karbonil grubunda nük leofilik katılma ve ayrılmayla bir bağın oluşumunu içerir. Açil transfer tepkimeleri; proteinlerin, yağların, steroitlerin başlangıç maddelerinin ve diğer moleküllerin biyosentezlerini yaparken ve enerji ve biyosentetik ham maddeler üretmek için yiyecek mo leküllerini parçalarken, vücudumuzda, günün her anında meydana gelmektedir. Bu tepkime endüstride de sıkça kullanılmaktadır. Bu tepkimeler sonucu her yıl yaklaşık 1,4 milyon ton naylon ve 1,8 milyon ton plastik üretilmektedir. Yukarıdaki fotoğraf naylon iplik sürecini, sol üst baştaki resim ise naylon 6,6 polimerinin bir kesitinin moleküler grafiğini göstermektedir.

810

Açil transfer tepkimelerinde yer alan tüm fonksiyonel gruplar karboksilik asitlerle ilişkilidir. Bunlar; açil kloriirler, anhidritler, esterler, amitler, tiyoesterler, karboksilik asit lerin kendileri ve bu bölümde inceleyeceğimiz diğer grupları içerirler. Özel konu B’de naylon ve Mylar gibi polimerlerin sentezinde, açil transfer tepkimelerinin nasıl kulla nıldığını göreceğiz. Özel konu D'de açil transfer tepkimeleriyle elde edilen biyolojik mo leküller ve yağ asitlerinin biyosentezini de inceleyeceğiz. Açil transfer tepkimelerinde birçok fonksiyonel grup yer almasına rağmen, bunların elde edilmelerindeki tepkime me kanizmalarının genel olması kolay anlaşılmalarını sağlar.

18.1 G iRiş o II Karboksil grubu —COH (—C 02H veya —COOH olarak kısaltılır), kimyada ve biyo kimyada en çok rastlanan fonksiyonel gruplardan biridir. Karboksilik asitlerin kendile ri kadar Çizelge 18.1 ’de verilen açil bileşikleri veya karboksilik asit türevleri de önemlidir.

18.2

A D L A N D I R M A VE FİZ İK S E L Ö Z E L L İK L E R İ

I8.2A Karboksilik Asitler IUPAC adlandırmasında karboksilik asitler, asitteki en uzun zincire karşılık gelen alkanın adının sonuna -oik asit son eki getirilmesiyle adlandırılır. Karboksil karbon ato muna 1 numara verilir. Aşağıdaki örneklerde bunun nasıl yapıldığı gösterilmektedir. O O 6

5

4

3

2

II

c h 3c h 2c h c h 2c h 2coh

6

5

4

c h 3c h =

3

2

CHCH2CH2COH

ch3

4-Metilheksanoik asit

4-Heksenoik asit

Birçok karboksilik asidin elde edildiği doğal kaynağına göre Latin veya Yunan ke limelerinden türetilmiş yaygın adları vardır (Çizelge 18.2). Metanoik asit formik asit olarak adlandırılır (Latince: formica, karınca). Etanoik asit asetik asit olarak adlandırı lır (Latince: asetum, sirke). Bütanoik asit bozulmuş tereyağının kokmasına neden olan bir maddedir ve yaygın adı bütirik asittir. (Latince: butyrum, tereyağı). Pentanoik asit yıllık bir bitki olan valerianda (kediotu) bulunduğundan valerik asit olarak adlandırılır. Heksanoik asit keçilerin kokmasına neden olan bir maddedir ve özel adı kapıoik asittir

Çizelge 18.1 Karboksilik Asit Türevleri Adı Yapısı O

Yapısı

C1 0

R

0 0

R

R

0

Adı

NH, 0 II

Asit anhidrit R

Fiziksel Özellikleri 18.3 Karboksilik Asitlerin Sentezi 18.4 Açil Karbonunda Nükleofik Katılma Ayrılma 18.5 Açil Klorürler 18.6 Karboksilik Asit Anhidritleri 18.7 Esterler 18.8 Amitler 18.9 a-Halo Asitler: Hell-Volhard-Zelinski Tepkimesi 18.10 Karbonik Asit Türevleri 18.11 Karboksilik Asitlerin Dekarboksilasyonu 18.12 Açil Bileşikleri İçin Kimyasal Denemeler

0 II

Açil (veya asit) klorür R

18.1 Giriş 18.2 Adlandırma ve

-

Amit

NHR' O

Ester R 0 R—C =N

Nitril

R

NR'R" 811

812

Bölüm 18 / Karboksilik Asitler ve Türevleri

Çizelge 18.2 Karboksilik Asit

Yapısı hco 2h ch 3co 2h ch 3ch 2co 2h

CH3(CH2)2C02H CH3(CH2)3C02H CH3(CH2)4C02H CH3(CH2)6C02H CH3(CH2)8C02H CH3(CH2)10CO2H CH3(CH2)12C02H CH3(CH2)14C02H CH3(CH2)16C02H ch 2c ic o 2h c h c i 2co 2h c c i 3co 2h ch 3c h c ic o 2h ch 2c ic h 2co 2h c 6h 5c o 2h p -ch 3c 6h 4co 2h p -c ic 6h 4c o 2h p -no 2c 6h 4co 2h co 2h

Sütematik Adı

Yaygın Adı

en (°C)

Metanoik asit Etanoik asit Propanoik asit Bütanoik asit Pentanoik asit Heksanoik asit Oktanoik asit Dekanoik asit Dodekanoik asit Tetradekanoik asit Heksadekanoik asit Oktadekanoik asit Kloroetanoik asit Dikloretanoik asit Trikloretanoik asit 2-Kloroetanoikasit 3-Kloropropanoik asit Benzoik asit 4-Metilbenzoik asit 4-Klorobenzoik asit 4-Nitrobenzoik asit 1-Naftoik asit

Formik asit Asetik asit Propiyonik asit Bütirik asit Valerik asit Kaproik asit Kaprilik asit Kaprik asit Laurik asit Miristik asit Palmitik asit Searik asit Kloroasetik asit Dikloroasetik asit Trikloroasetik asit a-Kloropropiyonik asit /3-Kloropropiyonik asit Benzoik asit p-Toluik asit p-Klorobenzoik asit p-Nitrobenzoik asit a-Naftoik asit

8 16,6 -21 -6 -34 -3 16 31 44 59 63 70 63 10,8 56,3 61 122 180 242 242 160

2-Naftoik asit

/3-Naftoik asit

185

Suda Çözünürlük (g 100 mL-ı H20 kn (°C) 25°C 100.5 118 141 164 187 205 239 269 17918 20020 21917 383 189 192 198 186 204 250 275

OO OO OO OO

300

4,97 1,08 0,07 0,015 0,006 0,002 0.0007 0,0003 İyi çözünür İyi çözünür İyi çözünür Çözünür Çözünür 0,34 0,03 0.009 0,03 Çözünmez

>300

Çözünmez

PK 3,75 4,76 4,87 4,81 4,82 4.84 4,89 4,84 5,30 6.46 2,86 1,48 0.70 2,83 3,98 4,19 4,36 3,98 3,41 3,70

ö d O

O

4,17

' “ '" (Latince: caper, keçi). Oktadekanoik asitin yaygın adı stearik asittir ve adı Yunanca bir kelime olan s te a fdan (mum yağı) gelir. Bu özel adların bir çoğu uzun yıllardan beri bilinmektedir ve hatta bunların bir ço ğu daha çok uzun zaman kullanılacak gibi görünüyor. Bundan dolayı bu isimleri bilmek gerekir. Bu kitapta metanoik asit, formik asit; etanoik asit ise asetik asit olarak adlan dırılacaktır. Bununla beraber diğer durumlarda genellikle IUPAC sistematik veya türetme adları kullanılacaktır. Karboksilik asitler polar maddelerdir. Bu tür moleküller birbirleriyle ve suyla kuv vetli hidrojen bağları oluştururlar. Bunun sonucunda, karboksilik asitler oldukça yük sek kaynama noktasına sahiptirler ve düşük molekül kütlesine sahip karboksilik asitler suda önemli ölçüde çözünürler. İlk dört karboksilik asit (Çizelge 18.8) her oranda su ile karışır. Karbon zinciri arttıkça sudaki çözünürlük azalır.

I8.2B Karboksilik Asit Tuzları Karboksilik asit tuzları her iki adlandırma sisteminde de (yaygın ve sistematik adlan dırma) asit kelimesinin sonundaki -ik asit eki kaldırılıp -at eki getirilerek adlandırılır. Böylece CH3C 0 2Na, sodyum asetat veya sodyum etanoattır.

18.2 Adlandırma ve Fiziksel Özellikleri

813

Birçok karboksilik asitin sodyum ve potasyum tuzları su içerisinde hemen çözünür. Bu durum karboksilik asitlerin uzun zincirli olmalarında da geçeriidir. Uzun zincirli kar boksilik asitlerin sodyum ve potasyum tuzları sabunların temel bileşenleridir (bkz. Altbölüm 23.2C). Aşağıdaki her bir maddenin adını IUPAC sistematik adlandırmasına göre yazınız:

(a) CH3CH,CHCO,H I ch3 (b) c h 3c h = c h c h 2c o 7h (c) BrCFI7CH7CH7CÖ7Na

■< P r o b le m

18.1

(d) C6H5CH7CH7CH7CH,C07H (e) CH3C H =C C H 7C 07H w 3 | ch3

Bir deneyde asetik asitin buhar fazındaki (kaynama noktasının hemen üstünde) mo- -< lekül kütlesinin yaklaşık olarak 120 olduğu bulunmuştur. Bu deneysel değerle yak laşık 60 olan gerçek değer arasındaki farklılığı açıklayınız.

P r o b le m 18.2

I8.2C Karboksilik Asitlerin Asitlikleri Sübstitüe olmamış karboksilik asitlerin çoğunun Ka değerleri (Çizelge 18.2 de görüldü ğü gibi) 10 J - 10 5 (pKa = 4-5) arasındadır. Suyun p/Ç/sı yaklaşık 16, H2C 0 3’ün ise pKa’sı yaklaşık 7’dir. Bu bağıl asitlikler karboksilik asitlerin, sodyum hidroksit ve sod yum bikarbonatın sulu çözeltileriyle kolayca tepkimeye girerek çözünür sodyum tuzla rını oluşturacağını belirtir. Böylece çözünürlük denemelerini kullanabiliriz ve suda çözünmeyen fenollerden (Bölüm 21) ve alkollerden suda çözünmeyen karboksilik asit leri ayırabiliriz. Suda çözünmeyen karboksilik asitler sulu sodyum hidroksit veya sulu sodyum bikarbonat içerisinde çözünürler. O H,0 + NaOH —2—► C O N a+ + H70 Benzoik asit (suda çözünmez) Daha kuvvetli asit

Daha kuvvetli baz

Sodyum benzoat (suda çözünür) Daha zayıf baz

Daha zayıf asit

O < ^ > -C O H

+ NaHC03

(suda çözünmez)

Daha kuvvetli baz

Daha kuvvetli asit

H,0

C()-Na+ + ,CO,t + H70, "ir (suda çözünür)

h , co 3

Daha zayıf baz

Daha zayıf asit

Suda çözünmeyen fenoller (Altbölüm 21.5) sulu sodyum hidroksit içerisinde çözünür ler (bazı nitrofenoller hariç) fakat sulu sodyum bikorbonat içerisinde çözünmezler. Su da çözünmeyen alkoller sulu sodyum hidroksit veya sodyum bikarbonat çözeltilerinde çözünmezler. Çizelge 18.2’de görüldüğü gibi elektron çeken grupları bulunan karboksilik asitler, sübstitüe olmamış asitlerden daha kuvvetlidirler. Örneğin kloroasetik asitlerin asitlik sı rası kuvvetliden zayıfa doğru aşağıda verilmiştir: Cl

C1

C I^-C — COoH > C K C - C07H >

t

Cl pKa

0.70

I

H

1,48

H

I I

H

I I

COoH > H—C—C07H

H

H

2,86

4.76

Çözünürlük denemeleri,

bilinmeyen bileşiklerin sınıflandırılmasında hızlı ve yararlı bir yoldur.

814


Altbölüm 3.5B ve 3.7B'de gördüğümüz gibi, elektron çekici grupların bu asitlik kuv vetlendirici etkileri, indüktif etkilerinin ve entropi etkilerinin birleşmesinden kaynakla nır. İndüktif etki, kovalent bağlarda ileriye doğru etkili şekilde iletilemediğinden asitlik kuvveti, elektron çeken grup ve karboksil grubu arasındaki mesafe azaldıkça artar. Aşa ğıdaki klorobütanoik asitlerin en kuvvetlisi 2-klorobütanoik asittir. 0 0 0 II II c h 2— CH2— CH:— c CH3— CH— CH2— C— OH — CH-,— CH— C — OH 2 11

P ro bl em 18.3

Cl

Cl

cı

2 - K lo r o b ü ta n o ik a s it

3 - K lo r o b ü ta n o ik asit

4 - K lo r o b ü ta n o ik asit

(p/Ç = 2,85)

(pK a = 4,05)

(pA„ = 4,50)

>• Aşağıdaki her bir asit çiftinden hangisi daha kuvvetlidir? (a) CH3C 0 2H veya CH2FC02H (b) CH2FC02H veya CH2C1C02H (c) CH2C1C02H veya CH2BrC02H (d) CH2FCH2CH2C 0 2H veya CH3CHFCH2C 0 2H (e) CH3CH2CHFC02H veya CH3CHFCH2C 02H

I8.2D Dikarboksilik Asitler

Dikarboksilik asitler IUPAC sistemine göre alkandioik asitler olarak adlandırılırlar. Bir çok basit dikarboksilik asidin yaygın isimleri vardır (Çizelge 18.3) ve genellikle bu ad ları kullanılır.

P ro b l e m 18.4

>

Aşağıdaki gerçekler için bir açıklama getiriniz, (a) Dikarboksilik asitlerin hepsinin pK\ değerleri aynı sayıda karbon atomu içeren monokarboksilik asitlerin pÂ^ değer lerinden daha küçüktür, (b) H0 2C(CH2);jC0 2H türü dikarboksilik asitlerini p/Ç ve pK2 değerleri arasındaki fark n arttıkça azalır.

I8.2E Esterler

Esterlerin adı alkollerin (il son ekli) ve asitlerin (-at veya -oat son ekli) isimlerinden tü retilir. Bu adlandırmada ismin alkolden türetilen kısmı önce gelir. O

O c h 3c — o c h 2c h 3

CH3CH,C—OC—CH,

CH3COCH=CH2

CH3 E t i l asetat veya e til eta noa t

/e r - B ü til p ro p a n o a t

V in il asetat

veya

e te n il e ta n o a t

18.2 Adlandırma ve Fiziksel Özellikleri Çizelge 18.3 Dikarboksilik Asitler

Yaygın Adı

Yapısı h o

2c —

h o

2c

c o

2c

c h

o

en (°C)

O k s a lik asit

2h 2h

H02C(CH2)2C02H H02C(CH2)3C02H H02C(CH2)4C02H ciî-H02C—CH=CH—C02H trans-H02C—CH=CH—C02H -CO,H

»«a (25°C’da) pAı pK2 4 ,2 1,2

189 boz.

M a lo n ik asit

136

2.9

5,7

S ü k s in ik asit

187

4 ,2

5 ,6

G lu ta rik asit

98

5 ,4

A d ip ik asit

153

4 ,3 4 .4

M a le ik asit

131

1.9

6.1

F u m a rik asit

287

3 ,0

4 ,4

F ta lik asit

2 0 6 -2 0 8 boz.

2,9

5 ,4

İz o fta lik asit

3 4 5 -3 4 8

3,5

4 .6

T e re fta lik asit

S ü b lim le ş ir

3,5

4 .8

5 ,6

C02H -CO.H

CO,H

CO,H

O c ı— <(

))—

I

coch3

O

O

I

I

CH,CH2OCCH,COCH,CH3

M etil p-kloro henzoat

D ietil ınalonat

Esterler polar maddelerdir, fakat, oksijen atomlarına bağlı hidrojenleri olmadığı için kendi molekülleri arasında hidrojen bağı oluşturamazlar. Bunun sonucu olarak esterle rin kaynama noktaları aynı molekül kütleli asitler ve alkollere göre daha düşüktür. Es terlerin kaynama noktaları (Çizelge 18.4) aynı molekül kütleli aldehitlerin ve ketonların kaynama noktaları kadardır. Molekül kütlesi düşük olan asitlerde olduğu gibi, esterler güzel kokuludurlar. Bu koku ları, bazı meyvelerin kokusuna benzer ve sentetik çeşni maddesi üretimi için kullanılırlar. O II CH,COCH,CH,CHCH, I

O II CH.CfECH.CİEC —OCH,CH2CHCH, 3

-

-

2

CH3

2 |

CH3

İzo p entil asetat

İzopentil pentanoat

(sentetik muz kokusunda kullanılır)

(sentetik elma kokusunda kullanılır

815

816


Çizelge 18.4 Karboksilik Esterler Adı

Yapısı

Metil format Etil format Metil asetat Etil asetat Propil asetat Bütil asetat Etil propanoat Etil bütanoat Etil pentanoat Etil heksanoat Metil benzoat Etil benzoat Fenil asetat Metil salisilat

h c o 2c h 3 h c o 2c h 2c h 3 c h 3c o 2c h 3 c h 3c o 2c h 2c h 3 c h 3c o 2c h 2c h 2c h 3

CH3C02CH2(CH2)2CH3 c h 3c h 2c o 2c h 2c h 3 CH3(CH2)2C02CH2CH3 CH3(CH2)3C02CH2CH3 CH3(CH2)4C02CH2CH3 c 6h 5c o 2c h 3 c 6h , c o 2c h 2c h 3 CH3CO,C6Hs o-HOC6H4C02CH3

en (°C)

kn (°C)

(g lOOmL-1, 20°C)

-99 -79 -99 -82 -93 -74 -73 -93 -91 -68 -12 -35

,31.5 54 57 77 102 125 99 120 145 168 199 213 196 223

Çok çözünür Çözünür 24,4 7,39 (25°C) 1,89 1,0 (22°C) 1,75 0,51 0,22 0,063 0,15 0,08 Az çözünür 0,74 (30°C)

-9

Suda çözünürlük

I8.2F Karboksilik Anhidritler

Birçok anhidrit, karboksilik asitlerin sonundaki asit kelimesinin düşürülüp anhidrit ke limesinin eklenmesiyle adlandırılır. .O /

/

o

o

H,C— C

O

\O Asetik anhidrit (etanoik anhidrit) en —73°C

\

/ H,C—C

\

HC/ C \ .0

O

H C ^ C/ o

o

Süksinik anhidrit en 12I°C

Ftalik anhidrit en 131°C

Maleik anhidrit en 53°C

I8.2G Açil Klorürler

Açil klorürlere asit klorürler de denir. Asit isminin sonundaki -ik asit kelimesinin dü şürülüp -il klorür kelimesinin eklenmesiyle adlandırılırlar. Örneğin: O II CH3C — c ı Asetil klorür (etanoil klorür) en —112°C; kn 51°C

O II c h 3c h 2c — cı Propanoil klorür en —94°C; kn 80°C

O II c 6h 5c — cı Benzoil klorür en —1°C; kn 197°C

Açil klorürler ve karboksilik anhidritler. karşılaştırılabilir molekül kütleli esterlerle aynı aralıkta kaynama noktasına sahiptirler. I8.2H Am itler

Azot atomu üzerinde sübstitüe gruplar bulundurmayan amitler, asidin yaygın isminin sonundaki -ik asit (veya sistematik adındaki -oik asit) son ekinin düşürülerek amit


kelimesinin eklenmesiyle adlandırılırlar. Amitlerin azot atomu üzerindeki alkil grupla rı, sübstitüent olarak adlandırılır ve sübstitüent adına -N veya N,N-, ön eki ilave edilir. Örneğin; O O O CH, II / c h 3c — n h 2 c h 3c n c h 3c — n h c 2h 5 \ CH, Asetamit (etanamit) en 82°C; kn 221°C

A,A-Dirnetilasetamit en —20°C; kn 166°C

A-Etilasetamit kn 205°C

CH3C—N CH2CH2CH3 A-Fenil-A-propilasetamit en 49°C; 712 torr’da, kn 266°C,

Benzamit en 130°C; kn 290°C

Azot atomu üzerinde bir siibstitüenti olan (veya olmayan) amit molekülleri birbirleriyle kuvvetli hidrojen bağları yapabilirler ve bunun sonucu olarak bu tür amitler yük sek erime ve kaynama noktalarına sahiptirler. /V,/V-disübstitüe amit molekülleri ise birbirleriyle kuvvetli hidrojen bağları oluşturmazlar; bu nedenle daha düşük erime ve kaynama noktalarına sahiptirler. R' O — N—C—R

/•

R— C \

NH I R'

Amit molekülleri arasındaki hidrojen bağı

18.21 Nitriller Karboksilik asitler nitrillere ve nitriller de karboksilik asitlere dönüştürebilirler. IUPAC adlandırmasında, halkalı olmayan nitriller, karşılık gelen hidrokarbon isminin sonuna -nitril son eki getirilerek adlandırılırlar. —C = N grubunun karbon atomuna 1 numara verilir. Diğer fonksiyonel grupları da içeren ek örnekler Altbölüm 2.12’de verilmiştir. CH3CN için asetonitril, CH2=CHCN için akrilonitril adları kabul edilen yaygın adlar dır. 2 ı CH3— C = N : Etannitril (asetonitril)

CH2= C H — C = N : Propennitril (akrilonitril)

Aşağıdakilerin yapı formüllerini yazınız. (a) Metil propanoat (f) Dimetil ftalat (b) Etil /7-nitrobenzoat (g) Dipropil maleat (c) Dimetil malonat (h) /V.N-Dimetilformamit (d) 7V,A-Dimetilbenzamit (i) 2-Bromopropanoil bromür (e) Pentannitril (j) Dietil süksinat

P ro b l e m 18.5

817

818


I8.2J Açil Bileşiklerinin Spektroskopik Özellikleri

İnfrared Spektroskopisi, açil bileşiklerinin yapıları nın aydınlatılmasında oldukça yararlı bir yöntemdir.

İR Spektrumu İnfrared spektroskopisi karboksilik asit ve türevlerinin tanınmasında oldukça önemlidir. Bu bileşiklerin İR spektrumlarında en önemli pik C = 0 gerilme ban dıdır. Bu pik spektrumun en kuvvetli pikidir. C = 0 gerilme bandı asitler, esterler ve amitler için farklı frekansta ortaya çıkar ve piklerin yeri, yapıların aydınlatılmasında ol dukça yardımcı olur. Çizelge 18.5’te birçok açil bileşiği için bu piklerin yerleri veril miştir. Konjugasyonun C = 0 soğurmasının yerini daha düşük frekansa kaydırdığına dikkat ediniz. Karboksilik asitlerin hidroksil grupları 2500-3100 cm” de O— H gerilme titre şimlerinden ileri gelen geniş bir pik verirler. Amitlerin N— H gerilme bandlarının soğurması ise 3140-3500 c n r1arasındadır.

Çizelge 18.5 Açil Bileşiklerinin Karbonil Gerilme Soğurmaları Bileşik Türü

Firekans Aralığı (cm1)

Karboksilik Asitler

R—COıH CO,H

1 7 0 0-1725

\c=c/ / \

1 6 9 0-1715

ArC02H

168 0-1 7 0 0

Asit Anhidritler 1 8 0 0 -1 8 5 0 ve 1 7 4 0-1 7 9 0

1 7 8 0 -1 8 6 0 ve 1 7 3 0-1 7 8 0

Açil Klorürler

O II

O II ve

R

C1

C1

Ar

1 7 8 0-1 8 5 0

Esterler

O 17 3 5-1 7 5 0

O 1 7 1 5 -1 7 3 0

Amitler 0

0

O

II II II RCNH2, RCNHR, ve RCNR,

16 3 0-1 6 9 0

Karboksilat Anyonları rco 2-

1550-1630

Nitriller

N—C=N

Y a k la ş ık 2250

(%) Geçirgenlik


OL ____I_ 4000

3600

3200

2800

2400

2000

1800

1600

1400

1200

1000

Dalga sayısı (cm 'l)

Şekil I8.I Propanoik asitin infrared spektrumu.

Şekil 18.1 ’de propanoik asitin kısa notlar ilave edilmiş bir spektrumu görülmekte dir. Nitriller, karbon-azot üçlü bağının gerilmesinden kaynaklanan, kendilerine özgü ve şiddetli bir infrared soğurması yaparlar. ■H NMR Spektrumu Karboksilik asitlerin asidik protonları oldukça perdelenmemiştir

ve düşük alanda, 6 10-12 bölgesinde soğurma yaparlar. Karboksilik asitlerin a kar bonunun protonu ise 6 2,0 -2,5 aralığında gözlenir. Şekil 18.2 metil propanoat esteri nin 'H NMR spektrumunu göstermektedir. Beklendiği gibi metil grubu yanlmamıştır ve etil grubu normal yarılmaları vermektedir (dörtlü ve üçlü).

Şekil I 8.2 Metil propanoatın 300 MHz 'H NMR spektrumu. Piklerin genişletilmiş şekille ri kaydırılmış olarak ayrıca gösterilmiştir.

800

600

819

820


»C NMR Spektrumu Karboksilik asitlerin ve türevlerinin karbonil karbonu düşük alan da , 8 160 - 180 aralığında gözlenir (aşağıdaki örneklere bakınız). Nitril karbonları çok fazla düşük alana kaymazlar ve 8 115 - 120 aralığında soğurma yaparlar. Bununla be raber, karboksilik asit türevlerinin düşük alana kaymaları aldehit ve ketonlarınki (8 180 - 220) kadar çok değildir.

h 3c —

P ^ OH

8 177,2

P

P

H3C— ^

H,C— c

3

OCH2CH3

\

h 3c —

3

cı

P \

H3C— C = N

nh2

8 117,4 Karbonil veya nitril karbon atomu için ,3C NMR kimyasal kayma değerleri 8 170,7

8 170,3

8 172,6

Karboksilik asitler ve türevlerindeki alkil gruplarının karbon atomlarının ,3C kimya sal kayma değerleri oldukça yukarı alandadır. Pentanoik asitin her bir karbonunun kim yasal kayma değeri aşağıda verilmiştir.

h 3c -

P

ch 2— ch 2— c h 2— c

OH 8 13,5

22,0 27,0 34,1 179,7 NMR kimyasal kayma değerleri

18.3

KARBOKSİLİK A S İTL E R İN S E N TE Z İ

:

Karboksilik asitlerin hazırlanmasında kullanılan birçok yöntem daha önce anlatılmıştı. 1. Alkenlerin yükseltgenmesiyle. Altbölüm 8.1 l ’de gördüğümüz gibi, alkenler, sıcak bazik KMn04 ile karboksilik asitlere yükseltgenebilirler. , O) KMnO, OH”

RCH=CHR ------ --------► RC02H + R C02H (2) H.,0+

Bundan başka, alkenler, azonlama ile karboksilik asitleri vermek üzere yükseltge nebilirler (Altbölüm 8.1 İA). . 0) o, _

RCH=CHR (2) n

RCO,H + R CO.H

2. Aldehit ve birincil alkollerin yükseltgenmesiyle. Aldehitler ılımlı yükseltgeyici reaktiflerle, örneğin Ag(NH3)2+OH' (Altbölüm 16.12) ile yükseltgenerek karboksi lik asitleri verebilirler. Birincil alkoller ayrıca KMn04 ile yükseltgenebilirler.

RCHiOH

d ) KMnO.,, OH~^ ısı

(2) H,Q+

r c o 2h

18.3 Karboksilik Asitlerin Sentezi

3. Alkilbenzenlerin yükseltgenınesiyle. Doğrudan benzen halkasına bağlı birincil ve ikincil alkil grupları (fakat 3° gruplar değil) KMn04 ile bir —C 02H grubuna yükseltgenirler (Altbölünı 15.13C). (1) KMn()4, OH~ ^

c o 2h

ısı (2) H,0+

4. Metil ketonların yükseltgenınesiyle. Metil ketonlar haloform tepkimesi sonucu kar boksilik asitlere dönüştürülebilirler (Altbölüm 17.3C). O (1) X,/NaOH

Ar

CH3

+ CHX,

(2) H,()+

5. Siyanohidrin ve diğer nitrillerin hidroliziyle. Altbölüm 16.9’da aldehit ve ketonlann siyanohidrinlere dönüştürülebileceğini gördük; bunlar a-hidroksi asitlere hidrolizlenebilirler. —CN grubu, hidroliz sonucu bir —C 02H grubuna çevrilir. Nitril hidrolizinin mekanizması Altbölüm 18.8H’de açıklanmıştır. R, \

R C = 0 + HCN

R'

*

R'

/

\

/ c\

OH

HA H ,0

OH 1 ►R—c —

CN

1

R'

Nitriller aynı zamanda alkil halojcnürlerin sodyum siyanür ile nükleofilik yer değiştirme tepkimesi sonucu elde edilebilirler. Nitrillerin hidrolizi sonucu, çıkış maddesi olarak seçilen alkil halojenürden bir karbon atomu daha uzun zincirli kar boksilik asitler elde edilir. G en el Tepkim e

R— CH2X + C N ----►RCH2CN

RCH2C 02H + NH4+ ısı

------RCH2CO,- + NH, isi

Ö zel Ö rn e k le r

HOCH2CH2C l^ ^ > H O C H 2CH2CN 3-Hidroksipropannitril

BrCH2CH2CH2Br ^

h o c h 2c h 2c o 2h

(%75-80)

^ ► NCCH2CH2CH2CN Pentandinitril

3-Hidroksipropanoik asit

H 02CCH2CH2CH2C 0 2H Glutarik asit

Bu sentetik yöntem, genelde birincil alkil halojenürlerin kullanımı ile sınırlıdır. Siyanür iyonu oldukça kuvvetli bazdır ve ikincil ve üçüncül alkil halojenürlerin kullanımı, başlıca, bir nitril (yer değiştirme üzerinden) yerine alken oluşumuna yol açar. Aril halojenürler (orto ve para nitro gruplarına sahip olanlar hariç) sodyum si yanür ile tepkime vermezler.

821

822


6. Grignard reaktiflerinin karbonlannıasıyla. Grignard reaktifleıi karbondioksit ile tepkimeye girerek magnezyum karboksilatları verir. Bunların asitlendirilmeleri sonucu karboksilik asitler oluşur. R—X + Mg

RMgX

RC02MgX

RC02H

veya C ()

Ar—Br + Mg

H 0+

ArMgBr —

ArCC)2MgBr — ► ArC02H

Karboksilik asitlerin bu sentezi; birincil, ikincil, üçüncül, alkil, benzil ve açil halojeniirlere, Grignard tepkimesine girebilecek diğer gruplar olmadığı zaman uygula nabilir (bkz. Altbölüm 12.8B). CH, I CH,—C—C1 I CH3

CH. I CH.CMgCİ

Et-,O

3I

&

CH3 c h 3c c o 2ii

(2) H ,()+

ch3

ch3

ter-Bütil klorür

2,2-Dimetilpropanoik asit (toplam %79-%80)

CH3CH2CH2CH2C1

Mg

CH3CH2CH2CH2MgCl

Bütil klorür

(1)

CO: |

(2) II,0 + c h 3c h 2c h 3c h 2c o 2h

Pentanoik asit (%8ö toplam)

(1)

CÖ2

(2) H,0+

c o 2h

Benzoik asit (%85)

P ro bl em 18.6

>■ Aşağıdaki her bir madde benzoik asite nasıl dönüştürülebilir? Gösteriniz. (a) Etilbenzen (c) Asetofenon (e) Benzil alkol (b) Bromobenzen (d) Fenileten (stiren) (f) Benzaldehit

Pr o bl em 18.7

Aşağıdaki her bir karboksilik asidin Grignard sentezi üzerinden nasıl elde edilebi leceğini gösteriniz. (a) Fenilasetik asit (c) 3-Bütenoik asit (e) Heksanoik asit (b) 2,2-Dimetilpentanoik asit (d) 4-Metilbenzoik asit

P ro bl em I 8.8

(a) Problem 18.7'deki karboksilik asitlerden hangisi nitril sentezi yardımıyla hazır lanabilir? (b) HOCH2CH2CH2CH2Br den H0CH2CH2CH2CH2C 02H elde etmek için Grignard veya nitril sentez yöntemlerinden hangisini seçersiniz? Niçin?

18.4

A

ç îl

Ka

Ka

til m a

r b o n u n d a

-A

N

ü k l e o f îu k

y r il m a

Bölüm 17'de karbonil bileşiklerini anlatırken aldehit ve ketonların kendilerine özgü tep kimelerinin karbon-oksijeıı ikili bağına nükleofilik katılma tepkimeleri olduğunu görmüştük.

18.4 Açıl Karbonunda Nükleofilik Katılma-Aynlma

R k.

Nu

c=o

\

+ Nu:-

- C * H ~ Nu

O-^

R Aldehit veya keton

R

823

Nu \ •• c —O— H + Nu=r' 7 “ R

Nükleotllik katılma

Bu bölümde karboksilik asitler ve türevlerini öğreneceğiz. Bu bileşiklerin genel tep kimeleri nükleofilik katılm a-ayrılm a mekanizmasıyla açil (karbonil) karbonu üzerin de olur. Karboksilik asitler için aşağıda verilen tepkime mekanizmasıyla sıkça karşılaşacağız.

Canlı organizmalarda bu tür birçok tepkime gerçekleşir ve biyokimyacılar bunları açil transfer tepkimeleri olarak adlandırırlar. Özel konu D'de açıklanan asetil-koenzim A çoğu zaman biyokimyasal açil transfer reaktifi gibi davranır. Açil bileşikleri ile nükleofillerin (yer değiştirme) tepkimesi sonucu oluşan ürünler aldehit ve ketonların (katılma) verdiği ürünlerden farklıdır; bu iki tepkime genel bir özel liğe sahiptir. Her iki tepkimenin başlangıç basamağı karbonil karbonuna nükleofilik ka tılmayı içerir. Her iki grup bileşikte de ilk atağın oluşumunu kolaylaştıran etkiler aynıdır. Bu etkiler, karbonil karbon atomunun sterik bakımdan etkiye çok açık olması ve karbon-oksijen ikili bağında oksijen atomunun elektron çifti barındırmaya yatkın oluşudur. Başlangıçta oluşan nükleofilik ataktan sonra bu iki tepkimede farklılık gözlenir. Genellikle aldehit ve ketonlara katılma sonucu oluşan düzgün dörtyüzlü ara ürüne bir proton katılarak kararlı katılma ürünü oluşur. Buna rağmen açil bileşiklerinden oluşan ara üründen daima bir ayrılan grup ayrılır. Bu ayrılma sonucunda karbon-oksijen ikili bağı yeniden oluşarak yeni bir ürün meydana gelir ve bu ürün yer değiştirme ürünüdür. Böylece açil yer değiştirme tepkimeleri, nükleofilik katılına-ayrılma mekanizması üzerinden gerçekleşir. Açil bileşikleri beklendiği gibi yer değiştirme tepkimesi verirler, çünkü hepsi de kar bonil karbonuna bağlı veya yeterli derecede ayrılma kolaylığı olan (veya protonlanarak iyi ayrılan gruplara dönüşen) gruplara sahiptir. Örneğin; açil kloriirler genellikle klorür iyonu kaybederek tepkime verirler. Klorür iyonu çok zayıf bazdır bu nedenle çok iyi ay rılan bir gruptur. Bir açil klorünün suyla tepkimesi örnek olarak verilebilir.

Bu bölümde birçok tepki me olmasına rağmen açil tranferinin genel mekaniz masını aklınızda tutarsa nız bu tepkimelerdeki mekanizmaların ortak yanlarını görebileceksiniz.

824

Bölüm 18 / Karboksilik Asitler ve Türevleri Özel Örnek

O: / R—C

+ :C1:

V

O —H 1^

Klorür iyonunun ayrılması

T

H,ü I

/ R—C

\

o: ,

+ H,0

.O— H

Bir asit anhidriti genellikle bir karboksilat anyonu veya bir karboksilik asit molekü lü (her ikisi de zayıf baz ve iyi ayrılan gruplardır) kaybederek tepkime verir. Asit anhidritlerinin hidroliz mekanizmalarını Altbölüm 18.6B’de ele alacağız. Daha sonra görüleceği gibi esterler, bir alkol molekülü kaybederek nükleofilik katılma-ayrılma tepkimesi verirler (Altbölüm 18.7B). Asitler bir su molekülü kaybederek (Altbölüm 18.7A) ve amitler bir amonyak veya amin molekülü kaybederek tepkimeye girerler (Altbölüm 18.8F). Bu tür tepkimelerden ayrılan bütün moleküller zayıf bazlar dır ve yeterli derecede iyi ayrılan gruplardır. Aldehit ve ketonların nükleofilik katılma-ayrılma tepkimelerinde oluşan düzgün dört yüzlü ara üründen hidrür (H r) iyonunun veya aLkanür iyonunun (R:-) atılması gereke cektir. Her iki iyon da oldukça kuvvetli bazdır ve her ikisi de bu yüzden çok zayıf ayrılan gruptur. — c —Nu

R— c

/ \

H

:(W 1^ — c —Nu

+ Nu

*0

R—c

/ \

H :Hidrür iyonu

:

Bu tepkimeler çok nadir olur.

R :-

+

Alkanür iyonu

Nu 4 [Haloform tepkimesi (Altbölüm 17.3C) alkanür iyonunun ayrılan grup olarak davrandı ğı nadir tepkimelerinden biridir. Ancak burada ayrılan grup zayıf bazik bir grup olan trihalometil anyonudur.] I8.4A Açil Bileşiklerinin Bağıl Etkinliği Bu bölümde incelenen asit türevlerinden nükleofilik katılma-ayrılma tepkimelerinde en etkin olanı açil klorürler en az etkin olanı ise amitlerdir. Aşağıda açil bileşiklerinin ba ğıl etkinlik sırası verilmiştir. o O o O / / / / > R —C R—C > R—C > R — C cı

o

OR'

NH,

R—C \ O Açil klorür

Asit anhidrit

Ester

Amit

18.5 Açil Klorürler

825

Yukarıdaki yapıdaki yeşil gruplar Altbölüm 18.4’te çerçeve içerisinde verilen tepkime mekanizmasındaki L grubunu temsil etmektedir. Asit türevlerinin genel etkinlik sırası ayrılan grupların bazlık sırası dikkate alınarak açıklanır. Açil klorürler tepkimeye girdiğinde ayrılan grup klorür grubudur. Asit anhidritlerin tepkimesinde ayrılan grup karboksilik asit veya karboksilat iyonudur. Esterle rin tepkimesinde ayrılan grup alkoldür ve amitler tepkimeye girdiğinde ise ayrılan grup amindir (veya amonyak). Bu bazların tümünde, klorür iyonları en zayıf bazlardır ve açil klorürler, açil bileşikleri içerisinde en etkin olanlarıdır. Aminler (veya amonyak) en kuv vetli bazlardır ve amitler açil bileşikleri içerisinde en az etkin olan bileşiklerdir. I8.4B Asit Türevlerinin Sentezi

'G

Karboksilik asit türevlerinin sentezlerini incelediğimizde, birçok durumda, bir asit tü revinin bir başka türevin nükleofilik katılma-ayrılma tepkimesi sonucunda elde edildi ğini göreceğiz. Yukarıda verilen etkinlik sırası sentezin olup olmayacağını bize gösterir. Genel olarak, daha az etkin olan a ç il bileşiği daha etkin olan türevden elde e d ile b ilir . A n c a k bun un aksi çok zordur, m üm kün olduğunda özel re a k tifle r k u lla n m a k gere k ir.

1 8 .1 4

A

ç il

K

lorürler

I8.5A Açil Klorürlerin Sentezleri

Açil klorürlerin, asit türevleri içerisinde en etkin türevler olması nedeniyle bu bileşik lerin sentezinde özel reaktifler kullanılır. Bu amaçla inorganik asitlerin asit klorürleri; örneğin, PC15 (fosforik asitin asit kiorürü), PC13 (fosforöz asitin asit klorürü), SOCl2 (sülfüröz asitin asit klorürü) kullanılır. Bu reaktiflerin hepsi karboksilik asitlerle tepkimeye girerek iyi verimle açil klorür leri oluştururlar. G enel Tepk im eler

0 I

RCOH +

socı,

0 I

— ►R— C — C1 + SO, + HCI

Tiyonil klorür

0 I

0 I

3 RCOH +

0 I

RCOH

+

PC13 Fosfor triklorür

—► 3 RCCI

0 I

PCIS Fosfor pentaklorür

—► RCCI

+ H PO 3

3

+ POCI + HCI 3

Bu tepkimelerin tümü klorür iyonunun yer aldığı nükleofilik katılma-ayrılma tep kimesini içerirler. Tepkime, protonlanmış açil klorosülfit, protonlanmış açil klorofosfit veya protonlanmış klorofosfat gibi çok etkin ara ürünler üzerinden geçerek meydana ge

'

Açil transfer tepkimesiyle asit türevlerinin sentezi için, reaktantın, açil kar bonunda üründen dalıa kolay ayrılan gruba sahip olması gerekir.

826


lir. Bu ara ürünler açil klorür ürününden çok daha kolay ayrılan açil ayrılan grupları içe rirler. Örneğin tiyonil klorür karboksilik asitlerle aşağıdaki mekanizmayla tepkime verir.

Te p k im e için Bir Mekanizma Tiyonil Klorürler Kullanılarak Açil Klorürlerin Sentezi

**Ö* «

.A, p i,

.C . ■■ .H + ^ > S = C),--- ►

Ö" I

V.1

:Cl: IA

— o ;-

I :Cl • H

O’ t*

-C\ t

r' y o :C1:_

-:0 w .:r.

C\ ı

ı¿ t

o

, — *■R— c— o— s IM

:C1: H

O-

:Ch

:C|:

/

: 0 Â-S |> \ LH .o-

R '"C 'CI .O.-

H

Protonlanmış açil klorosülfit

HCI + SO,

I8.5B Açil Klorürlerin Tepkimeleri

Açil klorürler, açil türevleri içerisinde en etkin olanlarıdır. Bundan dolayı daha az etkin olan türevlere kolayca dönüştürülürler. Çoğu zaman anhidrit. ester veya amitler, asitler den başlanarak önce açil klorürlerin elde edilmesi ve elde edilen açil klorürlerin isteni len asit türevine dönüştürülmesi yoluyla sentezlenirler. Sentez şeması Şekil 18.3’te gösterilmiştir. Bu tepkimeler Altbölüm 18.6 - 18.8’de ayrıntılı olarak incelenecektir. O RC—O—CR' Anhidrit

Şekil 18.3 Açil klorürlerin ha zırlanması ve açil klorürlerin tep kimeleri.

O RCOR' E ster

O I

S O C l2

veya PC13

RCOH

v ey a

K arb ok silik a sit

PC15

O I rcnh2 A m it

O II RCNHR' VV-Sübstitüte am it

O RCNR'R" A,İV -D isübstitüte am it

18.6 Karboksilik Asit Anhidritleri

Açil klorürler su ve sulu baz ile de tepkime verirler fakat bu tür tepkimeler genelde istenmez. Çünkü bu tepkimeler sonucu yararlı açil bileşikleri karboksilik asit veya tuz larına geri dönüşürler. O H,()

O II RCCI

-► RCOH+ HCI O

A ç il k lo r ü r

I 8 .6

OH/ H, Ü

►rco - + c r

KAR BO K SİLİK A S İT A N H İD R İTL E R İ

I8.6A Karboksilik Asit Anhidritlerinin Sentezleri Karboksilik asitler açil klorürlerle piridinli ortamda tepkimeye girerek karboksilik asit anhidritlerini verirler.

Bu yöntem labaratuvar ortamında anhidritlerin hazırlanmasında sıkça kullanılır. Yön tem oldukça geneldir ve karışık anhidritlerin (R ^ R ' ) veya basit anhidritlerin (R = R' ) hazırlanmasında kullanılabilir. Karboksilik asitlerin sodyum tuzları da açil klorürlerle tepkimeye girerek anhidrit leri verirler. O O O O

I

I

/C \ + R O N a+ R'

I

Cl

R

I

O

+ Na+ciR'

Bu tepkimede karboksilat anyonu nükleofil olarak davranır ve açil kloriirün açil karbo nunda nükleofilik yer değiştirme tepkimesi verir. Halkalı anhidritler çoğu zaman basit bir yolla, uygun dikarboksilik asitlerin ısıtıl masıyla hazırlanabilir. Bu yöntem, sadece beş veya altı üyeli halkalı anhidritlerin eldesinde başarılıdır.

o

H2CT

OH

300°C

h 2c

H2C \ c / O H

ö S ü k s in ik as it

0 // ^ c\ O+

AO

S ü k s in ik a n h id r it

O OH /O H

F ta lik as it

230°C

-t- H, 0

F t a lik a n h id r it

(~%100)

827

828


O

Şekil 18.4 Karboksilik asit anhidritlerinin tepkimeleri.

O

RCOR'

+ RCOH

E ster

O

o

RCNH2

+ RCONH/

Amit

O II

O II

RCNHR’

+ RCO"R'NH3

N -S ü b stitü e a m it

O

O

RCNR'R"

+ R CO RR N H .,

jV,N -D isübstitüe Yan ü rü n ler

a m it

P ro b l e m I 8.9

>

Maleik asit 200°C’a ısıtıldığı zaman su kaybederek maleik anhidrit oluşur. Fumarik asit maleik asitin diastereomeridir ve su kaybetmesi için daha yüksek sıcaklık gerekir. Fumarik asit daha yüksek sıcaklıkta ısıtıldığında maleik anhidrit oluşur. Bu gözlemler için bir açıklama yapınız.

I8.6B Karboksilik Asit Anhidritlerinin Tepkimeleri

Karboksilik asit anhidritleri oldukça etkin bileşiklerdir. Bu nedenle esterler ve amitle rin (Şekil 18.4) hazırlanmasında kullanılabilirler. Bu tepkimeleri Altbölümler 18.7 ve 18.8’de ayrıntılı bir şekilde göreceğiz. Karboksilik asit anhidritleri aynı zamanda hidroliz tepkimeleri de verirler.

O O II II RC — O—CR Anhidrit

18.7

Ester

H,o

O

O

II

II

O

O

---- 2---- ►RCOH + HOCR' 0H/H,0

-------—►RCO- + "OCR'

ler

I8.7A Esterlerin Sentezleri: Esterleşme

Karboksilik asitler alkollerle tepkimeye girerek, esterleşme olarak bilinen bir kondensasyon tepkimesi üzerinden esterleri verirler. Genel Tepkime O II /C V + R — OH R OH

O HA

II R

+ H,0 OR'

18.7 Esterler

Özel Örnekler

0 O 1 HA II CHjCOH + CH,CH,OH <=Sâ± CHjCOCH.CH, + H,0

Asetik asit

Etanol

Etil asetat

O

1 CsH5COH

O +

Benzoik asit

CHjOH Metanol

HA C6H5COCH 1 j + H,0 Metil benzoat

Esterleşme tepkimeleri asit katalizlidir. Bu süreç kuvvetli asitlerin yokluğunda oldukça yavaş gerçekleşir, fakat bir asit ve bir alkol az miktarda derişik sülfürik asit veya hid rojen klorür varlığında geri soğutucu altında kaynatıldığında birkaç saat içinde denge ye ulaşır. Oluşan esterlerin miktarı dengenin yönüne bağlıdır. Bu bakımdan karboksilik asit veya alkolün daha fazlasını kullanmak ürünün verimini arttırır. Hangi reaktantın da ha fazla kullanılacağı onların bulunabilirliğine ve fiyatına bağlıdır. Esterleşme tep kimesinin verimi tepkime ortamında oluşan suyun uzaklaştırılması ile de artırılabilir. Benzoik asit l80 ile etiketlenmiş metanolle tepkimeye girdiğinde etiketlenmiş oksi jenin ester oksijeninde olduğu görülür. Bu sonuç esterleşme tepkimesinde hangi bağm kırıldığını gösterir. O O CftHeC-f-OH + CH,— O -H

C6H5C — OCH, + H20

Etiketlenerek yapılan tepkimede çıkan ürünü de açıklayan asit katalizli tepkime me kanizması aşağıda verilmiştir. Bu mekanizma açil karbon atomundaki asit katalizli nükleofilik katılma-ayrılma tepkimelerine özgüdür.

Tepkime için Bir Mekanizma Asit Katalizli Esterleşme ..+ k r \ H— O - H Ö K) I H 'o —H ~ C\ H C Jl-

H—O: H +C H ,— OH -C H , — OH

:0 Karboksilik asit, kuvvetli bir asit katalizörden bir proton alır.

H— O m c 6h 5—c

..

—O—CH3 5 \% : 0 —H r H

Bir su molekülünün kaybedilmesi protonlanmış esteri verir.

Alkol, protonlanmış karbonil grubuna atak yaparak bir düzgün dörtyüzlü ara ürün verir.

H—Ö - ^ I H— 0+ H c 6h 5

H

Oksijen atomu üzerindeki bir proton kaybedilir ve başka bir oksijen atomu tarafından kazanılır.

'O* —H ,0 +

o — CH, +H,0't

Protonun bir baza aktarılması bir ester oluşumuna yol açar.

c 6h 5

c\

o —CH,

829

830


Asit-katalizli ester

Bu mekanizmada sağa doğru olan tepkime, bir asidin asil kalalizli esterleşme tep kimesinin mekanizmasını; sola doğru olan tepkime ise bir esterin asit katalizli hidroli zinin mekanizmasını gösterir.

hidrolizinin mekanizmasına

Asit-Katalizli Ester Hidrolizi

ve şartlarına dikkat ediniz.

O II R

H0+ + HX> < 3 ► OR' ’ R

O II

+ R — OH OH

Hangi sonucun olacağı seçilen deneysel şartlara bağlı olacaktır. Bir asidi esterleştirmek istediğimizde alkolün fazlasını kullanmalıyız ve oluşan suyu mümkünse uzaklaştırmalıyız. Eğer esteri hidroliz etmek estersek suyun fazlasını kullanmalıyız, yani esteri seyrettik sulu HC1 veya seyreltik sulu H2S04 ile geri soğutucu altında kaynatmalıyız.

P ro bl em 18.10

^

lsO-Etiketli su içerisinde yapılan metil benzoatın asit katalizli hidrolizi sonunda eti ketli oksijeni nerede bulmayı beklersiniz? Cevabınızı destekleyecek şekilde ayrın tılı bir mekanizma yazınız.

Sterik etkiler esterin asit katalizli hidroliz tepkimesinin hızını kuvvetli bir şekilde etkiler. Alkol veya asitlerdeki tepkime merkezine yakın bölgelerdeki büyük gruplar tep kime hızını oldukça yavaşlatmlar. Örneğin üçüncül alkoller asit katalizli esterleşmede oldukça yavaş tepkime verirler, bu nedenle genellikle yer değiştirme yerine ayrılma tep kimeleri gerçekleşir. Ancak alkoller, aşağıda verildiği gibi açil klortir ve anhidritlerin kullanımı sonucu güvenli bir şekilde estere dönüştürebilirler.

Açil Klorürlerden Esterler

Esterler aynı zamanda açil klorürlerle alkollerin tep kimeleriyle de sentezlenebilirler. Çünkü açil kloı iirler nükleofilik katılma-ayrılma tep kimelerinde karboksilik asitlerden daha etkindirler. Açil klorürlerin alkollerle tepkimesi hızlı bir şekilde oluşur ve asit katalizöre ihtiyaç yoktur. Genellikle tepkime ortamına piridin ilave edilerek oluşan HC1 ile tuz oluşturması sağlanır. (Piridin aynı zamanda açil kloriirle tepkimeye girerek açilpridinyum iyonunu oluşturabilir, ancak oluşan ara ürün nükleofillere karşı açil klorürlerden bile daha etkindir.) Genel Tepkime O// + R —Ö —H R—C

\ :cı:

Özel Örnek O II c 6h 5c —cı Benzoil klorür

O: — HC1

/ > R—C

VO — R,

o + CH3CH2OH +

C6H5COCH2CH, Etil benzoat (% 80)

Karboksilik Asit Anhidritlerinden Esterler Karboksilik asit anhidritleri bir asit katalizör olmadan alkollerle tepkimeye girerek esterleri verirler.

18.7 Esterler

Genel Tepkime O

/

RC

o

\

O

/ RC

+ R — OH

/

RC

O II

+

rcoh

o —r '

V

o

Özel Örnek O

O II

CH,C— ',0 + C„H5CH2OH Benzil Asetik alkol anhidrit

* CH,COCH 2C 6H 5 + CH,CO,H Benzil asetat

Alkollerin bir anhidrit veya bir açil klortirle tepkimesi ester sentezinde en önemli yöntemlerden biridir. Halkalı anhidritler bir eşdeğer mol alkolle tepkimeye girerek hem ester hem de asit olan bileşikler oluştururlar. 0

O

II 1

+ CH,CHCH 2CH 3

ch3

ıo°c „ f ÔCHCH,CH ►^ L / O H

OH

I

O

0

sefc-Bütil alkol

Ftalik anhidrit

seAr-Bütil hidrojen ftalat (97%)

Esterler transesterleşmeyle de sentezlenebilirler:

0 I

HA, ısı

+

R OR' Yüksek kaynama noktalı ester

R"—

OH «----------*-

Yüksek kaynama noktalı alkol

•<

P ro bl em 18.11

0 I +

R OR" Daha yüksek kaynama noktalı ester

R' — OH Daha düşük kaynama noktalı alkol

Bu yöntemde, dengenin yönü, düşük kaynama noktalı alkollerin tepkime karışımından damıtılarak uzaklaştırılmasıyla sağa kaydırılır. Transesterleşme tepkimesinin mekaniz ması asit-katalizli esterleşme (veya asit katalizli ester hidrolizi) tepkimesine benzer. Aşa ğıdaki transesterleşme için ayrıntılı bir mekanizma yazınız. O

O

II

HA

c h 2= c h c o c h 3+ c h 3c h 2c h 2c h 2o h

Metil akrilat

Bütil alkol

*=*

II c h 2= c h c o c h 2c h 2c h ,c h

Bütil akrilat (%94)

, + CH,OH Metanol

831

832


I8.7B Esterlerin Baz-Destekli Hidrolizleri: Sabunlaşma

Esterler sadece asidik hidroliz tepkimeleri değil aynı zamanda b a z d e ste k li h id ro liz tep kimeleri de verirler. Baz destekli hidroliz bazen Latince bir kelime olan s a p o 'dan (sabun) dolayı sabunlaşma (İng. saponification) olarak adlandırılır (bkz. Altbölüm 23.2C). Ör neğin bir esterin sulu sodyum hidroksit ile geri soğutucu altında kaynatılması sonucu alkol ve asidin sodyum tuzu oluşur.

0

9

h 2o

RC — O R '+ N aO H ——► RC—0~Na+ E ster

+

Sodyum karboksilat

R'()H Alkol

Karboksilat iyonu nükleofilik yer değiştirmede etkin değildir, çünkü negatif yüklü dür. Sonuç olarak, esterin baz destekli hidrolizi tersinir olmayan bir tepkimedir. Esterin baz destekli hidroliz tepkimesinin mekanizması acil karbon atomunda nük leofilik katılma ve ayrılmayı içerir:

T e pk im e için Bir Mekanizma Baz-Destekli Ester Hidrolizi

•o’ R

-Ö-

—:0 —H

yavan.

-

R—C—O—H

O — R'

\ü " O—

Bir hidroksit iyonu karbonil grubuna atak yapar

R'

Düzgün dörtyüzlü ara ürün bir alkoksit iyonu oluşturur.

•o

*0 ' ..¿9

■■

O—H + - : 0 — R'

R

0 ’~

+ H—O —R'

Bir protonun aktarımı tepkime ürününün oluşumuna yol açar.

Bu mekanizma izotop etiketli esterlerle çalışılarak kanıtlanmıştır. Etil propanoat es teri, eter türü oksijen atomu l80 izotopu ile etiketlendiğinde, sulu sodyum hidroksit içe risinde aşağıda görüldüğü gibi hidrolizlenir. I80 , oluşan etanolde görülmektedir. Propanoat iyonu içerisinde ıs0 hiç görülmez. ° CH3CH2—C -Ô —CH2C R + NaOH

Î CH?CH:—C—0"Na++ H -Ô — CH2CH3

Bu etiketli tepkimenin sonucu, tamamıyla yukarıda verilen mekanizmayla tutarlıdır (kendi kendinize ürüne kadar olan basamakları göstererek etiketli oksijeni takip ediniz). Eğer hidroksit iyonu açil karbonu yerine alkil karbonuna atak yapsaydı oluşan alkolde işaretli oksijen olamazdı. Atağın alkil karbonuna olduğu hiçbir zaman gözlenmez. (Ku ral dışı bir örnek için bkz. Problem 18.13.)

18.7 Esterler

o

o H ,0

f ) CH2CH3 + “OH -)(-► CH3CH2—c — O" + HO— c h 2ch 3 CH3CH2— c —, O—

oc h

3c

h

2— c = o

1 Bu ürünler oluşmaz.

Nükleofilik atağın açil karbonu üzerine olduğunu gösteren başka bir kanıt, kiral al kollerin esterlerinin baz destekli hidroliz tepkimeleridir. Tepkime, alkolün konfigürasyonun korunması için A yolunu (açil karbonu üzerinden) izlemelidir. B yolunu izleyen (alkil karbonu üzerinden olan) tepkime alkolün konfigürasyonun tersine dönmesine yol açmalıdır. K onfigürasyonu n devrilm esi hem en hem en h iç b ir zam an gözlenm em iştir. Kiral alkollerin karboksilik esterlerinin bazik hidrolizlerinde h e r zam an konfigürasyoıı ko ru n u r.

A Yolu: Açil Karbonunda Nükleofilik Katlim a-Ayrılma O

O'

R'

M

,0

/

R—C—O—C

RC— O — C.

*

R—C

Konfigürasyon

+ HO—C.

\

korunur

\V

OH

H

+ ^ :O H

R' /

r—

/

O-

H

\V

H

Alkil karboksilatlarda bu mekanizma yeğlenir.

B Yolu: Alkil Karbonunda Nükleofilik Yer Değiştirme

R

O II

¿9

C

O

Q^'/ r " + %

:0H

Konfigürasyon „-----

/.

R\

R—C --

devrilmesi

H

O

/ '

+ R

7 H

O-

—OH

Bu mekanizma çok nadir gözlenir.

Karboksilik asit esterlerinde alkil karbon-atomu üzerine nükleofilik etki nadir olma sına karşın, sıilfonik asit esterlerinde alkil karbon atomu üzerine atak yeğlenir. 0

R—S— O

^s^R"

+

•0

—H

r-------------- 1'\ Konfigürasyon

9 II R—s —0 - +

R' R \

R»yy C — OH

devrilmesi

0

H

0

H

Alkil sülfat Bu mekanizma alkil sülfonatlarda gerçekleşir.

(a) A-F bileşiklerinin sterokimyasal formüllerini yazınız. 1.

o h

-

m-3-Metilsiklopentanol + C6H5S0 2C1-----►A ^ ► B + C6H5S0 3 0

2. m-3-Metilsiklopentanol r

1

OH-

+ C-H^C—C1----► C gen —:—r---►D + C60HsCO-, 03 soğutucu 3 altında kaynatma

^

P ro b le m 1 8 .1 2

833

834

Bölüm 18 / Karboksilik Asitler ve Türevleri OH", HjO

3. (/?)-2-Bromooktan + C HJ,C O*rN a + ---- ►E + NaBr (gen — —:---1►F soğutucu altında kaynatma)

aseton

.. , _

4. (/?)-2-Bromooktan + OH --------►F + Br

(b) Son iki yöntemde (3) veya (4), hangisinde F daha yüksek verimle oluşur? Niçin?

Problem 18. I 3

>■ Metil mesitoatın baz destekli hidrolizi açil karbonu yerine alkol karbonu üzerine atakla olur.

- CH3OH

(a) Bu beklenmeyen davranış için bir açıklama yapabilir misiniz? (b) Bu tepkime için, atağın yukarıdaki gibi olduğunu gösteren, etiketli bir bileşiğin kullanıldığı bir deney öneriniz.

18.7C Laktonlar Karboksilik asitlerin y ve 8 karbon atomlarında hidroksil grupları olduğunda, molekül içi esterleşme tepkimesi sonucu y veya 8 laktonlar olarak bilinen halkalı esterler olu şur. Tepkime asit katalizlidir.

B ir 5 - la k to n

L a k to n la r sulu baz ile diğer esterlerde olduğu gibi hidrolizlenirler. Bununla birlik te, sodyum tuzlarının asitlendirilmesi, özellikle asidin fazlası kullanılırsa, tepkimenin tersine dönerek y veya 8 laktonları oluşturmasına yol açabilir.

18.7 Esterler

O OH OH '/H jO ◄ --------------------

O

> C6H5CHCH,CH,C— O

H A , biraz fazla

o ° c | HA>tam bir eşdeğer mol

OH O I II c 6h 5c h c h 2c h 2c o h

Laktonların birçoğu doğal olarak oluşur. Örneğin C vitamini (aşağıda) bir y laktondur. Bazı laktonlar. örneğin eritromisin ve nonaktin (Altbölüm 12.21B) oldukça büyük halkalı laktonlardır (makrosiklik laktonlar olarak adlandırılırlar) fakat doğal laktonların çoğu y veya 8 laktonlardır; yani çoğu 5 veya 6 üyeli halkalar içerir.

C Vitamini (askorbik asit)

Eritromisin A

/3-Laktonlar (dört üyeli halkalı laktonlardır) bazı tepkimelerde ara ürün olarak göz lenirler ve bazıları izole edilmiştir. Buna rağmen bu ara ürünler oldukça etkindir. Eğer /3-lakton, /3-hidroksi asitten sentezlenmek istenirse genelde lakton oluşumu yerine ¡3ayrılması meydana gelir.

O

O

RCHCHıCOH veya 1►RCH=CHCOH + H,0 OH /3-Hidroksi asit

asit

a^/S-Doymamış

asit RCH— CH, o-

%

/^-Lakton (oluşmaz)

O

835

836


ct-Hidroksi asitler ısıtıldığında

la k title r

denilen halkalı diesterler oluşur. _

0\

O II

/C

2 RÇHCOH

°\

■>R— C H \

CH— R

OH

o —c

a-Hidroksi asit

Laktit

/ \

o

a-Laktonlar bazı tepkimelerde ara ürün olarak meydana gelirler (bkz. Problemler 6.42 ve 6.43).

1 8 .8

A M İTL E R

I8.8A Amitlerin Sentezleri

Amitler çeşitli yöntemlerle açil klorürlerden, açil anhidrillerden, esterlerden, karboksi lik asitlerden ve karboksilik asit tuzlarmdan çıkılarak elde edilirler. Bu yöntemlerin hep si de açil karbonunda, amonyak veya aminin yer aldığı nükleofilik katılma-ayrılma tepkimesi içerir. Beklendiği gibi asit klorürleri en etkin ve karboksilat anyonları en az etkin olan türevlerdir. I8.8B Açil Klorürlerden Am itler

Birincil aminler, ikincil aminler ve amonyak açil klorıirlerle hızlı tepkimeler vererek amitleri oluştururlar. Oluşan HC1 'yi nötürlemek için amonyak veya aminin fazlası kul lanılır. •o*

•O'tAA

II

..

ı«

3

..

-> R — C 7 -C I : -

v nh3

1f 7 " H— N— H

t

ÇM

R t

H

— / ^ U

II3

is]— H :C1 :"

1

nh3

H

o

H R

N—H + N H /C l Bir amit

O'

¡S R

= ^

n h 2r '

■0 l^ 3 .. —►R----- C-7-C1 | ^7" H — N— R

I1 H

H R

N — R' :C1:~ t\

H ^

NH,R' O

H R

N —R' + R'NH3+ CP

Bir /V-sübstitüte amit

18.8 Amitler

O R

R

: O :\

'? 5 'v

P ■C -CI:

■> R

C l:

R ^ ( ^ N — R : C1 :~

7

I H

H — N— R I R'

^~ : n h r ' r " O' R N— R

+ R'R"NH,+ C1

Bir N,A-disübstitüte amit

Açil klorürler karboksilik asitlerden kolayca elde edildiğinden bu yöntem, amitlerin sen tezi için laboratuvarda en çok kullanılan yöntemlerden biridir. Açil klorürler ve amin (veya amonyak) arasındaki tepkime genellikle oda sıcaklığında (veya daha düşük sıcak lıkta) oluşur ve yüksek verimle amit elde edilir. Açil klorürler üçüncül aminlerle de nükleofilik katılma-aynlma tepkimesi verir ler. Oluşan açilamonyum iyonu sulu ortamda veya herhangi bir hidroksilik çözü cüde kararlı değildir.

o

/ R -C

9

9

II

+

R ,N :

-----►

\

II

/C ^ +

R

H,o

NR, C l~

^ -C \

—:—►R

OH+HNR,

C İ

Cİ

Açil klorür

3° Amin

Açilamonyum klorür

Açilpridinyum iyonları muhtemelen piridinli ortamda açil klorürlerin verdiği tep kimelerde ara ürün olarak bulunurlar.

I8.8C Karboksilik Anhidritlerden Am itler Asit anhidritler amonyakla, birincil ve ikincil aminlerle tepkimeye girerek, açil klorür lerin vermiş olduğu tepkimelere benzer şekilde, amitleri oluştururlar. O

O

RC—J20 + 2 N H , RC—J20 + 2 R — NH2 O

►RC— NH , + RC02~ NH4H O

O

\

RC— AO + 2 R'—

►RC—NH— R' + RC02~ R'NH, O

NH---- ►RC— N— R' I R"

+ RCOr

R'R"NH,

I R"

Halkalı anhidritler, amonyak veya aminlerle, halkalı olmayan anhidritlerin verdiği gibi, aynı genel yolla tepkime verirler; tepkime hem bir amit ve hem de bir amonyum

837

838


tuzu içeren bir ürün verir. Amonyum tuzunun asitlendirilmesi sonucu oluşan ürün hem bir amit hem de bir asit bileşiğidir.

Ftalik anhidrit

Amonyum ftalamat

Ftalamik asit

(%94)

(%81)

Amit asitin ısıtılması su ayrılmasına yol açar ve bir O

im it

oluşur. İmitler

O

— C— NH— C— bağlantısı içerir. O

O Ftalimit

(~% 1 0 0 ) I8.8D Esterlerden Am itler

Esterler acil karbon atomları üzerinden amonyak ile (a m o n ya k la m a olarak adlandırılır) veya birincil ya da ikincil aminlerle etkileştirildiklerinde nükleofilik katılma-aynlma tep kimeleri verirler. Bu tepkimeler, acil klorürlerin ve anhidritlerin tepkimelerine göre da ha yavaş gerçekleşir fakat sentetik olarak oldukça yararlıdır. O 0

/

R— C 0 \

+

OR'"

. . / R' H—N ---- ► R \ R"

R'

11

N

\

R"'OH R"

R' ve/veya R"

H olabilir 0

0

/ ClCHıC c

// 0-5°C ^ + nh,,.,,----------*■ CİCH.C

\

+ C2H5OH

\ NH,

o c ,h 5

Etil kloroasetat

Kloroasetamit (%62-87)

I8.8E Karboksilik Asitlerden ve Am onyum Karboksilattan Am itler

Karboksilik asitler sulu amonyakla tepkimeye girerek amonyum tuzları oluştururlar. O

O

+ NH3 R

O“ NH4+ Amonyum karboksilat

18.8 Amitler

Karboksilal iyonunun niikleofilik katılma-ayrılma tepkimelerindeki etkinliğinin az ol ması nedeniyle sulu çözeltilerde genellikle daha ileri bir tepkime gerçekleşmez. Buna rağmen eğer su buharlaştırılır ve ardından kuru tuz ısıtılırsa su ayrılması sonucu bir amit oluşur. 0

1

o

//

R

N H 4 + (RatO

---------- >

+

H 20

nh2

Bu yöntem amit elde edilmesinde iyi bir yöntem değildir. Daha iyi bir yöntem, asi din açil klorüre dönüştürülmesi ve daha sonra açil klorüı ün amonyak veya aminle etkileştirilmesidir (Kısım 18.8B). Amitler biyokimyada oldukça önemlidirler. Ayrı ayrı amino asitlerin birbiriyle bir leşmesi sonucu aralarında başlıca amit bağı olan proteinler oluşur. Amit sentezleri için yeni ılımlı yöntemler bulmak amacıyla çokça yeni araştırma yapılmaktadır. Çok yarar lı reaktiflerden biri disikloheksilkarbodiimittir (DCC), C6H n —N = C = N —C6H|,. Disikloheksilkarbodiimit, bir asidin karboksil grubuyla tepkimeye girerek ve nükleofilik katılma-ayrılmayı etkinleştirerek, amit oluşumunu destekler.

T e pk im e için Bir Mekanizma ____________ D C C -D e s te k li A m it Sentezi Ç6H h

:N ()=— ^ Î c + c \ b :N :0— H 1 //

-

R \

-►

(=^+

C«HU

N— C6Hn //

N— / O— C V. N:~ 1 c 6h ,

R \

..

«— ► c

c V. N:1 c 6h m

//

H— 0+

Disikloheksilkarbodiimit (DCC) Proton aktarımı

O' II R

N - C 6Hn o —c

••

R — NH,

V. N 6H h NHC

Etkin ara ürün

R — C— O — C

O //

-> R—C Düzgün dörtyüzlü ara ürünün kaybı ve proton aktarım ı

\

+ o=c

/

NHC6Hn

\ NHR'

Amit

NHC6HU AÂ'-Disikloheksilüre

839

840


Bu sentezde ara ürünün izole edilmesine gerek yoktur ve her iki basamak oda sıcak lığında gerçekleşir. Amitler oldukça yüksek verimle oluşur. Bölüm 24’te disikloheksil karbodiimidin otomatik peptit sentezlerinde nasıl kullanıldığım göreceğiz. I8.8F Amitlerin Hidrolizi Amitler sulu asit veya sulu baz içerisinde ısıtıldığında hidroliz olurlar. A sidik Hidroliz O

O // R— C

+ H ,0 H

H,0

> R— C

:NH,

+ NH„ OH

Bazik Hidroliz O /

R— C

O H ,0

/

,s‘

\

+ Na+OH- — ►R—C

\

:NH,

+ NH, O N a+

N-Sübstitüe amitler ve N.A-disübstitüe amitler de sulu asit veya baz çözeltileriyle hidıolizlenirler. Amit hidrolizleri, her iki yöntemde de, ona karşılık gelen ester hidro lizlerinden daha yavaştır. Bu yüzden, amit hidrolizleri genellikle daha fazla zorlayıcı deney şartları gerektirir. Amitlerin asidik hidroliz tepkimelerinin mekanizmaları, Altbölüm 18.7A’da verilen es terlerin asidik hidrolizlerinin mekanizmasına benzer. Su, nükleofil olarak davranır ve protonlanmış amide atak yapar. Amidin asit hidrolizinde ayrılan grup amonyaktır (veya bir amin).

T e p k i m e için Bir Me ka ni z m a Bir Amidin Asidik Hidrolizi O' // R— C

H ( ^ 1+ + H—O — H ^

OH,

O — II I R — C — OH,

\

NH,

:n h 2 B ir su m olekülü, protonlanm ış k arb o n ile a ta k y a p a ra k b ir düzgün d ö rtyü zlü ara ürü n o lu ştu ru r.

A m it sulu asitten b ir proton a lır .

/•O—H »I R — C— O — H <*- =t R - C

i !NH,

+ -

A m o n yak m olekülünün a y rılm a s ıy la p rotonlanm ış k a rb o k silik asit olu şu r.

\

+

:0 —H

A m onyağa b ir proton a k ta rılm a sı sonucu k a rb o k silik asit ve am onyum iyonu o lu şu r.

nh,

/ ’ R— C : OH

O k sije n üzerind eki proton ç ık a r ve azota b a ğ lan ır.

+ + NH4

18.8 Amitler

Amitlerin bazik hidrolizlerinde, hidroksit iyonunun hem nükleofil ve hem de baz ola rak davrandıkları yönünde kanıtlar vardır.

j T e p k i m e için Bir Me ka ni z m a

Amitlerin enzimlerle hidroliz olmaları proteinlerin parçalanmasının merkezini oluşturur. Kimotripsin enzimiyle olan protein hidrolizinin mekanizması Altböiüm 24.1 Tde gösteril miştir. Aşağıdaki her bir amidin asidik ve bazik hidrolizleri sonucu hangi ürünleri elde eder- ■< siniz? (a)

N ,N -Dietilbenzamit

(c) H0 2CCH—NHC—CHNH:

(bir dipeptit)

I8.8G Amitlerin Dehidrasyonlarıyla Nitriller

Amitler, P4O 10 (fosfor pentaoksit olarak adlandırılan ve P20 5 olarak yazılan bir bileşik) veya kaynayan asidik anhidritle tepkimeye girerek nitrilleri oluştururlar. Ö* P.O.„ veva (C H ,C 0),0

//

R— C /

--------- ------------ -► R — C = N: + H,P0 4 veya CH3CO,H

:n h 2

(—H,0)

Nitril

Bu yöntem, alkil halojenürlerle siyanür iyonu arasındaki nükleofilik yer değiştirme tep kimesiyle gerçekleştirilemeyen nitrillerin sentezinde yararlı bir yöntemdir.

Problem 18.14

841

842


Problem 18.15

> (a) (b)

(CH 3 ) 3 C C 0 2 H ’den (CH3)3CCN sentezinin bütün basamaklarını gösteriniz. Aşağıdaki yöntemle (CH3)3CCN bileşiğini sentezlemek istediğinizde hangi ürünleri elde edersiniz? (CH3 )3C—Br + CN"-----►

I8.8H Nitrillerin Hidrolizi Nitriller karbonil grubu içermemelerine rağmen karboksilik asitlerin türevleri gibi dü şünülürler; çünkü, nitrillerin tam hidrolizi bir karboksilik asit veya bir karboksilat an yonu verir (Altbölüm 16.9 ve 18.3).

> RC0;H R— C = N ""

>R cor

Bu hidroliz mekanizması amitlerin asidik ve bazik hidrolizlerine benzer. Nitrillerin basamağında azot atomu protonlanır. Bu protonlanma (ikin ci basamakta) nitril grubunu polarize eder ve karbon atomuna su gibi zayıf bir nükleofilin saldırısını kolaylaştırır. Oksijen atomundan bir protonun kaybedilmesi sonucu amidin tautomerik şekli oluşur. Azot atomuna bir protonun katılması sonucu protonlanmış amit oluşur, ve bundan sonra Altbölüm 18.8F’de amitlerin asidik hidrolizleri için verilen basamakların aynısı gerçekleşir. (Derişik H 2S 0 4 kullanıldığında tepkime protonlanmış amit basamağında durur ve bu yöntem nitrillerden amitlerin eldesi için önem li bir yöntemdir.)

asidik hidrolizlerinin ilk

18.8 Amitler

Bazik hidrolizde, bir hidroksit iyonu nitrilin karbon atomuna atak yapar ve ardın dan olan protonlanma amit tautomerinin oluşumuna yol açar. Hidroksit iyonunun daha ileri atağı sonucu amitlerin bazik hidrolizinde olduğu gibi hidroliz gerçekleşir (Altbölüm 18.8 F). (Amitler, uygun şartlar altında yapılan nitrillerin hidrolizinde izole edilebilirler.)

18.81 Laktamlar Halkalı amitler laktamlar olarak adlandırılırlar. Laktam halkasının büyüklüğü Yunan harfleri kullanılarak, lakton adlandırılmasındakine (Bölüm 18.7C) benzer şekilde belir tilir. O

0

|| o

il

c*CH,— C I ' P' — CH— N— H

«CH2

1

N — H 1

7 1 (3CH2— C H — R

/ ( \ aCH 2 N— H | z pCH, ch

Bir /3-Iaktam

Bir T-laktam

SC H — R 2

Bir5-laktam

y-Laktamlar ve 5-laktamlar, y ve 5-amino asitlerden kendiliğinden oluşurlar. j8 -Laktamlar oldukça etkindirler, 4 üyeli halkaları gergindir ve nükleofilik reaktiflerin varlığında kolayca açılır.

843

unyası Pinisilinler enisilin antibiyotikleri (bkz. aşağıdaki yapı) bir /3-laktam halkası içerirler. O

R—CNH

/

o

Endüstriyel ölçekte bir antibiyotik üretiminde kullanılan bir reaktör.

\

/ s x / CH’

CH — CH

C

R = C6H5CH2—

Penisilin G

R = C()H,CH—

Ampisilin

'I

1 'V h C1 -----N----CHCH3

\

nh2

CO,H

Penisilin V

R = C6H5OCH2—

Penisilinler bakteri hücre duvarlarının sentezine karışarak etkirler. Bunu, biyosentetik yolla hücre duvarını yapan önemli bir enzimin amino grubuyla tepkimeye girerek yaparlar. Bu tepkime /3-laktam halkasının açılmasını ve enzimin (onun etkinliğini gideren) açillenmesini içerir. O

+

„

__

O

/ SX /C H , R —CNH—CH—CH C -N-

x-

/ S x /C H , R—CNH— CH ----- CH C I I I \ H 0=Ç H — N-----CH L H 3

CHCHi \ CO,H

¿ )

Etkili ulınavan enzim

Penisilin

Etkin enzim

XC0>H

Penisilin antibiyotiklerine karşı bakterilerin dayanıklılığı enfeksiyonların tedavisin de önemli bir problemdir. Penisiline karşı direnç geliştiren bakteriler penisilinaz deni len bir enzim üretirler. Penisilenaz, penisilinin /3-laktam halkasını hidroliz eder ve sonuçta penisiloik asit oluşur, böylece penisiloik asit açilleme reaktifi olarak davranamadığından yukarıda gösterilen mekanizmayla olan bakteri hücre duvarı sentezini önleyemez. O

H,0

î

/ \

/ CH-

R— CNH— CH— CH C

penisilinaz

> R—CNH—C H -

I I !x c h C---- N----- CH^ “ 3 O C 02H

0

I

H

1 |X N-----C H CH ^ H3

OH

Penisilin

1 8.9

=Ç

/ S x /C H , CH C \

CO,H

Penisiloik asit

ÎV -H A L O A S İT L E R : H E L L -V O L H A R D -Z E L İN S K İ TE P K İM E S İ

Alifatik karboksilik asitler, bromiir veya klorür ile fosfor (veya bir fosfor halojenür) varlığında Hell - Volhard - Zelinski (veya HVZ) tepkimesi olarak bilinen bir tepkimeyle a-halo asitleri verirler. Genel Tepkime

(1) x „ p

RCH,CO,H ~

777

(2) H,0

►RCHCO,H X a-Halo asit

844

18.9 cx-Halo Asitler: Hell-Volhard-Zelinski Tepkimesi

O

o /

ch 3c h 2c h 2c

\

O

/

(1) Br,, P

c h 3c h 2chc

OH

(2) H-,0 -

\

Br

~ -»

'f

C H ,C H ,C H C

■

I Br

BrJ

\ OH

2-Bromobütanoik asit (%77)

Bütanoik asit

Halojenlerime özellikle a karbonunda olur. Eğer tepkimede bir eşdeğer molden fazla brom veya klor kullanılırsa oluşan ürünler a,a-dihalo asitler veya a,a,a-trihalo asitler dir. Hell - Volhard - Zelinski tepkimeleri daha ayrıntılı olarak aşağıda verilmiştir. Tepkimede anahtar basamak bir açil halojenürden bir enolıin oluşumunu içerir. (Karboksilik asitlerde enoller kendiliğinden oluşmaz.) Enol oluşumu bu özel halojenlenmenin a konumunda oluşundan sorumludur. /

O

P

R— CH,— C

P+

\

(PBr3)

R— CH,— C -

\

OH

Br Açil bromür

O /

R—CHC

(2) H,0

«

'/

R— CHC

\

\

+ HBr

Br Br Uh Br a-Halojenleme için daha uygun bir yöntem D. N. Harpp (McGill Üniversitesi) tara fından geliştirilmiştir. Karboksilik asitlerin SOCl 2 ile tepkimesi sonucu k o la y ca oluşan açil kloriirlerin uygun /V-halosüksinimit ve eser miktarda HX ile etkileştirilınesi a-kloro ve a-bromo açil klorürleri verir. O HX

N— H

SOCU (X = Cl veva Br)

a-tyodo açil klorürler benzer tepkimelerde moleküler iyodun kullanılmasıyla elde edilebilirler. ^ II

hi

RCH,CC1 + I, — 2

2 S O C İ,

ıı

►RCHCC1 |

I

a-Halo asitler, değişik nükleofillerle tepkime verme yatkınlıkları oldukça fazla olduğundan önemli sentetik ara ürünlerdir. a-Hidroksi Asitlere Dönüşüm

R—CHCO.H (1) (>l‘ -> R—CHCO,H + X" 2

X a-Halo asit

(2 ) H,0 -

|

OH a-Hidroksi asit

845

846


Özel Örnekler CH3CH2CHC02H Br

(1)

k 2c o

,,

h ,o

CH3CH2CHC02H

ıoo°c (2) H , c r

OH

2-Hidroksibütanoik asit (%69)

a-Amirıo Asitlere Dönüşüm R— CHC02H + 2NH —-> RCHCO,- + NH,X 1

X

n h 3+

tt-Halo asit

a-Amino asit

Özel Örnekler CH,CO,H + 2 NH, ---- ► t1 Br

CH2C O r

+ NH

NH,+

Aminoasetik asit (glisin) (%60-64)

1 8 . 1 0 K A R B O N İK A S İT TÜ R E V L E R İ

Bölüm 3’ün açılışında tartışılan karbonik anhidraz adlı bir enzim, su ve karbon dioksiti kar bonik asite çevirir.

Karbonik asit VHOCOH/ kararsız bir bileşiktir ve hemen bozunur (karbon dioksit ve su oluşur), bundan dolayı da izole edilemez. Bununla beraber, karbonik asitten türeti len (kağıt üzerinde, laboratuvarda değil) birçok açil kloriir. ester ve amit önemli uygu lamaları olan kararlı bileşiklerdir. Karbonil diklorür (C1COC1), fosgen olarak da adlandırılan oldukça zehirli bir bile şiktir ve karbonik asidin diaçil klorürü olarak düşünülebilir. Karbonil diklorür iki eşde ğer mol alkolle tepkimeye girerek bir dialkil karbonat verir. O

O cı

cı

+2C H ,C H ,O H

Karbonil diklorür

* CH 3CH2()COCH 2CH 3 + 2 HC1 Dietil karbonat

Genellikle, tepkime ortamına üçüncül bir amin ilave edilerek meydana gelen hidrojen kloriir nötürleştirilir. Karbonil diklorür amonyakla tepkimeye girerek üreyi verir (Aitbölüm 1.2A). O cı

cı

+4N H ,

o II * H 2NCNH2 + 2 NH4C1 Üre

Üre bir çok memelide azot içeren maddelerin metabolizmasının en son ürünüdür ve idrarla birlikte dışarı atılır.

18.10 Karbonik Asit Türevleri

I8 .I0 A Alkil Kloroformatlar ve Karbamatlar (Üretanlar)

Karbonil diklorürün bir eşdeğer mol alkolle etkileştirilmesi sonucu bir alkil kloroformat meydana gelir. O

O ROH + C1

C1

ci

RO

+ HC1

Alkil kloroformat

Özel Örnek O

O C,H,CH,OH +

cı

cı

c6h5ch ,o

cı

+ HC1

Benzil kloroformat

ya

Alkil kloroformat amonyakla veya aminlerle tepkimeye girdiğinde denilen bileşikler oluşur.

k a rb a m a tla r

ve

ü reta n la r

O II /C \

O — ►

+

CI

RO

r 'NH,

OH“

RO NHR' Karbamat (veya üretan)

Benzil kloroformat, bir amino grubunu korumak için kullanılır ve benziloksikarboııil grubu olarak adlandırılır. Altbölüm 24.7'de peptit ve protenlerin sentezinde bu koruma gruplarının nasıl kullanıldığını göreceğiz. Benziloksikarbonil grubunun olumlu bir yanı ılımlı şartlarda kolayca uzaklaştırılabilmesidir. Benziloksikarbonil türevlerinin hidrojen ve bir katalizör ile veya asetik asit içerisinde soğuk HBr ile etkileştirilmesi sonucu bu koruma grubu uzaklaştırılır. O II R — NH, + C6H5CH,0CC1

î

}

* R — NH— COCH2C6H J

Korunmuş amin

H„ Pd

O II

—--------- ►R— NH, + CO, + C6H sCH3

R — NH — COCH,CflH5 H B r. C H ,,c o : H

p

R _

^

+

q q 2 + c 6HsCH2Br

Karbamatlar ayrıca, alkollerin izosiyanatlar, R—N = C = O. ile tepkimesiyle de sentezlenebilirler. (Karbamatlar çok güzel kristal katı yapıdadırlar ve alkollerin tanınma sında yararlı türevlerdir.) Tepkime, açil karbonuna nükleofilik katılmanın bir örneğidir. O ROH + C6H5— N— C = 0 Fenil izosiyanat

ROC — NH— C,HS

847

848


Sevin olarak adlandırılan haşarat ilacı bir karbamattır. Bu bileşik 1-naftolün metil izosiyanatla tepkimesinde elde edilir. O // CH 3 — NH— C

\

HO

O

CH,— N = C = ( ) + Metil izosiyanot

1-Naftol

Sevin

1984’te Hindistan’da Bhopal’da metil izosiyanat üreten fabrikadan olan bir sızıntının yol açtığı trajik bir kaza meydana gelmiştir. Metil izosyanat oldukça fazla zehirli bir gazdır ve 1800’den fazla insan bu fabrika yakınında hayatlarını kaybetmiştir.

P ro b le m 18.6

>■ Aşağıdaki tepkimelerde oluşan ürünlerin yapılarım yazınız.

(a)

C6 H5CH2OH

+ C 6H 5N

=C =0

---- ►

(b) C1COC1 + aşırı CH 3NH 2 ----- ►

(c) Glisin (H 3NCH2 C 0 2") + C6H 5 CH2OCOCl (d) (c)’nin ürünü + H2, P d ----- ►

(e) (c)’nin ürünü + soğuk HBr, CH3 C 0 2H ---- ► (f) Üre + OH- , H 2 0 , ıs ı----- ►

Alkil kloroformatlar (ROCOCl), dialkil karbonatlar (ROCOOR) ve karbamatlar (ROCONH2, ROCONHR v.b.) kararlı bileşikler olmasına rağmen kloroformik asit (HOCOCİ), alkil hidrojen karbonatlar (ROCOOH) ve karbamik asit (HOCONH2) kararlı değillerdir. En son belirtilen bileşikler kendiliklerinden bozunarak karbon dioksit açığa çıkarırlar. O H20 + C 0 2 Kararsız

O II ----►ROH + CO, RO

OH

Kararsız

HO

NH2

----►NH. + CO, Kararsız

Bu kararsızlık bu maddelere özgü bir özelliktir ve aynı fonksiyonel gruba sahip karbo nik asitler de aynı özelliği gösterirler. O ^ HnO + CO,

HO

OH

Kararsız

18.11 Karboksilik Asitlerin Dekarboksilasyonu

18. 1

I

K A R B O K S İL İK A S İT L E R İN D E K A R B O K S İL A S Y O N U

Karboksilik asitlerin C 0 2 kaybettiği tepkimelere dekarboksilasyon tepkimeden denir. O dekarboksilasyon

------------- — ►R — H + CO, R

OH

Karbon dioksitin beklenmeyen kararlılığı birçok asidin dekarboksilasyonunun eksotermik olduğunu gösterir, buna rağmen uygulamada bu tepkimenin ilerleyişi her zaman ko lay değildir. Çünkü tepkime oldukça yavaştır. Dekarboksilasyonun yeterince hızlı ve sentetik bakımdan kullanışlı olması için moleküllerde özel grupların bulunması gerekir. Karboksilik asit grubundan bir karbon uzakta bir karbonil grubuna sahip asitlere /8 keto asitler denir. /3-Keto asitlerin 100-150°C'a ısıtılmasıyla hızlı bir şekilde dekar boksilasyon gerçekleşir. (Bazı /3-keto asitler oda sıcaklığında bile yavaşça dekarboksile olurlar.) 0

0

II

II

O 100-150°C

II

RCCH2C OH------------- ►RCCH3 + C 0 2 Bir /3-keto asit

Bu dekarboksilasyon tepkimesinin kolay olmasının iki sebebi vardır: Karboksilat anyonu karbon dioksit kaybettiğinde rezonans kararlı bir enolat an yonu oluşur. O: R -C

,'P \^

•o:

O: // -----►R— C

~C°2

O:

\

V.

CH,

CH,

Açilasetat iyonu

R

_ /Q \ ch2

Rezonans-kararlı anyon

Burada oluşan anyon, normal karboksilik asit anyonunun dekarboksilasyonundan oluşması beklenen RCH2: anyonundan çok daha kararlıdır. Asit kendiliğinden dekarboksilasyona uğradığında, dekarboksilasyon, altı halkalı bir geçiş hali üzerinden gerçekleşir. H 0

0

II

1

ch2

/Î-Keto asit

o

R

/ u \

R

u \

n/ C ^ - > c ,

ch2

Enol

R

< 3 CH Keton

Bu tepkime doğrudan bir enol verir ve bir anyonik ara ürün oluşmaz. Enol daha sonra bir metil ketona tautomerleşir.

849

ımyası T iyam in

f iyamin vitamini; piruvatın, asetil-koenzim A ’ya metabolik dekarboksilasyonunda bir koenzim olarak kullanılır. Piruvat dehidrojenaz tarafından katalizle nen bu dönüşüm, glikoliz ve sitrik asit çevrimi arasındaki çevrimde temel bağlantıdır. Bu süreçte tiyamin bağlı enzimin tiyazol halkası (bir yilür yapısın da, bkz. Altbölüm 16.10) tarafından piruvat üzerine yapılan nükleofilik atak düz gün dörtyüzlü bir ara ürünün oluşumuna yol açar. C 0 2 ayrılması sonucu oluşan karbanyon, tiyazol halkasınca rezonansla kararlı kılınır. Bir sonraki tepkime pinıvattan kalan iki karbonu asetil-koenzim A’ya aktarır ve bir başka tepkime çev Kepekli ekmekler tiyaminin (vitamin Bl) besinsel kaynağıdır. rimi için tiyamin koenzimini bırakır. Bu tepkimedeki tiyaminin temel rolü karbanyon ara ürününü kararlı hale getirmektir.

H3c

R,

M

R

Vs HO

ch3

Rezonans kararlılığı — tiyamin + koenzim A

+H+

(Ç ok sayıda basamak içerir)

h 3c

Tiyamin tiyazol yilür (enzim kompleksinin bir parçası)

r- nV

SCoA I (A

S o

ch3

AsetU-koenzim A

°\ / O

5* / CU}

c—c

Malonik asitler de aynı sebeplerden dolayı kolay bir şekilde dekarboksile olurlar.

O

R

O IO O -150°C

R

O

I

II

HOC— C—COH------------ ►H—C— COH + CO, I

R

I

R

Malonik asit

Malonik asitlerin çok kolay dekarboksilasyona uğradıklarına ve halkalı anhidritler (Altbölüm 18.6) oluşturmadıklarına dikkat ediniz.

Bölüm 19’da /3-keto asitlerin ve malonik asitlerin dekarboksilasyon tepkimele rinin sentetik bakımdan nasıl yararlı olduklarını göreceğiz. Aromatik karboksilik asitler, bakır(I) tuzuna dönüştürülür ve soy atmosfer altında

850

18.12 Acil Bileşikleri için Kimyasal Denemeler

kinolin ile bakır(I) oksit varlığında ısıtılırlarsa dekarboksile olabilirler.

C u ,0

ArCOıH —

►ArCO.Cu

C u ,0 . N ı, ısı

■> ArH + CO.

18.11 A Karboksil Radikallerinin Dekarboksilasyonu Basit alifatik asitlerin karboksilat iyonları (R C 02~) kolayca dekarboksile olamamaları na rağmen karboksil radikalleri (RCCV) dekarboksile olurlar. Bunlar karbondioksit kay bederek ve alkil radikalleri oluşturarak dekarboksilasyona uğrarlar: RC0 2 ------ ►R- + C 0 2

Dekarboksilasyon tepkimelerini kullanarak aşağıdaki maddelerin herbirini uygun ■< başlangıç maddelerinden sentezleyiniz. (a) 2-Heksanon (c) Sikloheksanon (b) 2-Metilbütanoik asit (d) Pentanoik asit

(?

î)

Diaçil peroksitler \RC O O C R / ısıtıldıklarında hemen bozunurlar (a) Bu ^ kararsızlığın nedeni nedir? (b) Diaçil peroksitin bozunmasıyla C 0 2 oluşur. Bu de karboksilasyon nasıl olmuştur? (c) Diaçil peroksitler radikal tepkimelerinde başlatıcı olarak kullanılırlar. Örneğin alkenlerin polimerleşmesinde: o o I I ^ n CH2 = C H 2 --------— ------- ►R-CCH 2CH2-^H R C — O — O — CR

Tepkimenin basamaklarını gösteriniz.

18.12

A Ç İ L B İLE Ş İK LE R İ İÇ İN K İM Y A S A L D E N E M E L E R

Karboksilik asitler zayıf asitlerdir ve asitlikleri onları tanımamıza yardımcı olur. Suda çözünen karboksilik asitlerin sulu çözeltileri mavi turnusol kâğıdıyla asit testini verir. Suda çözünmeyen karboksilik asitler sulu sodyum hidroksit ve sulu sodyum bikarbonat (Altbölüm 18.2C’ye bakınız) içerisinde çözünürler. Sulu sodyum bikarbonat reaktifi kar boksilik asitleri fenollerin birçoğundan ayırt etmemize yardımcı olur. Di- ve trinitrofenoller hariç, fenoller sulu sodyum bikarbonat içerisinde çözünmezler, karboksilik asitler sulu sodyum bikarbonat içerisinde çözündüklerinde karbon dioksit açığa çıkarırlar. Açil klorürler su içerisinde hidroliz olurlar ve oluşan klorür iyonları sulu gümüş nit ratla etkileştirildiğinde çöker. Asit anhidritler sulu sodyum hidroksit içerisinde kısa bir süre ısıtıldıkları zaman çözünürler. Esterler ve amitler sodyum hidroksit ile geri soğutucu altında kaynatıldıklarında ya vaşça hidroliz olurlar. Bir ester, karboksilat anyonu ve alkol; bir amit, karboksilat an yonu ve bir amin veya amonyak oluşturur. Hidroliz ürünleri olan asit ve alkol veya amin, izole edilip tanınabilir. Sübstitüe olmamış amitlerin baz destekli hidrolizlerinde amon

P ro b le m 18.17

P ro b le m 18.18

851

852


yak meydana geldiğinden, bu amonyak, tepkime karışımı üzerindeki buhara kırmızı tur nusol kâğıdı tutulduğunda tespit edilebilir. Amitler aminlerden sulu HC1 ile ayııt edilebilirler. Birçok amin sulu HC1 içerisin de çözünür; oysa birçok amit çözünmez (bkz. Problem 13.38).

i K a r b o k s ilik A s i t l e r v e T ü r e v l e r i n i n j T ep k im e le rin in Ö z e ti : Karboksilik asitlerin ve türevlerinin tepkimeleri bu kısımda özetlenmiştir. Bu özet teki tepkimelerin bir çoğu (tamamı değil) açil transfer tepkimeleridir (bu tepkimeler Altböliim 18.5 ve daha sonrasında gösterilmiştir). Bu özeti kullanarak Altbölüm 18.4’ii tekrar etmiş olacaksınız. Bu da açil transferlerinin genel nükleofilik katılma-ayrılma me kanizmalarım göstermektedir. Öğretme bakımdan özel açil transferi tepkimelerini bu ge nel mekanizmadan sonra vererek bu mekanizmayla ilişkilendirmek daha uygun olur. Birçok durumda tepkime proton aktarımı basamaklarını içerir; bunun nedeni, ayrılan gru bu daha kolay ayrılan bir grup haline getirmek veya tepkimenin herhangi bir anında pro tonun kuvvetli bir baza aktarılmasını sağlamaktır. Açil transfer tepkimelerinde esas olan nükleofilik katılma-ayrılma basamağı kolayca ayırt edilebilir.

Karboksilik Asitlerin Tepkimeleri

1. Asitler olarak (Altbölüm 3.10 ve 18.2C'de tartışılmıştır). R C 02H + NaOH ---- ►RCO, Na" + H20 R C 02H + NaHCOa---- ►R C 02 Na+ + H ,0 + CO, 2. İndirgenme (Altbölüm 12.3’te tartışılmıştır). (1) Et,O

RC02H + LiAIH4 (2) H;()» RCHzOH 3. Açil klorüre dönüşüm (Altbölüm 18.5’de tartışılmıştır). RC02H + sOCl2 ---- ►RCOCI + S02 + HC1 3 RC02H + PC1?---►3 RCOCI + H3PO3 RC02H + PCI5 ---- ►RCOCI + POCI3 + HCI

4. Asit anhidritlere dönüşüm (Altbölüm 18.6’da tartışılmıştır). 0 0 I II -r H 2Ç

OH

H,C

S r ' OH I 0

,

\

h 2c ^

1 + O

h 2o

G

W 0

5. Esterlere dönüşüm (Altbölüm 18.7’de tartışılmıştır). O

O

II

IİA

/C \

R

+ R — OH * = * OH

II

/C ^

R

+ H,() OR'

Karboksilik Asitler ve Türevlerinin Tepkimelerinin Özeti 6.

Laktonlara dönüşüm (Altbölüm 18.7C’de tartışılmıştır).

O II

/c \

0

HA

/

R— C H -f CH2^rCOH * = ±

(CH2)„

,0

+ H ,0

CH

OH

R n = 2 , y-lakton n = 3, 5 -lakton

7.

Amit ve imitlere dönüşüm (Altbölüm 18.8’de tartışılmıştır).

O R—

O / + NH, ♦ =►R— C

/ OH

O / ■*R — C

+ H,0

\

O" NH4h

nh2

Amit

0

0

II

II H 2 ç / C V NH 2

İS İ

H2C \ c /O H

H,C 2i " C \ 1 NH + H ,0 h2c c

p

I

W 0

0

Bir halkalı imit

8.

Laktamlara dönüşüm (Altbölüm 18.8I’da tartışılmıştır).

NH, O I ' II R— CH(CH2)„COH

H I H \ /N x

/Cx / C = o R

+

(CH2)„

n = 2 , y-laktam n = 3, d-laktam

9. a-Halojenlenme (Altbölüm 18.9’da tartışılmıştır).

R— CH2C 02H + X2

R— ÇHC02H + HX X

X, = Cl2 veya Br,

10. Dekarboksilasyon (Altbölüm 0

0

18.1Tde tartışılmıştır).

O

RCCH2COH----- 1►RCCH3 + c o 2 0 0 o I I ,s, I h o c c h 2c o h ------►CH,COH + c o 2

h 2o

853

854


Açil K lorürlerin Tepkim eleri 1. Asillere dönüşüm (Altbölüm !8.5B'de tartışılmıştır).

R

Cl

+ H , 0 ---- ► R

+ HCI OH

2. Anhidritlere dönüşüm (Altbölüm 18.6A’da tartışılmıştır).

o

o

I

O

I

o

I

I

+ R

Cl

+ cı R'

O"

R

O

R'

3. Esterlere dönüşüm (Altbölüm 18.7A'da tartışılmıştır).

O

O

/C s + R -O H R CI

4. Amitlere dönüşüm (Altbölüm

pmduı ► R

+ C I" + pir-HH OR'

18.8B'de tartışılmıştır).

0

0

II + NH,( aşırı) Cl

II -► / C \ + NH.Cl R NH,

0

0

IIII

IIII

+ R'NH, (aşırı) ---- ► R Cl 0

0

IIII

+ + R2 NH(aşırı) -— ► / C N R NR'

Cl 5.

+ R'NH,CI NHR'

r ;n h , c i

Ketonlara dönüşüm.

O R

Cl +

0

ı^

O

6.

(Altbölüm 15.7-15.9’da tartışılmıştır)

O

/C ^ R

R

( 0

Cl

+ R C u L i---- ► / C ^ R R'

(Altbölüm 16.5’te tartışılmıştır)

Aldehitlere dönüşümü (Altbölüm 16.4’te tartışılmıştır).

O

O d)

*C \ R

Cl

+ LİA1H[0C(CH3) 3]J33

ei 2o

..0 ► /C R

(2) H,0

H

Kaıboksilik Asitler ve Türevlerinin Tepkimelerinin Özeti

Asit Anhidritlerinin Tepkimeleri 1. Asitlere döniişümü( Altbölüm 18.6B'ye bkz.). O / R— C

O O + H ,0 ---- ►2

/ R— C

R

OH

O

2. Esterlere dönüşüm (Altbölüm 18.6B ve 18.7A!da tartışılmıştır). ,0

â R— C

O

O 0

/ R— C

+ROH— ► R

OR' + R

OH

O

3. Amitlere ve imitiere dönüşüm (Altbölüm 18.8C’de tartışılmıştır). O // R— C \

/

O

R'

O

O + H —

R— C

R

R

N

+ R

OH

o Rf ve/veya R" H olabilir.

0 I

0 II C\ o

+ r '— nh2 -

0 II

% h 2c .

jh r '

1S1 ^

. oh

' c\

c

0

N— R + H,0

H,C-

\\ 0

o R , H o la b ilir.

4. Aril ketonlara dönüşüm (Altbölüm 15.7 - 15.9’da tartışılmıştır). ° V /R

o // R ^ C\ .0

RO

+

A1C1,

O

o II +

R

OH

855

856


Esterlerin Tepkimeleri 1.

Hidroliz (Altbölüm 18.7’de tartışılmıştır). O II

0

II

HA

+

R

+ R — OH

h 2o

O—R'

R

OH O

O II / c\

+ OH

R

H20

O—R'

R'

o-

+ R — OH

2. Başka esterlere dönüşüm: tıansesterleşme (Problem 18.1 l ’de tartışılmıştır). O

O

II

HA

II

+ R"— o h *= = t

R

+

O— R'

R

r

—on

O—R"

3. Amitlere dönüşüm (Altbölüm 18.8D’de tartışılmıştır). O

O ,R

c

OR' + HN

R

>

\

X

'

r

+ R — OH R'"

R R" ve/veya R ”H olablir.

4.

Grignard reaktifleriyle tepkime (Altbölüm 12.8’de tartışılmıştır). O Il OMgX OR' + 2 R"MgX

R

E t,O

R—C— R" + R'OMgX R" I30 +

i*

OH I R —C— R" I R" 5.

İndirgenme (Altbölüm 12.3 de tartışılmıştır). O /C \ R

(!) Eln O — R' + LiAlH, ------- — ►R— CH,OH + R — OH 4 (2 ) H , 0

2

Amitlerin Tepkimeleri 1.

Hidroliz (Altbölüm 18.8F'de tartışılmıştır). O II

O II II,o

R

/ c\

NR' + H ,0 + ~ 1—►R

I

R"

3

+

O H + R — NH,

I -

R"


o II

R

o H ,0

NR' + OH- — ►R

O" + R' — NH I

R"

R"

R, R', ve/veya R" H olabilir.

2. Nitrillere dönüşüm: Dehidrasyon (Altbölüm 18.8G’de tartışılmıştır). 0

1

PAo

NH, (—h,0)

R 3.

-►R— C=N

Imitiere dönüşüm (Altbölüm 18.8C’de tartışılmıştır).

Nitrillerin Tepkimeleri 1. Karboksilik asit veya karboksilat anyonuna hidroliz (Altbölüm 18.8H). H .O ^, ısı

R—C = N — -------- ►RCOJI H C T .H ,0 .ıs ı

R— C = N -------- :--------►R C O r 2. (/-B u )2A 1H (DIBAL-H, Altbölüm 16.4) ile bir aldehite indirgenme.12 O R— C = N

(1) (/-Bu), A1H (2) H,()

3. Grignard veya organolityum reaktifiyle bir ketona dönüşüm (Altbölüm 16.5D). O

R— C=N +

R' — M

(1) Et,0 (2) H30+

>R

R'

M = MgBr veya Li

A n a h ta r T e rim le r ve K av ram lar

Acil Bileşikleri Karboksilik asit türevleri Siyanohidrinler Açil transfer tepkimesi Dekarboksilasyon Nükleofllik katılma-ayrılma

Altbölüm 18.1 Altbölüm 18.2 Altbölümler 16.9 ve 18.3 Altbölüm 18.4 Altbölüm 18.11 Altbölüm 18.4

857

858


Sabunlaşma Transesterleşm e

Laktonlar L aktaınlar Ek P

roblemler

18.19

18.20

18.21 18.22

18.23

18.24

18.25

Altbölüm Altböliim Altbölüm Altbölüm

18.7B 18.7 18.7C 18.81

Aşağıdaki her bir bileşiğin yapı formülünü yazınız: (l) Dietil adipat (a) Heksanoik asit (m) İzobütil propanoat (b) Heksanamit (n) 2-Naftoik asit (c) iV-Etilheksanamit (o) Maleik asit (d) /V,/V-Dietilheksanamit (p) 2-Hidroksibütandiok asit (malik asit) (e) 3-Heksandiok asit (q) Fumarik asit (f) 2-Metil-4-heksenoik asit (r) Süksinik asit asit (g) Heksandiok asit (s) Süksinimit (h) Ftalik asit (t) Malonik asit (i) İzoftalik asit (u) Dietil malonat (j) Tereftalik asit (k) Dietil oksalat Aşağıdaki bileşiklerin her biri için IUPAC veya yaygın adını yazınız: (f) C 6H ,C 0 2C 6H5 (a) C6H 3C 0 2H (g) CH3C 0 2CH(CH 3) 2 (b) C 6 H5C0C1 (h) CH 3CON(CH 3) 2 (c) C 6H 5CONH 2 (i) CH3CN (d) (C6H 5C 0 )20 (e) C 6H5C 0 2CH 2C6H 5 p-Klorotoluenin aşağıdaki her bir bileşiğe nasıl dönüştürülebileceğini gösteriniz: (a) p-Klorobenzoik asit (c) p-C lC 6Fl4C H (0H )C 02H (b) p-Klorofenilasetik asit (d) /?-ClC 6H 4C H = C H C 0 2H Aşağıdaki sentezleri yapınız. (a) Asetik asitten malonik asit (b) 1,4-Bütandiolden süksinik asit (c) Sikloheksanolden adipik asit Aşağıdaki bileşiklerin her birinden pentaııoik asitin nasıl sentezlenebileceğini gösteriniz. (a) 1-Pentanoi (c) 5-Deken (b) 1-Bromobütan (iki yol) (d) Pentanal Asetil klorürün aşağıdaki maddelerin her biri ile olan tepkimesinde oluşan ana organik ürün nedir? (i) CH3NH2 (aşırı) (a) H20 (b) CH 3CH2Lİ (aşırı) (j) C6HSNH2 (aşırı) (c) CH 3(CH 2 )2CH2OH ve piridin (k) (CH3)2NH (aşırı) (l) CH3CH2OH ve piridin (d) NH 3 (aşırı) (m) CH3C 02"Na+ (e) C6H 5CH3 ve A1C13 (n) CH3C 02H ve piridin (f) LiA 1H[OC(CH 3) 3] 3 (o) Fenol ve piridin (g) (CH3)2CuLi (p ) NBS, HBr, ve SOCl2 (h) NaOH/H20

Asetik anhidritin aşağıdaki maddelerin her biriyle olan tepkimesinde oluşan ana organik ürün nedir? (a) NH3 (fazla) (c) CH3CH2CH2OH (e) CH3CH2NH2 (aşırı) (b) H20 (d) C6H6 + A1C13 (f) (CH3CH2)2NH (aşırı)


Ek Problem

18.26

Problem 18.25’teki her bir reaktif süksinik anhidritle tepkimeye girdiğinde oluşan ana organik ürün nedir?

18.27

1-Fenilnaftalinin sentezini, benzen ve süksinik anhidritten başlayarak ve gerekli başka reaktifleri kullanarak gösteriniz.

18.28

Aşağıdaki her bir bileşiği cis- veya trans- H 0 2 C —C H = C H —C 0 2 H'den (yani, maleik asit veya fumarik asitten) başlayarak ve gerekli başka maddeleri kullanarak sentezleyiniz.

CCbH

H C° 2H 18.29

Aşağıdakilerin her biriyle etil propanoatın tepkimesinden hangi ürünler elde edilir? (a) H 30 +, H20 (c) 1-Oktanol, HC1 (e) LİA1H4, sonra H20 (b) OH', H ,0 (d) CH 3NH 2 (f) Aşırı C6H 5MgBr, sonra H20

18.30

Aşağıdakilerin her biriyle propanamit tepkimeye girdiğinde hangi ürünler el de edilir? (a) H 30 +, H ,0 (b) OH", H20 (c) P 4O 10 ve ısı

18.31

Problem 18.30 (a) ve (b) için ayrıntılı mekanizmaları yazınız.

18.32

Aşağıdaki bileşiklerin her birinin ısıtılmasıyla hangi ürünler elde edilir. (a) 4-Hidroksıbiltanoik asit O II (b) 3-Hidroksibütanoik asit c —o (c) 2-Hidroksibütanoik asit (f) (d) Glutarik asit O c h 2n h 3^

D

(e) CH3CHCH2CH2CH2COn h 3+

18.33

A -Q bileşiklerinin stereokimyasal formüllerini yazınız. p-toluensülfonil klorür (T s C I)

(a) (R)-(-)-2-Bütanol------ - j -i -----►A A ------ > (+)-C (C^HıoCk) (b) (/?)-(—)-2-Bütanol

(-)-C(C5H10a.) c h ,c o

(c) A

2

(1) LİA 1H 4 (2) H , 0 PBr, piridin

CN

h

,s o 4

-* B(C sH9N ) ^H-,tt > 0

^ ( )-D (C5 H 120 ) CN“

* E (C4 HyBr)----- ► F (C 5 H9N)

(1) L iA lH j

(2 ) H ; 0

H ,S 0 4 H ,0

^ (+ )-D (C5 H 17O) OH

► G(C 6 H 12a _ ) ----- ► (+)-H (C4 H10O )+ CH3 C 0 2

(d)

( )-D ---- ►J (CsHnBr)

(e)

(/?)-(+)-Gliseraldehit

HCN

K (C 5HnMgBr) ►M (C4H7N 03) + N (C4 H7N 03) Diastereomerler, ayrımsal kristallendirmeyle ayrılır.

L (C6 H120 2)

859

860

Bölüm 18 / Karboksilik Asitler ve Türevleri H ,S 0 4

[OJ

(f) M n o ►P (C4 H80 5) HNQ ►mezo-tartarık asit H ^S O j

[O l HN0

(g) N H O > 18.34

► (-)-tartarik asit

(a) (±)-Pantetein ve (±)-pantotenik asit, koenzim A'nın sentezinde önemli ara ürünlerdir ve aşağıdaki yöntemle hazırlanmışlardır. A - D bileşiklerinin yapı larını yazınız. CH3 O K ,C O ,

CH.CHCHO + HCH

HCN

— » A (C5H 10O2) -------►

( —)-B (C6HuN0 2) [ ( ± ) - C (C6H 120 4)] — o c h 2o h (±)-D (C6H 10O3) ~ ----- “ A’dany-lakton

o

o

\\ XTTT^ TT _ l T I ----- ►(CH3),C -----ÇHC— NHCH2CH2COH '

H ,N C H , C H , C O -

I

O

I

(±)-Pantotenik asit

H ,N C H ,C H X N H C H ,C H ,S H ▼ *

CH,OH I

*

O II

(CH3)2C— c h — c

O II — n h c h 2c h 2c n h c h 2c h 2s h

OH (±)-Pantetein

(b) y-Lakton, (±)-D , yarılabilir. Pantetein sentezinin son basamağında (-)-y-lakton kullanıldığında, doğal olarak oluşan pantetein ile aynı yapı elde edilir, (-)-y-lakton (R) konfigürasyonuna sahiptir. Doğal olarak oluşan panteteinin stereokimyası nedir? (c) (±)-Pantetein sulu sodyum hidroksit içe risinde ısıtıldığında oluşan ürünler nelerdir. 18.35

Fenasetinin (C | 0 H 13NO2) IR ve ’H NMR spektrumları Şekil 18.5’te verilmiş tir. Fenasetin ağrı kesici ve ateş düşürücü bir maddedir ve A-P-C tabletlerinin (aspirin-phenasetin-caffein) P ’sidir. (Fenasetin, toksik özelliğinden dolayı tıb bi olarak artık kullanılmamaktadır.) Fenasetin sulu sodyum hidroksit ile ısıtıl dığında fenetidin (C 8 Hn NO) ve sodyum asetat oluşur. Fenasetin ve fenetidinin yapılarını tahmin ediniz.

18.36

Aşağıda 'H NMR spektrumu ve karbonil İR soğurma pikleri verilen beş acil bileşiğinin her birine bir yapı öneriniz. (a) C 8H 140 4

(b)

c„h

14o 2

>H NMR spektrumu 8 1,2 ( 6 H) Üçlü Birli 5 2,5 (4H) 5 4,1 (4H) Dörtlü >H NMR spektrumu 8 1,0 (6 H) İkili 8 2,1 (İH) Çoklu 5 4,1 (2H) İkili 5 7,8 (5H) Çoklu

İR spektrumu 1740 cm-*

İR spektrumu 1720 cm-'

Ek Problem

Dalga boyu ( ^ m )

2.5

3

4

5

6

7

8

9

10

12

15

20

Frekans (cm ] )

Şekil I 8.5 Fenasetinin 300 MHz 'H NMR ve İR spektrumları. 'H NMR piklerinin genişle tilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca gösterilmiştir, (infrared spektrumu Sadtler Araş tırma Laboratuvarından alınmıştır, Philadelphia.)

(c) C |()H]2O 2

(d) C 2H 2C1 20 2

(e) C4H 7C 10 2

NMR spektrumu Üçlü 8 1,2 (3H) Birli 8 3,5 (2H) Dörtlü 8 4,1 (2H) Çoklu 8 7,3 (5H) 'H NMR spektrumu Birli 8 6,0 Birli 811,70 'H NMR spektrumu Üçlü 8 1,3 Birli 8 4,0 Dörtlü 8 4,2

İR spektrumu 1740 cm-1

İR spektrumu 2500-2700 cm-1 geniş pik 1705 cm-1 İR spektrumu 1745 cm->

30 40

861

862


18.37

/VjV-Dietil-m-toluamit, /77-CH3C6H4CON(CH2CH3)2 böcek kovucu bir madde dir. m-Toluik asitten başlayarak bu maddenin sentezini gösteriniz?

18.38

Amitler karşılık geldikleri aminlerden daha zayıf bazdırlar. Örneğin, suda çözünmeyen birçok amin (RNH2) seyreltik sulu asitler (sulu HC1. H2S04 gi bi) içerisinde alkilamonyum tuzlan (RNH3+X~) oluşturarak çözünür. Onlara karşılık gelen amitler (RCONH2) ise se y re ltik sulu a sitle rd e çözü n m ezler. Bu na göre, amitlerin aminlere oranla çok daha zayıf baz oluşlarını açıklayınız.

18.39

Amitler aminlerden daha az bazik fakat daha kuvvetli asitlerdir. Amitlerin pK a değerleri 14-16 arasındadır. Aminlerin pÂ^'sı ise 33-35 aralığmdadu-. (a) Amit lerin çok daha kuvvetli olan asitlikleri hangi etkenlere bağlıdır? (b) İmitler O II

(RC).NH yapısındadır ve amitlerden daha kuvvetli asitlerdir. Imitlerin p K a değerleri 9-10’dur ve suda çözünmemelerine karşılık sulu NaOH içerisinde sodyum tuzları oluşturarak çözünürler. İmitlerin daha fazla asidik oluşunu hangi ek etken açıklar?

18.40

X Bileşiği (C7H120 4), sulu sodyum bikarbonat içerisinde çözünmez. X’in İR spektrumu 1740 c m '’de kuvvetli bir soğurma piki verir, ve LİC NMR spektrumu Şekil 18.6’da verilmiştir. X'in yapısı nedir? O

O

18.41

220

200

Alkiltiyo asetatlar yCH3CSCH2CH:Ry 5 tiyolasetik asit \CH3CSH/ ve bir alkenin (CII2=C IIR ) peroksitle başlatılan bir tepkimesiyle elde edilebilir, (a) Bu tepkime için uygun bir mekanizma yazınız, (b) Bu tepkimenin, 2-me-

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

8C (ppm)

Şekil I 8 . 6 Problem 18.40’da verilen X bileşiğinin genişband proton-eşleşmesiz 1JC NMR spektrumu. DEPT I3C NMR spektrumdan elde edilen bilgiler her bir pik üzerinde verilmiş tir.

Ek Problemler

til-2-bütenden 3-metil-2-bütantiyolün sentezinde nasıl kullanılabileceğini gös teriniz. 18.42

r/.ç-4-Hidroksisikloheksankarboksilik asitin ısıtılmasıyla bir lakton oluşur, fa kat, i/Y//ı.v-4-hidroksisikloheksankarboksilik asit bu tepkimeyi vermez, niçin? Açıklayınız.

18.43

(/?)-(+)-Gliseraldehit, aşağıdaki sentetik yolla (+)-malik asite dönüştürülebilir. Her bir basamaktaki ürünlerin stereokimyasal yapılarını yazmız. B r ,,H ,0

P B r,

(/?)-(+)-Gliseraldehit —-—- 1— ►(—)-alıserık asit ---- -> (—)-3-bromo-2-hidroksipropanoik asit

NaCN --------► C4H5NO3

(-f)-malik asit

18.44

(/?)-(+)-Griseraldehit (-)-malik asite de dönüştürülebilir. Bu sentez Problem 18.33'teki (e) ile (g) şıkları; (R)-(+)-gliseraldehitin (-)-tartarik asite dönüşü mü ile başlar. Daha sonra (-)-tartarik asit fosfor tribromürle tepkimeye sokularak bir alkolik —OH grubunun — Br grubuyla yer değiştirme si sağlanır. Bu basamak atağa uğrayan karbon atomu üzerinde konfigurasyonun devrilmesi ile sonuçlanır. Bu tepkimede oluşan ürünün çinko ve asitle etkileştirilmesi sonucu (-)-malik asit oluşur, (a) Bu tepkimelerin bütün basamaklarındaki her bir ara ürünün stereokimyasal yapılarını gösteriniz, (b) (-)-Tartarik asitin fosfor tribromıir ile etkileştirildiği basamakta, iki tane değişebilir — OH olmasına rağmen sadece bir stereoizomer oluşur. Bunun nedenini açıklayınız? (c) (-)-Tartarik asitin fosfor tribromür ile etkileştiği basamağın “karışık" stereokimya ile meydana geldiğini varsayalım. Yani atağın olduğu karbon atomunda hem devrilmenin olduğunu hem de konfigurasyonun korunduğunu varsayalım. Bu durumda kaç stereoizomer meydana gelirdi? (d) Bu durum tepkimenin sonucunda nasıl bir farklılık meydana getirirdi?

18.45

Kantaridin deriyi kuvvetli kabartan bir maddedir ve kurutulmuş böceklerden (Cantharis vesicatoria veya "İspanyol sineği") izole edilebilir. 1953 yılında Kolombiya Üniversitesinde bulunan Gilbert Stork tarafından kantaridinin stereözgü sentezi yayınlanmıştır. Sentez aşağıda gösterilmiştir. Bu tepkimelerde (a)-(n) arasında verilmeyen reaktifleri yazınız.

O

O

c h 2s c 2h ,

O

c h 2 s c 2h 5

863

864


18.46

Kantaridinin yapısını dikkatlice inceleyiniz (Problem 18.45) ve (a) furandan (Altbölüm 14.9) başlayarak kantaridin için iki basamaklı olası bir sentez öne riniz. (b) 1928 yılında F. von Bruchhausen ve H. W. Bersch. Münster Üniversitesi’nde Diels ve Alder’in yeni bir dien katılmasını açıkladıkları ilk makalelerinin yayınlanmasından yalnızca bir kaç ay sonra bu iki basamaklı sentezi yaptılar ve beklenen katılmanın olmadığını buldular, von Bruchhausen ve H. W. Bersch kantaridinin yüksek sıcaklıklarda kararlı olduğunu da buldu lar ve kantaridinin palladyum ile ısıtılmasıyla bozunduğunu (parçalandığını) tespit ettiler. Bozunma ürünleri içinde furan ve dimetil maleik anhidritin de olduğunu saptadılar. Bozunmada ne olmuştur? Bozunma neden olabilir? De nenen sentezin ilk basamağı neden gerçekleşmemiştir?

18.47

Y Bileşiği (C8H403) sulu sodyum bikarbonat içerisinde hafifçe ısıtıldığında yavaşça çözünür. Y’nin İR spektrumunda 1779 ve 1854 c m '’de kuvvetli pikler vardır. Y’nin UC NMR spektrumu Şekil 18.7’de verilmiştir. Y’nin bikarbonat çözeltisinin asitlendirilmesi sonucu Z bileşiği oluşur. Z bileşiğinin l3C NMR spektrumunda dört pik görülmektedir. Y etanol içerisinde ısıtıldığında AA bileşiği oluşur. AA Bileşiğinin l3C NMR spektrumunda 10 pik gözlemiştir. Buna göre Y, Z, ve AA’nın yapılarını tahmin ediniz.

18.48

Keten, H2C = C = 0 , endüstriyel olarak önemli bir kimyasaldır. Asetik asitin yüksek sıcaklıkta dehidrasyonundan veya asetonun pirolizininden elde edilebilir. Ketenin aşağıdaki bileşiklerle tepkimeye girmesi sonucu oluşan ürünleri tahmin ediniz (a) etanol, (b) asetik asit, (c) etilamin {İpucu: Markovnikov katılması gerçekleşir.)

Ek Problemler

1 .1

:

220

I

I

I

200

ı

i

'

■

— i—

180

ı—

!—

160

:—

I- - - - - - - - - 1- - - - - - - - 1—

140

i—

1— :- - - - - - - - - - ;—

■—

i—

120 100 5C(ppm)

1—

i—

i- - - - - - - - - :— ı—

80

1—

ı—

60

!— i- - - - - - - - :— :

40

1—

:—

20

:—

-

0

Şekil 18.7C Problem 18.47’deki Y bileşiğinin genişband proton-eşleşmesiz ,3C NMR spektrumu. DEPT 13C NMR spektrumundan elde edilen bilgiler her bir pikin üzerinde gösteril miştir.

18.49

İki asimetrik anhidrit etilenaminle aşağıdaki gibi tepkimeye girer: O O II II H C O C C H , + C H 3C H 2N H 2 -------► C H 3C H 2N H C H O + C H 3C

OO II II C F3C O C C H 3

+

c h 3c h 2n h 2 —

O II

►c h 3c h 2n h c c h 3 +

0 2- C H 3C H 2N H 3+

c f 3c o 2- c h ?c h 2n h 3+

Her bir tepkimede meydana gelen ürünlerin nasıl oluştuğunu açıklayınız. 18.50

1-Naftolden başlayarak Aitbölüm 18.10A'da gösterilen Sevin adlı haşarat ilacının bir başka sentezini öneriniz.

18.51

İbuprofen (Aitbölüm 5.10) sentezini benzenden çıkarak, bir basamakta da klorometilleme kullanarak yapınız. Klorometilleme tepkimesi Friedel-Crafts tep kimesinin özel bir durumudur; HCHO ve HC1 karışımının ZnCl2 içerisindeki bir tepkimesiyle aromatik halkaya —CH2C1 grubu katılır.

18.52

Aşağıda ibuprofenin alternatif sentezi verilmiştir. A formüllerini yazınız. O

O II

(CH3)2CHCC1 A1C1,

18.53

D maddelerinin yapı

>

,

Clemmensen . „

A ----------------- ►15 veya Wolff-Kishner

CH,CC1 ( c AlCIj

NaCN ^ p h , so 4

HI > ibuprofen (rasemik)

kırmızı

P

Sinnamaldehit (3-fenil-2-propenal) sentezi için olan bir yöntemde bir kimyacı 3-fenil-2-propen-l-olü sülfürik asit içerisindeki K2Cr20 7 ile etkileş tirdi. Oluşan ürünün l3C NMR spektrumunda 8 164,5’te bir pik gözlendi. 3Fenil-2-propen-l-ol, CH2C12 içerisinde PCC ile etkileştirildiğinde ise oluşan ürünün L,C NMR spektrumunda 8 193,3 te bir pik gözükmektedir (her iki mad denin diğer karbon pikleri benzer kimyasal kayma değerine sahiptir.) (a) Han gi tepkime sinnamaldehitı oluşturur? (b) Diğer ürün nedir?

865

866


*18.54

İki stereoizomer A ve C aşağıdaki yapıya sahiptir:

CH,X

O

A izomerinin baz destekli hidroliziyle B ürünü oluşur. B’nin bazı spektrum verileri aşağıda verilmiştir. MS im iz): 118 (Mî) IR (cm 1): 3415, 2550 'H NMR (S): 1,51, 1,66; 1,77, 2,65 ve 3,55’da çoklu pikler (alan oranları 2 : 2 : 2 : 1 : 1) ,3C NMR (8): 16(CH2), 28(CH2), 30(CH2), 39(CH) ve 77(CH) Aynı şartlarda C izomeri D ürününü verir. D’nin spektrum verileri aşağıda verilmiştir.

MS imiz): 100 (Mî) IR (cm-1): 3020 'H NMR (6): 1,51, 1,84 ve 2,25’de çoklu pikler (alan oranları 1 : 2 : 1) UC NMR (S): 22 (CH2), 33(CH2), 35 (CH2) (a) A ve B’nin yapılarını bulunuz? (b) C ve D’nin yapılarını bulunuz? (c) B ve D’nin oluşumları için mekanizmalarını yazınız? *18.55

E ara ürününden (izole edilememiştir) geçerek F son ürününü oluşturan aşa ğıdaki iki basamaklı tepkimeye göz önüne alınız.

altında kaynatma

E ’nin bazı spektrum verileri aşağıda verilmiştir.

MS imiz): 105 (M: değil), 77 IR (cm"1): 3065 (2600’dan 3600’a kadar olan bant), 1774, 1595, 1485, 775, 685 'H NMR (5): 7,6 (çoklu, 3H) ve 8,1 (çoklu, 2H) l3C NMR (5): 129(CH), 131(CH), 133(CH) ve 168(C) F nin seçilmiş verileri:

MS imiz): 197 (M:) IR (cm '): (CC14 içerisinde): 3200, 3065. 1690. 1530 'H NMR (8): 10,0 (b), 7,9 (ç, 4H), ve 7,3 (ç, 6H) (a) E ve F’nin yapılarını bulunuz? (b) E ve F ’nin oluşumunun mekanizmasını yazınız.


867

Peptitlerin kimyasal sentezi, Karboksilik asitler ve açil türevlerinin karboksil fonk siyonel gruplan biyokimyada oldukça önemlidir. Örneğin karboksilik asit fonksiyonel grubu, yağ asitleri denilen lipitlerin ailesi içinde yer alır. Gliseritler olarak da adlandı rılan lipitler karboksilik asit türevleridir ve ester fonksiyonel grubu içerirler. Biyopoli- Ö ğ r e n m e G r u b u merlerin tamamına proteinler denir ve tekrarlanan amit fonksiyonel gruplarını içerir. P R O B L E M L E R İ Amitler aynı zamanda karboksilik asitlerin türevleridir. Proteinlerin hem laboratuvar hem de biyokimyasal sentezleri etkinleştirilmiş açil karbonlarında yer değiştirme tepkimeleri içerir. Bu Öğrenme Grubu Problemi dikkatimizi peptitler olarak adlandırılan kiiçük prote inlerin sentezi üzerine odaklayacaktır. Etkinleştirilmiş bir karboksilik asit türevi ile bir aminin tepkimesiyle amit fonksiyonel grubunun oluşumu peptit ve protein sentezinin te melini oluşturur. Bu bakımdan peptit sentezinde yer alan tepkimeleri incelememiz ya rarlı olur. Daha sonra, 1984 yılında Kimya Nobel Ödülü’nü kazanan Rockefeller Üniversitesi öğretim üyesi R. B. Merrifield’in geliştirmiş olduğu otomatik peptit sente zinde kullandığı tepkimeleri inceleyeceğiz. 1. Peptit sentezindeki ilk adım amino asitlerin amin fonksiyonel grubunun bloke edilmesidir (koruma). Amino asitler amin ve karboksilik asit fonksiyonel gruplarını içerirler. Bu tür bir tepkime Altbölüm 24.7C’de Ala (alanin) ve benzil kloroformat arasındaki tepkimeyle gösterilmiştir. Etiketlenmiş Z-AIa yapısında oluşan fonksiyonel grup karbamat (veya iiretan) olarak adlandırılır. (a) Z-Ala’nın, Ala ve benzil kloroformattan hidroksit iyonları varlığında oluşumunun ayrıntılı mekanizmasını yazınız. (b) (a)’daki tepkimede karboksilat anyonuna rağmen amino grubu niçin nükleofil olarak davranır? 2. Altbölüm 24.7C?deki tepkimenin ikinci basamağında karışık anhidrit oluşur. Z-Ala ve etil kloroformatın (C1C02C2H5) trietilamin içerisinde tepkimesi sonucu da ka rışık anhidrit oluşur. Bunun ayrıntılı mekanizmasını yazınız. Bu basamağın amacı nedir? 3. Altbölüm 24.7C'deki tepkime serisindeki üçüncü basamakta başka bir amit fonksi yonel grubuyla yeni bir amino asit zincire ilave olur (Burada Lösin, kısaltması Leu). Bu basamağın (Z-Ala karışık anhidritten Z-Ala-Leu’nun oluştuğu) ayrıntılı meka nizmasını yazınız. Bu mekanizmada C 02 ve etanol nasıl oluşmuştur gösteriniz. 4. Altbölüm 24.7D’de otomatik peptit sentezi gösterilmiştir, (a) Birinci basamaktaki tepkime türü hakkında fikirleriniz nedir? Bu tür tepkimeler hangi adla belirtilir? Hangi türde bir fonksiyonel grup oluşmuştur. (b) Otomatik sentezin üçüncü basamağı ter-bütiloksikarbonilin (Boc veya /-Boc da denir) trifloroasetik asit ile (CF3C 0 2H) uzaklaştırılmasını içerir. Bu basamağın ayrıntılı mekanizmasını yazınız. {İpucu: Karbon dioksit ve 2-metilpropen yan ürünlerdir.) (c) Beşinci basamakta amino asitlerin katılımıyla zincir büyür. DCC (disikloheksilkarbodiimit), ilave edilen amino asidin karboksilik asit grubu ile etkin açil ara ürünü oluşturan bir reaktiftir. Bu etkin ara ürün reçineye henüz bağlanmış olan amino grubunun atağına uğrar. Uzayan peptit zincirine amino asidin kenetlenmesinin mekanizmasını yazınız.

Ö zel Konu

Basamaklı Büyüyen Polimerler Özel konu A'da alkenlerin katılma tepkimeleriyle hazırlanabilen birçok tekrarlanan alt birime sahip büyük molekülleri —polimerler denir—gördük. Bu polimerlere zincir-büyüme polimerleri veya katılma polimerleri denir. Polimerlerin bir diğer geniş grubu, daha önce kondensasyon polimerleri olarak ad landırılmışlardır ancak şimdi bunlara çoğunlukla basamaklı-büyüme polimerleri denil mektedir. Bu polimerlerin eski adlarının da çağrıştırdığı gibi bu polimerler kondenseleşme tepkimeleriyle elde edililirler. Bu tepkimelerde monomer birimleri birleşirken su ve al kol gibi küçük moleküllerin moleküller arası ayrılması gerçekleşir. Kondensasyon po limerleri içerisinde en önemlileri poliamitler, poliesterler, poliüretanlar ve formaldehit reçineleridir.

B.l

PO LİAM İTLER

İpek ve yün doğal olarak bulunan iki önemli polimerdir ve insanoğlu yüzyıllarca bun ları elbise yapımında kullanmıştır. Bunlar. Bölüm 24’te ayrıntılı bir şekilde tartışılacak olan protein türü maddelere örneklerdir. Bu noktada, proteinlerde tekrar edilen birim lerin a-amino asitlerden geldiğini ve bu birimlerin amit bağlarıyla bağlandığını belirt memiz gereklidir (aşağıya bakınız). Proteinler bu nedenle poliamitlerdir. O II H2N—ÇH—c —OH R Bir a-amino asit

O /

O \

O

—NH— CH— C— NH— CH— C— NH—CH— C — NH—CH—

İ R

l

R

i

R

l

R

Proteinde olabileceği gibi bir poliamit zincirinin bir kısmı.

Sentetik maddeler üzerinde yapılan araştırmalarda ipek özelliklerini gösteren ve nay lonlar olarak adlandırılan sentetik poliamitler bulunmuştur. En önemli naylonlardan biri naylon 6,6’dır. Naylon 6,6 altı karbonlu dikarboksilik asit (adipik asit) ve 6-karbonlu diaminden (heksametilendiaminden) elde edilebilir. Ti-

868

B. 1 Poliamitler

869

cari üretimde bu iki maddenin eşdeğer oranlarda tepkimeye girmesi sağlanarak 1 : 1 tuz ürününün oluşumu sağlanır. O O II II nHOC-(-CH2-^COH + /îH ,N-fCH2-^NH2 ----► Adipik asit

Heksametilendiamin

O O II II n _-OC-f-CH2^ C — o-

H3N-eCH2^ N H 3

_______ısı_______

(polimerleşme)

>

1:1 tuz (naylon tuzu)

o O O o II II II II -O C -tC H ^ C - _NH-eCH 2^ N H — C - f - C H ^ C j ^ N H - t C H 2^ N H , + (2n - 1)H20 Naylon 6,6 (poliamit)

Daha sonra 1 : 1 tuzun (naylon tuzu) 270°C'a 250 psi (pounds persquare inch) basınç O II altında ısıtılmasıyla polimerleşme gerçekleştirilir. Tuzların —C—O ve NH3+ grup ları arasında olan kondensasyon tepkimeleri sonucu su molekülleri ayrılarak poliamit ler oluşur. Bu yöntemle elde edilen naylon 6,6’nın molekül kütlesi yaklaşık 10.000, erime nok tası ise 250°C’dur. Eritildiğiııde eriyiğinden eğirilerek lif şekline dönüştürülebilirler. Lif ler daha sonra ilk uzunluklarının dört katı kadar gerilirler. Bu. poliamit moleküllerini lif eksenine paralel olacak şekilde yönlendirir ve komşu zincirler üzerindeki —NH— ve C = 0 grupları arasında hidrojen bağlarının oluşumuna imkan sağlar. “So ğuk çekme” olarak adlandırılan bu germe 1illerin kuvvetini artırır. Başka bir naylon tipi de naylon 6’dır ve e-kaprolaktamın halka açılma polimerleşmesi sonucu oluşabilir. O O

Bölüm 18’in başlangıcın daki resim naylon lif üre timini göstermektedir.

^-Kaprolaktam (bir halkalı amit)

O

O

—NH -t C -f -CH2ij-NH — C - t CH2^-NH; b c — Naylon 6

Bu yöntemde e-kaprolaktamm su ile tepkimeye girmesi sağlanır, böylece bazı ekaprolaktam molekülleri £-aminokaproik asite dönüşür. Daha sonra bu karışımın 250°C’da ısıtılması suya ortamdan uzaklaştırır, e-kaprolaktam ve £-aıninokaproik asiti, poliamidi oluşturmak üzere tepkimeye sokar. Naylon 6 da eriyiğinin eğirilmesiyle life dönüştürülebilir. Naylon 6,6 üretimindeki ham maddeler aşağıda gösterilen birçok yolla elde edilebilir. ^ Adipik asit ve heksametilendiaminin her birinin sentezi için denklemler yazınız.

P ro bl em B. I

870


|Oj (a) Sikloheksanon ----- ►adipik asit (b) Adipik asit 2 NH> tuz C6H12N20 2 4 H,

C6H8N2 katalizör►heksametilendiamin , „ „

2 NaCN

CU

(c) 1,3-Bütadıen —^-►C4HftCl2--------►C6H6N2

H N i'

4 H-.

CfiHoN-.. — ¡r-H►heksametilendiamin ° ö - katalizör m „ 2 HC1 2 NaCN (d) Tetrahıdrofuran -------►C4HSC12-------- ► 4 H, katalizör

heksametilendiamin

B.2 POLİ E S T E R L E R En önemli poliesterlerden biri polietilen tereftalat)tır, bu polimer piyasada Dakron, Te rilen ve Milar adı altında pazarlanmaktadır. O O 1 1 / r \ —O—CH,CH,— o-pc—(( j ) —c11— o — c h , c h 2— o-

O

o

Polietilen tereftalat (Dakron, Terilen veya Milar)

Poli(etilen tereftalat) etilen glikol ve tereftalik asitin doğrudan asit katalizi i esterleş mesinden elde edilebilir. O HO— CH2CH2— OH + HO Etilen glikol

C

O ^

C

OH

PoIi(etilen lereftalat) + H,0

Tereftalik asit

Poli(etilen tereftalat)ın bir başka sentez yöntemi bir esterin diğer bir estere dönüştü rüldüğü transesterleşme tepkimesidir. Ticari sentezler iki transesterleşme tepkimesi içe rir. Birinci tepkimede dimetiltereftalat ve aşırı etilen glikol bir baz katalizör varlığında 200°C’a kadar ısıtılır. Karışımın damıtılması sonucu metanol (kn 64,7°C) uzaklaştırılır ve yeni bir ester oluşur. Bu ester iki mol etilen glikol ve bir mol tereftalik asitten oluş muştur. Bu yeni ester daha yüksek bir sıcaklığa (~ 280"C) ısıtıldığında, etilen glikol (kn 198°C) damıtılır ve polimerleşme (ikinci transesterleşme) olur.

O

O

C H ,0—C

C — OCH, + 2 HO—C H ,C a— OH ---■ ► 200 C

Dlmetil tereftalat

Etilen glikol

O HO—CH2CH2— O—C

O c — O—CH2CH2— OH + 2 CH,OH

B.2 Poliesterler

O

O 280 C

+ n HO— CH,CH2—OH Polifetilen tereftalat)

Elde edilen polietilen tereftalat)ın erime noktası 270°C’dur. Lifin eritilip eğirilmesi Dakron veya Terilen oluşturur. Ayrıca Lif film haline de getirilebilir ve bu, piyasada Milar olarak satılır.

Transesterleşme asit veya baz tarafından katalizlenir. Transesterleşme tepkimesi kul- -< lanılarak dimetil tereftalatın etilen ile ısıtılmasıyla oluşan (a) baz katalizli tepkime, (b) asit katalizli tepkime için uygun birer mekanizma yazınız.

P ro b l e m B.2

Kodel diğer bir tür poliesterdir ve ticari ürün olarak çokça kullanılır.

P ro bl em B.3

-<

Kodel

Kodel de transesterleşme ile elde edilir, (a) Kodelin sentezi için hangi metil ester ve hangi alkol gereklidir? (b) Alkol, dimetil tereftalattan elde edilebilir. Bu sentez nasıl yapılır? Ftalik anhidrit ve gliserolün beraberce ısıtılmasıyla bir poliester oluşur, bu bileşik < gliptal reçinesi olarak adlandırılır. Gliptal reçinesi oldukça serttir, çünkü polimer zincirleri “çapraz bağlı”dır. Gliptal reçinesinin yapısının bir kısmını yazınız ve çapraz bağlanmanın nasıl oluştuğunu gösteriniz.

P ro bl em B.4

Leksan yüksek molekül kütleli bir “polikarbonattır” ve bisfenol A’nın piridin -< varlığında fosgen ile karıştırılmasından elde edilir. Leksan için bir yapı öneriniz.

P ro b l e m B.5

CH.

0 II

OH

Bisfenol A

/C . u

u

\ V2=27 0 / v 1 V ch3

51

H0

j)

Fosgen

Bilinen “epoksi reçinesi” veya “epoksi yapıştırıcısı” genel olarak iki bileşenden oluşur ve bu iki bileşen bazen “reçine” ve “sertleştirici” olarak etiketlenir. Reçine; bisfenol A’nın (Problem B.5) epiklorohidrinin. H,C—CHCH,C1, aşırısıyla olan V

•

P ro b l e m B.6

871

872


tepkimesinden üretilir. Tepkimeye, bir baz varlığında, düşük molekül kütleli polimer elde edilinceye devam edilir, (a) Bu polimerin olası yapısı nedir? (b) Epiklorohidrinin aşırısının kullanılmasının amacı nedir? (c) Sertleştirici genellikle H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2 gibi bir amindir. Reçine ve sertleştirici karıştırıldığı zaman nasıl bir tepkime meydana gelir?

B.3

P O LİÜ R ETA N LA R

Üretan, bir alkol ve bir izosiyanatın tepkimesinden oluşan bir üründür. O R—OH + 0 = C = N — R' ----►R t R' Alkol

Üretan (bir karbamat)

İzosiyanat

Bu tepkime aşağıdaki yolla gerçekleşir.

R— O H + C — ►R—O N: I R'

o + II

O K

O

^N : R'

H

R— ( K

O

r^ H -A ^N :

R

R'

H

R'

Üretan, karbamat olarak da adlandırılır, çünkü alkol (ROH) ve karbamik asitin (R'NHC02H) esteridir. Poliüretanlar genellikle diolün, diizosiyanat ile tepkimesinden elde edilir. Diol, — I H .D H son grupları Duianar“ li piiPıSi r poııesterciir. Diizosyanat ise genellikle tolııeıı 2,4-diizosiyanattır.*

Tolııeıı 2.4diizosivonat

O poliıııeı— CH,()— C— NH __

n P o liü re ta n

7

>- Tipik bir poliüretan aşağıdaki yöntemle elde edilebilir. Adipik asit, etilen glikolün aşırısıyla polimerleştirilir. Oluşan poliester daha sonra toluen 2.4-diizosyanatla et kileştirilir. (a) Poliüretanın yapısını yazınız, (b) Poliester üretiminde etilen glikolün aşırısı niçin kullanılmıştır? *Toluen 2,4-diizosiyanar zehirli bir kimyasaldır ve poliüretan sentezinde çalışan işçilerde akut solunum yet mezliğine neden olur.

B.4 Fenol-Formaldehit Polimerleri

Poliüretan köpükler yastık ve dolgu maddesi olarak kullanılır. Poliüretan, diizosiyanatların polimerleşmesi esnasında tepkime ortamına az miktarda suyun katılmasıyla üretilir. İzosiyanat gruplarından bazıları su ile tepkimeye girerek karbon dioksit oluşturur ve bu gaz, köpük oluşturucu bir madde olarak davranır. R—N = C = 0 + H20 ----►R—NH2 + C02i

B.4

Fe

n o l

-F

o r m a l d e h İt

Po

lim e r le r

İ

İlk sentetik polimer (veya reçine) Bakalit olarak bilinir. Bakalit, fenol ve formaldehitin kondensasyon tepkimesi sonucu oluşur: tepkime asit veya bazla katalizlenir. Baz katalizli tepkime muhtemelen burada gösterilen genel yöntemle gerçekleşir. Tepkime fe nolün orto ve para konumlarında meydana gelebilir.

Bakalit

873


Genellikle, polimerleşme iki aşamada oluşur. İlk polimerleşmede düşük molekül kütleli, eriyebilir polimer oluşur ve bu rezol olarak adlandırdın Rezol eritilerek istenilen şekle dönüştürülebilir, ve daha ileri polimerleşme ile oldukça fazla çapraz bağlı olan ve eritilemeyen çok yüksek molekül kütleli polimer oluşur. Pr obl em B.8

> p-Krezol gibi bir para-sübstitüe fenol kullamlarak bir fenol-formamit polimeri oluşturulur. Bu polimer “termosettinng',den daha çok termoplastik'tu. Bu polimer eritilebilir. Bunun nedenini açıklayınız.

P ro bl em B.9

>

Fenol ve formaldehitin asit katalizli polimerleşmesinin genel mekanizmasını gös teriniz.

B.5

Ç

a ğ l a y a n

Po

lim e r le r

Polimer kimyasında son yıllarda yapılan en önemli sentezlerden biri yüksek molekül kütleli, simetrik, oldukça dallanmış polifonoksiyonel molekül yapısında olan polimerlerin sentezidir ve çağlayan (İng. Cascade) polimerler olarak adlandırılırlar. G. R. Newkome (South Florida Üniversitesi) ve D. A Tomalia (Michigan Moleküler Enstitüsü) araştırmalarını bu alanda geliştirmişlerdir.

C O JE t

C02Et

CN 6

7

8

Şekil B.l Bir çağlayan polimerinin başlangıç maddelerinden sentezi. Reaktifler ve şartlar: (i) CH2=CHCN, KOH, p-dioksan, 25°C, 24 saat (ii) MeOH, kuru HCI, geri soğutucu altın da kaynatma, 2 saat, (iii) 3 N NaOH, 70°C, 24 saat (iv) SOCl2, CH2C12, geri soğutucu altın da kaynatma, 1 saat, (v) EtOH, kuru HCI, geri soğutucu altında kaynatma, 3 saat (Nevvkome, G. R.; Lin, X. Macromolecııles 1991, 24, 1443-1444’ten uyarlanmıştır.)

B.5 Çağlayan Polimerler R

R

R 9 R = C 0 2CH,CH., 10 R = COOH '

11 12 13 14 15

R R R R R

= = = = =

CO„CH.,CH3 COÖH CONHC(CH9OCH2CH2CO ,C H 9CH3)3 C 0N H C (C H 90 C H 2CH2C 0 9H )3 C 0N H C [C H 20 C H 2CH2C 0N H C (C H 20 C H 2CH2C 0 2CH2CH3)3]3

Şekil B.2 Çağlayan Polimerler (Newkome, G.R; Lin X. Macromolecules 1991, 24, 1443-1444’ten alınmıştır.)

875

876


Şu ana kadar gördüğümüz bütün polimerler kaçınılmaz olarak, homojen değildirler. Bunlar ne kadar tekrarlı monomerik ortak birimli moleküllerden oluşsa da polimerleşme tepkimelerinden elde edilen maddenin molekül kütleleri değişiklik gösterir (ve bü yüklükleri de değişir). Buna karşın çağlayan polimerler, eşit kütle ve büyüklükte moleküllerden meydana gelen polimerleri oluşturmak üzere sentezlenebilirler. Çağlayan polimerlerin sentezi, bir, iki, üç hatta dört yönlü dallanmasına sebep olan ana yapının oluşmasıyla başlar. Bu ana molekülden başlamak üzere ardışık tepkimeler le tabakalar (çağlayan küreleri denir) ilave edebilir. Her bir yeni küre bir sonraki kü renin bağlanacağı dallanma noktalarının sayısını artırır (genellikle üç katı). Bu çoğalma etkisinden dolayı çok büyük moleküller çok kısa sürede oluşabilirler. Şekil B.l ve B.2 dört yönlü bir çağlayan molekülünün nasıl oluştuğunu göstermek tedir. Bütün bu tepkimeleri daha önceleri yakından incelemiştik. Ana molekülün oluşu mundaki başlangıç maddesi dallanmış bir tetraoldür, (1). Birinci basamakta (i); 1. propennitril (CH2=CHCN) ile siyanoetilleme denilen bir konjuge katılma vermek üze re tepkimeye girer ve 2’yi oluşturur. 2, Metanol ve asit ile etkileştirilerek [basamak (ii)] siyano grupları metil karboksilat gruplarına dönüştürülür. (Siyano gruplarını hidrolizle karboksilik asitlere dönüştürmek ve sonra esterleştirmek yerine bu işlem tek basamak ta aynı sorucu verir.) (iii). Basamakta ise ester grupları hidrolizlenir ve (iv), basamakta karboksil grupla rı açil klorürlere dönüştürülür. 5 nolu bileşik ana yapı bloğudur. Bir sonraki çağlayan küresinin oluşumunda kullanılan bileşiğin sentezi 6—>7—>8 (siyanotillemeyi esterleşme izler) sırasını takip eder. Ana bileşik 5’in aşırı aminle, 8, tep kimesi 12 yüzey ester grubu taşıyan 9 bileşiğini verir (kolaylık olması için [12]-esteri denir). Bu basamağın önemi 5 ve 8'in dört molekülü arasında amit köprüsünün oluşma sıdır. [ 12j-esteri. 9, hidrolizle [12]-asidi (10) verir. 10 bileşiği 8 ile, disikloheksilkarbodimit (Altbölüm 18.8E) kullanılarak. [36]-esterin oluşumuna neden olan amit oluşumunu yürütmek için etkileştirilir. [36]-ester 11, daha sonra, 8 ile tepkimeye sokularak yeni bir çağlayan molekülü, [108]-ester verebilecek olan [36]-aside, 12, hidrolizlenir. Bu adımların tekrar edilmesi sonucunda molekül kütlesi 60.604 olan bir bileşik. 15, yani [324]-ester oluşur. Her bir adımda çağlayan molekülleri izole edilip ayrıştırılır ve yapıları aydınlatılır. Her bir adımdaki ürünlerin veriminin %40-60 olması ve başlangıç maddelerinin ucuz olması bu yöntemi, geniş homojen yapılı küresel polimerlerin sen tezinde önemli kılar.

/?-Dikarbonil Bileşiklerinin Sentezleri ve Tepkimeleri: Enolat Anyonlarıyla İlgili Daha Fazla Kimyasal Bilgi Sahte Bileşikler Kimyasal “sahtekarların çok önemli rolleri vardır. Biyokimyada doğal bileşikler görü nümündeki moleküller bir enzimin fonksiyonunu değiştirerek ya da alıcı bölgesini ka patarak çoğu zaman önemli etkilere neden olurlar. Bir örnek olarak (yukarıdaki şekilde görülen) 5-florourasil verilebilir. Bu bileşik DNA sentezinde kullanılan bir doğal metabolit olan urasili maskelediği için kanser tedavisinde kullanılan bir ilaçtır. Timidilat sintaz enzimi. 5-florourasilin doğal bir substrat olduğunu sanarak urasil yerine yanlış lıkla ona etki eder. Bu sahte bileşik enzim içerisine sızdıktan sonra normal mekanizma sını devam ettirir ve timidilat sintaz üzerinde geri dönüşümü olmayan bir hasara yol açar. Bu olay DNA sentezini önler. Daha sonra, “Kendi Kendini Yok Eden Bir Enzim Substratının Kimyası” kısmında sürecin değişik yönlerini incelediğimizde, timidilat sintazın etkinliğinin giderildiği mekanizmanın bir konjuge katılmayı (Micheal katılması benze ri, Altbölüm 17.9B ve 19.9), bir imin ile bir enolatın tepkimesini (Mannich tepkimesi

877

benzeri, Altbölüm 19.10) ve bir flor atomu tarafından bloke edilmiş E2-türii ayrılma tep kimesini içerdiğini göreceğiz. Kimyasal sahtekarlar sentetik eşdeğerleri kadar yararlıdırlar. Sentetik eşdeğer, bir ürü ne katıldığında bir öncü tipten geldiği görünümünü veren bir yapıya sahip reaktiftir. Bu madde bir reaktant olduğunda gerçekten farklı bir yapısal kaynağa sahiptir. Etilasetoasetat ve dietilmalonattan elde edilen anyonlar ile aseton ve asetik asitten elde edilen enolat nükleofilleri sentetik eşdeğerlere iki örnek oluştururlar. Enaminler sentetik eşdeğerlerin diğer bir tipidir. Enaminler alkenil aminlerdir ve tepkimelerde enolat gibi davranırlar. Diğer sentetik eşdeğerler “polarlaşmanm yön değiştirmesini” sağlayarak yanıltmaya ka tılırlar. Ditiyoasetallerden elde edilen karbanyon polarlaşmada yön değişimi sağlamak için kullanılan eşdeğer sentetik maddelere örnektir. Ditiyoasetallerden meydana gelen karbanyonlar elektıofilden çok nükleofilik karbonil karbon atomu için kimyasal bir ya nıltma sağlar. Bu bölümde bütün bu sentetik eşdeğerlerin gizli, bilinmeyen taraflarını açıklayacağız. 5-Florosil kimyasal “sahtekarının” timidilat sintazı nasıl engellediğini gö receğiz.

19.1 , İİ9.2

Giriş Claisen Kondensasyonu: /3-Keto Esterlerin Sentezi 19.3 Aseto Asetik Ester Sentezi: Metil Ketonların (Sübstitüe Asetonlar) Sentezi 19.4 Malonik Ester Sentezi: Sübstitüe Asetik Asitlerin Sentezi 19.5 Aktif Hidrojen Bileşiklerinin Daha İleri Tepkimeleri 19.6 Ester Doğrudan Alkillenmesi 19.7 1,3 Ditiyanların Alkillenmesi -19.8 Knoevenagel Kondensasyonu -19.9 Michael Katılmaları 19.10 Mannich Tepkimesi 19.11 Enaminlerin Sentezi: Stork Enamin Tepkimeleri

19.1 G iR iş İki karbonil grubu arasında doymuş bir karbon atomu olan bileşiklere /3-dikarbonil bi leşikleri denir. Bu bileşikler organik sentezlerde son derece yararlı ve gerekli reaktiflerdir. Bu bölümde /3-dikarbonil bileşiklerinin bazı elde ediliş yöntemlerini ve önemli tepkimelerini inceleyeceğiz. 0 0 II 1 II —c —c — c — P 1«

0

o II RO—c —

0

R—C —c — c —OR' P 1«

/3-Dikarbonil sistemi

OR

p

/3-Keto ester (Altbölüm 19.2)

Malonik ester (Altbölüm 19.4)

/3-Dikarbonil bileşiklerinin kimyasında, iki karbonil grubu arasındaki karbona bağ lı protonların asitliği önemi rol oynar. Bu protonların pKa değeri 9-11 arasındadır ve enolat oluşturmaları için alkoksit kuvvetinde bir bazla etkileştirilmeleri yeterlidir. 0

0

O

O

ı ı ı -OR ı ı ı —c —c —c — - 4^-» —c —C— C— + HOR I H ^ F - p K a = 9 -1 1

Bu bölümün başında, bu protonların asidik özelliklerinin, Claisen sentezi (Altbölüm 19.2) denilen bir tepkime üzerinden /8-dikaıbonil bileşiklerinin sentezine nasıl imkan sağla dığını göreceğiz.

19.12 Barbitüratlar

O H—C—C—OR H

(1) NaOR, R — C — OR (2) H ,()+

O o II I II + R' — C—C — C — OR + HOR I H

Bu bölümde daha sonra asetoasetik ester sentezlerini (Altbölüm 19.3) ve malonik ester sentezlerini (Altbölüm 19.4) öğreneceğiz. Bu sentezler /3-dikarbonil bileşiklerinden olu şan enolatların alkillenme ve açillenme tepkimelerini içerir.

878

19.2 Claisen Kondensasyonu: /3-Keto Esterin Sentezi

O

O (1) NaOR

O II

O I II

0

G— C — C — C— O R ------------►G — C — C — C — OR

Asetoasetik ester sentezi, Malonik ester sentezi,

(2 )

( ’

k— v

(veya açilleme)

0

►G — C — C — C— OR ı

G = CH, G = RO

Diğer birçok yararlı tepkimeyle benzer türde kimyasal sentezler yapılabilir (Altbölüm 19.5). Bu tür sentezlerden biri de Knoevenagel kondensasyonudur (Altbölüm 19.8). Bu sentezlerde tekrar tekrar ortaya çıkan özelliklerden biri burada anlatacağımız (3keto asitlerin dekarboksilasyonudur: o

O O II I II G —c —C— c — OH I R

H- o

c\

c / \ R

O

c

* G— C—C— H+ CO, I R

o

(Altbölüm 18.11)

Altbölüm 18.11 'de gördüğümüz gibi bu dekarboksilasyonlar ılımlı şartlarda gerçekleşir ve dekarboksilasyonun kolay oluşu bu bölümde inceleyeceğimiz tepkimeleri çok yarar lı kılar. Yukarıdaki tepkimede G metil grubu ise sentez sonucu sübstitüe asetonlar (me til ketonlar) elde edilir. Eğer yukarıdaki tepkimede G bir karboksilik asitin hidroksil grubu ise (hidroliz basamağından önce bir esterin alkoksi grubu olabilir) sübstitüe ase tik asitler elde edilir.

19.2

C la is en K o SENTEZİ

n d e n s a s y o n u

: /3 -K e

to

Es

t e r l e r İn

Etil asetat, sodyum etoksit ile tepkimeye girdiğinde kondensasyon tepkimesin* uğrar. Asitlendirmeden sonra ürün bir keto ester, etil asetoasetatır (yaygın olarak asetoasetik ester olarak adlandırılır). O 2 CH3COC2H5

O NaOC,H5

O

CH,CÇHCOC,H5 +

C2H5OH

Na+ Sodyoasetoasetik ester

(damıtmayla uzaklaştırılır)

HC1

O

O

CH3CCH2COC2H5 Etil asetoasetat (asetoasetik ester) (%76)

Birçok esterde de gözlenen bu tür kondensasyonlar Claisen kondensasyonları olarak bilinir. Aldol kondensasyonunda olduğu gibi (Altbölüm 17.4) Claisen kondensasyon unda da

879

880

Bölüm 19 / /3-Dikarbonil Bileşiklerinin Sentezleri ve Tepkimeleri

tepkime, bir molekülün a-karbon atomu ile diğer molekülün karbonil grubu arasında gerçekleşir. O II

O N a O C H ,C H ,

Na+

O II

r.

CH3CH2CH2CH2C — c — COC2H5 + C 2H5OH

2 CH3CH2CH2CH2COC2H5 --------

Etil pentanoat

CH,

I

CH,

I '

CH3 | c h 3c o 2h

O II

c h 3c h 2c h 2c h 2c

o

—

II

ch

— COC2H5

ch2 ch2 ch3

(%77)

Bu örneklerde net tepkime sonuçlarına baktığımızda kondensasyon içeren her iki tepkimede de esterlerden birinin a-hidrojenini kaybederken diğerinin etoksit iyonu kay bettiğini görürüz, yani O

O

R— CH 2C P 0 C 2H ’ ± H j - CH C— OC2H5

(1) NaOCjHj ^ (2) H30*

R

O II

(R, H olabilir)

O II

R — CH 2C — CHCOC2H5 -I- C 2H5OH R

(i-keto ester

Bunların nasıl olduğunu, mekanizmasını incelersek anlayabiliriz. Claisen kondensasyonunun ilk basamağı aldol katılmasına benzer. Etoksit anyonu esterin cr-protonunu kopartır. Esterin a-protonları aldehit ve ketonlarınki kadar asidik olmamasına rağmen oluşan enolat anyonu benzer yolla rezonansla kararlı kılınır. O * II 1. Basamak RCH—COCıHs +;OC,H,%\ H

y

R Ç H ^ C O C 2H5 + C 2H5OH

-

'

:Ö=R C H = C O C 2H5

İkinci basamakta, enolat anyonu ikinci ester molekülünün karbonil karbonuna atak yapar. Bu noktada Claisen kondensasyonu ve Aldol katılması farklılık gösterir, ve bu farklılık anlaşılabilir boyuttadır. Aldol tepkimesinde nükleofilik atak sonucu katılma;

19.2 Claisen Kondensasyonu: /3-Keto Esterin Sentezi Claisen kondensasyonıtnda ise k a t ı l m a - a y r ı l m a olur.

"o; 2. Basamak

,c ' \

•O*

RCHX’

R C H , C — C H — C O C ,H ,

'Ity R1

|

O C ,H s

y

-p ~

I + ■C H — C O C 2H 5

____ >

C ,H jü •

R

‘o-

‘o-

I! II r c h 2c — c h — coc 2h 5 R

+ - :ÖC,HS Bu ikinci basamağın ürünleri bir (3-keto ester ve bir etoksit iyonu olmasına karşın bu noktaya kadar olan toplam dengenin yönü başlangıç maddeleri lehinedir. Eğer tepkimede bu basamak son basamak olsaydı oldukça az ürün oluşurdu. Claisen kondensasyonunun son basamağı etoksit iyonu ve /3-ketoesterler arasında meydana gelen bir asit-baz tepkimesidir. Bu basamak için dengenin yönii ürünler yönündedir ve ürünler yönüne daha fazla kaydırmak için tepkime ortamından etonol damıtılır. _____ O

H O

3. Basamak RCH,C—C—COCH, + I R fi -Keto ester (daha kuvvetli asit)

=ÖC2H, Etoksit iyonu (daha kuvvetli baz)

•o' II

-on

II

r c h 2c — c— coc 2h 5+

c2h 5oh

R fi-Keto ester anyonu (daha zayıf baz)

Etanol (daha zayıf asit)

13-Ketoesterler etanolden daha kuvvetli asittirler. Bunlar, etoksit iyonlarıyla kantitatif olarak tepkimeye girerek etanol ve /3-keto esterlerin anyonlarını verirler. (Bu tep kimede denge sağa kayar.) /3-Keto esterler normal esterlerden daha fazla asidiktirler, çünkü onların enolat anyonları rezonans ile çok daha fazla kararlı kılınırlar: Enolat iyonlarının negatif yükü iki karbonil grubu arasında dağılır. O’ •Ot » sfT- ll

R C H ,— C — C — COC,H,

: O:." J,Ö|< U £ |

R C H ,— C = C — COC,H , R

O li R C H ,— C=

•O'* II

: O:_ I

R C H , — C — C = COC,H 5 R

s— O COC 2 H5

R Rezonans melezi

881

882


Claisen kondensasyonunun 1-3. basamaklarından sonra tepkime karışımına asit ila ve edilir. Bu ilave anyonun hızlı bir şekilde proton 1anması m sağlayarak /3-keto esteri, dengede keto ve enol şekillerinin karışımı haline getirir. fi—

O

O

o

o

4. Basamak RCH, — C— Ç— COC2H5 (h[zl[)> RCH,— C— ÇH— COC2H5 R

R

Keto yapısı

OH

O

RCH,—C = Ç — COC2H5 R Enol yapısı

Bir ester ve bir alkoksit anyonu arasında bir tepkime yapılmak istendiğinde alkoksit grubu ile esterin alkoksil grubunun aynı alkil grubunu içermesi oldukça önemlidir. Böylece (baz destekli ester hidroliziyle aynı mekanizmayla, alkoksitler ile meydana ge len Altbölüm 18.7B) transesterleşme olasılığı önlenmiş olur. Etil esterler ve metil es terler bu tip sentezlerde en fazla kullanılan ester reaktantlarıdır. Etil esterler kullanıldığında sodyum etoksit, metil esterler kullanıldığında sodyum metoksit kullanı lır. (Bazı durumlarda başka bazlar seçilebilir fakat bunları daha sonra tartışacağız.) Sadece bir tane o-hidrojeni olan esterler genellikle Claisen kondensasyonu vermez ler. Normal Claissen kondensasyonuyla tepkime vermeyen esterlere örnek olarak etil 2-metilpropanoatı verebiliriz. Sadece bir tane ol hidrojen

O CH3CHCOCH2CH3 ch3

Bu ester Claisen kondensasyonu vermez.

Etil 2-metilpropanoat

Mekanizma incelendiğinde bu esterin niçin Claissen kondensasyonu vermediği anlaşı lacaktır. Sadece bir tane a-hidrojeni olan esterin üçüncü basamakta artık asidik hidro jeni kalmayacaktır, oysa bu hidrojen üçüncü basamak tepkimesinin gerçekleşmesi için gereklidir. (Altbölüm 19.2 A'da çok kuvvetli bir baz kullanılarak sadece bir «hidrojen li esterlerin /3-keto esterlere nasıl dönüştürüldüğünü göreceğiz.)

P ro bl em 19.1

>■ (a) Etil proponoat, etoksit iyonuyla tepkimeye girdiğinde meydana gelen Claisen kondensasyonunun bütün basamaklarının mekanizmasını yazınız, (b) Tepkime ka rışımı asitlendirildiği zaman hangi ürünler oluşur?

Dietil heksandioat, sodyum etoksit ile ısıtıldıktan sonra tepkime karışımının hemen asitlendirilmesiyle etil-2-oksasiklopentankarboksilatı verir.

19.2 Claisen Kondensasyonu: /3-Keto Esterin Sentezi

O

O

C2H5OC(CH2)4COC2H5 Dietil heksandioat (dietil adipat)

( 1) NaOC:H, ^ (2) H ,0+ *

Etil 2-oksosiklopentankarboksilat (%74-81)

Bu tepkime Dieckmann kondensasyonu olarak adlandırılır ve molekül içi bir Claisen kondensasyonudur. Kondensasyon için a karbon atomu ve ester grubu aynı molekülden gelmektedir. Genellikle Dieckmann kondensasyonu beş ve altı üyeli halkaların hazır lanmasında oldukça kullanışlıdır.

i

Tepkimesi İçin Bir Mekanizma

(a) Dietil heptandioatm (dietil pimelat) Dieckmann kondensasyonu sonucu hangi ^ ürünleri elde edersiniz? (b) Dietil pentandioat (dietil gluterat) Dieckmann konden sasyonu vermez, bunun nedenini açıklayınız.

I 9 . 2 A Ç a p r a z Claisen Kondensasyonu Çapraz Claisen kondensasyonu (çapraz aldol kondensasyonları gibi) ester bileşiklerinden birinin a-hidrojeni olmadığında gerçekleşir; bu bileşenin a-hidrojeni olmadığından eno-

P ro bl em 19.2

883

Bölüm 19 / [3-D ikarbon il Bileşiklerinin Sentezleri ve Tepkimeleri

lat iyonu oluşturamaz ve kendi kendine kondensasyon yapamaz. Örneğin etil benzoat etil asetatla kondenseleşerek etil benzoilasetat verir. O CH3COC2H<,

(1) NaOC,H, (2) H,0~

Etil benzoilasetat (%60)

Etil benzoat (a hidrojeni yok)

Etil fenilasetat dietil karbonatla kondenseleşerek dietil fenilmalonatı verir. O O

O

Il

II

\

c —OC2H5

(l)N aO G m

CH,COG>H, + C,H5 OCOC,Hs ---------

' "

* 5

- '

CH

-, 2 5 (2) H,0-

\

/ O Etil fenilasetat

Dietil karbonat

P ro b l e m 19 3

P ro b l e m 19

4

^

C—OQH,

Dietil fenilmalonat (%65)

(a karbonu yok)

Yukarıda verilen iki çapraz Claisen kondensasyon tepkimesinde ürünlerin oluşumu nu gösteren tepkime mekanizmalarım yazınız.

>• Aşağıda verilen çapraz Claisen kondensasyonlarının her birinden oluşmasını bekle diğiniz ürünler nelerdir? ( 1) NaOCH.CH, (a) Etilpropanoat + dietil oksalat (2)

(b) Etil asetat + etil format

h 30

+

( 1) NaOCH2CH3 (2) H30 +

Bu bölümün başlarında gördüğümüz gibi yalnız bir a hidrojen atomu olan esterler sodyum etoksitle ¡3-keto esterlere dönüştürülemezler. Bununla beraber esterler, çok kuv vetli bazların kullanıldığı tepkimelerle /3-keto esterlere dönüştürülebilirler. Kuvvetli baz. esteri hemen hemen kantitatif verimle enolat anyonuna dönüştürür. Bu da, enolat anyo nunun bir açil kloriir veya bir esterle etkileştirilerek açilata dönüştürülmesi sağlar. Bu tekniğin bir örneği çok kuvvetli bir baz olan sodyum trifenilmetanürün kullanılmasıdır ve aşağıda gösterilmiştir.

CH?C—C—OC2H, ■NaT:cf.ÇsM+. CH3C—COC2H5 + H =C(C6H5)3 El,O

CH,

CH,

€ h -° 0

1

cı

o -- n — o X X

884

Etil 2,2-dimetil-3-okso-3-fenilpropanoat

19.3 Asetoasetik Ester Sentezi: Metil Ketonların (Sübstitüe Asetonlar) Sentezi

İ9.2B D iğ er Kar banyonların Açillenmesi Ketonlardan türetilen enolatlar esterlerle Claisen kondensasyonuna benzer şekilde nükleofilik yer değiştirme tepkimesi verirler. Aşağıdaki birinci örnekte ketonla sodyum ami tin tepkimesinde iki anyonun oluşması mümkündür. Ana ürün birincil karbanyondan elde edilen üründür. Birincil a hidrojen ikincil a hidrojenden daha asidiktir. O

O NaNH,

CH3C(CH2)2CH3 EtQ2» Na+ ~:CH2C(CH2)2CH3 2-Pentanon

So

CH,(CH,)2Cx

OC,Hj

O

O

C H,( CH2)2C CH2C(CH2)2CH3 4,6-Nonandion (%76)

Başlangıç maddeleri olarak esterleri, ketonları, açil halojenürleri vb. seçerek aşağıdaki bileşikleri nasıl sentezlersiniz?

P ro bl em 19.5

Keto esterler Dieckmann kondenseleşmesine benzer halkalanma tepkimeleri verir- *< ler. Aşağıdaki tepkimede oluşan ürünü açıklayan bir mekanizma yazınız.

P ro b l e m 19.6

o o

o

11

11

9 cch3

(1) NaOC,H,

CH3C(CH2)4COC2H5 (2;

h q4-

5» 2-Asetilsiklopentanon

19.3

A s e t o a s e t İ k E s t e r S e n t e z İ: M e t İ l K E TO N LA R IN (S Ü B S TİTÜ E A S E TO N L A R ) SENTEZİ

Altbölüm 19.2’de gördüğümüz gibi etil asetoasetatm (asetoasetik ester) metilen proton ları etanolün — OH protonlarından daha asidiktir, çünkü, iki karbonil grubu arasında

885

886

Bölüm 19 / /î-Dikarbonil Bileşiklerinin Sentezleri ve Tepkimeleri

bulunurlar. Bu asitlik, baz olarak sodyum etoksit kullanılarak etil asetoasetatın oldukça kararlı olan enolat anyonuna dönüştürülebileceği anlamına gelir. Daha sonra nükleofilik enolat anyonu bir alkil halojenürle etkileştirilerek alkilleme tepkimesi gerçekleştiri lir. Bu sentez asetoasetik ester sentezi olarak adlandırılır. Na-1 •O' 'O* •oO’ CH3C— CH2 — COC2H5 + C2H50 Na4 Asetoasetik ester Sodyum etoksit

-►CH:,C— CH— C— OC2H5 + C2H5OH Sodyoasetoasetik ester R— X

•'er

-o**

II

II

CH?C— ÇH— C— OC2H5 + NaX R Monoalkilasetoasetik ester

Yukarıdaki tepkimedeki alkilleme bir SN2 tepkimesi olduğundan en iyi verim, birin cil alkil halojeniirlerin (birincil allilik ve benzilik halojenürler dahil) veya metil halojenürlerin kullanılmasıyla elde edilir. Tepkime ikincil halojenürlerle yapıldığında verimi düşüktür. Üçüncül halojenürler sadece ayrılma tepkimesi verirler. Yukarıda gösterilen monoalkillasetoasetik esterin hâlâ oldukça asidik bir hidrojeni vardır. Eğer istenirse ikinci alkilleme yapılabilir. Monoalkilasetoasetik ester asetoase tik esterden daha az asidik (niçin?) olduğu için ikinci alkilleme yapılmak istendiğinde etoksit iyonundan daha kuvvetli baz kullanmak gereklidir. Yaygm olarak potasyum terbütoksit kullanılır, çünkü sodyum etoksitten daha kuvvetli bazdır. Potasyum fer-bütoksitin hacimli bir grup olması nedeniyle transesterleşme tepkimesi meydana gelmez. O II

O II

o

CH3C— CH— C— OC2H5 + (CH,)3CO-K'

K+

o

CH3C— ç — COC2H5 + (CH3)3COH

R

R

Monoalkilasetoasetik ester

Potasyum terbütoksit

I R '— X

O

R' O

II I I c h 3c — ç — c — o c 2h 5 + KX R Dialkilasetoasetik ester

Monosübstitüe metil ketonun (monosübstitüe aseton) sentezinde sadece bir alkille me yapılır. Daha sonra mono alkil asetoasetik ester sulu sodyum veya potasyum hid roksit kullanılarak hidroliz edilir. Karışımın daha sonra asitlendirilmesiyle bir alkil asetoasetik asit oluşur ve bu /3-keto asitin KMT’C’a ısıtılmasıyla dekarboksilasyon ger çekleşir (Altbölüm 18.11). O O O O sulu NaOH

CH3C— CH— COC2H5 -------------- ►CH3C— CH— C— O Na" R

R V Ester grubunun basit hidrolizi

19.3 Asetoasetik Ester Sentezi: Metil Ketonların (Sübstitüe Asetonlar) Sentezi o H.O

’

o

o İSI

►CH^C—CH—C—O I H R i L v '

Asillendirme

887

100 C* CH,C—CB,—R + CO, y

f3 Keto asilin dekarboksitlenmesi

Aşağıdaki 2-heptanonun sentezi bunun için özel bir örnektir: 0

0

II II ch3c —ch2—coc2h5 Etil asetoasetat (asetoasetik ester)

0

0 (1) seyrellik NaOH

(I) NaOC,H5/C,H5OH (2)

*C H ,C —CH—COC,H, (2) H30CH,CH,CH,CH,Br ' I çh2

*

ch ,

CH, ch3 Etil bütilasetoasetat (% 69-72)

O

o

o

CH,C—CH—C—OH • I CH, I ' CH,

-c o ,

* CH3C—CH,CH,CH,CH,CH, 2-Heptanon (Etil asetoasetattan toplam verim %52-61)

CH, I ■ ch3 Eğer amacımız disübstitüe aseton elde etmekse, birbirini izleyen iki alkillemeden sonra ürünü, dialkilasetoasetik esteri, hidroliz eder daha soma da oluşan dialkilasetoasetik asiti dekarboksile ederiz. 3-Biitil-2-heptanonun sentezi bu işleme örnek olarak verilebilir. O

O

11

11

CH3CCH2COC2H3

(1) NaOC,H,/C,H,OH m , ;H|CHicH,CHiBr » (birinci aOdlleme)

O o II II CH,CCHCOC,Hs 3 | (ÇH2)3

(1) (CH3),COK/(CH3),COH (2) CH_,CH,CH,CH,Br (ikinci alkilleme)

ch 3 Etil bütilasetoasetat (% 69-72)

CH, 1 1 (ÇH,)3

ÇH,

0 (ÇH2)3 II 1 C co2c2H5— } ------- ►ch3c -- c — o I 1 1 (hidroliz) (CH,), (CH,)3

O

(1) sevicilik NaOH

ch 3 Etil dibütilasetoasetat (%77)

ch3

-C O ,

> CH3C—CH(CH,)3CH

(dekarboksiîleme)

(CH,)3 I CH, 3-Bütil-2-heptanon

888

Bölüm 19 / /J-Dikarbonil Bileşiklerinin Sentezleri ve Tepkimeleri

Verilen örnekteki her iki alkillemenin aynı alkil halojenürlerle yapılmış olmasına rağ men sentezde gerekliyse farklı alkil halojenürler de kullanılabilir. Gördüğümüz gibi, etil asetoasetat aşağıdaki genel formüllü sübstitüe asetonların (me til ketonlar) hazırlanmasında yararlı reaktiflerdir. O II h .c —c — c h 9 I R

O R' II ı h ,c — c — ch I R

Bir monosübstitüe aseton

Bir disübstitüe aseton

Etil asetoasetat, aşağıda görülen asetonun enolatının sentetik eşdeğeri (Altbölüm 8.17) olarak davranır. Asetonun enolatını oluşturmak mümkün olmasına karşın sentetik eşde ğeri olan etil asetoasetatın kullanımı daha uygundur, çünkü etil asetoasetatın «-hidro jeni (pA^ 9 —11) asetonun hidrojenlerinden (p/£(/ 19-20) daha asidiktir. Bu anyon (asetondan) doğrudan oluşturulmak istenildiğinde çok daha kuvvetli baz kullanılmalı ve daha özel şartlaruygulanmalıdır (bkz. Altbölüm 19.6). 0

II_ l l H.C — C—CH—C—OC2H,

0

O

II H,C—C—CH2

’nin sentetik eşdeğeridir

Etil asetoasetat anyonu

P ro bl em 19 .7

► Sodyoasetoasetik esterin alkillenmesinin yan ürünleri, aşağıdaki genel formülle ve rilen bileşiklerdir. RÖ: I c h 3c =

O* II c h c o c 2h 5

Bunların nasıl oluştuklarını açıklayınız. P ro bl em 19 .8

► Aşağıdaki her bir bileşiği hazırlamak için asetoasetik ester sentezinin nasıl kullanıl dığını gösteriniz: (a) 2-pentanon (b) 3-propil-2-heksanon ve (c) 4-fenil-2- bütanon.

P ro bl em 19 .9

^

Genel olarak asetoasetik ester sentezinde, alkilleme basamağında birincil halojenürler kullanıldığında en iyi verim olur, ikincil halojenürlerle düşük verim gerçekleşir ve üçüncül halojenürler ise uygulamada hiç bir alkilleme ürünü vermez (a) Bunu açık layınız. (b) Sodyoasetoasetik ester ve fcr-bütil bromürün tepkimesinden hangi ürün lerin oluşmasını beklersiniz? (c) Yukarıda yeni tanımladığımız yolla yapılan asetoasetik ester sentezinde bromobenzen bir anilendirme reaktifi olarak kullanıla maz. Niçin kullanılamaz?

P ro bl em 19. 0

^

Claisen kondensasyonu sonucu oluşan ürünler, /3-keto esterlerdir. Bu ürünlerin hid rolizi ve dekarboksilasyonu ketonların sentezi için genel bir yöntem verir. 4-Heptanonun sentezinde bu tekniğin nasıl kullanıldığını gösteriniz?

19.3 Asetoasetik Ester Sentezi: Metil Ketonların (Sübstitüe Asetonlar) Sentezi

Asetoasetik ester sentezleri, halo esterler ve haloketonlar kullanılarak da yapılabilir. a-Halo esterlerin kullanılması y-keto asitlerin eldesinde elverişli bir sentez sağlar. Na+ O

O

11

11

O C,H,ONa

O

11 " 11 BrCICC— OC,H* c h 3c — c h — c — o c 2h 5 ---------------

CH3C— CH2— C— OC2H5—^ — ► o

—►

o

o

11

o

(1) seyıeltik NaOH

CH,C—CH—C—OC,Hs ———-------- ►CH3C—CH—C—OH (2) H,0

-co,

c h 2c — o h

c h 2c — o c 2h 5

o

o

o CH3C—CH,CH,— C— OH 4-Oksopentanoik asit

Yukarıda verilen keto asidin sentezinde elde edilen dikarboksilik asit özel bir şekil- ^ de dekarboksilasyona uğrayarak O

O O II II CH3C(^HCOH elde edilmez.

O

CH3CCH2CH2COH

verir.

CH, Bu sonucu açıklayınız.

Asetoasetik ester sentezinde a-halo ketonların kullanılması y-diketonların eldesi için ge nel bir yöntem sağlar: ~ O

Na+ ^ O

O

O

J1

.

il

(1) seyreltik NaOH

-> c h 3c — c h — c — o c 2h 5 ----- ------------ ►

CH,C—CH—C—OC,H5 BrCH,CR

(

2 ) 11,0

CH,

O

C=

0

CH, C = ()

I R

O

I

1 u 1 X)C

I :3c—<

R 0 -co.

o Bir y- diketon

Problem 19.1 I

889

890


P ro bl em 19.12

► Aşağıdaki bileşiği hazırlamak için asetoasetik ester sentezini nasıl kullanırsınız? O

O

Asetoasetik esterden elde edilen anyonlar, açil klorür veya açil anhidritlerle etkileştirildiklerinde bir açilleme gerçekleşir. Açilleme tepkimeleri etanol içerisinde yapılamaz, çünkü her iki açilleme reaktifi de alkollerle etkileşir. Açilleme tepkimeleri DMF ve DMSO gibi aprotik çözücülerle (Altbölüm 6.14C) yapılmalıdır. (Eğer tepkime etanol içerisinde yapılsaydı, örneğin sodyum etoksit kullanılsaydı, açil klorür hızlı bir şekilde etil esterlere dönüşecek ve etoksit iyonları nötürleşecekti.) Aprotik çözücüler içerisin de enolat anyonunu oluşturmak için sodyum hidrür kullanılabilir. O

O

CH3— C— ch2— C— OC2H5

Na'tT aprotik çözücü

(—H,)

O

Na+ ^ O

O I

HCC1

ch3— c — ch — c — oc2h 5 —

—

(—NaCl)

O

o

ch3— c — ch — c — oc2h5

(1) seyreltik NaOH^ (2) H ,0+

C = ()

I

R o

O

O

CH,—C—CH—C—OH £ _^

o

— ►CH,—C—CH9—C— R -co, ‘

Bir p -diketon

R /3-Dikarbonil bileşiklerinin elde edilmesinde Claissen kondensasyonu dışında kullanılabilen başka bir yöntem de asetoasetik esterlerin açillenmesini, bunu izle yen hidroliz ve dekarboksilasyon tepkimelerini içerir. P ro b l e m 19.13

Aşağıdaki bileşiği asetoasetik ester sentezini kullanarak nasıl sentezlersiniz? O O

Asetoasetik ester, alkilleme tepkimelerine benzer bir şekilde fenillenmez, çünkü bromobenzen SN2 tepkimesine [Altbölüm 6.15A ve Problem 19.9(c)| uygun değildir. Bunun la beraber, eğer asetoasetik ester, bromobenzen ve iki eşdeğer mol sodyum amitle etkileştirilirse fenilleme, bir benzin mekanizması üzerinden (Altbölüm 21.11) gerçekle şir. Net tepkime aşağıda verilmiştir:

19.3 Asetoasetik Ester Sentezi: Metil Ketonların (Sübstitüe Asetonlar) Sentezi o

o

II

II

sıvı NH,

o

o

II

II

CH,CCH2COC2H5 + C6H5Br + 2 NaNH2--------CH3CCHCOC2H5 c 6h 5

Malonik esterler ,ROCCFLCOR, de benzer yöntemlerle fenillenebilirler.

(a) Asetoasetik esterin bromobenzen ve iki eşdeğer mol sodyum amitle fenillenme- •< si mekanizmasını basamak basamak gösteriniz. (Niçin iki eşdeğer sodyum amit ge rekir?) (b) Fenillenmiş asetoasetik esterin hidrolizi ve dekarboksilasyonu sonucu hangi ürünü elde etmeyi beklersiniz? (c) Fenilasetik asiti malonik esterden nasıl ha ziransınız?

Asetoasetik ester sentezinin diğer bir şekli, sıvı amonyak içerisinde potasyum amit gibi çok kuvvetli bir baz kullanılarak bir asetoasetik esterin rezonans kararlı dianyonuna dönüştürülmesini içerir. 'O

-O*-

I c h 3— c — c h 2— c

9 K4**NH -

— o c 2h 5 ---------- —+ sıvı NH3

t-î"

:/c Ş —C—C H ^ C—OC,Hs

2 KH

I :Ö: :Ö:~ I ı .. CH2= C—CH= C—OC2H5

2 K+

I vb. Bu dianyon, bir mol birincil (veya metil) halojeniirle etkileştirildiğinde iç tarafta bulu nan karbondan daha çok uçta bulunan karbonda alkillenme gerçekleşir. Bu alkilleme tepkimesinin bu şekilde yönlenmesi, uçtaki karbonyonun daha kuvvetli bazik (ve dola yısıyla daha fazla nükleofilik) özellik göstermesinden kaynaklanır. Bu karbanyon daha baziktir, çünkü sadece bitişik bir karbonil grubu tarafından kararlı kılınır. Monoalkilleme meydana geldikten sonra anyon, amonyum klorür ilavesiyle protonlanabilir. O O II n II 2 K+ |_“:CH2— c — CH—C— OC2H5

O

R— CH-,—

K +

O

K—X sıvı NH, (-K X)

0

0

Il » II nh4ci II II C— CH— C — OC,Hs----- — ► R — CR,— C — CH— C — OC,H, I H

P ro b l e m 19.14

891

892

Bölüm 19 / j3-Dikarborıil Bileşiklerinin Sentezleri ve Tepkimeleri

P ro bl em 19.15

^

Aşağıda verilen bileşiğin sentezi için etilasetoasetalı nasıl kullanabileceğinizi gös teriniz. O O » II C6H5CH2CH2CCH,COC2H5

19.4

M a l o n i k E s t e r S e n t e z İ: S Ü B S T İTÜ E A S E TİK ASİTLER İN SEN TEZİ

Asetoasetik ester sentezini tamamlayan ve mono ve disübstitüe asetik asitlerin sentezin de kullanılan yararlı bir yöntem de malonik ester sentezleridir. Başlangıç maddesi /3-dikarboksillik asidin diesteridir ve malonik ester olarak adlandırılır. En yaygın kulla nılan malonik ester dietil malonattır. •'O'' -O' II II c 2h 5o —c — c h 2—c — o c 2h 5 Dietil malonat (bir /3-dikarboksilik asit)

Malonik ester sentezi birçok yönden asetoasetik ester sentezine benzer.

İ T e p k i m e İçin B i r M e k a n i z m a : Sübstitüe Asetik Asitlerin Malonik Ester Sentezleri 1. Basamak Başlangıç maddesi olan dietil malonat kararlı bir enolat anyonu oluşturur:

•o-

'O '

C2H50 — C—ÇH — C—OC2H5

•*o'-

r :0 :<>l

•'o'*

M c 2h 5o — c ^ ç h — c — o c 2h

+ HOC2H5

-'O* ^11

C 2H 50 — C = ^ C H ^ C — O C 2H 5 «

•’o-

:o-

II I CriTO—c —C H = C —OC,H,

Rezonans-kararlı anyon 2. Basamak Bu enolat anyonu bir SN2 tepkimesiyle alkillenebilir, 0

0

0

0

II II II II C,H,0—C— ÇH—c —OC2H5--- ►CjHjO—C—CH— C—OCjHj + X X Enolat iyonu

r

Monoalkilmalonik ester

ve eğer sentezimizde gerekliyse, bu ürün yeniden alkillenebilir:

19.4 Malonik Ester Sentezi: Sübstitüe Asetik Asitlerin Sentezi o

o

11

11

(CH,),CO-

CJHLO—C—CH—C—OC,H

"----- ► O

R

R' O

C2H50 —C—C—C—OEt-------*• C2H50 —C—C— C— OC2Hs R

R Dialkilmalonik ester

3. Basamak Mono veya dialkilmalonik ester mono- veya dialkil malonik asite hidrolizlenir ve sübstitüe malonik asitler hızlı bir şekilde dekorboksile olurlar. Dekarboksilasyon sonucu mono- veya disübstitüe asetik asit oluşur.

O

O

11

11

O

O

(l)H O -.H X >

C2H50 — c —CH—c — OC2H5 (2) ____ _ - ►HO—C—CH—C—OH H,0* R

R

Monoalkilmalonik ester

H\ O II I 'c \ r HO £ / \ R H 0 R' II I c —c — II R

(1) HO-. H,0 (2) H ,0+

O -co,

o

*

H-.C—C—OH "I R Monoalkilasetik asit

O R' O II I II * HO—c —c —c —OH I R

Dialkilmalonik ester

H \

O HO

o

/ c\ R

O

-c o ,

R' O I II -► HC—c —OH R

R'

Dialkilasetik asit

Malonik ester senteziyle ilgili iki özel örnek, heksanoik asit ve 2-etilpentanoik asitin aşağıda verilen sentezleridir. H eksan o ik A sitin B ir M a lo n ik E s ter Sentezi

O O O O II II I I I ( 1 ) NaOC,H< c 2h 5o —c — c h 2—c — o c 2h 5 —------ —---------- ►C2H50 —C—CH—C—OC2H5 (2) CHjCH2CH2CH2Br

c h ,c h , c h 2c h , Dietil bütilm alonat (%80—90)

(1) %50 KOH, geri soğutucu altında kaynatma

H

O

I

II

— —Seyreltık ıi,S()4, -----gen ——--— "T---- 1 . ►C H ,C H ,C H ,C H CH—C— OH soğutucu altında kaynatma (—CO-,)

(2)

Heksanoik asit (%75)

893

894


2-Etilpentanoik Asilin bir Malonik Ester Sentezi O

O

^

^

(I) NaOC,H,

C0H ,0—C—CH,—C—O C H ,--------- — ► (2) CH.CHJ

O O O O 11 11 (l)KOC(CH,), 11 11 (1)HCT,H,0 C,H,0—C—ÇH—C—OC,H,------------- *—►C,H,0—C ^ C ^ C —OC,Hs -----------25 T 2 5 (2) CH,CH2CHjI 2 5 / \ - • (2) H ,0+ C H ,C H ,C H ,

C H ,C H ,

Dietil etilpropilmalonat

Dietil etilıııalonat

O

O

O

H O — C — C — C — OH c h 3c h ,c h 2

HO

/

O \ ^

^

o 18ü°C

-co,

O

► C H ,C H ,C H 2— (pH— C — OH

c h ,c h ,

c h ,c h 3 c h 3c h , c h

Etilpropilnıalonik asit

P ro bl em 19.16

C H ,C H ,

2 c h 2c h ,

2-Etilpentanoik asit

► Aşağıdaki her bir bileşiğin malonik ester sentezindeki bütün basamaklarını gösteri niz. (a) Pentanoik asit, (b) 2-metilpentanoik asit, ve (c) 4-metilpentanoik asit.

Malonik ester sentezinin iki farklı uygulaması vardır. Bunlardan birinde iki eşdeğer mol sodyomalonik ester dihaloalkanla tepkimeye sokulur. Birbirini izleyen alkillemeler bir tetraester verir. Tetraesterlerin hidroliz ve dekarboksilasyonu sonucu dikarboksilik asitler oluşur. Bu senteze bir örnek olarak glütarik asit sentezi verilebilir. 0 II

ç o c 2h , C H ,I, + 2 N a+_:CH

1 COC.Hs

II o

' '

0 II C,H,OC / “ \ 1CHCHıC \ / H C,H,OC - ' II 0 O

0 II COC.Hs ( 1) suluHCl______ (2) buharlaştırma, ısı

COCdds II " 0 o

HOCCH2C H 2CH2COH + 2 C 0 2 + 4 C 2H5OH

Glütarik asit (tetraesterden %80)

İkinci uygulamada; sodyomalonik esterin bir eşdeğer molüyle dihaloalkanın bir eş değer molü tepkimeye sokulur. Bu tepkime sonucu haloalkilmalonik ester oluşur. Bu nun sodyum etoksitle etkileştirilmesiyle molekül içi alkilleme tepkimesi gerçekleşir. Bu yöntemle 3-, 4-, 5-, ve 6- üyeli halkalar elde edilebilir. Bu tür senteze örnek olarak siklobütankarboksilik asit sentezini verebiliriz.

19.4 Malonik Ester Sentezi: Sübstitüe Asetik Asitlerin Sentezi

HC: Na+ + B r—CH,CH,CH,Br

►

C,H,OC

o o c , h
HCCH,CH2CH2B i ( ll(> Na ►

/

C,HsOC ' ■ II o

O

o II

C H ,—Br

C2H5OCx

/

C

\

C,HsOC

CH,

/

C2H5OCx

\

CH,

,C

/

.ch2

N

/ \ __/

C,H,OC

CH,

CH,

'

O

O

hidroliz ve dekarboksil lerne

O »

/ CH\

HOC— CH

\

/ CH,

CH,

‘

Siklobütankarboksilik asit

Daha önce gördüğümüz gibi malonik ester sentezleri ınono ve dialkil asetoasetik asit lerin elde edilmesinde yararlı bir yöntemdir. O H,C— C— OH

HC— C— OH

I R

'I R Bir monoalkilasetik asit

Bir dialkilasetik asit

Bu yüzden, malonik ester sentezi bize asetik asitin bir ester enolatınm veya asetik asit dianyonunım sentetik eşdeğerini sağlar. Bu gibi anyonların doğrudan oluşumu da müm kündür (Altbölüm 19.6) fakat dietil malonatın a hidrojenlerinin daha kolay uzaklaştı rılması sebebiyle sentetik eşdeğer olarak dietil malonatın kullanılması daha uygundur.

0 0 II _ II C2H sO— C — ÇH—C—OC2H5 Dietil malonat anyonu

0II I -:CH2—C — ÖC2H5 yapılarımn sentetik eşdeğeridir.

ve

0 II Ö:-

Özel konu D'de bu anyonların biyosentetik eşdeğerlerini göreceğiz.

895

896


19.5

A K T İ F H İ D R O J E N B İ L E Ş İ K L E R İ N İ N D A H A İLERİ TEPKİM ELER İ

Malonik ester, asetoasetik ester ve benzer bileşikler, metilen hidrojenlerinin asitiliklerinden dolayı aktif hidrojen bileşikleri veya aktif metilen bileşikleri olarak adlandı rılırlar. Genellikle konuşmada aktif hidrojen bileşikleri denildiğinde aym karbon atomuna bağlı iki elektron çeken grubun bulunduğu anlaşılır. Z— CH2— Z'

Aktif hidrojen bileşiği (Z ve Z' elektron çeken gruplardır.) Elektron çeken gruplar, aşağıda verilen değişik sübstitüentler olabilir:

O II

— CR

o II

CH

o II

O

— COR

— cnr2

— C=N

0 II —s —R

—no2

0 II — s—R II 0

0 0 II II — s — OR veya — S — NR, II II 0 0

Aktif metilen bileşiklerinin pKa değerlerinin aralığı 3 - 13’tür. Örneğin etilsiyanoasetat bazla tepkimeye girerek rezonans kararlı bir anyon oluşturur.

‘O 1 ^

O' II

A

:N = C — CH2— COEt — — ► rN ^C— CH— COEt

H

Etil sivanoasetat

Aı

W

7,0 4

N = C = CH— COEt

T

: O :~ I

: N — C — C H = CO Et

Etilsiyanoasetat anyonları da alkillenebilir. Bu anyonlar, izopropil iyodür ile dialkillenebilirler, örneğin; H,C H,C

\ /

CO,C,H, ı ( CHI -I- CH

(1) C T I 5O N a /C ,H ,O H

„ _ H,CX '

(2 ) H 30

CN

h 3c

\

/

C 02C2H5 ı (1) CHCH

1 CN (%63)

C 2H 3ONa/C 2H 5O H ^ H (C X

( 2)

/CHI H ,C

c o . c 2h 5 h 3c n

CH— C — CH

y

l (%95)

\

CH3

19.6 Ester ve Nitrillerin Doğrudan Alkillenmesi Ketonların elde edilmesinde bir başka yol aktif hidrojen bileşiği olarak (3-keto sülfoksit kullanımıdır

O II

r c — c h 2—

O II

SR'

Bir ß -keto sülfoksit

( 1) baz

,

O

O

11

11

O A l-H g

11

--» RC— CH — S R '------ =-> RC— CR,— R

(2) K X

R"

/3-Keto sülfoksitler ilk olarak anyona dönüştürülürler ve daha sonra bu anyon alkillenir. Bu basamaktaki ürünün alüminyum amalgam (A l-H g ) ile etkileştiıilmesi sonucu karbon-kıikürt bağı kırılır ve yüksek verimle keton oluşur.

Antiepileptik ilaç olan valproik asit, 2-propilpentanoik asittir (sodyum tuzu olarak ^ kullanılır). Valproik asitin bir ticari sentezi etilsiyano asetatla başlar. Bu sentezin sondan bir önceki basamağında dekarboksilasyon olur ve son basamakta nitrilin hid rolizi gerçekleşir. Bu sentezi gösteriniz.

19.6

Es te r ve N İtr ALKİLLENM ESİ

îlle r în

D

o ğ r u d a n

Altbölümler 19.3 - 19.5’te gördüğümüz gibi. /3-keto esterleri ve diğer aktif hidrojen bi leşiklerini alkillemek oldukça kolaydır. İki elektron çeken grup arasında bulunan kar bon atomundaki hidrojenler oldukça asidiktirler ve etoksit iyonu gibi bir bazla kolayca uzaklaştırılırlar. Aynı zamanda, esterler ve nitrillerin de /3-keto grubu içermemelerine rağmen alkillenmeleri mümkündür. Bunun yapılması için daha kuvvetli bir baz kulla nılmalıdır. Esterler veya nitriller hızlı bir şekilde kendi enolat anyonlarına dönüşecek ler ve böylece, ester veya nitrilin tamamının Claisen kondensasyonuna uğramadan kendi enolatlarına dönüşümü sağlanacaktır. Ayrıca, nitril grubunun karbonuyla veya esterin karbonil karbonuyla tepkimeye girmesini engelleyecek yeterlikte hacimli bir baz kulla nılmalıdır. Örneğin böyle bir baz lityumdiizopropilamittir (LDA). Lityum diizopropilamit, çok zayıf bir asit olan diizopropilaminin (pKa = 38) konjuge bazı olduğundan çok kuvvetli bir bazdır. Lityum diizopropilamit, diizopropilaminin bütillityumla tepkimesi sonucu oluşur. LDA'nın bir baz olarak kullanıldığı tepkimeler de çözücü olarak tetrahidrofuran (THF) ve 1,2-dimetiloksietan (DME) gibi eterler kul lanılır. (Diğer sentezlerde L D A ’nın kullannnı Altbölüm 17.7’de açıklanmıştır.)

Bütillityum

Diizoprapilamin pKa = 38

Lityum diizoprapilanıit [LDA veya (<-C,H7),NLi]

Bütan pKa = 50

P ro b l e m 19,17

897

898


Esterlerin doğrudan alkillenmesi ile ilgili örnekler aşağıda gösterilmiştir: İkinci ör nekteki ester bir laktondur (Altbölüm 18.7C). O

LİT LDA

CH3CH2CH2—

X

o

c h 3 c h 2c h — c — o c h 3_

CH3CH2—I

M e til b ü ta n o a t

O II c h 3 c h 2c h — c — o c h 3 c h 2c h 3 M e til 2 -e tilb ü ta n o a t

(%96)

B ü tir o la k to n

2 - M e tilb ü tir o la k to n

( % 88)

19.7 1,3-Dİ t İy a n l a r i n A lk îlle nm esî 1,3-Ditiyanın aynı karbon atomuna iki kükürt atomunun bağlanması, o karbon üzerin deki hidrojen atomlarının birçok alkil karbon atomundaki hidrojenlere göre daha asidik (pKa = 32) olmasına neden olur. S \/S / c\ H H 1 ,3 -D itiv a n pA'a = 32

Çünkü, kükürt atomları kolayca polarlanır ve negatif yüklü anyonun kararlı kılınması na yardım edebilir. Genel olarak bütillityum gibi kuvvetli bazlar ditiyanı anyonuna dö nüştürmek için kullanılır.

+ C ^L İ H

H

* S \^ S H

+ C4H I0

Li+

1,3-Ditiyanlar tiyoasetallerdir (bkz. Altbölüm 16.7C). Ditiyanlar bir aldehit ile 1,3propanditiyolün, eser miktarda asit varlığında, etkileştirilmesiyle elde edilirler. O RCH + HSCH2CH2CH2SH Hi°—► R H Bir 1,3-ditiyan 1,3-Ditiyanın bir birincil halojeniirle SN2 tepkimeyle alkillenmesi ve daha sonra ürünün (tiyoasetal) hidrolizi, aldehitin bir ketona dönüştürülmesi için bir yöntem sağlar.

19.7 1,3-Ditiyanların Alkillenmesi

899

Hidroliz, genellikle H gC l 2 kullanılarak ya metanol içerisinde ya da sulu asetonitril içe risinde gerçekleştirilir. o (I) C4Iİ9Lİ ( C4H10) ^

“X R

S

(2) R ' C H , X ( - L İ X )

H

H g C I2. C H ,O H . H ; 0 S

X

R CH.R Tiyoasetal

,

( - H S C H 2C H 2C H 2S H )

> R — c — CH,R' Keton

Bu ditiyan sentezinde, bir aldehitin olağan bir tepkimesinin tersinin gerçekleştiğine dikkat ediniz. Normal olarak bir aldehitin karbonil karbon atomu kısmî pozitiftir; elektrofilik olarak davranır ve nükleofillerle tepkime verir. Aldehit, 1,3-ditiyana çevrilip bütillityum ile etkileştirildiğinde aynı karbon atomu negatif yüklenir ve elektrofillerle tepkimeye girer. Karbonil karbonunda polarlaşmanın bu şekilde değişmesi umpolung (Almanca’da polarlaşmanın tersine dönmesi) olarak adlandırılır. Böylece 1,3-ditiyan anyonu bir anyonik karbonil karbonunun sentetik eşdeğeri durumuna gelir.

( 1)

h s c h , c h 2c h , s h

(2 ) C 4H 9Lİ

.

h a

S \ /S / c " R

Aldehit Umpolung

1,3-Ditiyanm sentetik kullanımı E. J. Corey ve D. Seebach tarafından gerçekleştirilmiş tir ve Corey-Seebach yöntemi olarak adlandırılır. (a) 1,3-Ditiyanın kendisini elde etmek için hangi aldehiti kullanırsınız? (b) Bir 13- < ditiyanı bir ara ürün gibi kullanarak C 6 H5 CH2CHCTyu nasıl sentezlersiniz? (c) Benzaldehiti asetofenona nasıl dönüştürürsünüz?

P r o b l e m 19.18

C orey-Seebach yöntemi RCH 2 CH 2R ' yapısındaki moleküllerin sentezinde de kul- ^ lanılabilir. Bu nasıl yapılabilir?

P r o b l e m 19.19

(a) Corey - Seebach yöntemi aşağıda verilen, oldukça gergin yapılı metaparasiklo- < fan olarak adlandırılan bir molekülün eldesinde kullanılmıştır. A -D ara ürünlerinin yapıları nedir?

P r o b l e m 19.20

2 H S C H ,C H ,C H ,S H

A (C uH 18S4)

(1 ) 2 C 4H „Lİ (2 ) B rC H

hidroliz

_

B (C22H24S4) ----------- ►C (Cl6H 120 2)

Bir metaparasiklofan (b)

B bileşiği aşırı miktarda Raney Ni ile etkileştirildiğinde hangi bileşik elde edilir?

900


19.8

Kn o ev en a g el Ko n d e n s a s y o n u

Aktif hidrojen bileşikleri aldehit ve ketonlarla kondenseleşir. Bu tepkimeler Knoevena gel kondensast onları olarak bilinir. Bu aldol benzeri kondensasyonlar zayıf bazlar ta rafından katalizlenirler. Aşağıda bu tepkimeye bir örnek verilmiştir: O II Cl

CHO +

19.9

o II

c h 3c c h 2c o c 2h 5

(C 2H 5)2N H ^ C 2h 5o h

M l C H A E L KATILMALARA

Aktif hidrojen bileşikleri aynı zamanda a,/3-doymamış karbonil bileşiklerine konjuge katılmalar yaparlar. Bu tepkimeler Ylichael katılm aları olarak bilinir ve Altbölüm 17.9B'de açıklanm ışta Enolatlar gibi nükleofiller konjuge katılmaları vermeye eğilim lidirler (Altbölüm 17.9).

T e p k i m e İçin Bir M e k a n i z m a : Bir Aktif H idrojen Bileşiğinin Michael Katılması Toplam Tepkime O CH3

l

O /

CH3C = C H C O C ,H 3 + CH,

ch 3

‘

\

CTUCTNa

-

•

c , h 5o h

COC,H 3 II o

25 ° c

►

I c h 3c

—

o

^ c h ,c o c ,h 5

i

CH(C0 2 C2H 5)2 (%70)

Mekanizma 1. Basamak O COC 2H 5 C ,H ,0- + H — CH

2 5

\

O / -►C,HX)H + - =CH 2 5 \

COC,H< II ' •

o

Bir alkoksit iyonu bir proton uzaklaştırarak aktif metilen bileşiğinin anyonunu oluşturur.

COC 2H5 c o c 2h 5

o

19.9 Michael Katılmaları 2. Basamak

CH3 -'o* I^ - ^ 1 CH,— C =C H —C— OC,H,

31 /

0=C

CH, a O:I ►c h 3 — c — c h = c — o c 2h 5

CH\ C=0

O

o=c

CH \

/

o

O

I

s

II

CH,—C— CH— C— OC2Hs

c=o

o=c

o

C,H- C,H, ^ “s

C2Hs C2Hs

-o -

ch3

/

CH \

c=o

0

0

c 2h 5

c 2h 5

a,/?-Doymamış estere bir anyonun konjuge katılması yeni bir enolal anyonunun oluşumuna yol açar.

3. Basamak

CH, -OI1 •-• il 11 h 3o + CH3— c — CH— c — OC,H5 — ->

o=e

/

CH \

CH,

-‘O*ııı c h 3— c — c h 2— c — OC2H5 0=

c=o

ç

/

CH \

r

o

o

o

C2H5 C,H? Cnolat anyonu tepkime tamamlanırken bir asit tarafından protonianır.

O CH O ^ II I 3 II HOCCH2CCH2COH bileşiğini, Michael katılma tepkimesini kullanarak nasıl sen-

P ro bl em 19.21

CH3 tezlersiniz? Michael katılmaları çok sayıda başka reaktifle de gerçekleşir. Örneğin asetilenik esterler ve a,/3-doymamış nitriller bu tür tepkimeler verirler. o O O II II II H— C = C — C— OC2H5 + CH,C — CH,— C— OC 2H 5

c 2h 5o

-

w

c , h ,o h

*

O II HC= CH— C— OC2H5

CH,— C ■ II

o

/

CH \

C — o c 2h 5

o /C O C .H s C2H;0~ CHt= C H — C = N + CH,

\

CH2 — CH2 — C = N

c 2h 5o h

COC,H, II ‘

o

o=c I o

/

CH \

c 2h 5

C=t) I o c ,h s

11

o

901

902


1 9 .1 0

M

a n n ic h

TEPKİM ESİ

Enol yapısı oluşturabilen bileşikler formaldehitle ve birincil veya ikincil aminlerle tep kimeye girerek mannich bazı olarak adlandırılan bileşikleri meydana getirirler. Bu tep kimeye bir örnek olarak aşağıda aseton, formaldehit ve dietilamin arasındaki tepkime verilmiştir.

O

O

CH3— C — CH3 + H — C — H + (CaHs)aNH HCI

O II

CH3— c — CH2— CH2— N(C2Hs)2 + H,0

Mannich bazı Mannich tepkimesi, reaktant ve uygulanan deneysel şartlara göre farklı mekaniz malar üzerinden oluşur. Nötr veya asidik ortamda meydana gelen tepkime mekanizma sı aşağıda (sayfa 904’te) verilmiştir.

ımyası Kendi Kendini Y o k Eden Bir E nz im Substratı

5-Florodeoksiurasil monofosfat, timidilat sintazdaki tetrahidrofolata kovalent bağla bağlanır ve enzimin katalitik etkinliğini durdurur.

•J-Florourasil, urasilin kimyasal bir sahtesidir ve güçlü bir antikanser ilacıdır. Bu etki, 5-florourasilin, DNA sentezi için gerekli olan bir H anahtar dönüşümü katalizleyen timidilat sinta5-Florourasil zın (bir enzim) bu katalizleme kabiliyetini geri dönüşümsüz olarak tahrip etmesinden kaynak lanır. 5-Florourasil mekanizmada önleyici (veya kendini yok edici ^ f : bir substrat) olarak davranır, çünkü 5-florourasil timidilat sintaza normal bir substrat gibi atak yapar fakat daha sonra kendi meka nizmasıyla kendini yok ederek enzim aktvitesini yok etmiş olur. Bu ilk aldatma, inhibitördeki flor atomu, doğal substratlarda hidrojenin yaptığı gibi hemen hemen aynı alanı kapladığından mümkündür. Enzim mekanizması, bir baz ile hidrojen atomunun uzaklaştırıldığı gibi flor atomu uzaklaştırılamadığından engellenir. Timidilat sintazın normal yöntem ve inhibitör engelli her iki mekanizmasında da iminyum katyonu üzerine enolat anyonu atak yapar. Bu süreç, Altbölüm 19.10’da an latılan Mannich teptkimesine oldukça benzer. Bu ataktaki enolat anyonu, timidilat sintazın tiyoJ grubunun substratın a,/3-doymamış karbonil grubuna konjuge katılmasıyla oluşur. Bu işlem Micheal katılmasıyla oluşan enolat ara ürünün oluşma yoluna benzer. Bu yöntemde atağa uğrayan iminyum iyonu koenzim /V\ /Vın-metilentetrahidrofolattan (/V5, /V'°-metilen-THF) elde edilir. Bu basamakta enolatın atağıyla enzim ile substrat arasında kovalent bağ oluşur, oluşan bu bağ Borlanmış inhibitör kullanıldığı zaman koparılamaz. Bu engelleme mekanizması yan sayfada gösterilmiştir.

H

H2N ^ N \ / N ^ H İm invum katyonu

ch

■ J<^CH k n

O

VI

H 2C

HN

. ^

o ^ y a

R

F B

H O

dRiboz — ® F-dUMP

'NT

S—Enz

dRiboz — (£) ® = fosfat

Enolat

nn

T im idilat sintazın tiyol g rubunun, inhibitor içerisindeki a. /3-dovmamış karbonil g ru bunun k arb o n atom una konjuge katılm ası enolat a ra ürü n ü n ü oluşturur.

/B [2 ]

A'5,A',fl-m etilen-T H F’nin im invum katyonuna enolat anyonunun atağı sonucu inhibitor ve enzim arasında bir kovalent bağ oluşur.

LAJ

1

IX

0

HB

h

V ' U “ En2' dRiboz — ®

'■ S—

x B

Enz

+

h

+

H

h ^ n^

O

X

V /C N

h,

H

dRiboz — ®

N orm al m ekanizm ada bundan sonraki basam ak substratın karbonil g rubuna komşu a k arbonundaki protonunu da içeren ayrılm a tepkim esidir. T etrohidrofolat koenzimi ayrılan g ru p olarak uzaklaşır. F lorlanm ış inhibilör olması d u rum unda bu basam ak m üm kün değildir, çünkü tlor atom u, ayrılm ada uzaklaştırılm ası istenen hidrojen atom unun yerindedir. Enzim gerektiği gibi, ayrılm a tepkim esini tetrahidrofolat koenziıninden serbest kalacak şekilde verem ez. Bu engelleme basam akları çarp ı işareti ile gösterilm iştir. Koenzim den su b stra ta h id rü r transferi ve böylece metil g rubunun oluşum u ve enzim in tiyol grub u n d an ü rünün ayrılm ası gerçekleşmez. Bu engelleme basam akları gölgelenmiş olarak gösterilm iştir. E nzim lerin etkinlikleri yok edilm iştir. Ç ünkü inhibitörlere tersinm ez olarak bağlanm ıştır.

dTMP

903

904

Bölüm 19 / ß-Dikarbonil Bileşiklerinin Sentezleri ve Tepkimeleri

Tepkime İçin Bir Mekanizma __ * Mannich Tepkim esi Hx ,C = / H

1. Basamak

.. 0

■

-

H H H ■ 1 .. HA -A/ 1 ^ 1 R 2N— C — 0 — H 5îr= ± R,N— c — 0 ”

H İkincil aminin aldehitle tepkimesinden yarı-aminal oluşur. O 2. Basamak

CH 3

P r o b l e m 19.22

İminyum katyonu H Yarı-aminal bir su molekülü kaybederek iminyum katyonu oluşturur. O

HA.

-►CH 3 —c — CH 2 — CH 2 — NR2 + HA ^— CH 3 C CH 2 Mannich bazı Enol ; + CH 2 = N R 2 İminyum katyonu Aktif hidrojen bileşiğinin enol şekli iminyum katyonuyla tepkimeye girerek bir /3-anıinokarbonil bileşiği (bir Mannich bazı) oluşturur.

C

CH3

>

Aşağıdaki Mannich tepkimelerinin ürünlerinin oluşumunu gösteren uygun mekaniz malar yazınız. O O

(b) OH

OH

Aldehit ve ketonlar ikincil aminlerle tepkimeye girdiğinde enaminler olarak adlandırılan bileşikler meydana gelir. Enamin oluşumunun genel tepkimesi aşağıdaki gibi yazılabilir. •*o% ı

y

I H Aldehit veya keton

+ H>i

R «=►

R 2° Amin

OH 1 1 / R L. —C— N | | \ R H

■ /R N + H20 / \ C\

Enamin

R

19.11 Enaminlerin Sentezi: Stork Enamin Tepkimeleri

Enamin oluşumunda bir su molekülünün ayrılması gerektiğinden, enamin eldeleri genellikle suyun azeotrop olarak veya bir kurutma reaktifi kullanılarak uzaklaştırılması sağlanacak şekilde yapılır. Suyun ortamdan uzaklaştırılmasıyla tepkime tamamlanıncaya kadar tek yönlü olarak devam eder. Enamin oluşumu eser miktarda asit kullanılarak da katalizlenir. Enaminlerin elde edilmelerinde pirolidin, piperidin ve morfolin gibi halka lı yapıdaki ikincil aminler yaygın olarak kullanılır.

II Pirolidin

H Piperidin

H Morfolin

Örneğin sikloheksanon, pirolidin ile aşağıdaki yolla tepkime verir.

N-( 1-Sikloheksenil)pirolidin (bir enamin)

Enaminler iyi nükleofillerdir ve rezonans yapılarının incelenmesiyle enamin yapıla rının hem bir nükleofilik karbon hem de nükleofilik azot atomu içerdiği görülür.

Bu melez yapı, azot atomu üzerinden nükleofilik etkinin olacağını gösterir.

Bu melez yapı, karbon atomunun nükleofilik merkez olduğunu gösterir ve azotun nükleofilik karakterini azaltır.

Enaminlerde karbon atomunun nükleofilik karakteri, bu reaktiflerin sentezlerde yaygm olarak kullanılmasını sağlar. Bu bileşikler, bu özelliklerinden dolayı alkillenebilir, açillenebilir ve Michael katılma tepkimelerinde kullanılabilirler. Columbia Üniversitesi’nde bulunan Gilbert Stork’un çalışmalarıyla bu teknikler gelişmiştir ve onun anısına bu tep kime Stork enamin tepkimesi olarak bilinir. Enaminler, bir açil halojenür veya bir asit anhidritle tepkimeye girdiğinde ürün

905

906

Bölüm 19 / /î-Dikarbonil Bileşiklerinin Sentezleri ve Tepkimeleri

C-açillenmiş bileşiktir. Oluşan iminyum iyonu, ortama su katıldığı zaman hidroliz olur ve tepkime sonunda /3-diketonlar elde edilir.

cr + cr İminyum tuzu

2-Asetilsikloheksanon (bir /3-diketon)

Bu sentezlerde /V-açillemesi de olmasına rağmen, /V-açil ürünleri kararsızdır ve bu ürünlerin kendileri açilleme reaktifi olarak davranır.

Enamin

jV-Asetillenmiş enamin ürünü

C-Asetillenmiş iminyum tuzu

Enamin

Sonuç olarak, C-açillenmiş ürünün verimi genellikle oldukça yüksektir. Enaminler hem açillenebilir hem de alkillenebilirler. Alkilleme sonucu dikkate de ğer miktarda /V-alkillenme ürünü elde edilir. (V-alkillenme ürünü ısıtılarak C-alkil bile şiklerine dönüştürülür. Bu çevrilme tepkimesi özellikle alkil halojenür. allilik halojenür, benzilik halojenür veya a-haloasetik ester olduğunda yeğlenir.

C-Alkillenmiş ürün |

h 2o

O

H

19.11 Enamin Sentezleri: Stork Enamin Tepkimeleri Enaminle yapılan alkillemeler SN2 tepkimesiyle olur. Bu yüzden tepkimelerde alkilleme reaktifi olarak metil, birincil, allilik ve benzilik halojenürler kullanılır. a-Halo esterler de alkilleme reaktifleri olarak kullanılabilirler ve bu tepkime y-keto esterlerin sentezinde yararlı bir yöntemdir.

Bir y-keto ester (%75)

Enaminleri kullanarak aşağıdaki bileşikleri nasıl elde edebileceğinizi gösteriniz:

<

Aşağıda, enamin alkilleme tepkimesiyle ilgili ilgi çekici örnekler verilmiştir. (Bu, Teksas Üniversitesi’nden Austin J. K. Whitesell tarafından geliştirilmiştir). Bu enamin (ikincil aminlerin tek bir enantiyomerinden hazırlanan) kiraldır. Bu enaminin alt taraf tan ahdilenmesi metil grupları tarafından önemli ölçüde engellenmiştir. (Bu engelin, grup ların, iki halkayı birleştiren bağ çevresindeki dönmelerinde bile var olduğuna dikkat ediniz.) Sonuç olarak, alkilleme üst tarafta daha hızlı bir şekilde gerçekleşir. Bu tep-

P ro bl em 19.23

907

908


kime 2 -sübstitüe sikloheksanonların hemen hemen tek bir enantiyomerini verir (hidro lizden sonra).

R Grubu H— CH,CH2— CH 2 = C H —

Kimyasal Enantiyomerik Verim(%) Fazlalık (%) 50 83 93 57 80 82

Enaminler Michael katılma tepkimelerinde de kullanılabilirler. Aşağıda buna bir ör nek verilmiştir.

1 9 .1 2

Ba

r b İt ü r a t l a r

Dietil malonat. sodyum etoksit varlığında üre ile tepkimeye girerek barbitürik asit adı verilen bir bileşik oluşturur. 0

II ^COCoH, CH, c o c ,h 5 II ’ '

h 2n x

/

1

h 2n

0

Barbitürik asit

19.12 Barbitüratlar

909

Barbitürik asit bir pirimidin türevidir (Altbölüm 20.1) ve birinin aromatik halka içerdi ği çok sayıda tautomerik yapı bulunur.

Fenobarbital Barbitürik asit orta kuvvetli bir asittir, asetik asitten daha kuvvetlidir ve anyonu rezo nans kararlılığına sahiptir. Barbitürik asitlerin türevleri barbitüratlardır. Barbitüratlar 1903'ten beri tıpta uyku verici maddeler olarak kullanılırlar. Tıbbî amaçla ilk önce kullanılan barbitüratlardan biri veronal (5,5-dietilbarbitürik asit) bileşiğidir. Veronal çoğunlukla sodyum tuzu ha linde kullanılır. Diğer barbitüratlar sekonal ve fenobarbitaldir. O

O

Veronal (5,5-dietilbarbitürik asit)

Sekonal [5-allil-5-(l-metilbütil)barbitürik asit]

Fenobarbital (5-etil-5-fenilbarbitürik asit)

Barbitüratlar çok etkileyici uyku verici olmalarına rağmen kullanımları tehlikelidir. Bunlar bağımlılık yapıcıdır ve aşırı alındığında ölüme yol açabilir.

Fenobarbital in sentezi aşağıda gösterilmiştir. •< (a) A - F bileşikleri nelerdir? (b) Dietilmalonattan E ’nin başka bir yolla sentezi için bir yöntem öneriniz. NBS

so c ı,

(1 ) M g ,E t ,0

CTL— CH, — —►A (C7H7B r)------— ------6 5

3 c c i4

7 7

P ro bl em 19.24

( 2) C 0 2, daha sonra H 30

►

B ( C sR A ) --------

O _

E tO H

C (C8H7C10)------- ►D (C 10H 12O2)

E tO C O E t

K O C (C H O ,

NaQEt ►E (C13H 160 4) — ' l3

16 4

— ->

C H ,C H ; B r

O F (C 15H2Ü0 4)

H ,N C N H ,, N a O E ı

►fenobarbital

Dietil malonat ile üreden başlayarak ve diğer gerekli reaktifleri kullanarak veronal ■< ve sekonal sentezini tasarlayınız.

P ro b l e m 19.25

it ımyası A t i k o r Katalizli Aldol Katılması

K,

.imya ve biyolojinin en güzel ortak yanı, kimyacıların inmünoloji ve enzimolojiden yararlanarak kimyasal tepkimeleri katalizleyen antikor maddeler üretimidir (Bö lüm 24 açılışı). Şimdi burada, çeşitli aldehit ve keton substratları arasındaki aldol tepkimelerini katalizleyen 38C2 (Ab. 38C2) antikoruyla ilgili örnekler ve bilgiler ve receğiz. Bu tür antikor katalizli tepkimelere bir örnek (£>3-(4-nitrofenil-2-propenalin aldol katılmasıdır. Ürün 38C2 antikoru varlığında %67 verimle ve %99 enantiyomerik saflıkta oluşur. HOH

O

H+ 0-.N

verim %67 (ee %99) Antikor-katalizli aldol kondensasyon tepkimelerinin mekanizması, antikorun bir amino grubu ve nükleofile dönüşen aldol karbonil reaktantından oluşan imin ve enamin ara ürünlerini (Altbölüm 19.11) içerir. Antikor ve bir aldol reaktantından oluşan enaminin elektrofilik aldol bileşenine atağından sonra ortaya çıkan imin hidrolizlenir. Bu basamak, aldol ürününü ve antikorun amino grubunu başka bir tepkime çevrimi için serbest bırakır. Antikor katalizinin bir başka önemli uygulaması Robinson halkalanmasmı içerir. Burada gösterilen aldol halka kapanması ve dehidrasyon basamakları, Robinson halkalanmasının ikinci aşamasında Ab 38C2 katalizörü kullanıldığında enontiyomer faz lalığı %95'ten daha fazla bir verimle gerçekleşir.

>%95 ef Ab 38C2 aynı zamanda 2-metil-l,3-sikloheksandion ve 3-büten-2-on (metilvinil keton) arasındaki tepkimeyi de kolaylaştırır, böylece başlangıç Michael katılması ve Robin son halkalanmasının siklodehidrasyon basamaklarının her ikisini de gerçekleştirir. Aldol substratlarının geniş bir aralığına etki edebilmesinden dolayı, antikor 38C2. şimdi ticari olarak elde edilebilen bir katalitik antikor reaktifidir. Bölüm 24'te görece ğimiz gibi antikorlar Diels-Alder tepkimeleri gibi çok iyi bilinen süreçler dahil diğer bir çok tepkimeyi katalizleyebilmek için üretilmişlerdir.

910

Önemli Tepkimelerin Özeti

Önemli Tepkimelerin Özeti 1. Claisen kondensasyonu (Altbölüm 19.2). O

O

II

II

(1) NaOEt R — C H ,— C — O E t - T - »

2

(2 ) H3(J

O

II R — C H ,— C — C H — C — OEt

j

2. Ç apraz Claisen kondensasyonu (Altbölüm 19.2A).

O R — C H -,— C — O E t

(2 ) H.O' c — c — OEt O

O

3. Asetoasetik ester sentezi (Altbölüm 19.3). 0

0

ü

'

(1) NaOEt

C H - C - C H - C - O E . |2|KB|.

0

0

II

II

(1) O H ", ısı

►C H - C - Ç H - C - O E , ~ ,

(3) ısı (-C 0 ,)

R

O C H 3— C — C H , — R

O

o

II

II

C H 3— C — C H — C — O E t R

O (1 ) K O C (C H ,) , (2 ) H 'B r

II

R' O i

11

(1) O H . ısı

C H , — c — c — c — O E t -------------------------------► (2) H ,0 1 R

(3) ısı ( — C 0 ; )

O C H ,— C — C H —

I R'

R

911


4. Malonik ester sentezleri (Altböliim 19.4). O

0

II — C— OEt

(1 ) NaOEt (2 ) R B r

O O II II -> EtO— C— CH — c —

(1 ) O H ' , ısı (2 ) H 30 + (3 ) ısı ( - C O - , )

1

O II HO— C— CR,— R O

O

11

11

EtO— C— CH—C— OEt

(1 ) K O C (C H ,),

. —-----

(2) R 'B r

R O R' O II I II EtO— c — c — c — OEt I R 5.

6

(1 ) H O -.ıs ı (2 ) H , 0 + (3 ) ı s ı ( - C O , )

O II -►HO— C— CH— R I R'

Esterlerin doğrudan alkillenmesi (Altbölüm 19.6).

. Ditiyarıların alkillenmesi (Altbölüm 19.7). O II

H S C H ıC H ^ C H ıS H

R- C - H -------- HA ~ -

(1 ) BuLi S

^ S

R

H g C k C H ,O H

( 2 ) R ' C H 2X

s

^

R

H

H-.O

s

CHıR O

II

R— c — CH,R 7.

Knoevenagel kondensasyonu (Altbölüm 19.8). / C 0 2R CHO + CH2 ——— ►

,CO,R CH=C

( - H 20 )

\

\ CO-.R

CO.R

8.Michael katılması (Altbölüm 19.9). R'

0

1

1

1

0 II n X

912

i „ C— R

a, P -Doymamış karbonil bileşiği

+

ic o 2r / CH;2 \ CO,R

Veya başka bir aktif metilen bileşiği

R baz

O

> R— C— CH-,— C— R I CH— CO.R I CO,R

Ek Problemler

9. Mannich tepkimesi (Altbölüm 19.10). O

O

R — t — CH, + H

C

/

0 II C

R' —► R

H + H— N \

CH2

A

CH2— N \

R"

R"

10. Stork enamin tepkimesi (Altbölüm 19.11). o

nr; (1 ) R " C H ,B r

RCH,— C— CH,R + R',NH--►RCH,— C =C H R —^ 2 2 2 (2) ısı ;— ► Enamın (3 ) H,o O II

RCH,— C — CHR

I CH,R"

A n a h t a r T e r i m l e r ve K a v ra m l a r /3-Dikarboııil bileşikleri Kondensasyon tepkimesi Claisen kondensasyonu Asetoasetik ester sentezleri [Vlalonik ester sentezleri Sentetik eşdeğerlik Aktif hidrojen (metilen) bileşikleri Yönlendirilmiş alkilleme Umpolung (polarlaşmanın tersine dönmesi) Knoevenagel kondensasyonu Michael katılması Mannich tepkimesi Enaminler

19.26

Altbölüm 19.1 Altbölüm 19.2 Altbölüm 19.2 Altbölüm 19.3 Altbölüm 19.4 Altbölümler 8.6,19.3 ve 19.4 Altbölüm 19.5 Altbölüm 19.6 Altbölüm 19.7 Altbölüm 19.8 Altbölüm 19.9 Altbölüm 19.10 Altbölüm 19.11

Verilen bileşiklerden başlayarak ve gerekli olan diğer reaktifleri kullanarak aşa ğıda sentezlerin bütün basamaklarım gösteriniz. Bir önceki basamakta yazdığı nız basamakları sonraki problemde tekrarlamayınız, kaldığınız yerden diğer basamağı tamamlayınız.

CHjCH.CH.COC.H,

. CHjCH.CH.CÇHCOC.H, CH-, I ■

CH, Y ıld ız la işaretlenmiş problem ler “ çözülm esi daha zo r olan problem ier'’diı\

EK PROBLEMLER

913

914

Bölüm 19 / /J-Dikarbonil Bileşiklerinin Sentezleri ve Tepkimeleri 0

0

(b) CH,CH2CH2COC2H5 ----►CH3CH2CH2CCH2CH2I 0

ch3

(c) C6H5CH2COC2H5 — >

c 6h 5c h c o 2h

1

3

0

0

II II (d) CH3CH2CH2COC2H5 ---- ►CH3CH2CHCOC2H 5 c — COC,FL II II 0

0 0

0

0

II II II (e) CH3CH2CH2COC2H5 — ►c h 3c h 2c h 2c — c o c 2 0

0

(f) C6HsCH2COC2H5---► C6H5CHCOC2H5 CH

O

19.27 Asetoasetik ester ve gerekli olan diğer reaktiflerden başlayarak aşağıdaki bile şikleri sentezleyiniz. (a) f
19.29 Siklobiitankarboksilik asitin sentezi Altbölüm 19.4’te verilmiştir. Bu sentez 1883 yılında ilk defa William Perkin, Jr. tarafından yapılmıştır ve altı karbon atomlu halkadan daha küçük halkalı bir organik bileşiğin ilk sentezini gösterir. (O za

Ek Problem

manlar bu tür maddelerin çok kararsız olduğu ve sentezlenemeyeceği düşünülür dü.) 1883 yılının başlarında Perkin, asetoasetik esterin 1,3-dibromopropan ile tep kimesi sonucu siklobütan türevini yanlışlıkla oluşturduğunu yayınladı. Perkin’in gerçekleştiğini düşündüğü tepkime aşağıda verilmiştir. O II O O CPL CCH, II

II

C .F L O N a

/

2\

BrCH2CH2CH2Br + CH3CCH2COC2Hs —^ ---- ►H2C ^

C

ch2

/

x c o c ,h ,

O Perkin'in ürününün molekül formülü bundan sonraki tepkimedeki ürünün formü lüne uymaktadır. Bu ürünün bazik hidrolizi ve bunu izleyen asitlendirme çok gü zel asit kristalleri oluşturmuştur (molekül formülü de düşünüldüğü gibidir). Ancak asit ısıya karşı oldukça kararlıdır ve dekarboksilasyona uğramaz. Perkin daha son ra oluşan esterin ve asidin altı üyeli halka olduğunu bulmuştur (beş karbon ato mu ve bir oksijen atomu içeren). Asetoasetik esterden elde edilen enolat iyonundaki yük dağılımını düşünerek Perkin'in sentezlediği ester ve asidin yapı sını bulunuz. 19.30 (a) 1884 yılında Perkin, siklopropankarboksilik asiti sodyomalonik ester ve 1,2dibromoetandan başarılı bir sentezle elde etti. Bu sentezde oluşan tepkimeleri ya zınız (b) 1885 yılında Perkin beş üyeli D ve E karboksil bileşiklerini aşağıdaki yolla sentezledi: 2 Na+: CH(C0 2C2H5) 2 + BrCH2CH2CH2B r ---- ►A (Cl7H280 R) :C:llsQN:' ►

B

D (C,H,A ) + E (C,H,A)

C (C ^ A )

D ve E diastereomerlerdir; D. enantiyomerlerine ayrılabilir, E ise ayrılamaz. A -E bileşiklerinin yapıları nasıldır? (c) Perkin on yıl sonra 1,4-dibromobütan sentez ledi ve bu bileşiği daha sonra dietilmalonatta etkileştirerek siklopentankarboksilik asiti hazırladı. Oluşan tepkimeleri gösteriniz. 19.31 Aşağıdaki ürünleri oluşturan tepkimelerin mekanizmalarım yazınız. 0

(a) C6H?CH = CHCOC2H, +

0

O

N a O C H ,C H , CH2(COC2H5) 2 ---------C6H5CH— CH.COC.R,

C2H50 — C

/ C\

O O

C— OC2H5 O O

O

o COCH,

(b) CH2 =CHCOCH, CH NH> CH3N(CH2CH2COCH3) 2 'N ' I CH3 ch3

o

ch3 C ,H ,0 "

o

(c) CH,— C— CH2COC2H5 ~ c" h oti) » CH3C=CHCOC 2H5 + “ :CH(C0 2C2H5) 2 CH(C0 2C2H5) 2

915

916

Bölüm 19 / /LDikarbonil Bileşiklerinin Sentezleri ve Tepkimeleri

19.32 Knoevenagel kondensasyonunda aktif hidrojen bileşikleri /3-keto ester veya (3diketondur. Bu kondensasyon tepkimesi bir molekül aldehit veya keton, iki mo lekül aktif metilen bileşiği kullanılarak yapılır. Örneğin, R

CH(COCH3),

\

C = 0 + CH,(COCH3) 2 - ^ ► R - C ^ CH(COCH3) 2

R'

Bu ürünlerin oluşumunu açıklayan mantıklı bir mekanizma öneriniz. 19.33 Timin bir heterosiklik bazdır ve DNA’nm yapısında bulunur. (Bölüm girişine ba kınız). Etil propanoat ve gerekli bir başka reaktiften başlayarak timini nasıl sentezleyebileceğinizi gösteriniz. O H-

ch3

‘N

(A n H Timin 19.34 Kraliçe arının salgılamış olduğu sıvı, “kraliçe özü” olarak bilinen önemli bir mad de içerir. Çok az miktarda kraliçe özü işçi arılara aktarıldığında onların yumur talıklarının gelişmesini önleyerek yeni kraliçelerin oluşmasını engeller. Kraliçe özü C i()H | 6 0 3 molekül formülüne sahip bir karboksilik asittir ve aşağıdaki yolla sentezlenir. ( I ) C H îM g l

Sikloheptanon

H A , ısı

(1 ) O , Z n. H O A c

(2) H Q-— ►A (C«H|ftO) ------- ► B (C«H|4) (2) C (C8H 140 2 )

C tb (C C riH ).

p:ridin

,

*

.................

- kraliçe ozu (C10H16O,)

Kraliçe özünün katalitik hidrojenlenmesi sonucu D bileşiği oluşur. Bunun sod yum hidroksit içerisindeki iyot ile etkileştirilmesi ve ardından asitlendirilmesiyle dikarboksilik asit E oluşur, yani; Kraliçe özü

üi Pd

D (Cı0HlgO3)

(1) sulu N a O H içerisinde 12 (2 ) H ,0 "

E (C9H 15O4)

Kraliçe özü ve A - E bileşikleri için yapılar öneriniz. 19.35 Linalool kokulu bir maddedir ve çok sayıda değişik tür bitkiden izole edilebilir, formülü 3,7-dimetil-l ,6-oktadien-3-oldür. Linalool parfüm yapımında kullanılır ve aşağıdaki yolla sentezlenebilir. C H ,= C — CH= CH-, + H B r

►F (CTL Br)

sodyoasetoasetik

ch3

G (Cj.HjgCU (l) seyrellik Na0H ►H (CxHI40 ) (l) LİC- CH ► (2 ) H , 0 +, (3 ) ısı

(2 ) H , 0 +

I (CmH|fiO)

-►linalool Lind lar katalizörü

Ek Problemler

Oluşan tepkimeleri gösteriniz. {İpucu: F bileşiği ilk basamakta oluşabilecek ürün ler içinde daha kararlı olan izomerdir.) 19.36 J bileşiği, iki tane dört üyeli halkası olan bir bileşiktir ve aşağıdaki yolla sentezlenmiştir. İçerilen basamakları gösteriniz.

(CıoHı7Br04)

NaCH(C02 C2H5) 2 + BrCH2 CH2CH2Br Oı()Hıft04 (1)

LİA1H4 (2) H20

Cı2H2o0

CH2(C02C2H5)2

HBr

c 6h 12o 2

NaOC:H5

C ö H ıo B r o

2 NaOC.H,

(1) O H ', H,0

4

(2) H,0 -

'

c 9 h 12o 4

j

'

(C8 H120 2) + c o 2

19.37 Bir aldehit veya bir keton, etil a-kloroasetat ile sodyum etoksit varlığında kondenseleştiğinde, ürün a./3-epoksi esterdir ve glisidik ester olarak adlandırılır. Bu sentez Darzen kondensasyonu olarak bilinir. R'

R'

\

C = 0 + C1CH,C0,C,H<

C,H,ONa

/ R

*►R— C----- CHCO,C?EL + NaCl -b C,H,OH \ / 2 2 ^ 2 5 O Bir gilisidik ester

(a) Darzen kondensasyonu için uygun bir mekanizma yazınız, (b) Epoksi esterin hidrolizi sonucu epoksi asit oluşur, daha sonra piridin ile ısıtıldığında bir aldehit verir. Burada ne olmaktadır? R' R — C----- CHCO,H \ / 2 o

R' ısı

O

R— CH— CH -b CO,

2

(c) /3-iyononla başlayarak (Problem 17.13) aşağıdaki aldehiti nasıl sentezleyebileceğini gösteriniz. (Bu aldehit A vitamininin endüstriyel sentezinde bir ara ürün dür.)

19.38 Perkin kondensasyonu bir aldol türü kondensasyondur. Bu tepkimede bir aroma tik aldehit (ArCHO) bir karboksilik anhidritle (RCH 2 C 0 )20 tepkimeye girer ve bir a,/3-doymamış asit (A rC H =C R C 0 2 H) verir. Katalizör olarak karboksilik asi din potasyum tuzu (RCH2 C 0 2 K) kullanılır, (a) Benzaldehit, propiyonik anhidrit ile potasyum propanoat varlığında tepkimeye girdiğinde oluşan Perkin kondensasyonunu gösteriniz, (b) p-Klorosinamik asidi (p-ClC 6 H4 CH==CHC0 2 H) Per kin kondensasyon tepkimesiyle nasıl elde edersiniz?

917

918


19.39

(+)-Fenkon bir terpenoittir ve rezene (padişah otu) yağından izole edilir. (±)Fenkon aşağıdaki yolla sentezlenmiştir. Yazılmayan ara ürün ve reaktifleri yazınız. C 0 2CH3 ( D (b)

CH2 = C H — C H = C H 2 + (a)

(2 ) (c) *

c o 2c h 3 (d)

Co CH ---- ►(e) ve (f) karışımı C 0 2CH, c o 2c h , H,CT

c h 2c o 2c h 3

-►(k)

( 1)

OH

(±)-Fenkon 19.40 Aşağıda formülü verilen ağrı kesici madde olan Darvonun sentezini etil fenil ke tondan çıkarak tasarlayınız.

Darvon 19.41 Asetilasetonun (2,4-pentandion) aşağıda verilen farklı çözeltiler içerisindeki cnol miktarlarının değişimini açıklayınız. Çözücü h 2o c h 3c n C 6H , 4

gaz fazı

%Enol 15 58 92 92

19.42 Dietil süksinata Dieckmann kondensasyonu uygulandığında elde edilen ürünün molekül formülü C]2 H 160 6 ’dır. Bu bileşiğin yapısını bulunuz. 19.43 Etil krotonat, CH 3 CH=CHCOOC 2 H5, dietil oksalatla, C2 H5 OOCCOOC 2 H5, tep kimeye girdiğinde Claisen türü bir kondensasyon ürünü verir. O O O C2H5OC— CCH2CH=CHCOC 2H s Bu bileşiğin oluşmasını gösteren ayrıntılı mekanizmayı yazınız.

Ek Problemler

19.44 Aşağıdaki diketonun bir kondensasyon tepkimesiyle nasıl elde edileceğini gös teriniz. ~

O * 19.45 (a) Oldukça simetrik yapıda olan A bileşiğinin yapısını bulunuz.

Aşağıda A bileşiği için seçilmiş spektrum verileri verilmiştir. MS (m/z): 220 (Mt) İR (cm -1): 2930, 2860. 1715 ‘H NMR ( 6 ): 1,25 (ç); 1,29 (ç); 1,76 (ç); 1,77 (ç); 2,14 (b) ve 2,22 (ü) (sırasıy la , integral oranları 2 : 1 : 2 : 1 : 2 : 2 ) I3C NMR ( 6 ): 23 (CH?), 26 (CH2), 27 (CH2), 29 (C), 39 (CH), 41 (CH2), 46 (CH2) 208 (C)

(b) A bileşiğinin oluşumunu açıklayan bir mekanizma yazınız?* *19.46 Aşağıda verilen tepkimede meydana gelen B, C ve D maddelerinin yapılarını yazınız. ______________ H C H O _____________ E tO H /H O A c içerisinde (C H 3),N H

*c

Raney Ni/H, su

* D

B’nin spektrum verileri: MS (m/z): 314, 312, 310 (bağıl bolluk 1 : 2 : 1 ) 'H NMR (S): D20 ile etkileştirildikten sonra, yalnızca 6,80 (b) C için veriler: MS (m/z): 371, 369, 367 (bağıl bolluk 1 : 2 : 1 ) İH NMR (S): 2,48 (b) ve 4,99 (b); alan oranı 3 : 1 ; D20 ile etkileştirildikten son ra 5,5 ve 1Tdeki geniş birliler yok oldu. D nin verileri: MS (m/z): 369 (M! - CH3) [tris(trimetilsilil) türevleriyle çalışıldığında] (S): 2,16 (b) ve 7,18 (b); alan oranları 3 : 2: D20 ile etkileştrildikten sonra 5,4 ve 11 ’deki geniş birliler kayboldu.

*H NMR

919

920


/3-Karoten, Likopodin ve Dehidroabeitik Asit 1. Ö

G rubu PROBLEMLERİ

ğ renm e

/3-Karoten oldukça konjuge bir hidrokarbondur ve rengi portakal kırmızısıdır. Biyosentezleri izopren üzerinden geçerek gerçekleşir. Balkabağında ve birçok doğal bileşikte bulunur. /3-Karotenin sentezinden biri 20. yüzyılın sonunda Ipatievv {Ber. 1901, 34, 594) tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu sentezin ilk basamağı, bilinen ve yaygın olarak kullanılan tepkimeleri içerir. 6 ve 7 bileşikleri arasındakiler hariç di ğer bütün basamaklardaki tepkimelerin mekanizmalarım yazınız.

C 0 2E t

2

3

4 (1) NaOH (2) H ,0~, ısı

2.

Likopodin doğal olarak oluşan bir amindir ve alkaloitler denilen doğal ürünler sınıfındandır. Bu maddenin sentezi günümüzde meşhur bir sentetik organik kimyacı olana Gilbert Stork (Columbia Üniversitesi) tarafından (./. Anı. Chem. Soc. 1968, 90, 1647-1648) gerçekleştirilmiştir. 2 nolu madde, etil asetoasetat ile etoksit iyon ları varlığında tepkimeye girdiğinde meydana gelen bütün basamakların mekaniz masını tüm ayrıntılarıyla yazınız. Mekanizmanın en önemli basamağı alkenin (2) baz kataliz izomerleşmesi (konjuge enolat üzerinden) ve karşılık gelen a,/3-doymamış esteri oluşturmasıdır.

Öğrenme Grubu Problemeri

Likopodin

3.

Dehidroabietik asit doğal bir maddedir ve Pinus palustris'ten izole edilmiştir. Ya pı olarak abiyetik asite benzer ve reçineden elde edilir. Dehidroabietik asitin sen tezi Gilbert Stork tarafından (./. Am. Chem. Soc. 1962,84, 284-292) yapılmıştır. Stork, bu sentezle çalışırken meşhur enamin tepkimesini bulmuştur. (a) 5 ’ten 7’ye kadar bütün tepkimelerin ayrıntılı mekanizmalarım yazınız (bkz. s. 927). (b) Stork sentezine göre yapılan dehidroabietik asit sentezinin ayrıntılı mekanizma sını (7 nolu bileşikten 9 nolu bileşiğe kadar olan) yazınız (sayfa 922’de görül mektedir). Mekanizmanın başlıca basamağı olarak reaktantlardan birinin 1-penten-3-ona dönüşmesini içeren mekanizmayı gösteriniz. 7'den 8 'in sente zindeki işlemin adını yazınız.

921

11

10

(1) C H ,N , (2) PhM gBr (3) AcOH/AcÔ

▼

1

Yapılar I. Fleming'den (Selected Organic Syntheses; Wiley: New York. 1973: s. 76) alınmıştır. 922

Ö ze l Konu

Tiyoller, Kükürt Yilürler ve Disülfürler Sistin

Kükürt, periyodik çizelgede 6 . grupta bulunan oksijenin hemen altındadır. Beklediği miz gibi, önceki bölümlerde gördüğümüz oksijen bileşiklerinin kükürt karşılıkları olan bileşikler vardır. Organokükürt bileşiklerinin bazı önemli örnekleri aşağıda verilmiştir. R' R — S— R'

ArSH

R — S— S— R'

Tiyoeterler

Tiyofenoller

Disülfürler

O

S

R — S— R'

R— S— R'

II R — C — R'

II R — s — OH

Sülfoksitler

II o Sülfonlar

Tiyoketonlar

Sülfinik asitler

R— SH Tiyoller

0

R — S— R" T rialkilsülfon yuın iyonları O

0

R— S— OH II o Sülfonik asitler

Bir alkolün kükürt karşılığı tiyol veya merkaptan olarak adlandırılır. Merkaptan adı “civa yakalayan” anlamındaki mercurium captans latince deyiminden gelir. Merkaptanlar civa iyonları ve diğer ağır metal iyonlarıyla çökelek oluşturmak üzere tepkimeye girerler. Biritsh Anti-Lewisite (BAL) olarak bilinen CH,CHCH-,OH bileşiği savaş SH SH gazı olarak kullanılan zehirli arsenik bileşikleri için bir panzehir olarak geliştirildi. British-Anti-Lewisite civa zehirlenmesi için etkili bir panzehir olarak da bilinir. Aşağıda bazı basit tiyoller gösterilmiştir.

c h 3c h 2s h

c h 3c h 2c h 2s h

Etantiyol (doğal gaza katılır)

1-Propantiyol (soğanda bulunur)

CTL I

c h 3c h c h 2c h 2s h 3-Metil-l-bütantiyol (kokarca üretir)

c h 2= c h c h 2s h

2-Propen-l-tiyol (sarımsakta bulunur)

Kükürt bileşikleri ve düşük molekül kütleli tiyoller genellikle hoşa gitmeyen koku ları ile tanınırlar. Hidrojen sülfür (H 2 S) kullanılan bir kimya laboratuvarının yanından geçtiğimizde hissettiğimiz, çürük yumurta kokusunu andıran bir kokudur. Diğer bir kü kürt bileşiği olan 3-metil-l-bütantiyol ise kokarcanın bir savunma silahı olarak kullandığı sıvının pis kokulu bir bileşenidir. 1-Propantiyol taze kesilmiş soğandan yayılır ve allil merkaptan ise sarımsaktaki kötü kokudan sorumlu bileşiklerden biridir.

923

924

Özel Konu C / Tiyoller, Kükürt Yilürler ve Disülfürler

Benzer kükürt ve oksijen bileşiklerinin kokuları bir tarafa, kimyasal özellikleri de farklılıklar gösterir. Bu farklılıklar geniş ölçüde kükürt bileşiklerinin aşağıdaki özellik lerinden kaynaklanır. 1.

Kükürt atomu oksjen atomundan daha büyüktür ve daha fazla polarize olabilir. Bu yüzden kükürt bileşikleri daha güçlü nükleofillerdir ve yapılarında — SH içeren bi leşikler oksijen benzerlerinden daha asidikdrler. Örneğin etantiyolat iyonu (CH 3 CH 2 S:-) karbon atomları ile olan tepkimelerinde etoksit iyonundan (CH 3 CH2 Ö:-) çok daha güçlü bir nükleofildir. Diğer taraftan etanol, etantiyolden daha zayıf asit olduğundan etoksit iyonu iki konjuge bazın en kuvvetlisidir.

2.

Tiyollerdeki S— H bağının bağ ayrışma enerjisi (330 kj mol-1) alkollerdeki O—H bağının bağ ayrışma enerjisinden (420 kj mol-1) daha azdır. S—H bağları zayıf ol duğu için tiyoller, ılımlı ytikseltgenme reaktifleriyle tepkimeye girdiklerinde yükseltgemeli kenetlenme tepkimeleri verirler. Tepkime ürünü bir disülfürdür. 2 RS— H + H20 2 ---► RS— SR + 2 H20 Bir tiyol Bir disülfür Alkoller ise benzer tepkimeleri vermezler. Alkoller yükseltgen reaktiflerle etkileş tiğinde yükseltgenme kuvvetli O—H bağından çok, daha zayıf olan C—H bağında (~ 360 kj m ol-1) meydana gelir.

3.

Kükürt atomları daha kolay bir şekilde polarize olduğundan komşu bir atomdaki ne gatif yükü kararlı kılarlar: Bunun anlamı şudur: Alkiltiyo grubuna bitişik karbon atomlarındaki hidrojen atomları, bir alkoksi grubuna bitişik karbon atomlarındaki hidrojen atomlarından çok daha asidiktir. Örneğin tiyoanizol, bütillityum ile aşağı daki şekilde tepkimeye girer. SCH3 + C4H9:- LiH '

S C H - , L i + + C.H,

Tivoanizol

\

Anizol ise benzer tepkimeyi vermez. Siilfoksitlerin ^,S = 0 grubu ve sülfonyum iyonlarının pozitif kükürdü komşu bir atomdaki negatif yükün dağılmasında (delokalize olmasında) daha etkilidir. •O

üNa: H

CH3SCH3

c h 3s ^ c h 2

c h 3s = c h 2

-1- H,

Dimetil sülfoksit ch3

ch3

CH3ŞCH3 BrTrinıetilsülfonyum bromür

baz

(-HBr)

■> CH3S — CH, Bir sülfür vilür

Yukarıdaki tepkimelerde oluşan anyonlar sentetik amaçlı kullanılırlar. Örneğin bun lar epoksitlerin sentezinde kullanılabilirler (bkz. Altbölıim C.3.)

C.l

T

îy o l l e r

İn E l d e E d

îlm e s

İ

Alkil bromür ve iyodürter tiyolleri oluşturmak üzere potasyum hidrojen sülfür ile tep kimeye girerler. (Potasyum hidrojen sülfür, potasyum hidroksitin bir alkollü çözeltisi içerisinden H2S gazı geçirilerek elde edilebilir.)

C.2 Tiyollerin Fiziksel Özellikleri

R— Br + KOH +

H,S

C-M-s 0tl» R— SH + KBr + H,0 ısı

(aşırı) Oluşan tiyoller yeteri kadar asidiktirler ve potasyum hidroksit içerisinde tiyolat iyonu nu oluştururlar. Eğer bir tepkimede H2S ’nin aşırısı kullanılmazsa tepkimenin ana ürü nü tiyoeter olacaktır. Tiyoeter aşağıdaki tepkimelerle elde edilir. R — SH + K O H --- ► R— Ş î~ K + + H20 R — ş J ^ K r + lR — B r :---► R— Ş — R + KBr

Tiyoeter Alkil halojenürler aynı zamanda tiyoiireyle tepkimeye girerek (kararlı) S-alkilizotiyoürotıyum tuzlarını oluştururlar. Meydana gelen bu bileşikler tiyollerin elde edilme sinde kullanılabilirler.

H2N\ /

^

^

.

H,NX

C = s ': + CH3CH2— B r:--------- ► •

"

C = S — CH,CH, Br~

C,H,OH

/

H,N

"

H,N

Tiyoüre

S-Etilizotiyoüronyum bromür (%95) | 0 H - aq, sonra H ,0+

H,NX

/

c = o + ch3ch2sh

H,N

Üre

C.2

Etantiyol (%90)

T İY O L L E R İN FİZİKSEL Ö Z E L LİK LER İ

Tiyoller çok zayıf hidrojen bağları oluştururlar; tiyollerin hidrojen bağları alkollerin hid rojen bağları kadar kuvvetli değildir. Bu nedenle düşük molekül kütleli tiyoller, benzer molekül kütleli alkollere göre daha düşük kaynama noktasına sahiptirler. Örneğin etan tiyol. etanole göre 40°C!dan daha fazla düşük sıcaklıkta kaynar (78°C’a karşılık 37°C). Tiyol molekülleri arasındaki hidrojen bağlarının daha zayıf oluşunun kanıtı etantiyol ve onun izomeri olan dimetil sülfürün kaynama noktaları karşılaştırıldığı zaman ortaya çı kar:

ch 3ch2sh kn 37°C

ch 3sch 3 kn 38°C

Bazı tiyollerin fiziksel özellikleri Çizelge C . l ’de verilmiştir.

Çizelge C.l Tiyollerin Fiziksel Özellikleri Bileşik Metantiyol Etantiyol 1-Propantiyol 2-Propantiyol 1-Biitantiyol

Yapı CH3SH c h 3c h 2sh c h 3c h 2c h 2sh

(CH,),CHSH CH3(CH2)2CH2SH

en (°C) -123 -144 -113 -131 -116

kn (°C) 6

37 67

58 98

925

926

Özel Konu C / Tiyoller, Kükürt Yiliirler ve Disülfürler

C.3

K ü k ü r t Y îl ü r KATILM ASI

A

le r in

ld e h it

ve

K

e to n l a r a

Kükürt yilürler, bir nükleofil olarak aldehit ve ketonların karbonil karbonuyla da tep kimeye girerler. Oluşan betain genellikle bir alkenden çok bir epoksit oluşturmak üzere bozunur. (CH3)2S: + CH3I ---- ► (CH3 )2S— c h 3

Na C H ?S O C H , -------------------------------► C H 3S O C H 3

o°c

ITrimetilsülfonyum iyodür

(CH3 )2S— CH2

►(CH3)2S = C H 2

Rezonans-kararlı kükürt yilür •O •

"oy

V r^+ CH— CH,— S(CH3) 2

C H jf: CH,Ş(CH3) 2 ---- ►

I

Benzaidehit

+= S(CH3) 2 (%75)

P ro bl em C. I

>

Kükürt yilürleri kullanarak aşağıdaki bileşikleri nasıl elde edersiniz? O H,C

\ /\ C

(b)

CH-,

H3C'

C.4

B İ Y O K İ M Y A D A T İ Y O L L E R VE D İ S Ü L F Ü R L E R

Tiyoller ve disülfürler canlı hücrelerde önemli olan bileşiklerdir ve birçok biyolojik yükseltgenme indirgenme tepkimelerinde birbirlerine dönüşürler. [O]

2 R S H ^ = ^ R — S— S— R [H ]

Örneğin lipoik asit biyolojik yükseltgenmede önemli bir kofaktördür, ve yükseltgenmeindirgenme tepkimesine uğrar.

S—S

S

S

(CH2)4C 02H ♦ = * ^ ^ U ( C H 2)4C 02H Lipoik asit

Dihidrolipoik asit

Amino asitlerden sistein ve sistin benzer yolla birbirine dönüşürler.

C.4 Biyokimyada Tiyoller ve Disülfürler

2 HO,CCHCH,SH 4= 10' ►HO,CCHCH,S— SCH,CHCO,H I

•

[H]

I

nh2

-

2ı

nh2

2

nh2

Sistein

Sistin

Bölüm 24’te göreceğimiz gibi sistin birimlerinin disülfür bağlantıları, protein molekül lerinin toplam şekillerinin belirlenmesinde önemlidir.

Aşağıdaki tepkimelerdeki ürünlerin yapılarını yazınız. (a) Benzil bromür + tiyoüre---- ► (b) (a)’nın ürünü + 0H ~/H 20 daha sonra H3 0 +---- *■ (c) (b)’nin ürünü + H2 0 2 ---- ► (d) (b)’nin ürünü + NaOH -----*• (e) (d)’nin ürünü + benzil bromür ---- ►

<

P r o b l e m C .2

Allil disülfür CH 2 = C H C H 2 S— SCH 2 C H = C H 2, sarımsak yağının önemli bir bile- ^ şenidir. Allil bromürden başlayarak allil disülfürün sentezini yazınız.

P ro bl em C.3

Allil alkolden başlayarak BAL, HSCH 2 CH(SH)CH 2 OH, sentezini tasarlayınız.

P ro b l e m C.4

Lipoik asidin sentezi (henüz verilen yapısına bakınız) aşağıda gösterilmiştir. Yazılmayan reaktifleri ve ara ürünleri yazınız.

^

P ro b l e m C.5

O C H 2= C H 7

Cl— C(CH2)4C 0 2C2H5

NaBH,

A|CN - ►(a) C[0H i7C1O3 -------^

C1CH2CH2CH(CH2)4 C 0 2C2H5

C1CH2CH2CH(CH2 )4 C 0 2C2H5

OH

(C )

^

(Cl)

Cl

C6H5CH2SCH2CH2ÇH(CH2)4C 02H

(1 ) Na, sıvı N H 3

(2) H30 +

s c h 2c 6 h 5

(e) C8H i6S20 2

o,

lipoik asit

I. Dünya Savaşında birçok kimyasal madde savaş gazı olarak kullanılmıştır. Bun- •< P ro bl em C.6 lardan biri de güçlü bir kabartıcı etkiye sahip “hardal gazı”dır. (Hardal gazının is mi hardal bitkisininkine benzer kokusundan gelir. Bu madde gaz değildir, yüksek kaynama noktalı sıvıdır ve küçük damlacıkların bir sisi olarak dağılır.) Hardal gazı aşağıdaki yolla oksirandan sentezlenebilir. Oluşan tepkimeleri gösteriniz. 2 H,C— CTL + H ,S -- ►C4H 10SO, — Cl » \

/

O

'

C4H8SC1,

Z n C l,

“ Hardal gazı”

927

Ö ze l Konu

Tiyol Esterleri ve Lipit Biyosentezi 3-Metil-3-bütenil pirofosfat

D. I

T

iy o l

E

ster ler i

Tiyol esterleri tiyol ve açil klorürlerin tepkimelerinden elde edilebilirler. O /

O /

R—C

+ HC1

+ R' — SH -----► R — C

\

\

C1

s — R' Tiyol ester

O

O

CH3C^ + CH,SH \ C1

pırıdın ► CH,C ‘ \

+ SCH,

N, H

C1

Tiyol esterler, laboratuvar sentezlerinde sıkça kullanılmamasına rağmen canlı hüc relerde oluşan sentezlerde büyük öneme sahiptirler. Biyokimyada önemli tiyol esterler den biri de “asetil-koenzim A’Tlır. NH3 N

H

O

O

H

CH,

O

CH3CSCH2CH2N—CCH2CH2N —C—CH(OH)—CCH:OPOPOCH: i

y

/

CH,

Tivol ester

N

O O o-

N'

O O H H

Asetil-koen/.im A

Bu karmaşık yapıda, zincirin başlangıcında tiyol esterler bulunur. Bu nedenle ase til-koenzim A için yaygın olarak aşağıdaki kısaltma kullanılır: O CoA — SCCH, ve koenzim A kendi başına CoA—SH olarak kısaltılır.

928

D. 1 Tiyol Esterleri

929

Bazı kimyasal tepkimelerde
R/C

— P = 0 -t- C o A -S H

OH

O-

I

O— P = 0

Bir açil fosfat

Bu tepkime fo s fo tr a n s a s e tila z enzimi tarafından katalizlenir. Asetil-koenzim A’mn asetil grubunun a hidrojenleri önemli ölçüde asidiktir. Bunun sonucu olarak asetil-koenzim A aynı zamanda bir nükleofilik alkilleme reaktifi olarak da davranır. Örneğin asetil koenzim A, oksaloasetat iyonuyla aldol katılma tepkimesine benzer bir tepkimeyle etkileşerek silıat iyonunu oluşturur. <ô20% / C 0 2 CoA— SCCH, +

Ç

GHU -

Oksaloasetat iyonu

1

O

-u

1 2

1 rı

O -u

1

“ «—- HOC—C O r + CoA—SH I CTT 1

Sitrat iyonu

Hemen şu soru aklımıza gelebilir: "Tabiatta niçin tiyol esterlerinin kullanımı bu ka dar yaygındır?” Veya normal esterlere göre tiyol esterler hücrelerde ne tür avantajlar sağlar? Bu soruları cevaplarken üç etkeni göz önüne almamız gerekir. 1. Aşağıdaki tepkimede (b) türü rezonans yapısı herhangi bir esteri kararlı kılar ve kar bonil grubuna nükleofilik atağa karşı önleyici etki yapar. H

1

/° -

« - -> H -C ^ -C

c— I1 !

Ö -R

H

(a)

? - R

(b) Bu yapı daha önemli bir katkı sağlar.

Bunun aksine tiyol esterler benzer rezonans katkısıyla aynı ölçüde kararlı olamaz lar. Çünkü aşağıdaki yapılardan biri olan (d) yapısının var olması için kükürdün 3p orbitali ile karbonun 2p orbitali arasında örtüşme gerekir. Bu örtüşme etkili değil dir. Bu nedenle (d)’nin rezonans kararlılığı etkili değildir, (e) Yapısının gerçek ya pıya katkısı daha fazladır. Bu bakımdan tiyol esterler nükleofilik atağa daha açıktır. T § 0 '' l - Ç - C xM

«-

1

H

§ - R (c)

H- r • H

A ^

^ ?~ R

(dİ Bu yapının önemli bir katkısı yoktur.

7 ; ° : ;“ H— C— C 1 + \" H §“ R (e) Bu yapı, karbonil karbon atomunu nükleofilik atağa duyarlı yapar.

Bu tepkime sitrik asit metabolik çevrimine C2 birimlerinin girmesinin başlangıcıdır ve aynı adlı bileşikler oluşturur.

930

Özel Konu D / Tiyol Esterleri ve Lipit Biyosentezleri

2 . Benzer (g) yapısının rezonans katkısı, tiyol esterlerin a hidrojenlerini normal ester

lerden daha asidik yapar. B= h\ HT H

C\ . . «Ş -R

; ° :;_

/ C = C X.. H ş —R (g) Bu yapının katkısı tiyol esterin anyonunu kararlı yapar.

(0

3. Tiyol esterlerin karbon-kükürt bağları normal esterlerin karbon-oksijen bağlarından daha zayıftır; _SR, ~OR’den daha iyi ayrılan gruptur. 1 ve 3 etkenleri tiyol esterleri açilleme reaktifi olarak daha etkili yapar; ikinci etken, daha etkili nükleofilik alkilleme reaktifi olmalarını sağlar. Bu bakımdan aşağıdaki gibi benzer tepkimeleri gördüğümüzde şaşırmamalıyız. O // CH3C^

O // + CH,C^

S—R

O O II II ----►CH3C—CH2 — C— S— R + HS— R

s —R

Bu tepkimede tiyol esterlerin bir molü açilleme reaktifi olarak ve İkincisi akilleme reaktifi olarak davranır (Altbölüm D.2).

D .2 Y

a ğ

A S İT L E R İN İN B İY O S E N TE Z İ

Hücre duvarları, katı yağlar ve sıvı yağlar, uzun zincirli karboksilik asit esterlerini (ge nellikle C14, C16ve C18) içerirler ve bunlar yağ asitleri olarak adlandırılırlar. Yağ asit leri lipitlerdir, biyomoleküllerin hidrofobik ailesini oluştururlar ve bunlar Bölüm 23’te anlatılacaktır. Yağ asitlerine örnek olarak heksadekanoik asiti verebiliriz. Bu asidin yay gın adı palmitik asittir. 0 CH

CH.

CH2.

H,C

'CH,

CH,

CH CH,

/C H XH,

.CH CH,

CH,"

CH,

OH

Palmitik asit

Doğal olarak oluşan yağ asitlerinin çoğunluğu çift sayıda karbon atomlarından oluş muştur, bu da asitlerin iki karbonlu birimlerden oluştuğunu göstermektedir. 1893 yılla rında bu birimlerin asetat (CH3COO~) olabileceği ifade edilmiştir. Seneler sonra, radyoaktif olarak etkilenmş bileşikler kullanılmaya başlandığında bu varsayım da kanıt lanmıştır. Bir organizma, karboksil grubundaki karbonu karbon-14 izotopuyla etiketli asetik asitle beslendiğinde, sentezlenen yağ asitleri, karboksil karbon atomuyla başlayan ve bir atlayarak etiketlenmiş karbon atomları içerir. 14C-karboksil- etiketli asetik asitle beslenme ...

O *

CH,. h 3c

„CH,

'CH,

:fc

/C H 2^ ch,

ch;

%

Jjc

îf:

CH,. „CH, CH,. .CH 2\ r ‘ CH,2 " c CH, ' CH," CH, h;

bu konumlarda etiketli palmitik asit oluşur.

OH

D.2 Yağ Asitlerinin Biosentezi

931

Buna karşılık metil karbon atomu etiketli asetik asitle beslenmede ise farklı fakat yine bir atlayarak etiketli karbon atomları grubu içeren bir yağ asidi oluşur. O 'OH

H3e

l4C-metil-etiketli asetik asitle beslenme . ..

O

CH,

H,C'

CH, *

■

CH, *

CH, “CH,

z

CH,, CH,

CH, CH,

bu konumlarda etiketli palmitik asit oluşur.

Günümüzde yağ asitlerinin biyosentezinin asetil koenzim A ile başladığı bilinmektedir. O H3C

's —CoA

Aşağıdaki bağ-çizgi formülü, asetil-koenzim A’dan palmitik asite giren ikili karbon bi rimlerinin yerlerini göstermektedir. 1

ri3H

Asetil-koenzim A’nın asetil kısmı asetik asitten hücre içerisinde sentezlenebilir; ay nı zamanda karbohidratlardan, proteinlerden ve yağlardan da sentezlenebilir. O CH3COH------

O

Karbohidratlar

CoA— SH

*

Proteinler

CH3CS—CoA Asetil-koenzim A

Katı yağlar Asetil koenzim A’nın metil gurubu tiyol esterinin bir kısmı olduğundan kondenseleşme tepkimelerine karşı etkindir (Altbölüm D.l), doğa onu tekrar malonik koenzim A ya dönüştürerek etkinleştirir. O CH3CS—CoA + CO,

asetil-CoA karboksilaz*

O o II II - HOCCH,CS— CoA

Asetil-CoA

Malonil-CoA

Yağ asitlerinin sentezinde sonraki basamak, malonil-koenzim A ve asetil-koenzim A’nın açil gruplarının açıl taşıyıcı protein veya ACP — SH denilen bir koenzimin tiyol gruplarına aktarılmasını içerir. 0

0

HOCCH,CS—CoA + ACP— SH Malonil-CoA

O

0

0

HOCCH,CS —ACP + CoA—SH Malonil-S-ACP

O

CH,CS— CoA + ACP— SH 5 = ^ CH 3CS— ACP + CoA— SH Asetil-CoA Asetil-S-ACP * Bu basamak aynı zamanda 1 mol adenozin trifosfat (Altbölüm 22. İB) ve karbon dioksiti transfer eden bir enzim gerektirir.

„CH,, 'CH,'

'CH,' *

A 'OH

932

Özel Konu D / Tiyol Esterleri ve Lipit Biyosentezleri

Asetil-S-ACP ve malonil-S-ACP daha sonra kendi aralarında kondenseleşerek asetoasetil-S-ACP oluştururlar. O

O

CH,CS—ACP + HOCCH,CS—ACP Asetil-S-ACP

o

o

Malonil-S-ACP

o

CH3CCH,CS— ACP + C0 2 + ACP—SH Asetoasetil-S-ACP

Bu tepkimede kaybedilen C 0 2 molekülü asetil-CoA karboksilaz tepkimesinde malonilCoA’ya katılan moleküldür. Bu önemli tepkime daha önce gördüğümüz (Altbölüm 19.4) malonik ester sentezi ne oldukça benzer. Örnek olarak asetoasetil-S-ACP’nin daha ekonomik sentezinin 2 mol asetil-S-ACP’nin basit kondenseleşmesi olduğunu düşünebiliriz. O

O

CH,CS—ACP + CH,CS— ACP

Ö

o

CH,CCH,CS — ACP + ACP— SH

Bu tepkimeyle ilgili çalışmalar, tepkimenin oldukça endotermik olduğunu göstermiştir ve dengenin yönü büyük ölçüde sol tarafa yönlenmektedir.Bunun aksine asetil-S-ACP ve malonil-S-ACP'nin kondenseleşmesi oldukça eksotermiktir ve dengenin yönü büyük ölçüde sağadır. Malonil-S-ACP kullanılarak yapılan kondenseleşmede oldukça kararlı bir ürün olan karbon dioksit meydana gelir. Bu sonuç termodinamik olarak da yeğlenir. Bu bakımdan malonil grubunun dekarboksilasyonıı, kondensasyona termodinamik yar dım sağlar. Yağ asidin sentezinde sonraki üç basamak asetoasetil-S-ACP'nin asetoasetil grubu nu bütiril (bütanoil) grubuna dönüştürür. Bu basamaklar (1) keto grubunun indirgenme sini (indirgeyici reaktif olarak NADPH* kullanılır), (2) alkollerin dehidrasyonunu ve, (3) ikili bağın indirgenmesini (tekrar NADPH kullanılır) içerir. Keto Grubunun İndirgenmesi

0 0 II II CH,CCIi2CS — ACP + NADPH + H+ Asetoasetil-S-ACP

h

OH O I ıı CH3CHCH,CS— ACP + NADP+ /3-Hidroksibütril-S-ACP

Alkolün Dehidrasyonu

OH

O

O

CH3CHCII,CS—ACP * = * CH3CH =CH CS—ACP + H20 /3-Hidroksibütril-S-ACP

Krotonil-S-ACP

İkili Bağın İndirgenmesi

O O II II CH3CH = CHCS—ACP + NADPH + H+ * = * CH3CH,CH,CS—ACP + NADP+ Krotonil-S-ACP

Bütiril-S-ACP

Bu basamaklar bir yağ asidi sentezinin bir çevrimini tamamlar. Tam sonuç iki asetat biriminin, bütinil-S-ACP’nin dört karbonlu bütirat birimine dönüşümüdür. * NADPH n ik o tin a m it a d en iti d in ü k le o tit fo s fa ttır (in d irg e n m iş şe kli). Yapısı ve fonksiyonu NADH'ye çok benzeyen bir koenzimdir (bkz. Bölüm 12 girişi ve Altbölüm 14.10).

D.2 Yağ Asitlerinin Biyosentezi

933

(Şüphesiz bu dönüşüm bir karbon dioksit molekülünün oldukça önemli olan araya gir mesini gerektirir.) Bu noktada, bir başka çevrim başlar ve iki fazla karbon atomu ekle nerek zincir uzar. Takip eden çevrimlerde zincire iki karbonlu birimler katılarak uzun zincirli yağ asi di oluşur. Örneğin palmitik asitin sentezinin toplam eşitliği aşağıdaki gibi yazılabilir. O O II II CH,CS — CoA T 7 HOCCH2CS— CoA + 14 NADPH + 14 H+ ----► CH,(CH2)l4C02H + 7 C0 2 + 8 CoA — SH + 14 NADP+ + O

6

H20

Yağ asidi sentezinin en önemli özelliklerinden biri bütün çevrimin dimerik çok fonk siyonlu bir enzim tarafından gerçekleştirilmesidir. Bu enzimin molekül kütlesi 2.300.000* olarak tahmin edilmiştir ve yağ asidi sintetaz olarak adlandırılır. Sentez, başlangıç mad desi olan asetil-S-ACP'nin bir molekülü ile başlar, daha sonra; örneğin palmitik asitin sentezinde, malonil-S-ACP’nin yedi molekülünün başarılı bir şekilde birbirini izleyen kondensasyonları olur. Her bir kondensasyonu indirgenme, dehidrasyon ve indirgenme takip eder. Bir C 16 zincirinin senteziyle sonuçlanan bu basamakların tamamı enzimden yağ asidi bırakılmadan önce gerçekleşir. E. coli'den açil taşıyıcı protein izole edilmiş ve saflaştırılmıştır; molekül kütlesi yak laşık 10.000’dir. Hayvanlardaki taşıyıcı, daha büyük olan çok fonksiyonlu enziminin bir kısmıdır. Taşıyıcı proteinlerin her iki türü de fosfopantetein olarak adlandırılan koenzim A’ya (Altbölüm D.l) benzeyen zincir grubunu içerir. ACP’de bu zincir proteine

Şekil D .l Yağ asidi sintetaz kompleksinde bir döndürme kolu gibi görülen fosfopantetein grubu [Lehninger, A. L. Biochemistry; Worth: New York, 1970; s 519’dan izin alınarak uyarlanmıştır.]

* Maya hücrelerinden izole edilmiştir. Farklı kaynaklardan elde edilen yağ asiti sintetazlan farklı molekül küt lelerine sahiptir. Örneğin güvercin karaciğerinden elde edilen yağ asidi sintetazın molekül kütlesi 450.000 dir.

934

Özel Konu D / Tiyol Esterleri ve Lipit Biyosentezi

bağlıdır (koenzim A’da adenozin fosfota bağlıdır): Pantotenik asit

O'

------

CH,

I

I

2

O

-Aminoetantivol

O'

I

I

Protein —O—P— O— CH,— C— CH(OH)— C— NH— CH,—CH, — C—NH — CH,— CH,— SH ,

I

OH

I

‘

CH3

Fosfopantetein grubu ◄--------------------------------------------------------------------------------- 20.2Â----------------------------------------------------------------------------------►

Fosfopantetein grubunun uzunluğu 20,2 Â’dur ve bu grup, enzimin bir aktif yüzünden bir diğerine büyüyen açil zincirinin taşınmasını sağlar (Şekil D.l).

D .3

İZ O P R E N O İT B İL E Ş İK L E R İN İN B İY O S E N TE Z İ

İzoprenoit bileşikleri lipit biyomoleküllerinin bir başka türüdür. Bunlardan bazıları aterpineol, geraniol, A vitamini, ve /3-karoten, steroitler (yani, kolesterol, kortizon, estrojen ve testesteron) gibi doğal ürünler ve bu tür birçok bileşiktir. Terpenler daha sonra Bölüm 23’te incelenecektir. Ancak şimdi bunların biyosentezlerinde yer alan ve daha önceki bölümlerde incelediğimiz bazı tepkimeleri ele alacağız.

OH

CH,

çh3

CH, Ô H

L s/

ch,

i :h 3

A vitamini

/3-Karoten

Terpen ve terpenoitlerin sentezlerinde temel yapı taşı 3-metil-3-bütenil pirofosfattır. Bu bileşiklerin beş karbon atomu, izoprenoit bileşiklerinde “izopren birimlerinin” ana

D.3 İzoprenoit Bileşiklerinin Biyosentezi kaynağıdır. (Aşağıda izopren birimleri mavi ve kırmızı çizgilerle gösterilmiştir.)

CH, O O ! II II c h 2= c — c h 2— c h 2— o — p — o — p — oh OH

OH

3-Metil-3-bütenil pirofosfat

Altbölüm D.4’te 3-metil-3-bütil profosfatın biyosentezinin nasıl olduğu inceleyece ğiz. İlk olarak C5 izopren birimlerinin birbirlerine bağlanış şekillerini düşünelim. Ge rekli ilk basamak 3-metil-2-bütenil pirofosfatın 3-metil-3-bütenil pirofosfattan enzimatik oluşumudur. Bu izomerleşme bir dengeye ulaşır ve böylece her iki bileşik de hücrede kullanılabilir.

OPP = pirofosfat 3-Metil-3-bütenil pirofosfat

3-Metil-2-büteniI pirofosfat

3-Metil-2-bütenil pirofosfat ve 3-metil-3-bütenil pirofosfatın birleşmesi bir allilik kat yonun enzimatik oluşumunu içerir. Burada pirofosfat grubu doğal bir ayrılan grup ola rak davranır. Biyokimyasal süreçlerde birçok durumda bu, pirofosfat grubu üzerinde gerçekleşir. İki C5 biriminin kondenseleşmesiyle geranil pirofosfat olarak adlandıran bir C ,0 bileşiği oluşur.

Geranil pirofosfat mono terpenlerin kaynağıdır; örneğin geranil pirofosfatın hidroli zi sonucu geraniol oluşur.

Geranil pirofosfat

HOH

Geraniol

935

936

Özel Konu D / Tiyol Eserterleri ve Lipit Biyosentezi

Geranil pirofosfat ayrıca 3-metil-3-bütenil pirofosfatla kondenseleşerek C 15 seskiterpenlerin öncü maddesi olan farnesil pirofosfatı oluşturur.

Farnesol

Farnesol, ambrette yağından izole edilmiştir. Leylak kokusundadır. Farnesol aynı za manda bazı böceklerde hormon ödevi de görür ve kurtçuk şeklinden güve şekline dö nüşümü başlatır. Benzer kondenseleşıne tepkimeleri diğer tür terpenler içinde öncü maddeler sağlar (Şekil D.2). Buna ek olarak iki molekül farnesil pirofosfatın kuyruk-kuyruğa indirgeyi ci kenetlenmesi skualeni oluşturur. Bu bileşik, sterohler olarak bilinen izopıenoitlerin önemli bir grubu için öncü maddedir (bkz. Altböliim 23.4 ve D.4).

Şekil D.2 T erpenler ve steroitlerin bivosentetik oluşum unda izlenen yol.

Monoterpenler ■+ (C10)

Geranil pirofosfat (C10-pirofosfat) 3-metil-3-bütenil pirofosfat

Seskiterpenler •* (C15)

T Farnesil pirofosfat (C15-pirofosfat)

---- ► Skualen (C30)

3-metil-3-bütenil pirofosfat

Diterpenler (C20)

<-

▼ C20-Pirofosfat

▼ Lanosterol

Tetraterpenler (C40)

Kolesterol (bir steroit)

D.4 Stereoitlerin Biyosentezi

Farnesol, sülfürik asitle etkileştirildiğinde bisabolene dönüşür. Bu tepkime için < uygun bir mekanizma tasarlayınız. Farnesol

D .4

S t e r o İt l e r i n B î y o s e n t e z İ

n \ n /

o /*

Önceki altbölümde C5 bileşiği olan 3-metil-3-büten pirofosfatm gerçek bir “izopren birimi” olduğunu gördük ki doğa, bu ürünleri kullanarak terpenoitleri ve karotonoitleri oluşturur. Şimdi biyosentetik yolu iki farklı yöne uzatabiliriz. 3-Metil-3-biitenil pirofosfatm (yağ asitlerine benzer) asetat birimlerinden nasıl oluştuğunu ve birçok önem li steroitin kaynağı olan kolesterolün 3-metil-3-bütenil pirofosfattan nasıl sentezlendiğini gösterebiliriz. 1940'11 yıllarda Harvard Üniversitesi'nden Konrad Bloch kolesterolün tüm karbon atomlarının asetik asitten gelebileceğini göstermek için etiketleme deneyi yaptı. Örne ğin, metili etiketli asetik asidin kullanımı sonucu Bloch. sentez edilen kolesterolde eti ketli karbonların aşağıdaki gibi olduğunu buldu. r* ,C* C 'C ....c* c c* 1 c* 1 C... CFFCO.H

ijî

1 p*

1 c

C I «C*

1 p*

HCT Bloch aynı zamanda karboksil etiketli asetik asitle besleme sonucu oluşan kolesterolün diğer karbon atomlarının hepsinin etiketli olduğunu buldu (yukarıda verilen formülde yıldızlı olmayan karbon atomları). Bunu takip eden birçok sayıda araştırma 3-metil-3-bütenil pirofosfatm aşağıdaki tep kime sırasına göre asetat birimlerinden sentezlendiğini göstermiştir: O O O II II II CH3CS— CoA + CH3CCH2CS—CoA (C2) Asetil-CoA

(C4) Asetoasetil-CoA

C o A — SH

A

o

O

> HOCCHı h 3c

CH2CS—CoA C / \

oh

(C6)

/8-Hidroksi-/3-metilglutaril-CoA 2 NADPH + 2 H+

2 NADP1 + CoA— SH

P r o b l e m D. I

937

938


O HOCCH,^ ^CH 2CH2OH C / \ H,C OH (C4) Mevalonik asit " 3 ATP 3 AJDP Î"

O h —o

Üç başarılı basamak

O

—c — ch 2v V h 3c

O

c h ,c h ,o — p — o — p — o -

,

‘ o po 3h _ (C6)

oI

oI

3-Fosfo-5-pirofosfomevalonik asit C02 + H;PO,'

H,C

o

o

O-

o

s C—CH,CH, — O— P — O— P— O /

h 3c

(Cs) 3-Metil-3-bütenil pirofosfat

Bu sentetik yolun ilk basamağı oldukça açıktır. Asetil-CoA (bir mol asetattan) ve asetoasetil-CoA (2 mol asetattan) kondenseleşerek C6 bileşiğini, /3-hidroksi-/3-metil glutaril-CoA’yı oluşturur. Bu basamağı, /B-hidroksi-jS-glutaril-CoA'mn tiyol ester grupla rının mevolonik asitin birincil alkollerine enzimatik indirgenmesi takip eder. Bu basamağı katalizleyen enzim HMG-CoA reduktaz olarak adlandırılır (HMG, /3-hidroksi-/3-metil glutarildir) ve bu basamak kolesterolün biyosentezinde tepkime hızım belirleyen basa maktır. Bu yolu bulmanın anahtarı, bir ara ürün olan mevalonik asitin keşfi olmuştur ve daha sonra bu C6 bileşiği beş karbonlu 3-metil-3-bütenil pirofosfata başarılı bir şekilde, fosforlama ve dekarboksilasyonla, dönüştürülmüştür. Daha önce gördüğümüz gibi (Altbölüm D.3) 3-metil-3-bütenil pirofosfat izomerle şerek, içerisinde 3-metil-2-bütenil pirofosfatın da bulunduğu bir denge karışımı oluşturur ve bu iki bileşik, geranil pirofosfatı (C10 bileşiği) oluşturmak üzere kondenseleşir. Bu bileşik de 3-metil-3-bütenil pirofosfatın diğer bir molüyle kondenseleşerek bir C15bileşiği olan farnezil pirofosfatı oluşturur. (Geranil pirofosfat ve farnesil pirofosfat mono-seski terpenlerin öncü maddeleridir; (bkz. Altbölüm D.3.)

o p 2o 63-

^

v

H,P,0;2

' o p 2o 6?-

D.4 Steroitlerin Biyosentezi

o pa

3-

Geranil pirofosfat ^— 3-metil-3-büteniI pirofosfat

^H ,P;0 ,2-

OP2Oe3" Farnesil pirofosfat

İki molekül famesil pirofosfat daha sonra indirgeyici kondenseleşmeyle skualeni oluş turur.

Skualen, kolesterolün doğrudan öncü maddesidir. Skualenin yükseltgenmesiyle skualen 2,3-epoksit oluşur ve daha sonra eş zamanlı metanür ve hidrür göçmesiyle bir se ri halka kapanması sonucu lanosterol meydana gelir. Bu yöntem Bölüm 8 ’de “Kolesterol Biyosentezinin Kimyasında” ayrıntılı bir şekilde anlatılmıştır. Lanosterol daha sonra bir seri enzim katalizli tepkime sonucu kolesterola dönüşür.

i

i

939

940


I (birçok enzimalik basamak)

D .5

K

o le s te r o l

ve

K

alp

H

a s ta l ik l a r i

Kolesterol, steroit hormonlarının bir öncüsü ve hücre zarlarının önemli bir bileşeni olmasından dolayı, yaşam için çok önemlidir. Diğer taraftan atardamarlarda kolesterolin birikmesi ölümlere sebep olan atheroscleroisis ve kalp hastalıklarının nedenidir. Bir organizmanın sağlıklı olması için kolesterolün biyosentezi ile kullanımı arasında hassas bir dengenin kurulması gerekmektedir. Bu durumda atardamarlardaki birikme en alt seviyede tutulur. Kandaki kolesterolün seviyesi yüksek olan bazı hastalara tedavi amacıyla yağ ve ko lesterolü az olan diyet uygulanır. Kalıtımsal olarak yüksek kolesterolü olanlara (FH) kandaki kolesterolü azaltan diğer yöntemler gereklidir. Buna örnek bir tedavi yöntemi mevinolin olarak da adlandırılan lovastatin adlı ilacın kullanımıdır.

D.5 Kolesterol ve Kalp Hastalıkları

Mevalonat iyonu

Lovastatin. yapısının bir bölümü mevalonat iyonuna benzediği için kolesterol biyosentezindeki hız belirleyen basamağı katalizleyen enzimin, yani HMG-CoA redüktazın (Altbölüm D.4) aktif bölgesine bağlanır. Lovastatin. bu enzimin yarışan bir inhibitörü olarak davranır ve böylece kolesterol sentezini azaltır. Lovastatin tedavisinde serumda ki kolesterol seviyesinin %30'lara kadar azaltılması mümkündür. Karaciğerde sentezlenen kolesterol ya sindirim esnasında kullanılan safra asidine dö nüşür ya da kanla taşınmak üzere esterleşir. Kolesterol, yoğunluklarına göre adlandırı lan lipoprotein kompleksleri şeklinde kanda taşınır ve hücrelerde tutulur. Düşük yoğunluklu lipoproteinler (LDL) kolesterolü karaciğerden daha dış dokulara taşır. Yük sek yoğunluklu lipoproteinler (HDL), safra asitleri halinde karaciğer tarafından atı lan atık kolestrolleri tekrar karaciğere taşır. Yüksek yoğunluklu lipoproteinler atardamarlarda biriken kolestrolü azalttığından “iyi kolesterol" olarak adlandırılır. Kalp hastalıklarına neden olan atardamarlarda birikmiş kolesterolün yüksek seviyedeki LDL ile ilişkili olmasından dolayı LDL “kötü kolesterol“ olarak adlandırılmıştır. Bununla birlikte karaciğerden bağırsaklara akan safra asitleri, karaciğere etkili bir şekilde geri taşınır. Bunun keşfedilmesi, safra asitlerini bağlayan ve bağu-saklarda on ların yeniden soğurulmasını engelleyen reçinelerin yenilmesi yoluyla kolesterolün dü şürülmesini amaçlayan bir başka yöntemin gelişmesine yol açmıştır.

941

Aminler N ö r o to k s in le r v e S in ir İle tic ile ri Kolombiya zehirli ok kurbağaları küçük, güzel ve ölümcüldür. Histriyonikatoksin de nen bir zehir üretirler. Amin yapısında olan bu zehir, kurbanın solunum kaslarını felç eder ve nefes alamayarak ölmesine neden olur. (Histriyonikatoksinin moleküler mode li yukarıda verilmiştir.) Amazon yerlilerinin ok uçlarına sürdükleri kürar adı verilen ze hir, bir çeşit sarmaşıktan elde edilen bileşiklerin bir karışımıdır. Karışım içinde bulunan ve ¿/-tübokürarin denen bileşik felce neden olan diğer bir nörotoksindir. Histriyonika toksin ve ¿/-tübokürarin, önemli bir sinir ileticisi olan asetilkolinin faaliyetlerini durdu rurlar.

942

A s e tilk u lin

r f- T ü b o k ü r a r in k lo r ü r

¿/-Tübokürarin ve asetilkolinin her ikisi de dört gruba bağlı bir azot atomu taşırlar (¿/-tübokürarinde iki azot). Azot atomları formal pozitif yük taşırlar ve bu nedenle, her iki bileşik de kuaterner amonyum tuzları sınıfına girerler (Altbölüm 20.3C). Kuaterner amonyum grubunun bulunması önemlidir, çünkü asetilkolin alıcısına bağlanma buradan olur. Sinil- dürtülerinin taşınması sırasında asetilkolin, alıcıya bağlanır. Bu bağlanma, hücre zarını depolarize eder ve bir konformasyon değişimine neden olarak, Na+ ve K" katyonlarının hücreye sıra ile girip çıkmasını sağlayan bir kanal açar. Bu kanaldan, 2 milisaniye içinde, her bir katyondan yaklaşık 2 0 .0 0 0 tanesi hücreye girip çıkar. ¿/-Tlibokürarin, asetilkoline benzeyen yapısından dolayı bu alıcıya bağlanırsa, asetilko linin buraya bağlanmasını engeller ve böylece, iyon kanalının açılmasını önler. Zarın depolarize olamaması (zarın depolarize olması sinir dürtüsü başlatır) felce neden olur. ¿/-Tiibokürarin ve histriyonikatoksin birer zehir olmalarına karşın bilimsel araştırmalar da yararlı olmuşlardır. Örneğin, normal solunum düzeni dışında durumlar gerektiren so lunum fizyolojisi deneylerinde, gönüllü bir deneğin solunumunu geçiçi olarak felç etmede, kürar kullanılmıştır. Denek, deney başladığı andan, kürarın etkisi geçinceye ka dar yapay bir solunum cihazına bağlanmıştır. d-Tübokiirarin de tıpkı süksinilkolin bromür gibi solunum kaslarını felç etme özelliğine sahip olduğundan, bazı ameliyatlarda kas gevşeticisi olarak kullanılır.

S ü k s in ilk o lin b r o m ü r

943

944

v *

—

Bölüm 20 / Aminler

20.1 Adlandırma 20.2 Aminlerin Fiziksel

2 0.1

Özellikleri ve Yapıları 20.3 Aminlerin Bazlığı: Amin Tuzları 20.4 Biyolojik Önemi Olan Bazı Aminler 20.5 Aminlerin Eldesi 20.6 Aminlerin Tepkimeleri 20.7 Aminlerin Nitröz Asitle Tepkimeleri 20.8 Arendiozonyum Tuzlarının Yer Değiştirme Tepkimelri 20.9 Arendiazonyum Tuzlarının Kenetlenme Tepkimeleri 20.10 Aminlerin Sülfonil Klorürle Tepkimeleri 20.11 Sülfa İlaçları: Sülfanilamit 20.12 Aminlerin Analizi 20.13 Amonyum Bileşiklerini İçeren Ayrılmalar

Yaygın adlandırmada pek çok birincil amin alkilaminler olarak adlandırılırlar. Sistema tik adlandırmada ise NH2 grubunun bağlandığı zincir ya da halka sisteminin adının sonuna -amin son eki eklenir (aşağıda parentez içindeki mavi adlar). Aminler azot atomuna bağ lı organik grupların sayısına göre birincil ( lu), ikincil (2U) veya üçüncül (3°) diye sınıf landırılırlar (Altböliim 2.9).

A D L A N D IR M A

Birincil Aminler CH3ÇHCH2NH2 CH3NH2

CH3CH2NH2

Metilamin (nıetanamin)

Etilamin (etanamin)

ch3

Sikloheksilamin (sikloheksanamin)

İzobütilamin (2 -metil- 1 -propanamin)

Pek çok ikincil ve üçüncül amin de benzer şekilde adlandırılır. Yaygm adlandırma da azota bağlı organik grupların adları belirtilir. Eğer azota ikisi ya da iiçü de aynı olan organik gruplar bağlanmışsa di- ya da tri- ön ekleri kullanılır. Sistematik adlandırmada ise sübstitüentin azota bağlı olduğunu belirtmek için, sübstitüent adının önüne N ön eki yazılır. İkincil Aminler CH3NHCH2CH3

(CH3CH2)2NH

Etilnıetilamin (A-metiletanamin)

Dietilamin (A-etiletanaınin)

İkincil Aminler (CH3CH2)3N Trietilamin A,A-dietiletanamin

CH,CH, ı ' ' CH,NCH,CH,CH, Etilmetilpropilamin A-etil-A-metil-l-propanamin

IUPAC adlandırma sisteminde —NH2 sübstitüentine amino grubu denir. Bu sistemi b ir—OH ya da b ir—C 02H grubu içeren aminleri adlandırmakta sık sık kullanırız. O H2NCH2CH2OH 2-Aminoetanol

H2NCH2CH2COH 3-Aminopropanoik asit

20.1A Arilaminler Yaygın arilam inlerden dördünün adları aşağıda verilmiştir: nh2

ch3

Anilin (benzenamin)

A-Metilanilin (A-metilbenzenamin)

p-Toluidin (4-metilbenzerıamin)

nh2

och3

p-Anisidin (4-metoksibenzenamin)

20.2 Aminlerin Fiziksel Özellikleri ve Yapıları

20.

IB Hetero hal kah (Heterosiklik) Am inler

Önemli bazı heterohalkalı aminlerin yaygın adları vardır. Sistematik adlandırmada, kar şılık gelen hidrokarbondaki karbon atomları yerine geçen azot atomlarını belirtmek için aza-, diaza- ve triaza- ön ekleri kullanılır. 4 5f

3

| f

üJ 1

7

H

H

H

Pirol (1 -azasiklopenta2,4-dien)

Pirazol (1 ,2 -diazasiklopenta2,4-dien)

imidazole (1,3-diazasiklopenta2,4-dien)

H İndol (1 -azainden)

4 5 6

5

4

6

3

7

o

N, Piridin (azaben/.en)

Piridazin ( 1,2 -diazabenzen)

Pirimidin (1,3-diazabenzen)

Kinolin (1 -azanaftalin)

4

N »I*

N3

H Piperidin (azasikloheksan)

Pirolidin (azasiklopentan)

Tiyazol (l-tiya-3azasiklopenta2,4-dien)

Purin

2 0 .2 A M İ N L E R İ N F İ Zİ KS EL Ö Z E L L İ K L E R İ VE Y A P I L A R I 20.2A Fiziksel Özellikler

Aminler orta polarlıkta bileşiklerdir. Kaynama noktaları benzer molekül kütleli alkanlardan yüksek, alkollerden düşüktür. Birincil ve ikincil aminlerin molekülleri birbirleriyle ve suyla güçlü hidrojen bağları oluşturabilirler. Üçüncül aminlerin molekülleri birbirleriyle hidrojen bağları yapamazlar, ama su ya da diğer hidroksilli çözücülerin mo lekülleri ile hidrojen bağları yapabilirler. Bu nedenle, üçüncül aminler benzer molekül kütleli birincil ve ikincil aminlerden daha düşük sıcaklıklarda kaynarlar. Küçük mole kül kütleli bütün aminler suda çok çözünürler. Çizelge 2 0 . 1 'de bazı yaygın aminlerin fiziksel özellikleri verilmiştir. 20.2B Aminlerin Yapısı

Pek çok aminin azot atomu, amonyaktaki gibi, yaklaşık sp* melezleşmesi yapmıştır. Üç alkil grubu ( ya da hidrojen atomları) bir düzgün dörtyüzlünün üç köşesine bağlanır, dördüncü sp} orbitalinde ortaklaşılmamış bir elektron çifti bulunur. Aminin bu şekli, azo ta bağlı atomların yerleri dikkate alınarak, üçgen piramit diye adlandırılır (Altbölüm 1.16). Bununla birlikte ortaklaşılmamış elektron çifti sanki bir grupmuş gibi düşünüle-

945

946


Çizelge

20.1 Aminlerin Fiziksel Özellikleri en Yapısı

Adı

(° C )

kn (°C)

Suda çözünürlüğü (25°C) (g 100 mL-')

pÂû (amonyum iyonu)

Birincil Aminler M e t ila m in

c h

3

E t ila m in

c h

3c

h

2n

h

2

P r o p ila m in

c h

3c

h

2c

h

,n

İ z o p r o p ila m in

( C H 3 )2 C H N H

B ü t ila m in İ z o b ü t ila m in

C H 3 ( C H 2 ) 2 C H 2N H 2 (C H 3 )2C H C H 2N H 2

s e A - B ü t ila m in

C H 3C H 2C H (C H 3 )N H

t e r - B ü t ila m in

(C H 3 )3 C N H

S ik lo h e k s ila m in

S ik lo - C g H , , N H c 6h , c h 2n h 2

B e n z ila m in A n ilin p - T o l u i d in p - A n i s i d in

c

n h

6h 5n

p -c h

3

h c

Ç ok çözünür

1 0 .6 4

-8 1 -8 3

17

Ç ok çözünür

1 0 ,7 5

49

-1 0 1

33

Ç ok çözünür Ç ok çözünür

1 0 ,6 7 1 0 .7 3

-5 1

78

Ç ok çözünür

1 0 .6 1

- 8 6

6 8

Ç ok çözünür

-1 0 4

63

1 0 ,4 9 1 0 .5 6

- 6 8

45 134

-9 4

2

h

2

2

2 2

2

-1 8

6h 4n

h

2

p - K lo r o a n il in

p -C H ,O C 6 H 4 N H , p -c ic 6h 4n h 2

p - N it r o a n i li n

p -n o

2c 6h 4n

h

- 6

185 184

44

2 0 0

1 0

2

2

- 6

Ç ok çözünür Ç ok çözünür A z çözünür A z çözünür 3 .7 A z çözünür

1 0 ,4 5 1 0 ,6 4 9 ,3 0 4 ,5 8 5 ,0 8

Ç o k az ç ö z ü n ü r

5 ,3 0

73

244 232

Ç özünm ez

4 ,0 0

148

332

Ç özünm ez

1 ,0 0

57

İkincil Aminler D im e t ila m in

( C H 3) 2N H

-9 2

7

Ç ok çözünür

1 0 ,7 2

D ie t ila m in

( C H 3 C H 2) 2N H

56

Ç ok çözünür

1 0 ,9 8

D ip r o p ila m in

( C H 3 C H 2 C H 2) 2N H

-4 8 -4 0

1 1 0

Ç ok çözünür

1 0 ,9 8

A - M e t i la n il in

c

-5 7

196

A z çözünür

4 ,7 0

D if e n il a m i n

( C 6 h 5) 2n

53

302

Ç özünm ez

0 ,8 0

6h

,n

h ’c h

3

h

Üçüncül aminler T r i m e t i la m in

( C H 3) 3N

-1 1 7

T r i e t il a m i n

( C H 3 C H 2) 3N

-1 1 5

90

T r ip r o p il a m i n

( C H 3 C H , C H 2) 3N C 6H ,N (C H 3 ) 2

-9 3 3

İ V , A f - D im e t ila n ilin

2 ,9

Ç ok çözünür

9 ,7 0

14

1 0 ,7 6

156

A z çözünür

1 0 .6 4

194

A z çözünür

5 ,0 6

rek aminin geometrisi bir düzgün dörtyüzlü olarak kabul edilebilir. Trimetilaminin van der Waals yüzeyi için olan elektrostatik potansiyel haritası (aşağıda ağ şeklinde veril miştir) azot atomu üzerindeki bağ yapmamış elektronların negatif yük dağılımını gös termektedir.

Aminin yapısı

Trimetilaminin hesapla bulunan yapısı (Hidrojen atomları gösterilmemiştir.)

Bağ açıları düzgün dörtyüzlüden beklendiği gibi, 109,5" ye çok yakındır. Örneğin, tri metilaminin bağ açıları 108" dir.

20.3 Aminlerin Bazlığı: Amin Tuzlan

Bir üçüncül aminin bütün alkil grupları farklı ise, o amin kiraldir ve iki enantiyomeri vardrn Ancak, enantiyomerler hızla birbirlerine dönüşürler ve pratikte biz bunları ço ğu kez ayıramayız (yaramayız). R R'; /

R‘ R" N<

R"’

R'"

Amin enantiyomerlerinin birbirine dönüşümü

Bu birbirine dönüşüm piramit ya da azot devrilmesi olarak adlandırılır. Basit amin lerde bu dönüşümün enerji engeli yaklaşık 25 kJ mok”dir ve oda sıcaklığında kolayca sağlanır. Devrilmenin geçiş durumunda azot atomu sp2 melezleşmesi yapar ve ortakla şılmamış elektron çifti/? orbitalinde bulunur. Amonyum tuzları, ortaklaşılmamış elektron çifti taşmadıklarından devrilmezler. Bu nedenle dört farklı grup bağlamış kuaterner amonyum tuzları nispeten kararlı enantiyomerlere yarılabilirler. R' R' R '^ R— N N —R" / \ R R X" xBu yapıdaki kuaterner amonyum tuzları enantiyomerlerine varılabilirler.

2 0 .3

A M İN L E R İN B A Z L IĞ I: A M İN T U Z L A R I

Aminler nispeten zayıf bazlardır. Sudan daha güçlü baz olmalarına karşın, hidroksit iyo nu, alkoksit iyonu ve karbanyonlardan çok daha zayıftırlar. Aminlerin bazlık kuvvetlerini karşılaştırmanın uygun bir yolu, eşlenik (konjuge) asit leri olan alkilaminyum iyonlarının asitlik sabitlerini (ya da pKa değerlerini) karşılaştır maktır (Altbölüm 3.5C). Aminlerin asitlik sabiti ifadesi aşağıdaki gibi yazılabilir: RNH2 + h 3o + RNH3 + H20 = [RNH2][H3Q+] PKa = -log Ka [RNH3+] Eğer amin kuvvetli bir baz ise, aminyum iyonu, protonu sıkıca tutacağından zayıf bir asit olacaktır (p/Ç, değeri büyük olacaktır). Diğer yandan, amin zayıf bir baz ise, amin yum iyonu protonu sıkıca tutamayacak ve daha güçlü asit özelliği taşıyacaktır (pKa de ğeri küçük olacaktır). Aminlerin Çizelge 20.2’de verilen bazlıklarmı incelediğimizde, birçok alifatik ami nin amonyaktan daha güçlü baz olduklarım görürüz: nh3

Eşlenik asitin pk/sı

9,26

c h 3n h 2

10,64

c h 3c h 2n h 2

10,75

c h 3c h 2c h 2 n h 2

10,67

Bunun nedenini alkil gruplarının elektron verme özelliğine bağlayabiliriz. Alkil grupla rı elektron sağlarlar ve asit-baz tepkimesinden oluşan alkilaminyum iyonunu, p o zitif yü-

947

948


kü moleküle dağıtarak kararlı kılarlar. Alkil grupları, aminden daha çok alkilaminyun iyonunu kararlı kılarlar. H R>N —

H—OH

R > N —H

H

+

- =ÖH

H R, elektron salar (R->) ve alkilaminyum iyonunu, yük dağılımı nedeniyle kararlı kılar.

Aşağıdaki aminlerin gaz farında ölçülen bazlık kuvvetlerinin metil grubu sayısı ile artması bu açıklamayı desteklemektedir. (CH.O3N > (CH3)2NH > CH3NH2 > NH3

Aminlerin gaz fazındaki bazlık sırası sulu fazdakine uymaz. Aynı aminlerin sulu çö zeltilerindeki bazlık sırası aşağıdaki gibidir (Çizelge 20.2): (CH3)2NH > CH?NH2 > (CH3)3N > NH3 Günümüzde bileşiklerin farklı fazlardaki bu belirgin farklı davranışının nedeni bilinmek tedir. Birincil ve ikincil aminlerin sulu çözeltilerinde oluşan aminyum iyonları, üçüncül aminlerden meydana gelen aminyum iyonlarından, çok daha etkin olan hidrojen bağla rı nedeniyle, daha iyi sarılırlar ve dolayısıyla daha kararlı duruma gelirler. Üçüncül aminlerden meydana gelecek (CH3 )3 NH+gibi bir aminyum iyonunun, su molekülleriy le hidrojen bağı yapabilecek tek bir hidrojeni vardır. Oysa, birincil ve ikincil aminlerin aminyum iyonları, sırasıyla, üç ve iki hidrojen taşırlar. Bir üçüncül aminden oluşan amin yum iyonunun zayıf sarılması, üç metil grubunun elektron salma etkilerini bastırır ve üçüncül aminleri, sulu çözeltilerinde birincil ve ikincil aminlerden daha az bazik yapar. Bununla birlikte, alkil gruplarının elektron salma etkisi üçüncül aminlerin amonyaktan daha kuvvetli baz olmalarını sağlar. 20.3A Arilaminlerin Bazlığı

Aromatik aminlere (örneğin, anilin ve p-toluidin) ait aminyum tuzlarının Çizelge 20.1’de verilen pKa değerlerini incelersek, onların, sikloheksilamin gibi karşılık gelen alifatik aminlerden çok daha zayıf bazlar olduklarını görürüz. Siklo-C 6HnNH2 C6H*NH2 p -CH.,C6H4NH2 Eşlenik asitin pAÇsı

10,64

4,58

5,08

Bu etkiyi, bir arilaminin toplam melezine katkıda bulunan rezonans yapılar üzerinde görebiliriz. Anilin için aşağıda verilen rezonans yapılar önemlidir.

1 ve 2 yapıları herhangi bir benzen türevi için yazılabilen Kekule yapılarıdır. Oysa 3 -5 yapıları azotun ortaklaşılmamış elektron çiftini halkanın orto ve para konumlarına delokolize eder (dağıtır). Elektron çiftinin bu delokalizasyonu, azotun proton yakalama sını zorlaştırır. Böylece. elektron çiftinin delokalizasyonu aniIini kararlı kılar.


949

Anilin bir proton yakaladığında anilinyum iyonu haline gelir. Cf)H5NH2 + H20

C6H5NH3 + OH Anilinyum iyonu

Azot atomunun elektron çiftinin bir proton yakalamasıyla oluşan anilinyum iyonunun yalmzca iki rezonans yapısı (iki Kekule yapısı) olasıdır.

Anilinyum iyonunun 3 - 5 yapılarına karşılık gelen yapıları mümkün değildir. Bu ne denle, rezonans, anilinyum iyonunu anilinin kendisi kadar kararlı kılamaz. Tepkimeye girenin (anilin) daha büyük kararlılığı, ürünün (anilinyum iyonu) kararlılığı ile karşılaş tırıldığında, bu tepkimenin AH0 değeri Anilin + H20 ----►anilinyum iyonu + OH~

(Şekil 20.1)

aşağıda tepkimeninkinden daha büyük pozitif bir değer olacaktn*. Sikloheksilamin + H:0 ----►sikloheksilaminyum iyonu + OH' (Şekil 20.2). Sonuç olarak, anilin daha zayıf bazdır. Aromatik aminlerin alifalik aminlerden daha zayıf baz olmalarmın, diğer bir nede ni, bir fenil grubunun elektron çekme etkisidir. Fenil grubunun karbon atomları sp2 melezleşmişlerdir ve alkil gruplarının sp' melezleşmiş karbon atomlarından daha elekt ronegatiftirler (dolayısı ile elektron çekme güçleri fazladır). Biz bu etkiyi ileride, Altbölüm 21.5A'da inceleyeceğiz. Şekil 21.1 Sikloheksilaminin H20 ile (1) ve anilinin H20 ile (2) tepkimelerinin entalpi diyagramı. (Eğriler yalnızca karşılaştırma maçıyla çizilmiş tir, ölçekli değildir.)

950

'W


v

Amitler aminler gibi bazik değildir.

20.3B Aminlerle Amitlerin Karşılaştırılması

Amitler görünüşte aminlere benzerlerse de çok daha az baziktirler (arilaminlerden bile zayıf bazlardır). Tipik bir amidin eşlenik asitinin pA)/sı yaklaşık (Tdır. Amitlerin aminlerden daha zayıf baz olmaları rezonans ve indiiktif etkiyle açıklana bilir. Azot üzerindeki bağ yapmamış elektron çifti rezonansa girer ve amidi kararlı kı lar. Oysa, azot üzerinden protonlanan bir amidin böyle bir rezonansa girme şansı yoktur. Söylediklerimiz aşağıdaki rezonans yapılarında görülmektedir. A m it

*’0 '

:Ö:~

/C ^ ..

R

:Ö :-

< ►

NH2

R + NH2

R

NH2+

Daha büyük rezonans kararlılığı

N -P ro to n la n m ış amit

:Ç>:t

o

/

\

nh3

Daha küçük rezonans kararlılığı

+ / u-ı \

t

T

R

NH3

Bunun yanında, amitlerin aminlerden daha zayıf baz olmalarının daha önemli bir nede ni, amitteki karbonil grubunun şiddetle elektron çekmesidir. Bu etki etilamin ve asetamitin elektrostatik potansiyel haritaları ile gösterilebilir (Şekil 20.2). Etilaminde bağ yapmamış elektron çiftinin bulunduğu yerde önemli ölçüde negatif yük birikimi görül düğü halde (kırmızı renkle belirtilmiş), asetamitin azot atomu yakınlarında ctilamininkinden daha az negatif yük vardır. Aşağıdaki tepkimelerde, amit ile olan tepkimedeki denge, amininkine göre daha faz la sola kaymıştır. Bu durum, aminin amitten daha güçlü bir baz olduğu düşüncesiyle uyumludur. O II

O + H,0

R

NIT R->NH, + HX>

R

+ OH NH3

R->NH, + OH

Amitlerdeki azot atomlarının bazlığı o kadar zayıftır ki, gelen proton azota değil oksijene bağlanır (Altbölüm 18.8F‘deki amit hidrolizi mekanizmasına bakınız). Oksi jen atomları, elektronegatifliklerinin fazla olmasından dolayı azot atomlarından daha az Şekil 20.2 Etilamin ve asetamitin hesap lanmış elektrostatik potansiyel haritaları. Renk değişimine bakılarak moleküllerdeki yük dağılımının doğrudan karşılaştırırabilmesi için, her iki haritada da aynı elektrostatik potansiyel ölçeği kullanılmıştır. Etilamin

Asetamit


bazik olmalarına karşın, amitlerde protonlanma oksijen atomu üzerinde olur. Proton, ami tin oksijen atomuna bağlandığında, azottaki ortaklaşılmamış elektron çiftinin rezonans kararlılığına katılabildiğine dikkat ediniz. : OH

•OH

:OH A .

NH,

20.3C Aminyum Tuzları ve Kuaterner Amonyum Tuzlan Birincil, ikincil ve üçüncül aminlerin birer baz olarak davranarak asitlerle verdikleri tuz lara aminyuın tuzları denir. Aminyum tuzlarında pozitif yüklü azot atomu en az bir hidrojen atomuna bağlıdır. CH3CH2NH2 + HC1

c h 3c h 2n h 3

cr

Etilaminyum klorür (bir aminyum tuzu)

(CH3CH2)ÜH + HBr

777 +

(CH,CH,)->NH, Br" Dietilaminyum bromür

(CH3CH2)3N + HI ^

(ch3ch2)3nh r Trietilaminyum iyodür

Bir bileşiğin merkez azot atomu pozitif yüklü, fakar bir hidrojene bağlanmamış ise bu bileşiğe kuaterner amonyum tuzu denir. Örneğin, CH,CH, I CH3CH2—N— CH2CH3 Bıc h 2c h 3

Tetraetilamonyum bromür (bir kuaterner amonyum tuzu)

Kuaterner amonyum halojenürleri, azot üzerinde ortaklaşılmamış elektron çifti taşı madıklarından, baz özelliği gösteremezler. (CH3CH2)4N B r Tetraetilamonvum bromür (asitlerle tepkime vermez)

Diğer yandan, kuaterner amonyum hidroksitler kuvvetli bazlardır. Katı hallerinde ve çözeltilerinde tamamen kuaterner amonyum katyonları (R4N+) ve hidroksit iyonları (OH") şeklinde bulunurlar. Bu yüzden, sodyum hidroksit ve potasyum hidroksit kadar kuvvet li bazlardır. Kuaterner amonyum hidroksitler asitlerle tepkimeye girerek kuaterner amon yum tuzlarını oluştururlar:

(Ch 3)4n

oh-

+

hci

— ►(c h 3)4n c r + H20

951

952


Kuaterner amonyum tuzlarının faz-transfer katalizörleri olarak nasıl kullanılabildik lerini Altbölüm 11,21’de gördük. Altbölüm 20.12A’da ise bunların Hofmanrı ayrılması sonucu nasıl alkenlere dönüşebildiklerini göreceğiz.

20.3D Aminlerin Sulu Asitlerde Çözünürlüğü

Aminlerin bazlığını organik kimya laboratuvarlarında bileşiklerin ayrılması ya da bilinmeyen bileşiklerin karakteı izasyonu için kulla nabiliriz.

Hemen hemen bütün alkilaminyum kloriirler, bromürler, iyodürler ve sülfatlar suda çö zünürler. Bu nedenle, suda çözünmeyen birincil, ikincil ve üçüncül aminler sulu seyreltik HC1, HBr, HI, ve H2S0 4 içerisinde çözünürler. Aminlerin seyrettik asitlerde çözünebilmeleri. bunları, suda çözünmeyen ya da baz olmayan başka bileşiklerden ayır mamıza yarayacak uygun kimyasal yöntemler geliştirmemize yardımcı olur. Aminleri, bu özelliklerinden yararlanarak, baz olmayan ve suda çözünmeyen diğer bileşiklerden ayırabiliriz. Amin, sulu asit ile (seyreltik HC1) ekstrakte edilebilir, sonra asidik çözel ti bazik hale getirilir ve ardından eter ya da CH2C12 ile ekstrakte edilerek geri kazanır. \

— N:

+

^

H— X

\ +

---- ►— N— H

(veya H2S04) Suda çözünmeyen amin

X"

(veya HS04_) Suda çözünebilen aminyum tuzu

Amitlerin bazlığı aminlerinkinden çok çok daha az okluğundan, suda çözünmeyen amitler seyreltik sulu HC1, HBr, HI ve H2S 0 4 çözeltilerinde de çözünmezler.

O

Suda çözünmeyen aınit (sulu asitlerde çözünmezler)

P ro b le m 2 0 . 1

>- Heksilamini sikloheksandan ayırmak için seyreltik HC1, sulu NaOH ve dietil eter den yararlanarak bir yöntem geliştiriz.

P ro b le m 20.2

>- Benzoik asit, p-kresol, anilin ve benzen içeren bir karışımı, asitler, bazlar ve orga nik çözücüler kullanarak nasıl ayırırsınız?

20.3E Yarm a Reaktifi Olarak Am inler

Rasemik karışım halinde bulunan asidik bileşikleri enantiyomerlerine yarmak için sık sık amin enantiyomerlerinden yararlanılır. Bu işlemin kapsadığı ilkeleri, bir organik asi din rasemik şekillerinin yarma reaktifi olarak kullanılan bir aminin (Şekil 20.2) birenanliyomeri ile nasıl enantiyomerlerine yarılabileceğini (ayrılabileceğini) göstererek açıklayabiliriz. Yarma işleminde asidin rasemik şeklinin bir çözeltisine bir aminin bir tek enantiyotneıi, örneğin, (R)- 1-feniletilamin, ilave edilir. Burada oluşan tuzlar artık birbirinin enantiyomerleri değil, diastereomerleridir. (Tuzun asit kısıntındaki stereomerkezler birbirinin enantiyomeri olduğu halde, baz kısmının stereomerkezleri değildir.) Bu diastereomerlerin çözünürlükleri farklıdır ve dikkatli bir kristallendirme ile ayrılabilirler. Ayrılan tuz-


953

lar hidroklorik asitle asillendirilir ve organik asidin enantiyomerleri ayrı çözücüler içe risinden elde edilir. Amin, çözelti içinde hidroklorür tuzu halinde kalır.

ç o 2h

C Ô H h o -

ç o 2h c^ h

nh2

CfiH5- C^ H +

c *h 5

ch3

c 6h 5

(S) ___________ /

(Ä)

Rasemik (R,S)-asit

'---------V -------Yarma reaktifi (jR)-Amin (optikçe saf)

I Bu tuzlar diastereom erlerdir ve ayırılabilirler.

C 0 2-

NHS

ç o 2C -O H

C6H5

ho

-

ch3

CÄ (R)

(R) (RJR)’Tuz

NHg C6H5^ c ^ H | | c 6h 5 ch3 (S) (R) (SJÎ)- Tuz c^ h

Ayırılabilir | h3o+

| h 3o + H ^

ç o 2h cÔ H

1

c 6h

5 (R)-Asit

ç o 2h ho

^

c^ h

1 C„H5 (S)-Asit

Yarma reaktifi olarak kullanılacak saf enantiyomerler doğal kaynaklardan çoğu kez kolayca elde edilebilirler. Çünkü, canlı organizmada meydana gelen kiral organik mo leküllerin çoğu enzim katalizli tepkimelerle sentezlenir ve tek bir enantiyomer şeklin dedir. (-)-Kinin (Altböliim 20.4), (-)-striknin ve (-)-brusin gibi doğal olarak meydana gelen optikçe aktif aminler rasemik asitleri enantiyomerlerine yarmada sıkça kullanılır lar. Rasemik bazları yarmak için de (+)-ya da (-)-tartarik asit (Altböliim 5.15B) gibi or ganik asitlerden yararlanılır.

Şekil 20.3 Bir orga nik asidin rasemik şekli nin optikçe aktif bir amin kullanılarak yarıl ması. Ayrılan diastere omer tuzların asitlendirilınesi asit enantiyomerlerinin çök mesine neden olur (asi din suda çözünmediği varsayılarak) ve yarma reaktifi olan amin sulu çözeltide eşlenik asidi şeklinde kalır.

K

ımyası

Enantiyomerin HPLG Yarılması R a se m a tla rı yarma tekniklerinden biri, kiral durağan faz (CSP) kullanılarak yük sek performanslı sıvı kromatografisi (HPLC) ile yarmadır. Bu teknik Illinois Üniver sitesinden William H. Pirkle tarafından geliştirilmiştir ve rasemik pek çok amin, alkol, amino asit ve benzer bileşiklerin yarılmasında kullanılmıştır. Yerimiz, tekniğin ayrın tılarını vermeye yeterli değildir,* ama, şu kadarını söyleyelim ki, rasemik karışımın bir çözeltisi, gözenekli ve küçük silika boncuklarla doldurulmuş bir kolondan (Pirk le kolonu) geçirilir. Kiral grup boncukların yüzeyine kimyasal olarak bağlanır.

Silika

Yarılmak istenen bileşik önce 3,5-dinitrofenil grubu içeren bir türevine dönüştürülür. Örneğin, amin, 3,5-dinitrobenzamite çevrilir.

Alkol ise Curtius çevrilmesine (Altböliim 20.5E) benzer bir yolla bir karbamata (Altböliim 18.10A) dönüştürülür. ChN

O NH— C— OR(±)

0

,N

Kiral olan durağan faz, enantiyomerlerden birine diğerinden çok daha sıkı bağlanır. Bağlanma, enantiyomerin alıkonulma süresini arttırır ve yarılmayı kolaylaştırır. Bağ lanma kısmen 3,5-dinitrofenil türevi ile kiral durağan faz (CSP) arasında hidrojen bağ larıyla olur, ancak türevin elektronca yoksul 3,5-dinitrofenil halkası ile CSP’nin elektronca zengin naftalin halkası arasındaki 7r - 7r etkileşmesi de oldukça önemlidir.

* Bir laboratuvar el kitabına başvurabilir ya da aşağıdaki makaleleri okuyabilirsiniz: Pirkle, W. H.: Pochapsky, T. C; Maliler. G. S.; Corey. D. E; Reno, D. S; Alessi, D. M. J . O rg. C hem . 1986, 5 1 . 4991 - 5000.

954

20.4 Biyolojik Önemi Olan Bazı Aminler

2 0 .4

B İY O L O JİK Ö N E M İ O

lan

Ba

zi

955

A M İN L E R

Tıbbî ve biyolojik önemi olan bileşiklerin çoğu amindir. Aşağıda böyle aminlere bazı örnekler verilmiştir.

R = CH„ Adrenalin (epinefrin) R = H, Noradrenalin (norepinefrin)

Dopamin

Amfetamin (benzedrin)

Meskalin

2-Feniletilamin

Serotonin

Morfin (R = H) Kodein (R = CH3)

2-Feniletilaminler Pek çok feniletilamin bileşiğinin güçlü fizyolojik ve piskolojik etkileri vardır. Adrenalin ve noradrenalin adrenal salgı bezinden salgılanan iki hormon dur. Bir hayvan bir tehlike hissettiğinde kana verilen adrenalin kan basıncını ve kalp atış hızını arttırır, akciğerin hava geçiş yollarını genişletir. Bütün bu etkiler hayvanı sa vaşmaya ya da kaçmaya hazırlar. Noradrenalin de kan basıncını arttırır ve dürtülerin bir sinir ucundan diğerine geçmesinde görev üstlenir. Dopamin ve serotonin beyindeki önem li sinir ileticileridir. Beyinde dopamin düzeyindeki anormallikler, Parkinson hastalığı dahil, pek çok psikolojik hastalığa neden olur. Dopamin hareketlerin, motivasyonun ve duyguların kontrolünde ve düzenlenmesinde başlıca rol oynar. Serotonin ilginç bir bi leşiktir. Mental olaylarda oldukça önemli bir rölii olduğu, zihinsel aktiviteleri arttırdığı sanılmaktadır. Şizefroni gibi zihinsel bozuklukların serotonin metabolizması ile ilgili olduğu düşünülmektedir. Amfetaminin (güçlü bir uyarıcı) ve meskalinin (bir halusinojen) yapıları serotonin, adrenalin ve noradrenalinin yapılarına benzer. Hepsi de 2-feniletilamin türevidir (veri len yapısına bakınız). (Serotoninde azot atomu beş üyeli bir halkada benzen halkasına bağlıdır.) Bu bileşiklerin yapı benzerlikleri, fizyolojik ve psikolojik etkilerini de belir lemelidir. Çünkü 2-feniletilamin türevlerinin pek çoğu benzer özellikler gösterir. Örne ğin /V-metilamfetamin ve LSD (liserjik asitin dietilamiti) bunlardan yalnızca ikisidir. İki güçlü analjezik olan morfin ve kodein (Bölüm 13 girişindeki moleküler grafiğe bakınız) de yapılarında birer 2-feniletilamin sistemi taşırlar. [Morfin ve kodein alkaloit adı ve-

Adrenalin.

956


rilen (Özel Konu F) bileşiklere birer örnektir. Yapılarında 2-feniletilamin sistemini be lirlemeye çalışınız].

Vitaminler ve Antihistaminler Aminlerin bir çoğu vitamindir. Bunlardan bazıla rı nikotinik asit ve nikotinamit (antipellagra faktörleri. Bölüm 12 girişi), piridoksin (B6 vitamini. Bölüm 16 girişi) ve tiamin klorıirdür, (B1 vitamini, bkz. “Tiyaminin Kimya sı" Bölüm 18). Nikotin tütünde bulunan zehirli bir alkaloittir ve sigara alışkanlığını ya pan bileşiktir. Başka bir zehirli amin olan histamin vücudun bütün dokularında proteinlere bağlanmış olarak bulunur. Histaminin serbest kalması alleıjik tepkimelere ve soğuk al gınlığına neden olur. Klorfeniramin bir “antihistamindir” ve soğuk algınlığının tedavi sinde ilaç bileşeni olarak kullanılır.

Histamin

Klorfeniramin

Klordiazepoksit (Librium)

Teskin Ediciler

Klordiazepoksik yedili bir halka içeren ilginç bir bileşiktir ve en çok kullanılan yatıştırıcılardan biridir. (Klordiazepoksik A-oksit halinde pozitif bir azot atomu da taşır.)

Sinir ileticileri

Sinir hücreleri diğer sinir hücreleri ile sinaps denen bağlantı yerle rine veya yarıklara sahiptirler. Sinir dürtüleri bu bağlantı yerlerinde (sinapslarda) sinir ileticileri denen kimyasal bileşikler tarafmdan taşmırlar. Asetilkolin (aşağıdaki tepki meye bakınız) cholinergic synapses denilen yerde önemli bir sinir ileticisidir. Bu bile şik bir kuaterner amonyum grubu taşır. Küçük moleküllü ve iyonik yapıda olduğundan, suda çok çözünür ve kolay difüzlenir. Bu özellikleri onun sinir ileticisi olmasına yar dımcıdır. Asetilkolin molekülleri, sinapslardan önceki bölgedeki zar tarafmdan. yakla şık 104 moleküllü paketler halinde nöronlara verilirler. Bu molekül paketi, iki sinir arasında, bir sinir hücresinden diğerine difüzlenir. O +

CH3COCH2CH2N(CH3) 3 + H20 < Asetilkolin

aseülkolinesteraz

+

= * CH3C02H + HOCH2CH2N(CH3) 3 Kolin

20.5 Aminlerin Eldesi

Elektriksel iletimi tetikleyen sinir dürtülerini sinapslar üzerinden taşıyan asetilkolin molekülleri, arkadan gelen dürtünün ulaşmasına fırsat tanımak amacıyla birkaç milisa niye içinde (koline) hidroliz olmalıdır. Bu hidroliz asetilkolinesteraz denen çok etkin bir enzim tarafından katalizlenir. Kasların sinaps sonrası zarları üzerinde bulunan asetilkolin alıcıları bazı ölümcül sinir zehirleyicilerin hedefi durumundadır. Bunların bazıları bölümün başında anlatılmıştır.

2 0 .5

A M İN L E R İN ELDESİ

20.5A Nükleofilik Yer Değiştirme Tepkimeleri Üzerinden

Amonyağın Alkillenmesi Birincil aminlerin tuzları, amonyak ve alkil halojenürlerden nükleofilik yer değiştirme tepkimeleriyle elde edilebilirler. Amin tuzlarının bir baz ile etkileştirilmesi birincil aminleri verir. ” (A OH NH3+ R— X ---►R— NH,X--------►RNH,

Bu yöntem, aminlerin çoklu alkilienmeleri nedeniyle, sentezlerde sınırlı bir uygula maya sahiptir. Örneğin, etil bromür ve amonyaktan oluşan etilaminyum bromür. ortam daki amonyakla tepkimeye girerek başlangıçta etilamin verir. Etilamin tıpkı amonyak gibi bir nükleofildir ve etil bromiirle tepkiyerek dietilaminyum bromür oluşturur. Eğer ortamda aşırı alkil halojenür varsa, bu alkillenme ve proton aktarımının tekrarlanmasıy la, bir miktar üçüncül amin ve hatta biraz da kuaterner amonyum tuzu meydana gelir.

j T e p k i m e için Bir M e ka ni z m a 1

İ

_. N H j ’ün Alkillenm esi

NH3 + CH3CH2—B r ----►CH3CH2—NH3 + Br" IK c h 3ch 2

^ l+ n

h

X .. + :n h 3 — ►c h 3c h 2n h 2 +

nh4

H .<^ + CH3CH2NH2 + CH3CH2—B r----►(CH3CH2)2NH2 + Br', vb.

Çoklu alkilleme, ortama aşırı amonyak ilave edilerek en aza indirilebilir. (Niçin?) 2-Bromopropanoik asitten alanin sentezi bu tekniğe bir örnektir. CH3ÇHC02H +

nh3

— ►c h 3c h c o 2- n h 4+

(70 tnol)

Alanin (%65-70)

Br (1 mol)

NH2

Azür İyonunun Alkillenmesi ve İndirgenmesi Alkil halojenürlerin azür iyonu ile nükleofilik yer değiştirme tepkimesine sokulup alkil azürlerin (R-N3) elde edilme-

957

958


si, sonra bu alkil azimlerin, R — X

+

*.N=N=N! -( S> ;2 - > X )

R —

N=N=N*!

Azür iyonu

Na/alkol * va da LiAlH,

RNH,

Alkil azür

sodyum ve bir alkol ya da lityum alüminyum hidrür yardımıyla birincil aminlere indir genmesi birincil amin eldesinde daha uygun bir yöntemdir. Uyan: Alkil azürler patla yıcıdır. Küçük molekül kütleli alkil azürler izole edilmemeli, çözelti içinde tutulmalıdır. G abriel Sentezi Birincil aminler potasyum ftalimitten (aşağıdaki tepkimeye bakı nız) çıkılarak, Gabıiel sentezi denen bir yöntemle de sentezlenebilirler. Bu yöntemde, alkil halojenür ile amonyak arasında meydana gelen çoklu alkillenme karmaşası görül mez. tek bir birincil amin elde edilir.

O Ftalimit

A-Alkilftalimit

Ftalazin-l,4-dion

Birincil amin

Ftalimit oldukça asidiktir (pKa = 9). Potasyum hidroksitle tepkimeye girer ve potas yum ftalimite dönüşür (1. basamak). Ftalimit anyonu güçlü bir nükleofil olduğundan bir alkil halojenür ile SN2 mekanizmasına göre etkileşir ve A-alkilftalimit verir (2. basa mak). Bu noktada yV-alkilftalimit sulu asit ya da bazla hidroliz edilebilirse de, hidroliz bu koşullarda zordur. Bu nedenle, /V-ftalimitin etanol içerisinde hidrazin (NH2NH2) ile geri soğutucu altında kaynatılması sık sık başvurulan bir yöntemdir (3. basamak). Bu radan bir birincil amin ve ftalazin-1.4-dion elde edilir. Gabriel sentezi ile amin eldesi, beklediğimiz gibi, metil, birincil ve ikincil alkil halojeniirlerin kullanılmasıyla sınırlıdır. Çünkü üçüncül alkil halojenürler 2. basamakta yer değiştirme değil, hemen tümüyle ayrılma tepkimesi verirler.

P ro b le m 20.3

>■ Ftalimitin asit özelliği göstermesinin başlıca nedeni, ftalimit iyonunun rezonans ya pılarına sahip olmasıdır, (a) Ftalimit iyonunun rezonans yapılarını yazınız, (b) Fta limitin asitliğini benzamitin asitliği ile karşılaştırınız. Hangisi daha güçlü asittir, neden? (c) Gabriel sentezinde 2. basamaktan sonra çeşitli basamaklar gösterilme miştir. Bu basamaklar için kabul edilebilir mekanizmalar öneriniz.

P r o b l e m 20.4

>> Gabriel sentezi ile benzilamin elde ediniz.


Üçüncül Aminlerin Alkillenmesi Üçüncül aminlerin metil halojenür ya da birin cil halojeniirlerle alkillenmesinde çoklu alkillenme sorunu yoktur. Aşağıdakine benzer tepkimeler iyi bir verimle gerçekleşir. R,N;/+ RCH2—Br

R3N— CH2R + Br"

20.5B Aromatik Aminlerin, Nitro Bileşiklerinin İndirgenmesiyle Eldesi Aromatik aminlerin eldesinde en çok uygulanan yöntem, aromatik bileşiklerin nitrolanması ve sonra nitro grubunun amino grubuna indirgenmesidir. UNO,. .

fHl _ .

Ar—H H^s a > Ar—NO:-LJ—>‘Ar—NH, Aromatik halkaların nasıl nitrolandığım ve bu işlemin pek çok halkaya uygulanabilece ğini Bölüm 15’te gördük. Nitro gruplarının aminlere indirgenmesi çeşitli yollarla yapı labilir. En sık uygulanan yöntem, katalitik hidrojenleme ya da nitro bileşiğinin bir asit ve demir tozu ile tepkimeye sokulmasıdır. Asit yanında çinko, kalay ya da SnCl 2 gibi bir metal tuzu da kullanılabilir. Nitro grubu amino grubuna indirgenirken 6e alır. Genel Tepkime Ar—NO,-

H,, katalizör veva( l) Fe, HCI (2) OH-+

Ar—NH2

Özel Örnekler

İki nitro grubundan birinin seçimli indirgenmesi çoğu kez sulu amonyak (ya da al kol) içerisinde hidrojen sülfür ile gerçekleştirilir.

(%70-80)

Bu yöntem uygulanırken hidrojen sülfür miktarı dikkatle ayarlanmalıdır. Çünkü hidro jen sülfürün aşırısı birden çok nitro grubunu indirgeyebilir. Hangi nitro grubunun indirgeneceğini önceden belirlemek çoğu kez mümkün değil dir. Ama 2,4-dinitrotoluen hidrojen sülfür ve amanyok ile etkileştirildiğinde 4-nitro gru bu indirgenir: CH3 .NO,

NO,

.NO,

H,S. NHj ^

NH,

959

960

Bölüm 20 / Aminler Buna karşılık, 2,4-dinitroanilinin 2-nitro grubu indirgenir.

NO, ' H,S, NH, 50°C

NO,

NO, (% 52-58)

20.SC

İndirgeyerek Aminleme Yöntemi ile Birincil, İkincil ve Üçüncül Aminlerin Eldesi

Aldehit ve ketonların amonyak ya da bir amin varlığında katalitik olarak ya da kimya sal indirgenmesi aminleri veril'. Birincil, ikincil ve üçüncül aminler aşağıdaki gibi sentezlenebilirler.

R

—-------►R— CH— NH,

1° Amin

İH]

R'

R'

\

R"NH,

C= 0

R— CH— NHR"

IH]

R

2° Amin

R'

Aldehit ya da keton

r "r ” m -i

^

İH]

I

R— CH— NRW RW

3° Amin

Aldehit ve ketonların indirgenerek aıninlenmesi (ya da aminlerin indirgenerek alkillenm esi ) denen bu işlem, aşağıda verilen bir (1° amin için verilen) genel mekanizma üzerinden yürüyor gibi görünmektedir.

T e pk im e için Bir Mekanizma İndirgeyerek Aminleme

^ ----N, •• C—().. + H,N / ^7 ’

r

R' \

„ i k i

R <

R Aldehit ya da keton

1° Amin

r'

i

* R— Ç— NHR''

basamak

L

OH

(— 11,0) -----: --- y

J

R' \

C=NR

j

Lr İmin

Yarı-aminal -------------------- 1------------İ1H1

R'

I R— CH— NHR" 2° Amin

Amonyak ya da birincil amin kullanıldığında ürüne iki yoldan gidilebilir: Yarı-asetale benzeyen ve ya rı-a m in a l denen bir amino alkol üzerinden ya da bir imin üzerinden.


961

İkincil amin kullanıldığında imin oluşamaz. Bu yüzden, tepkime yarı-aminal ya da iminyum iyonu üzerinden yürür.

R"

lininlerin önemini Altbölüm 16.8'de “Piridoksal Fosfatın Kiınvası”nda (B6 vitamini) gördük.

R\ _ + / / C - N\ R

R

İnıinyuın iyonu

Kullanılan indirgen, hidrojen ve bir katalizör (Ni gibi) ya da NaBH3CN veya LiBH3CN ’dir (sodyum veya lityum siyanoborhidrür). Son iki indirgen NaBH4’e benzer ve indirgeyerek aminlemede oldukça etkindir. Aşağıda bu tip tepkimelere üç örnek ve rilmiştir:

Benzaldehit

Benzilamin

(%89) C H ,C H :N H ^ LiBH^CN

c h 2n h c h 2c h ,

A-Benziletanamin

Benzaldehit

(%89) (CH3):NH N aBH .CN

Sikloheksanon

AyV-Dimetilsikloheksanamin

(%52-54)

Aşağıdaki aminleri indirgeyerek aminleme yöntemiyle nasıl sentezleyebileğinizi gösteriniz.

(a) CH3(CH2)3CH2NH2 (b) C6H5CH2CHCH3

P r o b l e m 20.5

(c) CH3(CH2)4CH2NHC6H5 (d) C6H5CH2N(CH3)2

NH, (Aınfetamin)

R'

tipindeki aminlerin eldesinde ketonların indirgen aminlenmesi. alkil

■<

RCHNH, halojenürlerin amonyakla etkileştirilmesinden daha iyi bir yöntemdir. Neden?

20.5D

Birincil, İkincil ve Üçüncül Aminlerin Nitril, Oksim ve Amitlerin İndirgenmesi ile Eldesi

Nitriller, oksimler ve amitler aminlere indirgenebilirler. Nitril ve oksimlerin indirgen mesi birincil aminleri, amitlerin indirgenmesi, amidin yapısına göre birincil, ikincil veya üçüncül aminleri verebilir.

P r o b l e m 20.6

962


z II u 1

İSİ*

Nitriller, alkil lıalojenürler ve CN~ lerden (Altbölüm 18.3) ya da aldehit ve ketonlardan sivanuhidrinler olarak elde edilebilirler | (Altbölüm 16.9).

4

RCH,NH2 1° Amin

Nitril

R C H =N O H

İSİ*

Oksimler, aldehit ve ketonlardan elde edilebilirler (Altbölüm 16.8A).

4

RCH,NH2 1° Amin

Oksim

0 ûC

1 z1 =u 1

|

1

[H]> RCH,N— R' R"

R"

4 1

Amitler; asit klorürler, asit anhidritler ve esterlerden elde edilebilirler (Altbölüm 18.8).

3° Amin

Amit

(Son örnekte R' = R" = H ise ürün birincil amin: yalnızca R' = H ise ürün 2° amindir.) Bütün bu indirgemeler hidrojen ve bir katalizörle ya da L iA lH 4 ile yapılabilir. Ok simler alkol içerisinde sodyumla da elverişli şekilde indirgenirler. Bazı örnekler şunlardır:

(%50-60) Ranev Ni

CH,C = N + 2 H ,------i---- ►

CH,CHAH,

140 C

2-Feniletanamin

2-Feniletannitril (fenilasetonitril)

(%71)

O EnO

N— CCH3 + LİA1H,

(2) H,0

►

— n c h 2c h 3 \v _ y /

CH3

ch3

A-Etil- A-metilanilin

A-Metilasetanilit

Bir amidin indirgenmesi, bir aminin monoalkillenmesinde son adımdır. İşlem, ger çekte, bir aminin bir acil klorür ya da asil anhidrit ile açillenmesi ile başlar, elde edilen amit, sonra lityum alüminyumhidrür ile indirgenir. Örneğin:

O CH.C’OCI

II

(D LİAIH4, Et,O

CrH
2

Benzilamin

P ro b l e m 20.7

2

baz

6 5

2

3 (2) H ,0

►C.H.CH,NHCH,CH, 6 3

2

3

Benziletilamin

>• Aşağıdaki dönüşümleri bir amit, oksim ya da nitrillerin indirgenmesinden yararla narak nasıl gerçekleştirebilirsiniz? (a) Benzoik a sit----► benziletilamin (b) 1-Bromopentan ----► heksilamin (c) Propanoik a s it----► tripropilamin (d) Bütanon ----- ► seÂ:-bütilamin


20.5E Birincil Aminlerin Hofmann ve Curtius Çevrilmeleri ile Eldesi Azot üzerinde sübstitüent taşımayan amitler, sodyum hidroksit çözeltisi içerisinde klor ya da bromla tepkimeye girerek. Hofmann çevrilmesi ya da Hofmann küçültmesi olarak bilinen bir tepkime üzerinden aminleri verilir: O R — C — NH2 + Br, + 4 NaOH

RNH2 + 2 NaBr + N a ^ O j + 2 H 20

Bu tepkimeyi incelediğimizde, amidin karbonil karbon atomunu (C 032‘ olarak) yi tirdiğini yine amidin R grubunun amin azotuna bağlandığım görürüz. Bu yol ile elde edilen birincil aminler 2° ve 3° amin safsızlıklarım içermezler. Bu ilginç tepkimenin mekanizması aşağıdaki şemada görülmektedir. Amit, ilk iki basamakla, baz etkisiyle, ketonların AltbölLim 17.38‘de incelediğimiz bazik halojenlenmesine benzer şekilde bromlanır. [Amidin elektron çekici acil grubu, amit hidrojenleri ni amininkilerine göre çok daha asidik yapar.] Sonra, N-bıomo amit, hidroksit iyonu ile tepkimeye girer ve bir anyon oluşturur. Bu anyon da bir bromür iyonu kaybederek bir izosiyanata (Altböliim 18.10A) çevrilir. Bu çevrilmede, R-grubunun elektronları ile bir likte açil karbonundan azot atomuna göçmesi ile bromür iyonunun ayrılması eşzaman lıdır. Tepkime karışımında oluşan izosiyanat, sulu baz çözeltisi tarafından hemen karbamat iyonuna hidroliz edilir. Karbamat iyonu da kendiliğinden karbon dioksit kay beder ve amini verir.

963

964


: O :\ H I[¿¡sC-i J“i . U r l

►R —NH2 + C 0 2 + OH'

U' Karbamat iyonu

| Amin

=OH I •• R — NT

Hcor

•• O :'

İzosivanat hidroliz olur ve karbon dioksit kaybederek amini verir.

Bu mekanizmanın ilk iki basamağını incelerseniz, tepkimenin gerçekleşebilmesi için başlangıçta amidin azot üzerinde iki hidrojen taşıması gerektiğini görürsünüz. Sonuç olarak, Hofmann çevrilmesini ancak RCONH 2 yapısındaki amitler verir. S te r e o m e r k e z i k a r b o n il g r u b u n a d o ğ r u d a n b a ğ lı o p t ik ç e a k t i f a m it le r in H o fm a n n ç e v r ilm e s in in in c e le n m e s i, b u t e p k im e d e

konfigürasyonun konulduğunu g ö s t e r m iş t ir . fakat devrilme olmaksızın g ö ç e r.

B u n a g ö re R g r u b u a z o ta , e le k t r o n la r ı Ue b ir li k t e ,

Curtius çevrilmesi, acil azürlerin verdiği bir çevrilmedir. Hofmann çevrilmesinde ol duğu gibi, Curtius çevrilmesinde de R— grubunun açil karbonundan azota göçmesiyle, ayrılan grubun ayrılması eşzamanlıdır. Ancak, burada ayrılan grup N2!dir (N2 oldukça kararlı olması, gerçekten bazik olmayan ve bir gaz halinde kendiliğinden uzaklaşması nedeniyle bütün ayrılan grupların en iyisidir). Açil azürler, açil klorürlerin sodyum aziir ile tepkimesinden kolayca elde edilebilirler. Açil azüıün ısıtılmasıyla çevrilme gerçek leşir ve izosiyanat oluşur. Ortama suyun ilave edilmesi izosiyanatin hidroliz olmasına ve dekarboksilasyonuna yol açar. •'O'NaN, ( —NaCl)

Açil klorür

P r o b l e m 20.8

/Cjfğ R ^ - N

R —N = C = 0 : - N

Açil azür

R—NH, + CO,

: İzoziyanat

Amin

>■ Aşağıdaki dönüşümleri, her biri için farklı ve en iyi yöntemi kullanarak gerçekleş tiriniz:

20.6 Aminlerin Tepkimeleri

2 0 .6 A M İ N L E R İ N T E P K İ M E L E R İ Aminlerin bazı önemli tepkimeleri ile daha önceki kısımlarda karşılaştık. Birincil, ikin cil ve üçüncül aminlerin baz olarak davrandıklarını Altbölüm 20.3’te gördük. Altböliim 20.5’te alkilleme tepkimelerinde ve Bölüm 18'de açiileme tepkimelerinde nükleofil ol duklarını belirttik. Bölüm 15'te ise amino grubunun güçlü bir etkinleştirici ve orto-pa ra yönlendirici grup olduğunu anlattık. Aminlerin bütün bu tepkimeleri verebilmesi, kısacası amin kimyasının temeli; azo tun, üzerindeki elektron çiftini başka atomlarla ortaklaşabilme özelliğine dayanır. A sit-Baz Tepkimeleri

\ fAl \ + —N =+ H— A « = * — N —H + : A" Amin bir baz olarak davranır. Alkilleme

V N—CH,R + Br / Amin, alkilleme tepkimelerinde bir nükleofildir.

—N =+ R— CH2— Br

Aciileme

YfH Cl Amin, açilleme tepkimelerinde bir nükleofildir. Yukarıdaki tepkimeler aminin bir elektrofile elektron çifti vererek bir nükleofil ola rak davrandığı kimyasal olaylara örnektir. Aşağıdaki örnek ise azotun rezonans ile elekt ron çifti vererek karbon atomlarım nükleofil haline getirmesini gösterir: Elektrofilik Aromatik Yer Değiştirme

Amino grubu aromatik elektrofilik yer değiştirme tepkimelerinde etkinleştirici bir gruptur ve orto-para yönlendiricidir. Önceki kısımlarda verilen amin kimyasını gözden geçiriniz ve yukarıda belirtilen «< tepkimelere örnekler veriniz.

Problem 20.9

965

966


20.6A Aminlerin Yükseltgenmesi Birincil ve ikincil alifatik aminler, çoğu kez yararlı ürünler vermezlerse de yükseltgenebilirler. Sık sık karmaşık yan tepkimeler meydana gelir ve kompleks karışımlar elde edilir. Üçüncül aminler amin oksitlere yiikseltgenebilirler. Bunlara dönüşüm hidrojen pe roksit ya da bir peroksi asit kullanılarak yapılabilir. o R N .

H ,0 , ya da RCOOH ^

R ^ N — Ö :~

Üçüncül amin oksit Üçüncül amin oksitler, Altbölüm 20.13B'de belirtildiği gibi, yararlı ayrılma tepkimele ri verirler. Arilaminler, hava oksijeni dahil, çeşitli yükseltgenlerle çok kolay yükseltgenirler. Yükseltgenme yalnızca amino grubu ile sınırlı değildir, halka da yükseltgenir. (Arnino grubunun elektron verme özelliği halkayı elektronca zenginleştirir ve yükseltgenmeye yatkın duruma getirir.) Aromatik halkada amino grubu bulunduğu zaman, halka üzerin deki diğer grupların yükseltgenmesi gerçekleşmez. Çünkü böyle durumlarda önce hal ka yükseltgenir.

2 0 .7

A

m în le r in

N İt

r ö z

A

sitle

T

e p k îm e le r

İ

Nitröz asit (HONO) zayıf ve kararsız bir asittir. Genellikle, tepkime ortamında, sodyum nitrit (NaN02) ile kuvvetli bir asidin sulu çözeltisinin etkileştinImesinden elde edilir. HCl(aq) + NaN02(aq)----►HONO(aq) + NaCl(aq) H2S0 4 + 2 NaN02(aq)---- ►2 HONO(aq) + Na2S04(aq) Nitröz asit her sınıf aminle tepkime verir. Elde edilecek ürün, aminin birincil, ikin cil ya da üçüncül olmasma bağlı olduğu kadar, aminin alifatik ya da aromatik almasına da bağlıdır.

20.7A Birincil Alifatik Aminlerin Nitröz Asitle Tepkimeleri Birincil alifatik aminler nitröz asit ile, diazolama denilen bir tepkime verirler. Oluşan ürünler çok kararsız alifatik diazonyum tuzlarıdır. Alifatik diazonyum tuzları düşük sı caklıklarda bile hemen bozunurlar ve azot gazı çıkışıyla birlikte karbokatyonlar oluştu rurlar. Bu karbokatyonlar proton yitirerek alkenleri, H20 ile tepkiyerek alkolleri ve X ile tepkiyerek alkil halojenürleri verirler. Genel Tepkime

R— NH2 + NaN0 2 + 2 HX 1° Alifatik amin

[r - ç-N = N : X~]

+ NaX + 2 H,0

Alifatik diazonyum tuzları (çok kararsız) |- N

2

(yani,:N = N :)

R+ + X-

Alkenler, alkoller, alkil halojenürler

20.7 Aminlerin Nitröz Asitle Tepkimeleri

967

Alifatik birincil aminlerin diazolanmasının sentezlerde fazla bir önemi yoktıır. Çün kü karmaşık bir ürünler karışımı verirler. Bununla birlikte, açığa çıkan azot kantitatiftir ve bu nedenle, alifatik birincil aminlerin diazolanması analitik amaçlarla kullanılabilir. Ayrıca, bu yolla karbokatyonlar üretilip, suda, asetik asitte ve başka çözücülerdeki dav ranışları incelenebilir. 20.7B Birincil Arilaminlerin Nitröz Asitle Tepkimeleri Aminlerin nitröz asitle verdiği en önemli tepkime birincil arilaminlerde olanıdır. Bunun nedenini Altbölüm 20.8’de göreceğiz. Birincil arilaminler nitröz asitlerle tepkimeye gi rerek arendiazonyum tuzlarım verirler. Arendiazonyum tuzları da çok kararlı olmamakla birlikte, alifatik diazonyum tuzlarına göre çok daha kararlıdırlar. Tepkime karışımının sı caklığı 5° (Tun altında tutulduğunda, çözelti içerisinde belirli bir süre kararlı kalabilirler. Ar— NH, + NaNO, + 2 HX Birincil arilamin

-* A r— N=N= X +N aX + 2 H ,0 Arendiazonyum tuzu (5°C,un altında kararlı)

Bir birincil aminin diazolanması bir dizi basamakla gerçekleşir. Nitröz asit, güçlü bir asit etkisiyle +NO iyonlarına dönüşür. Bu iyonlar aminin azot atomuyla tepkimeye girer ve bir ara ürün olarak kararsız (V-nitrozoamonyum iyonunu verir. Bu ara ürün de bir proton kaybeder ve /V-nitrozoamine dönüşür. Sonra, /V-nitrozoamin, keto-enol tautomerleşmesine benzer şekilde diazohidroksite tautomerleşir. Diazohidıoksit de asit varlığında bir su molekülü kaybederek diazonyum iyonunu oluşturur.

Birincil arilaminler aril diazonyum iyonları üze rinden aril halojenürlere, nitrillere ve fenollere dönüşebilirler (Altbölüm 20 . 8 ).

Tepkime için Bir Mekanizma D iazolam a HONO + H30 + + A :_ < = * H20 ^ - N 0 + H20 « = * 2 H20 + N = 0 H I

••

Ar— N : + +N = 0

S'l , ••

V r3*

H A-Nitrozoamonyum iyonu

H 1° Arilamin (ya da alkilamin) .......................

—H,0^

► Ar— N— N = 0 ---- -----► Ar— N— N = 0 ,

-H A

••

H ^ H —A A-Nitrozoamin

••

+H A

••

Ar— N - r - N = 0 + < » Ar— N = N — OH < ►Ar— N = N — OH,+ «=► in T +H A -H A ' H Diazohidroksit H , -A + .. ± AAr— N = N : ◄ —►Ar— N = N + H20 ıtl

W

Diazonyum iyonu

Birincil arilaminlerin diazolama tepkimeleri oldukça önemlidir. Çünkü diazonyum grubıı (—N = N :) diğer fonksiyonel gruplarla yer değiştirebilir. Bu tepkimeleri Altbölüm 2 0 .8 ’de inceleyeceğiz.

a

ımyası

N -N itrozoam inler

i V -Nitrozoaminler çok güçlü karsinojenlerdir. Bir çok yiyecekte, özellikle sodyum nitrit katılarak korunan pişirilmiş etlerde bulunabilir. Etlere ve et ürünlerine, Clostridium botilimım'un (botulinus zehirini üreten bakteri) üremesini ve kırmızı etin kahverengiye dönüşmesini önlemek için çoğu kez sodyum nitrit katılır. (Botulinus zehirinden ileri ge len gıda zehirlenmesi çoğu kez öldürücüdür.) Sodyum nitrit, asit ya da ısı etkisinde, et te her zaman var olan aminlerle /V-nitrozoamin verir. Örneğin, pişmiş domuz pastmnasınm N-nitrozodimetilamin ve (V-nitrozopirolidin içerdiği görülmüştür. Yiyecek lerdeki nitrifier aminlerle, midedeki asitin etkisiyle de tepkimeye girerek nitrozaminler oluşturabilirler. 1976'da. kızarmış ette izin verilen nitrit miktarı 200 ppm'den 50-150 ppm’e düşürülmüştür. Nitritler (ve bakteriler tarafından nitritlere dünüştüriilebiler nit ratlar) birçok gıdada doğal olarak da bulunurlar. Sigara dumanının N-nitrozodimetilamin içerdiği bilinmektedir. Günde bir paket sigara içen kişi yaklaşık 0,8 /V-nitrozodimeıilamin solumaktadır ve sigara içilen yerlerde bulunanlar için bu daha da fazladır.

20.7C İkincil Aminlerin Nitröz Asitle Tepkimeleri İkincil alkil ve aril aminlerin her ikisi de nitröz asitle etkileşerek /V-nitrozoaminleri ve rirler. (V-Nitrozoaminler tepkime karışımından genellikle sarı yağımsı bir sıvı olarak ayrılırlar. Özel Örnekler

(CH3)2NH Dimetilamin

A-Metilanilin

+ HC1 + NaNO,

(HONO) „ H 0

►

,^ t ,

s

(CH3),N— M= 0 AT-Nitrozodimetilamin (sarı renkli yağ)

A-Nitrozo-A-metilanilin (% 87-93) (sarı renkli yağ)

20.7D Üçüncül Aminlerin Nitröz Asitle Tepkimeleri Üçüncül alifatik aminler nitröz asit ile karıştırıldığında; üçüncül amin, bu aminin tuzu ve A-nitrozoamonyum bileşiği arasında bir denge meydana gelir. 2 R3N: + HX + NaNO;-S=*-R?NH X + R,N— N = 0 X ' Üçüncül alifatik Amin tuzu A'-Nitrozoanıonyunı amin bileşiği N-Nitrozoamonyum bileşikleri düşük sıcaklıklarda kararlı olmakla birlikte, yüksek sıcaklıklarda ve sulu asit çözeltilerinde bozunarak aldehit ve ketonları verirler. Ancak bu tepkimenin sentezlerde fazla önemi yoktur. 968

20.8 Arendiazonyum Tuzlarının Yer Değiştirme Tepkimeleri

Üçüncül arilaminler nitröz asitle tepkiyerek C-nilrozo aromatik bileşikleri verirler. Para konumu boş ise nitrozo grubu hemen tümüyle oraya bağlanır, eğer değilse orto ko numuna yönelir. Bu tepkime (Problem 20.1CTa bakınız) elektrofilik aromatik yer değiş tirmenin başka bir örneğidir. Özel Örnek

p-Nitrozo-A.A'-dimetilanilin (%80 -90)

yVjV-Dimetilanilinin para-nitrozolanmasının (C-nitrozolanması), NO iyonlarının < elektrofilik atağı ile yürüdüğüne inanılmaktadır, (a) NaN0 2 ve HC1 'nin sulu çözel tisinde NO iyonlarmtn nasıl meydana geldiğini gösteriniz, (b) A.jV-Dimetilanilinin /?-nitrozolanma mekanizmasını yazınız, (c) Üçüncül aromatik aminler ve fenoller Cnitrozolanma verirler. Oysa diğer benzen türevleri vermezler. Bu farkı nasıl açık larsınız.

2 0 .8

A R EN D İA ZO N YU M TU Z LA R IN IN Y er D EĞ İŞ TİR M E TEPKİM ELER İ

Diazonyum tuzları aromatik bileşiklerin sentezi için çok kullanışlı ara ürünlerdir. Çün kü, diazonyum grubu — F, —C l, — Br, — I, —CN, — OH ve — H dahil, pek çok atom ve grupla yer değiştirebilir. Diazonyum tuzları hemen her zaman aromatik birincil aminlerin diazolanması ile elde edilirler. Birincil arilaminler ise, doğrudan nitrolama tepkimeleri ile elde edilen nilro bileşiklerinin indirgenmesiyle sentezlenebilirler. 20.8A Diazonyum Tuzlarının Kullanımını İçeren Sentezler Arendiazonyum tuzlarının çoğu 5 - 10°C'un üzerinde kararsızdırlar ve kurutuldukların da patlarlar. îyi ki, çoğu diazonyum tuzu, izole edilmeden yer değiştirme tepkimeleri verebilir. Karışıma CuCI. CuBr, KI, vb. gibi ıeaktifler ilave etmek ve hafifçe ısıtmak yeterlidir. Bu arada yer değiştirme tepkimesi gerçekleşir ve azot gazı açığa çıkar. Cu20 , Cu2+, H : 0

y f

f i

------- ► Ar— CuCI

CuB r

Ar— NH:

HONO 0 -5 °C

Ar— N, Arendiazonyum tuzu

CuCN Kİ (D

OH

Ar— Cl Ar— Br Ar— CN Ar— I

h bf4

(2) ısı H jPO ,. H ,0

Ar— F * Ar— H

P ro b l e m 20.10

969

970


Yalnızca —F ile yer değiştirmede diazonyum tuzunu izole etmemiz gerekir. Bunun için karışıma HBF4 ekleriz ve az çözünen, nispeten kararlı arendiazonyum floroborat, ArN2+ BF4-, çökeleğini elde ederiz.

20.8B Sandmeyer Tepkimesi: Diazonyum Grubunun — C l , — Br ve — C N ile Yer Değiştirmesi Arendiazonyum tuzları bakır(I) klorür, bakır(I) bromür ve bakır(I) siyanür ile tepkime ye girerek, sıra ile. —C l. —Br ve — CN ile diazonyum grubunun yer değiştirmiş oldu ğu ürünleri verirler. Bu tepkimeler genellikle Sandmeyer tepkimeleri olarak bilinir. Aşağıda bunlara çeşitli örnekler verilmiştir. Bu yer değiştirmelerin mekanizmaları tam olarak anlaşılmış değildir, ama iyonlar üzerinden değil, radikaller üzerinden yürüdük leri sanılmaktadır.

+ N,

+ N, Cl //z-Kloroanilin NO, T

NH, '

ÖJ

HCl. NaNO,

Cl

Cl /«-Bromoklorobenzen (toplam %70)

NO,

NO,

f C Y

n2

'» O

cr

/C N CuCN 90-100 C

H.O (oda sıcaklığı)

o-Nitroanilin

O

+ N,

o-Nitrobenzonitril (toplam %65)

20.8C — I ile Yer Değiştirme Arendiazonyum tuzları potasyum iyodürle tepkimeye sokulduklarında, diazonyum gru bu — I ile yer değiştirir. ;?-îyodonitrobenzenin sentezi buna bir örnektir:

NO,

Ç) NH, /z-Nitroanilin

NO, H2S()4, NaNO, __ f / ^ Y l

h ,o

0 -5 °C

*

LL JJ

N,+ HS04"

NO, KJ

► 6| I /z-İyodonitrobenzen (toplam %81)

20.8 Arendiazonyum Tuzlarının Yer Değiştirme Tepkimeleri

20.8D — F ile Yer Değiştirme Diazonyum tuzu floroborik asit (HBF4) ile tepkimeye sokulursa, diazo grubu — F ile yer değiştirir. Önce, çöken diazonyum floroborat izole edilir, kurutulur ve bozununcaya kadar ısıtılır. Sonuçta bir aril florür elde edilir.

(1) HONO. H+ ^

+ N2 + BF,

(2) HBF4

m-Toluidin

/n-Toluendiazonyum floroborat (%79)

(%69)

20.8E — O H ile Yer Değiştirme Aşırı miktarda bakır(II) nitrat içeren seyreltik diazonyum çözeltisine bakır(I) oksit ilave edildiğinde diazonyum grubu yerine hidroksil grubu geçer:

n 2+ h s c v

p-Toluendiazonyum hidrojen sülfat

Cu2Q

OH

CuJ+, HvO

p-Krezol (%93)

Sandmeyer tepkimesinin değişik bir şekli olan bu tepkime (Pittsburg Üniversitesi’nden T. Cohen tarafından geliştirilmiştir), fenolün eldesinde eski bir yöntem olan diazonyum tuzunun derişik asit çözeltisinde ısıtılmasından çok daha basit ve güvenlidir.

Yukarıda diazonyum tepkimelerine verdiğimiz örneklerde sentezlere (a)-(e) bile- -< şiklerinden başladık. Aşağıda verilen bileşikleri benzenden çıkarak nasıl sentezler siniz? (a) w-Nitroanilin (c) m-Bromoanilin (e) p-Nitroanilin (b) m-Kloroanilin (d) o-Nitroanilin

20.8F Hidrojenle Yer Değiştirme: Diazolamayla Am in Çıkarılması Arendiazonyum tuzları hipofosforöz asit (H3P02) ile tepkimeye girerek, diazonyum gru bu yerine — H’nin geçtiği ürünler verirler. Diazonyum tuzlarını sentezlemek için genellikle, önce aromatik bileşikleri nitroladığımıza göre, — N 02 yerine — NH2 üzerinden — H geçirmemiz biraz anlamsız gibi görünse de, bu yararlı bir tepkime olabilir. İkinci grubu halka üzerinde istediğimiz ko numa yönlendirmek için, halkaya önce bir amino grubu bağlamamız (nitro üzerinden) gerekebilir. Sonra, bu amino grubunu diazolayıp H3P 0 2 ile etkileştirerek uzaklaştırabi liriz. Bu işleme am in çıkarılm ası (deam inasyon ) adı verilir.

P ro b l e m 20.11

971

972


w-Bromotoluenin sentezinde amin çıkarılmasının ne kadar kullanışlı olduğu aşağı daki örnekte açıkça görülmektedir.

«ı-Bromotoluen (2-broıtıo-4-metilanilinden %85) Tolııenin doğrudan bromlanması ya da bromobenzenin Friedel-Crafts alkillemesi mbromotoluen vermez. Çünkü her iki durumda da o- ve />bromotoIuenler oluşur. (Hem CH3— . hem d e — Br orto-para yönlendiricidirler.) Oysa, tolııenin nitrolanması. para izo merinin ayrılması ve nitro grubunun indirgenmesi ile elde edeceğimiz p-toluidin, yu karıdaki tepkime dizisi üzerinden, yüksek verimle, m-bromotoluen verir. Birinci basamakta /V-asetil-p-toluidin hazırlamamızın nedeni, amino grubunun etkinliğini azalt mak içindir. (Aksi durumda, her iki orto konumu da bromlanabilir.) Daha sonra, asetil grubu hidroliz ile uzaklaştırılır.

P ro b l e m 2 0 . 12

3,5-Dibromotoluen elde etmek için yukarıdaki tepkime dizisinde nasıl bir değişik lik yapardınız?

P ro b l e m 20.13

>■ (a) m-Toluidinden çıkarak yapılan m-florotoluenin sentezini Altböliim 20.8D'de gör dük. w-Toluidini toluenden çıkarak nasıl sentezlersiniz? (b) /n-Klorotolueni nasıl sentezlersiniz? (c) w-Bromotolueni? (d) m-İyodotolueni? (e) m-Tolunitrili (mCH 3 C 6H 4 CN)? (f) m-Toluik asiti?

P ro bl em 2 0 . 14

>■ 1,2.3-Tribromobenzeni, /?-nitroanilinden |Problem 20.11 (e)] çıkarak nasıl sentezleyebilirsiniz?

2 0 .9

A r e n d ia z y o TEPKİM ELER İ

n y u m

T

u z l a r in in

K

e n etlen m e

Arendiazonyum iyonları zayıf elektrofilleıdir. Bunlar ancak fenoller ve üçüncül arilaminler gibi oldukça etkin aromatik bileşiklerle tepkimeye girebilirler ve azo bileşikleri verirler. Bu elektrofilik aromatik yer değiştirme tepkimesine çoğu kez di azo kenetlen me tepkimesi adı verilir.

20.9 Arendiazyonyum Tuzlarının Kenetlenme Tepkimeleri

Genel Tepkime X“

Bir azo bileşiği Özel Örnekler 0°C

OH

NaOH

HıO

Benzendiazonyum klorür

p-(Fenilazo)fenol (portakal renginde katı

Fenol O

N(CH , ) 2 Benzendiazonyum klorür

¿V,A-Dimetilanilin

A',/V-Dimetil-/Mfenilazo)anilin (sarı renkli katı)

Arendiazonyum katyonları ile fenoller arasındaki kenetlenme tepkimeleri en hızlı ha f i f bazik çözeltilerde gerçekleşir. Bu koşullarda fenolün büyük bir kısmı fenoksit iyo nu, ArO , halinde bulunur. Fenoksit iyonu elektrofilik yer değiştirme tepkimelerinde fenolün kendisinden daha etkindir. (Niçin?) Eğer çözelti çok bazik (pH > 10) olursa, arendiazonyum tuzunun kendisi hidroksit iyonu ile etkileşir ve etkinliği nispeten az olan diazohidroksit ya da diazotat iyonuna dönüşür:

: OH

: Ö :_

Fenol (yavaş kenetlenir)

Fenoksit iyonu (hızlı kenetlenir)

ö

+

Ar— N=N= <

Arendiazonyum

OH* ^ HA

••

••

- Ar— N = N — OH «

Diazohidroksit (kenetlenmez)

OH* HA

.......................

» Aı— N = N — 0=' Diazotat iyonu (kenetlenmez)

Arendiazonyum katyonları ile aminler arasındaki kenetlenmeler hafif asidik (pH = 5 - 7 ) çözeltilerde en hızlıdır. Bu koşullarda arendiazonyum katyonunun derişimi en yüksektir ve aynı zamanda, aminin etkin olmayan aminyum tuzuna çevrilmemiş kısmı en fazladır:

973

974


Amin (kenetlenir)

Aminyum tuzu (kenetlenmez)

Eğer çözeltinin pH’sı 5 ’ten küçük olursa aminin kenetlenme hızı daha yavaştır. Fenol ve anilin türevlerinde kenetlenme para konumu açıksa, hemen tümüyle para konumunda meydana gelir. Para konumu kapalıysa kenetlenme orto konumunda ger çekleşir.

4-Metilfenol ( /j-krezol)

4-Metil-2-(fenilazo)fenol

Azo bileşikleri genellikle parlak renkli bileşiklerdir. Çünkü iki aromatik halka azo (diazendiil), — N = N — , grubuyla birbirine bağlanmış ve bu nedenle konjugasyon art mıştır. 77 elektronlarının delokalizasyonu arttığı için. ışığın soğuıulması görünür bölge de meydana gelir. Azo bileşikleri, parlak renklerinden dolayı ve nispeten ucuz çıkış maddelerinden sentezlenebildiklerinden, boya olarak çok sık kullanılırlar. A zo b o ya la n çoğu kez, boyanın suda çözünebilmesi için ve liflerin (pamuk, yün, naylon gibi) polar yüzeylerine tutunabilmelerini sağlamak için bir ya da daha fazla — S 0 3 Na+grupları içerirler. Böyle boyaların çoğu naftilaminlerin ve naftollerin kenet lenme tepkimeleriyle elde edilirler. Orange II adlı boya 1876'da 2-naftolden elde edilmiştir.

Orange II

P ro bl em 2 0 . 15

>■

Orange H’nin 2-naftol ve /7-aminobenzensülfonik asitten sentezini gösteriniz.

P ro b l e m 20.16

>• Tereyağ sarısı, bir zamanlar margarinleri renklendirmek amacıyla kullanılmış bir boyadır. Kanserojen olduğu sanıldığından, artık gıdalara katılması yasaklanmıştır. Tereyağ sarısını, benzen ve AjV-dimetilanilinden çıkarak sentezleyiniz.

20.10 Aminlerin Siilfonil Klorürle Tepkimeleri

Tereyağ sarısı Azo bileşikleri. kalay(IT) klorür dahil, çeşitli indirgenlerle aminlere indirgenebilir- -< ler. , SnCl->

,

Ar— N = N — Ar ------> ArNH2 + Ar NH2

Bu indirgenme, aşağıdaki örnekte görüldüğü gibi, sentezlerde yararlı olabilir: 4-Etoksianilin

(l)H O N O H ,C T

NaOH, CH,CH,Br

_

SnCl2

( J ) j—QH ►A (C14HuN20 2)------------1--------►B (C 16H 18N:0 2)------ ► _

asetik anhidrit

_

.

iki eşdeğer mol C (CsHnNO)-------------- ► fenasetin

_

(C|()H|3N 02)

Fenasetin ve A, B, C ara ürünlerinin yapılarını yazınız. (Eskiden yatıştırıcı olarak kul lanılan fenasetin. Problem 18.35'in de konusudur.)

2 0 .1 0

A M İN L E R İN S Ü L F O N İL K LO R Ü R LE TEPKİM ELERİ

Birincil ve ikincil aminler sülfonil klorürlerle tepkimeye girerek sülfonamitleri verirler. H

O

H

O

R— N— H + Cl— SII — Ar “--HCl — ►R— N— S — Ar MCI " || II 0 1° Amin Sülfonil klorür R O II 1 R — N — H + Cl — S — Ar 0 2° Amin

O A-Sübstitüe sülfonamit R O 1 II ----- ►R — N— s — Ar

--HCl

O A.A-Disübstitüe sülfonamit

Sülfonamitler sulu asitle ısıtıldıklarında aminlere hidrolizlenirler: R O O 1 II II (1) H .O + .ısı ►R — N — H + -O — S— Ar R — \ —s — Ar --------------(2) O H ' II O 0 R 1

Fakat bu hidroliz karboksamitlerin hidrolizinden çok daha yavaştır. 20.I0A Hinsberg Testi Sülfonamit oluşumu. Hinsberg testi denilen, ve bir aminin birincil, ikincil ya da üçün cül mü olduğunu anlamak için kullanılan bir kimyasal deneyin temelini oluşturur. Hins berg testi iki basamak içerir. Önce, az miktarda amin ve benzensülfonil klorür karışımı

P ro bl em 2 0 . 17

975

976


aşırı potasyum hidroksit ile çalkalanır. İkinci olarak, tepkimenin tamamlanması için bir süre beklendikten sonra, karışım asitlendirilir. Testin bu her iki basamağında da amin ler birincil, ikincil ya da üçüncül olmalarına göre, gözle görülebilen farklı belirtiler gös terirler. Birincil aminler benzenslilfonil klorürle tepkimeye girerek /V-sübstitiie benzensülfonamitleri verirler. Meydana gelen sülfonamit, aşırı potasyum hidroksitle hemen bir asitbaz tepkimesine girer ve suda çöziinebilen potasyum tuzunu oluşturur. (Bu tepkimeler meydana gelir, çünkü azota bağlı hidrojen, güçlü elektron çekici — SO :— grubu nede niyle asitik hale gelmiştir.) Bu basamakta deney tüpündeki çözelti berraktır. Çözelti son raki basamakta asitlendirildiğinde meydana gelen /V-sübstitüe sülfonamit suda çözünmeyeceğinden çökecektir. Asidik hidrojen OH~ (-HC1)

> O

1° Amin KOH

O Suda çözünmez (çökelek)

o Suda çözünebilen tuz (berrak çözelti)

İkincil aminler sulu potasyum hidroksit çözeltisindeki benzensülfonil klorürle tep kimeye girerek suda çözünmeyen ve birinci basamak sonrası çökelek oluşturan N,N-disübstitüe sülfonamitleri verirler. /V,/V-Disübstitüe sülfonamitler, asidik hidrojenleri bulunmadığından, sulu potasyum hidroksit çözeltisinde çözünmezler. Karışım asitlendirildiği zaman da gözle görülebilen bir değişiklik olmaz. AUV-Disübstitüe sülfonamit çökelek halinde kalır, yeni bir çökelek meydana gelmez. R'

O

O

R' O

O suda çözünmez (çökelek)

Amin bir üçüncül aminse ve suda çözünmüyorsa, sulu potasyum hidroksit ve benzen sülfonil klorürle karıştırıp çalkalandığında hiç bir değişiklik gözlenmez. Karışım asitlen dirildiğinde, üçüncül amin, suda çözünebilen bir tuz oluşturarak suda çözünür.

P ro bl em 20.18

>■ Bir A amininin molekül formülü C 7 H9 N ‘dir. Bu amin sulu potasyum hidroksit içe risinde benzensülfonil klorür ile çalkalandığında berrak bir çözelti oluşur. Çözelti asitlendirilirse bir çökelek meydana gelir. A, NaN 0 2 ve HC1 ile 0 - 5°C'da tepki-

20.11 Sülfa İlaçlan: Sülfanilamit meye sokulur ve sonra 2-naftol ile etkileştirilirse belirgin renkli bir bileşik oluşur. A bi leşiğinin İR spektrumu 815 cm 1 de şiddetli bir band verir. A mn yapısı nedir? Birincil aminlerin siilfonamitleri sr//’ ikincil aminlerin sentezinde sıklıkla kullanılır. «< Bu sentezin nasıl yapıldığını gösteriniz.

2 0 .1 1 20.11

S Ü L F A İLAÇLARI: S Ü L F A N İL A M İT A Kemoterapi

Kemoterapi, enfeksiyona uğramış hücrelerin, kimyasal maddeler kullanılarak, sahibine zarar vermeksizin yok edilmesi diye tanımlanır. İnanmak çok zor olsa da (“mükemmel ilaçların” bu çağında) kemoterapi nispeten modem bir olgudur. 1900'den önce yalnız ca üç özel ilaç biliniyordu. Bunlar frengi tedavisinde kullanılan, ama çoğu kez zararlı etkileri olan civa, sıtma tedavisinde kullanılan kınakına ağacı kabuğu ve dizanteri teda visinde kullanılan ipecacuanha (bir Güney Amerika bitkisi) idi. Çağdaş kemoterapi, yirminci yüzyılın başlarında Paul Ehrlich'in 1907'de tripan kır mızısı I adı verilen bir boyanın deneysel olarak, trypanosomiasise (trypanosoma bakte rilerinin oluşturduğu bir hastalık) ve 1909’da şalvarsan adlı ticari ilacın frengiye (Özel Konu G) karşı iyileştirici etkisini keşfiyle başlamıştır. Ehrlich 1908'de tıp alanında No bel Ödülü kazanmıştır. Ehrlich “kemoterapi” adını kendisi vermiş ve bulaşıcı mikroor ganizmaları yok eden, ama insana zarar vermeyen kimyasalları, hedefine ulaşan “sihirli mermiler” diye adlandırmıştır. Ehrlich tıp öğrenciliği sırasında bazı boyaların kimi dokuları seçici olarak boyadık larını farketmiştir. Bu “ boyamanın” doku ile boya arasındaki kimyasal bir tepkimeden ileri gelmesi gerektiği düşüncesinden hareket eden Ehrlich, mikroorganizmaların da se çici boyandığını görmüştür. Bunun üzerine, yalnızca mikroorganizmaları öldürecek bi çimde değişikliğe uğratılabilen bir boya bulabileceğini ummuştur.

20.1 IB Sülfo İlaçlan Ehrlich ve diğerleri “ sihirli mermiyi” bulabilmek amacıyla, 1909 - 1935 yılları arasın da, boyalar dahil onbinlerce kimyasal maddeyi denemişlerdir. Ancak çok az bileşiğin ümit vereci etkiler gösterdiğini gözlemişlerdir. 1935'e geldiklerinde şaşırtıcı bir olayla karşılaşmışlardır: Bir Alman boya üreticisinin yanında çalışan bir doktorun, Gerhhard Domagk’ın kızı bir iğne batması sonucu streptokoka dayalı bir enfeksiyona yakalanmış tır. Domagk, kızı ölmek üzereyken ağızdan prontosil denen boyayı vermeyi düşünmüş tür. Prontesil, Domagk'ın firması (I. G. Farbenindustrie) tarafından geliştirilmiş ve streptokokların çoğalmasını önlemesi fareler üzerinde denenmişti. Kısa bir zaman son ra küçük kız iyileşti. Domagk'ın oynadığı kumar sadece küçük kızının hayatını kurtar makla kalmadı, çağdaş kamoterapide yeni ve olağanüstü yararlı bir kapı açtı. G. Domagk 1939 tıp Nobel Ödülünü kazandı, ama 1947'ye kadar alması mümkün olmadı. Bu olaydan bir yıl sonra, 1936'da, Paristeki Pasteur Enstitüsünden Ernest Fourne au bu boyanın insan vücudunda parçalanarak sülfanilamit verdiğini ve streptokok üze rinde etkili olan asıl maddenin bu sülfanilamit olduğunu kanıtladı.

O Prontosil

O Sülfanilamit

P ro b l e m 2 0 . 19

977

978


Fourneau’nıın bu buluşunu yayınlaması üzerine, daha etkili kemoterapi ilaçları bul mak amacıyla sülfanilamit benzeri başka bileşiklerle ilgili yoğun bir araştırma başladı. Sülfanilamit iskeleti içeren binlerce bileşik sentezlendi. Sülfanilamitin hayal edilebile cek her türlü türevi hazırlandı ve denendi. Ancak, en iyi sonuç — S 0 2 NH 2 grubunun bir hidrojeni yerine başka grupların, özellikle heterosiklik halkaların (aşağıdaki mavi yapı lar) geçirildiği bileşiklerle elde edildi. Bunlardan en başarılı türevler aşağıda verilmiş tir. Sülfonilamitin kendisi genel kullanım için çok fazla zehirlidir.

Sülfametoksazol O II

O II

NHt

s o 2n h c c h 3

Sülfatiyazol

Süksinilsülfatiyazol

Sülfasetamit

Sülfapiridinin 1938’de, zatiirreye karşı etkili olduğu görüldü. (O tarihten önce zatürre salgınından ölenlerin sayısı onbinleri buluyordu.) Sülfasetamit, üriner yolların enfeksiyonunda, 1941’de başarıyla kullanılan ilk ilaçtır. 1942'den itibaren süksinilsül fatiyazol ve benzeri bir bileşik olan ftalilsülfatiyazol bağırsak enfeksiyonlarına karşı kul lanılmıştır. (Her iki bileşik vucutta yavaşça sülfatiyazole hidroliz olur.) Sülfatiyazol II. Dünya Savaşında sayısız yaralı askerin yaşamını kurtarmıştır. 194’ta D. D. Woods, sülfa ilaçların ne yaptıklarını anlamayı sağlayan ilk araştırma ları gerçekleştirmiştir. Woods, bazı mikroorganizmaların çoğalmalarının sülfanilamit ta rafından önlenmesinin /?-aminobenzoik asit üzerinden olduğunu gözlemiştir. Woods, bu iki bileşiğin yapısal benzerliğine dikkat etmiş (Şekil 20.4) ve bazı gerekli metabolik iş lemlerde birbirleri ile yarıştığı sonucuna varmıştır.

20.1 IC Gerekli Gıdalar ve Antimetabolitler Bütün hayvanlar ve pek çok mikroorganizma bazı temel (gerekli) organik bileşiklerin biyosentezini yapamazlar. Bu gerekli gıdalara, vitaminler, bazı amiııo asitler, doymamış karboksilik asitler, purinler ve pirimidinler dahildir. Aromatik amin p-aminobenzoik asit, sülfanilamit terapisine duyarlı olan bakteriler için temel bir gıdadır. Bu bakterilerdeki

20.11 Siilfa İlaçlan: Sülfanilamit H

\

/

H

H<

\

N

N

/

Şekil 20.4 p-Aminobenzoik asit ve bir sülfanilamitin yapı benzerliği. [Korolko vas, A. Essantials of Molecular Pharmaco logy; Wiley: New York, 1970; s. 105’ten izin alınarak kullanılmıştır.]

H <—

o=s=o RNH

t _____ t

2,4 Â

2,3 Â

p-Aminobenzoik asit

Bir sülfanilamit

enzimler fo lik asit olarak adlandırılan diğer bir temel bileşiği sentezlemek için p-aminobenzoik asiti kullanırlar.

p-Aminobenzoik asit kalıntısı O y

y

979

yCH2CH2COH

C — N— C

İ"H Ô H Folik asit Mikropların çoğalmasını önleyen kimyasallara a n tim etaholitler denir. Sülfanilamitler, p-aminobenzoik asite ihtiyaç duyan bakterilerin antimetabolitleridir. Sülfanilamitler folik asit sentezi yapan bakterilerin enzimatik basamaklarını durdururlar. Bakteri enzimleri, bir sülfanilamit molekülü ile bir p-aminobenzoik asit molekülünü ayırt ede mezler. Böylece, sülfanilamit, bakteri enzimini iş göremez hale getirir. Ortamda sülfa nilamit varsa mikroorganizma folik asit sentezleyemez ve ölür. İnsanlar folik asiti p-aminobenzoik asitten sentezlemeyip gıdalarla dışarıdan aldığından (folik asit bir vita mindir), sülfanilamit tedavisi insanları etkilemez. Sülfanilamitin etki mekanizmasının keşfi, birçok yeni ve etkin antimetabolitin geliş tirilmesini sağladı. Bazı kanser tümörlerinin tedavisinde kullanılan ve bir folik asit tü revi olan metotreksat bunlara bir örnektir:

Metotreksat Metotreksat, folik asite benzediğinden folik asitin girdiği aynı tepkimelere girebilir, ama özellikle hücre bölünmesi gibi önemli tepkimelerde folik asitin görevini yerine ge tiremez. Metotreksat bütün canlı hücrelere karşı zehirli olmakla birlikte çok hızlı bölü nen hücreler (kanser hücreleri) bu bileşiğin etkisine daha fazla maruz kalırlar.

980


20.1 İD Sülfa İlaçların Sentezi Sülfanilamitler aşağıdaki tepkime dizileri yardımıyla anilinden sentezlenebilirler.

O II NHCCH,

NH, f

l

ıcH^ ()

2 HOSO.CI

» ı f y

80°C

(—CH jC 0 2H)

(—H,0 ) Anilin (D

Hı.N— R (-H C 1)

S 0 2CI p-Asetamidobenzensülfonil klorür (3)

Asetanilit (

O

2)

4

Bir sülfanilamit (5)

Anilinin asetillenmesi asetaniliti (2) verir. Böylece, amino grubu bundan sonraki tep kimelerde korunmuş olur. 2'nin klorosiilfonik asit ile etkileştirilmesi bir elektıofilik aro matik yer değiştirme tepkimesi üzerinden p-asetamidobenzensiilfonil klorürü (3) verir. Bunun da amonyak ya da bir birincil aminle etkileştirilmesinden diamit (4) elde edilir (hem karboksilik asit, hem de sülfonik asidin amidi). 4’ün seyreltik hidroklorik asitle gerisoğutucu altında kaynatılması seçimli olarak karboksamit bağlantısını hidrolizler ve bir sülfanilamit oluşturur. (Karboksamitler sülfanamitlerden çok daha hızlı hidroliz olur lar.)

P ro b l e m 20.20

>• (a) Anilinden ve 2-aminotiyazoldeıı çıkarak sülfotiyazol sentezleyiniz. (b) Siilfatiyazolü süksinilsülfatiyazole nasıl dönüştürebilirsiniz?

2-Aminotiyazol

A Bu araçları, aminleri karakterize etmek için kaydediniz.

20. I 2

AM İN LER İN A N A L İZ İ

20.I2A Kimyasal Analiz Aminler bazlıklarma ve dolayısıyla seyreltik sulu asitte çözünmelerine göre karakteri ze edilirler (Altbölüm 20.3A). Bilinmeyen bir bileşikte amin fonksiyonel grubunun var lığı nemli pH kağıdı ile denenebilir. Eğer bileşik bir aminse pH kağıdı bir bazın varlığını

20.12 Aminlerin Analizi 100

birincil N—H (asim, ve sim. gerilme)

o

4000

3600

3200

N -H (sallanma) C -H Cs=C (düzlem-dışı (düzlem-dışı eğilme) eğilme)

C —C (halka gerilmesi), N—H (eğilme) 2800

2400

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

Dalga boyu (cm'1)

Şekil 20.5 4-Metilanilinin çözümlenmiş İR spektrumu.

gösterir. Sonra, bilinmeyen amin İR spektroskopisi ile birincil, ikincil ya da üçüncül olarak kolayca sınıflandırılabilir (aşağıya bakınız). Bir aminin birincil, ikincil ya da üçün cül amin olduğu Hinsberg testi (Altbölüm 20.10A) ile de anlaşılabilir. Birincil aroma tik aminler çoğu kez, diazolanır ve sonra 2 -naftol ile kenetlenerek parlak renkli azo boyası vermesi sağlanarak belirlenir (Altbölüm 20.9). 20.12B Spektroskopik Analiz

İnfrared Spektrumları Birinci ve ikincil aminler 3300 - 3555 cm -1 asit bölgesin de N— H gerilme titreşimlerinden ileri gelen İR soğurma badları ile ayırt edilebilirler. Birincil aminler bu bölgede iki band verirler (Şekil 20.5); ikincil aminler ise aynı böl gede genellikle tek bir banda sahiptirler. Üçüncül aminler N — H grubu taşımadıkların dan bu bölgede soğurma yapmazlar. Alifatik aminlerin C— N gerilme titreşimlerinden ileri gelen soğurma bandları 1 0 2 0 - 1 2 2 0 cm 1 bölgesindedir, fakat bu bandlar genellik le zayıftırlar ve farkedilmeleri zordur. Aromatik aminler genellikle 1250-1360 cm 1 böl gesinde şiddetli bir C —N gerilme bandı verirler. Şekil 20.5'te 4-metilanilinin çözümlenmiş ÎR spektrumu görülmektedir. !H NMR Spektrumları Birincil ve ikincil aminler 8 0.5-5 bölgesinde N—H pro ton sinyalleri verirler. Bu sinyaller genellikle geniştir ve bunların gerçek konumları çö zücüye. numunenin saflığına, derişime ve sıcaklığa bağlıdır. N— H protonları proton değişimi nedeniyle, komşu protonlarla çoğu kez eşleşmezler. Yukarıdaki nedenlerden dolayı, amin protonlarını belirlemek zordur. En iyi belirleme yolu, protonları saymak ya da numuneye az miktarda D20 eklemektir. D20 eklendiğinde amin porotonları yeri ne döteryumlar geçer ve oluşan N—D grubu ’H NMR’ye duyarsız olduğundan amin sin yali kaybolur. Alifatik aminlerin a karbonunda bulunan protonlar, azotun elektron çekme etkisi ne deniyle perdelenmezler ve 8 2,2-2,9 bölgesinde soğuma yaparlar. jÖ-Karbonundaki pro tonlarsa daha fazla perdelendikleri için 8 1,0- 1,7 aralığında soğururlar.

600

400

981

982


8

7

6

5

4

3

2

1

0

8,.| (ppm)

Şekil 20.6 Diizopropilanıinin 300 MHz 'H NMR spektrumu. Yaklaşık 5 0,7’deki geniş NH pikinin integraline dikkat ediniz. Dikey genişletme ölçekli değildir.

Şekil 20.6. diizopropilanıinin çözümlenmiş 'H NMR spektrumunu göstermektedir.

,3C N M R Spektrumları

Bir alifatik aminin a karbonu, elektronegatif azot tarafın dan perdelenmez, soğurması düşük alana kayar. Bu kayma, alkolün a karbonu kadar ol maz, çünkü azot oksijen kadar elektronegatif değildir. Düşük alana kayma f3 karbonunda daha azdır ve zincir boyunca, amin azotundan uzaklaştıkça düşük alana kayma azalır. Bu durum pentilamin karbonlarının kimyasal kaymalarında açıkça görülmektedir: h 3c

S

— c h 2— c h 2— c h 2— c h 2— n h 2

14,3

23,0

29,7

34,0

42,5

13C NMR kimyasal kaymaları

Aminlerin Kütle Spektrumları

Bir aminin kütle spektrumunda gözlenen moleküler iyonun kütlesi tek sayılıdır (ancak, azot çift ise kütle çift sayılı olur). Moleküler iyon piki, aromatik ve halkalı aminlerde genellikle şiddetli, açık zincirli alifatik aminlerde zayıftır. Alifatik aminlerin a ve [5 karbonları arasından parçalanması sık karşılaşılan bir durumdur.

2 0 .1 3

A

m o n y u m

B İl e ş ik

l e r İn

İ İç e r

en

A

y r ilm a la r

20.I3A Hofmann Ayrılması Daha önce anlattığımız bütün Hofmann ayrılmalarında çıkış maddeleri nötr bileşikler di. Oysa, pozitif yük taşıyan substratlarda olan ayrılmalar da bilinmektedir. Böyle ay rılmaların en önemlilerinden biri, kuaterner amonyum hidroksit ısıtıldığı zaman meydana gelen E2 tipi ayrılmadır. Ürünler bir alken, su ve bir üçüncül amindir.

2 0 .1 3

A m o n y u m B il e ş ik le r i n i İ ç e r e n A y r ı l m a l a r

HO=- H

+ ----- ►

\

/

hy 1

/ c—cx

alken

Kuaterner ammonyum hidroksit

+

HOH

+

nr3

+

su

+

üçüncül amin

Bu tepkime 1851 ’de Augııst W. von Hofmann tarafından keşfedilmiş ve onun adını al mıştır. Kuaterner amonyum hidroksitler kuaterner amonyum halojenürlerin sulu çözeltileri ne gümüş oksit eklenerek ya da bir iyon değiştirme reçinesi yardımıyla elde edilebilirler. 2 RCH2CH2N(CH3) 3 X + Ag20 + H20 ----► 2 RCH2CH2N(CH3)3 OH" + 2 AgX i

Kuaterner amonyum holejenür

Kuaterner amonyum hidroksit

Gümüş halojenür çöker ve süzülerek uzaklaştırılabilir. Sonra, suyun buharlaştın imasıy la kuaterner amonyum hidroksit elde edilebilir. Nötr çıkış maddesi kullanılarak gerçekleştirilen çoğu aynlmalar Z a itsev kuralını iz ledikleri halde (AltböUim 7.6A), yüklü çıkış maddelerinin ayrılma tepkimeleri H ofm ann kuralı denen ve başlıca ürünün en az sübstitüe olm uş alken olduğu yolu izler. Aşağıda verilen örnekleri karşılaştırarak bu davranışı görebiliriz. C,H,0~Na+ + CH3CTRCHCH,

C H OH

'

►

'I

Br CH3CH =CH CH 3 + CH3CH2C H = C H 2 + NaBr + C 2H5OH (% 7 5 )

CH3CH2ÇHCH3 OH-

(% 2 5 )

(% 95)

► CH3CH =CH CH 3 + CH3CH2C H = C H 2 + (CH,)3N : + h 2o (% 5 )

N(CH,),

CH3CH7CHCH3 OC 7H5 — ► CH3CH =CH CH 3 + CH3CH2C H = C H , + (CH3)2S + C.HÔH

'U

.

,%261

,%741

Bu farklılığın mekanizmaya dayanan nedenleri oldukça karmaşıktır ve henüz tam ola rak anlaşılamamıştır. Olası bir açıklaması, yüklü çıkış maddelerinin verdiği ayrılma tepkimelerinde geçiş durumlarının önemli ölçüde karbanyonik karakterde olmasıdır. Bu yüzden, bu geçiş durumları son ürün alkene çok az benzer ve meydana gelmekte olan ikili bağ, geçiş durumu kararlılığını fazla etkilemez. HÖ-5-" h

-

H Ö -H

i 1 —c —c — I

i

N(CH3) 3

Karbanyon benzeri geçiş durumu (Hofmann ürünü verir)

"

i l —c —c — I

i

Br6“

Alken benzeri geçiş durumu (Zaitsev ürünü verir)

Yüklü bir substratta baz en asidik hidrojene atak yapar. Birincil hidrojen atomları daha asidiktir. Çünkü bağlandıkları karbon atomu elektron salan yalnızca tek bir gruba bağlıdır.

983

984


20.I3B Cope Ayrılması Üçüncül aminlerin oksitleri ısıtıldıklarında bir alken ve bir dialkilhidroksilamin verir ler. Bu tepkimeye Cope ayrılması denir.

RCTRCHUN— CH, -------►RCH =C H , 150°C ■ 'I

+

ch3

: N— CH, I CH3

A,A'-Dimetilhidroksilamin

Bir alken

Bir üçüncül amin oksit

Cope ayrılması bir sin ayrılmadır ve halkalı bir geçiş durumu üzerinden yürür: . . / CH3

-►R — C H = C H , +

R— CH— CH,

H— O

H

CH,

. / N\ CH, Üçüncül amin oksitler bir üçüncül aminin hidrojen peroksitle etkileştirilmesinden ko layca elde edilebilirler (Altbölüm 20.6 A). Cope ayrılması sentezlerde kullanışlıdır. Metilensikloheksan aşağıdaki gibi sentezlenebilir. CH2 + (CH3)2NOH

(%98)

A m in le r in E ld eleri ve T epkim elerinin Ö zeti Aminlerin Gidesi 1. Gabriel sentezi (Altbölüm 20.5A’da tartışılmıştır).

kaynatma

2. Alkilazürlerin indirgenmesiyle (Altbölüm 20.5A'da tartışılmıştır). R — Br

NaN, etanol

Na/alkol veya

R — N = N = N :----------- ► R —NH 2 LîAIH4

Aminlerin Eldeleri ve Tepkimelerinin Özeti 3. Alkil halojenürlerin aminlenmesiyle (Altbölüm 20.5A'da tartışılmıştır).

R— Br + NH,----►RNH,+B r + R,NH, Br~ + R,N4 B r + R4N+ B r jo H ' RNH, + R,NH + R3N + R4N 0H(Ürünlerin bir karışımı oluşur.) (R = bir 1° alkil grubu) 4. Nitroarenlerin indirgenmesiyle (Altbölüm 20.5B‘de tartışılmıştır). H„ katalizör

A r— N O ,------------------------►Ar— NH, veya (1) Fe/HL’I (2) NaOH

NO,

NO,

s \_ /X

C,H=()H

__ 6

NO,

v

NH,

5. İndirgeyerek aminlemeyle (Altbölüm 20.5C’de tartışılmıştır). R' NH,

^ R— CH— NH2

İHI

Amin

R'

R I R

1°

R NH,

[III

O

— ►R— CH — NHR"

2° Amin

R

Aldehit R R NII

ya da keton

►R— CH — N R R

3° Amin

[H ]

6. Nitriller, oksimler ve amitlerin indirgenmesiyle (Altbölüm 20.5D’de tanışılmıştır). (1) İ.İA IH ,, Et,O

1° Amin

R — C = N -----------►R - C H - N - H (2) H,o

H /O H PT II R

NH, Na/etanol

R'

1° Amin

-► R — CH — R'

O /C \ d) LiAUL,Et,0 .. R N — H — ---------— 1 ►R— CH,— N— H I

(2) H,()

1 ° Amin

H

H O 11

r /

^

n _

I

r ,

İ.İAIH^,EuO ^ R _

(2) H,0

c

2 „ A m .n

-

I

H

H o II R/ C ^ N — R' (l) llAIH^ ° -> I

R"

(2) H ,0

R_ CH—N—R' '

I

R"

30

Amin

985

986


7.

Hofmann ve Curtius çevrilmeleri üzerinden (Altböliim 20.5E’de tartışılmıştır). Hofmann Çevrilmesi O II B r„.O H -

R

N—H — ------- ►R— NH, + CO 2" I H

Curtius Çevrilmesi O

R

O

NaN,

C1 (— Naci) ^ R

^

H ,0

n3T-N, ^

r - n= c = o ^

-*

r - nh2 + co2

Aminlerin Tepkimeleri 1. Baz olarak (Altböliim 20.3’te tartışılmıştır). H R— N— R' + H— A ----► R— N— R' A"

I

I

R" R" (R, R', ve/veya R": alkil, H ya da Ar olabilir)

2. 1° Arilaminlerin diazolanması ve diazonyum grubunun yer değiştirme ve kenetlenme tepkimeleri (Altbölüm 20.8 ve 20.9’da tartışılmıştır). Cu20 . Cu2+, H ,ö CuCI

-►Ar— Cl

CuBr

Ar—NH2

HONO

.

+

» Ar— N,

c

-> Ar— Br

CuCN

■> Ar— CN

ki

(D

-* Aı— 1 hbf4

-► A r— F

(2) ısı H ,P (),, H:0

N,2 G = 3.

■> Ar— OH

+ Aı— H

N= N

NR, va da OH

Sülfonamitlere dönüştürme (Altbölüm 20.10’da tartışılmıştır). H 1

R— N — H

H (1) Ar-S02CI, OH (2) HC1

O

'

-> R— N— S — Ar O

R' I

r

R' O ArSO,Cl,OH-

_

JT

H

— n — h ------ 1---------- ►R — N— S — Ar O

Anahtar Terimler ve Kavramlar 4. Amitlere dönüştürme (Altböliim 18.8 ’de tartışılmıştır). H

9

H

Iı

e—cı „

I1 I ! ıı

r

11

O

R— N— H — -----►R— N— C— R" + CI" baz H

9

H

O

O

I ( R " c I II R — N — H --------—►R— N— C — R" + R"— C— OH O R' R' O I I R"C — CI * R — N— C — R" + ClR— N — H baz 5. Hofmann ve Cope ayrılmaları (Altbölüm 20.13’te tartışılmıştır). Hofmann Ayrılması

H I

I

+

,sı

\

/

— c— c— NR3OH------ ►/ c = c x + H:0 + NR,

Cope Ayrılması

oI H +N(CH,b I I “ —c —c —

(sin ayrılma)

\ / ► ,C = C + (CH,)2NOH /

\

i A n a h t a r T e r i m l e r ve K a v r a m l a r : 1° Aminler 2° Aminler 3° Aminler Arilam inler Heterohalkalı am inler Aminlerin bazlığı Aminyuııı tuzları Yarm a reaktifi olarak am inler K uaterner amonyum tuzlan İndirgeyerek aminleme Diazonyum tuzları A^-Nitrozominler Sülfonam itler Sülfo ilaçları

Altbölüm 20.1 Altbölüm 20.1 Altbölüm 20.1 Altbölüm 20.1A Altbölüm 20.1 B Altbölüm 20.3 Altbölüm 20.3C Altbölüm 20.3F Altbölümler 20.2B ve 20.3C Altbölüm 20.5C Altbölümler 20.7A, 20.7B, 20.8 ve 20.9 Altbölüm 20.7C Altbölüm 20.10 Altbölüm 20.11

987

988


Ek P ro blem ler

20.21

Aşağıdaki bileşiklerin yapı formüllerini yapınız: (k) Dimetilaminyum kloriir (a) Benzilmetilarnin (b) Triizopropilamin (l) 2-Metilimidazol (m) 3-Amino-l-propanol (c) A-Etil-A-metilanilin (n) Tetrapropilamonyum kloriir (d) m-Toluidin (o) Pirolidin (e) 2-Metilpirol ( p ) A.A-Dimetil-p-toluidin (f) A-Etilpiperidin (q) 4-Metoksianilin (g) A-Etilpiridinyum bıomür (r) Tetrametilamonyum hidroksit (h) 3-Piridinkarboksilik asit (s) />Anıinobenzoik asit (i) İndol (t) A-Metilanilin (j) Asetanilit

20.22

Aşağıdaki bileşiklerin yaygın adlarını veya sistematik adlarını yazınız: (a) CH3CH2CH2NH2 (m) (b) C6H5NHCH3 (g) (c) ( c h 3)2c h n (CH3)3 r +C1 ( h ) C6H5CH2NH3 (d) o-C H ,Q H 4NH2 H (e) «-CH 3OC6H 4 NH 2 (i) C6H5N(CH2CH2CH3)2 Ü) c 6h 5s o 2n h 2 (k) c h ,n h 3+c h ,c o ; (n) (f) (D h o c h ;c h 2c h 2n h 2 CH, H Aşağıdaki bileşiklerin her birinden benzilamini nasıl sentezlersiniz? (a) Benzonitril (d) Benzil tosihıt (g)Fenilasetamit fb) Benzamit (e) Benzaldehit (c) Benzil bromür (f) Fenilnitrometan (iki yol)

20.23

20.24

Aşağıdaki bileşiklerin her birinden anilini sentezleyiniz. (a) Benzen (b) Bromobenzen (c) Benzamit

20.25

Aşağıdaki bileşikleri bütil alkolden çıkarak sentezleyiniz. (a) Biitilamin (2° ve 3° amin içermeyecek) (c) Propilamin (b) Pentilamin (d) Bütilmetilamin

20.26

Anilini aşağıdaki bileşiklerin her birine nasıl dönüştürürsünüz? (Problemin önceki şıklarında elde ettiğinizi yeniden elde etmenize gerek yoktur.) (i) İyodobenzen (a) Asetanilit (j) Benzonitril (b) /V-Fenilftalimit (k) Benzoik asit (c) /ı-Nitroanilin (l) Fenol (d) Siilfanilamit (e) A,A-Dimetilanilin (m) Benzen (n) /?-(Fenilazo)fenol (f) Florobenzen (o) A,/V-Dimetil-/?-(fenilazo)anilin (g) Klorobenzen (h) Bromobenzen

20.27

Aşağıdaki aminlerin herbiri sulu sodyum nitrit ve hidroklorik asitle tepkim eye girdiğinde hangi ürünlerin oluşmasını beklersiniz? (a) Propilamin (c) A-Propilanilin (e) /?-Propilanilin (b) Dipropilamin (d) A.A-Dipropilanilin

Yıldızla işaretlenm iş problem ler “çözülm esi daha zor olan problem leridir.

Ek Problemler

20.28

(a) Bir önceki problemde verilen aminlerin her biri benzensülfonil klorür ve sulu potusyum hidroksitin aşırısıyla tepkimeye girerse hangi ürünler oluşur? (b) Her bir tepkimede neler gözlemeyi beklersiniz? (c) Tepkime sonunda çözeltiye ya da karışıma asit eklerseniz neler gözlersiniz?

20.29

(a) Piperidinin sulu sodyum nitrit ve hidroklorik asitle tepkimesinden hangi ürün oluşur? (b) Piperidinin benzensülfonil klorür ve sulu potasyum hidroksitin aşırısıyla vereceği ürün nedir?

20.30

Aşağıdaki tepkimelerin ürünlerini yazınız: (a) Etilamin + benzoil k lo rü r---- ► (b) Metilamin + asetik anhidrit---- ► (c) Metilamin T süksinik anhidrit — ► İSİ

(d)

(c) mn ürünü — ► (e) Pirolidin + ftalik anhidrit---- ► (f ) Pirol + asetik anhidrit---- ► (g) Anilin + propanoil klorür---- ► ( h ) Tetraetilammonyum hidroksit -1M►

(i)

m-Dinitıobenzen

-+- H2S

NH,

c~_[

(j) p-Toluidin + Br2 (aşırı) H Q»

20.31

Aşağıdaki bileşikleri benzen ya da toluenden çıkarak, diazonyum tuzları üze rinden sentezleyiniz. (Problemin önceki basamaklarında elde ettiğiniz bir bi leşiği yeniden sentezlemenize gerek yoktur.) (a) />Florotoluen (p) CHy Br (b) ö-İyodotolueo (c) /j-Krozol CN (d) w-Diklorobenzen CH,

(e) /n-C6 H 4 (CN ) 2 (f) m-İyodofenol (g) ın-Bromobenzonitril (h) 1.3-Dibromo-5-nitrobenzen (i) 3,5-Dibromoanilin (j) 3,4,5-Tribromofenol (k) 3.4,5-Tribromobenzonitril (l) 2.6-Dibromobenzoik asit ( m ) l,3-Dibromo-2-iyodobenzen (n) 4-Bromo-2-nitrotoluen (o) 4-Metil-3-nitrofenol

20.32

Aşağıdaki bileşikleri birbirinden ayırt etmek için basil kimyasal tepkimeler yazınız. (a) Benzilamin ve benzamit (b) Allilamin ve propilamin (c) /;-Toluidin ve A-metilanilin (d) Sikloheksilamin ve piperidin (e) Piridin ve benzen (f) Sikloheksilamin ve anilin (g) Trietilamin ve dietilamin (h) Tripropilaminyum klorür ve tetrapropilamonyum klorür (i) Tetrapropilamonyum klorür ve tetrapropilamonyum hidroksit

989

990


20.33 20.34

Anilin, p-kresol, benzoik asit ve toluen karışımını labaratuvarda kullandığınız basit reaktiflerle nasıl ayırabileceğinizi denklemlerle belirtiniz. + /3-Aminopropiyonik asidi (H^CFFCFFCC^ ) süksinik anhidritten çıkarak nasıl sentezlersiniz? (/3-Aminopropiyonik asit pantotenik asit sentezinde kullanılır; bakınız Problem 18.34.)

20.35

Aşağıdaki bileşiklerin her birini belirtilen bileşiklerden ve başka gerekli reaktiflerden çıkarak nasıl sentezlersiniz? (a) 1,10-Dekandiolden (CH 3 )3 N(CH 2 ) | 0 N(CH3 ) 3 2Br (b) Süksinik asit, 2-bromoetanol ve trimetilaminden başlayarak siiksinilkolin bromür (bkz. bölüm girişi).

20.36

Folik asitin ticari sentezinde aşağıdaki üç bileşik sulu sodyum bikarbonat ile ısıtılır. Folik asit veren bu tepkimeler için uygun mekanizmalar öneriniz. CCkH

Folik asit ( ~ %

20.37

10)

W bileşiği (C 15H | 2 N) benzensülfonil klorür ve sulu potasyum hidroksitle etkileştirildiğinde belirgin bir değişim gözlenmez. Bu karışımın asitlendirilmesi berrak bir çözelti verir. W ,nun 'H NMR spektrumu Şekil 20.7’de görülmektedir. W için bir yapı öneriniz.

Şekil 20.7 W bileşiğinin 300 MHz 'H NMR spektrumu. Problem 20.37. Sinyallerin geniş letilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca gösterilmiştir.

Ek Problemler

Z. CgH j j N

Şekil 20.8 Z bileşiğinin 300 MHz 'H NMR spektrumu, Problem 20.38. Sinyallerin geniş letilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca gösterilmiştir.

20.38

X, Y ve Z nin yapıları nasıldır? X (C7 H7 Br) -Na— -►Y (C«H7N) LlAml+ Z (CSH,,N) X’in 'H NMR spektrumu 8 7,3’te çoklu (5H) ve 8 4,25’te birli (2H) olmak üzere iki sinyal verir. X ’in İR spektrumu 680 - 840 cm aralığında 690 cm 1 ve 770 cm '’de piklere sahiptir. Y ’nin 'H NMR spektrumu X’inkine benzer: 8 7,3’te çoklu (5H). 8 3.7'de (2H) birli (2H). Z'nin 'H NMR spektru mu Şekil 20.8’de görülmektedir.

20.39

Aşağıdaki tepkimeye bu bölümde öğrendiğiniz tepkimelerden yararlanarak bir mekanizma öneriniz?

20.40

R - W bileşiklerinin yapılarını yazınız: /V-Metilpiperidin + CH3I ---- ►R (C 7 H, 6NI)

T (C7H 15N ) - ^ > U (C8H i8NI)

20.41

►S (C7H,7NO)

(C8 H 19N O ) - ^ W (C5h 8) + H20

e

(CH3)3N

A (C | 0 H | 5 N) bileşiği seyreltik H C l’de çözünür İR soğurma spektrumu 3300 - 3500 cm ' 1 bölgesinde iki band verir. A’nın genişband proton-eşleşmesiz UC

991

992


spektrumu Şekil 20.9'da verilmiştir. A'nın yapısı nasıldır? 20.42

B bileşiği A’nın (Problem 20.41) bir izomeridir ve seyreltik HCl'de çözünür. E ’nin İR spektrumunda 3300 - 3500 cm 1 bölgesinde band gözlenmez. B’nin genişband proton-eşleşmesiz I3C spektrumu Şekil 20.9’da verilmiştir. B'nin yapısını yazınız.

20.43

C (C9H,|NO) bileşiği pozitif Tollens testi verir ve seyreltik H C l’de çözünür. İR spektrumu 1695 cm 1 civarında kuvvetli bir band verir, fakat 3300 - 3500 cn r 1 bölgesinde band vermez. Genişband proton-eşleşmesiz l?C NMR spekt rumu Şekil 20.9’da görülmektedir. C için bir yapı öneriniz.

20.44

Organik çıkış maddesi olarak dimetilamin. oksiran ve asetil kloriir kullanarak asetilkolin iyodürü sentezleyiniz. O CH, I H,C—N—CH,—CH,—O' I CH3 I-

CH,

Asetilkolin ivodür

20.45

Etanolamin, HOCH2CH2NH2, ve dietanolamin, (HOCH2CH2)2NH. emiilsifiye edici bir madde oluşturmak ve asidik gazları soğurmak için ticari olarak kul lanılır. Bu iki bileşiği nasıl sentezleyebilirsiniz?

20.46

Dietilpropiyon (aşağıda verilen yapıya bakınız) anoreksiya tedavisinde kullanılan bir bileşiktir. Benzenden çıkarak ve gerekli maddeleri kullanarak dietilpropiyonun sentezini tasarlayınız. O

Dietilpropiyon

20.47

Hofmanıı tepkimesinin bir molekül içi çevrilme olduğunu, yani göçen R grubunun amit grubundan hiçbir zaman tam olarak ayrılmadığını kanıtlayan bir deney tasarlayınız.

20.48

Asya ülkelerinde pirinç tarlalarında yabani ot mücadelesinde kullanılan naproanilitin sentezini propanoik asit, anilin ve 2 -naftolden çıkarak nasıl yapabilirsiniz? O

Naproanilit

220

200

180

160

140

120 100 8C(ppm)

80

60

40

20

0

220

200

180

160

140

120 100 5C(ppm)

80

60

40

20

0

80

60

40

20

CH

220

200

180

160

140

120

100

5C(ppm)

Şekil 20.8 Problem 20.41 - 20.43’teki A, B ve C bileşiklerinin genişband proton-eşleşmesiz UC NMR spektrumları. DEPT 13C NMR spektrumlanndan elde edilen bilgiler her pikin üzerinde verilmiştir.

993

994


*20.49

Fenil izotiyosiyanat, C6H5N = C = S . lityum alüminyum hidriir ile indirgen diğinde oluşan ürünün spektral verileri aşağıdadır; MS (m/z): 107, 106 IR (cm-1): 3330 (keskin), 3050, 2815, 760, 700 *H NMR (5): 2,7 (b). 3,5 (geniş), 6 ,6 (ç), 7,2 (ü) ,3C NMR (5): 30 (CH3), 112 (CH), 117 (CH), 129 (CH), 150 (C) (a) Ürünün yapısı nedir? (b ) 106 m/z pikini veren yapı nasıldır ve nasıl oluşmuştur? (Bir iminyum iyonudur.)

*20.50

/V,/V'-Difenilüre (A) piridin içerisinde tosil klorürle tepkimeye sokulunca B ürünü oluşur. H H

A

B’nin spektral verileri aşağıdadır: MS (m/z): 194 (M:) IR (cm 1): 3060. 2130, 1590, 1490, 760. 700 H NMR (S): yalnız 6,9 - 7,4 (ç) ,3C NMR (5): 122 (CH), 127 (CH), 130 (CH), 149 (C), ve 163 (C)

(a) B’nin yapısı nedir? (b)

B’nin oluşumu için bir mekanizma öneriniz.

* 20.51

Aşağıdaki tepkimenin meydana gelişini açıklayan bir mekanizma öneriniz.

*20.52

Aseton, susuz kalsiyum klorür (bir su çekici madde) içerisinde susuz amon yak ile etkileştirilirse tepkime karışımının organik fazında, kristal bir C ürü nü elde edilir. C ’nin spektral verileri aşağıdadır: MS (m/z): 155 (M.+), 140 IR (cm '): 3350 (keskin), 2850 - 2960, 1705 'H NMR (5): 2,3 (b. 4H), 1,7 (İH; D20 ’da kaybolur) ve 1,2 (b, 12H)

(a) C ’nin yapısı nedir? (b)

C ’nin oluşumu için bir mekanizma öneriniz.


1. Reserpin alkaloitler sınıfından doğal bir üründür (bakınız Özel Konu F). Reserpin, Hint yılan kökü. Rauwolfia serpentinadan izole edilmiştir. Reserpin yüksek tansi yonda, sinirsel ve ruhsal bozukluklarda ilaç olarak kullanılır. Altı stereomerkez içe ren reserpinin sentezi 1955 yılında R. B. Woodward tarafından gerçekleştirilen önemli bir olaydı. Bu sentez, aminler ve ilgili azot taşıyan fonksiyonel gruplar içeren çeşit li bir dizi tepkimeye gerçekleştirilmiştir.

och3

Reserpin

(a) Sayfa 996‘da verilen şemadaki ilk iki basamağın amacı, amit üzerinden, bir ikin cil amin hazırlamaktır. Birinci ve ikinci basamaktan oluşan sırasıyla, A ve B ürün lerinin yapılarını çiziniz. A’nın oluşum mekanizmasını yazınız. (b) Tepkimenin sonraki basamağı, yeni bir halka kapanması ile birlikte, bir üçüncül amin oluşumudur. Amit fonksiyonel grubunun fosfor oksiklorür (POCl3) ile tepkimeye girerek, parantez içindeki ara üründe ayrılan grubun yerine nasıl geçtiğini oklarla belirtiniz. (c) Parantez içindeki ara ürünün verdiği halka kapanması, indol halkaları için karakteristik bir elektrofilik aromatik yer değiştirme tepkimesidir. Yapının indol halkası içeren kısmı neresidir. İndol halkasındaki azot atomunun, konjugasyon yoluyla, komşu karbon atomuna nasıl elektron vererek bunun elektrofile atağını sağladığını gösteren bir mekanizma yazınız. Bu durumda parantezdeki ara ürünün indolii tarafından yapılan atak, bir katılma-ayrılma tepkimesidir ve bir bakıma ayrılan gruplar taşıyan karbonillerle meydana gelen tepkimelere benzer. 2. (a) Bir öğrenciye bilinmeyen iki bileşenli bir karışım veriliyor ve bunları ayırıp teşhis etmesi isteniyor. Bileşiklerden biri bir amin, diğeri nötr bir bileşiktir (hiç bi ri belirgin asit ve baz özelliği göstermiyor). Bilinmeyen amini nötr bileşikten dietil eter ve %5’lik HC1 ve %5'lik NaHC0 3 çözeltilerinden yararlanarak, ekstraksiyon tekniğiyle nasıl ayırabilirsiniz? Karışım dietil eterde tamamen çözünüyor, ama pH 7 olan suda her ikisi de çözünmüyor. Aminin organik gruplarını R ile simgeleyerek, öngördüğünüz asit-baz tepkimelerinin basamaklarını yazınız. İlgilendiğiniz bileşiğin ayırma işlemi sırasında verilen bir zamanda niçin eter fazında ya da sulu fazda ol duğunu açıklayınız. (b) Amin başarıyla izole edilip saflaştırıldıktan sonra, sulu sodyum hidroksit varlığında benzensülfonil klorürle etkileştiriyor. Bu işlemde oluşan çözelti asitlendirildiğinde bir çökelek oluşuyor. Burada yapılan, aminleri sınıflandırmak için kullanılan Hinsberg testidir. Bilinmeyen bileşik hangi amin sınıfındadır? Birincil, ikincil ya da üçüncül? Bu sınıflandırma için kullandığınız tepkimeleri bir genel amin için yazınız. (Sayfa 996’da devam ediyor.)

Ö

ğ renm e

G

PROBLEMLERİ

995

rubu


1

1

/

och3 Reserpin

2. (devamı)

(c) Saflaştırılan bilinmeyen amin İR. NMR ve MS ile analiz ediliyor ve aşağıdaki veri ler elde ediliyor. Bu bilgiler ışığında bilinmeyen aminin yapısı için ne söyleyebilirsi niz? Önerdiğiniz yapının spektral verilere uyduğunu gösteriniz. IR (cm 1): 3360, 3280, 3020, 2962, 1604, 1450, 1368, 1021, 855. 763, 700, 538 *H NMR (5): 1.35 (i, 3H), 1.8 (gb, 2H), 4,1 (d. İH). 7,3 (ç, 5H) MS (m/z): 121, 120. 118, 106 (temel pik), 79, 77, 51. 44, 42, 28, 18, 15

Ö z e l Konu

Heterohalkalı Aminlerin Tepkimeleri ve Sentezleri Heterohalkalı aminlerin pek çok tepkimesi daha önce gördüğümüz aminlerin tep kimelerine benzer.

E.l

H E T E R O H A L K A L I A M İN LERİN B A Z LIĞ I

Aromatik olmayan heterohalkalı aminlerin bazlıkları açık zincirli aminlerin bazlıklarına çok yakındır.*

h 2c

H. / C" \

ch2

H,C■|

h 2c

N I H

CK, '

Piperidin pKb = 2.80

H.C

'N'

CH. I • .CH.

H.C I HoC>

'N'

CH, I ’ .CH.

H

H

Pirolidin pK„ = 2,89

Dietilamin PKh = 3,02

Sulu çözeltilerde piridin, pirimidin ve pirol gibi aromatik heterohalkalı aminler, aro matik olmayan aminlerden ve amonyaktan çok daha zayıf bazlardır. (Ancak, anilin ve pirol gaz fazında amonyaktan daha baziktir. Bu durum bağıl bazlıkta sarılmanın çok önemli olduğunu gösterir, bkz. Altbölüm 20.3)

H Piridin pK„ = 8,77

Pirimidin p ^ = 11,30

Kinolin PK„ = 9,5

Pirol pKh = 13,60

* Altbölüm 20,3’te aminlerin bağıl bazlığını eşlenik asitlerinin p K a değerlerine göre karşılaştırdık. Burada ise bazlığı karşılaştırmak için bir diğer yöntemi, pK b değerlerini kullanacağız, p K u + pK h - 14, buradan p K b = l 4 - p K a.

997

Kinolin

998

Özel Konu E / Heterohalkalı Aminlerin Tepkimeleri ve Sentezleri

E .2 A lkilleme ve A ç îllem e T epkim elerinde N ükleofîller o la r a k H eter o h a lk a li A mînler Pek çok heterohalkalı amin, halkalı olmayan aminlerinkilere çok benzeyen alkilleme ve açîlleme tepkimesi verir. X l— H + RCH2— Br -----►^

=N— CH2R

baz

+

Br"

(V-Alkilpiperidin AVV-Dialkilpiperidinyum bromür Mono- ve dialkillenıe ürünlerinin bir karışımıyla sonuçlanır.

Piperidin

Piridin

/V-Alkilpiridinyunı bromür

O II

\

:N— H + RC— Cl

------ ► baz

(— HCI)

Pirolidin

Pro blem E . l

/V-Açilpirolidiıı (bir amit)

>• Aşağıdaki tepkimelerden hangi ürünlerin oluşmasını beklersiniz? (a) Piperidin + asetik anhidrit ----► (b) Piridin + metil iyodür ----► (c) Pirolidin + ftalik anhidrit ----► (d) Pirolidin + (aşırı) metil iyodür )Mz* (e) (d)’nin ürünü + Ag20 . H20 . sonra ısı ----►

E.3

A R O M A T İK H E T E R O H A L K A L I A M İN LERİN E l e k t r o f İLİk Y er D e ğ î ş t î r m e T e p k İm e l e r İ

Pirol, elektrofilik yer değiştirmeye karşı oldukça duyarlıdır ve yer değiştirme başlıca 2 konumunda olur. Genel Tepkime -

- * 5L O A + N, E

Elektrofıl

H 2-Sübstitüe pirol

V

H Pirol

Özel Örnek l o j

N H

+ C 6H s

n

=

n

X

► 'O

N

H

v

ha

N = N — C 6H.

E.3 Aromatik Heterolıalkalı Aminlerin Elektrofilik Yer Değiştirme Tepkimeleri

Elektrofilik yer değiştirmenin niçin 2 konumunu yeğlediğini, aşağıdaki rezonans ya pıları inceleyerek anlayabiliriz.

P ir o lü n 2 K o n u m u n d a Y e r D e ğ iş tir m e

y Pozitif yük üç atom üzerine dağılmıştır.

H P ir o lü n 3 K o n u m u n d a Y e r D e ğ iş tir m e

C^ E—A

H

H

t

E

H

H

(Bu özellikle daha kararlıdır, çünkü her atomun okteti tam dır.) Pozitif yük yalnızca iki atom üzerine dağılmıştır. |-H A

H Her iki ara ürün de melez yapıya katkı sağlayan nispeten kararlı yapılar olsa da, 2 nolu konuma atak sonucu oluşan ara ürün ek bir rezonans yapıyla kararlı kılınır, ve po zitif yük iki atoma değil üç atoma dağılır. Bunun anlamı, bu ara ürünün daha kararlı ol duğu ve 2 konumuna olan atağın daha küçük serbest aktifleşme enerjisine sahip olduğudur. Piridin elektrofilik yer değiştirmeye karşı benzenden daha az etkindir. Piridin Friedel-Crafts alkilleme ve açillemesini vermez, diazonyum bileşikleri ile kenetlenmez. Piridinin bromlanması gerçekleştirilebilirse de, ancak buhar fazında, 200 °C'da mümkündür ve radikalik mekanizma üzerinden yürüdüğü sanılmaktadır. Nitrolama ve sülfolama da

999

1000

Özel Konu E / Heterohalkah Aminlerin Tepkimeleri ve Sentezleri

şiddetli koşullarda olur. Elektrofilik yer değiştirme, eğer gerçekleşirse, hemen hemen her zaman 3 konumunda meydana gelir.

N 3,5-Dibroıııopiridin (%

26)

Piridinin benzene göre düşük etkinliğini kısmen, azotun karbona göre daha elektro negatif olmasına bağlayabiliriz. Azot, daha elektronegatif olduğundan, elektrofilik yer değiştirmede pozitif yüklü iyonu (bir arenyum iyonuna benzer) oluşturan geçiş halini karakterize eden elektron eksikliğini daha az barındırabilir.

* ON F* Piridin

Azot daha elektronegatif

Arenyum iyonuna benzer(fakat ondan daha az kararlıdır)

Benzen

K arbonun elektronegatifliği daha düşük olduğundan geçiş hali daha düşük enerjilidir

Arenyum iyonu

Piridinin elektrofilik yer değiştirmeye daha az yatkın olmasının ana nedeni, piridi nin bir proton ya da diğer bir elektrofille. başlangıçta, piridinyum iyonuna dönüşmesi olabilir.

O l+ HV (veya E ) H Piridinyum iyonu (pozitif yük nedeniyle tepkimeye yakınlığı çok azdır)

E.3 Aromatik Heterohalkalı Aminlerin Elektrofilik Yer Değiştirme Tepkimeleri

4 Konumuna (veya 2 konumuna) elektrofilik atak, ara ürün melezine katkı sağlayan rezonans yapıların özellikle kararsız olması nedeniyle yeğlenmez.

H

H

H

H

Azotun altı elektronlu olması ve iki pozitif yük taşıması nedeniyle özellikle kararsız

2 Konumuna atak için de benzer rezonans yapıları yazılabilir. Piridinin 3 konumuna atakta oluşan melez yapıya özellikle kararsız ya da özellikle kararlı bir yapı katkıda bulunmaz; sonuç olarak 3 konumuna atak yeğlenir ama yavaş gerçekleşir.

H

H

H

H

Meleze katkıda bulunan özellikle kararsız ya da kararlı bir yapı yok.

Pirimidin, elektrofilik yer değiştirmeye karşı piridinden bile daha az etkindir. (Ni çin?) Eğer elektrofilik yer değiştirme gerçekleşirse, bu. 5 konumunda olur. -t 3

y f Elektrofilik yer değiştirme burada olur

5

.ON . 1

Pirimidin

îmidazol elekrofilik yer değiştirmeye karşı piridin ya da pirimidinden daha fazla fa kat pirolden daha az etkindir. 1 Konumunda siibstitüent taşıyan imidazoller elektrofilik yer değiştirmeyi 4 konumunda verirler.

CH3

ch3 İ-Metil-4-nitroimidazol

İmidazolün kendisi de benzer şekilde elektrofilik yer değiştirme verir. Ancak, tautomerleşme 4 ve 5 konumlarını eşdeğer hale getirir.

H

H 4-(5)-Bronıoimidazol

1001

1002

Özel Konu E / Heterohalkaiı Aminlerin Tepkimeleri ve Sentezleri

Pro blem E . 2

>• Pirol ve imidazolün her ikisi de zayıf bazdır; bunlar, kuvvetli bazlarla tepkimeye girerek anyonlarını verirler.

Pirol anyonu

İmidazol anyonu

(a) Bu anyonlar daha önce gördüğümüz karbosiklik anyona benzerler. Karboksilik anyon nedir? (b) Pirol ve imidazol anyonlarının kararlılıklarından sorumlu olan re zonans yapılarını yazmız.

E . 4 PİRİDİNİN N Ü K L E O F İL İ K Y E R D E Ğ İŞ T İR M E TEPKİM ELERİ Piridin halkası, tepkimelerinde, kuvvetli elektron-çeken bir grup taşıyan benzen halka sına benzer. Piridinin elektrofilik yer değiştirmelere karşı etkinliği nispeten az olmakla birlikte, nükleofilik yer değiştirmelere karşı etkinliği oldukça fazladır. Önceki altbölümde piridin ve benzenin elektrofilik yer değiştirmeye karşı etkinlik lerini karşılaştırdık ve piridinin daha az etkin oluşunu halkadaki azotun elektronegatif liğine bağladık. Çünkü azot karbondan daha elektronegatiftir ve elektrofilik aromatik yer değiştirmede hız belirleyen basamağın geçiş halindeki elektron eksikliğini daha az barındırabilir. Diğer yandan, azotun karbondan daha fazla olan elektronegatifliği. nük leofilik yer değiştirmede, bir aromatik halkada nükleofilin bağlanması ile meydana ge len aşırı negatif yükü kendi üzerinde daha fazla tutabilir. Örneğin, piridin sodyum amit ile tepkimeye girerek 2-aminopiridin verir. Chichibabin tepkimesi denen bu önemli tepkimede amit iyonu (NH2 ) bir hidriir iyonu (H ) ile yer değiştirir.

2-Aminopiridin (% 70-80)

Bu tepkimedeki ara ürüne katkı sağlayan rezonans yapılarım incelersek halkanın azot atomunun negatif yükü nasıl barındırdığını görebiliriz.

Negatif yük elektronegatif azot üzerinde olduğundan nispeten daha kararlı

E.4 Piridinin Nükleofilik Yer Değiştirme Tepkimeleri

Bu basamakta ara ürün bir hidrür iyonu kaybeder ve 2 -aminopiridin haline gelir*.

NH,

+ H;-

Piridin; fenillityurm bütilIityum ve potasyum hidroksitle de benzer nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri verir.

N

N

CH2(CH2)2CH3 2-Bütilpiridin

2-Piridinol (%50) 2 -Kloropiridin

2-Piridon

sodyum metoksitle tepkimeye girer ve 2 -metoksipiridin verir:

NaOCH, (—NaCl)

och3

* Pratikte bunun ardından bir tepkime daha olur: 2-aminopiridin sodyum hidrürle tepkimeye girerek bir sodyo türevi verir ve bu da dengenin sağa kaymasına yardım eder.

Tepkime tamamlandığında tepkime karışımına soğuk suyun ilave edilmesi sodyo türevini 2-aminopiridine dönüştürür.

1003

1004


Pro ble m E . 3

>■ AltböliimE.4’teki, piridinin aminlenmesi için diğer bir mekanizma “piridin” ara ürü nünü içerir, yani.

Bu mekanizma, 3-detöryopiridin ile sodyum amitin tepkimeye sokulduğu bir deneyde engellendi. Her iki mekanizmada döteryumun ne olduğunu gösteriniz ve durumu açık layınız. Pro blem E . 4

>*

2 -Halopiridinler

niikleofilik yer değiştinneye piridinin kendisinden daha kolay uğ rarlar. Buradaki etken nedir?

E . 5 PİRİD İN YU M İY O N L A R IN A N Ü K L E O F İL İK KATILM ALAR Piridiıı iyonları, aşağıdaki rezonans yapılarının katkılarından dolayı, 2 veya 4 konum larında niikleofilik atağa karşı özellikle duyarlıdır. 4

R

+

R

R

R

Örneğin. /V-alkilpiridinyum halojenıirler hidroksit iyonları ile başlıca 2 konumların dan tepkimeye girerler; bu. yalana baz denilen bir katılma ürününün oluşmasına yol açar. K,Fe(CN)„

CH, /V-Metil-2-piridon (% 65-70)

Bu yalancı bazın potasyum ferrisiyoniirle yükseltgenmesi bir N-alkilpiridon verir. Piridinyum iyonlarına niikleofilik katılmalar, özellikle hidriir iyonlarının katılması kimyacıların oldukça ilgisini çekmiştir. Çünkü bu tepkimeler, önemli bir koenzim olan nikotinamit adenin dinükleotitin (NAD'. Altbölüm 14.10) biyolojik indirgenmesine ben zemektedir. Birçok model tepkime bu çalışmalarla ilişkili olarak yapılmıştır. Örneğin A-alkil pi ridinyum iyonu sodyum borhidriir (hidriir iyonu oluşturur) ile etkileştirilmiş, fakat ka tılmanın 2 konumunda meydana geldiği ve buna çoğu kez genellikle daha ileri indirgenmelerin de eşlik ettiği görülmüştür:

E.6 Heterohalkalı Aminlerin Sentezi

Bir 1,2-dihidropiridin

A'-Alkil-

piridinyum

Bir 1,2,3,6-tetrahidropiridin

halojenür

Buna karşılık piridinyum iyonunun bazik sodyum ditiyonit (Na2S 20 4) ile etkileştirilmesi yalnızca 4 konumundan özel bir katılma verir. H

H

N

I x-

R

R Bir 1,4-dihidropiridin

Sodyum ditiyonit sulu bazik çözeltide N A D 1 yı NADH’ye indirger. Ditiyonit indirge mesiyle oluşan NADH'nin biyolojik olarak etkin olduğu ve potasyum ferrisiyonür ile N AD + ya yiikseltgenebildiği görülmüştür.

R

R

NAD+ (R’nin yapısı için Altbölüm 14.10’a bakınız)

NADH

E . 6 H E T E R O H A L K A L I A M İN LERİN S E N T E Z İ Pirollerin sentezi için kullanılan en genel ve yaygın yöntem, bir ct-amino keton veya aamino-jÖ-keto ester ile bir keton ya da keto esteri kondenseleştirmektir. Bu tepkime, Knorr sentezi olarak adlandırılır ve asit ya da bazla katalizlenir. Aşağıda iki örnek verilmiştir:

o O

O

C H 3CCHCO Et nh

o II + c h 3c c h 2n h ,

2

o II

NaOH, 25 C w

c r + CH3 CCH3 ------------- ►

H

1005

1006


Pro blem E . 3

>• Yukarıda henüz verilen sübstitüe pirollerin iki sentezi için uygun birer mekanizma öneriniz. Piridin ve pek çok türevi kömür katranından izole edilir. Kömür katranından elde edilen piridinlerden de yer değiştirme yoluyla pek çok başka piridin türevi sentezlenir. En çok bilinen piridin sentezi Hantzsch sentezidir. Bu yöntemde bir (3-keto ester bir al dehit ve amonyakla bir kondensasyon tepkimesine sokularak dihidropiridin elde edilir. Dihidropiridinin yükseltgenmesi de sübstitüe piridin verir. Örneğin, O

O

O

2 CH3CCH2COEt + NH, + HCH

HNOj, H,SOj

o

O

(% 58-65)

En güzel kinolin sentezi Skraup sentezidir. Bu yöntemde anilin, gliserinle sülfürik asit ve bir yükseltgen beraberinde ısıtılır. Burada, nitrobenzen ve hava dahil değişik yıikseltgenler kullanılmıştır. CH-.OH I + CHOH I CH-.OH Tepkime aşağıdaki basamaklar üzerinden yürür: H

CH-,— CH—CHoOH OH

HA - 2 H,0

-► CHt= C H —

+HA

OH

Birinci basamakta gliserin, bir asit varlığında propenal (akrolein) oluşturmak üzere dehidrate edilir. Daha sonra aniline Michael katılması ve ardından bir asit katalizli halkalanma dihidrokinolin verir. Son olarak, dihidrokinonun yükseltgenmesi kinolini oluşturur.

E.6 Heterohalkalı Aminlerin Sentezi

A - H bileşiklerinin yapılarını yazınız:

Pro ble m E.6

100 c (a) 2,5-Heksandion + (NH4 )2C0 3 ------►A (C6H9N)

Bir pirol

O baz

(b) CH3CCH2NH2 + aseton ----- ► B (C6HgN) A'nın bir izomeri

(c) CH3NHNH2 + (CH30) 2CHCH2CH(0CH3)2

c (C4H6N2) Bir pirazol

(d) 2,5-Heksandion + hidrazin

İS I

D (C6Hı0N2)

O?

—-—► E (C6H8N2)

Bir dihidropiridazin

Bir piridazin

O (e) Anilin + CH,=CHCCH,

ZnCh FeCİ

■>F(CmH0N) Bir kinolin

1

(f)

D

ısı ^ OH

CH(CH2)3NHCH3 — ►— * G (C10H,4N2) Nikotin

(I) KMn04, OH

-------- ►H (C6H5N02) Nikotinik asit

1007

Özel Konu

Alkaloitler

E ry th ro x y lu m coca,

yaprakları yaklaşık %1 kokain içeren bir çalı.

Bitkilerin kabuk, kök yaprak ve meyvelerinin özütlenmesinden çoğu kez, alkaloitler de nilen ve azot içeren bileşikler elde edilir. Bunlara alkaloit denilmesinin nedeni, "baz gi bi” davranan bileşikler olmaları, yani asitlerle tepkimeye girerek çoğu kez suda çözünebilen tuzlar vermeleridir. Alkaloitlerin çoğunda azot atomu heterohalkaların bir üyesidir. Ama az sayıda da olsa, bazı alkaloitlerin azotu birincil amin ya da kuaterner amonyum grubu halinde bulunabilir. Pek çok alkaloit, hayvanlara verildiklerinde belirgin fizyolojik etkiler yapar. Bu et kinin niteliği ve şiddeti alkaloitten alkaloite değişir. Bazı alkaloitler merkezi sinir sis temini uyarır. Bazıları felç eder; bir kısmı kan basıncını arttırırken, bir kısmı düşürür. Alkaloitlerin bazıları ağrı kesici, bazıları yatıştırıcı ödevi görürken, diğerleri bulaşıcı mikroorganizmaları yok eder. Alkaloitlerin pek çoğu yeterli dozda alındıklarında zehir etkisi yapar. Öyle ki, bu doz bazı alkaloitler için çok küçüktür. Zehir özelliklerine kar şın. bir kısım alkaloit tıpta ilaç olarak kullanılır. Alkaloitlerin sistematik adları çok seyrek kullanılır. Kullanılan yaygın adları köken lerine göre verilmiştir. Bunların çoğu çıkarıldıkları bitkinin adından türetilmiştir. Ör neğin. bir alkaloit olan striknin Strycîhnos bitkisinin tohumlarından elde edilir. Bazı alkaloitlere ilginç adlarda verilmiştir: Afyon alkaloidi olan morfinin adı eski Yunan rü ya tanrısı Moıpheus'tan gelir. Tütün alkaloidi nikotin adını, tütün tohumlarını Fran sa’ya ilk getiren eski bir Fransız elçisi Nicot’tan almıştır. Alkaloit adlarının sonunda genellikle -in son eki vardır. Bu ek alkaloitlerin birer amin olduğunu belirtir. Alkaloitler, kimyacıların yüzlerce yıl ilgisini çekmiş ve binlercesi doğal kaynaklardan izole edilmiştir. Pek çoğunun yapıları, kimyasal ve fiziksel yöntemlerle aydınlatılmış, yi ne büyük bir kısmının yapısı laboratuvar sentezleri ile kanıtlanmıştır. Alkaloit kimyası ciltlerce kitabı dolduracak kadar geniştir. Biz burada ancak bir-kaç tanesini göreceğiz.

F.l

PİRİDİN YA DA İN DİRGEN M İŞ PİRİDİN H A L K A S I İÇEREN A L K A L O İ T L E R

Tütün bitkisinin başlıca alkaloiti nikotindir. O

Nikotin

1008

Nikotinik asit

F.l Piridin ya da İndirgenmiş Piridin Halkası İçeren Alkaloitler

Nikotinin çok küçük dozları uyarıcıdır fakat büyük dozları depresyon, bulantı ve kus maya neden olur. Daha büyük dozları öldürücü bir zehirdir. Nikotin tuzları böcek öldü rücü olarak kullanılır. Nikotinin derişik nitrik asitle yükseltgenmesi piridin-3-karboksilik asiti (nikotinik asit) verir. Nikotin alınmasının insana hiçbir yararı olmadığı halde, nikotinik asit bir vi tamindir. Önemli bir koenzim olan ve NAD+(yiikseltgenmiş hali) ile simgelenen nikotinamit, adenin dinükleotitin yapısına girer. Nikotin aşağıdaki tepkime dizisi ile sentezlenmiştir. Buradaki bütün tepkime < basamaklarını daha önce gördük. Harflerle gösterilen reaktifleri belirtiniz.

OH CHCH 2 CH,CH 2 NHCH 3

Br

j£L* H

/CHCH,CH,CH,N — CH.

ıfV

--- 1H

(f)

(±)-nikotin

Bı-

N

Alkaloitlerin bir çoğu, piperidin halkası içerir. Bunlardan bazıları koniin (baldıran zehiri, Conium maculatum, havuç ailesinin bir üyesi. Umbelliferae), atropine (Atropa belladonna ve aynı bitki ailesinin diğer türlerinden, Solanaceae) ve kokaindir (Erythrosylıım coca'dan).

VI/V"CH 2CH,CH3 f H

H

’

‘

’

O Koniin [(-H-2 -propilpiperidin]

Atropin

Pro ble m F. I

1009

1010

Özel Konu F / Alkaloitler

Koniin zehirli bir maddedir. Vücuda alınması halsizliğe, nefes darlığına, bulantıya, yorgunluğa, felce ve ölüme neden olur. Koniin Sokrat’ın ilacında kullanılan baldıran otunun zehirli bileşenlerinden biridir (başka zehirler de olabilir). Kokainin düşük bir dozu uyarıcıdır ve düşünsel aktiviteyi arttırır. İnsan kendini iyi hisseder. Kokain ayrıca bir lokal anestetiktir ve bir zamanlar bu amaçla tıpta kullanıl mıştır. Alışkanlığa yol açtığı anlaşılınca başka lokal anestetiklere yönelinmiştir. Bu amaç la, 1905’te yapısı kokaine benzeyen Novokain (bir adı da prokain) sentezlenmiştir (benzoik esteri ve üçüncül amin grubu içerir). O

Novokain (prokain)

Atropin şiddetli bir zehirdir. Seyreltik çözeltisi (%0,5 - 1,0) göz muayenelerinde göz bebeğini büyültmek için kullanılır. Atropine benzer bileşikler yaygın soğuk algınlığı has talıklarında 1 2 saat düzenli ilaç salan kapsüller halinde kullanılır.

Pro ble m F.2

V Atropa belladonna'nın (güzelavrat otu) başlıca alkaloidi optikçe aktif hyoscyamindir. Hyoscyamin, bitkiden izolasyonu sırasında baz etkisiyle çoğu kez, optikçe ak tif olmayan atropine rasemleşir. (a) Rasemleşmeye uğrayan stereomerkez hangisi olabilir? (b) Hyoscyaminiıı stereomerkezi (S) kanfigürasyonundadır. Bileşiğin üç bo yutlu yapısını yazınız.

Pro blem F.3

>• Atropinin hidrolizi tropin ve (±)-tropik asit verir, (a) Bu bileşiklerin yapılarını ya zınız. (b) Tropin, bir stereomerkeze sahip olmasına karşın optikçe aktif değildir. Açık layınız. (c) Tropin bir bazla ısıtılırsa, bir izomeri olan t/z-tropine dönüşür. (//-Tropin de optikçe aktif değildir. Yapısı nasıldır?

Pro blem F.4

>- 1891 ’de G. Merling, tropini (bakınız Problem F.3), aşağıdaki tepkime dizisi ile 1,3,5sikloheptatriene (tropiliden) dönüştürmüştür. Tropin (CsHı5NO) C9H15N

CH I

►C 10H|SNI

-H ,0

(1) Ag;O /H ,0

(2) ısı

> 1,3,5-sikloheptatrien + (CHö.ıN + H20

Tepkimelerden oluşan ürünleri yazınız.

Pro blem F.5

> Bitkilerde pek çok alkaloit Mannich tepkimesine (Altbölüm 19.10) benzer tepki melerle sentezlenir. Bunun farkedilmesi (1917’de R. Robinson tarafından) “fizyo-

F.2 İzokinolin ya da İndirgenmiş İzokinolin İçeren Alkaloitler

lojik koşullarda”, yani oda sıcaklığı ve nötr pH değerlerinde tropinon sentezinin ya pılmasına yol açmıştır. Bu sentez aşağıda görülmektedir. Tepkime için bir meka nizma öneriniz. O COıH I ,C H CH C^VH 2 \ H ,0 c == 0 -— N—CTC + CH,—NHo + / ,C 25 C k CHt ch2 X C —H Tropinon c o 2h O

F.2

¡Z O K İN O L İN Y A DA İN D İRGEN M İŞ İZO KİN O LİN İÇEREN A L K A L O İT L E R

Papaverin, morfin, ve kodein afyon bitkisinin (Papaver somniferum) kapsüllerinden el de edilen alkaloitlerdir. CH,0CH,0 CH,0CH,0 Morfin (R = H) Kodein (R = CH,)

Papaverin

Papaverin bir izokinolin halkasına sahiptir. Morfin ve kodainde de kısmen hidrojenlenmiş (indirgenmiş) izokinolin halkaları vardır.

İzokinolin

Afyon en eski yazılı tarihten beri kullanılmaktadır. Morfin, afyondan ilk kez 1803’te elde edilmiştir. Bu olay, bir ilacın aktif maddesinin saf olarak izolasyonuna ilk örnek lerden biridir. Ancak, morfinin karmaşık yapısının aydınlatılması ve laboratuvar sente zi (Rochester Üniversitesi’nden Marshall Gates) ile 1952’de kanıtlanmasına kadar yüzyirmi yıl geçmiştir. Morfin, bilinen en etkili ağrı kesicilerden (analjezik) biridir ve tıpta hâlâ ağrı din dirmede kullanılmaktadır. Ama bu bileşik bağımlılık yapmakta ve solunum düzenini boz maktadır. Bu olumsuzluklar, böyle olumsuzluklar taşımayan morfin benzeri bileşikler sentez edilerek giderilmeye çalışılmıştır. Pentazosin, bu bileşiklerin en yenilerinden bi-

1011

1012

Özel Konu F / Alkaloitler

ridir. Pentazosin yüksek etkinliğe sahip, bağımlılık yapmayan bir bileşik olmakla bir likte, ne yazık ki. tıpkı morfin gibi solunumu bozar. ch3

ch3

Pro ble m F.6

>• Papaverin aşağıdaki tepkime dizisi ile sentezlenmiştir.

t 4 '- / 1Q

C20H25NO5

^

► dihidıopapaverin ( ~ H 20 )

IS!

papaverin

C -H ,)

Tepkimeyi yazınız.

Pro ble m F.7

>• Morfin sentezinde önemli adımlardan biri aşağıdaki dönüşümü içerir.

N

Bu basamağın nasıl gerçekleştiğini gösteriniz.

Pro blem F.8

Morfin 2 mol asetik anhidrit ile tepkimeye sokulursa, oldukça bağımlı kılıcı bir nar kotiğe, eroine dönüşür. Eroinin yapısını yazınız.

F.3

İN D O L VE İN D İRGEN M İŞ İN D O L H A L K A L A R I İÇEREN A L K O L O İT L E R

Alkaloitlerin büyük bir kısmı indol halka sistemi içerirler. Bunlar nispeten basit yapılı gram inden oldukça karmaşık yapılı striknin ve reserpine kadar değişir.

F.3 îndol ve İndirgenmiş İndol Halkaları İçeren Alkoloitler

OCH, Reserpin

Gramin. klorofil taşımayan arpa mutantlarından elde edilebilir. Striknin çok acı, ol dukça zehirli bir bileşiktir ve Strychnos macvomica tohumlarından çıkarılır. Sitriknin, merkezi sinir sistemini uyarır ve merkezi sinir sistemi depresyonlarmda (düşük dozda) ilaç olarak kullanılmıştır. Reserpin. yerel tıpta yüzyıllardır kullanılan Hint yılan kökün den (Rauwolfia serpentina) elde edilebilir. Çağdaş tıpta yatıştırıcı ve kan basıncını dü şürmede kullanılmaktadır. Reserpinin sentezi için Bölüm 20’deki Öğrenme Grubu Problemine bakınız.

Gramin; indol. formadehit ve dimetilamin karışımının ısıtılmasıyla sentezlenmiştir. -< (a) Buradaki genel tepkime nedir? (b) Gramin sentezi için uygun bir mekanizma öneriniz.

Pro ble m F.9

1013

G üm üş Kupa Kaliksarenler tıpta, endüstride ve analitik kimyada uygulama alanı bulabilen, kupa şek linde molekül ailesidir. İleride göreceğimiz gibi, kaliksaren adı bunların yapılarını ve özelliklerini çok iyi nitelemektedir. Çünkü kaliks sözcüğü Yunanca kupa sözcüğünden gelmektedir. Yukarıda bir model fotoğrafı ve bir sonraki sayfada formülü verilen 4-terbütilkaliks[4]aren bunlara bir örnektir. 4-/cr-Bütilkaliks[4]aren dört 4-/
1014

4-ter-Bütilkaliks[4]aren

lanmasında denenmişlerdir. Hatta bunlar boya ile karıştırıldıklarında antimikrobiyal aktivite göstermektedirler. Kaliksarenlerin yapısı ve sentezi pek çok bakımdan fenollerin kimyasını içerir. Fenol ler, elektrofilik aromatik yer değiştirmeyi kolayca verirler ve bu, kaliksarenlerin sente zinde bir anahtardır. Fenollerin ve kaliksarenlerin hidroksil grubu, moleküller arası etkileşimlerin (kaliksarenlerin en temel özelliği) de merkezidir. Dahası, fenolik hidrok sil grupları eterler, esterler ve asetaller gibi diğer işlevsel gruplara dönüştürülebilirler. Bu çeşit dönüştürülmeler belirli metal iyonlarının ve diğer konukların bağlanması için uygun kaliksarenler sentezini mümkün kılar. Kaliksarenler, halka büyüklüklerine ve sübstitiientlerine bağlı olarak, civa, sezyum, potasyum, kalsiyum, sodyum, lityum ve kuşku suz gümüş ile kompleksler oluşturabilirler. 21.1

FEN O LLER İN YA PILA RI VE ADLAN D IRILM ALARI

Hidroksil grubunun doğrudan benzen halkasına bağlı olduğu bileşiklere f e n o l l e r denir. Bundan dolayı, f e n o l , hidroksibenzenin özel adı ve hidroksibenzendeıı türemiş bileşik sınıfının da genel adıdır: OH Fenol

H3C 4-MetilfenoI (bir fenol)

Polisiklik (çok halkalı) benzenoit halkasına bağlı bir hidroksil grubuna sahip bileşikler kimyasal olarak fenollere benzerler, fakat n a f t o l l e r ve f e n a n t r o l l e r olarak adlandırılırlar. 7

9-Fenantrol

21.1 F enollerin Y ap ıları ve A d la n d ırılm a la rı

21.2 Doğal O la ra k O luşan Fenoller 21.3 F en o llerin Fiziksel Ö zellikleri 21.4 F enollerin Sentezleri 21.5 A sitler O la ra k F enollerin T ep k im eleri 21.6 F en o llerin O — H G ru b u n u n D iğer T epkim eleri 21.7 Alkil A ril E te rle rin B ölünm esi 21.8 F en o llerd e Benzen H alk asın ın T epkim eleri 21.9 C laisen Ç evrilm esi **’ 2 1 . 1 0 K in o n lar 21.11 A ril H a lo je n ü rle r ve N ükleofilik A ro m atik Y er D eğiştirm e 21.12 F en o ller ve A ril H alo je n ü rle rin S p ek tro sk o p ik A nalizleri

1015

1016

Bölüm 21 / Fenoller ve Aril Halojenürler: Niikleofilik Aromatik Yer Değiştirme

21.1 A Fenollerin Adlandırılması

Bazı fenollerin adlandırılmasını Bölüm I4'te gördük. Birçok bileşikte fenol temel ad dır. C1

OH OH 4-Klorofenol (/7-klorofenol)

2-Nitrofenol (o-nitrofenol)

3-Bromofenol (/«-bromofenol)

Metilfenollere genellikle krezoller denir:

OH 2-Metilfenol (o-krezol)

3-Metilfenol (m-krezol)

4-Metilfenol (p-krezol)

Benzendiollerin de yaygın adları vardır: OH

OH

OH 1,2-Benzendiol (katekol)

1,3-Benzendiol (rezorsinol)

1,4-Benzendiol (hidrokinon)

21.2 D o ğ a l O l a r a k O l u ş a n F e n o l l e r Fenoller ve ilgili bileşikler doğada yaygın olarak bulunurlar. Bir amino asit olan tirosin, proteinlerin yapısında vardır. Metil salisilat, keklik üzümü yağında; ögenol, karan fil yağında ve timol de kekikte bulunur.

Tirosin c h 2c h = c h 2

n Metil salisilat (keklik üzümü yağı)

CH,

OCH,

OH Ögenol (karanfil yağı)

(CH3)2CH Timol (kekik)

Zehirli sarmaşıkta bulunan uruşiyoller köpük yapıcı (kabartıcı) maddelerdir.

21.4 Fenollerin Sentezleri R = — (CH 2 ) wCH3,

OH

—
veya

— (CH 2 )7 C H = C H C H X H = CH( CH 2 )2CH3,

veya

— (CH 2)7 C H = C H C H 2C H = C H C H = C H C H 3 veya Uruşiyoller

— (CH 2 )7 C H = C H C H 2 C H = C H C H 2 C H = C H 2

Estradiol bir dişilik seks hormonu ve tetrasiklinler de önemli antibiyotiklerdir.

(Y = Cl, Z = H; Oreomisin) (Y = H, Z = OH; Terram isin)

21.3

F

en o ller in

FIz

îk sel

Ö

z ellik ler i

Fenol moleküllerinde hidroksil gruplarının bulunması demek, fenollerin de alkoller gi bi (Altbölüm 11.2) güçlü moleküller arası hidrojen bağları yapabilmesi demektir. Bu hidrojen bağları, fenollerin kaynama noktalarının aynı molekül kütlesine sahip hidro karbonların kaynama noktalarından daha yüksek olmasına yol açar. Örneğin, fenol ve toluenin molekül kütleleri aynı olduğu halde, fenolün kaynama noktası (182°C) toluenin kaynama noktasından (110,6°C) 70°C daha yüksektir. Fenoller su molekülleri ile kuvvetli hidrojen bağları yapabilirler ve bu nedenle suda bir miktar çözünebilirler. Çizelge 21.1 'de bazı yaygın fenollerin fiziksel özellikleri ve rilmiştir.

21.4

FEN O LLER İN S EN TEZ LER İ

2I.4A L aboratuvar Sentezleri Fenollerin en önemli laboratuvar sentezi, arendiazonyum tuzlarının hidrolizidir (Altbö lüm 20.8 E). Bu yöntem oldukça uygundur. Diazolama basamağı ve hidroliz basamağı için gerekli koşullar ılımandır. Yani, halkadaki diğer gruplar fazla etkilenmez. G en el Tepkim e

Ar— NH,

HONO

Ar— N,

Cu;0 Cu2~, H:0

A r— OH

Ö zel Ö rnek

NH, Br (l)NaNO,. H,S04 0-5°C > (2) Cu.O, Cır \ H,0

ch3 2-Bromo-4-metilfenol (% 80-92)

1017

K

ımyası

Poliketit Antikanser Antibiyotik Biyosentezi D okso ru b isin (adriamisin olarak da bilinir) fenol fonksiyonel grupları taşıyan, olduk ça etkili bir antikanser ilacıdır. Bu bileşik, Hodgkin hastalığı ve diğer akut lösemilere karşı olduğu kadar yumurtalık, meme, mesane ve akciğer tümörlerini de kapsayan di ğer pek çok kanser türlerine karşı etkilidir. Doksorubisin, antibiyotiklerin antrasiklin ai lesinin bir üyesidir. Ailenin diğer bir üyesi de donomisindir. Bu her iki antibiyotik de Streptomyces bakterileri tarafından poliketit biyosentezi denen bir yolla üretilir.

İzotoplarla etiketlenmiş deneyler göstermiştir ki, domisin, Streptomyces galilaeus'ta aklavinon denen tetrasiklik bir başlangıç bileşiğinden sentezlenmektedir. Aklavinon ise asetattan sentezlenir. S. galilaeus karbon-13 ve oksijen-18 ile etiketlenmiş asetat içe ren bir ortamda çoğaltılırsa, üretilen aklavinon. aşağıda belirtilen konumlarda izotopik etiketlere sahiptir. Oksijen atomlarının, yapının çevresinde bazı yerlerde karbon atom larını birer atlayarak yerleştiklerine ve asetat birimlerinin baş-kuyruk düzeninde bağ landıklarına dikkat ediniz. Bu, tipik bir aromatik poliketit biyosentezidir.

yy • COOCH, ▼O H3C

▼ 'ONa

İzotoplarla etiketlenmiş asetat ®, • = 13C etiketleri ▼ = 180 etiketleri

1018

▼o h y o

▼oh ▼oh Aklavinon

Bu ve diğer bilgiler, aşağıda verilen doğrusal poliketit ara ürününü oluşturmak üzere, malonil-koenzim A'dan dokuz C2 birimi ile propiyonil-koenzim A'dan bir C3 biriminin birleştiğini göstermektedir. Bu birimler, Altbölüm 19.4’te öğrendiğimiz malonik ester sentezinin biyosentetik eşdeğeri olan açilleme tepkimeleriyle birbirlerine bağlanmıştır. Bu tepkimeler, ayrıca yağ asitleri biyosentezinde (Özel Konu D) gördüğümüz açilleme basamaklarına da benzerler. Oluşan doğrusal poliketitler, molekül içi aldol katılmaları ve dehidrasyonlara (Altbölüm 17.6) benzeyen enzimatik tepkimeler yardımıyla halkalaşırlar. Bu basamaklar aklavinonun tetrasiklik çekirdeğini oluşturur. Aklavinondaki fenolik hidroksil grupları, aldol kondensasyonu basamaklarından sonra meydana gelen keton karbonil gruplarının enolleşmeleriyle ortaya çıkarlar. Daha sonraki bir kaç dönüşüm donomisinin oluşumuna yol açar.

Poliketit biosentezle oluşan önemli biolojik aktif maddelere pek çok örnek vardır. Aoreomisin ve Terramisin (Altbölüm 21.2) diğer aromatik poliketit antibiyotiklerinin örnekleridir. Eritromisin (Altbölüm 18.7C) ve bir karsinojen olan aflatoksin (Altbölüm 11,18) de diğer yollardan oluşan poliketitlerdir.

1019

1020

Bölüm 21 / Fenoller ve Aril Halojeniirler: Nükleofillk Aromatik Yer Değiştirme Ç i z e l g e 21.1

F e n o lle rin F izik sel Ö z e llik le ri

Adı

Formülü

en (°C)

kn (°CJ

43 30

182 191

9,3 2,5

Fenol 2-Metilfenol 3-Metilfenol 4-Melilfenol 2-Klorofenol 3-Klorofenol 4-Klorofenol 2-Nitrofenol 3-Nitrofenol 4-Nitrofenol

C6H5OH r;-CH3C6H4OH m-CH3C6H4OH />CH3Cf)H4OH o-C1C6H4OH w-C1C6H4OH p-ClQFI4OH
2,4-Dinitrofenol

0 2N—( Ç ^ — 0 li 113

Suda çözünürlüğü (g 100 mL- 1 H20)

11

201

2 ,6

35,5

201

2,3

8

176 214

2 ,8

220

2,7

217

0 ,2

33 43 45 96 114

2 ,6

1,4 1,7 0 ,6

NO, no2

2,4.6,-Tıinitrofenol (pikrik asit)

0,N —

— °H

122

1,4

no2

2I.4B Endüstriyel Sentezleri Fenol oldukça önemli bir endüstriyel kimyasaldır; aspirinden çeşitli plastiklere kadar pek çok ticari ürünün ham maddesidir. Dünyadaki yıllık üretimi 3 milyon tondan faz ladır. Fenolün ticari sentezinde çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. 1.

Bu yöntemde klorobenzen 350°C'da (yük sek basınç altında) sulu sodyum hidroksitle ısıtılır. Tepkimeden oluşan sodyum fenoksit asitlendiriiir ve fenol elde edilir. Tepkimenin benzin (Altbölüm 21.1 1B) üzerinden yürüdüğü sanılmaktadır.

2.

Fenolün ilk ticari sentezi 1890’da Al manya'da geliştirilmiştir. Bu sentezde sodyum benzenesülfonat ile sodyum hid roksit karışımının eritişi (350°C'da) yapılır. Oluşan sodyum fenoksit daha sonra asitlendiriiir ve fenol elde edilir.

K l o r o b e n z e n i n H i d r o l i z i (Dovv İ ş l e m i ) .

S o d y u m B e n ze n s ü lfo n a tın B a z ik E ritişi.

21.4 Fenollerin Sentezleri

ONa

r ^ V s °.’Na I( J I + 2 NaOH

+ Na2S0 3 + H20

Sodiyum benzensülfonat

Bu yöntem laboratuvarda da uygulanabilir ve aşağıdaki örnekte gösterildiği gibi metilfenolün eldesinde çok iyi sonuç verir. Ancak, tepkimenin şiddetli koşullarda gerçekleştirilmesi gerekir ve bu nedenle bu yöntem pek çok fenolün eldesi için uy gun değildir. CH,

CH,

NaOH(%72)-KOH(%28)> I f j l 300-330°C

0 " Na+

SO.,“ Na+ Sodyum p-toluensülfonat

3.

( f ) 1

H-,0+ ►

L v_yJ

OH 4-Metilfenol

(toplam %63

Kümen Hidroperoksitlerden. Bu işlem endüstriyel kimyaya en iyi örneklerden biridir. Nispeten ucuz iki organik bileşiği—benzen ve propen—çok daha değerli iki bileşiğe —fenol ve aseton—dönüştüren bir yöntemdir. Bu işlemde kullanılan diğer tek madde havanın oksijenidir. Dünyada şu an en çok kullanılan fenol elde etme yöntemi budur. Bu sentez, kümen (izopropilbenzen) oluşturmak üzere, ben zenin propen ile Friedel-Crafts alkillenmesi ile başlar.

Tepkime j

Kümen

Sonra kümen, kümen hidroperoksite yükseltgenir: CH,

CH, Tepkime

2

C6H — ÇH + 0 2 —

C6H5~ Ç— O—OH CH,

CH,

Kümen hidroperoksit

Son olarak, kümen hidroperoksit, %lCTluk sülfürik asitle etkileştiriIdiğinde, fenol ve aseton oluşturan bir hidrolitik çevrilmeye uğrar. CH,

CH, Y C6H5— c —O— OH C= O * C6H5OH + 50-90°C / CH, CH, H ,()+

Tepkime 3

Fenol

Aseton

Fenolün, benzen ve propenden, kümen hidroperoksit üzerinden sentezindeki her bir tepkimenin mekanizması bazı yorumlar gerektirir. İlk tepkime bildiğimiz bir tepkime-

10 21

1022

Bölüm 21 / Fenoller ve Aı il Halojenürler: Nıikleofilik Aromatik Yer Değiştirme

dir. Propenin bir asitle (H.P0 4 ile) tepkimesinden elde edilen izopropil katyonu, benze ni tipik bir elektrofilik aromatik yer değiştirme tepkimesiyle alkiller: H,CX XCH,

H,CX / CH,

ÇH ¿ r To p o ,h ,

. CH, = CHCH,------- CH CHCH, HOPO.H,

H

O

3

-HOPO,H,

İkinci tepkime bir radikalik zincir tepkimesidir. Bir radikal başlatıcısı kümenin benzilik hidrojen atomunu çıkarır ve bir 3° benzil radikali oluşturur. Daha sonra oksijen ile olan bir zincir tepkimesi kümen hidroperoksiti verir. Zincir Başlaması

CH U a /— A / 3 C - ^ H + R ------ ► C6H5 — Ç+ R— CH,

1.

Basamak

C 6H 5—

\

H

CH,

CH, Zincir Gelişmesi

CH, I ' C JL —C— O— O

CH, A C^ + ■O— O ■

2. Basamak C6H5

CH,

CH,

CH, CH, I f-V—\ A I 3. Basamak C6H — C — O — O - + H ^ C — C6H5 CH,

CH, CH,

CH,

C6H5 — C — O— O— H + C6H5 — C CH,

CH,

Tepkime 2. basamak, 3. basamak, 2.basamak, 3. basamak vb. basamaklarla devam eder. Üçüncü basamak -hidrolitik çevrilme- daha önce öğrendiğimiz karbokatyon çevril mesine benzer. Ancak burada, bu çevrilme, bir fenil grubunun bir katyonik oksijen ato muna göçmesini gerektirir. Fenil gruplarının bir katyonik merkeze göçme eğilimleri metil gruplarınınkinden (bkz. Altbölüm 16.12A) çok daha büyüktür. Aşağıdaki denklemler mekanizmanın bütün basamaklarım göstermektedir. CH, I

CH, ..

.C

"'ü

+

I

..

+

_ h ,o

C6H5 — C— O — OH + H—OH ,— ►C6H5—C —o — O H ,----—► CH,

ch3

H

H—O CH3 c 6h ,—

c -o + .

S .

\3 ► +c— o —

fenilin bir elektron çiftiyle birlikte oksijen atomuna göçü

/ ç jj

c 6h 5

21.5 Asitler Olarak Fenollerin Tepkimeleri

H

CH,

CH, H /^ \l I IX

—H,()+

H— O — C — O — C6H < «= * H — O — C — O — C6H5 CH.,

*— ►

CH,

H ,0 :

CH, .0 = C

/

+ HOC6H< CH,

Aseton

Fenol

Mekanizmanın ikinci ve üçüncü basamakları aynı zamanda meydana geliyor olabilir, yani H20 kaybı ve CÖH5— göçü eş zamanlı olabilir.

21.5 A s İt l e r O l a r a k F e n o l l e r î n T e p k İmelerî 2I.5A Fenollerin Asittik Kuvvetleri Fenoller yapı olarak alkollere benzemesine rağmen, onlardan çok daha kuvvetli asitler dir. Bir çok alkolün pK0 değeri 18 dolaylarındadır. Bununla birlikte, fenollerin pKa de ğerleri, Çizelge 21.2'de gördüğümüz gibi, 1l'den daha küçüktür. Görünüşte birbirine benzeyen iki bileşiği, sikloheksanol ile fenolü, karşılaştıralım:

Sikloheksanol PKa = 18

Fenol pKa = 9,89

Fenol, asetik asit (pKa = 4.75) gibi bir karboksilik asitle kıyaslandığında daha zayıf asit olmasına rağmen sikloheksanolden daha kuvvetli bir asittir (8 pKa birimi katı). Ç iz e lg e 21.2

Adı

F en o llerin A sitlik S ab itleri

(25°C’da, H20 içerisinde)

Fenol 2-Metilfenol 3-Metilfenol 4-Metilfenol 2-Klorofenol 3-Klorofenol 4-Klorofenol 2-Nitrofenol 3-Nitrofenol 4-Nitrofenol 2,4-Dinitrofenol 2,4,6 Trinitrofenol (pikrik asit) 1-Naftol 2-Naftol

9,89 1 0 ,2 0 1 0 ,0 1

10,17 8, 11

8,80 9,20 7,17 8,28 7,15 3,96 0,38 9,31 9,55

1023

1024

Bölüm 21 / Fenoller ve Aril Halojenürler: Nükleofilik Aromatik Yer Değiştirme

Deneysel ve teorik sonuçlar, fenolün daha kuvvetli asit olmasının başlıca nedeninin, —OH oksijeninin daha fazla pozitif olmasına yol açan elektrik yükü dağılımı, dolayı sıyla protonun daha gevşek tutulması olduğunu göstermektedir. Gerçekte fenolün ben zen halkası, sikloheksanolün sikloheksan halkasıyla karşılaştırıldığında, sanki elektron çekici bir grupmuş gibi davranır. Fenoldeki hidroksil grubunun bağlandığı karbonun sp2 melezleştiğine, oysa sikloheksanoldeki bu karbonun sp3 melezleştiğine dikkat edersek bu etkiyi daha iyi anlaya biliriz. sp2 Melezleşmiş karbon atomları, daha büyük s karakterleri nedeniyle, sp3 melezleşmiş karbon atomlarından daha elektronegatiftirler (Altbölüm 3.7A). Elektron dağılımını etkileyen diğer bir etken, toplam rezonans melezine, 2-4 yapısı ile gösterilen rezonans yapılarının katkıları olabilir. Bu yapıların, hidroksil grubundan elektron çekme etkilerine sahip olduklarma ve oksijeni pozitif yaptıklarına dikkat ediniz.

Fenolün rezonans yapıları la

lb

2

3

4

Fenolün sikloheksanola göre daha güçlü bir asit olmasının diğer bir açıklaması, fenoksit iyonunun benzer rezonans yapıları temeline dayandırılabilir. Fenolün 2-4 yapıla rından farklı olarak fenoksit iyonunun rezonans yapılarında bir yük ayrılması olmaz. Rezonans kuramına göre, böyle yapılar fenoksit iyonunu, 2-4 yapılarının enolü karar lı kılmasından daha fazla kararlı kılmalıdır. (Kuşkusuz, sikloheksanol veya anyonu için rezonans yapıları yazmak mümkün değildir.) Fenoksit iyonunun (eşlenik baz) fenolden (asit) daha kararlı olması asitlik kuvvetini artıran bir etkendir.

Problem 2 I I

V Çizelge 21.2’yi incelediğimizde metilfenollerin (krezoller) fenolün kendisinden da ha zayıf asit olduklarını görürüz.

Fenol pÂ'a = 9,89

4-Metilfenol p/Ç = 10,17

Bu davranış, elektron veren grupları taşıyan fenoller için özgüdür. Buna bir açıkla ma getiriniz.

Problem 2 I 2

>■ Çizelge 21.2’yi incelersek, benzen halkasına bağlı elektron çekici gruplara (—C1 veya —0,N) sahip fenollerin fenolün kendisinden daha kuvvetli asit olduklarını gö rürüz. Bu durumu indüktif etkiler ve rezonans yardımıyla açıklayınız. Cevabınız, 2,4,6-trinitrofenolü (pikrik asit de denir) son derece asidik (pKa= 0,38), asetik asit ten (pKa= 4.75) bile asidik yapan bir etkiyi, nitro gruplarının büyük asit kuvvetlen dirme etkisini de açıklamalıdır.* * Bu konuya daha fazla ilgi duyanların aşağıdaki makaleleri okuması önerilir: Siggel, M. R. F.; Thomas, T. D. J. A m . C hem . S o c. 1986, 108, 4360-4362; ve Siggel, M. R. F.; Streitvvieser, A. R.; Thomas, T. D. J. Anı. C h e m . S o c. 1988, 110, 8022-8028.

21.6 Fenollerin O—H Grubunun Diğer Tepkimeleri

2I.5B

1025

Fenollerin Alkoller ve Karboksilik Asitlerden Ayırt Edilmesi ve Ayrılması

Fenoller sudan daha asidik olduklarından, aşağıdaki tepkime tümüyle tamamlanır ve su da çözünebilen sodyum fenoksit meydana gelir.

Daha kuvvetli asit Daha \ iK a = 10 kuvvetli baz faz çözünür)

Daha zayıf asit (çözünür)

Daha zayıf asit 16

1-Heksanol sudan daha zayıf asittir ve bundan dolayı sodyum hidroksitle hemen hemen hiç tepkime vermez. CH3(CH2)4CH2OH T- NaOH •+-=±— CH3(CH2)4CH20~ Na+ H->0 Daha zayıf asit yKa= 18 (çok az çözünür)

Daha kuvvetli baz

Daha kuvvetli baz

+

H,0

Daha zayıf asit pKa= 16

Altı ve daha fazla karbon atomlu alkoller sulu sodyum hidroksit çözeltisinde çözünmez ken fenollerin çözünmesi, bu bileşikleri birçok alkolden ayırt etmemizi ve ayırmamızı kolaylaştırır. (Beş ve daha az karbon atomlu alkoller suda tamamen çözünürler. Hatta bazılarının çözünürlüğü sonsuzdur. Bunlar, fark edilebilir miktarda sodyum alkoksite dönüşmedikleri halde sulu sodyum hidroksitte de çözünürler.) Fenollerin pek çoğu sulu sodyum bikarbonat (NaHC03) çözeltisinde çözünmez, fa kat karboksilik asitler çözünürler. Bu nedenle, sulu NaHCO, birçok fenolün karboksilli asitlerden ayırt edilmelerine ve ayrılmalarına yardımcı olur.

Laboratuvarda size 4-metilfenol. benzoik asit ve toluen içeren bir karışım veriliyor. •< Genel laboratuvar asitleri, bazları ve çözücülerine sahip olduğunuzu varsayınız ve bu karışımı bileşenlerinin çözünürlük farklarını kullanarak nasıl ayırabileceğinizi açıklayınız.

21.6 F E N O L L E R İ N O — H G R U B U N U N Dİ ĞE R TEPKİMELERİ Fenoller karboksilik asit anhidritleri ve asit klorürlerle tepkimeye girerek esterleri ve rirler. Bu tepkimeler alkollerin tepkimelerine çok benzer (Altbölüm 18.7).

A Bileşiklerin tanınması ve ayrılması için yaptığınız laboratuvar çalışmaları nızda muhtemelen fenolün ılıman asitliğini kullana caksınız.

P r o b l e m 2 1.3

1026


2I.6A Williamson Sentezinde Fenoller

Fenoller, Williamson sentezi (Altbölüml 1.15B) ile eterlere dönüştürülebilirler. Fenol ler alkollerden daha asidik olduklarından, sodyum hidroksit (alkolleri alkoksit iyonları na çevirmekte kullanılan bir reaktif olan metalik sodyumdan daha çok) kullanılarak sodyum fenoksite dönüştürülebilirler. Genel Tepkime

ArOH

NaOH

ArCTNa4

(X = Cl, Br. I. OSO.OR' veva OSO.R'I ‘

* ArOR + NaX

Özel Örnek

Anizol (metoksibenzen)

21.7

A

lk îl

A

r îl

Eter

ler in

Bö

lün m esî

Dialkil eterlerin aşırı miktarda derişik HBr ya da HT ile ısıtıldıklarında bölündüklerini ve her iki alkil grubunun da alkil halojenüre dönüştüğünü Altbölüm 11.16’da öğrenmiştik. ,

der. HX

,

R— O — R ---------— ►R— X P R — X + H ,0 ısı Alkil aril eterler HI ve HBr gibi kuvvetli asitlerle tepkimeye girerek bir alkil halojenür ve bir fenol verirler. Fenolün oksijen bağı çok güçlü olduğundan (bkz. Problem 2 1 . 1 ) ve fenil katyonu kolay oluşmadığından, bu parçalanmadan meydana gelen fenol daha ileri bir tepkimeye girmez ve dolayısıyla ile bir aril halojenür oluşmaz. Genel Tepkime

Ar—O—R - derısl[IX » Ar—OH + R—X Özel Örnek

/7-Metilanizol

4-Metilfenol HBr

tepkime olmaz

Metil bromür

21.8 Fenollerin Benzen Halkasının Tepkimeleri

2 1 . 8 F E N O L L E R İ N B E N Z E N H A L K A S I N I N T E P K İ ME L E R İ Bromlarıma Hidroksil grubu elektrofilik yer değiştirmelerde güçlü bir etkinleştirici ve orto-para yönlendirici bir gruptur. Fenol kendiliğinden sulu çözeltideki brom ile et kileşir ve hemen tümüyle 2,4,6-tribromofenol verir. Yüksek etkinliğe sahip bu halkanın bromlanması için bir Lewis asidine ihtiyaç olmadığına dikkat ediniz. OH OH B r" + 3 Br,

HQ ►

lC _ y J

+ 3 HBr

Br 2,4,6-Tribroınofenol ( ~ % 100)

Fenolün monobromlanması karbon disülfür içerisinde ve düşük sıcaklıkta gerçekleş tirilebilir. Bu koşullarda bromun elektrofilliği azalır. Ana ürün para izomeridir.

+ HBr

p-Bromofenol (%80-84)

Nitrolanma Fenol seyreltik nitrik asitle tepkimeye girerek o- ve /?-nitrofenolün bir karışımını verir. OH

OH

OH

NO, (%30-40)

(% 15)

Bu tepkimede verim nispeten düşük (halkanın yükseltgenmesinden dolayı) olmasına rağ men, orto ve para izomerleri su buharı damıtmasıyla ayrılabilir. o-Nitrofenol molekül içi hidrojen bağları yaptığından (aşağıdaki yapıya bakınız) daha uçucu olan izomerdir. p-Nitrofenol ise moleküller arası hidrojen bağlarının moleküllerinin arasında bir birleş meye yol açtığından daha az uçucudur. Bundan dolayı o-nitrofenol su buharı ile damıtılarak alınır, p-nitrofenol ise damıtma balonunda kalır.

o-Nitrofenol (molekül içi hidrojen bağı nedeniyle daha uçucu)

p-Nitrofenol (moleküler arası hidrojen bağı nedeniyle daha az uçucu)

1027

1028


Sülfolanma Fenol derişik sülfürik asitle 25°C’da tepkimeye girerek başlıca orto-sülfolanmış ürünü; 100°C'da ise başlıca para-sülfolanmış ürünü verir. Bu tepkime ter modinamik kontrollü ve kinetik kontrollü tepkimelere bir diğer örnektir (Altböliim 13.10A).

Kinetik kontrol altında ana ürün

Termodinamik kontrol altında ana ürün

P r o b l e m 2 1.4

>■ (a) Hangi sülfonik asit (önceki tepkimeye bakınız) daha kararlıdır? (b) Hangi sülfolama için (orto ya da para) aktifleşme enerjisi daha düşüktür?

Kolbe Tepkimesi

Fenoksiı iyonu, elektrofilik aromatik yer değiştirme tepkimesini fenolün kendisinden bile daha kolay verir. (Niçin?) Fenoksit halkasının bu yüksek et kinliği Kolbe tepkimesi olarak adlandırılan bir tepkimede kullanılır. Kolbe tepkimesin de karbon dioksit bir elektrofil olarak davranır.

İ Te pk im e için Bir Mekanizma

Kolbe tepkimesi genellikle sodyum fenoksite karbon dioksit absorbe ettirerek ve da ha sonra birkaç atmosfer karbon dioksit basıncı altında 125°C’a ısıtılarak gerçekleştir ilir. Burada oluşan kararsız ara ürün bir proton kayması (keto-enol tautomerleşmesi,

21.9 Claisen Çevrilmesi

Altbölüm 13.2’ye bakınız) ile sodyum salisilata dönüşür. Ardından karışım asitlendirilğinde scılisilik asit elde edilir. Salisilik asitin asetik anhidrit ile tepkimesi, geniş ölçüde ağrı giderici olarak kulla nılan aspirini verir. O

Asetilsaliklik asit (aspirin)

21.9 C L A İ S E N Ç E V R İ L ME S İ ' Alkil fenil eter 200°C'a ısıtılırsa Claisen çevrilmesi denen molekül içi bir tepkime mey dana gelir. Çevrilmenin ürünü o-allilfenoldür. OH CHîC H = C H î

200 C

O

Allil fenil eter

o-Allilfenol

Bu tepkime, alkil fenil eterin karbon-oksijen bağı kırılırken aynı zamanda allil gru bunun C3 karbonu ile benzen halkasının orto konumu arasında bir bağın oluştuğu uyum lu (eş zamanlı) bir çevrilme üzerinden yürür. Bu çevrilmenin ürünü, Kolbe tepkimesindeki (Altbölüm 21.8 ) kararsız ara ürüne benzeyen kararsız bir ara üründür ve bir proton kayması (bir keto-enol tautomerleşmesi, bkz Altbölüm 17.2) ile o-allilfenole dönüşür.


Allil grubunun, yalnızca, C3’ünün benzen halkasına bağlandığı, C3‘te UC içeren al lil fenil eter ile bir çevrilme gerçekleştirilerek gösterilmiştir. Bu tepkimenin ürünlerinin hepsi halkaya bağlı etiketlenmiş karbon atomuna sahiptir.

Tek ürün

1029

1030


P r o b l e m 21. 5

>■ Yukarıda belirtilen etiketli deneyler, allil fenil eterin önce allil katyonu (Altbölüm 13.4) ve fenoksit iyonuna ayrıştığı ve ardından bir Friedel-Crafts alkillemesiyle (Alt bölüm 15.6) o-allilfenolün oluştuğu döşüncesini çürütmektedir. Bu alternatif meka nizmanın nasıl önemsiz hale gelebileceğini, oluşacak ürünü (ya da ürünleri) de yazarak açıklayınız.

P r o b l e m 21. 6

>■ Allil fenil eteri, fenol ve allil bromürden çıkarak, Williamson sentezi (Altbölüm 21.6A) ile nasıl sentezleyebileceğini gösteriniz.

Allil vinil eterler de ısıtıldıklarında bir Claisen çevrilmesi meydana gelir. Örneğin:

Allil vinil eter

Aromatik geçiş hali

4-Pentenal

Claisen çevrilmesinde geçiş hali altı orbital ve altı elektronlu bir halka içerir. Bu al tı elektron, geçiş halinin aromatik karakter (Altbölüm 14.7) kazanmasını sağlar. Bu tip başka tepkimeler de bilinmektedir ve bu tür tepkimelere perisiklik tepkimeler denir. Bir başka benzer perisiklik tepkime aşağıda gösterilen Cope çevrilmesidir.

3,3-Dimetil1,5-heksadien


2-Metil-2,6heptadien

Diels-Alter tepkimesi de (Altbölüm 12.11) bir perisiklik tepkimedir. Bu tepkime nin geçiş hali yine altı orbital ve altı elektron içerir.


Diels-Alter tepkimesinin mekanizmasını ileride, Özel Konu G'de tartışacağız.

2 1 .1 0 Kîn o n la r Hidrokinonun (1,4-benzendiol) yükseltgenmesi />benzokinon olarak bilinen bir bileşi ği verir. Yükseltgenme işlemi ılıman yükseltgenlerie yapılır. Ilıman yükseltgenler hidrokinondan bir elektron çifti (2 e~) ve iki proton çıkarır. (Bu yükseltgemneyi bir hidrojen molekülü, H:H, çıkarılması olarak da tanımlayabiliriz.)

21.10 Kinonlar

Bu tepkime tersiniridir; /j-benzokinon indirgenlerle kolayca hidrokinona indirgenir. Doğada bu tip tersinir indirgenme-yükseltgenme tepkimelerine çok sık rastlanılır. Enzim katalizi i bu tepkimelerde bir bileşikten diğerine bir elektron çifti aktarılır. Aşa ğıda verilen bu önemli bileşiklere ubikinonlar denir. (Ubiquitous + kinondan, bu ki nonlar bütün canlı hücrelerin iç mitokondriyal zarlarında bulunurlar). Ubikinonlara koenzim Q (CoQ) da denir. Ubikinonlar izoprenden türemiş uzun yan zincirler taşırlar (bkz. Özel Konu D ve Altbölüm 23.4). İnsan ubikinonlarının yan zincirinde on izopren birimi vardır. Yapıla rının bu kısmı oldukça apolardır ve ubikinonlann mitokondriyal iç zardaki yağ benzeri (hidrofobik) iki tabakada çözünmelerini sağlar. Zar çevresindeki bu çözünme, ubikinonların elektron aktarım zincirinin bir bileşeninden diğerine yanal geçişlerini kolaylaştı rır. Ubikinonlar elektron aktarım zincirinde iki elektron ve iki hidrojen atomu alarak hidrokinona dönüşürler. Bu hidrokinon da iki elektronu zincir içerisinde bir sonraki alı cıya taşır. O CH,Ck

OH /C H ,

J

|P

JJ-v/

+2g-, +2H+ /A

-2g-,-2H +

CH,0 O

CH,

Ubikinonlar (n = 6-10) (koenzim Q)

Ubikinol (hidrokinon şekli)

Kanın pıhtılaşma özelliklerini düzenleyen ve gıdalarla dışardan alınması gereken K, vitamini 1,4-naftokinon yapısı içerir.

1,4-Naftokiııon

Kj Vitamini

/2-Benzokinon ve 1,4-naftokinon Diels-Alder tepkimelerinde dienofiller olarak dav- •< ranırlar. Aşağıdaki tepkimelerden oluşacak ürünlerin yapılarım yazınız. (a) p-Benzokinon + biitadien (b) 1,4-Naftokinon + bütadien (c) /?-Benzokinon + 1.3-siklopentadien

P r o b l e m 21.7

1031

1032

Bölüm 21 / Fenoller ve Aril Halojenüıier: Nükleofilik Aromatik Yer Değiştirme

P r o b l e m 21. 8

>• Aşağıdaki bileşik için mümkün olabilecek bir sentez tasarlayınız. OH

21. 11 A rîl H a l o j e n ü r l e r v e N ü k l e o f î l î k A r o m a t İk Y er D e ğ İş t î r m e Basit aril halojenürler, alkil halojenürlerin kolayca nükleofilik yer değiştirme tepkime leri verdiği koşullarda, bu tür yer değiştirmelere karşı nispeten etkin olmayan vinilik halojenürlere benzerler. Örneğin, klorobenzen sodyum hidroksitle günlerce kaynatılsa bile, tespit edilebilecek kadar fenol (ya da fenoksit iyonu) meydana gelmez*. Benzer olarak, vinil klorür de sodyum hidroksit ile yer değiştirme vermez. C1 — — ►yer değiştirme olmaz + NaOH — geri soğutucu altında kaynatma

CH, = CHC1

-1-

NaOH ------ 2—--- ►yer değiştirme olmaz geri soğutucu altında kaynatma

Etkinlikteki bu azalmayı, bir kaç etkene dayandırarak anlayabiliriz. Bir aril halojenürün benzen halkası, bir SN2 tepkimesinde arka taraftan olacak olan atağı önler. Nu

tepkime olm az

Fenil katyonu çok kararsızdır, bu yüzden SN1 tepkimeleri meydana gelmez. Alil (ve vi nilik) halojenürlerin karbon-halojen bağları, alkil, allilik ve benzilik halojenürlerin bağ larından daha kısa ve daha kuvvetlidir. Karbon-halojen bağlarının kuvvetli olması, bunların SN2 ya da SN1 mekanizması ile kırılması için daha çok enerji gerektiği anla mına gelir. Aril ve vinilik halojenürlerin karbon-halojen bağlarının kısa ve kuvvetli olmasının iki nedeni vardır. (1) Her iki halojenür tipinde de karbon atomu sp2 melezleşmiştir ve bundan dolayı, karbon orbitalindeki elektronlar, sp5 melezleşmiş karbondakine göre, çe kirdeğe daha yakındır. (2) Aşağıda görülen tipteki rezonans, karbon-halojen bağını, ona ikili bağ karakteri kazandırarak kuvvetlendirir. RCH=7=CH-7rX:

^

*K_y

R — CH— C H = X : 1

* Bir yer değiştirme tepkimesiyle fenolü elde etmek için yapılan Dow işleminde (Altbölüm 21.4B) yüksek sı caklık ve basınç gibi çok şiddetli koşullar gerekir. Laboratuvarlarda bu koşulların sağlanması pratik değildir.

21.11 Aril Halojeniirler ve Nükleofilik Aromatik Yer Değiştirme

Bütün bu söylenenlere rağmen sonraki iki altbölümde, aril halojenürlerin, belirli sübstitüentler taşımaları veya tepkimeye girmeleri için uygun koşulların sağlanması halinde nükleofillere karşı dikkat çekici ölçüde etkin olabildiklerini göreceğiz.

21.1 I A Katılm a-Ayrılm a Yoluyla Nükleofilik Aromatik Yer değiştirme: SNA r Mekanizması

Halojene bağlı aril karbonunu nükleofilik atağa uygun hale getiren bir elektronik etken olduğunda, aril halojenürlerin nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri gerçekleşir. H a lo je n atom una göre o rto ya da p a ra k o n u m la rın d a k u v v e tli elektron ç e k ic i g ru p la r o l duğunda n ü k le o filik y e r değiştirm e m eydana g e le b ilir.

Yukarıdaki örneklerden de gördüğümüz gibi, tepkime için gerekli sıcaklık, orto ya da para nitro gruplarının sayısına bağlıdır. Bu üç bileşikten, rı-nitroklorobenzen için en yük sek sıcaklık (p-nitroklorobenzen 130°C'da tepkime verir); 2.4,6-trinitroklorobenzen için ise en düşük sıcaklık gerekir. Meta-nitro grubu böyle bir etkinleştirme etkisine sahip değildir. Örneğin, m-nitroklorobenzen benzer bir tepkimeyi veremez. Bu tepkimelerde izlenen mekanizma, bir Alman kimyacısı olan Jacob Meisenheimer’den dolayı Meisenheimer kompleksi olarak adlandırılan, delokalize elektronlara sahip bir karbanyon oluşumunu içeren bir katılma-ayrılma mekanizmasıdır. Meisenhe imer bu karbanyonun doğru yapısını öneren kişidir. Tepkimenin ilk basamağmda, örne ğin p-nitroklorobenzene hidroksit iyonunun katılması bir karbanyon oluşturur, daha sonra klorür iyonunun ayrılması halkanın aromatikliğini koruyarak yer değiştirme ürünü ve rir. Bu mekanizmaya SNAr mekanizması denir.

1033

1034


j T e p k i m e için Bir Me ka ni z m a

Karbanyon. halojen atomuna göre orto ve para konumlarında bulunan elektron çe kici gruplar tarafından kararlı kılınır. Aşağıdaki Meisenheimer kompleksinin rezonans yapılarını incelersek, karbanyonun nasıl kararlı kılındığını görebiliriz.

En kararlı (Negatif yükler her iki oksijen atomu üzerinde)

P r o b l e m 2 1.9

>• l-Floro-2,4-dinitrobenzen SNAr mekanizması üzerinden nükleofilik yer değiştirme ye karşı oldukça etkindir. (Bu bileşiğin, proteinlerin yapısını belirlemek amacıyla Sanger yönteminde nasıl kullanıldığını Altbölüm 24.5A'da göreceğiz.) l-Floro-2,4dinitrobenzen aşağıdaki bileşiklerin her biriyle tepkimeye sokulursa hangi ürünler oluşur? (a) CH3 CH2ONa (c) C6H5NH2 (b) NH3 (d) CH3CH2SNa

21.1 IB Bir Ayrılm a-Katılm a Mekanizması Üzerinden Yürüyen Nükleofilik Aromatik Yer Değiştirme: Benzin

Her ne kadar klorobenzen ve bromobenzen gibi aril halojenürler pek çok nükleofil ile normal koşullarda tepkime vermezlerse de, çok şiddetli koşullar altında tepkime verir ler. Klorobenzen, bir basınçlı tepkime kabı içerisinde sulu sodyum hidroksit ile 350°C da ısıtılarak fenole dönüştürülebilir (Altbölüm 21.4).

it

ımyası

Bi r P C B T ü r e v i n i n B a k t e r i y e l D e h a l o j e n l e n m e s i

P oliklorlanmış bifeniller (PCB’ler) önceleri elektrikli cihazların bazı türlerinde, en düstriyel uygulamalarda ve polimerlerde kullanılmış bileşiklerdir. Bunların kullanımı ve üretimi, zehir etkisi yapmalarından ve beslenme zincirinde birikme eğilimlerinden dolayı, 1979'da yasaklanmıştır. 4-Kiorobenzoik asit, bazı PCB’lerin parçalanma ürünüdür. Bazı bakterilerin 4-klorobenzoik asitten enzimatik nükleofilik aromatik yer değiştirme tepkimesiyle halojen çıkardıkları bilinmektedir. Ürün 4-hidroksibenzoik asittir ve bu enzim katalizli tepki menin mekanizması aşağıdaki gibidir. Tepkime dizisi, koenzim A dan (CoA) türeyen 4-klorobenzoik asitin tiyoesteri ile başlar. O #

C

^SCoA

/SC oA

Enz Enz ^/SCoA

Enz Bu enzim katalizli SNAr mekanizmasının bazı temel özellikleri şunlardır: Klorlan mış benzen halkasına atak yapan nükleofil, enzimin karboksilat iyonudur. Karboksilat iyonunun saldırısı ile oluşan Meisenheimer kompleksinin tiyoester karbonil grubunda ki ilave elektron yoğunluğu enzimdeki pozitif yüklü gruplar tarafından kararlı kılınır. Halkanın yeniden aromatikleşmesi ve klorür iyonunun kaybı ile bozulan Meisenheimer kompleksi, saldırıya uğrayan grubun enzime kavalenl bağ ile bağlı bir ester olduğu bir ara ürün verir. Bu ester bağının hidrolizi, nükleofilliği enzimin bazik kısmı tarafından arttırılan su molekülü yardımıyla gerçekleşir. Bu esterin hidrolizi 4-hidroksibenzoik asiti oluşturur ve başka bir tepkime çevrimini katalizleyecek olan enzimi serbest bırakır.

1035

1036


Bromobenzen, çok kuvvetli bir baz olan NH2 ile sıvı amanyok içerisinde tepkimeye girer. Br

6

NH,

*

K =NH,

-33 C n h

+ KBr

3

Anilin

Bu tepkimeler, benzin (ya da dehidrobenzen) denilen ilginç bir ara ürünün oluşumu nu kapsayan bir ayrılma-katılma mekanizması üzerinden gerçekleşir. Bu mekaniz mayı, bromobenzen ve amit iyonunun tepkimesi ile gösterebiliriz. İlk basamak (aşağıdaki mekanizmaya bakınız), amit iyonunun, en asidik oldukların dan orto protonlarından birini kopardığı bir ayrılma ile başlar. Orto karbonu üzerinde oluşan negatif yük, bromun indiiktif etkisiyle kararlı kılınır. Bu ayrılma oldukça karar sız ve bu yüzden çok etkin olan benzini verir. Benzin daha sonra yakalayabildiği her hangi bir nıikleofille (burada bir amit iyonu) iki basamaklı bir katılma üzerinden anilini oluşturur.

Aşağıda verilen orbital diyagramını incelersek; benzinin yapısı daha anlaşılır hale gelecektir.

21.11 Aril Halojenürler ve Nlikleofilik Aromatik Yer Değiştirme

Benzin

Benzindeki fazladan olan bağ. halkanın bitişik karbon atomlarındaki sp2 orbitallerinin örtüşmesiyle oluşur. Bu sp1 orbitallerinin eksenleri halkayla aynı düzlemdedir ve aro matik sistemin ir orbitallerine diktir. Bu yüzden tt orbitalleri ile örtüşemezler. Aroma tik sistemi etkilemezler ve önemli sayılabilecek bir rezonans katkıları yoktur. Fazladan olan bu bağ zayıftır. Altıgen halka, sp2 orbitallerini birbirine yaklaştırmak için biraz bozulsa bile, bu orbitaller arasındaki örtüşme fazla değildir. Bunun sonucu, benzin olduk ça kararsız ve oldukça etkindir. Çeşitli yöntemlerle belirlenip yakalandıysa da (aşağıya bakınız) hiç bir zaman saf bir madde olarak izole edilememiştir. Öyleyse bazı nükleofilik aromatik yer değiştirmelerin benzin üzerinden yürüyen ayrılma-katılma mekanizmasını izlediklerini kanıtlayan gözlemler nelerdir? İlk kesin kanıt, 1953’te J. D. Roberts (Altbölüm 9.9) tarafından yapılan ve benzin kimyasının başlangıç noktalarından biri olan deneydir. Roberts, l4C ile etiketlenmiş (*C) bromobenzenin sıvı amanyok içerisinde amit iyonu ile etkileştirildiğinde oluşan anilinde, etiketli karbonun 1 ve 2 konumlarına eşit olarak dağıldıklarını göstermiştir. Bu sonuç, aşağıda verilen ayrılma-katılma mekanizması ile uyum içindedir, fakat doğrudan yer de ğiştirme ya da katılma-ayrılma mekanizması ile bütünüyle uyumlu değildir. (Niçin?)

Katılma

(%50)

Bu durum aşağıdaki tepkimede daha çarpıcı olarak görülebilir. Eğer orto türevi 1, sodyum amit ile etkileştirilirse elde edilen tek organik ürün w-(triflorometil)anilindir.

Bu sonuç da ayrılma-katılma mekanizması ile açıklanabilir. İlk basamak benzin 2’yi verir:

1

2

1037

1038


Daha sonra bu benzin, bir amit iyonu katar ve daha az kararlı karbanyon, 4, yerine da ha kararlı karbanyon olan 3’ü oluşturur:

3 Daha kararlı karbanyon (Negatif yük elektronegatif triflormetil grubuna daha yakın.)

Karbanyon 3 daha sonra, amanyaktan bir proton alır ve m-(triflorometil)anilin verir. Karbanyon 3 karbanyon 4’ten daha kararlıdır, çünkü negatif yükü taşıyan karbon atomu oldukça elektronegatif triflorometil grubuna daha yakındır. Triflorometil grubu negatif yükü indüktif etkiyle kararlı kılar. (Burada rezonans etkisi önemli değildir, çün kü elektron çiftini taşıyan sp2 orbitali aromatik sistemin 7r orbitalleri ile örtüşemez.) Benzin ara ürünleri, Diels-Alder tepkimelerinin kullanımları sayesinde “yakalan mışlardır”. Benzin oluşturmanın uygun bir yolu, antranilik asitin (2-aminobenzoik asit) diazolanması ve ardından C 0 2 ve N2’nin çıkarılmasıdır. O

O

Antranilik asit

Benzin (yakalandı)

Benzin, bir dien olan furan varlığında oluşturulduğunda, ürün bir Diels-Alder ka tılma ürünüdür.

Benzin (bir ayrılm a tepkimesi ile elde edilir)

Furan

D iels-A lder katılma ürünü

Konukçu-konuk kimyasının (bu alan D. Cram, UÇLA, tarafından bulunmuş ve Cram 1987'de Nobel Kimya ödülünü paylaşmıştır) ilginç bir uygulamasında benzinin kendi si, çok düşük sıcaklıkta, hemikarserant denilen bir moleküler kap içerisinde hapsedil miştir. Bu koşullarla, R. Warmuth ve Cram, hapsedilmiş benzinin, içinde bulunduğu moleküllerle Diels-Alder tepkimesi vermeden önce, 'H ve l3C spektrumları alınabile cek kadar kararlı olduğunu bulmuşlardır.

21.12 Fenollerin Aril Halojenürlerin Spektroskopik Analizleri

1039

Bir hemikarserant içerisinde hapsedilmiş benzinin (yeşil) moleküler grafiği. Benzinden elde edilen 13C NMR verileri ve benzini sentezlemede kullanılan tepkime beyaz daireler içerisinde görülmektedir. (Jan Haller’in görüntülemesi Ralf Warmuth’un izniyle basılmıştır.)

ü-Klorotoluen, Dow işlemi koşullarında (yani 350°Cda ve yüksek basınçta sulu sod- ^ yum hidroksitte) o-krezol ve m-krezol verir. Bu sonuçlara göre, Dow işleminin me kanizması hakkında ne önerebilirsiniz?

P r o b l e m 21. 10

2-Bromo-1,3-dimetilbenzen sıvı amonyak içerisinde sodyum amit ile etkileştirildiğinde hiç bir yer değiştirme meydana gelmez. Bu sonuç ayrılma-katılma mekaniz maları için bir kanıl olarak yorumlanabilir. Bu yorumu açıklayınız.

P r o b l e m 21.11

21.12

F E N O L L E R İ N VE A R İ L H A L O J E N Ü R L E R İ N SP EKTRO SKO PİK ANALİZLERİ

İnfrared Spektruınları

Fenoller 3400-3600 cm 1 bölgesinde, O—H gerilmesin den ileri gelen karakteristik soğurma bandı (genellikle yayvan) gösterirler. Fenoller ve aril halojenürler benzen halkalarından kaynaklanan karakteristik soğurmalara da sahip tirler (Altbölüm 14.1 İC). 'H NM R S p ek tru m iarı Fenolün hidroksil protonu alkollerdekinden daha az per delenir. O—H sinyalinin gerçek konumu hidrojen bağının derecesine ve bu bağın mo lekül içi ya da moleküller arası olup olmadığına bağlıdır. Moleküller arası hidrojen bağının derecesi ise fenolün derişimine bağlıdm ve O—Fİ sinyalinin konumunu şiddet le etkiler. Örneğin, fenolün kendisinde bu sinyalin konumu, saf fenol için olan 8 2,55 değerinden CC14 içerisindeki % 1 ‘lik fenol için olan 8 5.63 değerine kadar değişir. Salisilaldehit gibi kuvvetli molekül içi hidrojen bağına sahip fenoller O—H sinyalini 8 0,5 ile 8 1,0 arasında verirler. Bu sinyalin konumu derişimle çok az değişir. Bir fenolün O—H protonu, değiştirilebilen diğer protonlarda olduğu gibi (Altbölüm 9.9) numune ye D90 ilave edilerek belirlenebilir. O—H protonu döteryumla hızla yer değiştirir ve protonun sinyali kaybolur. Fenollerin ve aril halojenürlerin aromatik protonları 8 7-9 bölgesinde sinyal verir.

1040


13C NMR S p ek tru m ları Fenollerin ve aril halojenürlerin aromatik halka karbonları Ö 135-170 arasında görünürler. K ütle S pek tru m ları Fenollerin kütle spektrumlarında moleküler iyon piki. Mî, ge nellikle belirgindir. Benzilik hidrojene sahip fenoller Mî pikinden daha büyük olabilen bir Mî - 1 piki verirler.

Ö n e m l i T e p k i m e l e r i n Ö z e t i 1* Fenollerin Sentezi (Altbölüm 21.4)

Laboratuvar Sentezi Diazonyum tuzlan üzerinden. HONO

.

+

Cu20

A r-N H ; T ^ A r - N ; Cu,.

A r-O H

Endüstriyel Sentezleri 1. Dow işlemi.

2. Sodyum benzensülfonatlardan.

3. Kümen hidroperoksit üzerinden.

+

c h 2= c h c h 3

o

Fenollerin Tepkimeleri 1. Asitler olarak (Altbölüm 21.5A). OH

ONa

Önemli Tepkimelerin Özeti

2. Williamson sentezi (Altbölüm 21.6A).

3. Açilleme (Altbölüm 18.7).

OH

RCOt l veya (RCO):t) baz

4. Elektrofilik aromatik yer değiştirme (Altbölüm 21.8).

Br

Claisen Çevrilmesi (Altbölüm 21.19)

Aril Halojenürlerin Sentezleri 1. Elektrofilik aromatik yer değiştirmeyle (Altbölüm 15.3). X

1041

1042


2. Arendiazonyum tuzlan üzerinden (Altbölüm 20.8).

NHı

N,

Cl

O i 5 f * ( Q Br

Aril halojenürlerin Tepkimeleri

1. Elektrofilik aromatik yer değiştirme (Altbölüm 15.3-15.7). X X

'■'c o ^

O

Kx

2. Katılma-ayrılma yoluyla aromatik yer değiştirme (SNAr üzerinden) (Altbölüm 21.11 A). OH Cl O- Na+

no2

3. Ayrılma-katılma yoluyla aromatik yer değiştirme (benzin üzerinden) (Altbölüm 21.1 İB). O- Na+ OH Cl NaOH, 350 C yüksek basınç

O

ci

H ,0 +

NHî NaNH,, NH, —33°C

O

Ek Problemler

1043

i A n a h t a r T e r i m l e r ve K a v r a m l a r

: Asitler olarak fenoller Aril ester ve eterlerin sentezi ve bölünmesi Elektrofilik aromatik yer değiştirme Claisen çevrilmesi Nükleofilik aromatik yer değiştirme (SNAr) Ayrılma-katılma (benzin üzerinden)

21.12

Altbölüm 21.5 Altbölümler 21.6 ve 21.7 Altbölüm 21.8 Altbölüm 21.9 Altbölüm 21.11A Altbölüm 21.11B

Aşağıdaki asit-baz tepkimelerinin her birinden elde edilebilecek ürünler nelerdir?

(a) Etanol içerisinde sodyum etoksit + fenol---- ► (b) Fenol + sulu sodyum hidroksit ---- ► (c) Sodyum fenoksit + sulu hidroklorik asit ---- ► (d) Sodyum fenoksit + H20 + C 0 2 ----► 21.13

Aşağıdaki tepkimeleri tamamlayınız:

(a) Fenol + Br2 " C CS> (b) Fenol + der. H2S0 4 ——► 1Ü0°C

(c) Fenol + der. H2S0 4 ----- ►

(d) CH3

OH + p-toluensülfonil kloılir

OH

(e) Fenol

(f) Fenol O HıO ► (g) p-Krezol + Br-. Ö

(h) Fenol + CH.CCl — —► ” ■ baz O

(i) Fenol + \C JL C — /,0

baz

>

(j) Fenol + NaOH---- ► (k) ( j)’nin ürünü + CH3OSO?OCH3 ----► (l ) ( j) ’nin ürünü + CH3I ---- ► (m) (j) ’nin ürünü + C 6H 5CH2C1----► 21.14

Aşağıdaki bileşik çiftlerindeki her bileşiği diğerinden ayırt etmek için hangi kimyasal tepkimeleri kullanabileceğinizi açıklayınız. (a) 4-Klorofenol ve 4-kloro-l-metilbenzen (b) 4-Metilfenol ve 4-metilbenzoik asit (c) Fenil vinil eter ve etil fenil eter

* Yıldızla işaretlenmiş problemler “çözülmesi daha zor olan problemler”dir.

Ek Pro blem ler

1044


21.15

21.16

21.17

(d) 4-Metilfenol ve 2,4,6-trinitrofenol (e) Etil fenil eter ve 4-etilfenol w-Klorotoluen sıvı amonyak içerisinde sodyum amit ile etkileştirildiğinde ürün o-, m-, ve p-toluidindir (yani z>-CH3C6H4NH2, w-CH3C6H4NH2 ve pCH3C6H4 NH2). Her bir ürünün meydana gelişini açıklayan uygun bir meka nizma yazınız. Aşağıdaki çiftlerle hangi bileşiğin daha kuvvetli asit olduğunu, çizelgelere bak madan söyleyiniz. (a) 4-Metilfenol ve 4-florofenil (b ) 4-Metilfenol ve 4-nitrofenol (c) 4-Nitrofenol ve 3-nitrofenol (d) 4-Metilfenol ve benzil alkol (e) 4-Florofenol ve 4-bromofenol Fenoller çoğu kez etkili antioksidanlardır (Problem 21.20 ve Altböiüm 10.11 ’e bakınız). Çünkü bunlar radikalleri “hapsederler”. Bu tutuklama, fenoller yük sek etkinlikteki radikallerle tepkimeye girerek düşük etkinlikte (daha kararlı) radikaller verdiğinde olur, (a) Fenolün kendisinin bir alkoksi radikali (RO) ile tepkimeye girerek fenolik — OH grubundan nasıl bir hidrojen çıkarabileçeğitıi gösteriniz, Oluşan radikalin nispeten daha az etkin hale gelmesini sağlayan rezonans yapılarını yazınız. Bir taç eterin (Altböiüm 11.21 A) ilk sentezinde C. J. Pedersen (DuPont Şir keti) 1,2-benzendiolü, di(2-kloroetil) eter. (C1CH2CH2)20 , ile NaOH varlığın da muamele etmiştir. Elde ettiği ürün dibenzo-18-crown-6 olarak adlandırılan bir bileşikti. Bu taç eterin yapısını yazınız ve akla yatkın bir oluşma mekaniz ması öneriniz. Bir X (C 10H,4O) bileşiği sulu sodyum hidroksitle çözünür, ama sulu sodyum bikarbonatta çözünmez. Bu bileşik sudaki brom çözeltisi ile tepkimeye girer, bir dibromotürevi, C 10H 12Br2O, verir. X'in İR spektrumu 3000-4000 cn r 1 bölgesinde 3250 cm 1 merkezli geniş bir pik, 680-840 c m 1 de şiddetli bir pik verir. X’in'H NMR spektrumunda ise aşağıdaki pikler görülür:

(b)

21.18

21.19

Birli Birli Çoklu

21.20

21.21

8 1,3 (9H) 8 4,9 (İH) 8 7,0 (4H)

X’in yapısı nedir? Antioksidan ve gıdalarda koruyucu olarak çok fazla kullanılan BHA (bütillenmiş hidroksianizol) gerçekte 2-/cr-bütil-4-metoksifenol ve 3-ter-bütil-4-metoksifenolün bir karışımıdır. BHA, p-metoksifenol ve 2-metilpropenden sentezlenir. (a) Bu sentezin nasıl yapıldığını gösteriniz, (b) Çok kullanılan di ğer bir antioksidan ise BHT’dir (bütillenmiş hidroksitoluen). BHT, gerçekte 2,6-r£,r-bütil-4-metilfenol ve /;-krezol ile 2-metilpropenden çıkılarak sentezle nir. Burada hangi tepkime kullanılır? 2,4-D adlı herbisit fenol ve kloroasetik asitten sentezlenebilir. Sentez basa maklarını yazınız.

C1 2,4-D (2,4-diklorofenoksiasetik asit)

Kloroasetik asit

Ek Problemler

Şekil 21.1 Z bileşiğinin (Problem 21.22) 300 MHz 'H NMR spektrumu, sinyallerin geniş letilmiş şekilleri kaydırılmış olarak ayrıca verilmiştir.

21.22

21.23

Z bileşiği (C5 H|0O) karbon tekraklorürdeki bromun rengini giderir. Z’nin İR spektrumunda 3200 - 3600 cm ' bölgesinde yayvan bir pik görünür. 300 MHz 'H NMR spektrumu Şekil 21.1'de verilmiştir. Z için bir yapı öneriniz. Bir /3-reseptör blokeri olarak bilinen toliprolololün sentezi 3-metilfenol ve epiklorohidrin arasındaki bir tepkimeyle başlar. Bu sentez aşağıda verilmiştir. Ara ürünlerin ve toliprolololün yapılarını yazınız. OH~

3-Metilfenol + H2C - C H —CH2C1--- ►C 10H i3O2C1-------► O Epiklorohidrin (C H ) C H N H

C,0H 12O2- ——----- ^ Toliprolol, C13H21N0 2 21.24

Aşağıda formülü verilen 2,2'-dihidroksi-l,r-binaftilin enantiyomerik yapıla rının nasıl mümkün olduğunu açıklayınız.

OH OH

21.25

Difenil eter (1) elde etmek amacıyla, /?-kloronitrobenzen 2,6-di-n?/-bütil fenoksit ile tepkimeye sokuluyor. Ancak elde edilen ürün 1 değil, bunun bir izo meridir ve fenolik hidroksil grubu içermektedir.

1

Oluşan bu bileşik nedir ve bu bileşiğin oluşmasını nasıl açıklayabilirsiniz?

1045

1046


21.26

Fenolün Dow işlemi ile üretiminde bifenil eter (1) ve 4-hidroksibifenil (2) yan ürünleri de elde edilmektedir. Bu bileşiklerin oluşumunu açıklayınız.

1

2

21.27

SNAr tepkimelerinde ayrılan grup genelikle bir halojeniir iyonudur. Ayrılan grubun hidrıir olduğu aşağıda tepkimenin oluşumunu açıklayınız.

21.28

W bileşiği Japon’ların balık yemi olarak kullandıkları bir çeşit deniz kurdun dan izole edilmiş ve kendisiyle temas eden bazı böceklere zehir etkisi göster diği görülmüştür.

MS (m/z): 151 (bağıl bolluğu 1.09), 149 (M:, bağıl bolluğu 1,00), 148 IR (cm 1): 2960, 2850, 2775 'H NMR (d): 2,3 (b, 6 H); 2,6 (i, 4H); ve 3,2 (ç, İH) L'C NMR (5): 38 (CH3), 43 (CH2) ve 75 (CH) W nun yapısı hakkında daha fazla bilgi edinmek için aşağıdaki tepkimeler ya pılmıştır: NaBHj

C6H,COCl

Raney Ni

W ------- - X ---- ------ - Y ----- -— ►Z X bileşiği 2570 cm ' de yeni bir İR bandı vermektir ve; 'H NMR (5): 1.6 (ü. 2H; 2,3(b, 6 H); 2.6 (ç. 4H) ve 3,2 (ç, İH) ,3C NMR (5): 28 (CH2), 38 (CH3) ve 70 (CH) Y bileşiğinin verileri de şunlardır: İR (cm '): 3050, 2960, 2850, 1700, 1610, 1500, 760, 650 'H NMR (5): 2,3 (b, 6 H); 2.9 (i, 4H); 3.0 (ç, 1H); 7,4 (ç, 4H); 7,6 (ç, 2H); 0,8 (ç, 4H) UC (8): 34 (CH2), 39 (CH3), 61 (CH), 128 (CH), 129 (CH), 134 (CH), 135 (C), ve 187 (C) Z bileşiğinin verileri ise:

MS (m/z): 87 (M:), 8 6 . 72 IR (cm '): 2960. 2850. 1385, 1370, 1170 'H NMR (5): 1,0 (i, 6 H); 2,3 (b, 6 H) ve 3,0 (yedili, İH) L,C (5): 21 (CH3), 35 (CH3) ve 55 (CH) W ’nun ve bunun ürünleri olan X, Y ve Z’nin yapıları nasıldır? *21.29

Fenol, sodyum bor hidrür ile etkileştirilmesi ve ardından tepkimeye girmeyen aşırı hidrürü yok etmek için asitlendirilmesiyle genellikle bir değişime uğra maz. Örneğin. 1,2-, 1,3- ve 1,4-benzendioller ve 1,2.3-benzentriol bu koşul larla değişmezler. Buna karşılık, 1,3,5-benzentriol (phloroglucinol) aşağıda özellikleri belirtilen A bileşiğini yüksek verimle verir.


1047

MS (m/z): 1 10 IR (cm '): 3250 (geniş), 1613, 1485 H NMR (5, DMSO da): 6,15 (ç, 3H); 6.89 (ü, İH) ve 9,12 (b, 2H) (a) A’nın yapısı nedir? (b) Yukarıdaki tepkime için bir mekanizma öneriniz, f 1,3,5-Benzentriol, basit fenollerin aksine daha çok keto tautomerik yapısında bulunmayı yeğler.]

1.

Tiroksin, tiroid bezi tarafından salgılanan ve metabolik etkinlikleri düzenleyen bir Ö ğrenme G rubu hormondur. Daha önceki Öğrenme Grubu Problemlerinde (Bölüm 15) tiroksinin kimyasal sentezini içeren tepkimeleri ele almıştık. Aşağıda ise optikçe saf tiroksi PROBLEMLERİ nin trosin amino asidinden sentezi verilmiştir (ayrıca aşağıdaki Problem 2’ye ba kınız). Bu sentezin endüstriyel ölçeklerde yararlı olabileceği gösterilmiştir. [Bu şema Fleming, I. Selected Organik Syntheses, Wiley: New York, 1973, sayfa 31-33’den uyarlanmıştır.] (a) l'den 2’y e l ’in 2'ye dönüştürülmesindeki tepkimenin tipi nedir? Bu dönüşü mün ayrıntılı mekanizmasını yazınız. 2 'deki nitro grupları nasıl or taya çıkmıştır? (b) 2'den 3’e (i) 2’nin 3’e dönüşmesindeki 1. basamağın ayrıntılı mekanizmasını yazınız. (ii) 2'nin 3'e dönüşmesindeki 2. basamağın ayrıntılı mekanizması nı yazınız. (iii) 2'nin 3’e dönüşmesindeki 3. basamağın ayrıntılı mekanizması nı yazınız. (c) 3’ten 4'e (i) 3'ün 4'e dönüşmesinde ne tip bir tepkime mekanizması izlenir? (ii) 3'ten 4’e geçiş tepkimesinin ayrıntılı mekanizasım yazınız. Tep kimenin içerdiği ara ürün nedir? (d) 5'ten 6 ’ya 5’teki metoksi grubunun 6 ’da fenol hidroksiline dönüşmesinin ay rıntılı mekanizmasını yazınız.

Tirosin (1)

C H ,0

1048


2.

Tirosin fenolik yan zincir taşıyan bir amino asittir. Tirosinin bitki ve mikroplarda ki biyosentezi, korismatın prefenata enzimatik dönüşümünü içerir (aşağıya bakı nız). Prefenat daha ileri tepkimeler üzerinden tirosin verir. Bu basamaklar aşağıda görülmektedir.

Prefenat

Korismat prefenat dehidrojenaz

^"NAD~ ^

NADH + CO,

OH Tirosin

4-Hidroksifenilpiruvat

(a)

Korismatın prefenata korismat mutaz ile enzimatik dönüşümü hakkında önemli araş tırmalar ve tartışmalar bulunmaktadır. Yukarıda enzim katalizli mekanizmaya tam uymamakla birlikte, bu bölümde öğrendiğimiz hangi laboratuvar tepkimesi, korismatm prefenata biyokimyasal dönüşümüne karşılık gelir? Korismatın prefenata dö nüştüğü böyle bir tepkimede elektronların hareketlerini göstermek için oklar kullanınız. (b) Yukarıda önerdiğiniz tepkime tipi laboratuvar sentezine uygulandığında, tepkime genellikle uyumlu sandalye konformasyonu geçiş durumu üzerinden yürür. San dalyenin beş atomu karbon, biri oksijendir. Hem çıkış maddesinde, hem de ürün de sandalyenin bir bağı kaybolmuştur. Fakat bağların yeniden düzenlenmesi aşamasında, elektron yoğunluğunun sandalye atomları boyunca akışı kabaca uyum ludur. Aşağıdaki çıkış maddesini ele alarak, ürünün yapısını ve bu tip tepkimeler de görülen sandalye konformasyonu geçiş durumunu yazınız.

(c)

NAD*’nın nikotinamit halkasının yapısını yazınız ve NAD+,ya hidrür aktarılması ile perfenatın 4-hidroksifenilpiruvata dekarboksilasyonunu gösteren mekanizmayı oklar çizerek gösteriniz (bu, prefenat dehidrojenaz mekanizmasının içerdiği bir iş lem tipidir). (d) Glutamat (glutarik asit) ve a-ketoglutaratın yapılarını bulunuz ve 4-hidroksifenilpiruvatın tirosine dönüşümündeki transaminasyon işlemini göz önüne alınız. Bu


transaminasyonda amino grubu kaynağını belirtiniz. (Yani amino grubu “vericisi” hangi sidir?). Amino grubunun vericisinden aktarılmasından sonra hangi fonksiyonel grup ka lır? Bu trans aminasyon için bir mekanizma öneriniz? Önerdiğiniz mekanizmanın muhtemelen çeşitli imin ara ürünlerinin oluşumunu ve hidrolizini kapsayacağına dikkat ediniz. Benzer tepkimeleri; Altbölüm 16.8’de öğrenmiştik.

1049

İkinci Karma Problem Takımı

1. Aşağıdaki serilerin her birindeki bileşikleri artan asilliklerine göre sıralayınız. O (a)

CH3CH2OH

I

Chacón

0

I

0

I

o

I

CH3OCCH2COCH3 CH3CCH3

O

(d) CH3CC12C0H

CH3CH2C0H

CH3CHC1C0H

O

o 2.

Aşağıdaki serilerin her birindeki bileşikleri artan bazltklarına göre sıralayınız. O (a) CH,CNH2 CH3CH2NH2 NH3

(d) CH3CH2CH3 CH3NHCH3 CH30CH3

3.

Aşağıdaki her bir bileşiği. 1-bütanolden çıkarak ve gerekli diğer reaktifleri kulla narak sentezleyiniz. Bu problemin önceki kısımlarında yaptığınız basamakları tek rarlamanıza gerek yoktur. (a) Biitil bromiir (c) Pentilamin (e) Pentanoik asit (b) Bütilamin (d) Bütanoik asit (f) Bütanoil klorür

1050

İkinci Karma Problem Takımı

(g) Bütanamit (h) Biitil bütanoasit 4.

(i) Propilamin (j) Biitilbenzen

(k) Bütanoik anhidrit (ı) Heksanok asit

Aşağıdaki bileşiklerin her birini benzen, toluen ya da anilinden çıkarak ve diğer gerekli reaktifleri kullanarak sentezleyiniz.

(c)

C1 Br

5.

A-D bileşiklerinin stereokimyasal yapılarını yazınız. 2-Metil-1,3-bütadien + dietil fumarat B (C13H20O4) ^

6.

A (Cl3H20O4)

( 1) LİA1H4, (2)/H20

C (C9H14Br2)-Zn-’H,Q+-» D (C9H16)

A vitamininin (Altbölüm 17.5B) endüstriyel sentezinde anahtar ara ürün olan Grig nard bileşiği aşağıdaki yolla sentezlenebilir. O II

(l)sıvı NH,

H ,0+

HC=CLi + CH,=CHCCH 3 -------------►A (QHsO) —----► 2

3 (2) NH4+

v

6 8 '

CH, !

2 CÜ-LMaBr

B HOCH,CH=C—C = C H ----- — ►C (C6H6Mg,Br20) (a) A ve C bileşiklerinin yapıları nedir? (b) A’nın B’ye asit katalizli çevrilmesi çok kolay meydana gelir. Bu olayın ger çekleşmesindeki iki etken nedir? 7,

Vitamin A’nın (bir asetat olarak) endüstriyel sentezinde sonraki basamaklar aşa ğıdaki gibidir. Problem 6 ’da elde edilen Grignard bileşiği aşağıda gösterilen alde hit ile tepkimeye sokulur.

Bu basamaktan, asitlendirdikten sonra bir diol , D, elde edilir. D’nin üçlü bağının Ni2B (P-2) katalizörü kullanılarak yapılan seçimli hidrojenlenmesi E ’yi (C20H32O?)

1051

1052

İkincil Karma Problem Takımı

verir. E ’nin bir mol asetik anhidrit ile etkileştirilmesi bir monoaaselat (F) oluştu rur ve F'den su çıkarılması vitamin A asetat verir. D - F ’nin yapıları nasıldır? 8.

Asetonun hidrojen klorür varlığında aşırı fenol ile ısıtılması “bis fenol A” denilen bir bileşiğin endüstride üretiminin temelini oluşturur. (Bisfenol A epoksi reçinele rin ve Leksan adı verilen polimerin üretiminde kullanılır.) Bisfenol A’mn formülü C 15Hı60 2 ’dir. Sentezi sırasında meydana gelen tepkimeler DDT'nin sentezindekilere benzer (bkz. Özel Konu H). Bu tepkimeleri yazınız ve bisfenol A'nın yapısı nı belirtiniz. Lokal anestetik olan prokain in sentezi aşağıda verilmiştir. Prokainin ve A -C ara ürünlerinin yapılarını yazınız. A (C?H5N04) SOCT

p-Nitrotoluen (l)KMn° 4-OH-. (2) H30+

B (C7 H4C1N03)

HOCH2CH2N(C2H5)2

C (C | 3H 18N 2Q4)

H- l '

- ► prokain (C 13H 20N 2O 2)

10. Bir yatıştmcı-uyku verici olan etinamat aşağıdaki gibi sentezlenebilir. Etinamatm ve A ve B ara ürünlerinin yapılarını yazınız. Sikloheksanon

A(C8H,2Q) CIC0C1» B (CqHuC10,) NH’ ►etinamat (C9H| 3N02)

11. Antihistaminlerin ilk örneği olan difenhidramin (Benadril de denir) aşağıdaki tep kime dizisiyle sentezlenebilir. (a) Difenhidraminin ve A ve B ara ürünlerinin ya pılarını yazınız, (b) Sentezin son basamağı için uygun bir mekanizma öneriniz. Benzaldehit

( 11 CtH;M°Br' (2) H?0+>

B (C,3HuBr)

A (r H170 ) ^ 1 __►

difenhidramin (c ]7H21NO)

12. Aşağıdaki ilaçları sentezlemek için yukarıda verilen problemdeki sentezi ne gibi değişikliklere uğratırsınız? (a) Br

CHOCH2CH2N(CH3)2

Bromodifenhidramin (bir antihistaıııin)

G6H5 ch3 (b) O

-

CHOCH2CH2N(CH3) 2

Orfenadrin (bir antispazmotik, Parkinson hastalığını kontrol etmekte kullanılır)

c 6h 5

13. Burada 2-metil-3-oksosiklopentankarboksilik asitin sentezi verilmiştir. Her bir ara ürünün yapısını belirtiniz. CH,(CO,C?H j„ EtO-

CH3CHC02C2Hs — =—

CH^CHCN. EtO"

------ ►A (C12H20O6) — =---------------►

Br O B (C15H23N06)

EtOH. HA

EtO

* C (C| 7H2g0 8)

^ D (C15H220 7)

____ / (1) 0H ‘ .H ^ ,0. ısı (2) H.O“. (3) ısı

\ ^ ^ \

ch3 J

c o 7h


14. A-D bileşiklerinin yapılarını yazınız. D bileşiği 1720 cm 1 yakınında şiddetli bir İR soğutma bandı verir ve karbon tetraklorürdeki brom çözeltisi ile radikal içer meyen bir mekanizma üzerinden tepkimeye girer. n

9ı

0

ı 0ı

HCI

CH,CCH,COC,H,

CH,CCH3 ----- ►A (C6H„,0)---- —

baz

--- —►[B ( C12^ O 20 , 4) ] ----- * '

HA. H,0. ısı

C (C12H 180 3) -------=-------►D (C9HI40) 15. Geniş spektrumlu bir antibiyotik olan kloramfenikol'ün bir sentezi aşağıda veril miştir. Son basamaktaki hidroliz, amit grubu yanında ester bağını seçimli olarak hidrolizler. A -E ara ürünlerinin yapıları nedir. Benzaldehit + H0CH2CH2N0 2 Ü21*. A (C9HnN04) B (C9H13N02)

^

^

kat »

C (C11H13N03)

D (C15H17C12N05) HNQ" H:SQV

e

(C15H16C12N20 7) -0 1 1 - 11 ()» OH

O^N—<( ^

—CHCHCH2OH n h c o c h c i2

Kloramfenikol

16. Sakinleştirici bir ilaç olan meprobamat (Equanil ya da Miltovvn) 2-metilpentanalden aşağıdaki gibi sentezlenir. Meprobamat ve A -C ara ürünlerinin yapılarım ya zınız. O CH,CHoCH„CHCH HCH0-QH > [A (C7H 140 2)] ”CuH°> B (C7H160 2) ■C1C0C1> OH-

CH, C (C9HI4C120 4)

NH,

meprobamat (C9H 18N,04)

17. A -C nin yapıları nedir? C bileşiğinden bir böcek kovucu olarak yararlanılır. „... . . . ... CH,CH,CH,OH . . SOCİ, Suksınık anhıdrıt — -— :—:— ►A (C7uH,200 4)----—+■

B (C?H,,C103)(CH
+ (E)-C6H5CH=CHNO-,

B (Ci3H|7N2)

CH,CHO

A (CnH. ,N07)

H2. Pt

H ı.N i

[C (C15H|9N)]-------- ►fenkamfamin (C^H^N)

19. A ve B bileşikleri nedir? B bileşiği 1650 -1730 cm 1 bölgesinde şiddetli, 3200-3550 cm' 1 bölgesinde ise geniş ve şiddetli İR soğurma bandlarına sahiptir.

(l)OsOj.

CrOî

(2) NaHSOj

CH3CO3H

İ-Metilsikloheksen ------ -— ►A (C7 H|40 7) --- 1

B(C7 H120 2)

1053

1054


20. //w/5'-4 -İzopropiIsikloheksankarboksilatın (yapısı aşağıda verilmiştir) bir stereoseçimli sentezini fenolden çıkarak gerçekleştiriniz.

21. Y (C6H[40) bileşiği başlıca 3334, (geniş), 2963, 1463, 1381 ve 1053 cn r 1 de be lirgin İR soğurma bandları vermektedir. Y nin geniş band proton-eşleşmesiz L,C NMR spektrumu Şekil 1’de görülmektedir. Y için bir yapı öneriniz.

Y. c 6H ı4o

220

190

200

180

ch3

180

170

160

160

150

140

140

130

120

120 100 5C(ppm)

110

100 8 C

90

80

80

70

60

60

40

50

40

20

30

20

0

10

0

Şekil I Y (Problem 21) ve Z (Problem 22) bileşiklerinin geniş band proton-eşleşmesiz L'C NMR spektrumları. DEPT K'C NMR spektrumlarından elle edilen bilgiler de ayrıca pikle rin üzerinde verilmiştir.


22. Z (C8H16) bileşiği bir stereoizemer çiftinin daha kararlı olan üyesidir ve karbon tetraklorürdeki brom çözeltisi ile bir iyonik mekanizmaya göre tepkimeye giren. Z'nin ozonlanması tek bir ürün verir. Z'nin geniş band proton-eşleşmemiş l3C NMR spektrumu Şekil 1’de verilmiştir. Z için bir yapı öneriniz. 23.

Aşağıdaki perasetik asit içeren tepkimeyi gözönıine alınız:

B ürünün spektral verileri aşağıdadır:

MS (m/z): 150 (Mî), 132 İR (cm 1): 3400 (geniş), 750 (690-710 aralığında soğurma yok) *H NMR (5): 6 ,7-7,0 (ç, 4H); 4,2 (ç, İH); 3,9 (i, 2H); 2,9 (i, 2H), 1,8 (İH; D20 ile etkileştirildikten sonra kaybolur) l3C NMR (S): 159 (C), 129 (CH), 126 (CH), 124 (C), 120 (CH), 114 (CH), 78 (CH), 70 (CH2) ve 35 (CH2)

(a) B’nin yapısı nedir? (b) B’nin oluşumu için bir mekanizma öneriniz.

1055

Ö zel Konu

c«-T et rametilsiklobü ten

Elektrosiklik ve Siklokatılma Tepkimeleri G . l GiRiş Kimyacılar, tepkimenin baştan sona yürüyüşünün, moleküler orbitallerin belirli simetri özellikleri tarafından kontrol edildiği birçok tepkimenin olduğunu bulmuşlardır. Bu tep kimeler halkalı geçiş halleri üzerinden yürüdüklerinden bunlara çoğunlukla perisiklik tepkimeler denir. Daha önceki konularda moleküler orbital teorisini gördük ve bu teorinin özellikle konjuge polienlere (dienler, trienler, vb.) nasıl uygulandıklarını öğrendik. Ar tık burada, perisiklik tepkimelerin ilginç yönlerinin bazılarını inceleme aşamasındayız. İki temel türü, elektrosiklik tepkimeler ve siklokatılma tepkimelerini, ayrıntılarıyla in celeyeceğiz.

G .2 E l e k

t r o s İk l İk

T

e p k im e le r

Bir çok tepkime, burada gösterilene benzer şekilde, bir konjuge polieni bir halkalı bile şiğe dönüştürür.

1,3-Bütadien

Siklobüten

Diğer bir çok tepkimede ise halkalı bir bileşiğin halkası açılır ve konjuge polien oluşur.

Siklobüten

1,3-Bütadien

Her iki tepkime türüne de elektrosiklik tepkimeler adı verilir. Elektrosiklik tepkimelerde a ve tt bağları biribirlerine dönüşürler. Birinci örneği mizde 1,3-bütadienin bir 7rbağı, siklobütende bir cr bağına dönüşmüştür. İkinci örneği mizde ise, tersi olmakta, yani siklobiitenin bir a bağı, 1,3-bütadiende bir 7r bağına dönüşmektedir. Elektrosiklik tepkimelerin kendine özgü bazı özellikleri vardır:12 1. Başlama için yalnızca ısı ya da ışık gereklidir. 2. Mekanizmaları radikal ya da iyonik ara ürünleri içermezler.

G.2 Elektrosiklik Tepkimeler

3. 4.

Bağlar, halkalı bir geçiş hali içeren uyumlu tek bir basamakta kırılır ve oluşurlar. Bu tepkimeler oldukça stereoözgüdür. Aşağıdaki örnekler elektrosiklik tepkimelerin bu son özelliğini göstermektedir.

rra/;s,ira/ıs-2,4-Heksadien

cis-3,4-Dimetilsiklobüten

CH, trans, c/s,iraws-2,4,6-Oktatrien

cA-5,6-Dimetil-l,3sikloheksadien

Bu örneklerin her birinde, çıkış maddesinin tek bir stereoizomeri. ürünün tek bir stereoizomeri vermektedir. Örneğin, trans, r/rm.y-3,4-heksadienin uyumlu fotokimyasal halkalaşması yalnızca c/.v-3,4-dimetilsiklobüten verir, fra/«-3,4-dimetilsiklobüten vermez.

.CH, a h

---- JSJ|'CH3 H

(oluşmaz)

CH, fra/is,fra/7s-2,4-Heksadien

trans-İ,4-Dimetilsiklobüten

Diğer iki uyumlu tepkime de aynı stereoözgiilükle karakterize edilir. Burada inceleyeceğimiz elektrosiklik tepkimeler ve sonraki altbölümde göreceğimiz siklokatılma tepkimeleri 1960’a kadar kimyacılar tarafından çok az anlaşılmıştır. 1960’tan sonraki yıllarda bir çok bilim adamı, özellikle Japonya’dan K. Fukui, İngiltere’den H. C. Longuet-Higgins ve A.B.D’den R. B. Woodward ve R. Hoffmann bu tepkimelerin nasıl meydana geldiklerini ve neden oldukça stereoözgü olduklarını anlamamıza yara yan temelleri oluşturmuşlardır.* Bütün bu bilim adamları molekiiler orbital kuramından hareket etmişlerdir. 1915'te Woodward ve Hoffman geliştirdikleri teoriyi bir kurallar dizisi haline getirmişler, böylece yalnızca bilinen tepkimelerin anlaşılmasını sağlamakla kalmayıp henüz yapılma mış bir çok tepkimenin de doğru olarak tasarlanmasını sağlamışlardır.

* H offm an ve Fukui bu çalışm alarından dolayı 1981’de N obel Ö dülü alm ışlardır.

1057

1058

Özel Konu G / Elektrosiidik ve Siklokatılma Tepkimeler

Woodward-Hoffmann kuralları yalnızca uyumlu tepkimeler içindir. Uyumlu tepki meler bağ kırılması ve bağ oluşmasının eşzamanlı olduğu ve bu yüzden hiç bir ara ürü nün meydana gelmediği tepkimelerdir. Woodward-Hoffman kuralları şu hipoteze dayanır: Uyumlu tepkimelerde, tepkimeye girenin molekiiler orbitalleri ürünün moleküler orbitallerine kesintisiz olarak dönüşür. Bununla birlikte, moleküler orbitallerin bu dö nüşümü gelişigüzel değildir. Moleküler orbitaller simetri özelliklerine sahiptirler. Bu ne denle, reaktantların moleküler orbitallerinin ürünün belirli moleküler orbitallerine dönüşebilmesi için bazı sınırlamalar vardır. Woodward ve Hoffmann’a göre bir tepkimenin izleyeceği yollardan bazılarının si metri izinli diğerlerinin ise simetri yasaklı olduğu söylenir. Belirli bir yolun simetri yasaklı olması, tepkimenin olmayacağı anlamına gelmez. Simetri yasaklı olmasının an lamı, basitçe, bir tepkime simetri yasaklı bir yol üzerinden meydana geliyorsa, uyumlu tepkimenin çok yüksek serbest aktifleşme enerjisine sahip olduğudur. Böyle tepkimel er muhtemelen farklı bir yol izleyecektir: simetri izinli başka bir yol üzerinden ya da uyumlu olmayan bir yol üzerinden gerçekleşecektir. Elektrosiklik tepkimelerin Woodward-Hoffmann kuralları kullanılarak yapılan tam bir analizi, tepkimeye giren maddelerin ve çıkan ürünlerin moleküler orbitallerinin hep sinin simetri özelliklerinin ilişkilendirilmesini gerektirir. Böyle bir analiz bizim burada ki amacımız dışındadır. Biz burada, canlandırılması kolay ve aynı zamanda pek çok durumda doğru olan basitleştirilmiş bir yaklaşımı ele alacağız. Elektrosiklik tepkimeler için olan bu basitleştirilmiş yaklaşımda dikkatimizi yalnızca konjuge polienin en yük sek dolu moleküler orbitaline (HOMO) odaklayacağız. Bu yaklaşım Fukui tarafından geliştirilen sınır orbital yöntemi denen bir yönteme dayanır.

G.2A 4n

77 -Elektron

Sistemlerinin Elektrosiklik Tepkimeleri

Bu kısma, aşağıda gösterilen c/s-3,4-dimetilsiklobüten ve c/\s,rra/u-2,4-heksadienin bir birine ısısal dönüşümünün bir analizi ile başlayalım.


\

(+) ©

z ,

1+1z c\ H sc f a /

H

h

3c

(+)

Temel halin en yüksek dolu moleküler orbitali (HOMO)

«s,rra//s-2,4-Heksadien

Elektrosiklik tepkimeler tersinirdir, ileri tepkime için olan yol ile geri tepkime için olan yol aynıdır. Bu örnekte, m,f/zm-2,4-heksadien ----►m-3,4-dimetilsiklobüten halkalaşma tepkimesini izlersek orbitallere ne olduğunu kolayca görebiliriz. Bu halkalaşmada heksadienin bir tt bağı, siklobütenin bir cr bağına dönüşür. Acaba bu bağı hangisidir? Bu dönüşüm nasıl olmuştur? 2,4-Heksadienin 7r moleküler orbitallerini inceleyerek başlayalım: özellikle, temel halin HOMO'suna (Şekil G.la) bakalım. İncelemekte olduğumuz m,rrafts-2,4-heksadien + * c/sG^-dimetilsiklobüten halkalaşması yalnızca ısı ister. Bu yüzden, bu tepkimede, ışık soğurulmasını gerektiren heksadieninin uyarılmış haline gerek olmadığı sonucuna varırız. Dikkatimizi ı}/2—temel halin HOMO’su—üzerinde toplarsak, C2 ve C5’teki p orbitallerinin, siklobütendeki a bağına nasıl dönüştüğünü görebiliriz.


Şekil G. I 2,4-Heksadienin tt molekül orbitalleri. (a) Temel halin elektron dağılımı, (b) Bi

rinci uyarılmış halin elektron dağılımı. (Birinci uyarılmış hal, molekül uygun dalga boyun da bir ışık fotonu soğurduğunda oluşur.) 2,4-Heksadieninin orbitallerinin Şekil 13.5'te verilen 1,3-bütadieninkilerine bezediğine dikkat ediniz.

C2 ve C5 arasındaki er bağı p orbitallerinin aynı yönde dönmesiyle (örnekte, her iki si de saat yönünde ya da saat yönünün tersi yönde; her iki dönme da aynı sonucu verir) oluşur. İki p orbitalinin aynı yönde dönmesini tanımlamak için eş yönlü dönme (konrotatori) terimi kullanılır.

3

{-)

î r C 1 H

Eş yönlü dönme (C2 ve C5 arasındaki etkileşim bağ oluşumuna neden olur)

4 \

(+)

r

(+) 1 H

1059

1060

Özel Konu G / Elektrosiklik ve Siklokatılına Tepkimkeleri

Aynı yönde dönme p-orbitallerinin aynı faz işaretli loblarını örtüşmeye uygun hale getirir. Aynı zamanda, iki metil grubu da halkanın aynı tarafına, yani cis konfigürasyonuna gelir.* Metil gruplarının eş yönlü dönmesinden beklediğimiz ürün ile doğru yapılan deney lerden elde edilen ürün uyuşmaktadır: Isısal tepkime, c/s'-3,4-dimetilsiklobüten ve cis, /7W7S-2,4-heksadienin birbirine dönüşümünü gerçekleştirir.

Eş y ö n lü dö n m e


Şimdi bir başka 2.4-heksadien * * 3,4-dimetilsiklobüten dönüşümünü, ışık et kisiyle olanını, inceleyebiliriz. Bu tepkime aşağıda görülmektedir.

H

Z ıt y ö n lü dönm e


Bu fotokimyasal tepkime, c7£-3,4-dimetiIsiklobüten ile trans, /ra/w-2,4-heksadieni biribirine dönüştürür. Bu fotokimyasal dönüşüm metil gruplarının zıt yönlerde dönmesiy le, yani metil gruplarının zıt yönlü dönmeleriyle (disrotatori) meydana gelir. Bu fotokimyasal tepkimeyi, 2,4-heksadienin orbitalleıini göz önüne alarak da anla yabiliriz. Bu tepkimede—önce ışığın soğurulması gerektiğinden—heksadienin birinci uyarılmış haline bakmalıyız. İlk uyarılmış halde ıjt% en yüksek dolu molekül er orbitcıl olduğundan ıp'fı incelemeliyiz.

İlk uyarılmış halin en yüksek dolu moleküler orbitali H

t/r^’ın C2 ve C5!indeki orbitalleıin zıt yönlü dönmesi aynı işaretli lobları karşı karşıya getirir ve bu karbonlar arasında bağlayıcı sigma moleküler orbitali meydana gelir. Kuş* Eş y ö n lü dönme zıt tarafa doğru (saat yönünün tersine ) olsaydı b ile aynı faz işaretli lo bla r yine örtüşebileceklerdi ve m e til gru pla n yine cis olacaktı.

(bağ oluşumuna yol açan etiketleşme)


kuşuz, orbitallerin zıt yönlü dönmesi metil gruplarını da zıt yönde döndürür. Deneysel sonuçlar da bu söylediklerimizle uyum içindedir. Bu fotokimyasal tepkime c/s-3,4-dimetilsiklobüteni ve trans, i/w?.s'-2,4-heksadieni biribirine dönüştürür.

Zıt yönlü dönme (C2 ve C5 arasında bağ oluşmuna yol açar)

trans, /ra«5-2,4-Heksadien

cıs-3,4-Dimetilsiklobüten

Yukarıda verilen her iki dönüşüm de c/5'-3,4-dimetilsiklobüten verdiğine göre, bu iki tepkimeyi aşağıdaki gibi özetleyebiliriz:

CH3 trans, /ra«s-2,4-Heksadien

Bu iki tepkimenin tamamen zıt stereokimya ile oluştuğunu görüyoruz. Ayrıca, birbirine dönüşümün stereokimyasının, tepkimenin ışık mı yoksa ısı mı uygulanarak gerçekleşti rildiğine bağlı olduğunu da görüyoruz. Birinci Woodward-Hoffmann kuralı aşağıdaki gibi ifade edilebilir:

1.

4n 7t elektronu içeren (burada n = 1,2,3,...) ısısal elektrosiklik tepkimeler eş yönlü dönmeyle; fotokimyasal tepkimeler ise zıt yönlü dönmeyle yürür.

Yakarıda incelediğimiz her iki tepkime de An elektron sistemindedir ve her ikisi de bu kurala uyar. Woodward ve Hoffmann bu kuralı koyduktan sonra başka pek çok An ır elektronlu dönüşümleri incelemiş ve hepsinin de bu kurala uyduğu görülmüştür.

1061

1062

Özel Konu G / Elektrosiklik ve Siklokatıkna Tepkimeleri

P ro b le m G . I

>• cis, lersiniz?

4-Heksadienin uyumlu fotokimyasal halkalaşmasından hangi ürünü bek CH,

cis, frans-2,4-Heksadien

P r o b l e m G .2

>■ (a) Aşağıdaki ısısal elektrosiklik tepkimede hangi orbitallerin işe karıştığını göste riniz. H H,C ,C H 3 """H ÇH CH3 H,C (b)

trans, t/£//?.s-2,4-heksadienin m .f/w / 5 -2 ,4 -heksadiene stereoözgü dönüşümü için bir yöntem önerebilir misiniz?

P r o b l e m G .3

P r o b l e m G .4

Gruplar aynı yönde mi yoksa zıt yönde mi döner?

V

Aşağıdaki 2,4,6,8 -dekatetraenler ışık ya da ısı etkisinde halka kapanması ile dimctilsiklooktatrienleri verirler. Her bir tepkimeden hangi ürünü beklersiniz?

(a) I

\

P r o b l e m G .5

^

ch" 3

^ 9

>• Aşağıdaki her bir tepkimenin, (1) eş yönlü dönme ya da zıt yönlü dönme ile mi yü rüdüğünü, (2 ) ışık etkisinde mi, yoksa ısı etkisinde mi meydana geldiğini belirtiniz.

(a)

(b)

H H


G.2B (4n + 2)

t i-

Elektron Sistemlerinin Elektrosiklik Tepkimeleri

Elektrosiklik tepkimelerle ilgili ikinci Woodward-Hoffmann kuralı aşağıdaki gibi ifade edilir:

2.

(4/ı + 2) 77 elektronlu (burada n = 0, 1, 2,.. .) ısısal bir elektrosiklik tepkime zıt yönlü dönmeyle, fotokimyasal bir tepkime ise eş yönlü dönmeyle yürür.

Bu kurala göre, (4// + 2) 77-elektron sistemlerinin ısısal ve fotokimyasal tepkimelerinin dönme yönleri 4/7 sistemlerin dönme yönlerinin zıttıdır. Her iki sistemi Çizelge G.l ’de ki gibi özetleyebiliriz. Aşağıdaki n-a/7s-5,6-dimetil-l,2-sikloheksadienin ve iki farklı 2,4,6-oktatrienin bir birlerine dönüşümleri, 6 77-elektronlu sistemlerin (4;/ +2, burada n = 1) ısısal ve foto kimyasal dönüşümlerini göstermektedir.

trans, cis, trans-2,4,6-

Oktatrien

Aşağıdaki ısısal tepkimede metil grupları zıt yönde dönmektedir.

trans, cis, cis

Çizelge G.l Elektrosiklik Tepkimeler için Woodward-Hoffmann Kuralları Elektron Sayısı 4/7 4/7 4/7 + 2 4/7 + 2

Hareket Eş yönlü Zıt yönlü Zıt yöndlü Eş yönlü

Kural Isısal olarak izinli, fotokimyasal olarak yasaklı Fotokimyasal olarak izinli, ısısal olarak yasaklı Isısal olarak izinli, fotokimyasal olarak yasaklı Fotokimyasal olarak izinli, ısısal olarak yasaklı

1063

1064

Özel Konu G / Elektrosiklik ve Siklokatılma Tepkimeleri

Şekil G.2 2,4,6-Oktatrienin

s¡Jß

moleküler orbitalleri. Mole kül uygun dalga boyunda ışık soğurduğunda birinci uyarıl mış hal oluşur. (Bu moleküler orbitaller, burada tartışma kapsamı dışında olan işlemler kullanılarak elde edilir.) 77

c h 3-

ch

-

c h

,.j

-

c h

-

ch

-

^ ch

-

ch

-

ch

,

K a rş ıtbağlayıcı orbi ta lle r

rt

C H , - C H - C H - CH -

.J

j

C H - C H - C H - CH..

HOMO

J

Bağlayıcı o rb ita lle r

C H ,- C H - C H - C H - C H - C H - C H -

..J J J -
B irin c i uyarılm ış hal

Bu fotokimyasal tepkimede gruplar aynı yönde dönerler.

Şekil G.2’deki 77 moleküler orbitallerini incelersek, bu tepkimelerin nasıl meydana geldiğini anlayabiliriz. Burada dikkatimizi bir kere daha en yüksek dolu moleküler orbitallere çevirmemiz gerekir. 2,4,6-Oktatrienin ısısal tepkimesinde, molekül temel hal de tepkimeye girdiğinden en yüksek dolu orbital ı|/3’tür.


trans, cis, cw-2,4,6-Oktatrien ¥ 3 orbitali

¡ğ3’ün C2 ve C7’deki orbitallerinin zıt yönlü dönmesinin karbonlar arasında bağla yıcı sigma moleküler orbitallerinin oluşmasını sağladığını aşağıdaki şekilden görebili riz. Bu orbitallerin zıt yönlü dönmesi, kuşkusuz, C2 ve C7’ye bağlı gruplarm da zıt yönde dönmesini gerektirir. rra/7.s,cA,C7.s-2,4,6-oktatrien ----► i;w7.s-5,6-dimetil-l ,2-sikloheksadien ısısal tepkimesinde bu gruplarm zıt yönde döndüğünü gözleriz.

trans,cis,trans-2A,6-Oktdirien---- ► t7Y//?,s'-5,6-dimetil-l,3-sikloheksadienin fotokim-

yasal tepkimesini ele aldığımızda, dikkatimizi ığf’a odaklamalıyız. Bu fotokimyasal tep kimede ışık, elektronun ığ3’ten ı f / f â aktarılmasına neden olur ve bu yüzden ığfHOMO haline gelir. Ayrıca C2 ve C7'deki orbitallerin, ki bunlar a bağı oluşturacak orbitallerdir, simetrilerini inceleriz. Aşağıda gösterilen dönüşümde, orbitallerin eşyönlü dön mesi aynı işaretli lobların örtüşmesine imkan verir. Böylece, bir fotokimyasal tepkimede gözlediğimiz gruplarm aynı yönde dönmesinin nedenini anlayabiliriz.

trans, cis, fra/ıs-2,4,6-Oktatrienin 4Vü

trans

1065

1066


Pro blem G.6

► Aşağıdaki elektrosiklik tepkimelerin her birinden beklediğiniz ürünün stereokimya-

Pro blem G.7

^

Pro blem G.8

>• A bileşiği ısıtıldığında tepkime karışımından B bileşiği izole edilebilir. Burada ardarda iki elektrosiklik tepkime meydana gelir; birincisi bir 4 77-elektron sistemi, ikin ci ise bir 6 77-elektron sistemi içerir. Her iki elektrosiklik tepkimeyi gösteriniz ve ara ürünün yapısını yazınız.

fra//.s-5,6-Dimetil-l,3-sikloheksadieni m-5,6-dimetil-l,3-sikloheksadiene dönüş türmek için stereoözgü bir yöntem önerebilir inisiniz?

G .3 SİK LO K A T ILM A TEPK İM ELER İ Alken ve polienlerin, iki molekülün biribirine katılarak halkalı ürünler verdiği pek çok tepkimesi vardır. Bu tepkimelere siklokatılma tepkimeleri denir. + ^ ı ı - -

\ h

Alken

Alken +

^ ||

Alken (dienofil)

[2 + 2] siklokatılnıası

Siklobütan

[4 + 2] siklokatılnıası -

Dien

□

0 Sikloheksen (katılma ürünü)

Kimyacılar siklokatılma tepkimelerini her bir bileşende işe karışan jc elektronlarını sayarak sınıflandırırlar. İki alkenin bir siklobütan verdiği tepkime [2 + 2] siklokatılma tepkimesi, bir dien ile bir alkenin bir sikloheksen oluşturduğu tepkime [4 + 2] siklokatılma tepkimesi olarak adlandırılır. [4 + 2] siklokatılma, Altbölüm 13.11 ’de öğrendiği miz Diels-Alder tepkimesi olduğundan, bize yabancı değildir. Siklokatılma tepkimeleri, aşağıdaki özellikleri bakımından elektrosiklik tepkimele re benzerler: 1. 2. 3.

Sigma ve pi bağları birbirine dönüşürler. Siklokatılma tepkimeleri, başlama için yalnızca ısı veya ışık gerektirir. Uyumlu siklokatılmaların mekanizmaları radikaller ve iyonik ara ürünler içermez.

G.3 Siklokatılma Tepkimeleri

4. 5.

Bağlar, halkalı bir geçiş hali içeren uyumlu tek bir basamakta oluşur ve kırılır. Siklokatılma tepkimeleri oldukça stereoözgüdür.

Umabileceğimiz gibi, uyumlu siklokatılma tepkimeleri bir başka önemli yönden de elektrosiklik tepkimelere benzerler: Etkileşen moleküler orbitallerin simetri elemanları, onların stereokimyasını açıklamamıza imkan verir. Etkileşen moleküler orbitallerin si metri elemanları, ayrıca, siklokatılma tepkimeleri hakkında yaptığımız diğer iki gözle mi de açıklamamızı sağlar: 1. Fotokimyasal [2 + 2] siklokatılma tepkimeleri kolayca gerçekleşirken ısısal [2 + 2] siklokatılma tepkimeleri ancak şiddetli koşullarda meydana gelir. Isısal [2 + 2] siklokatılmaları uyumlu bir işlem üzerinden değil radikalik (ya da iyonik) mekanizma lar üzerinden yürürler. 2. Isısal [4 + 2] siklokatılma tepkimeleri kolay, fotokimyasal [4 + 2] siklokatılma tepkimeleri ise zor gerçekleşir.

G.3A [2 + 2] Siklokatılmaları İncelememize, iki eten molekülünün [2 + 21 siklokatılmasının bir siklobütan molekülü verdiği tepkimeyle başlayalım. CH,

H,C—CH,

2 II - — ► - 1 ch2

I

h 2c — c h 2

Bu tepkimede iki 77 bağının iki er bağına dönüştüğünü görmekteyiz. Acaba bu dönüşüm nasıl gerçekleşir? Bu soruyu cevaplamanın bir yolu, tepkimeye girenlerin sınır orbitallerini incelemektir. Sınır orbitalleri. tepkimeye girenlerden birinin HOMO’su, diğerinin LUMO’sudur. İki eten molekülünün bir siklobütan molekülüne uyumlu ısısal dönüşümünün olası lıklarını incelersek sınır orbital etkileşimlerinin nasıl rol oynadıklarını görebiliriz. Isısal tepkimelerde moleküller temel halde tepkimeye girerler. Etenin temel hal or bital diyagramı aşağıdaki gibidir.

ch 2— ch 2

7t* LUMO

Karşıtbağlayıcı orbital

HOMO

Bağlayacı orbital

n

Etenin temel hali

Temel haldeki etenin HOMO’su 77orbitalidir. Bu orbital iki elektron içerdiğin den diğer eten molekülünün boş moleküler orbitali ile etkileşir. Temel haldeki etenin LUMO’su, kuşkusuz, 7 7 * ’dır.

1067

1068

Özel Konu G / Elektrosiklik ve Siklokatılma Tepkimeleri Karşıtbağlayıcı etkileşim

Simetri yasaklı ch2

■ * --

Biı* eten molekülünün HOMO’su

ch2

Başka bir eten molekülünün LUMO’su

Yukarıdaki diyagramda görüldüğü üzere, bir eten molekülünün tt orbitali, diğer bir eten molekülünün 7t* orbitali ile, her iki karbon arasında da bağ oluşturacak şekilde örtüşemez. Çünkü üstteki karbon atomlarının orbitalleri zıt işaretlidir. Bu tepkimenin si metri yasaklı olduğu söylenir. Bunun anlamı nedir? Bunun anlamı, etenin ısısal (veya temel halde) uyumlu siklokatılma veremeyeceğidir. Bu sonuç deneysel olarak da bulu nabilir; etenin ısısal siklokatılması, olduğunda, uyumlu değildir ve radikal mekanizma ları üzerinden yürür. Diğer olasılık—fotokimyasal [2 + 2] siklokatılması—hakkında ne diyebiliriz? Bil eten molekülü uygun dalga boyunda bir ışık fotonu soğurursa bir elektronu 77’ den 7 7 * ’a atlar. Bu uyarılmış eten molekülünün HOMO’su 7r*’dır. Aşağıdaki diyagram, uyarılmış haldeki bir eten molekülünün HOMO’su ile temel haldeki bir eten molekülünün LU MO’su arasındaki etkileşmeyi göstermektedir. Bağlayıcı etkileşim Simetri izinli

CH2

CH Uyarılmış haldeki bir eten molekülünün HOMO’su

Bağlayıcı etikileşim

Temel haldeki bir eten molekülün LUMO'sı

Burada her iki CH2 grubu arasında bağlanma mümkündür. Çünkü orbitallerin aynı işaretli lobları karşı karşıya gelmektedir. Ayrıca tam ilişkilendirme diyagramları da fo tokimyasal tepkimenin simetri izinli olduğunu ve uyumlu bir mekanizma üzerinden ko layca yürümesi gerektiğini göstermektedir. Zaten deneysel olarak gözlediğimiz de budur: Eten: fotokimyasal siklokatılma tepkimesini kolayca verir. Etenin [2 + 2] siklokatılması için verdiğimiz analiz bütün alkenlerin [2 + 2] siklokatılmaları için de yapılabilir. Çünkü bütün alkenlerin de 77 ve tt* orbitallerinin simet ri elemanları eteninkilerle aynıdır.

Pr o bl em G.9

>■ Aşağıdaki uyumlu siklokatılma tepkimelerinden hangi ürünlerin oluşmasını bekler siniz? (Stereokimyasal formüllerini de yazınız.) (a) 2 m-2-Büten (b) 2 /ra/7,s'-2-Büten

hv

G.3 Siklokatılma Tepkimeleri Aşağıdaki tepkimede ne olduğunu gösteriniz.

1069

P ro b l e m G. I 0

^

G.3B [4 + 2] Siklokatılmaları

Uyumlu [4 + 2] siklokatılmaları—Diels-Alder tepkimeleri— ısıscıl tepkimelerdir. Orbital etkileşimlerinin göz önüne alınması bu olayın iyice anlaşılmasına imkan verir. Bu nu görmek için, Şekil 6.3'te gösterilen diyagramı ele alalım. LUMO

HOMO

C

^2

(dien)

C +

\

^3

(dien)

/ \

/ HOMO

LUMO

c ------- c

7t*

n (dienofil)

(dienofil) Bağlayıcı etkileşim (simetri izinli)

Bağlayıcı etkileşim (simetri izinli)

(a )

(b)

Şekil 6.3 Isısal [4 + 2] siklokatıIması için iki simetri izinli et kileşim. (a) Dienin HOMO’su ile dienofilin LUMO’su arasındaki bağlayıcı etkileşim, (b) Dienin LUMO’su ile dienofilin HO MO’su arasındaki bağlayıcı et kileşim.

Şekil G.3’te görülen orbital örtüşmesinin her iki şekli de bağlayıcı etkileşimlere ne den olur ve bu ikisinde de tepkimeye girenler temel haldedir. Dienin temel halinde iki elektron ığ2’dedir (HOMO’sunda). Şekil G.3a’da görülen örtüşme bu iki elektronun di enofilin LUMO'suna (7r*'a) kaymasına izin verir. Şekil G.3//deki örtüşme ise her iki elektronun, dienofilin HOMO’sundan 0 ) dienin LUMO’suna (if/%) akmasını sağlar. Bu ısısal tepkimenin simetri izinli olduğu söylenir. Diels-Alder tepkimesinde dienofilin konfigürasyonunun korunduğunu Altbölüm 13.11'de gördük. Diels-Alder tepkimesi genellikle uyumlu olduğundan, tepkime, dienin konfigürasyonunun korunumuyla yürür.

Dienofilin konfigürasyonunun korunması

Dienin konfigürasyonunun korunması

1070


P ro bl em G. I I

>►

Aşağıdaki tepkimelerden hangi ürünlerin oluşmasını beklersiniz?

> ?

Ö z e l Konu

H

Çevremizdeki Organik Halojenürier ve Organometalik Bileşikler H.l

B ö c e k Ö l d ü r ü c ü (İn s e k O R G A N İK HALOJENÜRLER

t İ s It

)

Böcek öldürme özelliği taşıyan DDT'nin 1942’de keşfinden beri, böceklerle mücadele amacıyla yeryüzüne aşırı miktarda klorlanmış hidrokarbon serpilmiştir. Bu işlem başlan gıçta, özellikle sıtma ve tifüs hastalıklarım taşıyan böceklerin yer yüzünde azalmasına neden olmuştur. Fakat, zamanla, klorlu hidrokarbonların bu kadar yoğun kullanılması nın korkunç derecede zararlı yan etkileri olduğunu anlamaya başladık. Klorlu hidrokar bonlar genelde oldukça kararlı bileşiklerdir ve çevrede doğal yollarla parçalanmaları çok yavaştır. Bu nedenle, kloroorganik böcek öldürücüler doğada yıllarca değişmeden ka lırlar. Böyle kararlı böcek zehirlerine “sert” böcek zehirleri denir. Klorohidrokarbonlar yağda çözünen bileşiklerdir ve pek çok hayvanın yağ dokula rında birikebilirler. Gıda zinciri, planktondan küçük balığa, oradan büyük balığa ve kuş lara, oradan da insanlar dahil, gelişmiş hayvanlara kadar gittiğinden, her basamakta kloroorganik bileşiklerinin doğadaki derişimi artma eğilimindedir. Bir klorohidrokarbon olan DDT. ucuz çıkış maddeleri, klorobenzen ve trikloroasetaldehitten sentezlenir Tepkime asit katalizlidir. O 2C1

C1

+ HCCCT, TpsöT* C1 CC13 DDT

[l,l,l-trikloro-2,2bis( />-kIorofenil)etan]

DDT'nin doğadaki başlıca bozunma ürünü DDE'dir.

C1

C1 DDE

[l,l-dikloro-2,2bis(/>-klorofenil)eten]

1071

DDT.

Özel Konu H / Çevremizdeki Organik Halojenürler ve Organometalik Bileşikler

Tahminlere göre dünya ekosistemine yaklaşık 0,5 milyon ton DDT serpilmiştir. DDT’nin bozunmasından oluşan DDE'nin, pek çok kuşun yumurta kabuğunun oluşumunu etkilediği belirtilmektedir. DDE. yumurta kabuğunun oluşumunda kullanılan kalsiyumun sağlanmasını kontrol eden karbonik anhidraz enzimini inhibe eder. (Karbonik anhidrazın diğer önemli bir rolü için Bölüm 3 girişine bakınız.) Sonuç olarak, yumurta kabuğu çok kolay kırılır ve kuluçka sonuna kadar dayanamaz. 1940’lı yılların sonlarında kartal, doğan, şahin nüfusunda korkunç bir azalma görülmüştür. DDT’nin bunun başlıca sorumlusu olduğu hakkında şüphe azdır. DDE insanların yağ dokularında da birikir. İnsanlar orta düzeyde DDE'yi kısa süre için tolere ederlerse de uzun sürede ne olacağı kesin değildir. Diğer sert böcek öldürücüler aldrin, dieldrin ve klordandır. Aldrin. heksaklorosiklopentadien ve norbornadienin Diels-Alder tepkimesi ile üretilir.

Klordan, heksaklorosiklopentadien ve siklopentadienin Diels-Alder katılma ürününde ki sübstitüent taşımayan ikili bağına klor katılarak elde edilir. Dieldrin ise aldrindeki ikili bağı epoksite dönüştürerek yapılabilir. (Bu tepkime doğada da meydana gelir.)

1970’lerde Çevre Koruma Kurulu (EPA), insan sağlığına bilinen ve kuşkulanılan zarar ları nedeniyle DDT, aldrin, dieldrin ve klordan kullanımını yasaklamıştır. Bütün bu bi leşiklerin kansere neden olduğu sanılmaktadır.

H.2 Herbisitler Olarak Organik Halojenürler

DDT'nin klorobenzen ve trikloroasetaldehitten sülfürik asitli ortamda sentezi iki -< elektrofilik aromatik yer değiştirme tepkimesi içerir. Birinci elektrofilik yer değiş tirme tepkimesinde elektrofil. protonlanmış triklorosetaldehittir. İkincisinde ise elektrofil bir karbokatyondur. DDT'nin oluşum mekanizmasını yazınız.

P ro bl em H . l

DDT'in DDE’ye dönüşümünde içerilen tepkime türü nedir?

P ro bl em H.2

-<

Mireks, kepon ve lindan, kullanımı yasaklanmış seid böcek öldürücülerdir. cı cı

Lindan

H.2

HERBİSİTLER O L A R A K O R G A N İK H A LO JE N Ü R LE R

Diğer klorlanmış organik bileşikler yabani ot mücadelesinde geniş olarak kullanılmış lardır. Aşağıda verilen 2,4-D ve 2.4.5-T bunlara iki örnektir. CI

cıÔ CI

CI

2,4-D (2,4-diklorofenoksiasetik asit)

2,4,5-T

(2,4,5-triklorofenoksiasetik asit)

Bu iki bileşik Vietnam Savaşı’nda Hindiçini’nin balta girmemiş oranlarında yaprak dökücü olarak çok miktarda kullanılmıştır. 2,4,5-T'nin bazı örneklerinin bir teratöjen (bir dölüt bozucu madde) olduğu görülmüştür. Bu teratöjenik etki ticari 2,4,5-T içerisinde safsızlık olarak bulunan 2,3,7,8-tetıaklorodibenzodioksin bileşiğinden kaynaklanmak tadır.Ayrıca, 2.3,7,8-tetraklorodibenzodioksin çok zehirlidir, örneğin, siyanür iyonun dan, strikninden ve sinir gazlarından bile daha zehirlidir.

2,3,7,8-Tetraklorodibenzodioksin (TCDD’de denir)

Bu dioksin oldukça da kararlıdır; çevrede bozumnadan kalır ve yağda çözünme özel liğinden dolayı besin zincirine katılabilir. Öldürücü miktarın altındaki miktarlarla alın dığında klorakne denilen cildi çirkinleştiren bir hastalığa yol açar. 1976 Temmuzunda İtalya’nın Seveso kentindeki bir kimyasal fabrikada meydana ge len bir patlama sonucu, atmosfere yaklaşık 10-60 kg arasında dioksin kaçmıştır. Fabri-

1073

1074

Özel Konu H / Çevremizdeki Organik Halojenürler ve Organometalik Bileşikler

ka aşağıdaki yöntemi kullanarak 2.4,5-triklorofenol (2,4,5-T üretiminde kullanılır) üret mek için anlaşma yapmıştı. cı

cı

^yÔ N a f ( | |

/C I

i d

NaOH, CH,OH f i6o°c

r

cı

cı

cı

cı

cı Sodyum 2,4,5triklorofenoksit

cı 1,2,4,5Tetraklorobenzen

A

^

j Q

f

oh

y ^ cı 2,4,5Triklorofenol

Birinci tepkimede sıcaklık çok dikkatli kontrol edilmelidir, yoksa, tepkime karışı mında dioksin oluşur:

İtalyan fabrikasında sıcaklığın kontrolden çıktığı, bunun da basıncın artmasına yol açtığı anlaşılmaktadır. Bunun sonucu olarak basınç vanası açılmış ve atmosfere triklorofenil ve dioksin bulutu yayılmıştır. Pek çok yabani ve evcil hayvan ölmüş, pek çok insan, özellikle çocuklar ağır deri hastalıklarına yakalanmıştır.

P ro bl em H.3

>

Pr o bl em H.4

> 2,4,5-T, sodyum 2,4,5 -triklorofenoksitin sodyum kloroasetat (ClCH2COONa) ile etkileştirilmesiyle elde edilir. (Bu işlemde önce 2,4,5-T'nin sodyum tuzu oluşur ve sonra bunun asitlendirilmesiyle 2,4,5-T meydana gelir.) Sodyum 2,4,5-triklorofe noksitin ClCH2COONa ile tepkimesinin mekanizması ne tip bir mekanizmadır? Tep kime denklemini yazınız.

(a) Orto ve para klor atomlarının, katılma-ayrılma yoluyla meydana gelen nükleofilik yer değiştirme tepkimesi için yeterli elektron çekme gücüne sahip olduklarını ve aromatik halkayı yeteri kadar etkinleştirdiklerini varsayarak, 1,2,4,5-tetraklorobenzenin sodyum 2,4,5-triklorofenoksite dönüşmesi için uygun bir mekanizma ta sarlayınız. (b) Aynı işlemi 2,4,5-triklorofenoksitin Altbölüm H.2’deki dioksine dönüşümü için de yapınız.

H.3

M

îk r o p

Ö

ld ü r ü c ü

M

ad d eler

(g

e r m İs î t l e r

)

2,4,5-Triklorofenol, heksaklorofen üretimi için de kullanılır. Heksaklorofen bir mikrop öldürücü maddedir ve sabunlarda, şampuanlarda, deodorantlarda, ağız yıkama sularında, traş losyonlarında ve diğer pek çok üründe yaygın olarak kullanılmaktadır. OH OH CL

A

/C H ,

cici cı

cı Heksaklorofen

Heksaklorofen deriden değişikliğe uğramadan soğurulur ve deney hayvanları ile yapı lan denemeler onun beyin hasarına yol açtığım göstermektedir. Heksaklorofenin temiz-

H.6 Organometalik Bileşikler

lik madelerinde ve kozmetiklerde kullanımı 1972’den sonra ABD’de Gıda ve İlaç Yö netimi tarafından yasaklanmıştır.

H.4

P O L İ K O R L A N M I Ş B İF E N İL L E R , ( P C B ’LER)

Poliklorlanmış bifenil karışımı 1929’dan sonra üretilmiş ve ticari olarak kullanılmıştır. Bu karışımlarda, numaralanmış konumların (aşağıdaki yapıya bakınız) herhangi binle rinde klor atomlan içeren bifeniller bulunabilir. Böylece toplam 210 bileşik mümkün dür. Tipik bir ticari karışımda 50 kadar farklı PCB bulunabilir. Karışımlar genellikle klor içeriklerine göre sınıflandırılırlar. Birçok endüstriyel karışım %40-60 klor içerir.

Poliklorlanmış bifeniller çok çeşitli kullanım alanlarına sahiptirler. Kapasitörlerde, termostatlarda ve hidrolik sistemlerde ısı değiştirici maddeler olarak; polistiren kahve kaplannda, dondurulmuş yiyecek çantalarında, ekmek poşetlerinde, emziklerde plastikleştirici olarak kullanılmışlardır. Bunlar ayrıca, matbaa mürekkeplerinde, karbonsuz kar bon kağıtlarında ve mum olarak, metal dökümü için yapılan kalıplarda da kullanılmışlardır. 1929 ile 1972 yılları arasında yaklaşık 500.000 ton PCB üretilmiştir. Çevreye yayılması asla istenmemekle birlikte, PCB’ler, belki de diğer herhangi bir kimyasaldan daha fazla, çok yaygın çevre kirleticisidir. Dünyanın her yerindeki yağmur suyunda, pek çok balık, kuş ve diğer hayvan türlerinde (kutup ayıları dahil) ve insan dokularında tespit edilmişlerdir. Poliklorlanmış bifeniller oldukça dayanıklı maddelerdir, yağda çözünerek besin zin cirinde birikme eğilimine sahiptirler. Örneğin, PCB ile kirlenmiş sularda beslenen ba lık, çevresindeki suya göre 1000-100.000 kat daha fazla PCB taşır ve bu balıkla beslenen kuşlarda bu seviye çok daha yüksektir. PCB’lerin zehirliliği her iki karışımın bileşimi ne bağlıdır. PCB ile olan en geniş insan zehirlenmesi 1968’de Japonya’da meydana gel miş, bu olayda, kazaran PCBler ile kirlenmiş yağla pişirilen yemekleri yiyen yaklaşık 1000 insan zehirlenmiştir. PCB’den kurtulmanın muhtemel bir yöntemi için “PCB’nin Bakteriyel Dehalojenlenmesinin Kimyası”na (Altbölüm 21.11) bakınız. 1975’e kadar PCB içeren endüstriyel atıkların Hudson Nehrine atılması yasaldı. 1972’de EPA, atıkların su yollarına doğrudan dökülmesini yasakladı ve 1972’den beri de PCB’lerin üretimi, işlenmesi ve dağıtımı yasaktır.

H.5

P O L İ B R O M O B İ F E N İ L L E R (P B B ’LER)

Polibromobifeniller PCB’lerin brom benzerleridir ve alev geciktiriciler olarak kullanı lırlar. 1973'de Michigan’da, bir kimya şirketindeki bir hata, PBBMerin çiftçilere satılan hayvan yemlerine karışmasına yol açtı. Yanlışlık farked il inceye kadar binlerce besi danası, domuz, piliç ve koyun etkilendi ve zorunlu olarak imha edildi.

H.6

O R G A N O M E T A L İ K BİLEŞİKLER

Organometalik bileşikler, birkaçı dışında zehirlidir (Özel Konu I’ya bakınız). Zehirli liğin derecesi geniş ölçüde organometalik bileşiğin niteliğine ve metalin cinsine çok bağ-

1075

1076

Özel Konu H / Çevremizdeki Organik Halojenorler ve Organometalik Bileşikler

lıdır. Arsenik, antimon, kurşun ve civanın organometalik bileşikleri, bizzat metal iyo nunun kendisinin olduğundan daha zehirlidir. Silisyum ve onun çoğu inorganik bileşiği zihirli olmadığı halde organik silisyum bileşiklerinin bazıları zehirlidir. Yirminci yüzyılın başlarında organoarsenik bileşiklerinin canlı organizmaları öldü rücü etkilerinin keşfedilmesi Paul Ehrlich’in kemotorapi çalışmalarına başlamasını sağ ladı. Ehrlich, konukçu hücrelerden daha çok, hastalığa yol açan mikroorganizmalara karşı daha fazla zehir etkisi gösterebilecek olan “sihirli mermiler” dediği bileşikleri araştır dı. Ehrlich’in araştırmaları. Şalvarsan ve Neosalvarsan adı verilen, spirochetes (yani fren gi) ve trypanosomes (yani uyku hastalığı) hastalıklarının tedavisinde başarıyla kullanılan iki organometalik bileşiğin geliştirilmesini sağladı. Şalvarsan ve Neosalvarsan, bu has talıkların tedavisinde uzun süre kullanılmadı; bunlar, güvenli ve daha etkili antibiyotik lerle yer değiştirdi. Bununla birlikte Ehrlich’in araştırması kemoterapi çalışmalarının başlamasına neden oldu (Altbölüm 25.11). Gerçekte pek çok organizma organometalik bileşikler sentezler ve bu keşif ekolo jik bakımdan korkutucudur. Civa metali zehirlidir fakat etkin değildir. Geçmişte, ton larca civa metali içeren endüstriyel atık hiçbir işleme tabi tutulmadan doğrudan göllere ve akarsulara bırakılmıştır. Civa zehirli olduğundan, bakteriler kendilerini korumak ama cıyla civa metalini metilciva iyonlarına (CH3Hg+) ve dimetilciva [(CH3)2Hg] gazına dö nüştürürler. Bu organik civa bileşikleri de balıktan insana kadar besin zincirine (bazı değişikliklerle) katılır ve metilciva iyonları, sinir hücrelerine etki ederek ölüme neden olurlar. 1953-1964 yılları arasında Japonya Minamata’da iki kişi, metilciva bileşikleri içeren balık yedikleri için zehirlenmişlerdir. Arsenik de organizmalar tarafından metillenerek zehirli dimetilarsine, (CH3)2AsH, dönüştürülür. Klorlanmış hidrokarbonların, civa metillenmesine neden olan biyolojik tepkimeleri önlemesi şaşırtıcıdır. Organoklor pestisitleri ile kirlenmiş göllerde civa metillenmesi be lirgin derecede azalmaktadır. Bu iki çevre kirleticisinin etkileşimi bir bakıma olumlu ise de, karşı karşıya kaldığımız çevre sorunlarının karmaşıklığını belirtmesi bakımından çok önemlidir. Tetraetilkurşun ve diğer alkilkurşun bileşikleri 1923’ten beri benzinde vuruntu ön lemek için kullanılmaktadır. Artık bu bileşiklerin benzine katılmaları yavaş yavaş bırakılmakla birlikte, şimdiye değin atmosfere yaklaşık 500 milyar kg kurşun salınmıştır. Kuzey yarımkürede yer kürenin her bir metrekaresine, benzinin yanması nedeniyle 10 mg kurşun serpilmiştir. Sanayileşmiş ülkelerde metrekareye verilen kurşun miktarı, muhtemelen bunun yüzlerce katıdır. Kurşunun bilinen zehirliliğinden dolayı, bu durum büyük bir sorundur.

Nr

Ö zel Konu

Geçiş Metalli Organ ometalik Bileşikler l.l GiRiş Son yıllarda en yoğun araştırmaların yapıldığı kimyasal araştırma alanlarından biri, bir organik grubun karbon atomu ile bir geçiş metali arasında bağ içeren bileşikler üzerin de yapılan çalışmalardır. Bu alan, organik kimya ile anorganik kimyanın bir kesişme noktasıdır ve organometalik kimya adını alır. Organometalik kimya, organik sentezler de çok önemli uygulama alanına sahiptir. Bu geçiş metalli organik bileşiklerin çoğu, olağanüstü seçiciliği olan katalizörler olarak davranır. Geçiş metalleri, elementel halde ya da önemli bileşiklerinde kısmen dolu d (ya da f) kabukları içeren elementler olarak tanımlanırlar. Organik kimyacıların en çok ilgilen dikleri geçiş metalleri Şekil 1.1’de verilen periyodik çizelgenin yeşil ve sarı renkli kısımlarında görülmektedir. Geçiş metalleri, ligandlar denilen çeşitli molekül ya da 1/IA 1 1

2

3 cq o
5

6

H 1,00797

2/11A

3

4

Li

Be

6,941

9,01218

11

12

N a Mg 22,98977

24,305

3/IIIB

4/IVB

5/VB

6/VIB

7/VIIB

8/VIIIB

9/VIIIB

mm

11/IB

12/IIB

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Ti

V

40,08

44,9559

47,90

50.9414

51,996

54,9380

55,847

58,9332

58,71

63.546

65,38

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

K

Cr M n Fe

Co Ni C u Zn

C a Sc

39,098

Z r N b Mo Tc R u Rh Pd Ag Cd

Rb

Sr

Y

85,4678

87,62

88,9059

91,22

92,9064

55

56

57

72

73

95,94 74

Cs B a L a H f T a 132,9054

137,34

138,9055

178,49

180,9479

1

2

3

4

5

W 183,85

98,9062

101,07

102,9055

106,4

107,868

112,40

75

76

77

78

79

80

Re Os 186,2

6 7 Değerlik elektronları

Ir

Pt Au Hg

190,2

192,22

195,09

196,9665

200,59

8

9

10

11

12

Şekil 1.1 Önemli geçiş elementleri periyodik çizelgenin yeşil ve sarı renkli kısımlarında gö rülmektedir. En altta, her bir elementin değerlik elektronlarının (s ve b) toplam sayısı ve rilmiştir. _____

1077

1078

Özel Konu I / Geçiş Metalli Organometalik Bileşikler

gruplarla tepkimeye girerler ve geçiş metali komplekslerini oluştururlar. Bir kompleks oluşumunda, ligandlar metalin boş orbitallerine elektron verirler. Metal ile ligand arasındaki bağın kuvveti çok zayıftan, çok kuvvetliye kadar değişir. Bu bağlar kovalenttir fakat çoğunlukla oldukça polar karaktere sahiptir. Geçiş metal kompleksleri metale ve onu saran ligandların sayısına göre çeşitli geometrilere sahip olabilirler. Örneğin, sodyum dört ligandlı kompleksler oluşturur ve kare düzlemdir. Öte yandan rodyum, beş ya da altı ligandla da kompleksler oluşturabilir ve üçgen bipramit ya da bir düzgün sekizyüzlü verir. Bu tipik şekiller aşağıda, ligandı belirtmek için L harfi kullanılarak gösterilmiştir. L L ///,, L

, P RhÇ

L

L *//,,, |

L

L

1.2

T

L ~ R |h

L

1,^ L

^ R h —L

Kare düzlem rodyum kompleksi

L

L

L

Üçgen bipiramit rodyum kompleksi

L

Düzgün sekizyüzlü rodyum kompleksi

E l e k t r o n Sa y im i. 18 -El e k t r o n K U R A LI

Geçiş metalleri de daha önce görülen elementler gibi, bir soygazın elektron dağılımı na sahip olduklarında en kararlıdırlar. Bu metaller. 5 ve p orbitallerinden başka, beş d orbitali (bunlar 10 elektron alabilirler) içerirler. Bu nedenle, geçiş metallerinin soygaz konfigürasyonu, karbon, azot, oksijen ve benzerleri gibi 8 değil, 18 elektronludur. Bir geçiş metali kompleksinin melal atomu 18 değerlik elektronuna sahipse koordinasyon bakımından doymuştur denir.* Bir kompleksteki her geçiş metalinin değerlik elektronları sayısını belirleyebilmek için, element haldeki melalin değerlik elektronlarının toplan sayısını (bkz. Şekil 1.1) alı rız ve bu sayıdan kompleksteki metalin yükseltgenme basamağını çıkarırız. Bu işlem bize d elektronları sayısını, d", verir. Bir metalin yükseltgenme basamağı, bütün ligand lar (Çizelge 1.1) uzaklaştırıldığında metal üzerinde kalacak yüktür. _ elementel metalin toplam değerlik elektronları sayısı

metalin kompleks içindeki yükseltgenme basamağı

Daha sonra kompleksteki metalin toplam değerlik elektronlarını hesaplamak için d"'e, ligandların tamamı tarafından verilen elektronların sayısını ekleriz. Bazı yaygın ligand lar tarafından verilen elektron sayıları Çizelge 1.1’de görülmektedir. kompleksteki metali toplam değerlik elektronları sayısı

^ ligandlar tarafından verilen elektronlar

Şimdi aşağıdaki iki örneği ele alalım ve elektron sayılarını hesaplayalım. Ö rnek A İnce toz halindeki demir ile karbon monoksitin tepkimesinden oluşan bir ze hirli sıvı olan demir pentakarbonili, Fe(CO)5, ele alalım.

* Y a p ıla r ım ız d a , b ir m e ta l k o m p le k s in in o r ta k la ş ılm a m ış e le k tr o n ç if tle r i n i, g e r e k s i z k a r m a ş ık lı ğ a y e r v e r m e m e k iç in ç o ğ u k e z g ö s te r m e y e c e ğ iz .

1.2 Elektron Sayımı. 18-Elektron Kuralı Çizelge 10.2 Geçiş Metali Komplekslerindeki Yaygın Ligandlar

Gösterilişi

Ligand

Sağladığı Elektron Sayısı

Negatif yüklü ligandlar H R

2 2 2 4

Hr Rr X:-

X Aim Siklopentadienil, Cp

6

Elektriksel olarak nötr ligandlar Karbonil (karbon monoksit) Fosfin

CO R3P veya Ph3P \

/

2

U II u

Alken

2 2

/ Dien

Benzen

° S chw artz. J.: Lahinger, J. A . J. Chem. Educ.

Fe + 5 CO

> Fe(CO)5

X

r\

4

Û

6

1980. 57, 1 7 0 -1 7 5 ’ ten uyarlanm ıştır.

veya

CO ocv I .^Fe CO OC^ I CO

i Demir pentakarbonil

Şekil 1.1'den, elementel haldeki bir demir atomunun 8 değerlik elektronuna sahip olduğunu görebiliriz. Demir pentakarbonildeki demirin yükseltgenme basamağına, komplesk üzerindeki (kompleks, bir iyon değil) ve her bir CO ligandının üzerindeki yükün sıfır olduğuna dikkat ederek ulaşabiliriz. Demir, bundan dolayı sıfır yükseltgenme basamağındadır. Bu sayıları kullanarak d11değerini ve ondan da kompleksteki demirin değerlik elekt ronlarının toplam sayısını hesaplayabiliriz. dn= 8 - 0 = 8 değerlik elektronlarının toplam sayısı

d" + 5(CO) = 8 + 5(2) = 18

Fe(CO)5'te demirin 18 değerlik elektronu olduğunu ve dolayısıyla koordinasyon bakımından da doymuş olduğunu görürüz. Ö rnek B Rodyumun RhlCgEL^P^HbtCl kompleksini göz önüne alınız. Daha ileride göreceğimiz gibi, bu kompleks, bazı alkenlerin hidrojenlenmesinde bir ara üründür. I L—Rlı—H L = Ph,P [yani, (C6H5),P] / I L H

1079

1080

Özel Konu 1 / Geçiş Metalli Organometalik Bileşikler

Rodyumun kompleksdeki yükseltgenme basamağı + 3'tür. (İki hidrojen atomu ve klor atomunun her biri - 1 olarak sayılır. Trifenilfofin ligandlarının her birinin yükü sı fırdır. Bütün ligandlar çıkarıldığı zaman Rh,+ iyonu kalır.) Şekil 1.1 'den rodyumun elementel halde 9 değerlik elektronuna sahip olduğunu buluruz. Şimdi, kompleksteki rodyum için d"'i hesaplayabiliriz. d» = 9 - 3 = 6 Kompleksteki altı ligandın her biri rodyuma iki elektron verir ve değerlik elektro nunun toplam sayısı 18 olur. Öyleyse, Rh[C6H5)3P]3H2C 1 kompleksinin koordinasyon bakımından doymuştur. rodyumun değerlik elektronlarının toplamı

1.3

= d" + 6{2) = 6 + 12 = 18

M ETALOSENLER: O R G A N O M ETA LİK S A N D V İÇ BİLEŞİKLER

Siklopentadien, fenilmagnezyum bromürle tepkimeye girerek siklopentadienin Grignard bileşiğini verir. Bu tepkime beklenmeyen bir tepkime değil, daha önce gördüğümüz ba sit bir asit-baz tepkimesidir. Siklopentadienin metilen hidrojen atomları benzenin hid rojen atomlarından çok daha asidiktir ve bu nedenle tepkime ürün yönündedir. (Siklopentadiendeki metilen hidrojen atomlarının normal metilen hidrojen atomlarından asidik olmasının nedeni, siklopentadienil iyonunun aromatikliğidir. Altbölüm 14.7C’ye bakınız). + Siklopentadien

C6HsMgBr

O

Fenilmagnezyum bromür

’ MgBr +

C„H6

Siklopentadienilmagnezyum bromür

Benzen

Siklopentadienin Grignard bileşiği demir(II) klorürle etkileştirildiğinde ferrosen de nilen ürünü verecek bir tepkime oluşur. 2+ MgBr + FeCl2

+

(C5H5)2Fe

+

2 MgBıCl

Ferrosen (siklopentadiene göre toplam verim %71)

Ferrosen, erime noktası I74°C olan portakal renginde bir katıdır. Oldukça kararlı bir bi leşiktir. 100°C'da süblime edilebilir ve 400°C’a kadar ısıtıldığında bozunmaz. X-Işınlan analizi dahil, pek çok çalışma ferrosenin iki siklopentadien halkası arasın da bir demir(II) iyonu taşıdığını göstermiştir.

1.3 Metaloresenler: Organometalik Sandviç Bileşikler

Karbon-karbon bağ uzunluklarının tamamı 1.40 Â ve bütün karbon-demir bağlarının uzunluğu ise 2,04 Â'dur. Ferrosen gibi olan bileşikler yapılarından dolayı “sandviç” bileşikler olarak adlandırılmışlardır. Ferrosenin karbon-demir bağları, demir atomlarının 3d orbitalleri ve siklopentadienil anyonlarının p orbitallerinin içteki lobları arasındaki örtüşmeyle oluşur. Ayrıca, yapılan daha ileri çalışmalar, bu bağların; ferrosen halkalarının, demir atomundan geçen ve hal kalara dik olan bir eksen etrafında serbestçe dönebilecek şekilde olduğunu göstermiştir. Ferrosenin demir atomu 18 değerlik elektronu taşır ve dolayısıyla koordinasyon bakımından doymuştur. Bu elektron sayısını aşağıdaki gibi hesaplayabiliriz. Demirin elementel halde 8 değerlik elektronu vardır. Ferrosendeki yüksellgenme ba samağı ise +2 dir. Buna göre, d" = 6’dır. d» = 8 - 2 = 6 Ferrosenin her bir siklopentadienil (Cp) ligandı demire 6 elektron verdiğinden, de mirin değerlik elektronları sayısı 18'dir. değerlik elektronların toplam sayısı

= d" + 2(Cp) = 6 + 2(6) = 18

Ferrosen bir aromatik bileşiktir. Siilfolama ve Friedel-Craft açillemesi dahil bir çok elektrofilik aromatik yer değiştirme tepkimesini verir. Ferrosenin keşfinden (195 l ’de) sonra benzer bir çok aromatik bileşik sentezlenmiştir. Bu tür bileşiklere, bir sınıf olarak, metalosenler* denir. Zirkonyum, mangan, kobalt, nikel, krom ve uranyum gibi çeşitli metallerden beş, altı, yedi ve hatta sekiz üyeli halka içeren metalosenler sentezlenmiştir. Metal karbonilleri kullanılarak yarı-sandviç bileşikleri de elde edilmiştir. Bunların birkaçı aşağıda verilmiştir:

Siklobütadien demir trikarbonil

Siklopentadienilmangan trikarbonil

Benzen krom trikarbonil

Siklobütadienin kendisi kararlı olmadığı halde, siklobütadien demir karbonil kararlıdır.

Yukarıda verilen yarı-sandviç bileşiklerinin her biri koordinasyon bakımından < doymuştur. Bunun doğruluğunu her bir kompleksteki metal için değerlik elektron sayılarını hesaplayarak gösteriniz.

* E r n s t o. F is c h e r ( T e k n ik Ü n iv e r s ite , M ü n ih ) v e G e o f f r y W ilk in s o n ( im p e r ia l K o le j, L o n d r a ), o r g a n o m e ta lik s a n d v iç b ile ş ik le r in in (v e y a m e ta lo s e n le r ) k im y a s ı ü z e rin e ( b ir b ir le r in d e n b a ğ ım s ız o la r a k ) y a p tık la r ı ö n c ü ç a lış m a la r ı iç in 1 9 7 3 ’te N o b e l Ö d ü lü k a z a n d ıla r.

P ro bl em l.l

1081

1082

Özel Konu I / Geçiş Metalli Organometalik Bileşikler

1.4

G EÇ İŞ M E T A L İ K O M PLEKSLER İN İN TEPKİM ELER İ

Organik geçiş metali bileşiklerinin kimyasal özelliklerininin pek çoğu, meydana gelen tepkimelerin mekanizmalarım izleyebilirsek daha anlaşılır hale gelecektir. Bu mekaniz malar, çoğu kez, her bir geçiş metali kompleksine özgü temel bir tepkime tipini temsil eden tepkimelerin sıralanmasından daha fazla bir şey değildir. Şimdi burada üç temel tepkime tipini inceleyelim. Her bir durumda, bir alkenin Wilkinson katalizörü denilen bir katalizör kullanılarak yapılan hidrojenlenmesinde meydana gelen basamakları kul lanacağız. Daha sonra (Altbölüm 1.5’te) hidrojenlenme mekanizmasını bir bütün olarak inceleyeceğiz.

1.

Ligand Ayrışması-Birleşmesi (Ligand Değişimi). Bir geçiş metali bir ligand kaybedebilir (ayrışmayla) ve başka bir ligand bağlayabilir (birleşmeyle). Bu olay da bir ligand değişimi meydana gelir. Örneğin, Örnek B’de ele aldığımız rodyum kompleksi bir alken ile (bu örnekte eten ile) aşağıdaki gibi tepkimeye girebilir. H , H , | | / L CH2 H— Rh—L + C H ,=C H , « = * H—Rh«---- i ' -I- L / I «/ I ch2 L Cl L cı L = Ph,P [yani, (C6HS),P1

Bu tepkime iki basamaklıdır. Birinci basamakta, trifenilfosfin ligandlarından biri ayrılır. Bu, rodyumun, yalnızca 16 elektrona sahip ve bu yüzden koordinasyon bakımından doymamış bir kompleksinin oluşmasına yol açar. H

H I ,*L

L

H— Rh— L

L

H— Rh.

+ L

IX Cl

Cl

(18 elektron)

(16 elektron) L = Ph,P

İkinci basamakta, rodyum yeniden koordinasyon bakımından doygun hale gelmek için alkenle birleşir. H

^\\L H— Rh. + C H ,=C H , IX Cl (16 elektron)

/ L

I Cl

(18 elektron)

Rodyumla alken arasındaki komplekse tt kompleksi denir. Burada alken, rodyuma iki elektron sağlar. Alkenlere, çoğu kez, Ph3P:, CI- ve benzeri gibi o- vericilerinden ayırt etmek için tt vericileri denir. Yukarıdaki gibi bir 7r kompleksinde metalin dolu d orbitallerinden alkenin boş * orbitaline elektron verilir. Bu tür elektron vermeye “geri bağlanma” denir. Girme-Çıkma Bir alken gibi doymamış bir ligand, bir hidrojen veya bir karbon tt

2.

I re n , H— Rh-*---- H

5.4 Geçiş Metal Komplekslerinin Tepkimeleri

ile bir kompleksin metali arasındaki bağa girebilir. Bu tepkimeler tersinirdir ve bu tepkimenin tersi “çıkma” olarak adlandırılır. Aşağıda girme—çıkmaya bir örnek verilmiştir. ch3 H L CH, 1 FCHî stirme H—Rh«—H «-----------* H— Rh. çık m a | / 1 CH, cı L C1 (18 elektron)

L

(16 elektron)

Bu işlemde bir tt bağı (rodyum ile alken arasında) ve bir crbağı (rodyum ile hid rojen arasında) iki yeni a bağı (rodyum ve karbon arasında ve karbon ile hidrojen arasında) ile değiştirilir. Rodyumun değerlik elektronu sayısı sayısı 18’den 16’ya düşmüştür. Bu girme-çıkma tepkimesi stereoözgü bir yolla gerçekleşir ve M— H birimi nin alkene katılması bir sin katılma şeklinde olur.

=j=c<* «—

M— H 3.

Ja c-—c / \ M H

Yükseltgemeli Katılma-İndirgerneli Ayrılma. Koordinasyon bakımından doy mamış olan metal kompleksleri çeşitli maddelerin aşağıdaki yolla* yükseltgemeli katılmasına uğrayabilirler. A V M f*

+ A ~B

yükseltgemeli kanlma ^ _

I _/

m

b

A—B maddeleri; H—H, H—X, R—X, RCO—H, RCO—X ve daha pek çok bi leşik olabilir. Yükseltgemeli katılmanın bu tipinde, kompleksteki metalin değerlik elektron ları sayısı ve yükseltgenme basamağı artar. Bir örnek olarak, aşağıda verilen rod yum kompleksine hidrojenin yükseltgen katılmasını ele alalım (L = Ph3P).

.R h. L

+ H XI

(16 elektron) Rh’nin yükseltgenme basamağı +rdir.

yükseltgen katılma

H

indirgen ayrılma

H JL L—Rh — H / I L cı (18 elektron) Rh'nin yükseltgenme basamağı +3’tür.

İndirgemeli ayrılma, yükseltgenmeli katılmanın tersidir. Şimdi bu bilgilerin ışı ğında, geçiş metali komplekslerinin organik sentezlere uygulanışının birkaç ilginç örneğini inceleyelim.

* K o o r d in a s y o n b a k ım ın d a n d o y m u ş k o m p le k s le r d e y ü k s e ltg e m e li k a t ılm a y a u ğ r a y a b ilir le r .

1083

1084

Özel KOnıı I / Geçiş Metalli Organometalik Bileşikler

1.5

H

o m o jen

H

id r o jen lem e

Buraya kadar gördüğümüz bütün hidrojenleme işlemleri heterojen ortamlarda yapılmak taydı. Tepkime ortamında iki faz vardır. Biri absorplanmış hidrojen içeren katı katali zörün (Pt, Pd, Ni, vb.) katı fazı; diğeri ise doymamış bileşiği içeren çözeltinin sıvı fazı. Rh[C6H5)3P]3Cl (Wilkinson katalizörü) gibi bir geçiş metali kompleksinin kullanıldığı homojen hidrojenlemede hidrojenleme tek bir fa: içerisinde, yani çözeltide gerçekleş tirilir. Alkenlerin Wilkinson katalizörü kullanılarak yapılan hidrojenlentnesi aşağıdaki ba samaklar üzerinden yürür (L = Ph3P). H L% Yükseltgemeli .R h. + H —H ► L—Rh—H /. Basamak katılma L XI (16 elektron, Rh')

2. Basamak

I/ L—Rh— H L

d

(18 elektron) H

1

3. Basamak

H— Rh.

cı

(18 elektron, Rh111)

H I * H — Rh. +L I X cı (16 elektron)

H T 1 / CH, + CH 2= C H 2 — -> H ~ Rh*---- H i X

y

L

(16 elektron)

4. Basamak

H CH, 1. n - R h «-HI CH, L CI

6. Basamak

Rh. iX

-> H —Rh.

Girme

X

cı

(16 elektron)

CH, CH, + L

►H y

Rh i

L

cı (16 elektron)

L cı (18 elektron)

CH2 I >L H—Rh—L — ►

.R lı.

L

C1

(18 elektron)

cı

ch2

CH, 1 CH, H

Ligand birleşmesi

( 18 elektron)

(18 elektron)

5. Basamak

Ligand ayrılması

L

+ CH,—CH, C1

Ligand birleşmesi

İndirgemeli ayrılma

(16 elektron, Rh1)

Sonra bu basamaklar tekrarlanır. 6. Basamak katalizörü yeniden ortaya çıkarır ve bu da diğer bir alken molekülünün hidrojenlenmesine yol açabilir.

1.6 Rodyum Kompleksleri Kullanılarak Karbon-Karbon Bağının Oluşturduğu Tepkimeler

Girme basamağı (4. basamak) ve indirgemeli ayrılma basamağı (6. basamak) stereoözgü olduğundan Wilkinson katalizörü kullanılarak yapılan bir hidrojenlemenin net so nucu. hidrojenin alkene sin katılmasıdır. Bu durum, aşağıdaki örnekte (H2 yerine D2 kullanılmıştır) açıkça görülmektedir. H

C02Et

, ÇCbEt

c

+

R h (P h ,P )3CI

D,

HV / D C EtO2C ^ C^ H

a^CCbEt H

d

Bir mezo bileşiği

Bir c/s-alken (dietil maleat)

cis-AIken yerine (bir önceki tepkimeye bakınız) bir trans-alken kullansaydınız ^ Wilkinson katalizörü ve D, ile yapılan bir hidrojenlemede hangi ürün (ya da ürün ler) oluşurdu?

1.6

Ro d y u m K o m p l e k s l e r İ K u l l a n il a K a r b o n -K a r b o n B a ğ in in O l u ş t u TEPKİM ELER

P ro b l e m 1.2

r a k r u l d u ğ u

Rodyum kompleksleri, gerekli olan bir karbon-karbon bağını oluşturmak için de kulla nılabilirler. Aşağıdaki sentez buna örnektir: (Ph3P)3RhCl + CH3Li

►(Ph3P)3RhCH3 + LİC1 yükseltgemell katılma

4-

in d irg em eli ay rılm a

(Ph,P),Rh(CH,)I

Birinci basamak bir liganddeğişimidir, ligand birleşmesi-aynşması basamakları üze rinden yürür ve rodyumun koordinasyon küresine bir metil grubu girer. Sonraki basa mak yükseltgemeli katılmadır ve fenil grubu rodyumun koordinasyon küresine girer. Son basamakta ise bir indirgemeli ayrılma üzerinden, metil grubu ile benzen halkası bir birine bağlanır ve toluen oluşur.

Yukarıdaki sentezde, komplekslerdeki rodyumun toplam değerlik elektronları sayı- -< larını hesaplayınız.

P ro bl em 1.3

1085

1086

Özel KOnu I / Geçiş Metali Organometalik Bileşikler

Diğer bir örnek aşağıdaki keton sentezidir. (Ph3P),Rh(CO)Cl + CH3Li 1

(Ph3P)2Rh(CO)(CH3) + LİC1 2 O II

(b)

Q H ,C C 1

O (c)

(Ph3P)2Rh(CO)Cl + C6H5CCH3 <— (Ph3P)2Rh(CO)(COCeH3)(CH3)Cl 3

P ro bl em I.

>■ 1, 2 ve 3 ile belirtilen komplekslerde rodyumun değerlik elektronları sayısını ve yükseltgenme basamağını bulunuz. Sonra, (a), (b), ve (c) basamaklarının hangi tip temel tepkime (yükseltgemeli katılma, ligand değişimi vb.) olduğunu belirtiniz.

Aşağıda verilen diğer bir karbon-karbon bağı oluşumu örneği, bu tepkimelerin stereoözgü olduğunu göstermektedir.

î

Î

— p h ıP

° C \

(Ph3P)3Rh(CO)H + CH3OCC=CCOCH3-------- ► Rh Ph3P

/ PPh’

C02CH3

H

C02CH3

O C \ f 3 PPh3 CHk / Rhx / C02CH3 ısı t Ph3P 1 / \ H H C02CH3

.C02CH3

c h 3i

^

+ RhI(CO)(PPh3)2 CO,CH,

P ro b l e m I. 5

>• Yukarıda verilen sentez için, mümkün olan bir mekanizmayı ayrıntılarıyla veriniz. Her bir basamağın hangi temel tepkime tipini içerdiğini belirtiniz.

P ro bl em I. 6

>• Corey-Posner. Whitesides-House sentezlerinin (Altbölüm 12.9) gerçek mekaniz ması tam olarak bilinmemektedir. Olası bir mekanizma R '—X ya da Ar—X'in R2CuLi'ye yükseltgemeli katılması ve ardından indirgenmeli ayrılma üzerinden R—R' ya da R—Ar’nin oluşmasıdır. Böyle bir mekanizmada bu basamakları (CH3)2CuLi ve C6H5I kullanarak belirtiniz.

1.7 V İ T A M İ N B l2: B İ R G E Ç İ Ş M E T A L İ B İ Y O M O L E K Ü L Ü Fazla miktarda karaciğer tüketiminin bir tür öldürücü kansızlığı önlediğinin keşfi (1926) üzerine, Bl2 vitamini denilen etkin bir madde izole edilmiştir (1948). BI2 vitaminin (Şekil 1.2«) üç boyutlu yapısı. Dorothy Hodgkin tarafından 1956 yılında X-ışınları ça lışmaları sonucucunda aydınlatılmıştır. (Hodgkin 1964’te Nobel Ödülü almıştır) ve bu karmaşık molekülün sentezi ise 1972’de R. B. Woodward (Harvard Üniversitesi) ve

1.7 Vitamin Bl2: Bir Geçiş Metali Biyomolekülü Bir karbon-kobalt a bağı

Şekil 1.2 (a) B,2 Vitamininin yapısı. Vitaminin ticari şeklinde (siyanokobalamin), R = CN. (b I Çekirdekli halka sistemi. (e) Vitaminin (5'-deoksiadenozilkobalamin) bijolojik olarak aktif şeklinde 5'-deoksiadenozinin 5' karbon atomu kobalt atomuna koordinedir. Adenin yapısı için Altbölüm 25.2’ye bakınız.

(a)

A. Eschennıoser (İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü) tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu sentez 11 yıl sürmüş. 90 farklı tepkime yapılmış ve yüze yakın araştırmacı çalışmıştır B12 Vitamini karbon-metal bağı içerdiği bilinen tek biyomoleküldür. Bu vitaminin kararlı ticari şeklinde bir siyano grubu kobalta bağlı, kobalt atomu +3 yükseltgenme basamağındadır. B,2 Vitamininin çekirdeği, çeşitli gruplar taşıyan bir çekirdek halkadır. Bu çekirdek halka, merkezdeki kobalt atomu, azotlarından koordine olmuş dört pirol halka birimi taşır. Altıncı ligand (Şekil I.2z/'da alttaki halka) 5,6-dimetilbenzimidazol denilen, heterohalkalı bir molekülün azot atomudur. Bi2 Vitaminindeki kobalt +2 ya da + 1 yükseltgenme basamağına indirgenebilir. Ko balt + 1 yükseltgeme basamağında olduğunda B!2 vitamini (B,2s denir) bilinen en güçlü nükleofildir. Metanolden 1014 kat daha güçlü bir niikleofil haline gelmiştir. Vitamin B12sadenozin trifosfata (Şekil 22.2) niikleofil olarak etkir ve vitaminin bi yolojik olarak etkin şeklini oluşturur (Şekil 1.2c).

1087

H a s ta lık la rd a ve İy ile ş m e d e K a rb o h id ra t T a n ın m a sı B e y a z k a n h ü c r e l e r i, y a r a l a n m a y a u ğ r a y a n b i r b ö l g e y e u la ş m a y a h a z ı r h a ld e d o la ş ım s is t e m in d e v e d o k u l a r a r a s ın d a k i b o ş lu k la r d a b u l u n u r l a r . A k y u v a r l a r iç in e n u ç t a k i g ö z c ü l e r , s ia lil L e w i s x a s it le r i o la r a k a d la n d ı r ıla n y ü z e y l e r i n d e k i k a r b o h id r a t g r u p l a r ı d ır . Y a r a l a n m a m e y d a n a g e l d iğ in d e y a r a la n m a b ö lg e s in d e k i h ü c r e le r , y a r a la n m a b ö l g e s in i iş a re t le b il d i r e n v e s ia lil L e w i s x a s it le r in i b a ğ la y a n , s e le k t in le r d e n ile n p r o t e in le r i a ç ığ a ç ık a r ır l a r . A k y u v a r l a r ü z e r i n d e k i s ia lil L e w i s x a s it le r i v e s e le k t in le r a r a s ın d a k i b a ğ la n m a , a k y u v a r l a r ı n e t k ile n e n a la n a y a p ış m a s ın a n e d e n o lu r . A k y u v a r l a r ı n b u y o l l a t o p la n m a s ı i l t ih a p l ı b ö lg e d e ö n e m l i b i r a ş a m a d ır . B u , e n f e k s iy o n a k a r ş ı d o ğ a l s a v u n m a m ı z ı n b i r p a r ç a s ı o l d u ğ u k a d a r iy il e ş m e s ü r e c i n in d e g e r e k li b i r k ı s m ı d ı r . S i a l i l L e w i s x a s i d in in b i r m o l e k ü l e r m o d e l i y u k a r ı d a g ö s t e r i l m iş t i r v e y a p ı f o r m ü l ü A l t b ö l ü m 2 2 .1 6 ’ d a v e rilm iş tir.

1088

Devriye gezen akyuvarların, yüzeyle rindeki sialil La\visvglikoproteinleri ve yaralanmış hücredeki selektin protein leri arasındaki etkileşimlerle travma bölgesine bağlanması. Chem. Rev, 1998. 98, 833-862 (Şekil 1, s. 835).

Damar kanalı

Damar duvarı

A k y u v a r l a r ı n a ş ırı t o p la n m a s ın d a n k a y n a k la n a n b a z ı h a s t a lık la r d a v a r d ı r . E k l e m i l t i h a p la r ı. f e lç l e r , o r g a n n a k il l e r i v e a m e l iy a t l a r s ır a s ın d a k i p e r f ü z y o n a b a ğ lı y a r a l a n m a la r b u n la r a b ir k a ç ö r n e k t i r . B u d u r u m l a r d a v ü c u t b u h ü c r e le r in t e h d it a lt ın d a o l d u ğ u n u a l g ıl a r v e b u n a b a ğ l ı o la r a k il t ih a p l a n m a s ü r e c in i b a ş la t ır . B u k o ş u lla r d a n e y a z ı k k i i l t i h a p la n m a s ü r e c i iy il i k t e n ç o k d a h a b ü y ü k z a r a r a n e d e n o lu r . İ s t e n m e y e n ilt ih a p la n m a s ü r e c in in b a ş la m a s ın ı e n g e lle m e k iç in s t r a te ji, a k y u v a r l a r ı n y a p ış m a s ın ı ö n le m e k t i r . B u , s ia lil L e w i s ' a s it le r in in s e le k t in b a ğ la y a n b ö l g e le r in i k a p a t m a k la m ü m k ü n o l a b i l ir . K i m y a c ı l a r b u y a k l a ş ım ı ile r le t e r e k b a ğ la n m a s ü r e c i ü z e r in e ç a l ış m a l a r iç in h e m d o ğ a l h e m d e b e n z e r i y a p a y s ia lil L e w i s ' a s itle r i s e n t e z le m iş le r d ir . B u b ile ş ik le r , s ia lil L e w i s ' a s i d in d e k i, b e lir le m e d e v e b a ğ la n m a d a a n a h t a r r o l o y n a y a n f o n k s i y o n e l g r u p l a r ın b e lir le n m e s in d e y a r d ı m c ı o lm u ş t u r . K i m y a c ı l a r d o ğ a l s ia lil L e w i s ' a s it le r in d e n d a h a y ü k s e k b a ğ la n m a g ü ç le r i o la n y e n i b ile ş ik le r t a s a r la m ış v e s e n t e z le m i ş l e r d ir . B u n l a r d a t e k r a r la n a n y a p ıs a l m o t i f l e r i iç e r e n p o l i m e r l e r b u b a ğ la n m a iç in t e m e ld i r . B u p o l i m e r i k y a p ı l a r , t a h m in e g ö r e , b i r d e f a d a ç e ş it li s ia lil L e w i s ' a s id i b a ğ la y ı c ı b ö lg e le r i iş g a l e d e r le r v e b ö y le c e m o n o m e r i k s ia lil L e w i s ' a s iti b e n z e r le r in d e n d a h a s ık ı b a ğ la n ı r l a r . O l d u k ç a i y i u y u m l u m o l e k ü l e r r e a k t if le r i h a z ır l a m a k iç in y a p ıla n b ö y le ç a l ış m a la r ila ç t a s a r ım ı v e k e ş f i a r a ş t ır m a la r ın ın t ip ik ö r n e k l e r i d i r . S i a l i l L e w i s ' a s iti b e n z e r le r i ü z e r i n e y a p ıl a n ç a l ış m a la r d a k i m y a c ı l a r , is t e n m e y e n a k y u v a r y a p ış m a l a r ı n ı e n g e lle m e k iç in g e l i ş t i r i l m i ş s ü r e k li d ü z e l t i c i m a d d e l e r y a p a r a k k r o n i k ilt ih a p la r la il i ş k il i h a s t a lık la r a y e n i t e d a v ile r o l u ş t u r m a y ı u m u t e t m e k t e d ir le r .

2 0.1 G iR iş 22.IA K arbohidratların Sınıflandırılması K a r b o h i d r a t l a r o la r a k b ili n e n b il e ş ik l e r g r u b u a d l a r ı n ı, e s k i in c e le m e le r d e , s ı k l ı k l a C x ( H : 0 ) y— f o r m ü l ü n e s a h ip o l m a l a r ı v e b u n u n “ k a r b o n u n h i d r a t l a r ı” o la r a k g ö r ü n m e s in d e n a l m ış l a r d ı r . B a s it k a r b o h id r a t la r ş e k e r le r v e y a s a k k a r it le r o la r a k b i l i n i r l e r ( L a t in c e saccharum, Y u n a n c a sakcharon ş e k e r d ir ) v e ş e k e r le r in ç o ğ u n u n a d ı -o z e k iy le s o n la n ır . B u n d a n d o l a y ı ç a y ş e k e r in i sııkroz (sakkaroz), k a n ş e k e r in i glikoz b a ld a v e m e y v a la r d a k i ş e k e r i fruktoz v e m a lt ş e k e r in i d e maltoz o la r a k a d l a n d ı r ı y o r u z . K a r b o h id r a t l a r g e n e lli k le polihidroksi aldehitler ve ketonlar veya hidroliz edildik lerinde polihidroksi aldehitleri veya ketonları veren bileşikler o la r a k t a n ı m la n ı r la r . H e r

Yarı-asetaller ve asetallerin kimyasını gözden geçirmenizin şimdi size yardımı olacaktır. (Altbölüm 16.7).

1089

1090

22.1 2 2 .2

Bölüm 22 / Karbohidratlar

Giriş Monosakkaritler

22.3 Mutarotasyon 22.4 Gilikosit Oluşumu 22.5 Monosakkaritierin Diğer Tepkimeleri 22.6 Monosakkaritierin Yükseltgenme Tepkimeleri 22.7 Monosakkaritierin İndirgenmesi: Alditoller 22.8 Monosakkaritierin Fenilhidrazinle Tepkimeleri: Osazonlar 22.9 Monosakkaritierin Sentezi ve Küçültülmesi 22.10 Aldozların d Ailesi 22.11 D-(+)-Glikozun Konfigürasyonun Fischer Kanıtı 22.12 Disakkaritler 22.13 Polisakkaritler 22.14 Biyolojik Önemi Olan Diğer Şekerler 22.15 Azot İçeren Şeker ler 22.16 Hücre Yüzeyinin Glikolipit ve Glikoproteinleri 22.17 Karbohidrat Antibiyotikler

n e k a d a r b u t a n ım k a r b o h id r a t la r ın ö n e m l i f o n k s i y o n e l g r u p l a r ın a d ik k a t ç e k s e d e t a m a m e n t a t m i n k a r d e ğ i l d i r . İl e r id e g ö r e c e ğ i m i z g ib i k a r b o h id r a t la r ,

^ C = 0

ve — O H

g r u p l a n iç e r d ik le r in d e n ö n c e lik le yarı-asetaller v e y a asetaller o la r a k b u l u n u r l a r ( A l t b ö l ü m 1 6 .7 ). D a h a b a s it k a r b o h id r a t la r a h i d r o l iz l e n e m e y e n b a s it k a r b o h id r a t la r a m o n o s a k k a r i t l e r d e n ir . Y a p ıs a l o la r a k , h i d r o l i z l e n d i k l e r i n d e y a l n ı z c a ik i m o le k ü l m o n o s a k k a r it v e r e n le r e d i s a k k a r i t l e r , ü ç m o le k ü l m o n o s a k k a r it v e r e n le r e t r i s a k k a r i t l e r d e n ir v e b ö y le s ü r e r . ( H i d r o l i z l e n d i k l e r i n d e 2 - 1 0 m o l e k ü l m o n o s a k k a r it v e r e n le r e b a z e n o l i g o s a k k a r i t l e r d e n i r . ) F a z l a s a y ıd a ( > 1 0 ) m o n o s a k k a r it m o l e k ü l ü v e r e n l e r is e p o l i s a k k a r i t l e r o la r a k b i l i n i r l e r . M a l t o z v e s a k k a r o z d is a k k a r it le r e ö r n e k t ir . H i d r o l i z l e n d i k l e r i n d e , 1 m o i m a l t o z , 2 m o l g l i k o z m o n o s a k k a r it in i; s a k k a r o z ise 1 m o l g l i k o z v e 1 m o l f r u k t o z m o n o s a k k a r it in i v e r i r . N iş a s t a v e s e lü lo z p o l is a k k a r it l e r e ö r n e k t ir v e h e r ik is i d e g l i k o z p o l i m e r l e r i d ir . H e r ik is in in d e h i d r o l i z i ç o k s a y ıd a g l i k o z b i r i m i v e r i r . A ş a ğ ı d a b u h i d r o l i z l e r ş e m a t ik o la r a k g ö s t e r i lm e k t e d i r .

H,0 _

_ ►

1 m o l m a lt o z

2 m o l g lik o z

HÔ

Bir monosakkarit

Bir disakkarit

«

O

/Ç A

r °

H

W

~

oH

H,Q ^

I m o l s u k ro z

‘

h 3o

Bir disakkharit

I m o l n iş a sta veya 1 m o l s e llü lo z

Polisakkaritler

►

1 m o l g lik o z + 1 m o l f r u k t o z

Monosakkaritler

H,0 —-— ► H ,0 +

b ir ç o k m o l g lik o z

Monosakkaritler

K a r b o h i d r a t l a r b it k i l e r i n o r g a n ik iç e r ik l e r in d e e n ç o k b u l u n a n l a r d ı r . C a n l ı o r g a n i z m a l a r ı n ö n e m l i b i r k i m y a s a l e n e r ji k a y n a ğ ı o l m a k la k a l m a z l a r (ş e k e r le r v e n iş a s t a la r b u b a k ım d a n ö n e m l i d i r l e r ) , a y n ı z a m a n d a b it k ile r d e v e b a z ı h a y v a n l a r d a d e s te k d o k u l a r ı n ö n e m l i b ir ö ğ e s i o la r a k iş le v y a p a r l a r (ö r n e ğ in b u ; o d u n , p a m u k v e k e t e n d e b u lu n a n s e lü lo z u n en ö n e m li g ö r e v id ir ). G ü n l ü k y a ş a m ı m ı z ı n h e m e n h e r a ş a m a s ın d a k a r b o h id r a t la r la k a r ş ı la ş ır ı z . B u k it a b ın b a s ıld ığ ı k â ğ ıt b ü y ü k ö lç ü d e s e l ü l o z d u r , d a h a s ı e l b is e l e r im i z in p a m u ğ u v e e v l e r i m i z i n a h ş a p la r ı d a . E k m e k y a p t ı ğ ı m ı z u n b ü y ü k ö lç ü d e n iş a s t a d ır v e n iş a s ta a y n ı z a m a n d a p a ta te s , p i r i n ç , f a s u ly e , m ı s ı r v e b e z e ly e g ib i y i y e c e k l e r in d e a n a b ile ş e n i d ir . K a r b o h i d r a t la r m e t a b o liz m a n ın m e r k e z id ir v e h ü c r e t a n ın m a s ı iç in ö n e m l i d i r (b u b ö l ü m ü n a ç ılış ın a v e A lt b ö lü m 2 2 .1 6 ’ y a b a k ın ız ).

22.1 Giriş

1091

22.1 B F otosentez ve karbohidrat M etabolizm ası K a r b o h i d r a t l a r . y e ş il b it k i le r d e g ü n e ş e n e r j is i n i k u l l a n a r a k k a r b o n d io k s it i in d i r g e m e v e y a “ t u t m a ” iş le m i o la n fotosentez ile s e n t e z le n ir le r . F o t o s e n t e z , d e n iz y o s u n u v e d a h a y ü k s e k b it k i le r d e k lo r o p la s t d e n ile n h ü c r e o r g a n e lle r i n d e o l u r . F o t o s e n t e z in t o p la m e ş it liğ i a ş a ğ ıd a k i g ib i y a z ı l a b i l i r . .V C 0 2 + v H20 + g ü n e ş e n e rjis i ------ ► C v(H20 )v + x 0 2

Karbohidrat G e n e l f o to s e n t e tik s ü r e ç t e p e k ç o k ö z e l , e n z im k a t a l iz l i t e p k im e m e y d a n a g e l i r k i b u n la r t a m a m e n a n la ş ılm ış d e ğ il d ir l e r . B u n u n l a b e r a b e r , f o t o s e n t e z in b it k i l e r i n ö n e m li

Mısırın bir kloroplastmın şematik çizimi. [Voet, D. ve Voet J. G. Biochemistry, 2. baskı, Wiley: 1995]

b i r p ig m e n t i o la n k l o r o f i l i n ( Ş e k i l 2 2 .1 ) ı ş ığ ı s o ğ u r m a s ıy l a b a ş la d ığ ın ı b i l i y o r u z . K l o r o f i l i n y e ş il r e n g i v e b u n d a n d o l a y ı g ü n e ş ı ş ı ğ ı n ı n g ö r ü n ü r b ö lg e s in i s o ğ u r m a k a b i l i y e ti b a ş lıc a g e n iş k o n ju g e s is t e m in d e n d o l a y ı d ı r . G ü n e ş ış ığ ın ı n f o t o n l a r ın ın k l o r o f i l t a r a f ın d a n y a k a l a n m a s ı y l a , b u e n e r ji, k i m y a s a l o la r a k k a r b o n d io k s it i k a r b o h id r a t la r a i n d i r g e y e n v e s u y u o k s ije n e y i ik s e lt g e y e n t e p k im e le r i y ü r ü t m e k iç in k u l l a n ıl a b il e c e k h a le g e lir . K a r b o h i d r a t l a r , g ü n e ş e n e r j is i n in a n a k im y a s a l d e p o la r ı o la r a k d a v r a n ır la r . E n e r j i l e r i, h a y v a n l a r v e y a b it k i l e r k a r b o h id r a t la r ı k a r b o n d io k s it v e s u y a m e t a b o liz e e t t i k l e r in d e a ç ığ a ç ık a r . C v( H 2O X , + x 0 2 ------ ► x C 0 2 + y H 20 + e n e rji K a r b o h id r a t l a r ı n m e t a b o liz m a s ı d a e n e r ji ü re te n h e r b i r b a s a m a ğ ın b ir y ü k s e lt g e n m e ( v e y a b i r y ü k s e l t g e n m e n in s o n u c u ) o l d u ğ u b i r s e ri e n z i m k a t a l iz l i t e p k im e o la r a k m e y d a n a g e lir . K a r b o h i d r a t l a r ı n y ü k s e lt g e n m e s i n d e a ç ığ a ç ık a n e n e r j in in b ir k ı s m ı k a ç ı n ı l m a z o la r a k ıs ıy a d ö n ü ş m e k le b e r a b e r , ç o ğ u , a d e n o z in d if o s f a t ( A D P ) v e i n o r g a n i k f o s f a tta n ( P , ) a d e n o z in t r if o s f a t ın ( A T P ) s e n t e z in e e ş lik e d e n t e p k im e l e r s a y e s in d e y e n i b ir k i m y a s a l y a p ıd a s a k la n ı r ( Ş e k i l 2 2 .2 ) . A D P ’ ııin u ç f o s f a t g r u b u y l a f o s f a t iy o n u a r a s ın d a o lu ş a n f o s f o r ik a n h id r it b a ğ ı k i m y a s a l e n e r j i y i s a k la m a n ın b a ş k a b i r ş e k lid ir . B i t k i l e r v e h a y v a n l a r A T P ’ n in ( v e y a b u n a b e n z e r b i l e ş ik l e r in ) d e p o l a n m ış e n e r j is i n i b i r k a s ın k a s ıl m a -

Şekil 22.1 Klorofil a. [Klorofil û’nın yapı sı büyük ölçüde H. Fisclıer (Münih), R. Willstâtter (Münih) ve J. B. Conant (Harvard)’m çalışmalarıyla saplanmıştır. Kloro fil a ’nın basit organik bileşiklerden sentezi, sentetik organik kimyaya olağanüstü katkı ları nedeniyle 1965’te Nobel Ödülü kazanan R. B. Woodword (Harvard) tarafından, 1960’ta yapılmıştır.]


Şekil 22.2 Adenozin trifosfatın (ATP) ade

Adenin

nozin difosfat (ADP) ve hidrojen fosfat iyo nundan sentezi. Bu tepkime tüm canlı organizmalarda meydana gelir ve adenozin trifosfat, kimyasal enerji açığa çıkaran bi yolojik yükseltgenmelerde dönüşümün baş lıca ürünüdür.

0

0

I

O

I

p— o — p — OH

+

I

HO— p— O-

I O-

O-

I O-

Difosfat

Fosfat iyonu

Yükseltgenme tepkimelerinden oluşan kimyasal enerji

0 II

o I

o—p — o—p — 1 I o o-

O- +

H

„ 0

Yeni Fosforik anhidrit bağı

s ı, b ir ı n a k r o m o l e k ü l ü n s e n t e z i v e b u n u n g i b i e n e r ji g e r e k t ir e n iş le v le r i y a p m a k t a k u l l a n ıl ı r l a r . A T P ’ d e k i e n e r ji k u l l a n ıl a c a ğ ı n d a , b u n u n iç in , y a A T P h i d r o l i z l e n i r ; A T P + H20 ---- ► A D P + P, + e n e rji v e y a y e n i b ir a n h id r it b a ğ ı o lu ş t u r u l u r :

A TP -

0

|| — ►R — c — O

II 1

0

O“ + ADP

1

II R — C — OH +

1

0

O — "o

1092

Açil fosfat

2 2 .2

M

o n o s a k k a r İt l e r

22.2A M onosakkaritlerin Sınıflandırılması M o n o s a k k a r İ t l e r ( 1 ) m o l e k ü l d e k i k a r b o n a t o m la r ın ın s a y ıs ın a v e ( 2 ) iç e r d ik l e r i a ld e h it v e y a k e t o n g r u b u n a g ö r e s ı n ı f l a n d ı r ı l ı r l a r . B u n a g ö r e iiç k a r b o n a t o m u iç e r e n b i r m o n o s a k k a r it e trioz; d ö r t k a r b o n a t o m u iç e r e n e tetıoz; b e ş k a r b o n a t o m u iç e r e n e pentoz; v e a ltı k a r b o n iç e r e n e heksoz d e n ir . A l d e h i t g r u b u iç e r e n m o n o s a k k a r it e aldoz; b i r k e t o

22.2 Monosakkaritler g r u b u iç e r e n e is e ketoz d e n ir . B u ik i s ı n ıf l a n d ır m a ç o ğ u z a m a n b ir l e ş t ir i l ir . Ö r n e ğ i n , b ir C 4 a ld o z a aldotetroz ; b i r C 5 k e t o z a ketopentoz a d ı v e r i l i r .

CH,OH 1 ‘

0 II CH

O

c h 2o h

CH

T

CHOH

c= o 1 CHOH

ÇHOH

CHOH

r °

(ÇHOH)„

(ÇHOH)„

CH2OH Bir aldoz

c h 2o h

Bir ketoz

CH2OH Bir aldotetroz c4

CH2OH Bir ketopentoz cs

Y u k a r ı d a v e r i le n ( a ) a l d o t e t r o z v e ( b ) k e t o p e n t o z k a ç ta n e s t e r e o m e r k e z iç e r m e k t e d ir ? ( c ) H e r b ir g e n e l y a p ıd a n k a ç s t e r e o iz o m e r b e k le r s i n i z ?

<

22.2B Monosakkaritlenn D ve L Gösterimleri B a s it m o n o s a k k a r it l e r g lis e r a ld e h it v e d ilıid r o k s ia s e t o n b i l e ş i k l e r i d i r (a ş a ğ ıd a k i y a p ı l a ra b a k ı n ı z ) . B u ik i b ile ş ik t e n s a d e c e g l is e r a ld e h it i n b i r s t e r e o m e r k e z i v a r d ı r .

CHO

c h 2o h

I

*CHOH

c= o

I

I1

c h 2o h

c h 2o h

Gliseraldehit (bir aldotrioz)

Dihidroksiaseton (bir ketotrioz)

l o l a y ı ik i e n a n t iy o m e r i k ş e k le s a h ip t ir v< ;ö s t e r ilm iş t ir . < K Ç/ H

‘V H ^

" c

Ô H

i

1 c h 2o h (+)-Gliseraldehit

ve

H O ^c ^H I 1

CH2OH (—(-Gliseraldehit

A l t b ö l ü m 5 . 6 ’ d a g ö r d ü ğ ü m ü z C a n l ı - I n g o l d - P r e l o g d ü z e n le m e s i n e g ö r e ( + ) - g l i s e r a ld e h it , ( / ? ) -( + ) - g l i s e r a l d e h i t v e ( - ) g lis e r a ld e h it (5 ’) - ( - ) - g l i s e r a l d e h i t o la r a k g ö s t e r i l m e lid ir. Y i r m i n c i y ü z y ı l ı n b a ş ın d a , o r g a n ik b il e ş ik l e r in m u t la k k o n f i g ü r a s y o n l a n m n b i l i n m e s in d e n ö n c e , s t e r e o k im y a s a l g ö s t e r i m l e r iç in b i r b a ş k a s is t e m ö n e r i l m iş t i. B u s is te m e g ö r e ( i l k k e z N e w Y o r k Ü n i v e r s i t e s i n d e , 1 9 0 6 ’ d a , W . A . R o s a n o f f t a r a f ın d a n ö n e r i l d i ) ( + ) -g l i s e r a l d e h i t , D - ( + ) - g l i s e r a l d e h i t v e ( - ) - g l i s e r a l d e h i t is e L - ( - ) - g lis e r a ld e h it o la r a k b e l i r t i l i r . B u n d a n d a ö te b u ik i b ile ş ik t ü m m o n o s a k k a r it l e r iç in k o n f ig ü r a s y o n s t a n d a rt la r ı o la r a k a lın ır . En büyük numaralı stereomerkezi (s o n d a n b ir ö r c e k i k a r b o n ) D - ( + ) - g l i s e r a l d e h i t l e a y n ı k o n f ig i ir a s y o n d a o la n b i r m o n o s a k k a r it D ş e k e r ; e n b ü y ü k n u m a r a lı s t e r e o m e r k e z i L - g l i s e r a l d e h i t i n k i y l e a y n ı k o n f ig ü r a s y o n d a o la n is e L ş e k e r o la

P r o b l e m 22.1

1093

1094

Bölüm 22 / Karbohidratlar r a k b e l i r t i l i r . B u d ü z e n le m e d e , m o n o s a k k a r it l e r i n h a lk a lı o l m a y a n y a p ı l a n , d ik e y o l a r a k . a ld e h it v e y a k e to g r u b u e n ü s tte v e y a e n ü s te e n y a k ın o la r a k y a z ı l ı r . B u ş e k ild e y a z ıld ığ ın d a ,

d

ş e k e r le r in s o n d a n b i r ö n c e k i k a r b o n u n d a k i — O H s a ğ d a d ır .

ı

CHO

ve

CH,OH

2

c= o

I '

2 **CHOH

D

ı

g ö s t e r i m l e r i , (R) v e ( S ) g ö s t e r i m le r i g ib i u y g u l a n d ı k l a r ı ş e k e r le r in o p t ik d ö n

L

m e l e r i y l e i l g i l i o l m a k z o r u n d a d e ğ il d ir l e r . B u y ü z d e n

D -(+ )-

veya

D -(-)-

ş e k e r le r le v e

L - ( + ) - v e y a L - ( - ) - ş e k e r le r le k a r ş ıla ş ıla b ilir '. S t e r e o k im y a s a l g ö s t e r i m le r d e k i D - L s is t e m i , k a r b o h id r a t k i m y a s ı k a y n a k l a r ı n d a t a m a m e n y e r l e ş m i ş t ir v e s a d e c e b i r s t e r e o m e r k e z i n — e n b ü y ü k n u m a r a lı s t e r e o m e r k e z — k o n f ig ü r a s y o n u n u b e lir t m e s i o l u m s u z l u ğ u n a ra ğ m e n

P r o b l e m 22.2

^

d

-

l

s is t e m in i k a r b o h id r a t la r ın g ö s t e r im in d e u y g u l a y a c a ğ ı z .

P r o b l e m 2 2 . 1 ’ d e k i h e r a ld o t e t r o z v e k e t o p e n t o z i z o m e r i n i n ü ç b o y u t l u f o r m ü l l e r i n i y a z ın ız v e h e r b ir in i

D

veya

L

ş e k e r o la r a k b e l ir t in iz .

22.2C Monosakkaritlerin Yapı Formülleri B u b ö lü m d e d a h a s o n r a , b ü y ü k k a r b o h id r a t k i m y a c ıs ı E m i l F i s c h e r * ’ in , d o ğ a d a e n y a y g ın o la r a k b u lu n a n m o n o s a k k a r it o la n a ld o h e k s o z D - ( + ) - g l i k o z u n s t e r e o k im y a s a l y a p ı s ın ı n a s ıl s a p t a y a b il d iğ i n i g ö r e c e ğ i z . A y n ı z a m a n d a , m o n o s a k k a r it l e r i n y a p ı l a r ı m g ö s t e r m e n in ç e ş it li y o l l a r ı n d a D - ( + ) - g l i k o z u b ir ö r n e k o la r a k k u l l a n a c a ğ ız . F i s c h e r D - ( + ) - g l i k o z u n y a p ıs ın ı Ş e k il 2 2 . 3 ’ t e k i g ib i ; ç a p r a z y a z ı l m ı ş b i r f o r m ü l l e ( 1 ) v e r d i . B u t ü r b i r f o r m ü l g ü n ü m ü z d e F i s c h e r i z d ü ş ü m ü (o la r a k 5 . 1 2 ) o la r a k b i l i n i r v e k a r b o h id r a t l a r iç in h â lâ k u l l a n ı ş l ı d ı r . F i s c h e r iz d ü ş ü m l e r in d e k a b u le g ö r e , yatay bağlar

öne, okuyucuya doğru ve dikey bağlar sayfa düzleminin arkasına doğru yönlenmişlerdir. Bununla birlikte. Fischer izdüşümlerini kullanırken bunların üstüste çakışabilme-

Emil Fischer

* E m il Fischer (1852 - 1919) B e rlin Ü niversitesi'ııde organik kim ya profesörüydü. K arbohidrat kim yası ala nındaki anıtsal çalışm alarına ilaveten, F ischer ve çalışma arkadaşları m onosakkaritlerin hemen hemen ço ğu nun yapılarını saptadılar. Fischer aynı zam anda am ino asitler, proteinler, purinler, indoller ve stereokimya çalışm alarıyla ilg ili önem li m akaleler ya yınlad ı. Fischer. lisans üstü öğreııcisiyken daha sonraki karbohidrat çalışm alarında önem li bir reaktif olan fenil hidrazini keşfetli. Fischer K im y a N o bel Ö dü lün ü (1 9 0 2 ’de) alan ikin ci kişiydi.

22.2 Monosakkaritler

CHO HHO-

h-

-OH H

ÇHO

CHO A

ho- A

-

oh

-h

OH H O ^C —H

AV OH

OH

-OH

OH

H *-C — OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

Daire-ve-çizgi form ülü

K a m a -ç iz g içizgili kama form ülü

H-

-OH

H-

F ischer izdüşüm ü form ülü

H

2 ve 3 formülleri, bir Fisher izdüşümündeki (1) her karbon atomunun yatay bağlarının nasıl bir papyon gibi bize yöneldiğini göstermektedir.

1095

Şekil 22.3 1-3 For mülleri D-(+)-glikozun açık zincir yapısı için kullanılırlar. 4 -7 for mülleri ise ü-(+)-glikozun halkalı yarı-asetal yapıları için kullanılır lar.

f Haworth formülleri

H aw orth form ülleri

III

a -D -( + )-Glikopiranoz

ß -D -( + )-Glikopiranoz

lerini sınamak için (zihnimizde) kâğıt düzleminden k a l d ı r m a m a k v e 90° ç e v i r m e m e l i y i z . D a h a k o l a y a n l a ş ıl ı r d ü z e n l e m e l e r , i z d ü ş ü m ü 2 v e 3 f o r m ü l l e r i n e ç e v r i l e b i l i r . I U P A C a d la n d ır m a s ın d a v e C a h n - I n g o l d - P r e l o g s t e r e o k im y a s a l g ö s t e r im le r d e a ç ık z i n c i r l i D - ( + ) - g l i k o z , (2 / ? ,3 S ,4 / ? ,5 / ? ) -2 ,3 ,4 ,5 ,6 -p e n t a h id r o k s ih e k s a n a l d i r .

Formüllerinin anlamları en iyi, molekül modellerinin kullanılmasıyla anlaşılabilir: Ön ce üstte —CHO ve altta —CH2OH olan altı karbonlu bir zincir yapalım. Daha sonra —CH2OH grubunu zincirin arkasından —CHO grubuna hemen hemen dokununcaya kadar getirelim. Bu modeli, —CHO ve —CH2OH grupları bizden uzakta olacak şe kilde tutarak kalan dört karbon atomunun her biri üzerine —H ve —OH gruplarını yerleştirmeye başlayalım. C2'nin —OH grubu sağa, C3’ünkü sola. C4 ve C5‘inkiler sağa yerleştirilir.

1096

Bölüm 22 / Karbohidratlar D - ( + ) - G l i k o z u n ö z e l l i k l e r i n i n p e k ç o ğ u a ç ık z i n c i r y a p ı s ı y l a (1, 2,v e y a 3) a ç ı k l a n m a k la b ir l ik t e , p e k ç o k k a n ıt , b u n u n e s a s o la r a k ik i h a lk a lı y a p ı ile d e n g e d e o l d u ğ u n u g ö s t e r ir . B u n l a r 4 v e 5 v e y a

6

v e 7 y a p ı l a r ı ş e k lin d e g ö s t e r i l e b i l ir . D - ( + ) - G l i k o z u n h a l

k a lı y a p ıl a r ı o la n aı ı - a s e ü ı l l e r , C 5 ?t e k i — O H g r u b u n u n a ld e h it g r u b u y l a m o le k ü l iç i b i r t e p k im e s i y l e o l u ş u r l a r ( Ş e k i l 2 2 .4 ) . C l ' d e k i h a lk a la ş m a y e n i b ir s t e r e o m e r k e z y a r a t ır v e b u s t e r e o m e r k e z ik i f a r k lı h a lk a lı y a p ı n ı n n a s ıl m ü m k ü n o l d u ğ u n u a ç ı k la r . B u ik i h a lk a lı y a p ı s a d e c e C l ' i n k o n f ig ü r a s y o n u f a r k lı o la n diastereomerlerdir. K a r b o h id r a t v e y a r ı-a s e t a l k a r b o n u n a a noımTİk k a r

k i m y a s ı n d a b u t ü r d ia s t e r e o m e r le r e

bon a t o m u d e n ir .

Şekil 22.4 D-(+)-Glikozun halkalı yarı-asetal yapısı için Haworth formülleri ve açık zincirli polihidroksi aldehit yapısıyla ilişkisi. Holüm, J. R. Organic Chemistry: A Brief Course; Wiley: New York, 1975; s 332’den izin alınarak kul lanılmıştır.

Y H — C— OH HO— Ç— H H — C— OH

si

H — C— OH .1

CH.OH

G likoz (d ü zlem iz d ü şü m fo rm ü lü ) B u n u n b ir m o d eli y a p ıld ığ ın d a a ş a ğ ıd a k i gibi k ıv rıla c a k tır.

H

OH

C4’e b ağ lı g ru p o k la rın g ö sterd iğ i gib i e k s e n i e tra f ın d a d ö n d ü rü lü rs e a ş a ğ ıd a k i y ap ıy ı eld e ed eriz.

CH,OH *

OH H

H o-D -(+ )-G lik o p iran o z (Y ıld ız lı—OH, y a rı-a se ta l —OH’d ir; bu, » -g lik o zd a Cö’te k i —CH2OH g ru b u y la h a lk a n ın z ıt ta r a f l a rın d a d ır.)

D -glikozun a ç ık z in c ir şek li

p-D -< +)-G likopiranoz (Y ıldızlı —OH, y a n a s e ta l —OH’d ir, b u , /^-glikozda CS’te k i —CH 2OH g ru b u y la h a lk a n ın a y n ı ta ra f ın d a d ır .)

22.2 Monosakkaritler G l i k o z a n o m e r le r i iç in o la n

4 ve

5 y a p ıl a r ın a

Haworth formülleri* d e n ir

v e a ltı

ü y e l i h a lk a ş e k lin in d o ğ r u g ö r ü n t ü s ü o lm a s a la r d a p e k ç o k p r a t ik k u l l a n ım l a r ı v a r d ı r . Ş e k il 2 2 .4 , a ç ık z i n c i r ş e k lin d e k i h e r b i r s t e r e o m e r k e z in g ö s t e r i m in in H a w o r t h f o r m ü lü n d e k i g ö s t e r im le n a s ıl il i ş k i l e n d i r i l e b i l e c e ğ i n i g ö s t e r m e k t e d ir . H e r b i r g l i k o z a n o m e r i C 1 d e k i — O H g r u b u n u n k o n u m u n a g ö r e o -a n o m e ı* v e y a (3• a n o n ı e r o la r a k b e l i r t i l i r . Ş e k i l 2 2 .3 v e y a 2 2 .4 ’ te g ö s t e r ile n b i r D ş e k e r in h a lk a lı y a p ı la r ın ı ç i z d i ğ i m i z d e a a n o ın e r d e — O H , — C H 2O H g r u b u n a t ra n s : (3 a n o m e r d e is e — O H , — C H 2O H g r u b u n a c is o la c a k t ır . G l i k o z u n h a lk a lı y a r ı-a s e t a l ş e k il l e r in in y a p ı l a r ı n ı n X ış ı n l a r ı y l a b e lir le n m e s i ç a l ış m a la r ı, h a lk a la r ın g e r ç e k k o n f o r m a s y o n l a r ı n ın Ş e k i l 2 2 . 3 ’ te 6 v e 7 f o r m ü l l e r i y l e g ö s t e r ile n s a n d a ly e ş e k ille r i o l d u ğ u n u g ö s t e r m iş t ir . B u ş e k il s ik lo h e k s a n ın k o n f o r m a s y o n l a r ı h a k k ın d a b i l d i k l e r i m i z l e ( B ö l ü m 4 ) t a m a m e n a y n ı d ı r v e D - g l i k o z u n (3 a n o m e r in d e k i b ü y ü k g r u p l a r ın , — O H v e — C H 2O H ' n i n e k v a t o r y a l o l d u ğ u n u n g ö r ü l m e s i ö z e l l i k l e i l g i n ç t ir . a A n o m e r d e t e k h a c im l i a k s iy a l s u b s t itü e n t C l ’ d e k i — O H ’ d ir . M o n o s a k k a r i t l e r in h a lk a lı y a p ıl a r ın ı g ö s t e r ir k e n b a z e n a n o m e r ik k a r b o n a t o m u n u a v e y a (3 o la r a k b e l ir t m e k g e r e k m e z . B ö y l e y a p a c a ğ ı m ı z z a m a n a ş a ğ ıd a k i g ib i f o r m ü l l e r k u lla n a c a ğ ız . C H 2O H

H

OH "W, a veya ß dem ektir (üç boyutlu görüntü belirli değildir.)

K a r b o h id r a t l a r ı n h e p s i a ltı ü y e li y a r ı-a s e t a l h a lk a la r ı ile d e n g e d e d e ğ il d ir . B a z ı d u r u m l a r d a h a lk a b e ş ü y e l i d i r . ( H a t t a g l i k o z b ile d e n g e d e k ü ç ü k b i r m ik t a r d a b e ş ü y e l i y a r ı-a s e t a l h a lk a la r ı i ç e r i r . ) B u f a r k l ı l ı k n e d e n iy le h a lk a b ü y ü k l ü ğ ü n ü d e b e lir t m e y e im k a n s a ğ la y a n b i r a d l a n d ı r m a s is t e m i ö n e s ü r ü l m ü ş t ü r . E ğ e r m o n o s a k k a r it h a lk a s ı a lt ı ü y e l i is e b ile ş ik b ir p i r a n o z o la r a k ; b e ş ü y e li is e f ü r a n o z o la r a k a d l a n d ı r ı l ı r . ! B ö y l e c e b il e ş ik 4 ’ ü n ( v e y a 6 'n ı n ) t ü m a d ı a - D - ( + ) - g l i k o p i r a n o z ik e n 5 'i n ( v e y a 7 'n i n ) ise (3-D - ( + ) g l i k o p i r a n o z o lu r .

* İngiliz kimyası W. N. Haworth'un (Birmingham Üniversitesi) 1926'da E. L. Hirst ile birlikte glikoz asetallerinin halkalı yapısının altı üyeli olduğunu göstermesiyle bunlar Haworth formülleri adını aldılar. Haworth karbohidrat kimyasındaki çalışmasından dolayı 1937'de Nobel Ödülü aldı. Hawort formülleri ve bunların açık zincirli şekilleriyle olan ilişkisinin daha ile tartışmaları için aşağıda verilen makaleye bakınız: “The Conversion of Öpen Chain Structures of Monosaccharides into the Corresponding Haworth Formulas” Wheerler, D. M. S.: Wheeler M. M.; Wheeler. T. S. J . C h e m E d u c. 1982, 59. 9 6 9 -9 7 . iBu adlar, oksijenli heterohalkalar pirem v t f u r a n + or'dan gelmektedir.

Bir piran

Furan

1097

1098


2 2 .3

M

u t a r o t a s y o n

D - ( + ) - G l i k o z u n h a lk a lı y a r ı-a s e t a l y a p ı s ı y l a i l g i l i k a n ıt la r ın b ir k ı s m ı a v e /3 y a p ıl a r ın ı n h e r ik is in in d e iz o le e d i l d i ğ i d e n e y le r d e n e ld e e d ilir . D o ğ a l D - ( + ) - g l i k o z u n e r im e n o k ta s ı 1 4 6 ° C 'd u r . B u n u n l a b ir l ik t e D - ( + ) - g l i k o z u n ç ö z e lt is i 9 8 ° C !d a b u h a r l a ş t ır ıla r a k k r i s t a l l e n d i r i I d iğ in d e , D - ( + ) - g l i k o z u n , e r im e n o k t a s ı 1 5 0 ° C o la n ik i n c i b i r y a p ıs ı e ld e e d i l e b i l i r . B u ik i y a p ı n ı n o p t i k ç e v i r m e l e r i ö l ç ü l d ü ğ ü n d e ç o k f a r k l ı o l d u k l a r ı g ö r ü l ü r , f a k a t h e r ik i ş e k lin d e s u lu ç ö z e l t il e r i b e k le m e y e b ır a k ı l d ık l a r ın d a ç e v i r m e l e r i d e ğ iş ir . S o n u ç t a her iki çözelti aynı değeri gösterinceye k a d a r b i r ş e k lin ö z g ü l ç e v i r m e s i a z a lı r , d iğ e r i n i n ç e v i r m e s i a rta r. E r i m e n o k t a s ı 1 4 6 ° C o la n D - ( + ) - g l i k o z b a ş la n g ıç t a + 1 1 2 ° ö z g ü l ç e v i r m e y e s a h ip t ir , f a k a t b u ç ö z e l t in in ö z g ü l ç e v i r m e s i s o n u n d a + 5 2 ,7 ° ’ y e d ü ş e r . D - ( + ) - G l i k o z u n d iğ e r ş e k lin in (e n 1 5 0 ° C ) b a ş la n g ıç t a k i ö z g ü l ç e v i r m e s i + 1 8 ,7 ° ’ d ir , f a k a t b u ç ö z e l t i n i n ö z g ü l ç e v i r m e s i y a v a ş ç a + 5 2 .7 0 ,y e y ü k s e l ir . Ç e v i r m e d e k i , b i r d e n g e d e ğ e r in e d o ğ r u g e r ç e k le ş e n b u d e ğ iş i m e m u t a r o t a s y o n d e n i r . B u m u t a r o t a s y o n iç in b i r a ç ı k la m a , D - ( + ) - g l i k o z u n a ç ık z i n c i r ş e k liy l e h a lk a lı y a r ı a s e t a lle r in a v e ¡3 ş e k ille r i a r a s ın d a k i b i r d e n g e n i n v a r l ı ğ ı n d a b u l u n a b il i r . (3

( 11 11U H

11

h

UH H UH Un

: h ,o h

«'-D-(+)-Glikopiranoz (en 146°C; [a ]» = +112°)

D-(+ »-glikozun açık-zincir şekli

P-ft -( + )-Glikopiranoz (en 150°C; [a]^ = +18.7°)

X - ı ş ı n l a r ı a n a l iz l e r i ile , a d i D - ( + ) - g l i k o z u n a n o m e r ik k a r b o n a t o m u n d a a k o n f i g ü r a s y o n a s a h ip o l d u ğ u : d a h a y ü k s e k s ıc a k lık t a e r iy e n ş e k lin is e fi k o n f if ü r a s y o n u n a s a h ip o l d u ğ u s a p t a n m ış t ır . D e n g e d e k i ç ö z e lt i iç e r is in d e D - ( + ) - g l i k o z u n a ç ık z i n c i r ş e k lin in d e r i ş i m i ç o k a z d ır . D - ( + ) - G l i k o z ç ö z e l t il e r i, k a r b o n i l g r u b u ile i l g i l i g ö z le n e b ile n U V v e İ R s o ğ u r m a b a n d la r ı v e r m e z l e r . D - ( + ) - g l i k o z ç ö z e l t il e r i S c h i f f r e a k t i f iy l e ( p o z i t i f te s t iç in , b i r y a r ı -a s e t a ld e n ç o k s e rb e s t a ld e h it g r u b u n u n n is p e t e n y ü k s e k d e r i ş i m in i g e r e k t ir e n ö z e l b ir r e a k t if ) n e g a t if te s t v e r i r l e r . A ç ı k z i n c k ş e k lin in d e r i ş i m i n i n ih m a l e d i l e b i l i r o l d u ğ u k a b u l e d ile r e k v e a ş a ğ ıd a k i ş e k ild e v e r i le n ö z g ü l ç e v i r m e l e r k u l l a n ıl a r a k , a v e P a n o m e r le r in d e n g e d e y ü z d e l e r i h e s a p la n a b ilir . B u y ı iz d e l e r , a a n o r n e r % 3 6 v e /3 a n o m e r % 6 4 , / 3 - D - ( + ) - g l i k o p i r a n o z u n d a h a k a r a r lı o l m a s ıy l a u y u m iç in d e d ir . B u , y a l n ı z e k v a t o r y a l g r u p iç e r e n b i r y a p ıd a n b e k le y e b ile c e ğ im iz b ir d u ru m d u r. C H ,O H

hoA

-— HO

OH (ekvatoryal)

(aksiyal)

a-D -(-t-)-GIikopiranoz (dengede %36)

/3-l) -(-H-Glikopiranoz (dengede %64)

22.4 Glikozit Oluşumu B u n u n l a b ir l ik t e , b i r p ir a n o z o n /3 a n o m e r i h e r z a m a n d a h a k a r a r lı d e ğ i l d i r . D - M a n n o z d a d e n g e a a n o m e r i y e ğ l e r v e b u s o n u ç anomarik etki o la r a k a d l a n d ı r ıl ır .

a - D-Mannopiranoz (dengede %69)

0-o-Mannopiranoz (dengede %31)

A n o m e r i k e t k ile r in ik i e le k t r o n e g a t i f o k s ije n a t o m u n u n e t k ile ş t iğ i k o n f o r m a s y o n e l d u r u m l a r d a n k a y n a k l a n d ı ğ ın ı s ö y l e m e n in d ış ın d a d a h a ile r i b i r t a r t ış m a y a g ir m e y e c e ğ i z . B i r a n o m e r ik e t k i, h i d r o k s il v e y a a lk o k s il g r u p l a r ı g i b i b i r e le k t r o n e g a t if s ü b s t it iie n t in ç o ğ u k e z a k s iy a l k o n u m u t e r c ih e t m e s in e y o l a ç a r .

2 2 .4

G

l İk o z i t

O

lu ş u m u

G l i k o z u n m e t a n o id e k i ç ö z e lt is i iç e r is in d e n a z m ik t a r d a h i d r o je n k l o r ü r g a z ı g e ç i r i l d i ğ in d e a n o m e r ik m e t il asetallerin o lu ş t u ğ u b i r t e p k im e m e y d a n a g e lir .

O CH H- ----- OH HO

------- H

H- ------- O H ^ H- ----- OH

CHOH

CH.OH ----- 2-----► HC1 (—HOH)

CH,OH

OCH,

Metil tt-n-glikopiranozit (en 165°C;[«]* = +158°)

Metil /3-D-glikopiranozit (en 1Ü7°C; [a]r,s = -33°)

K a r b o h id r a t a s e t a lle r in e g e n e lli k le g l i k o z i t l e d e n ir ( i z l e y e n m e k a n iz m a y a b a k ı n ı z ) v e g l i k o z u n b ir a s e ta li d e b ir glikozittir. ( M a n n o z u n a s e t a lle r i mannozitler, f r u k t o z u n a s e t a lle r i fruktozitler v e b e n z e r l e r i.) Y u k a r ı d a g ö s t e r ile n m e t il D - g l i k o z i t l e r a ltı ü y e li h a lk a la r a s a h ip t i r le r ( A l t b ö l ü m 2 2 . 2 C ) v e b u n a u y g u n o la r a k d a m e t il a - D - g l i k o p i r a z o it v e m e t il / 3 -D -g l ik o p i r a n o z it o la r a k a d l a n d ı r ıl ır l a r . G l i k o z i t l e r i n o lu ş u m m e k a n iz m a s ı ( k e y f i o la r a k / 3 -D -g lik o p ir a n o z d a n b a ş la y a r a k ) a ş a ğ ıd a k i g i b i d i r :

1099

1100


j T e pk im e için Bir Mekanizma i---------------------------------

: Bir Glikozit Oluşumu

/?-D-Glikopiranoz

A l t b ö l ü m 1 6 . 7 C ’ d e k i a s e ta l o l u ş u m u m e k a n iz m a s ı n ı g ö z d e n g e ç i r i n i z v e b u r a d a v e r i le n b a s a m a k la r la k a r ş ı l a ş t ır ın ı z . İ k i n c i b a s a m a k t a o lu ş a n k a r b o k a t y o n u n k a r a r l ıl ık k a z a n m a s ın d a b it iş ik o k s ije n a t o m u n u n e le k t r o n ç if t in in o y n a d ığ ı ö n e m l i r o le d ik k a t e d in iz . G l i k o z i t l e r , a s e t a lle r o l d u l a r ı i ç in b a z i k ç ö z e lt ile r d e k a r a r l ıd ır l a r . B u n a k a r ş ı l ı k g l i k o z it l e r , a s id ik ç ö z e l t il e r d e ş e k e r v e a lk o l v e r m e k ü z e r e h i d r o l i z o l u r l a r ( ç ü n k ü y i n e a s e t a lle r e d ö n ü ş m ü ş l e r d i r , A l t b ö l ü m 1 6 .7 ). B i r g l i k o z i t i n h i d r o z i y l e e ld e e d ile n a lk o le a g i i k o n d e n ir .

C H 7O H — -—

HO

„ \ + ROH

H O -Y -

T OH

M

or

Glikozit (bazik çözeltide kararlı)

Agiikon

Ö r n e ğ i n , m e t i l j S -D -g l i k o p i r o n o z i t i n s u lu ç ö z e lt is i a s i d ik y a p ı l d ı ğ ı n d a , g l i k o z i t , D g l i k o z u n h e r i k i p ir a n o z ş e k lin in b i r k a r ış ım ın ı v e r m e k ü z e r e h i d r o l i z e u ğ r a r (d e n g e d e a z m ik t a r d a a ç ı k z i n c i r ş e k li d e b u l u n u r ) .

22.4 Glikozit Oluşumu

G l i k o z i t l e r , h e n ü z i n c e l e d i ğ i m i z b u m e t i l g l i k o z i t l e r k a d a r b a s it y a d a o ld u k ç a f a z la k a r m a ş ı k o l a b i l ir l e r . P e k ç o k d o ğ a l b il e ş ik g l i k o z i t t i r . B i r ö r n e k o la r a k , s ö ğ ü t a ğ a c ı k a b u k l a r ın d a b u lu n a n b i r b ile ş ik o la n salisirı v e r i l e b i l i r .

Ç o k e s k i Y u n a n l ı l a r z a m a n ı n d a s ö ğ ü t k a b u ğ u n d a n h a z ır la n a n m a d d e l e r a ğ r ı la r ı n g i d e r i l m e s in d e k u l l a n ı l m ı ş l a r d ı r . S o n u n d a k i m y a c ı l a r , ş a lis in i s ö ğ ü t k a b u k la r ın d a n v e d i ğ e r b it k is e l k a y n a k la r d a n iz o l e e t t ile r v e s ö ğ ü t k a b u k la r ın d a n h a z ır la n a n m a d d e n in a ğ r ı d i r d i r i c i e t k is in in b u n d a n k a y n a k l a n d ı ğ ı m g ö s t e r e b ild ile r . Ş a l is in , s a li s ili k a s ite ç e v r i l e b i l i r v e b u d a e n y a y g ı n m o d e r n a ğ r ı k e s ic i o la r a k k u l l a n ıl a n aspirine d ö n ü ş t ü r ü l e b i l i r ( A l t b ö l ü m 2 1 .8 ) .

1101

1102


P ro b l e m 22.3

> - ( a ) Ş a lis in , s e y r e lt ik H C 1 ile e t k ile ş t ir ilir s e h a n g i ü r ü n l e r o lu ş u r ? ( b ) B u n l a r ı n o l u ş u m t e p k im e le r i iç in b i r m e k a n i z m a t a s a r la y ın ız .

P ro b l e m 22.4

D - G l i k o z u , e til a - D - g l i k o p i r a n o z i t v e e til / 3 -D -g l ik o p i r a n o z it k a r ış ım ın a n a s ıl d ö n ü ş t ü r ü r s ü n ü z ? O l u ş u m m e k a n iz m a l a r ı n d a k i t ü m b a s a m a k la r ı g ö s t e r i n iz .

P ro b l e m 22.5

)► N ö t r v e b a z ik s u lu ç ö z e l t il e r in d e , g l i k o z i t l e r m u t a r o t a s y o n g ö s t e r m e z le r . B u n a k a r ş ı l ı k ç ö z e l t i l e r a s id ik y a p ıl ı r s a , g l i k o z i t l e r m u t a r o t a s y o n g ö s t e r ir le r . B u n u n n iç in o l d u ğ u n u a ç ık la y ın ız .

2 2 .5

M

o n o s a k k a r İt l e r

İn D İ ğ e r T

ep k im eler i

22.5A Enolleşme, Tautomerleşme, ve İzomerleşme M o n o s a k k a r i t l e r i s u lu b a z la r d a ç ö z m e k o n la r ı e n o lle ş m e y e u ğ r a t ır v e b ir s e r i k e t o -e n o l t a u t o m e r le ş m e y le iz o m e r l e ş m e le r e y o l a ç a r . Ö r n e ğ i n k a l s iy u m h i d r o k s it iç e r e n b ir D g l i k o z ç ö z e lt is i b ir k a ç g ü n b e k le m e y e b ır a k ı l ır s a , b u n d a n D - f r u k ı o z v e D -m a n n o z u d a iç e r e n b i r ç o k ü r ü n iz o le e d i l e b i l i r ( Ş e k i l 2 2 .5 ) . İ k i H o l l a n d a l I k i m y a c ı n ı n 1 8 9 5 't e b u n u k e ş f e t m e le r i a n ıs ın a b u t ü r t e p k im e le r , Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein dö

nüşümleri o la r a k

a d l a n d ı r ıl ır l a r .

Şekil 22.5 Monosakkaritler

H

sulu bazlar içerisine konulduk larında enolat iyonları ve endioller üzerinden izomerleşirler. Burada, D-glikozun D-mannoz ve D-fruktoza nasıl izomerleştiği gösterilmektedir.

C = 0

-H

HO-

OH OH

c— OH

HO-

H

HO-

FC = 0

I c —oI

= 0

-O H

H-

H

F C

-H

H.,0

H„0

HO-

-H

HO-

-H

OH

H-

-O H

H-

OH

H-

-O H

H-

-O H

H-

-O H

H-

OH

H-

-O H

H-

-O H

C H .,O H

U

C H ,O H

D-Glikoz (açık-zincir şekli)

C H .,O H

Enolat iyonu

C H .,O H D-Mannoz

H ,o jJ o H -

H

HO—

I

C H ,O H

C — OH

C=

c— OH

I

0

-H

tautomerleşme

HO-

-H

H—

-O H

H-

-O H

H—

-O H

H-

-O H

C H .2O H D-Fruktoz

C H 2O H Endiol

M o n o s a k k a r i t l e r l e t e p k im e y ü r ü t ü l d ü ğ ü n d e g e n e lli k le b u t ü r iz o m e r l e ş m e l e r i n ö n le n m e s i v e b ö y le c e s t e r e o ın e r k e z le r in t a m a m ı n ın s t e r e o k im y a s ın ın k o r u n m a s ı ö n e m -

22.5 MOnosakkaritlerin Diğer Tepkimeleri l i d i r . B u n u y a p m a n ın b i r y o l u m o n o s a k k a r it i ö n c e m e t i l g l ik o z i t e ç e v i r m e k t i r . A l d e h i t g r u b u a r t ık b i r a s e ta le d ö n ü ş t ü ğ ü n d e n v e a s e t a lle r d e s u lu b a z la r d a k a r a r lı o l d u k l a r ı n d a n b a z ik o r t a m d a b u t e p k im e le r i g ü v e n le y ü r ü t e b i l i r i z .

22.5B Eterlerin Oluşumu B i r m e t i l g l i k o z i t , s u lu s o d y u m h id r o k s it t e d im e t il s ü lf a t ın a ş ı r ı s ı y l a e t k ile ş t ir ile r e k p e n t a m e t il t ü r e v in e d ö n ü ş t ü r ü l e b i l ir . B u t e p k im e s a d e c e ç o k y ö n l ü b i r W i l l i a m s o n t e p k i m e s i d i r ( A l t b ö l i i m 1 1 . 1 5 B ) . M o n o s a k k a r i t l e r i n h i d r o k s i l g r u p l a r ı h e r h a n g i b ir a l k o lii n k in d e n d a h a a s id ik t ir . ç ü n k ü m o n o s a k k a r it le r b i r ç o k e le k t r o n e g a t if o k s ije n a t o m u iç e r ir l e r v e h e r b ir i y a n ı n d a k i h i d r o k s il g r u b u iç in e le k t r o n ç e k ic i b ir e t k i g ö s t e r ir . S u lu N a O H 'd e h i d r o k s il g r u p l a r ı a lk o k s it i y o n l a r ın a ç e v i r i l i r l e r v e b u n l a r ın h e r b ir i d i m e til s ü lf a t la S n 2 t e p k im e s in e g ir e r e k m e t il e te r v e r i r l e r . B u iş le m e tümden metilleme d e n ir .

HOI

H

C H 2O H

\

-----”'-A

VV q c H,

OCH,

P e n t a m e t il t ü r e v in in C 2 , C 3 . C 4 , v e C ö 'd a k i m e t o k s i g r u p l a r ı n o r m a l e te r g r u p l a r ıd ır . S o n u ç o la r a k b u g r u p l a r , s e y r e lt ik s u lu a s it le r d e k a r a r l ıd ır l a r . ( E t e r l e r i k ı r m a k iç in d e r iş ik H B r v e y a H I ile ıs ıt m a k g e r e k ir , A l t b ö l ü m

1 1 .1 6 .) B u n u n l a b ir l ik t e C l ' d e k i m e

t o k s i g r u b u d iğ e r l e r i n d e n f a r k l ı d ı r , ç ü n k ü o . a s e ta l b a ğ ın ın b i r k ı s m ı d ı r ( b i r g l i k o z i t t i r ) . B u n e d e n le p e n t a m e t il t ü r e v in in s e y r e lt ik s u lu a s itle e t k ile ş t ir ilm e s i b u g l i k o z i t i k m e til g r u b u n u n h i d r o l i z i n e y o l a ç a r v e 2 . 3 . 4 . 6 - t e t r a - O - m e t i l - D - g l i k o z o lu ş u r . ( B u O . o k s ije n a t o m u n a b a ğ lı m e t il g r u p l a r ın ı b e l i r t i r . ) CHO HC H ,0 -

-

o c h

-H

H-

-O C H ,

H-

-O H C H ,O C H ,

2,3,4,6-Tetra-ö-metil-D-glikoz Glikozun halkalı yarı-asetal bağının başlangıçtaki bir kısmı olması nedeniyle, açık zincirin C 5'indeki oksijenin bir metil grubu taşımadığına dikkat ediniz.

,

1103

1104

Bölüm 22 / Karbohidratlar 2 2 .5 C

Esterlere Dönüşüm

B i r m o n o s a k k a r il i n , a s e tik a n h id r it in a ş ır ıs ı v e b i r z a y ı f b a z la ( p i r i d i n v e y a s o d y u m a s e ta t) e t k ile ş t i r i lm e s i a n o m e r ik h i d r o k s il d e d a h il o l m a k ü z e r e t ü m h i d r o k s il g r u p l a r ı n ı e s te r g r u p l a r ın a d ö n ü ş t ü r ü r . E ğ e r t e p k im e d ü ş ü k s ıc a k lık t a y a p ıl ı r s a (ö r n e ğ in 0 ° C ) s t e r e o ö z g ü o la r a k y ü r ü r v e a - a n o m e r , c r-a s e ta t; / 3 -a n o m e r is e /3 -a se ta t v e r i r .

O

2 2 .5 D

Halkalı Asetallere Dönüşüm

A l t b ö l ü m 1 6 . 7 C ’ d e a ld e h it v e k e t o n la r ın a ç ık z i n c i r l i 1 ,2 -d i o l l e r l e t e p k im e y e g ir e r e k halkalı ası tallc

v e r d i k l e r i n i ö ğ r e n m iş t ik . c h 2o h c h 2o h

CH,

H+ ► -j——

r°xCH'

+ HOH

^ 0 CH, Halkalı asetal

CH,

1,2-Diol

1 , 2 - D i o l , m o n o s a k k a r it le r d e o l d u ğ u g ib i b i r h a lk a y a b a ğ lıy s a halkalı asetallerin oluşumu sadece komşu hidroksil grupları birbirine cis olduklarında gerçekleşir.

Örneğin, a-D-galaktopiranoz asetonla aşağıdaki şekilde etkileşir.

H a l k a l ı a s e ta l o l u ş u m u , m o l e k ü l ü n d i ğ e r k ı s ı m l a r ı n d a t e p k im e le r y a p ıl ı r k e n b i r ş e k e r in b e l ir l i h i d r o k s il g r u p l a r ı n ı k o r u m a k iç in k u l l a n ı l a b i l i r . B u n l a r ı n ö r n e k l e r i n i P r o b l e m 2 2 .1 9 , 2 2 .4 1 v e 2 2 .4 2 d e v e B ö l ü m 2 5 ’ te g ö r e c e ğ i z . A s e t o n d a n o lu ş a n a s e t a lle r e

aseto-

nitler d e n ir .

2 2 .5

Monosakka TEPKİM ELER İ

r îtl e r

İn Y

ü k s eltg en m e

Y iik s e lt g e m e r e a k t if le r in d e n b ir ç o ğ u , k a r b o h id r a t la r ın y a p ıl a r ın ı n a y d ın la t ılm a s ın d a f o n k s iy o n e l g r u p l a r ı n ı n b e lir le n m e s i iç in v e s e n t e z le r d e k u l l a n ı l ı r l a r . B u n l a r ı n e n ö n e m l i l e r i (l)

B e n e d ic t v e y a T o l l e n s r e a k t i f le r i , ( 2 ) b r o m l u s u , ( 3 ) n i t r i k a s it v e ( 4 ) p e r i y o d i k a s it

t ir . B u r e a k t if le r d e n h e r b ir i m o n o s a k k a r it le r e e t k ile ş t ik le r in d e f a r k l ı v e g e n e lli k le ö z g ü b i r e tk i g ö s t e r ir le r . Ş i m d i b u e t k ile r in n e le r o l d u ğ u n u g ö r e c e ğ i z .

22.5 Monosakkarillerin Yükseltgenme Tepkimeleri

22.6A Benedict ve Tollens Reaktifleri: İndirgen Şekerler B e n e d it r e a k t if i ( b a k ı r ( I I ) s itra t k o m p l e k s i i y o n l a r ı iç e r e n b a z ik b ir ç ö z e l t i ) v e T o l l e n s ç ö z e lt is i [ A g ( N H 3) 2O H J y iik s e lt g e r v e b ö y le c e aldozlar v e ketozlar ile p o z i t i f te s tle r v e r i r le r. B u d e n e m e le r , a l d o z l a r v e k e t o z la r b a ş lıc a h a l k a l ı y a r ı-a s e t a l y a p ıs ın d a o ls a la r b ile p o z itiftir. T o l l e n s ’ in g ü m ü ş a y n a s ı t e s t in in u y g u l a n ı ş ı n ı A l t b ö l ü m 1 6 .1 3 'te g ö r d ü k . B e n e d ic t ç ö z e lt is i v e b e n z e r i F e h l i n g ç ö z e lt is i ( b a k ı r ( I I ) ta r t a r a t k o m p le k s iy o n u iç e r ir ) b ir a ld o z u y l ik s e l t g e d ik l e r i n d e t u ğ la k ı r m ı z ı s ı r e n g i n d e k i C ı u O ç ö k e le ğ i n i v e r i r l e r . [ B a z i k ç ö z e l t i d e k e t o z la r a ld o z l a r a d ö n ü ş ü r ( A l t b ö l ü m 2 2 .5 A ) v e s o m a b a k ı r ( I I ) k o m p le k s l e r in c e y i ik s e l t g e n ir l e r .] B a k ı r ( I I ) ta r ta r a t v e s itr a t ç ö z e l t il e r i m a v i o l d u k l a r ı n d a n t u ğ la k ı r m ı z ı sı ç ö k e le ğ i n g ö r ü n ü ş ü a ç ı k t ır v e p o z i t i f te s tin b e lir le n m e s in d e h a t a o l m a z .

O C H ,O H

CH

1 1

C u 2+ (k o m p le k s ) + ( C H O H ) ;(

veya

— ► C u 20 1 + y ü k s e ltg e n m e ü rü n le r i

Ç — 0 (Ç H O H )„

C H :O H

C H ;O H

Benedict çözeltisi

Ketoz

Aldoz

(tuğlakırmızısı indirgenme ürünü)

( m a v i)

T o l l e n s v e y a B e n e d ic t ç ö z e l t i l e r i y l e p o z i t i f te s t v e r e n ş e k e r le r

dirgen şekerler

o la r a k b i l i n i r l e r v e b i r yarı-asetal grubu iç e r e n b ü t ü n k a r b o h id r a t l a r p o z i t i f te st v e r i r le r . S u l u ç ö z e lt ile r d e b u y a r ı-a s e t a lle r , d e n g e d e , n is p e t e n a z a m a ih m a l e d ile m e y e c e k b i r d e r i ş i m d e h a lk a lı o l m a y a n a ld e h it le r v e y a a - h i d r o k s i k e t o n la r ş e k lin d e b u lu n u r la r . B u n l a r y ü k s e lt g e n m e y e u ğ r a r , d a h a f a z la a ld e h it v e y a a - h i d r o k s i k e to n o lu ş t u r m a k ü z e r e d e n g e b o z u l u r v e d a h a s o n r a b ir re a k ta n t t ü k e n in c e y e k a d a r y ü k s e lt g e n m e b ö y le s ü r e r . Y a l n ı z c a a s e ta l g r u p la r ı iç e r e n k a r b o h id r a t la r B e n e d ic t v e T o l l e n s ç ö z e l t il e r iy l e p o z i t i f te s t v e r m e z l e r v e b u n la r indirgen olmayan şekerler o la r a k a d l a n d ı r ıl ır l a r . A s e t a l le r . te s t r e a k t i f le r i n in b a z ik s u lu o r t a m la r ın d a a ld e h it le r v e y a a - h i d r o k s i k e t o n la r la d e n g e o lu ş t u r m a z l a r .

İndirgen olmayan şeker

İndirgen Şeker

Alkil grubu veya bir başka şeker — c —O

1

v\

O

H

1/

Yarı-asetal (R’ = H veya = CH:OH) (pozitif Tollens veya Benedict testi verir)

a -D -G Iik o p ir a n o z d ü ş ü n ü rs ü n ü z?

—c —O

\

c

/

o —R

Acetal (Rf = H veya = CH2OH) (pozitif Tollens veya Benedict testi vermez)

(D-glikoz) v e metil a-D-glikopiranoziti n a s ıl a y ı r t e t m e y i <

P ro bl em 22.6

1105

1106

Bölüm 22 / Karbohidratlar B e n e d ic t v e T o l l e n s r e a k t i f le r i n in te ş h is a ra c ı o la r a k b a z ı k u l l a n ı m l a r ı v a r s a d a [ B e n e d i c t ç ö z e lt is i k a n d a v e y a id r a r d a in d i r g e n ş e k e r le r in ( g l i k o z o la r a k b e l ir t il e n ) k a n t it a t if t a y in i n d e d e k u l l a n ı l a b i l i r ] b u r e a k t i f le r i n h iç b ir i k a r b o h id r a t y ü k s e lt g e ı ım e le r i n d e s e n t e tik a m a ç lı o la r a k k u l l a n ış l ı d e ğ i l d i r . H e r ik i r e a k t if le d e y iik s e l t g e n m e l e r b a z ik ç ö z e lt id e m e y d a n a g e l i r v e bazik çözeltilerde şekerler izomerleşmelerle sonuçlanan bir

dizi karmaşık tepkimelere uğrarlar ( A l t b ö l ü m 2 2 . 5 A ) .

22.6B Bromlu Su: Aldonik Asitlerin Sentezi M o n o s a k k a r i t l e r z a y ı f a s id ik ç ö z e lt ile r d e iz o m e r l e ş m e v e p a r ç a la n m a t e p k im e le r i n e u ğ r a m a z la r . B u n e d e n le s u iç e r is in d e k i b r o m ( p H 6 ,0 ) s e n t e tik a m a ç la r a u y g u n b i r y ü k s e lt g e m e r e a k t i f id ir . B r o m l u s u , — C H O

g r u b u n u s e ç im l i o la r a k — C 0 2H g r u b u n a

y ü k s e lt g e y e n g e n e l b ir r e a k t if t ir . B u , b i r a l d o z u b ir a l d o n i k a s ite ç e v i r i r .

CO,H

CHO 1 Br, (ÇHOH)„ — H2°

(CHOH) | "

CH2OH Aldoz

CH2OH Aldonik asit

A l d o p i r a n o z l a r l a y a p ıl a n d e n e y l e r t e p k im e n in g e r ç e k y ü r ü y ü ş ü n ü n y u k a r ı d a a ç ı k l a n a n d a n ç o k d a h a k a r m a ş ı k o l d u ğ u n u g ö s t e r m iş t ir . B r o m l u s u ö z e l o la r a k ¡3 a n o m e r i y ü k s e lt g e r v e o lu ş a n b a ş la n g ıç ü r ü n ü b i r 8-aldonolaktondur. B u b ile ş ik a l d o n i k a s id e h i d r o l i z l e n e b i l i r v e a r d ın d a n h a lk a k a p a n m a s ıy la b ir 8-aldonolakton o lu ş t u r u r .

CH,OH HO

CH,OH

O

+ H,()

B r, -----— H ,0

HO

—H, 0

OH

OH

/3-D-Glikopiranoz

D-Glikono-<>lakton CO,H H

OH H

HO H

OH

H

OH

(: h , o h D-Glikoııik

asit

ü-Glikonik-ylakton

22.6C Nitrik Asit Yükseltgenmesi: Aldarik Asitler S e y r e l t ik n it r ik a s it — b r o m l u s u d a n d a h a g ü ç l ü b ir y ü k s e l t g e n — b i r a ld o z u n h e m — C H O g r u b u n u h e m d e u ç — C H 2O H g r u b u n u — C 0 2H g r u p l a r ın a y ü k s e lt g e r . B u d i k a r b o k s i l ik a s it le r aldarik asitler o la r a k b i l i n i r l e r .

22.6 Monosakaritlerin Yükseltgenme Tepkimeleri

CHO

CO,H HNO,

I

(ÇHOH)„------^

(CHOH),,

CH,OH Aldoz

c o ,h Aldarik asit

B i r a l d o z u n a ld a r ik a s id e y ü k s e lt g e n m e s in d e b i r la k t o n u n a ra ü r ü n o l u p o l m a d ı ğ ı b i l i n m i y o r a n c a k a ld a r it a s it le r k o l a y l ı k l a y- v e ö -l a k t o n l a r o lu ş t u r u r l a r .

O

O

—H, 0

CHOH CHOH

CHOH O I CHOH veya I CH-----

CHOH I CH----

CHOH I

CHOH I c -------

CHOH O

CHOH O

O ^Ô H

V

OU C' I CHOH

O

OH

Aldarik asit (bir aldoheksozdan)

Bu tür köşeler bir CH, grubunu temsil etmezler.

S O Bir aldarik asitin y-laktonları OH

D - G l i k o z d a n e ld e e d ile n a ld a r ik a s ite D - g l u k a r i k a s it* d e n ir .

O CH ÇH,OH

H-

'O

OH H

ho\

- ^

- - OH ^ \

a ,o h

h ______

H

H-

HNO,

O

OH

H-

OH -H

> HO-

OH

H-

OH

OH

H-

-OH C\

CH,OH O

OH

D-Glikoz D-Glukarik asit

(a) D - G l u k a r i k a s itte n o p t ik ç e a k t if li k b e k le r m i s i n i z ? ^ (b) D - M a n n o z u n n it r ik a s itle y ü k s e lt g e n m e s i ııd e n e ld e e d ile n a ld a r ik a s it in ( m a n n a r ik a s it ) a ç ık z i n c i r y a p ıs ın ı y a z ı n ı z . ( c ) M a n n a r i k a s itin o p t ik ç e a k t if o lm a s ın ı b e k le r m i s i n i z ?

(d) D - E r i t o z d a n h a n g i a ld a r ik a s ili e ld e e t m e y i b e k le r s i n i z ? CHO -OH -OH CH,OH D-Eritroz Bir aldarik asil için olan eski terimler g lik a r ik asit ve s a k k a rik asittir.

P ro bl em 22.7

1107

1108

Bölüm 22 / Karbohidratlar ( e ) ( d ) d e k i a ld a r ik a s it o p t ik ç e a k t i f l i k g ö s t e r ir m i?

(f) D - E r i t r o z u n b i r d ia s t e r e o m e r i o la n D -t r e o z n i t r i k a s it y iik s e lt g e n m e s in e t a b i t u t u l u r s a o p t i k ç e a k t i f b i r a l d a r i k a s it v e r i r . D - T r e o z u n v e y ü k s e lt g e n m e ü r ü n ü n ü n F i s c l ı e r iz d ü ş ü m f o r m ü l l e r in i y a z ı n ı z .

n it r ik

a s it

( g ) D - E r i t r o z v e D -t r e o z d a n e ld e e d ile n a ld a r ik a s it le r in a d la r ı n e d ir ? ( A l t b ö l i i m 5 . 1 4 A 'y a b a k ı n ı z )

P ro b l e m 22.8

^

D - G l u k a r i k a s it la k t o n l a ş m a y a u ğ r a y a r a k f a r k lı ik i y - l a k t o n v e r i r . B u n l a r ı n y a p ı l a rı n a s ıld ır ?

22.6D

Periyodat Yükseltgenmeleri: Polihidroksi Bileşiklerinin Yükseltgemeli Bölünmeleri

B i t i ş i k a t o m la r ın d a h i d r o k s il g r u p l a n iç e r e n b ile ş ik le r s u lu p e r i y o d i k a s itle ( H I 0 4 ) e t k i l e ş t ik le r in d e y iik s e lt g e n b ö l ü n m e y e u ğ r a r la r . T e p k i m e k a r b o n -k a r b o n b a ğ la r ı n ı k ı r a r v e k a r b o n il b ile ş ik l e r i (a l d e h it l e r , k e t o n la r v e y a a s it le r ) o lu ş t u r u r . T e p k i m e n i n s t ö k i y o m e t r is i ş ö y l e d i r :

O

—Ç— OH — - ............ + H 1 0 4

* 2

+ H I 0 3 + H 20

- C — OH

I T e p k i m e g e n e l l i k l e k a n t it a t if v e r i m l e g e r ç e k le ş t iğ in d e n k a r b o n il ü r ü n l e r in in y a p ıl a r ın ı n b e l ir l e n m e s in in y a n ı s ır a t e p k im e d e h a r c a n a n p e r i y o d i k a s itin k a ç e ş d e ğ e r m o l o l d u ğ u ö lç ü le r e k ç o ğ u k e z d e ğ e r li b i l g i l e r e d i n i l e b i l i r .* P e r iy o d a t y ü k s e l t g e n m e l e r i n in h a lk a lı b i r a ra ü r ü n ü z e r in d e n y ü r ü d ü ğ ü d ü ş ü n ü l m e k t e d ir :

\ C = 0

/

-C — O H

+ — c — OH

10

,

(-H ,0 )

C/ vrV y o\ u

—c —o

o

*

+ T0 3“

\

c= o

/ P e r iy o d i k a s itin k a ı b o h i d r a t k i m y a s ı n d a k u l l a n ıl ı ş ın ı t a r t ış m a d a n ö n c e , b a z ı b a s it ö r n e k le r ü z e r i n d e t e p k im e n in y ü r ü y ü ş ü n ü a ç ı k l a m a l ı y ı z . P e r iy o d a t y ı ik s e l t g e n m e l e r in d e kırılan her bir C — C bağına karşılık her karbonda bir C — O bağının oluştuğuna d ik k a t e d in iz . 1.

Ü ç v e y a d a h a ç o k — C H O H g r u b u b it iş ik o ld u ğ u z a m a n iç t e k ile r formik a s it o l a r a k e ld e e d i l i r . Ö r n e ğ i n g l is e r i n in p e r i y o d a t y iik s e lt g e n m e s i ik i e ş d e ğ e r m o l f o r m a ld e h it v e b i r e ş d e ğ e r m o l f o r m i k a s it o lu ş t u r u r .

* Kurşun letraasetal, Pb(0 2CCH3)4, reaktifi periyodik asitinkine benzer bölünme tepkimesi verir. İki reaktif bir birinin tamamlayıcısıdır; periyodik asit sulu çözeltilerde, kurşun teraasetat ise organik çözeltilerde iyi so nuç verir.

22.6 Monosakkaritlerin Yükseltgenme Tepkimeleri

O (formaldehit) H

H I H — C — OH ------ 1_-------H — C — OH + 2 10,- — ------ 1.-------H — C — OH

H + 0 (forrnik asit)

H

OH + 0 II II

H Gliserin

2.

(formaldehit)

Y ü k s e l t g e m e l i b ö l ü n m e , b ir — O H g r u b u b i r a ld e h it v e y a k e t o n u n (a s it v e y a e s te r i n d e ğ i l ) k a r b o n i l g r u b u n a k o m ş u o l d u ğ u n d a d a m e y d a n a g e lir . G l is e r a l d e h it , ik i e ş d e ğ e r ıu o l f o r r n i k a s it v e b ir e ş d e ğ e r m o l f o r m a l d e h i t v e r i r . B u n a k a r ş ılık d i h i d r o k s ia s e t o n ik i e ş d e ğ e r m o l f o r m a l d e h i t v e b ir e ş d e ğ e r m o l k a r b o n d io k s it v e r i r .

0 (forrnik asit) H

0

OH + 0

C— H

.......4 -------H— C— OH + 2 1 0 ,-----

(forrnik asit) H

H — C — OH t 1 H Gliseraldehit

OH + O

/C \ H H

(formaldehit)

O H

(formaldehit) H

H — C— OH

c=o

+ +

2 1 0

,

0=0 =

........ I-— H — C— OH H Dihidroksiaseton

3.

H 0

(karbon dioksit)

+

o /C \ H H

P e r i y o d i k a s it, h i d r o k s i l g r u b u — C H 2—

(formaldehit)

g r u b u y l a a y r ı l m ı ş b ile ş ik l e r i v e h i d r o k

s il g r u b u e te r v e y a a s e ta l f o n k s i y o n e l g r u b u n a b it iş ik o la n b ile ş ik le r i b ö lm e z .

ÇH2OH ÇH2

CH2OH

ÇH2OCH3 + I 0 4 ------ ► b ö lü n m e o lm a z

ÇHOH ch 2r

+ 1 0 4 ------ ► b ö lü n m e o lm a z

1109

1110


P ro bl em 22.9

^

U y g u n m ik t a r d a p e r i y o d i k a s itle e t k il e ş t i r i l d ik l e r in d e a ş a ğ ıd a k i b ile ş ik le r in h e r b i r in d e n h a n g i ü r ü n l e r in o lu ş m a s ın ı b e k le r s in iz ? H e r b ir in d e k a ç e ş d e ğ e r m o l H I 0 4 h a r c a n ır ?

(a) 2 , 3 - B ü t a n d i o l (b) 1 ,2 ,3 -B ü t a n t r io l

( g ) C H 3C

( c ) C H 2O H C H O H C H ( O C H 3) 2 (d) C H 2O H C H O H C O C H ,

CH2

HO

OH

(h) D - E r i t r o z

(e ) C H , C O C H O H C O C H 3

(f) n 'A - 1 . 2 - S i k l o p e n t a n d i o l

P ro bl em 2 2 . 10

^

B i r a ld o h e k s o z v e k e t o h e k s o z u n a y ır t e d ilm e s in d e p e r i y o d i k a s id in n a s ıl k u l l a n ı l a b ile c e ğ i n i g ö s t e r i n iz . H e r b ir in d e n h a n g i ü r ü n le r o l u ş u r v e k a ç a r e ş d e ğ e r m o l H I 0 4 h a r c a n ır ?

22.7

M O N O S A K K A R İT L E R İN İN D İR G EN M ESİ: A ld îto lle r

A l d o z l a r (v e k e t o z la r ) s o d y u m b o r h id r ü r le aldîtoller d e n ile n b ile ş ik le r e in d ir g e n e b ilir le r . C H ,O H

CHO 1

(C H O H ) 1

C H 2O H A ld o z

NaBH,

I

_

--------- ( C H O H ) , , veya

H " P,

C H ,O H A ld it o l

Örneğin D-glikozun indirgenmesi D-Glusitol verir. CHO H— — OH

C H ,O H H— — OH

— H — H NaBH, H O --------- -+ - = . H0 H— — OH H— — OH H— — O H CHX>H

H— — OH C H ,O H D-Glusitol (veya D-sorbitol)

P ro b l e m 2 2 . 1 I

> ■ ( a ) D - G l u s i t o l i i n o p t ik ç e a k t if o lm a s ın ı b e k le r m i s i n i z ? ( b ) Optikçe aktif olmayan alditoller v e r e n t ü m D - a l d o h e k s o z l a r m F i s c h e r i z d ü ş ü m f o r m ü l l e r i n i y a z ı n ı z .

22.8

M O N O S A K K A R İTLER İN FEN İLH İD R AZİN LE TEPKİM ELER İ: O S A Z O N L A R

B i r a ld o z u n a ld e h it g r u b u , h i d r o k s il a m in v e f e n il h i d r a z in g ib i k a r b o n il r e a k t i f le r i y le t e p k im e v e r i r ( A l t b ö l ü m 1 6 .8 ). H i d r o k s i l a m i n l e ü r ü n , b e k le n e n o k s i m d i r . B u n u n l a b i r l i k te y e t e r li f e n il h i d r a z in v a r s a ü ç e ş d e ğ e r m o l f e n i l h i d r a z i n h a r c a n a r a k C 2 d e ik in c i b i r f e n il h i d r a z o n g r u b u o lu ş u r . Ü r ü n b i r fenilosazondm. F e n il o s a z o n l a r k o l a y c a k r i s t a ll e n i r l e r (ş e k e r l e r in a k s in e ) v e ş e k e r le r in t a n ın m a s ın d a y a r a r l ı t ü r e v l e r d i r .

22.8 Monosakkaritlerin Fenilhidrazinle Tepkimeleri: Osazonlar

H

H

c=o

C = N \H C 6H?

CHOH

c

(CHOH),, +

=

n n h c 6h 5

3 C 6 H5N HN H,---- ►(ÇHOH)„

+ CfiH?NH, + NH, + H20

CH2OH Fenilosazon

c h 2o h

Aldoz

Osazon oluşumunun mekanizması, muhtemelen,

\

C— O grubuna çok benzer şe-

/

\

kilde davranan ^ C = N — grubunun bir enolün azota uyarlanmış bir seri tepkimesine dayanır.

T e p k i m e için Bir M e ka ni z m a .................. ...........................

.. .

Fenilosazon O luşum u

C^ h çh= n -

H I

a n h c 6h 5

A:^ H — c — OH I (aldozdan oluşmuş)

H

i ch^ - n -^ n

-

c 6h 5

(-C 6H,NH2)

< laLllUmerl^ me ►C ^ H I ^ : A CH = NH

c= o

CH=NNHC 6H5 ( + 2 C6H5NHNH2)

'

-►C=NNHC 6H 5 + NH, + H:0

Osazon oluşumu C2’deki steıeomerkezin kaybolmasıyla sonuçlanır, fakat diğer stereomerkezleri etkilemez; örneğin D-Glikoz ve D-mannoz aynı fenilosazonu verirler. CH=NNHC 6 H5

CHO OH

H-

H

HO-

CHO

c = n n h c 6h 5 ChH5NHNH,

HO-

H

CTLNHNH,

HO-

H

HO-

-H

H-

OH

H-

-OH

H-

OH

H-

-OH

H-

-OH

H-

OH

CH2OH D-Glikoz

CH2OH Aynı fenilosazon

CH2OH D-Mannoz

Bu deney ilk kez Emil Fischer tarafından yapıldı ve Fischer, D-glikoz ile D-mannozun C3. C4 ve C5'te aynı konfigürasyona sahip olduklarım gösterdi. Sadece bir karbo nundaki konfigürasyonda farklılık gösteren diastereomerik aldozlara (D-glikoz ve D-mannoz gibi) epimerler denir. Genel olarak, sadece bir tek stereomerkezinin konfigürasyonunda farklılık gösteren diastereomer çiftleri epim erler olarak adlandırılabilirler.

1111

1112


P ro bl em 2 2 . 12

>

D - F ı u k t o z , D - g l i k o z v e y a D - m a n n o z u n e p im e r i o lm a m a s ın a r a ğ m e n ( D - f r u k t o z b i r k e t o h e k s o z d u r ) , h e r ü ç ü d e a y n ı f e n ilo s a z o n u v e r i r , ( a ) F i s c h e r iz d ü ş ü m f o r m ü l l e r i n i k u l l a n a r a k f r u k t o z u n f e n il h i d r a z in l e v e r d i ğ i t e p k im e iç in b ir d e n k le m y a z ı n ı z , ( b ) B u d e n e y D -f r u k t o z u n s t e r e o k im y a s ı h a k k ın d a n a s ıl b ir b il g i v e r i r ?

2 2 .9 2 2 .9 A

M o n o s a k k a r ît KÜÇÜLTÜLM ESİ

l e r

İn S e

n tezî

ve

Kiliani-Fischer Sentezi

H e i n r i c h K i l i a n i ( F r e i b u r g . A l m a n y a ) 1 8 8 5 't e , b ir a l d o z u n h i d r o je n s i y a n ü r k a t ılm a s ı v e a r d ın d a n e p im e r ik s i y a n o h i d r i n l e r i n h i d r o l i z i y l e b ir f a z la s a y ıd a k a r t o n a s a h ip e p i m e r ik a s itle r e d ö n ü ş t ü r ü l e b i l e c e ğ in i b u ld u . D a h a s o n r a F i s c h e r , a ld o n i k a s it le r d e n e ld e e d ile n a ld o n o l a k t o n l a r ın a ld o z la r a in d i r g e n e b il e c e ğ i n i g ö s t e r e r e k b u y ö n t e m i g e liş t i r d i . B u g ü n b i r a l d o z u n k a r b o n z i n c i r i n i n u z a t ılm a s ı ş e k lin d e k i b u y ö n t e m K i l i a n i - F i s c h e r s e n t e z i o la r a k b i l i n i y o r . K i l i a n i - F i s c h e r s e n t e z in i Ş e k i l 2 2 . 6 ’ d a k i D -g l is e r a ld e h i t t e ıı ( b i r a l d o t r i o z ) D - t r e o z v e D - e r i t r o z u n ( a l d o t e t ı o z l a r ) s e n t e z iy le g ö s t e r e b ili r iz . G l is e r a l d e h it e h i d r o je n s i y a n ü r ü n k a t ılm a s ı y e n i b i r s t e ıe o m e r k e z o lu ş t u r m a s ı n e d e n i y l e ik i e p im e r ik s i y a n o h id r in v e r i r . S i y a n o h i d r i n l e r k o l a y l ı k l a a y r ı l a b i l i r (d ia s t e r e o m e r o l d u k l a r ı n d a n ) v e h e r b ir i h i d r o l i z , a s i t le n d ir m e , la k t o n l a ş t ır m a v e N a - H g ile p H 3 - 5 ' t e i n d i r g e m e y l e b ir a ld o z a d ö n ü ş t ü r ü l e b i l ir . B i r s i y a n o h id r in , s o n u ç o la r a k . D - ( - ) - e r i t r o z v e r i r k e n d iğ e r i D - ( — ) - t r e o z v e r i r . K i l i a n i - F i s c h e r s e n t e z iy le e ld e e t t i ğ i m i z a ld o t e t r o z la r m h e r i k is in in d e D - ş e k e r l e r o ld u ğ u n d a n e m in o l a b i l i r i z , ç ü n k ü b a ş la n g ıç b il e ş iğ im i z D -g l is e r a l d e h i t t ir v e b u n u n s te re o m e r k e z i s e n t e z d e n e t k ile n m e z . K i l i a n i - F i s c h e r s e n t e z in d e h a n g i a l d o t e t r a o z u n , F i s c h e r iz d ü ş ü m ü n d e , h e r ik i — O H g r u b u n u n d a s a ğ d a o l d u ğ u n u v e h a n g is in in ü s t t e k i — O H g r u b u n u n s o ld a o l d u ğ u n u h e n ü z b i l e m e y i z . B u n a k a r ş ın h e r ik i a ld o t e t ıo z u d a a ld a r ik a s itle r e y ü k s e lt g e r s e k b ir i [ D - ( - ) t r e o z ] optikçe aktif ürün v e r i r k e n d iğ e r i [ D - ( - ) - e r i t r o z ]

optikçe inaktif ( m e z o ) ü r ü n v e r e c e k t ir ( P r o b l e m 2 2 .7 y e b a k ı n ı z ) .

P ro b l e m 2 2 . 13

> ■ ( a ) L - ( + ) - T r e o z v e L - ( + ) - e r i t r o z u n y a p ıl a r ı n a s ıld ır ? ( b ) K i l i a n i - F i s c h e r s e n t e z in d e b u n la r ı e ld e e t m e k iç in h a n g i a l d o t r io z u k u l l a n m a n ı z g e r e k ir ?

P ro b l e m 22.14

>• ( a ) D - ( - ) - E r i t r o z d a ı ı b a ş la y a r a k e p im e r ik a l d o p e n t o z l a ıı n K i l i a n i - F i s c h e r s e n t e z le r i n i t a s a r l a y ın ız ( F i s c h e r i z d ü ş ü m l e r in i k u l l a n ı n ı z ) , ( b ) E l d e e d il m iş o la n e p im e r ik a ld o p e n t o z l a r D - ( - ) - a r a b i n o z v e D - ( - ) - r i b o z d u r . D - ( - ) - R i b o z u n n it r ik a s it y ü k s e l t g e n m e s i o p t ik ç e a k t if o l m a y a n b i r a ld a r ik a s it v e r i r k e n b e n z e r ş a r t la r d a D - ( - ) - a r a b in o z o p t ik ç e a k t if b i r ü r ü n v e r i r . S a d e c e b u b i l g i n i n ış ığ ın d a h a n g i F i s c h e r izdüşümü D - ( - ) - a r a b i n o z u v e h a n g is i D - ( - ) - r i b o z u g ö s t e r ir .

P ro b l e m 2 2 . 15

>

D - ( - ) - T r e o z u n K i l i a n i - F i s c h e r s e n t e z in e u y g u la n m a s ı d iğ e r ik i e p im e r ik a id o p e n t o z o la n D - ( + ) - k s i l o z v e D - ( - ) - l i k s o z v e r i r . D - ( + ) - K s i l o z y ü k s e lt g e n e r e k ( n i t r i k a s it le )

22.9 Monosakkaritlerin Sentezi ve Küçültülmesi optikçe inaktif bir alclarik asit verirken D-(-)-liksozun benzer yiikseltgenınesi optikçe aktif bir ürün verir. D-(+)-Ksiloz ve D-(-)-liksozun yapıları yazınız. S e k i z a ld o p e n t o z v a r d ı r . P r o b le m 2 2 .1 4 v e 2 2 .1 5 ’ te d ö r d ü n ü n y a p ıs ın a u la ş t ın ız . G e r i k a la n d ö r d ü n ü n y a p ı l a r ı n ı v e a d la r ın ı y a z ı n ı z ?

-O H C H 2O H

D-Gliseraldehit

________| h c n (2 N

C N H -

-O H

Epim erik siyanohidrinler

H -

-O H

(ayrılırlar)

-H

HO

OH

H

C H 2O H

C H 2O H

(1) Ba(OH)., 1(2) H,
(1) Ba(OH)2 (2) H.tO+

/ O H

< K c /O H H -

■OH

H -

-O H

C Epim erik aldonik asitler

HO

-H -O H

H-

C H o0 H

C H 0O H

I1

i H

O

Epim erik y-aldonolaktonlar

/ O .

O H

VH

O H

N a-H g, H ,0 pH 3-5

O

< K

H

O H

HO -

H

OH

H

C H 2O H D -(-)-E ritroz

P ro bl em 22.16

Şekil 22.6 u-(-)-Eritroz ve d-(-)- treozun D-gliseraldehitten Kiliani-Fischer sentezi.

/ H

C H-

<

HO,

H N a-H g, H ,0 pH 3-5

/H H OH C H 2O H

d -(—)-Treoz

1113

1114


22.9B

Ruff Küçültülmesi

Kiliani-Fischer sentezi bir aldozun zincirini bir karbon atomıı uzatmak için kullanılablir; Ruff küçültülmesi* ise zinciri birbirini kısaltmak için kullanılabilir. Ruff küçültülmesi ( 1 ) bir aldozun bromlu su kullanılarak aldonik aside yiikseltgenmesini ve (2 ) aldonik asitin bir sonraki küçük aldoza, hidrojen peroksit ve demir(III) sülfat ile yiikseltgen dekarboksilasyonunu içerir. Örneğin D-(-)-riboz, D-(-)-eıitroza küçültülebilir. H

^ c/

0

H

-OH

H-

OH

-OH

-►HH,0 H-

•OH

-OH CH,OH D-( —)-Riboz

P ro bl em 2 2 . 17

0

Br,

H,0,

->

Fe,(SO,)3

•OH c h 2o h

O

-H

H-

-OH

H-

-OH

+ CO,

CH2OH D-( —)-Eritroz

n-Ribonik asit

> Sütte bulunan bir dissakkarit olan laktozun hidroliziyle bir aldolıeksoz olan D -(+ )galaktoz elde edilebilir. D-(+)-Galaktoz nitrik asitle elkileştirildiğinde optikçe inaktif bir aldarik asit verir. D-(+)-Galaktoz Ruff küçültülmesine uğradığında D-(-)-liksoz verir (Problem 22.15’e bakınız). Sadece bu verileri kullanarak d-(-f )galaktozun Fischer izdüşüm formülünü yazınız.

2 2 .1 0

A L D O Z L A R IN D A İLESİ

Ruff küçültülmesi ve Kiliani-Fischer sentezi, aldozların tümünü, D- veya L-gliseraldelıitle ilişkilendirerek aileleri veya “aile ağaçları’” içerisine yerleştirmemizi sağlar. Bu tür bir ağaç Şekil 22.7’de yapılmıştır ve D-aldobeksozların, 1-8. yapılarını içerir. Doğal olarak bulunan aldozların tümü olmasa da büyük çoğunluğu, en yaygın olan D-(+)-glikozla birlikte D ailesine aittirler. D-(+)-galaktoz süt şekerinden (laktoz) elde edi lebilir. fakat L-(-)-galaktoz bahçe salyangozu Helix pomatia'da bulunan bir polisakkaritte vardır. L-(+)-Aıabinoz yaygın olarak bulunur fakat D-(-)-arabinoz nadirdir ve sadece bazı bakteri ve parazitlerde bulunur. Treoz, liksoz, guloz ve alloz doğal olarak bulun maz, fakat her birinin her iki şekilleri de (D veya L) sentezlenmişlerdir.

2 2.1 I

- ( + ) - G l İk o z u n FİSCHER K A N IT I d

Ko

n f İg ü r a s y o n u n a

Emil Fischer, van't Hoff ve Le Bel'in karbonun düzgün dörtyüzlü yapısını önermele rinden yalnızca 1 2 yıl sonra, 1888'de, (+)-glikozun stereokimyasıyla ilgili çalışmasına başladı. Başlangıçta Fischer”in elde edebildiği çok az veri vardı: (+)-Glikoz, (-t-)-arabinoz. (+)-mannoz [(+)-Mannoz Fischer tarafından henüz sentezlenmişti] dahil birkaç monosakkaı it biliniyordu. (-ı-)-Glikoz ve (+)-mannoz aldoheksoz, (-ı-)-arabinoz ise aldopentoz şekerler olarak biliniyorlardı. Alınan kimyacısı Otto Ruff. 1871 - 1939. tarafından geliştirildi.

CHO

CHO

CHO

CHO

rl

rl

CHO

OH

HO

rl

rl

OH

HO

li

HU

rl

rl

OH

rl

11

OH

HO

rl

OH

rl

OH

rl

UH

11

UH

rl

OH

ri

OH

HU

rl

OH

rl

UH

11

O il

H

OH

rl

HO

CHO

CHO

rl

H-

CHO

OH

HO

rl

OH

HO

-H

HO

H

ri

HO

H

HU

rl

A ld o h e k s o z l a r

CH2OH

CH2OH

c h 2o h

U -( + )-A ltro z

u -(+ )-A llo z 1

d

CH2OH

- ( + )-G lik o z

d

6

7

8

CHO

H^=

^H

OH

H-

OH

HO

H

OH

H

OH

H

c h 2o h

CHO OH «

HO

H

HO

A ld o p c n to z la r

OH

l)-( —)-L ik so z

12

CHO

H«=

HO

OH ♦

A ld o te tro z la r

H

OH CH2OH

OH c h 2o h

l)-(—) - E r i tr o z

t_____

-H

c h 2o h

D-( + )-K silo z 11

CHO

H

H<=

H

OH CH2OH

D -( —) - A r a b in o z 10

----------------►H

CH2OH

5

FI

9

c h 2o h

OH

D -( + )-T a lo z

OH « -1

CH2OH

CH2OH

11

OH

D-( + ) - G a la k to z

H

D - (-)-R ib o z

H

OH

U -(+ )-İd o z

CHO HO

rl

OH

D - ( - ) - G u lo z

4

CHO

HU

c h 2o h

- l+ i- M a n n o z

3

2

11

d

uzayan zincir

CHO

kısalan zincir

H-

OH

uzayan zincir

-(—)-T r e o z

____ t

kısalan zincir

c h 2o h l)-( + ) - G lis e r a l d e h it

Şekil 22.7 Aldoheksozların D ailesi*

1115

* D-Aldoheksozlar için yararlı bir ipucu: Akşamın alacasında gelen mutluluk gece inince gönlü terkeder. Bir satıra adlarım ve her bir adın üzerine birer CH2OH yazınız. Daha sonra C5'te hepsinde sağ tarafta olacak şekilde — OH'yi yazınız. C4 için ise OH’yi ilk dördünde sağa, sonraki dördünde ise sola yazınız. OH. C3’te ilk ikisinde sağda sonraki ikisinde solda olacak şekilde, ve böyle tekrarlayarak yazınız. C2‘de ise dönüşümlü olarak bir OH ve H’yi sağa yazınız. (Fieser L. F.; Fieser M. O rg a n ic C h e m istry ; Reinhold: Now York, I956’si 359’dan.)

A ld o tr i o z

1116

Bölüm 22 / Karbohidratlar B i r a ld o h e k s o z d ö r l s t e r e o m e r k e z e s a h ip o ld u ğ u n d a n 24 ( v e y a 1 6 ) s le r e o iz o m e r i m ü m k ü n d ü r v e b u n la r d a n b i r i ( + ) - g l i k o z d u r . F i s c h e r . k e y f i o la r a k il g i s i n i Ş e k i l 2 2 . 7 'd e k i k o n f ig ü r a s y o n u n d a k i s e k iz y a p ı y l a ( 1 - 8 y a p ı l a r ı ) s ı n ır l a n d ır d ı. F i s c h e r . o r g a n ik b il e ş ik le r in m u t la k k o n f ig ü r a s y o n l a r ın ın b e lir le n m e s i y ö n t e m l e r i h e n ü z g e l iş t i r i l m e m iş o ld u ğ u n d a n b u e n a n t iy o m e r i k k o n f ig ü r a s y o n l a r ı f a r k la n d ır a m ıy a c a ğ ın ın f a r k ın a v a r d ı . 1 9 5 1 y ı l ı n d a B i j v o e t ( A l t b ö l i i m 5 . 1 4 A ) t a r t a r ik a s itin m u t l a k k o n f ig ü r a s y o n u n u f v e b u n a b a ğ lı o la r a k D - ( + ) - g l i s e r a l d e h i t i n m u t la k k o n f ig ü r a s y o n u n u ] t a y in e t t iğ in d e . F i s c h e r " in ( + ) - g l i k o z u , b i z i m D a ile s i o la r a k a d l a n d ı r d ı ğ ı m ı z g r u b a k e y f i o la r a k k o y u ş u n u n d o ğ r u o l d u ğ u n u b u ld u . F i s c h e r 'i n ( + ) - g l i k o z iç in 3 y a p ıs ın ı ö n e r m e s i a ş a ğ ıd a k i s o n u ç la r a d a y a n ıy o r d u : 1 . G l i k o z u n n i t r i k a s it y t ik s e lt g e n m e s i o p t ik ç e a k t if b ir a ld a r ik a s it v e r i r . B u 1 v e 7 y a p ıl a r ın ı d ış la r , ç ü n k ü h e r ik i b ile ş ik d e mezo -a l d a r i k a s it le r v e r i r . 2.

Glikozun küçültülmesi (-)-arabinoz ve (-)-arabinozun nitrik asit ytikseltgenmesi optikçe aktif bir aldarik asit verir. B u , ( - ) - a r a b i n o z 9 v e y a 11 y a p ıl a r ın d a o l a m a z , v e 1 0 v e y a 1 2 y a p ıs ın d a o l m a l ı d e m e k t ir . B u s o n u ç ( - t - ) - g l i k o z u n d a 2 , 5 v e y a 6 k o n f ig ü r a s y o n l a r ın d a o la m a y a c a ğ ın ı n t e s p it id ir . B u , ( - ı - ) - g l i k o z iç in g e r id e 3 , 4 v e 8 y a p ıl a r ın ı n o l m a o l a s ı l ı ğ ı n ı b ır a k ı r .

3.

( - ) - A r a b i n o z d a n b a ş la y a n K i l i a n i - F i s c h e r s e n te z i ( - ı - ) - g l i k o z v e ( + ) - m a n n o z v e r i r M a n n o z u n n i t r i k a s it y t ik s e lt g e n m e s i o p t ik ç e a k t if b i r a ld a r ik a s it o l u ş t u r u r . B u . ( + ) g l i k o z u n d a f a r k lı fa k a t o p t ik ç e a k t if b i r a ld a r ik a s it v e r m e s i g e r ç e ğ iy l e b ir le ş in c e ( - ) - a r a b i n o z u n 10 y a p ıs ın d a o l d u ğ u n u s a p t a r v e ( - t - ) - g l i k o z iç in o la s ı y a p ıl a r d a n 8 y a p ıs ın ı e le r . ( - ) - A r a b i n o z 1 2 y a p ıs ın d a o ls a y d ı K i l i a n i - F i s c h e r s e n t e z iy le 7 v e 8 a l d o h e k s o z la r ı n ı v e r i r d i v e b u n la r d a n b ir i ( 7 ) n it r ik a s it y ıik s e l t g e n m e s i y l e o p t ik ç e a k t if o l m a y a n b ir a ld a r i k a s it v e r i r d i .

4.

Ş i m d i g e r i y e 3 v e 4 y a p ı l a r ı k a l ı y o r . B i r y a p ı ( + ) - g l i k o z u . d iğ e r i ( - ı - ) - m a n n o z u g ö s t e r i y o r . F i s c h e r , ( + ) - g l i k o z v e ( + ) - m a n n o z u n e p im e r o l d u k l a r ı m ( C 2 ’ d e ) f a r k e t t i, f a k a t h a n g is in in h a n g i b ile ş iğ i t e m s il e t t iğ in e k a r a r v e r m e k ç o k z o r d u .

5 . F i s c h e r d a h a ö n c e d e n bir aldoz zincirinin iki uç grubunu ( — C H O v e — C H 2O H ) kendi arasında değiştiren e t k in b i r t e p k im e g e l iş t i r m i ş t i. F i s c h e r , p a r la k b ir m a n t ı k la ( - f ) - g l i k o z 4 y a p ıs ın d a is e u ç g r u p l a r ın d e ğ iş m e s in in aynı aldoheksozu vereceği

ni farketti.

CH2OH

CHO HO

H

HO

H

H H

kimyasal

tepkimelerle

OH uç grupların kendileri arasında OH değişmesi CH2OH 4

CHO

HO

H

HO-

-H

HO

H

HO-

-H

j_ j_

H

OH

H-

-OH

OH

H-

-OH

CHO

(Fischer izdüşümünün, sayfa düzlemi içinde 180° döndürülmesinin mümkün olduğunu hatırlayınız.)

CH,OH 4

D i ğ e r t a r a f t a n ( + ) - g l i k o z u n y a p ıs ı 3 is e , bir uç grup değişmesi farklı bir aldoheksa-

zu ( 1 3 ) verecektir.

22.11 D-(+)-Glikozun Konfigürasyonuna Fischer Kanıtı ÇH:OH

CHO

H-

•OH

H-

kimyasal tepkimelerde

H

HO-

HO*

•OH U(* §ruP'ann kendileri arasında 'OH değişmesi

HH-

CHO

-O H

HO-

-H

-H

HO-

-H

H-

OH

H-

H-

-OH

HO-

CHO

CH2OH

OH

-H CH2OH

13 L-Guloz

3

Eğer oluşsaydı bu yeni aldoheksoz bir L şeker olacaktı ve D-gulozun ayna görüntüsü olacaktı. Böylece adı da L-guloz olacaktı.

Fischer, (+)-glikoz ile uç grup değişimlerini yaptığında ürün olarak yeni bir aldo heksoz (13) oluştu. Bu sonuç (+)-glikozun. 3 yapısında olduğunu kanıtladı. Bu sonuç aynı zamanda 4 ’ün (+)-mannozun ve 13’ün de L-(+)-gulozun yapıları olduğunu göster di. (+)-Glikoz zincirindeki uç grupların değiştirilmesi için kullanılan Fischer işlemi Dglukarik asitin y-laktonlarından biriyle başladı (Problem 22.8’e bakınız) ve aşağıdaki gibi yürütüldü.

CH2OH -OH

H'

-H

HONa-Hg

H-

-OH

H-

-OH

N a-H g pH 3 - 5

C 0 2H

L-Gulonik asit

n-Glukarik asitin bir T-laktonu

O

-H

-OH

HO

-H

-H

HO

-H

ÇH2OH HHOH-

-OH

H

H-

-OH

HO

-H CH2OH

C. O

-OH

'H

l -( +

)-G u Ioz

13

1117

1118

Bölüm 22 / Karbohidratlar B u s e n t e z d e N a - H g ile y a p ıl a n ik in c i i n d i r g e m e n in p H 3 - 5 ' t e y a p ı l d ı ğ ı n a d ik k a t e d i n i z . B u ş a r t la rd a la k t o n u n in d i r g e n m e s i b i r b i r i n c i l a lk o l d e ğ il b i r a ld e h it v e r i r .

P ro bl em 2 2 . 18

> ■ F i s c h e r g e r ç e k t e D - g l u k a r i k a s itiıı h e r ik i y -l a k t o n u n a d a ( P r o b l e m 2 2 .8 ) y u k a r ıd a ö z e t le n e n iş l e m i u y g u l a m ı ş t ı . D i ğ e r y - l a k t o n u v e r e n h a n g i ü r ü n d ü r ?

2 2 .1 2

D İs

a k k a r îtler

22.12A Sakkaroz B i l d i ğ i m i z ç a y ş e k e r i sakkaroz (sukroz) d e n ile n b i r d is a k k a r it t ir . S a k k a r o z e n y a y g ı n d i s a k k a r it t ir , f o t o s e n t e z y a p a n t ü m b it k i le r d e b u l u n u r v e t ic a r i o la r a k ş e k e r k a m ış ı v e ş e k e r p a n c a r ın d a n e ld e e d i l i r . S a k k a r o z Ş e k i l 2 2 . 8 ’ d e g ö s t e r ile n y a p ı y a s a h ip t ir . S a k k a r o z u n y a p ıs ı a ş a ğ ıd a k i k a n ıt la r a d a y a n ır : 1 . S a k k a r o z C 12 H 22 O n m o l e k ü l f o r m ü l ü n e s a h ip t ir .

2. Bir mol sakkarozun asit katalizli hidrolizi bir mol D-glikoz ve bir mol D-fruktoz verir.

Fruktoz (bir /?-furanoz olarak) 3 . S a k k a r o z in d i r g e n o l m a y a n b i r ş e k e r d ir . B e n e d ic t v e T o l l e n s ç ö z e l t i l e r i y l e n e g a t if s o n u ç v e r i r . S a k k a r o z o s a z o ıı v e r m e z v e m u t a r o t a s y o n a u ğ r a m a z . B u n l a r s a k k a r o z u n n e g l i k o z n e d e f r u k t o z k ı s m ı n ı n b ir y a r ı-a s e t a l g r u b u n a s a h ip o l d u ğ u n u g ö s t e r ir . B u n a g ö r e b u ik i h e k s o z , g l i k o z u n C 1 v e f r u k t o z u n C 2 ’ si a r a s ın d a b i r g l i k o z i d i k b a ğ la n t ı iç e r m e l i d ir . A n c a k b u ş e k ild e ik i k a r b o n i l g r u b u d a t a m a s e ta l h a lin d e o la b ilir le r (g lik o z it le r e b a k ın ız ).

Şekil 22.8 (+)-Sakkaroz (a-Dglikopiranozil /3-D-fruktofuranozit) için iki gösterim.

r > G l ik o z d a n _

D-f’ru k to zd an

a-Glikozidik bağlanma

/3-Fruktozidik bağlanma

22.12 Disakkaritler

4. G l i k o z i d i k b a ğ la r ı n s t e r e o k im y a s ı e n z im l e r l e y a p ıl a n d e n e y le r l e a y d ı n l a t ıl a b il i r . S a k k a r o z , m a y a d a n e ld e e d ile n a-glikosidaz e n z i m i y l e h i d r o l i z l e n i r fa k a t /3-glikosidaz e n z i m i y l e h i d r o l i z o l m a z . B u h i d r o l i z , glikozit kısmında bir a-konfigiirasyonun o l d u ğ u n u b e lir t ir . S a k k a r o z a y r ıc a / 3 -f r u k t o f u r a n o z la r ı h i d r o l i z l e y e n a m a a - f r u k t o f u r a n o z l a r a e t k im e d iğ i b ile n e n b ir e n z i m o la n sukaz ile d e h i d r o l i z l e n i r . B u h i d r o l i z d e fruktozit kısmının (3-konfigürasyonıtn d a o l d u ğ u n u g ö s t e r ir .

5. Sakkarozun metillenmesi, hidroliz edildiğinde. 2.3,4.6-tetra-(9-metil-D-glikoz ve 1,3,4.6-tetra-ö-metil-D-fruktoz veren bir oktametil türevi verir. Bu iki ürünün tanımlanması glikoz kısmının bir pironozit, fruktoz kısmının ise bir furanozit oldu ğunu gösterir. S a k k a r o z u n y a p ıs ı X - ı ş m l a r ı a n a l iz iy l e v e ş ü p h e g ö t ü r m e y e c e k d o ğ r u l a n m ış t ı r .

2 2 .I2 B

b ir s e n t e z iy le

M altoz

N iş a s t a ( A l t b ö l ü m 2 2 .1 3 A ) diastaz e n z i m i y l e h id r o l iz l e n d iğ in d e ü r ü n m a l t o z o la r a k b i l i n e n b ir d is a k k a r it t ir ( Ş e k i l 2 2 .9 ) . 1 . M a l t o z u n b ir m o l ıi a s it k a t a liz li o la r a k h i d r o l i z l e n d i ğ i n d e ik i m o l D - ( + ) - g l i k o z v e r ir . 2 . S a k k a r o z u n a k s in e maltoz indirgen bir şekerdir. F e h l i n g . B e n e d ic t v e T o l l e n s ç ö z e l t i l e r i y l e p o z i t i f s o n u ç v e r i r . M a l t o z . f e n il h i d r a z in l e d e e t k ile ş e r e k b ir m o ııo f e n il o s a z o ıı o l u ş t u r u r ( y a n i ik i m o l f e n i l h i d r o z i n l e b i r l e ş i r ) . 3 . M a l t o z u n ik i a n o m e r ş e k li v a r d ı r : a - ( + ) - m a l t o z , [ a ] ^ = + 1 6 8 ° . v e / 3 -(-ı-)-m a lt o z , [a J ö " = + 1 1 2 ° . M a l t o z a n o m e r l e r i, b i r d e n g e k a r ış ım ı o l u ş t u r m a k ü z e r e . [ a ] 55 = + 1 3 6 ° . m u t a r o t a s y o n a u ğ r a r la r . 2

v e 3 d u r u m u n d a k i ö z e l l i k l e r i , m a l t o z u n g l i k o z k a lı n t ı la r ı n d a n b ir in i n y a r ı - a s e -

ta l ş e k lin d e , d iğ e r in in d e g l i k o z i t y a p ıs ın d a o l m a s ın ı g e r e k t i r i r . M a l t o z . / 3 -g lik o s id a z e n z i m i y l e d e ğ il a - g l i k o s i d a z e n z i m i y l e h i d r o l i z l e n d i ğ i n d e n g l i k o z i d i k b a ğ ın ın k o n f ig ü r a s y o n u n u n a - o l d u ğ u s o n u c u ç ı k a r ı l a b i l i r . 6

6

HOCH,

CHoOH

«-Glikozidik bağlantı

veya CH,OH

HO

Şekil 22.9 (+)-Maltozun /3-anomer yapısının iki gösterilişi. 4-0-(a-i)-glikopiranozil)-ß-D-glikopiranoz.

1119

1120


4. Maltoz bromlu su ile etkileşerek bir monokarboksilik asit olan maltonik asiti verir

(Şekil 22.10a). Bu da sadece bir yarı-asetal grubunun olduğunu gösterir. 5. Maltonik asitin metillendikten sonra hidrolizi 2,3,4,6-tetra-O-metil-D-glikoz ve

2,3,5,6-tetra-<9-metil-D-glukonik asit verir. Birinci ürün C5’te serbest —OH’ye sahiptir ve indirgen olmayan glikozun piranozit şeklinde olduğunu belirtir; ikinci ürün olan 2,3,5.6-tetra-(9-metil-D-glukonik asit ise C4’te serbest —OH içerir, bu da in dirgen olmayan glikozun buradan glikozit bağı yaptığını gösterir. Burada saptanması gereken sadece indirgen glikozun büyüklüğüdür. 6. Maltozun kendisininin metillenip hidrolizlenmesi (Şekil 22.10fr), 2,3,4,6-tetra-Ometil-D-glikoz ve 2,3,6-tri-(9-metil-D-glikoz verir. İkinci üründe C5’teki serbest —OH bu karbonun oksijenli halka içinde bulunması ve indirgen glikozun da bir piranoz halkası halinde olmasını gerektiğini belirtir.

Şekil 22.10 (a) Maltozun maltonik asite yükseltgenmesi, bunu izleyen metilleme ve hidroliz, (b) Maltozun kendisinin metillenmesi ve ardından hidrolizi.

OH

OCH,

(CHa),S04 OH-

H’ , HaO

OH

2,3,6-Tri-O m etil-D -g lik o z ( p ir a n o z y a p ıs ı)

2 ,3 ,4 ,6 -T etra-O -m etilD -glikoz ( p ir a n o z y a p ıs ı)

2 ,3 ,5 ,6 -T etra-O -m etilD -g lu k o n ik a s it

22.12 Disakkaritler 6

1121

Şekil 22.1I Selobiyozun (5 anomerinin İM ayn gösterimi. 4- 0-(/î-D-glikopiranozil)-/3-D-glikopiranoz.

veya

22.12C Selobiyoz

Selülozun kısmî hidrolizi (Altbölıim 22.13C) bir disakkarit olan selobiyozu verir (C,2 H22 O, i) (Şekil 22.11). Selobiyoz, glikozit bağının konfigürasyonu dışında her bakımdan maltozo benzer. Selobiyoz, maltoz gibi indirgen bir şekerdir ve asit katalizli hidrolizde iki eşdeğer mol D-glikoz verir. Selobiyoz aynı zamanda mutarotasyona uğrar ve bir monofenilosazon oluşturur. Metilleme çalışmaları bir glikoz biriminin C Tinin C4'iiyle glikozit bağı yap tığım ve her iki halkanın da altı üyeli olduğu göstermiştir. Buna karşılık maltozdan fark lı olarak selobiyoz, a-glikosidaz enzimleriyle değil (3-glıkosidaz enzimleriyle hıdrolizlenır ve bu, selobiyozdaki glikozidik bağlantının (3 olduğunu gösterir (Şekil 22.11).

22.I2D Laktoz

Laktoz (Şekil 22.12) insanların, ineklerin ve bütün memelilerin sütünde bulunan bir disakkaritir. Laktoz, D-glikoz ve D-galaktoza hidrolizlenen indirgen bir şekerdir ve (3 gli kozidik bağ içerir.

D -tîlik o z d a n Ii-G a ln k to z d a n

1

OH

Şekil 22.12 Laktozun /3-anoıııerinin, 4-0-(/3-D-galaktopiranozil)-/3-D-glikopiranozun iki gösterilişi.

ımyası Yapay Tatlandırıcılar (Ne Kadar Tatlı)

Yapay tatlandırıcı aspartamı içeren bazı ürünler.

O akkaroz (çay şekeri) ve fruktoz en yaygın doğal tatlandırıcılardır. Bununla birlikte, bunların kalori almamıza ve diş çürümeleri başlatmaya neden oldukla rını biliyoruz. Bu nedenlerle birçok kişi yapay tatlandırıcıları, doğal ve kalori sağlayanlara karşılık çekici bir seçenek olarak görürler. Belki en başarılı ve en çok kullanılan yapay tatlandırıcı, fenilalanin ve aspartik asitten oluşan bir dipeptitin metil esteri olan aspartamdır (Altbölüm 24.4). Aspartam sakkarozdan yaklaşık 100 kez daha tatlıdır. Çözeltilerinde yavaş ola rak hidrolize uğraması meşrubatlar gibi ürünlerde raf ömrünü kısıtlar. Pişirme de de kullanılamaz, çünkü ısıyla bozunur. Dahası, fenilketonüre olarak bilinen bir genetik hastalığa sahip insanlar aspartam kullanamazlar, çünkü metabolizmaları aspartamdan fenilpiruvik asit oluşturur. Fenilpiruvik asitin vücutta birikmesi, özellikle ye ni doğan bebekler için zararlıdır. Diğer yandan alitam, aspartama benzer, ama geliştirilmiş özelliklere sahip bir bileşiktir. Bu, aspartamdan daha kararlı ve sakkaroz dan yaklaşık 2000 kez daha tatlıdır. O

Alitam

Sukraloz, sakkarozun trikloro türevi olan bir yapay tatlandırıcıdır. Aspartam gibi bu da Amerika Birleşik Devlerleri Gıda ve İlaç İdaresince onaylanmıştır. Sukroloz, sakka rozdan 600 kez daha tatlıdır ve bir çok özelliği istenen niteliktedir. Görünümü ve tadı şeker gibidir, pişirme ve ısıtma sıcaklıklarında kararlıdır, diş çürüğüne neden olmaz ve kalori vermez.

Sukraloz 1122

Siklamat ve sakkarin sodyum veya kalsiyum tuzları şeklinde kullanılan bir zaman ların gözde tatlandırıcılarıdır. Siklamat ve sakkarinin 10 : l'lik yaygın olarak bilinen bir karışımı, her iki bileşiğin ayrı ayrı olduklarından daha tatlıdır. Bu karışımın hayvanlar üzerinde tümör oluşturduğu deneylerle gösterildikten sonra karışım FDA tarafından yasaklanmıştır. Kurallardaki bazı değişiklerlerle sakkarinin bazı ürünlerde kullanılma sına izin verilmiştir.

O Sakkarin

Siklamat

Diğer birçok bileşik de yapay tatlandırıcı özelliğine sahiptir. Örneğin L şekerler de tatlıdır ve bunlar muhtemelen sıfır kalori sağlarlar, çünkü enzimlerimiz onları değil se çimli olarak D şekerleri metabolize ederler. L şekerler doğada çok az bulunmalarına kar şın sekiz L-heksoz, S. Masamune ve K. B. Sharpless tarafından Sharpless asimetrik epoksitleme (Altbölüm 11.17) ve diğer enantiyoseçimli sentez yöntemleriyle sentezlenmişlerdir. OH

OH

OH

OH

L - G lik o z

Tatlandırıcıların araştırılmasında çalışmaların çoğu tat algılama merkezlerinin yapı ları üzerindedir. Tat algılayıcıları için önerilen bir model van der Waals küvetlerine ek olarak hidrojen bağları da içeren sekiz bağlanma etkileşimiyle birleştirilir. Sukronik asit bu modele göre tasarlanmış sentetik bir bileşiktir. Sukronik asitin sakkaroza göre 200.000 kez daha tatlı olduğu bildirilmiştir.

H Sukronik asit

2 2 .1 3 P O L İ S A K K A R İ T L E R Polisakkaritler, glikanlar olarak da bilinirler ve birbirlerine glikozidik bağlarla bağlı monosakkaritlerden oluşurlar. Tek bir monosakkaritin polimeri olan polisakkaritlere homopolisakkaritler; birden çok tipte monosakkaritten yapılanlara ise heteropolisakkaritler denir. Homopolisakkaritler monosakkarit birimlerine göre de smflandırılırlar. Glikoz monomerik birimlerini içeren homopolisakkaritlere glikan, galaktoz birimlerini içerenlere galaktan, vb. denir.

1123

1124


Şekil 22.13 D-Glikozun a(l->4) glikozidik bağlarla bağlandığı dallan mamış bir polimeri olan amitozun kısmî yapısı.

a(l —*4) Glikozidik bağlantı

O H

OH

H

OH

11

n > 500

Tümü glikan olan üç önemli polisakkarit nişasta, glikojen ve selülozdur Nişasta, bit kilerin temel besin stoğudur. Glikojen hayvanlarda karbohidrat stoğu olarak işlev ya par. Selüloz ise bitkilerde yapı malzemesi olarak işlev görür. Bu üç polisakkaritin yapılarım incelediğimizde, bu yapıların her birinin fonksiyonlarıyla nasıl uygunluk gös terdiğini görebiliriz. 22.13A Nişasta

Nişasta bitkilerin köklerinde, yumrularında ve tohumlarında mikroskopik grandiler şek linde meydana gelir. Mısır, patates, buğday ve pirinç önemli ticari nişasta kaynakları dır. Nişasta suyla ıslatıldığında granüller şişer ve kolloidal bir süspansiyon oluşur. Bundan iki ana bileşen izole edilebilir. Bunlardan biri amitoz, diğeri amilopektindir. Nişastala rın birçoğu %10-20 amiloz, %80-90 amilopektin verir. Fiziksel ölçümler amilozun, bir birimin C l’i ile sonrakinin C4’ünün a bağlantıları ile birleştiği KKKTden fazla D-glikopiranoz biriminden meydana geldiğini gösterir (Şe kil 22.13). Bu yüzden glikoz birimlerinin halka büyüklüğü ve aralarındaki glikozit bağ larının konfigürasyonu bakımından amiloz, maltoza benzer. Amilozdakiler gibi a-glikozit bağlantılarına sahip D-glikoz birimlerinin zincirlerinin bir sarmal düzenlenme eğiliminde olduğu düşünülür. (Şekil 22.14). Bu düzenlenme moŞekil 22.14 Amiloz. a ( l—>4) bağlantıları sola döngülü bir sarmal oluşumuna yol açar. [Şekil Irving Geis’ten alınmıştır. Voet D.; Voet, J. G., Biochemistry, 2nd ed.; Wiley: New York, 1995; s 262’den, izin alınarak kullanılmıştır.

22.13 Polisakkaritler

lekül kütlesi oldukça fazla büyük (150.000 - 600.000), sıkı şekilli amiloz moleküllerinin oluşumuna yol açar. Amilopektin amiloza benzer bir yapıya sahiptir [örneğin a (l —►4) bağlantıları]. Amilozdan farkı zincirlerinin dallanmış olmasıdır. Dallanma, bir glikoz biriminin Cö’sıyla diğerinin C ld arasında ve 20-25 glikoz birimlik aralıklarla oluşur (Şekil 22.15). Fi ziksel ölçümler, amilopektinin molekül kütlesinin 1-6 milyon olduğunu ve birbirleriyle bağlantılı yüzlerce 20-25 birimlik glikoz zinciri içerdiğini belirtmektedir. 22.I3B G likojen

Glikojen, amilopektine çok benzer bir yapıya sahiptir, fakat glikojendeki zincirler çok çok daha fazla dallanmıştır. Glikojenin metillenmesi ve hidrolizi her 10-12 glikoz bi rimi için bir uç grup olduğunu ve dallanmaların da her 6 birimde meydana gelmiş ola bileceğini gösterir. Glikojenin molekül kütlesi çok büyüktür. Hidroliz olasılığını en aza indiren şartlarda izole edilen glikojen üzerindeki çalışmalarda molekül kütlesinin 100 milyon civarında olduğu saptanmıştır. Glikojenin büyüklüğü ve yapısı, onun hayvanlarda karbohidrat stoğu olarak davran ma işlevine çok güzel uyar. İlk olarak, glikojen hücre zarlarından diffüzlenemeyecek kadar büyüktür, böylece bir enerji kaynağı ihtiyacının duyulduğu hücre içinde kalır. İkin ci olarak, glikojen, onbinlerce glikoz birimini bir molekülde barındırdığı için hücrenin önemli bir ozmotik basınç problemini çözer. Hücrede böylesine çok glikoz birimi ayrı ayrı moleküller olarak bulunsaydı hücre içindeki ozmatik basınç çok çok büyük olacak tı, öyle ki hücre zarı parçalanacaktı.* Son olarak glikoz birimlerinin büyük ve çok dal lanmış olması hücrenin lojistik sorunlarım kolaylaştırır: Hücredeki glikoz derişimleri düşük olduğunda hazır bir glikoz kaynağı olarak davranır, yüksek olduğundaysa hızla depolanabilir. Hücre içerisinde glikojenden glikan birimlerini ayıran (ya da glikojene glikoz birimleri bağlayan) tepkimeleri katalizleyen enzimler de bulunmaktadır. Bu en zimler uç gruplardaki a( 1—>4) glikozit bağlantıları hidrolizlerler (veya oluştururlar). Gli kojen çok fazla dallanmış olduğundan bu enzimlerin çalışabileceği pek çok uç grup bulunabilir. Buna karşılık glikojenin toplam derişimi (litrede mol olarak) çok büyük olan

«(I —»4) Şekil 22.15 Amilopektinin kısmi yapısı

* O zm atik b a sın ç o lay ı, ç ö zü c ü y ü g e çire n am a ç ö zü n e n i g e çirm e y en bir z a rla a y rılm ış fa rk ılı d e rişim le rd e k i iki çö ze lti için sö z k o n u su d u r. Z arın b ir ta ra fın d a k i o z m o tik b asın ç (7t), ç ö zü n e n in tan e cik le rin in m ol sayısı (/ı), ç ö ze ltin in hacm i (t7) ve m u tla k s ıca k lık la g a z sab itin in ç a rp ım ı (AT) ile ilişk ilid ir: ırV = nRT.

1125

1126

Bölüm 22 / Karbohidıatlar

molekül kütlesinden dolayı çok düşüktür. Amilopektin, bitkilerde muhtemelen benzer şekilde işlev yapar. Amilopektinin gli kojenden daha az dallanmış olması önemli bir dezavantaj değildir. Bitkilerin metabolik hızları hayvanlardan daha düşüktür ve bunların bir anda fazla enerjiye gereksinimleri yoktur. Hayvanlar enerjiyi hem yağlar (triaçilgliseroller) hem de glikojen olarak depolarlar. Yağlar çok daha indirgenmiş olduklarından daha çok enerji sağlarlar. Örneğin bir yağ asidi her bir glikoz veya glikojene göre iki kal fazla enerji açığa çıkarır. O halde doğa neden iki farklı depo geliştirmiş diye sorabiliriz. Glikoz (glikojenden) kolaylıkla elde edilebilir ve suda çok çözünür.* Sonuç olarak glikoz hücrenin sulu ortamında hızla difüzlenir ve ideal bir “hazır enerji” kaynağı olarak davranır. Buna karşılık uzun zincir li yağ asitleri suda hiç çözünmezler ve hücre içindeki derişimleri hiç bir zaman çok yüksek olmaz. Hücre bir enerji sıkıntısı içindeyse bunlar zayıf bir enerji kaynağı olacaklardır. Diğer taraftan yağ asitleri (triaçilgliseroller olarak) kalori zenginlikleri nedeniyle uzun dönemler için mükemmel enerji depolarıdır. 2 2 .13C Selüloz

Selülozun yapısını incelediğimizde, doğanın monomeıik glikoz birimlerini işlevine uy gun şekilde değiştirdiği bir- başka polisakkarit örneği görürüz. Selüloz, çok uzun olan dallanmamış zincirlerinde (1 — ►4) şeklinde bağlanmış D-glikopiıonozit birimleri içerir. Bununla birlikte nişasta ve glikojenin aksine selülozdaki bağlantılar (3-glikozit bağlan tıları şeklindedir (Şekil 22.16). Karbon atomlarının bu konfigürasyonu selüloz zincirle rini önemli ölçüde doğrusal yapar, glikoz polimerlerinin a( 1-► 4) şeklinde bağlandığında yaptığı gibi kangal veya sarmal yapı oluşturmazlar. Selülozda, /3-/zağlantılı glikoz birimlerinin doğrusal düzenlenmeleri —OH grupları nın her bir zincirin dış tarafında düzgün dağılımlı olmalarını sağlar. İki veya daha çok selüloz zinciri temas ettiğinde hidroksil grupları, oluşan hidrojen bağlarıyla bir arada tutulan zincirleri “fermuar gibi kapatmak” için uygun durumdadır (Şekil 22.17). Bu şekilde bir çok selüloz zincirinin fermuar gibi kapatılarak bir arada tutulması hemen hemen hiç çözünmeyen sert ve lifli bir polimer oluşturur ve bu polimer. bitkiler için ideal bir hücre duvarı malzemesidir. Vurgulamalıyız ki. selüloz zincirlerinin bu has özelliği yalnızca /3(1 -*• 4) glikozit bağlarının sonucu değildir: bu özellik ayrıca, her bir stereomerkezdeki stereokimyasının da bir sonucudur. Benzer şekilde bağlı D-galaktoz veya D-alloz birimleri olsaydı, bunlar hemen hemen kesinlikle selülozunkine benzer özelliklere sahip bir polimer ver meyeceklerdi. Bu yüzden kısa da olsa, D-glikozıın bitkilerin ve hayvanların kimyasın da özel bir yer tuttuğunu vurgulamalıyız. D-Glikoz yalnızca en kararlı aldoheksoz değil (bütün hacimli gruplarının ekvatoryal konumlarında bulunduğu bir sandalye konformasyonunda olabildiği için) özel stereokimyası nedeniyle, nişastada olduğu gibi a bağlan0(1“* 4)

Şekil 22.16 Selüloz zincirinin bir kısmı. Glikozdik bağlantılar /8(1 ->4)’tür.

H

OH

6 CH2OH

n

G lik o z , g e rç ek te g lik o z -6 -fo sfa t (G 6P ) o la ra k serb est bırakılır, o d a su iç e risin d e ç ö zü n ü r.

22.13 Polisakkaritler

O C

~

o

O °

o

w O

O --—

C

;;0

O ~ w

O ^ I /

o

G

o

o

° o o

-

~ \jr

" -Ö -— -

0r.

■O

«**

O *® Ö-

■o

c o o

%jr

O o o L .,

' - - 0

O

CJ o O o

o

O

-o

oo

0

O

■

-

^

o Ö-

Şekil 22.17 Selüloz için önerilen bir yapı. Bir selüloz lifi, glikoz moleküllerinin jS( 1—> 4 ) şeklinde bağlı olduğu yaklaşık 40 paralel iplikçik içerebilir. Zincirdeki her bir glikoz biri mi bir öncekine göre ters dönmüş durumdadır ve bu konumları zincirler arasındaki hidro jen bağlarıyla (kesikli çizgilerle gösterilmiştir) sabitlenmiştir. Glukan zincirleri yanvana tabakalar oluşturacak şekilde uzanırlar ve bu tabakalar bir glikoz biriminin yarısıyla çapraz olacak şekilde dikey olarak çok düzgün şekilde istiflenirler. (Hidrojen bağlarında yer alma yan hidrojen atomları karmaşıklığı önlemek için gösterilmemiştir.) IVoet D.; Voet J. G. Bi ochemistry, 2nd ed.; Wiley New York 1995; s 261’den izin alınarak kullanılmıştır.]

malarıyla sarmal yapılar ve selülozda olduğu gibi (3 bağlanmalarıyla sağlam çizgisel ya pılar oluşturabilen bir bileşiktir. S e lü lo z u n b ilin e n b ir b a ş k a ilg in ç v e ö n e m li ö z e l li ğ i d a h a v a r d ı r : İn s a n la r ın s in d ir im e n z im le r i o n u n yS( 1 —►4 ) b a ğ la n tıs ın a e tk iy e m e z . B u y ü z d e n s e lü lo z u n in s a n la r iç in b e s in k a y n a ğ ı o la r a k d e ğ e r i y o k t u r . B u n a k a r ş ı lı k , ö r n e ğ in , in e k le r v e b e y a z k a r ın c a la r s e lü lo z u ( o tu n v e y a o d u n u n ) g ıd a k a y n a ğ ı o la r a k k u l la n a b il ir l e r , ç ü n k ü , s in d ir im s is t e m le r in d e k i s i m b i y o t i k b a k t e r ile r d e / 3 - g lik o s id a z e n z im le r i b u lu n u r .

Belki kendi kendimize şöyle bir soru da sorabiliriz: Niçin doğa böyle özel bir işlev için D-(-)-glikozu seçmiş, bunun ayna görüntüsü olan L-(-)-glikozu seçmemiştir? Burada buna kesin bir cevap verilemez. D-(+)-Glikozun seçimi enzim katalizörlerinin gelişme sürecinde, önceden olan rastgele bir olay sonucu olmuş olabilir. Bir kere bu seçim ya

1127

1128


pılınca enzimlerin aktif merkezlerinin stereojenliği L-(-)-giikoza göre değil D-(+)-glikoza göre olacaktır (L-(-)-glikoz uymayacağından). Bir kere girdiğinde, bu eğilim sü reklilik kazanacak, ve diğer katalizörlere yayılacaktır. Sonuç olarak doğanın istenen bir işlev için özel bir molekülü ayırmasından veya se çiminden söz ettiğimizde bunu, bu gelişmenin moleküler düzeyde meydana geldiği an lamında söylemek istemiyoruz. Gelişme, şüphesiz, organizma toplulukları düzeyinde olur ve moleküller, yalnızca, kullanımlarının yaşamı sürdürme ve üreme olasılığını arttırma sına göre seçilirler. 22.I3D Selüloz Türevleri Bir çok selüloz türevi ticari olarak kullanılmaktadırlar. Bu bileşiklerin çoğunda her bir glikoz biriminin iki veya üç serbest hidroksil grubu bir ester veya bir etere dönüştürül müştür. Bu dönüşüm maddenin fiziksel özelliklerini önemli ölçüde değiştirir, onu orga nik çözücülerde daha çok çözünür, elyaf ve film haline getirilebilir kılar. Selülozun asetik anhidrit ile etkileştirilmesinden tekstil endüstrisinde “Amel” veya “asetat” olarak bili nen bir triasetat oluşur. Selüloz trinitrata “barut pamuğu” veya nitroselüloz denir ve pat layıcılarda kullanılır. Rayon selülozun (pamuk veya odun hamurundan) bazik çözeltide karbon disülfürle etkileştirilmesiyle elde edilir. Bu tepkime selülozu çöziinebilen bir ksantata dönüştürur: s Selüloz— OH + CS2 Na° H> selüloz— O— C— S" Na+ Selüloz ksantata

Selüloz ksantatın çözeltisi daha sonra küçük bir delik veya yarıktan asidik bir çözelti ye püskürtülür. Bu işlem, selülozun —OH gruplarını serbest hale geçirir ve selülozun, bir lif veya bir tabaka halinde çökmesine yol açar. S II H0+ Selüloz— O— C — S_ Na+ —-— ►selüloz— OH Rayon veya selofan

Lifler rayon, tabakalar ise gliserinle yumuşatıldıktan sonra selofandır.

22.14

B İ Y O L O J İ K Ö N E M İ O L A N D İ Ğ E R ŞEKERLER

Cö’daki —CH2OH grubu özel olarak karboksil grubuna yükseltgenıniş monosakkarit türevlerine uronik asitler denir, isimleri türetildikleri monosakkaritten gelir. Örneğin glikozun Cö'sının karboksil grubunun özel olarak yükseltgenmesi glikozu glikuronik asite dönüştürür. Aynı şekilde galaktozıın C â’sının seçimli yükseltgenmesi ise galakturonik asit verir.

D-Glikuronik asit

D-Galakturonik asit

22.15 Azot İçeren Şekerler

Bir aldozun doğrudan yükseltgenmesi, önce bir aldehiti bir karboksilik aside ^ dönüştürür (Altböliim 22.6 B). 1° alkol gruplarına etkiyen tüm yükseltgen reaktifler 2° alkol gruplarına da etkir. Buna göre bir aldozdan bir uronik asitin laboratuvar sentezinde bu grupların yükseltgenmeden korunması gerekir. Bunu göz önünde tutarak D-galaktozu D-galakturonik asite dönüştürecek uygun bir yükseltgenme için bir yöntem öneriniz {İpucu: Altbölüm 22.5D’ye bakınız).

Monosakkaıitlerin —OH grupları —H ile yer değiştirmiş olanlarına deoksi şeker ler denir. En önemli deoksi şeker DNA’da bulunan deoksiribozdur. Polisakkaritlerde yaygın olarak bulunan diğer deoksi şekerler L-ramnoz ve L-fukozdur.

/3-2-Deoksi-»-riboz

2 2 .1 5 A

zo t

«-L-Ramnoz (6-deoksi-L-mannoz)

a-L-Fukoz (6-deoksi-L-galakloz)

İç e r e n Ş e k e r l e r

2 2. I5A Glikozilaminler

Anomerik —OH’si amino grubuyla yer değiştirmiş şekere glikozilamin denir. Bunun örnekleri /3-D-glikopiranozilatnin ve adenozindir.

/Î-D-Glikopiranozilamin

Adenozin

Adenozin, aynı zamanda nükleosit de denilen bir glikozilamin örneğidir. Nükleositler amino bileşeni bir pirimidin veya purin (Altbölüm 20. İB) olan ve şeker bileşeni ya Driboz ya da 2-deoksi-D-riboz (D-ribozun 2. konumundaki oksijen çıkmış) olan glikozilaminlerdir. Nükleositler, RNA (ribonükleik asit) ve DNA'nın (deoksiribonükleik asit) önemli bileşenleridir. Bunların özelliklerini Altbölüm 25.2’de ayrıntılı olarak ele alacağız.

22.15B Am ino Şekerler Anomerik olmayan —OH grubu amino grubuyla yer değiştirmiş bir şekere amino şe ker adı verilir. Buna bir örnek D-glikozamindir. Bir çok durumda amino grubu, /V-ase-

1129

Problem 22.1 9

1130


Şekil 2 2 .18 Kitinin yapısının bir kısmı. Tekrarlanan birimler /3(1—>4) bağlantılı A-asetilglikozaminlerdir.

til-D-glikozaminde olduğu gibi asetillenir. (V-Asetilmuramik asit bakteri hücre duvar larının önemli bir bileşenidir (Altbölüm 24.10). CH2OH

h

c h 2oh

nh2

h

(8-D-Glikozamin

ch 2oh

n iic o c h ,

/S-N-Asetil-u-glikozamin (NAG)

h

nhcoch,

/3-N-Asetilnnıramik asit (NAM)

D-Glikozamin. İstakoz ve yengeçlerin kabuğunda, böcek ve örümceklerin dış isketlerinde bulunan kitinin hidrolizinden elde edilebilir. Kitinde olduğu gibi. D-glikozaminin amino grubu asetillenir; bu yüzden gerçekte tekrarlanan birim (V-asetilglikozamindir (Şekil 22.18). Kitindeki glikozit bağlantıları /3( 1—►4)’tür. X ışınları analizleri kitinin selülozunkine benzer yapıya sahip olduğunu gösterir. D-Glikozamin, sülfatlanmış bir polisakkarit olan ve başlıca, birer atlayarak tekrar layan D-glikuronat-2-sülfat ve (V-sülfo-D-glikozoamin-6-sülfat birimlerinden oluşan heparinden de (Şekil 22.18) izole edilebilir. Heparin atardamar duvarlarında sıralanan mast hücrelerinin hücre içi granüllerinde bulunur ve yaralanmalarda salındığında kanın pıhtılaşmasını engeller. İşlevinin dolaşan pıhtı oluşumunu önlemek olduğu görülmekte dir. Heparin ameliyat sonrası hastalarda kan pıhtılaşmasını engellemek üzere yaygın ola rak kullanılır.

2 2 .1 6 H ü c r e Y Ü Z E Y İ N İ N G

l î k o l İ p İt v e

GLİKOPROTEİNLERİ 1960’tan önce karbohidratların biyolojisinin pek fazla ilgi çekici olmadığı, karbohidratların hücrelerde bir çeşit soy dolgu maddesi olduğu, yalnızca bir enerji kaynağı ve bitkilerde yapısal malzeme olduğu düşünülüyordu. Oysa, araştırmalar göstermişti ki karbohidratlar glikozit bağlarıyla lipitlere (Bölüm 23) ve proteinlere (Bölüm 24) bağŞekil 2 2 .19 Kanın pıhtılaşmasını önleyen bir polisakkarit olan heparinin kısmî yapısı.

D

-Glikuronat-2-sülfat

Af-Sülfo-D-glikozamin6-sülfat

22.16 Hücre Yüzeyinin Glikolipit ve Glikoproteinleri

lanmışlardır ve bunlara sırasıyla, glikolipitlcr ve glikoproteinler denir. Bunlar, hücre içi olaylarda geniş bir aralıkta işlev görürler. Aslında tüm proteinler glikopıoteinlerdir. Bunların karbohidrat içeriği %1'deıı az olabileceği gibi %90'dan fazla bile olabilir. Hücre yüzeyindeki glikolipitlerin ve glikoproteinlerin (Altbölüm 23.6A) hücrenin di ğer hücrelerle ve saldırgan bakteri ve virüslerle etkileşen maddeleri oldukları artık bili niyor. Eklem iltihabı gibi bazı hastalık hallerinde veya iyileşmelerde hücre yüzeyi karbonhidratlarının tanınması gereklidir. Bu tiir işlevi olan önemli bir karbohidrat sialil Lewis' tir (bölüm grişine bakınız). OH

İnsan kan grupları, glikolipit ve glikoprotein yapılarındaki karbohidratların nasıl bir biyokimyasal işaretçiler olarak davrandıklarının bir başka örneğidir. A, B ve O kan tür leri sırasıyla kan hücresi yüzeyindeki A, B ve H belirleyicileriyle tayin edilir. (O belir leyici tipinin garip adlandırılması karmaşık tarihi bir olaya dayanır.) AB tipi kan hücreleri hem A hem B belirleyicilerini içerirler. Bu belirleyiciler A, B ve H antijenlerinin kar bohidrat kısımlarıdır. Antijenler, bir hayvana enjekte edildiklerinde antikorların üremesine yol açan ka rakteristik kimyasal maddelerdir. Her antikor, karşılığı olan en az iki antijeni bağlaya bilir ve onların birleşmesine yol açabilir. Kırmızı kan hücrelerinin birleşmesi onların kümelenmelerine (birlikte yığın haline gelmelerine) yol açar. Bir kan naklinde bu küme lenme damarların ölümcül tıkanmasına neden olabilir. Kan hücrelerinde A tipi antijen olan bireylerin serumunda anti-B antikorları bulu nur. B tipi antijeni olan bireylerin serumunda ise anti-A antikoru bulunur. AB grubu hücreleri olan kişilerde hem A hem B antijeni vardır, fakat ne anti-A ne de anti-B anti korları bulunur. O tipi olanların kan hücrelerinde ne A ne de B antijenlerini bulunur fa kat hem anti-A hem anti-B antikorları vardır. A, B ve H antijenleri sadece indirgen olmayan uçlarındaki monosakkarit birimleriy le farklılık gösterirler. H tipi antijen (Şekil 22.20) A tipi ve B tipi antijenlerin başlan gıç oligosakkaritidir. Kan tipi A olan bireylerde de H antijeninin uçtaki galaktoz biriminin 3-OH grubuna bir /V-asetilgaloktozamin birimi ekleyen bir enzim vardır. Kan tipi B olan kişilerde ise bunun yerine özel olarak galoktoz ekleyen bir enzim bulunur. O grubu kana sahip bireylerde bu enzim aktif değildir. Antijen antikor etkileşimleri, kan gruplarını belirleyenlerde olduğu gibi, bağışıklık sisteminin temelidir. Bu etkileşmeler antijendeki bir glikolipitin veya glikoproteinin an tikorun bir glikolipti veya glikoproteini tarafından kimyasal olarak tanınmasını içerir. “Antikor Katalizli Aldol Kondensasyonlarının K im yasında (Bölüm 19) antikorları içe ren kimyayı farklı boyutlarıyla gördük. Bu konuyu Bölüm 24'ün girişinde “Tasarımcı Katalizörlerde ve “Bazı Katalitik Antikorların K im yasında göreceğiz.

1131

1132

Bölüm 22 / Karbohidratlar OH

A tip i b e lirle y ic i

OH

H ti p i b e lirle y ic i

Şekil 22.20 A, B ve O grubu kanlarda antijenik belirleyicilerin uç monosakkaritleri. H tipi belirleyici, kan grubu O alan bireylerde bulunur ve A ve B tipi belirleyicilerin çıkış mad desidir. Bu oligosakkarit antijenler kırmızı kan hücresi zarında sabitlenmiş protein molekül lerine ya da taşıyıcı lipitlere bağlıdır (bir hücre zarı için Şekil 23.8'e bakınız). Ac = asetil, Gal = D-galaktoz, GalNAc = N-asetilgalaktozamin, GlycNAc = N-asetilglikozamin, Fuc = Fukoz.

2 2 .1 7 K A R B O H İ D R A T A N T İ B İ Y O T İ K L E R Karbohidrat kimyasındaki en önemli buluşlardan biri streptomisin denilen karbohitrat antibiyotiğinin 1994 yılında izolasyonudur. Streptomisin aşağıda gösterilen üç alt bi rimden oluşur:

Karbohidratların Tepkimelerinin Özeti

N— C— NH Streptidin

L-Streptoz

H3C HO

\ O 2-Deoksi-

HOCİ HO HO

NIICH,

2-metilaminoa-L-glikopiranoz

Bu üç bileşen de sıradışıdır: Amino şeker L-glikoz esaslıdır; streptoz dallanmış zin cirli bir monosakkarittir; ve streptidin ise şeker bile değildir, amino sikliıol denen bir sikloheksan türevidir. Bu ailenin diğer üyeleri kanamisinler. neomisinler ve gentamisinler (gösterilmemiş tir) olarak adlandırılan antibiyotiklerdir. Tümü bir veya daha fazla amino şekere bağlı bir amino siklitol yapısındadır. Glikozidik bağlanma hemen hemen tamamen a'dır. Bu antibiyotikler, penisilinlere dirençli bakterilere karşı özellikle yararlıdır.

• Ka rb o h i d r a tl a r ı n T e p k i m e l e r i n i n Ö z e t i ’ Karbohidratların tepkimeleri birkaç istisna dışında önceki bölümlerde gördüğümüz fonksiyonel grupların, özellikle, aldehitler, ketonlar ve alkollerin tepkimeleridir. Karbohidratların en temel tepkimeleri yarı-asetal ve asetal oluşumu ve hidrolizidir. Yarıasetal gruplarını, karbohidratlarda piranoz ve furanoz halkaları; asetal gruplarını, glikozit türevleri; birbiriyle birleşmiş monosakkaritleri, di-, tri-, oligo-, ve polisakkaritler oluştururlar. Karbohidratların diğer tepkimeleri alkol, karboksilik asit ve türevlerininkini içerir. Karbohidratın hidroksil gruplarının alkillenmesi eterleri; açillenmesi esterleri verir. Alkilleme ve açilleme tepkimeleri bir dönüşüm yapılırken, karbolıidrat hidroksil grubunu tepkimeden korumak için bazen kullanılabilir. Hidroliz tepkimeleri, karbohidratların es ter ve lakton türevlerini tekrar polihidroksi yapısına dönüştürülür. Aldehit ve ketonla rın enolleşmesi epimerleşmeye ve aldoz ve ketozların birbirine dönüşmesine yol açar. Osazon oluşmasında amonyak türevlerinin, Kiliani-Fischer sentezinde siyanürün katıl ması gibi aldehit ve ketonların katılma tepkimeleri de oldukça yararlıdır. Killiani-Fischer sentezinden elde edilen nitrillerin hidrolizlenmesi karboksilik asitleri verir. Karbohidrat kimyasında yükseltgenme ve indirgenme tepkimelerinin de yeri vardır. Aldehitlerin ve ketonların borhidrür indirgenmesi ve katalitik hidrojenlenme gibi indirgenme tepkimeleri aldoz ve ketozları alditollere çevirmek için kullanılır. Tollens ve Benedict reaktifleriyle yükseltgeme şekerdeki yarı-asetal bağlantı için bir testtir. Brom-

1133

1134


lu su bir aldozun aldehit grubunu aldonik asite yükseltger. Nitrik asit, bir aldozun hem aldehit hem de uç hidroksimetil grubunu aldarik asite (bir dikarboksilik asit) yükseltger. Son olarak karbohidratlarm periyodat bölünmesi yapı aydınlatmada faydalan ilahi len yükseltgenmiş kısımlar verir.

Anahtar Te rim le r ve Kavramlar M onosakkaritler D isakkaritler Oligosakkaritler Polisakkaritler (glikanlar) ü-L adlandırm ası Fischer izdüşümleri Halkalı yarı-asetaller Furanoz yapısı Piranoz yapısı Anomerik karbon er aııomer, (S anoıner Haworth formülü M utarotasyon Glikozit Aglikon Halkalı asetal İndirgen şeker Epim erler Osazonlar Glikolipitler Glikoproteinler

Ek P roblem ler

Altböliimler 22.1A Altbölümler 22.1A Altbölüm 22.1 A Altbölümler 22.1A Altbölüm 22.2B Altbölüm 22.2C Altbölüm 22.2C Altbölüm 22.2C Altbölüm 22.2C Altbölüm 22.2C Altbölüm 22.2C Altbölüm 22.2C Altbölüm 22.3 Altbölüm 22.4 Altbölüm 22.4 Altbölüm 22.5D Altbölüml 22.6A Altbölümler 17.3A Altbölüm 22.8 Altbölüm 22.16 Altbölüm 22.16

ve 22.2 ve 22.12 ve 22.13

ve 22.8

22.20

Aşağıdakilerin her birini göstermek üzere uygun yapı formülleri yazınız. (a) Bir aldopentoz (j) Bir indirgen şeker (b) Bir ketoheksoz (k) Bir piranozit (c) Bir L-monosakkarit (l) Bir furasozit (d) Bir glikozit (m) Epimerler (e) Bir aldonik asit (n) Anomerler (f) Bir aldarik asit (o) Bir fenilosazon (g) Bir aldoııolakton (p) Bir disakkarit (h) Bir piranoz (q) Bir polisakkarit (i) Bir furanoz (r) Bir indirgen olmayan şeker

22.21

Aşağıdakilerin her biri için konformasyon formüllerini yazınız: (a) a -D allopiranoz (b) metil /3-D-alIopiranozit (c) metil 2,3,4,6-tetra-0-metil-/3-Dallopiranoz.it.

* Yıldızla işaretlenmiş problemler “çözülmesi daha zor olan problemlerdir.

Ek Problemler

22.22

D-Ribozun furanoz ve piranoz şekillerinin yapılarını yazınız. Periyodat yiikseltgenmesiyle bir metil ribopiranozit ve bir metil ribofuranoziti nasıl ayırt ede bileceğinizi gösteriniz.

22.23

Bir kaynak kitap, D-mannozu sağa çeviren olarak gösterirken bir diğeri sola çeviren olarak gösteriyor. Her iki kaynak da doğrudur. Açıklayınız.

22.24

C Vitamininin ticari sentezinin başlangıç maddesi L-sorbozdur (aşağıdaki tepkimeye bakınız) ve bu, D-glikozdan aşağıdaki tepkime dizisiyle sentezlenir: c h 2o h

c=o D-GIikoz

H, Nı

I HO— C — H O, D-Glusitol ------ ------ ► I A setobakter sııboksidans

H — C — OH HO— C — H

I CH2OH

L-Sorboz Bu tepkime dizisinin ikinci basamağında bakteriyle yiikseltgenme yapıldığı gö rülüyor. Asetobakter sııboksidans bu basamağı %90 verimle başarır. Sentezin toplam sonucu bir D-aldoheksozun (D-glikoz) bir L-ketoheksoza (L-sorboz) dö nüşümüdür. Bu, bakteriyel yükseltgenmenin özgülüğü açısından ne anlam ifa de eder. 22.25

Hangi iki aldoz L-sorbozun (Problem 22.24) verdiğiyle aynı fenilosazonu verir.

22.26

Fruktoz (Problem 22.13) ve sorboz (Problem 22.24) ile birlikte iki 2-ketoheksoz daha vardır. Bunlar psikoz, ve tagatozdm. D-Psikoz D-allozun (veya D-altroz) verdiğiyle aynı; D-tagatoz ise D-galaktozun (veya D-toloz) verdiğiyle aynı fenilosazonu verir. D-Psikoz ve D-tagatozun yapıları nasıldır?

22.27

A, B ve C üç aldoheksozdur. A ve B, bir katalizörle hidrojenlendiklerinde aynı optikçe aktif alditolü verirler. A ve B, fenilhidrazinle etkileştirildiklerinde ise farklı fenilosazonları verirler. B ve C aynı fenilosazonu fakat farklı alditolleıi verirler. Bunların D şekerler olduğunu kabul ederek A, B ve C'nin adlarını ve yapılarını yazınız.

22.28

Ksilitol, şekersiz sakızlarda kullanılan bir tatlandırıcıdır. Uygun bir monosakkaritten başlayarak ksilitolün mümkün bir sentezini tasarlayınız. CH2OH H--------- OH HO--------- H

H

OH CH:OH

Ksilitol 22.29

Monosakkaritlerin bir baz içerisinde karmaşık izomerleşmeler vermelerine karşın (bkz. Altbölüm 22.5), aldonik asitler, piridinie ısıtıldıklarında kendi-

1135

1136


lerine özgü olarak C2’de epimerleşirler. D-Glikozdan D-mannozun sentezinde bu tepkimeden nasıl yararlanabileceğinizi gösteriniz. 22.30

Aldopiranozların hemen hemen tümünde en kararlı konformasyon, en büyük grup olan —CH2OH grubunun ekvatoryal olduğu yapıdır. Buna karşın D-idopiranoz başlıca olarak —CH2OH grubunun aksiyal olduğu bir yapı sergiler, aD-İdopiranozun iki sandalye konformasyonunun (—CH2OH grubunun aksiyal ve ekvatoryal oldukları) formüllerini yazınız ve buna bir açıklama getiriniz.

22.31

(a) D-Altrozun seyreltik asitle ısıtılması indirgen olmayan bir anhidro şeker

(C6 H 10O3) verir. Anhidro şekerin metillenmesi ve ardından asidik hidrolizi 2,3,4,-tri-O-metil-D-altroz verir. Anhidro şekerin oluşumu /3-D-altropiranozun —CH2OH grubunun aksiyal olduğu bir sandalye konformasyonu üzerinden gerçekleşir. Anhidro şekerin yapısı nasıldır ve nasıl oluşur? (b ) D-Glikoz da anhidro şeker verir ama şartlar D-altrozunkine göre çok daha zordur. Nedeni ni açıklayınız. 22.32

Aşağıdaki deneysel kanıtların laktozun yapısının (Altbölüm 22.12D) belirlen mesinde nasıl kullanılabileceğini gösteriniz. 1. Laktozun (C | 2 H 22 O u ) asidik hidrolizi eşmolar miktarlarda D-glikoz ve Dgalaktoz verir. Laktoz, /3-galaktosidaz varlığında da benzer hidrolize uğrar. 2. Laktoz bir indirgen şekerdir ve bir fenilosazon oluşturur. Aynı zamanda, mutarotasyona uğrar. 3. Laktozun bromlu suyla yükseltgenmesinden sonra seyreltik asitle hidrolizi D-galaktoz ve D-glukonik asit verir. 4. Laktozun bromlu suyla yükseltgenmesinin ardından metillenmesi ve hidrolizi 2,3,6-tri-(9-metilglikonolakton ve 2,3,4,6-tetra-(9-metil-D-galaktoz verir. 5. Laktozun metillenmesi ve hidrolizi 2,3,6-tri-O metil-D-glikoz ve 2.3,4,6tetra-O-metil-D-galaktoz verir.

22.33

Aşağıdaki verilerden bir disakkarit olan melibiyozun yapısını bulunuz. 1. Melibiyoz bir indirgen şekerdir. Mutarotasyona uğrar ve fenilosazon oluşturur. 2. Melibiyozun asitle veya bir a-galaktosidaz ile hidrolizi D-galaktoz ve D-glikoz verir. 3. Melibiyozun bromlu suyla yükseltgenmesi melibiyonik asit verir. Melibiyonik asitin hidrolizi D-galaktoz ve D-glukonik asit verir. Melibiyonik asitin metillenmesinin ardından hidrolizi 2,3,4,6-tetra-O-metil-D-galaktoz ve 2,3,4,5- tetra-O-metil-D-glukonik asit oluşturur. 4. Melibiyozun metillenip hidrolizlenmesi 2,3,4,6-tetra-O-metil-D-galaktoz ve 2,3,4,-tri-O-metil-D-glikoz verir.

22.34

Trehaloz mayalar, mantarlar, deniz kestanesi, yosun ve böceklerden elde edilebilen bir disakkarittir. Aşağıdaki bilgilerden trehalozun yapısını çıkarınız: 1. Trehalozun asidik hidrolizi sadece D-glikoz verir. 2. Trehaloz a-glikosidaz enzimiyle hidrolizlenir ve fakat /3-glikosidazla hidrolizlenmez. 3. Trehaloz bir indirgen olmayan şekerdir, mutarotasyona uğramaz, fenilosa zon oluşturmaz ve bromlu su ile etkileşmez 4. Trehalozun metillenmesi ve ardından hidrolizi iki eşdeğer mol 2,3,4,6 -tetraO-metil-D-glikoz verir.

Ek Problemler

22.35

Aşağıdaki çiftleri farklandıracak tepkimeleri yazınız. (a) D-Glikoz ve D-glusitol (d) D-Glikoz ve D-galaktoz (b) D-Glusitol ve D-glııkarik asit (e) Sakkaroz ve maltoz (c) D-Glikoz ve D-fıuktoz (f) Maltoz ve maltonik asit (g) Metil /3-D-glikopiranozit ve 2,3,4,6-tetra-0-ınetil-/3-O-glikopiranoz (h) Metil a-D-ribofuranozit (I) ve metil 2-deoksi-a-D-ribofuranozit (II) HOÇHÔ. H

H O C H Ô

H

H

H OCH,

OH

OH

I 22.36

H

H H

PcOCH.

H OH

H II

Schardinger dekstrinleri denilen bir grup oligosakkarit. amilozca zengin ortamda geliştirilen Bacillus macerans tan izole edilebilir. Bu oligosakkaritlerin tümü indirgen değildir. Tipik bir Schardinger dekstrini asitle veya bir aglikosidaz ile etkileştirildiğinde hidrolize uğrar ve altı, yedi veya sekiz molekül D-glikoz verir. Schardinger dekstrinin tam metillemesinin ardından asit hidro lizi sadece 2,3,6-tri-O-metil-D-glikoz verir. Bir Schardinger dekstrini için ge nel bir yapı öneriniz.

22.37

İzomaltoz amilopektinin enzimatik hidroliziyle elde edilebilen bir disakkarittir. İzomaltozun yapısını aşağıdaki verilerden çıkarınız. 1. Bir mol izomaltozun asit veya a-glikosidaz ile hidrolizi iki mol D-glikoz verir. 2. İzomaltoz indirgen bir şekerdir. 3. İzomaltoz bromlu su ile izomaltonik asite yükseltgenir. İzomaltonik asitin metillenmesi ve ardından hidrolizi 2,3,4,6-tetra-O-metil-D-glikoz ve 2,3,4.5tetra-O-metil-D-glukonik asit veril-. 4. İzomaltozun metillenmesi ve ardından hidıolizlenmesi 2.3,4,6-tetra-Ometil-D-glikoz ve 2,3.4-tri-O-metil-D-glikoz verir.

22.38

Stakiyoz pek çok bitki ve ürünün köklerinde bulunur. Aşağıdaki verilerden stakiyozun yapısını bulunuz. 1. Bir mol stakiyozun asidik hidrolizi 2 mol D-galaktoz, 1 mol D-glikoz ve 1 mol D-fruktoz verir. 2. Stakiyoz bir indirgen olmayan şekerdir. 3. Stakiyozun cr-galaktosidaz ile etkileştirilmesi D-galaktoz, sakkaroz ve indirgen olmayan bir trisakkarit olan rafinozun bir karışımını verir. 4. Rafinozun asidik hidrolizi D-glikoz, D-fruktoz ve D-galaktoz verir. Rafinozun a-galaktosidaz ile etkileştirilmesi D-galaktoz ve sakkaroz verir. Rafinozun invertazla (sakkarozu hidrolizleyen enzim) etkileştirilmesi ise fruktoz ve melibiyoz (Problem 22.33'e bakınız) verir. 5. Stakiyozun metillenmesi ve ardından hidrolizi 2,3,4,6-tetra-O-metil-Dgalaktoz, 2,3.4,-tri-O-metil-D-galaktoz, 2.3,4-tri-O-metil-D-glikoz ve 1,3,4,6- tetra-O-metil-D-fruktoz verir.

22.39

Arbutin bazı çileklerin ve armutun yapraklarından izole edilir ve molekül formülü C | 2 H 160 7 ‘dir. Arbutin, seyreltik asit veya /3-glikosidazla ektileştirildiğinde D-glikoz ve molekül formülü C6 H 6 0 2 olan X bileşiğini verir. X

1137

1138


bileşiğinin 'H NMR spektrumu biri 8 6 .8 ’de (4H), diğeri 8 7.9’da (2H) olmak üzere iki birli içerir. Arbutinin metillenmesi ve ardından asidik hidrolizi 2,3,4,6-tetra-(9-metil-D-glikoz ve Y bileşiğini (C 7 H 8 0 2) verir. Y bileşiği seyreltik sulu NaOH çözeltisinde çözünür fakat sulu NaHC03’te çözünmez. Y’nin 'H NMR spektrumu 8 3.9’da (3H) ve 8 4.8’de (İH) birer birli ve 8 6 ,8 'de (4H) bir çoklu (birli gibi görünüyor) içerir. Y’nin sulu NaOH ve (CH 3 )2 S 0 4 ile etkileştirilmesi Z (C 8 H , 0 O2) bileşiğini verir. Z'nin 'H NMR spektrumu 5 3,75’te (6 H) ve 8 6 ,8 'de (4H) birer birli içerir. Arbutin ve X, Y, Z bileşiklerinin ya pılarım açıklayınız. 22.40

Bir D-aldopeııtoz olan A bileşiği Ruff küçültiilmesiyle B aldotetrozuna dönüşür. Sodyum borhidrürle indirgendiğinde, B aldotetrozu, optikçe aktif bir alditol verir. Bu alditoliin l3C NMR spektrumu sadece iki pik içerir. A’nın sod yum borhidrürle doğrudan indirgenmesinden oluşan alditol optikçe aktif de ğildir. A’dan çıkılarak yapılan Kiliani-Fischer sentesinde diastereomerik aldoheksozlar, C ve D, elde edilir. Sodyum borhidrürle etkileştiklerinde C, E alditoliinii ve A ise F alditolünü verir. E ’nin l3C NMR spektrumu üç, F ’ninki altı pik içerir. A’dan F ’ye tüm bileşiklerin yapılarını yazınız.

22.41

Şekil 22.21, D-(+)-mannozun eser miktarda asit içeren asetonla verdiği tep kime ürününün nC NMR spektrumunu göstermektedir. Bu bileşik, bazı hid roksil grupları aseton asetalleri (asetonitler olarak) olarak korunmuş bir mannofuranozdur. L'C NMR spektrumunu. molekülde kaç asetonit grubunun olduğunu belirlemek için kullanınız.

22.42

D-(+)-Mannoz. sodyum borhidrürle D-mannitole indirgenebilir. D-Mannitol eser miktarda asit içeren asetonda çözüldüğünde ve bu tepkimenin ürünü N aI0 4 ile yükseltgendiğinde l3C NMR spektrumu altı pik içeren bir bileşik oluşur. Bu piklerden biri 8 200 civarındadır. Bileşiğin yapısı nedir?

TMS

1 220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

5c (ppm)

Şekil 22.21 Problem 22.4rdeki tepkime ürününün geııişband proton-eşleşınesiz l3C NMR spektrumu.

Ek Problemler

*22.43

Metil 2,3-anhidro-D-ribofuranozitin, I, iki anomerinden ^-yapısı şaşırtıcı şekilde düşük kaynama noktasına sahiptir. Yapı formüllerini kullanarak bu du rumu açıklayınız.

*22.44

Aşağıdaki tepkime dizisi 2-deoksi-D-Ribozun, IV, D. C. C. Smith’in 1955’te yayınladığı, zarif bir sentezidir. CHO

HHO

-OH -H

H-

-OH

H-

-OH

c h , s o 2ci

C,H,N

CH2OH

-►II

H30 +

D-Glikoz

CHO

IV

H-

-H

H-

-OH

H-

-OH

HO~

H, O

[III]

CH:OH (a) II ve II I’ün yapıları nasıldır? (b) I I l ’ün IV ’e dönüşmesi için bir mekanizma öneriniz. A

•"22.45

D-Glikoz

Asetik anlıidrit sodyum asetat

► D-Glikopiranoz pentaasetat.

HllOmer V

Asetik anlıidrit Piridin

"► D-Glikopiranoz pentaasetat, anomer VI

Bir iki anomer için olan 'H NMR verileri 8 2.0-5.6 bölgesinde karşılaştırıla bilir pikler içerir. Bunun yanında en yüksek 5'daki pikleri, anomer V için 8 5,8'de (1H. J = 4 Hz) bir ikili ve anomer VI için 8 6,3’te (1H, J = 4 Hz) bir ikilidir. (a) Bu anomerlerde hangi protonun en yüksek 8 değerine sahip olması bekle nir? Bu protonların pikleri niçin İkililer olarak görülmektedir? (c) Bir C—C bağının bitişik karbonları üzerindeki C— H bağları arasındaki dihedral açı (Newman izdüşümü kullanılarak ölçüldüğünde) ile gözlenen eşleşme sabitinin büyüklüğü arasmdaki ilişki Karplus eşitliğiyle verilir. Bu, bir aksiyal-aksiyal ilişkisine ait eşleşme sabitinin 9 Hz büyüklüğünde (göz-

(b)

1139

1140


lenen aralık 8-14 Hz’dir); bir ekvatoryal-aksiyal ilişkisine ait eşleşme sabitinin 2 Hz büyüklüğünde (gözlenen aralık 1- 7 Hz’dir) olduğunu belitir. Buna göre V ve V I’nın hangisi a-anomer, hangisi /î-anomerdir? (d) V ve Vl'nın her birinin en kararlı konformerini çiziniz.

Ö

ğ renm e

G

rubu

PROBLEMLERİ

İ. (a) Düşük kalorili tatlandırıcıların bir grubu polioller olarak bilinir. Böyle bir poliol tatlandırıcının kimyasal sentezi, belirli bir disakkaritin diastereomerik glikositler ka rışımına indirgenmesini içerir. Diastereomerik glikositlerin alkol (gerçekte poliol) kıs mı başlangıçtaki diasakkaritin şeker kısımlarının birinden türer. Bir tatlandırıcının tüm gruplarının metillenmesi (örneğin sodyum hidroksit beraberinde dimetil sülfat la), ardından hidrolizi sonucu. 2,3,4,6-tetra-O-metil-or-D-glikopiranoz. 1,2,3,4.5-penta-O-metil-D-sorbitol ve 1,2,3,4,5-penta-O-metil-D-mannitolün 2 : 1 : 1 oranmda oluşmaları bekleniyor. Bu bilgiler ışığında, bu poliol tatlandırıcıdaki diastereomerik karışımı oluşturan iki disakkarit glikozitin yapısını açıklayınız. (b) Tatlandırıcıdaki iki disakkarit glikozitin karışımının tek bir disakkarit başlangıç maddesinin indirgenmesinden (örneğin sodyum borhidrürle indirgeme) oluştuğu bi lindiğine göre indirgenme basamağındaki reaktant disakkaritin yapısı ne olmalıdır? Bu bileşiğin indirgenmesinin nasıl iki glikozit oluşturacağını açıklayınız. (c) 2,3,4,6-Tetra-(9-metil-£X-D-glikopiranozun en düşük enerjili sandalye konformasyonunu çiziniz. 2. Bitkilerde ve mikroorganizmalarda, şikimik asit, anahtar konumda bir biyosentetik ara üründür. Bölüm 21 ’deki Öğrenme Grubu Probleminden şikimik asitin, doğada, korismata çevrildiğini bunun da daha sonra aromatik amino asitlerin ve diğer önem li bitkise] ve mikrobik metobilitlerin oluşumuna yol açan prepenata dönüştüğünü bi liyoruz. Şikimik asitin yer aldığı biyosentetik süreçler üzerinde yaptığı araştırmasında H. Floss (Washington Üniversitesi), biyokimyasal dönüşmelerde etiketlenmiş kar bon atomlarının davranışını izlemek için l3C ile etiketlenmiş bileşiğe gereksinim duy du. Etiketlenmiş şikimik asit sentezi için Floss, daha önce G.W.J.Fleet (Oxford Üniversitesi) tarafından açıklanan, D-mannozdan optikçe aktif şikimik asit sentezi ni uyarladı. Bu sentez doğal şekerlerin optikçe aktif bileşiklerin sentezinde kiral baş langıç maddeleri olarak kullanıldığı ilk örnektir. Aynı zamanda kaıbohidrat kimyasındaki klasik tepkimeler için de mükemmel bir örnektir. d-(-)-[1.7 - uC]-şikimik asitin (1) D-mannozdan Fleet-Floss sentezi sayfa 1141 de gösterilmiştir. (a) Mannozdan 2 ’ye geçişteki değişimleri açıklayınız. Hangi yeni fonksiyona! grup lar oluşmuştur? (b) 2 ’den 3 ’e; 3 ’ten 4 ’e ve 4 ’ten 5'e geçiş basamaklarında neler olmuştur? (c) Bileşik 9 ’un yapısını (5’i, 6 ’ya dönüştürmekte kullanılan bir reaktif), 5 ’in triflorometansülfonat (tiriflat) grubunu değiştiren birkarbanyon olduğunu göz önünde bu lundurarak gösteriniz. Son ürün için gereken l3C atomlarını sağlayanın bileşik 9 olduğunu hatırlayınız. (d) 7’den 8 ’e olan değişimi açıklayınız. 7'den 8 ’e geçme sürecinin oluşabilmesi için gerekli olan 7 ile dengedeki bileşiğin yapısını yazınız. Bu ara üründen 8 ’e geçiş tep kimesine ne ad verilir? (e) D-Mannozun ve l ’in karbon atomlarını, 1 'in hangi atomunun D-mannozun han gi atomundan geldiğini gösterecek şekilde sayıyla veya harfle işaretleyiniz.


1141

CHO

D-Mannoz

*COO-r-Bu

*COO-r-Bu

(h)

5 * = 13C etiketli

6

7

8

1

D-(—)-[l,7-,3C]-Şikimik

asit

Ş e m a I D-(-)-[1.7 - 13C]-şikimik asitin 1, H.G. Floss tarafından, Fleet ve çalışma arkadaş larının yoluna dayandırılan sentezi. Şartlar: (a) aseton, H+; (b) BzCl, NaH; (c) HC1, sulu MeOH; (d) NaI04; (e) NaBH4; (f) (CF3 S0 2 )2 0 , piridin; (g) 9, NaH; (h) HCOO NH4\ Pd/C; (i) NaH; (j) %60 sulu CF3 COOH.

B ölüm

S in irle rin Y a lıtım ı Elektriği ileten yalın bir tel başka bir iletkene temas ettiğinde bir kısa devre olacaktır. Bu yüzden elektrik telleri bir yalıtkanla kaplanır. Sinir sistemlerinde elektrik iletkenli ğini sağlayan nöronların (sinir hücrelerinin) aksonları da böyle yalıtılır. Nasıl ki elekt rik tellerini saran yalıtkan bir plastik varsa, sinir hücrelerinin aksonlarını da (vücut eksenini) çevreleyen, yalıtan, miyelin kılıfı denilen bir örtü vardır. Miyelin kılıfı. Schwann hücreleri denilen özel hücre zarlarından oluşmuştur ve aksonlar etrafında bü yüyerek onu bir çok defa sarar. Bu zarın yapısındaki moleküllere lipitler denir ve miyelinin içinde en fazla bulunan yapı sifingomiyelindir. Sifingomiyelinin molekül modeli yukarıda gösterilmiştir ve yapısı Altböliim 23.6B'de verilmiştir. Aksonların Schwann hücre zarları tarafından sarılması, sifingomiyelin ve ilgili lipit moleküllerince tabakatabaka (kat-kat) yalıtım sağlar. Bu. miyelin kılıfının yalıtım özelliğinin anahtarıdır. Baştan sona yalıtılması gereken elektrik tellerinin aksine, miyelin kaplamanın lipit tabakaları akson boyunca sürekli bir yalıtkanlık göstermez. Miyelin kaplamadaki düzen li aralıklarla olan boşluklar akson boyunca sinir dürtülerinin elektrik sinyallerinin geç tiği düğümlerdir (Ranvier düğümleri diye isimlendirilir). Sinir dürtülerinin bu şekilde

I 142

yayılması 100 m s 1kadar hızla olur, bu ise sıçrama etkisi mümkün olmayan miyelinsiz sinir tellerindeki yayılmadan çok daha fazladır. Miyelinsiz sinirlerde dürtünün ya yılması, miyelinli sinirlerdekinden yaklaşık on kat daha azdır. Bir sinir dürtüsünün düğümler arasında sıçraması aşağıdaki diyagramda şematik olarak gösterilmiştir. Lipit moleküllerinden oluşmuş miyelin kılıf

Ranvier düğümü

r~

N a+ Akson

+

______________ )

N a+

L_

J

♦

♦

♦

r

+

+

+

^

r

J

k

1 Na

; ; ;

^

J

! N a+

V-----

c

+ 1

J

-4-

^ -------------+ 1

♦ ♦ ♦ r

+ 1

^

+

+

+

^

Görüldüğü gibi sinir tellerinin miyelinlenmesi. tam bir sinirsel fonksiyon için çok önemlidir. Çoklu doku sertleşmesi, sinir hücrelerinden miyelin ayrılmasına sebep olan bir bağışıklık hastalığıdır ve çok ciddi sonuçlara yol açar. Sfingolipit depolama hasta lığı ise çeşitli sfingoiipitlerin birikmesine sebep olur. Tay-Sachs ve Krabbe hastalıkları sfingolipit depolama hastalıkların iki örneğidir. Her iki hastalık da 3 yaşının altındaki çocuklar için ölümcüldür. Bu bölümde lipitlerin çok geniş bir sınıfa yayılmış olduğunu göreceğiz. Ancak sfingolipitler sadece bir örnektir. Ayrıca lipitlerin biyolojik rolleri çok daha çeşitlidir ve ya pıları da o derece büyüleyicidir.

23.1 GiRiş Lipitler biyolojik kökenli moleküllerdir ve kloroform ve dietil eter gibi polar olmayan çözücülerde çözünürler. Lipit ismi hayvansal yağın Yunanca karşılığı olan lipos keli mesinden türemiştir. Kimyasal yapılarına göre tanımlanan karbohidrat ve proteinlerin aksine lipitler, eldelerinde kullanılan fiziksel işlemlere göre tanımlanırlar. Bundan do layı. lipitlerin aşağıda verilen örneklerde olduğu gibi değişik kimyasal yapıları içermeleri şaşırtıcı olmamalıdır.

23.1 23.2

Giriş Yağ Asitleri ve Triaçilgliseroller 23.3 Terpenler ve Terpenoitler 23.4 Steroitler 23.5 Prostaglandinler 23.6 Fosfolipitler ve Hücre Zarları 23.7 Mumlar

O

CH2— O—C— R O II

CH,OH

CH — o — c —R' O

CH2— O—C— R" Hayvansal veya bitkisel yağ Mentol (bir terpenoit) (bir triaçilgliserol)

1143

1144

Bölüm 23 / Lipitler

O II c h 2— o — c — r

H

o II CH— O— C— R' O II CH,— O — P — OCH2CH2N(CH, ) 3 er Lesitin (bir fosfatit)

2 3 .2 Y a ğ A

Kolesterol (bir steroit)

s îtle r

İ v e T r İa ç î l g l î s e r o l l e r

Polar olmayan çözücüler ile yapılan ekstraksiyondan elde edilen toplam yağın sadece küçük bir kısmı, uzun zincirli karboksilik asitlerden oluşmuştur. Biyolojik kökenli karboksilik asitlerden çoğu, gliserolün (gliserinin) esterleri şeklinde bulunur ve bunlara t riaçilgliseroller denir (Şekil 23.1)*.

CH2OC—R Şekil 23.1 (a) Gliserin (b) Bir triaçilgliserol. R, R', ve R" genellikle uzun zincirli alkil gruplarıdır. R, R' ve R" bazen bir veya daha fazla karbon-karbon ikili bağı içerebilir. Bir triaçilgliserolde R, R' ve R" birbirlerinden farklı olabilir.

O c h 2oh

CHOC—R'

CHOH

O

CH2OH

CH2OC—R"

(a)

(

6)

Triaçilgliseroller, bitkisel ve havyansal kaynaklı yağlardır. Bunlar yer fıstığı, soya yağı, mısır yağı, ayçiçeği yağı, tereyağı ve domuz yağı gibi yağlardır. Oda sıcaklığın da sıvı halde bulunan triaçilgliserollere sıvı yağlar: katı halde bulunanlarına da katı yağlar denir. Üç açil grubu da aynı olan triaçilgliseroller basit triaçilgliserollerdir. Açil gruplarının farklı olduğu triaçilgliseroller ise karışık triaçilgliseroller olarak adlandı rılırlar ve bunlar en yaygın olarak bulunanlardır. Sıvı ya da katı yağların hidrolizi yağ asitlerinin bir karışımını verir. O

O CH,— OH

CH,— O — C— R O CH— O— C— R'

(1) OH /H,Q , ısı

(2 ) H,() *■

O II CH— OH + R'COH

O CH — O— C— R" Bir sıvı veya katı yağ

RCOH

CH,— OH Gliserin

O II R'COH Yağ asitleri

* Daha eski kaynaklarda triaçilgliseroller, trigliserit ya da daha basit olarak gliseritler olarak adlandırıl mışlardır. lUPAC’a göre adlandırmada ise triaçilgliseroller. gliserolün esterleri olduklarından gliseril trialkanoatlar, gliseril trialkenoatlar şeklinde adlandırılmalıdır.

23.2 Yağ Asitleri ve Triaçilgliseroller

1145

Çizelge 23.1 Yaygın Olan Yağ Asitleri en (°C) Doymuş Karboksillik Asitler CH 3(CH2 ) 12C 0 2H Miristik asit (tetradekonaik asit)

54

CH 3(CH2) 14C 0 2H Palmitik asit (heksadekanoik asit

63

CH 3 (CH2) 16C 0 2H Stearik asit (oktadekanoik asit)

70

Doymamış Karboksilik Asitler CH3(CH2)5x

/ (CH2)7C 02H

c=c

32

/ \ H H Palmitoleik asit (m-9-lıeksadekenoik asit) CH3(CH2)

7\

/ H

/

(CH2)7C 02H

c=c\

4

H Oleik asit (c/s-9-oktadekenoik asit) CH3(CH2)4x / H

/

c=c\

c h 2\

/ (CH2)7C 02h /

c=c\

-5

HH H Linoleik asit (c/s,cıs-9,12-oktadekadienoik asit) CH3CH2x

/ CH2\ / (CH2)7C 02H C=C C=C C=C / \ / \ / \ H HH HH H Linolenik asit (m,ds,m-9,12.15-oktadekatrienoik asit)

-1 1

Doğal halde bulunan yağ asitlerinin çoğu dallanmamış zincirlere sahiptir. Bu yağ asit leri ikili-karbon birimlerinden sentezlenmiş olduklarından karbon atomlarının sayısı her zaman çifttir. Çizelge 23.1 çok yaygın olan yağ asitlerinden bazılarını, Çizelge 23.2 ise belli başlı sıvı ve katı yağların yağ asitleri bileşimini vermektedir. Çizelge 23.1’de verilen doymamış yağ asitlerindeki ikili bağların hepsi cis-yapısındadır. Doğal ola rak bulunan yağ asitlerinin çoğu iki ya da üç ikili bağ içerirler ve bu yağlara çoklu doy mamış yağlar ya da sıvı yağlar denir. Doymamış yağ asitlerinde ilk ikili bağ genellikle 9 ve 10 numaralı karbonlar arasında bulunur, geri kalan ikili bağlar ise genellikle 12 ve 15 numaralı karbonlar ile başlar (linoleik ve linolenik asitlerde olduğu gibi). İkili bağ lar bundan dolayı konjuge değillerdir. Üçlü-bağlar yağ asitlerinde nadiren bulunur. Doymuş yağ asitlerindeki karbon zinciri birçok konformasyona sahip olabilir, an cak zincir, genellikle komşu metilen gruplarındaki sterik etkiyi en aza indirecek şekil de düzenlenmiştir. Doymuş yağ asitleri iyi bir şekilde kristallenirler ve van der Waals

Yağ asitlerinin ikili kar bon birimlerinden nasıl biyokimyasal olarak sentezlendiğini Özel Konu D’de gördük.

1146


Çizelge 23.1 Yaygın Katı ve Sıvı Yağların Hidrolizinden Elde Edilen Yağ Asitlerinin Bileşimi1 Elde Edilen Yağ Asitlerinin Bileşimi ( % mol) Doymuş Katı veya Sıvı Yağlar

Doymamış

C, 6 C4 C» C| 0 C ,2 Cl8 Palınit- C m C, 4 Ci6 Ci8 Cıs Bütirik Kaproik Kaprilik Kaprik Laurik Miristik Palmitik Stearik oleik Oleik Linoleik Linolenik Asit Asit Asit Asit Asit Asit Asit Asit Asit Asit Asit Asit

c6

Hayvansal Yağlar Terayağı Domuz Yağı Sığır Donyağı

3-4

1-2

0-1

2-3

2-5

8-15 1-2 2-5

25-29 25-30 24-34

9-12 12-18 15-30

0-1

5-15 7-12 7-11 18-25 6-10 4-7 9-12

1-4 2-6 3-4 1-2 2-4 2-4 2-4

0-1

8-10

0-1

18-22

4-6 4-6

18-33 48-60 35-45

2-4 6-12 1-3

0-1 0-1

Bitkisel Yağlar Zeytinyağı Yerfıstığı Yağı Mısırözü Yağı Pamuk Yağı Soya Yağı Keten Tohumu Yağı Hindistan Cevizi Yağı

1-2 1-2 1-2 0 -1

5-7

7-9

40-50 15-20

1-2 1-3

67-84 8-12 30-60 20-38 25-35 50-60 17-38 45-55 20-30 50-58 14-30 14-25 6-9 0-1

5-10 45-60

Deniz Ürünleri Yağları Balık Yağı

5-7

27-33

27-32

“ Bu veriler “Holüm J. R. O rg a n ic a n d B io lo g ic a l C h e m istry : Wiley: New York. 1978: s 220” ve "B io lo g y D a ta B o o k : Altman. P. L.; Ditmer.

D. S., Ed.; Federation of American Societies for Experimental Bioloyg; Washington DC, 1994” ten alınmıştır.

Bir doymuş triaçilgliserol

etkileşimlerinin büyük olmasından dolayı da bağıl olarak yüksek erime noktalarına sa hiptirler. Molekül kütlesinin artması ile erime noktası artar. Doymamış yağ asitlerinin ikili bağlarının cis-konfigürasyonıında olmasından dolayı, karbon zincirindeki eğilme, kristal istiflenmeyi doğrudan etkiler ve moleküller arası van der Waals etkileşmesini za yıflatır. Bu yüzden doymamış yağ asitleri düşük erime noktasına sahiptir. Yağ asitleri hakkında söylenenler triaçilgliseroller için de geçerlidir. Doymuş yağ asitlerinden oluşan triaçilgliseroller yüksek erime noktasına sahiptir ve oda sıcaklığın da katıdır. Bu nedenle bunlara katı yağlar denir. Yüksek oranda doymamış, ve birden çok doymamışlık içeren yağ asitlerinden oluşan triaçilgliseroller ise düşük erime nok tasına sahiptirler. Bundan dolayı da bunlara sıvı yağlar denir. Şekil 23.2, cis-halde bu lunan bir ikili bağın, triaçilgliseroliin şeklini nasıl etkilediğini ve katalitik hidrojenlemenin, böyle doymamış triaçilgliserollerin doygun hale getirilmesinde nasıl kullanıldığını göstermektedir. 23.2A Triaçilgliserollerin Hidrojenlendirilmesi

Piyasadaki yemeklik katı yağlar, bitkisel yağların kısmen hidrojenlendirilmesi ile üreti lirler. Bu ise hazır yiyeceklerin bir çoğunda bulunur ve etiketlerde "‘kısmî hidrojenlendirilmiş yağ’’ şeklinde belirtilir. Bitkisel yağın tamamen hidrojenlendirilmesinden mümkün olduğu kadar kaçınılır, çünkü tamamen doymuş bir triaçilgliserol çok sert ve kırılgan özel liğe sahiptir. Genellikle, bitkisel yağlar, yarı-katı ve güzel bir görünüm kazanıncaya ka dar hidrojenlendirilirler. Kısmî hidrojenlendirmenin piyasadaki avantajlarından biri de, katı yağların uzun süre raflarda saklanabilmesidir. Birden fazla doymamışlık içeren yağ lar kendi kendine-yükseltgenme tepkimelerine girmeye eğilimlidir ve bu tepkimeler so nunda yağların tadı değişir. Bununla beraber, kısmî hidrojenlendirme işleminde kullanılan katalizörün tepkimeye girmeyen bazı ikili bağları, doğal hallerindeki cis-düzeninden trans-


1147

Şekil 23.2 İki tipik triaçilgliserol, biri doymuş diğeri doymamış. Doymamış triaçilgliseroiün cis-halindeki ikili bağı, kristallerin etkili bir şekilde istiflen mesini etkiler ve doymamış yağların dü şük erime noktasına sahip olmalarına neden olur. İkili bağın hidrojenlenmesi ise doymamış triaçilgliseroiün doyması na neden olur.

Doymuş yağ konformasyonuna geçirmesi önemli bir problemdir. Bu düzenleme ile oluşan “trans” yağ ların kalp damarlarının tıkanmasında rolünün olduğuna ilişkin birçok kanıt vardır. 23.2B Tnaçilgliserollerin Biyolojik İşlevleri Triaçilgliseroller hayvanlarda öncelikle bir enerji kaynağı olarak işlev görürler. Triaçil gliseroller biyokimyasal tepkimelerde karbon dioksit ve suya dönüştürüldüklerinde (ya ni metabolize olduklarında) protein ve karbonhidratların gram başına verdikleri kilokalorinin iki katından daha çok enerji üretirler. Bu durum, molekül başına düşen karbon-hidrojen bağlarının oranının yüksek olmasından ileri gelir. Hayvanlarda adipoksitez (yağ hücreleri) denilen özel hücreler triaçilgliserolleri sen tezler ve depolarlar. Bu tiir hücreleri bulunduran zarlar adipoz zarları olarak bilinirler; mide boşluğundaki ve derinin altındaki tabakalarda bolca bulunurlar. Erkeklerdeki yağ miktarı %21. kadınlarda ise %26 dır. Bu yağ oranları, bir insanın açlığa 2-3 ay dayana bilmesi için yeterlidir. Glikojen ve karbohidrat kaynakları ise ancak bir gün için gerek li olan enerji ihtiyacını sağlayabilir. Vücuttaki doymuş triaçilgliserollerin tamamı ve doymamış triaçilgliserol 1erin bazı ları, karbohidrat ve proteinlerden sentezlenebilir. Yiyeceklerdeki yağ miktarı, özellikle de doymuş yağ oranı, yıllardan beri sağlık için endişe verici olmuştur. Yiyeceklerde bulunan çok miktardaki doymuş yağın, kalp hastalıkları ve kanserin ortaya çıkmasında etkili bir etken olduğuna ilişkin dikkatleri çekecek boyutta önemli kanıtlar vardır.

a

ımyası

Olestra ve Katı Yağlar Yerine Kullanılan Diğer Maddeler O l e s t r a , doğal yağ hissi veren ve o görünümde olan, sıfır-kaloriye sahip, yağ ye rine kullanılan piyasaya sürülmüş sentetik bir maddedir. Yapısı ise. doğal bileşenle rin bir araya gelmesinden oluşur. Olestranın özü, sıradan bir şeker olan sakkorozdan türemiştir. Sakkorozun yapısında bulunan altı ile sekiz arasındaki hidroksil grupları na, uzun zincirli karboksilik asitler ester bağı ile bağlanmışlardır. Bu yağ asitlerinin uzunluğu 8 karbondan başlar 22 karbona kadar ulaşır. Olestranın endüstrideki sente zinde ise bu yağ asitleri pamuk çekirdeği ya da soya yağından elde edilirler.

Olestradaki yağ asit esterlerinin varlığı, olestraya sıradan yağların mutfakta sahip ol dukları özellikleri ve tadı verirler. Ancak, olestra tipik bir yağ gibi sindirilemez. Bu ise olestranın sterik olarak kalabalık bir yapıya sahip olması nedeniyle sıradan yağların hid rolizini katalizleyen enzimler tarafından etkilenmemesinden kaynaklanır. Olestra sindirim sisteminden değişmeden geçer ve sonuçta yiyeceğe herhangi bir kalori ilave etmez. An cak olestra, yağda çözünen vitaminlerden bazılarım örneğin A, D, E ve K vitaminlerini de beraberinde dışarıya taşır. Bundan dolayı olestra ile hazırlanan yiyeceklerden vitamin kaybını önlemek için olestra, yukarıda sayılan bu vitaminler ile zenginleştirilir. Olestranın ortaya çıkmasından sonra yapılan çalışmalarda, Olean (Olestra’nın ticari markası) yiyen lerde, tam-yağlı cips yiyenlerden farklı olarak, sindirim sistemini etkileyen rahatsızlıklar görülmemiştir. Yağ yerine kullanılan diğer birçok maddeler üzerine de ilgi oldukça artmıştır. Bunlar ara sında poligliserol esterleri de vardır ve bu maddeler de olestra poliesteri gibi sterik kalabalıklıktan dolayı sindirilemezler. Düşük kalorili yağlara başka bir yaklaşım ise, gliserin iskeletindeki bazı uzun zincirli karboksilik asitlerin orta ve kısa zincirli yağ asitleri (C2 ile C4) ile değiştirilmesi esasına dayanır. Bu tip bileşikler daha az kalori verirler, çünkü glise rin esterlerindeki her bir CH2 grubunun yokluğu (uzun zincirli yağ asitleri ile karşılaştırıldı ğında) bu bileşik metabolize edildiğinde açığa çıkan enerjiyi azaltır. Bir gliserin esterinin kalori içeriği, gerekli kaloriyi verecek şekilde, uzun zincir, orta ve kısa zincir oranlan ayar lanarak düzenlenebilir. Yağ yerine kullanılan diğer düşük kalorili maddeler, karbohidratlar ve protein kaynaklı bileşiklerdir. Bu maddeler, yağlann verdiğine benzer bir mekanizmaya göre çalışırlar ve çeşitli nedenlerden dolayı az enerji üretirler.

23.2C TriaçMgliserollerin Sabunlaştırılması Triaçilgliserollerin baz ile hidrolizi (yani sabunlaştırılm ası), gliserin ve uzun-zincirli karboksilik asitlerin tuzlannm bir karışımını verir.

1148


O II

O c h 2o c r

1149

c h ,o h

RCO- Na+ O

o

CHOCR' + 3 NaOH — ►CHOH +

R'CO- Na+ O

O

CH,OCR"

c h 2o h

R 'CO" Na+

Gliserin

Sodyum karboksilatlar “sabun”

Uzun-zincirli karboksilik asitlerin bu tuzlan sabunlardır, ve bu sabunlaştırma tep kimesi birçok sabunun üretiminde kullanılır. Katı ve sıvı yağlar, sulu sodyum hidroksit çözeltisinde, hidroliz tamamlanıncaya kadar kaynatılır. Karışıma sodyum klorür ilave edilerek sabun çöktürülür. (Sabun ayrıldıktan sonra gliserin sulu fazdan damıtma yolu ile ayırılabilir.) Ham sabun genellikle birçok çöktürme işlemi ile saflaştırılır. Eğer iste nen ürün tuvalet sabunu ise parfümler ilave edilebilir. Temizlik sabunu yapmak için ise, kum, sodyum karbonat ve diğer dolgu maddeleri ilave edilir. Eğer üretici firma piyasa ya yüzen sabun hazırlamak istiyorsa, erimiş sabuna hava basılır. Uzun-zincirli karboksilik asitin sodyum tuzları (sabunlar) hemen hemen tamamen su ile karışabilir. Ancak, beklediğimiz gibi, tek tek iyonlar halinde çözünmezler. Çok seyreltik çözeltileri hariç, sabunlar miseller halinde bulunurlar (Şekil 23.3). Sabun misel leri, sulu fazda dağılmış bulunan karboksilat iyonlarının oluşturduğu küresel kümelerdir. Karboksilat anyonları, negatif yüklü (bu yüzden polar) karboksilat grupları yüzeyde, po lar olmayan hidrokarbon zincirleri ise iç tarafta olacak şekilde birarada istiflenmiş gibi bulunurlar. Sodyum iyonları ise, ayrı ayrı sarılmış iyonlar olarak sulu fazda dağılmış halde bulunurlar. Misel oluşumu, sabunların su içerisinde çözünme gerçeğini de açıklar. Sabunun po lar olmayan (hidrofobik) alkil zinciri polar olmayan çevrede, miselin iç kısmında ka lır. Polar (hidrofilik) karboksilat grupları ise polar çevrede, sulu fazda bulunurlar. Na+

Misel oluşumu

Şekil 23.3 Polar dağılma ortamı ile onun ara yüzeyini gösteren sabun misellerinin bir kesiti.

Na+ Na+

Na+ Sulu faz

Na+

Na+

\

O

Na+

1150


Şekil 23.4 Yağ-kaplı kir parçacıklarının bir sabun ile dağılması Misellerin yüzeyi negatif yüklü olduğu için, her bir misel birbirini iter ve böylece sulu fazda dağılmış olarak kalırlar. Sabunlar "kir temizleme" işlevlerini benzer şekilde yerine getirirler. Çoğu kir par çacığı (örneğin deride) sıvı veya katı yağ tabakası ile çepeçevre sarılmış olarak bulu nurlar. Su moleküllerinin herhangi bir katkı olmaksızın yağ damlacıklarını dağıtmaları mümkün değildir. Çünkü yağsı tabakaya geçmeleri ve teker teker parçacıkları birbirin den ya da yapışık olduğu yüzeyden ayırmaları imkansızdır. Sabun çözeltileri ise, sahip oldukları hidrokarbon zincirleri yağsı tabakada “çözünebildiklerinden” her bir parçacı ğı ayırabilirler (Şekil 23.4). Bu böyle olunca, ayrı ayrı her bir parçacık karboksilat an yonlarından oluşan bir dış tabaka oluşturur ve sulu faza çok daha uygun bir dış-polar yüzey sağlar. Her bir damlacık birbirini iter ve böylece sulu fazda dağılmış hale gelir ler. Daha sonra da lavobadan aşağıya akıtılarak temizleme işlemi gerçekleştirilir. Sentetik deterjanlar (Şekil 23.5), sabunlar gibi aynı işleve sahiptirler; bunlar, polar olmayan uzun alkan zincirleri ile zincir sonunda polar olan gruplara sahiptirler. Sentetik deterjanların çoğunun polar grupları sodyum sülfonat ya da sodyum sülfatlardır. (Bir za manlar çok dallanmış alkil gruplarına sahip sentetik deterjanların kullanımı çok yaygın dı. Bu deterjanlar biyolojik olarak bozunmadıklarından kullanımları devam ettirilmedi). Sentetik deterjanlar, sabunlarla karşılaştırıldığında daha avantajlıdırlar. Bunlar sert Şekil 23.5 Tipik sentetik deterjanlar

CH 3(CH 2 )10CH 2 SO 2 O ' Na~

Sodyum alkansülfonatlar CH 3(CH 2 )10CH 2 OSO2O Na"

Sodyum alkil sülfatlar

CHg CH 3 CH 2 (CH 2 )10C H —

S 0 20 - N a +

Sodyum alkilbenzensülfonatlar


1151

sularda dahi işlevlerini yerine getirirler. Sert sular Ca2+, Fe2+, Fe3+ ve Mg2+ iyonları bu lundururlar. Alkansülfonatların ve alkil hidrojen sülfatların kalsiyum, demir, ve mag nezyum tuzlan büyük ölçüde suda çözünürler ve böylece sentetik deterjanlar çözelti içerisinde kalırlar. Sabunlar, bunun aksine sert suda kullanıldıklarında yıkama kabının etrafında halka şeklinde bir çökelek oluştururlar. 23.2D Yağ Asitlerinin Karboksil Gruplarının Tepkimeleri

Yağ asitleri, beklediğimiz gibi, karboksilik asitlerin verdiği tipik tepkimeleri verirler (bkz. Bölüm 18). Yağ asitleri LİA1H4 ile alkolleri; alkoller ve mineral asitleri ile esterleri ve Yağ asitleri için Altbölünı 23.2D, 23.2E ve 23.2F’de tiyonil klorür ile açil klorürleri oluşturmak üzere tepkimeye girerler.

verilen tepkimeler, karbok silik asitler ve alkenler ile ilgili daha önceki bölümler de gösterilen tepkimelerin aynısıdır.

23.2E

Doymuş Yağ Asitlerinin Alkil Zincirlerinin Tepkimeleri

Yağ asitleri, diğer karboksilik asitlerde olduğu gibi fosfor varlığında brom ya da klorla etkileştirildiklerinde kendilerine özgü a-halojenleme tepkimesini verirler. Bu tepkime Hell-Volhard-Zelinski tepkimesine benzer (Altbölüm 18.9). O

O (1) X„ P

II

RCH,COH ~ rr^ ►RCHCOH + HX 2 -,0 “

(

)

|

H

Yağ asidi 23.2F

X

Doymamış Yağ Asitlerinin Alkenil Zincirlerinin Tepkimeleri

Yağ asitlerinin karbon zincirindeki ikili bağlar, karekteristik alken katılma tepkimeleri ni verirler (bkz. Bölüm 7 ve 8). H H H,, Ni Br,,

ccı4 CH,(CH,)„CH=CH(CHO C07H

_

(1) 0 s04 (2) NaHSO, HBr

> CH3(CH2)„CH— CH(CH2)mC02H "►CH3(CH2)„CHBrCHBr(CH2)„,C02H * CH3(CH2)„ÇH—ÇH(CH2)„,C02H OH

OH

> CH3(CH2);ı(j:HCHBr(CH2)mC02H H

+

1152


Problem 23.1

>■ (a) 9.10-Dibromoheksadekanoik asitin kaç tane steroizomeri vardır? (b) Palmitoleik asite bromun katılmasıyla (±H/reo-9,10-dibromoheksadekanoik asitin enantiyomer setlerinden biri oluşur. Bromun ikili bağa katılması anti katılmadır (yani bromonyum iyonu ara ürünü üzerinden gerçekleşir). Palmitoleik asitin ikili bağının cis-sterokimyasına sahip olduğunu ve bromun katılmasının sterokimyasım da dikkate alarak, (±)-/m?-9,10-dibromoheksadekanoik asitlerin üç boyutlu yapılarını çiziniz.

2 3 .3 T

Özel Konu D’de terpenlerin biyosentezi veril miştir.

e r p e n l e r ve

T erpenoîtler

İnsanlar, geçmişten bu güne, bitkilerden organik bileşikler elde etmektedirler. Belirli bir bitki malzemesi yavaşça ısıtıldığında ya da buhar damıtmasına tabi tutulduğunda, uçu cu yağlar olarak bilinen kokulu bileşiklerin bir karışımı elde edilir. Bu bileşikler çeşit li yerlerde, özellikle ilaç ve parfüm yapımlarında kullanılırlar. Organik kimya biliminin gelişmesiyle, kimyacılar bu karışımları bileşenlerine ayır dılar ve bu bileşenlerin molekül formüllerini, daha sonra da onların yapı formüllerini tayin ettiler. Bugün bile bu doğal ürünlerin yapı tayini, bu konu ile ilgilenen kimyacı lar için büyük çabalar gerektiren çok önemli problemler olarak ortada durmaktadır. Bu alandaki araştırmalar bize, bitkilerin kendi kendilerine bu bileşikleri hangi yolları takip ederek sentezledikleri hakkında önemli bilgiler vermektedir. Genellikle terpenler olarak bilinen hidrokarbonlar ve teı ponoitler olarak bilinen oksijen içeren bileşikler uçucu yağların en önemli bileşenleridir. Çoğu terpen 10. 15. 20 veya 30 karbon atomlu iskelete sahiptir ve aşağıdaki şekilde sınıflandırılırlar.

Karbon Atomu Sayısı

Sınıfı Monoterpenler Seskiterpenler Diterpenler Tri terpenler

10 15 20 30

Terpenlerin, izopren birimleri olarak bilinen iki veya daha fazla C5 birimlerinden oluşmuş olduğu görülebilir. İzopren. 2-metil-l,3-bütadiendir. İzopren ve izopren birimi farklı şekillerde gösterilebilir. H CH, \ / 3 C= C c h 2= c — c h = c h 2 veya \ / C— H / H

V

veya H

j

İzopren C I

C—C— C—C

veya

Bir izopren birimi

Bitkilerin terpenleri izoprenden sentezlemezlemediklerini biliyoruz (özel konu D’ye bakınız). Ancak, izopren biriminin terpenlerin yapısının bir parçası olarak tanınması, terpenlerin yapılarının aydınlatılmasında çok önemlidir. Bu yapıları aşağıdaki bileşik lerde daha iyi görebiliriz.

23.3 Terpenler ve Terpenoitler

Mirsen (defne yağından elde edilmiştir)

H3C

CH, a -Farnesen (elma kabuklarından elde edilmiştir)

İzopren birimlerini ayırmak için kullanılan kesikli çizgilere bakıldığında, monoterpenin (mirsen) iki izopren birimine, seskiterpenin (a-farnesin) üç izopren birimine sa hip olduğunu görebiliriz. Her iki bileşikte de izopren birimi baş-kuyruk şeklinde bağlanmıştır.

x c— C

/ c (baş)

cx

/ c- c\ C C c (kuyruk) (baş) (kuyruk) \

Bir çok terpen, halka şeklinde bağlanmış izopren birimlerine sahiptir ve diğerleri (terpenoitler) ise yapılarında oksijen bulundururlar.

Limonen (portakal veya limon yağından)

Geraniol (gül ve diğer çiçeklerden)

P -Pinen (terebentin yağından)

Mentol (naneden)

1153

1154


P ro bl em 23.2

>- (a) Aşağıdaki terpenlerin her birinin izopren birimlerini gösteriniz, (b) Her bir terpeni monotorpen, seskiterpen, diterpen vb. olarak sınıflandırınız?

Zingiberen (zencefil yağından)

Karyofilen (karanfil yağından)

(kereviz yağından)

Skualen (Köpekbalığı karaciğeri yağından)

P ro bl em 23.3

>- Aşağıdaki terpenler ozonloma ve bunu izleyen Zn ve asetik asitle etkileşme sonra sı hangi ürünleri verirler? (a) Mirsen (c) a-Femasen (e) Skualen (b) Limonen (d) Geraniol

P ro bl em 23.4

>• Aşağıdaki tepkimelerde oluşmasını beklediğiniz ürünlerin yapı formüllerini yazınız.

P ro bl em 23.5

(a) (S-Pinen + sıcak KMn04--- ►

(c) Karyofilen + HC1----►

(b) Zingiberen + H2——►

(d) /3-Selinen +2 THF:BH3 (7) H Q QH_ ►

>- Geraniol ve mentolü birbirinden ayırt etmek için hangi basit kimyasal denemeleri kullanırsınız? Karotenler, tetraterpenlerdir. Bunlar kuyruk-kuyruğa bağlanmış iki terpen gibi dü şünülebilir.

23.3 Terpenler ve Terpenoitler CH

T-Karoten

Karotenler hemen hemen tüm yeşil bitkilerde bulunurlar. Hayvanlarda bu üç kara ten, A vitamini için öncü madde olarak kullanılırlar ve karaciğer enzimleri tarafından A vitaminine dönüştürülürler.

A Vitamini

Bu dönüşümde bir molekül /3-karoten iki A vitamini molekülünü oluşturur, a ve y-Karotenler ise sadece bir A vitamini molekülüne dönüşür. A vitamini sadece görme fonk siyonunda değil, diğer faaliyetlerde de önemlidir. Örneğin, beslenmelerinde A vitaminin eksikliği olan genç hayvanlarda büyüme kusuru gözlenir. 23.3A Doğal Kauçuk Doğal kauçuk, izoprenin bir 1,4 katılma polimeri olarak görülebilir. Piroliz (yunanca piros, ateş + lisiz), bir şeyi havasız ortamda bozununcaya kadar ısıtmak demektir. Doğal kauçuğun oluşumunda, izopren birimleri baş-kuyruğa bağlanır ve tüm ikili bağ lar m ’dir. H CH,— vb.

Doğal kauçuk (c/s-l,4-poIiizopren)

Ziegler-Natta katalizörü (Özel Konu A’ya bakınız) izoprenin polimerleşmesini müm kün kılar ve böylece doğal kaynaklardan elde edilen kauçuğun benzeri olan yapay bir ürün elde edilir. Saf doğal kauçuk yumuşak ve yapışkandır. Kullanışlı olabilmesi için doğal kauçuğun vulkanize edilmesi gerekir. Vulkanizasyon işleminde doğal kauçuk kükürt ile ısıtılır. Tep kime sonunda m-izopren zincirleri arasında çapraz bağlar oluşur ve bu, kauçuğu sert leştirir. Kükürt, hem ikili bağ ile hem de allilik hidrojen atomları ile tepkimeye girer.

— CH ,— C = CH— ÇH

CH,— — CH— ÇH— Ç CH —

S

S

S

S

— CH ,— Ç = CH— CH 7^ CH,— CH— CH— CH —

?

CH

ch3

Vulkanize olmuş kauçuk

1155

1156


23.4

St e r o ît l e r

Bitki ve hayvanlardan elde edilen lipit kısınılan, s t e r o î t l e r olarak bilinen önemli bir başka bileşik grubunu da içerir. Steroitler. önemli "biyolojik düzenleyiciler’dir ve can lı organizmaya verildiğinde hemen hemen her zaman dramatik fizyolojik etkiler göste rirler. Bu önemli bileşikler arasında, erkek ve kadın seks hormanları, adrenokortizonlu hormonlar, D vitaminleri, safra asitleri ve kalbi etkileyen zehirler de vardır. 23.4A Steroitlerîn Yapısı ve Sistematik Adlandırılmaları

Steroitler, aşağıda verilen perhidrosiklopentanofenantren halka sisteminin türevleridir. 18

Bu halka sisteminin karbon atomları şekilde gösterildiği gibi numaralanır. Dört hal ka ise harflerle gösterilir. Birçok steroitte B, C ve C, D halka bağlantıları trans-konumdadır. A, B halka bağ lantısı ise cis ya da trans olabilir ve (Şekil 23.6)'da gösterilen üç boyutlu yapılara sahip steroitler iki genel grubu oluştururlar. Şekil 23.6 Steroitlerîn 5a ve 5/3 serilerinin basit halka sistemleri.

18

Steroitlerîn 5a serileri (bütün halka bağlantıları transtır) 18

Steroitlerîn 5/3 serileri (A,B halka bağlantısı çiştir.)

23.4 Steroitler

1157

Halka bağlantılarındaki metil gruplarına (yani 18 ve 19 numaralı olanlar) açısal me bunlar steokimyasal adlandırmada önemli referans noktalan ola rak kullanılırlar. Açısal metil grupları, Şekil 23.6’da gösterildiği şekilde yazıldıklarında, halka sisteminin genel düzleminin üstünde dik çıkıntı şeklinde dururlar. Genel olarak, bu moleküllerde açısal metil grupları ile aynı tarafta (yani üst tarafta) bulunan diğer grup lar /3-sübstitüentler olarak isimlendirilir (bunlar içi dolu kama ile gösterilirler). Ayrı ca aşağıdaki gruplar (yani açısal metil gruplarına trans olanlar) a-sübstitüentler olarak adlandırılırlar (kesik çizgili kamalarla gösterilir), a ve /3 Adlandırmaları 5 numaralı ko numdaki hidrojen atomuna uygulandığında A, B halka bağlantısındaki trans halka sis temi 5a serisi, A, B halka bağlantısındaki cis halka sistemi de 5/3serisi olur.

til grupları denir ve

Sikloheksan halkalarındaki bütün hidrojen atomlarını gösteren, 5 a ve 5/3 serileri için ■< Şekil 23.6’da verilen iki basit halka sistemini çiziniz. Her bir hidrojen atomunu aksiyal ya da ekvatoryal olarak işaretleyiniz.

P ro b l e m 23.6

Sistematik adlandırmada 17 numaralı konumdaki R grubu her bir steroidin temel adı nı belirler. Bu adlar. Çizelge 23.3'te (sayfa 1158) verilen steroit hidrokarbonunun adın dan türetilir. Bu temel adlandırmanın kullanımını gösteren iki örnek aşağıda verilmiştir CH,

I

Oh,

I

Şimdi bir çok steroidin yaygın adlarını ve Çizelge 23.3'te verilen steroit hidrokar bonlarının türetilmiş adlarını göreceğiz.

(a) Bir ikincil erkek seks hormonu olan androsteron, 3a-hidroksi-5a-androstan- *< 17-on şeklinde de adlandırılır. Androsteronun üç boyutlu formülünü yazınız, (b) Ağızdan alman ve sıkça kullanılan gebelik önleyici sentetik bir steroit olan noretinodrel. 17a-etiniI-17/3-hidroksi-5(10)-estren-3-on şeklinde de adlandırılır. Noretinodrelin üç boyutlu formülünü yazınız.

P ro bl em 23.7

23.4B Kolesterol En yaygın olarak bilinen steroitlerden biri olan kolesterol hemen hemen bütün hayvan dokularından elde edilebilir. Özellikle insan safra taşları zengin bir kaynaktır. Kolesterol ilk defa 1770 yılında izole edildi. 1920’lerde iki Alman kimyacı, Adolf Windaus (Gottingen Üniversitesi) ve Heinrich Wieland (Münih Üniversitesi), koleste-

Kolesterol biyosentezinin nasıl olduğunu “Koleste rol Biyosentezinin Kimya sın d a görmüştük.

1158


Çizelge 23.3 Steroit Hidrokarbonlarının Adlandırılması

R

İsim Androstan

—H 19

— H (—Hile —CH3yer değişebilir) 20 21 —CH,CH, 20

22

23

3

20

22

23

24

Kolan

25

26

— c h c h 2c h , c h 2c h c h 3 CH,

CH,

21

27

3

Pregnan

24

—CHCH,CH,CH, i - - 3 ch3 21

Estran

Kolestan

rolün yapısını aydınlatmışlardır. Bu çalışmalarından dolayı 1927 ve 1928 yıllarında Nobel ödülü aldılar.* Kolesterolün yapısının aydınlatılmasındaki zorluk, sekiz düzgün dörtyüzlü stereomerkez içermesinden ileri gelir. Bu ise, basit yapının 2S ya da 256 adet değişik stereoizomere sahip olabilmesi anlamına gelir ve kolesterol bunlardan sadece bir tanesidir.

5-K.olesten-3ß-ol (kolesterolün kontigürasyonu)

* Windaus ve Wieland tarafından önerilen kolesterolün yapısı yanlıştı. Bu durumu İngiliz fizikçi J. D. Bernal, 1932’de X-tşınları difraksiyon çalışmasıyla ortaya çıkarmıştır. 1932 yılının sonunda İngiliz bilim adamı Wieland, Bernarm sonuçlarını kullanarak kolesterolün doğru yapısını buldu.

23.4 Steroitler

Kolesterolün sekiz stereomerkezini yıldızlarla işaretleyerek belirtiniz.

*<

Kolesterol insan vücudunda çokça oluşur, ancak kolesterolün biyolojik fonksiyon larının tamamı henüz bilinmemektedir. Kolesterolün vücuttaki steroitlerin tamamının biyosentezinde bir ara ürün olarak işlev gördüğü bilinmektedir. Yiyeceklerimizin kolesterol içermesine ihtiyaç yoktur, çünkü vücudumuz tarafından sentezlenmektedir. Kolestero lü dışarıdan aldığımızda vücudumuz hiç yemediğimiz zamankinden daha az sentezler, fakat toplam kolestrol hiç yemediğimiz zamankinden daha fazladır. Vücutta, steroit biyosentezi için gerekenden daha fazla kolesterol vardır. Kan kolesterolünün yüksek se viyede olması damar sertleşmelerinde ve kalp krizinde rol oynamaktadır. Kalp krizi, kolesterol içeren tabakanın kalp damarlarını tıkamasından oluşur. Diyetle ve ilaçlarla kolesterol seviyesinin düşürülebileceği ümidiyle kolesterol metabolizması alanında ol dukça fazla çalışma yapılmaktadm

23.4C Seks Hormonları Seks hormonları üç ana grup altında sınıflandırılabilir: (1) Kadın seks hormonları, ya da estrojenler, (2) erkek seks hormonları, ya da androjenler, ve (3) hamilelik hormon ları, ya da projestinler. İlk elde edilen seks hormunu bir estrojen olan estrondur. Almanya'daki Göttingen Üniversitesinden Aldolf Butenandt ve ABD’deki Louis Üniversitesinden Edward Doisy birbirinden bağımsız olarak yapmış oldukları çalışmalarda hamile kadınların idrarından estronu elde etmişlerdir. Bu araştırmacılar buldukları sonuçları 1929 yılında yayınladı lar. Daha sonraki yıllarda Doisy, etkili bir estrojen olan estradiolü elde etmeyi başardı. Doisy bu araştırmada, yalnızca 12 mg estradiol elde etmek için 4 ton dişi domuz yu murtasını ekstraksiyon işleminde kullanmıştır. Estradiol gerçek bir dişi seks hormonu dur ve estron, salgılanan estradiolün metabolize olmuş şeklidir.

Estron [3-hidroksi-l,3,5(10)estratrien-17-onJ

Estradiol [l,3,5(10)-estratrien-3,İ7/8-diol]

Estradiol, yumurtalık tarafından salgılanır ve ergenlik çağında görülen genç kızlığa adım atma karakteristiğidir. Estrojen hamilelik esnasında süt bezlerinin gelişmesini hız landırır ve hayvanlarda (dişi) kızışmayı sağlar. 1931 ’de Butenandt ve Kurt Tscherning ilk andıojen olan androsteronu izole ettiler. Bu bilim adamları yaklaşık 15.000 litre erkek idrarını ekstrakte ederek, bu hormondan 15 mg elde etmeyi başardılar. Ernest Laqueur (Hollanda’da) boğanın testisinden, başka bir seks hormonu olan testosteronu elde etti. Daha sonra testosteronun gerçek erkek seks

P ro bl em 23.8

1159

1160


hormonu olduğu ve androsteronun ise idrarda salgılanan testosteronun metabolize ol muş şekli olduğu anlaşıldı.

Androsteron (3a-hidroksi-5a-androstan-17-on)

Testosteron (17/3 -hidroksi-4-androsten-3-on)

Testisler tarafından salgılanan testosteron, erkeklerin ergenliğe adım attığını göste ren bir erkeklik hormonudur. Vucut kıllarının çıkması, sesin kalınlaşması, kas gelişimi ve erkek seks organının olgunlaşmasını düzenler. Testosteron ve estradiol “erkeklik” ve “dişiliği” düzenleyen kimyasal bileşiklerdir. Yapısal formülleri incelendiğinde bu iki bileşiğin ne kadar az bir farklılık içerdiği gö rülecektir. Testosteronun A, B halka bağlantısında açısal metil grupları yer almaktadır bu ise özellikle estradiolde yoktur. Estradiolün A halkası bir benzen halkasıdır ve so nuçta estradiol bir fenoldür. Testosteronun A halkası ise bir a , /3-doymamış keto grubu içermektedir.

P ro bl em 23.9

^

Estrojenler (estron ve estradiol) kimyasal özelliklerinden bir tanesine dayanılarak androjenlerden kolayca (androsteron ve testosteron) ayrılabilirler. Bu özellik nedir ve bu ayırma işlemi nasıl gerçekleştirilebilir?

Progesteron (4-pregnen-3,20-dion) Progesteron çok önemli bir progestindn (hamilelik hormonu). Yumurtlama olduk tan sonra yumurta hücresinin (corpııs luteum) parçalanmasından geri kalanlar progesteron salgılamaya başlar. Bu hormon rahmi, döllenmiş yumurtanın tutulması için hazırlar ve devam eden progesteron salgılaması hamileliğin tamamlanması için gereklidir. (Progesteronun corpus luteum tarafından salgılanması azaldığında plasenta tarafından salgı lanır). Progesteron yumurtlamayı da durdurur ve hamile kadının hamilelik sırasında tekrar hamile kalmasını önler. Bu gözlem, ağız yolu ile alınan koruyucular olarak bilinen sen tetik progestinleıin araştırılmasına öncülük etmiştir. (Progesteron, ağız yolu ile alındı-

23.4 Steroitler

ğında yumurtlamayı durdurmada etkili olabilmesi için çok yüksek dozaj gerektirir, çün kü bağırsaklarda bozunur). Böyle birkaç bileşik geliştirilmiştir ve şimdi birçok kişi ta rafından kullanılmaktadır. Noretinodıele ilave olarak, (Problem 23.7) yaygın olarak kullanılan bir diğer sentetik progestin ise noretinodrelin ikili bağ izomeri olan noretindrondm. OH

(17a -etinil-17/3-hidroksi-4-estren-3-on) Sentetik estrojenler de geliştirilmiştir ve bunlar sıkça ağız yolu ile alman koruyucu larla, sentetik progestinler ile birlikte kullanılmaktadır. Etinilestradiol veya novestrol olarak adlandırılan bileşik çok etkili bir sentetik estrojendir. OH

[17a-etinil-l,3,5(10)-estratrien-3,17/3-diol]

23.4D Adrenokortikal Hormonlar Adrenal korteksten. yani karaciğerin üstünde bulunan adrenal bezlerinin bir kısmından en az 28 farklı hormon salgılanır. Aşağıdaki verilen iki steroit bu gruba girmektedir. CH2OH

c h 2o h

c =o

C=0

(17«,21-dihidroksi-4-pregnen3,11,20-trion)

(11/3,17a,21-trihidroksi-4-pregnen3,20-dion)

Adrenokortikal steroitlerin çoğu 11 numaralı konumda bir oksijenli fonksiyonel gru ba sahiptir (örneğin, kortizonda bir keto grubu ve kortizolde (3-hidroksi grubu). Kortizol insan adrenal korteksi tarafından sentezlenen başlıca hormondur.

1161

1162


Adrenokortikal steroitleri, karbohidrat, protein ve yağ metabolizması; su ve elektro lit dengesi, allerjik ve iltihaba yol açan tepkimeler gibi birçok biyolojik etkinliğin dü zenlenmesinde rol alırlar. 1949!da kortizonun iltihap giderici etkisinin anlaşılması ve romatizmanın tedavisinde kullanılması bu alanda yoğun bir araştırma yapılmasına ne den oldu. 11 -numaralı konumunda oksijen taşıyan birçok steroit son zamanlarda Addi son hastalığından astıma ve deri iltihaplarına kadar bir çok hastalığın tedavisinde kullanılmaktadır.

23.4E D Vitaminleri 1919’da güneş ışınlarının; zayıf kemik gelişimi ile kendini gösteren ve bir çocuk has talığı olan kemik hastalığının iyileşmesine yardımcı olması, bu konu üzerindeki araştır maları yoğunlaştırdı. Bazı yiyecek maddelerinin ışınlanması onların antiraşidik (raşitizm hastalığını önleyici) etkilerini arttırdığı gözlendi ve 1930'daki araştırmalar mayadan elde edilen ergosterol isimli bir steroidin kullanımını sağladı. Ergosterolün ışınlanması ile çok etkin bir maddenin ortaya çıktığı bulundu. 1932’de Windaus (Altbölüm 23.4B) ve çalışma arkadaşları Almanya’da, bu maddelerin en etkininin D 2 vitamini olduğunu buldular. Burada oluşan fotokimyasal tepkime ile ergosterolün dienoit B halkası açıla rak bir konjuge trien oluşturmaktadır.

UV ışını, oda sıcaklığı

*

çh3

23.4F Diğer Steroitler Bazı önemli steroitlerin yapıları, kaynakları ve fizyolojik özellikleri Çizelge 23.4’te ve rilmiştir. 23.4G Steroitlerin Tepkimeleri Steroitler; ikili bağlar, hidroksil grupları, keto grupları içerdiğinden benzeri fonksiyo nel grup bulunduran moleküllerde gözlenen tepkimeler, bu bileşiklerden de beklenir. Steroit tepkimelerinin stereokimyası genellikle karmaşıktır, ancak bunlar, /3-yiizeyinde

23.4 Steroitler

Çizelge 23.4 Diğer Önemli Steroitler

Dijitoksijenin. yüksükotunun hidroli zinden izole edilebilen, 1785 yılından bu yana kalp rahatsızlıklarında ilaç olarak kullanılan bir maddedir. Yiiksükotunda, şeker molekülleri steroidin 3-OH grubunda asetal köprüleri ile bağlanmıştır. Az bir miktar yüksükotu kalp kaslarım kuvvetlendirir, ancak, büyük dozlar kalp için güçlü bir ze hirdir.

Dijitoksijenin H,C \

/

CH,CH2CO,H Kolik asit, insan ya da öküz safrasının hidrolizi ile elde edilen çok bulunan bir asittir. Safra, karaciğerden salgılanır ve safra kesesinde depolanır. İnce ba ğırsağa salgısı ulaştığında, safra, yağ lar üzerine bir sabun gibi etki eder, bu da sindirim işlemine yardımcı olur.

Stigmasterol, soya yağından ticari ola rak elde edilen bir bitkisel steroittir.

Diosjenin. Meksika şarabı, cabeza de negro, genus Dioscorea dan elde edi lir. Kortizon ve seks hormonlarının ti cari olarak sentezinde çıkış maddesi olarak kullanılır.

Diosjenin

1163

1164


bulunan açısal metil gruplarının sterik engelinden de çok kuvvetli bir şekilde etkilenir ler. Birçok kimyasal madde engelsiz olan a yüzünden seçimli olarak tepkimeye girer (özellikle tepkime açısal metil grubuna yakın bir fonksiyonel grupla oluyorsa ve tep kimeye giren molekül sterik engelli ise). Bu eğilimi gösteren tepkimeler aşağıda veril miştir.

5a-Kolestan-3/3,6a-diol (*>78) 5a.6a'-Epoksikolestan-3/3-olün (aşağıdaki tepkimeye bakınız) epoksit halkası açıl dığında klorür iyonunun atağı /3-yıizeyinden olmalıdır, ancak tepkime daha açık olan 6 numaralı konumdan gerçekleşir. Dikkat edilirse üründeki 5 ve 6 numaralı substitüentler diaksiyaldır (Altbölüm 8.7).

c h 3i

h

5a,6a-Epoksikolestan-3/3-ol

P ro b l e m 23.10

>

Kolestrolii aşağıdaki her bir bileşiğe nasıl dönüştürebileceğinizi gösteriniz. (a) 5a,6/3-Dibromokolestan-3/3-ol (d) 6a-Döteryo-5a'-kolestan-3/3-ol (b) Kolestan-3/3.5a,6/3-triol (e) 6/3-Bromokolestan-3/3.5a-diol (c) 5a-Kolestan-3-on

23.5 Prostaglandinler

Ekvatoryal grupların bağıl açıklığı (aksiyal gruplar ile karşılaştırıldığında) steroit tep kimelerinin stereokimyasal şeklini etkiler. 5a-Kolestan-3j8-diol (aşağıdaki tepkimeye ba kınız) etil kloroformatın (C2 H3 O C O C l) fazlası ile tepkimeye sokulduğu zaman, sadece ekvatoryal 3/3-hidroksil esterleşir. Aksiyal 7a-hidroksil grubu tepkimeden etkilenmez.

5a-Kolestan-3/3-7/3-diol, etil kloroformatın fazlası ile etkileştirildiğinde her iki hid roksil grubu da esterleşir. Bu durumda her iki grup da ekvatoryaldır.

5a'-Kolestan-3/3,7/î-diol

2 3 .5

PROSTAGLANDİNLER

Son yıllarda çok etkin olan araştırma alanlarından biri de prostaglandiııleı denilen li pitler üzerinedir. Prostaglandinler, bir beş üyeli halka, en az bir ikili bağ ve birkaç ok sijen bulunduran fonksiyonel gruplar içeren C 20 karboksilik asitlerdir.

1165

1166


Prostaglandinler için olan bu isimler, bu alanda çalışanlar tarafından kısaltılmış gösterimlerdir. Prostaglandinler için sis tematik adlandırmalar nadiren kullanılır.

Biyolojik olarak çok etkin olan prostaglandinlerin ikisi prostaglandin E 2 ve prostaglan din F ,a’dır.

Prostaglandin E2

Prostaglandin F, (PGFla)

1982 Yılında Fizyoloji ya da Tıptaki Nobel ödülü prostaglandinler üzerinde ki çalışmalarından dolayı S. K. Bergström ve B. I. Samuelsson (Karolinska Enstitüsü, Stokholm, İsveç) ve J. R. Vane (Wellcome Vakfı, Beckenhan, İngiltere)’e verildi.

E tipi prostaglandinler C9'da karbonil grubuna ve C1 l'de hidroksil grubuna sahip tirler. F tipi olanların her iki konumunda da hidroksil grupları vardır. 2 serilerinin prostaglandinleri C5 ve C6 arasında bir ikili bağa sahipken 1 serilerinde bu bağ birli bağdır. İlk kez meniden elde edilen prostaglandinler, o günden bugüne hemen hemen tüm hayvan dokularında bulunmuştur. Miktarları dokudan dokuya değişir, fakat hemen he men her zaman çok azdır. Çoğu prostaglandinler güçlü fizyolojik etkinliğe sahiptir, an cak bu etkinlik geniş spektrumludur. Prostaglandinlerin kalp atışını, kan basıncını, kan pıhtılaşmasını, gebeliği, döllenmeyi ve allerjik tepkileri etkilediği bilinmektedir. Prostaglandinlerin kanın pıhtılaşmasını engelleyebildiğine dair önemli klinik bulgu lar vardır. Kalp krizi ve felç vakalarının sıkça kan damarlarında anormal bir pıhtılaşma olmasından kaynaklandığı bilinmektedir. Prostaglandinlerin pıhtılaşma oluşumunu na sıl etkilediğinin anlaşılması, kalp krizi ve felci önleyen ilaçların geliştirilmesine yol aça bilecektir. Prostaglandinlerin 2 serilerinin biyosentezleri, C 20 polienoik ve araşidonik asit ile başlar (prostaglandinlerin 1 serilerinin sentezi ise daha az ikili bağa sahip yağ asitleri ile başlar). İlk basamak iki molekül oksijen gerektirir ve siklooksijenaz isimli enzim ta rafından katalizlenir.

pgg2 (halkalı endoperoksit)

Ateşli ve alerjik hastalıklarda prostaglandinlerin kullanımının özel bir yeri vardır. Bazı prostaglandinler ateşlenme başlatırken, bazıları azaltır. Çok yaygın kullanılan ateş düşürücü bir ilaç aspirindir (Altbölüm 21.8). Aspirin, prostaglandinlerin araşidonik asit

23.6 Fosfolipitler ve Hücre Zarları

ten sentezini durdurur. Bu işi, siklooksijenaz enzimini asetilleyerek yapar ve böylece enzimi etkisiz kılar (önceki tepkimeye bakınız). Bu tepkime aspirinin ateş-düşürücü özel liğini açıklar. Diğer bir prostaglandin (PGE,) etkili bir ateş artırıcı maddedir (pirojen). Aspirinin ateş düşürme kabiliyeti prostaglandin in sentezine engel olmasından kaynak lanmaktadır.

2 3 .6

Fo

s f o l İp î t l e r

ve h ü c r e

zarlari

Yağların diğer bir sınıfı usfolipit! dir. Birçok fosfolipit yapısal olarak fosfatidik asit olarak bilinen bir gliserin türevinden türemiştir. Fosfatidik asitte gliserinin iki hidrok sil grubu ester bağı ile yağ asitlerine ve bir uç hidroksil grubu da bir ester bağı ile fo s forik aside bağlanmıştır. O II

c h 2o c r

Yağ asidinden

o CHOCR O

1

CH — O— P— OH I OH Bir fosfatidik asit (bir diaçilgliseril fosfat)

Fosforik asitten

23.6A Fosfatitler Fosfa fitlerde, fosfatidik asitin fosfat grubu başka bir fosfat ester bağı ile aşağıdaki azot içeren bileşiklerden birine bağlıdır. NH, HOCH2CH2N(CH3) 3 HOKolin

HOCH,CH,NH, 2-Aminoetanol (etanolamin)

HOCH— C ...(XV t H L-Serin

En önemli fosfatlitler; lesitinler, sefalinler, fosfatidilserinier ve plazmalojenler(bir fosfatidil türevi)dir. Genel yapıları Çizelge 23.5‘te verilmiştir. Fosfatitler, hem polar hem de apolar gruplara sahip moleküller olması ile sabun ve deterjanlara benzerler (Şekil 23.1a, sayfa 1169). Sabunlar ve deterjanlar gibi, fosfatit ler de sulu ortamda miseller oluşturarak çözünürler. Biyolojik sistemlerde tercih edilen miseller “istiflenmiş” bimoleküler misellerin üç boyutlu dizilerinden ibarettir (Şekil 23.7b). Bunlar daha iyi, lipit çift tabakalar olarak tanımlanırlar. Fosfatitlerin lıidrofilik ve hidrofobik kısımları, onların önemli biyolojik fonksiyon larını yerine getirmede yardımcı olurlar. Bunlar yapısal birimlerinin uygun kısımları ile organik ve sulu ortam arasında bir ara yüzey meydana getirirler. Bu yapı (Şekil 23.8)

1167

1168


Ç izelge 23.5

Fosfatitler

Lesitinler O

Sefalinler

CH,OCR

CHjOCR

O

O

o

CHOCR'

CHOCR' O II

+

c h ,opck : h , c h ,n (c h ,),

* I

o~

(kolinden) R doymuş ve R' doymamıştır. Fosfatidilserinler O II CH2OCR

CH2OPOCH2CH2NH,

O(2-aminoetanolden)

Plazmalojenler CH.OR

^

O CHOCR'

r

= —CH=CH(CH2)flCH3

(Bu bağlantı a, /3-doymamış eterinkidir.)

CHOCR'

O OLOPOOLGHNH, ■ I O-

O »

COj-

(L-serinden) R doymuş ve R' doymamıştır.

O II

CH,OPOCH2CH,NH,

O(2-uminoetaııoIden) veya OCH2CH2N(CH,), (kolinden) R' doymamış bir yağ asitidir.

hücre duvarı ve zarlarında bulunur. Fosfatitler genellikle proteinler ve glikolipitlerle bir likte bulunurlar (Altbölüm 23.6B).

P ro bl em 23.11

>■ Uygun koşullar altında bir fosfatidin tüm ester (ve eter) bağlantıları hidroliz edile bilir. (a) Lesitinin (b) sefalinin (c) koline dayalı plazmolojenin tamamen hidrolizin den hangi organik bileşikleri elde etmeyi umarsınız? [Not: (c) şıkkındaki a,./i-doymamış eterin özelliklerine dikkat ediniz).

23.6B Sifmgosin Türevleri Yağların önemli bir grubu da sifingosinlerden türetilmiştir. Bunlara sifingolipitler de nir. Bir sifingolipit olan sipingomiyelin ve serebrosit Şekil 23.9, sayfa 1170?te gösteril miştir.

23.6 Fosfolipitler ve Hücre Zarları

Şekil 23.7 (a) Bir fosfatitin polar ve apolar kısımla rı. (b) Bir fosfatit miseli veya lipit çift tabakası.

Polar grup

Apolargrup

1169

ch 3c h 2ch 2ch 2ch 2ch 2ch 2ch 2ch 2ch 2ch 2ch 2ch 2ch 2ch 2ch 2ch 2— coch 2

o II CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH=CHCH,CH2CH,CH,CH,CH,CH, — COÇH

o CH20P0CH2CH2N(CH3)3 0

-

(a)

Glikolipit

Oligosakkarit

Tam protein

Hirlrofobik a sarmal

Fosfolipit

Şekil 23.8 Plazma zarının şematik gösterilişi. Tam proteinler (k ırın ızı-p o rta k a lre n g i) gerçek biyolojik zarlarda bulunan dan daha büyük olarak gösterilmiştir. Kolesterol (sarı), fosfolipitlerden (ik i ku yru klu m avi kiire) oluşmuş üst tabaka içine gömülmüştür. Glikoproteinlerin karbohidrat bileşenleri (sa n boncuklu zin cirler) ve glikolipitler (yeşil boncuklu zin cirle r) sadece zarın dış yüzeyinde oluşurlar. [Voet, I)., Voet, J. G. Pratt. C . W., Fu ndam entals o f Biochem istry , Wiley: New York, 1999; s. 248'den alınmıştır].

1170


Şekil 23.9 Bir sifingosin ve iki sifîngolipit.

CH 3(CH 2 )12

CH,(CH2),2X x H c

xh

c

H

/ c\

H

CHOH I CHNH, I CH,OH

/ c\

CHOH O II CHNHC(CH,)„CH 3 o II CH 2OPOCH 2CH 2N(CH3 )3 O" Sifingomiyelin (bir sifîngolipit)

Sifingosin

CH,(CH2)12x y w c

II ÇH,OH Bir karbohidrattan, D-galaktozdan

/ C\

CHOH O II CHNHC(CH 2 )22CH,

—o

HO

H OH

H

H

OH

O— CH,

H

Serebrosit

Sifingomiyelinlerin hidrolizi ile sifingosin, kolin, fosforik asit ve lignoserik asit de nilen bir C24 yağ asiti oluşur. Sifingomiyelinlerde bu en son bileşik, sifingosinin —NH 2 grubuna bağlıdır. Sifingolipitler hidroliz edildiklerinde gliserin vermezler. Şekil 23.9’da gösterilen serebrosit bir glikolipit örneğidir. Glikolipitler bir karbohidratın katkısı ile bir polar gruba sahiptirler ve hidroliz edildiklerinde kolin ya da fos forik asit vermezler. Sifingolipitler, proteinler ve polisakkaritler ile beraber miyelini yani aksonlar ya da sinir tellerini çevreleyen koruyucu kaplamayı yaparlar. Sinir hücrelerinin aksonları elekt riksel sinir dürtülerini taşırlar. Miyelin. sıradan bir elektrik telindeki yalıtıma benzer şekilde aksonla ilişkili bir fonksiyona sahiptir. (Bölüm girişindeki “Sinirlerin Yalıtımı” başlıklı yazıya bakınız.)

2 3 .7

M

um lar

Birçok mum, uzun zincirli alkollerin ve yağ asitlerinin esterleridir. Mumlar, hayvanla rın tüylerinde, postlarında, derilerinde ve bitkilerin yaprak ve meyvelerinde koruyucu

Anahtar Terimler ve Kavramlar tabakalar olarak bulunurlar. Mumlardan elde edilen birkaç ester aşağıda verilmiştir.

0

I

CH3(CH2) 14COCH2(CH2 ) 14CH3 Setil palmitat (balina yağından)

0

O

I

CH3(CH2 )„COCH2(CH2)mCH3 n = 24 veya 26; m = 28 veya 30

(balmumundan)

I

HOCH2(CH2)„C— OCH2(CH2 )mCH3 ıı = 16-28; m = 30 veya 32 (karnauba mumundan)

Lipitlerin Tepkimelerinin Özeti ' Lipitlerin tepkimeleri önceki bölümlerde gördüğümüz, özellikle karboksilik asit lerin, alkenlerin ve alkollerin tepkimelerine çoğunlukla benzer. Ester hidrolizi (yani sa bunlaşma) triaçilgliserollerden yağ asitlerini ve gliserini serbers hale geçirir. Yağ asidinin karboksilik asit grubu indirgenebilir, açil klorür gibi etkin açil türevlerine, ester ve amit lere dönüştürülebilir. Doymamış yağ asitlerindeki alken fonksiyonel grupları hidrojenlenebilir, hidratlanabilir, halojenlenebilir, hidrohalojenlenebilir, diol ya da epoksitlere dönüştürülebilir, ya da yükseltgenme tepkimeleriyle parçalanabilir. Hell-Volhard-Zelinksi tepkimesi karboksilik asidin cc-karbonuna halojen bağlamak içiıı kullanılabilir, bu radan oluşan ürün, tipik alkil halojenürlerin verdiği tepkimeleri verir. Terpenler, steroitler ve prostaglandinlerdeki alkol fonksiyonel grupları, alkillendirilebilir, açillendirilebilir. yükseltgenebilir, ya da ayrılma tepkimelerinde kullanılabilirler. Bu tepkimelerin hepsi ni daha önceden küçük moleküller ile incelemiştik.

Anahtar Te rim le r ve Kavramlar Hidrofobik molekül/grup Hidrofilik molekül/grup Triaçilgliseroller Katı yağlar Sıvı yağlar Doymuş yağ asitleri/ester Doymamış yağ asitleri/ester Çoklu doymamış yağ asitleri/ester Sabunlaşm a Terpenler, Terpenoitler Steroitler Prostaglandinler Fosfolipitler Fosfolipit çift tabakası Miseller

Altbölüm 23.2 Altbölüm 23.2 Altbölüm 23.2 Altbölüm 23.2 Altbölüm 23.2 Altbölüm 23.2 Altbölüm 23.2 Altbölüm 23.2 Altbölüm 23.2C Altbölüm 23.3 Altbölüm 23.4 Altbölüm 23.5 Altbölüm 23.6 Altbölüm 23.6 Altbölüm 23.2

1171

1172


Ek P roblemler

23.12

Stearik asiti. CH 3 (CH 2 ) 16C 0 2 H, aşağıdaki bileşiklerin her birine nasıl dönüştürürsünüz? (a) Etil stearat CH 3(CH 2) 16C 0 2C2H 5 (iki yolla) (b) fer-Biitil stearat, CH3(CH 2) l6C 0 2C(CH 3) 3 (c) Steaıamit. CH,(CH 2)I6CONH 2 (d) /V./V-Dimetilstearamit. CH 3(CH 2 )l6C0N(CH 3) 2 (e) Oktadesilamin, CH3 (CH2 ) 16CH2NH 2 (f) Heptadesilamin,CH 3(CH 2) 15CH2NH 2 (g) Oktadekanal. CH 3(CH2)|6CHO O II (h) Oktadesil stearat, CH3(CHr)16COCH2(CH2)l6CH3 (i) 1-Oktadekanol, CH 3(CH,)ı6CH,OH (iki yolla) O II (j) 2-Nonadekanon, CH3(CH2)IfiCCH3 (k) 1-Bromooktadekan, CH3 (CH 2 ) 16CH2Br (l) Nonadekanoik asit. CH 3(CH 2) 16CH 2C 0 2H

23.13

Miristik asiti aşağıdaki bileşiklerin her birine nasıl dönüştürürsünüz? (a)

CH3(CH2)nCHC02H

Bı (b) CH3(CH2), ,CHC02H OH

(c) CH3(CH2)nCHC02H CN (d) CH3(CH2 )uCHC0 2 NH,

23.14

Palmitoleik asiti bir örnek olarak kullanarak ve stereokimyasını ihmal ederek, ikili bağın aşağıdaki her bir tepkimesini gösteriniz. (a) Brom katılması (c) Hidıoksilleme (b) Hidrojen katılması (d) HC1 katılması

23.15

Oleik asit 180 - 200"C’a ısıtıldığında (az miktarda selenyum varlığında), oleik asit (%33) ve elaidik asit olarak adlandırılan izomerik bileşiği (%67) arasında bir denge oluşur. Elaidik asit için uygun bir yapı yazınız.

23.16

Gadoleik asit (C2 oH3 8 0 2), balık yağından elde edilen bir yağ asididir ve önce hidroksiİlenip sonra periyodik asit ile etkileştiıildiğinde CH 3(CH2)()CHO ve 0 HC(CH 2) 7 C 0 2 H’yeparçalanır.(a) Gadoleik asit için mümkün olan iki stereoizomerik yapı nedir? (b) Gadoleik asilin gerçek yapısını aydınlatmada hangi spektroskopik teknik yardımcı olur? (c) Hangi pikleri ararsınırz?

23.17

Limonen (Altbölüm 23.3) kuvvetlice ısıtıldığında 2 mol izopren oluşur. Bu rada nasıl bir tepkime olmuştur?

23.18

a-Fellandren ve /3-feilandren izomerik bileşiklerdir ve nane yağında bulunurlar: molekül formülleri C,oH 16 'dır. Her bir bileşik 230 - 270 nm arasında bir soğurma maksimumuna sahiptir. Katalitik hidrojenlemeyle her bir bileşikten 1-izopropil-4-sikloheksan oluşur. a-Fellandren. potasyum permanganat ile şiddetli yükseltgenmeye uğradığında

Ek Problemler

O CH 3C CO JÎ ve CH,CHCH(CO,H)CH-,C02H

verir. /3-FeIlandren ise benzer

CH 3 O II şekilde yükseltgendiğinde sadece CH3ÇHCH(C0 2H)CH 2CH2 CC0 2H ’yi verir. CH 3 a ve /3-Fellandrenin yapılarını öneriniz. 23.19

Oleik asitin bir yapısal izomeri olan vakkenik asit aşağıdaki tepkime dizisi takip edilerek sentezlenmiştir. sıvı

1-Oktin + NaNH2^ > B (CI7 H,|C1)

NaCN

ICH,(CH07CH,C1

A (C8H 13Na)-----=----=----►C (C]8H 3 iN)

KOH. H;0

_

Hj. Pd

E (C 1SH32O2 )

H.,0 '

►D (Cj^Hj 10 2K) BaSO

■ ^

►vakkenik asit (C|SH340 2)

Vakkenik asit ve A-E ana ürünleri için bir yapı öneriniz. 23.20

oı-Florooleik asit Afrika'da yetişen çalı türü Dechapetalum toxicorium'dan elde edilir. Bu bileşik, sıcakkanlı hayvanlar için çok zehirlidir; kabile savaşlarında düşmanın su kaynaklarının zehirlenmesinde, ok zehiri olarak ve büyücüler tarafından “yerli halkı tedirgin etmek maksadıyla" kullanılmıştır. Bitkinin meyve tozu fare zehiri olarak da kullanılmıştır. Bundan dolayı floroleik asit “sıçan otu'’ olarak bilinir co-Florooleik asitin sentezi ana hatları ile aşağıda verilmiştir. F - I bileşiklerinin yapısını bulunuz. 1-Bromo-8 -florooktan + sodyumasetilenür--- ►F (C,0 H|7F) G (C 17H30FC1)

H (C18H3öNF) ~

(1) NaNH, (¿)

77*

I(Lrİ2)7v_l

I (C18H310 2F) NiJ*;p-2) ► o F— (CH2)8x /

(CH2)7COH

c=c

\ H H 10 -Florooleik asit (%46 verim) 23.21

A ve B bileşiklerinin isim ve formüllerini yazınız. o C 6H ,C O O H

5a-Kolest-2-en

_

* A (bir epoksit)

HBr „

*

{İpucu: B en kararlı izomer değildir.) 23.22

Kolesterolün ilk laboıatuvar sentezlerinden biri, 1951 yılında Harvard Üniversitesinde R. B. Woodward ve öğrencileri tarafından başarılmıştır. Bu sentezin bir çok basamağı sayfa 1174 ve 1175'te ana hatları ile verilmiştir. Tepkimelerde gerekli olan reaktifleri (a) - (w) yazınız.

1173

1174


O

O

Ek Problemler

U) ^

kolestrol

23.23

1968’de E. J. Corey ve çalışma arkadaşları (Altbölüm 4 .18C) bazı prostaglandinlerin laboratuvar sentezlerinin ilk basamaklarını açıklamışlardır. Bu tep kimelerdeki reaktifleri yazınız.

(e) Diğer bir prostaglandinin sentezinin ilk basamakları aşağıda verilmiştir. Burada hangi tür tepkime ve ne tür katalizör gereklidir?

O

1175

1176


23.24

Seskiterpen ketonlarından sigeronların sentezinde. Robinson halkalaşma işleminin (Altbölüm 17.9B) bir değişiği kullanılmıştır.

Bir siperon

Bu sentezin her bir basamağının oluşumunu gösteren bir mekanizma yazınız. *23.25

Pahu ya da sandık balığı (Ostracian lentiginosus) denilen Hawai balığı. etrafındaki diğer balıkları öldüren bir zehir salgılar. Salgıdaki etkin madde P. J. Scheuer tarafından pahutoksin olarak adlandırılmış; D. B. Boylan ve Scheuer tarafından farklı lipit parçacıklarından oluştuğu bulunmuştur. Bu yapıyı kanıtlamak için aşağıdaki yol izlenerek bu madde sentezlenmiştir.

CH3(CH2),2CH2OH

Piridinyum klorokronıaı

BrCH.CCLEt. Zıı

„

-►A----- -— -------► B Ac,0

SOCk

UHO _____ ► 2) H,0+

— —I D -----—►E Pındın

Kolin klorür Piridin

Bileşik

Seçilmiş İnfrared Soğurma B antları (c m 1)

A B C D E Pahutoksin

1725 3300 (geniş). 1735 3300-2500 (geniş), 1710 3000-2500 (geniş), 1735, 1710 1800, 1735 1735

> Pahutoksin

Pahutoksin ve A -E'nin yapıları nasıldır? *23.26

Aşağıdaki eşitlik ile gösterilen tepkime asit, baz ve bazı enzimler tarafından katalizlenebilen genel bir tepkimedir. Bu yüzden gliserin ve şeker gibi birden çok hidroksil grubu taşıyan maddelerin esterlerini sentezlerken bunların dikkate alınması gereklidir.

OH eser HC104. kloroformda.

10 dakika, oda sıcaklığı * %90 verim

F için spektrum verileri: MS(m/z): (trimetilsilillemeden sonra): 546, 531 İR (cm CC14 çözeltisi): 3200 (geniş), 1710

F


1177

'H NMR (
1

.

2.

3.

Olestra, yağ yerine kullanılan bir maddedir ve Proctor ve Gamble isimli şirket ta rafından patenti alınmıştır. Bu madde, triaçilgliseıollerin tadını ve yapısal özellik lerini gösterir (Altböliim 23.2’deki “Olestra ve Katı Yağlar Yerine Kullanılan Diğer Maddelerin Kimyası” başlığı altındaki konuya bakınız). Bu maddenin kalori de ğeri yoktur. Çünkü ne sindirim enzimleri tarafından hidroliz edilir ne de bağırsak lar tarafından emilir, ancak vücuttan herhangi bir değişime uğramaksızm atılır. FDA. olestranın patates kızartması ve bir kaç çeşit yiyecekte kullanılmasına onay verdi. Olestra hem kızartma işlemlerinde hem de hamurda kullanılabilir. (a) Olestra, sakkarozun yağ asiti esterlerinin bir karışımından oluşmuştur (tı iaçilgliseroller bunun aksine, yağ asitlerinin gliserol esterleridir). Olestradaki her bir sakkaroz molekülü 6 - 8 yağ asiti ile esterleşmiştir (olestranın istenmeyen yanı, vü cut tarafından ihtiyaç duyulan ve yağda çözünen vitaminleri, yüksek lipofilik karekteri sebebiyle ortamdan uzaklaştırmasıdır). Sakkarozda var olan, her hangi bir konumda, esterleşebilen altı farklı yağ asitinin bulunduğu olestra molekülünü çi ziniz. Bu çizimde üç doymuş, üç de doymamış yağ asidi kullanınız. (b) Çizdiğiniz olestra molekülünün esterlerini sabunlaştırmak için kullanılabile cek tepkime şartlarını yazınız, ve sabunlaşma sonucu serbest hale geçen her bir yağ asidinin genel ve IUPAC isimlerini yazınız. (c) Olestra. aıdarda transesterleşme tepkimeleri ile oluşur. İlk transesterleşme. metanolün bazik şartlar altında soya ya da pamuk yağından (zincir uzunluğu C 8 ile C ^) elde edilen doğal triaçilgliserolleri ile tepkimesini kapsar. İkinci transester leşme ise bu yağ asidi metil esterlerinin olestrayı oluşturmak için sakkaroz ile tep kimesini içerir. Olestranın sentezinde kullanılan bu transesterleşme işlemlerinin her biri için, mekanizmaları dahil, bir örnek tepkime yazınız. Olestradakiııe benzer yağ asitlerine sahip herhangi bir triaçilgliserolden çıkınız. Yağ asitlerinin biyosentezi, yağ asidi sentetazı denilen bir enzim kompleksi tara fından. her defasında bir -C H 2 CH2- parçası oluşacak şekilde, gelişir. Yağ asitle ri sentezi ile ilgili biyokimyasal tepkimeler Özel Konu D ’de verilmiştir. Bu biyokimyasal tepkimelerin her biri, gördüğümüz sentetik tepkimelere benzer. Yağ asiti biyosentezindeki (asetil-S-ACP, ve malonil-S-ACP ile başlayan ve btitinil-S-ACP ile sonuçlanan Özel Konu D ’deki sentez) biyokimyasal tepkimeleri göz önünde bulundurunuz. Daha önce gördüğünüz tepkimeleri, tepkime şartlanın ve reaktifleri kullanarak laboıatuvar sentezlerini yazınız (kondensasyon-dekarboksilasyon, keton indirgemesi, dehidıasyon ve alken indirgeme basamakları). Doğal bir terpenin kütle spektrumunda mtz 204. 211, ve 93 (diğerlerinin arasında) te pikler gözlenir. Bu ve aşağıdaki bilgilere dayanarak, bu terpenin yapısını aydın latınız. Sonuçları yorumlayınız.

Ö

G rubu Problemler!

ğrenme

(a) Bilinmeyen terpenin platin içerisinde ve basınç altında hidrojen ile tepkimesi, molekül formülü C I5 H 30 olan bir bileşik verir. (b) Terpenin önce ozon ardından, çinko ve asetik ile tepkimesi aşağıdaki bileşik karışımım verir. (Bilinmeyen terpenin her bir molii için her birinden bir mol).

O

O

(c) Bilinmeyen terpenin yapısını yazdıktan sonra, bu bileşikteki her bir izopren birimini halka içine alınız. Bu bileşik hangi terpen sınıfına aittir (içerdiği karbon sayısına göre)? Bir doymuş bir de doymamış yağ asidi içeren bir fosfolipitin (fosfolipitlerin alt sınıflarından herhangi birinin) yapısını çiziniz. (a) Hidroliz (asidik ya da bazik ortamda) edildiğinde bu fosfolipitten oluşacak olan bütün ürünlerin yapılarını çiziniz. (b) Aşağıdaki her bir şart altında bu fosfolipitin doymamış yağ asit kalıntısının (fosfolipitin hidrolizinden oluşan) tepkimesinden oluşacak ürünlerin yapılarını yazınız. (i) CC 1 4 içerisinde Br2 (ii) 0 s 0 4, sonra NaHS0 3 (iii) HBr (iv) Sıcak KM n04, sonra H 3 0* (v) SO C l2, sonra CH 3 NH2'nin fazlası

K a ta litik A n tik o r la r : T a s a rım c ı K a ta liz ö rle r Kimyacılar; tasarımcı katalizörler olarak adlandırılabilecek uygun maddeler yaratmak için bağışıklık sisteminin doğal uygulanabirliğini kaynak olarak kullanıyorlar. Bu kata lizörler antikorlardıi. Antikorlar, protein türündendir; yabancı maddeleri yakalamak ve uzaklaştırmak için bağışıklık sistemi tarafından üretilirler ve bu nedenle aynı zamanda kimyasal tepkimeleri katalizleyebilecek şekilde de bilgilendirilirler. (Yukarıdaki resim antikorların (sarı renkte) kan damarlarından akışını temsil etmek için çizilmiştir.) İlk katalitik antikorların Richard A. Lerner (Scripps Araştırma Enstitüsü) ve Peter G. Schultz (Kaliforniya, Üniversitesi. Berkeley) tarafından üretilmesi, enzim kimyasına yö nelik kurallar ile bağışıklık sistemi doğal kapasitesinin zekice birleşiminin bir gösterge sidir. Başka açıdan antikorlar, şimdiye kadar çok kez değindiğimiz ve ileride bu bölümde görülecek protein katalizörleri olan enzimlere benzerler. Enzimlerden farklı olarak ka talitik antikorlar; özel tepkimeler için kimya ve bağışıklık sisteminin kaynaştırılması ile “kumanda edebilir” hale getirilebilirler. Bununla ilgili örnekler; Claisen çevrilmeleri, Die ls- Alder tepkimeleri (yukarıdaki resme ek olarak konulmuş moleküler grafikte göste-

1179

rildiği gibi); ester hidrolizleri ve aldol tepkimelerinde kullanılan katalitik antikorları içe rir. Bu bölümde ileride. “Bazı Katalitik Antikorların KimyasC'nda katalitik antikorların nasıl üretildiği incelenecektir. Tasarımcı katalizörler artık gerçekten yakındır.

24.1 24.2 24.3

Giriş Amino Asitler a-Amino Asitlerin Laboratuvar Sentezleri 24.4 Polipeptitlerin ve Proteinlerin Analizi 24.5 Polipeptitlerin ve Proteinlerin Amino Asit Sırası 24.6 Polipeptitlerin ve Proteinlerin Birincil Yapıları 24.7 Polipeptit ve Protein Sentezleri 24.8 Proteinlerin ikincil, üçüncül ve dördüncül yapıları 24.9 Enzimlere Giriş 24.10 Lisozim: Bir Enzimin Etkime Şekli 24.11 Serin Proteazlar 24.12 Hemoglobin: Bir Konjuge Protein

24.1 GiRiş Biyolojik polimerlerin üç gurubu polisakkaritler, proteinler ve nıikleik asitlerdir. Polisakkasitler Bölüm 22'de anlatılmıştır. Başlıca görevlerinin enerji stokları olarak, hücre yüzeylerinde biyokimyasal etiketler olarak ve bitkilerde yapı malzemeleri olarak dav ranma şeklinde olduğunu gördük. Bölüm 25'te nıikleik asitler incelenecek ve onların iki büyük amaca hizmet ettiği görülecektir: depolama ve bilgi aktarımı. Biyopolimerlerin üç gurubundan en çok proteinlerin çeşitli fonksiyonları vardır. Enzim ve hormonlar ola rak proteinler, vücutta oluşan tepkimeleri katalizlerler ve düzenlerler; kas ve tendonlar olarak vücudun hareket etmesini sağlarlar; deri ve saç olarak bir dış örtü vazifesi görür ler: hemoglobin molekülü olarak en uzak köşelere bütün önemli oksijeni götürürler, an tikorlar olarak hastalıklara karşı korurlar ve kemikte diğer maddeler ile birleşim halinde onu şekilsel olarak desteklerler. Bütün bu fonksiyonların çeşitliliği karşısında, proteinlerin tüm değişik şekil ve bü yüklüklerde ortaya çıkmasına şaşmamak gerekir. İncelediğimiz moleküllerin çoğu stan dart hale getirildiğinde, küçük proteinlerin dahi yüksek molekül kütlesine sahip olduğu görülür. Lizozim adlı enzim nispeten küçük bir proteindir, ancak molekül kütlesi 14.600'dür. Bir çok proteinin molekül kütlesi çok daha fazladır. Şekilleri; lizozim ve hemoglobinde görülen küresel protein yapısından a-keratinin (saç. tırnak ve yün) hal kalı spiral yapısına ve ipek liflerinin plili tabaka yapısına kadar uzanır. Bütün bu büyüklük, şekil ve işlev çeşitliliğine rağmen proteinlerin ortak özellikleri vardır ve bu sayede onların yapılarını ve özelliklerini anlamamız kolaylaşır. Bu bölüm de daha sonra bunun nasıl uygulandığım göreceğiz. Proteinler poliamitlerdir. Monomer birimleri yaklaşık 20 farklı a-amino asiti içer mektedir:

R /

:

CH \

C — OH

II .Q. Bir a-amino asit

"

R I1 CH . . / \ ,r —N C --N 1 II 1 H

.0,

H

Amit bağları R"

R"" R'" I I CH CH CH
R' I1 CH \

Bir protein molekülünün bir kısmı

Hücreler değişik a-amino asitlerini kullanarak proteinleri sentezlerler. Değişik aaminoasitlerin bir protein zinciri boyunca olan tam sırasına proteinin birincil \ apışı de nir. Bu birincil yapı, adından da anlaşılacağı gibi, temel önemliliktedir. Proteinin kendisine has işlevini gerçekleştirebilmesi için, birincil yapısı tam olarak doğru olma lıdır. Daha sonra da görülebileceği gibi: birincil yapı doğru olduğunda poliamit zincir topluluğu uygun bir şekilde katlanarak (kıvrılarak) onu, yapacağı özel görevin gerektir diği şekle sokar. Poliamit zincirinin bu katlanması proteinin ikincil ve iıçüncül yapı ları olarak adlandırılan yüksek seviyede bir karmaşıklığa neden olur. Dördüncül yapı ise, protein birden fazla poliamit zincirinden oluşan bir küme içerdiğinde ortaya çıkar.

1180

24.2 Amino Asitler

Proteinin asit veya bazlarla hidrolizi sonucu değişik amino asitlerin bir karışımı olu şur. Doğal proteinin hidrolizi 22 değişik amino asit vermesine rağmen amino asitler ge nelde önemli yapısal özelliklere sahiptirler: Glisin hariç (molekülleri akiraldir) bütün doğal amino asitlerin a-karbonu L konfigürasyonundadır.* Yani bağıl konfigürasyonları L-gliseraldehitinkinin aynısıdır. CHO

ç o 2h

HO^Ç—H

PUN1 ■ Ç ^H

CH,OH R L-ö-Amino asit [genellikle L-Gliseraldehit [(S)-gliseraldehit] bir (5)-a-amino asit] CO,H CHO -H

H,N-

HO-

CHUCO.H I nh2

Glisin

-H

CH,OH R L-a-Aminoasit ve L-gliseraldehit için Ficher izdüşümleri

2 4 .2

A M İN O A SİTLER

24.2A Yapıları ve Adlandırılmaları Proteinlerden elde edilebilen 22 a-amino asit, yan zincirlerinin yapılarına göre üç farklı guruba ayrılır. Bunlar sayfa 1182'de Çizelge 24.1'te verilmiştir. Çizelge 2 4.l'deki 22 a-amino asidin yalnızca 20 adedi gerçekte, protein sentezi sı rasında hücreler tarafından kullanılır. Diğer iki amino asit, poliamit zinciri eksiksiz ta mamlandıktan sonra sentezlenir. Hidroksipirolin (başlıca kolajende bulunur) prolinden: ve birçok proteinde var olan sistin ise sistemden sentezlenir. Sisteinin sistine dönüşmesi ek bir yorum gerektirir. Sisteinin — SH gurubu sisteini bir tiyol yapar. Tiyollerin özelliği, ılımlı yiikseltgen maddeler tarafından disıilfürlerine dönüştürülebilmeleridir. Bu dönüşüm ılımlı indirgen maddelerle tersine de döndürülebilir. [Ol 2 R— S— H R— S— S— R [H ]

Tiyol

Disülfür Disülfür bağı

2 HO,CCHCH,SH 2

|

-

[O] [H ]

nh2

Sistein

HO,CCHCH,S — SCH,CHCO,H I ■ ‘I nh2

nh2

Sistin

İleride bir protein zincirindeki sistein birimleri arasındaki disülfür bağının; proteinin genel yapısına ve şekline nasıl katkıda bulunacağını göreceğiz. 24.2B Tem el Am ino Asitler Amino asitler bütün canlı organizmalar, bitkiler ve hayvanlar tarafından sentezlenebilirler. Fakat, birçok yüksek hayvan, proteinlerinin ihtiyaç duyduğu amino asitleri sen* Bazı D-amino asitler, bakterilerin hücre duvarlarını içeren malzemelerden ve bazı antibiyotiklerin hidroli ziyle elde edilmişlerdir.

1181

1182

Bölüm 24 / Amino Asiller ve Proteinler

Ç izelge 24.1 Proteinlerde Bulunan L-Amino Asitler C()2H

H

-H

H,N

R *^C — CO,H NH,

R

P*fll

R’nin yapısı

P * 'fl3

R grubu

İsima

Kısaltmalar

Glisin Alanin Valine Lösine İzolösine

G veya Giy A veya Ala V veya Val L veya Leu I veya ile

2,3 2,3 2,3 2,4 2.4

9,6 9,7 9,6 9,6 9.7

6 ,0

Fenilalanine

F veya Phe

1 ,8

9,1

5,5

Asparagin Glutamin

N veya Asn Q veya Gln

2 ,0

8 ,8

2 ,2

9,1

5,4 5,7

Triptofanc

W veya Trp

2,4

9,4

5,9

Prolin

P veya Pro

2 ,0

1 0 ,6

6.3

Serin Treonine

S veya Ser T veya Thr

2 ,2 2 ,6

9,2 10,4

5,7 6.5

Tirozin

Y veya Tyr

2 ,2

9,1

1,9

9,7

1,7

1 0 .8

1 ,6

7,9 9.9 9.2

a-CO,H

a-NH3+

P/

Nötr Amino Asitler —H — CH , — CHICH,), — CH ,CH (CH ,), — CH CH ,CH ,

6 ,0 6 ,0 6 ,0 6 ,1

ch3 -

C H 2 ^

y

>

— CH ,CONH, — CH 2CH2CÖNH 2 — CH ,

H O HOC— CH“ CH 2 HNX / CH 2 CH, (tam yapı) — CH,OH — CHÖH | ch3

— C H , ^ ( ^ ^ OH O II HOC — CH------CH, T | HN^ / CH\ CH, OH (tam yapı) — CH,SH — CH,— S ■ 1 — CH,— S — c h 2c h 2 s c h 3

Hidroksiprolin Hyp

Sistein

C veya Cys

Sistin

Cys-Cys

Metiyoninc

M veya Met

2.3 2.3

1 0 ,1

5,7

6,3

8.3

5.0 5.1 5.8

24.2 Amino Asitler

1183

Ç izelge 2 4 .1 (devam ediyor) CO,H H,N

H

veya

R ^ C — CO,H NH,

R

pKa, R’nin yapısı

İsim0

Kısaltmalar

û,-C02H

pKa2 o-NHv

pKal R grubu

pl

Bir Asidik (Karboksil) Grup İçeren R Aspartik asit Glutamik asit

D veya Asp E veya Glu

2 ,1 2 ,2

9,8 9,7

3,9 4.3

3,0 3,2

— c h , c h 2 c h , c h 2n h 2

Lizine

K veya Lys

2 ,2

9,0

1 0,5*

9.8

NH II 11 — CH,CH,CH:N H —C—NH,

Arginin

R veya Arg

2 ,2

9,0

12,5*

1 0 .8

Histidin

H veya His

1,8

9,2

6,0h

— CH,CO,H — c h ‘c h , c o 2h Bir Bazik Grup İçeren R

n— -C H A

f

- J H

a e=temel amino asit. h pK a R grubunun protonlanmış aminine aittir.

tezlemekte yetersiz kalır. Bu yüzden, bu yüksek hayvanlar diyetlerinin bir parçası ola rak belirli amino asitlere gereksinim duyarlar. Yetişkin insan için sekiz temel amino asit gereklidir, bunlar e üssü ile Çizelge 24.1 ’de belirtilmiştir. 24.2C Dipolar İyonlar Olarak Amino Asitler Amino asitler hem bir bazik grup (— NH2) hem de bir asidik grup (— C 0 2H) içerirler. Kuru katı haldeki amino asitler dipolar iyonlar olarak bulunurlar, bu şekilde karboksil grubu bir karboksilat iyonu, — C 0 2_, olarak ve amino grubu da aminyum iyonu. — NH3\ olarak bulunur. (Dipolar iyonlar aynı zamanda ikiz iyonlar olarak da adlandı rılırlar.) Sulu çözeltide, dipolar iyon ile amino asidin anyonik ve katyonik şekilleri ara sında bir denge oluşur. +

—h ,o +

H,NCHCO,H 4

+ H ,0 +

R Katyonik şekli (kuvvetli asidik çözeltilerde, örneğin pH 0"da, baskın)

+

— H,o~

» H,NCHCO, 4 '

|

‘

R Dipolar iyon

► H,NCHCOr

+ H ,0-

R Anyonik şekli (kuvvetli bazik çözeltilerde, örneğin pH 14'te baskın)

Bir çözeltideki amino asidin baskın şekli, çözeltinin pH’sma ve amino asidin karak terine bağlıdır. Kuvvetli asidik çözeltilerde bütün amino asitler öncelikle katyonlar ola rak, kuvvetli bazik çözeltilerde ise anyonlar olarak bulunurlar. Izoelektrik nokta

7,6

1184

Bölüm 24 / Amino Asitler ve Proteinler

olarak adlandırılan ara bir pH değerinde, dipolar iyonun derişimi en fazladır ve anyon lar ile katyonların derişimleri birbirine eşittir. He;r amino asidin belirli bir izoelektrik noktası vardır. Bunlar Çizelge 24.1'de verilmiştir. Yan zircirinde asidik ve bazik gurup taşımayan, örneğin alanin gibi bir amino asidi ele alalım. Alanin. kuvvetli asidik çözeltide (örneğin pH O'da) aşağıda gösterildiği gibi daha çok katyonik şekilde bulunur. Katyonik şeklin kaıboksil grubuna ait pKa değeri 2.3’tür. Bu değer, karşılık gelen bir karboksilik asidin (örneğin propanoik asitin) p/Ç/sından ol dukça küçüktür ve alaninin katyonik şeklinin kuvvetli bir asit olduğunu gösterir. Fakat bunun böyle olacağı da beklenmelidir. Zaten pozitif yüklenmiş bir tür olduğundan, müm kün olduğunca çabuk proton kaybedecektir. CH,CI1C0,H CH,CH,CO,H I NH, Alaninin katyonik şekli PKeı = 2,3

Propanoik asit PKa = 4,89

Bir amino asidin dipolar iyon şekli de bir potansiyel asittir, çünkü —NH3+grubu bir proton verebilir. Alaninin dipolar iyon şeklinin pKa değeri 9,7'dir. CH3CHC02nh3

P K = 9.7

Alanin gibi bir amino asidin izoelektrik noktası (p/) pKal, ve pKil2 değerlerinin or talamasıdır. ?3 +9 7 p/ = ^—— = 6.0 (alaninin izoelektrik noktası) Alanin içeren kuvvetli asidik bir çözeltinin pH?sı bir baz (örneğin. OH ) ilavesiyle yavaş yavaş yükseltirse, alanin ne şekilde davranır? Önce, (pH 0)'da (Şekil 24.1). Şekil 24.1

14

CH3ÇHCO,H nh3

12

için titrasyon eğrisi. 10

pH

6

4

2

0

0

0,5

1,0

OH 'nin eşdeğer miktarı

1.5

2,0

24.2 Amino Asitler

baskın yapı katyonik şekil olacaktır. Fakat daha sonra, asitlik pH 2.3’e ulaşınca (katyonik şeklin pKa sı. pKaS) katyonik yapının yarısı dipolar iyona dönüşecektir.* pH değeri daha da arttıkça —pH 2,3’ten pH 9,7’ye— baskın yapı dipolar iyon olacaktır. pH 6,0’da; pH. p /’ya eşit alacağından dipolar iyonun derişimi de en yüksek değerinde olacaktır. OH CH,CHCO,H 4-~

H,o^

NH, + 3

OH CH.CHCO,- 4= ± CH.CHCOr s 1 H,o ■I " NH, NH, + j

Katyonik şekli

Dipolar ivon

(PK = 2-3>

(P*0j = 9,7)

Anyonik şekli

pH 9.7- ye (dipolar iyonun p/Ç’sı) ulaştığında dipolar iyonun yarısı anyonik şekle dö nüşür. Daha sonra, pH 14’e yaklaştığında anyonik şekil çözeltide baskın hale gelir. Eğer amino asidin yaıı zincirinde ayrıca bir asidik veya bazik grup varsa, denge çok daha karmaşık olacaktır. Örneğin Iiziııi ele alırsak; bu amino asidin e karbonunda ayrı bir — NH2 gurubu daha vardır. Çok kuvvetli asidik çözeltide 1izin her iki amino gubunun protonlanmasından dolayı dikatyon şeklinde bulunur. pH yükseldiğinde, kaybedi lecek ilk proton karboksil gurubunun protonu (p/Ç, = 2,2). İkincisi a-aminyum grubunun protonu (pKu = 9,0) ve sonuncusu ise e-aminyum grubunun protonu olacaktır. OH + OH + o tr . H,N(CH2)4CHC02H ;*-------- H,N(CH,) ,CHCO, 4-------- H,İN(LH,),L.HL.U, •«* H,N(CH,),CHCO, H ,0 3 2 4 H .O "4 I H ,0 + 3 -4| NH> nh3 NH, NH, 4-

Lizinin dikatvonik şekli (P < = 2,2)

Monokatyonik şekli (p/Ç: = 9,0)

Dipolar iyon

Anyonik şekli

(PAnı = 10,5)

Lizinin izoelektrik noktası p/Ç,2(monokatyon) ve p/Ç,3 (dipolar iyon) değerlerinin orta laması olacaktır. 9.0+ 10,5 p/ = ------------= 9,8 (lizinin izoelektrik noktası)

Glulamik asitin hangi şeklinin daha baskın olacağını umarsınız? (a) kuvvetli asidik ■< P ro b l e m 2 4 . 1 çözeltide? (b) kuvvetli bazik çözeltide? (c) izoelektrik noktasında (p/ 3,2)? (d) Glııtaminin izoelektrik noktası (p/ 5.7) glutamik asidinkiııden hayli yüksektir. Nedeni ni açıklayınız.

NH

<

Argininin guanidino grubu, — NH— C— NH2, bütün organik gruplar arasında en bazik olanıdır. Açıklayınız.

4-Iendersen-Hasselbalch eşitliği bir (HA) asidi ve onun organik bazı (A ) için aşağıdaki gibi gösterilir. p

Ka= pH

+ log

[HA]

[A-l

Asit yarı nötralize edüdiğinde bu eşitlik [HA] = [A 1 ve log

[HA]

= 0 olur. Bu yüzden pi l = pK er

P ro bl em 24.2

1185

1186


2 4 .3

a -A M İN O A SİTLER İN LA B O R A TU V A R SENTEZLERİ

a-Amino asitlerin laboratuvar sentezleri için çok çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Biz burada üç genel yöntemden bahsedeceğiz. Bunların hepsi daha önce gördüğümüz tep kimelere dayanmaktadır. 24.3A Bir a-Halo Asidin Doğrudan Aminlenmesi (Am m onoliz) (1 )

X,.

F

N H , (aşırı)

R—CH,CO,H ~ „ „ ►RCHCO.H------------- ►R—CHCO, (2) H,0

X

NH,

Bu yöntem, verimi çok az olduğundan en az kullanılanıdır. Bu yöntemin bir örneği ni Altbölüm 18.9’da görmüştük. 24.3B Potasyum Ftalimitten

Bu yöntem, aminlerin Gabriel sentezinin (Altbölüm 20.5A) bir değişiğidir. Verimler ge nelde yüksektir ve ürünler de kolaylıkla saflaştırılabilir.

Potasyum ftalimit

Etil kloroasetat

(1) K()H/H,() (2) HCI

CO,H > CH2C0 2 + I ' ' NH,

o c C(),H

Glisin (%85)

Ftalik asit

+ C2H5OH

Bu yöntemin bir değişiğinde, bir imido malonik ester hazırlamak için potasyum ftali mit ve dietil a-bromomalonat kullanılır. Bu yöntem metiyonin sentezi ile aşağıdaki gi bi gösterilebilir.

BrCH(C02C2H5)2

----------► (%82-85)

Dietil a-bromomalonat

NaOCH2CH3 C1CH,CH2SCH3 (%96—98)

Ftalimidomalonik ester

24.3 a-Amino Asitlerin Laboratuvar Sentezleri c o 2c 2h 5

i NaOH _ N— ÇCH2CH2SCH3 ------- ► c o 2c 2h 5

co, c - n h ç c h 2c h 2s c h 3^

o

HCI ^ >

COo

o II COH c h ,s c h ,c h , c h c o ,

+ co, +

I rjJHj

O CCOH o

D L -M e tiv o n in

a-Bromomalonat ve potasyum ftalimitten başlayarak ve gerekli herhangi diğer re- < aktifleri kullanarak (a) DL-lösini (b) DL-alanini ve (c) DL-fenilalanini nasıl sentezleyebileceğinizi gösteriniz.

P ro b l e m 24.3

24.3C Strecker Sentezi

Bir aldehitin amonyak ve hidrojen siyanür ile etkileştirilmesi bir a-aminonitril verir. Bu or-aminonitrilin nitril grubunun hidrolizi (Altbölüm 18.3) onu bir sonraki a-amino asite dönüştürür. Bu senteze Strecker sentezi denir. 0 1 H,()+, ısı RCH + NH, + HCN ----► RCHCN ------------ ► RÇHCO," I

T

h ,o

NH,

NH,

«-Amino nitril

«-Amino asit

Bu sentezin ilk basamağı, muhtemelen, aldehit ve amonyaktan bir iminin başlangıç oluşumunu ve ardından da hidrojen siyanürün katılmasını içerir.

İ T e pk im e için Bir Mekanizma Strecker sentezi Esnasında bir a -A m in o n itrilin Oluşum u 11-^

RCH + :NHı

O“ OH I + I RCHNH, <=± RCHNH,

—h,o

>

CN“

-

RCH =NH <= _= ►RCH— NH

İ71

CN İm in

H ,ü +

» RCH— NH2

CN a-Aminonitril

1187

1188


Örnek P r o b l e m -----------------------------------DL-Trosinin bir Strecker sentezini tasarlayınız. Cevap:

O

D L -T ro s in

P ro bl em 24.4

>■ DL-Fenilalaninin Strecker sentezini tasarlayınız, (b) DL-Metiyonin de Strecker sen teziyle sentezlenebilir. Gerekli başlangıç aldehiti akrolein (CH2 = CHCHO) ve nıetantiyolden (CH3 SH) hazırlanabilir. DL-Metiyoninin bu sentezindeki bütün basamakları gösteriniz.

24.3D DL-Amino Asitlerin Yarılması

Hiç stereomerkezi olmayan glisin hariç, tasarladığımız bu yöntemle elde edilen amino asitler tamamen rasemik bir yapıda oluşurlar. Doğal olarak oluşmuş L-amino asidi elde etmek için, şüphesiz, rasemik yapıyı yarmak (ayırmak) zorundayız. Bu, Altbölüm 20.3'te verilen yöntemleri içeren yolların bir değişiğiyle yapılabilir. Bunlardan özellikle ilginç olanı, deaçilazlar denilen enzimlerin kullanımına daya nan amino asitleri yarmada kullanılan bir yöntemdir. Bu enzimler, canlı organizmalar daki N-açilamino asitlerin hidrolizini katalizler. Enzimin etkin tarafı kiral olduğundan, yalnızca L-konfigürasyondaki N-açilamino asitleri hidroliz eder. Enzim, N-açilamino asit lerin bir rasemik karışımıyla etkileştin kliğinde, yalnızca L-amino asitin türevi etkilenir ve ürünler, sonuç olarak, kolayca ayrılır. dl -RCHCO,

NH, + 3 (ra s e m ik ş e k li)

(CH COl O

— ■- - ►

d l - r c h c o 2h

deaçilaz enzimi

------- ► c h 3c o 2h

c h 3c o n h

CO,-

ccv h 3n -

NHCOCH,

-H + HR

R

L - A m in o asit

D -N -A ç ila m in o asit

1 K o la y c a a y r ı lı r

24.3E Amino Asitlerin Stereoseçimli Sentezleri Bir amino asidin ideal sentezi, şüphesiz, yalnızca, doğal olarak bulunan L-amino asidi veren olacaktır. Bu ideal sentez, şimdi, geçiş metallerinden türetilen kiral hidrojenlen-

24.3 a-Amino Asitlerin Laboratuvar Sentezleri

dirtne katalizörlerinin kullanılmasıyla gerçekleştiriluıektedir. Bu amaçla değişik katali zörler kullanılmaktadır. B. Bosnich (Toronto Üniversitesi’nden) tarafından geliştirileni. “(/?)-profos’*denilen bir bileşik olan (/?)-l,2 -bis(difenilfosfino)propan ile rodyumun bir kompleksine dayalıdır. Norbornadienin bir rodyum kompleksi (/?)-Profos ile etkileştirildiğinde; (/?)-profos, rodyum atomunu çevreleyen norbornadien moleküllerinin biri ile yer değiştirerek bir kira! rodyum kompleksi oluşturur. H3Q H^ C —CH, /

V

(^ 6^ 5)2^* (R)-Profos

fRlı(NBD)2]C104 + (R)-profos

-►|Rh((/?)-profos)(NBD)]C104 + NBD Kiral rodyum kompleksi

Bu rodyum kompleksinin, etanol gibi bir çözücü içerisindeki hidrojen ile etkileştirilmesi. muhtemelen [Rhtlftl-profosHHAiEtOHA]' bileşimine sahip, bir etkin kiral hidrojenlendirme katalizörü içeren bir çözelti oluşturur. Bu çözeltiye 2-asetilaminopropenoik asit ilave edildiğinde ve hidrojenleııdirme ger çekleştirildiğinde tepkime ürünü %90 enantiyomerik fazlalıkla, L-alaninin İV-asetil tü revidir. /V-Asetil grubunun hidrolizi ise L-alanin verir. Hidrojenlendirme katalizörü kiral olduğundan, katalizör, hidrojen atomlarını stereoseçimli bir yolla aktarır. Bu tip tepki me, sıklıkla, asimetrik sentez veya enantivoseçimli sentez olarak adlandırılır (Altbölüm 5.8B). CH2= C —C02H

[Rh((/f)-profos)(H) ^çözücü) ;J"

H ,C <

H,

NHCOCH,

NHCOCH, 2-Asetilaminopropenoik asit

(1) OH . H20 . ısı (2) H ,0

C— C02H

iV-Aselil-L -alanin

►HA r-co ,/

nh3

L-Alanin

Bu süreç, 3-konumunda siibstitüent içeren 2-asetilaminopropenoik asitlerden bazı di ğer L-amino asitleri sentezlemek için de kullanılmaktadır. (Z)-izomerin hidrojenlenmesinde (7?)-profos katalizörünün kullanımı, %87-93 enantiyomerik fazlalıkla L-amino asit oluşturur. / C02H ( 1) [Rh((/?)-profos)(H)7(çöziicü)2l 1, H, (2) OH . H,0, ısı; sonra H,0

C=C / R

\

NHCOCH,

(Z)-3-Sübstitüe 2-asetiIamiııopropenoik asit

H RCH.^İ

c—ccv

/ NH,

L-Aınino asit

1189

1190


2 4 .4

P O L İP E P T İ T L E R İN VE P R O T E İN L E R İN A N A L İ Z İ

Enzimler, a-amino asitlerin su ayrılması yoluyla polimerleşmesine neden olabilirler.

O HII H3N—CH—C— O" +

O II h 3 n — c h —C —O+

R'

R

O]

o

o

+ II II H,N —ÇH — C — NH— ÇH —C —O R

R' Bir dipeptit

Aırıino asitler arasında oluşan — CO — NH— (amit) bağı bir peptit bağı veya peptit bağlantısı olarak bilinir. Amino asitler bu yolla (zıt tarafları serbest olarak kalacak şe kilde) birleştiklerinde amino asit kalıntıları olarak adlandırılırlar. İki, üç veya bir kaç (3-10) ya da daha fazla amino asit kalıntısı içeren polimerlere, sırasıyla, dipeptitler, tripeptitler, oligopeptitler, ve mlipeptitk denir. Proteinler bir veya daha fazla polipeptit zinciri içeren moleküllerdir. Polipeptitler doğrusal polimerlerdir. Bir polipeptit zincirinin bir ucu, serbest — NH^+ grubuna sahip bir amino asit kalıntısı ile; diğer ucu ise bir serbest — C 0 2 grubu taşı yan bir amino asit kalıntısı ile sonlanır. Bu iki gruba, sırasıyla, N-ucu ve C-ucu ka lıntısı adı verilir. 0

0

0

H,N—CH — C-I-NH—CH—C + N H —CH—C— 0 ‘ R

R

R

C - U c u k a lı n tı s ı

N -U c u k a lın tıs ı

Geleneksel olarak, N-uçlu amino asit kalıntısına sahip peptit veya protein yapısını so la, C-uç kalıntısına sahip olanı ise sağa yazarız. O O + II II H,NCH2C— NHCHCO" h 3c

/¿X

h ch,

Glisil valin (Giy • Val)

O

O

H,NCHC— NHCHıCO" .CH X H,C CH, /

V a lilg lis in ( V a l • G iy )

Glisilvalilfenilalanin tripeptiti aşağıdaki şekilde gösterilebilir:

24.4 Polipeptitlerin ve Proteinlerin Analizi

O

O

1191

O

Giysilvalilfenilaluııin (Giy • Val • Phe)

Bir protein veya polipeptit öA/dık hidroklorik asit ile 24 saat geri soğutucu altında kaynatıldığında, genellikle amit bağlarının tamamı hidroliz olur ve bu işlem, amino asit lerin bir karışımını oluşturur. Bir polipeptit veya proteinin yapısını tayin etmeye kalkış tığımızda ilk yapmamız gereken şeylerden biri, böyle bir karışımdaki her bir amino asidi ayırmak ve tanımlamaktadır. 2 2 kadar farklı amino asit olduğundan, geleneksel yöntem lerle sınırlanırsak, bunu yapmak oldukça zor bir görev haline gelir. İyi ki, bu sorunu büyük ölçüde basitleştirecek, hatta çözümünü otomatik hale getire cek, elusyon kromatografi ilkelerine dayalı teknikler geliştirilmiştir. Otomatik amino asit analizleyicileri, 1950 yılında Rockefeller Enstitüründe geliştirilmiştir ve o zamandan son ra ticari olarak temin edilebilir hale gelmiştir. Bu yöntemler katyorı-değişim reçineleri (Şe kil 24.2) adı verilen, sülfonat grupları içeren çözünmeyen polimerleıin kullanımına dayanır. Eğer amino asitlerin karışımını içeren bir asidik çözelti, bir katyon-değişim reçine siyle doldurulmuş bir kolondan geçirilirse, amino asitler, reçine tarafından adsorbe edi lirler. Çünkü , negatif yüklü sülfonat grupları ve pozitif yüklü amino grupları arasında çekim kuvvetleri vardır. Adsorpsiyonun kuvveti her bir amino asidin bazlığı ile değişir; daha bazik olanlar daha kuvvetli tutulurlar. Eğer kolon daha sonra verilen bir pH’da tamponlanmış bir çözeltiyle yıkanırsa, her bir ayrı amino asit farklı hızlarda aşağı doğ ru haraket eder ve sonunda tamamen ayrılırlar. Kolonun ucundaki eluatın, pek çok ami no asitle tepkimeye girerek onları şiddetli mor renge sahip (Amaks 570 nm) bir türeve dönüştüren bir reaktif olan ninhidrin ile karışması sağlanır. Amino asit analizleyicile ri, sürekli olarak eluatm soğurmasını (570 nm de) ölçebilecek ve bu soğurmayı, dışarı akan sıvının hacminin bir fonksiyonu olarak kaybedebilecek şekilde tasarlanırlar. Bir otomatik amino asit analizleyiciden elde edilen tipik bir grafik Şekil 24.3'te gö rülmektedir. İşlem standart hale getirildiğinde, piklerin yerleri her bir amino asit için karakteristiktir ve piklerin altındaki alanlar da onların bağıl miktarları ile ilişkilidir.

so3¿ H - C ")V J / ı

h 3n —c h c o 2h

CH2

f-C

R ) y

so3-

ç\ )> -so 3_/ M İ ch2 ZA i “ - - T ) / - s o 3-

h 3n —c h c o 2h

R' h 3n

—ç h c o 2h R"

Şekil 24.2 Adsorbe edilmiş amino asit ler ile bir katyon-değişim reçinesinin bir kesiti.

i?

Absorbans


Absorbans

1192

330

350

370

390

410

430

pH4,25, 0,21V Na sitrat

450

470

50

490

m

70

90

110

130

15-cm kolon, pH 5,28. 0.357VNa sitrat

|9

Şekil 24.3 Bir otomatik aıııiuo asit analizieyiciden elde edilen tipik sonuçlar. [Spackınaıı, D. H.; Moore, S. Anal. Chern. 1958, 30, 1190-1206, Copyright © by the American Chemical Societv’den izin alınarak uyarlanmıştır.]

Ninhidrin. indan-l,2,3-trionıın hidratıdır. Prolin ve hidroksiprolin hariç, proteinler de bulunan a-aminoasitlerin tümü ninhidrinle tepkimeye girer ve eşit şiddette mor renk li anyon (Amaks 570 nm) verir. Burada bunun mekanizmasına girmeyeceğiz fakat a-amino asitten türeyen bu anyonun bir kısmının azot olduğuna dikkat çekeceğiz.

Mor anyon Prolin ve hidroksiprolin, a-am ino grupları ikincil amin olduğundan ve bunlar beş üye li halkanın bir parçası olduklarından ninhidrinle ayrı şekilde tepkimeye ginnezler.

24.5 Polipeptitlerin ve Proteinlerin Amino Asit Sırası

2 4 .5

1193

P O L İ P E P T İ T L E R İ N VE P R O T E İ N L E R İ N A M İ N O A S İ T SIR ASI

Bir polipeptit ve proteinin bileşimini belirledikten sonra onun molekül kütlesini tayin etmemiz gerekir. Bunun için: kimyasal yöntemler, kütle spektrometri, ultrasantrifiijleme, ışık saçılımı. osmotik basınç ve X-ışım kırınımı dahil çeşitli yöntemler bulunmak tadır. Artık, molekül kütlesi ile arnino asit sırasını kullanarak proteinin molekülformülünü hesaplayabiliriz; yani, her bir protein molekülünde, amino asit kalıntısı olarak her bir türden kaç amino asitin bulunduğunu öğrenebiliriz. Fakat maalesef, yapıyı tayin etme olan görevimize henüz başladık, sonraki basamak, gerçekten oldukça ürkütücüdür. Ami no asitlerin bağlanma sırasını belirlemeliyiz: yani, polipeptitin kovaleııt yapısını (veya birincil yapısını) tayin etmeliyiz. Üç farklı amino asitten oluşan basit bir tripeptit 6 : 4-farklı amino asitten oluşan bir tetrapeptit ise 24 kadar farklı amino asit sırasına sahip olabilir. Yüz kalıntılı bir tek zin ciri 20 farklı amino asitten oluşan bir protein için 20lül) = 1.27 X 10'™olası polipeptit var dır, bu sayı evrende olduğu varsayılan atom sayısından (9 X ltFs) bile fazladır. Buna rağmen, amino asit diziliş sırasını tayin etmemize imkan verecek birçok yön tem geliştirilmiştir. Bunlar, göreceğimiz gibi, hayret verici bir başarıyla uygulanmakta dır. Buradaki tartışmamızdaki dikkatimizi, bu sıranın belirlenmesinin nasıl yapılabildiğini gösteren iki yöntemle sınırlandıracağız: uç kalıntı analizi ve kısmî hidroliz. Altbölüm 25.6A'da daha basit bir yöntem daha göreceğiz. 24.5A Uç Kalıntı Analizi

Sanger yöntemi denilen ve N-ueu amino asit kalıntısının belirlenmesinde çok yararlı olan bir yöntem 2.4-dinitroflorobenzen (DNFB) kullanımına dayanmaktadır. Bir poli peptit. ılımlı bazik koşullarda DNFB ile etkileştirildiğinde, N-ucu kalıntısının serbest amino grubunun girdiği bir nlikleofilik aromatik yer değiştirme tepkimesi (SNAr, bakı nız Altbölüm 21.11) meydana gelir. Ardından polipeptitin hidrolizi, bir etiket, 2,4-dinitrofenil grubu, taşıyan N-ucu amino asidinin de içinde bulunduğu amino asitlerin bir karışımını verir. Sonuç olarak, karışımdan bu amino asiti ayırarak onun hangi amino asit olduğunu belirleyebiliriz. F

+ H,NÇ NCHCO— NHCHCO—vs.

(-HF)

R

NO, 2,4-DinitrofIorobenzen

Polipeptit

(DNFB) 0

,N

Bu yöntem, 1945 yılında, Cambrigde'ten Frederick Sanger tarafından ortaya konmuştur. Sanger’iıı, insülinin amino asit sırası nın tayin etmesi bu yöntemin yaygınlaşmasını sağlamış ve Sanger, 1958 de, bu çalışması için Kim ya Nobel ödülünü kazan mıştır.

Hcor

O

h \

NHGHCO—NHC HGO—vs. ' I R R

HjO'

N( ) 2 Etiketli polipeptit o^

O

V

n™

R

+

h 3n c h c o ,

R

NO, Etiketli N-ucu amino asidi Ayrılır ve tanınır

Amino asitlerin bir karışımı

1194


P ro bl em 24.5

► 2,4-Dinitıofenil gurubunun elektron çekici etkisi etiketlenmiş amino asidin ayrıl masını çok kolaylaştırır. Bunun nasıl olduğuyla ilgili bir öneride bulununuz. Şüphesiz, 2,4-dinitroflorobenzen polipeptitte bulunan bütün serbest amino gurupla rıyla tepkime verecektir, buna lizinin e-amino gurubu da dahildir. Fakat, yalnızca al amino gurubundaki etiket N-ucu amino asit kalıntısını taşıyacaktır. N-ucu analizi için ikinci bir yöntem Edman degradrasyonudur (Edman küçültülme si). (İsveç-Lund Ünuversitesinden Pehr Edman tarafından geliştirilmiştir). Bu yöntemin Sanger yöntemine göre üstünlüğü N-ucu kalıntısını uzaklaştırması ve peptit zincirinin geri kalan kısmını bozulmamış halde bırakmasıdır. Edman küçültülmesi, N-ucu amino gurubu ve fenil izotiyosiyonat (C6H5 N = C = S) arasındaki bir etiketleme tepkimesine dayanır. OH , pH9

N = C = S -1- H2NCHCO— NHCHCO—vs. ------ -----► R

NH

R

C —NHCHGO—NHCHCO— vs. R

HA

R

Etiketlenmiş polipeptit

S çevrilme ısı

L

H


^ O

c —CH \ R

Fenilthiyohidantoin

+ + H3NCHCO— r'

Amino asit kalıntısı bir birim azaltılmış polipeptit

Etiketlenen polipeptit, asit ile etkileştirildiğinde N-ucu amino asit kalıntısı, bir çevril meye uğrayarak feniltiyohidontoine dönüşecek olan kararsız bir ara ürün olarak ayrılır. Bu son ürün, amino asit standartlarmdan hazırlanan feniltiyohidontoin ile karşılaştırıla rak tanımlanabilir. İlk Edman küçültülmesinden arta kalan polipeptit, dizideki ikinci amino asidin ta nımlanması için tekrar bu işleme tabi tutulabilir. Üstelik bu işlem otomatikleştirilmiştir. Ne yazık ki; Edman küçültülmesi sonsuza dek tekrarlanamaz. Kalıntılar ortamdan başarılı bir şekilde uzaklaştırıldıkça asit ile etkileşme sırasında oluşan hidroliz sonucu ortaya çıkan amino asitler tepkime karışımında birikir ve işlemi olumsuz yönde etkiler. Yine de. Edman küçültülmesi, otomatikleştirilerek bir sıralayıcı haline getirilir. Her bir amino asit ortamdan ayrıldığı an otomatik olarak belirlenir. Bu teknik, 60 amino asit

24.5 Polipeptitlerin ve Proteinlerin Amino Asit Sırası

kalıntısı içeren büyüklükteki polipeptitlere kadar başarıyla uygulanmıştır. C-ucu kalıntıları, karboksipeptidazlar denilen sindirim enzimleri kullanılarak tanım lanabilirler. Bu enzimler, özellikle serbest bir — C 0 2H gurubu içeren amino asit kalın tısının amit bağının hidrolizini katalizleyerek, onu serbest bir amino asit olarak açığa çıkarırlar. Bununla birlikte bir karboksipeptidaz, kalan polipeptit zincirine saldırmayı sürdürerek, C-ucu kalıntılarını koparmaya başarıyla devam eder. Serbest kalan amino asitleri, zamanın bir fonksiyonu olarak takip etmek gerekir. Bu işlem yalnızca sınırlı bir amino asit dizisine uygulanabilir, çünkü bir süre sonra durum içinden çıkılamaz hâl alır.

(a) Val -Ala Gly’in N-ucu amino asidinin 2.4-dinitroflorobenzen ile nasıl tanımla- -< nabildiğini gösteren bir tepkime yazınız, (b) Val-Lys-Gly 2,4-dinitroflorobenzen ile etkileştirildiğinde hangi ürünler oluşur? (hidrolizden sonra).

P ro bl em 24.6

M et-Ile-Arg’nin sırasal Edman azaltmasını gösteren reaksiyonları yazınız.

P ro bl em 24.7

<

24.5B Kısmî Hidroliz Edman küçültülmesi veya karboksipeptidaz kullanılarak yapılan amino asit sıra analizi, farkedilir büyüklükteki protein ve polipeptitlerle pratik olmaktan çıkar. Neyse ki. kısmi hidroliz denilen başka bir teknikle buna çare bulabiliriz. Seyreltik asitler ve en zimler kullanarak, polipeptit zincirini, DNFB veya Edman küçültülmesi ile tanımlıyabileceğimiz ufak parçalara böleriz. Daha sonra, çakışan noktaları incelemek için bu ufak parçaların yapısını araştırırız ve polipepLitin orijinal auıino asit dizilişine göre bu par çaları birleştirmeye çalışırız. Basit bir örnek ele alalım: Bize valin (iki kalıntı) lösin (tek kalıntı), histidin (tek ka lıntı) ve fenilalanin (tek kalıntı) içerdiği bilinen bir pentapeptit verilmiş olsun. Bu bil giyle proteinin moleküler formülünü; virgülleri, diziliş sırasının bilinmediğini belirtmek için kullanarak, şu şekilde yazabiliriz. V al2, Leu, His, Phe Ardından, DNFB ve karboksipeptidaz kullanarak valin ve lösinin N-ucu ve C-ucu kalıntıları olduklarım belirlemiş olalım. Artık aşağıdaki bilgiye sahibiz. Val (Val, His, Phe) Leu Ama, uç amino asit olmayan üç amino asidin dizilişi hâlâ belli değildir. Daha son ra, pentapeptidi kısmî asit hidrolizine sokarız ve aşağıdaki dipeptitleri elde ederiz. (Ay nı zamanda tek amino asitleri ayrı ayrı ve daha büyük parçaları, örneğin tripeptit ve tetrapeptitleri de ele geçiririz.) Val • His + His - Val + Val •Phe + Phe •Leu Dipeptidlerin çakıştığı noktalar (örneğin His, Val ve Phe) bize orjinal pentapeptidin şe kildeki gibi olması gerektiğini söyler. Val - His-Val -Phe-Leu İki enzim, daha büyük bir proteindeki belirli peptit bağlarını koparmak için sıkça kullanılır. Tripsin, öncelikle, lizin veya arginin kalıntılarının bir parçası olan karboksil gurubunun bulunduğu peptit bağlarının hidrolizini katalizler. Kemotripsin ise peptit bağ-

1195

1196


larının hidrolizini öncelikle, fenilalanin. tirosin ve triptofanın karboksil guruplarının bu lunduğu yerde katalizler. Bu enzim ayrıca, iösin, metiyonin, asparagin ve glutaminin karboksil guruplarındaki peptit bağlarına da etki eder. Büyük bir proteinin tripsin veya kemotripsin ile etkileştiriImesi. onu daha küçük parçalara bölecektir. Ardından her ufak parça Edman küçültülmesine veya etikenlenmeye tabi tutulur ve bunu da kısmi hidro liz takip eder. P ro bl em 24.8

>- Glutatiyon birçok canlı hücrede bulunan bir tripeptittir. Kısmî asit katalizli hidroliz ile glutatiyon. iki dipeptit verir. Cys-Giy- ve Glu ile Cys'den oluşan. Bu ikinci dipeptit DNFB ile etkileştirildiğinde, asidik hidroliz sonucu A-etiketli Glu oluşur, (a) Yalnız bu bilgiler ışığında, glutatiyon için mümkün yapılar nelerdir? (b) Sentetik de neyler ikinci dipeplidin aşağıdaki yapıya sahip olduğunu göstermektedir: h ?n c h c h 2c h 2c o n h c h c o 2-

C02-

CH,SH

Glutatiyonun yapısı nedir? P ro b l e m 24.9

>- Aşağıdaki polipeptitlerin amino asit diziliş sırasını, yalnızca verilen kısmî asidik hid roliz verilerini kullanarak belirleyiniz. (a) Ser, Hyp, Pro, Thr

Ser •Thr + Thr •Hyp + Pıo •Ser

H20

H30 + (b ) Ala, Arg. Cys. Val, Leu ^ Ala • Cys 4- Cys • Arg + Arg • Val + Leu • Ala

24.6

P O L İP E P T İ T L E R İN VE P R O T E İN L E R İN B İR İN CİL YA P ILA R I

Bir protein veya polipeptidin kovalent yapısına onun denir (Şekil 24.4). Kimyagerler, önceki bölümlerde açıkladığımız teknikleri kullanarak, polipeptit ve pro teinlerin birincil yapısını aydınlatmada önemli başarılar elde etmişlerdir. Sonraki say falarda açıklanan bileşikler bunlar için önemli örneklerdir. 24.6A Oksitosin ve Vasopressin

Oksitosin ve vasopressin oldukça küçük iki polipeptittir ve yapıları şaşırtıcı ölçüde ben zerlik gösterir (oksitosinde lösinin olduğu yerde, vasopressinde arginin vardır ve oksitosinde isolösinin bulunduğu yerde vasopressin fenilalanin bulundurur). Amino asit Şekil 24.4 Bir tetrapeptitin birincil yapısının bir gösterilişi.

Hidrojen Rgrubu

Oksijen Q

Karbon

O

Azot Peptit bağı

24.6 Polipeptitlerin ve Proteinlerin Birincil Yapıları

Oksitosin HgC^ /C H 3 0

?

O

/N H 2

H o

ch2

CH

h 2n c c h 2n h

NH

—N

C

o

o

c I

CH,

ÇHNH—■ C - C H -N I ^ / ) ÇH2

Leu

ÇHCH2CH2CNH;

S

NH

\ /

c= o

ch2

1 h 2n

ch

I

c\

c

o

CHCHCH2CH3 / I n h —ç h - ç - n CH, H ile h2 o

OH

Vasopressin

V ı NH I

ch2

o.

I

çh2

O II h 2n c c h 2n h

O

CH„

c — CH—NH—C Aıg

O

O

nh2

c I

CH,

N—C—CHNH — C—CH—NH II I V

o

çh2

S \

/2

ch

n O

II

c h c h 2c h 2c n h , 1

NH

c= o I C H — CH2

HoN—CH—C—NHCH—C—NH Phe

Şekil 24.5 Oksitosin ve vasopressinin yapıları. İkisi arasında farklı olan amino asit kalıntıları kırmızı ile gösterilmiştir.

1197

1198


Cornell Medical Colledge’den Vincent du Vigneaud oksitosin ve vasopressini 1953 yılında sentezledi ve 1955’te Kimya Nobel Ödülünü kazandı.

P ro bl em 2 4 . 10

dizilişlerindeki bu benzerliğe rağmen bu iki polipeptit oldukça farklı fizyolojik etkilere sahiptir. Oksitosin yalnızca dişilerde oluşur ve doğum sırasında uterus kasılmalarını uya rır. Vasopressin dişi ve erkekte oluşur, periferal kan damarlarının kasılmasına neden ola rak. onlarda kan basıncının artmasına neden olur. Ama aslında en önemli fonksiyonu antidiüretik olmasıdır. Fizyolojistler onu sık sık bir antidiüretik hormon olarak nitelerler. Oksitosinin ve vasopressinin yapıları, bir polipeptidin tam birincil yapısı içindeki sistein kalıntıları (Altbölüm 24.2A) arasındaki disülfür bağlarının önemini gösterir. Bu iki moleküldeki bu disülflir bağları halkalı bir yapıya yol açar.

>• Oksitosin belirli indirgen maddelerle (örneğin Na/sıvı amonyak) etkileştirilirse yak laşık tek bir kimyasal değişim gösterir, bu da hava ile yükseltgenmeyle geri döner. Burada olan kimyasal değişimler nelerdir?

24.6B İnsülin

İnsülin. pankreas tarafından salgılanan bir hormondur, glikoz metabolizmasını düzen ler. İnsanlardaki insülin eksikliği şeker metabolizmasının en büyük problemidir. Sığır insülininin amino asit dizilişi (Şekil 24.6) Sanger tarafından on yıllık bir çalış ma sonucunda 1953’te ortaya çıkarıldı. Sığır insülini, A ve B zincirleri denilen iki po lipeptit zincirinde toplam 51 amino asit kalıntısı içerir. Bu zincirler iki disülfür bağı ile birleşmiştir. A zinciri 6 ve 1 1 konumlarındaki sistein kalıntıları arasında fazladan bir disülfür bağlantısı içerir. İnsan insülini sığır insülininden yalnızca 3 amino asit kalıntısıyla farklıdır. Treonin, A zincirinde (kalıntı 8 ) ve B zincirinde (kalıntı 30) alanin ile, ve izolösin ise A zinci rinde (kalıntı 10) valin ile yer değiştirmiştir. Birçok memelinin insülinleri benzer yapı dadır. Ser

Şekil 24.6 Sığır insülinin amino asit diziliş sırası.

/S

Cys^ Val

^

A z i n c ir i

G iy — ile — Val — G lu — G ln— Cys

\

/ C y s — Ala

S er

T yr

S T s B z i n c ir i

Gln I 1 Leu

1

Cys

1

Glu

Giy

Asn

1

/

Ser

T yr

Alai

\

Leu

Cys Giy

A la — Lys — Pro — T hr— T y r — Phe — P h e— G iy— A r g — Glu

S

S

Cys Asn

K

ımyası

O ra k H ücre Anemisi

Ge

Normal (solda) ve orak halindeki (sağda) kırmızı kan hücreleri, taramalı elektron mikroskopu ile (18.000 x kez büyütülmüş) görüntülenmiştir.

enetik bir hastalık olan orak-hücre kansızlığı hemoglobinin ^-zincirindeki bir tek amino asit hatasından kaynaklanmaktadır. Normal hemoglobinde; 6 konumu glutamik asit kalıntısı içerir, buna karşın hasta hücre hemoglobininin 6 konumunda valin vardır. Bu hatalı amino asit kalıntılı hemoglobini içeren kırmızı kan hücreleri (eritrositler); toplardamarlardaki kanda olduğu gibi, oksijenin kısmî basıncı düştü ğünde hilâl (orak) şekline dönüşme eğilimi gösterirler. Kalp, şekli bozulmuş bu hücreleri dar kılcal damarlardan pompalamakta zorlanır. Hatta, bun lar bir araya toplanarak kapilerleri tıkayabilirler; bazen de kırmızı hücreler yarılıp çatlarlar. Anne ve babanın ikisinden de bu hastalığı miras almış çocuklar, bu rahatsızlıktan şiddetli bir şekilde zarar görürler ve iki yaşından fazla yaşamazlar. Ebeveyinin sadece bir tanesin den bu hastalığı kapmış çocuklar genellikle daha olumlu durumdadır. Orak-hücre kansızlı ğı genellikle merkez ve batı Afrika’da daha çok görülür, işin mizah yanı, hastalığın onlara yararlı ve faydalı etki göstermesidir. Bu hastalığın daha ılımlı şekline yakalananlar sıtmaya karşı normal hemoglobin sahiplerinden daha dirençlidirler. Sıtma, mikroorganizmaların bu laştırdığı bir hastalıktır ve özellikle merkez ve batı Afrika ahalisinde oldukça fazla görül mektedir. Mutasyonel değişimler sonucu oluşan orak-hücre kansızlığı çok yaygmdır. İnsanlarda yaklaşık 150 değişik tipte dejenere hemoglobin tespit edilmiştir, fakat iyi ki bun ların çoğu zararsızdır.

24.6C Diğer Polipeptitler ve Proteinler Başarılı sıra analizleri aşağıda verilenler dahil yüzlerce diğer polipeptit ve proteini or taya çıkarmıştır:

1. (Sığır) Büyükbaş hayvan ribonükleazları: Riboniikleik asitlerin (Bölüm 25) hidrolizini katalizleyen bu enzim 124 amino asit kalıntısından oluşan tek bir zircire ve dört zincir-içi disülftir bağına sahiptir. 2. İnsan hemoglobini: Bu önemli oksijen taşıyan protein 4 peptit zincirinden oluşur. Birbiriyle özdeş iki zincirinin her birisi 141 kalıntıdan, özdeş B zincirlerinin herbirisi ise 146 kalıntıdan ibarettir. 3. Büyükbaş hayvan tripsinojeni ve kemotripsinojeni: Bu iki enzim öncüsünün, sırasıyla 229 ve 245 kalıntıdan oluşan birer zincirleri vardır. 4. Gama globulin: Bu bağışıklık proteininin dört zincirinde 1320 amino asit kalıntısı vardır. İki zincirin herbirinde ise 446 kalıntı vardır. 5. p53, antikanser proteini: p53 Adı verilen bu protein (p, proteini belirtir) 393 ami no asit kalıntısından oluşur ve çok çeşitli hücresel fonksiyonları vardır. En önemli ola nı hücre büyümesini tayin eden basamakların kontrolüdür. Normal hücrelerdeki anor mal büyümeyi önleyerek tümör önleyicisi olarak hareket eder ve böylece kansere kar şı koruma sağlar. 1979’da keşfedilmiştir. p53’ün aslında onkojen (kansere yol açan bir gen) tarafından sentezlenen bir protein olduğu düşünülmüştür. Fakat araştırmalar sonucu, aslında kanser yapıcı özelliğe sahip olduğu düşünülen p53’ün normal prote inin bir mutasyon sonucu oluşmuş şekli olduğu görülmüştür. p53’ün mutasyona uğ ramamış şekli (veya yabani tipi)-, DNA’da kansere yol açacak değişimlere neden ola cak birçok karmaşık olayı düzenler. Eğer p53 mutasyona uğrarsa, artık hücreyi; kan ser önleyici etkisi ile koruyamaz ve tersine davranarak anormal büyümeyi hızlandı rıcı olarak hareket eder. 1199

1200


Her sene, kansere yakalanan insanların yarısından fazlasındaki kanser vakalarında p53’ün mutasyona uğramış şekli görülmektedir. Kanserdeki değişik türler bu pro teinin çeşitli mutasyonlarından kaynaklanmaktadır ve mutasyona uğramış p53’ün neden olduğu kanser tipi listesi vücudun pek çok kısmına ait kanserleri içerir: beyin, gögüs, sidik torbası, boyun, kolon, akciğer, karaciğer, rahim, pankreas, prostat, deri, mide v.s.* 6 . Ras proteinleri: Ras proteinleri hücre büyümesi sonucu modifiye olmuş proteinlerdir. İnsiiline bağlı hücrelerde söz konusudur. Bunların ait olduğu protein sınıfına doğum öncesi proteinler denir ve bunların izopıenoitlerin biyosentezinden (özel Kısım D) olu şan lipit gurupları, tiyoeterler halinde, sistein kalıntılarının C-ucu gurubuna bağlıdır. Ras proteinlerinin mutasyona uğramış belirli şekilleri çeşitli ökaryetik hücre tiplerin de onkojenik değişimlere neden olurlar. Prenilasyon ve proteinlerin diğer lipit modi fikasyonlarının etkisi ile bu proteinler hücresel membranlara dönüştürümler. Prenilasyon; doğum öncesi proteinlerinin diğer proteinler tarafından moleküler tanınmasına yardım ediyor olabilir.

2 4 .7

P O L İ P E P T İ T VE P R O T E İ N S E N T E Z L E R İ

Bölüm 18'de amit bağının sentezinin nispeten basit olduğunu görmüştük Önce asidin karboksil gurubunu bir anhidrit veya bir asit klorüre çevirerek “etkinleştirmeli” ve da ha sonra da bir amin ile tepkimeye sokmalıydık: 0 O II II II R—c —o —c —R + R '—N H ,----►R—c —NHR' + R—CO:H 0

A n h id r it

A m in

A m it

Bununla birlikte, eğer amiııo asitlerde olduğu gibi aynı molekül içinde hem asit hem de amino gurubu varsa, problem daha karmaşık hale gelir. Eğer amaç, örneğin doğal ola rak meydana gelmiş bir poliamidin sentezi ise, orada amino asitlerin herbirinin diziliş sırası da önem kazanır. Örnek olarak basit bir dipeptit olan alanilglisini (Ala ■Giy) in celeyelim. Önce alaninin karboksil gurubu asit kloriirii haline çevrilerek etkinleştirilir. Sonra glisin ile tepkimeye sokulabilir. Fakat, ne yazık ki alaııil klorürıin kendisi ile tep kimeye girmesini önleyemeyiz. Böylece bizim tepkimemiz sonucu yalnız Ala • Giy oluş maz Ala • Ala’da oluşur. Aynı zamanda Ala • Ala • Ala ve Ala • Ala • Giy, v.s. şeklinde tepkime devam edebilir. Beklediğimiz ürünün verimi düşük olacaktır ve biz dipeptitleri. tripeptitleri ve diğer yüksek peptitleri ayırmada zorluk çekeceğiz. 0

CH.CHCO •| nh3

Ala

.

O

0

111 SQC- -------- ►CH.CHCISHCH,COr + CH,CHCNHCHCO," (2 ) H^CHjCO,-| - •| | nh3 nh3 ch,

Giy

Ala-Giy 0

0

Ala-Ala 0

0

II II II II + CH.CHCNHCHCNHCHCOr + CH3CHCNHCHCNHCH,COr + diğerleri -| I I ■ I I NH, CH, CH, NH, CH, Ala-Ala-Ala

Ala-Ala-Giy

* Bkz; Gelb. M. II. Modification of Proteins by Prenyl Groups. P rin c ip le s o f M e d ic a l B io lo g y : Binar. E. E. Bittar. N.. Eds.; JAI Press: Greenwich. CT. 1995; Vol 4. Bollim 14. s 323 - 333.

24.7 Polipeptit ve Protein Sentezleri

24.7A Koruma Grupları Bu problemin çözümü için, birinci amino asidin amino grubu etkbileştirilmeden ve ikin ci ile tepkimeye sokulmadan önce “korumaya alınır”. Amino gurubunun korunmasının anlamı, onun daha düşük niikleofilik özellikteki bir başka grup haline dönüştürülmesi dir. Böylece o, etkin bir etçil türevi ile tepkime veremeyecektir. Koruyucu grup seçimin de dikkatli olunmalıdır, çünkü daha sonra, birinci amino asit ile İkincisi arasında amit bağını oluşturduktan sonra, bu yeni amit bağını bozmadan koruyucu grubu uzaklaştırabilmeliyiz. Bu ihtiyaçları karşılayacak birçok reaktif geliştirilmiştir. En çok kullanılan iki tip. benzilkloroformat ve di-ter-bütil karbonattır.

C6H,CH,0— C— Ç1

(CH,),CO—C—OC(CH3),

Benzil kloroformat

Di-fer-bütil karbonat

Her iki madde de amino gurupları ile tepkimeye girerek daha sonra yapılacak açillemede etkin olmayan türevleri verirler. Her iki türev tipi de peptit bağlarını etkileme yecek şartlarda ortamdan uzaklaştırılabilir. Benziloksikarbonil gurubu (Z ile kısaltılır), katalitik hidrojenlemeyle ya da asetik asit içerisinde soğuk HBr ile etkileştirilerek uzak laştırılabilir. fc/'-Bıitiloksikarbonil grubu (kısaltması Boc) HCI veya asetik asit içerisin deki CF3 C 0 2H ile etkileştirilerek uzaklaştırılabilir. Benziloksikarbonil Grubu

CH., + C 0 2 + H2N

CH:Br + C 0 2 + H2N—R ter-Biitiloksikarbonil Grubu

O

O (CH3)3COCOC(CH3)3 +

h 2n — r

haz 2 5 °C

(CH3 )3COC—NHR + (CH3)3COH

Di-/er-bütil karbonat ter-Bütiloksikarboııil veya Boc grubu HCI v ey a asetik asit iç erisin d e ^ C F ;C O :H . 2 5°C

(CH3)2C = C H 2 + C ü 2 + H2N — R Her iki grubun (Z ve Boc) kolayca uzaklaştınlabilmesi başlangıçta oluşan karbokatyonların olağanüstü kararlılıklarından kaynaklanmaktadır. Benziloksikarbonil grubu

1201

1202


bir benzil katyonu, tcr-bütiloksikarbonil grubu ise başlangıçta bir ter-bütilkatyonu ve rir. Benziloksikarbonil grubunun hidrojen ve bir katalizör ile uzaklaştırılabilmesi ger çekte, benzil-oksijen bağının zayıf olmasına ve düşük sıcaklıklarda hidrojenolize maruz kalmasına bağlıdır. O

O H „ Pd

C6H5CH2— OCR

25o~

>

c 6h 5c h ,+ h ocr

Bir benzil ester

24.7B Karbonil Grubunun Etkinleştirilmesi

Karboksil grubunun etkinleştirilmesi için en bilinen yol, onu açil klorürüne çevirmek tir. Bu yöntem önceleri peptit sentezinde kullanılmıştır, fakat açil klorürler, gerekli ol duklarından çok daha fazla etkindirler. Sonuç olarak bunlar, istenmeyen yan tepkimelere de yol açarlar. Daha iyi bir yöntem; “korunmuş” amino asidin karboksil grubunu O II etil kloroformat, C1— C— OC2H5 , ile bir karışık anhidride dönüştürmektir.

O

O Z—NHCHC— OH

o

II II * Z—NHCH—C—O— C — OC,Hrıc o .c .H ,

( 1 ) (Ç2 h 5)3n (2)

R

‘Karışık anhidrit”

Bu karışık anhidrit daha sonra, başka bir amino asiti açillemek ve bir peptit bağı oluş turmak için kullanılabilir. O

H,N— CHCOj"

? Z—NHCHC— O — COC,H5

R'

R O

z—NHCHC—NHCHCO,H + CO, + C,H,OH I

R

I

R'

Disikloheksilkarbodiimit (Altbölüm 18.8 E) de bir amino asidin karboksil grubunu etkinleştirmek için kullanılabilir. Altbölüm 24.7D’de bunun, otomatik peptit sentezin de nasıl kullanıldığını göreceğiz. 24.7C Peptit Sentezi

Şimdi bu maddelerin basit bir dipeptit, Ala • Leu, sentezinde nasıl kullanıldığını göre lim. Burada söz konusu olan kurallar, daha uzun polipeptit zincirlerinin sentezine kadar genişletilebilir.

24.7 Polipeptit ve Protein Sentezleri

o OH"

CH3ÇHC02" + C6H5CH,OC — Cl •25«e >

CH,CH—C 0 2H

NH,

NH

+

Ala

(1) (C;H-j)3N

(2) C1C02C2Hj

C= 0

Benzil kloroformat

c 6h 5c h 2o

Z-Ala NH,

O

o

II II CH,CH—C —OCOCJİ, I

(CH,),CHCH;CHCO, Leu

c o 2 + C2H5OH

NH

U C/,H^CHıO Z-Ala’nın karışık anhidriti

O 5
C

H-./ Pd

NHCHC02H --------►

NH

CH2

C=0

(„11,(11,0

HıC

CH,

Z-Ala . Leu

O II CH,CHCNHCHCO," +

'I nh3 + J

CH, + C02

I ch2 j / c\

H,C

CH,

Ala . Leu

Giy • Val • Ala sentezinin bütün basamaklarını koruyucu grup olarak ter-bütiloksi- •< korbonil (Boc) grubunu kullanarak gösteriniz.

P ro bl em 24.11

Lizin içeren bir polipeptit sentezi her iki amino grubunun da korunmasını gerekti- •< rir. (a) Lys • ile sentezinde koruyucu grup olarak benziloksikarbonil grubunu kul lanarak bunun nasıl yapılacağını gösteriniz, (b) Benziloksikarbonil grubu argininin

P ro bl em 24.12

guanidino grubunun, — N H C— NH0, korunması için de kullanılır. Arg ■Ala’nın bir sentezini gösteriniz.

1203

1204


P ro b l e m 2 4 . 13

>■ Glutamik asit ve aspartik asitin uç karboksil grupları benzil esterlerine dönüştürü lerek korunabilir. Bu koruyucu grubu uzaklaştırmak için nasıl bir ılımlı yöntem kul lanılabilir?

24.7D Otomatikleştirilmiş Peptit Sentezi Bahsedilen yöntemlerle, insiilin büyüklüğündekileri de içeren birçok polipeptit sentezi yapılmasına rağmen, hepsi çok zaman alıcıdır. Hemen hemen her basamakta ürünlerin ay irilip saflaştırılması gerekmektedir. Bu yüzden R. B. Merrifield (Rockefeller Üniver sitesi) tarafından, otomatik hale getirilmiş peptit sentezi için bir yöntemin geliştirilme si, peptit sentezinde gerçek bir ilerleme sağlamıştır. Merrifield, bu çalışmasından ötürü 1984'te Kimya Nobel ödülünü aldı. Merrifield yöntemi Şekil 24.3’te gördüğümüze benzer bir polistiren reçinenin kullanılmasına da yanır. Yalnızca burada sülfonik asit gruplarının yerine— CH:C1 gruplan bulunmakta dır. Bu reçine küçük boncuklar şeklinde kullanılır ve birçok çözücüde çözünmez. Otomatik peptit sentezinin ilk basamağı (Şekil 24.7) korunmuş birinci amino asit kalıntısının reçine boncuğuna bağlandığı bir tepkime içerir. Bu basamak tamamlandık tan sonra, koruma grubu uzaklaştırılır ve bir sonraki amino asit (bu da korunmuştur), önce, karboksil grubunu etkinleştirmek için disikloheksilkarbodiimit (Altbölüm 18.8E) ile kondensasyona sokulur. Daha sonra, ikinci kalıntının koruma grubunun uzaklaştırıl ması sonraki basamak için gerekli olan reçine-dipeptit hazırlanır. Bu işlemin en büyük üstünlüğü; reçine ile ona bağlı polipeptitin saflaştırılmasının, her basamakta, reçinenin uygun bir çözücü ile basitçe yıkanarak yapılabilmesidir. Safsızlıklar, çözünmeyen reçineye bağlı olmadıklarından çözücü ile basit bir şekilde uzak laştırılırlar. Bu otomatik işlemde “protein-yapıcı makina'mın her bir çevrimi için sadece 4 saat gereklidir, ve bir çevrimde yeni bir amino asit kalıntısı bağlanır. Vücuttaki ami no asit sentezi ise enzimler tarafından katalizlenir ve DNA ve RNA tarafından yönlen dirilir. Bu sentezde 1 dakika içinde 150 amino asit belirli bir diziliş sırasında bağlanır (Altbölüm 25.5). Merrifield tekniği, 124 amino asit kalıntısından oluşan bir protein olan ribonıikleazın sentezine başarıyla uygulanmıştır. Bu sentezde 369 kimyasal tepkime ve 11.931 otomatik basamak vardır, ara ürün izolasyonu yapılmadan tamamlanmıştır. Sentetik ribonıikleaz doğal enzimin aynı fiziksel özelliklerini taşımakla kalmayıp, onunla özdeş biyolojik etkinliğe de çok iyi bir şekilde sahiptir. Toplam verim %17’dir. Bu demektir ki, her basamağın ortalama verimi %99 dan büyüktür. P ro bl em 24.14

>- Merrifield yöntemindeki reçine, polistirenin, —7—CHXH-V—; CH3 0CH 2C1 ile

V

C6H5/„

bir Lewis asit katalizörünün varlığında etkileştirilmesiyle elde edilmiştir, (a) Han gi tepkimeler oluşmuştur? (b) Saflaştırma işleminden sonra bütün polipeptit veya protein, tiriflorosetik asit içerisindeki HBr ile. amit bağlarına etki etmeyen ılıman koşullarda reçineden ayırılabilir. Reçinenin hangi yapısal özellikleri bunu mümkün kılmaktadır? P ro b l e m 2 4 . 15

>- Merrifield yöntemi kullanılarak yapılan Lys • Phe • Ala sentezindeki bütün basa makları gösteriniz.

24.8 Proteinlerin İkincil. Üçüncül ve Dördiincül Yapıları

O II

O II

Cl + H O CCH N H CO C(CH 3)3

R

1. B a sa m a k

Korunmuş C-ucuna sahip amino asit kalıntısı reçineye bağlamr.

2. B a sa m a k

Reçineyle bağlanmış kalıntı yıkam a ile saflaştırılır.

3. B a sa m a k

Koruma grubu uzaklaştırılır.

4. B a sa m a k

Yıkam a ile saflaştırma yapılır.

5. B a sa m a k

Bir sonraki amino asit kalıntısı (korumalı) katılır.

6. B a sa m a k

Yıkama ile saflaştırma yapılır.

7. B a sa m a k

Koruma grubu uzaklaştırılır.

^baz 0

0

II

II

OCCH N H CO C(CH 3)3 R ^CF3C 02H, CH 2C12 içerisinde

O II occh nh

.5

I R

o

o

HOCÇHNHCOC(CH3)3 R'

ve

disikloheksilkarbodiinıit

0

0

0

O C CH N H CCH N H CO C(CH 3)3

R

R'

^CF3C 02H, CH2C12içerisinde

4 -7. Basam akların tekrarı 1

HBr, CF3C 0 2H

O

O

Son B a sa m a k Tamamlanmış polipeptit ayrılır.

O

Br + H O CCH N H CCH N H CCH N H —

I R

I R'

vb.

I R"

Şekil 24.7 Otomatikleştirilmiş protein sentezi için Merrifield yöntemi.

2 4 .8

P R O T E İN L E R İN İKİN C İL, Ü Ç Ü N C Ü L VE D Ö R D Ü N C Ü L YAPILARI

Amit ve disülfür bağlarının proteinin kovalent veya birincil yapısını nasıl oluşturduğu nu gördük. Peptit zincirlerinin üç boyutlu olarak düzenlendiğini bilmek, proteinlerin na sıl görev yaptıklarını anlamakla eşit öneme sahiptir. Burada işlenecek olan, proteinlerin ikincil ve üçüncül yapılarıdır. 24.8A İkincil Yapı Bir proteinin cincil \ apışı: polipeptit omurgasının yerel konformasyonu tarafından be lirlenir. Bu yerel konformasyonlar sarmal, kıvrımlı tabaka (plili) ve burgu olarak adlan dırılan düzenli katlanabilir modeller yardımıyla belirlenir. Proteinin ikincil yapısını

1205

1206


Şekil 24.8 Peptit bağlarının geometrisi ve bağ uzunlukları (A olarak). Birbirine bağlı 6 atom karşılıklı düzlemlerde olma eğiliminde dirler ve bir “transoit” düzenlemede oldukları varsayılır. [Voet, D.; Voet J. G. Biochemistry, 2nd.; Wiley: New York, 1995, s 142 den, izin alınarak kullanılmıştır.]

H

1,24 120

50

/"

'V 123,5°

’/ * / peptit bağl ç>\ * * / 1 22 ° 116°

k

119,5 1 ,0

H

\A 6

ııı°

j *

t

A m it

H

d ü z le m i

trans-Peptit gurubu

Linus Pauling İki Amerikan bilim adamı Linus Pauling ve Robert B. Corey proteinlerin Xışınları analizinde öncü dür. 1939'da başlayarak, Pauling ve Corey peptit zincirlerinin konformasyonlarına ait uzun bir dizi çalışmaları başlatmışlar dır. İlk önce, tek bir aınino asidin kristallerini kullanmışlardır, sonra dipeptit, daha sonra tripeptit v.s. Daha büyük moleküllere doğru hare ketle ve kesin olarak ta nımlanmış moleküllerin yapı modellerini kullana rak ilk defa proteinlerin ikincil yapılarını anlaya-

aydınlatmak için kullanılmış başlıca deneysel teknikler X-ışınları analizi ve NMR'dir (2D NMR dahil). X-ışınları, kıristal bir madde içerisinden geçtiğinde kırınım şekilleri oluşturur. Bu şekillerin incelenmesiyle, birbirlerine göre belirli özel aralıklarla belirli yapısal birim lerin düzenli olarak tekrarlandıkları görülmüştür. Bu mesafeye tekrarlanma aralığı adı verilir. X-ışmlan analizlerine göre, doğal bir proteinin polipeptit zinciri kendisi ile iki ana yolla etkileşebilir: /^-kıvrımlı tabaka ve a-sarmal oluşumu üzerinden. Bu etkileşimlerin nasıl olduğunu anlamak için, öncelikle X-ışını analizinin, peptit bağının kendi geometrisi hakkında ne ortaya koyduğuna bakalım. Peptit bağlarının eği limli olduğu varsayılan geometrik şekilde, amit bağının 6 atomu karşılıklı düzlemlerde dir (Şekil 24.8). Amit bağlantısındaki karboıı-azot bağının beklenmedik şekilde kısa olması, aşağıda gösterilen rezonans yapılarının rezonans katkılarının önemli olduğunu vurgulamaktadır. V-

-/

/

\

N— C

O

\+ / N =C / \

O

Sonuç olarak karbon-azot bağı oldukça fazla ikili bağ karakterine sahiptir (~ %40) ve bu bağın etrafındaki gurupların dönmeleri büyük ölçüde engellenmiştir. Amit azotuna ve karbonil karbonuna bağlı grupların dönmeleri nispeten serbesttir ve bu dönmeler, peptit zincirinin değişik konformasyonlar oluşturmasına imkan verir. Nispeten sert amit bağının etrafındaki grupların transoit yerleşimi; R-gruplarının tam olarak uzanan tek bir peptit zincirinin farklı taraflarında dönüşümlü olarak bulunmala rına yol açabilmektedir.

24.8 Proteinlerin İkincil, Üçüncül ve Dördüncül Yapıları

1207

Hesaplamalar böyle bir polipeptit zincirinin tekrarlanma aralığının (yani birbirini izle yen birimler arasındaki mesafenin) 7,2 A olması gerektiğini göstermiştir. Tam olarak uzanan polipeptit zinciri, muhtemelen bir düzlemsel tabaka yapısı oluş turabilir. Bu yapıda her bir zincirde, komşu zincirdeki bir amino asit ile iki hidrojen ba ğı oluşturan, birbirini izleyen amino asitler vardır. H I

Ö II

Q

H

H R \ /

H

R

H I

O

6

I

H

Hayali düzlem-tabaka yapısı isterik engellemeden dolayı oluşmaz)

Bu yapı, R-grupları arasında var olabilecek kalabalıklaşma nedeniyle doğal proteinler de mevcut değildir. Eğer bu yapı oluşabilseydi, tıpkı tam olarak uzanmış peptit zinci rindeki gibi aynı tekrarlanan mesafeye, yani 72 A, sahip olacaktı. Bağların hafifçe dönmesi yine de: /3-kıvrımlı tabaka ya da /3-konfigürasyon ola rak adlandırılan bir düzlem-tabaka yapısına dönüşümü sağlayabilir (s. 1208 deki Şekil 24.9). Kıvrımlı tabaka yapısı, küçük ve orta büyüklükteki R gruplarının van der Waals itişmelerinden kaçınmaları için yeterli bir boşluk sağlayabilir. Bu yapı, ipek liflerinin başlıca yapısını oluşturur (%48 glisin + %38 serin ve alaniıı kalıntısı). Bu kıvrımlı ta baka yapısı, düzlemsel tabakalara göre biraz daha kısa olan 7,0Â’luk bir tekrarlanma aralığına sahiptir. Doğal olarak oluşan proteinlerde önemli olan a-sarmal olarak adlandırılan ikincil yapıdır (s. 1209 Şekil 24.10). Bu yapı, sağa burmalı sarmaldır ve bir bükümde 3.6 ami no asit kalıntısı vardır. Zincirdeki her amit grubu her iki yönde de hidrojen bağı ile 3 amino asit kalıntılık mesafedeki diğer amit grubuna bağlanır ve R grupları sarmalın ek seninden uzakta uzanırlar. Bu a-sarmalın tekrarlanma aralığı 5,4 Â’dur. Bu a-sarmal yapısı birçok proteinde bulunur; bu yapı, kas proteini olan miyosin gi bi lifli proteinlerin ve saç, gerilmemiş yün ile tırnak proteini olan a-keratirıin polipep tit zincirlerinin başlıca yapısıdır. Sarmal ve kıvrımlı tabakalar, adi küresel proteinin yapısının yaklaşık yarısını oluş tururlar. Geriye kalan polipeptit kısımları kangal veya spiral konformasyonundadır. Bu tekrarlanmayan yapılar gelişi güzel değildir ve bunların açıklanması daha da zordur. Kü resel proteinler, polipeptit zincirinin birdenbire yön değiştirdiği yerde ters döngüler ve ya /3-kıvrımları olarak adlandırılan uzantılara sahiptirler. Bunlar çoğu kez /3-tabakalarının birbirlerini izleyen iplikleri ile birleşirler ve hemen hemen her zaman protein yüzeyinde oluşurlar. Sayfa 1210'daki Şekil 24.11 ’de, insan karbonik anhidraz enziminin yapısı, X-ışınları kristalografik verilere dayanılarak gösterilmektedir. a-Sarmal (morumsu-kırmızı) ve ^-tabakalarına (sarı) ait kısımlar, ters döngüler ve tekrarlanmayan yapılar (mavi ve be yaz) arasına karışırlar.

/3-kıvrımlı tabaka.

1208


P

O

7.0A

r -

n

Şekil 24.9 Bir proteinin ^-kıvrımlı tabakası veya /J-konfigürasyonu. [Telif hakkı Irving Geis’e ait olan şekil, Voet, J. G. Biochemistry, 2nd ed.; Wiley: New York, 1995; s 150'den izin alınarak kullanılmıştır.]

24.8 Proteinlerin ikincil. Üçüncül ve Dördüııcül Yapıları

Şekil 24.10 Bir polipeptidin «-sarmal yapısının bir gösterimi. Hidrojen bağları kesikli çizgilerle belirtilmiştir. [Telif hakkı Irving Geis’e ait olan şekil, Voet, J. G. Biochemistry, 2nd ed.; Wiley: New York, 1995; s 146’dan izin alınarak kullanılmıştır.J

1209

1210


Şekil 24.1 I İnsan karbonik anhidraz enziminin X-ışmları kristalografîsi veri lerine dayandırılan yapısı. «-Sarmalları morumsu kırmızı ve /3-kıvrımlı tabaka lar sarı renkli olarak gösterilmiştir. Döngüler mavi ve gelişi güzel halkalar beyaz olarak gösterilmiştir. Üç histidin kalıntısının yan zincirleri (kırmızı, yeşil ve mavi-yeşil) bir çinko atomu (açık ye şil) ile bir düzen içindedir. Şekilde açık olarak gözlenmemesine rağmen, C-uçları polipeptit zincirlerinin çevrimleri içinde sıkışıp kalmıştır, bu da karbonik anhidrazı, polipeptit zincirinin bir dü ğüm oluşturduğu doğal proteinlerin çok az rastlanan bir örneği haline sokar. [Görüntü, Erikson. A. E.; Jones, T. A; Liljas A., Protein Data bank file 1CA2. pdb’den alman X-ışınları kristal yapı sından hazırlanmıştır.]

Küresel proteinlerin amino asit yan zincirlerinin yerleşimi onların polarlıklarından beklenildiği gibidir.

1. Valin, lösin, izolösin, metiyonin ve fenilalanin gibi apolar ve hidrofobik yan zincirli kalıntılar hemen hemen daima proteinin iç kısmında bulunurlar ve böylece sulu çözelti ile temas etmezler. (Bu hidrofobik etkileşimler proteinin üçüncül yapısından büyük oranda sorumludurlar. Bu, Altbölüm 24.8B’de tartışılacaktır.) 2. Arginin, lizin, aspartik asit ve glutamik asit gibi + veya - yüklü polar kalıntılara sahip yan zincirler, genellikle protein yüzeyinde ve sulu çözelti ile etkileşim halin dedirler. 3. Serin, tveonin, asparagin, glutamin, tirosin ve triptofaninki gibi yüklü olmayan polar yan zincirler, genellikle yüzeyde, fakat bazen de iç kısımlarda bulunabilirler. Bunlar iç kısımda bulunduklarında, diğer benzer kalıntılara gerçek hidrojen bağı ile bağlıdırlar. Hidrojen bağlarının, bu grupların polarlıklarınm nötr hale gelmesine yar dım ettiği açıktır. Belirli peptit zincirleri; gelişigüzel halka düzenlenmeleri adı verilen esnek, değiş ken ve istatiksel olarak tesadüfi bir yapıyı oluşturmayı üstlenirler. Örneğin sentetik polilizin, bir gelişigüzel halka olarak bulunur ve normal olarak bir «-sarmal oluşturmaz. PH 7’de lizin kalıntılarının £-amino gurupları pozitif olarak yüklenmiştir ve bunun so nucu olarak da aralarındaki itici kuvvetler, bir «-sarmalın hidrojen bağı oluşumunun sağ layabileceği kararlılığı yenecek büyüklüktedir. Oysa pH’12 de, £-amino gurupları yüksüzdür ve polilizin kendiliğinden bir «-sarmal oluşturur. Polipeptit zincirindeki prolin ve hidroksi prolin kalıntılarının varlığı diğer bir çarpı cı etkiyi oluşturur. Bu amino asitlerin azot atomları beş üyeli halkanın parçalan olduk larından, azota bağlı gruplar, «-karbon bağı yeterince dönemediğinden bir a-sarmal yapısı oluşturamazlar. Peptit zincirinde prolin veya hidroksiprolin varsa, onların varlığı bir dolaşıklığa ya da büküme neden olur ve «-sarmal yapısını böler.

24.8 Proteinlerin İkincil. Üçüncül ve Dördüncül Yapıları

1211

24.8B Üçüncül Yapı Proteinin üçüncül yapısı onun üç boyutlu şeklidir ve polipeptit zincirinin daha ileri katlanmalarından oluşur; katlanmalar, cr-sarmalın halkaları üzerinde olur. Bu katlan malar rastgele meydana gelmezler. Uygun çevresel koşullarda özel yollarla oluşurlar. Bu yol özel bir proteini karakterize edebilecek ve işlevi için önemli olabilecek nitelik tedir. Üçüncül yapıyı kararlı kılacak çeşitli kuvvetler vardır, bunlara birincil yapının disülfür bağları da dahildir. Birçok protein için karakteristik olan, katlanmanın şeklidir. Sulu çevreye dönük maksimum sayıda polar (hidrofilik) grup ve içeride de maksimum sayıda apolar (hidrofobik) grup yer alacak şekilde katlanmalar meydana gelir. Çözünen küresel proteinler lifli proteinlere göre daha çok katlanırlar. Buna rağmen, lifli proteinlerin de üçüncül yapıları vardır. Örneğin, a-keratinin cr-sarmal telleri birlik te bir “süper sarmal” yapı oluşturacak şekilde sarılmışlardır. Süper sarmal, a-sarmalın her 35 döngüsü için tam bir döngü oluşturur. Fakat, üçüncül yapı burada sonlanmaz. Aynı zamanda süper sarmal yapılar, kendi aralarında 7 telli halat benzeri yapılar oluş turacak şekilde burulurlar. Miyoglobin (Şekil 24.12) ve hemoglobin (Altböliim 24.12), (1957 ve 1959'da) tam X-ışmları analizi başarıyla yapılan ilk proteinlerdir. Bu çalışma J. C. Kendrew ve Max Perutz tarafından Cambridge Üniversitesinde, İngiltere’de tamamlanmıştır. (Kendrew ve Perutz 1962’de Kimya Nobel Ödülünü almışlardır.) Bundan sonra lizozim, ribonükleaz ve a-kemotripsin gibi diğer proteinlerin tam yapı analizleri de yapıldı. Bugün binlerce proteinin X-ışınları kristal yapı analiz sonuçları, araştırıcıları ile, bilgisayar veri banka larında depolanmıştır.

iviiyoglobin

Şekil 24.12 Miyoglobinin üç boyutlu yapısı. Heme halkaları gri renkte, demir atomları kırmızı küreler ve histidin yan zincirleri (demir ile koordine olan) ma vimsi yeşil olarak gösterilmiştir. (Görüntü “Phillips S. E. V., Protein Data Bank file İMBD. pdb’den alman X-ışınları kristal yapısından hazırlanmıştır.

1212

Bölüm 24 / Amino Asiller ve Proteinler

24.8C Döndüncül Yapı Çoğu protein kararlı ve tek bir polipeptit zincirinden daha fazla sayıda kovalent ol mayan kümeler halinde düzenlenmiş olarak bulunur. Çok sayıda alt birimlere sahip olarak adlandırılır. Örneğin hemoglobinin proteinin tüm yapısı onun d ö r d ü n c ü ! dördüncül yapısı dört tane alt birimi kapsar.

2 4 .9

Karbonik anhidraz Karbonik anhidraz aşağıdaki tepkimeyi kata lizleyen bir enzimdir: h 2o + C 0 2^ H2C 0 3. Bölüm 3’ütı açdışında kan pH'sının ayarlanmasında tartışılmıştır.

E N Z İM LE R E GİRİŞ

Canlı hücrelerde oluşan tepkimelerin hepsine s olarak adlandırılan biyolojik kata lizörler etki ederler. Enzimler tepkime hızlarında büyük bir artışı da beraberinde getirme yeteneğine sahiptirler. Birçok durumda enzimle katalizlenmiş tepkimelerinin hızı, kata lizlenmemiş tepkimelere göre 106- 1012 kez daha fazladır. Canlı organizmalar için bu büyüklükteki hız artışları, canlı hücrelerde var olan ılımlı koşullar altmda bile, tep kimelerin uygun hızlarda gerçekleşmesine fırsat verdikleri için önemlidir (örneğin yak laşık olarak nötr pH'da ve 35"C sıcaklıkta). Enzimler, tepkimeye girenler (s denir) için kaydedeğer bir özgüllük gös terirler. Bu özgüllük diğer kimyasal katalizörlerin gösterdiklerinden çok daha büyük tür. Örneğin, proteinlerin enzimatik sentezinde (ribozomlar üzerinden yürüyen tepkimelerle) 1 0 0 0 amino asit kalıntısından çok daha fazlasını içeren polipeptitlerin sen tezi enzimlerce hatasız olarak gerçekleştirilir, a ve /3-glikozidik bağların ayırt edilme sinde enzimlerin rolü Emil Fischer tarafından 1894’te keşfedilmiş ve bu da onun, enzimlerin özgüllüğü için muiııa önermesine yol açmıştır. Bu varsayıma göre, bir enzimin (kilit) ve onun substratının (anahtar) özgüllüğü onların bir birlerini tamamlayıcı geometrik şekillerinden kaynaklanır. Enzim ve substratı, bir enzinı-substrat kompleksi oluşturmak üzere birleşirler. Bu kompleksin oluşumu için enzimde, enzimin substrata daha etkili bir şekilde bağlanabil mesini sağlayan konformasyonel değişimlerin olması gerekir. Buna denir. Substratın enzime bağlanması çoğunlukla substratın bağlarının daha gergin olma sına neden olur, bundan dolayı da bu bağlar daha kolay kırılırlar. Tepkimenin ürünleri genelde substrattan farklı şekillere sahiptir ve bu farklı şekiller veya diğer bir molekü lün girdiği bazı durumlarda, bu kompleksin parçalanmasına yol açarlar. Enzim böylece substratın başka bir molekülünü de kabul edebilir ve bütün bu işlemler tekrarlanır. Enzim + substat

Ribozim denilen belirli RNA molekülleri de enzim olarak davranabilirler. Ribozimleri buluşlarından ötürü Kimya Nobel Ödülü 1989Ma Sidney Altman (Yale Üniversitesi) ve Thomas R. Cech’e (Colorado, Boulder) Üniversitesi) verilmiştir.

enzim-substrat . ... kompleksi

enzim + ürün

Hemen hemen bütün enzimler proteindir. Substrat proteine bağlanır ve tepkime et kin taraf adı verilen yerde gerçekleşir. Substratı etkin tarafa yönlendiren kovalent olma yan kuvvetler, proteinlerin kendilerinin konformasyonlarından sorumlu olan kuvvetlerle aynıdır: van der Waals kuvvetleri, elektrostatik kuvvetler, hidrojen bağları ve hidrofobik etkileşimler. Bu etkin tarafta yer alan amino asitler özel olarak substratla ilişkiye gi recek şekilde sıralanmıştır. Enzimlerle katalizlenen tepkimeler stereözgiidür ve tepkimelerin özgüllüğü enzim ile substratın bağlanış şekillerinden kaynaklanır. Örneğin bir a-glikosidaz sadece bir gli kozitin a şekline bağlanır. /3-şekline bağlanmaz. Şekerleri metabolize eden enzimler yal nızca D-şekerlerini bağlarlar; birçok proteini sentezleyen enzimler de sadece L-amino asitlerini bağlarlar; vb. Enzimler tam olarak stereözgü olmalarına rağmen çoğu zaman geometrik özgüllük leri ile oldukça farklılıklar gösterirler. Geometrik özgüllük demekle, substratın kimya-

24.10 Lisozim: Bir Enzimin Etkime Şekli

1213

sal gruplarının özdeşlikleriyle ilişkili özgüllüğü kastetmiş oluruz. Bazı enzimler sadece bir bileşiği substratları olarak kabul ederler. Bazıları ise geniş bir alandaki benzer bile şikleri kabul edebilirler. Örneğin karboksipeptidaz A, bütün polipeptitlerden C-ııcu peptitini hidroliz edebilir, ancak sondan bir önceki kalıntı arginin. lizin veya prolin olmamalı, ve sonra gelen kalıntı prolin olmamalıdır. Kimotripsin. peptit bağlarının hidrolizini ka talizleyen bir sindirim enzimidir ve esterlerin hidrolizini de katalizler. Bu hidrolizin me kanizması Altbölüm 24.1 l'de ele alınacaktır. O

O

A R

NH — R'

+ H, 0 "

k'"1>ltripSm ► A R

+ H ,N - R ’ O-

Peptit

O

O

A R

O — R'

+ H,0 “

klmMfips", ► / A + H O -R ' R OH

Ester

Bir enzimin etkinliğini olumsuz yönde etkileyen bir bileşiğe inhibitor denir. Etkin taraf için doğrudan substrat ile yarışan bir bileşik bir rakip inhibitör olarak bilinir. Altbölüm 20.1 l'de de öğrendiğimiz gibi sülfanilamit, /7-amino benzoik asiti folik asite çeviren bakteri enziminin rakip inhibitörüdür. Bazı enzimler bir yardım a etkenin (kofaktön varlığına ihtiyaç duyarlar. Bu yar dımcı etken bir metal iyonu olabilir, insan karbonik anhidrazın çinko atomu gibi (bkz. Bölüm 3 girişi ve Şekil 24.1 1). Bazı diğer enzimler koenzim (yardımcı enzim) denilen NAD (Altbölüm 14.10) gibi bir organik molekülün varlığını gerektirebilirler. Koenzimler enzimatik tepkimelerde kimyasal olarak değişirler. NAD\ NADH’ye dönüşür. Ba zı enzimlerde yardımcı etken enzime kalıcı olarak bağlanır. Buna da preslet ik (bir bileşiğe eklenen değişik türden) grup denir. Suda çözünen vitaminlerin çoğu koenzimlerin öncüsüdür. Örneğin, niasin (nikotonik asit) NAD~'nın öncüsüdür. Pantotenik asit ise koenzim A'nın öncüsüdür. O HO\

Niasin

2 4 .1 0

Koenzimler, bazı enzimler için “organik kimya ma kineleri” olduklarından bazılarıyla daha önceki bölümlerde tanışmıştık. Örneğin “Koenzim NADH’nin iki durumu” (Bölüm 12, giriş), “Pridoksal Fosfatın Kimyası” (Altbölüm 16.8) ve “Tivaminin Kimyası”na (Altbölüm 18.11) bakınız.

Pantotenik asit

L İS O Z İM : BİR E N Z İ M İ N E T K İ M E ŞEK Lİ

Lisozim 129 amino asit kalıntısından oluşur (Şekil 24.13). 5 ve 15. 24 ve 34, 8 8 ve 96 kalıntıları arasındaki zincirin üç kısa parçası bir a-sarmal yapıya sahiptir; 41 ve 45, 50 ve 54 arasındaki kalıntılar kıvrımlı tabakalar oluştururlar; kalıntı 46 ve 49’da ise saç tokası şeklinde bir döngü meydana gelir. Lisozimin geriye kalan polipeptit kısımları da halka ve spiral şekiller oluştururlar. Lisozimin bulunuşu ilginç bir hikâyedir. Alexander Fleming, 1922'de bir gün. soğuk algınlığından acı çekiyordu. Bu, Londra için alışılmamış bü durum değildi ama Fleming çok sıradışı bir adamdı ve soğuk al gınlığım kendine özgü bir şekilde bir avantaj haline dönüştürdü. Burun salgısını bir

T â lH

i

Lisozimin kurdele diyag ramı

1214


Şekil 24.13 Tavuk yu murtası beyazından elde edilen Lisozimin birincil yapısı. Substrat-bağlı cep lerde dizili olan amino asitler mavi renkte göste rilmiştir. [Voet, D.; Voet, J. G. Biochemistry, 2nd ed.; Wiley: New York, 1995; s 382’den alınmıştır.]

Leu Asp Asn Tyr Arg Giy Tyr Ser Leu Giy

Arg Lys Met Ala Ala

20

Ala Gin Val Asp Thf İle Arg Ala

120

~ ■G|y

Leu Glu Cys

1

H qN

l*s

Val Phe

Gly © Ser 100 Val Ile Lys

Ï Cys Asn Val

S 90 Ser Ala Thr

70 Thr § Gly Asn f” 80 S Asp c';Ser s Cys Ala: Irp Leu; '.Tipi Leu' Arg Şer Ser 60 Ser Asn Asp Cys Asn İle

Thr 40 Gln Ala Thri © Arg Asn Thr Asp Gly 50 Ser Thr Ile Gly

Tyr

bakteri kültürü üzerine akıttı ve daha sonra ne olacağını incelemek için kabı bir tara fa koydu. Bir süre sonra bakterilere yakın olan sümüğün çözünmekten öte başka bir şey olduğunu keşfettiğinde heyacanlandı. Bir süre için, evrensel bir antibiyotik bul ma ihtirasını gerçekleştirdiğini düşündü. Sümüğün antibakteriyel davranışını, hızlı bir şekilde bir enzimin varlığına bağladı: bakteri hücrelerini parçalama, veya çözme ye teneğinden dolayı bu maddeye lisozim adım verdi. Lisozim daha sonra birçok doku da ve insan vücudunun salgılarında, bitkilerde ve yumurtanın beyazında çok olarak bulundu. Fleming, ne yazık ki, bu maddenin zararlı bakterilerin çoğuna karşı etkin olmadığım buldu. Benzer yeni bir deneyin gerçekten etkin bir antibiyotik olan peni silini açıklamasına kadar 7 yıl beklemek zorunda kaldı.

Yıllar sonra Oxford Üniversitesinden Profesör David C. Phillips X-ışınlarını kulla narak lisozimin üç boyutlu yapısmı buldu* Phillips’in, lisozim üzerindeki X-ışım kırınımı çalışmaları özellikle, bu enzimin substratı üzerinde nasıl etki ettiği hakkında önemli bilgiler verdiğinden ilgi çekicidir. Liso zimin substratı, bakteri hücre duvarının bir kısmını oluşturan amino şekerlerin bir polisakkaritidir. Hücre duvarı polisakkariti gibi aynı genel yapıya sahip bir oligosakkarit Şekil 24.14’te görülmektedir. Phillips ve çalışma arkadaşları, (yalnızca N-asetilglikozaminden oluşan) oligosakkaritleri kullanarak lisozomların çok yavaş etki ettiği tepkimeleri gözlediler ve substratın nasıl enzimin aktif tarafına uyduğunu keşfettiler. Bu taraf lisozimin yapısında derin bir * David C. Phillips, T h e T h re e -D im e n sio n a l S tru c tu re o f an E nzym e M o le c u le , Copyright © 1966 by Scien tific American, Inc.’den aktarılmıştır (bütün hakları saklıdır.)

24.11 Serin Proteazlar

Cil,

Şekil 24.14 Bir heksasakkarit, lisoziıııin etkilediği hücre duvarı poiisakkaridiyle aynı genel yapıya sahiptir. İki değişik amino şekeri vardır: Halka A, C ve E A-asetilglikozamin adı verilen bir monosakkaritten türetilir. B, D ve F halkaları ise N-asetilmuramik asit de nilen bir monosakkaritten türetilir. Lisozim, bu oligosakkarit üzerine etkidiğinde hidroliz meydana gelir ve bunun sonucu D ile E halkaları arasındaki glikozidik bağ kırılır.

yarıktır (Şekil 24.15r/. s. 1216). Oligosakkarit hidrojen bağlarıyla bu yarıkta tutulur ve enzim substrata bağlandığında iki önemli değişiklik gerçekleşir. Enzimdeki yarık hafif çe kapanır ve oligosakkaritin D halkası, kararlı sandalye yapısının dışına çıkarak “düz lemselleşir”. Bu düzlemleşme D halkasının 1,2, 5 ve 6 ’daki atomlarının aynı düzlemde olmasına yol açar. Bu D halkasının şeklinin bozulması, onunla E halkası arasındaki gli kozidik bağı hidrolize karşı daha duyarlı hale getirir.* Glikozidik bağların hidrolizi muhtemelen Şekil 24.15/rde gösterildiği gibi meyda na gelir. Glutamik asitin (kalıntı numarası 35) karboksil gurubu. O ve E halkaları ara sındaki oksijene bir proton verir. Bu protonlanma, glikozidik bağda bir kırılmaya ve D halkasının C Tinde bir karbokatyonun oluşmasına yol açar. Bu karbokatyon, yakınlar da bulunan aspartik asitin (kalıntı numarası 52) negatif yüklü karboksil gurubu tarafın dan kararlı kılınır. Bir su molekülü içeri girer ve karbokatyona bir OH- iyonu ve gliitamik asitten ayrılanın yerine proton sağlar. Lisozimin bir X-ışım kristal yapısı Şe kil 24.15c'de gösterilmektedir. Glutamik asit (35) ve aspartik asit (52) top ve çubuk şek linde gösterilmiştir. Polisakkarit. bakteri hücre duvarının bir parçası olduğunda lisozim, muhtemelen hüc re duvarına hidrojen bağlarıyla bağlanır. Hidroliz meydana geldikten sonra lisozim ay rılır ve arkasında delik hücre duvarlı bir bakteri bırakır.

2 4.1

I

S er în P r

o te a z l a r

Kimotripsin, tripsin ve elastin; pankreasın, peptit bağlarının hidrolizini katalizlemek için ince bağırsağa salgıladığı sindirim enzimleridir. Bu enzimler serin proteazlar olarak adlandırılırlar, çünkü onların proteolitik etkinliklerinin (genelde hepsinde var olan) me kanizması, enzimatik etkinlik için gerekli olan serin kalıntısı içerir. Enzimlerin nasıl ça lıştıklarını gösteren diğer bir örnek olarak kimotripsinin işleyiş mekanizmasını inceleyeceğiz. Kimotripsin; kimotripsinojen adı verilen ve 245 amino asit kalıntısından oluşan bir öncü molekül tarafından oluşturulur. Kimotripsinojen in iki dipeptit biriminin ayrılması kimotripsini meydana getirir. Kimotripsin 57 konumundaki histidin. 102 konumundaki * R. H. Lemieux ve G. Huber, Kanada'nm Ulusal Araştırma Konseyi'nde iken, bir aldoheksoz. karbokatyona dönüştüğünde karbokatyon halkasının yalnızca düzlemsel konformasyonda olacağının varsayılacağını göstermiş lerdir.

Bir serin proteaz

1215

1216


Substrat molekülü

r o R O o R

(a)

■c r Su molekülü

Asp 52

O Karbon Oksijen Hidrojen Q r = — c h 2o h

R' = —NHCOCH3 O R "=—CHCCKH

I ch3

,-Ö

4% s-\

Lisozim, ana zincir Lisozim, ana zincir

Lisozim (f)

Şekil 24.15 Bu çizim lisozim-substrat kompleksinin iskeletini göstermektedir. Bu substrat (bu çizimde bir heksasakkarit) lisozim yapısındaki bir yarığa girer ve orada hidrojen bağla rıyla tutunur. Lisozim oligosaksariti bağladığında, yapısındaki yarık lıafıfce kapanır. (“At las o f Protein Sequence and Structure 1969; Dayhoff, M. O.. Ed., National Biomedical Research Foundation: Washington, DC, 1969" dan izin alınarak uyarlanmıştır. Bu çizim, Irving Geis tarafından, Scientific American'da, Kasım 1996’da açıklanan molekülün perspektif tablo su temel alınarak yapılmıştır. Bu tablo, D. C. Phillips ve meslektaşları tarafından, X-ışını kristalografi sonuçları temel alınarak, Londra Royal Enstitüsünde oluşturulan gerçek bir mo delden yapılmıştı.) (b). Lisozimin etkisi için olası bir mekanizma. Bu çizim (o) kısmının bü yütülmüş bir bölümünü göstermekte ve substratın D ve E halkaları arasındaki asetal bağının hidrolizinin nasıl meydana gelebileceğini açıklamaktadır. Glutamik asit (kalıntı 35) araya gi ren oksijen atomuna bir proton verir. Bu, aspartik asitin (kalıntı 52) karboksilat iyonu tara fından kararlı kılınan bir karbokatyonun oluşumuna yol açar. Bir su molekülü, karbokatyona bir OH- ve glutamik asite bir H sağlar. (The Three-Dimensional Structures o f an Enzym Mo lecule, David C. Phillips, Copyright © 1966 by Scientific, Inc.’den izin alınarak uyarlanmış tır. Bütün hakları saklıdır.) (c) Aspartik asiti, 35, (sol) ve glutamik asiti, 52 (sağ) top ve çubuk modeliyle gösteren lisozimin bir kurdela diyagramı. (Bu görüntü ve Altbölüm 24.1(Pun ba şındaki görüntü, Lim, K.; Nadarajah, A.; Forsythe, E. L.; Pusey, M. L. tarafından bir X-ışını kristal yapısından yaratılmıştır. Protein Data Bank file lAZF.pdb.)


1217

aspartik asit ve 195 konumundaki serini bir araya getirecek şekilde katlanır. Bu kalın tılar. birlikte, etkin tarafın katalitik üçlüsü denilen kısmı oluştururlar (Şekil 24.16). Ya kın etkin taraf, öncelikle Phe. Tyr ve Tıp yan zincirlerini barındıran bir yarığa benzeyen cep şeklindeki hidrofobik bağlanma tarafıdır. Kimotiropsin, protein substratını bağladıktan sonra, 195 konumundaki serin kalıntısı peptit bağının acil karbonuna atak yapmak için en uygun hale gelir (sayfa 1218'deki Şe kil 24.17). Serin kalıntısı. 57 konumunda bulunan histidin kalıntısının imidazol azotuna bir protonunu aktararak çok daha nükleofilik olur. Oluşan imidazolyum iyonu. 102 ko numundaki aspartik asit kalıntısının karboksilat iyonunun polarlama etkisiyle kararlı kı lınır. (Nötron kırınım çalışmaları, hidrojen atomlarının konumlarının, karboksilat iyonunun baştan sona karboksilat iyonu olarak kaldığım, gerçekte, imidazoldan bir proton almadı ğını doğrulayacak şekilde olduğunu göstermektedir.) Serin tarafından yapılan nükleofilik atak, bir düzgün dörtyüzlü üzerinden, acillenmiş bir serinin oluşmasına neden olur. Kı rılmış polipeptit zincirinin bu yeni N-ucu ayrılır ve yerine bir su molekülü geçer. Kimotiropsin in etkin tarafının yeniden etkin hale getirilmesi sayfa 1219'daki Şekil 24.18‘de gösterilmektedir. Bu süreçte, su bir nükleofil olarak davranır ve. Şekil 24.17'dekileıe benzer bir dizi basamak üzerinden serin-açi 1 bağını hidroliz eder. Enzim, şimdi bütün işlemleri yeniden tekrarlamak için hazırdır. İhmal etmek zorunda kalacağımız bu mekanizma ile ilgili çok sayıda kanıt vardır. Fakat, bu kanıtlardan çok azı söz etmeye değecek niteliktedir. Serin proteazı tersinmez olarak engelleyen cliizopropilfosf'ofloridat (DIPF) gibi bileşikler vardır. Onların bunu yalnızca Ser 195 ile tepkimeye girerek yaptıkları gösterilmiştir. CH(CH3)2

CH(CH3),

O

O

O

O

CH(CH,)2

CH(CH,)2

Diizopropilfosfofloridat (DIPF)

DIP-Enzim Şekil 24.16 Bu serin protea/.ın (tripsin) katalitik üçlüsü, aspar tik asit 52 (sarı-yeşil), histidin 102 (mor) ve serin 195 (kırmızı) için top-çubuk modelleri kullanı larak dikkat çekici hale getiril miştir. Etkin tarafta bağlı bulunan bir fosfonat inhibitörü tüp forınatında gösterilmiştir. (Bu ve Altbölünı 24.1 l'iıı başın daki görüntü Betrand, J. A.; Oleksyszn, J.; Kam, C.-M.; Boduszek, B/nin X-ışını kristal ya pısından (Protein Data Bank file lMAX.pdb) oluşturulmuştur.

1218


Şekil 24.17 Kimotripsinin katalitik üçlüsü, kimotripsinin serin kalıntısının (195) açillenerek bir peptit bağının kırılması na sebep olur. Yakın etkin taraf, proteinin polar olmayan yan zincirlerini barındıran bir hidrofobik bağlanma tarafıdır.

A çillenm iş se rin k a lın tısı


1219

Şekil 24.18 Kiınotropsinin etkin tarafının yeniden etkin hale getiril mesi. Su, açil-serin bağının hidro lizine yol açar.

A çillenm iş serin k a lın tısı

u ru n u

ımyası Bazı Katalitik Antikorlar

Bir Diels-Alderaz katali tik antikoruyla bağlanan, sikloheksadieıı ve ınaleinıitin Diels-Alder ürünü ne ilişkin bir hapten. (Bu ve Bölüm 24'ün giriş res minde verilen görüntü, Romesburg, F. E.; Spiller, B.; Schultz, P. G.; Stevens, R. C./nin X-ışını kristal yapısından (Prote in Data Bank Tile 1A4K. pdb) oluşturulmuştur.)

^Lntikorlar, bağışıklık sisteminin kimyasal savaşçılarıdır. Her antikor, istilacı bir kimyasal tiire (örneğin, bir virüs veya bir çiçek tozu taneceğinin yüzeyindeki mole küllere) karşı koymak için özel olarak üretilmiş bir proteindir. Antikorların amacı, bu yabancı maddelere bağlanmak ve onların organizmadan uzaklaşmasına yol açmaktır. Her bir antikorun hedefiyle (antijen) bağlanması genellikle oldukça özgüdür. K a ta litik antikorların üretilmesinin bir yolu, bir tepkimedeki geçiş halini andıran bir kimyasal türe karşı bir bağışık (immün) cevabı harekete geçirmektir. Bu fikre gö re. eğer bir antikor, geçiş haline benzer yapıya sahip kararlı bir moleküle bağlana cak şekilde yaratılırsa, bu geçiş hali ü ze rin d e n tepkimeye girebilecek diğer moleküller, genel olarak, antikorla bağlanmanın bir sonucu olarak daha hızlı tepkimeye girmeli dirler. (Reaktantların birleşmesinin kolaylaştırılması ve geçiş hali yapısının oluşu munun yeğlenmesiyle, antikor bir enzime benzer yolla etki eder.) Çok güzel olan bu tarzda, tam olarak bu strateji bazı Diels-Alder tepkimeleri. Claisen çevrilmeleri ve ester hidrolizleri için katalitik antikorlar üretmek amacıyla kullanılmaktadır. Kimya cılar bu tepkimeler için olan geçiş hallerine benzeyen kararlı moleküller sentezlemişler, bu moleküllere (“hapten’Mer denir) karşı olan antikorların üretilmesine izin vermişler ve daha sonra oluşan bu antikorları izole etmişlerdir. Bu şekilde üretilen antikorlar, gerçek substrat molekülleri sağlandığında katalizörler olarak davranmak tadırlar. Aşağıda, bir Claissen çevrilmesi, bir karbonatın hidrolizi ve bir Diels-Alder tep kimesi için katalitik antikorları ortaya çıkarmak amacıyla geçiş hali benzerleri olarak kullanılan hapteıılerin örnekleri verilmiştir. Her bir haptenden oluşturulan antikorla katalizlenen tepkime aşağıda gösterildiği gibidir.

Claisen Çevrilmesi

1221

1222


DTPF’nin etkinlik giderici etkisinin farkedilmesi, DIPF ve ilişkili bileşiklerin güçlü si nir zehirleri olduklarının keşfedilmesinin bir sonucu olarak ortaya çıktı. (Bu maddeler çok küçük damlacıklar halinde dağılan sıvılar olmasına, gaz olmamasına rağmen askeri amaçlı “sinir gazları'’ olarak kullanılırlar.) Diizopropilfosfofloridat, asetilkolinesterazı (Altbölüm 20.4), kimotiropsin ile yaptığı gibi aynı yolla tepkimeye girerek etkin olma yan hale getirir. Asetilkolinesteraz, bir serin proteazından çok bir serin esterazıdır.

2 4 .1 2

H E M O G L O B İ N : BİR K O N J U G E P R O T E İ N

Konjııge proteinler denilen bazı proteinler yapılarının bir kısmı olarak protein olma yan ve prostetik grup adı verilen bir grup içerirler. Oksijen-taşıyıcı protein olan he moglobin buna bir örnektir. Hemoglobinin dört polipeptit zincirinin her biri hem denilen bir prostetik gruba (Şekil 24.19) bağlıdır. Hemoglobinin bu dört polipeptit zinciri, he moglobine. kabaca bir küresel şekil (Şekil 24.20) verecek şekilde kıvrılırlar. Bundan başka, her bir hem grubu, amino asit kalıntılarının hidrofobik yan zincirleriyle sarılı olan porfirin yapısının hidrofobik vinil grupları ile birlikte bir yarık içerisinde uzanırlar. Hemin iki propanoat yan zinciri, lizin ve amino kalıntılarının pozitif yüklü amino grupla rının yakınında yer alır. Hem grubunu demiri 2+ (ferröz) yükseltgenme basamağmdadır ve polipeptit zinci rinin histidininin imidazol grubunun bir azotuyla bir koordinat bağı oluşturur. Bu da, aşağıdaki gibi oksijenle birleşmesi için ferröz iyonunun bir değerliğini serbest bırakır. O, Nx T > N / F\ N i N N (imidazol) Oksijenlenmiş hemoglobinin bir kısmı

Hem grubunun ferröz iyonunun oksijen ile birleşme gerçeği, özellikle dikkat çekici değildir; bir çok benzer bileşik de aynı şeyi yapar. Hemoglobin ile ilgili dikkat çekici olan şey, hem. oksijenle birleştiğinde ferröz iyonunun, ferrik haline kolayca yükseltgenecek hale gelmemesidir. Örneğin, su içerisinde model hem bileşikleriyle yapılan çalış malar göstermiştir ki. bu bileşikler oksijenle hızla birleşmekte fakat, aynı zamanda CH,

Şekil 24.19 Hemoglobinin prostetik grubu olan hemin yapısı. Hem, klorofilinki (Şekil 22.1) ile benzer bir yapıya sahiptir, çünkü her ikisi de heteı osiklik bir halka olan porfirinden türetilir. Hemin demiri, ferröz (2 +) yükseltgenme basamağmdadır.

/CH=CH,2

HV

•H

\

CH,

CH, N

‘N— F e— N

'

O

;

\

N

HOCCH2CH2 H

CH=CH„

^

/ c

'\ CH.,

I

CH,

I •

COH

O

CH,

H


1223

Şekil 24.20 Hemoglobin. Hemoglobinin iki a alt birimi mavi ve yeşil renklerle gösterilmekte dir. İki /3 alt birimi ise sarı ve mavi-yeşil renkte gösterilmiştir.

demirin Fe2+,dan Fe3+,ya hızlı bir yükseltgenmesi de gerçekleşmektedir. Aynı bileşik ler bir polistiren reçinenin hidrofobik ortamına konulduklarında ise demir kolayca oksijenlenmekte ve oksijen kaybetmekte, bu da d e m irin y ü k s e ltg e n m e b a sa m a ğ ın d a b ir d e ğ işik lik o lm a m a sın a neden olmaktadır. Bu bakımdan, hemoglobinin X-ışını çalışma ları ile, polipeptit zincirlerin her bir hem grubuna benzer bir hidrofobik çevre sağladı ğının açıklanması özellikle ilgi çekicidir.

i A n a h ta r T e r im le r ve K a v ra m la r Birincil yapı İkincil yapı, a sarmal, /3-kıvrımlı tabaka, gelişi güzel halka Üçüncül yapı Kuaterner yapı Difsülfür bağlantısı Dipolar iyonlar, ikiz iyonlar İzoelektrik nokta (p/> Henderson-Hasselbach eşitliği Peptit bağı, peptit bağlantısı Aınino asit kalıntısı Enzim Asimetrik (enantiyoseçimli) sentez Poliepeptit Protein Uç kalıntı analizi Kısmî hidroliz Koruma gurupları Substrat Kilit-ve-anahtar veya indüklenmiş uyum varsayımı İnhibitör Prostetik grup Koenzim Etkin taraf Konjuge proteinler

Altbölümler 24.1, 24.5, ve Altbölümler 24.1 ve 24.8A Altbölümler 24.1 ve 24.8B Altbölümler 24.1 ve 24.8C Altbölüm 24.2A Altbölüm 24.2C Altbölüm 24.2C Altbölüm 24.2C Altbölüm 24.4 Altbölüm 24.4 Altbölümler 24.3D ve 24.9 Altbölümler 5.9B ve 24.9 Altbölüm 24.4 Altbölüm 24.4 Altbölüm 24.5A Altbölüm 24.5B Altbölüm 24.7A Altbölüm 24.9 Altbölüm 24.9 Altbölüm Altbölüm Altbölüm Altbölüm Altbölüm

24.9 24.9 24.9 24.9 24.12

1224


Ek P roblem ler

24.16

(a) Çizelge 24.1‘deki hangi amino asit birden daha fazla stereomerkeze sahiptir? (b) a-Karbonunda L konfigürasyona sahip olan bu amino asitlerin her birinin izomerleri için Fischer izdüşümlerini yazınız, (c) Her bir durumda hangi izo mer çeşidini çizmiş oldunuz?

24.17

(a) Çizelge 24.1'deki hangi amino asit, laktik asit vermek üzere nitröz asit (NaNO-> ve HC1 'nin bir çözeltisi) ile tepkimeye girebilir? (b) Çizelge 24.1'deki amino asitlerin tümü nitröz asit ile tepkimeye girdiğinde, ikisi hariç, azot açığa çıkarırlar; bu ikisi hangisidir? (c) Tirosin ile aşırı bromlu suyu etkileştirdiğinizde hangi ürünü elde etmeyi beklersiniz? (d) Feııil alaninin hidrojen klorür varlığında etanolle tepkimesinden oluşmasını beklediğiniz ürün nedir? (e) Alaninin sulu baz içerisindeki benzoil klorür ile tepkimesinden hangi ürünü beklersiniz?

24.18

(a) Aşağıda verilen tepkime sırasını temel alarak. Emil Fischer. (-)-serin ve L-(+)-alaninin aynı konfigürasyona sahip olduklarını gösterebildi. A -C ara ürünleri için Fischer izdüşümlerini yazınız. (—)-Serine

HCl CH,OH

A (C4H,0ClNO3)

PCI,

B (C4HyCl2N 02) C (C3HhClN02)

(1) H jCT, H:0 . ısı

(2) OH

Na-Hg t seyrettik HjO

L - ( + ) - a la n in

(b) L-(-)-Sisteinin konfigürasyonu L-(-) serininkiyle aşağıdaki tepkimeler üzerinden ilişkilendirilebilir. D ve E ’nin Fischer izdüşümlerini yazınız. OH-

NaSH

B f(a) şıkkından]------►D (C4HSC1N02) ------► (1) H ,0'. H,0,ısı

E (C4Hc;N02S) — OH---------- ►

L -(+

)-sistein

(c) L-(-)-Asparagiııin konfigürasyonu L-(-)-serininkiyle aşağıdaki yolla ilişkilendirilebilir. F ’nin yapısı nedir? L-(-)-Asparagm

NaOBı/OH" .

u; ^ - „

Hofmann çevrilmesi

►F (C3H7N20 2)

C [(a) şıkkından] 24.19

î

NH.

(a) DL-Glutamik asit, dietil asetamidomalonattan sentezlenmektedir. İçerilen tepkimeleri gösteriniz.

aşağıdaki

yolla

O NaOC.H,

CH3CNHCH(C02C2H5)2 + CH2= C H — C = N -------C,H5OH Dietil asetamido(%95 verim) nıalonat der. HCl

G (C,.-,HI,İN,CU : ►DL-glutamik asit v 12 18 2 5 ' —: gCn soğutucu altında kaynatma 6 saat (%66 verim)


Ek Problemler

(b) Bileşik G aşağıdaki verilen yol üzerinden. DL-ornitin amino asidini hazırla mak için de kullanılmaktadır. Burada içerilen tepkimeleri gösteriniz. h 2.

Ni 1000 psi (%90 verini)

G (Cı2HıXN>05) 68°C.

der. HC1

1 H (Ci0 H|6N2O4, bir S-laktam) ---------------geri soğutucu

altında kaynatma 4 saat (%97 verim) DL-ornitin

hidıoklorür (C5H|3C1N20 2)

(L-Ornitin, doğal olarak meydana gelen bir amino asittir, fakat proteinler içerisinde oluşmaz. L-Omitin metabolik bir yolla, L-arginin için bir öncü olarak iş görür.) 24.20

Bı adikinin. kan plazma globulinleri tarafından eşek arısı sokmasına bir cevap olarak salman bir nonapeptitdir. Çok etkili ağrı verici bir maddedir. Molekül formülü Aıg2, Giy. Phe2, Pro3, Ser’dir. 2,4-Dinitroflorobenzen ve karboksipeptidazın kullanımı her iki uç kalıntısının da arginin olduğunu göstermiştir. Bradikinin kısmî asit hidrolizi aşağıdaki di- ve tripeptitleri verir: PheSer + Pro-Gly-Phe + ProPro + S erProPhe + Phe-Arg + Arg-Pro Bradikinin amino asit sırası nasıldır?

24.21

Bir heptapeptitin tam hidrolizi onun aşağıdaki molekül formülüne sahip olduğunu göstermiştir. Ala2, Glu, Leu. Lys, Plıe, Val Aşağıdaki verilerden yararlanarak bu heptapeptitin amino asil sırasını çıkarınız. 1. Bu heptapeptitin 2,4-dinitroflorobenzen ile etkileştirilmesinin ardından tam olmayan hidrolizi, diğer ürünler yanında, a-amino grubundan etiketli valin, e-amino grubundan etiketli lizin. ve bir dipeptit. DNP—Val • Leu (DNP = 2,4-dinitrofenil) verir. 2. Bu heptapeptitin karboksipeptidaz ile hidrolizi başlarda yüksek derişimde alanin verir, bunu glutamik asitiıı derişiminde bir artış izler. 3. Heptapeptitin kısmî enzimatik hidrolizi bir dipeptit (A) ve bir tripeptit (B) verir. a. A’nın 2,4-dinitroflorobenzen ile etkileştirilmesinin ardından hidrolizi DNP-etiketli lösin ve yalnızca e-amino grubu etiketli lizin verir. b. B’nin tam hidrolizi fenilalanin, glutamik asit ve alanin verir. B’nin karboksipeptidaz ile tepkimeye girmesine izin verildiğinde çözeltide başlangıç derişimi çok yüksek olan glutamik asit gözlenir. B'nin 2,4dinitroflorobenzen ile etkileştirilmesi ve ardından hidrolizi ise etiketli fenilalanin verir.

24.22

Sentetik poliglutamik asit. pH 2-3 olan çözeltide bir a-sarmal yapısında bulunur. Böyle bir çözeltinin pH'sı baz ilavesiyle kademe kademe artırıldığında, pH 54e, optik çevirmede çarpıcı bir değişiklik meydana gelir. Bu değişim, a:-s armalın açılması ve gelişigüzel bir halka oluşumuyla birlikte olur. Poliglutamik asitin yapısal özelliği nedir, nasıl bir kimyasal değişme olmuştur, bu dönüşümü açıklamak için ne önerebilirsiniz?

1225

1226


24.23

Bir peptit bağlantısındaki (bkz. Altbölüm 24.8A) karbon-azot bağı etrafındaki dönmenin kısıtlanması ile ilgili kanıtların bir kısmı, basit amitler için yapılan 'H NMR çalışmalarından elde edilir. Örneğin, oda sıcaklığında ve 60 MHz’de çalışan bir cihazla alındığında, /V,/V-dimetilformamitin, (CH 3 ) 2 NCHO, 'H NMR spektrumunda S2,80*de bir ikili (3H). 82.95’te bir ikili (3H) ve 8 8,05’te çoklu pik (IH) görülmektedir. Spektrum daha düşük manyetik alan gücünde (örneğin 30 MHz'de çalışan bir cihazla) alındığında, İkililer arasında, bir İki liyi daha küçük olan diğerinden ayıracak kadar bir farkla (Hz cinsinden) kay ma olduğu görülür. Spektrumun kaydedildiği sıcaklık yükseltildiğinde, İkili ler, sıcaklık 1 10°C’a ulaşıncaya kadar varlıklarını korurlar; daha sonra ise tek bir sinyal olacak şekilde birleşirler. Bu gözlemlerin. DMF’nin karbon-azot ba ğı etrafındaki dönmeye karşı olan nispeten büyük bir engelin varlığıyla nasıl uyumlu olduğunu açıklayınız.

*24.24

Aşağıda verilen tepkime sırası, antikanser etkinliğe sahip olabilecek molekül lerin sentezi esnasında SRİ Internationarde çalışılmıştır.

HOOCCH(CH2 )nS— S( CH2)nCHCOOH NH2

nh2

A

H N ^/

|

H N ^/

O

O

hnr.

I HNR,

CH,

HN O (a) A disülfiiıierinden birinin (n = 2 ise homosistin, n = 1 ise sistin) bis hidantoin türevi B’ye dönüşmesi için bir mekanizma yazınız. (b) n = 2 olan B’nin, C sülfonil klorürüne dönüştürülmesi için bir mekanizma yazınız. (c) C sülfonil klorürünün alışılmış yollarla E tipi sülfonamitlere dönüşümü için öyle bir mekanizma öneriniz ki, bu mekanizma, D sülfonil klorürii kullanıldı ğında niçin çok farklı şekilde sonuçlandığını açıklayabilsin. [Ürünün, kanıt lanmamış bile olsa, gösterilen olduğunu kabul ediniz.] *24.25

C sülfonil kloıürü (yukarıda verilen) piridin içerisinde etanol ile tepkimeye girdiğinde molekül formülü C 12H 17N 305S olan bir ürün verir. Bu ürünün yapısı nasıldır?


*24.26

1227

Japon şirketi Kaneka, bir amino asidin saf bir enantiyomerini elde etmek için aşağıdaki dinamik yarılmayı açıklamıştır.

H3CO ----------►

NH2 (S)-p-Metoksihomofenilalanin, IV Bu örnekte. III katılma ürününün (.S,5)-şekli yukarıdaki tepkimeden %90 ve rim ve %97 enantiyomerik fazlalıkla kristallendirilir. (a) Böyle yüksek enantiyomerik fazlalıktaki bir maddenin eldesini nasıl açık larsınız? (b) İki olası üründen birinin böyle yüksek bir verimle elde edilmesini, ilk kim ya derslerinizde öğrendiğimiz hangi ilkeler açıklar? (c) (5,5)-III ün (S)-IV e dönüştürülmesinde hangi tepkime tipi iki kere göste rilmiştir?

1.

2.

Lisozim enzimi ve mekanizması Altbölıim 24.10’da açıklandı. Orada olan bilgile ri (ve belki de bir biyokimya ders kitabından alacağınız ilave bilgileri) kullanarak, lisozimin mekanizmasındaki sınıfların bir gösterimi için notlar hazırlayınız. Özel likle bir karbokatyon ara ürününün oluşumunun yeğlenmesinde, karbokatyonun ka rarlı kılınmasında ve gerektiği yerde proton sağlanması veya uzaklaştırılmasında enzimin rolünü göz önüne alınız. Kimotiropsin, enzimlerin serin proteaz sınıfının bir üyesidir. Bu enzimin etkisi Altbölüm 24.11'de tartışılmıştır. Burada olan bilgileri (ve belki de bir biyokimya ders kitabından alacağınız bilgileri) kullanarak kimotiropsinin mekanizmasındaki sınıfların bir gösterimi için notlar hazırlayınız. Özellikle, asit-baz katalizleri ve niikleofiller ya da ayrılan gruplar olarak davranan değişik grupların bağıl eğilim leriyle ilgili olarak “katalitik üçlü”nün rolünü göz önüne alınız?

Ö ğrenme G rubu P ROBL E ML E Rİ

B ölüm

A ile le ri B ulm ada A ra ç la r Kimya çok zamandır temel bilim olarak bilinir. Hayatın her kademesini içerir. Kimya da öğrendiklerimizin çoğu olayların nasıl olduğu, hastalıkların moleküler düzeyde na sıl tedavi edileceği, günlük hayatta ihtiyacımız olan maddelerin nasıl elde edilebileceği ve geliştirilebileceği ile ilgilidir. Kimyadaki uygulamalar, sadece kimya alanındaki uy gulamalarda değil, insan hakları ve adaleti esas alan çalışmalarda da oldukça önemli bo yutlardadır. Bildiğimiz gibi dünyanın birçok yerinde savaşın ve terörizmin zülmiinden akrabalar birbirinden ayrılmaktadır. Bazı kimyacılar, bu üzücü olaylardan sonra geride kalan aile bağlarını modern kimyanın araçlarını kullanarak araştırmaktadırlar. Bazı laboratuvarlarda (M.-C. King’inki gibi, Washington Üniversitesi) birbirinden ayrılmış olan aile fertleri, akrabalar arasında bağlan bulmak, geride kalan sağ olan fertleri ve ailele ri araştırmak ve yeniden bunları bir araya getirmek üzere çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmada anahtar her bireyin her dokusunda bulunan kimyasal parmak izi olan DNA’dır. DNA’nın genel yapısı her bir insanın her bir dokusunda aynı olmasına rağ men (yukarıdaki moleküler grafiğe bakınız) her bir insanın DNA'sının ayrıntılı dizili-

1228

sinde aile bağlantılarını gösteren izler vardır. Floresan boyalar veya radyoaktif izotop lar. tennofilik bakterilerden veya diğer kaynaklardan enzimler, jel elektroforezi (yan say fadaki fotoğrafa bakınız), 1993 yılında buluşu yapan kişiye Kimya Nobel ödülünü kazandıran polimerleşme zincir tepkimesi (PCR) gibi, oldukça basit kimya uygulama larıyla bir DNA örneğinden milyonlarca kopyanın hızlı ve uygun bir şekilde sentezlenmesi mümkündür. Savaşlarla veya her hangi bir yolla birbirinden ayrılmış akrabaların, mazlumların DNA örneklerinin karşılaştırılmasında bu araçların kullanılması; bazı du rumlarda bu insanlar arasındaki uzaklığı azaltacak, bunların birbirine yaklaşımı sağlan mış olacaktır.

25.1

G

iriş

Nükleik asil deoksirboniikleik asit (DNA) ve riboniikleik asit (RNA) kalıtsal bilgi leri taşır, ve bu bilgileri hücrelerde çeşitli protein sentezlerinde kopyalarlar ve nakle derler. Bu biyolojik polimerler bazen proteinlerle beraber nükleoproteinler olarak bilinen şekillerde bulunurlar. Genetik bilgilerimizin nasıl korunduğu, bu bilgilerin nasıl sonra gelen nesillerin or ganizmalarına geçtiği ve hücrelerin çalışan kısımlarına nasıl nakledildiği gibi bilgilerin çoğu niikleik asitleri çalışarak anlaşılabilir. Bu bakımdan dikkatimizi nükleik asitlerin yapı ve özellikleriyle nükleotitler ve nükleositler gibi bileşenleri üzerine odaklayaca ğız.

2 5 .2

N Ü K L E O T İ T L E R VE N Ü K L E O S İ T L E R

25.1 Giriş 25.2 Nükleotitler ve Nükleositler Nükleosit ve Nükleotitlerin Laboratuvar Sentezleri 25.4 Deoksiribonükleik asit: DNA 25.5 RNA ve Protein Sentezi 25.6 DNA’nın Baz Diziliş Sırasının Tayini

25.3

25.7 Oligonükleotitlerin Laboratuvar Sentezleri 25.8 Polimeraz Zincir Tepkimesi

Nükleik asitlerin ılımlı parçalanmaları onların monomer birimlerini verir. Bu bileşikle re ıükleotitler denir. Niikleotitlerden bir tanesinin genel formülü adenilik asittir ve Şekil 25.1 'de verilmiştir. Niikleotitin tam hidrolizi: 1. Bir heterosikliklik bazı, purin veya pirimidini, 2. Beş karbonlu bir monosakkariti. D-riboz veya 2-deoksi-D-ribozu, 3. Bir fosfat iyonunu verir.

Şekil 25.1 (a) RNA’dan elde edilen bir nükleotidin genel yapısı. Heteı osiklik baz purin ve ya pirimidindir. DNA’dan elde edilen nükleotitler, 2-deoksiribozun şeker bileşenidir. Yani 1' konumundaki —OH, hidrojenle yer değiştirmiştir. Nükleotidin C5'te bağlı görülen fos fat grubu C3'te bağlı olabilir. DNA ve RNA’da fosfodiester, nükleotitlerden birinde C5'te bağlıyken diğer nükleotitte C3'te bağlıdır. Heterosiklik baz her zaman Cl'deki glikozidik bağa bağlıdır, (b) Tipik bir nükleotit olan adenilik asit.

1229

1230

Bölüm 25 / Nükleik Asitler ve Protein Sentezi

Niikleotitlerin temel parçası monosakkarittir ve bu. beş üyeli halka şeklinde furonozit olarak bulunur. Niikleotidin heterosiklik bazı, ribozun ve deoksiriboz biriminin C l' konumuna /V-glikozidik bağla bağlanmıştır ve bu bağlantı her zaman /3'dadır. Niikleotidin fosfat grubu fosfat esteri şeklinde bulunur ve C5' veya C3'de bağlıdır. (Nükleotitlerde. monosakkaritin karbon atomları üssel işaretlerle gösterilir T. 2'. 3'. vb.) Nükleotidin fosfat grubunun uzaklaştırılmasıyla bu bileşik liikleosik dönüştürülür (Altbölüm 22.15A). Böylece DNA'dan elde edilen niikleositler şeker bileşeni olarak 2deoksi-D-riboz ve aşağıda verilen dört heterosiklik bileşik olan adenin, guanin, sitosin ve timinden birini içerirler.

Purinler

Pirimidinler

RNA’den elde edilen niikleositler şeker bileşeni olarak D-ıibozu ve ayrıca adenin, gu anin, sitosin veya urasil gibi heterosiklik bazlardan birini içerirler. O R N A n ü k le o s itin d e (veya n ü k le o tid in d e ) u ra s il y e rin e tim in y e r a lır . ( R N A ’ n ın özel ş e k ille rin d e n elde e d ile n bazı n ü k le o s itle r fa r k lı fa k a t be nzer p u r in ve p r im id in le r iç e r e b ilir le r .

H U ra s il ( b ir p ir im id in )

Niikleositlerden elde edilen heterosiklik bazlar birden fazla tautomerik yapı göste rebilirler. Bizim göreceğimiz tautomer yapılar nükleik asitlerde bulunan bazların bas kın yapılarıdır.

P r o b l e m 2 5 .1

Adenin, guanin, sitosin, timin ve urasilin diğer tautomerik yapılarını yazınız.

DNA'da bulunan nıikleositierin adları ve yapıları Şekil 25.2'de. RNA’da bulunan ların ise Şekil 25.3'te verilmiştir.

P ro b le m

2 5 .2

>- Şekil 25.1 ve 25.3'te verilen nükleositler seyreltik baz içerisinde kararlıdırlar. Sey rettik asitte çok hızlı hidrolize uğrayarak bir şeker (deoksiriboz veya riboz) ve bir heterosiklik baz verirler, (a) Nükleositin hangi yapı özelliği bu davranışı açıklar? (b) Hidroliz için mantıklı bir mekanizma öneriniz. Nükleotitler çeşitli şekillerde adlandırılırlar. Örneğin adenilik asit, fosfat grubunun yerini belirtmek için 5'-adenilik asit olarak ya da adenosin 5'-fosfat veya basit olarak

A denin

G u an in

i

O

2 '-D eoksiadenosin

2'-D eoksiguanosin

A denin

G uanin

OH

Şekil 25.3 RNA’dan elde edi lebilen nükleositler. Ribozda kırmızılarla gösterilen aşağıdaki hidroksil gruplarının yerinde DNA’da hidrojen atomları vardır. (DNA riboz kalıntısına göre 2 '-deoksi yapı sındadır).

OH G uanosin

A denosin S ito sin

S itid in

Şekil 25.2 DNA’dan elde edilebilen nükleositler. DNA, mavi hidrojenlerle gösterilen yerde 2 '-deoksi yapıdadır. RNA bu konumda hidroksil grubu içerir. RNA’da, timinde metil grubunun bulunduğu ko numda hidrojen atomu vardır. Ve bu durumda baz urosil adı nı alır (nükleosit ise uridindir).

U rosil

U rid in

1231

1232

Bölüm 25 / Niikleik Asitler ve Protein Sentezi Adcnilat

Şekil 25.4 3',5'-Halkah adenilik asitin, laboratuvar ve biyosentezi.

adenosin monofosfat (AMP) olarak adlandırılır. Uridilik asit 5' uridilik asit, uridin 5' fosfat veya uridin monofosfat (UMP) olarak isimlendirilir. Niikleosit ve nükleotitler DNA ve RNA yapıları dışında da bulunurlar. Örneğin ade nosin birimlerinin çok önemli koenzimler olan NADH ve koenzim A yapılarında bu lunduğunu görmüştük. Adenosinin 5'-trifosfatı ATP de çok önemli bir enerji kaynağıdır (Altbölüm 22.İB). Bu bileşiğe 3',5'-halkalı adenilik asit denir (veya halkalı AMP) (Şe kil 25.4) ve hormon etkinliğini düzenlemede önemlidir. Hücreler bu bileşiği odenilat siklaz enziminin etkisiyle ATP'den sentezlerler. 3',5' halkalı adenilik asit labaratuvarda 5'-adenilik asit ile disiklokarbodiimitin dehidrosyonuyla elde edilebilir.

P ro bl em 25.3

>•

', 5 '-halkalı adenilik asit sulu sodyum hidroksit ile etkileştirildiğinde elde edilen ana ürün 5'-adenilik asitten çok 3'-adenilik asittir (adenosin 3 '-fosfat). Bu tepkime nin mekanizması için bir açıklama öneriniz.

3

2 5 .3

N

ü k l e o s İt

La

ve

b o r a tu v a r

N

ü k l e o tit l e r

Sen

İn

tezler i

Niikleositlerin sentezleri için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu tekniklerden birisi, uy gun şekilde etkin hale getirilen ve korunan riboz türevleri veya heterohalkalı bazlardan meydana gelen nıikleositleri bir araya getirecek tepkimeleri gerçekleştirmektir. Buna bir örnek olarak korunmuş ribofuronasil kloriir ve kloromerküripurinden adenosin sentezi verilebilir.

O

O

25.3 Nükleosit ve Nükieotitlerin Laboratuvar Sentezleri

o

OH H ;0

Adenosin

Diğer bir teknik, korunmuş ribosilamin türevi üzerinden heterosiklik baz oluşumu nu içerir.

0 C6H,COCH2

IX

K

I 0

.

y

V

c 6h , c o

0 I

NH,

o c c 6h 5

I 0

2,3,5-Tri-O-benzoil/3-n-ribofuranosilamin

•

ÇH

NH

î^h

y=o

(-2

C , H 5O H )

OC2H5 OC2Hj /3-Etosi- ¡yetoksikarbonilakrilamit

OH" ..

■ W Urıdın

Daha önce gördüğünüz tepkimeleri temel alarak uridin sentezinin ilk basamağında- ^ ki kondenseleşme tepkimesinin mekanizmasını yazınız.

Üçüncü teknik, heterosiklik halkadaki bir sübstitüentin diğer bir grupla yer değiştir diği nükleosit sentezini içerir. Bu yöntem doğal olarak bulunmayan nükleositlerin sen tezi için yaygın şekilde kullanılır. Aşağıdaki örnekte, uygun ribofuranosil ve kloromerküripurinden elde edilen 6 -kloropurin türevi kullanılmıştır.

P ro bl em 25.4

1233

1234


Nükleositleri nükleotitlere dönüştürmek için çeşitli fosforloma reaktifleri kullanılmak tadır. En faydalı olanı dibenzil fosfokloridattır. c 6h 5c h 2o x

c 6h 5c h 2o

/ p\

cı Dibenzil fosfokloridat Nükleositlerin 2' ve 3' -OH grupları izopropiliden grubu (aşağıda şekile bakınız) ile ko runduğunda, 5' -OH grubununa özgü fosforlama gerçekleştirilebilir.

İzopropiliden koruyucu grubu

O

o

Nükleotit

25.3 Nükleosit ve Nükleotitlerin Laboratuvar Sentezleri

1235

Ilımlı asit katalizörü! hidroliz izopropiliden grubunu uzaklaştırır ve hidrojenleme, benzil fosfat bağlarını kırar. (a) İzopropiliden ile korunmuş nükleositte ne tür bir bağlantı vardır (bağ özelliği) < ve niçin ılımlı asit katalizli hidrolize duyaıiıdır? (b) Böyle bir koruyucu grup nasıl takılabilir?

P ro bl em 25.5

Aşağıdaki tepkime şeması kordisepin (bir antibiyotik nükleosidi) sentezinden alın- < mıştır ve 2'-deoksiadenosinin ilk sentezidir (1958'de Stanford Araştırma Enstitüsu'nden C. D. Anderson, L. Goodman ve B. R. Baker tarafından yayınlanmıştır).

P ro bl em 25.6

Kordisepin (I)

I socı. . H-,0 Raney nikel

2'-Deoksiadenosin (II)

(a) Kordisepinin yapısını yazınız? (I ve II izomerlerinin) (b) H'nin oluşumunu açıklayan bir mekanizma öneriniz.

25.3A Tıbbi Uygulamalar Elion ve Hitchings. 1958

1950'lerin başında Gestrude Elion ve George Hitchings (Welcome Araştınna Laborayılında Psikoloji ve Tıp tuvarları) 6-merkaptopurinin antitümör ve antilösemi (kan kanseri önleyici) özellikleri dalında, pürinden elde edi ni buldular. Bu buluş purin türevleriyle, kaydedeğer tıbbi önemi olan nükleositier de len kemoterapi reaktifleridahil, benzer bileşiklerin geliştirilmesini sağladı. Aşağıda bunlara üç örnek verilmiştir. nin geliştirilmesiyle ilgili yaptıkları çalışmalarla Nobel ödülünü paylaşmış lardır.

6 -Merkaptopurin

Allopurinol

Asiklovir

6-Merkaptopurin, çocuklarda akut lösemi tedavisinde diğer kemoteıapik maddeler le birlikte kullanılmaktadır ve şimdiye kadar bu şekilde tedavi gören çocuklardan he men hemen % 80'i iyileşmiştir. Diğer bir purin türevi olan allopurinol ise gut tedavisinde kullanılmaktadır. Asiklovir. riboz halkasında iki karbon atomu eksik olan bir nükleosittir ve h e r p e s sim p le x tür 1 (ateşli kabarcık), tür 2 (genital herpes) dahil herpes virüsle rinin sebep olduğu hastalıkların ve varicella-zoster (zona) hastalıklarının tedavisinde oldukça etkilidir.

1236


2 5 .4 25.4

D EO K SİR İBO N Ü K LEİK

ASİT: D N A

Birincil Yapı

Nükleositler nükleik asitlerle, amino asitlerin proteinlerle gösterdiği aynı ilişkiyi göste rirler ve nükleositler nükleik asitlerin monomerleridir. Proteinlerde bağlantıları amit grup ları yaparken nükleik asitlerde fosfat ester bağları yer alır. Bir ribozun (veya deoksiribozun) 3'-OH‘sindeki bir fosfat ester bağlantısı, diğerinin 5'-OH'sine bağlıdır. Bunun sonucu nükleik asitler şeker ve fosfat birimlerinin temel yapıyı (omurgayı) oluşturduğu uzun dal lanmamış zincirlidir ve bu zincirde muntazam aralıklarla (Şekil 25.5) heterohalkalı baz lar yan zincir gibi bağlanırlar. Şekil 25.5’teki bazların yönünü aşağıdaki gibi göstereceğiz. 5'-*---- A — T— G — C ----- ►3' Bu. göreceğimiz gibi, genetik bilgi taşıyan DNA zinciri boyunca olan baz dizili şidir. Bu baz dizilişi, seçici enzim hidrolizine dayalı bir teknikle tayin edilebilir.

?

0= P— O—

3'ucu

O Şekil 25.5 Fosfat esteri grubunun deoksiriboz biriminin 3'- ve 5'-OH gruplarına nasıl bağlandığını gösteren hayali tek bir DNA parçası. RNA iki istisna dışında aynı yapıya sa hiptir: RNA da her bir riboz biriminin 2' yerinde hidrojen atomu hidroksil grubuyla, urasil ise timinle yer değiştirmiştir.

25.4 Deoksiribonükleik Asit: DNA

1237

Birçok niikleik asitteki gerçek baz dizilişi çalışılmıştır (Altbölütn 25.6). 25.4B İkincil Yapı

Watson ve Crick DNA'nin ikincil yapısı için bir öneri sundular (öneri 1953‘te sunul muş. çok kısa bir süre sonra Wilkins tarafından X-ışınları analiziyle yapısı kanıtlanmış tır). DNA’nın ikincil yapısı; genetik bilginin nasıl korunduğunu; hücre bölünmelerinde nasıl aktarıldığını, kopyalamayla protein sentezinin nasıl tamamlandığını anlamamıza yardım ettiği için oldukça önemlidir.

Heyecanlı bir bilim adamı nın günün birinde yeni doğan Adenin ve Timin ikizlerini vaftiz edip etme yeceğini merak etmekten kendimi alamıyorum. Watson ve Crick'in önerisinin en önemli tarafı. E. Chargaff tarafından (1940’ların F. H. C. Crick*

başlarında) çeşitli yerlerden temin edilen DNA’lardan elde edilen heterosiklik bazların yüzde miktarlarında bazı uyumsuzlukların gözlenmesidir. Çizelge 25.1 elde edilen çe şitli sonuçları göstermektedir. Chargaft incelenen tüm örneklerlerde aşağıdaki sonuçları işaret etmiştir: 1. 2.

Purinin mol yıizdesi yaklaşık olarak pirimidinin mol yiizdesine eşittir, yani (%G + %A) / (%C + %T) = I. Adeninin mol yıizdesi timinin mol yiizdesine eşittir (%A/%T) = 1) ve guaninin mol yüzdesi sitosinin mol yiizdesine eşittir (%G/%C = 1).

Chargaff örnekten örneğe farklık gösteren oranın (% A + %T)/(%G + %C) olduğunu da söylemiştir. Bunun dışında bu oranın verilen bir DNA'ya özgii bir oran olduğuna ve ay nı hayvanın değişik dokularından elde edilen DNA örneklerinde de bu oranın aynı ol duğuna işaret etmiştir. Ayrıca ayrı bir türde; yaşa, şartlara veya her bir organın büyümesine göre bu oranın kaydedeğer ölçüde değişmeyeceğini söylemiştir.Watson ve Crick. model bileşiklerdeki purin ve pirimidin halkalarındaki bağ uzunlukları ve açıla rıyla ilgili X-ışınları verilerini elde etmişlerdi. Buna ek olarak Wilkins'in işaret ettiği ve doğal DNA'daki tekrarlanan alışılmamış mesafelere (34 Â) ait verilere de sahiptiler. Çizelge 25.1 Çeşitli Türlerde DNA Bileşimleri Baz Oranlan (%moI) Türler

G

37,1 Kİ 2 24,9 22,7 Buğday tohumu İnek timüsii 21,5 S ta p h y lo c o c c u s 21,0 S a rc in a lııteta

E s h eri eh ia ca li

A

C

T

G +A rC + -r T

A +T G +C

A_ T

A T

13,4 26.0 27,3 28,2 30,8

37,1 25,2 22,8“ 22,5“ 19,0

12.4 23.9 27,1 27,8 29,2

1,02 1,08 1,00 0,96 1,11

0.35 1.00 1,19 1.27 1.50

1,08 1,09 1,01 1.01 1.05

1,00 0.99 1,00 0,96 1,11

30.9 30,3

19,8 19,9

29,4 30,3

1,01 0,98

1.52 1.54

1.05

1,01 0,98

a u re u s

İnsan timüsii İnsan karaciğeri

19,9 19,5

1 .0 0

" Sitosin + metilsitosin Kaynak: Smith. E. L.; Hill, R. L.: Lehman, 1. R.: Lefkowitz, R. J.; Handler, P.: White. A. P rin cip les o f B io c h e m istry : G e n e r a l A sp e c ts , 7th ed.: McGraw-Hill: New York. 1983: s 132. * Crick. J. D. Watson ve Maurice Wilkins 1962 yılında DNA’nın çift sarmal yapısı ile ilgili önerileriyle Psi koloji ve Tıp dalında nobel ödülünü ortaklaşa kazanmışlardır. (Crick. F. H. C. “The Structure of the Heredi tary Material.“ S ri. A m ., 1954, 191 (10), 20. 54 - 61'den alınmıştır).

1238


Watson ve Crick bu verilerden çıkarak DNA’nın ikincil yapısı için çift sarmal mo deli önerdiler. Bu modele göre iki nükleik asit zinciri, birbirine, zıt iki teldeki baz çift leri arasındaki hidrojen bağlarıyla bağlanmıştır. Bu iki zincir, her iki zincirde aynı ekseni paylaşarak sarmal yapıya dönüşmüştür. Sarmalın iç kısmında baz çiftleri, dış kısmında (Şekil 25.6) ise şeker-fosfat iskeleti yer alır. Sarmalın üzerinde 34 Â aralıklarla (tekrar lanan uzunluklar) birbirini izleyen 10 nükleotit İkilisi yükselir. Spiralinin dış kısmının genişliği yaklaşık 2 0 A, zıt zincirlerde riboz birimlerinin I ' konumlan arasındaki iç uzak lık 1 1 Â civarındadır. Watson ve Crick, molekül modellerini kullanarak çift sannaldaki iç uzaklığın baz İkilileri arasındaki sadece purin ve pirimindin arasındaki hidrojen bağları için uygun olduğunu gözlemiştir. Purin-purin İkilisi uygunluk göstermek için çok büyük olacağın dan mümkün olamaz. Pirimidin-pirimidin baz İkilisi olsaydı mesafe çok büyük olur ve etkili hidrojen bağları meydana gelmezdi. Watson ve Crick önerilerinde bir basamak daha ileri gittiler ve oksijen içeren heterosiklik bazların keto yapısında olduğunu varsayarak, baz İkililerinde hidrojen bağları nın sadece adenin (A) ile timin (T), ve sitosin (C) ile guanin (G) arasında özel bir şekilde olabileceği üzerinde tartıştılar. Her bir baz için eşlerin (İkililerin), boyutları ve elektros tatik potansiyel haritaları Şekil 25.7’de gösterilmiştir.

Şekil 25.6 DNA çift sarmalının

bir parçasının moleküler modeli. (Neal, A. L. Chemistry end Bioche mistry: A Comprehensive Introducti on; McGraw-hill: New York,

Küçük oluk

1971’den uyarlanmıştır. “McGrawHill Book Company, New York iz niyle kullanılmıştır.)

O

O

o Küçük oluk

Fosfat esteri zinciri C

Bazlarda C ve N


Adenin

Timin

DNA’da deoksiribozun C l' konumu

DNA’da deoksiribozun C l' konumu

Guanin

Sitosin [<- 2,90 Ä ->|

[*-3,00Â->| » ..... DNA’da' deoksiribozun C l' konumu

1239

Şekil 25.7 Baz eşleşme leri (a) adenin timinle (b) sitosin guaninle. Timin-adenin ve sitosinguanin arasındaki boyutlar kuvvetli hidrojen bağları oluşması için yeterlidir ve baz çiftlerinin çift sarmal daki iki fosfat-riboz zinciri içerisine uygunluk sağlar. [Pauling, L.; Corey, R. B. Arch. Biochom. Biophys. 1956, 65,164-181 esas alınmıştır.] Her bir baz için hesaplanan potansiyel elektrostatik haritaları, yüklerin dağılımının hidrojen bağının oluşumu na katkı sağladığını göster mektedir.

1240


Adenin timin çifti

ve

Guaııin sitosin çifti

H Timin

Adenin

Sitosin

Guanin

Bu tür özel baz eşleşmesi Chargaff'ın bulduğu %A/%T = 1 ve %G/%C = 1 değer leriyle uyumludur. Özel baz eşleşmesi, iki DNA zincirinin tamamlayıcı olduğu anlamına gelir. Bir zin cirde adenin varken diğer karşıt zincirde timin, bir zincirde sitosin varsa karşıt zincirde

DNA Yapısı

Şekil 25.8 Tamamlayıcı baz İkilisini gösteren DNA çift sarmal diyagramı. Oklar 3' —» 5' yönünü gösterir.


DNA’daki şeker-fosfat omurgası tamamen düzenlilik gösterirken, omurga boyunca uza nan heterosiklik baz İkililerinin dizilişi çok farklı değişiklikler gösterebilir. Baz çiftleri nin tam dizilişi genel bilgileri taşıdığı için bu oldukça önemlidir. İki telin oluşturduğu bir zincirin diğer zinciri tamamladığına dikkat ediniz. Eğer bir zincirdeki baz dizilişini bilir sek diğer zincirdeki baz dizilişini yazabiliriz. Çünkü A her zaman T ile G her zaman C ile eşlenir. İki telin bu tamamlayıcı özelliği. DNA molekülünün hücre bölünmesinde na sıl kopyalandığını ve böylece genetik bilgilerin kardeş hücrelere nasıl geçtiğini açıklar.

25.4C D N A ’nın Kopyalanması DNA'nın ikili teli hücre bölünmesinden hemen önce ayrılmaya başlar. Her bir zincirde tamamlayıcı zincirler meydana gelir (Şekil 25.9, s. 1242). Her bir zincir yeni tamamla yıcı zincirin meydana gelişinde kalıp görevi üstlenir. Ayrılma ve kopyalanma gerçek leştiğinde daha önceki bir tek ikili tel yerine aynı iki tane yeni DNA molekülü meydana gelmiş olur. Bu iki molekülün her biri daha sonra kardeş hücrelere geçer.

(a) Tek bir insan hücresinin DNA’sında yaklaşık olarak 6 milyar baz çifti vardır. •< DNA'nın ikili sarmal şeklinde olduğunu varsayarak, insan hücresindeki DNA’nın tamamının uzunluğunu hesaplayınız, (b) Tek bir insan hücresindeki DNA’nın küt lesi 6 X 10 12 g’dır. Dünya nüfusunun 3,5 milyar olduğunu kabul edersek, karşılık gelen sayıda döllenmiş yumurtalım DNA’sının şu anda yaşayan tüm insanların ge netik bilgisini taşıdığı anlaşılır. Bu DNA’nın toplam kütlesi ne kadardır? (Bu kadar DNA’nın hacmi yaklaşık olarak bir yağmur damlasınınki kadardır. Eğer molekül ler uçlarından birer birer bağlansaydı aya gidiş gelişin 8 katı kadar bir uzunluk oluş tururlardı.)

P ro bl em 25.7

(a) Guaninin en kararlı tautomerik yapısı laktam yapısıdır. Bu yapı DNA'nın yapısındaki şeklidir ve özellikle sitosinle beraber bir çift oluştururlar. Guanin normal olmayan laktim yapısına tautomerleşirse bu yapı da timinle bir çift oluşturur. Bu anormal baz çiftinin hidrojen bağlarını da göstererek yapı formülünü yazınız.

P ro bl em 25.8

(b) DNA’nın kopyalanması işleminde tautomerleşme sonucu gözlenen bu uygun ol mayan baz eşleşmesinin, kendiliğinden olan mutasyonların kaynağı olduğu ifade edilir. Guaninin tautomerleşmesi uygun zamanda olursa süreç, (a)’da gördüğümüz gibi tamamlayıcı DNA zincirine timinin sokulmasıyla (sitosin yerine) sonuçlana caktır. Bu yeni DNA zinciri, sonraki bölünmede başka tautomerleşme olmasa bile kendi tamamlayıcı telinde ne tür bir hataya sebep olacaktır?

1241

P ro bl em 25.9

>■ Mutosyonlara kimyasal maddeler sebep olabilir. Nitroz asit çok etkili bir kimyasal ınutajendir. Nitröz asitin mutajenik etkisi için ileri sürülen bir açıklama, purin ve pirimidin gibi amino grubu taşıyan bileşiklerde deaminleme tepkimesine sebep ol masıdır. Örneğin adenin içeren nükleotitler, nitröz asitle etkileştirildiklerinde hipoksantin türevine dönüşürler.

Adenin nükleotidi

Hipoksantin nükleotidi

25.5 RNA ve Protein Sentezi

1243

(a) Daha önce gördüğünüz tepkimelerdeki cevaplarınızı esas aldığınızda adenin ---- ►hipoksantin dönüşümünde ara ürünler neler olabilir? (b) DNA’da normal olarak adenin ti minle bir çift oluşturur, hipoksantin ise sitosinle eşleşir. Hipoksantin-sitosin baz çiftinde hidrojen bağlarını gösteriniz, (c) DNA iki kopyalanmaya uğradığında adenin ---- ►hi poksantin arasındaki dönüşüm DNA'da ne tür bir hataya yol açacaktır?

2 5 .5

R N A VE P R O T E İN S E N T E Z İ

Watson-Crick hipotezi yayınlandıktan hemen sonra bilim adamları Crick’in “molekiiler genetiğin merkezî doktrini (fikri)” olarak adlandırdığı fikri genişletmeye, yaymaya baş ladılar. Bu doktrin genetik bilginin aşağıdaki yolla aktığını ifade eder. DNA ---- ►RNA ---- ►protein Protein sentezi şüphesiz bütün hücre fonksiyonları için önemlidir, çünkü, proteinler (enzim olarak) tepkimeleri katalizlerler. Bakterilerin en ilkel hücreleri bile 3000 farklı enzime muhtaçtır. Bunun anlamı, bu hücrelerin DNA moleküllerinin, bu proteinlerin sen tezini yönlendirebilmeleri için buna karşılık olacak sayıda gen içermeleri gerektiğidir. Gen, DNA molekülünün bir parçasıdır ve bir protein (veya bir polipeptit) sentezini yön lendirebilmek için gerekli olan bilgileri taşır. DNA esas olarak ökaryotik hücrelerin (çok hücreli) çekirdeklerinde bulunur. Prote in sentezi esas olarak hücrenin sitoplazma olarak adlandırılan kısmında meydana gelir. Protein sentezi için iki temel işlemin gerçekleşmesi gerekir. Bu işlemlerden birincisi hücre çekirdeğinde, İkincisi ise sitoplazmada meydana gelir. İlk işleme transkripsiyon denir ve genetik şifrenin DNA’dan RNA (mRNA)’ya kaydedilmesini ifade eden bir te rimdir. İkinci işlem RNA'nın iki şeklini içerir ve bunlar ribozomal RNA (rRNA) ve trans fer RNA (tRNA)’dır.

Retrovirüs olarak adlandı rılan virüsler vardır. Bu retrovirüslerde bilgi RNA dan DNA’ya doğru akar. AIDS’e sebep olan virüs bir retrovirüstür.

25.5A Haberci R N A Sentezi— Transkripsiyon Protein sentezi hücre çekirdeğinde mRNA senteziyle başlar. DNA’nın çift sarmalının bir kısmı tek bir zincirde en az bir gen taşıyacak şekilde ayrılır. Hücre çekirdeğindeki ribonükleotitler açıktaki DNA zincirinde DNA’nın bazlarıyla eşleşerek kalabalıklaşır lar. Eşleşme kalıpları DNA'daki ile aynıdır. Sadece RNA’da, urasilin yerine timin gel miştir (istisnai durum). mRNA’daki ribonükleotit birimleri zincire RNA polimeraz enzimi ile bağlanmıştır. Bu işlem s. 1244’te Şekil 25.10’da gösterilmiştir.

mRNA’da urasilin keto yapısının (Altbölüm 25.2) DNA’daki adenin ile hidrojen ba- -< ğı oluşumuyla nasıl eşleştiğini gösteren yapı formüllerini yazınız.

Hücre çekirdeğinde mRNA sentezlendikten sonra. mRNA sitoplazmaya göç eder ve burada protein sentezi için bir kalıp olarak davranır.

25.5B Ribozomlar— rR N A Birçok hücrenin sitoplazması içine dağılmış olan küçük cisimlere ribozomlar denir. Ör neğin E she richia coli (E . c o li) ribozomunun çapı 180 Â ’dur ve yaklaşık olarak % 60

P ro bl em 25.10

1244


Şekil 25.10 Genetik koclun IJ1MAaan niKtNA ye transkripsiyonu.

ete. 1 P

ei 1

^ /

tp

>

♦v

___ J

^ Rf f . - '

iI

V▼

Ribonükleotitler

P = Fosfat ester bağlantısı |

p

■ s'”:ü " P P

fp

f -

r

...- f

r

7inrirlfiraynin'

= Deoksiriboz

§ j = Riboz

“İ

1

¡ f -

p

P

fP

¥

G-s

GeninDNA zinciri

ete. 1 P

i - ...■ - + DNAzinciri Tamamlayıcı RNAzinciri A = Adenin

f

•

4

mRNAzinciri

U = Urasil

C = Sitosin G = Guanin

RNA (ribozomal RNA) ve %40 proteinden meydana gelmiştir. Bu ribozomlar görünüş olarak. 50S ve 30S alt birimlerinden (Şekil 25.1 1) meydana gelmiştir; bu iki alt birim beraberce 70S ribozomunu meydana getirirler.* Protein sentezlerinde ribozomlar yer al masına karşın ıRNA kendisi protein sentezini yönlendirmez. Birkaç ribozom mRNA zin cirine bağlanır ve polizonıu meydana getirir. Protein sentezi gerçekleşirken polizomlarda mRNA kalıp olarak davranır. rRNA'nın görevlerinden biri ribozomu mRNA zincirine bağlamaktır.

25.5C

Transfer RNA

Transfer RNA'nın molekül kütlesi mRNA ve rRNA ile karşılaştırıldığında çok küçük tür. Bunun sonucu olarak çözünürlüğü mRNA ve veya rRNA'dan çok daha fazladır. tRNA'nın görevi amino asitleri polizomdaki mRNA'mn belirli bölgelerine nakletmek tir. Her bir amino asit için birden fazla olmak üzere, proteinlerde yer alan birçok tRNA şekli vardır ve bu genetik kodda da bunlar tekrarlanır (bkz. Çizelge 25.2).f

Şekil 2 5 .1 I İki alt birimi gösteren bir 70S ribozomu.

* S Swedberg birimi için teller; ultıa santrifüj içerisinde proteinlerin davranışı göstermek için kullanılır, Proteinler 22 farklı amino asitten meydana gelmelerine rağmen, protein sentezi için sadece 20 tanesi gereklidn\ Polipeptit zinciri sentezi gerçekleştiğinde prolin hidroksipiroline, sistein ise sistine dönüşür.

t

25.5 RNA vc Protein Sentezi

Çizelge 25.2 Haberci RNA’nin Genetik Kodu Amino asit Ala

Arg

Asn

Baz Dizilişi 5 '—>3' GCA GCC GCG GCU AGA AGG CGA CGC CGG CGU AAC AAU

Asp

GAC GAU

Cys

UGC UGU

Gln

CAA LALı

Glu

GAA GAG

Amino asit

Baz Dizilişi 5'—>3'

His

CAC CAU

İle

AUA AUC AUU

Leu

C UA cuc CUG cuu UUA UUG

Lys

AAA AAG

Met

AUG

Phe

uuu TTTIP UUL

Pro

CCA CCC CCG CCU

Amino asit

Baz Dizilişi 5 '—>3'

Ser

AGC AGU UCA UCG UCC UCU

Thr

ACA ACC ACG ACU

Trp

UGG Tvr

Val

UGG UAC UAU GUA GUG GUC GUU

Zincir başlama fMet (A-form ilmetiyonin)

AUG

Zincir sonlanma UAA GGA UAG GGC UGA GGG __________ GGU________________________________________________________

Giy

tRNA'ların yapılarının çoğu tayin edilmiştir. tRNA az sayıda niikleotit biriminden (70-90 birim) meydana gelmiştir: zincir boyunca bazlarla eşleşmiş ve kollara ayrılmış tır (Şekil 25.12). Her bir kol sitosin-sitosin-adenin dizilişiyle sonlanır. Bu kollarda be lirli amino asitler uç adenosininin 3' - OH grubuna esler bağıyla bağlanmıştır. Bu bağlantı tepkimesi tRNA ve amino aside özgüdür ve enzimle katalizlenir. Bu özellik tRNA'nın diğer kollarında enzimin baz dizilişini tanıyabilmesi yeteneğiyle artar. Kollardan bir tanesinin sonundaki dairesel kısımda bu kola özgü baz diziliş sırası vardır ve bu antikodon olarak adlandırılır. Antikodon, tRNA kodon olarak adlandırı lan özel bir yere bağlandığı için oldukça önemlidir. Amino asitlerin tRNA birimlerinin mRNA teline transferinde diziliş sırası kodonlaruı diziliş sırasıyla tayin edilir. Bu ba kımdan bu diziliş sırası genetik mesajı meydana getirir. Mesajdaki her bir birim (her bir kelime amino aside karşılıktır) nükleotitlerin üçlü takımı şeklindedir. 25.5D Genetik Kod mRNA'daki üçlü takımların her biri bir amino aside karşılıktır. Buna genetik şifre denir (bkz Çizelge 25.2). Kod üç bazdan meydana gelmelidir. Şifre bir veya iki baz içermez, çün kü protein sentezlerinde 20 farklı amino asit kullanılmasına karşın. mRNA'da yalnız dört farklı baz vardır. Eğer sadece iki baz kullanılmış olsaydı 4 2 veya 16 birleşim mümkün olur du. Bu sayı tüm amino asitlerin görev alabilmesi için çok küçüktür. Ancak üç baz koduyla

1245

1246

Adenilik asidin 3' konum u


Şekil 25.12 (a) Mayadan el de edilen ve alanin kalıntıları nın transferinde özel fonksiyonu olan tRNA’nın ya pısı. Transfer RNA çoğu za man alışılmamış nükleositler içerir. (PSU = pseudouridin) (RT = ribotimidin) (MI = I-metilinosin I = inosin) DMG = A^-metilguanosin DHU = 4,5-dihidrouridin IMG = 1 -metilguanosin. (b) Mayadan elde edilen fenilalan tRNA’nın X-ışınları kristal yapısı (Hingerty, B. E.; Brown, R. S; Jack, A. J. Mol. Biol. 1978, 124, 523, Protein Veri Bankası dosya adı 4TNA.pdb).

/ u —uC—A—G—G—Ç— C, G

y G —A— u —Gx

C—G—C—G—M G

DHU \

D / G—C—G—C G—G—H—A U

Ç—U— C— C— G— G \R P / T—S —C U

tRNA

(a)

Antikodon

(b)


4' veya 64 farklı diziliş şekli mümkündür. Bu da gerekenden daha fazla olup amino asit leri birçok yollarlan ifade etmemizi sağlar. Aynı zamanda protein sentezlerin de diziliş sırası için vurgulama yapmamızı sağlar. Örneğin amino asit dizilişi “burada başlar” ve “burada biter” gibi. Metiyonin (Met) ve /V-formilmetiyonin (fMet) aynı mRNA şifresine (AUG) sahiptir ancak /V-formilmetiyonin. metiyonin taşıyan farklı bir tRNA tarafından taşınır. N-Formilmetiyonin bakteride protein zincirinde bulunan ilk amino asittir. FMet taşıyan trans fer RNA ise polipeptit zinciri tamamlanmadan önce zincir “burada başlar” işaretini bize gösteren bir vurgudur. /V-formilmetiyonin protein zincirinden enzimatik hidrolizle atılır. CH,SCH2CH2CHC02H

H /V-Formilmetiyonin Artık bundan sonra hayali olarak düşünülen bir polipeptit sentezinin nasıl olabilece ğini anlayabiliriz. Bu işleme translasvon denir. Şimdi ribozomla temasta olan ve hüc renin sitoplazmasında uzun teller halinde bulunan mRNA'yı düşünelim. Sitoplazmada 20 farklı amino asit bulunur ve her biri kendine özgü tRNA'ya açillenir. Sayfa 1248’de Şekil 25.13’te görüldüğü gibi fMet taşıyan bir tRNA. ribozomla te masta olan mRNA üzerindeki uygun bir kodonla (AUG) birleşmek üzere, antikodonunu kullanır. Belirli bir mRNA zinciri üzerindeki, sonra gelen üçlü baz takımı, AAA'dır ve bu lisin olduğunu gösteren bir kodondur. Lisil-tRNA tamamlayıcı antikodonu UUU ile bu kenardan bağlanır. Şimdi iki amino asit. fMet ve Lys peptit bağlantısında enzi min kendilerine katılabilmesi için uygun konumdadır. Bundan sonra, ribozom, sonra ge len kodonla temas kurmak üzere zincirde aşağıya doğru hareket eder. Bu kodon GUA'dır ve valini belirtir. Valin taşıyan tRNA (uygun antikodonla birlikte) bu kenardan bağla nır. Valini polipeptit zincirine bağlayan başka bir enzimatik tepkime meydana gelir. Sonra toplam işlem defalarca tekrarlanır. Ribozom. mRJMA zinciri boyunca hareket eder, diğer tRNA amino asitleriyle yukarıya doğru hareket eder, yeni bir peptit bağı meyda na gelir, polipeptit zinciri büyür. İşlemin bir noktasında zincirin başlangıç yerinden en zimatik tepkimeyle fMet atılır. En son olarak zincir uygun uzunluğa ulaştığında ribozom işaretleme noktasına ulaşmıştır. UAA bize “burada dur” uyarısını gösterir. Ribozom ve protein mRNA'dan ayrılır. Polipeptit zinciri tam olarak büyümeden önce kendine özgü ikincil ve üçüncül yapı ları oluşturmaya başlar (s. 1249’da Şekil 25.14). Birincil yapı doğru—amino asit düze ni tam doğru—olduğu için bu gerçekleşir. Hidrojen bağları a-sarmal, katlanmış tabakalar, kangal veya düğümler şeklinde özel kısımlar meydana getirir. Tüm zincir katlanır veya eğilir: disülfiir bağlantısına enzim katılır, böylece zincir oldukça büyür, proteinin tama mı görevini yapabilmek için gerekli olan şekle sahip olur. (Yapısal biyokimyada, ami no asitlerin diziliş sırasından proteinlerin 2° ve 3° yapılarını tahmin edebilmek oldukça önemli bir sorundur.) Eğer bu protein lisozim ise derin bir açıklık veya ağıza sahiptir ve buraya belirli bir polisakkarit girebilir. Lisozim ve bir bakteri yolunu şaşırırsa bu ağız çalışmaya başlar. İlk polisakkariti ısırarak ikiye böler. Aynı anda. mRNA zincirinin başlangıç yerine yakın diğer ribozomlar da hareket eder, her biri başka bir polipeptit zinciri sentezler. Protein sentezlemek için gerekli süre, içer-

1247

1248


Ribozom

CHj^j

NH2

«F *

f T *

P

Lisin

rvA v" % 5 % %

Kodon:

A U G A A A G U A

mRNA

1

I I I I I

1

!

U U G G A A G A 1

ete.

Ribozom

Ribozom

Şekil 2 5 .13 Polipeptit zincirinin bir kalıp olarak davranan haberci RNA ile basamak-basamak bü yümesi. Transfer RNA ribozomla temasta olan mRNA’ya amino asit kalıntısını taşır. Kodon-antikodon eşleşmesi ribozom yüzeyinde mRNA ve RNA arasında olur. Enzimatik tepkime amino asit kalıntısını amit bağlantısına birleştirir. Amit bağı meydana geldikten sonra ribozom mRNA’nın sonra gelen kodonuna hareket eder. Yeni tRNA eşlenir, amino asidini büyüyen zincire aktarır ve böylece devam eder.


Şekil 2 5 .14 Protein molekülünün sentezlenirken katlanışı [Phillips, D. C.’nin izniyle uyarlan mıştır. “The Three-Dimensional Structure of an Enzy me Molecule.” In Bio-organic Chemistry; Calvin, M.; Jorgenson, M. J.; Eds.; Freeman and Co.: San Francisco, 1968; s 62. Copyright © 1966 Scientific American, Inc. All rights reserved. © Irving Geis.J

1249

1250

Bölüm 25 / Niikleik Asitler ve Protein Sentezi

dikleri amino asit sayılarına bağlıdır. Ancak belirtiler her bir dakikada her bir ribozomdan 150 peptit bağı meydana gelebileceğini göstermektedir. Lisozim gibi 129 amino asit li bir proteinin sentezi için bir dakikadan daha az bir zaman gerekir. Ancak bir mRNA zinciri boyunca dört ribozom çalışıyorsa, polizom her 13 saniyede bir lisozim molekü lü meydana getirir. Niçin protein sentezi, özellikle tamamen büyümüş organizmalarda gereklidir soru sunu sorabiliriz. Bu sorunun cevabı proteinler kalıcı değildir şeklinde verilebilir. Bir ke re sentezlenmezler. bütün hayatın devamı boyunca hücrelerde kalıcı değildirler. Gerekli oldukları her zaman sentezlenirler. Sonra enzimler tarafından tekrar amino asitlere par çalanırlar. Bazı amino asitler enerji için sindirilirler, yediğimiz yiyeceklerden kan yo luyla yenileri alınır. Tüm çevrim yeniden oluşur. P r o b l e m 2 5 . II

>

Bir DNA parçası aşağıdaki baz dizilişine sahiptir. . . . A C C C C C A A A A T G T C G . . . (a) mRNA'da kopyalamayla, bu parçadan ne tür bir baz dizilişi oluşur? (b) Bu mRNA’daki ilk bazın kodonun başlangıcı olduğunu kabul ediniz. Bu parça boyunca polipeptitte amino asitler hangi dizilişte sentezlenir? (c) Her bir tRNA için (b) deki translasyona bağlı olarak antikodonları veriniz.

P r o b l e m 2 5 .1 2

>- (a) Çizelge 25.2'deki her bir amino asit için verilen ilk kodonları kullanarak aşağı daki pentapeptit sentezini yapacak mRNA'nın baz dizilişini yazınız. Arg • ile • Cys • Tyr ■Val (b) mRNA sentezinde kopyalama DNA’daki hangi baz diziliş sırasını gerçekleşti recektir? (c) Pentapeptit sentezinde tRNA’nm hangi antikodonu yer alacaktır?

P r o b l e m 2 5 .1 3

>• DNA’mn her bir telindeki bazlardan birinde nasıl bir hata olursa bu amino asit ka lıntısı hatası orak-hücre anemisi (Altbölüm 246C) hastalığına sebep olur?

25.6 DNA’nin Baz Diziüş S irasinin T ayînî DNA dizilişi için kullanılan yöntem protein dizilişinde (Altbölüm 24.5) kullanılan yön teme benzer. DNA molekülleri çok büyük olduğu için önce bu molekülleri idare edile bilir küçük parçalara bölmek gerekir. Bu kısımlar ayrı ayrı dizilebilirler ve sonra örtüşme noktalarından bunlar tanınarak, orijinal niikleik asitteki nükleotit dizilişini canlandırmak için düzenlenirler. İşlemin ilk kısmı, sınırlayıcı endoniikleaz enzimi kullanılarak gerçekleştirilir. Enzim ler iki telli DNA’yı dizinin belirli bir yerinden bölerler. Yüzlerce çeşitli, sınırlayıcı endonükleaz bilinmektedir. Bunlardan birisi olan Alül, AGCT dizisini G ve C arasından böler. EcyiRİ olarak adlandırılan enzim GAATTC dizisini G ile A arasındaki bağdan ayırır. Sı nırlayıcı enzimler tarafından tanınabilen kenarların çoğunluğu, sarmallar 5' yönünde ve ya 3 ' yönünde okunduğunda (her ikisi için de) aynı baz çifti dizilişine sahiptir. Örneğin: 5' f 3' f

G — A — A — T — T — C ----->3' C — T — T — A — A — G ----- >5'

25.6 DNA'nın Baz Diziliş Sırasının Tayini

Bu tür dizilişlere polindrom (tersinden de aynı şekilde okunabilen kelime veya cüm leler örneğin “radar” “Madam, I’m Adam”) denir. Parçaların (sınırlayıcı parçaların) diziliş sırasının belirlenmesi kimyasal (aşağıda ve rilen yöntemle) veya enzim yardımıyla yapılabilir. İlk kimyasal yöntem Harvard Üni versitesi'nden Walter Gilbert ve Allan M. Maxam tarafından, 1977’de ilk enzimatik metot ise aynı yıl Frederick Sanger tarafından gerçekleştirilmiştir.

25.6A Kimyasal Sıra Analizi Çift telli sınırlayıcı parça, enzimatik olarak 5' yerinden fosfat grubu içeren radyoaktif fosfatla etiketlenmiştir. Bundan sonra bu teller ayrılmış ve izole edilmiştir. Daha sonra etiketli tek telli parça belirli bazlara saldıran reaktiflerle etkileştirilmiştir. Böylece zin cirde, bu belirli bazdan sonraki kısım kırılmıştır. Örneğin aşağıdaki gibi bir zincirimiz varsa ( 5 '-----> 3' şeklinde soldan sağa doğru okunan),

1251

Gilbert ve Sanger 1980 yı lında Kimya Nobel ödülü nü Paul Beı g ile paylaşmışlardır. Ödülü, nükleik asitler üzerinde yaptıkları çalışmayla ka zanmışlardır. Sanger (Altbölüm 24.5) proteinleri dizmede ilk öncülüğü yap tığı, insülinin yapısını ta yin ettiği için 1958 yılında Nobel ödülü almıştır.

,2P— GCAATCACGTC bu kısım 1,5 M NaC l ’li ortamda hidrazinle (NH2NH2) etkileştirilir. Hidrazin sitosin kıs mına etki yapar. Sonra piperidinle muamele (Altbölüm 20.İB) C kalıntısının 5' kena rından böler. Bunun sonucu aşağıdaki 5' etiketli parçalar meydana gelir. 12P — GC AATCACGT ':P — GCAATCA ,:P — GCAAT ,2P — G Bu kısımlar jel elektroforezi (Şekil 25.15) olarak adlandırılan teknikle ayrılır. Bu kısımları içeren parçalar poliakı ilamitten [-(- CH2HCONHAtİ] yapılmış jelle kaplı lev hanın bir ucu tarafına yerleştirilir. Uçlar arasında bir gerilim farkı uygulandığında rad yoaktif etiketli parçalar ayrılır. Parçalar jel boyunca negatif yüklü fosfat gruplarının

Şekil 25.15 Jel elektroforezi için cihaz. Örnekler jelin en üst noktasından yarıkla ra konur. Gerilim farkı uygulandığında ör nekler hareket eder. Örnekler paralel çizgiler şeklinde yürür. (Voet, D.; Voet, J. G. Biochemistry 2nd ed.; Wiley: New York, 1995, s. 92’den alınmıştır, [izinle kullanıl mıştır.]

1252


sayısına bağlı olarak farklı hızlarda hareket ederler. Küçük parçalar daha hızlı hareket eder. Ayrılmadan sonra jel, fotoğraf levhasıyla temasta olacak şekilde yerleştirilir. 5'Fosfat grubu içeren parçadan yayılan ışın jele yerleştirilmiş olan tabakanın, jele göre ters yüzeyinde koyu bir nokta oluşmasına sebep olur. Işına maruz kalan levhaya otoradyograf bu tekniğe de otoradyoloji denir . Zincirin orta noktalarında etiketlenmemiş parçalar vardır, fakat bunlar tabakanın üst kısmında görünmezler, bu nedenle ihmal edi lirler. Dizilişi incelenecek olan DNA farklı çözeltilerle dört defa işleme tabi tutularak be lirli bir baz İkilisinden (eş) bölünebilir. Burada verilen sadece C’den sonra bölünmeye ilave olarak. C nin 5' kenarından bölen reaktifler; A ve G ’nin 5' kenarından ve C ve T ’nin 5' kenarından bölen reaktifler de vardır. Bölünmeden sonra farklı çözeltilerdeki kısımlar aynı anda dört paralel jel izleme kabı kullanılarak kendiliğinden elektroforeze tabi tutulur. Otoradyografiden sonra Şekil 25.16'daki gibi olan sonuçlar DNA'nın dizi liş düzenini jelden doğrudan doğruya okumamızı sağlar. Jel aşağıdan okunmaya başlanır. A + G izinde G'de olmayan koyu bir nokta vardır. Bu, en küçük etiketli parçanın A olduğunu belirtir. İkinci seviyede aynı şekil oluşmuş tur ve diğer bir A'yı göstermektedir. Üçüncü seviyede üst kısımda koyu olan kısım C izi, açık olan kısım ise C + T izidir ve C’nin dizilişte üçüncü baz olduğunu gösterir. Dördüncüsü yine A’dır ve böyle devam eder. İşlem çok düzenlidir. Günümüzde jelleri okumak için bilgisayarlı cihazlar kullanılmaktadır. DNA dizilişinin araştırılmasında gelişmeler o kadar hızlıdır ki proteinlere karşılık gelen genlerin DNA dizilişlerini izleme; proteinlerin amino asit dizilişlerini tayin etme den daha kolay yöntemler içerir. (Genetik şifre bilindiği için, proteini kodlayan DNA’daki baz dizilişinden proteindeki amino asitlerin diziliş düzenini bulabiliriz.) DNA dizilişini incelemede günümüzde gelinen en son nokta, Epstein-Barr virüsünde (insandaki herpes

Şekil 25.16

Kimyasal olarak, diziliş düzeni araştırdan DNA parçası içeren jelin otoradyografisi. DNA 5' ucundan 32 P ile etiketlenir. Diziliş düzeni bulunmuş olan DNA parçası jelin yanında yazılır. Küçük parçalar jelin alt kısmında yazıldığı için, diziliş sırasında 5 '---- *3' yönü jelde yukarıya doğru olan yöne karşılıktır. (Courtesy of Davit Dressier, Voet D.; Voet J. (i. Biochemistry, 2nd Ed.; Wiley: New York, 1995; s. 892'den izinle kullanılmıştır.)

25.7 Oligonükleotitlerin Laboratuvar Sentezleri

virüsü) 172.282 baz çiftinin tümünün belirlenmiş olmasıdır. İnsan gen sistemini oluştu ran 100.000 gende bulunan 2,9 milyar baz çiftinin tayininde gelişmeler çok hızlı olmak tadır.

25.7

O LİG O N ÜK LEO TİTLER İN LABORATUVAR SENTEZLERİ

Genler; DNA daki baz çiftlerinin belirli bir dizilişine göre şifrelenmiş olan proteinler için, mavi kopyalardır. Genler kendi başına neyi ve nasıl yaparlar? Günümüzde bu tür soruların cevapları kimyacılar ve biyologlar tarafından araştırılmaktadır. Bunun için de genetik çalışmalarda yeni bir yaklaşım kullanılır. Buna ters genetik denir. Genetikteki yaygın yaklaşım, organizmada mutasyonlar meydana getirerek genleri değiştirmeyi ve yok etmeyi ve sonra da soydaki etkilerini gözlemeyi içerir. Sürüngenler gibi daha bü yük organizmalarda bu yaklaşımın ciddi dezavantajları vardır. Nesilleri oldukça uzun dur. ürünlerin sayısı azdır, en ilgi çekici mutasyonları öldürücüdür. Tüm bunlar bu organizmalar (sürüngenler) üzerinde çalışma yapmayı zorlaştırır. Zıt genetik yaklaşımı, klonlanmış genlerle çalışılmaya başlandı, ve nasıl çalışaca ğı, ne tür fonksiyonlar göstereceğini anlamak üzere çalışmalar yürütüldü. Bu tür çalış malardan birisi genin belirli bir kısmı için tamamlayıcı görevi yapacak DNA tellerinin (yaklaşık 15 bazlı oligonıikleotit) sentezidir. Bu sentetik oligoniikleotitlere anti his nükleotitleri denir ve bu nükleotitler DNA nın his dizilerine bağlanma yapabilirler, bu işlemi yaparken genin aktifliğini değiştirebilirler, hatta tamamen aktifliğini tam tersine dönüştürebilirler. Örneğin gendeki DNA’nın his kısmı A — G— A— C— C— G— T — G — G okursa, antihis oligoniikleotidi T— C— T— G— G— C— A— C— C olarak okuyacaktır. Özel genlerin bu şekilde pasifleştirilmesi, tıpta çok önemli büyük gelişmelerin ha bercisidir. Birçok bakteri ve virüsler hayat süreçlerinde kendi genlerini düzenlemek için buna benzeri bir yöntem kullanır. Yapılmak istenen şey insan hücrelerindeki virüsleri virüslerin DNA veya RNA’sının can alıcı (önemli) diziliş yerine bağlayarak tahrip et mek için, antihis oligonükleotitleri sentezlemektir. Bu tür oligonükleotitlerin sentezi günümüz araştırmalarında çok çalışılan bir alandır. Ve çalışmalar AIDS de dahil birçok virtitik hastalıklara yönlendirilmiştir. Oligonıikleotit sentezlerinde kullanılan yöntemler otomatik katı faz tekniği de dahil (Altbölüm 24.7D) protein sentezlerinde kullanılan yöntemlerle aynıdır. Uygun şekilde korunmuş niikleofil katı faza bağlanmıştır. Bu katı faza “kontrollü gözenekli cam” veya CPG denir. (Şekil 25.17) Sonuçta bu bağlantı yerinden (CPG) kırılabilir. Posforamidit yapısında olan sonraki ko runmuş niikleotit ilave edilir. Ve kenetlenme reaktifiyle kenetlenme sağlanır (CPG bağın dan). Kenetlenme reaktifi olarak çoğunlukla 1.2,3,4-tetrazol kullanılır. Kenetlenme sonucu meydana gelen fosfit triesteri iyot kullanılarak fosfat triesteriııe yükseltgenir ve bu, bir nükleotitle uzatılabilecek zincir meydana getirir, ilave edilen nükleotidin 5 yerini korumak için kullanılan dimetoksi tritil (DMTr) grubu asitle uzaklaştırılır. Daha sonra kenetlen me, vükseltgeme, detritilleme tekrar edilir. (Tüm basamaklar çözücülerde yapılır.) Oto matik sentezleyicilerle bu işlem en az 50 defa tekrarlanır. Tüm bir çevrim 40 dakika veya daha az bir sürede gerçekleşir. Arzu edilen oligoniikleotit sentezdendikten sonra katı des tek fazından ve çeşitli korucu gruplardan (üzerindeki bazlar da dahil) kurtarılır.

1253

1254


Şekil 25.17 Fosforamidit kenetlenme yönte mi kullanılarak yapılan otomatik oligonükleotit sentezinin basamakları.

Bt, B2, B, = Koruyucu bazlar r

- N = C — CH2—CH2— ^-Siyonoetil

kontrollü gözenekli cam

DMTr =

25.8 Polimeraz Zincir Tepkimesi

25.8

1255

POLİMERAZ Z İN C İR TEPKİMESİ

Polimeraz zincir tepkimesi (PZT) DNA'nın dizilişini bulmada oldukça basit ve etki li bir yöntemdir. Basit bir DNA molekülüyle başlanarak, polimeraz zincir lepkimesi tek bir günün akşamüstü saatlerinde 100 milyar kopya üretebilir. Tepkime için çok basit bir kaç ıeaktif bir deney tüpü ve ısı kaynağı gereklidir ve yapılması kolaydır. Moleküler biyoloji üzerine PZT’nin etkisi çok büyüktür. Tıpta genetik ve bulaşıcı hastalıkların teşhisinde kullanılır. Önceleri PZT’yi geliştirmekteki amaç doğum önce sinde orak-hücre anemisi hastalığını teşhis etme hızını arttırmaktı (Altbölüm 24.6C). Günümüzde, doğum öncesi bazı genetik hastalıkların, örneğin adelenin gelişmemesi, sis tik fibrosiz (safra kesesi veya mesane kisti) tedavisinde uygulanır. Bulaşıcı hastalıklar arasında virüs ve AIDS'e sebep olan virüsleri, rahimdeki habis uru (kanseri), karaciğer iltihabını (sarılık), kızamığı, Epstein-Barr'ı belirlemede PZT kullanılır. İnsan genetiği ve biyolojinin gelişmesinde PZT ön hastalık teşhisi biliminde kulla nılır. Kopyalanan DNA numunesi bir damla kandan veya meniden veya bir suç mahal linde kalan bir saçtan alınabilir. Hatta bir mumyanın beyninden veya 40.000 yıllık bir mamutun tüyü olabilir. Mullis bu çalışmasıyla 1993 PZT, Kary B. Mullis tarafından keşfedilmiş ve çalışma grubuyla birlikte şirketin yılında Kimya Nobel ödülü de geliştirilmiştir. Stanford Üniversitesi'nde Arthur Koınberg ve çalışma arkadaşları nü kazanmıştır. tarafından 1955 yılında bulunan DNA polimeraz enzimi bu amaçla kullanılmıştır. Can lıların hücrelerinde DNA polimeraz enzimi DNA'nın tamiri ve bölünmesi işlemlerine yardım eder. PZT, DNA polimeıazın bazı özelliklerini, örneğin DNA'nın ek nükleotitlerinin küçük oligonıikleotit primerlerine (primer kalıp olarak adlandırılan DNA'nın tamamlayıcı teline bağlı olduğunda) bağlanma yeteneğini kullanır. Niikleotitler primerin 3' ucundan, polimeraz enziminin bağlı olduğu nükleotitler, kalıp teli üzerinde bi tişik konumdaki baza tamamlayıcı olarak bağlanmışlardır. Eğer bitişik kalıp nükleotidi G ise; polimeraz primere C, eğer bitişik kalıp nükleotidi A ise polimeraz priıııere T ilave eder ve bu şekilde devam eder. Polimeraz, çözeltide gerekli olan nükleotitler (trifosfat olarak) sağlanıncaya kadar, kalıbın 5' ucuna ulaşmasına kadar bu işlemi tek rarlar. 1256. sayfadaki Şekil 25.18, PZT’nin yaygın olarak gerçekleştirilen bir çevrimini gösterir. Hedef PZT’nin nükleotit dizilişinin bilinmesi gerekli değildir. Ancak primer olarak davranacak olan iki tek telli oligoniikleotitleri (~ 2 0 nükleotit) sentezlemek için hedef PZT’nin her iki tarafındaki küçük bir diziliş parçasının bilinmesi gerekir. Primerler her bir DNA teli üzerindeki yöne doğru olan dizilişlere (yan zincir) tamamlayıcı nük leotit dizileri içermelidir. PZT’nin dışında, çift telli DNA, tellerine ayırmak için ısıtılır. Primerler (her bir tel için bir tane) ilave edilerek yan dizilişler (zincirler) elde edilir. Daha sonra DNA polimeraz ve nükleotit trifosfat ilave edilir, polimeraz her bir primerin. her bir telde ki hedef diziliş boyunca yayılmasını sağlar. Verilen primerin yayılması yeterli dere cede uzunsa diğer primere tamamlayıcı dizilişleri içerecektir. Sonuç olarak her bir yeni dağılma ürünü, telle ayrıldıktan sonra diğer bir çevrim için kalıp görevi yapa caktır. Her bir çevrim, hedef DNA miktarını iki kat attıracaktır (Şekil 25.19) s.1257). Bu DNA miktarının üssel olarak arttığını ifade eder, n Sayıda çevrim sonucu DNA mikta rı 2" defa artar. 10 Çevrim sonra kabaca DNA'nın 1000 katı 20 çevrim sonunda ise 1 milyon kat arttığı görülür. PZT uygulamaları son derece hızlıdır ve 1 saatte 25 çevrim otomatik olarak gerçekleştirilebilir.

1256

Bölüm 25 / Nükleik Asitler ve Protein Sentezi Hedef bölge

r i Il 1 II II 1 M M i l i CGACT GCAAGGAT T CCGAG iI iI iI iI iI iI iI iI iI I Ii Ii Ii Ii !i !i Ii Ii !i

t í

C T AA G G C T C T T GCT GACGT I I I I I I .1 J__I__I__L J _L Hedef bölge Ayırmak için ısıtılır ve sonra primer ilave edilir.

Hedef bölge '[ " I T T " 1 1 1 M İ T İ M II 1 II AAC GAC T GC AAGGAT T C C GAG

II II II II II II

A G G C TC İ l i l Primer

Primer

i i rrl A A C G AC

ll ii ll ii ll íí

T T G C T G A C G T T C C T A A G G C T C

l i l i ............................................... Hedef bölge

DNA polimeraz ve nükleotit trifosfat ilave edilir.

i m i m i vi İlil II II II II II II II II II II II II II II II Il iI lI i I l Ií I

AAC GAC T GC AAGGAT T C C GAG T T G C

C G T T C C T AA G G C T C I J .., I J .......................

II I II AAC GAC T GC AAGGAT T C C GAG

İİ ll ii ll

I I I I I I I I I I I I I I I I i i i i i i i i i i i i i i

T T G C T G A C G T T C C T A A G G 1 I I I M .................. I I I I M .1.

C T C

Şekil 2 5 .18 Polimeraz zincir tepkimesinin bir çevrimi. DNA tellerini ayırmak için ısıtma iki adet tek telli kalıp verir. Primerler, hedef bölgeden her bir sarmala tamamlayıcı nükle otit dizilişleri oluşturur. Nükleotit tı ifosfatlı ortamda, DNA polimerazı, ilk orijinal, hedef DNA ile aynı iki parça yeni DNA oluşumunu katalizler.

25.8 Polimeraz Zincir Tepkimesi Teller ayrılır ve primer ilave edilir.

Kopyalamak için primerler genişletilir.

Hedef bölge ^TTT TTT IIIII AACGACTGCAAGGATTCCGAG I I I I II I I I I I I II I I I I I II TTGCTGACGTTCCTAAGGCTC

Çevrim 1

> Çevrim 2

j

r

vd.

Şekil 25.19 Polimeraz zincir tepkimesinin her bir çevrimi hedef bölgedeki kopya sayısını ikiye katlar.

1257

1258


A n a h t a r T e r i m l e r ve Ka v r a m l a r

Nükleik asitler Nükleotitler Nükleositler Kopyalama Transkripsiyon Genetik kod Kodon, antikodon Translasyon Restriksiyon, endonükleaz Polimeraz zincir tepkimesi (PZT)

Altbölümler 25.1, 25.4, ve 25.5 Altbölümler 25.2 ve 25.3 Altbölümler 25.2 ve 25.3 Altbölüm 25.4C Altbölüm 25.5A Altbölümler 25.5C ve 25.5D Altbölüm 25.5C Altbölüm 25.5D Altbölüm 25.6 Altbölüm 25.8

Seçilmiş Problemlerin Cevapları

BÖLÜM 1 1.8 (a), (c), (f), (g) düzgün dörtyüzlü; (e) üçgensel düzlem; (d) açısal; (h) üçgen piramit 1.12 (a) ve (d); (b) ve (e); ve (c) ve (f). 1.20 (a), (g), (i), (1), izomer olmayan farklı bileşikleri; (c-e), (h), (j), (m), (n), (o) aynı bileşikleri; (b), (f), (k), (p) yapı izomerleri ni göstermektedir. 1.25 (a) Yapılar, çekirdeklerin konumları bakımından farklıdır. 1.27 (a) Bir negatif yük; bir negatif yük; (c) üçgen piramit

BÖLÜM 2 2.10 (c) Propil bromür; (d) izopropil florür; (e) fenil iyodür. 2.13 (a) CH3CH2OCH2CH3; (b) CH3CH2OCH2CH2CH3; (e) diizopropil eter. 2.17 (a) Molekülleri birbirleriyle hidrojen bağları oluşturabildiklerinden CH3CH2CH2CH2OH daha yüksek kaynama noktasına sa hip olacaktır; (c) HOCH2CH2CH2OH daha fazla hidrojen bağı oluşturabildiğinden daha yüksek sıcaklıkta kaynayacaktır. 2.19 (a) Keton; (c) alkol; (e) alkol. 2.20 (a) 3 Alken ve 2° alkol; (c) fenil ve 1° amin; (e) fenil, ester ve 3° amin; (g) alken ve 2 ester grubu. 2.26 CH3CH2CH2CH2CH2Br; (CH3)2CHCH2CH2Br; CH3CH2CH(CH3)CH2Br; (CH3)3CCH2Br 2.30 Ester

3.11 (a) CHC12C 02H, iki klor atomunun elektron çekici indüktif etkisinin hidroksil protonu daha pozitif yapması nedeniyle da ha kuvvetli asit olacaktır, (c) CH2LC02H, flor atomunun brom atomundan daha elektronegatif olması ve daha fazla elektron çek mesi nedeniyle daha kuvvetli asit olacaktır. 3.23 (a) pKa = 3,752; (b) Ka = 10"«

BÖLÜM 4 4.5 (a) l-(l-MetiletiI)-2-(l,l-dimetiletil) siklopentan veya 1-terbütil-2-izopropilsiklopentan; (c) bütilsikloheksan; (e) 2-klorosiklopentanol. 4.6 (a) 2-Klorobisiklo[1.1.0]bütan; (c) bisiklo[2.1.1]heksan; (e) 2-metilbisiklo[2.2.0]oktan 4.7 (a) trans-3-Hepten; (c) 4-etil-2-metil-l-heksen

BÖLÜM 3 3.2 (a), (c), (d), ve (f) Lewis bazlarıdır; (b) ve (e) Lewis asitleri dir. 3.4 (a) [H30+] = [HC02-] = 0,013 M; (b) İyonlaşma = %1,3 3.5 (a) pKa = 7; (b) pKa = -0,7; (c) Asidin pKa’sı 5 olduğundan Ka’sı daha büyüktür ve daha kuvvetli asittir. 3.7 Metilaminyum iyonunun pKa’sı 10,6’ya eşittir (Altbölüm 3.5C). Anilinyum iyonunun pifa’si 4,6’ya eşit olduğundan anilinyum iyonu metilaminyûm iyonundan daha kuvvetli asittir, ve ani lin (C6H5NH2) metilaminden (CH3NH2) daha zayıf bazdır.

A-l

4.20 (a) 3,3,4-Trimetilheksan; (c) 3,5,7-trimetilnonan; (e) 2-bromobisiklo[3.3.1]nonan; (g) siklobütilsiklopentan 4.24 Alkan, 2-metilpentandır, (CH3)2CHCH2CH2CH3.

A -2

Seçilmiş Problemlerin Cevaplan

4.25 Alkan, 2,3-dimetilbütandır. 4.27 (CH3)3CCH3 en kararlı izomerdir. 4.35 (a) Pentan, zinciri dallanmamış olduğundan daha yüksek sı caklıkta kaynar, (b) 2-Kloropropan, çünkü o daha polardır ve da ha büyük molekül kütlesine sahiptir, (e) Molekülleri daha polar olduğundan CH3COCH3 4.38 (a) Trans izomer, her iki metil grubu da ekvatoryal olabile ceği için daha kararlıdır, (c) Her iki metil grubu da ekvatoryal olabileceğinden trans izomer daha kararlıdır. 4.43 Çizelge 4.10’dan, bunun, trans- 1,2-diklorosikloheksan oldu ğunu buluruz, (b) Klorlar ikili bağın zıt taraflarından katılmalı dır.

BÖLÜM S 5.1 (a) Akiral; (c) kiral; (e) kiral; (i) kiral 5.2 (a) Evet; (c) hayır. 5.3 (a) Aynıdırlar, (b) Enantiyomerlerdir. 5.7 Aşağıda verilenler bir simetri düzlemine sahiptirler ve bu yüz den de akiraldirler: tornavida, beyzbol sopası, çekiç 5.11 (a) —C1 > —SH—OH>—H (c) —OH>—CHO>—CH3> —H (e) —OCH3> —N(CH3)2> —CH3> —H 5.13 (a) Enantiyomerler; (c) enantiyomerler 5.17 (a) Diastereomerler; (c) hayır; (e) hayır 5.19 (a) A’yı gösterir; (b) C ’yi gösterir (c) B’yi belirtir. 5.21 B (2S,3S)-2,3-dibromobütan; C (2R,3S)-2,3-dibromobütan 5.35 (a) Aynı; (c) diastereomerler; (e) aynı; (g) diastereomerler; (i) aynı; (k) diastereomerler; (m) diastereomerler; (o) diastere omerler; (q) aynı.

BÖL! M 6 6.3 (a) Tepkime SN2’dir, bu yüzden konfigürasyonda devrilme olur. Sonuç olarak, (+)-2-klorobütanın konfigürasyonu (-)-2-bütanolünkine [(/?)] zıttır [yani (S) dir], (b) (-)-2-İyodobütamn kon figürasyonu (R) dir. 6.7 Protik çözücüler formik asit, formamit, amonyak ve etilen glikoldür. Diğerleri aprotiktir. 6.9 (a) CH30 ; (c) (CH3)3P. 6.14 (a) 1-Bromopropan daha hızlı tepkime verecektir çünkü, bi rincil halojenürdür ve daha az engellidir, (c) Ayrılan grubu taşı yan karbonu l-kloro-2-metilpropanmkinden daha az engelli olduğundan 1-klorobütandır. (e) Birincil halojenür olduğundan 1kloroheksandır. Fenil halojenürler SN2 tepkimelerinde etkin de ğildirler. 6.15 (a) Etoksit iyonu etanolden daha güçlü nükleofil olduğun dan 1. tepkimedir; (c) Trifenilfosfin, (C6H5)3P, trifenilaminden da ha güçlü nükleofil olduğundan 2. tepkimedir. (Fosfor atomları azot atomlarından daha büyüktür).

6.16 (a) Bromür iyonu klorür iyonundan daha iyi bir ayrılan grup olduğundan 2. tepkimedir; (c) Substratın derişimi 1. tepkimedekinin iki katı olduğundan 2. tepkimedir. 6.19 İstenen tepkime E2 olduğundan ikincil halojenür, 1-bromo1-fenileten, kullanılarak en iyi verim elde edilir, (b) Burada bir SN1 tepkimesi istiyoruz. Çözücü ve nükleofil olarak etanol kul lanırız ve tepkimeyi, ayrılmayı en aza indirecek şekilde, düşük sıcaklıkta gerçekleştiririz.

İİOİ i M “ 7.3 (a) 2,3-Dimetil-2-büten, ikili bağı tetrasübstitüe olduğundan daha kararlı olacaktır, (c) ds-3-Heksen, ikili bağı disübstitüe ol duğundan daha kararlı olacaktır.

(trisübstitüe, daha kararlı

(monosübstitüe, daha az kararlı)

Ana ürün

Yan ürün

7.18 (a) İkili bağın yerini, ikili bağla bağlı karbon atomlarının iki numarasının daha küçüğünü kullanarak belirtiriz ve zincir ikili ba ğa daha yakın uçtan başlanarak numaralanır. Doğru isim trans2-pentendir. (c) İkili bağın yerini belirtmek için ikili bağla bağlı karbon atomlarının daha küçük olan numarasını kullanırız. Doğ ru isim 1-metilsikloheksendir. 7.19

(a) ___/

(c)

7.21 (a) (£)-3,5-Dimetil-2-heksen; (c) 6-metil-3-heksin; (e) (Z,5/?)-5-kloro-3-hepten-6-in 7.37 E2 tepkimesinin olması için gerekli olan anti periplanar yön lenmeye yalnızca döteryum atomu sahip olabilir. Br


BÖLÜM 8

10.4 İki metil radikalinin birleşmesiyle küçük bir miktar etan olu şur; etan, daha sonra kloroetanı oluşturmak üzere klor ile tepki meye girer. 10.14 (a) Siklopentan; (c) 2,2-dimetilpropan (a)

ÇH3 U\ ..... U /

X

ch2

I

ch3 çh3

i

HBr

> CH3CCH3

F ÇH3

HC=C v ! ^ H C

CH3 c h 3c h 2c h c h 2c h 3

c h 2c h 3

D

E

BÖLÜM 9 9.2 (a) Bir; (b) iki; (c) iki; (d)bir; /e) iki; (f) iki. 9.7 Düşük alanda bir ikili (3H); yüksek alanda bir dörtlü (İH) 9.8 A, CH3CHICH3; B, CH3CHC12; C CH2C1CH2CH2C1 9.30 Fenilasetilen 9.31 G, CH3CH2CHBrCH3 H, CH2=CBrCH 2Br 9.36 Q, bisiklo[2.2.1]hepta-2,5-diendir. R, bisiklo[2.2.1]heptandır.

10.23

BÖLÜM 10

bölüm

10.1 (a) ;AH ° = -554 kj m o l- 1 ; (c) AH ° = - 1 0 2 kJ m (e) A H ° = + 55 kJ m o F 1; (g) A H ° = - 1 3 2 kJ m o F 1.

>■'

h

ch3

(2R,4S)-2,4-Dikloropentan

(c) Hayır, (2/?,4.S')-2,4-dikloropcntan bir mezo bileşiği olduğun dan kiral değildir. (C3’ten geçen bir simetri düzlemine sahiptir.) (a) Evet, ayrımsal damıtmayla ya da gaz sıvı kromatografisi ile. (Diastereomerler farklı fiziksel özelliklere sahiptirler. Bu yüzden, iki izomer farklı buhar basınçlarına sahip olacaktır.) 10.17 (a) 7 Kısım; (c) kısımların hiç biri optikçe aktif değildir. 10.18 Hayır, yalnızca kiral molekülleri (enantiyomerler olarak) içeren kısımlar 1-kloro-2-metilbütanı ve 2-kloro-3-metilbütanı içeren kısımlardır. Bununla beraber, bu kısımlar, enantiyomerlerin rasemik şekillerini içerdiklerinden optikçe aktiflik göstermez ler. (b) Evet, l-kloro-2-metilbütanı ve 2-kloro-3-metil-bütanı içeren kısımlardır.

ch3

(d) CH3C=CH 2 ——►CH3CCH3

8.50

c

ch2

(2S,4S)-2,4-Dikloropentan

Br CH3

+

ch3

CH, (peroksit yok)

" v

- U .......

cı

I OH

(c) CH3C = C H 2

u\

/

..... o -

8.26 (a) CH3C = C H , H-0+’H-°> CH3CCH3

CH,

çh3

ch2

CH,

CH,

ışık

ch2

X

8.1 2-Bromo-1-iyodopropan 8.7 Bu sıra, bu alkenlerin proton alma ve bir karbokatyon oluş turmadaki bağıl kolaylıklarını yansıtır. 2-Metilpropen, bir 3° kar bokatyon oluşumuna yol açtığından en hızlı; eten ise bir 1° karbokatyon oluşturacağından en yavaş tepkime verir. 8.16 (a) (Z)-İzomerin her iki yüzünden de olan ««-hidroksilleme mezo bileşik, (2R, 3S)-2,3-bütandiol, oluşturur, (b) (E)-İzomerin bir yüzünden olan .t/n-hidroksillcmc (2/?,3P)-2,3-bütandioIün, di ğer yüzünden olan ise, muhtemelen eşdeğer olarak, (2.S’,3.S')-enantiyomerin oluşmasına neden olur. 8.21 (a) CH3CH2CHICH3; (b) CH3CH2CH2CH3; (e) CH3CH2CH(OH)CH3; (h) CH3CH2C H =C H 2 (j) CH3CH2CHCICH3; (1) CH3CH2CHO + HCHO. 8.23 (a) CH3CH2CBr=CHBr; (c) CH3CH2CBr2CH3; (e) CH3CH2C H =C H 2

A -3

o l 'i ;

CH,

CH,

CH3CCH2CH3 > CH3CHCHCH3

(2 °)

(3°)

CH,

CH,

> CH3CHCH2CH2 • ~ CH3CHCH2CH3

(1 °)

(1°)

il

11.3 Glikollerde iki —OH grubunun varlığı moleküllerine daha fazla hidrojen bağı yapma imkanı verir.

A -4


11.4 (a) CH3CH2OH; (c) (CH3)3C0H. 11.13 Etiketlenmiş oksijen içeren bir alkol kullanınız. Eğer eti ketlenmiş oksijenin tamamı siilfonat esterinde görünürse o zaman

11

/

CH3CH2CHC6H5

H

(c) CH3CH2COCH3

\

----------------► OH

H ,0 + h o ►c h 3c h 2c h c 6h 5

o

CH2OH C=C

C,H,MgBr, dietil eter

CH.CH-CH — 1i'--1 OMgBr

11.31 (a) 3,3-Dimetil-l-bütanol; (c)2-metil-l,4-bütandiol; (e) 1metil-2-siklopenten-1 -ol. (a) H,CX

CH,C1,

O

tepkime sırasında alkolün C—O bağının kırılmadığı şeklinde yo rumlanabilir.

11.32

PCC

12.10 (a) CH3CH2CH2OH

2 C 6H5MgBr, dietil eter

H OMgBr

(c)

I

C6H5ÇCH2CH3

OH NH +

I c 6h 5ç c h 2c h 3

c 6h 5

OH (e)

c 6h 5

H

CH3CH2C e=C(^HCH2OH

12.12

CH,CHCH2CH2CH3

(a) CH3CH3; (b) CH3CH2D; OH

C1 (g)

I (c)

c 6h 5c h c h 2c h 3

OH

o c h 2c h 3 ch3

(i)

I

(g)

CH3CH3+ CH,CH 2C = C— CHCH,

(h)

CH3CH3 + P

ch3

CH3CH— O — CHCH3

11.38

^

[(a) şıkkından]

y^M gB r

(a) CH3Br + CH3CH2Br; (c) Br-CH2CH2CH2CH2—Br OH

I 12.13

(a) (CH3)2CHCHCH2CH2CH3 OH

I

(b) (CH3)2CHÇCH2CH2CH3 ch3

(e)

CH3CH2CH2CH2C H = C H 2

(f)

CH,CI1;CH

BÖLÜM 12 12.4

(a) LİA1H4; (c) NaBH4

12.5 (a) NH+C r0 3C l(PCC )/C H 2Cl2

BÖLÜM 13 (c) H2C r0 4/aseton

13.1 (a) 14CH2= C H —CH2—X + X— !4CH2—C H = C H : (c) eşit miktarlarda

Seçilmiş Problemlerin Cevapları 13.6 (b) 1,4-Sikloheksadien bir izole diendir. 13.16 (a) 1,4-Dibromobütan + (CH3)3COK, ve ısı; (g) H C=CCH =CH 2 + H2, Ni2B (P-2). 13.19 (a) 1-Büten + N-bromosüksinimit, daha sonra (CH3)3COK, ve ısı; (e) siklopentan + Br2, hv, sonra (CH3)3COK ve ısı, daha sonra A'-bromosüksinimit 13.28 Bu, bir tepkimenin denge kontrolüne karşı hız kontrolünün bir başka örneğidir. Endo katılma ürünü, G, daha hızlı oluşur ve düşük sıcaklıklarda ana üründür. Ekso katılma ürünü, H, ise da ha kararlıdır ve daha yüksek sıcaklıklarda ana üründür.

luenlerin karışımının yalnızca %60’ında nitro grubu orto ve pa ra konumlarında olmalıydı, %40’ının ise m-nitrotoluen olmasını beklerdik. Gerçekte, o-ve p-nitrotoluenin birlikte %96, m-nitrotoluenin ise yalnızca %4 olduğunu buluruz. Bu sonuçlar, metil grubunun orto ve para yönlendirme etkisinin olduğunu gösterir. 15.11 (b) Oksijenin elektronları için benzen halkasıyla yarışan aşa ğıdaki gibi olan yapılar, elektronların benzen halkasına dağılma sını azaltır.

B o l u m 14 14.1 (a) ve (b) Bileşikleri 14.8 Siklopropenil katyonunun aromatik olması gerektiğini akla getirir. 14.10 Siklopropenil katyonu 14.15 A, o-Bromotoluen; B, p-bromotoluen; C, m-bromotoluen; D, benzil bromür. 14.18 Hem pentalene hem de heptalene Hückel kuralı uygulan malıdır. Pentalenin antiaromatikliği onun sahip olduğu 8 k elekt ronundan ileri gelebilir. Heptalenin aromatiklik kaybı ise onun sahip olduğu 12 jt elektronundan kaynaklanabilir. Ne 8 ne de 12 Hückel’e uygun bir sayıdır. 14.20 Köprüdeki —CH2— grubu 10 n elektronlu halka sistemi nin (aşağıda) düzlemsel hale gelmesine neden olur. Bu da hal kayı aromatik yapar. 14.23 (a) Sikloheptatrienil anyonu 8 n elektronuna sahiptir ve Hückel kuralına uymaz; 10 n elektronuna sahip siklonantetraenil anyonu ise Hückel kuralına uyar. 14.25 A, C6H5CH(CH3)2); B, C6H5CH(NH2)CH3;

15.8 Metil grubunun, gelen elektrofili yönlendirme etkisi olma saydı, ürünleri teorik istatistiki miktarlarda elde etmeyi bekler dik. İki orto hidrojen atomu, iki meta hidrojen atomu ve bir para hidrojen olduğundan %40 orto(2/5), %40 meta (2/5) ve %20 pa ra (1/5) ürününün oluşmasını umardık. Bu yüzden mononitroto-

A -5

H

H

O

(c )

Br

O

A -6


18.7 (a) C6H5CH2Br + Mg + dietil eter, sonra C 02, daha sonra H,0*; CH2=C H C H 2Br + dietil eter, sonra C02, daha sonra H ,0+ 16.2 (a) 1-Pentanol; (c) pentanal; (e) benzil alkol 18.8 (a), (c), ve (e). 16.6 Bir hidrür iyonu 18.10 Benzoik asitin karboksil grubunda 16.17 (b) CH3CH2Br + (C6H5)3P, sonra kuvvetli baz, daha sonra 18.15 (a) (CH3)3CC02H + SOCl2, sonra NH3, daha sonra P4O10, C6H5COCH3; (d) CH3I+ (C6H5)3P, sonra kuvvetli baz, daha son ısı; ra siklopentanon (f) CH2=C H C H 2Br + (C6H5)3P, sonra kuvvet (b) CH2= C — CH3 li baz, daha sonra C6H5CHO. ch3 16.24 (a) CH3CH2CH2OH; (c) CH3CH2CH2OH

BÖLÜM 16

(h) CH3CH2CH=CHCH3; (j) CH,CH2C 02-NH4 + Ag | (I) CH3CH2CH=NNHCONH2; (n) CH3CH2C 02H 6.40 (a) Tollens reaktifi; (e) CCl4’te Br2; (f) Tollens reaktifi; (h) Tollens reaktifi

O

6.41

"'CH,

X,

/ 2 CH,

18.24 (a) CH3C 02H; (c) CH3C 02CH2(CH2)2CH3; (e) p-CH3COC6H4CH3 + o-CH3COC6H4CH3; (g) CH3COCH3; (i) CH3CONHCH3; (k) CH3CON(CH3)2; (m) (CH3C0)20; (o) c h 3c o 2c 6h 5 18.36 (a) Dietil süksinat; (c) etil fenilasetat; (e) etil kloroasetat 18.40 X dietil malonattır.

dir.

6.42 Y, l-fenil-2-bütanon; Z ise 4-fenil-2-bütanondur.

BÖLÜM 19 19.4 (a) CH3ÇHC0C02C2H5 c o 2c 2h 5

BÖLÜM 17 O

17.1 Enol şekli fenoldür ve aromatik olduğundan özellikle karar II (b) HCCH2C02C2H5 lıdır. 17.5 Tepkime meydana gelirken baz tüketilir. Bir katalizör, net olarak, tüketilmez. 19.7 O-alkilleme, bir nükleofil olarak davranan enolat iyonunun oksijeni üzerinden gerçekleşir. CH.CHO 17.13 C6H5CHO + OH--- ^ — ► C6H2NOCH=CHCHO 19.9 (a) Etkinlik, herhangi bir SN2 tepkimesindekiyle aynıdır. Bi rincil halojenürlerle olan yer değiştirme oldukça yeğlenir, ikincil O halojenürlerle olanda ayrılma yer değiştirme ile yarışır ve üçün OH17.16 (b) CH.NOj + H C H ----- ►HOCH2CH2NO: cül alkil halojenürlerde ayrılma, tepkimenin tek yönüdür, (b) Asetoasetik ester ve 2-metilpropen. (c) Bromobenzen nükleofilik yer 17.28 (a) CH,CH2CH(OH)CHCHO değiştirmeye karşı etkin değldir. 19.30 (b) D, rasemik fraıw-l,2-siklopentandikarboksilik asittir. E, CH, (b) C6H5CH=CCHO bir mezo bileşik olan c/s-l,2-siklopentandikarboksilik asittir. 19.39 (a) CH2= C (C H 3)C02CH2CH3; (b) KMn04, OH-; H30 +; CH, (c) CH3OH, H+; (d) CH3ONa, sonra H,0+ (k) CH3CH2CH(OH)C6H5 (1) CH3CH2CH(OH)C=CH O

CH,

II

I

17.33 B, CH3C— (j!— CH, OH

BÖLÜM 18 18.3

(a) CH2FC02H; (c) CH2CIC02H; (e) CH3CH2CHFC02H;

(g) CF3

C 02H

Seçilmiş Problemlerin Cevapları (g) OH“, H20 , sonra H30+; (h) ısı (- CO,) (i) CH3OH, HA; (j) Zn, BrCH2C 02CH3, dietil eter, sonra H30 +

A-7

tetraklorür içerisindeki brom la katılm a tepkim esi verecek (bun dan dolayı çözeltinin rengi kaybolur); etil fenil eter verm eyecek tir. 21.16

Flor sübstitüenti m etil grubundan daha fazla elektron çeki

ci olduğundan 4-florofenol. (e) Flor, brom dan daha elektronega tif olduğundan 4-florofenol

(I) H2, Pt; (m) CH3ONa, sonra HsO+; (n) 2 NaNH2 + 2 CH3I

bölüm

22.1

22

(a) İki; (b) iki; (c) dört

22.5 A sit, glikosidik (asetal) grubun hidrolizini katalizler.

B o l ü m 2«

22.9

H„ Ni 20.5 (a) CH,(CH,),CHO + N H ,-- ------ ►

+ C H 3 CHO, iki eşdeğer m ol H I 0 4;

C IK C H iC H N H

(a) 2 C H 3 CHO, bir eşdeğer mol H I 0 4; (b)H C H O + H C 0 2H

(c) H CH O + O H C C H (O C H 3)2, bir eşdeğer mol H I 0 4;

(d) H CH O + H C 0 2H + C H 3 C 0 2H, iki eşdeğer m ol H I0 4 ; (e) 2 H„ Ni (c) CH3(CH2)4CHO + C„H,NH2— ------ ► C H 3C 0 2H + H C O ,H , iki eşdeğer m ol H I 0 4 CH,(CH2)4CH2NHC6H5 22.18 D-(+)-Glikoz.

20.6 Bir ikincil balojenürün amonyakla olan tepkimesine hemen hemen daima bir miktar ayrdma eşlik eder. 20.8 (a) Metoksibenzen + HN03 + H2S04, sonra Fe + HC1; (b) Metoksibenzen + CH3COCl + AIC13, sonra NH3 + H2 + Ni; (c) toluen + C l2 ve ışık, sonra (CH3)N; (d) p-nitrotoluen + KMn04 + OH , sonra H30 +, daha sonra SOCl2, ardından NH3, sonra NaOBr (NaOH’deki Br2); (e) toluen + CCl4’te A'-bromosüksinimit, sonra KCN, daha sonra LİA1H4. 20.14 p-Nitrotoluen + Br2 + Fe, ardından H2S04/NaN02, ardın dan CuBr, sonra Fe/HCl, daha sonra H2S04/NaN02 , ardından H3P 02. 20.37 W, IV-benzil-A'-etilanilin

22.23 D-M annozun anom erik şekillerinden biri sağa çeviren ([of]D = + 29,3°), diğeri sola çevirendir ([ a ] D = -1 7 °) 22.24 Bu m ikroorganizm a, D -glisitolün — CHO H grubunu seçim li olarak yükseltger. 22.27 A, D -altroz;

B, D -taloz;

C ise D -glaktozdur.

BÖLÜM 23 23.5 (a) CCI 4 içerisinde Br 2 geraniol ile tepkim eye girecek-(brom un rengi kaybolacak) fakat m entol ile tepkim eye girm eyecek tir. 23.12

(a) C 2H 5OH, HA, ısı veya S O C l2, sonra C 2 H 5 OH; (d)

S O C lj, sonra (C H ,) 2NH; (g) S O C l2, sonra L İA lH [O C (C H 3 ) 3 l 3; (j)

S O C l2, sonra (C H 3)2CuLİ

BÖLÜM 21

23.15

21.4 (a) Para-sülfolanmış fenol, (b) Orto sülfolama için.

23.19 A C H 3 (C H 2) 5C = C N a ’dir.

E laidik asit ira/îs-9-oktadekenoik asittir.

B C H 3 (CH 2 )5C = C C H 2(C H 2)7 C H 2C l ’dir. C C H 3 (CH 2) 5C = C C H 2(C H 2)vC H 2C N ’dir. E C H 3 (C H 2) 5C = C C H 2(C H 2) 7 C H 2C 0 2H ’dir. V akkenik asit, C H ,(C H 2)5X

/ (C H 2)l)C 0 2H

/C = c x 21.10 o-klorotoluen, bir ayrılma-katılma mekanizmasının olduğu ileri sürülen Dow işleminde kullanılan şartlar sağlandığında iki ürünün (o-krezol ve ra-krezol) oluşmasına yol açar. 21.11 o-Hidrojen atomu olmadığından 2-bromo-l,3-dimetilbenzen ayrılmaya uğrayamaz. Onun sıvı amonyak içerisindeki sod yum amite karşı olan etkinlik kaybı böyle bileşiklerin (bromobenzen gibi) ayrılmayla başlayan bir mekanizmayla tep kimeye gireceğini önerir. 21.14 (a) 4-Klorofenol sulu NaOH içerisinde çözünecek; 4-kloro-l-metilbenzen ise çözünmeyecektir. (c) Vinil fenil eter karbon

H

dir. H

23.20 F, FC H 2(C H 2) 6C H 2C = C H ’dir. G , FCH 2 (C H 2) 6C H 2C = C ( C H 2)7 C1 ’dir.

H, FC H 2 (C H 2)6C H 2C = C ( C H 2)7 C N ’dir. I, FCH 2(C H 2)7 C = C ( C H 2)vC 0 2 H ’dir.

BÖLÜM 24 24.5 E tiketlenm iş am ino asit, artık bazik bir — N H 2 grubuna sa hip değildir; bu yüzden, sulu asitte çözünm ez.

A -8


24.8

Glutatiyon

H.NCHCHXH,CONHCHCONHCH,CO,H

I

co2-

dir.

I c h 2s h

24.20 ArgProProGlyPheSerProPheArg 24.21 Val-Leu-Lys-Phe-Ala-Glu-Ala

BÖLÜM 25 25.2 (a) Bir İV-glikosidik bağa (bir O-glikositik bağa benzer) sa hip olan nükleositler sulu asitler tarafından hızla hidroliz edilir ler, fakat sulu bazda kararlıdırlar.

25.3 Tepkimenin, bir SN2 mekanizması üzerinden yürüdüğü gö rülür. Atak, başlıca ikincil 3’ karbon atomundan daha çok birin cil 5’ karbon atomuna olur. 25.5 (a) İzopropiliden grubu bir halkalı asetaldir. (b) Bu nükleositin aseton ve eser miktarda bir asitle etkileştirilmesiyle. 25.8 (b) Timin, adeninle bir çift oluşturacak ve bu yüzden adenin, tamamlayıcı tele, guaninin olması gerektiği yere girecektir. 25.13 C-T-T den C-A-T ye veya C-T-C den C-A-C ye olan bir değişim.

Sözlük

A

Açı gerginliği Bir molekülün (genellikle halkalı), bir bağ açısının en düşük enerjili değerden uzaklaşmasıyla ortaya çıkan potansiyel ener ji artışı.

Açil grubu (Altbölüm 15.7): RCO— veya ArCO— yapısındaki grup

Anti katılma (Altbölüm 8.7): Katılan reaktifin kısımlarının reaktantın ters yüzlerine ilave olduğu katılma. Anti konformasyon (Altbölüm 4.9A): Örneğin, bütanın çapraz konformasyonunda metil gruplarının 180° açıyla yer alması gibi olan kon formasyon.

ların genel adı.

Açilleme (Altbölüm 15.8): Moleküle açil grubu takılması. Açilyum iyonu (Altbölüm 15.7): Resonans kararlı aşağıdaki katyon: CH 3

R — C = 0 : ◄— ►R — C = O:

Aglikon (Altbölüm 22.4): Bir glikositin hidroliziyle elde edilen alkol. Akiral molekül (Altbölüm 5.2): Ayna görüntüsüyle çakışabilen mo lekül. Akiral molekül sağ el ile sol el çakışmama kuralına uymaz ve enantiyomeri yoktur.

Aksiyal bağ (Altbölüm 4.13) Aşağıda verilen sikloheksan halkasında gösterilen altı bağ. Bu bağlar halkanın genel düzlemine göre dik ola rak yer alırlar. Üçü halka düzleminin üzerinde üçü altındadır.

Bütanın anti konformasyonu Antiaromatik bileşik (Altbölüm 14.7D): it elektronları enerjisinin kar şılık gelen açık zincirli bileşikten daha fazla olduğu halkalı konjuge sistem.

Antikodon (Altbölüm 25.5D): Bir haberci mRNA kodonu ile bağlan tı kuran aktarıcı (transfer) RNA’daki üç bazın diziliş sırası. Anuien (Altbölüm 14.7A): Bir atlayarak (münavebeli) birli ve ikili bağ

W

lara sahip tek halkalı hidrokarbonlar. Anulenin halka büyüklüğü pa rantez içerisinde rakamla gösterilir. Örneğin benzen; [6 ]anulen, siklooktatetraen ise [8 ] anulendir.

Aprotik çözücü (Altbölüm 6.14C): Çok kuvvetli elektronegatif ele

le tepkimenin geçiş hali arasındaki enerji farkının ölçüsü. Serbest ak tifleşme enerjisi (ACrj ile ilişkilidir ancak aynı değildir.

mente, örneğin oksijene bağlı hidrojen atomu olmayan çözücü. Birçok amaç için, bu ifade aprotik çözücünün — OH grubu içermeyen çözü cü olduğu anlamını ifade eder.

Aldarik asit (Altbölüm 22.6C): Aldehit grubunun ve adozlann uç 1°

Ara ürün (Altbölüm 3.1A, 6.10, ve 6.11): Potansiyel enerji diyagra

Aktifleşme Enerjisi £ akl (Altbölüm 6 .8 ): Tepkimeye giren maddeler

alkol grubunun yükseltgenmesiyle elde edilen bir os,co-dikarboksilik asit.

Alditol (Altbölüm 22.7): Aldoz veya ketozların aldehit veya keton gruplarının indirgenmesiyle elde edilen alkol.

Aldonik asit (Altbölüm 22.6B): Aldozlarm aldehit gruplarının yük seltgenmesiyle elde edilen monokarboksilik asit.

Alifatik bileşik (Altbölüm 14.1): Bir alkan, sikloalkan, alken veya alkin gibi aromatik olmayan bileşik.

mında ürünler ve reaktifler arasında minimum enerjiye sahip geçici bir ürün.

Aren (Altbölüm 15.1): Aromatik hidrokarbonun genel adı. Aril grubu (Altbölüm 15.1) Aromatik hidrokarbonlarda halka üzerin deki bir protonun uzaklaştırılmasıyla elde edilen grubun genel adı. Kı sa gösterilişi Ar— . Aril halojenür (Altbölüm 6.1): Holojen atomunun benzen halkası gi bi bir aromatik halkaya bağlı olduğu organik halojenür.

Alkilleme (Altbölüm 4.18C ve 15.7): Moleküle alkil grubu takılma

Aromatik bileşik (Altbölüm 14.1-14.7 ve 14.11): Jt elektronu delokalizasyonuyla kararlı hale gelen iyon veya doymamış halkalı konjuge molekül. Aromatik bileşikler, yüksek rezonans enerjisi içerme, katıl madan ziyade yer değiştirme tepkimesi verme, ve 1H NMR spektrumlarında indüklenmiş halka akımı dolayısıyla, halkaya bağlı protonlarının düşük alana kayması gibi özellikler gösterirler.

sı.

Asetal (Altbölüm 16.7C): Alkoksi grupları bağlı karbon içeren fonk

Allil grubu (Altbölüm 4.5): CH 2= C H C H 2— grubu.

siyonel grup [RCH(OR ' ) 2 veya R 2C(OR')2] Bu grup aldehit veya keto na 2 eşdeğer mol alkol ilavesiyle elde edilir.

Allilik sübstitüent (Altbölüm 13.2): Karbon-karbon ikili bağına biti şik karbon atomundaki sübstitüenti ifade eder.

Alkaloit (Özel Konu F): Amino grubu içeren doğal olarak oluşmuş bazik özellikte bileşik. Alkaloitlerin çoğu fizyolojik özelliğe sahiptir.

Anomerler (Altbölüm 22.2C): Karbohidrat kimyasında kullanılan bir terim. Anomerler, halkalı yapıdaki şekerin sadece asetal veya yarı-asetal karbonlarının konfigurasyonunda farklılık olan diastereomerlerdir.

Asetilen (Altbölüm 1.14,7.11 ve 7.12): Etinin yaygın adı. Alkinlerin genel adı için de kullanılır.

G -2

Sözlük

Asetilenik hidrojen atomu (Altbölüm 3.14,4.18 ve 7.12): Üçlü karbon-karbon bağına bağlı olan hidrojen atomu.

reokimyası bilinen tepkimelerle ilişkilendirilebilir. Örneğin stereomerkezin yer almadığı tepkimelerde konfigurasyonlar korunur.

Asit kuvveti (Altbölüm): Asidin kuvveti asitlik sabitiyle, K (, ve pK u değeriyle ilgilidir. K a değeri artarsa veya pÂj, değeri azalırsa asit kuv veti artar.

Bağlanış düzeni (Altbölüm 1.3): Molekülde atomların birbirlerine bağ

Asit ve bazların Lewis teorisi (Altbölüm 3.2B): Asit, elektron çifti alan; baz ise elektron çifti verendir.

Asitlik sabiti (Altbölüm 3.5A): Asit kuvvetiyle ilgili denge sabiti. HA + H:Q ,

►H.O+ + A"

= [H3O--J [A ] K“ [HO]

Ataktik polimer (Özel Konu A): Zincir boyunca stereomerkezlerdeki konfigurasyonların rastgele olduğu polimer.

Atomik orbital (AO) (Altbölüm 1.10) Elektronun bulunma olasılığı nın yüksek olduğu, atomun çekirdeği etrafındaki boşluğun hacmi Ato mik orbitaller matematiksel olarak dalga fonksiyonuyla tanımlanırlar. Atomik orbitaller kendilerine özgü kuantum sayılarına sahiptir; B a ş kua n tu m sayısı n, atomik orbitallerdeki elektronların enerjilerine bağlı dır. 1, 2, 3... gibi değerler alır. A ç ısa l ku a n tu m sa y ısı l, elektronun çekirdek etrafındaki hareketinden ileri gelen açısal momentini tayin eder ve 0, 1, 2...(n-l) değerlerini alır. M a g n e tik k u a n tu m sa y ısı m , açı momentinin uzaydaki yönlenişini tayin eder ve +/’den -/’ye kadar de ğerler alır. S p in k u a n tu m sa ıy ısı s, elektronun gerçek (intrinsik) açısal momentini ölçer ve sadece + 1/ 2 , - 1/2 değerini alabilir.

Atomik orbitallerin melezleşmesi (Altbölüm 1.12): İki veya daha faz la atom orbitalinin m elez o r b ita lle r olarak adlandırılan aynı sayıda ye ni orbitaller vermek üzere matematiksel (veya teorik) toplamı. Yeni melez orbitaller, karıştırılan atom orbitallerinin bazı özelliklerini ta şırlar.

Aufbau Prensibi (Altbölüm 1.10) Elektronları, en düşük enerjili ve ya temel durumundaki atomun veya moleküllerin orbitallerine yer

lanış sırası, düzeni.

Bağlayıcı moleküler orbital (bağlayıcı MO (Altbölüm 1.11): Bağla yıcı moleküler orbitalin enerjisi meydana geldiği her bir atomik orbitalin enerjilerinden düşüktür. Elektronlar bağlayıcı moleküler orbitali doldurduklarında, moleküler orbitalin etrafını sardığı atomları bir ara da tutarlar. Basit formül (Altbölüm 1.2B): Molekülde bulunan atomların bağıl oranlarını en küçük tam sayılar şeklinde veren formül.

Bazlık kuvveti (Altbölüm 3.5): Bazın kuvveti konjuge (eşlenik) asi dinin kuvvetiyle ters orantılıdır; konjüge asit zayıflatıkca bazlık kuv veti artar. Diğer bir deyişle, konjuge asidin pÂ( değeri büyükse bazın kuvveti büyük olur. Benzenoit aromatik bileşik (Altbölüm 14.8A): Molekülleri bir veya birden fazla benzen halkası içeren aromatik bileşik. Benzenoit olmayan aromatik bileşik (Altbölüm 14.8B): Azulen gi bi benzen halkası içermeyen aromatik bileşik.

Benzil grubu (Altbölüm 2.5B ve 15.15): C6H5 CH2— grubu. Benzilik sübstitüent (Altbölüm 15.15): Benzen halkasına bitişik kar bon atomu üzerindeki sübstitüenti belirtir.

Benzin (Altbölüm 21.11): Benzen halkası üzerindeki s p 1 melezleşmiş komşu iki karbon atomunun yan taraftan örtüşmesiyle ilave bir bağı olan çok etkin, kararsız ara ürün. Betain (Altbölüm 16.10): Bitişik olmayan katyonik ve anyonik taraf ları olan ve katyonik tarafta hidrojen atomu içermeyen elektrikçe nötr molekül.

Bimoleküler tepkime (Altbölüm 6 .6 ). Hız belirleyen basamağında reaktif olarak iki ayrı tür içeren tepkime. Bir moleküllü tepkime (Altbölüm 6 .10): Hız belirleyen basamağın yal nız bir tür içerdiği tepkime.

Birincil karbon (Altbölüm 2.6): Sadece bir karbon atomuna bağlı olan

leştirmede kılavuz görevi yapan prensip. Aufbau prensibi, elektronların düşük enerjili orbitallerden başlanarak orbitallere doldurulması gerek tiğini ifade eder.

karbon atomu.

Ayrdan grup (Altbölüm 6.5): Nükleofilik yer değiştirme tepkimele

sı. Bu yapı çoğu zaman proteinlerdeki amino asitlerin diziliş sırası ta yin edilerek belirlenir.

rinde substrattan bir çift elektronuyla ayrılan sübstitüent.

Ayrılma (Altbölüm 6.16): Substrattan iki grubun ayrılmasıyla ve 7t ba ğı oluşumuyla sonuçlanan tepkime. En yaygın ayrılmalar, komşu iki atomdan iki grubun ayrıldığı p yani 1,2 ayrılmalarıdır.

Birincil yapı (Altbölüm 24.5): Protein ve polipeptitin kovalent yapı

Bromlama (Altbölüm 8 .6 ): Moleküle brom atomunun sokulduğu tep kime.

Bromohidrin (Altbölüm 8 .8 ): Bir bromo alkol.

Azot kuralı (Altbölüm 9 . 15A): Kütle spektrumunda moleküler iyo

Bromonyum iyonu (Altbölüm 8 .6 A) İki karbon atomuna bağlı pozi

nun kütlesi çift sayılı ise molekül çift sayıda azot atomu içerir.

tif brom içeren iyon.

B Bağ açısı (Altbölüm 1.12 ve 1.16): Aynı atoma ait iki bağ arasındaki açı.

Bağ ayrışma enerjisi, bkz. Homolitik bağ ayrışma enerjisi. Bağ uzunluğu (Altbölüm 1.11 ve 1.14A): Bağ yapan iki atom veya grup arasında denge durumundaki uzaklık.

Bronsted-Lowry teorisi (asit ve bazların) (Altbölüm 3.2A): Asit pro ton veren, baz ise proton alan (veya uzaklaştıran) maddedir. Bazın kon jüge asidi, baz bir proton aldığında meydana gelen molekül veya iyondur. Bir asidin konjuge bazı ise, asit proton kaybettiğinde oluşan iyon veya moleküldür. Burulma engeli (Altbölüm 4.8): Çakışık yapıda sigma bağlarındaki elektronların birbirini itmesiyle ortaya çıkan, bağlar arasındaki dön meyi engelleyen etki.

Bağ-çizgi formülü (Altbölüm 1.17D): Molekülün karbon iskeletini çiz gilerle gösteren formül. Her bir karbon atomunun değerliğini tamam lamak için gerekli olan hidrojen atomlarının sayısı var olarak kabul edilir ancak yazılmaz. Diğer atomlar ise (örneğin O, Cl, N) yazılır.

Burulma gerginliği (Altbölüm 4.11): Molekülün çakışık konformasyonundan ileri gelen gerginlik. Çakışık yapıdaki bağlardaki elektron çiftlerinin birbirini itmeleri sonucu ortaya çıkar.

Bağıl konfigurasyon (Altbölüm 5.14A): İki asimetrik molekülünün konfigurasyonları arasındaki ilişki. Moleküllerde aynı veya benzer gruplar uzayda aynı yerlerde bulunuyorlarsa, bu moleküller aynı ba ğıl konfigurasyona sahiptir denir. Moleküllerin konfigurasyonları ste-

(' CFC (bkz. Freon): bir kloroflorokarbon. Cis-trans izomerisi (Altbölüm 4.5 ve 7.2): Bir halkanın farklı atom

Sözlük larında veya bir ikili bağın bitişik atomlarındaki stereokimyası farklı olan diastereomerler.

G -3

layan) etki. Prensip olarak bir çözücünün konjuge asidinden daha kuv vetli hiçbir asit bu çözücünün içerisinde hissedilir miktarda buluna-

Ç Çağlayan polimer (Özel Konu B.5): Çok fonksiyonlu merkezî bir çe kirdeğe, tekrarlanan birimlerin tabakalarının ilavesiyle meydana gelen polimer. Çakışık konformasyon (Altbölüm 4.8) Birli bağla bağlı iki atom çev resinde, grupların birbirine karşı koyacakları şekilde üst üste geldik leri (aralarında açı olmadan) geçici düzenleme.

Çakışık konformasyon Çapraz konformasyon (Altbölüm 4.8): İki atomu birleştiren birli bağ etrafında, bu iki atomdaki bağlı grupların; arkadaki atoma ait bağların öndeki atoma ait bağları tam ortadan olacak şekilde bir açıyla böldü ğü geçici düzenlenmesi. Öndeki atom

Arkadaki atom Çapraz konformasyon

D

D ve L gösterimi (Altbölüm 22.2B): Monosakkaritler ve diğer benzer bileşiklerin konfigurasyonlannı göstermede kullanılan bir yöntem. Konfigurasyonu belirlemede (+) veya (-)-gliseraldehit bileşiği referans olarak kullanılır. Bu sisteme göre (+) gliseraldehit D-(+)gliseraldehit ve (-)-gliseraldehit L-(-)-gliseraldehit olarak gösterilir. Monosakkarit, adlandırma için numaralandırıldığında, en yüksek numaralı stereomerkezin konfigurasyonu D-(+)-gliseraldehitinki ile aynıysa D-şeker, l-(+) gliseraldehitinkiyle aynıysa L-şeker olarak gösterilir.

Dalga boyu (kısaltması X) (Altbölüm 2.16 ve 9.2): Birbirini izleyen iki dalganın tepe noktaları (veya çukur noktaları) arasındaki mesafe.

Dalga fonksiyonu (veya T fonksiyonu) (Altbölüm 1.9): Elektronun yani orbitalin enerji durumunu gösteren, kuantum mekaniği kullanıla rak elde edilen matematiksel ifade. *F fonksiyonunun karesi (4' 2 ) elekt ronun uzayda belli bir noktada bulunma olasılığını gösterir.

Dalga sayısı (Altbölüm 2.16): Dalganın frekansını ifade etme şekli. Dalga sayısı (numarası), c n r 1 olarak ifade edilen bir santimetredeki dalganın sayısıdır. Debromlama (brom çıkarma) (Altbölüm 7.9): Komşu-dibromürlerden iki brom atomunun ayrlması veya daha genel olarak molekülden brom kaybı. Debye birimi (Altbölüm 2.3): Dipol momentler için verilen birim. Bir debye, D, lx l0 -|8esu cm’dir.

Dehidrasyon (su çıkarılması) tepkimesi (Altbölüm 7.7): Substrattan Çarpık konformasyon (Altbölüm 4.9A): Bütanın çarpık konformas-

su molekülünün ayrılmasını içeren ayrılma tepkimesi.

yonu örnek olarak aşağıda verilmiştir. Bu yapıda metil grupları birbi rinden 60° uzaklıkta yer alır.

Dehidrohalojenleme (hidrojen halojenür çıkarılması) (Altbölüm 6.16):

CH3

^ T ' ^ CH3

Substratın bitişik karbon atomlarından HX kaybıyla ve 7t bağı oluşu muyla sonuçlanan ayrılma tepkimesi.

Dejenere (bozulmuş) orbitaller (Altbölüm 1.10): Eşit enerjili orbitaller. Örneğin 2 p orbitallerinin üçü de dejenere orbitaldir. Dekarboksilasyon (Altbölüm 18.11): Karboksilik asitlerin C 0 2 kay

Çarpık konformasyon

bettiği tepkime.

Dekstrorotatori (Altbölüm 5.7B): Düzlem polarize ışığı saat yönün de döndüren bileşik.

Çarpık konformasyon (Altbölüm 4.9A): Örneğin, bütanın çarpık konformasyonunda metil gruplarının aralarındaki açı 60”dir. CH, CH3

Delokalizasyon (Dağılma) (Altbölüm 6.12B): Elektronların (veya elektrik yüklerinin) dağılması. Yükün delokalizasyonu her zaman sis temi kararlı hale getirir. Denge kontrollü tepkime, Bkz. Termodinamik kontrol. Denge sabiti (Altbölüm 3.5A): Dengenin yönünü ifade eden bir sabit. Denge sabiti ürünlerin molar derişimleri çarpımının, reaktiflerin molar derişimleri çarpımına bölünmesiyle elde edilir.

Bütanın çarpık konformasyonu Çevrilme (yapının yeniden düzenlenmesi) (Altbölüm 7.8A): Reaktanttan, farklı karbon iskeletine sahip bir ürün oluşturan tepkime. 1 , 2 Kayması olarak adlandırılan çevrilme türü, bir organik grubun (elekt ronlarıyla birlikte) bir atomdan komşu atoma göçmesini içerir. Çözücü etkisi (Altbölüm 6.14D): Çözücünün tepkime hızı üzerine ba ğıl etkisi. Örneğin polar çözücü kullanıldığında alkil halojenürlerinin SN1 tepkimelerinin hızı artar. Çözücünün seviyelendirme (eşitleme) etkisi (Altbölüm 3.14): Kuv vetli asit ve bazlarla bazı çözücülerin kullanılmasını sınırlayan (yasak-

DEPT spektrumu (Altbölüm 9.10E): Her bir farklı karbon atomu sin yalinin (C, CH, CH2 ve CH3) ayrı ayrı gözlendiği 13C NMR spektru mu serisi. DEPT spektrum verileri l3C NMR spektrumundaki farklı türdeki karbon atomlarını tanımamızı sağlar. Diastereomerler (Altbölüm 5.1): Birbirinin ayna görüntüsü olmayan stereoizomerler.

Diastereoseçimli tepkime (Bkz. Stereoseçimli tepkime ve Altbölüm 12.3).

Diastereotopik hidrojenler (veya ligandlar) (Altbölüm 9.7B): İki hid rojenin her birinin (veya ligandların) aynı gruplarla yer değiştirmesi diastereomer bileşikleri veriyorsa, iki hidrojen atomuna (veya ligandlara) diastereotopik denir.

G -4

Sözlük

Dielektrik sabiti (Altbölüm 6.14D): Çözücünün, zıt yükleri birbirin

laştığı kovalent bağlarda).

den yalıtma yeteneğinin bir ölçüsü. Çözücünün dielektrik sabiti kaba ca polarlığını ölçer. Dielektrik sabiti büyük olan çözücüler, iyonlar için dielektrik sabiti küçük olan çözücülerden daha iyi çözücüdür.

Elektrostatik potansiyel haritaları (Altbölüm 3.2C): Elektrostatik po

Dienofîl (Altbölüm 13.11): Diels-Alder tepkimesinde dien arayan bi leşen.

Dipol moment, p (Altbölüm 2.3): Polar moleküllere özgü deneysel ola rak ölçülebilen bir özellik. Elektrostatik birimler (esu) cinsinden; yük le, cm cinsinden bu yükler arası uzaklığın çarpımı: /ı=exd.

Dipolar iyon (Altbölüm 24.2C): Amino asidin karboksil grubundan bazik grubuna proton aktarımı sonucu oluşan, yük ayrımı olan yapı. Disakkarit (Altbölüm 22.1 A): Hidrolizle bölünme sonucu iki mole kül monosakkarit veren karbohidrat molekülü. Doymamış bileşik (Altbölüm 2.2): Çoklu bağ içeren bileşik. Doymuş bileşik (Altbölüm 2.2): Hiçbir çoklu bağ içermeyen bileşik. Düğüm (Altbölüm 1.9): Dalga fonksiyonunun (*P) sıfır olduğu yer. Orbitaldeki düğüm noktalarının sayısı arttıkça orbitalin enerjisi de artar.

Düzlem-polarize ışık (Altbölüm 5.7A): Elektriksel alandaki salınan ları tek bir düzlem üzerinde olan adi ışık.

tansiyel haritaları, bilgisayar tarafından hesaplanmış yapılardır ve mo lekül veya iyonda belirli bir yüzeyde elektron yoğunluğunun bağıl dağılımını gösterir. Moleküller arasındaki zıt yüklerin çekimine daya nan etkileşimleri anlamada oldukça yararlıdırlar. Bir molekülün elekt ron yoğunluğu, ilk önce diğeriyle van der waals yüzeyinde etkileştiğinden, elektrostatik potansiyel haritalarını göstermek için van der Waals yüzeyi (yaklaşık olarak elektron yoğunluğunun en dış bölge si) seçilir. Elektrostatik potansiyel haritalarında, kırmızı renk negatif yü kün, mavi renk daha az negatif yükün (daha pozitif yük) olduğu bölgeleri gösterir. Bir elektrostatik potansiyel haritası, molekülde hayal edilen pozitif yük ile molekülün yüzeyindeki bir noktadaki elektron yoğunlu ğu arasındaki yük çekiminin derecesi hesaplanarak elde edilir.

Empirik formül (Altbölüm 1.2B) (Bkz. basit formül). Enantiyomerik fazlalık veya enantiyomerik saflık (Altbölüm 5.8B): Bir enantiyomerin mol sayısının diğer enantiyomerin mol sayısından çıkarılıp iki enantiyomerin toplam mol sayısına bölünmesiyle bulunan değerin 1 0 0 ile çarpılmasıyla bulunan yüzde değer.

Enantiyomerler (Altbölüm 5.1): Birbirinin ayna görüntüsü olan stereoizomerler.

Enantiyoseçimli tepkime (Bkz. Stereoseçimli tepkime ve Altbölüm E

5.9B).

E l tepkimesi (Altbölüm 6.18): Hız belirleyen yavaş basamakta, kar-

Enantiyotopik hidrojenler (veya Iigandlar) (Altbölüm 9.7B): İki hid

bokatyon oluşturmak üzere substrattan ayrılan grubun uzaklaştığı bir moleküllü ayrılma tepkimesi. Sonraki basamakta karbokatyon proton kaybeder ve bir jt bağı meydana gelir.

rojenden (veya liganttan) her birinin aynı grupla yer değiştirmesi so nucu enantiyomer bileşikler elde edilirse iki hidrojen atomu (veya ligand) enantiyotopiktir denir.

E2 tepkimesi (Altbölüm 6.17): Tek basamakta, bazın protonu uzak laştırdığı, substrattan ayrılan grubun uzaklaştığı ve 7t bağının oluştu ğu iki moleküllü 1 , 2 ayrılma tepkimesi.

Endergonik tepkime (Altbölüm 6 .8 ): Pozitif serbest enerji değişimiy le sonuçlanan tepkime. Endotermik tepkime (Altbölüm 3.8): Isı soğuran tepkime. Endoter mik tepkime için AH° pozitiftir.

Eksergonik tepkime (Altbölüm 6.9): Negatif serbest enerji değişimiy le yürüyen tepkime.

Eksotermik tepkime (Altbölüm 3.8A): Isı açığa çıkaran tepkime. Eksotermik bir tepkime için AH° negatiftir.

Ekvatoryal bağ (Altbölüm 4.13): Sikloheksan halkasında, genellikle molekülün “ekvatoru” çevresinde yer alan altı bağ.

Elektrofil (Altbölüm 3.3 ve 8.1): Bir Lewis asidi, bir elektron çifti alı cısı, bir elektron arayan reaktif.

Elektroforez (Altbölüm 25.6A): Elektriksel alanda hareket özellikle rinin farklı olması dolayısıyla yüklü molekülleri birbirinden ayırmada kullanılan teknik. Elektromanyetik spektrum (Altbölüm 9.2): Elektromanyetik alanda dalga hareketleriyle meydana gelen tüm enerji dağılımı bölgesi.

Elektron izoyoğunluk yüzeyi (Altbölüm 1.12B): Elektron izoyoğunluk yüzeyi uzayda aynı elektron yoğunluğundaki noktaları gösterir. Elektron izoyoğunluk yüzeyi, seçilen herhangi bir elektron yoğunlu ğu değerinden hesaplanabilir. Elektron izoyoğunluk yüzeyi (aynı za manda “bağ” elektron yoğunluğu yüzeyi) her bir atom çekirdeği etrafında ve komşu atomların elektronları paylaştığı bölgelerde elekt ron yoğunluğunun fazla olduğunu gösterir. “Düşük” elektron izoyo ğunluk yüzeyi, kabaca, molekülün elektron bulutunun bir planını gösterir. Bu yüzey, molekül biçimi ve hacmi hakkında bilgi verir ve genellikle molekülün van der Waals veya uzay-doldurma modeli gibi gözükür.

Elektronegatiflik (Altbölüm 1.4A): Bir atomun diğerinden elektron çekme yeteneğinin ölçüsü (elektronların paylaşıldığı ve bağın polar-

Enerji (Altbölüm 3.8): Enerji, sistemin iş yapabilme kapasitesidir. Enolat anyonu (Altbölüm 17.1): Bir enolün hidroksil protonunu kay bettiğinde veya bir a protonunu kaybetmiş enolle denge halinde kar bonil tautomeri bulunduğunda meydana gelen delokolize olmuş anyon.

Entaipi değişimi (Altbölüm 3.8 ve 3.9): Tepkime ısısı olarak da ad landırılır. Standart entaipi değişimi, AH°, standart haldeki bir sistem bir diğer sisteme (onun da standart hali olabilir) geçtiğinde entalpide olan değişimdir. Bir tepkime için AH°, ürünler ve reaktiflerdeki top lam bağ enerjilerindeki değişimi gösterir. Entaipi değişimi, tepkime ye giren moleküllerin potansiyel enerjilerindeki değişimi göstermede kullanılan yollardan birisidir. Entaipi değişimi ile serbest enerji de ğişimi (AG°) ve entropi değişimi (AS°) arasında aşağıdaki formülle verilen bir bağıntı vardır. AH° = AG° + TAS°

Entropi değişimi (Altbölüm 3.9): Standard entropi değişimi (AS°) Stan dard haldeki iki sistem arasındaki entropi değişimidir. Entropi değişi mi sistemin bağıl düzenliliği arasındaki farklılıktır. Sistem ne kadar düzensiz ise entropisi de o kadar yüksektir. Sistemdeki düzensizlik ar tıkça entropi değişimi artar (pozitif olur).

Epoksit (Altbölüm 11.17): Bir oksiran. Bir oksijen ve iki karbon ato mu içeren üç üyeli halka. Eş (Altbölüm 8.15): Bağın kırılmasıyla oluşan (kağıt üzerinde) kısım lar. Sentetik bir basamakta bir eşi içeren gerçek reaktif sentetik eşde ğer olarak adlandırılır.

Eşleşme sabiti, J ab (Altbölüm 9.8): a ve b atomları arasındaki spinspin eşleşmesi sonucu oluşan çoklu piklerdeki pikler arası, frekans bi rimiyle verilen, uzaklık.

Sözlük Etkinleştirici grup (Altbölüm 15.10): Benzen halkası üzerinde bulun duğunda, halkayı elektrofilik yer değirştirme tepkimesinde, benzenden daha etkin hale getiren grup.

G -5

ha fazla enerjiye sahip hal olarak gösterilir). Geçiş hali terimi, mey dana gelen yapılar içerisinde en fazla enerjiye sahip hali göstermek için kullanılır. Bu terim yerine aktif kompleks terimi de kullanılır.

Etkinlik azaltıcı (pasifleştirici) grup (Altbölüm 15.10): Benzen hal kası üzerinde olduğunda halkayı, elektrofilik yer değiştirme tepkime sinde benzenden daha az etkin hale getiren grup.

Glikol (Altbölüm 4.3F): Bir diol.

E-Z sistemi (Altbölüm 7.2A): Cahn-lngold-Prelog kuralına göre al

Görünür-ultraviyole (görünür-UV) spektroskopisi (Altbölüm 13.9):

Glikozit (Altbölüm 22.40): Bir şeker ve alkolün halkalı karışık asetali.

ken diastereomerlerinin sterereokimyasını belirtmek için grupların ön celik sırasını esas alan bir sistem.

Spektrumun görünür ve ultraviyole bölgelerinde ışık soğurulmasını öl çen bir optik spektroskopi türü. Görünür—UV spektroskopisi, analiz edi len bileşikteki konjuge çoklu bağlarla ilgili yapı bilgilerini verir.

i

Grignard reaktifi (Altbölüm 12.6B): Genellikle RMgX olarak yazı

Faz işareti (Altbölüm 1.9): Dalgaların genliklerini göstermede kulla

lan organomagnezyum halojenür.

nılan bütün eşitliklere özgü olan + veya - işaretleri.

Faz trasfer katalizörü (Altbölüm 11.20): Sulu fazdan, polar olmayan

H

ve tepkimenin daha hızlı olduğu faza iyonu taşıyan reaktif. Tetraalkilanıonyum iyonları ve crown (taç) eterler faz transfer katalizörleridir.

Halka devrilmesi (taklası) (Altbölüm 4.12 ve 4.13): Sikloheksan hal

Fischer izdüşüm formülü (Altbölüm 5.12 ve 22.2C): Kiral molekül lerin konfigürasyonlarmı göstermede kullanılan iki boyutlu formül. Fischer izdüşüm formülünde temel karbon zinciri yukarıdan aşağıya doğru ve tüm gruplar çakışık konumda olacak şekilde yer alır. Dikey çizgiler kâğıt düzleminden geriye doğru giden bağları, yatay çizgiler ise sayfa düzleminden bize doğru (öne doğru) yönlenen bağları göste rir.

== = İ Fischer izdüşümü

Kama-çizgili kama formülü

Florlama (Altbölüm 10.5): Moleküle flor atomlarının sokulduğu tep kime

Fonksiyonel grup (Altbölüm 2.5): Molekülün nasıl tepkimeye gire

kasında bir halka konformasyonunu diğerine dönüştüren (kısmi bağ dönmesiyle sonuçlanır) değişim. Sandalye-sandalye taklası, herhangi bir ekvatoryal sübstitüenti aksiyal sübstitüente, herhangi bir ekvatoryal sübstitüentiyse aksiyal sübstitüente dönüştürür.

Halka gerginliği (Altbölüm 4.11): Halkalı bir molekülün, karşılık ge len halkalı olmayan yapıya göre potansiyel enerjisinin fazla olması. Bu enerji genellikle yanma ısısıyla ölçülür. Halohidrin (Altbölüm 8 .8 ): Bir halo alkol. Halojenleme (Altbölüm 10.3): Moleküle halojen atomunun sokuldu ğu tepkime.

Halonyum iyonu (Altbölüm 8 .6 A) İki karbon atomuna bağlı pozitif halojen atomu içeren iyon. Heisenberg belirsizlik ilkesi (Altbölüm 1.11): Elektronun (veya bir cismin) konumunun ve momentinin aynı anda tam olarak ölçülemeye ceğini ifade eden temel ilke. Hertz (kısaltılmış şekli Hz)(Altbölüm 9.2): Dalganın frekansım ölç mede, saniyede dönme sayısı yerine kullanılan bir birim.

ceğini tayin eden, moleküldeki belirli bir atom grubu.

Heterohalkalı (heterosiklik) bileşik (Altbölüm 14.9): Halka üzerin

Fonksiyonel gruplar arasında dönüşüm (Altbölüm 6.15): Bir fonk

de karbon atomu dışında element içeren halkalı bileşik.

siyonel grubun diğer fonksiyonel gruba dönüştüğü işlem.

Heteroliz (Altbölüm 3.1 A): Kovalent bağ kırıldığında elektronların her

Formal yük (Altbölüm 1.7): Moleküldeki atomların elementel halde

ikisinin de bu bağı birleştiren atomlardan birisinin üzerine toplandığı işlem. Bağdaki heteroliz süreci sonucu negatif ve pozitif iyonlar mey dana gelir.

en dış enerji seviyelerinde taşıdıkları elektron sayılarındaki farklılaş maya göre ortaya çıkan yük. Formal yük F = Z - S/2 - U formülüne göre hesaplanır. Bu formülde Z, atomun grup numarası (atomun ele mentel halde en dış kabuğundaki elektron sayısı), S atomun diğer atom larla ortaklaştığı elektron sayısı ve U, atomun taşıdığı ortaklaşılmamış elektron sayısıdır.

Fosfolipit (Altbölüm 23.6): Yapı olarak fosfatidik asitlerden türetilen bileşikler. Fosfotidik asitler, iki hidroksil grubunun yağ asitlerine ve uçtaki bir hidroksil grubunun bir ester bağıyla fosforik aside bağlı ol duğu gliserin türevleridir. Fosfolipitlerde fosfatidik asitin fosfat gru bu ester bağıyla azot içeren bileşiğe, örneğin koline, 2 -aminoetanole veya L-serine bağlanmıştır.

Hız kontrolü bkz. Kinetik kontrol. Hız-belirleyici basamak (Altbölüm 6.10A): Bir tepkime çok basamak lı ise ve tepkimenin ilk basamağı diğer tüm basamaklardan daha ya vaş ise toplam tepkimenin hızı bu yavaş basamağın hızına eşittir.

Hidrasyon (Altbölüm 8.5): Alkenlere alkol vermek üzere su katılma sı tepkimesinde olduğu gibi, bir moleküle su katılması.

Hidroborasyon (Altbölüm 11.6): Bir çoklu bağa bor hidrür (BH3 ve ya alkilboran) katılması.

Frekans (kısa gösterilişi v) (Altbölüm 2.16 ve 9.2): Her saniyede,

Hidrofilik grup (Altbölüm 2.14E): Sulu ortam arayan polar grup. Hidrofobik grup (lipofililik grup da denir) (Altbölüm 2.14E ve 11.20)

verilen bir noktadan geçen tam çevrimlerin sayısı.

Sulu ortamdan kaçan ve polar olmayan çevre arayan bir apolar grup.

Freon (Altbölüm 10.1 İE): Bir kloroflorokarbon bileşiği veya CFC. Furanoz (Altbölüm 22.1C): Asetal veya yarı-asetal halkasının beş üye

Hidrojen bağı (Altbölüm 2.14C): Elektronegatifliği fazla olan atom

li olduğu şeker.

G Geçiş hali (Altbölüm 6 . 8 ve 6.9): Potansiyel enerji diyagramında mak simum enerjili hali gösteren durum (Kendisine bitişik hallere göre da

lara (O, N, veya F) bağlı olan hidrojen atomlarıyla başka bir elektro negatif atomun ortaklaşılmamış elektronları arasındaki kuvvetli dipol-dipol etkileşimi (4-36 kjmoH)-

Hidrojen eksikliği indeksi, (Altbölüm 7.16): (veya HEİ) karşılık olan doymuş hidrokarbon molekülündeki hidrojen atomları sayısına göre, ele alınan moleküldeki hidrojen atomları eksikliğinin ikiye bölünme siyle bulunan değer.

G -6

Sözlük

Hammond-Leffler hipotezi (Altbölüm 6 .14A): Verilen bir basama

İndüktif etki (Altbölüm 3.7B ve 15.1 İB): Molekülde yakın dipoller-

ğın geçiş halinin yapısı ve geometrisinin; enerji bakımından geçiş ha line daha yakın olan basamağın reaktant ve ürünlerine daha büyük benzerlik göstereceğini ifade eden hipotez. Bu ifade endotermik basa mağın geçiş halinin bu basamaktaki ürüne, reaktiflerden daha fazla ben zediği anlamına gelirken; eksotermik tepkimelerde geçiş halinin reaktiflere, ürünlerden daha fazla benzediği anlamına gelir.

den kaynaklanan elektron çekme veya verme etkileri. Molekülde bağ lar boyunca ve uzayda aktarılır.

Hidrojenleme (Altbölüm 4.15A): Bir moleküle, genellikle molekülde ki bir çoklu bağa hidrojen katılması.

Hidrojenleme (Altbölüm 4.18A ve 7.13-7.15) Bir üçlü ve ikili bağa hidrojenin katıldığı bir tepkime. Hidrojenleme tepkimesi çoğu zaman platin, palladyum, rodyum veya rutenyum gibi bir metal katalizörü kul lanılarak gerçekleştirilir.

Hidrojenleme ısısı (Altbölüm 7.3A): Bir bileşiğin 1 molü belirli bir ürün oluşturmak için hidrojenlendiğindeki standart entalpi değişimi. Hidroksilleme (Altbölüm 8.10 ve 11.19): İkili bağın her bir karbonuna veya atomuna hidroksil grubu katılması. Hofmann kuralı (Altbölüm 7.6B ve 20.13A): Alkenlerin ayrılma tep kimelerinde ikili bağa daha az sübstitüentin bağlı olduğu ürün mey dana geldiğinde, tepkime Hofmann kuralına göre oluşmuştur denir.

HOMO (Altbölüm 3.2C ve 13.9B): En yüksek dolu moleküler orbital.

Homolitik bağ ayrışma enerjisi, DH° (Altbölüm 10.2): Kovalent bağ da homolidk bölünmeye eşlik eden entalpi değişimi.

İnfrared (İR) spektroskopisi (Altbölüm 2.16): İR ışınının soğurul masını ölçen bir tür optik spektroskopi. IR spektroskopisi, analizi ya pılan bileşikteki fonksiyonel gruplar hakkında bilgi verir. İyon (Altbölüm 1.4A ve 6.3): Bir elektrik yükü taşıyan kimyasal tür. İyon-dipol etkileşimi (Altbölüm 2.14E): İyonun devamlı dipol ile et kileşimi. Bu tür etkileşimler (çözülmeyle oluşan) polar çözücü mole külleriyle iyonlar arasında meydana gelir.

İyonik bağ (Altbölüm 1.4A): Zıt yüklü iyonların oluşumunda elekt ronların bir atomdan diğerine aktarımıyla meydana gelen bağ.

İyonik tepkime (Altbölüm 3.1): Reaktif, ara ürün veya ürün olarak iyonlar içeren tepkime. İyonik tepkimeler kovalent bağların heteroliziyle olur.

İyotlama (Altbölüm 10.5C): Moleküle iyot atomunun sokulduğu tep kime.

İzoelektrik nokta (Altbölüm 24.2C): Amino asit veya proteinde po zitif ve negatif yüklerin eşit olduğu pH değeri.

İzomerler (Altbölüm 1.3A ve 5.1): Aynı molekül formüllü farklı mo leküller.

İzopren birimi (Altbölüm 23.3): Terpenlerde bulunan yapı biriminin adı.

Homoliz (Altbölüm 3.1 A): Kovalent bağı birleştiren atomların bağ kı rıldığında birer elektrona sahip olduğu işlem. Homolog seri (Altbölüm 4.7): Her bir üyenin kendinden önce gelen den sabit bir birim kadar farklılık gösterdiği bileşikler sınıfı.

İzotaktik polimer (Özel Konu A): Zincir boyunca her bir stereomer-

Hund kuralı (Altbölüm 1.10) Aufbau ilkesini uygulamada kullanılan

kezde konfigurasyonun aynı olduğu polimer.

bir kural. Orbitaller eşit enerjili olduğunda (dejenere orbitaller) elekt ronlar önce orbitallere birer birer ve spinleri aynı yönde olacak şekilde, her bir dejenere orbitale birer elektron girinceye kadar yerleştirilirler. Sonra gelen elektronlar spinleri eşleşecek şekilde eklenirler.

Karbanyon (Altbölüm 3.3): Karbon atomunun bir formal negatif yük

Hückel kuralı (Altbölüm 14.7): (4n + 2) sayıda delokalize

K taşıdığı kimyasal tür.

elekt ronları (örneğin 2 , 6 , 10, 14, ..., sayıda delokalize 7t elektronu) içeren tek halkalı yapıların aromatik olduğunu ifade eden kural.

Karben (Altbölüm 8.9): Karbon atomunun değerliğinin iki olduğu yük

İ İkincil karbon (Altbölüm 2.6): İki karbon atomuna bağlı olan karbon

Karbenoit (Altbölüm 8.9): Karben benzeri bir tür. Diiyodometanın çinko-bakır çifti ile tepkimeye girdiğinde meydana gelen reaktif. Simmons-Simith reaktifi denilen bu reaktif, alkenlerle, ikili bağına stereoözgü bir yolla metilen katmak üzere tepkimeye girer.

atomu.

Karbohidrat (Altbölüm 22.1 A): Polihidroksialdehitler veya polihid-

İkincil yapı (Altbölüm 24.8): Polipeptit iskeletinde yerel konformas-

ji

süz tür. :CH, ile gösterilen metilen bu tür bir karbendir.

kezden tepkime verebilen nükleofil.

roksi ketonlar olarak tammlanandoğal bileşikler grubu veya hidrolizlendiklerinde bu tür bileşikleri veren maddeler. Karbohidratların aldehit ve keton grubu çok zaman yarı-asetaller ve asetaller olarak bu lunur. Bu ad birçok karbohidratın Cr(H20 )v basit formülüne sahip olmasınan kaynaklanmaktadır.

İkiz iyon (Zwitteriyon) (bkz. dipolar iyon): Dipolar iyonun diğer bir

Karbokatyon (Altbölüm 3.3): Karbon atomunun formal pozitif yük

adı.

taşıdığı üç değerlikli kimyasal tür.

İkiz sübstitüent (Altbölüm 7.9): Aynı atomdaki sübstitüentler. İndirgeme (Altbölüm 12.2): Molekül veya iyondaki atomların yük-

Karbonil grubu (Altbölüm 16.1): Karbon-oksijen ikili bağı içeren

yon. Yerel konformasyonlar düzenli tutulan şekillerle, örneğin kıvrım lı tabakalarla, a-sarmal yapıları ve döngülerle belirtilirler.

İkiz (ambident) nükleofil (Altbölüm 17.7C): İki farklı nükleofilik mer

seltgenme sayılarını azaltan tepkime. Organik bir bileşiğin indirgen mesi hidrojen içeriğinin artmasını veya oksijen içeriğinin azalmasını içerir. Bir tepkimede daha elektronegatif bir sübstitüentin daha az elekt ronegatif bir substitüentle yer değiştirmesi de indirgenmedir.

İndirgen şeker (Altbölüm 22.6A): Tollens veya Benedict reaktiflerini indirgeyen şeker. Yarı-asetal veya yarı-ketal gruplarını içeren tüm şekerler (bu nedenle aldehitlerle veya a-hidroksiketonlarla dengede olan) indirgen şekerlerdir. Sadece asetal veya ketal grupları taşıyan şe kerler indirgen olmayan şekerlerdir.

fonksiyonel grup. Karbonil grubu aldehitlerde, ketonlarda, esterlerde, anhidritlerde, amitlerde, açil halojenürlerde vb. bulunur. Bu bileşikler toplu olarak karbonil bileşikleri olarak adlandırılırlar.

Karşıtbağlayıcı moleküler orbital (karşıtbağ MO) (Altbölüm 1.11 ve 1.13): Meydana geldiği atomik orbitallerden daha fazla enerjiye sahip moleküler orbital. Karşıtbağlayıcı moleküler orbitaldeki elektronlar, et rafım orbitallerin sardığı atomlar arasındaki bağı kararsız kılarlar.

Katılma polimeri (Altbölüm 10.10): Monomerlerin basamak basamak zincire katılmasıyla meydana gelen polimer (genellikle zincir tepkime siyle). İşlemde diğer atom ve moleküllerde bir kayıp meydana gelmez.

Sözlük

G -7

Katılma tepkimesi (Altbölüm 8.1): İkili ve üçlü bağlarda bağlı grup

Konjuge (Eşlenik) asit (Altbölüm 3.2A): Baz proton aldığında, olu

ların sayısının çift sayıda arttığı tepkime. Katılma tepkimesi ayrılma tepkimesinin tersidir.

şan molekül veya iyon.

Kayık konformasyonu (Altbölüm 4.12): Sikloheksanın kayığa ben

de meydana gelen molekül veya iyon.

zeyen ve iki kenar boyunca çakışık bağları olan konformasyon.

Konjuge katdma (Altbölüm 17.9): a,|3-Doymamış karbonil bileşik

Konjuge (Eşlenik) baz (Altbölüm 3.2A): Asit protonunu kaybettiğin

lerinde nükleofilin p-karbonuna eklendiği nükleofilik katılma şekli.

Kekule yapısı (Altbölüm 2.2D ve 14.4): Bağları göstermek için çiz gilerin kullanıldığı yapı. Benzen için Kekule yapısı, altılı halka içeri sinde karbon atomları arasındaki birli ve ikili bağların atlayarak yer aldığı yapıdır. Her bir karbona bir hidrojen atomu bağlıdır.

Ketal (Altbölüm 16.7B): Uygunu asetal demektir. Ketonlara veya al dehitlere iki eşdeğer alkol katılmasıyla oluşan ve karbon atomuna alkoksi gruplarının bağlı olduğu yapı [R2C(OR')2]. Kimyasal kayma, 8 (Altbölüm 9.6): NMR spektrumlarında, referans bileşiğe göre sinyal yerleri. Referans bileşik olarak çoğunlukla tetrametilsilan (TMS) kullanılır ve soğurma noktası 0 olarak düzenlenir (keyfi olarak). Verilen bir çekirdeğin kimyasal kayma değeri spektrometrenin manyetik alan kuvvetiyle doğru orantılıdır. 8 Birimi cin sinden kimyasal kayma, TMS’nin Hertz cinsinden gözlenen kimyasal kayma değerinin cihazda uygulanan frekansa oranının 1 ( ) 6 ile çarpıl masıyla tayin edilir. Kinetik kontrol (Altbölüm 13.1A): Bir tepkimede oluşan ürünlerin ba ğıl miktarının, tepkime hızına göre tayin edildiğini, ve en fazla bulu nan ürünün en hızlı oluşan olduğunu ifade eden terim.

Kiral Molekül (Altbölüm 5.2): Ayna görüntüsüyle çakışmayan mole kül. Kiral moleküller sağ el ile sol el çakışmama kuralına uygunluk gösterirler ve enantiyomer çiftine sahiptirler. Kirallik (asimetrik oluş) (Altbölüm 5.20): Sağ el ile sol el çakışmama kuralına uyma özelliği.

Klorlama (Altbölüm 10.5): Moleküle klor atomunun sokulduğu tep kime.

Konjuge sistem (Altbölüm 13.1): Yaygın 7t sistemine sahip molekül ler veya iyonlar. Bir konjuge sistem çoklu bağa bitişik atomda p orbitali taşır, p Orbitali başka bir çoklu bağ, radikal, karbokatyon veya karbanyonun olabilir. Kopolimerler (Özel Konu A): İki monomori polimerleştirerek sentezlenen polimer.

Koruyucu grup (Altbölüm 12.10 ve 16.7D): Molekülün herhangi bir bölgesinde (fonksiyonel grubunda) tepkime gerçekleştirirken, tepkime ye duyarlı olan ve tepkime vermesini istemediğimiz bir başka yeri (fonksiyonel grubu) korumak amacıyla moleküle sokulan grup. Tep kime sonrasında koruyucu grup uzaklaştırılır.

Kovalent bağ (Altbölüm 1.4B): İki atom arasında, elektronların pay laşılmasıyla oluşan bağ türü.

Kraking (Altbölüm 4.1C) Petrol endüstrisinde büyük alkan molekül lerinin küçük moleküllere parçalanarak ayrılması işlemi. Kraking, ısı kullanılarak (ısısal kraking) veya bir katalizörle (katalitik kraking) ya pılabilir. Kütle spektrometrisi (Altbölüm 9.12): Yapı tayinlerinde yararlı bir teknik. Bu teknik, manyetik alanda molekülden iyonlar oluşturmayı ve sonra deneysel olarak, meydana gelen iyonları kütle/yük oranına göre tayin etmeyi esas olarak alır.

L Laktam (Altbölüm 18.81): Halkalı amit. Lakton (Altbölüm 18.7C): Halkalı ester. Levarotatori (Altbölüm 5.7B): Düzlem polarize ışığı saat yönünün ter sine döndüren bileşik.

Klorohidrin (Altbölüm 8 .8 ): Bir kloro alkol. Kodon (Altbölüm 25.5D): Bir amino asit için genetik bilgi içeren me

Lewis yapısı (veya elektron-nokta yapısı) (Altbölüm 1.5): Molekül deki elektron çiftlerinin noktalarla veya çizgiyle gösterilmesi.

sajcı RNA (mRNA) üzerindeki üç bazın dizilişi. Kodon, ribozom üze rinde protein sentezleri için belirli bir amino asidi bulunduran transfer RNA (RNA)’nın bir anti kodonu ile hidrojen bağları yaparak birleşir.

Lipit (Altbölüm 23.1): Polar olmayan çözücülerde çözünen biyolojik kaynaklı madde. Lipitler hayvansal yağları, triaçilgliserolleri (hayvan sal ve bitkisel yağlar), steroitleri, prostaglandinleri, terpenleri ve mum ları içerir.

Komşu grup etkisi: Tepkimeyi veren fonksiyonel grubun yanındaki bir grubun, tepkimenin seyri veya hızı üzerine etkisi.

Lipofilik grup (veya hidrofobik grup) (Altbölüm 2.14E ve 11.20):

Komşu sübstitüentler (Altbölüm 7.9): Bitişik atomlardaki sübstitü-

Sulu ortamlardan kaçan ve apolar çevre arayan polar olmayan grup.

entler.

LUMO (Altbölüm 3.2C ve 13.9B): En düşük boş moleküler orbital.

Kondensasyon polimeri (Özel Konu B): İki fonksiyonlu monomerlerin (veya olası bifonksiyonel monomerlerin) birbiriyle, moleküller ara sı su veya alkol ayrılması tepkimesiyle oluşturdukları polimer. Poliesterler, poliamitler ve poliüretanların hepsi kondensasyon polimerleridir.

M

Makromolekül (Altbölüm 10.10) Çok büyük molekül. Manyetik resonans görüntüleme (Altbölüm 9.11B): Tıpta kullanılan

Kondensasyon tepkimesi (Altbölüm 17.4): Moleküllerin, moleküller arası su veya alkol ayrılmasıyla birbirine bağlandığı tepkime.

NMR spektroskopisi tekniği.

Konfîgürasyon (Altbölüm 5.6): Bir stereoizomerin atomlarının (veya

Konformer (Altbölüm 4.8): Molekülün belirli bir çapraz konformas

alkenlere ve alkinlere elektrofilik katılmaların yer seçiciliğini tahmin etmede kullanılan kural. Vladimir Markovnikov ilk defa 1870 yılında bu kuralı “simetrik olmayan bir alkene HX katılmasında, halojenür iyo nu ikili bağın daha az hidrojen atomu içeren karbonuna katılır" şek linde ifade etti. Yaygın olarak kullanılan ise bunun tersidir: bir alkene veya bir alkine HX katılmasında hidrojen atomu daha fazla sayıda hid rojen bulunduran karbon atomuna katılır. Markovnikov kuralının mo dern ifadesi; sim e trik o lm a y a n ço klu b a ğ la ra k a tılm a tep k im e le rin d e

yonu.

re a k tifin p o z itif kısm ı (e le k tr o fil) daha k a ra rlı ka rb o k a ty o n o lu ştu r a

gruplarının) üç boyutlu yapıdaki düzeni.

Konformasyon (Altbölüm 4.8): Birli bağlar etrafındaki dönmeler so nucu oluşan, molekülün belirli geçici düzenlenmesi. Konformasyon analizi (Altbölüm 4.8): Molekülde birli bağlar etra fındaki dönmelerle meydana gelen enerji değişimlerinin incelenmesi.

Markovnikov kuralı (Altbölüm 8.2): Çeşitli şekillerde ifade edilen,

G -8

Sözlük

cak yönde çoklu bağa katılır şeklindedir.

Nükleofîl (Altbölüm 3.30): Bir molekülde pozitif merkez arayan elekt

Mekanizma, bkz. tepkime mekanizması. Mesilat (Altbölüm 11.10): Metansülfonat esteri. Metilen (Altbölüm 8.9): CH, formüllü karben.

ron verici grup; örneğin Lewis bazı.

Metilen grubu (Altbölüm 6.2): —CH2— grubu.

rafından başlatılan (ortaklaşılmamış elektronları bulunan tür) ve nük leofil substratla etkileştiğinde, nükleofille substitüentin (ayrılan grubun) yer değiştirdiği tepkime. Sübstitüent, tepkimede elektron çiftiyle be raber ayrılır.

Mezo bileşiği (Altbölüm 5.11A): Dört farklı gubun bağlı olduğu düz gün dörtyüzlü atomlara sahip olmasına karşın molekülü kiral olmayan, optikçe aktiflik göstermeyen bileşik.

Misel (Altbölüm 23.2C): Sulu çözeltilerde polar olmayan grupların iç kısımda, iyonik (veya polar) grupların yüzeyde yer aldığı küresel iyon lar kümesi.

Molekül formülü (Altbölüm 1.2B): Molekülde her bir atomun toplam sayısını veren formül. Molekül formülü, basit formülün tam sayılı ka tıdır. Örneğin benzenin kaba formülü CH, molekül formülü C()H6 ’dır.

Moleküler iyon (Altbölüm 9.13): Molekülden bir elektron uzaklaştı

Nükleofîlik güç (Altbölüm 6.14B): SN2 tepkimelerinde, tepkimenin ba ğıl hızlarına göre ölçülen nükleofilin bağıl etkinliği.

Nükleofîlik yer değiştirme tepkimesi (Altbölüm 6.3): Nükleofil ta

Nükleosit (Altbölüm 25.2): V Konumundan purin veya pirimidine bağ lı olan beş karbonlu bir monosakkarit. Nükleotit (Altbölüm 25.2): 1' Konumundan purin veya pirimidine 3' ve 5' konumlarından fosfat grubuna bağlı olan beş karbonlu monosak karit.

Nükler manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi (Altbölüm 9.3):

lekülün etrafını saran orbitaller. Atomik orbitaller moleküler orbitalleri meydana getirirken, oluşan moleküler orbitallerin sayısı birleşen atomik orbitallerin sayısına eşittir. ,

Çekirdek kuvvetli manyetik alana konduğunda, bazı çekirdeklerin soğurdukları radyofrekans ışımasını ölçmede kullanılan spektroskopi tek niği. Organik kimyacılar için en önemli NMR spektroskopisi teknikleri H NMR ve ;C NMR spektroskopisi teknikleridir. Bu iki spektrosko pisi tekniğiyle molekülün karbon iskeleti hakkında kuvvetli bilgiler el de edilir ve her bir karbon atomuna bağlı hidrojen sayıları bulunabilir.

Molekülerlik (Altbölüm 6 .8 ): Tepkimenin bir tek basamağında yer alan türlerin sayısı (genellikle hız belirleyen basamakta).

0 -0

rıldığında kütle spektrometresinde meydana gelen katyon.

Moleküler orbital (MO)(Altbölüm 11): Birden fazla atom veya mo

Molor absorptivite (kısaltılmış şekli e) (Altbölüm 13.9A): Gözlenen

Oksiciva katılması (Altbölüm 11.5) Çoklu bağa —OH ve —I IgO .CR

soğurma değerine bağlı olarak aşağıdaki formülle verilen orantı sabi ti. Bu formülde A, gözlenen absorbansı; X, dalga boyunu; C, örneğin derişimini; / ise numunenin konduğu hücrenin uzunluğunu (cm cinsin den) gösterir.

katılması.

e = AlC X l

Oksonyum iyonu (Altbölüm 3.12): Oksijen atomunun kısmı pozitif yük taşıdığı iyon.

Olefin (Altbölüm 7.1): Alkenin eski adı. Optikçe aktif bileşik (Altbölüm 5.7): Düzlem polarize ışık düzlemi

Monomer (Altbölüm 10.10): Polimerin meydana geldiği basit başlan

ni döndüren bileşik.

gıç maddesi. Örneğin, polietilen polimeri etilen monomerinden mey dana gelir. Monosakkarit (Altbölüm 22.1 A): Hidrolizle daha basit bir karbohidrata bölünemeyen en basit (küçük) karbohidrat.

Optikçe saflık (Altbölüm 5.8B): Karışımın gözlenen özgül çevirme değerinin saf enantiyomerin özgül çevirmesine bölünmesiyle bulunan değerin 100 ile çarpılmasıyla bulunan yüzde değeri. Optikçe saflık, enantiyomerin saflığını veya enantiyomerin fazlasını gösterir.

Mutarotasyon (Altbölüm 22.3) Şekerin ot ve p anomerlerinin suda çö

Orbital (Altbölüm 1.11): Elektronun bulunma olasılığının yüksek ol

züldüğünde optik çevirmelerinin kendiliğinden değişmesi, şekerin op tik çevirmesi sabit bir değere ulaşıncaya kadar değişir.

duğu boşluğun hacmi. Orbitaller matematiksel olarak dalga fonksiyo nunun karesi alınarak tanımlanır. Her bir orbital kendine özgü enerjiye sahiptir. Bir orbital, spinleri eşleşmiş iki elektron alabilir.

Mutlak konfigürasyon (Altbölüm 5.14A): Moleküldeki grupların ger çek düzeni. Molekülün mutlak konfigurasyonu X ışınları analiziyle ve ya mutlak konfigurasyonu bilinen başka moleküllerle stereokimyası bilinen tepkimeler yardımıyla, ilişkilendirilerek bulunabilir. N Newman izdüşüm formülü (Altbölüm 4.8): Moleküldeki iki atoma bağlı grupların uzaydaki ilişkilerini gösterme şekli. Newman izdüşüm formülünü yazarken iki atomu birleştiren eksen boyunca moleküle bir uçtan bakılır. Öndeki atoma bağlı olan bağlar dairenin merkezinden çıkan ışınlar gibi gösterilirken arkadaki atoma bağlı olan bağlar daire nin kenarlarından çıkan ışınlar gibi gösterilir.

Organometalik bileşik (Altbölüm 12.5): Karbon-metal bağı içeren bi leşik.

Otooksitleme (Altbölüm 10.11C) Organik bileşiklerin oksijenle tep kimeye girerek hidroperoksit oluşturduğu tepkime. Ozonlama (Altbölüm 8 .11 A): Çoklu bağın 0 3 reaktifiyle kırılma tep kimesi. Bu tepkime halkalı bir bileşik olan ozonür oluşturur. Ozonürün asetik asit içerisinde çinkoyla etkileştirilmesi, ozonürü karbonil bileşiklerine indirger. Özgül çevirme (Altbölüm 5.7C): Aşağıdaki eşitlik kullanılarak bile şiğin gözlenen optikçe çevirme açısına göre hesaplanan fiziksel sabit.

Öndeki atom

Arkadaki atom Nükleik asitler (Altbölüm 25.1 ve 25.2): Nükleotitlerin biyolojik polimerleri. Nükleik asitlerden DNA ve RNA kalıtsal bilgileri hücreler de korurlar ve transfer ederler.

Bu formülde a, sodyumun D çizgisi kullanılarak gözlenen çevirme açı sı; e, çözeltinin milimetrede gram olarak derişimi veya sıvının g mL- 1 olarak yoğunluğu ve /, örneğin konulduğu tüpün desimetre cinsinden uzunluğudur.

Sözlük p p orbitalleri (Altbölüm 1.10): Çekirdeğin düğüm düzlemine göre te

ğet durumda olan iki küre şeklindeki dejenere (eşit enerjili) üç adet atomik orbital takımı, p orbitalleri için temel kuantum sayısı n (bkz atomik orbital) 2 ; yan kuantum sayısı 1 = 1 ve manyetik kuantum sa yısı m + 1 , 0 veya - 1 dir.

Parafin (Altbölüm 4.17): Alkanların eski adı. Pauli dışlama ilkesi (AltbölürdSJO): Bir atom veya moleküldeki iki elektronun dört kuantum sayısının d
Perdeleme ve Perdelememe (Altbölüm 9.5): Molekülde sigma ve pi elektronlarının dönmesi sonucu NMR spektrumlarmda gözlenen etki ler. Perdeleme, sinyallerin daha yüksek manyetik alanda (yüksek alan); perdelememe ise sinyallerin daha düşük manyetik alanda (düşük alan) görülmesine yol açar.

Periplanar (aynı düzlemde) (Altbölüm 7.6C): Komşu grupların aynı düzlemde olduğu konformasyon.

Peroksit (Altbölüm 10.1A): Oksijen-oksijen birli bağı taşıyan bileşik. Peroksiasit (Altbölüm 11.17): Genel formülü RCOsH olan oksijen ok sijen birli bağı içeren asit.

Pi (7t) bağı (Altbölüm 1.13): Elektronlar bağlayıcı 7t moleküler orbitali (yani, bitişik atomlardaki paralel p orbitallerinin örtüşmesiyle olu şan daha düşük enerjili orbital) doldurduğunda oluşan bağ.

Pi (tt) moleküler orbitali (Altbölüm 1,13): Bitişik atomlardaki para lel p orbitallerinin örtüşmesiyle meydana gelen moleküler orbital. Pi moleküler orbitalleri bağlayıcı (aynı faz işaretli orbitallerin örtüşme siyle) veya karşıtbağlayıcı (farklı işaretli p orbitallerinin örtüşmesiy le) orbitaller olabilir.

G -9

figurasyonun nasıl olacağına bağlı olarak, aynı olan bu gruplar pro-R ve pro-S olarak belirtilir.

Protein (Altbölüm 24.1): Amit bağlarıyla bağlanan a-amino asitlerin büyük biyolojik molekülleri.

Protik çözücü (Altbölüm 3.11 ve 6.14C): Oksijen veya azot gibi kuv vetli elektronegatif elementlere bağlı hidrojen atomu taşıyan çözücü molekülleri. Protik çözücülerin molekülleri, çözünen moleküllerin ve ya iyonların azot ya da oksijen atomlarının ortaklaşılmamış elektron larıyla hidrojen bağı yaparlar ve bu iyonları kararlı hale getirirler. Protik çözücülere örnek olarak su, metanol, etanol, formik asit ve asetik asit verilebilir.

Proton eşleşmesinin önlenmesi (Altbölüm 9.10B) |3C NMR spektroskopisinde 13C ve 'H çekirdekleri arasındaki spin-spin etkileşimle rini önlemek için kullanılan elektronik teknik. Bu şekilde elde edilen spektrumda tüm karbon rezonansları birli olarak gözlenir.

Psi fonksiyonu l'F fonksiyonu veya dalga fonksiyonu) (Altbölüm 1.9): Kuantum mekaniğinde elektronun enerji durumunu göstermek için türetilen matematiksel ifade. T fonksiyonunun karesi (T*2), uzayda, her hangi bir elektronun bir yerde bulunabilme olasılığını gösterir.

R (R-S) Sistemi (Altbölüm 5.6): Düzgün dörtyüzlü stereomerkezin konfigürasyonunu göstermek içiıi kullanılan yöntem.

R (Altbölüm 2.5A): Alkil gruplarını göstermek için kullanılan sem bol. Çoğu zaman herhangi bir organik grubu göstermek için kullanı lır. Radikal (veya serbest radikal) (Altbölüm 3.1 A): Çiftleşmemiş elekt ron taşıyan yüksüz atom veya atom grubu. Radikal tepkimesi (Altbölüm 3.1A): Radikaller içeren tepkime. Ko

Pironoz (Altbölüm 22. İC): Halkalı asetat veya yarı-asetal halkasının

valent bağların homolizi radikal tepkimeleriyle olur.

altı üyeli olduğu bir şeker.

Radikofonksiyonei adlandırma bkz. yaygın adlandırma. Rasemik yapı (rasemat veya rasem karışım) (Altbölüm 5.8A): Enan-

pKa (Altbölüm 3.5): Asitlik sabitinin, Ka, negatif logaritması, pKa = -log Ka.

Polar kovalent bağ (Altbölüm 2.3): Bir kovalent bağı oluşturan atom ların elektronegatiflik farkından dolayı, bağ elektronlarının atomlar ara sındaki eşit olarak paylaşılmadığı bağ türü. Polar molekül (Altbölüm 2.4): Dipol momenti olan bir molekül. Polarimetre (Altbölüm 5.7B): Optikçe aktifliği ölçmede kullanılan ci haz.

Polarlaşabilme (Altbölüm 6.14C): Yüklü olmayan bir molekülün bir elektrik yükünün etkisi altında kaldığında elektron bulutu dağılımının bozulması. Polimer (Altbölüm 10.10): Tekrarlanan birimlerden oluşan büyük mo lekül. Örneğin polietilen polimeri tekrarlanan —(CH2CH2)„— birim lerinden oluşmuştur.

Polisakkarit (Altbölüm 22.İA): Hidrolizle bölünme sonucu bir çok monosakkarit molekülleri oluşturan karbohidrat. Potansiyel enerji (Altbölüm 3.8): Potansiyel enerji, depolanmış ener jidir. Cisimler arasında itme ve çekme kuvvetleri var olduğunda mey dana gelir. Prokirai (Altbölüm 12.3): Düzgün dörtyüzlü atomdaki aynı iki grup tan birisi yerine bir başka grup yerleştirildiğinde veya üçgen düzlem yapıdaki atoma bir grup ilave edildiğinde yeni bir stereomerkez mey dana geliyorsa; yerleştirilen veya ilave edilen bu gruba prokirai denir. Aynı iki grubun bulunduğu düzgün dörtyüzlü bir atomda; aynı olan grupların herhangi birinin kendinden daha öncelikli bir grupla yer de ğiştirdiği (ancak diğer gruptan öncelikli değil) düşünüldüğünde kon-

tiyomerlerin eşdeğer moldeki karışımı. Rasemik yapı optikçe aktif de ğildir.

Rasemieme (Altbölüm 6.13A): Optikçe aktif bileşiği rasem karışımı na dönüştüren tepkime. Bir tepkime kiral moleküllerin kiral olmayan (akiral) ara ürünlere dönüşmesiyle yürürse rasemlenme meydana gel miştir denir.

Retrosentetik analiz (Altbölüm 4.20A): Sentezi, hedef molekülden ge riye doğru plânlama yöntemi. Bu plânlamada hedef maddeden bir ön cü madde ondan da daha ileri öncü madde düşünülerek başlangıç maddesine kadar gelinir. Rezonans dışı proton eşleşmesinin önlenmesi (Altbölüm 9.10D) 'C NMR spektroskopisinde kullanılan, |3C ve 'H çekirdekleri arasındaki bir bağlık eşleşmeye izin veren bir elektronik teknik. Böyle bir tek nikle alınan spektrumda CH3 grupları, dörtlü; CH2 grupları, üçlü; CH grupları, ikili ve hidrojen taşımayan karbon atomları birli olarak gö rünür.

Rezonans enerjisi (Altbölüm 14.5): Gerçek bileşikle tek bir rezonans yapısı için hesaplanan enerjiler arasındaki farkı gösteren kararlılık ener jisi. Rezonans enerjisi konjuge sistemlerdeki elektronların dağılması sonucu oluşur.

Rezonans etki (Altbölüm 3.10A, 13.5 ve 15.1 İB): Molekülün n sis temi boyunca sübstitüentin gösterdiği elektron verme ve çekme etki si. Rezonans yapıları (veya rezonansa katkıda bulunan yapılar) (Altbö lüm 1.8 ve 13.5): Birbirinden sadece elektronların yerleriyle farklılık gösteren Lewis yapıları. Tek bir rezonans yapısı, molekülü uygun şe

G -10

Sözlük

kilde temsil edemez. Molekül daha iyi şekilde tüm rezonans yapıların bir melezi olarak gösterilir. S-S

r orbitali (Altbölüm 1.10): Küresel atom orbitali. 5 Orbitali için yan orbital kuantum sayısı / = O’dır (bkz. atomik orbitaller).

Sabunlaşma (Altbölüm 18.7B): Esterlerin baz katalizli hidrolizi. Sandalye konformasyonu (Altbölüm 4.12) Sikloheksanın tüm çapraz konformasyonlarında açı gerginliği ve burulma gerilmesi yoktur; bu bakımdan en az enerjili konformasyondur.

Serbest aktifleşme enerjisi, AG. (Altbölüm 6.8): Reaktiflerle geçiş hali arasındaki serbest enerji farkı. Serbest enerji diyagramı (Altbölüm 6.8): Tepkime koordinatına gö re serbest enerjinin grafiğe alındığı diyagram. Reaktifler geçiş halin den ürüne dönüşürken, serbest enerji değişimini, bağ dereceleri ve mesafelerdeki değişiminin fonksiyonu olarak verir. Serbest-enerji değişimi (Altbölüm 3.9): Standart serbest enerji deği şimi, AG°, iki sistemin standart haldeki serbest enerjilerindeki deği şimdir. Sabit sıcaklıkta AG° = AH° - TAS° = - RT İn Kd olup burada AH° Standard entalpi değişimi, AS0 Standard entropi değişimi ve Kd denge sabitidir. AG°Tn negatif olması, dengeye ulaşıldığında ürün olu şumunun yeğlendiğini gösterir. Seteroizomerler (Altbölüm 1.13B, ve 5.2): Aynı molekül formüllü, sadece atomlarının uzaydaki düzenlenmelerinin farklılık gösterdiği bi leşikler. Stereoizomerlerde atomların bağlanış düzeni aynı olduğu için bu bileşikler yapı izomerleri değildir. Stereoizomerler daha ileride enantiyomerler ve diastereomerler olarak sınıflandıracaktır.

basamakta ayrılır. Hız eşitliği substrata göre birinci dereceden, atak yapan nükleofile göre sıfırıncı derecedendir.

Sn2 tepkimesi (Altbölüm 6.6, 6.7 ve 6.14): Literatürde iki moleküllü nükleofilik yer değiştirme olarak geçer. İki moleküllü nükleofilik yer değiştirme tepkimesi tek basamakta meydana gelir ve bu tepkimede ayrılan grubun bağlı olduğu karbona nükleofil ters taraftan atak yapar. Sonuçta bu karbonun konfigurasyonunda devrilme (tersine dönme) meydana gelir. Soğurma spektrumu (Altbölüm 13.9A): Spektrum bölgesinde her bir dalga boyunun (X) karşılık olan absorbansa karşı grafiği. Belli bir dal ga boyundaki absorbans A-K= log (/„//s) ile verilir. Burada /,, referans ışığın yoğunluğu ve Is numuneden geçen ışığın yoğunluğudur. Solvoliz (Altbölüm 6.13B): Literatürde çözücü ile bağın kırılması (bö lünmesi) olarak geçer. Nükleofilin çözücü olduğu nükleofilik yer de ğiştirme tepkimesi. sp orbitali (Altbölüm 1.14): Bir s atomik orbitaliyle bir p atomik orbitalinin matematiksel olarak bileştirilmesiyle elde edilen melez orbi tal. Bu işlemde iki sp melez orbitali elde edilir ve bu melez orbitaller aralarında 180° olacak şekilde ve zıt yönlerde yönlenmiştir. sp2 orbitali (Altbölüm 1.13): Bir s atomik orbitaliyle iki p atomik orbitalinin matematiksel olarak birleşmesiyle elde edilen melez orbital. Bu işlemde 3 sp2 melez orbitali elde edilir ve bu orbitaller eşkenar üç genin köşelerine doğru yönlenmiş olup 120° lik açılarla yer alırlar. sp3 orbitali (Altbölüm 1.12): Bir s atomik orbitaliyle üç p atom orbitalinin matematiksel olarak toplanmasıyla elde edilen melez orbital. Bu işlemde dört adet sp2 melez orbitali elde edilir ve bu orbitaller düz gün dörtyüzlünün köşelerinde 109,5°Tik açılarla birbirinden ayrılmış olarak yer alırlar.

Spin eşleşmesinin önlenmesi (Altbölüm 9.9): NMR spektrumda spin yarılmalarını (etkileşmelerini) önleyen etki.

Sigma (<7) bağı (Altbölüm 1.12): Birli bağ. Komşu atomlardaki ato mik orbitallerin (veya melez orbitallerin) baş başa örtüşmesiyle olu şan bağ, elektronların bağlayıcı a orbitallerini doldurmasıyla oluşan bağ. Sigma bağlarında, bağ ekseni boyunca moleküle bakıldığında elektron yoğunluğunun dairesel simetriye sahip olduğu görülür.

Spin-spin yarılmaları (Altbölüm 4.8): NMR spektrumda gözlenen bir etki. Bir sinyalin spin-spin etkileşmeleri sonucu çoklu olarak görül mesi. (İkili, üçlü, dörtlü vb.) Spin-spin etkileşmeleri sonucu sinyalin yarılması komşu atomların çekirdeklerinin manyetik etkileşmeleri so nucu meydana gelir.

Sigma (o) orbitali (Altbölüm 1.12): Komşu atomlardaki orbitallerin

Stereokimya (Altbölüm 5.4): Molekülün uzaydaki durumunu dikkate

(orbital loblarının) baş başa örtüşmesiyle meydana gelen orbital. Sig ma orbitalleri bağlayıcı orbitaller (aynı fazlı orbitallerin veya lobların örtüşmesi) veya karşıtbağlayıcı orbitaller (zıt fazlı loblar veya orbital lerin örtüşmesi) olabilir.

Siklokatılma (Altbölüm 13.11): Yeni bir halka oluşturmak üzere, Diels-Alder tepkimesinde olduğu gibi, bağlanan iki grubun n sistemleri nin uçlarından birbirine katılması.

Simetri düzlemi (Altbölüm 5.5): Molekülde hayali olarak düşünülen ve molekülü birbirinin ayna görüntüsü olan iki kısma ayıran düzlem. Simetri düzlemi olan herhangi bir molekül kiral değildir.

Sin katılma (Altbölüm 7.14A): Katılan maddenin her kısmının reaktantın aynı yüzüne katıldığı tepkime.

Sindiyotaktik polimer (Özel Konu A): Zinciri boyunca stereomerkezlerde konfigurasyonun düzenli bir şekilde yer değiştiği (bir atlayarak) (R, S, R, S vb.) polimer.

Siyanohidrin (Altbölüm 16.9A ve 18.3): Karbon atomunun siyano ve hidroksil gruplarına bağlı olduğu fonksiyonel grup. RHC(OH)CN) ve ya R2C (OH)(CN). Aldehit ve ketonlara HCN katılmasıyla meydana ge lir. SN1 tepkimesi (Altbölüm 6.10 ve 6.14): Literatürde bir moleküllü nükleofilik yer değiştirme olarak geçer. Çok basamaklı nükleofilik yer de ğiştirme tepkimelerinde, ayrılan grup, nükleofilin atağından önce tek

alarak yapılan kimyasal çalışmalar.

Stereomerkez (Altbölüm 5.2): İki grubunun yeri değiştirildiğinde bir stereoizomer oluşturacak özellikle gruplar taşıyan bir atom.

Stereoözgü tepkime (Altbölüm 8.7A): Tepkimeye giren reaktantın stereokimyasma bağlı olarak, oluşması mümkün stereoizomerlerden bi rini meydana getiren tepkime. Stereoseçimli tepkime (Altbölüm 5.9B, 8.15 ve 13.3): Stereomerkezlerin oluştuğu veya değiştiği ve stereoizomerlerden birinin baskın ola rak oluştuğu tepkime. Stereoseçimli tepkime enantiyomerlerden birini baskın olarak oluşturan enantiyoseçimli, veya diastereomerlerden bi rinin baskın olarak meydana geldiği diastereoseçimli tepkime olabilir.

Sterik engelleme (Altbölüm 6.14A): Molekülün tepkimeye gireceği bölgeye yakın yerlerdeki atomlarının veya gruplarının uzaydaki düzen lenmesinin tepkimenin bağıl hızına etkisi. Molekülün tepkimeye gire ceği merkez etrafındaki kalabalıklaşma tepkime hızını yavaşlatır veya engeller. Sterik etki (Altbölüm 6.14A): Bir molekülün, etkime merkezinde ve ya yakın bölgelerdeki kısımlarının uzay kaplama özelliklerinin bağıl olarak tepkime hızına yaptığı etki.

Steroit (Altbölüm 23.4): Steroitler aşağıda verilen perhidrosiklopentanofenantren halka sisteminden türeyen lipitlerdir.

Sözlük

G -ll

ron dağılımlarının bozulması sonucu geçici olarak molekülde zıt polarlaşmalar meydana gelir. Gruplar van der Waals yarıçaplarından da ha yakın mesafeye getirildiğinde aralarındaki kuvvetler, elektron bulutlarının birbiri içerisine girmesi nedeniyle itme kuvvetleri haline gelir.

Vinil grubu (Altbölüm 4.5): CH, = CH— grubu. Vinilik halojenür (Altbölüm 6.1): Halojen atomunun, ikili bağın kar Substrat (Altbölüm 6.3): Tepkimeye giren molekül veya iyon. Sübstitüent etkisi (Altbölüm 3.7B ve 15.10): Moleküldeki hidrojen atomunu bir başka atom veya grupla yer değiştirmenin tepkime hızı (veya denge sabiti) üzerindeki etkisi. Sübstitüent etkisi, atomun veya grubun büyüklüğü, dolayısıyla ortaya çıkan sterik etkiyi, elektron çek me ve verme şekinde ortaya çıkan elektronik etkiyi de içerir. Elektro nik etkiler indüktif ve rezonans etkileri kapsar.

Şeker (Altbölüm 21.A): Bir karbohidrat.

bon atomuna bağlı olduğu organik halojenür.

Vinilik sübstitüent (Altbölüm 6.1): Karbon-karbon ikili bağına bağ lı sübstituenti ifade eder.

V Yağ asitleri (Altbölüm 23.2): Yağların hidroliziyle elde edilen uzun zincirli (genellikle çift sayılı karbon içeren) karboksilik asitler.

T Taç eter (Crown eter) (Altbölüm 11.20A): Metal iyonlarıyla komp

Yağlar (Altbölüm 23.2): Bir triaçilgliserol. Karboksilik asitlerin gli serinle yaptığı triesterler.

Yanma ısısı (Altbölüm 4.10A): Bir bileşiğin 1 molünün tam yanma

leks yapabilen halkalı polieterler. Taç eterler x-crown-y olarak adlan dırılır. Burada x halkadaki atomların toplam sayısını y ise halkadaki oksijen atomları sayısını gösterir.

Yapı formülü (Altbölüm 1.2B ve 1.17): Moleküldeki atomların bir

Tautomerler (Altbölüm 17.2): Kolaylıkla birbirine dönüşebilen yapı

birine nasıl bağlandığını gösteren formül.

izomerleri. Örneğin asit veya baz varlığında keto ve enol tautomerleri kolaylıkla birbirine dönüşebilirler.

Yapı izomerler (Altbölüm 1,3A): Aynı molekül formülüne sahip fa

Temel hal (Altbölüm 1.10): Atom veya molekülün en düşük elektro nik enerjili hali.

Temel pik (Altbölüm 9.14): Kütle spektrumundaki en yoğun pik. Tepkime koordinatı (Altbölüm 6.8): Potansiyel enerji diyagramında tepkimenin ilerleyişini gösteren eksendir. Reaklantların ürünlere dö nüşmesindeki bağ sırası ve bağ mesafesindeki değişmeyi temsil eder.

Tepkime mekanizması (Altbölüm 3.1): Reaktantlar ürüne dönüşür ken moleküler seviyede gelişen olayların basamak basamak ayrıntıla rıyla gösterilmesi. Tepkime mekanizması tüm ara ürünleri ve geçiş hallerini içerir. Tepkime için önerilen her mekanizma tepkime için el de edilen tüm deneysel verileri kapsar.

sındaki standart entalpi değişimi.

kat bağlanış düzenlerinde farklılık olan bileşikler (Aynı molekül for müllü ancak atomların farklı şekilde birbirine bağlandığı moleküller).

Yarı-asetal (Altbölüm 16.7A): Karbon atomunun bir alkoksi grubuna ve bir hidroksil grubuna bağlı olduğu fonksiyonel grup [RCH(OH)(OR') veya R2C(OH)OR')]. Yarı-asetaller 1 eşdeğer mol al kolün aldehit veya ketona katılmasıyla elde edilir. Yarı-ketal (Altbölüm 16.7A): Yarı-asetal de denir. Karbon atomunun bir alkoksi grubuna ve bir hidroksil grubuna bağlı olduğu fonksiyonel grup [(R2C(OH)(OR')]. Yarı-ketaller bir eşdeğer mol alkolün bir ke tona katılmasıyla sentezlenir.

Yarılma (Altbölüm 5.15 ve 20.3E): Rasemik karışımdaki enantiyomerlerin ayrılması işlemi.

Termodinamik kontrol (Altbölüm 13.10A): Tepkime dengeye ulaş

Yaygın adlandırma (Altbölüm 4.3E): Bileşiği tanımlamak için kul

tığında ürün dağılımının (oranının) ürünlerin kararlılıklarına (standart serbest enerjileriyle, AG° ölçülen) bağlı olduğunu ifade eden kural. En kararlı ürün en fazla oluşacaktır.

lanılan ve iki veya daha fazla kelime kullanarak bileşiği adlandıran sis tem. En son kelime yapıdaki fonksiyonel gruba karşılıktır. Öndeki kelime molekülün geri kalan kısmını belirtmek için kullanılır ve alfa betik sırada yazılır. Örneğin metil alkol, metil eter, etil bromür.

Terpenler (Altbölüm 23.3): Kağıt üzerinde, izopren birimlerini birbi rine bağlayarak türetilebilen yapılara sahip lipitlerdir.

Yer değiştirme tepkimesi (Altbölüm 6.3 ve 10.3): Molekülde bir gru

Tosilat (Altbölüm 11.10): p-Toluensülfonat esteri.

bun bir başka grupla yer değiştirdiği tepkime.

u -ü

Yerine geçme (türetme) adlandırması (Altbölüm 4.3F): Her bir atom veya grubun sübstitüent olarak adlandırıldığı ve temel bileşiğe ön ek veya son ek olarak yazıldığı adlandırma sistemi, IUPAC sisteminde sadece bir grup son ek olarak alınır. Konumlar (genellikle numaralar) grupların nerede olduğunu göstermede kullanılır.

Uçucu yağ (Altbölüm 23.3): Bitkilerden buhar damıtma yöntemiyle elde edilen hoş kokulu bileşikler.

Üçüncül karbon (Altbölüm 2.6): Üç karbon atomuna bağlı karbon ato mu.

Üçüncül yapı (Altbölüm 24.8B): a-Sarmal ve plili tabakalarının üze rinde bulunan polipeptit zincirlerinin katlanmasından kaynaklanan pro teinin üç boyutlu şekli.

V Van der Waals kuvveti (veya London kuvveti) (Altbölüm 2.14D ve 4.7): Polar olmayan bağlar arasındaki veya aynı molekülün kısımları arasındaki zayıf etkileşme kuvvetleri. İki grup (veya moleküller) bir birine yaklaştığında önce aralarında çekim kuvvetleri oluşur. Elekt

Yer seçimli tepkime (Altbölüm 8.2C): İki veya daha fazla yapı izo merinin oluşabileceği tepkimelerde bu yapı izomerlerinden bir tanesi ni oluşturan (veya daha baskın olarak birini veren) tepkime. Yilür (Altbölüm 16.10): Ortaklaşılmamış elektron çifti taşıyan nega tif karbon atomuna bitişik, pozitif heteroatom bulunduran elektrikçe nötr molekül.

Yükseltgeme (Altbölüm 12.2): Molekül veya iyondaki atomların yükseltgenme sayısını arttıran tepkime. Organik maddeler için yükseltgenme genellikle oksijen miktarının artması ya da hidrojen miktarının azalması olarak tanımlanır. Bir tepkimede yükseltgenme işlemine da ha az elektronegatif sübstitüentin daha fazla elektronegatif atomla yer değiştirmesi eşlik eder.

G -12

Sözlük

z Zeitsev kuralı (Altbölüm 7.6A): Ayrılma tepkimesinin ana ürün ola rak en kararlı alkeni (yani ikili bağın en fazla sübstitüent taşıdığı alkeni) vereceğini ifade eden kural.

Zincir tepkimesi (Altbölüm 10.4): Her bir basamağın, bir diğer basa mağın oluşması için etkin ara ürün oluşturduğu, ardışık (seri halde) olarak oluşan basamaklı tepkime. Zincir tepkimeleri zincir başlama, zincir büyüme ve zincir sonlanma basamaklarını içerir.

Fotoğraf, Resim, Şekil ve Çizelgelerin Kaynakları

Protein Veri Bankası: Bu kitaptaki moleküler yapıları tanımlayan gö rüntülerin bir çoğu Protein Veri Bankasından (PDB) alınan veriler kul lanılarak elde edilmiştir. Bu kitaptaki molekülleri tanımlamakta kullanılan özel PDB veri dosyalarına yapılan atıflar, ilgili bölümlerde sayfa numaralarıyla birlikte aşağıda listelenmiştir. Protein Veri Banka sına yapılan genel atıflar aşağıda verilmiştir. Abola, E. E.; Bernstein, FC.; Bryant, S.H., Koetzle, T.F.; Weng, J. In Crystallographic Databases-lnformation Content, Software Systems, Scientific Applications. Allen, F.H., Bergerhoff, G., and Sievers, R. Eds.; Data Commission of the International Union of Crystallography: Bonn/Cambridge/Chester, 1987 pp. 107-132. Bernstein, F.C.; Koetzle, T.F.; Wiliams, G.J.B.; Meyer, Jr., E.F.; Bri ce, M.D.; Rodgers, J.R.; Kennard, O.; Shimanouchi, T.; Tasumi, M. The Protein Data Bank: A Computer-based Archival File for Macromolecular Structures. J. Molec. Biol. 1977, 122, 535-542 The Research Collaboratory for Structural Bioninformatics: http://www.rcsb.org/pdp.

BÖLÜM 1 Açılış: Uzaydan yerküre. NASA. Sayfa 2: Bir ribozom. PDB İD: 1ATO. Kolk, M.H.; Heus, H.A.; Hilbers, C.W. The Structure of the Iso lated, Central Hairpin of the HDV Antigenomic Ribozyme: Novel Structural Features and Similarity of the Loop in the Ribozyme and Free in solution. Emho. J. 1997, 16, 3685. Sayfa 7: John Hagemeyer. Kong re Kütüphanesi Koleksiyonundan kopyalanmıştır.

BÖLÜM 2 Açılış: AIDS. Mikki Ansin/Gamma Liaison. Sayfa 70: Bir erime nok tası tayin cihazı ve Sayfa 74, Mikroölçekli bir damıtma düzeneği: Şe killer; Introduction to Organic Laboratory Tecniques: A Microscale Approach, Second Edition by Donald L. Pavia, George S. Kriz, Gary M. Lampman, and Randall G. Engel, copyright ©1995 by Saunders Col lege Publishing, yayıncının izni alınarak basılmıştır. Sayfa 76, Bir polipeptitin «-sarmal yapısının bir gösterimi. Bio chemistry, Second Edition, by Voet, D. & Voet, J.G. ©1995 by John Wiley & Sons, Inc. Illustration ©Irving Geis’ten. Sayfa 77, Şekil 2.10; Şekil, Principles of Instrumental Analysis, Fifth Edition, by Douglas A. Skoog, James F. Holler, and Timothy Nieman, copyright ©1998 by Harcourt Brace & Company’den, yayıncının izniyle alınmıştır. Sayfa 82, Şekiller 2.13 ve 2.14; ©BIO-RAD Laboratories, Sadtler Division. Burada basımı için Sadtler Standard Spectra® tarafından izin verilmiştir ve bütün hakları BIO-RAD Laboratories, Sadtler Division tarafından saklıdır. Sayfa 84,

Şekiller 2.15 ve 2.16: Silvertein, R. & Webster, F.X. Spectrometric Iden tification o f Organic Compounds, Sixth Edition, copyright 1999 by Wi ley & Sons, Inc.’den uyarlanmıştır.

Bo lü m 3 Açılış: Alaskada dağcılık. Chris Noble/Tony Stone Images/New York, Inc. Sayfa 100: ©Nobel Kurumu. Sayfa 110, Şekil 3.5: General Che mistry: Principles and Structure, by Brady, J.E. & Humiston, G.E. Copyright ©1975 by John Wiley & Sons., Inc.’den uyarlanmıştır. Say fa 117, Çizelge 3.2: Advanced Organic Chemistry, Third Edition, by March, J. Copyright ©1985 by John Wiley & Sons, Inc.’den uyarlan mıştır.

BÖLÜM 4 Açılış: Sağlıklı bir kalp kasının rengi artırılmış bir geçirgen elektron mikrografı. Gopal Murti/Science Photo Library/Photo Researchers. Say fa 130: Page Museum at the La Tar Pits. Sayfa 131 (foto): Richard During/Tony Stone Images/New York, Inc. Sayfa 131, Çizelge 4.1: Elements of General, Organic, and Biological Chemistry, Ninth Editi on, by Holüm, J.R. ©1995 by John Wiley & Sons, Inc’den. Sayfa 135: ©Lisa Gee. Sayfa 150: Ohio State Universitiy Arşivleri, izinle. Sayfa lar 151, 159 (sol ve sağ) ve 176: © The Nobel Foundation.

BÖLÜM 5 Açılış: Bir spiral galaksi ©1986 Anglo-Australian Gözlemevi, fotoğ raf: David Malin. Sayfa 192: ©Nuridsany et Perennou/Photo Researc hers. Sayfa 197: K.U. Ingold. Sayfa 202, Şekil 5.12: Organic Chemsitry: A Brief Course, by Holüm, J.R., ©1975 by John Wiley & Sons., Inc.’den.

BÖLÜM 6 Açılış: Bir duvarı yıkan top mermisi. Andy Whale/Tony Stone Ima ges/New York, Inc. Sayfa 235 (üst ve alt): Photos courtesy University College London Library, Manuscripts & Rare Books, copyright Uni versity College London Sayfa 239, Figure 6.3: Rates and Equilibria o f Organic Relations, by Leffler, J. E., & Grunwald, E., Copyright ©1963 by John Wiley & Sons, Inc.’den uyarlanmıştır. Sayfa 246: ©The Nobel Foundation. Sayfa 254, Şekil 6.12: Introduction to Free Radi cal Chemistry, by Pryor, W.A. ©1966 By Prentice-Hall, Inc.’den uyar lanmıştır.

c-i

C-2

Fotoğraf, Resim, Şekil ve Çizelgelerin Kaynaklan

BÖLÜM 7 Açılış: Alaska’da bir ren geyiği. Daniel J. Cox/Tony Stone Images/New York, Inc. Sayfa 308: ©Lisa Gee

BÖLÜM 8 Açılış: Dev gibi silindir gövdeli bir sünger, Cayman Adalan. Adrew J. Martinez/Foto Araştırmacılar.

BÖLÜM 9 Açılış: Süper iletken mıknatıslı bir NMR spektrometresi. Varian, Inc.’in izniyle. Sayfa 402: Harry Sieplinga/The Image Bank. Sayfa 403 ve Say fa 407, Çizelge 9.3: Spectrometric Identification of Compounds, Sixth Edition, Silverstein, R. & Webster, F.X. ©1998 John Wiley & Sons, Inc.’den Sayfa 404, Şekil 9.32: Organic Chemistry: A Brief Course, Holüm, J.R. ©1975 John Wiley & Sons, Inc.’den Sayfa 412, Çizelge 9.4: Mass Spectrometry and Its Applications to Organic Chemistry, by Beynon, J.H. ©1960 Academic Press, Inc.’den, Sayfa 424, Şekil 9.46: ©BIO-RAD Laboratories, Sadtler Division. Burada basımı için Sadtler Standard Spectra® tarafından izin verilmiştir ve bütün hakları BIO-RAD Laboratories, Sadtler Division taafından saklıdır.

BÖLÜM 10 Açılış: DNA’nın sarmalına benzetilen ipliğin bükülü liflerini koparan bir mermi, yanma olayının radikalik tepkimeleri. Charles Miller/Northpoint Photo. Sayfalar 429 ve 430: DNA’ya bağlı kalikeamisin y,1. Ku mar, R.A.; Ikemoto, N.; Patel, D.J. solution structure of Calicheamicin y, 1 -DNA Complex. J. Mol. Biol. 1997, 265, 185. Sayfa 430: Kalike amisin / i '’in yapısı. Chemistry and Biology, 1994,1(1), 26. Current Bi ology, Ltd.’in (Londra) izniyle basılmıştır.

BÖLÜM 11 Açılış: Bir taraftan diğer tarafa kutu taşıyan bir endüstriyel robot. Ge rard Fritz/FPG International. Sayfa 482: Rod Westwood/The Image Bank.

BÖLÜM 12 Açılış: Bir niasin kaynağı, olgun bir soya fasulyesi. Tony Stone Ima ges/New York, Inc. Sayfa 534: Aldrich Chemical Co.’nun izniyle. Say fa 539: Harvey Lloyd/The Stock Market. Sayfa 545: ©The Nobel Foundadion.

BÖLÜM 13 Açılış: Bir Nobel Ödül Töreni, Stokholnı, İsveç. Podyumun solunda otu ranlar 1995 Nobel Ödülü Kazananlar. AP/Wide World Photos. Sayfa 592, Şekil 13.8: ©BIO-RAD Laboratories, Sadtler Division. Burada ba sımı için Sadtler Standard Spectra® tarafından izin verilmiştir ve bü tün haklan, BIO-RAD Laboratories, Sadtler Division tarafından saklıdır. Sayfa 597, Şekil I3.B: The Journal of General Physiology, 1942, 25, 819-840’dan, The Rackefeller University Press’in izniyle.

BÖLÜM 14 Açılış: Geri dönüştürülme için plastik (solda) ve geri dönüştürülmeye elverişli hale getirilmiş hidrokarbon stoğu. James King-Holmes/scien-

ce Photo Library/Foto Araştırıcıları. Sayfa 640, Şekil 14.9: Accounts of Chemical Research, 25, 119-126 (Copyright 2000 American Chemi cal Society)’den izin alınarak basılmıştır. Sayfa 641 (üstte): Profesör Charles M Licber’in (Harvard University) izniyle. Sayfa 641 (alta, sol da, ortada ve sağda): AP/Wide World Photos. Sayfa 650: © Lisa Gee. Sayfa 656: Şekiller 14.30 ve 14.32: Spektrum, Aldrich Chemical Co., Milwaukee, W l.’nin izniyle. Sayfa 659: Prostaglandin sentezinin di yagramı. Journal of American Chemical Society, 91,5675-5677 (Copy right 1969 American Chemical Society)’den izin alınarak basılmıştır. Sayfa 659: Kalistefin klorür sentezinin diyagramı. Journal of Chemi cal Society, 1455-1472 (Copyright 1928 American Chemical Society)’den izin alınarak basılmıştır.

BÖLÜM 15 Açılış: Bir doğal iyot kaynağı, dev gibi bir deniz yosunu. Darryl Torckler/Tony Stone Images/New York, Inc. Sayfa 669 (üstte ve altta): Ed gar Fahs Smith Collection, Van Pelt Library, University of Pennsylvania. Sayfa 690: Tiroksinin biyosentezi. Biochemistry, Second Edition, by Voet, J. G. ©1995 by John Wiley & Sons, Inc’den uyar lanmıştır.

BÖLÜM 16 Açılış: Bir B6 vitamini kaynağı, Washington eyaletinin Palouse bölge sinde yetişen buğdaylar Grant Heilman/Grant Heilman Photography, Inc. Sayfa 765: Askorbik asit diyagramı Journal of Chemical Society, 1419 (Copyright 1933 American Chemical Society)’den izin alınarak basılmıştır.

BÖLÜM 17 Açılış: Büyük miktarda enerji harcayan bir kürek takımı. David Madison/David Madison Photography. Sayfa 799: Kalikeamisin y,1yapısı nın diyagramı. Current Biology Ltd.’nin (Londra) izniyle Chemistry and Biology, 1(1), 26’dan basılmıştır. Kolesterolün diyagramı, Journal of American Chemical Society, 74, 4223 (Copyright 1952 American Che mical Society)’den izin alınarak basılmıştır.

BÖLÜM 18 Açılış: Naylon halı ipliklerin üretimi: Ted Horowitz/The Stock Market. Sayfa 844: Michael Rosenfeld/Tony Stone Images/New York, Inc. Say fa 850: David Ball/The Stock Market. Sayfa 861, Şekil 18.5: ©BIORAD Laboratories, Sadtler Division. Burada basımı için Sadtler Spectra® tarafından izin verilmiştir ve bütün hakları BIO-RAD Labo ratories, Sadtler Division tarafından saklıdır. Sayfa 874, Şekil B.l ve sayfa 875, ŞekilB.2: Macromolecules, 24, 1443-1444 (Copyright 1991 American Chemical Society)’ten izin alınarak basılmıştır.

BÖLÜM 19 Açılış: Bir Venedik karnavalında maskelenme. Grant V. Faint/The Ima ge Bank. Sayfa 902: Timidilat sintaz. PDB ID: İTSN. Hyatt, D. C.; Maley, F.; Montfort, W.R. Bir Stereoözgü Katalitik Mekanizmada Ger ginliğin Kullanımı: F-DUMP ve 4-Metilentetrahidroftalata Bağlı E. Ca li Timidilat Sintazın Kristal Yapıları, Biochemistry 1997, 36, 4585, Sayfa 903: Biochemistry, Second Edition, Voet, Sayfa 922: Dehidroabietik asitin yapısı. Selected Organic Synthesis, Flemming, I. ©1973 John Wiley & Sons, Ltd’den. John Wiley & Sons, Ltd.’nin izniyle ba sılmıştır. Biochemistry by Lehninger, L.H. ©1970 by W.H. Freeman izin alınarak basılmıştır.

Fotograf, Resim, Şekil ve Çizelgelerin Kaynaklan

Bo l ü m 2ü Açılış: Bir zehirli ok kurbağası. Stephen J. Kraseman/Photo Researc hers. Sayfa 979, Şekil 204: Essentials of Molecular Pharmacology Ko rolkovas, A. ©1970 by John Wiley & Sons, Inc.’den Sayfa 1008: Morley Read/Science Photo Library/Photo Researchers.

BÖLÜM 21 Açılış: 1. Yüzyıldan bir gümüş kupa. Scala/Art Resource, NY. Sayfa 1039: Benzinin moleküler grafiği. Görüntü, Jan Haller tarafından oluş turulmuş, Raîf Warmuth’un izniyle basılmıştır. Sayfa 1047: Optikçe saf tiroksinin sentezinin diyagramı. Selected Organic Synthesis, John Wiley & Sons, Ltd.’nin izniyle basılmıştır.

BÖLÜM 22 Açılış: Kırmızı ve beyaz kan hücrelerinin, rengi artırılmış bir taramalı elektron mikrografı. Andrew syred/Tony Stone Images/New York, Inc. Sayfa 1089: İltihaplanma sürecinin grafiği. Chemical Reviews, 98, 833862 (Copyright 1998 American Chemical Society)’den izin alınarak ba sılmıştır. Sayfa 1091: Bir mısır kloroplastının şematik diyagramı. Biocehemistry, Second Edition, by Voet, D. & Voet, J.G. ©1995 by John Wiley & Sons, Inc.’den uyarlanmıştır. Sayfa 1094: ©Corbis. Say fa 122: The Photo Works/Photo Researchers. Sayfa 1096: Haworth for mülü. Organic Chemistry: A Brief Course by Holüm, J.R. ©1975 by John Wiley & Sons, Inc.’den. Sayfa 1115: Aldoheksozların D ailesi. Organic Chemistry by Fieser, L.F., & Fieser, M. Copyright ©1956 by International Thompson izniyle basılmıştır. Sayfa 1124: Amylose. Bi ochemistry, Second Edition, by Voet, D. & Voet, J.G. ©1995 by John Wiley & Sons, Inc. Illustration ©Irving Geis’den uyarlanmıştır. Sayfa 1127: Selüloz için önerilen bir yapı. Biochemistry, Second Edition, by Voet, D. & Voet, J.G. ©1995 by John Wiley & Sons, Inc.’den uyar lanmıştır.

BÖLÜM 23 Açılış: Miyelin kılıflı bir sinir aksonu. C.Raines/Visumls Unlimited. Sayfa 1143: Miyelinlenmiş aksonun bir şematik diyagramı. Bioche mistry, Second Edition, by Voet, D. & Voet, J.G. ©1995 by John Wi ley & Sons, Inc’den uyarlanmıştır. Sayfa 1146, Çizelge 23.2: Hidrolizle elde edilen yağ asiti bileşimlerinin çizelgesi. Biology Data Book'tan, Federation of American Societies for Experimental Biology, Bethesda, MD. In Organic and Biological Chemistry by Holüm, J.R. ©1978 by John Wiley & Sons, Inc.’in izniyle. Sayfa 1148 (foto): Procter & Gamble’ın izniyle, Sayfa 1148 (Olestranın yapısı): Journal of Chemical Edu cation, Vol. 74, No. 4, 1997, pp. 370-372; copyright ©1997, Division of Chemical Education, Inc.’den izinle uyarlanmıştır. Sayfa 1169, Şe kil 23.8: Fundamentals of Biochemistry, Second Edition, by Voet, D., Voet, J.G., & Pratt, C.W. ©1999 by John Wiley & Sons, Inc.’den uyar lanmıştır.

BÖLÜM 24 Açılış: Bir atardamar içerisinden akan antikorların bilgisayar grafiği. Alfred Pasieka/Science Photo Library/Photo Researchers. Sayfalar 1179 ve 1220: Bir Diels-Alder katalitik antikor. 1A4K. Romesburg, F.E.; spiller, B.; Schultz, P.G.; Stevens, R.C. Immunological Origins of Binding and Catalysis in a Diels-Alderase Antibody. Science 1998, 279, 1929. Sayfa 1192: Otomatik bir amino asit analizleyicisinden el de edilen tipi sonuçların bir grafiği. Analytical Chemistry, 30, 1190

C-3

(Copyright 1958 American Chemical Society)’den izinle basılmıştır. Sayfa 1199: Stan Flegler/Visuals Unlimited. Sayfa 1206 (foto): kenneth Dunmire'in izniyle, Pacific Lutheran University. Sayfa 1206 (Şe kil 24.8): Polipeptit bağlantılarının geometrisi ve bağ uzunlukları. Biochemistry, Second Edition, by Voet, D. & Voet, J.G. ©1995 by John Wiley & Sons, Inc.’den uyarlanmıştır. John Wiley & Sons, Inc.’in iz niyle basılmıştır. Sayfa 1208, Şekil 24.9: Biochemistry, Second Editi on, by Voet, D. & Voet, J.G. ©1995 by John Wiley & Sons, Inc. Illustration ©Irving Geis’ten uyarlanmıştır. Sayfa 1209, Şekil 24.10: Biochemistry. Second Edition, by Voet, D. & Voet , J.G. ©1995 by John Wiley & Sons, Inc. Illustration ©Irving Geis'ten uyarlanmıştır. Sayfa 1210, Şekil 24.11: Karbonik Anhidraz. PDB ID: 1CA2. Eriks son, A.E., Jones, T.A.; Liljas, A. Refined Structure of Human Carbo nic Anhydrase at 2.0 Angstroms Resolution . Proteins Struct., Fund. 1988, 4, 274. Sayfa 1211, Seki! 24.12: Mioglobin. PDB ID: 1MBD. Phillips, S.E.V. Structure and Refinement of Oxymyoglobin at 1.6 Angstroms Resolution. J . Mol. Biol. 1980,142,531. Sayfalar 1213 (ke nar) ve 1216, Şekil 24.15C: Lisozim. PDB İD: 1AZF. Lim, K.; Nadrarahah, A.; Forsythe, A.L.; Pusey, M.L. Location of Halide Ions in Tetragonal Lysozyme Crystals. To be published. Sayfalar 1213-1214: Aktarma: David C. Phillips’ten “The Three-Dimensional Structure of an Enzyme Molecule.” Copyright ©1966 by Scientific American, Inc. Bütün hakları saklıdır. Sayfa 1214, Şekil 24.13: Biochemistry, Scond Edition, by Voet, D. & Voet, J.G. ©1995 by John Wiley & Sons, Inc.’den uyarlanmıştır. Sayfalar 1215 (kenar) ve 1217, Şekil 24.16: Tripsin. PDB ID: 1MAX. Bertrand, J.A.; Oleksyszn, J.; Kam, C.-M.; Boduszek, B.; Prcsnell, s.; Plaskon, R.R.; Suddath, F.L.; Powers, J.C.; Williams, L.D. Inhibition of Trypsin and Thrombin by Amino(4-amidinophenyl)-methanephosphonate Diphenyl Ester Derivatives: X-Ray Structures and Molecular Models, Sayfa 1216, Şekil 24.I5A: Atlas of Protein in Sequence and Structure. Margaret O. Dayhoff, Editor (1969)’dan izinle uyarlanmıştır. Şekil, National Biomedical Research Foundation’dan izin alınarak kopyalanmıştır. Sayfa 1216, Şekil 24.15B: David C. Phillips’den “The Three-Dimensional structure of an Enzy me Molecule.” Copyright ©1966 by Scientific American, Inc. Bütün haklan saklıdır. Sayfa 1223, Şekil 24.20: Hemoglobin. PDB ID: İOUU. Tame, Jr.; Wilson, J.C.; Weber, R.E. The Crystal Structures of Tro ut HB I in the Deoxy and Carbonmonoxy Forms. J. Mol. Biol. 1996, 256, 749.

BÖLÜM 2 5 Açılış: DNA sırası belirlemede kullanılan bir elektroforez Jeli. Ted Horowitz/The Stock Market. Sayfa 1237, Çizelge 25.1: E.L. Smith, R.L. Hill, et al.. Principles o f Biochemistry: Genera! Aspects, p.132. copy right ©1983 by McGraw-Hill Inc.’den McGraw-Hill Cmpanies’in iz niyle kopyalanmıştır. Sayfa 1238, Şekil25.6: A.L. Neal, CHEMİSTRY Copyright ©1971 by McGraw-Hill Inc.’den McGraw-Hill Companies'in izniyle kopyalanmıştır. Sayfa 1239, Şekil 25.7: L. Pauling and Corey, Archives o f Biochemistry and Biophysics, 65, 164’ten Academic Press, orlando, FL.’nin izniyle basılmıştır. Sayfa 1246, Şekil 25.12: Bir trans fer RNA. PDB ID: 4TNA. Hingerty, E.; Brown, R.S.; Jack, A. Further Refinement of the Structure of Yeast tRNAPhc./. Mol. Biol. 1978, 124, 523. Sayfa 1249, Şekil 25.12: David C. Phillips, “The Three-Dimensi onal Structure of an Enzyme Molecule.” (Copyright ©1966 by Scien tific American, Inc.)’den bütün hakları saklıdır. Sayfa 1251, Şekil25.15: Biochemistry, second Edition, by Voet, D. &, J.G. ©1995 by john Wi ley & Sons, Inc.’den uyarlanmıştır. Sayfa 1252, Şekil 25.16: David Dressler’in izniyle, Department of Biochemsitry, Oxford University, İn giltere.

Dizin

A.B.D. Çevre Koruma Bürosu (EPA): böcek öldürücüler, 1072 poliklorlanmış bifeniller (PCB), 1075 A.B.D. Yiyecek ve İlaç Bakanlığı (FBA): germisitler, 1075 yapay tatlandırıcılar, 1122-1123 Absorpsiyon spektrumu, ultraviyole-görünür bölge spektroskopisi, 592 Açı gerginliği, halka gerginliği kaynağı, siklopropan ve siklobütan, 155-157 Açısal (bükülmüş) şekil, su, 38 Açısal metil gruplan, steroitler, 1157 Açil bileşikleri, kimyasal test, 851-852 Açil grubu, aldehit ve keton adlandırma, 717 Açil karbonu, nükleofilik katılma-ayrılma, karboksilik asitler ve türevleri, 822825. Bkz., ayrıca, Karboksilik asit ler ve türevleri. Açil klorürler. Bkz., ayrıca karboksilik asit ler ve türevleri. adlandırma ve fiziksel özellikleri, 816 amit sentezleri, 836-837 karboksilik asitler ve türevleri, tep kimeleri, 826-827 sentezleri, 825-826 esterleşme tepkimeleri, 830-831 indirgenmeleri, aldehit sentezleri, 719723 Açil transfer tepkimeleri, karboksilik asitler ve türevleri, 810-811 Açilleme: Friedel-Crafts aromatik bileşik tepkimeleri, 671 673 sentetik uygulamaları, 675-677 karbanyonlar, beta-dikarbonil bileşikle ri, 885 Adamantan, alkanlar, bisiklik ve polisiklik, 169 Adenozin difosfat (ADP), karbohidratlar, 1031-1092 Adenozin trifosfat (ATP): biyolojik metilleme, 262-263 glikoliz, enol, 262-263 karbohidratlar, 1091-1092

manyetik rezonans görüntüleme, 402 Adipositez, triaçilgliseroller, 1147 Adlandırma, Bkz. ayrıca İUPAC adlandırma (R-S) sistemi alkoller ve eterler, 477-478 alkoller, 478-479 eterler, 479-480 karbon atom, 477-479 aminler, 944-945 amino asitler, 1181, 1182-1183 benzen türevleri, 621-623 fenoller, 1016 monosakkaritler, 1095-1096 steroitler, 1156-1157 Adler, Kurt, 571, 604 Adrenalin, aminler,955 Adrenokortical hormanlar, steroitler, 11611162 Adriamisin, poliketit antikanser anti-biyotik biyosentezleri, 1018-1019 Aflotoksin B l, karsinojenler, 514-515 Afyon, alkaloitler, 1011 Ağızdan alınan gebelik önleyiciler: alkinler, 52 noretindron, 62 Ağrı gidericiler: alkaloitler, 1 0 1 1 - 1 0 1 2 salisilik asit, 1 1 0 1 AIDS tedavisi: Crixivan, 50-51 kaliksarenler, 1015 oligonükleotitler, 1253 Aile bağlantıları, deoksiribonükleik asit (DNA), 1228-1229 Akiral moleküller: çoklu stereomerkezler, 213 tanımı, 191 Aklavinon, poliketit antikanser antibiyotik biyosentezleri, 1018-1019 Aksanlar, miyelin kılıf, fosfatitler, 1170 Aksiyal hidrojen atomu, ekvatoryal hidrojen atomu, sübstitue sikloheksanlar, 160-163 Aktif hidrojen bileşikleri, beta dikarbonil bi leşikleri, 896-897

l-l

Aktifleşme serbest enerjisi, nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, SN2 tepki mesi, 237 Aktifleştirme enerjisi: radikal tepkimeleri, metanın klorlanması 444-447 SN2 tepkimesi, 239 Aldarik asitler (nitrik asit yükseltgemesi), monosakkaritler, yükseltgenme tep kimeleri, 1106-1108 Aldehit hidratları, aldehitler ve ketonlar, nükleofilik katılma tepkimeleri, 732-733 Aldehit ve ketonlar (aldol tepkimeleri), 766809 aldehit sentezleri, 719-723 açil klorürlerin, esterlerin ve nitrillerin indirgenmesi, 719-723 birincil alkollerin yükseltgenmesi, 719 aldol kondensasyonuyla halkalamalar, 786-788 alfa-beta doymamışlara katılmalar, 795798 Michael katılmaları, 798 organobakır reaktifleri, 797 alfa-selenleme, 794-795 çapraz aldol tepkimeleri, 780-786 Claisen-Schmidt tepkimeleri, 783785 nitroalkan kondensasyonları, 785786 uygulamalı oluşumlar, 780-783 enolat anyonları 767-769 asit katalizli kondensasyon, 779780 dehidrasyon, 777 tersinirlik, 779 sentetik uygulamalar, 777-779 enol glikoliz, 766-767 enol ve enolat anyon tepkimeleri, 770776 fıaloform tepkimeleri, 774-776 ketonların halojenlanmesi, 772-774 rasemleme, 770-772

1-2

Dizin

keto ve enol tautomerleri, 769-770 lityum enolatlar, 788-793 doğrudan alkilleme, 791,793 doğrudan yapılan tepkimeler, 789791 yerseçimlilik, 788-789 Aldehitler ve ketonlar (nükleofilik yer de ğiştirme tepkimeleri), 714-765 alkol katılmaları, 730-738 asetaller, 734-737 yarı-asetaller, 730-733 tiyoasetaller, 737-738 aldehit sentezleri, 719-723 açil klorürlerin, esterlerin ve nitrillerin indirgenmesiyle, 719-723 birincil alkollerin yükseltgenmesiyle, 719 adlandırma, 716-717 amonyak türevlerinin katılması, 738-742 2,4-dinitrofenilhidrazonlar, semikarbozonlar ve oksimler, 739 hidrazonlar, 739-741 hidrojen siyanür katılması, 743-744 nükleofilik katılma, karbon-oksijen ikili bağına, 727-730 bağıl etkinlik, 729-730 peşpeşe tepkimeler, 730 tersinirlik, 729 keton sentezleri, 723-727 alkanlardan, arenlerden ve ikincil alkollerden, 723 alkinlerden, 723-725 lityum dialkilkupratlardan, 725 organometalik reaktiflerin katılması, 749-750 önemi, 715 fiziksel özellikleri, 717-718 piridoksal fosfat (PLP), 714-715, 742743 spektroskopik özellikleri, 753-755 yilür katılması, 745-749 Aldehitler: biyokimya, 644-645 Grignard reaktifleri, ikincil alkoller, 549 yükseltgenmesi, karboksilik asit eldesi, 820 birincil alkollerin yükseltgenmesiyle, 538-539 proton transfer tepkimeleri, 118 yapısı, 64-65 sülfür yilür katılması, 926 yapısı, 64-65 Alditoller, monosakkarit indirgenmesi, 1110 Aldol kondensasyonları, antikor-katalizli, 909 Aldol tepkimeleri, aldehitler ve ketonlar (al dol tepkimeleri), 706-805. Bkz., Al dehitler ve ketonlar (aldol tepkimeleri) Aldonik asitlerin sentezi (bromlu su), monosakkaritler, yükseltgenme tepkime leri, 1108

Aldozlar, D ailesi, monosakkaritler, 114 Alfa anomer, monosakkaritler, 1097 Alfa halo asitler (Hell-Volhard-Zelinski tep kimesi), karboksilik asitler ve türev leri, 844-846 Alfa karbon atomu, dehidrohalojenleme, 265 Alfa sübstitüentler, steroitler, 1157 Alfa-amino asit sentezleri, 1186-1189 Bkz. ayrıca, Amino asitler Alfa-selenleme, aldehit ve ketonlar, aldol tepkimeleri, 794-795 Alifatik aminler, birincil, nitröz asit ile tep kimeleri, 966-967 Alifatik bileşikler, sınıflandırma, 621 Alifatik ketonlar, adlandırma, 716 Alkadienler, çoklu doymamış sistemler, 586-587 Alkali eritiş, sodyum benzen sülfanattan, fe nol sentezi, 1 0 2 0 - 1 0 2 1 Alkaloitler, 1008-1013 indol veya indirgenmiş indol halkaları, 1012-1013 izokinolin veya indirgenmiş izokinolin halkası, 1 0 1 1 - 1 0 1 2 piridin veya indirgenmiş piridin halkası, 1008-1011 Alkan-halojen tepkimeleri, radikal tepkime leri, 437-439 Alkanlar, 129-183, Bkz., ayrıca, Sikloalkanlar alkil halojenürin indirgenmesi, 172 bisiklik ve polisiklik alkanlar, 168-169 bütan, konformasyon analizi, 151-153 hidrojenlenme, 171 kimyasal tepkimeler, 170 IUPAC adlandırması, 135-142 alkoller, 141-142 alkilhalojenürler, 140-141 dallanmış zincirli alkanlar, 136-138 dallanmamış alkil grupları, 135-136 hidrojen atomu sınıflandırma, 140 inorganikten organiğe, 178 öncü tanımlama, 176-177 mantıklı, 178 melez atomik orbitaller, 27-28 moleküler yapı, 129-130 organik sentezler, 174-178 genel, 174-175 sikloalkan sentezleri, 170-173 uç alkinlerin alkillenmesi, 172-173 yanma, radikal tepkimeler, 461 yüksek alkanların halojenlenmesi, radi kal tepkimeleri, 450-453 Alkanoil grubu, aldehit ve keton adlandırma, 717 Alkanür iyonu, karbokatyon kararlılığı ve moleküler çevrilmeler, ikincil alkol ler , 300-301 Alkatrien, konjuge doymamış sistemler 586587 Alken ve alkin ayrılma tepkimeleri 281-320

alken sentezleri, 288 alkil halojenürlerden hidrojen halojenür çıkarılması, 288-293 alkenlerin hidrojenlenmesi, 307-308 alkinlerin hidrojenlenmesi, 310-312 alkinlerin sentezi, 304-305 alkollerin dehidrasyonu, 293-299 asetilenik hidrojen atomu yer değiştir mesi, uç alkinler, 306-307 bağıl kararlılıklar, 284-287 hidrojenlenme ısıları, 285-286 toplam, 286-287 yanma ısıları, 285-286 birincil alkoller, 298-299 fiziksel özellikler, 282 hidrojen eksikliği indeksi, 312-314 ikincil alkoller, 299-301 karbokatyon kararlılığı ve moleküler çevrilmeler, 299-302 katalitik hidrojenleme, 309-310 komşu dibromürlerden brom çıkarılma sı, 303-304 karbokatyon kararlılığı ve geçiş hali, 296-298 ikincil ve üçüncül alkoller, 295-296 sikloalkenler, 287 uç alkinlerin asitliği, 305-306 (£)-(Z) sistemi, 282-283 Alken ve alkin katılma tepkimeleri 321 -365 alkene sülfürik asit katılması, 330-331 alkenlere brom ve klor, 334-335 alkinlere brom ve klor, 348-349 alkenlern sin hidroksillenmesi, 344-346 halohidrin oluşumu, 339-350 karbenler, 342-344 karbon-karbon ikili bağı, 322-324 Markovnikov kuralı, 324-330 istisnalar, 329-330 modern açıklaması, 329 yerseçimli tepkimeler, 329 teorik açıklaması, 327-328 stereokimya, alkenlere halojen katılma sı, 335-339 sterokimya, iyonik katılmanın, 330 sentetik stratejiler, 350-353 su katılması, asit katalizli hidrasyon 331-333 tepkimelerin özeti alkenler, 358 alkinler, 359 yükseltgemeli parçalanma, alkenlerin, 346-348 yükseltgemeli parçalanma, alkinlerin, 350 alken ve alkin katılma tepkimeleri, 321-365. Bkz, ayrıca Alken ve alkin katılma tepkimeleri alkenler, hidrojenlenmesi, 307-308 Alkenil benzenler, aromatik bileşik tepkime leri, 696-698 Alkenil zinciri, yağ asidi tepkimeleri, 1151 Alkin, konjuge doymamış sistemler, 586-

Dizin 587 Alkenler. Bkz.. ayrıca, Alken ve alkin katıl ma tepkimeleri: Alken ve alkin ay rılma tepkimeleri alkenlerden alkol sentezleri, 484-487, 523-525 Bkz., ayrıç, Alkoller ve eterler epoksitlerle anti hidroksillenmesi, 516519 dipol momentleri, 58 hidrojenlenmesi, 307-308 IUPAC adlandırması, 144-146 keton sentezleri, 723 melez atomik orbitaller, 28-33 radikal polimerleşmesi, zincir büyütme polimerleri, 458-460 sentezleri, alken ve alkin ayrılma tepki meleri, 288 yapısı, 52 yükseltgenme, karboksilik asit hazırla ma, 820 Alkenlere su katılması, alkol sentezi, 484487 Alkil aril eterler, fenollerin parçalanması, 1026 Alkil fosfatlar, enzimler, 498 Alkil gruplan: dallanmış, 138-140 dallanmamış, 135-136 Grignard reaktifleri, üçüncül alkol eldesi, 549 IUPAC adlandırması R sembolü ve fonksiyonel gruplar, 5560 Alkil halojenürler (haloalkanlar): alkollerin dönüşümü: 499 alkollerin hidrojen halojenürler ile tep kimeleri, 499-501 alkollerin fosfor tribromür veya tiyonil klorür ile tepkimeleri, 502-503 alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 281 320. Bkz., ayrıca, Alken ve alkin ayrılma tepkimeleri alkilleme, yapı ve etkinlik ilkeleri, 173174 halojen atomu, 230 IUPAC adlandırması, 140-141 nükleofilik yer değiştirme ve ayrılma tepkimeleri, 229-280, Bkz., ayrıca, Nükleofilik ayrılma tepkimeleri; Nükleofilik yer değiştirme tepkime leri indirgenmesi, alkan ve sikloalkan sentezleri, 173 yapısı, 60-61 Alkil hidrojen sülfatlar, alkoller, alkenler ve katılma tepkimeleri Alkil kloroformatlar, karbonik asit türevleri, 846-848 Alkil radikalleri, geometrisi, radikal tepki meleri, 453 Alkil sülfonatlar, mesilatlar ve tosilatlar, SN2 tepkimeleri, 497

Alkil zinciri, yağ asidi tepkimeleri, 1151 Alkilleme: amonyak ve aminlerin, nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 597 Alkilbenzenler aromatik bileşik tepkimeleri, yan zincir tepkimeleri, 692-696 aromatik bileşik tepkimeleri, orto-para yönlendirme ve etkinlikleri, 689,691 yükseltgenmesi, karboksilik asit hazırla ma, 821 azür iyonunun, aminlerin, nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 957-958 1,3-ditiyonlar, beta-dikarbonil bileşikle ri, 898-899 esterler ve nitriller (doğrudan), beta-dikarbonil bileşikleri, 897-898 Friedel-Crafts, aromatik bileşik tepki meleri, 669-671 uç alkinlerin, alkan ve sikloalken sen tezleri, 172-173 üçüncül aminlerin, nükleofilik yer de ğiştirme tepkimeleri, 50 yapı ve etkinlikleri, 173-174 Alkiloksonyum iyonu, bazlar olarak organik bileşikler, 188 Alkinler, Bkz., ayrıca, Alken ve alkin katıl ma tepkimeleri; Alken ve alkin ay rılma tepkimeleri alkan ve sikloalkan sentezleri, uç alkin lerin alkillenmesi, 172-173 alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, asetilenik hidrojen atomu yer değiştir me 306-307 hidrojenlenmesi, alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 310-312 keton sentezleri, 723-725 kullanımları, 53 melez atomik orbitalleri, 33-35 sentezleri, 304-305 uç alkinlerin asitliği, 305-306 yapısı, 51 Alkoksit anyonları, silil enol eterleri, 792 Alkoksit iyonu, asitler olarak alkoller, 495 Alkol dehidrojenaz, kimyası, 536 Alkol miktarını, içilen, ölçen cihaz, 542 Alkoller ve eterler, 476-528 alkenlerden sentezi, 484-487 eter tepkimeleri epoksitler, 508-519. Bkz., ayrıca, Epoksitler Özeti, 523-525 alkoller ve asitler, 594-595 alkollerin alkil halojenürlere dönüşümü, 499 alkollerin mesilatlar ve tosilatlara dönü şümü 495-498 alkollerin hidrojen halojenürlerle tepki meleri, alkollerden alkil halojenür, 459-501 alkollerin fosfortribromür veya tiyonil

1-3

klorür ile tepkimesi, alkollenler al kil halojenürler, 502-503 alkollerin moleküller arası dehidrasyonu 503-504 alkollerin tepkimeleri, 493-494 özeti, 523-525 antibiyotikler, monesin, 476-477 eter sentezleri, 503-507 fiziksel özellikler, 480-482 hidroborasyon, 488-490 hidroborasyon-yükseltgenme, 490-493 önemli örnekler, 482-484 silil eter koruma grupları, 506-507 taç esterler, 515-508 ter-bütil eterler, alkollerin alkillenmesiyle, koruma gruları, 506 Williamson sentezi, 504-506 yapı ve adlandırma, 477-480 alkoller, 478-479 eterler, 479-480 karbon atomu, 477-478 Alkoller, Bkz. ayrıca, Birincil alkoller; ikin cil alkoller aldehitler ve ketonlar, nükleofilik katıl ma tepkimeleri, 730-738 alkil hidrojen sülfatlar, alken katılma tepkimeleri, 331 birincillerin yükseltgenmesi, aldehit sentezi, 719 dehidrasyon, alken ve alkin ayrılma tep kimeleri, 293299 Bkz. ayrıca, Alken ve alkin dehidrasyon tepkimeleri fenoller; alkenlerden ayırt etme ve ayır ma, 1025 Grignard reaktifleri, 549-556 Bkz., ayrı ca, Grignard reaktifleri IUPAC adlandırması, 141-142 ikincillerin yükseltgenmesi, keton sente zi, 723 karboksilik asit, karşılaştırma, 112-113 proton transfer tepkimesi, 118 spektroskopi, 543 yapısı, 61-62 yükseltgenme-indirgenme tepkimeleri, 531, 538-544. Bkz., ayrıca Yükselt genme-indirgenme tepkimeleri alkoller, karşılaştırma, 112-113 Allenler, düzgün dörtyüzlü atomu olmayan kiral moleküller, 224 Allil katyonu, konjuge doymamış sistemler, 580-582 Allil radikali allilik yer değiştirme ve konjuge doy mamış sistemler, 573-577 kararlılığı, konjuge doymamış sistemler, 577-580 Allilik bromlama, N-bromosüksinimit ile, konjuge doymamış sistemler, 575577 Allilik halojenür, aromatik bileşik tepkime leri, 702-704

1-4

Dizin

Allilik hidrojen atomu, konjuge doymamış sistemler, 573 Allilik klorlama (yüksek sıcaklık) konjuge doymamış sistemler, 573-575 Allilik yer değiştirme, allil radikali ve, kon juge doymamış sistemler, 573-577 Altman, Sidney, 1212 Anemi, orak hücre anemisi, kimyası, 1199 Amfetamin, aminler, 955 Amin çıkarma, diazolama ile, arendiazenyum tuzlarının yer değiştirme tepki meleri, 971-972 Aminler adlandırma, 944-945 alkaloitler, 1008-1013 analizleri, 980-982 kimyasal, 980-981 spektroskopik, 981-982 arendiazonyum tuzlarının kenetlenme tepkimeleri, 972-975 aminyum tuzları ve kuaterner amonyum tuzları, 951-952 arilaminler, 948-949 sulu asitlerde çözünürlük, 952 yarma reaktifleri olarak,952-953 amonyum bileşlerini içeren ayrılma tep kimeleri, 982-984 arendiozonyum tuzlarının yer değiştirme tepkimeleri, 969-972 bakır(I) oksit ile olan yer değiştir me, 971 -F ile olan yer değiştirme, 971 flor ile olan yer değiştirme, 971 hidrojen ile olan yer değiştirme, 971-972 potasyum iyodür ile alan yer değiş tirme, 970 Sandmeyer tepkimesi, 970 sentezler, 969-970 bazlık, 947-953 aminlere göre amitler, 950-951 biyoloji, 955-957 fiziksel özellikleri, 945-946 heterosiklik, tepkimeleri ve sentezleri, 997-1007 hazırlanması, 957-964, 984-986 Hofmann ve Curtius çevrilmeleri, 963-964 indirgen aminleme, 960-961 nitro bileşiklerini indirgeme, 959960 nükleofilik yer değiştirme tepkime leri, 957-959 nitrillerin, oksimlerin ve amitlerin indirgenmesi, 961-962 inrared spektroskopisi, 83-84 nitöz asit ile tepkimeleri, 966-967 birincil alifatik aminler, 966-967 birincil arilaminler, 967 ikincil aminler, 968 üçüncül aminler, 968-969 nörotoksinler ve sinir ileticileri, 942-943

tepkimeleri, 965-966, 986-987 sülfonil klorürlere tepkimeleri, 975977 sülfa ilaçları (sülfanilamit), 977-980 yapısı, 63-64, 945-947 Amino asit kalıntıları, polipeptitler ve protienler, 1190 Amino asit sırası, polipeptitler ve proteinler, 1193-1196. Bkz., ayrıca, Polipeptit ler ve proteinler Amino asitler, Bkz, ayrıca, Polipeptitler ve potienler; Proteinler alfa-amino asit sentezleri, 1186-1189 alfa-halo asitlerin doğrudan ammonalizi, 1186 DL-Aminoasitler, 1188 potasyum ftalimitten, 1186-1187 Stecker sentezi, 1187-1189 dipolar iyonlar olarak, 1183-1185 hayat ve, 2 kirallik, 184-185, 191-192 temel, 1181, 1183 yapı ve adlandırma, 1181, 1182-1183 Amino şekerler, tanımı, 1129-1130 Aminyum tuzları, kuaterner amonyum tuzla rı ve aminler, bazlık, 951-952 Amitler: adlandırma ve fiziksel özellikler, 816817 bazlık, aminlere göre, 950-951 karboksilik asitler ve türevleri, 836-843 dehidrasyon, amitlerden nitriller, 841-842 hidroliz, 840-841 laktamlar, 843 nitrillerin hidrolizi, 842-843 sentezleri, 836-840 infrared spektroskopi, 84 indirgenmesi, aminler, 961-962 proton aktarım tepkimesi, 118 yapısı, 6 6 Amonoliz, doğrudan, alfa-halo asitlerin, 1186 Amonyak alkillenmesi, aminler, nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 957 aminler, 63-64 değerlik kabuğu elektron çifti itmesi (VSEPR) teorisi, 38 türevleri, aldehit ve ketonlar nükleofilik katılma tepkimeleri, 738-742 amonyak türevlerinin katılması, 738-742 2,4-dinitrofenilhidrazonlar, semikarbozonlar ve oksimler, 739 Amonyum bileşikleri, ayrılmalar içeren, aminler, 982-984 Amonyum karboksilatlar, amit sentezi, 833840 Amonyum tuzları, kuaterner, aminyum tuz ları ve, aminler, bazlık, 951-952 Ana bileşikler, IUPAC adlandırması, 141 Androjenler, streoitler, 1159-1161

Androsteron, steroitler, 1159 Anomerik karbon atomu, monosakkaritler, 1096 Anti hidrosilleme, alkenlerin epoksitler üze rinden, 516-519, 525 Anti katılma alken katılma tepkimeleri, halojen 336 alkinlerin hidrojenlenmesi, 311-312 katalitik hidrojenleme, alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 309, 310 Anti konformasyon, konformasyonal analiz, 152 Anti Markovnikov katılması: hidrojen bromür, radikal tepkimeleri, 456-458 yükseltgeme-hidroborasyon, alkol sente zi, 491, 524 Antiaromatik bileşikler, Hückel kuralı, 635637 Antibiyotikler. Bkz., ayrıca, Tıbbi uygula malar; Farmakoloji kalikeamisin gama, 799 karbohidratlar, 1132-1133 monesin, 476-477 penisilinler, 844 poliketit antikanser antibiyotik biyosentezi, 1018-1019 taç eterler, 522 Antihistaminler, aminler, 956 Antikor-katalizli aldol kondensasyonları, 909 Antikorlar: glikolipitler ve glikoproteinler, 1131 katalitik kimyası, 1 2 2 0 - 1 2 2 1 oluşması, 1179-1180 Antimetabolitler, sülfa ilaçlan, 978-979 Antioksidantlar, radikal tepkimeleri, 463 Antisens nükleotitler, oligonükletitler, 1253 Antrasen, benzenoit aromatik bileşikler, 638 Atropin, alkaloitler, 1009-1010 Anulenler, Hückel kuralı, 630-632 Anyonik polimerleşme, epoksitler, polieter oluşumu, 515-516 Apidik asit, kimya sanayii, 620 Apolar aprotik çözücüler, taç, eterler, nükle ofilik yer değiştirme tepkimeleri, 519-522 Apolar moleküller, polar moleküller ve kar bon bileşikler, 56-58 Apolar, hidrofobik yan zincirler, proteinler ve yapı, 1 2 1 0 Apoptosis, kalikeamisin gama ve, 429-430 Aprotik çözücüler nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 254-257 polar olmayan, taç eterler, nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 519-522 Ara ürünler, SN1 tepkimesi, mekanizması, 244-245 Arendiazonyum tuzları: kenetlenme tepkimeleri, aminler, 972-

Dizin 975 yer değiştirme tepkimeleri, aminler, 969-972 Arenler: elektrofilik aromatik yer değiştirme tep kimeleri, 662 keton sentezleri, 723 Aril grubu, elektrofilik aromatik yer değiş tirme tepkimeleri, 662 Aril halojenürler, 1032-1040 halojen atomu, 230 nükleofilik aromatik yer değiştirme, 1032-1039 ayrılma-katılma mekanizması (ben zin), 1034, 1036-1039 genel, 1032-1033 katılma-ayrılma (SNAr mekanizma sı, 1032-1034 spektroskopik analizler, 1039-1040 Arilaminler: adlandırma, 944 bazlık, 948-949 birincil, nitröz asit ile tepkimeleri, 967 Arka taraf, SN2 tepkimesi, mekanizması, 235-236 Aromatik anyon, Hückel kuralı, 634 Aromatik bileşikler, 619-660 benzen türevlerini adlandırma, 621-623 benzen tepkimeleri, 623-624 benzen kararlılığı, 626-627 benzen yapısı, 624-626, 627-629 Kekule yapısı, 624-626 modem teoriler, 627-629 biyokimya, 643-646 çevresel kaygılar, 619-620 heterosiklik, 642-643 Hückel kuralı, 630-637 anulenler, 630-632 aromatik, antiaromatik ve aromatik olma aromatik iyonlar, 633-635 NMR spektroskopi, 632-633 yan bileşikler, 635-637 örnekler, 637-641 benzenoit, 637-639 fulerenler, 640-641 benzenoit olmayanlar, 639-640 spektroskopi, 646-651 infrared spektroskopisi, 648-649 kütle spektrumları, 651 NMR spektrumları, 646-648 ultraviyole-görünür bölge spektros kopisi, 649 tarihsel bakış, 620-623 Aromatik bileşikler (tepkimeler), 661-713 alkenilbenzenler, 696-698 benzen halkasının yükselgenmesi, 698 ikili bağa katılmalar, 697 kararlılık, 692-697 yan zincir yükselgenmesi, 698 alkilbenzenler, 692-696

benzilik radikaller ve katyonlar, 692-693 yan zincirin halojenlenmesi, 693696 allilik ve benzilik halojenürler, 702-704 benzen, 665-669 halojenleme, 665-666 nitrolama, 667-668 sülfolama, 668-669 elektrofilik aromatik yer değiştirme tep kimeleri, 662-665 genel, 662-663 tepkime mekanizması, 663-665 tiroksin biyosentezi, 661-662 Friedel-Crafts tepkimeleri açilleme, 671-673 alkilleme, 669-671 sentetik uygulamaları, 675-677 indirgenmeler, 704-706 substituent etkileri, 677-680 etkinleştirici gruplar (orto-para yön lendiriciler), 677-678 etkinlik azaltıcı gruplar (meta yön lendiriciler), 679 halo sübstitUentler, 679 sübstitüentlerin sınıflandırılması, 679-680 substituent etkileri teorisi, 680-692 etkinlik, 680-682 meta-yönlendirici gruplar, 684-685 orto-para yönlendiriciler, 685-689 özeti, 691-692 yönlendirme, 682-683 sentetik uygulamaları, 698-702 disübstitüe benzende yönlenme, 701-702 koruma ve kapatma grupları, 700701 tiroksin biyosentezi, 661-662 Aromatik hidrokarbonlar: benzen, 53-54 yapısı, 51 Aromatik iyonlar, Hückel kuralı, 633-635 Aromatik olmayan bileşikler, Hückel kuralı, 635-637 Aromatik olmayan karbokatyonlar, elektrofi lik aromatik yer değiştirme tepki meleri, 663 Asal gazlar: kovalent bağlar, 8 Lewis yapıları, 10 Asetaldehit, dipol-dipol kuvvetleri, 71 Asetaller: aldehitler ve ketonlar 734-737 karbohidratlar, 1090 monosakkaritler, 1104 Asetamit, yapısı, 6 6 Asetat iyonu, elektrostatik haritalama, 115 Asetik asitler: karboksilik asitler, 6 6 Asetil grubu, aldehit ve keton adlandırma, 717

1-5

Asetilenik hidrojen atomu yer değiştirmesi, alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, uç alkinler, 306-307 Asetilenik hidrojen, uç alkinierin alkillenmesi, alkan ve sikloalkan sentezleri, 172-173 Asetilenler. Bkz. Alkinler; Etin Asetilkalinesteraz: aminler, 957 serin proteaz, 1 2 2 2 Asetoasetik ester sentezleri, beta-dikarbonil bileşikleri, 885-892 Aseton: dipol-dipol kuvvetleri, 71 propen, 52 Asidik hidrojen atomları, organometalik bi leşikler, 546-547 Asidik hidroliz, nitriller, amitler, 842 Asimetrik Diels-Alder tepkimesi, 610-611 Asimetrik sentezler, alfa-amino asit sentez leri, 1189 Asit katalizli hidrasyon (alkenler): alkol sentezleri, 484-485 su katılması, 331-333 Asit katalizli halka açılması, epoksit tepki meleri, 513 Asit klorürler, fenoller, tepkimeleri, 1025 Asitik: alfa hidrojenlerin, enolat anyonlarının, 767-769 karboksilik asitler ve türevleri, 813-814 Asitler ve bazlar, 90-128 asitler olarak al koller, 434-435 aminler, bazlık, 947-953 karbokatyonlar ve karbonyonlar, 98-99 Asitlik sabiti (Ka), kuvvetleri, 101-102 Bkz., ayrıca Denge sabiti Aspartam, yapay tatlandırıcılar, 1122 Aspirin: prostaglandinler, 1167 salisilik asit, 1 1 0 1 Ateş, 3 Atmosfer, metan, 2, 52 Atomik orbitaller. Bkz., ayrıca, Melez ato mik orbitaller kuantum mekaniği, 19-21, 35-36 melez atomik orbitaller, 24-35 moleküler orbitaller ve, 2 2 Atomik yapı: formal yük, 12-14 kimyasal bağlar, 7-8 kuantum mekaniği, 18-19 Lewis yapıları, 9-10, 11 moleküler orbitaller, 21-23 oktet kuralı, istisnaları, 1 0 - 1 2 rezonans teorisi, 14-17 Aufbau ilkesi, atomik orbitaller, 21 Avagadro, Amedeo, 4 Ayrık (İzole) bağlar, çoklu doymamış hidro karbonlar, konjuge doymamış sis temler, 586-587 Ayrılan gruplar:

1-6

Dizin

nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 233-234, 258-260 Sn2 tepkimesi, mekanizması, 235-236 Ayrılma tepkimeleri. Bkz., ayrıca, Alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, El tepki mesi, E2 tepkimesi; Nükleofilik ay rılma tepkimeleri asitler ve bazlar, 91 alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 281 320 Ayrılma-katılma mekanizması (benzin), aril halojenürler, 1034, 1036-1039 1 ,2 -Ayrılnıaları, hidrojen halojenür ayrılma sı, 265 Azeotrop, etanol, 483 ■ Azot atom, aminler, 63-64 Azot bileşikleri, stereokimya, 224 Azot devrilmesi, aminler, 947 Azot şekerleri, 1129-1130 Azulen, nonbenzenoit aromatik bileşikler, 640 Azür iyonu, alkillenmesi, aminler, nükleofi lik yer değiştirme tepkimeleri, 957958

B Baeyer-Villiager yükseltgenmesi, aldehitler ve ketonlar, 751-752 Bağ dönmesi, ve sigma bağları, alkanlar, 149-151 Bağ iskeleti, melez atomik orbitaller, 30, 31, 32, 34 Bağ yapmayan çiftler, değerlik kabuğu elektron çifti itmesi (VSEPR) teori si, 37 Bağ-çizgi formülleri, yapı formülleri, 43-44 Bağıl konfigürasyonlar, mutlak konfigürasyonlar, bağ kırılması olmayan tep kimeler, 2 2 0 - 2 2 2 Bağlar. Bkz. Kimyasal bağlar Bağlayıcı çiftler, değerlik kabuğu elektronçifti itme (VSEPR) teorisi, 37 Bağlayıcı molekül orbitali, kuantum mekani ği, 36 Baker, J.T., 511 Bakır(l) oksit, aminler, arendiazonyum tuz larının yer değiştirme tepkimeleri, 971 Bakteri: enantiyoseçimlilik, karbonil grubu, stereoseçimli indirgenmesi, 537-538 hücre duvarı, nüklefilik yer değiştirme tepkimeleri, 229-230 ile dehalojenleme, poliklorlanmış bifenillerin (PCBs), 1035 penisilinler, 844 piridoksal fosfat (PLP), 715 Bor triflorür: değerlik kabuğu elektron-çifti itmesi (VSEPR) teorisi, 38-39 Lewis tanımı, 96-97 moleküller, 57

Barbitüratlar, beta-dikarbonil bileşikleri, 908, 910 Barger, G., 691 Barn, Max, 19 Barton, Derek H.R., 159 Basamaklı, büyüme polimerleri, 868-876 çağlayan polimerler, 874-876 fenol-formaldehit polimerleri, 873-874 poliamitler, 868-870 poliesterler, 870-872 poliüretanlar, 872-873 Basınç, kaynama noktasına bağlı, van der Waals kuvvetleri, 74 Basit formüller, ve molekül formülleri, 4 Baz sırası: deoksinibonükleik asit (DNA), 12361237 tayini, DNA, 1250, 1250-1253 Baz-destekli hidroliz (sabunlaşma), esterin, karboksilik asitlerin ve türevlerinin, 832-834 Bazı polimerler, ribozomlar (rRNA), 1244 Bazik hidroliz, nitriller, amitler, 843 Bazlar. Bkz. Asitler ve bazlar Benedict reaktifi, monosakkaritler, yükseltgenme tepkimeleri, 1105-1106 Benzen halkası: fenoller, tepkimeleri, 1027-1029 yükseltgenmesi, aromatik bileşik tepki meleri, 698 Benzen: kimyasal endüstri, 619-620 infrared spektroskopisi, 648-649 adlandırma, 621-623 disübstitüe, aromatik bileşik tepkimele ri, 701-702 tarihsel bakış, 620 tepkimeler, 623-624, 665-669 halojenleme, 665-666 nitrolama, 667-668 sülfolama, 668-669 kararlılığı, 626-627 türevleri yapısı, 53-54, 624-626, 627-629 Keküle yapısı, 624-626 modern teoriler, 627-629 Benzenkarbonitril, yapısı, 67 Benzenoit aromatik bileşikler, anlatımı, 637639 Benzenoit olmayan aromatik bileşikler, ta nımlama, 639-640 Benzil grubu, fonksiyonel gruplar, 60 Benzil, nükleofilik aromatik yer değiştirme, aril helojenürler Benzilik halojenürler, aromatik bileşik tep kimeleri, 702-704 Benzilik radikaller ve katyonlar: aromatik bileşik tepkimeleri, alkilbenzenler, 692-693 Benzin, petrol arıtma, 131-132 Benzoik asit, karboksilik asitler, 6 6 Berilyum hidrür, değerlik kabuğu elektron

çifti itmesi (VSEPR) teorisi, 39 Berzelivs, J.J., 4 Beslenme: biyokimya, 644 yağ değişimleri, 1148 Beta anomer, monosakkaritler, 1097 Beta bükülmeleri, proteinler, ikincil yapı, 1207 Beta karbon atomu, dehidrohalojenlenme, 265 Beta sübstitüentler, steroitler, 1157 Beta-dikarbonil bileşikleri, 877-941 asetoasetik ester sentezi, 885-892 aktif hidrojen bileşikleri, 896-897 barbitüratlar, 908, 910 beta-keto ester sentezleri (Claisen kondensasyonu), 879-885 çapraz Claisen kondensasyonu, 883-884 1,3-ditiyanların alkillenmesi, 898-899 enamin sentezleri, 904-908 ester ve nitrillerin alkillenmesi (doğru dan) 897-989 karbanyonların açillenmesi, 884 kimyasal sahteciler, 877-878 Knoevenagel kondensasyonu, 900 malenik ester sentezi, 892-895 Mannich tepkimesi, 902-904 Michael katılmaları, 900-902 tanımı, 878 tiyoller, sülfür yilürler, ve disülfürler, 923-927 yapı, 878-879 Betain, yilürler, aldehitler ve ketonlar nükle ofilik katılma tepkimeleri, 746 Beta-keto asitler, karboksilik asit dekarboksilasyonu, 849-850 Beta-kıvrımlı tabaka, proteinler, ikincil yapı, 1206-1207, 1208 Beyaz kan hücreleri. Bkz. Lökasitler Bimoleküler tepkime, SN2 tepkimeleri, 235 Birch indirgemesi, aromatik bileşik tepkime leri, 705-706 Birch, A.J., 705 Birincil alifatik aminler, nitroz asit ile tepki meleri, 966-967 Birincil alkoller, 61-62. Bkz. ayrıca Alkol ler: ikincil alken ve alkin ayrılma tepkimeleri alkoller alkollerin dehidrasyonu, 298-299, 301-302 Grignard reaktifleri, 549 kimyasal testler, 542-543 yükseltgenme aldehitlere, 538-539 aldehit sentezleri, 719 karboksilik asit sentezi, 820-821 karboksilik asitler, 539 Birincil aminler, hazırlanması, aminleme, 960-961 Birincil arilaminler, nitröz asit ile tepkimele ri, 967

Dizin Birincil karbon atomu, alkil halojenürler (haloalkanlar), 60 Birincil yapı, deoksiribonükleik asit (DNA), 1236-1237 Birleştirme, çizgi formülü, 41 Bisiklik alkanlar, dekalinler, 168-169 Bisiklik bileşikler, sikloalkanlar, IUPAC ad landırması, 143-144 Bitkiler: alkaloitler, 1008-1013 fenoller, 1016 hormonlar, eten, 52 karbohidratlar, 1090, 1091-1092 kirallik, 191, 192 nişasta, 1124 Biyoloji. Bkz., ayrıca, immünoloji, Tıbbi uy gulamalar: Farmokoloji aminler, 955-957 aromatik bileşikler, 643-646 glikolipitler ve glikoproteinler, 1131 hücre zarı, fosfolipitler, 1167-1170 insülin, 1198 karsinojenler, 514-514 kirallik, 191-193 oksitosin ve vasopressin, 1198 orak-hücre anemisi prostaglandinler, 1165-1167 radikal tepkimeleri, 432 sinir yalıtımı, lipitler, 1142-1143 steroitler adrenokorlikal hormonlar, 11611162 kolesterol, 1157-1159 seks hormonları, 1159-1161 triaçilgliseroller, 1147 üçüncül yapı, proteinler, 1 2 1 1 Biyolojik metilleme, nükleofilik yer değiştir me tepkimeleri, 262-263 Biyomoleküller, kütle spektrometri, 420-421 Boll, Franz, 596, 597 Bor hidrür, alkol sentezi, hidroborasyon, 488 Botulinus toksin, sodyum nitrit, N-nitrozoaminler, 968 Baz-katalizli halka açılması, epoksit tepki meleri, 512-513 Böcek öldürücüler, organik halojenürler, 1071-1073 Böcekler, feromonlar, 169-170 Bradsher, C.K., 605 Brady, J.E., 110 Breslow, R., 637 Brom çıkarma, komşu dibromürlerden, alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 303304 Brom: alken katılma tepkimeleri, 334-335 stereokimya, 338 alkil halojenürler (haloalkanlar), 60 alkin katılma tepkimeleri, 348-349 radikal tepkimelerinin seçimliliği, 452453

yağ asidi tepkimeleri, 1151 Bromlama; allilik, /V-bromosüksinimit ile, konjuge doymamış sistemler, 575-577 benzen halkası, tepkimesi, fenoller, 1027 radikal tepkimeleri, 449 Bromlu su (aldonik asitlerin sentezi), monosakkaritler, yükseltgenme tepkimele ri, 1106 (R)-l-Bromo-2-bütanol, bağ kırılmasının ol madığı tepkimeler, 2 2 0 Bromonyum iyonları, yer seçicilik, 340-341 Bronsted-Lowry tanımı: asitler ve bazlar, 94-95 yapı ve etkinlik ilkeleri, 173 Buckminsterfullerenler “Bucky toplan”, 125, 641 Burgu konformasyonu, proteinler, ikincil ya pı, 1207 Burulma engeli, konformasyon analizi, 150151 Burulma gerginliği, halka gerginliği, 155157 Bükülü şekil. Bkz. Açısal (bükülü) şekil 1,3-Bütadien, elektron dağılımı, konjuge doymamış sistemler, 587-589 Bütan: şekli, 132, 133 yanma ısdarı, 154 yapısı, 52 Bütaıınitril, yapısı, 67 Bütenant, Adolf, 1159 2-Bütanol: (S)-2-Bütanol, bağ kırılmasının olmadığı tepkimeler, 2 2 0 fiziksel özellikler, 2 0 0 kirallik, 188, 189 optikçe aktiflik, 206 (R-S) sistemi, 195-197 2-Büten, brom katılması, 335 Bütlerov, Alexander M. 4, 6

c Cahn, R. S., 195 Cahn-Ingold-Prelog geleneği, Bkz. (E)-(Z) sistemi; (R-S) sistemi Cannizzaro, Stanislao, 4 Cech, Thomas R. 1212 Chapman, D, L., 619-620 Chargraff, E„ 1237, 1240 Cheng, X.-M., 176 Cis-2-Büten, brom katılması, 338 Cis-dekalin, alkanlar, bisiklik ve polisiklik, 168-169 Cis-trans izomerliği alkenler, 58 (E)-(Z) sistemi, 282-283 disübstitüe sikloalkanlar, 163-168 melez atomik orbitalleri, 32-33 sikloalkenler, 287 stereoizomerler, 185-186, 217-219

1-7

Claisen çevrilmesi: fenoller, 1029-1030 katalitik antikorlar, 1 2 2 0 Claisen kondensasyonu (beta-keto ester sen tezi), beta-dikarbonil bileşikleri, 879-885. Bkz. ayrıca, Beta dikarbonil bileşikleri Claisen, Ludwing, 783 Claisen-Schmidt tepkimeleri, çapraz aldol tepkimeleri, 783-785 Clemmensen indirgemesi, 741 Friedel-Crafts açillemesi, 675-677 tiyoasetaller, aldehitler ve ketonlar nük leofilik katılma tepkimeleri, 737 Clostridium botulinum, sodyum nitrit, (V-nitrozoaminler, 968 Cohen, Theodore, 971 Cope ayrılması, aminler, amonyum bileşikle rini içeren ayrılmalar, 984 Cope çevrilmesi, fenoller, 1030 Corey Robert B., 1206 Corey, E.J., 176, 511, 556, 572 Corey-Posner, Whitesides-House sentezi: keton sentezi, 725 lityum dialkilkupratlar, 556-558 COSY çapraz-pik ilişkilendirme, iki- boyutlu NMR teknikleri, 399-400 Couper, Archibald Scott, 4, 5, 6 Crafts, James M., 669 Cram, D., 477, 521, 1038 Crik, F.H.C.. 1237, 1238, 1243 Crixivan, AİDS tedavisi, 50-51 C-ucu kalıntısı, polipeptitler ve proteinler, 1190 Curl, R. F„ 640 Curtius çevrilmesi, aminler, 964

t Çağlayan polimerler, basamak-büyükme polimerleri, 874-876 Çakışık konformasyon, konformasyon anali zi, 150-152 Çapraz aldol tepkimeleri, 780-786 Claisen-Schmidt tepkimeleri, 783-785 uygulama şekilleri, 780-783 Çapraz Claisen kondensasyonu, beta-dikarbonil bileşikleri, 883-884 Çarpık konformasyon, konformasyon analizi, 152 Çevre ile ilgili endişeler: aromatik bileşikler, 619-620 böcek öldürücüler, 1071-1073 organik kimya, 3 poliklorlanmış bifeniller (PCB), 1075 Çevrilme tepkimesi, asitler ve bazlar, 92 Çıkarma, moleküler orbitaller, 23 Çizgili formül, yapı formülleri, 41-42 Çok boyutlu NMR spektroskopisi, 397. Bkz. ayrıca Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, iki boyutlu NMR teknikleri

1-8

Dizin

Çoklu doymamış hidrokarbonlar, alkadienler ve konjuge doymamış sistemler, 586-587 Çoklu doymamış yağlar, otooksidasyon, ra dikal tepkimeleri, 461-463 Çoklu kovalent bağlar, melez atomik orbitaller, 28 Çoklu sinir yalıtımı, lipitler, 1143 Çoklu stereomerkezler, stereokimya, 211, 215. Bkz. ayrıca stereokimya Çoklu yer değiştirme tepkimeleri, seçiliğe karşı, radikal tepkimeleri, 437-439 Çözücü etkileri: asitler ve buzlar, 116-117 nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 254-258 Çözücüler, polar olmayan aprotik, Taç eter ler, nükleofilik yer değiştirme tepki meleri, 519-522 Çözünme: aldehit ve ketonlar, 717-718 alkanlar fiziksel özellikleri, 149 alkenler ve alkinler, 282 alkoller ve eterler, 481 -482 aminler, 945, 946, 952 enantiyomerler, 2 0 0 enantiyomer ayrılması, 223 fenoller, 1017, 1020 karboksilik asitler ve türevleri, 811-812 karbon bileşikleri, 74-76 Çözünmüş metal indirgeme tepkimesi, alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, alkinlerin hidrojenlenmesi, 311-312

D D-Glikozamin, amino şekerler, 1129-1130 Dağılma kuvvetleri. Bkz. van der Waals kuvvetleri Daha az sübstitüe olmuş alken, Zaitsev ku ralı, istisnası, 290-291 Daktilin, denizde, halojen atomları, 321-322 Dalga eşitliği, kuantum mekaniği, 18 Dalga mekaniği, Bkz. Kuantum mekaniği Dalga sayısı frekans ilişkisi, infrared spektroskopisi, 78 Dalga boyu, frekans ilişkisi, infrared spektroskopisi, 78 Dallanmamış alkanlar, şekli, 133 Dallanmamış alkil grupları, IUPAC adlan dırması, 135-136 Dallanmamış zincirler yağ asitleri, 1145 Dallanmış alkil grupları, IUPAC adlandır ması, 138-140 Dallanmış zincirli alkanları, IUPAC adlan dırması, 136-138 Daunomisin, poliketit antikanser antibiyotik biyosentezi, 1018-1019 DDT ve DDE, böcek öldürücüler, 10711073 Deaçilaz, alfa-amino asit sentezleri, 1188 Debye, Peter J.W., 56

Değerlik formal yük, 12-14 Lewis yapısı, 9 melez atomik orbitaller, 24 yapı teorisi, 4-5 Değerlik kabuğu elektron çifti itme (VSEPR) teorisi, 37-40 amonyak, 38 berilyum hidrür, 39 bor triflorür, 38-39 karbon dioksit, 39-40 metan, 37-38 moleküler yapılar ve iyonlar, 40 su, 380 uygulaması, 37 Dejenere orbitaller, atomik orbitaller, 20, 21 Dekalin, alkanlar, bisiklik ve polisiklik, 168169 Dekarboksilasyon: karboksilik asitler ve türevleri, 849-851 piridoksal fosfat (PLP), 715 Delokalizasyon alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, allollerden su çıkarılması, 298 1,3-bütadien, konjuge doymamış sistem ler, 587-589 karbokatyonlar, SN1 tepkimesi, 247 Delokalize bağ, allil radikal kararlılığı, kon juge doymamış sistemler, 577 Delokalize elektronlar: aromatik bileşikler, Hückel kuralı, 632633 karbon-karbon bağları, 54 Denge kontrol, asitler ve bazlar, tasarımların öngörülmesi, 105 Denge sabiti (Ka), Standard serbest-enerji değişimi ilişkileri, 1 1 1 - 1 1 2 Bkz., ayrıca, Asitlik sabiti Denge sabiti ve standart serbest enerji deği şim ilişkisi, 1 1 1 - 1 1 2 Denge, rezonans teorisi, 16 Deniz halojen atomları, 321-322 Deoksiriboz, biyolojik önemi, 1129 Deoksiribonükleik asit (DNA), 1236-1243 aromatik bileşikler, 644 Bkz., ayrıca, Nükleik asitler; Ribonükleik asit (RNA) baz sıra tayini, 1250-1253 birincil yapı, 1236-1237 5-florourasil, 877 karbon bileşikleri, 2 kirallik, 192 kopyalama, 1237-1241 polimeraz zincir tepkimesi (PCR), 1255-1257 radikal tepkimeleri, 432 sınıf ilişkileri, 1228-1229 ultraviyole ışınları, 650 ve kalikeamisin gama, 429-430, 799 ve karsinojenler, 514-515 DEPT "C spektrumları, L,C NMR spektroskopisi, 396-397

Deri kanseri, ultraviyole ışıması, 650 Dewar odası, sıvı helyum, 367 Dewar, James, 367 Diakil eterler, tepkimeleri, 507-508 Diakil karbonat, karbonik asit türevleri, 846 1.3- Diaksiyal etkileşim, sübstitüe sikloheksanlar, aksiyal ve ekvatoryal hidro jen atomları, 162 Diastereomerik yeniden kristallendirme, enantiyomer ayrılması, 223 Diastereomerler: alkenler, (E), (Z) sistemi, 282-283 aminler, bazlık, 952-953 çoklu stereomerkezler, 2 1 2 radikal tepkimeleri, düzgün dörtyüzlü stereomerkezler, 455 stereoizomerlik, 217-219 tanımı, 186 Diasterostopik hidrojen atomları, kimyasal kayma eşdeğerliği, 380-381 Diastaz, maltoz, 1119 Diazolama, arendiazonyum tuzlarının yer değiştirme tepkimeleriyle amin ay rılması, 971-972 Diazonyum tuzları, aminler, nitröz asit ile tepkimeleri, 966-967 Dibenzofa, /jpiren, karsinojenler, 514-515 2.3- Dibromobütan, çoklu stereomerkezler, 214-215 2.3- Dibromopentan, çoklu stereomerkezler, 211

Dibromürler, komşu, brom ayrılması, alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 303304 Dieckmann kondensasyonu, beta-dikarbonil bileşikleri, 883 Dielektrik sabiti, çözücü etkileri, nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 257-258 Diels, Otto, 571-604 Diels-Alder tepkimeleri, 604-611, 1018 asimetrik, 610-611 böcek öldürücüler, 1072 etkenlerin yeğlenmesi, 605-606 katalitik antikorlar, 1 2 2 0 önemi, 571-572 molekül içi, 611 moleküler orbitalin önemi, 607-610 nükleofilik aromatik yer değiştirme, benzin, 1038 siklokatılma tepkimeleri, 1069 stereokimya, 606-607 Dietil eter, tanımı, 483-484 Dihalokarbenler, karbenler, alken ve alkin katılma tepkimeleri, 343 Diizopropilfosfloridat (DIPF), serin proteaz, 1217, 1222 Dikarboksilik asitler, adlandırma ve fiziksel özellikler, 814-815 1.3- Dikloroallen, 224 1,2-Dikloroeten, cis-trans izomerisi, 185-186 Diklorometan(metilen klorür), özellikleri, 231

Dizin 1.4- Dimetilsiklopentanlar cis-trans izomerisi, 163-168 stereoizomerlik, 217-219 1.2- Dimetil eter, izomerler, 5-6 Dimetoksitritil, oligonükleotitler, 1253 2.4- Dinitrofenilhidrazonlar, aldehitler ve ke tonlar, nükleofilik katılma tepkime leri, 739 Dioller, IUPAC adlandırması, 141 Dipeptitler, polipeptitler ve proteinler, 1190 Dipol moment: alkenler, 58 moleküller, 56-58 polar kovalent bağlar, 55-56 Dipolar iyonlar, amino asitler, 1183-1185 Dipol-dipol kuvvetleri: hidrojen bağları, 72 karbon bileşikleri, 71 Dipol-iyon çekim kuvvetleri, çözünürlük, 75 Dirac, Paul, 18 Disakkaritler, 1118-1123. Bkz., ayrıca, Karbohidratlar laktoz, 1 1 2 0 maltoz, 1119-1120 selobioz, 1 1 2 0 sınıflandırma, 1090 sukroz (sakkaroz), 1118-1119 Disübstitüe benzenler, aromatik bileşik tep kimeleri, 701-702 Disübstitüe sikloalkanlar, cis-trans izomeri si, 163-168 Disülfürler, 923-927 1.3- Ditiyanlar, alkilleme, beta-dikarbonil bi leşikleri, 898-899 Doğal gaz, alkanlar, 52 Doğal kauçuk, terpenler ve terpenoitler, 1155 Doğal ürünlerin kimyası, çalışma, 4 Doğrudan alkilleme, esterler ve nitriller, betadikarbonil bileşikleri, 897-898 Doğrusal molekül, kuantum mekaniği, 37 Doğrusal polimerler, polipeptitler ve prote inler, 1190 Doisy, Edward, 1159 Doksorubisin, poliketit antikanser antibiyo tik biyosentezi, 1018-1019 Domagk, Gerhard, 977 Dopamin, aminler, 955 Dow işlemi, fenol sentezi, 1020 Doymamış bileşikler, yapısı, 52. Bkz. ayrı ca, Konjuge doymamış sistemler Doymamış hidrokarbonlar, ultraviyole-görünür bölge spektroskopisi, 595 Doymamış yağ asitleri hücre zarı akışkanlığı, 282 hidrojenleme, gıda sanayii, 308 tepkimeleri, 1151 Doymuş bileşikler, yapıları, 52 Doymuş yağ asitleri: sıvı hücre akışı, 281-282 hidrojenleme, gıda sanayii, 308 tanımlama, 1145-1146

tepkimeleri, 1151 Dönme: enantiyomerler, 201-205. Bkz. ayrı ca, Enantiyomerler moleküler yapı, 129-130 sigma bağları ve alkanlar, 149-151 Dönüşümler arası sikloheksan konformasyonları, 159 Dördüncül yapı, proteinler, 1212 Dörtlü, eşleşme sabiti, NMR, 385 Döteryum ile etiketleme hız işlemleri, ve proton NMR spektrumları, 391-392 ve trityum etiketli bileşikler, asitler ve bazlar, 123-124 D-protein enantiyomerleri, doğal olmayan, farmakoloji, 211 Dumas, J. B. A., 4 Durulma zamanı, magnetik rezonans görün tüleme, 402 Düğüm, kuantum mekaniği, 18, 20 Düşük alan, karbon-13 NMR spektroskopisi, 394 Düzgün dörtyüzlü stereomerkezler, radikal tepkimeleri, 453-456 Düzlem ayna, Bkz. Simetri düzlemi Düzlem polarize ışık, enantiyomerler, 200202

F. El tepkimesi. Bkz., ayrıca, E2 tepkimesi nükleofilik ayrılma tepkimeleri, 268269 özeti, 272-273 SN1 tepkimelerine karşı, 269-271 E2 tepkimesi: Bkz. ayrıca, El tepkimesi alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 307 birincil alkollerin dehidrasyonu, 298299 alkil halojenürlerden hidrojen halojenür ayrılması, alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 288-293 nükleofilik ayrılma tepkimeleri, 267 özeti, 292-273 nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, Sn2 tepkimelerine karşı, 269-271 Edman küçültülmesi, polipeptitler ve prote inler, 1194, 1195, 1196 Eğri oklar: Diels-Alder tepkimesi, 605 radikal tepkimeleri, 431 tepkime gösterimleri, 99-100 Ehrlic, Paul, 977, 1076 Ekso/Endo Diels-Alder tepkimesi, 607-608 Eksotermik tepkime, asitler ve bazlar, 111 Ekstremozimler, enantiyoseçimlilik, karbo nil grubu, stereoseçimli: indirgen mesi, 537-538 Ekvatoryal hidrojen atomu, aksiyal hidrojen atomu, sübstitüe sikloheksanlar,

1-9

160-163 Elektrofilik aromatik yer değiştirme tepki meleri, 662-665. Bkz., ayrıca, Aro matik bileşikler (tepkimeleri) genel, 662-663 tepkime mekanizması, 663-665 teorisi, 680-692 tiroksin biyosentezi, 661-662 Elektrofilik atak, konjuge dienlere, 600-603 Elektrofilik yer değiştirme tepkimeleri: bezen halkası, tepkimeleri, fenoller, 1027 heterosiklik aminler, 998-1002 Elektrofiller, alken ve alkin katılma tepki meleri, 324-325 Elektromanyetik spektrum, nükleer manye tik rezonans spektroskopisi, 367370 Elektron dağılımı, 1,3-bütadien, konjuge doymamış sistemler, 587-589 (4n+2) pi (7i) Elektron kuralı. Bkz. Hückel kuralı 18-Elekron kuralı (elektron sayımı), geçiş metalli organometalik bileşikler, 1078-1080 Elektron sayımı (18-elektron kuralı), 10781080 genel, 1077-1078 homojen hidrojenleme, 1084-1085 metalosenler, 1080-1081 tepkimeleri, 1082-1083 vitamin B12, 1086-1087 Elektron sayımı (18-elektron kuralı), geçiş metalli organometallik bileşikler, 1078-1080 Elektron verme, karbokatyonler, SN2 tepki mesi, 247 Elektron yoğunluk yüzeyleri, molekül mo delleri, Elektron-çekme etkisi, fenil grubunun, arilaminler, 949 Elektronegatifi ik: asit ve bazlar, 117 halojen atomu, 230 hidrojen bağları, 72 karbonil grubu,531 kimyasal bağ, 7-8 polar kovalent bağlar, 55-56 tanımı, 55 yapı ve etkinlik ilkeleri, 178-174 Elektronik spektrumlar, ultraviyole-görünür bölge spektroskopisi, 593 Elektronlar: asitlik ve yapı, 108, 109 atomik orbitaller, 19-21 dekalize olma, karbon-karbon bağları, 54 enerjisi, kuantum mekaniği, 36 formal yük, 12-14 kimyasal bağlar, 7-8 Lewis tanımı, 95-96 Lewis yapısı, 9

I - 10

Dizin

moleküler orbitaller, 21-23 oktet kuralı, istisnaları, 1 0 - 1 2 rezonans teorisi, 14-17 van der Waals kuvvetleri, 73 Elektronların enerjisi, kuantum mekaniği, 36 Elektrosiklik tepkimeler, 1056-1066 4n pi-elektron sistemleri, 1058-1062 (4 /1+ 2 1 pi-elektron sistemleri, 10631066 genel, 1056-1058 Elektrostatik haritalama asetat iyonu ve etoksit iyonu, 115 asitlik ve yapı, 107-108 aminler, 946 bor triflorür, 7 karbon bileşikleri, 71 rezonans teorisi, 16-17 Elion, Gertiude, 1235 Ellilik. Bkz. Kirallık; Stereokimya Elmas, molekül yapısı, 129-130 En düşük boş moleküler orbital (LUMO): konjuge doymamış sistemler, 589, 593-594 Diels-Alder tepkimesi, 607-608 siklokatılma tepkimeleri, 1069 tepkimeleri, 98 En yüksek dolu moleküler orbital (HOMO): konjuge doymamış sistemler, 589, 593-594 Diels-Alder tepkimesi, 607-608 elektrosiklik tepkimeler, 1058, 1067, 1068, 1069 tepkimeleri, 98 Enamin sentezleri, beta-dikarbonil bileşikle ri, 904-908 Enantiyomerik fazlalık, rasemik karışım, 207-208 Enantiyomerler: adlandırma (R-S sistemi), 195-200 aminler, bazlık, 952-953 ayrılması, 223-224 HPLC ile yarılması, 954 optikçe aktiflik, 200-208 düzlem polarize ışık, 201-203 genel, 2 0 0 - 2 0 1 kaynağı 205-208 polarimetre 202-203 özgül çevirme, 203-205 tanımı, 186 ve kiral moleküller, stereokimya, 187191 Enantiyoseçimli sentezler: alfa-amino asit sentezi, 1189 kiral moleküllerin sentezi, 208-210 Enantiyotopik hidrojen atomları: kimyasal kayma eşdeğerliği, 380381 sinyal yarılması, 382 Endergonik basamak, nükleofilik yer değiş tirme tepkimeleri, 253-254 Endotermik tepkime, asitler ve bazlar, 111 Enerji değişimleri, 110-111 Enerji değişimleri, radikal tepkimeleri, me-

tanın klorlanması, 442-449 Enerji engeli, nükleofilik yer değiştirme tep kimeleri, Sn2 tepkimesi, 237 Enerji tepesi, nükleofilik yer değiştirme tep kimeleri, Sn2 tepkimesi, 237-240 Enerji, asitler ve bazlar, 110-111 Enol tautomerleri, aldehitler ve ketonlar, aldol tepkimeleri, 769-770 Enol: aldehitler ve ketonlar, aldol tepki meleri, glikoliz, 766-767 ketonların halojenlenmesi, 772-774 rasemleşme, 770-772 keton sentezi, alkinler, 723 Enolat anyonları, aldehitler ve ketonlar, al dol tepkimeleri, 767-769 katılma, 776-780 haloform tepkimesi, 774-776 Enolleşme, monosakkaritler, 1102-1103 Entalpiler: asitler ve bazlar, 1 1 1 aminler, bazlık, 949 Entropi değişimi, elverişsiz, çözünürlük, 76 Entropi, asitler ve bazlar, denge sabiti ve

Standard serbest enerji değişimi iliş kisi, 112 Enzimler, 1212-1222. Bkz., ayrıca, Amino asitler, Polipeptitler ve proteinler; Proteinler alkol dehidrojenaz, 536 alkil fosfatlar, 498 antikor-katalizli aldol kondensasyonu, 909 farmokoloji, 2 1 1 deaçilaz, alfa-amino asit sentezleri, 1188 diastaz, maltoz, 1119 enantiyomer ayrılması, 223 enantiyoseçimlilik, karbonil grubu, stereoseçimli indirgenmesi, 537-538 genel, 1212-1213 hareket tarzı (lisozim), 1213-1215 karbonik anhidraz, rolü, 90-91, 121 kiral molekül sentezleri, 208-210 nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 229-230 piridoksal fosfat (PLP), 714-715, 742743 poliklorlanmış bifenillerden (PCB) bak teri etkileriyle halojen çıkarma, 1035 radikal tepkimeleri, 432 serin proteaz, 1215-1219, 1222 sülfa ilaçları, temel besleyiciler ve antimetabolitler, 979 ve karsinojenler, 514-515 vitaminler, koenzim NADH, 529-530 Enzim-substrat kompleksi, tanımı, 1212 Epoksitler, 508-519. Bkz., ayrıca, Alkoller ve eterler; Oksiranlar alkenlerin anti hidroksillenmesi ile, 516519

Grignard reaktifleri ile tepkimeleri, 547 polieter oluşumu, 515-516 Sharpless asimetrik epoksitleme yönte mi, 510-511 tanımı, 508 tepkimeleri, 512-516 ve karsinojenler, 514-515 Erime noktası: aldehitler ve ketonlar, 718 alkoller ve eterler, 480-481 alkanlar, fiziksel özellikleri, 148-149 aminler, 945, 946 enantiyomerler, 2 0 0 enantiyomerlerin ayrılması, 223 fenoller, 1017, 1 0 2 0 fiziksel özellikler, 68-70 hidrojen bağları, 72 karboksilik asitler ve türevleri, 811-812 tiyoller, 925 Eritrositler, orak-hücre anemisi, 1199 Eschenmoser, A, 572, 1087 Esterler: asetoasetik ester sentezi, 885-892 alkilleme, beta-dikarbonil bileşikleri, 897-898 beta-keto ester sentezi (Calaisen kon densasyonu), 879-885 fenoller, karboksilik asit anhidritler ve açil klorürlerle tepkimesi, 1025 Grignard reaktifleri, üçüncül alkoller, 549 indirgenmeleri, aldehit sentezi, 719-723 karboksilik asitler ve türevleri, 828-836 amit sentezleri, 838 adlandırma ve fiziksel özellikler, 814-816 baz-destekli hidroliz (sabunlaşma), 832-834 laktonlar, 834-836 sentezleri, 828-831 malonik ester sentezi, 892-895 monosakkaritler, 1104 proton aktarım tepkimesi, 118 tiyol esterler, 928-930 yapısı, 67 Esterleşme tepkimesi, 830-831 Esterleşme tepkimesi, karboksilik asitler ve türevleri, 828-831 Estradiol, 1159 Estrojenler, steroitler, 1159-1161 Eşler, sentetik stratejiler, 352 Eşleşme sabiti, sinyal yarılması, NMR, 383 Etannitril, yapısı, 67 Etanol alkol dehidrojenaz, 536 tanımı, 482-483 Etanoil grubu, aldehit ve keton adlandırma, 717 Eten (etilen), melez atomik orbitalleri, 28-33 Eten: bağ uzunlukları, 35 kullanımları, 52

Dizin yer seçicilik, bromonyum iyonları, 340341 Eter tepkimeleri, 507-508 Eterler. Bkz. ayrıca, Alkoller ve eterler alkil aril eterler, bölünmeleri, fenoller, 1026 adlandırma, 479-480 epoksitler, 508-519. Bkz. ayrıca Epoksitler monosakkarikler, 1103 proton aktarım tepkimesi, 118 silil enol eterler, sililleme tepkimesi, 792-79.3 sentezleri, 503-507 alkollerin moleküller arası dehidrasyonu, 503-504 /rr-bütil eterler, alkollerin alkillenmesiyle, koruma gruplan, 506 Williamson sentezi, 504-506 taç eterler, 519-522 yapısı, 63 Etil alkol: esterler, 67 izomerler, 5-6 yapısı, 61-62 Etil asetat, esterler, 67 Etil grubu, fonksiyonel gruplar, 59 Etil klorür, IUPAC adlandırma, 141 Etil metansülfonat, alkol dönüşümü, 495 Etil p-toluensülfonat, alkol dönüşümü, 495 Etilen glikol tanımı, 483 Etin (asetilen), melez atomik orbitaller, 3335 Etkinleştiren gruplar, aromatik bileşiklerin tepkimeleri, sübstitüent etkileri, 677-678 Etkinlik azaltıcı gruplar, aromatik bileşik tepkimeleri, sübstitüent etkileri, 679 Etoksit iyonu, elektrostatik haritalama, 115 Etan: bağ uzunlukları, 35 konformasyon analizi, sigma bağları ve bağ dönmesi, 149-151 melez atomik orbitalleri, 27-28 radikal halojenlenmesi, 450 radikal tepkimeleri, 437 Ev sahibi (konukçu), taç eterler, 521

F Faraday, Michael, 620 Faz-transfer katalizleri, taç eterler, nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 519 Fenantren, benzenoit aromatik bileşikler, 638 Fenantroller, fenoller, 1016 Fenil grubu: elektron çekme etkisi, arilaminler, 949 fonksiyonel gruplar, 60 Fenil halojenler: etkin olmayışları, 264 halojen atom, 230 Fenilalanin, biyokimya, 643, 644

Fenilhidrazin tepkimeleri (osazonlar) monosakaritler, 1 1 1 0 - 1 1 1 2 Fenol-formaldehit polimerleri, basamaklı büyüme polimerleri, 873-874 Fenoller, 1014-1032 adlandırma, 1016 alkil aril eterler, ayrılma, 1026 asidik tepkimeleri, 1023-1025 alkoller ve karboksillik asitler ayırt etme ve ayırma, 1025 kuvvetleri, 1023-1024 benzen halkasının tepkimeleri, 10271029 Claisen çevrilmesi, 1029-1030 doğal olarak oluşan, 1016-1017 fiziksel özellikler, 1017-1020 kaliksarenler, 1014-1015 karboksilik asit anhidritleri ve asit klorürleri ile tepkime, 1025 kinonlar, 1030-1032 spektroskopik analizler, 1039-1040 sentezler, 1017, 1020-1023 endüstriyel, 1020-1023 laboratuvar, 1017 Williamson sentezleri, 1026 yapı, 1015-1016 Feromonlar, iletişim, 169-170 Ferrosen, metalosenler, 1080-1081 Fischer izdüşümü monosakkaritler, 1094-1095 stereokimya, 214-215 Fischer, E., 1034, 1112, 1212 Fischer’in kanıtı, D-(+)-glikoz, monosakka ritler, 1114-1118 Fleming Alexander, 1213 Flor: alkil halojenürler (haloalkanlar), 60 aminler, arendiazonyum tuzlarının yer değiştirmesi, 971 kimyasal bağlar, 8 Florlama, radikal tepkimeleri, 447-448 Florokarbonlar, kaynama noktası, 74 5-Florourasil, kimyasal sahteciler, 877-878, 902 Fonksiyonel grup dönüşümleri, SN2 tepki mesi, 261, 264 Fonksiyonel gruplar, karbon bileşikleri, 51, 59-60 aileleri, özet çizelgesi, 68-69 Formakoloji, Bkz. ayrıca, Kemoterapi; tıbbi uygulamalar ağızdan alınan gebelikk önleyiciler alkinler, 52 noretindron, 62 alkaloitler, 1008-1013 antibiyotikler, karbonhidratlar, 11321133 deniz halojen atomları, 321-322 heparin, 1130 kaliksarenler, 1014-1015 kirallık, 192-193, 210-211 nükleotitler ve nükleositler, 1235

I-11

poliketit antikanser antibiotik biyosentezleri, 1018-1019 prostaglandinler, 1166-1167 sülfa ilaçları (sülfanilamit), 977-980 talidomit, 192-193 Formal yük, Lewis yapıları, 12-14 Formaldehit, 549-715 Formik asit: adlandırma, 135 karboksilik asitler, 6 6 Formil grubu, aldehit ve keton adlandırma, 717 Fosfatidil serinler, fosfatitler, 1167 Fosfatitler, tanımlama, 1167-1168 Fosfolipitler, hücre zarları, 1167-1170 Fosfor tribromür, alkol tepkimeleri, alkil ha lojenürler, 502-503 Fosfor, yağ asidi tepkimeleri, 1151 Fosforamidit oliganükleotitler, 1253 Fotonlar, moleküller orbitaller, 23 Fotosentez: karbohidrat metabolizması, 1091-1092 sukroz (sakkaroz), 1118 Fourier transform nükleer manyetik rezo nans spektroskopisi (FT NMR), 366-367, 371-371. Bkz. ayrıca, Nükleer manyetik rezonans spekt roskopisi Foumeas, Emest, 977, 978 Frast, J. W., 620 Frekans-ilişkili birimler, dalga sayısı, infra red spektroskopisi, 78 Friedel, Charles, 669 Friedel-Crafts tepkimeleri: aromatik bileşik tepkimeleri, 671 673 açilleme sentetik uygulamaları, 675-677 alkilleme aromatik bileşik tepkimeleri, 669671 benzen, 619-620 stiren sentezi, endüstriyel, 693 keton sentezleri, 723 sınırlamaları, 673-675 Ftalilsülfatiyazol, 978 Ftalimit, Gabriel Sentezi, aminler, nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 958 Fukvi, K., 1057 Fularenler, tanımı, 640-641 Fuller, Buckminster, 640 Furan, heterosiklik aromatik bileşikler, 642643 Furanoz, manosakkaritler, 1097 Furchgott, R. F„ 432

G Gabriel sentezi, aminler, nükleofilik yer de ğiştirme tepkimeleri, 958 Galaktan, tanımı, 1123 Galakturonik asit, biyolojik önemi, 1128 Gama globulin, polipeptitler ve proteinler,

1 -1 2

Dizin

1199 Gates, M., 572 Gaz fazı, asitler ve bazlar, çözücü etkileri, 116-117 Gaz kromatografisi/kütle spektrometri ana lizleri (GC/MS), 420 Geçiş durumu: alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, alkollerin dehidrasyonu, 296-298 nükleofilik yer değiştirme tepkimesi, 253 SN2 tepkimesi enerji tepesi, 238 mekanizması, 236 sin periplaner, alken ve alkin yer değiş tirme tepkimesi, E2 tepkimesi, 291 teori, nükleofilik yer değiştirme tepki mesi Sn2 tepkimesi, 237-240 Geçiş metalli orgonametalik bileşikler, 1077-1087 Gelişim, metanojenler, 52 Genetik kodu, ribonükleik asit (RNA), 1245-1250 Genetikler, Bkz. ayrıca, Deoksiribonükleik asit (DNA); Nükleik asitler; Ribo nükleik asit (RNA) oligonükleotitler, 1253-1254 orak-hücre anemisi, 1199 Geometrik özgüllük, enzimler, 1212 Germanyum, stereokimya, 224 Gcrmisitler, heksaklorofen, 1074-1075 Gıda sanayii, hidrojenleme, 308. Bkz. ayrı ca, sanayii Gilbert, Walter, 1251 Girişim kuantum mekaniği, 19 moleküler orbitaller, 23 Glikanlar. Bkz. Polisakkaritler Glikojen, tanımı, 1125-1126 Glikolipitler: fosfatitler, 1170 hücre yüzeyi, karbohidratlar, 1130-1132 Glikoliz, enol, aldehitler ve ketonlar, aldol tepkimeleri, 766-767 Glikoproteinler, hücre yüzeyi, karbohidrat lar, 1130-1132 Glikozilaminler, şekerler, 1129 Glikozitler, oluşumu, karbohidratlar, 10991102

Glikuronik asit, biyolojik önemi, 1128 Gliseraldehit, bağ kırılması olmayan tepki meler, 2 2 1 - 2 2 2 Glukan, tanımı, 1123 Görme, doymamış konjuge sistemler, spektroskopi, 596-598 Göz, konjuge doymamış sistemler, spektros kopu 596-598 Gramin, alkaloitler, 1012-1013 Grignard reaktifleri: alkoller, 549-556 kullanımı, 555 kullanım sınırlamaları, 554-555

sodyum alkinürün kullanımı, 556 sentezin planlanması, 551-554 aldehitler ve ketonlar, nükleofilik katıl ma tepkimeleri, 749-750 karbonlanması, karboksilik asit eldesi, 822 koruma grupları, 559 karbonil bileşikleri ile tepkimeleri, 548 metalosenler, 1080 oksiranlar (epoksitler) ile tepkimeleri, 547 tepkimeleri, 545-546 tepkimelerinin özeti, 560-561 Grignard, Victor, 545 Grunwald, E., 239 Guest, taç eterler, 521 Güçlendirme: kuantum mekaniği, 18-19 molekül orbitaller, 2 2 Gümüş aynası testi (Tollens testi), aldehitler ve ketonlar nükleofillik katılma tep kimeleri, 752 Güneş enerjisi, karbohidratlar, 1091 Güneş konuma, ultraviyole ışınları, 650

H Halka akımı, aromatik bileşikler, Hückel ku ralı, 632-633 Halka gerginliği: sikloalkanlar, 153-155 kaynağı, siklopropan ve siklobütan, 155-157 Halkalı anhidritler, karboksilik asitler ve tü revleri, 827-828 Halkalı asetaller, monosakkaritler, 1104 Halkalı bileşikler, stereoizomerlik, 217-219 Halkalı moleküler, yapı formülleri, 43 Halkalı nitriller, yapısı, 67 Halo sübstitüentler, aromatik bileşik tepki meleri, sübstitüent etkileri, 679 Haloalkanlar. Bkz. Alkil halojenürler (haloalkanlar) Haloform tepkimesi, aldehitler ve ketonlar, aldol tepkimeleri, 774-776 Halohidrin oluşumu, alken katılma tepkime leri, 339-342 Halojen atomu: denizde, 321-322 nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 230-231 Halojen çıkarma, bakteriyel, poliklorlanmış bifenillerin (PCBs), 1035 Halojen/alkan tepkimeleri, radikal tepkime leri, 437-439 Halojenleme: benzen, 665 eter tepkimeleri, 507-508 ketonların, aldehitler ve ketonlar, aldol tepkimeleri, 772-774 radikal tepkimeleri, metanın klorlanma sı, 439-449 yan zincirin, aromatik bileşik tepkimele-

ri, 693-696 yüksek alkanların, radikal tepkimeleri, 450-453 Halojenler: alken katılma tepkimeleri iyonik mekanizma, 334-335 stereokimya, 335-339 radikal tepkimeler, metan, 447-449 Haloman, deniz halojen atomları, 321-322 Hammond-Leffler postulatı: alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, al kollerden su ayrılması, 298 nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 253-254 Hamojen hidrojenleme geçiş metalli organometalik bileşikler, 1084-1085 Harington, C., 691 Harpp, D. N., 845 Hassel, Odd, 159 Hawarth formülleri, monosakkaritler, 1097 Hayali rezonans yapısı, atomik yapı, 15-16 Hayat amino asitler, 184-185 kaynağı, 2 ve organik kimya, 1 - 2 Hecht, S., 597 Heisenberg belirsizlik ilkesi, elektronlar, 22 Heisenberg, Werner, 18 Heksaklorofen, germisitler, 1074-1075 Heksan izomerleri, fiziksel sabitler, 134 Heksan: dallanmış zincirli alkanlar, IUPAC ad landırması, 136 IUPAC adlandırması, 141 Hell-Volhard-Zelinski tepkimesi (alfa-haloasitler): karboksilik asitler ve türevleri, 844-846 yağ asidi tepkimeleri, 1151 Hemoglobin: konjuge protein, 1222-1223 polipeptitler ve proteinler, 1119 üçüncül yapı, proteinler, 1 2 1 1 Heparin, amino şekerler, 1130 Herbisitler, organik halojenürler, 1073-1074 Herpes virüsü, nükleotitler ve nükleositler, 1235 HETCOR çapraz-pik ilişkilendirmeleri, iki boyutlu NMR teknikleri, 401-402 Heterolitik kırılmalar, alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, alkollerden su ayrılma sı, 295-296 Heteroliz: iyonik tepkimeler, 431 tepkime mekanizmaları, 93 Heteropolisakaritler, tanımı, 1123 Heterosiklik aminler: adlandırma, 945 sentezi, 1005-1007 tepkimeleri ve sentezleri, 997-1007 bazlar olarak, 997 elektrofilik yer değiştirme tepkime leri, 998-1002

Dizin nükleofiller olarak, 998 pirindinyum iyonlarına nükleofilik katılmalar, 1004-1005 piridinin nükleofilik yer değiştirme si, 1002-1004 Heterosiklik aromatik bileşikler, tanımı, 642643 HIV enfeksiyon. Bkz. AIDS tedavisi Hız işlemleri, proton NMR spektrumları, 391-393 Hız tayin basamağı alken katılma tepkimele ri, Markovnikov kuralı, 326-327 Hidroborasyon, alkol sentezi, 488-490 Hidratlama iyonları, çözünürlük, 74-76 Hidrazonlar, aldehitler ve ketonlar, nükleofi lik katılma tepkimeleri, 739, 741 Hidroborasyon-yükseltgeme: alkol sentezi, 490-493 Makrovnikov kuralı, 333 Hidrofobik/hidrofilik alkil zincirleri, triaçilgliseroller, 1149-1150 Hidrofobik/hidrofilik bileşikler, çözünürlük, 75-76 Hidrojen atomu, asidik, organometalik bileşik tepki meleri, 546-547 asitliği, enolat anyonlar, 767-769 allilik, konjuge doymamış sistemler, 573 aksiyal ve ekvatoryal, sübstitüe sikloheksanlar, 160-163 sınıflandırılması, IUPAC adlandırması, alkanlar, 140 uç, alkin grupları, IUPAC adlandırması, 135-136, 138 Hidrojen bağları: alkoller ve eterler, 481 karbon bileşikleri, 72 Hidrojen bromür, radikal tepkimeleri, antiMarkovnikov katılması, 456-458 Hidrojen çıkarma, radikal tepkimeleri, 431 Hidrojen eksikliği indeksi, alken ve alkin ay rılma tepkimeleri, 312-314 Hidrojen eksikliği, indeksi, alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 312-314 Hidrojen halojenür çıkarma: alkil halojenürler, alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 288-293. Bkz. ayrıca, Alken ve alkin ayrılma tepkimeleri ayrılma tepkimesi, 91 nükleofilik ayrılma tepkimeleri, 265-266 bazların kullanıldığı, 266 mekanizmalar, 266-267 Hidrojen halojenürler: alkollerin tepkimesi, alkil halojenür ler, 499-501 alken katılma tepkimeleri, Morkovnikov kuralı, 324-330. Bkz. ayrıca Alken ve alkin katılma tepkimeleri: Mar kovnikov kuralı. alkin katılma tepkimeleri, 349-350 Hidrojen klorür, polar kovalent bağlar, 55 Hidrojen siyanür katılması, önemi, 715

Hidrojen siyanür, aldehit ve ketonlar, nükle ofilik katılma tepkimeleri, 734-744 Hidrojen: aminler, arendiazonyum tuzlarının yer değiştirme tepkimeleri, 971-972 asetilenik, ve alkinlerin alkillenmesi, alkan ve sikloalkan sentezi, 172-173 Hidrojenleme. Bkz., ayrıca, Hidrojenlenme ısısı alkan ve sikloalkan sentezi, 171 alkenlerin, alkenler, 307-308 alkinlerin, alken ve alkin ayrılma tepki meleri, 310-312 gıda sanayii, 308 triaçilgliserallerin, 1146-1147 Hidrojenlenme ısısı alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 284285 alkenler ve alkadienler, konjuge dienler, 589-590 Hidrokarbonlar, 51-54 alkanlar, 52 alkenler, 282 alkinler, 53, 282 bağıl asitlik, 109 benzen, 53-54 infrared spektroskopisi, 81-83 melez atomik orbitalleri, 28-35. Bkz., ayrıca, Melez atomik orbitaller yanma ısıları, 153-154 Hidrokinon, yüksellgenmesi, kinorılar, 10301032 Hidroksibenzen, fenoller, 1015-1016 Hidroksil grubu: alkoller, 61-62 infrared spektroskopisi, 83 Hidroksit iyonu, ier-bütil klorür ile tepkime si, SN1 tepkimesi, 243-244 Hidroliz: amitler, karboksilik asitler ve türevleri, 840-841 disakkaritler, 1090 kiral moleküllerin sentezi, 209-210 kısmî, polipeptitler ve proteinler, 1193, 1195-1196 klorobenzenin, fenol sentezi, 1 0 2 0 nitriller, amitler, 842-843 nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, SN1 tepkimesi, 250-251 proteinler, 1180-1181 yağ asitleri, 1144, 1146 Hidrür iyonu: karbokatyon kararlılığı ve moleküler çevrilmeleri, ikincil alkoller, 300301 karbonil bileşikleri, indirgenmesiyle al koller, 535 karbonil grubu, nükleofillerle tepkimele ri, 531 Hinsberg testi, aminler, sülfonil klorürlerle tepkimeler, 975-976, 981 Hiperoksitler, dietil eter, 484

1-13

Hitchings, George, 1235 Hodgkin hastalığı, 1018-1019 Hodgkin, Doroty, 1086 Hoffmann ayrılması, aminler, amonyum bile şiklerini içeren ayrılmalar, 982-983 Hoffmann çevrilmesi, aminler, 963-964 Hoffmann kuralı, alkil halojenürlerden hidro jen halojenür ayrılması, 290 Hoffmann, R., 1057 Holler, F. J„ 77 Holum, J. R., 202 Homolitik bağ ayrışma enerjileri, 433-437 radikallerin bağıl kararlılıkları, 435-437 ve tepkime ısıları, 433-435 Homoliz radikal tepkimeleri, 431 tepkime mekanizması, 93 Homolog seriler: alkanlar, fiziksel özellikleri, 147 sikloalkanlar, yanma ısıları, 154 Homopolisakkaritler, tanımı, 1123 Homotopik hidrojen atomları: kimyasal kayma eşdeğerliği, 379-380 sinyal yarılması, 382 Hormonlar: adrenokortikal, 1161-1162 alkinler, 52 bitki, eten, 52 Diels-Alder tepkimesi, 572 seks hormonları, 1159-1161 tiroksin biyoseııtezi, 661-662 Horner-Wadsworth-Emmons tepkimesi, yilürler, aldehitler ve ketonlar, nükle ofilik katılma tepkimeleri, 748 House, H. O., 556 Hubbard, Ruth, 596 Hububat alkolü, adlandırma, 135 Huffman, D., 640 Hughes, Edwards D., 235 Huheey, J. E., 199 Humiston, G. E., 110 Hund kuralı, atomik orbitaller, 21 Hückel kuralı, 630-637 anulenler, 630-632 aromatik iyonlar, 633-635 benzenoit aromatik bileşikler, 638 Hückel, Erich, 630 Hücre ölümü, ve kalikeamisin gama, 429430 Hücre zarı: akışkanlığı, 281-282 fosfolipitler, 1167-1170

I-İ Ibuprofen, kiral ilaçlar, 210 Ignarro, L. J., 432 Ingold, C„ 195, 235 irsi yüksek kolesterol ve kalp krizi, 940-941 Isı içeriği, asitler ve bazlar, 1 1 1 Işık. Bkz. Optikçe aktiflik

1-14

Dizin

IUPAC adlandırması. Bkz. ayrıca, Adlandır ma; (R-S) sistemi aldehitler ve ketonlar, 716-717 alkanlar, 135-142 alkoller, 141-142 alkil halojenürler, 140-141 dallanmamış alkil grupları, 135-136 dallanmış zincirli alkanlar, 136-138 hidrojen atomu sınıflandırma, 140 alkenler ve sikloalkenler, 144-146 enantiyomerler, 195 epoksitler, 508 karboksilik asitler ve türevleri, 811-820. Bkz. ayrıca, Karboksilik asitler ve türevleri sikloalkanlar, 142-144 tarihsel bakış, 135 İki boyutlu NMR teknikleri, 397-402 biyokimya, 643-644 fenoller, 1016 İki değerli karbon bileşikleri. Bkz. Karbenler İkili bağ, kısıtlanmış dönme, melez atomik orbitaller, 32 İkili, eşleşme sabiti, NMR, 384 İkinci derece tepkimeler, SN2 tepkimeleri, 235 İkincil alkoller, 61-62. Bkz. ayrıca, Alkoller birinci alkoller alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, dehidrasyon, 295-296, 299-301 kimyasal testler, 542-543 Grignard tepkimeleri, 549 yükseltgenme ketonlar, 539-540 keton sentezleri, 723 İkincil aminler: hazırlanması, indirgeyerek aminleme, 960-961 nitröz asit ile tepkimeler, 968 İkincil karbon atomu, alkil halojenler (haloalkenler), 60 İkincil yapı: deoksiribonükleik asit (DNA), 12371241 proteinler, 1205-1210. Bkz. ayrıca prote inler İkiz dihalojenürler, alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, komşu dibromürlerden brom ayrılması, 303 İkiz nükleofiller, silil enol eterler, 792 İkiz-dioller, aldehitler ve ketonlar, nükleofilik katılma tepkimeleri, 732-733 İlaçlar. Bkz. Farmakoloji İlmik konformasyonu, proteinler, ikincil ya pı, 1207 İltihap giderici ilaçlar, prostaglandinler, 1661167 İmin: aldehitler ve ketonlar, nükleofilik katılma tepkimeleri, 738 piridoksal fosfat (PLP), 714-715 İmmünoloji, Bkz. ayrıca, Biyoloji

antikor-katalizli aldol kondensasyonları, 909 katalitik antikorlar, 1179-1180, 122012221

glikolipitler ve glikoproteinler, 1131 İndirgenmeler. Bkz. ayrıca. Yükseltgenme indirgenme tepkimeleri aldehit sentezleri, açil klorürler, es terler, nitriller, 719-723 alkil halojenürler, alkan ve sikloalkan sentezleri, 172 yükseltgenme-indirgenme tepkimeleri, 532 indirgen aminleme, organometalik bile şikler, aldehitler ve ketonlar nükle ofilik katılma tepkimeleri, 749-750 İndol alkaloitler, 1012-1013 biyokimya, 643 İndüklenmiş uyum, enzimler, 1 2 1 2 indüktif etkiler, 114-116 İndüktif etkiler: asetik asit ve kloroasetik asitin karşılaş tırılması, 116 asitler ve bazlar, 109 aromatik bileşik tepkimeleri, yönlendir me teorisi, 682-683 karboksilik asitler, 113, 114-116 İnfrared spektroskopisi, 76-84 açil bileşikleri, karboksilik asitler ve tü revleri, 818-819 aldehitler ve ketonlar, 753 amitler, 84 aminler, 83-84, 981 aromatik bileşikler, 648-649 fenoller ve aril halojenürler, 1039 grupların soğurma karakteristikleri, özet çizgelgesi, 79 hidrokarbonlar, 81-83 hidroksil grubu, 83 karbonil grubu, 83 karboksilik asit grubu, 83 kullanımı, 51 işlevi, 76-81 Inhibitörler, enzimler, 1213 İnorganik bileşikler, organik bileşiklerle kar şılaştırma, 3 İnsan hemoglobini, polipeptitler ve protein ler, 1199 İnsülin, polipeptit ve protein birincil yapısı, 1198 İyon sınıflama, kütle spektrometri, 405-406 İyonik bağlar, tanımı, 7-8 İyonik mekanizma, halojen, alken katılma tepkimeleri, 334-335 İyonik tepkimeler. Bkz. Nükleofilik yer de ğiştirme tepkimeleri radikal tepkimelerle kıyaslama, 431 İyon-iyon kuvvetleri, karbon bileşikleri, 70 İyonlaşma yeteneği, çözücü etkileri, nükle ofilik yer değiştirme tepkimeleri, 257-258

İyonofer, taşıyıcı antibiyotikler, monesin, 476-477 İyot: alkil halojenürler (haloalkanlar), 60 tiroksin biyosentezi, 661-662, 690-691 İyotlama, radikal tepkimeleri, 449 İzobütan: yanma ısıları, 154 şekli, 133 İzobütil klorür, IUPAC adlandırması, 141 İzoelektrik noktası, amino asitler, 1183 İzokinolin, alkaloitler, 1 0 1 1 - 1 0 1 2 İzomerik hidrokarbonlar, yanma ısıları, 154 İzomerler: alt bölümleri, 186 yapısal, alkanlar, 133 heksan, fiziksel sabitler, 134 tanımı, 185 yapı teorisi, 5-6 İzomerleşme, monosakkaritler, 1102-1103 İzomerlik: cis-trans, melez atomik orbitalleri, 32-33 stereokimya, 185-186 İzopentan, şekli, 133 İzopren birimi, terpenoitler, 1152 İzopropil bromür, IUPAC adlandırması, 141 İzopropil grubu, fonksiyonel gruplar, 59 İzopropil grubu, dallanmış alkil grupları, IUPAC adlandırması, 138-140 İzotopik pikler, kütle spektrometri, 409-412 .1

Jel elektroforez, DNA baz sırası tayini, 1251-1252

K Karbenler, alken ve alkin katılma tepkimele ri, 342-344 Kalıcı dipol moment, karbon bileşikleri, 71 Kaliksarenler, yapısı ve sentezi, 1014-1015 Kalikeamin gama, ve DNA, 429-430, 799 Kalp krizi ve kolesterol, 940-941 Kama formülleri, yapı formülleri, 43-44 Kan grupları, glikolipitler ve glikoproteinler, 1131 Kanser: metatreksat, 979 p53, polipeptitler ve proteinler, 11991200

Kantitatif metotlar, organik kimya, 4 Kapatma grupları, aromatik bileşik tepkime leri, 700-701 Kararlı konfigürasyon, mesilatlar ve tosilatlar, Sn2 tepkimeleri, 497 Karbanyonlar: açilleme, beta-dikarbonil bileşikleri, 885 bağıl bazlık, 109 karbonil grubu, tepkimeleri ve nükleofil ler, 351 silil enol eterler, 792 ve karbokatyonlar, asitler ve bazlar, 98-

Dizin 99 Karbenoitler, karbenler, alken ve alkin katıl ma tepkimeleri, 344 Karbohidratlar, 1088-1141. Bkz,, ayrıca, Disakkaritler; Monosakkaritler; Polisakkaritler antibiyotikler, 1132-1133 fenilhidrazin tepkimeleri (osazonlar), 1110-1112

hücre yüzeyi, glikolipitler ve glikoproteinler, 1130-1132 disakkaritlar, 1118-1123 selobioz, 1 1 2 0 laktoz, 1 1 2 0 maltoz, 1119-1120 sakkoroz, 1118-1119 tıbbi uygulamalar, 1088-1089 monosakkaritler, 1092-1097 sınıflandırma, 1092-1093 halkalı asetallere dönüşümü, 1104 D ve l gösterimleri, 1093-1094 aldozların D ailesi, 1114 enolleşme, tautomerleşme ve izo merleşme, 1102-1103 estere dönüşüm, 1104 ester oluşumu, 1103 Fischer’in kanıtı, 1114-1118 glikoliziz, enol, 262-263 glikozit oluşumu, 1099-1102 mutaratasyon, 1098-1099 indirgenmesi (alditoller), 1 1 1 0 yapı formülleri, 1094-1097 sentez ve küçültme, 1112-1114 sınıflandırma ve tanımı, 1088-1090 yükseltgenme tepkimeleri, 1104-1110 Karbokatyonlar: alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, al kollerin dehidrasyonu, 296-302 allil katyon, konjuge doymamış sistem ler, 580 aromatik olmayan, elektrofilik aromatik yer değiştirme tepkimeleri, 663 lisozim, 229-230 nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, SN1 tepkimeleri, 246-248 ve karbonyonlar, asitler ve bazlar, 98-99 Karboksil grubu etkinliği, polipeptit ve protein sentezi, 1202

karboksilik asitler, 6 6 yağ asidi tepkimeleri, 1151 meta yönlendiriciler, aromatik bileşik tepkime teorisi, 684-685 Karboksil radikalleri, karoboksilik asit dekarboksilasyonu, 851 Karboksilat iyonu, rezonans kararlılığı, 113114 Karboksilik anhidritler: adlandırma ve fiziksel özellikler, 816 amit sentezleri, 837-838 Karboksilik asit anhidritleri. Bkz., ayrıca, Karboksilik asitler ve türevleri esterleşme tepkimesi, 830-831

fenoller, ile tepkimesi, 1025 karboksilik asitler ve türevleri, 827-828 tepkimeleri, 828 sentezleri, 827-828 Karboksilik asitler ve türevleri, 810-876 adlandırma ve fiziksel özellikler, 811820 asitlik, 813-814 açil klorürler, 816 amitler, 816-817 dikarboksilik asitler, 814-815 esterler, 814-816 karboksilik asitler, 811-812 karboksilik anhidritler, 816 karboksilik tuzlar, 812-813 nitriller, 817 spektroskopik özellikler, 818-820 açil bileşikleri için kimyasal deneme, 851-852 açil klorürler, 825-287 sentezi, 825-826 tepkimeleri, 826-827 açil trasfer tepkimeleri, 810-811 alfa-halo asitler (Hell-Volhard-Zelinski tepkimesi), 844-846 amitler, 836-843 dehidrasyon, nitriller, 841-842 hidroliz, 840-841 laktamlar, 843 nitrillerin hidrolizi, 842-843 sentezleri, 836-840 basamak büyütme polimerleri, 868-876 çağlayan polimerleri, 874-876 fenol-formaldehit polimerleri, 873874 polimitler, 868-870 poliesterler, 870-872 poliüretanlar, 872-873 dekarboksilasyon, 849-851 esterler, 828-836 baz-destekli hidroliz (sabunlaşma) 832-834 laktonlar, 834-836 sentezleri, 828-831 karbonik asit türevleri, 846-848 karboksilik asit anhidritleri, 827-828 sentezleri, 827-828 tepkimeleri, 828 karboksilik asit hazırlama, 820-822 nükleofilik katılma-aynlma, açil karbon da, 822-825 asit türevleri sentezi, 825 bağıl etkinlik, 824-825 penisilinler, 844 tiyamin, 850 Karboksilik asitler, 112-116 alkollerle kıyaslama, 112-117 birincil alkollerin yükseltgenmesiyle, 539 dekarboksilasyon, 845-851 fenoller, ayırt etme ve ayırma, 1025 hücre zarı akışkanlığı, 281-282

1-15

indüktif etkiler, 114-116 infrared spektroskopisi, 83 proton aktarım tepkimesi, 118 rezonans etkileri, 113-114. 115 yapısı, 6 6 Karboksilik esterler, karboksilik asitler ve türevleri, adlandırma ve fiziksel özellikleri, 814-816 Karboksilik tuzlar, adlandırma ve fiziksel özellikleri, 812-813 Karbomatlar (üretanlar), karbonik asit türev leri, 846-848 Karbon atomu: alkoller ve eterler, yapı ve adlandırma, 477-478 anomerik, monosakkaritler, 1096 değerlikler, 5 temel hal, 24 uyarılmış hal, 25 yağ asitleri. 1145 Karbon bileşikleri, 50-89 ailesi, özet çizelgesi, 68-69 alkoller, 61-62 aldehitler ve ketonlar, 64-65 alkil halojenürler (haloalkanlar), 60-61 amitler, 6 6 aminler, 6364 çekici elektrik kuvvetleri, özet çizelgesi, 77 esterler, 67 eterler, 63 fiziksel özellikleri ve molekül yapısı, 68-76 çözünürlük, 74-76 dipol-dipol kuvvetleri, 71 elektrostatik haritalama, 71 genel, 68-69 hidrojen bağları, 72 iyon-ivon kuvvetleri, 70 moleküller arası kuvvetler, 76 özet çizelgesi, 69 van der Waals kuvvetleri, 73-74 suda çözünürlük rehberi, 76 fonksiyonel gruplar, 59-60 hidrokarbonlar, 51 -54 alkanlar, 52 alkenler, 52 alkinler, 53 benzen, 53-54 karbon-karbon kovalent bağları, 6 6 karboksilik asitler, 6 6 infrared spektroskopisi, 76-84. Bkz., ay rıca, infrared spektroskopisi nitriller, 67 organik kimya, 2 polar ve apolar moleküller, 56-58 polar kovalent bağlar, 55-56 Karbon dioksit, değerlik kabuğu elektron-çifti itmesi (VSEPR) teorisi. 39-40 Karbon tetraklorür, moleküller, 56-57 Karbon-13 NMR spektroskopisi, 393-397 Bkz., ayrıca, Nükleer manyetik re-

1-16

Dizin

zonans spektroskopisi aromatik bileşikler, 646-648 kimyasal kaymalar, 394-396 DEPT ise spektrumları, 396-397 rezonans-dışı eşleşmesiz spektrumlar, 396 spektrum yorumu, 393 tek karbon atomu, 393-394 Karbovakslar, epoksitler, polieter oluşumu, 516 Karbonik anhidraz, rolü, 90-91-121 Karbonik asit türevleri, 846-848 Karbonil Bileşikleri, Grignard reaktifleri ile tepkimeleri, 548 Karbonil grubu, 530-531 alkol dönüşümü, 530 alkol dehidrojenaz, 536 indirgenmesiyle alkoller, yükseltgenmeindirgenme tepkimeleri, 533-535 aldehitler ve ketonlar, 64-65 aldehitler ve ketonlar, nükleofilik katıl ma tepkimesi, 714-765. Bkz., ayrıca, Aldehitler ve ketonlar (nükleofilik katılma tepkimeleri) Grignard reaktifleri, üçüncül alkoller, 549 indüktif etkiler, 114 infrared spektroskopisi, 83 tepkime ve nükleofiller, 531 stereoseçimli indirgenmeleri, 537-538 yapısı, 530-531 Karbon-karbon bağ oluşum tepkimeleri, 1085-1086 Karbon-karbon bağı oluşum tepkimeleri, ge çiş metalli organometalik bileşikler, 1085-1086 Karbon-karbon ikili bağı, alkenler, 282-322324 Karbon-karbon ikili kovalent bağları, 51. Bkz., ayrıca. Hidrokarbonlar Karbon-karbon üçlü bağı, alkinler, 282 Karbonlama, Grignard reaktiflerinin, karboksilik asit eldesi, 822 karbon-oksijen ikili bağına nükleofilik katıl ma, 727-730 ardarda tepkimeler, 730 bağıl etkinlik, 729-730 tersinirlik, 729 Karışık triaçilgliseroller, tanımlama, 1144 Karsinojenler (V-nitrozoaminler. 968 ve epoksitler, 514-515 Karşıtbağlayıcı moleküler orbital: kuantum mekanikleri, 36 melez orbitalleri, 23 Karşılıklı olma, eşleşme sabitlerinin NMR, 386 Kas proteinleri, moleküler yapı, 129-130 Katalitik antikorlar kimyası, 1 2 2 0 - 1 2 2 1 oluşumu, 1179-1180 Katalitik hidrojenleme, alken ve alkin ayrıl

ma tepkimeleri, 309-310 Katalitik kraking, petrol arıtma, 131-132 Katalitik üçlü, serin proteaz, 1217 Katenanlar, sikloalkan konformasyonları, 160 Katılma- ayrılma (SNAr mekanizması), aril halojenürler, 1033-1034 Katılma tepkimeleri: asitler ve bazlar, 91 Katyonlar: allik katyonu, konjuge doymamış sis temler, 580-582 kütle spektrometri, tek bağ kırılması, 413 Kauçuk (doğal), terpenler ve terpenoitler, 1155 Kayık konformasyonu, sikloheksan, 158-159 Kaynama noktası: alkoller ve eterler, 480-481 aldehitler ve ketonlar, 717-718 aminler, 945, 946 enantiyomer ayrılması, 223 fenoller, 1017, 1020 fiziksel özellikler, 68-70 karboksilik asitler ve türevleri, 811-812 tiyoller, 925 van der Waals kuvvetleri, 74 Kekule', August, 4, 5, 6 , 53, 54, 621, 624 Kekule' yapısı elektrofilik aromatik yer değiştirme tep kimeleri, 664 heterosiklik aromatik bileşikler, 642 Kekule' yapısı: arilaminler, 948 benzen, 624-626 benzenoit aromatik bileşikler, 638-639 Kekule'-Couper-Butlerov teorisi, organik bi leşikler, 621 Kemoterapi. Bkz., ayrıca, Tıbbi uygulamalar: Farmokoloji Diels-Alder tepkimesi, 572 5-florourasil, 877-878, 902 nükleotitler ve nükleositler, 1235 poliketit antikanser antibiyotik biyosentezi, 1018-1019 tarihsel bakış, 977 Kendrew, J. C., 1211 Kenetlenme, oligonükleotitler, 1253 Kesikli-kama formülleri, yapı formülleri, 4344 Ketaller. Bkz. Asetaller Keto şekli, enolat anyonları, aldehitler ve ke tonlar, aldol tepkimeleri, 768 Keto tautomerleri, aldehitler ve ketonlar, al dol tepkimeleri, 769-770 Keto-enol tavtomerleşmesi, keton sentezleri, alkinler, 723 keton sentezleri, 723-727 alkenler, arenler ve ikincil alkollerden, 723 alkinlerden, 723-725 lityum dialkilkupratlardan, 725

nitrillerden Ketonlar, Bkz. ayrıca, Aldehitler ve ketonlar (aldol tepkimeleri); Aldehitler ve ketonlar (nükleofilik katılma tepki meleri) fiziksel özellikler, 717-718 Grignard tepkimeleri, üçüncül alkoller, 549 halojenlenmesi, aldehitler ve ketonlar, aldol tepkimeleri, 772-774 IUPAC adlandırma, 716-717 ikincil alkollerin yükseltgenmesiyle, 539-540 proton aktarım tepkimesi, 118 kükürt yilür katılması, 926 sentezi, 723-727 yapısı, 64-65 alkenler, arenler ve ikincil alkoller den, 723 alkinlerden, 723-725 lityum dialkilkupratlardan, 725 nitrillerden, 725-727 Kharasch, M. S., 456 Kırmızı kan hücreleri. Bkz. Eritrositler Kısıtlanmış dönme, melez atomik orbitaller, 32 Kısmî hidroliz, polipeptitler ve proteinler, 1193, 1195-1196 Kiliani, Heinrich, 1112 Kiliani-Fischer sentezi, monorakkaritler, 1112-1113 Kilit ve anahtar varsayımı, enzimler, 1212 Kimotripsin, serin proteaz, 1215, 1217, 1218, 1219 Kimyasal analizler, 752 Kimyasal bağlar, 7-8. Bkz., ayrıca, Karbon bileşikleri kovalent bağlar, 8 iyonik bağlar, 7-8 melez atomik orbitaller, 24-35. Bkz., ay rıca, Melez atomik orbitalleri molekül orbitalleri, 21-23 rezonans teorisi, 14-17 Kimyasal değişim, proton NMR spektrumlan, hız işlemleri, 393 Kimyasal kayma (NMR), 372-373 karbon-13 NMR spektroskopisi, 394-396 kimyasal eşdeğerlik, 379-381 tanımı, 377 ölçümü, 377-379 Kimyasal sahteciler, beta-dikarbonil bileşik leri, 877-878 Kimyasal sanayii. Bkz. Sanayi Kinetik enerji, asitler ve bazlar, 110-111 Kinetik kontrol, konjuge doymamış sistem ler, konjuge dienlere elektrofilik atak, 601-603 King, M. C., 1228 Kinonlar, tepkimeler, 1030-1032 Kiral durağan faz, enantiyomerler, HPLC ile ayrılması, 954 Kiral ilaçlar, stereokimya, 210-211

Dizin Kiral moleküller enantiyomerler ve stereokimya, 187-191 sentezi, 208-210 tanımı, 187 Kiral yardımcı, Diels-Alder tepkimesi, asi metrik, 610-611 Kirallik: amino asitler, 184-185 biyolojik önemi, 191-193 için testler, 194-195 stereokimya, konformasyon analizi, 152 Kitin, amino şekerler, 1130 Kolesterol: biyosentezi, 354-356 çoklu streomerkezler, 2 1 1 Diels-Alder tepkimesi, 572 tanımı, 1157-1159 ve kalp krizi, 940-941 ve skualen, 935 Klor: alken katılma tepkimeleri, 334-335 alkil halojenürler (haloalkanlar), 60 alkin katılma tepkimeleri, 348-349 yağ asidi tepkimeleri, 1151 Kloroasetik asit, karşılaştırma, induktif etki ler, 116 adlandırma, 135 esterler, 67 Kloramfenikol, çoklu streomerkezler, 215 Klordan, böcek öldürücüler, 1072 Klorlama allilik (yüksek sıcaklık), konjuge doy mamış sistemler, 573-575 benzen, 665-666 metanın, 439-449 enerji değişimleri, 442-449 radikal tepkimelerinin mekanizması, 439-442 yüksek alkanlar, 450-452 Kloroalkanlar, özellikleri, 231 Kloroasetik asit asetik asit ile kıyaslama, indüktif etkiler, 116 termodinamik değerler, 117 Klorobenzen, hidrolizi, fenol sentezi, 1020 4-Klorobenzoik asit, poliklorlanmış bifenillerin (PCB) bakteriyel dehidrohalojenlenmesi, 1035 Klorofil, fotosentez, 1091-1092 Kloroflorokarbonlar (CFC), ozon tükenmesi, radikal tepkimeleri, 463-464 Kloroform (triklorometan), moleküller, 58 Klorometan, moleküller, 57 (/?)-(-)-1 -Kloro-2-metilbütan, 204 (,S)-(+)-1-Kloro-2-metilbütan. bağ kırılması olmayan tepkimeler, 2 2 0 Knoevenagel kondensasyon, beta-dikarbonil bileşikleri, 900 Knoevenagel kondensasyonu, beta-dikarbonil bileşikleri, 900 Kodein, alkaloitler, 1011 Koenzim NADH, vitaminler, 529-530

Kokain, alkaloitler, 1009, 1010 Kolbe tepkimesi, benzen halkası, tepkimele ri, fenoller, 1028-1029 Kolbe, Hermann, 193 Kolin, biyolojik metilleme, 262-263 Kolinerjik-sinapsis, sinir ileticileri, aminler 956-957 Komşu dibromürler, debromlama, alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 303-304 Kondensasyon tepkimeleri: Claisen kondensanyonu (beta-keto ester sentezi), beta-dikarbonil bileşikleri, 879-885 Konfigürasyonlar: enantiyomerler, 195-196 korunumu, mesilatlar ve tosilatlar, SN2 tepkimeleri, 497 stereokimya, bağ kırılması olmayan tep kimeler, 219-222 Konformasyon analizi: alkanlar, sigma bağları ve bağ dönmesi, 149-151 bütan, 151-153 c 'ıs-trans izomerliği, 165-168 sikloheksan, 157-160 Konformasyon formülleri, konformasyon analizleri, 150 Koniin, alkaloitler, 1009, 1010 Konjugasyon, tanımı, 572 Konjuge bağlar, çoklu doymamış hidrokar bonlar, 586-587 Konjuge baz, asit kuvveti tahmini, 116 Konjuge dienler: elektrofilik atak, 600-603 kararlılığı, 589-591 ultraviyole-görünür bölge spektroskopisi, 593-595, 599 Konjuge doymamış sistemler (Devamı) spektrofotometre, 591-593 görme, 596-598 Konjuge doymamış sistemler, 571-618 alkadienler ve çoklu doymamış hidro karbonlar, 586-587 allil katyonu, 580-582 allilik yer değiştirme ve allil radikali, 573-577 allilik bromlama ve /Y-bromosüksinmıit, 575-577 allilik klorlama (yüksek sıcaklık), 573575 allil radikal kararlılığı, 577-580 moleküler orbitaller, 577-578 rezonans, 579-580 konjuge dienler, kararlılığı, 589-591 tanımı, 572 Diels-Alder tepkimesi, 571-572, 604611 asimetrik, 610-611 molekül içi, 611 moleküler orbital, önemi, 607-610 stereokimya, 606-607 yeğleme etkenleri 605-606

1-17

elektron dağılımı, 1,3-bütadien, 587-589 konjuge dienlere elektrofilik atak, 600603 rezonans yapıları, 582-585 bağıl kararlılık tahmini, 584-585 yazım için kurallar, 582-584 spektroskopisi, 591-600 soğurma maksimumu, 593-595, 599 analitik kullanımları, 599-600 Konjuge olmayan dienler, ultraviyole görü nür bölge spektroskopisi, 593-595, 599 Konjuge protein, hemoglobin, 1222-1223 Konumlar, IUPAC adlandırması, 141 Komberg, Arthur, 1253 Kortizol, adreno kortikol hormonları, 1161 Kortizon, Diels-Alder tepkimesi, 572 Koruyucu gruplar: asetaller, aldehitler ve ketonlar nükleofilik katılma tepkimeleri, 736-737 aromatik bileşiklerin tepkimeleri, 700701 organometalik bileşikler, 559 polipeptitler ve protein sentezleri, 1 2 0 1 1202

Kovalent bağlar: asitler ve bazlar ve potansiyel enerji, 110-111

çekim enerjileri, 73 homoliz ve heteroliz, 93 melez atomik orbitalleri, 28 nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, Sn2 tepkimesi, 237 tanımı, 8 Kössel, W„ 7, 8 , 743 Krabbe hastalığı, sinir yalıtımı, lipitler, 1143 Kraking, petrol arıtımı, 131-132 Kromat yükseltgenme tepkimeleri, alkollerin yükseltgenmesi, 540-542 Kromatografi, enantiyomer ayrılması, 223224. Bkz., ayrıca, yüksek perfor mans sıvı kromatografisi Kromofor, konjuge doymamış sistemler, spektroskopi, 596-598 Kroto, H. W„ 53, 640 Krötschmer, 640 Kuantum mekaniği: atomik orbitaller, 19-21 gelişmeler, 18-19 kavramlar özet, 35-37 melez atomik orbitaller, 24-35. Bkz. ay rıca, Melez atomik orbitaller moleküller orbitaller, 21-23 van der Waals kuvvetleri, 73 Kuaterner amonyum tuzları, aminyum tuzla rı, aminler, bazlık, 951-952 Kühne, Willy, 596 Kuvvetli sterik engelli baz, nükleofilik ayrıl ma tepkimeleri, 271 Kükürt dioksit moleküller, 58 Kükürt yilürler, 923-927

1-18

Dizin

Kümen hidroperoksit, fenol sentezleri, 1021 1023 Kümen, propen, 52 Kümüle bağlar, çoklu doymamış hidrokar bonlar, konjuge doymamış sistem ler, 588-587 Kütle spektroskopisi, 403-421. Bkz. ayrıca. Nükleer manyetik rezonans spekt roskopisi aldehitler ve ketonlar, 755 aminler, 982 aromatik bileşikler, 651 biyomoleküller, 420-421 fenoller ve aril halojenler, 1040 gaz kromatografisi, 420 iyon sınıflama, 405-406 kütle spektroskopisi, 403-405 molekül formülü ve molekül kütlesi ta yini, 409-413 yüksek ayırma güçlü, 412-413 izotopik pikler 409-412 moleküler yapı, 403 parçalanma, 405, 413-419 bir bağ kırılması, 413 denklemler, 413-419 iki bağ kırılması, 419 spektrum, 406-409

Laktamlar, amitler, karboksilik asitler ve tü revleri, 843 Laktitler, karboksilik asitler ve türevleri, es terler, 836 Laktonlar, karboksilik asitler ve türevleri, es terler, 834-836 Laktoz, tanımı, 1120 L-amino asitler, farmakoloji, 211 Lanostcrol, kolesterol biyosentezi, 354-356 Lapworth Arthur, 743 Laqueur, Ernest, 1159 Lavoisier, Antoine, 4 LCAO (atomik orbitallerin doğrusal birleşi mi) yöntemi, moleküler orbitaller, 23 Le Bel, J. A„ 6 , 37, 193, 194, 223 Leggier, J. E„ 239, 253 Lchn Jean-Marie, 477, 521 Lerner, Richard A., 1179 Lesitinler, fosfatitler, 1167 Lewis tanımı. Bkz. ayrıca, Sialil Lewis* asit leri asitler ve bazlar, 95-96 alken ve alkin katılma tepkimeleri, 324325 karbokatyonlar ve karbanyonlar, 98-99 yapı ve etkinlik ilkeleri, 173 zıt yüklerin çekimi, 96-97 Lewis yapıları: formal yük, 12-14 rezonans teorisi, 14-17 yazılması, 9-10, 11

Lewis, G. N„ 7, 8 , 95, 743 Liebig, Justus, 4 Lipaz, kiral moleküllerin sentezi, 209 Lipit molekülleri ve hayat, 2 Lipitler, 1142-1178 Bkz. ayrıca, yağ asitleri; Trinçilgliseroller biyosentezleri, 930-934 izoprenoit, biyosentezleri, 934-937 fosfolipitler ve hücre zarları, 1167-1170 prostaglandinler, 1165-1167 mumlar, 1170-1171 sinir yalıtımı, 1142-1143 steroitler, 1156-1165 adrenokorkikal hormonlar, 11611162 kolesterol, 1157-1159 tepkimeleri, 1162, 1164-1165 seks hormonları, 1159-1161 yapı ve adlandırma, 1156-1157, 1163 tanımı, 1143 terpenler ve terpenoitler, 1152-1155 triaçilgliseroller ve yağ asitleri, 11441152 triaçilgliserollerin biyolojik işlevi, 1147 triaçilgliserollerin hidrojenlenmesi, 1146-1147 triaçilgliserollerin sabunlaşması, 1148-1151 tanımları, 1144-1146 yağ asidi tepkimeleri, 1151-1152 yağ asitleri, biyosentezleri, 930-934 Lipofilik tepkimeler, taç eterler, nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 520 Liserjik asit dietilamit (LSD), aminler, 956 Lisozim: enzim tarzı davranış, 1213-1215 nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 229-230 Lityum alüminyum hidrür: aldehit sentezi, 719-720 karbonil bileşikleri, indirgemesiyle al koller, 534-535 Lityum dialkilkupratlar: Corey-Posner, Whitesides-House sentezi, 556-558 keton sentezi, 725 Lityum enolatlar, aldehitler ve ketonlar, al kol tepkimeleri, 788-793. Bkz. ayrı ca, Aldehitler ve ketonlar (aldol tepkimeleri) Lityum, kimyasal bağlar, 8 Lobry de Bruyn-Alberda van Ekesnstein dö nüşümü, monosakkaritler, 1 1 0 2 London kuvvetleri. Bkz. Van der Waals kuv vetleri Long vet-Higgins, El. C., 1057 Long, C. W„ 484 (3 £)-Loreatin, deniz halojen atomları, 321 322 Lovastatin, kalp hastılığı ve kolesterol, 940-

941 Lökositler, sialil Lewis* asitleri, 1088-1089

M 1-Metiletil, dallanmış alkil grupları, IUPAC adlandırması, 138-140 Maltoz: disakkaritler, 1090 tanımlama, 1119-1120 Mannich tepkimesi, beta-dikarbonil bileşik leri, 902-904 Manyetik odaklama, kütle spektrometri, 406 Manyetik rezonans görüntüleme, tıbbi uygu lamalar, 402. Bkz. ayrıca, Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi Markovnikov kuralı: alkol sentezi alkenlerden, 484, 485, 487, 524 hidroborasyon, 489 alkin katılma tepkimeleri, hidrojen halojenürler, 349 anti-Markovnikov katılması hidrojen bromür, radika] tepkimele ri, 456-458 yükseltgenme-hidroborasyon, 491 asit katalizli hidrasyon, 332 istisnalar, 329-330 modern ifadeler, 329 sentetik stratejiler, 351 teorik açıklama, 327-328 yer seçimli tepkimeler, 329 Malonik ester sentezi, beta-dikarbonil bile şikleri, 892-895 Masamune, S., 1123 Maxam. Allan M., 1251 Mayo. F. R., 456 Meisenheimer kompleksi, nükleofilik aroma tik yer değiştirme tepkimesi, 1033 Meisenheimer, Jacob, 1033 Melez atomik orbitaller, 29-35 benzen, 54 etan, 27-28 eten (etilen), 28-33 etin (asetilen), 33-35 kuantum mekaniği, 36 metan, 24-26 Melez yapı: rezonans teorisi, 15-16, 17 ve asitlik, 108-109 Mesajcı RNA sentezi, tanımlama, 1243 Mesilatlar, alkol dönüşümü, 495-498 Meskalin, aminler, 955 Meta yönlendiriciler, aromatik bileşik tepki meleri; sübstitüent etkileri, 679 teori, 684-685 Metabolizma: karsinojenler, 514-515 glikolizler, enol, aldehitler ve ketonlar aldol tepkimeleri, 766-767 Meta-disübstitüe benzen, infrared spektros-

Dizin kopisi, 649 Metalojenler geçiş metalli organometalik bi leşikleri, 1080-1081 Metan: atmosferik düzgün dörtyüzlü şekil değerlik kabuğu elektron çifti itme (VSEPR) teorisi, 37-38 florlama, 447-448 fonksiyonel gruplar, 59 enerji değişimleri, 442-449 klorlama, 439-449 radikal tepkimelerin mekanizması, 439-442 melez atomik orbitaller, 24-26 radikal tepkimeleri, 437 yanma ısıları, 154 yapı, 52 Metanojenler, gelişim, 52 Metanoliz, nükleofilik yer değiştirme tepki meleri, sıvı tepkimesi, 250-251 Metansülfonatlar, alkol değişimi, 495-496 Metamoil grubu, aldehit ve keton adlandırıl ması, 717 Meteoritler: amino asitler, 184-185 organik madde, 2 Metil alkol yapısı, 61-62 (R) -(+)-2-Metil-l-bütanol, 204 (S) -(-)-2-Metil-l-bütanol, 219-220 Metil grubu: fonksiyonel gruplar, 59 IUPAC adlandırması, 141 Metil iyodür, özellikleri, 231 Metil ketonlar: yükseltgenme, karboksilli asitlerin hazır lanması, 821 sentezler, asetoasetik ester sentezi, 885892 Metildopa, kiral ilaçlar, 210 Metilen, karbonlar alken ve alkin katılma tepkimeleri, 342-343 2-Metilpropen, yer seçimlilik bromonyum iyonu, 340-341 Metilsalisilat, fenoller, 1016 Metilsikloheksan, sandalye konformasyonu, 161 Metotreksat, 979 Mezo bileşikler, çoklu stereomerkezler, 213214 Michael katılması: aldehitler ve ketonlar, alkol tepkimeleri, alfa-beta doymamış katılmalar, 798 beta-dikarbonil bileşikleri, 900-902, 905 Miseller, triaçilaliseroller, 1149 Mislow K., 190 Mitscherlich. Eilhardt, 620 Miyelin kılıfı, sinir yalıtımı, lipitler, 11421143, 1170 Miyoglobin, üçüncül yapı proteinler, 1211 Miyosin, moleküler yapı, 130

Molar absorbans, ultraviyole-görünür bölge spektroskopisi, 593 Molekül içi Diels-Alder tepkimesi, 611 Moleküler formül/kütle tayini kütle spektros kopisi, 409-413 Moleküler formüller, empirik formüller, 4 Moleküler geometri, değerlik kabuğu elekt ron çifti itmesi (VSEPR) teorisi, 3740. Bkz. ayrıca. Değerlik kabuğu elektron çifti (VSEPR) teorisi Moleküler iyon, kütle spektrumu, 403. Bkz. ayrıca kütle spektroskopisi Moleküler kütle: aldehitler ve ketonlar, 717-718 proteinler, 1180 Moleküler modeller: elektron yoğunluk yüzeyleri, 28 metan, 26 Moleküler oksijen, süperoksit ve radikal tep kimeler, 461 Moleküler orbital sayısı, kuantum mekaniği, 36 Moleküler orbitaller: benzen yapısı, 629 kuantum mekaniği, 21-23, 36 sayısı, kuantum mekaniği, 36 Moleküler yapı, kütle spektroskopisi, 403. Bkz. ayrıca kütle spektrumu Moleküller arası kuvvetler, karbon bileşikle ri, 76 Moleküller arası su ayrılması, alkollerin, eter sentezi, 503-504 Moleküller: akiral molekül, tanımlama, 191 biyomoleküller, kütle spektrometresi, 420-421 formal yük, 13 karbon bileşikleri, fiziksel özellikler ve 68-76. Bkz. ayrıca, karbon bileşikle ri kiral moleküller kovalent bağlar, 8 optikçe aktiflik, 205-206 polar ve apolar, karbon bileşikleri, 56-58 Monesin, antibiyotikler, 476-477 Monoalkilleme, amin, 962 Monohalometanlar, özellikler, 231 Monosakkaritler, 1092-1097. Bkz. ayrıca, karbohidratlar D sınıfındaki aldozlar, 1114 D ve L gösterimleri, 1093-1094 enoleşme, tautomerleşme, izomerleşme, 1102-1103 eter oluşumu, 1103 fenilhidrazinle tepkimeler (osazonlar) 1110-1112

Fischer kanıtı, 1114-1118 glikozit oluşumu, 1099-1102 halkalı asetallerin çevrilmesi, 1104 indirgenme (alditoller), 1 1 1 0 mutaratasyon, 1098-1099

1-19

nitrik asit yükseltgenmesi (aldarik asit ler), 1106-1108 periyodatla yükseltgenmeler (polihidroksi bileşiklerin yarılması), 1108-1110 sınıflandırma, 1090, 1092-1093 sentezler ve indirgenme, 1112-1114 Kiliani-fischer sentezi, 1112-1113 Puff küçültülmesi, 1114 yapı formülleri, 1094-1097 yükseltgenme tepkimeleri, 1104-1110 Benedict ya da Tollen reaktifleri, 1105-1106 bromlu su (aldonik asitlerin sentez leri), 1106 Monosiklik bileşikler, sikloalkanlar, IUPAC adlandırılması, 142-143 Monosübstitue benzen, infrared spektrosko pisi, 649 Morfin: alkaloitler, 1 0 1 1 Diels-Alder tepkimesi, 572 Mullis. Kory B„ 1253 Mumlar, tanımlanması, 1170-1171 Murad. F„ 432 Murchison meteoriti, amino asitler, 184-185 Mutajenler, DNA kopyalanması, 1241-1243 Mutarotasyon, karbohidratlar, 1098-1099 Mutlak alkol, etanol, 483 Mutlak konfigürasyonlar, bağıl konfigürasyonlar ve, 2 2 0 - 2 2 2

X /V,;V-Dime t iIase ta m it. yapısı, 6 6 NADFI enzimler, 1213 Naftalin, kekule' yapı, 638 Naftoller, fenoller, 1016 Nanotüpler, moleküler moleküler yapı, 129130, 641 /V-Asetil-D-glikozamin, amino şekerler, 1129 IV-Asetilmuramik asit, amino şekerler, 1129 A-Bromosüksinimit, ile allilik bromlama, konjuge doymamış sistemler, 575577 Neopentan, şekil, 133 Neopentil bromür, IUPAC adlandırma, 141 Neopentil grubu, dallanmış alkil grupları, IUPAC adlandırma, 139 Newkome. G. R., 874 Newman izdüşüm formülü, etan, konformasyon analizi, 150 Newman. Melvin S., 150 Nicolaou. K. C , 429, 511, 572, 605 Nieman. T. A., 77 Nikotin: alkoloitler, 1008-1009 karsinojenler, N-nitrozaminler, 968 Nikotinamit adenin dinükleotit (NAD): biyokimya, 644-645 vitaminler, 529-530 Nikotinik asit, soya, 529-530 Ninhidrin, polipeptitler ve proteinler, 1191 -

1-20

Dizin

1192 Nişasta, palisakkaritler, 1124-1125 Nitrolama, benzen, 667-668 Nitrik asitle yükseltgenme (aldarik asitler), monosokleritler, yükselgenme tepki meleri, 1106-1108 Nitriller: adlandırma ve fiziksel özellikler, 817 alkilleme, beta-dikarbonil bileşikleri, 897-898 hidroliz, amitler, 842-843 hidroliz, karboksilik asit sentezi, 821 keton sentezi, 725-727 kondensasyon, çapraz aldol tepkimeleri, 786 indirgenme, aminler, 961-962 indirgenmeler, aldehit sentezi, 719-723 yapı, 67 Nitro bileşiklerin indirgenmesi, aromatik aminler, 959-960 Nitro grubu, meta yönlendiriciler, aromatik bileşik tepkimelerinin teorisi, 684685 Nitroalkanlar, kondensasyon, çapraz aldol tepkimeleri, 785-786 Nitröz asit, amin tepkimeleri, 966-969 /V-Metilamfetamin, aminler, 956 /V-Metilasetanıit, yapısı, 6 6 İV-Nitrozoaminler, kimya, 968 Nokta yapısı, yapı formülleri, 40-41 Noretindron, yapısı, 62 Nörotoksinler: aminler, 942-943 serin proteaz, 1 2 2 2 İV-ucu kalıntıları, polipeptitler ve proteinler, 1190 Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, 366-428. Bkz. ayrıca yüksek perfor mans sıvı krometografisi, kütle spektroskopisi; ultraviyole görünür bölge spektroskopisi açil bileşikleri, karboksilik asitler ve tü revleri, 819-820 aldehitler ve ketonlar, 753-755 aminler, 981-982 aromatik bileşikler, 646-648 Hückel kuralı, 632-633 elektromanyetik spektrum, 367-370 karbon-13 NMR spektroskopisi, 393-397 kimyasal kaymalar, 394-396 DEPT "C spektrumları, 396-397 rezonans-dışı eşleşmesiz spektrumlar, 396 spektrum yorumu, 393 tek karbon atom, 393-394 kimyasal kayma, 377-379 kimyasal eşdeğerlik, 379-381 tanımlanması, 377 ölçülmesi, 377-379 kütle spektroskopisi, 403-421 biyomoleküller, 420-421

parçalanma, 405, 413-419 gaz kromatografisi, 420 iyon sınıflandırma, 405-406 kütle spektrometresi, 403-405 moleküler formül ve moleküler küt le belirlenmesi, 409-413 moleküler yapı, 403 spektrum, 406-409 iki boyutlu NMR teknikleri, 397-402 HETCOR çapraz pik ilişkilendirmeleri 401-402 iki boyutlu teknikler, COSY, çapraz-pik ilişkilendirmeleri, 399-400 fenoller ve aril halojenler, 1039-1040 proteinler, ikincil yapı, 1206 proton NMR spektrumu ve hız işlemleri, 391-393 proton perdelenmesi ve perdelenmemesi, 376-377 nükleer spin, 374-376 sinyal yarılması, 381-390 tanımlamalar, 366-367 tipler, 370-374 kimyasal kayma, 372-373 Fourier transform (FT) NMR spektrometreleri, 371-372 pik alan integrasyonu, 373 sinyal yarılması, 373-374 taramalı (CW) NMR spektrometreleri, 370 tıbbi uygulamalar, 402 Nükleer spin, NMR, 374-376 Nükleik asitler, 1228-1258. Bkz. ayrıca deaksiribonükleik asit (DNA) deoksiribonükleik asit (DNA), 12381243 nükleotitler ve nükleositler laboratuvar sentezleri, 1232-1235 tıbbi uygulamalar, 1235 yapı, 1229-1232 oligonükleotitler, laboratuvar sentezleri, 1253-1254 Nükleofilik aromatik yer değiştirme tepki meleri, aril halojenürler, 1032-1039. Bkz. ayrıca Aril halojenürler Nükleofilik ayrılma tepkimeleri, 265-269 karboksilik asitler ve türevleri, 810876. Bkz. ayrıca, karboksilik asitler ve türevleri dahidrohalojenleme, 265-266 bazların kullanımı, 266 mekanizmalar, 266-267 El tepkimesi, 268-269 E2 tepkimesi, 267 nükleofilik yer değiştirme tepkimelerine karşı, 269-272 özet, 272-273 Nükleofilik katılma tepkimeleri: karbonil grubu, 531, 714-765. Bkz. ayrıca aldehitler ve ketonlar (nükle ofilik katılma tepkimeler)

karboksilik asitler ve türevleri, 810-876. Bkz. ayrıca Karboksilik asitler ve türevleri piridinyum iyonları, heterosiklik amin ler, 1004-1005 Nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 229280 aminler, 957-959 ayrılan gruplar, 233-234 bakteri hücre duvarları, 229-230 biyolojiksel metilleme, 262-263 taç eterler, 519-522 halojen atomu, 230-231 nükleofiller, 232-233 nükleofilik ayrılma tepkimelerine karşı, 269-272 organik halojenürler, özellikler, 231 özet, 272-273 piridin, heterosiklik aminler, 1002-1004 SN1 tepkimesi, 243-261 karbokatyonlar, 246-248 etkenlerin etkisi, 251-261 mekanizma, 244-246 hızı tayini, 243-244 SN2 reaksiyonuna karşı, 260-261 stereokimyası, 249-250 ier-bütil klorür ile hidroksit iyonu, 243-244 Sn2 tepkimesi, 234-243 etkenlerin etkisi, 251-261 fonksiyonel grup dönüşümleri kullandarak, 261, 264 kinetikleri, 234-235 mekanizması, 235-236 SN1 tepkimesine karşı, 260-261 stereokimya, 240-243 geçiş hali teorisi, 237-240 yer değiştirme tepkimeleri, 231-232 Nükleofiller: karbonil grubu tepkimeleri, 531 nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 232-233, 254-255

O Oksetan, eterler, adlandırma, 479-480 Oksiciva katılması-civa ayrılması, alkenlerden alkol sentezleri, 485-487 Oksijen, moleküler, süperoksit ve radikal tepkimeleri, 461 Oksiciva katılması-civa ayrılması: alkol sentezleri, alkenlerden, 485487 Markovnikov kuralı, 333 Oksimler: aldehitler ve ketonlar, nükleofilik katılma tepkimeleri, 739 indirgenme, aminler, 961-962 Oksiranlar, Bkz. ayrıca Epoksitler epoksitler, 508 eterler, sınıflandırma, 479-480 Oksitasin, polipeptit ve protein birincil yapı,

Dizin 1196-1198 Oksofosfatan yilürler, aldehitler ve ketonlar, nükleofilik katılma tepkimeleri, 746 Oksonyum katyonu, aldehitler ve ketonlar, nükleofilik katılma, 729 Oktet kuralı: kimyasal bağlar, 7-8 istisna, 1 0 - 1 2 Olah, George A., 246 Olasılık, atomik orbitaller, 19 Olefinler. Bkz. Alkenler Olestra, yağ yerine, 1148 Oligonükleotitler, laboratuvar sentezleri, 1253-1254 Oligopeptitler, polipeptitler ve proteinler, 1190 Oligosakkaritler, sınıflandırma, 1090 Olimpiyadan, sikloalken konformasyonları, 160 Optikçe aktiflik, enantiyomerler, 200-208. Bkz. ayrıca Enantiyomerler Optikçe inaktif moleküller, tanımlama, 206 Orak-hücre anemisi, kimyası, 1199 Orbital melezi, tanımlama, 24. Bkz. ayrıca Melez atomik orbitatler Organik bileşikler: baz olarak, 117-119 inorganik bileşiklerin tersine, 3 Kekule-Couper-Butlerov teorisi, 621 Organik halojenürler, 230-231 bitki öldürücüler, 1073-1074 böcek öldürücüler, 1071-1073 mikrop öldürücüler, 1074-1075 özellikleri, 231 Organik Kimya: önemi, 2-3 tanım, 2 tarihsel bakış, 3-4 yaşam, 1 - 2 yapı teorisi, 4-5 düzgün dörtyüzlü şekil, 6 izomerler, 5-6 öncüleri, 4-5 Organik sentezler için alet takımı, sentetik stratejiler, 350-353 Organik sentezler, 174-178 genel, 174-175 akılcı, 178 inorganikten organiğe, 1178 önceliğin belirlenmesi, 176-177 retrosentetik analizler, 175-176, 177 Organik tepkime mekanizmaları, 119-120 Organik tepkime mekanizması, asitler ve bazlar, 119-120 Organobakır bileşikleri, aldehitler ve keton lar, aldol tepkimeleri, alfa-beta doy mamış katılmalar, 797 Organoboranlar: hidroborasyon, alkol sentezleri, 488490 protonlanma, alkol sentezleri, 493

Organohalojen bileşikleri, 230-231 Organomagnezyum, Grignard bileşikleri, 545-546 Organometalik bileşikler, 543-559 Grignard bileşiklerinden alkoller, 549-556. Bkz. ayrıca Grignard bile şikleri aldehitler ve ketonlar, nükleofillik katıl ma tepkimeleri, 749-750 bağlar, 543 Grignard bileşikleri, 545-546 lityum dialkilkupratlar, 556-558 Organolityum bileşikleri, hazırlanması, 544 koruyucu grupları, 559 tepkimeler, 546-548 asidik hidrojen atomları, 546-547 etkinlik, 543-544 geçiş metali, 1077-1087. Bkz. ayrı ca, geçiş metalli orgonometalik bile şikler Grignard bileşikleri ile karbonil bi leşikleri, 548 Grignard bileşikleri ile oksiranlar (epoksitler), 547 tepkimelerin özeti, 560-561 zehirliliği, 1075-1076 Organometalik reaktif katılmaları 749-750 Ortaklaşılmamış çiftler, değerlik kabuğu elektron çifti itmesi (VSEPR) teori si, 37 Orto-disübstitüe benzen, infrared spektrosko pu 649 Orto-para yönlendiriciler, aromatik bileşik tepkimeleri: etkinleştirici gruplar, 677-678 etkinlik azaltıcı gruplar, 679 teori, 685-689, 691 Osazonlar (fenilhidrazin tepkimeleri) monosakkaritler, 1 1 1 0 - 1 1 1 2 Otoksidasyon: dietil eter, 483 radikal tepkimeleri, 461-463 Otomatik peptit sentezi, 1204-1205 Otoradyograf, DNA, baz sıra tayini, 1252 Ozon tükenmesi: kloroflorokarbonlar (CFC) ve radi kal tepkimeleri, 463-464 ultraviyole ışıması, 650 Ozonlama, alkenler, alken katılma tepkime leri, 347-348

O Öncelik, enantiyomerler, 196 Öncü belirleme, organik sentezler, 176-177 Ön ekler, IUPAC adlandırması, 141 Özgül dönme, enantiyomerler, optikçe aktif lik, 203-205 Özgüllük, enzimler, 1 2 1 2

1-21

P P-Toluensülfonat, alkol dönüşümü, 495 Palindrom, DNA baz sıra tayini, 1251 Paquette, Leo A., 169 Para-disübstitüe benzen, infrared spektrosko pu 649 Parçalanma (kütle NMR), 405-413-419 eşitlikler, 413-419 tek bağ kırılması, 413 iki bağ kırılması, 419 Parkinson hastalığı, dopamin, 955 Pasteur yöntemi enantiyomer ayrılması, 223 Pauli’nin dışlama ilkesi: atomik orbitaller, 2 1 nükleer spin, 374 Pauling, Linus, 1206 Pedersen, Charles J., 477 Penisilamin, kiral ilaçlar, 210 Penisilinler kimyası, 844 4-Pentannitril, yapı, 67 Pentazosin, alkaloitler, 1011,1012 Pentan, şekli, 132, 133 Peptit bağı, polipeptitler ve proteinler, 11901206 Peptit sentezleri, 1202-1205 Perdeleme: karbon-13 NMR spektroskopisi, 394 protonlar, nükleer magnetik rezonans spektroskopisi, 376-377 Perdelememe: karbon-13 NMR spektroskopisi, 394 protonlar, nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, 376-377 Perisiklik tepkimeler, Claisen çevrilmesi, fe noller, 1030 Periyodat yükseltgenmeleri (polihidroksi bi leşiklerin yarılması) monosakkaritler, 1108-1110 Periyodik çizelge: asitlik ve yapı, 106 Lewis yapıları, 9-10 Peroksi asit, epoksitler, 508-509 Peroksitler: dietil eter, 484 Markovnikov kuralı, istisna, 329-330 radikal tepkimeleri, 431 Perutz. Max, 1211 Petrol, alkanlar, 52, 130-132 Phillips. David C., 1214 Pi bağı: Dies-Alder tepkimesi, 605 Hückel kuralı, 630-637 konjuge doymamış sistemler, 572, 577578, 581, 589 kuantum mekaniği, 37 melez atomik orbitaller, 30, 31, 32, 34 Pik alan integrasyonu, nükleer manyetik re zonans spektroskopisi, 373 Piperidin halkası, alkaloitler, 1009 Piranoz, monosakkaritler, 1097

1-22

Dizin

Piren, benzenoit aromatik bileşikler, 638 Pirenne. M. H., 597 Piridin: alkoloitler, 1008-1011 biyokimya, 644 helerosiklik aromatik bileşikler, 642-643 Piridinyum iyonları, nükleofilik katılma tep kimeleri, heterosiklik aminler, 10041005 Piridinyum klorokromat, aldehitler, birincil alkollerin yükseltgenmesi, 539 Piridoksal fosfat (PLP), enzimler, 714-715, 742-743 Pramit devrilmesi, aminler, 947 Pirimidin, biyokimya, 644 Pirkle kolonu, enantiyomerler, HPLC yarıl ması, 954 Pirol, heterosiklik aromatik bileşikler, 642643 Plastikler, çevresel sorunlar, 3 Plazmalojenler, fosfattitler, 1167 Polar kalıntılar + ya da - yüklü, proteinler ikincil yapı, 1 2 1 0 Polar kovalet bağlar, elektronegatiflik, 55-56 Polar moleküller, apolar moleküller ve kar bon bileşikleri, 56-58 Polar pratik çözücüler, nükleofilik yer değiş tirme tepkimeleri, 254-257 Polar yan zincirler, yüksüz, proteinler, ikin cil yapı, 1 2 1 0 Polarimetre, düzlem polarize ışık, enantiyo merler, 201, 202-203 Polarlanmanın tersine dönmesi (umpolung) 1,3-ditiyanlar alkilleme, beta-dikorbanil bileşikleri, 899 Polarlama, alkil halojenürler, 230 Polialken halkalama, lanosterol, kolesterol biyosentezleri, 354-356 Poliamitler, basamaklı büyüme polimerleri, 868-870 Poliketit antikanser antibiyotik biyesentezleri, 1018-1019 Polibromobifeniller (PBB), çevre ilişkileri, 1075 Poliesterler, basamaklı büyüme polimerleri, 870-872 Polieter, oluşumları, epoksitler, 515-516 Polifloroalkanlar, özellikleri, 231 Polihidroksi bileşikler, yarılma (periyodot yükselgenmeleri) monosakkaritler, 1108-1110 Poliklorlanmış bifeniller (PCB): bakteriyel dehalojenleme, 1035 çevresel sorunlar, 1075 Polimeraz zincir tepkimeleri (PCR): uygulamalar, 1229 tanımlama, 1255-1257 Polimerleşme, radikal, alkenler, zincir büyü me polimerleri, 458-460 Polimerler, basamaklı büyüme polimerleri, 868-876. Bkz. ayrıca, Basamaklı bü yüme polimerleri

Polipeptitler ve proteinler, 1190-1205. Bkı. ayrıca, Aminoasitler; proteinler aminoasit sıralaması, 1193-1196 kısmî hidroliz, 195-196 uç kalıntı analizleri, 1193-1195 analizler, 1190-1192 birincil yapı, 1196-1200 insülin, 1198 oksitosin ve vasopresin, 1196-1198 tipler, listesi, 1199-1200 sentezler, 1200-1205 karboksil grubu etkinleştirme, 1 2 0 2 peptit sentezleri, 1202-1205 koruyucu gruplar, 1 2 0 1 - 1 2 0 2 polisakkaritler, 1123-1128 selüloz, 1126-1127 selüloz türevleri, 1125-1126 glikojen, 1125-1126 nişasta, 1124-1125 şekerler, 1128-1130 amino şekerler, 1129-1130 biyolojik önemi, 1128-1129 Polisakkaritler, 1123-1128. Bkı. ayrıca, karbohidratlar glikojen, 1125-1126 nişasta, 1124-1125 selüloz, 1126-1127 selüloz türevleri, 1128 sınıflandırma, 1090 Polisiklik alkanlar, dekalinler, 168-169 Polisiklik benzenoit aromatik hidrokarbonlar, tanımlama, 638 Poliüretanlar, basamaklı büyüme polimerler, 872-873 Polorlanabilirlik nükleofilik yer değiştirme tepkime leri, 255 van der Waals kuvvetleri, 73 Papaverin, alkaloitler, 1011-1012 Posner, G. H., 556 Postevi, Louis, 223 Potansiyel enerji: asitler ve bazlar, 1 1 0 - 1 1 1 moleküler orbitaller, 2 1 Potasyum ftalimit: alfa amino asit sentezleri, 11861187 Gabriel sentezleri, aminler, nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 958 Potasyum iyodür, aminler, aromatik diazonyum tuzlarının yer değiştirme tepki meleri, 970 Pratik çözücü, asitler ve bazlar, 117 Prelog, V., 195 Progestinler, steroitler, 1159, 1161 Prokirallik, entioyseçici, karbonil grubu stereoseçimli indirgenmeler, 538 Prontosil, 977 Propen alilik yer değiştirme tepkimesi, 573-576 melez atomik orbitaller, 28 yer seçicilik, bromonyum iyonları, 340-

341 kullanım, 52 Propan: fonksiyonel gruplar, 59 şekli, 132 2-propanol, akirallik, 191 Propennitril, yapı, 67 Propil grubu, dallanmış alkil grupları, IUPAC adlandırması, 138-140 Propin, melez atomik orbitaller, 33 Prostaglandinler: tanımlama, 1165-1167 Dies-Alder tepkimesi, 572 Prostetik grup: enzimler, 1213 hemoglobin, 1222-1223 Protein 53 (P53), polipeptitler ve proteinler, 1199 Protein enantiyomerler: doğal olmayan, farmakoloji, 2 1 1 Proteinler, Bkz. ayrıca Amino asitler; Nükleik asitler; polipeptitler ve proteinler dördüncü yapı, 1 2 1 2 hemoglobin, 1222-1223 hidroliz, 1180-1181 ikincil yapı, 1205-1210 moleküler kütle, 1180 üçüncül yapı, 1 2 1 1 ve hayat, 2 yapı, genel, 1180 Proton manyetik rezonans (PMR) spektrumlar, 371. Bkz. ayrıca Nük leer manyetik rezonans spektroskopisi Proton transfer tepkimesi, organik bileşikler, baz olarak, 118 Protonlama, organoboranlar, alkol sentezleri, 491 Protonlanmış alkol, organik bileşikler bazlar olarak, 118 Protonlanmış amit, nitril hidrolizleri amitler, 842 Protonlar asitlik ve yapı, 106 Bransted-Lowry tanımlaması, 94-95 perdeleme ve perdelememe, nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, 376-377 Purin, biyokimya, 644

Q Q elektron çekici ve vericiler, aromatik bile şik tepkimeleri, 681 R

R sembolü, alkil gruplan, fonksiyonel grup lar, 59-60 Radikal anyonlar, alken ve alkin ayrılma tep kimeleri, alkinlerin hidrojenlenmesi, 312 Radikal tepkimeleri, 429-475

Dizin alkanların yanması, 461 alkan/halojen tepkimeleri, 437-439 alkil radikallerin geometrisi, 453 antioksidantlar, 463 antioksidasyon, 461 -463 düzgün dörtyüzlü stereomerkezler, 453456 hidrojen bromür, anti-Markovnikov ka tılması, 456-458 kalikeamisin, 429-430 metanın klorlanması, 439-449 enerji değişimleri, 442-449 tepkime mekanizması, 439-442 iyonik tepkimelerin karşılaştırılması, 431 mekanizmalar, 431 moleküler oksijen ve süperoksit, 461 ozon deliği, kloroflorokarbonlar (CFC) 463-464 radikallerin ürünleri, 431 radikal tepkimeler, 431-433 özet, 465-466 uygulamalar, 432 yüksek alkanların halojenlenmesi, 450437 tepkime ısıları, 433-435 bağıl kararlılıklar, 435-437 zincir büyüme polimerleri, 458-460 Radikaller, kütle spektroskopisi, bir bağ kı rılması, 413 Radikofonksiyonel sınıflandırma, IUPAC ad landırması, 140 Radyoaktif karbon, biyolojik metilleme, 262263 Raney nikeli, tiyoasetaller, aldehitler ve ke tonlar nükleofilik katılma tepkimele ri, 737 Ranvier düğümleri, sinir yalıtımı, lipitler, 1143 Ras proteinleri: polipeptitler ve proteinler, 1 2 0 0 birincil yapı, 1 2 0 0 Rasemik şekiller: kiral moleküllerin sentezleri, 208 enantiyomerler, optikçe aktiflik, 205-208 Rasemleme: aldehitler ve ketonlar, aldol tepki meleri, 770-772 nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, SN1 tepkimesi, 249-250 Rastgele halka düzenleme, proteinler, ikincil yapı, 1 2 1 0 Renkli görme, konjuge doymamış sistemler, spektroskopisi, 596-598 Reserpin: alkaloitler, 1012-1013 Dies-Alder tepkimesi, 572 Retina, konjuge doymamış sistemler, spekt roskopu 596-598 Retrosentetik analizler, organik sentez plan lanması, 175-176, 177

Rezonans dışı eşleşmesiz spektrumlar, karbon-13 NMR spektroskopisi, 396 Rezonans etkileri: aromatik bileşik tepkimeleri, yön lendirme teorisi, 682-683 karboksilik asitler, 113-114, 115 Rezonans kararlılığı, karboksilat iyonu, 113114 Rezonans teorisi: allil radikali kararlılığı, konjuge doymamış sistemler, 599-580 atomik yapı, 14-17 benzen, 54 benzen yapısı, 627-629 benzenoit aromatik bileşikler, 638 Rezonans yapıları: bağıl kararlılık tayini, 584-585 konjuge doymamış sistemler, 582585 yazım kuralları, 582-584 fenoller Ribonükleik asit (RNA), 1243-1250. Bkz. ay rıca Deoksiribonükleik asitler (DNA); Nükleik asitler aromatik bileşikler, 644 genetik kod, 1245-1250 karbon bileşikleri, 2 mesajcı RNA sentezleri, 1243 ribozomlar (rRNA), 1243-1244 transfer RNA, 1244-1245 Ribozomlar (rRNA), tanımlama, 1243-1244 Roberts. J. D., 391, 1037 Robinson. Robert, 100 Rodopsin, konjuge doymamış sistemler, spektroskopi, 596-598 Rodyum kompleksleri, geçiş metalli organometalik bileşikler, 1085-1086 Rosanoff. M. A., 1093 Ruff küçültülmesi, monosakkaritler, 1114 S

Sabunlar, triaçilgliseroller, 1149-1151 Sabunlaşma: esterler, karboksilik asitler ve türev leri, 832-834 triaçilgliseroller, 1148-1151 Sağa çeviren dönme, düzlem polarize ışık, enantiyomerler, 2 0 2 Sakarin, yapay tatlandırıcılar, 1123 Sakkaroz (sukroz) tanımı, 1118-1119 disakkaritler, 1090 Salınım, düzlem polarize ışık, enantiyomer ler, 2 0 1 - 2 0 2 Salisilik asit, tıbbi uygulamalar, 1 1 0 1 Sanayii: benzen, 619-620 fenol sentezi, 1020-1023 hidrojenleme, 308 kaliksarenler, 1014 radikal tepkimeleri, 432

1-23

stiren sentezleri, 693 Sandmeyer tepkimesi, aminler, arendiazonyum tuzlarının yer değiştirme tepki meleri, 970 Sanger metodu, polipeptitler ve proteinler, 1193-1194 Sanger, Frederick, 1193, 1198, 1251 Saran iyonlar, çözünürlük Schmidt. J. G., 783 Schrödinger. Erwin, 18-19 Schultz. Peter G., 1179 Schwann hücreleri, sinir yalıtımı, lipitler, 1142-1143 Seçicilik, çoklu yer değiştirme tepkimelerine karşı, radikal tepkimeler, 437-439 Sefalinler, fosfatitler, 1167 SeAr-bütil, dallanmış alkil grupları, IUPAC adlandırması, 139 Seks hormonları, steroitler, 1159-1161 Selebiyoz, tanımı, 1120 Selüloz: türevleri, 1128 tanımı, 1126-1127 Semikarbozonlar, aldehitler ve ketonlar nük leofilik katılma tepkimeleri, 739 Sentetik eşdeğerler, sentetik stratejiler, 352 Sentetik stratejiler, organik sentezler için araç takımı, 350-353 Serbest radikaller. Bkz. Radikal tepkimeleri Serbest-enerji diyagramları: Markovtıikov kuralı, 238 nükleofilikk yer değiştirme tepkimeleri SN1 tepkimesi, 246 Sn2 tepkimesi, 237-240 Serin esteraz, 1222 Serin proteazları, tanımlama, 1215-1219, 1222

Serotanin, aminler, 955 Sfingozin, türevleri, fosfatidiller, 1168-1170 Sfingelipit, depolama hastalığı, sinir yalıtımı, Lipitler, 1143 Sharpless asimetrik epoksitleme yöntemi, ta nımlama, 510-511 Sharpless. K. B„ 510, 1123 Shlaer. S., 597 Sığır insülini, polipeptit ve proteinler, 1199 Sığır tripsinojeni ve kimotropsinojeni, poli peptitler ve proteinler, 1199 Sıkıştırılmış (kapalı) yapı formülleri, 42 Sıralayıcı polipeptitler ve proteinler, 1194 Sıvı helyum, nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, 366-367 Sialil Lewis* asitleri. Bkz. ayrıca, Lewis ta nımlaması lökasitler, 1088-1089 Siegel. J„ 190 Sigara içme, karsinojenler, A-nitrozoaminler, 968 Sigma bağı: bağ dönmesi ve alkanlar, 149-151 melez atomik orbitaller, 26, 27, 28, 30,

1-24

Dizin

31, 32, 34 kuantum mekaniği, 37 Sinapis, sinir ileticileri, aminler, 956-957 Sikloalkanlar. Bkz., ayrıca, Alkanlar, kıyas lama, 130 alkan sentezleri, 170-173 uç alkinlerin alkillenmesi, 172-173 alkil halojenürlerin indirgenmesi, 172 hidrojenleme, 171 cis-trans izomerliği, 186 bağıl kararlılık, 153-155 disübstitüe, 163-168 fiziksel özellikler, 147-149 halka gerginliği kaynağı, siklopropan ve siklobütan, 155-157 IUPAC adlandırması, 142-144 sikloheksan konformasyonları, 157-160 sübstitüe sikloheksanlar, aksiyal ve ekvatoryal hidrojen atomları, 160-163 Sikloalkenler: alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 287 IUPAC adlandırması, 144-146 Siklobütadien, hayali dönüşüm, 636 Siklobütan halka gerginliği kaynağı, 155-157 yanma ısısı, 155 Sikloheksan karbonitril, yapısı, 67 Sikloheksanol, fenolle kıyaslama, 1023 Sikloheksanlar: konformasyonlar, 157-160 sübstitüe, aksiyal ve ekvatoryal hidrojen atomları, 160-163 türevleri, stereoizomerlik, 217-219 yanma ısıları, 154-155 Sikloheksen, benzen kararlılığı, 626-627 , konformasyonları, 160 Sikloheptan, konformasyonu, 160 Siklokatılma tepkimeleri, 1069-1070 [4+2] siklokatılmaları, 1069-1070 genel, 1066-1067 [2+2] siklokatılmaları, 1067-1069 Siklomat, yapay tatlandırıcılar, 1123 Siklooktan, konformasyonları, 160 Siklooktatraen hayali dönüşüm, 637 sentezi, 625-626 Siklopentadien aromatik iyonları, 633-635 Diels-Alder tepkimesi, 607-608 metalosenler, 1080-1081 Siklopentadienil anyonu, hayali dönüşüm, 637 Siklopentan, halka gerginliği kaynağı, 157158 Siklopropan: yanma ısısı, 155 halka gerginliği kaynağı, 155-157 (3R) ve (3S)-Siklosimopol, denizde halojen atomları, 321-322 Silikon, stereokimya, 224 Silil eter koruyucu gruplar, eter sentezleri,

506-507 Silil enol eterler, sililleme tepkimesi, 792793 Sililleme tepkimesi, Silil enol eterler, 792793 Silverstein. R. M., 420 Simetri düzlemleri, kirallık, testler, 194-195 Sin hidroksilleme, alkenlerin, alkenlere katıl ma tepkimeleri, 344-346 Sin katılma: katalitik hidrojenleme, alken ve al kin ayrılma tepkimeleri, 309-310 alkinlerin hidrojenlenmesi, 310-311 Sin periplaner geçiş hali, alken ve alkin ay rılma tepkimeleri, E2 tepkimesi, 291 Sinir ileticileri, aminler, 942-943, 956-957 Sinir yalıtımı, lipitler, 1142-1143, 1170 Sinyal yarılması, nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, 373-374, 381-390 (£)-(Z) sistemi, alken ve alkin ayrılma tepki meleri, 282-283 (R-S) sistemleri: enantiyomerler, 195-200 bağ kırılması olmayan tepkimeler, 2 2 0 monosakkaritler, 1093-1094, 1095 optikçe aktiflik, 204 Stiren, endüstriyel sentezi, 693 Siyanohidrinler hidrojen siyanür, aldehitler ve ketonlar, nükleofilik katılma tepkimeleri, 743-744 hidrolizi, karboksilik asit eldesi, 821 Skoog. D. A., 77 Skualen, ve kolesterol, 939 Smalley, R. E,, 640 SNAr tepkimeleri: aril halojenürler, nükleofilik aroma tik yer değiştirme, 1033-1034 poliklorlanmış difenillerin bakteriyel dehalojenlenmesi (PCB), 1035 SN1 tepkimeleri, 243-261, 269-271, 272-273. Bkz. ayrıca Nükleofillik yer değiş tirme tepkimeleri. Sn 2 tepkimeleri. Bkz. ayrıca, Nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 307 mesilatlar ve tosilatlar, 497-498 nükleofilik ayrılma tepkimeleri E2 tepkimesine karşı, 269-271 özet, 272-273 nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 234-243 Sodyum alkinürler, alkoller, 556 Sodyum asetat. İyon-iyon kuvvetleri, 70 Sodyum benzensülfonat, alkali eritiş, fenol sentezi, 1 0 2 0 - 1 0 2 1 Sodyum nitrit, kanserojenler, N-nitrozoaminler, 968 Sola çeviren dönme, düzlem polarize ışık, enantiyomerler, 2 0 2 Solvoliz, nükleofilik yer değiştirme tepkime

leri, SN1 tepkimesi, 250-251 Sondheimer, F., 631 Son ekler, IUPAC adlandırması, 141 Sonuçların tahmini, 104-105 Soya fasulyesi, vitaminler, 529-530 sp' orbitalleri, kuantum mekaniği, 36 Spektroskopi. Bkz. ayrıca, Yüksek perfor manslı sıvı kromotografisi, İnfrared spektroskopisi; Kütle spektrometresi, Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, Ultraviyole-görünür bölge spektroskopisi alkoller, 543 tanımı, 366-367 Spin eşleşmesiz, proton NMR spektumları, hız işlemleri, 393 Spin-spin eşleşmesi, sinyal yarılması, NMR, 381-390 sp-orbitalleri, kuantum mekaniği, 37 Stereoizomerler cis-trans izomeri, 32 halkalı bileşikler, 217-219 tanımı, 185 Stereokimya, 184-228 alken katılma tepkimeleri, halojen katılması, 335-339 alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, E2 tepkimesi, 291-293 Stereomerkezler kirallik, 189, 190, 191 enantiyomerler, 196 çoklu, stereokimya, 211-215. Bkz. ayrıca Stereokimya formokoloji, 192-193 silikon, germanyum, azot bileşikleri ve sülfoksitler, 224 Stereoözgü tepkime: alkene katılma tepkimesi, halojen katılması, 337-338 enzimler, 1 2 1 2 Stereoseçimli tepkime: alfa-amino asit sentezi, 1188-1189 karbonil grubu, 537-538 sentetik stratejiler, 353 Streptomisin, karbonhidratlar, 1132, 1133 Sterik engel, nükleofilik yer değiştirme tep kimeleri, 253 Sterik etkenler, alkol sentezi, hidroborasyon, 489 Sterik etki, nükleofilik yer değiştirme tepki meleri, 253 Steroitler: adrenokortikal hormonlar, 1161-1162 biyosentezi, 937-940 kolesterol, 1157-1159 tepkimeleri, 1162, 1164-1165 seks hormonları, 1159-1161 yapı ve adlandırma, 1156-1157, 1163 Stork enamin tepkimeleri, beta-dikarbonil bi leşikleri, 904-908 Strecker sentezi, alfa amino asit sentezi, 1187-1189

Dizin Streptokokal enfeksiyon, sülfa ilaçlan (sülfanilamitler), 977 Striknin, alkaloitler, 1012-1013 Stryer, L., 598 Su çıkarma: alkollerden alken ve alkln ayrılma tepkimeleri, 29-299. Bkz., ayrıca, Alken ve alkin ayrılma tepkimeleri eter sentezleri, 503-504 amitlerden, nitriller, 841-842 enolat anyonları, aldehitler ve ketonlar aldol tepkimeleri, 777 Substrat yapısı, nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 251-254 Sukraloz, yapay tatlandırıcılar, 1122 Süksinimit, N-bromosüksinimit, allilik bromlama ile, 575-577 Sülfa ilaçlan, 977-980 temel besinler ve tarihsel bakış, 977-978 sentezi, 980 Sülfapiridin, 978 Sülfolama: benzen, 668-669 benzen halkası, tepkimeler fenoller, 1028 Sülfonamitler, sulfanil klorürler, amin tepki mesi ile, 975-977 Sulu hidroklorik asit, ter-Bütil alkol ve, 119120

Susuz çözeltiler 120, 122-123 bazlar olarak organik bileşikler, 117-129 Susuz çözücüler, asitler, ve bazlar, 120, 122123 sübstitüe olanlarının sentezi, malonik ester sentezleri, 892-895 Sübstitüe sikloheksanlar, aksiyal ve ekvatoryal hidrojen atomları, 160-163 Sübstitüent etkisi, aromatik bileşikler (tepki meler), 677-692. Bkz. ayrıca aroma tik bileşikler (tepkimeler) Süksinoilsülfatiyazol, 978 Sülfürik asit, alken katılması, 330-331 Sülfoksitler, stereokimya, 224 Sülfonatlar, alkol değişimi, 495, 498 Sülfonil klorürler, amin tepkimeleri ile, 975977 Süperoksit dismutaz, farmokoloji, 211 Süperoksit, moleküler oksijen, radikal tepki meler, 461

ş Şekerler, 1128-1130. Bkz. ayrıca Karbohidratlar amino şekerler, 1129-1130 biyolojik önemi, 1128-1129 kirallik, 192 glikozilaminler, 1129

T Taç eterler, nükleofilik yer değiştirme tepki meleri, 519-522 Tahmin: baz kuvvetleri, 103-104 sonuçlan, asitler ve bazlar, 104-105 Talidomit, 192-193 Tamalia. D. A., 874 Taramalı (CW) NMR spektrometreleri, tanı mı, 370 Taşıyıcı antibiyotikler, taç eterler, 522 Taşıyıcı iyonofer, antibiyotikler, monesin, 476-477 (+)-Karvon, 205 Taşıyıcı RNA tanımı, 1244-1245 Tatlandırıcılar, yapay, 1122-1123 Tautomerleşme aldehitler ve ketonlar aldol tepkime leri, 769-770 monosakkaritler, 1102-1103 Tay-Sachs hastalığı, sinir yalıtımı, lipitler, 1143 Tek çengelli ok, radikal tepkimeleri, 431 Tekrakloroeten, moleküller, 57 Tekrarlanma aralığı, proteinler, ikincil yapı, 1206 Temel amino asitler, tanımı, 1181, 1183 Temel besinler, sülfa ilaçları, 978-979 Temel hal karbon atomu, 24 moleküler orbital, 23 Tepe aşağı tepkime, nükleofilik yer değiştir me tepkimeleri, SN2 tepkimesi, 237 Tepe yukarı tepkime nükleofilik yer değiştirme tepkime si, 253 SN2 tepkimesi, enerji yoğunluğu, 238239 Tepkime gösterilişi, eğri oklar, 99-100 Tepkime ısıları, homolitik bağ ayrışma ener jileri, 433-435 Tepkime mekanizmaları, 91-93 Tepkimeler , 94-98 Br0 nsted-Lowry tanımı, 94-95 Lewis tanımı, 95-96 zıt yüklerin çekimi, 96-97 Yef-bütii alkol, sulu hidroklorik asit, 119120

7>r-büdl bromür, IUPAC adlandırması, 141 Ter-bütil eterler, alkollerin alkillenmesi ile sentezi, grupları koruma, 506 7 /-bütil klorur, hidroksit iyonu ile tepkime SN1 tepkimesi, 243-244 7er-bütil, dallanmış alkil grupları, IUPAC adlandırması, 139 Ter-bütilsikloheksan, aksiyal ve ekvatoryal hidrojen atomları, 163 Termal kraking, petrol saflaştırma, 131-132 Termodinamik kontrol, doymamış konjuge sistemler, konjuge dienlere elektrofilik atak, 601-603

1-25

Termofilik bakteri, enantiyoseçicilik, karbo nil grubu, 537-538 Terpenler ve terpenoitler, 1152-1155 Ters dönüşler, proteinler, ikincil yapı, 1207 Ters genetikler, oligonükleotitler, 1253 Testosteron, steroitler, 1160 Tetrakloromertensen, deniz halojen atomları, 321-322 Tetraklorametan (karbon tetraklorür), hazır lanması, 231 düzgün dörtyüzlü şekil açısal şekil, 38 kirallik kiral moleküller, düzgün dörtyüzlü şekil sahip olmayan, 224 metan, 37 kuantum mekaniği, 36 yapı teorisi, 6 üçgen piramit, 38 Tetrametilsilan (TMS), kimyasal kayma, NMR ölçüsü, 377-378 Tıbbi uygulamalar: aminler, 955-957 antibiyotikler karbohidratlar, 1132-1133 monesin 476-477 penisilinler, 844 taç eterler, 522 antikor katalizli aldol tepkimeleri, 909 barbütiratlar, 908, 910 Diels-Alder tepkimesi, 572 dietil eter, 484 5-florourasil, 877-878, 902 heparin, 1130 kalp hastalığı, kolesterol, 940-941 kalikeamisin gama, ve DNA, 429-430, 799 kaliksarenler, 1014-1015 karbonhidratlar, 1088-1089 manyetik rezonans görüntüleme, 402 nükleotitler ve nükleositler, 1235 oligonüklentitler, 1253 P53 tümör önleyici, 1199-1200 poliketit antikanser antibiyotik biyosentezi, 1018-1019 polimeraz zincir tepkimesi (PCR), 1255 prostaglandinler, 1166-1167 radikal tepkimeler, 432 salisilik asit, 1 1 0 1 sinir yalıtımı, lipitler, 1143 sülfa ilaçları (sülfenilamit), 977-980 Tiyamin, kimyası, 850 Tripsin polipeptitler ve proteinler amino asit ler dizilisi, 1195-1196 Tiroid bezi, troksin biyosentezi, 661-662, 690-691 Tiyoasetaller,aldehitler ve ketonlar, nükleofi lik katılma tepkimeleri, 737-738 Tiyofen, heterosiklik aromatik bileşikler, 642-643 Tiyol esterler, hazırlanması, 928-930

1-26

Dizin

Tiyoller, 923-927 biyokimya, 926-927 fiziksel özellikler, 925 hazırlanması, 924-925 Tiyonil klorür, alkollerle tepkimesi, alkil halojenürler Toksinler: nerotoksinler, aminler, 942-943 organometlalik bileşikler, 1075-1076 sakinleştiriciler, aminler, 956 sinir zehirleri, serin proteaz, 1 2 2 2 talidomit, 192-193 zehirlenmeler, sodyum nitrit, 968 Taksol, Dies-Alder tepkimesi, 572, 605 Tollens reaktifi, monosakkaritler, yükseltgenme tepkimeleri, 1105-1106 Tollens testi (gümüş aynası testi), aldehit ve ketonlara nükleofilik katılma tepki meleri, 752 Tosilatlar, alkol değişimi, 495-498 Trans-alkenler, sin katılma, alkinlerin hidrojenlenmesi, 311-312 Transaminleme, piridoksal fosfat (PLP), 715 Trans-dekalin, alkanlar, bisiklik ve polisiklik, 168-169 Transesterleşme, karboksilik asitler ve türev leri, 831 Transkripsiyon, haberci RNA sentezi, 1243 Transanular gerginliği, sikloalkan konformasyonu, 160 7Vans-2-büten, brom katılması, 338 Triaçilgliseroller, 1144-1152. Bkz. ayrıca yağ asitleri: Lipitler biyolojik fonksiyonu, 1147 hidrojenlenmesi, 1146-1147 sabunlaşması, 1148-1151 tanımı, 1144-1146 Triklorometan (kloroform) moleküller, 58 hazırlanması, 231 Trioz fosfat izomeraz, aldehitlerin ve keton ların aldol tepkimesi, 766-767 Tripeptitler, polipeptitler ve proteinler, 1190 Triptofan, biyokimya, 643-644 Trisakkaritler, sınıflandırılması, 1090 Tritil ayrılması, oligonükleotitler, 1253 Trityum etiketli bileşikler, döteryum etiketli bileşikler, asitler ve bazlar, 123, 124 Troksin biyosentezi, 661-662, 690-691 Türetme adlandırma, IUPAC adlandırması, 141, 142

u -u Ubikinon, tepkimeler, 1031-1032 Uç alkinler, asetilenik hidrojen atomları yerine geçme, alken ve alkin ayrılma tepki meleri, 306-307 asitliği, alken ve alkin ayrılma tepkime leri, 305-306 alkillenmesi, alkan ve sikloalkan sentezi,

172-173 Uç hidrojen atomu, alkil grupları, IUPAC adlandırması, 135-136, 138 Uç kalıntı analizi, polipeptitler ve proteinler, 1193-1195 Ultraviyole ışıması: nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, 367-370 güneş koruma, 650 Ultraviyole-görünür bölge spektroskopisi aldehit ve ketonlar, 755 aromatik bileşikler, 649 doymamış konjuge sistemler, 591-600 analitik kullanma, 599-600 görünüş, 596-598 maksimum absorpsiyon, 593-595, 599 spektrofotometre, 591-593 Uluslararası Teorik ve Uygulamalı Kimya Birliği. Bkz. IUPAC adlandırması Umpolung, polarlanmanın tersine dönmesi 1,3-ditiyanlar, alkilleme, B-dikarbonil bileşikleri, 899 Uyarılmış hal: karbon atomu, 25 moleküler orbitaller, 23 Uyumlu çevrilmeler, Claisen çevrilmesi, fe noller, 1029, 1030 Üç boyutlu yapı formülleri, 44-45 Üçgen düzlem yapı: bor triflorür, 38-39 karbokatyonlar, SN1 tepkimesi, 247 kuantum mekaniği, 36 Üçgen pramit aminler, 945-947 amonyak, 38 Üçlü, eşleşme sabiti. NMR 384 Üçüncül alkoller, 61-62 alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, dehidrasyon, 295-296 Grignard reaktifleri, 549 Üçüncül aminler alkillenmesi, nükleofilik yer değiştirme tepkimeleri, 50 hazırlanması, 960-961 nitröz asit ile tepkimeleri, 968-969 Üçüncül halojenürler, nükleofilik yer değiş tirme ve ayrılma tepkimeleri SN1 tepkimesine karşın El tepkimesi, 269-271 Üçüncül karbon atomu, alkil halojenürler, 60 Üçüncül yapı, proteinler, 1 2 1 1 Üranik asitler, biyolojik önemi, 1128 Üretanlar (karbamitler), karbonik asit türev leri, 846-848 V

van der Waals kuvvetleri: karbon bileşikleri, 73-74 konformasyon analizi, 152-153 yağ asitleri, 1146

sübstitüe sikloheksan, aksiyal ve ekvatoryal hidrojen atomları, 162 van’t Hoff. J. H„ 6 , 37, 151, 190, 193, 194, 223 Vigneaud, Vincent du, 1198 Vinil grubu, halojen atom, 230 Vinilik alkoller, keton sentezi, alkinler, 723 Vinilik anyon, alken ve alkin ayrılma tepki meleri, alkinlerin hidrojenlenmesi, 312 Vinilik halojenürler: halojen atomu, 230 etkin olmaması, 264 Vinilik radikal, alken ve alkin ayrılma tepki meleri, alkinlerin hidrojenlenmesi, 312 Vitalizm, tarihsel bakış, 3-4 Vitamin A Claisen-Schmidt tepkimeleri, 784 doymamış konjuge sistemler, spektroskopi, 597 Vitamin B, (tiyamin), kimyası, 850 Vitamin B12: Dies-Alder tepkimesi, 572 geçiş metalli organometalik bileşikler, 1086-1087 Vitamin B6, Pridoksal fosfat (PLP), 714-715 Vitamin C, Laktonlar, 835 Vitamin K|, 1031 Vitaminler: aminler, 956 antioksidantlar, radikalik tepkimeler, 463 koenzim NADH, 529-530 yağ yerini alanlar, 1148 organik, 4 tiyamin, 850 Vasopressin, polipeptit ve protein, birincil yapı, 1196-1198

w Wald, George, 596 Watson. J. D.. 1237, 1238, 1243 Webster. F. X., 420 Wheland. G. W„ 115 Whitesides. G. M., 556 Whitmore. F., 295 Wieland, Heinrich, 1157-1158 Wilkins. Maurice, 1237 Williamson sentezleri: eter sentezi, 504-506 fenoller, 1026 Willstater, Richard, 625 Windaus. Adolf, 1157-1158 Witting tepkimesi, yilürler, aldehitler ve ke tonlar nükleofilik katılma tepkimele ri, 745-749 Wolff-Kishner indirgenmesi: hidrazonlar, aldehitler ve ketonlar, nükleofillik katılma tepkimeleri, 739741

Dizin tiyoasetaller, aldehitler ve ketonlar nükleofillik katılma tepkimeleri, 737 Woods. D. D., 978 Woodward. R. B., 572, 1057, 1086 Woodward-Hoffman kuralı, elektrosiklik tepkimeler, 1057-1058, 1063 Warren, J. C., 484 Su asitler ve bazlar, çözücü etkileri, 117 çözünürlük kılavuzu, karbon bileşikleri, 76 değerlik kabuğu elektron çifti itme (VSEPR) teorisi, 38 hidroliz, kiral moleküllerin sentezi, 209210

katılma, alkenlere, asit katalizli hidrasyon, 331-333 Wohler. Fisedrich, 3-4, 53, 178

X X-ışıması kristalografisi: deoksiribonükleik asit (DNA), 1237 proteinler, ikincil yapı, 1206 sikloalkan konformasyonları, 160

Y Yağ asitleri, 1144-1152. Bkz. ayrıca Lipitler; Triaçilgliseroller biyosentezleri, 930-934 hidrojenlenmesi, gıda sanayii, 308 hücre zarı akışkanlığı, 281-282 tanımı, 1144-1146 tepkimeleri, 1151-1152 yaygın şekilleri, 1145 Yağlar, tanımı, 1144 Yan zincir tepkimeleri: halojenleme, aromatik bileşiklerin tepki meleri, 692-696 yükseltgenme, aromatik bileşiklerin tep kimeleri, 697-698 Yanma ısıları alken ve alkin ayrılma tepkimeleri, 285286 sikloalkanler, 153-155 Yapay tatlandırıclar, 1122-1123 Yapı formülleri, 40-45 bağ-çizgi formülleri, 43-44 çizgi formülleri halkalı moleküller, 43 nokta yapısı, 40-41 sıkışık, 42 üç boyutlu, 44-45 Yapı izomerleri alkanlar, 133-134 tanımı, 6 , 185 Yapı teorisi, 4-8 açıklaması, 4-5 düzgün dörtyüzlü şekil, 6

izomerler, 5-6 Lewis yapıları, yazılması, 910-911 Yapı ve asitlik, 106-109 indüktif etkiler, 109 melezleşme etkileri, 108-109 Yarı-asetaller: aldehitler ve ketonlar, nükleofilik katıl ma tepkimeleri, 730-733 karbohidratlar, 1090 Yarı-ketaller, aldehitler ve ketonlar,nükleofi lik katılma tepkimeleri, 731 Yarışan inhibitörler, enzimler, 1213 Yaşlanma süreci, radikal tepkimeleri, 432 Yeğlenmeyen entropi değişimi, çözünürlük, 71 Yer değiştirme tepkimeleri: Bkz. ayrıca, Nükleofilik yer değiştirme tepkime leri; SNAr tepkimesi SN2 tepkimesi, SN1 tepkimesi asitler ve bazlar, 91 elektrofilik, heterosiklik aminler, 9981002

nükleofilik, 231-232 Yer seçimli tepkimeler: alkin katılma tepkimeleri, hidrojen halojenürler, 349 lityum enolat, aldehitler ve ketonlar aldol tepkimeleri, 788-789 Markovnikov kuralı, 329 Yer seçimlilik, bromonyum iyonları, 340341 Yerine geçme adlandırması, eterler, 479-480 Yilürler, aldehitler ve ketonlar nükleofillik katılma tepkimeleri, 745-749 Yoğunluk, alkanlar, fiziksel özellikler, 149 Yönlendirilmiş aldol tepkimeleri, lityum enolatlar, 789-791 Yönlendirme teorisi, aromatik bileşik tepki meleri, 682-683 Yüksek ayırma güçlü kütle spektrometri, 412-413 Yüksek performans sıvı kromatografisi (HPLC): konfuge doymamış sistemler, 599 enantiyomerler, 954 enantiyomer ayrılması, 223-224 Yüksek sıcaklık, allilik klorlama, konjuge doymamış sistemler, 573-575 Yüksek alan; karbon-13-NMR spektroskopisi, 394 Yükseltgemeli yarılma alkenlerin alken katılma tepkimeleri, 346-348 alkinlerin alkin katılma tepkimeleri, 350 Yükseltgenme: aldehitler ve ketonlar, nükleofilik katılma tepkimeleri, 750-752 aminler, 966 benzen halkası aromatik bileşiklerin tep-

1-27

kimeleri, 698 karboksilli asitlerin sentezi, 820-821 hidrokinon, kinonlar, 1030-1032 monosakkaritler, 1104-1110 oligonükleotitler, 1253 birincil alkoller, aldehit sentezleri, 719 yan zincir tepkimeleri, aromatik bileşik lerin tepkimeleri, 697-698 Yükseltgenme-hidroborasyon, alkol sentezle ri, 490-493 Yükseltgenme-indirgenme tepkimeleri, 531, 532-543 alkollerin yükseltgenmesi, 538-544 birincil ve ikinci alkoller için kim yasal testler, 542-543 birincil alkollerden aldehitler, 538539 kromat yükseltgenme tepkimeleri, 540-542 birincil alkollerden karboksilli asit ler, 539 ikincil alkollerden ketonlar, 539-540 alkoller için spektroskopik kanıtlar, 543 özet, 559-560 karbonil bileşikleri, indirgenmele riyle alkoller, 533-535 karbonil grubu, 591 tanımı, 532-533 nükleofilik ayrılma tepkimeleri, dehidrohalojenleme, 266 Yüksüz polar taraflı zincirler, proteinler, ikincil yapı, 1 2 1 0

Zaitsev kuralı: alkil halojenürlerin dehidrohalojenlenmesi, 288-290 aminler, amonyum bileşiklerini içeren ayrılmalar, 982 karbokatyon kararlılığı ve moleküler çevrilmeler, ikincil alkoller, 300 ikiz iyonlar, amino asitler, 1183-1185 istisnalar, 290-291 Zaitsev. A. N., 290 Zatürre, sülfopiridin, 978 2-Feniletilaminler, aminler, 955-956 Zıt yüklerin çekimi, asitler ve bazlar, 96-97 Zincir gelişme polimeri, 469-475 örnekleri, 469-473 radikal tepkimleri, 458-460 stereokimyası, 473-475 Zincir konformasyonu, sikloheksan, 158159, 160-161, 166 Zincir-büyükme polimerleri, 469-475 örnekleri, 469-473 radikal tepkimeleri, 458-460 stereokimyası, 473-475

O R G A N İK B İL E ŞİK L E R İN Ö N E M L İ A İL E L E R İ Aile Alken

Alkin

/ C= C / \

—c = c —

Alkan

C— H

Fonksiyonel ve Grup c —C

\

Aromatik Haloalkan

Alkol

Eter

Aromatik Halka

1 .. — c —X: 1 "

—Ç — ÖH

1 1 — c — 0 —c — 1 1

ArH

RX

ROH

ROR'

CH,CH2C1

CH?CH2OH

CH3OCH3

Kloroetan

Etanol

Metoksimetan

Etil klorür

Etil alkol

Dimetil eter

bağlan

rch = ch2

Genel Formül

RH

Özel Örnek

CH3CH3

h 2c = c h 2

X u III u X

IUPAC Adı

Etan

Eten

Etin

Benzen

Yaygın Adı

Et an

Etilen

Asetilen

Benzen

RCH = CHR R,C=CHR R2C = CR2

RC=CH R C =C R '

Amin

.. — c — N— 1

1

Aldehit

Keton

•çi li

Ö'

1

Aile Karboksilik Asit '0 ' I

l/C —C

c—

1

1

1

Ester

Amit

'0*

- C-ÖH

0—

1

‘Ö* I

Nitril

— C= N:

C—

"

1

1

0

rnh 7

R.NH R3N

0

I RCH veya RCHO

0

0

0

I RCR' veya RCOH veya RCOR' RCOOH veya rco2h

RCNH-,

0

0

RCOR' veya RCOOR' veya RCO:R'

RCNHR'

RCN

0

RCNR'R"

0

0

CH,COH (CH3C02H)

ch ,coch 3 (CH3C02CH3)

ch 3cnh , (CH3CONH2)

CH,C=N

0

0

ch 3nh 2

CH3CH (CH3CHO)

I CH3CCH3 (CH3COCH3)

Metanamin

Etanal

Propanon

Etanoik Asit

Metil etanoat

Etanamit

Etannitril

Metilamin

Asetaldehit

Aseton

Asetik Asit

Metil asetat

Asetamit

Asetonitril

I

PROTON KİMYASAL KAYMALARI (YAKLAŞIK) PROTON TÜRÜ KİMYASAL KAYMA, 8 (ppm) 1

Ka rbo n -13 Kİmyasal Kaym alari (yakla şik ) Karbo n A tom u T ürü

1° Alkil, RCH, 2° Alkil, RCH:R 3° Alkil, R,CH Allilik. R ,C = C — CH, I R Benzilik, ArCH-, Alkil klorür, RCH2C1 Alkil bromür, RCH2Br Alkil İyodür, RCH4 Eter, ROCH2R Alkol, HOCH2R Keton. RCCH, II

0 .8 - 1 .0

1° Alkil. RCH, 2° Alkil. RCH2R 3° Alkil, RCHR2

Aldehit, RCH II

9.5-9 .6

1.2-1.4 1 .4— 1.7 1 .6 -1.9 2.2-2.5 3.6-3 .8 3.4-3 .6 3.1-3.3 3.3-3.9 3.3-4.0 2 . 1- 2 . 6

•

KİMYASAL KAYMA, 8 (ppm) 0-40 10-50 15-50

1 / | \ Alkil halojenür veya amin, — C — X\X = Cl, Br, veya N —/

10-65

1 1

Alkol veya eter. — C — O

50-90

1 Alkin, — C = Alken,

o

Arii,

\

60-90

C=

100-170

(Q )~

100-170

/

0

Vinilik, R ,C = C H , Vinilik. R X = C H I1 R Aromatik, ArH Asetilenik, R C = C Alkol hidroksili, ROH Karboksilik. RCOH II

4.6-5.0 52-5.1 6.0-9.5 2.5-3.1 0 .5-6.0" 10-13"

0

Fenolik, ArOH Amino, R— NH2

A.5-1.T 1.0-5.0"

"B u protonların kimyasal kaymaları farklı çözücülerde ve sıcaklık ve derişimle değişir.

Nitriller, — C = N

120-130

O II 1 Amitler, — C — N —

150-180

O II Kafboksilik asitler, esterler, — C — O

160-185

O Aldehitler, ketonlar— C —

182-215

Organik Bakış C D ’si r ^ *\

O rga n ik kim yadaki temel kavram ları canlandırabilm eleri ve anlam aları am acıyla öğren-

Ww

çilere, bu kitapla birlikte yard ım cı bir C D verilmiştir.

1. KAVRAMA ÜNİTELERİ Organik Bakış CD'si, bilgisayar grafikleriyle ve canlandırmalarla işitsel ve görsel olarak, organik kimyadaki temel anahtar konuların anlaşılmasında yardımcı olmak amacıyla verilmiştir. Bazıları canlandırılmış 50 adet 3D "Kavram Ünitesi" aşağıdakilerin anlatılması na yardımcı olabilir: • maddenin tanecik (mikroskopik) görünüşü, • karmaşık üç boyutlu yapı ve ilişkileri, • dinamik işlemler. Aşağıdaki konulara özel olarak ağırlık verilmiştir: • atomik ve moleküler orbitaller ve kimyasal bağlanma. • stereokimya (3 boyutlu yapı) ve konformasyon (molekül şekilleri), • moleküller arası kuvvetler ve fiziksel özellikler, • organik tepkimeler ve tepkime mekanizmaları, • karmaşık biyokimyasal moleküler yapılar. 2. CANLANDIRMALI GRAFİKLER Organik Bakış CD'si. 60’tan fazla canlandırılmış sunuş ve diğer özel ders grafikleri ve yapılarla birlikte ilgi çekici bir çok molekülün 3 boyutlu filmlerini de içe rir (örneğin doymuş bir yağ molekülü ya da bir taç eterle kompleksleşme). O rg a n ik K im ya, 7. Baskıda, moleküllerin renkli grafikleri 3 boyutlu şekilde verilmiştir ve bu grafikler, Cray Fryhte tarafından hazırlanan Spartan® kuantum mekaniği hesaplamaları yazılımı esas alınarak hazırlanmıştır. Moleküler orbitaller, yüzeylerdeki elektron yoğunluğu ve elektrostatik potan siyel değişimlerinin doğru olarak yeni grafik gösterimlerle sunulması bu baskıya çok yüksek seviye de bilimsel yenilik getirmiştir. 3. 3 BO Y U TLU MODELLER 400'den fazla 3 boyutlu molekül modeli Organik Bakış CD’sin de mevcuttur. Bunlar metinde bahsedildikleri yerlere ilişkilendirilmiştir. Bunlar, çok bilinen Rasmol® bilimsel görselleştirici yazılımları kullanarak (yazar Roger Sayle'iıı izniyle) öğrenci araştırmaları için otomatik olarak açılmaktadır. Yazılım ve özel model dosyaları, çeşitli modellerle ilgili (zincir yapısı, tüp. top-çubuk, uzay dol durma modelleri) özel renk şemaları, öğrencilere molekülleri ayırt edebilme ve biyomolekiiller arasın da seçim yapabilme (omurga, sarmal yapı, şerit) imkanını sağlar. 4. BİRBİRİYLE BAĞLANTILI ALIŞTIRMALAR 3 Boyutlu modeller çeşitli şekillerde işlene bilir. Birbiriyle bağlantılı 20 alıştırma kullanılarak, molekül yapıları, stereokimya ve konformasyon esasları üzerinde öğrencilere yapıyla ilgili dersler verilebilir. (Bu türde daha fazla alıştırma yapmak isteyen öğrenciler, CD’de ayrı bir yerde "Alıştırmalar" olarak verilen bir bölümden 3 boyutlu Model Alıştırma Kılavuzuna ulaşabilirler.) 5. ALIŞTIRMA/TEKRAR Tekrar için yeni kaynaklar (intemettten ulaşılabilir), birbiriyle bağlan tılı çalışmalar için Gerekli Yardımlar ve Dersler de ilave edilmiştir. Bu kısım, öğrencilere, bu derste başarılı olabilmeleri için kendilerine gerekli olan becerileri denemede yardımcı olması amacıyla dü zenlenmiştir. Bu kısım, öğrencilerin, kimyasal dönüşümler için yapıları ve reaktifleri canlandırabilmeleri ve yazabilmeleri, tepkimelerdeki temel kalıpları uygulayarak ana ürünleri tahmin edebilmeleri veya gerekli başlangıç maddelerini ve organik tepkimelerin mekanizmalarım bulabilmeleri için düzenlen miştir. 6 . İR ÖĞRETİCİSİ Organik Bakış CD’sinde önemli bir İR öğretici yazılımı da yer almaktadır. Bu yazılım. Organik Kimya 7. Baskıdaki spektroskopik kavramları değerlendirmedeki gelişmeleri des teklemede yardımcı olur. İR öğreticisi, infrared spektroskopisiyle ilgili teorik canlandırmalar sunar ve öğrencilere İR spektroskopisi ile ilgili alıştırmaları yapmalarını sağlar, ayrıca bazı bileşiklerin İR spektrumlarını verir. Gösterimli spektrum. bir pik üzerinde sabitleme yapıldığında (hareket dondurulduğun da) titreşim hareketini, titreşim düzenlenmesini ve canlandırılmasını beraberce gösterir. Öğrenciler de kolayca karşılaştırmalar yapabilir ve bir infrared spekturumunu hızlı bir şekilde analiz edebilme yeteniği kazanırlar.

ORGANIK KİMYA 7.

B a s ı m d a n

Ç e v i r i

T. W. Graham Solomons U n iv e rsity o f S o u th F lo rid a

Craig B. Fryhle P a c ific L u th e r a n U n iv e rsity

ORGANIK KİMYA 7.

B a s ı m d a n

Ç e v i r i

T . W . G r a h a m S o lo m o n s U n iv e rsity o f S o u th F lo rid a

C r a ig B . F r y h le P a c ific L u th e r a n U n iv e rsity

Ç e v ir i E d i t ö r l e r i :

G ü ro l O k a y

Hacettepe Üniversitesi

Y ılm a z Y ıld ır ır

G a zi Üniversitesi

Ç e v ir i K u r u l u :

Ahmet Akar, Prof. Dr. Hüseyin Anıl, Prof. Dr. Orhan Bilgiç, Prof. Dr. Sevim Bilgiç, Prof. Dr. Necdet Coşkun, Prof. Dr. İsmail Gümrükçüoğlu, Prof. Dr. İbrahim Karataş, Prof. Dr. Gürol Okay, Prof. Dr. Atilla Öktemer, Prof. Dr. Refik Özkan, Prof. Dr. Haşan Seçen, Prof. Dr. Mustafa Toprak, Prof. Dr. Tahsin Uyar, Prof. Dr. Nurettin Yaylı, Prof. Dr. Mustafa Yılmaz, Prof. Dr. Yılmaz Yıldırır, Prof. Dr. Ayşe Yusufoğlu, Prof. Dr.

İstanbul Teknik Üniversitesi Ege Üniversitesi, İzmir Osmangazi Üniversitesi, Eskişehir Osnıangazi Üniversitesi, Eskişehir Uludağ Üniversitesi, Bursa 19 Mayıs Üniversitesi, Samsun Selçuk Üniversitesi, Konya Hacettepe Üniversitesi, Ankara Ankara Üniversitesi Cumhuriyet Üniversitesi, Sivas Atatürk Üniversitesi, Erzurum Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir Gazi Üniversitesi, Ankara Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon Selçuk Üniversitesi, Konya Gazi Üniversitesi, Ankara İstanbul Üniversitesi

Literatür Yayınları: 84

Organic Chemsty Seventh Edition T. W. Graham Solomons - Craig B. Fryhle

Organik Kimya Yedinci Basımdan Çeviri T. W. Graham Solomons - Craig B. Fryhle Çeviri Editörleri: Gürol Okay - Yılmaz Yıldırır Genel Yayın Yönetmeni: Kenan Kocatürk Dizayn: Emel Atik - Hanife Dinler Dizgi: Gurur Çetinkaya Baskı: Mart Matbaacılık

ISBN: 975-8431-87-0

Copyright © 2000 John Willey & Sons, Inc. All rights reserved. Authorized translation from the English language edition published by John Wiley & Sons, Inc. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, scanning or otherwise. Copyright © 2002 Literatür: Yayıncılık Bu kitabın Türkçe yayın haklan Literatür Yayıncılık, Dağıtım, Pazarlama, San. ve Tic. Ltd. Şti.’ne aittir. Kitabın tamamı veya bir bölümü hiçbir biçimde çoğaltılamaz, dağıtılamaz, yeniden elde edilmek üzere saklanamaz.

LİTERATÜR: YAYINCILIK, DAĞITIM, PAZARLAMA, SANAYİ VE TİCARET LTD. ŞTİ. İstiklal Caddesi, No: 133 Kat: 1-2 Tr-80071 Beyoğlu, İstanbul, Türkiye T 0(212) 292 41 2 0 F 0(212) 245 5987 E [email protected] W literaturkitabevi.com.tr

VI

H e r y e n i baskıda oldu ğu g ib i sadece tek b ir amaç va rd ır: organ ik kim yan ın k o n u la rın ı öğrencilere ve kitaba lâyık b ir şekilde a n la şılır biçimde ortaya koymak.

D

üzenlem e

O rg a n ik kim yaya yaklaşım ım ızda a n a tem am ız y ap ı ve e tk in lik ara s ın d a k i iliş k iy i vurg u lam ak tır. B u n u başarm ak için ; geleneksel yaklaşım olan fo n k s iy o n el g ru p la rın ın ö ze llik le rin i, tepkim e m ek a n izm a la rıy la birleştirm e yo lu n u esas o la ra k aldık. B izim fe ls e fe m iz m eka n izm a la rı vu rgulam ak ve m üm kün olduğu k a d a r yaygın ve sık o la ra k b u n la rı verm ek, aynı za m anda birçok bölüm ün esası o la ra k fo n k s iy o n e l g ru p la rın birle ş tiric i ö z e llik le rin i k u lla n m a k tır. P lâ n lam am ızd a a n a tema, öğrencilere o rg a n ik k im y an ın ne olduğunu öğretm ektir. M e k a n izm a y a k la ş ı m ım ız ise olayın n asıl gerçekleştiğini öğrencilere gösterm ektir. F ırs a t oldukça bu o la y la rın c a n lıla rd a ve çevrem izdeki fiz ik s e l o layla rda da olduğunu gös term ektir.

Öğrenciler için en önemli olanı, yapıyı-melezleşme ve geometrisini, sterik önlemeyi, elektronegatifliği, polarlığı, formal yük kavramını tam olarak anlamak, böylece mekanizmaların nasıl olacağını sezebilmek, yani fikir yü rütebilmektir. Bölüm 1 ve Bölüm 2’de bu başlıklarla baş layıp önemli fonksiyonel grupları ve bu yeni baskıda İR spektroskopisini veriyoruz. Ayrıca yeni olarak, öğrenci lerin yapılan anlamalarını kolaylaştırmak amacıyla kitap boyunca elektron yoğunluk yüzey modelleri ve elektro statik potansiyel haritaları ekledik.

vii

Mekanizma ile ilgili çalışmalanmıza Bölüm 3’te asitbaz kimyasıyla başlayacağız. Çünkü asit-baz tepkimele ri temeldir. Konuyu Lewis asit-baz teorisiyle ele aldığımızda organik kimyada tepkime mekanizmalarının temelinin asit baz tepkimeleri olduğu görülür. Ayrıca asit-baz tepkimeleri oldukça basittir ve öğrenciler de bu tepkimelere oldukça alışkındır. Asit-baz tepkimeleri der sin başında öğrencinin bilmek ihtiyacı duyduğu birkaç önemli konunun girişine de uygundur: (1) tepkimeyi gös termede kullanılan eğri oklar, (2) serbest enerjiyle denge sabiti arasındaki ilişki, (3) entalpi ve entropi değişimle rinin denge kontrollü tepkimeleri nasıl etkilediği ve (4) indüktif, rezonans ve çözücü etkilerinin önemi. Bölüm 3’te, “Tepkim e için B ir M e k a n izm a " adlı kutulardan il kini vererek öğrenciye organik kimyanın nasıl işlediğini göstermeye başlayacağız. Kitap boyunca bu kutular dik kat çekici kısımlardır ve önemli tepkime mekanizmaları nın ayrıntılarına burada yer verilmiştir. Kitap boyunca organik kimyanın ne olduğunu göster mek için çeşitli fırsatlar kullandık. Öğrencilerin; hayatta ve dünyamızda, çevremizde cereyan eden olayların orga nik kimyayı içerdiğini anlamaya başlamasıyla, derse olan ilgileri ve dersin cazibesi artacaktır. Gerçek dünyamızda cereyan eden gerçek uygulamaları, bölümlerde giriş kı sımlarında yer alan " ... Kimyası" kısımları içerisinde ve rerek organik kimyanın hayatımızdaki yerini gerek biyolojik kavramlarla gerekse çevremizdeki fiziksel olgu larla göstermeye çalıştık.

Vİİİ

Önsöz

Y E D İN C İ B A S K ID A Y E N İ A N A H T A R Ö Z E L L İK L E R Bu baskıda birçok değişiklik bulunmaktadır, bunlardan en önemlileri: • Öğrencilerin ilgisini arttırmak için bölüm girişlerinde verilen açılış sunuşları • Elektrostatik potansiyel haritaları ve elektron yoğunluk yüzey modelleri-kuvvetli yeni eğitim • Orbital melezleşmesi ve yapıya yeni bir bakış • Öğrenme Grubu Problemleri, kavramlara aktif katılım ve gözlemle öğrenme için fırsatlar • Organik sentez ve retrosentetik analize yeni bir bakış • Gerçek yaşadığımız dünyada kimya ve biyolojiye "...Kimyası" kutularıyla dikkat çekme • Bazı özel konulara ana görüşler • Spektroskopiye erken giriş • Öğrenmede dikkatimizi anahtar araçlara ve ipuçlarına çeken eğitsel işaretler • Teknolojiye dayalı CD ile öğrenim—Spartan ve .pdb (Protein Verileri Bankası) formatlarında molekül modelleri, tepkime canlandırmaları ve öğretme grafikleri • Fakülteye ve öğrencilere destek için web sayfası

Bölüm Açılış Sunuşları Konuyu ilginç bulan öğrenciler öğrenmek için motive olurlar. Bu fikir bu ki tabın ilk baskısından itibaren başarılı olmasında önemli olmuştur ve bu bas kıda yeni bir şekilde daha önemli hale getirilmiştir: Her bölümün başındaki açılışlarla, öğrencilere konularla gerçek dünyadaki uygulamalar arasında na sıl bir ilişki olduğunu göstermek amaçlanmıştır. Konuların biyokimyadaki, tıptaki ve çevremizde önemiyle ilgili örnekler verilmiştir. Örneğin Bölüm 2, fonksiyonel grupla rı içermektedir ve bazı fonksiyonel grupların bir HIV proteaz inhibitörü olan Crixivan®’ın etki mekanizmasıyla ilişkisini göstermek için bir makaleyle başlar. Bölüm 3, asit-baz kimyası üzerinedir ve karbonik anhidraz enziminin, enzim mekanizmasında asit-baz tepkimelerinin nasıl oluşarak, kanın asitliğini düzenlediğini açıklayan bir ya zıyla başlar. 4. Bölüm kaslardaki aktin proteininde karbon-karbon birli bağı etrafında ki dönmelerle ilgili bir yazıyla başlar. Bu bölüm konformasyon analizleri üzerine ağırlık verir. Diğer bölümlerde de aynı tür ilgi çekici giriş yazıları vardır.

Yapı ve Etkinlikle İlgili Te m e l Kuralları Gösteren Elektrostatik Potansiyel Haritaları Öğrencilerin organik kimyada uygulayabilecekleri önemli kavramlardan ikisi zıt yükle rin birbirini çektiği, yük dağılımının (delokalizasyon) ise kararlılık etkisi yarattığıdm Kim yacılar olarak, kimyasal tepkimelerin zıt yüklerin birbirini çekmesi sonucu meydana geldiğini biliriz. Tepkimelerin, tepkimelerde oluşan ara ürünlerin kararlılıklarının artma sı veya azalmasına bağlı olarak desteklendiğini (yeğlendiğini) veya desteklenmediğini de biliriz. Bu eğitimi daha yararlı hale getirmek amacıyla, molekül veya iyondaki çeşitli böl gelerdeki yük dağılımını göstermek için molekülün van der Waals yüzeyini renkli göste ren elektrostatik potansiyel haritaları kullandık. Örneğin, organik kimyada çok önemli olan Brpnsted-Lowry ve Lewis asit-baz tepki melerini anlatmak için, yük dağılımının asitin etkinliğini ve konjuge bazın bağıl kararlı lığını nasıl etkilediğini göstermek amacıyla, hesaplanmış elektrostatik potansiyel haritaları geliştirilmiştir (asitler ve bazlar üzerine). Bu yeni grafikler yük ayrımım, toplanmasını ve

Önsöz

dağılımını göstermede çok yardımcı olur. Bu bölümdeki diğer örnekler, uç alkinlerin asitliğinin ve etoksit anyonunkine karşı asetat anyonundaki yük dağılımları ile bor triflorür ile amonyağın Lewis asit-baz tepkimesindeki yük dağılımlarının gösterimleridir. Asimetrik bromonyum iyonunun ve protonlanmış asimetrik epoksitlerin bağıl yük da ğılımlarını göstermek, elektrofilik aromatik yer değiştirmede arenyum iyonu ara ürünle rinin bağıl kararlılıklarını karşılaştırmak, karbonil grubunun elektrofilik yapısını göstermek, nükleofiller ve elektrofiller üzerindeki tamamlayıcı yüklere dikkat çekmek için de elektrostatik potansiyel haritaları kullandık. Ayrıca bölüm kutularının ilkinde bir reaktifin LUMO’suyla diğer reaktifin HOMCTsunun tepkimelerde ne denli önemli oldu ğunu gösterdik. Bu kitapta, Spartan® yazılımı kullanarak kuantum mekaniği yöntemiyle elektron yo ğunluk yüzey modelleri ve elektrostatik potansiyel haritaları hazırladık. Molekülleri kar şılaştırmada, aynı serideki aynı yüke sahip molekülleri ele alarak yapılan karşılaştırmaların daha doğru ve anlamlı olduğunu kanıtlamak istedik. Yapılarda, sadece yüksek enerjili konformasyonların istendiği durumlar dışrnda en az enerjili olanlar alındı. Bu kitapta kullandığımız hesaplanmış yapıların çoğu ile ilgili veri dosyaları CD’de verilmiştir ve bunlar, Spartan yazılımı kullanılarak üç boyutlu olarak işlenebilir ve ince lenebilir. Bir çok molekül yapıları .pdb formatında Rasmol veya Chime ile gözlemek için verilmiştir. CD ikonu, CD’de veri dosyası olan bir yapıyı belirtir.

IX

Şekil 3.9 Asetat ve etoksit anyonu.

Orbital Melezleşmesi ve Organik Moleküllerin Yapıları Bu baskıda orbital melezleşmesinin tüm yönlerini göstermek için or ganik moleküller seçtik. Melezleşmeyi: sp* melezleşmesini göstermek için metanla başladık. Hemen sp2 melezleşmesi için etene ve sonra sında da sp melezleşmesi için etine geçtik. (Önceki baskıda sp2 ve sp melezleşmelerini göstermek için sırasıyla BF2 ve BeH2’yi kullanmış tık.) Doğrudan doğruya organik moleküllere ağırlık vermek üzere bu değişikliği yaptık. Böylece orbital melezleşmesine iki bölümde yer vermek yerine sade ce bir bölümle sınırlama imkanımız oldu. Tartışmalarımızın VSEPR teorisi kısmında ör nek olarak halen BF, ve BeH2 yer almaktadır. Ancak ağırlık organik moleküller üzerindedir ve bu moleküllerin orbital melezleşmeleriyle şekilleri arasındaki ilişki ve ge ometrilerinin anlaşılmasına önem verilmektedir. Ayrıca, bağ elektronlarının yoğunluk böl gelerini ve örnek olarak alman moleküllerin molekül şekillerini (van der Waals yüzeyini) göstermek için, hesaplanmış elektron yoğunluğu yüzeylerini kullandık.

Şekil 1.18 Etanın yapısı

Fiziksel ve Bilgisayar Molekül Modelleri Öğrenmede teknolojiyi en fazla öneren kişiler olmamıza karşın, öğrencilerin yapıları öğ renmesinde. elle kullanılan molekül modelleri, bilgisayar molekül modelleri için temel tamamlayıcıdırlar. Gerçekten yapıyla ilgili bazı durumlar en iyi şekilde fiziksel molekül modeller kullanılarak öğrenilir. Bu bakımdan Çalışma Kılavuzu nun ilgili bölümlerine elle kullanılan 31 model ilave ettik. Molekül modelleri seti kitaptan ayrı bir ek fiyatla satılmaktadır. Lütfen Wiley temsilcisine, ayrıntılar için başvurunuz. Kitapta bazı yerler de kenarda yazılı notlar kullandık. Bu notların verilmesindeki amaç, öğrencilere, bazı noktalarda çalışmalarını kolaylaştırmak için elle kullanılan molekül modelleri kullanma larını tavsiye etmekti. Bunun için dikkatlerini CD'deki bilgisayar molekül modellerine çekmek üzere CD ikonları kullandık. Kavramlara Aktif Katılma

Öğrenmede, öğrencilerin aktif ve beraber katılımını sağlamak amacıyla her bir bölümün sonunda öğrencilerin küçük "Öğrenme Grupları" içinde çözmeleri için problemler dii-

Ö ğrenme G rubu PROBLEMLERİ

X

Önsöz z e n l e n m i ş t ir . H e r b i r p r o b l e m , Ö ğ r e n m e G r u b u P r o b l e m i ( Ö G P ) d e n ir , k a v r a m l a r ı b ü t ü n le r v e ö ğ r e n c il e r in t a m b i r ç ö z ü m e u la ş m a la r ı iç in o b ö l ü m d e k i b i l g i l e r i t o p l a m a l a r ı n ı g e r e k t i r i r . B u p r o b l e m l e r s ın ıf t a v e y a s ı n ı f d ış ın d a , is te ğ e b a ğ lı o la r a k d ö r t - a l t ı k i ş i l i k g r u p l a r l a ç a l ış ı l a b i l ir . Ö ğ r e n m e G r u b u P r o b l e m l e r i , ö ğ r e n c ile r e d a h a ö n c e k i b ö l ü m l e r d e n ö ğ r e n d ik l e r i n i b i r a r a y a g e t i r m e le r i v e b u b i l g i l e r i d a h a ö n c e ö ğ r e n d ik l e r i f ik ir l e r l e b ir le ş t ir m e le r i i ç in y a r a r l ı, s o n u c a u la ş t ır ıc ı b i r e t k in l i k t ir .

Öğrenci Liderliğiyle Öğretme Ö ğ r e n m e G r u b u P r o b l e m l e r i n i n y a p ıs ı, iz l e y e n l e r e d e o r g a n ik k i m y a y ı ö ğ r e t m e k iç in y a r a r lı o la b i le c e k b i r ş e k ild e d ü z e n l e n m iş t i r . P r o b l e m l e r in ç ö z ü m l e r i h e r b ir b ö l ü m d e n ç e ş it li ö n e m l i k a v r a m l a r ı o r t a y a k o y a c a ğ ı iç i n , Ö ğ r e n m e G r u b u P r o b l e m l e r i n i n s ın ıf t a ç a l ış ı l m a s ı o g ü n s ın ıf t a ö ğ r e n m e u y a r ıc ıs ı g ö r e v i y a p a b il i r . B u y o l l a ö ğ r e n c il e r ö ğ r e t m e y o l u y l a ö ğ r e n m e iç in k u v v e t l i b i r d e n e y im k a z a n a b i l ir l e r ( b i z ö ğ r e t m e n le r in i l k e l d e n b i l d i k l e r i m ü k e m m e l b i r d e n e y i m ) . Ö ğ r e t m e n , ö ğ r e n c i s u n u m l a r ı m s r n ıf ın b ir u c u n d a n i z l e y e b i l i r v e b ö y le c e t ü m is t e n e n f i k i r l e r i n o r t a y a k o n u p k o n m a d ı ğ ı n ı v e a ç ık ç a t a r t ış ı lıp t a r t ış ıl m a d ığ ın ı g ö r e b i l i r . Ö ğ r e n m e g r u b u s u n u ş la r ın ı iç e r e n s ı n ı f d ü z e n l e m e l e r i iç in a y r ı n t ı l ı ö n e r i le r , b u k it a b ı k u lla n a n e ğ it ic ile r e b il g i l e r l e b e r a b e r s u n u lm a k t a d ı r .

Rentrosentetik Analizlere ve Organik Sentezlere Giriş için Yeni Bir Düzenlem e O r g a n i k s e n te z v e r e tr o s e n t e t ik a n a liz e ( B ö l ü m 4 ) g i r iş iç in b i r a r a ç o la r a k , b u b a s k ıd a a l k i n ü r i y o n l a r ı

H -C 5 C :

+

S' 8 H3C -Ç I:

Etinür (asetilenür) anyonu ve klorometan Şekil 4.25

n ın a l k i l l e n m e s i C o r e y - H o u s e , P o s t n e r - W h b e s i d e s ( l i t y u m d ia l k i l k u p r a t ) s e r is iy le y e r d e ğ iş t ir m i ş t ir . B u d e ğ iş t ir m e n in ö n e m li g e t i r il e r in d e n b ir i b u a ş a m a d a , ö ğ r e n c i, ö ğ r e n m iş o l d u ğ u b i l g i l e r i s e z g i y o l u y l a b ir le ş t ir e r e k v e r i l e n s e n t e z d e k u l l a n ıl a n t e p k im e l e r i h e m e n a n l a y a b il ir . ( A l k i l h a l o je n ü r l e r in l i t y u m d i a l k i l k u p r a t r e a k t i f iy l e ö n c e k i b a s k ıd a v e r i l e n k e n e t le n m e s i i ç in b u n u s ö y le m e k m ü m k ü n d e ğ i l d i r . ) K i t a b ı n i l k b ö l ü m l e r i n d e v e r i l e n k a v r a m l a r b u y e n i o r g a n ik s e n t e z s u n u m u n d a d a h a d a k u v v e t l e n d i r i l m i ş t i r . Ö r n e ğ i n ö ğ r e n c il e r , a lk in l e r d e n a l k i n ü r a n y o n u e ld e e d e r le r k e n B r 0 n s t e d - L o w r y a s i t - b a z k i m y a s ı n ı v e a l k i n ü r iy o n u n u n a l k i l h a l o je n ü r l e r l e e t k ile ş m e s in d e d e L e w i s a s i t -b a z k a v r a m l a r ı n ı k u l l a c a k l a r d ı r . A y r ı c a b u r a d a , b i r ç o k o r g a n ik t e p k i m e n i n z ıt y ü k t a ş ıy a n m o l e k ü l l e r a r a s ın d a k i e t k ile ş im le o l d u ğ u t e m a s ın a y a y g m b i r d e s t e k b u la c a k la r d ır . K a r b o n -k a r b o n b a ğ ı o lu ş t u r a n t e p k im e le r o r g a n ik s e n t e z in k a lb id i r . A l k i n ü r a n y o n la r ın ın a l k i lle m e s iy l e s e n te z e g ir iş , d a h a o r g a n ik k i m y a d e r s in in b a ş m d a , ö ğ r e n c ile r e k a r b o n - k a r b o n b a ğ ı o lu ş t u r m a d a b ir y ö n t e m ö ğ r e n m e le r in i s a ğ la m a k t a d ır . A y n c a a l k i n ü r iy o n u n u n a lk ille n m e s i, ö ğ r e n c iy e f o n k s i y o n e l g r u p iç e r e n b i r ü r ü n s u n m a k t a d ır v e b u b i le ş ik , b i r ç o k y e n i b il e ş iğ in s e n t e z in d e k u l l a n ıl a b il i r . Ö ğ r e n c i l e r ile r id e ç o k d a h a f a z la t e p k i m e le r le i l g i l e n d i k l e r in d e s e n t e z in b u y ö n ü n d e n f a y d a la n a c a k la r d ır . S o n u ç o la r a k a l k i n ü r a n y o n u n u n a lk ille n m e s in d e " d a h a i y i " v e y a " d a h a k ö t ü " r e tr o s e n t e t ik y o l l a r m ü m k ü n o l d u ğ u n d a n , b u t e p k im e , r e tr o s e n t e t ik a n a liz in m a n t ı ğ ın ı ö ğ r e t m e k iç in g e r ç e k ç i b i r a r a ç t ır .

Y e r Değiştirme ve A yrılm a Tepkim eleri Y e r d e ğ iş t ir m e v e a y r ı l m a t e p k im e le r i , ö ğ r e n c ile r e o r g a n ik k i m y a n ı n ö n e m l i g e r ç e k le r in d e n b i r i y l e k a r ş ıla ş m a k iç in b i r f ır s a t t ır . T e p k i m e l e r h e m e n h e m e n h i ç b i r z a m a n y a l n ı z c a b i r y o l iz l e m e z l e r . S e n t e t ik p l â n l a r ı m ız ı k a r ış t ır a c a k ş e k ild e , b i r t e p k im e n in d iğ e r b ir t e p k im e y le y a n ş h a lin d e o l d u ğ u n u g a y e t i y i b i l i y o r u z . Y e r d e ğ iş t ir m e v e a y r ıl m a t e p k i m e le r in i k u lla n a r a k ö ğ r e n c ile r i m a n t ı k l ı m e k a n iz m a la r ö n e r e b ilm e le r i a ş a m a s ın a g e t ir m e k ,

k o n u l a r ı n d ik k a t li b i r d ü z e n l e m e y l e v e r i l m e s in i g e r e k t ir ir . B u b a s k ıd a 6 . B ö l ü m , y e r d e ğ iş t ir m e t e p k im e le r i ü z e r in e o d a k la n m ış a n c a k a y r ı l m a t e p k im e le r i d e k ıs a o la r a k v e r i l m iş t ir . B u ik i t e p k im e h e m e n h e m e n h e r z a m a n b e r a b e r m e y d a n a g e ld iğ in d e n , ö ğ r e n c ile r in k im y a s a l b a k ım d a n d o ğ r u k a v r a m l a r ı k a z a n m a la r ı iç in b u ş e k ild e v e r m e m i z ç o k ö n e m l i y d i . D a h a s o n r a B ö l ü m 7 ’ d e a y r ı l m a t e p k im e le r i a y r ın t ıl ı o la r a k v e r i l e r e k t a r t ış ılm ış t ır . B ö l ü m 6 ’ n ın s o n u n d a E l v e E 2 t ü r ü a y r ı l m a t e p k im e le r i n e k ıs a b ir g ir iş y a p ı l m ı ş , B ö l ü m 7 ’ d e is e a y r ı l m a t e p k im e le r i n d e ü r ü n d a ğ ı l ı m ı v e s t e r e o k im y a g e n iş ş e k ild e t a r t ış ı l m ış t ı r . A y r ı l m a t e p k im e le r i ç o k ö n e , 7 . B ö l ü m e , a lın ın c a a lk e n v e a lk i n a d l a n d ı r m a la r ı d a B ö l ü m 7 ’d e n B ö l ü m 4 ’e a l ın m ış v e a lk a n a d la n d ı r m a s is t e m iy le b ir lik t e v e r i l m i ş t i r . A l k e n l e r i n h i d r o je n l e n m e t e p k im e s i B ö l ü m 7 ’n in b a ş ın d a n s o n u n a a l ı n m ı ş b ö y le c e a y r ı l m a t e p k im e le r i n d e d a h a ile r i t a r t ış m a la r iç in g e c i k i l m e m i ş t i r . B ö l ü m 7 ’ d e , a y r ı l m a t e p k i m e l e r i n i n s t e r e o k im y a s ı v e ü r ü n d a ğ ı l ı m ı ile i l g i l i t a r t ış m a la r B ö l ü m 6 ’ d a k i k a l d ığ ı y e r d e n d e v a m e t m iş , a l k e n le r in b a ğ ıl k a r a r l ı l ı ğ ı y l a i l g i l i g e r e k li e s k i b i l g i l e r d e y e n id e n s u n u lm u ş t u r . T e r m o d i n a m i k v e k i n e t ik k o n t r o l l ü t e p k im e le r d e ü r ü n d a ğ ı l ı m ı y l a i l g i l i t a r t ış m a la r B ö l ü m 6 ’ d a n ç ı k a r ı l m ı ş B ö l ü m 1 3 ’ te v e r i l m i ş v e b u b ö l ü m d e k o n ju g e d ie n le r in 1 ,2 - v e 1 , 4 - k a t ı l m a t e p k im e le r i v e r i l i r k e n t a r t ış ılm ı ş t ır . B u a ş a m a d a ö ğ r e n c il e r , b i r ç o k k a v r a m ı ö ğ r e n d iğ i i ç in ( a l k e n l e r i n b a ğ ıl k a r a r l ı l ı ğ ı v e k a r b o k a t y o n k a r a r l ı l ı ğ ı ) a ra ü r ü n e g ö r e ü r ü n ü n k a r a r l ı l ı ğ ı n ı e t k ile y e n e t k e n le r i d a h a k o l a y k a v r a y a b i l i r l e r . T e r m o d i n a m i k v e k i n e t ik k o n t r o l l ü t e p k im e ü r ü n l e r in in d a ğ ı l ı m ı a y r ıc a B ö l ü m 1 3 ’ te v e r i l e n D i e l s - A l d e r t e p k im e s i n in t a r t ış ıl m a s ı y l a d a i l i ş k i l e n d i r i l m i ş t i r .

Sentezde Güncellem eler B a z ı b ö l ü m l e r i g ü n c e l l e ş t ir d ik , b ö y le c e s e n t e z le r d e b a z ı ö n e m l i a r a ç la r ın k u l l a n ı l m a s ı n ı d a s a ğ la d ık . B ö l ü m 1 l ’ d e " . . . K i m y a s ı " k u t u s u n a S h a r p le s s a s im e t r ik e p o k s it le m e t e p k im e s i d a h il e d il m iş t ir . L i t y u m e n o la t la r ın o r g a n ik s e n t e z le r d e k u l l a n ı m ı B ö l ü m 1 7 ’ d e b i r a l t b ö l ü m o la r a k v e r i l m i ş t i r . ( Ö n c e l e r i ö z e l k o n u o la r a k y e r a l m a k t a y d ı . ) S i l i l e te r g r u b u n u n k o r u y u c u g r u p o la r a k k u l l a n ıl m a s ı v e s ilil e n o l e t e r le r , s e n t e z k a v r a m ı iç e r is in d e d a h a a y r ı n t ı l ı v e a ç ık o la r a k t a r t ış ılm ı ş t ır . B i r i n c i l a l k o l l e r in d e h id r a s y o n (s u ç ı k a r ı l m a s ı ) t e p k im e s i n in m e k a n i z m a s ı y l a i l g i l i t a r t ış m a la r d a a ç ık h a le g e t i r il m iş t i r . B ö l ü m 1 3 ’ te D i e l s - A l d e r t e p k im e s i y l e i l g i l i t a r t ış m a la r g ü n ç e l l e ş t ir il m i ş t ir . B ö l ü m 1 2 ’ y e o r g a n ik s e n t e z le r d e e n z i m k u l l a n ı m ı n ı d a iç e r e n e n a n t iy o s e ç ic i k a r b o n i l i n d i r g e m e y ö n t e m l e r i d a h i l e d il m iş t ir . ( İ n d i r g e m e t e p k im e l e r i i ç in t e r m o f i l i k b a k t e r ile r d e n e k s t r o m o z i m l e r i n k u l l a n ı m ı g i b i ) . K a t a l i t i k a n t i k o r la r ı n g e l i ş t i r i l d i ğ i d iğ e r t e p k im e l e r ( ö r n e ğ in D i e l s - A l d e r t e p k im e s i , e s te r h i d r o l i z i v b . ) B ö l ü m 2 4 ’ te p r o t e in le r d e v e r i l m i ş t i r .

Spelctroskopi S p e k t r o s k o p iy i , ö ğ r e t im e le m a n la r ı iç in is te r le r s e d e r s in t a m a m l a y ıc ı b i r k ıs m ı ş e k lin d e in c e le y e b ile c e k le r i ş e k ild e d ü z e n le m e y a p t ık . B ö lü m 2 ’d e fo n k s iy o n e l g r u p la n ve rd ik te n h em en so n ra in fr a re d (İR) sp e k tro s k o p isin i verd ik. B ö y l e c e İ R s p e k t r o s k o p is in i v e r e r e k

ö ğ r e n c ile r e , ç o k i y i b ir y o l l a f o n k s i y o n e l g r u p l a r ın d a h a i y i f a r k ın d a o l m a l a r ım v e k a v r a m a l a r ın ı s a ğ la d ık . B u a y r ıc a , ö ğ r e n c ile r e , la b o r a t u v a r d a İ R s p e k t r o s k o p is iy l e e r k e n ta n ış m a im k a n ı d a s a ğ la r . Ö ğ r e n c i l e r f o n k s i y o n e l g r u p l a r ı t a n ıd ık t a n h e m e n s o n r a m o l e k ü l d e k i f o n k s i y o n e l g r u p l a r ın v a r l ı ğ ı n ı n t a n ım la n m a s ı iç in e n i y i y ö n t e m i d e ö ğ r e n m iş o l d u la r . K ü tle s p e k tro m e triy i ( M S ) ( k ü t l e s p e k t r o m e t r i ö n c e k i b a s k ıla r d a ö z e l k o n u la r iç e r i s in d e y e r a l m ış t ı ) ilk d e fa bu b a sk ıd a te m e l k o n u la r iç e risin d e N M R ile a y n ı b ö lü m d e ve r d ik v e d i ğ e r b a s k ıla r d a 1 3 . B ö l ü m d e y e r a la n b u b ö l ü m ü 9 . B ö l ü m e a ld ık . U l t r a v i y o l e

g ö r ü n ü r b ö l g e ( U V - V i s ) s p e k t r o f o t o m e t r iy i d e , N M R v e M S ile a y n ı b ö lü m d e o lm a k t a n

ç ık a r t ıp , k o n ju g e d o y m a m ış s is t e m le r d e ( B ö l ü m 1 3 ) y e r v e r d i k . B u d e ğ iş i k l i k l e r , N M R v e k ü t le s p e k t r u m l a r ı n ı n o r g a n ik k i m y a c ı l a r iç in y a p ı d e ğ e r l e n d ir m e le r i n d e e n k u v v e t l i a r a ç la r o lm a s ı n e d e n iy le y a p ı l m ı ş t ı r v e o r g a n ik k i m y a e ğ it im in d e b u t e k n ik le r i l k y e r i a l m a k t a d ır . ( B u y e n i d e n d ü z e n le m e iş le m in d e k ü t le s p e k t r o m e t r i d e B ö l ü m 1 0 ’ d a k i s e rb e s t r a d ik a l k lo r l a m a v e b r o m la m a la r ın d a n ö n c e y e a lın m ış t ır . B ö y l e c e r a d i k a l ik h a lo je n le m e t e p k im e le r in d e n ö n c e k ü t le s p e k t r o m e t r in in k u l l a n ı m ı iç in b i r im k â n s a ğ la n m ış t ır . Ö r n e ğ in . d o ğ a l iz o t o p b o l l u k l a r ı n a g ö r e p ik ş id d e t le r in in d ik k a t e a lın m a s ı v b . ) K ü t l e s p e k t r o m e t id e n s o n r a k ıs a o la r a k g a z k r o m a t o g r a f i s i n i d e ( G C ) v e r e r e k k a r ı ş ı m la r d a k i b ile ş ik le r in y a p ı b i l g i l e r i n i e ld e e t m e d e G C / M S 'n i n b i r a r a ç o l d u ğ u n u b e l ir t t ik . M o d e r n a le t li y ö n t e m l e r i v e r e r e k y a p t ı ğ ı m ı z b u d e ğ i ş i k l i k l e r i n t e m e l m a n t ı ğ ı, g ü n ü m ü z d e o r g a n ik k i m y a c ı l a r ı n m o l e k ü l y a p ı l a r ı n ı b u l m a d a , N M R . k ü t le v e İ R s p e k t r o m e t r i t e k n ik l e r in i n b e r a b e r c e b i r b ü t ü n o la r a k k u l l a n m a l a r ı d ır . S p e k t r o m e t r ik t e k n ik le r i k it a p t a ö n e a l m a m ı z ı n n e d e n i, ö ğ r e n c il e r in e ğ it im l e r in d e b u a le ts e l y ö n t e m l e r i n d e ğ e r i n i n h e r g ü n d a h a f a z la a r t m a s ı v e o r g a n ik k i m y a ö ğ r e n c il e r in e la b o r a t u v a r d e n e y le r in d e ö n e m l i d e s t e k v e y a r a r l a r s a ğ la m a s ıd ır .

Kullanışlı NMR Spektrumları K i t a b ı n b i r ö n c e k i b a s k ıs ın d a k i t ü m ' H N M R v e 13C N M R s p e k t r u m la r ı 3 0 0 M H z ' l i k F o u r i e r t r a n s f o r m N M R s p e k t ı u m l a r ı y l a d e ğ iş t ir i l m iş t ir . B u b a s k ıd a C O S Y . H E T C O R g i b i i k i - b o y u t l u N M R ö r n e k le r i ila v e e d il m iş t ir . B u b a s k ıd a W e b s a y f a m ı z d a J C A M P v e N U T S f o r m a t l a r ın d a ( N M R y a z ı l ı m p r o g r a m ı . A c o r n N M R f i r m a s ı ) 1 b o y u t l u N M R v e ri d o s y a la r ı v e r d i k . J C A M P f o r m a d a n . N M R s p e k t r u m l a r ı n ı n w e b t a r a y ıc ı k u l l a n ıl a r a k d o ğ r u d a n g ö r ü n t ü l e n m e s i n i s a ğ la r (a n c a k a y r ı n t ı l ı v e r i d e ğ e r le n d ir m e s i y a p m a z ) . N U T S f o r m a d a n , k u l l a n ı c ı y a v e r i l e r i n iş le n m e s in i v e s u n u m d a is t e n ile n d e ğ i ş i k l i ğ i n y a p ı l m a s ın ı s a ğ la r . N M R s p e k t r u m u n u ö ğ r e t m e d e k u l l a n ıl a n ş e k ille r , N M R s p e k t ıu m u n d a h e r b i r s i n y a lin h a n g i a to m t a r a f ın d a n o l u ş t u r u l d u ğ u n u a ç ık ç a g ö s t e r m e k iç in y a p ı f o r m ü l l e r i n d e s in y a l r e n k l e r i y l e iş a r e t le n m iş t ir . Y a p ı l a r ı a ç ı k l a y a b i l m e k iç in g e n iş le t ilm i ş s p e k t r u m la r v e r i l m i ş t i r . S p e k t r u m l a ıd a in t e g r a lle r d e y e r a lm a k t a d ır . I3C N M R v e r i l e r i h e r b ir k a r b o n d a b a ğ lı h i d r o je n s a y ıl a r ın ı g ö s t e r m e k ü z e r e D E P T b i l g i l e r i y l e b ir lik t e v e r i l m i ş t i r .

Daha Önceki “ Özel Konularda Bir Bakış Ö n c e k i b a s k ıla r d a " Ö z e l K o n u l a r " o la r a k y e r a la n ç e ş it li ö n e m l i k o n u la r b u b a s k ıd a n o r m a l b ö lü m le r d e a l t b ö lü m le r o la r a k v e y a " . . . K i m y a s ı " k u t u la r ın d a y e r a lm ış t ır . Ö r n e ğ in k ü t le s p e k t r o m e t r i b u b a s k ıd a ö n c e k ile r le e ş it h a c im d e " s p e k t r o s k o p i b ö l ü m ü " n d e , k ıs a b ir g ir iş y a p ıla n ik i b o y u t l u N M R ' ı n d a y e r a ld ığ ı N M R b ö l ü m ü y l e b e r a b e r v e r i l m iş t i r . L i t y u m e n o la t la r o r g a n ik s e n t e z le r d e ç o k k u l l a n ıl d ı ğ ı iç in e n o la t la r ın g e n e l t a r t ış ılm a s ın d a b ir a lt b ö lü m o la r a k y e r a lm ış t ır . G ü n l ü k h a y a t ım ız d a ç o k ö n e m li o la n z i n c i r p o l im e r l e r i r a d ik a lle r b ö l ü m ü n d e v e r i l m iş t i r . D i ğ e r ö z e l k o n u la r , ö r n e ğ in " B i y o k i m y a s a l N ü k l e o f i l i k Y e r D e ğ iş t i r m e " v e " G ö r m e n i n F o t o k i m y a s ı " g ib i b ö l ü m l e r t e m e l o r g a n ik k i m y a b ilg is i iç e r is in d e ç o k ö n e m l i o l m a d ı ğ ı iç in " . . . K i m y a s ı " k u t u la r ın d a , u y g u n b ö lü m le r d e , a n la t ıl m ış t ır . B u k u t u la r a , t e m e l k i m y a k a v r a m la r ı iç e r is in d e , o r g a n ik k i m y a n ı n h a y a t ın t e m e li o l d u ğ u n u g ö s t e r e c e k ş e k ild e , u y g u n b ö l ü m l e r iç e r is in e s ık ış t ır ıla r a k y e r v e r i l m iş t i r .

Biyosentezlerle İlişkili Organik Kimya O r g a n i k k i m y a n ı n g ö r ü n ü ş ü b iy o s e n t e t ik a n la m t a ş ıd ığ ın d a n b u k o n u t e m e l o r g a n ik k i m y a iç e r is in d e y e r a lm ış t ı r . Ö r n e k o la r a k , k o le s t e r o l s e n t e z in d e b i r b a s a m a k o la n . 2 , 3 - o k s id o s k u a le n d e n la n o s t e r o l s e n t e z i v e r i l e b i l i r . B u b iy o s e n t e t ik d ö n ü ş ü m ü , e n z i m l i o r t a m d a e p o k s ik h a lk a a ç ı lm a s ı, a lk e n e k a t ılm a b a s a m a ğ ı v e g ö ç t ü r ü t e p k im e le r iç e r d iğ i iç in B ö -

ımyası Örnek: Kolesterolün Biyosentezi i ^ ^ ö l ü m k o n u l a r ı n ın k a p s a m ın ı g e n iş le t m e k , b a ş l ı ğ ı y l a il i ş k il i b i y o l o j i k o l a y l a r l a , ç e v r e y le v e y a m a d d e b i l i m i y l e d e s t e k le m e k iç in b ö l ü m l e r in ç o ğ u n d a “ . . . K i m y a s ı ” k u t u l a r ı v e y a k a v r a m l a r ı g e n iş le t m e k ü z e r e b ö l ü m a ç ılış s u n u ş la r ı v e r i l m i ş t i r . B u n l a r a ö r n e k o la r a k :

• Biyolojik Radikaller, Tıp ve Endüstri • Sharpless Asimetrik Epoksitleme • Epoksitler, Karsinojenler ve Biyolojik Yükseltgeme • Nanotüpler • Güneş Koruyucuları (Güneş Işınlarına Maruz Kalma ve Bunun Etkileri) • DNA Bölünmesi için Kalikeamisin y j1 Aktivasyonu • Antikor-Katalizli Aldol Kondensasyonu • Kendi Kendini Yok Eden Bir Enzim Substratı • Yapay Tatlandırıcılar v e rile b ilir .

l ü m 8 ’ d e " . . . K o l e s t e r o l ü n B iy o s e n t e z i . . . K i m y a s ı " b a ş lığ ı a lt ın d a v e r d i k . B u a ş a m a d a ö ğ r e n c il e r , h i d r i i r v e m e t a n ü r g ö ç ü t ü r ü t e p k im e l e r i y l e v e a lk e n le r e k a t ılm a t e p k im e l e r iy l e t a n ış m ış o la c a ğ ı iç in b u r a d a b u ş e k liy l e v e r i l m e s i n i n u y g u n o l d u ğ u n u d ü ş ü n d ü k . " . . . K i m y a s ı " y a k l a ş ım ı n a d i ğ e r b ir ö r n e k B ö l ü m 2 1 ’ d e k i P o lik e t it A n t i k a n s e r A n t i b i y o t i ğ i B i y o s e n t e z i d i r v e b u . b u b ö l ü m d e k i f e n o lle r v e m a l o n i k e s te rle v e B ö l ü m 1 9 ’ d a k i C l a i s e n k o n d e n s a s y o n u y l a i l i ş k i l i d i r . Ö ğ r e n c i l e r i n o r g a n ik k i m y a y ı d e ğ e r le n d ir m e le r i v e s e v m e l e r i n in , o r g a n ik k i m y a s a l t e p k im e l e r i n ç e v r e m iz d e o la n o l a y l a r o ld u ğ u n u g ö s t e r d i ğ i m iz d e b ü y ü k ö lç ü d e a r t a c a ğ ın a i n a n ı y o r u z . D i ğ e r b a z ı ö r n e k le r :

• ...Kimyası, Piridoksal Fosfat • ...Kimyası, Tiyamin Pirofosfat • ...Kimyası, Biyolojik Metilleme

D İĞ E R E Ğ İT İM Ö Z E L L İK L E R İ B u b a s k ıd a s a y f a k e n a r la r ı m b a z ı k o n u l a r ı n ö n e m l i k ı s ı m l a r ı n a d ik k a t ç e k m e k iç in k u l l a n d ık . U y g u n o la n y e r le r d e ö ğ r e n c iy e p r a t ik ip u ç la r ı v e y a k o l a y l a ş t ı r ı c ıl a r , k o n u n u n ta r i h i y l e i l g i l i k ıs a n o t la r v e r d i k . K e n a r l a r d a ik i t ip ik o n y e r a ld ı.

Çalışm a Önerisi İkonları “ Ç a l ı ş m a ö n e r i s i” i k o n l a r ı n ı , o r g a n ik k i m y a y ı ö ğ r e n m e d e ö ğ r e n c ile r e y a r d ı m c ı o l a c a ğ ı n ı d ü ş ü n d ü ğ ü m ü z n o k t a la r a d ik k a t l e r in i ç e k m e k iç in k u l l a n d ık . A l t b ö l i i m 1 .8 ’ d e Ç a l ı ş m a Ö n e r is i ik o n la r ın a b i r ö r n e k v e r i l m iş t i r . F o r m a l y ü k l e r e le a lu ıa r a k , ö ğ r e n c ile r in ile r id e o r g a n ik t e p k im e le r i ö ğ r e n ir k e n f o r m a l y ü k l e r i t a k ip e t m e le r in i n g e r e k li o ld u ğ u b e l i r t i l m iş t i r . Ç a l ı ş m a ö n e r is i i k o n l a r ın a b i r b a ş k a ö r n e k is e ( A l t b ö l i i m 1 .8 ) o r g a n ik t e p k im e le r i v e e le k t r o n h a r e k e t i o k l a r ın ı g ö s t e r m e k iç in k i m y a c ı l a r t a r a f ın d a n k u lla n ıla n ö n e m li b i r g e le n e ğ i b e l ir t m e k iç in v e r i l e n d i r . Ç a l ı ş m a ö n e r is i ik o n la r ı k it a p b o y u n c a y e r a l m ı ş t ır .

xuı

XİV

Önsöz

A let Kutusu İkonları " A l e t K u t u s u " ik o n l a r ın a , o r g a n ik k i m y a d a t e m e l a r a ç la r o la n k a v r a m la r a d ik k a t ç e k m e k a m a c ı y l a k e n a r la r d a y e r v e r i l m i ş t i r . B ö l ü m l ’ d e k a r b o n u n m e le z l e ş m e s i v e V S E P R te o r is in e g ir e r k e n v e r i l e n A l e t K u t u s u ik o n l a r ı b u n l a r ın b a z ı ö r n e k l e r i d i r . B u k a v r a m l a r o r g a n ik k i m y a y ı ö ğ r e n m e d e b a ş a r ı iç in g e r e k li o la n b i r ç o k t e m e l “ a r a ç la r ” a r a s ın d a d ır . A l e t K u t u s u i k o n l a r m ı a n a h t a r b ir iş le m i v e y a t e p k im e y i v e r i r k e n d e k u l l a n ı r ı z . Ö r n e ğ i n k a r b o s ik l ik h a lk a la r ın s e n t e z in d e R o b i n s o n h a lk a la m a s ı g i b i . A l e t K u t u s u İ k o n l a r ı k it a p b o y u n c a v e rilm iş tir.

Ek Ö zellikler B u b a s k ıd a ö n c e k i b a s k ıla r d a d a y e r a la n p e d a g o ji k ö z e l l i k l e r e e k b i r ö n e m v e r e r e k a ş a ğ ıd a k i k ı s ı m l a r ı y e n i l e d i k :

j Te p k im e için Bir Mekanizma : B u k u t u l a r k it a p t a y e r a la n a n a h t a r ( t e m e l ) m e k a n iz m a l a r ı a y r ı n t ı l ı o la r a k a ç ı k la m a k iç in v e r i l m i ş t i r . E ğ r i o k l a r , e le k t r o n la r ın , m e k a n i z m a n ı n h e r b i r b a s a m a ğ ın d a n a s ıl h a r e k e t e t t iğ in i ş ü p h e y e y e r b ır a k m a d a n k e s in o la r a k g ö s t e r m e k a m a c ı y la v e r i l m i ş t i r . M e k a n i z m a d a b a s a m a k la r la i l g i l i n o t la r d ö n ü ş ü m l e r in a ç ı k la n m a s ı i ç i n y e r a l m ış t ı r . B ö l ü m l e r i n s o n u n d a . Tepkime Özetleri y e r a l m ış t ı r v e h e r b i r b ö l ü m d e k i t e p k im e l e r i t o p lu o la r a k ö ğ r e n c iy e s u n m a k s u r e t iy le ö ğ r e n c i y e y a r d ı m a m a ç la n m ış t ı r .

E k ö z e l l i k l e r a ş a ğ ıd a v e r i l m i ş t i r :

• Çözümleriyle Örnek Problemler, ö ğ r e n c ile r e o r g a n ik k i m y a d a p r o b l e m l e r e n a s ıl y a k la ş a c a k la r ın ı g ö s t e r ir .

• Bölüm Problemleri, h e r b i r k o n u v e r i l d ik t e n h e m e n s o n r a ö ğ r e n c il e r i h e m e n ö ğ r e n m e y e z o r la r .

• Çözülmesi Daha Zor Olan Problemler, h e r b ir b ö l ü m d e y ı l d ı z l a b e l i r t i l m i ş o la n b u e k p r o b l e m l e r in h e p s i b u b a s k ıd a y e r a la n y e n i p r o b l e m l e r d i r ( y a k l a ş ı k 7 5 ta n e ila v e e d i l m i ş t i r ) . B u p r o b l e m l e r b ö l ü m s o n u n d a k i p r o b l e m l e r in ç o ğ u n d a n d a h a z o r d u r v e ç e ş it li k a v r a m l a r b ir le ş t ir i le r e k ç ö z ü m e u l a ş ıla b ili r .

• Anahtar Terimler ve Kavramlar, h e r b ö l ü m ü n s o n u n d a a l t b ö l ü m k a y n a k l a r ı y l a b i r lik t e y e r a lır . Ö ğ r e n c i l e r e t e m e l f i k i r l e r i e le a la ra k h a f ız a l a r ın ı k o n t r o l e t m e le r in i v e b ö l ü m iç e r is i n d e , g e r i y e d o ğ r u , k a v r a m l a r l a il g i l i k o l a y k a y n a k b u l m a l a r ı n ı s a ğ la r . A n a h t a r t e r im v e k a v r a m l a r s ö z l ü k b ö l ü m ü n d e d e v e r i l m i ş v e t a n ı m l a n m ı ş t ır .

Görsel A raçlar Ö ğ r e n c il e r in m e k a n iz m a v e y a p ıl a r ı c a n la n d ır a b ilm e le r in e y a r d ı m c ı o lm a k iç in b a z ı ö n e m li y e n i ö z e l l i k l e r d e g e t i r il m iş t i r .

^

x O

• Bilgisayarla yapılan modeller )

T o p -ç u b u k v e u z a y d o ld u r m a m o le k ü l m o d e lle r i b il-

g is a y a r la y a p ıl a n y a p ıl a r l a y e r d e ğ iş t ir m i ş t ir . B u y a p ıl a r ın ç o ğ u , C D ü z e r i n d e S p a r t a n ® v e y a .p d b ( P r o t e in V e r i B a n k a s ı ) f o r m a t ın d a ü ç b o y u t l u d ü z e n l e n e b i l i r m o l e k ü l l e r i n b ir k ü t ü p h a n e s i ş e k lin d e v e r i l m i ş t i r .

Önsöz

• Birçok grafiğin ve gösterimin modernleştirilmesi

Ö n c e k i b a s k ıla r d a k i g r a f i k l e r in

v e g ö s t e r i m l e r i n b i r ç o ğ u m o d e r n l e ş t ir i l m iş v e g ü n c e l l e ş t ir il m i ş t ir .

• Mekanizmalarda renk kullanımı

R e a k t if i e r i n ü r ü n le r e d ö n ü ş ü m ü n d e a t o m la r ın b a ğ

la n m a s ın d a m e y d a n a g e le n d e ğ iş i k le r i g ö s t e r m e k iç in r e n k li ş e m a la r ( ö n c e k i b a s k ıla r d a k ile r i d e t a m a m l a y a r a k ) k u l l a n ı l m ı ş t ı r .

T A M A M L A Y IC I K A Y N A K L A R Organik Bakış CD’si H e r b i r k it a p t a O r g a n i k B a k ı ş C D ' s i v e r i l m i ş t i r . B u t a m a m l a y ı c ı v e in t e r a k t if C D ’ d e m e k a n iz m a c a n l a n d ır m a l ı W o o d m a n G r a f i k l e r i , d iğ e r ö ğ r e t ic i le r , İ R ö ğ r e t ic il e r i v e S p a r t a n ® m o l e k ü l m o d e l l e r i v e m o l e k ü l m o d e l l e r in i R a s m o l® ile ( a y r ı c a C D ’ d e ) g ö r ü n t ü l e m e k i ç in .p d p m o l e k ü l m o d e l l e r i b u l u n u r . K i t a p iç in d e k i i k o n l a r C D ile b ü t ü n le n e n k ı s ı m l a r ı b e l ir t ir .

Web Sayfası K i t a b ı k u lla n a n f a k ü lt e v e ö ğ r e n c ile r e w e b s ite s i e k d e s t e k le r v e r i r . S i te d e Problemlere Yardım d a ila v e e d il m iş t ir . B ö y l e c e ö ğ r e n c il e r in z o r p r o b l e m l e r iç in il e r i ö lç ü d e p r a t ik y a p m a l a r ı s a ğ la n m ış t ır . W e b s a y f a s ı k it a p t a k u l l a n ıl a n F o u r i e r t r a n s f o r m N M R s p e k t r u m la r ı k a t a lo ğ u n u d a iç e r ir . N M R s p e k t r u m la r ı J C A M P f o r m a t ın d a o l d u ğ u g ib i k a b a v e r i f o r m a t ın d a d a e ld e e d il e b i l i r . H e r b i r b ö l ü m d e ilg i ç e k ic i i l i ş k i l e r d e v e rilm iş tir.

Modelleme Kiti B i l g i s a y a r l a m o d e l l e m e y e e k o la r a k ö ğ r e n c il e r a ç ıs ın d a n e lle y a p ıla n m o l e k ü l m o d e l l e r in i n ö ğ r e n m e k iç in e s a s o l d u ğ u n a i n a n ı y o r u z . M o d e l l e m e K i t i d e ğ iş ik k a y n a k la r d a n t e m in e d il e b il i r .

CD Kaynak İdarecisi

C D K a y n a k İd a r e c is i d e r s i a n la t m a k iç in k it a p t a n ş e k il v e g ö r ü n t ü le r iç e r ir . C D K a y n a k İ d a r e c is i y a z ı m v e g ö s t e r ile r iç in s la y t o lu ş t u r a b il ir . A y r ı c a ,

e le k t r o n ik g ö r ü n t ü l e r P o w e r P o i n t g ö s t e r i m le r i n e d ö n ü ş t ü r ü l e b i l ir .

T. W. Graham Solomons Craig B. F ryhle

XV

Teşekkür

Organik Kimya’nın yeni baskısının hazırlanmasında yaptıkları düzeltmelerle bize yardımcı olan aşağıdaki kişilere şükranlarımızı sunarız.

C h r is A lb e it

Ja m e s W . L o n g

D o n S la v in

C o o le g e o f W illia m a n d M a ry

U n iv e rsity o f O re g o n

C o m m u n ity C o lle g e o f P h ila d e lp h ia

Ja m e s A m e s

F re d e ric k A . L u z z io

C h a s e S m ith

U n iv e rsity o f M ic h ig a n , F lin t

U n iv e rsity o f L o u isv ille

O h io N o r th e rn U n iv e rsity

S tu a rt R . B e r r y h ill

R o n a ld M . M a g id

Joh n S o w a

C a lifo rn ia S ta te U n iv e rsity ; L o n g B ea c h

U n iv e rsity o f T e n n e sse e

S e to n H a ll U n iv e rsity

E ric B o sc h

P r z e m y s la w M a s la k

R o b e rt S to lo w T lifts U n iv e rsity

S o u th w e st M isso u ri S ta te U n iv e rsity

P e n n sy lv a n ia S ta te U n iv e rsity

L y l e W . C a s t le

Ja m e s M c K e e

R ic h a rd T a r k k a

Id a h o S ta te U n ive rsity

U n iv e rsity o f th e S c ie n c e s, P h ila d e lp h ia

G e o rg e W a sh in g to n U n iv e rsity

D a v id C o lla r d

M a rk C . M c M ills

K a y Tu rn e r

G eo rg ia In stitu te o f T ec h n o lo g y

O h io U n iv e rsity

R o c h e ste r In stitu te o f T e c h n o lo g y

J o h n C . D iC e a s a r e

R enee M u ro

R ik R . T y k w in s k i

U n iv e rsity o f T u lsa

O a k la n d C o m m u n ity C o lle g e

U n iv e rsity o f A lb e rta

M a r io n T . D o ig I I I

K e n n e th R . O v e rly

G e o rg e W a h l

C o lle g e o f C h a rle sto n

R ic h a r d S to c k to n C o lle g e , N J

N o r th C a r o lin a S ta te U n iv e rsity

Ja m e s E lle m

C y r il P a rk a n yi

D o n a ld W e d e g a e rtn e r

C o n s u ltin g C h e m ist

F lo rid a A tla n tic U n iv e rsity

U n iv e rsity o f th e P a c ific

P e te r G a s p a r

Ja m e s W . P a v lik

D a v i d W ie d e n f e l d

W a sh in g to n U n ive rsity, St. L o u is

W o rc e ste r P o ly te c h n ic In stitu te

U n iv e rsity o f N o rth T e x a s

D e n n is H a l l

S h o n P u lle y

C a rlto n W ils o n

U n iv e rsity o f A lb e rta

U n iv e rsity o f M isso u ri, C o lu m b ia

U n iv e rsity o f T e x a s a t A u stin

S te v e n A . H a r d in g e r

E ric R e m y

S te p h e n A . W o s k i

U n iv e rsity o f C a lifo rn ia a t L o s A n g e le s

V irg in ia P o ly te c h n ic In stitu te

U n iv e rsity o f A la b a m a

W illia m H . H e rs h

A la n R o s a n

L in fe n g X ie

Q u ee n s C o lleg e

D r e w U n iv e rsity

U n iv e rsity o f W isc o n sin , O sh k o sh

J o h n Is id o r

T o m ik a z u Sasaki

V ik t o r V . Z h d a n k in

M o n tc la ir S ta te U n ive rsity

U n iv e rsity o f W a sh in g to n

U n iv e rsity o f M in n e so ta , D u lu th

Ja m e s L e ig h to n

A d ria n L . S c h w o n

R e g in a Z i b u c k

C o lu m b ia U n ive rsity

U n iv e rsity o f G u elp h

W a y n e S ta te U n iv e rsity

xvi

Teşekkür G r a h a m S o l o m o n s b u k it a b ın ö n c e k i b a s k ıla r ın ın h a z ır l a n m a s ın d a e m e ğ i g e ç e n a ş a ğ ıd a k i k iş ile r e d e ş ü k r a n la r ın ı s u n a r :

Winfield M. Baldwin, U niversity o f G eorgia; David Ball, C alifo rn ia S tate U niversity, C hico; Geor ge Bandik, U niversity o f P ittsb u rg h ; Paul A. Barks, N orth H ennepin S tate J u n io r C olege; Ronald Baumgarten, U niversity o f ¡Illinois at C hicago; Harold Bell, V irginia P o lytech n ic Institu te a n d S ta te U niversity; Kenneth Berlin, O klahom a S ta te U niversity; Newell S. Bowman, The U niversity o f T e n nessee: Bruce Branchaud, U niversity o f O regon; Wayne Brouillette, U niversity o f A labam a; Ed Bursch, Tufts U niversity; Edward M. Burgess, G eorgia Institu te o f T echnology; Robert Carlson, U niversity o f M in n eso ta ; George Cleamns, B o w lin g G reen S tate U niversity; William D. Closson, Sta te U niver sity o f N e w York a t A lb a n iy, Sidney Cohen, Bufalo State College; Randolph Coleman, C o llege o f W il liam & M ary; Brian Coppola, U niversity o f M ichigan; Phillip Crews, U niversity o f C alifornia, Santa C ruz; James Damewood, U niversity o f D ela w a re; 0. C. Dermer, O klahom a S ta te U niversity; Philip DeShong, U niversity o f M aryland; Trudy Dickneider, U niversity o f Scra n to n ; Paul Dowd. U niversity o f P ittsburgh; Robert C. Duty, Illin o is Sta te U niversity; Eric Edstrom, Utah S ta te U niversity; Stuart Fenton, U niversity o f M in n eso ta ; Gideon Fraenkel, The O hio S ta te U niversity; Jeremiah P. Freeman, U niversity o f N o tre D a m e; Craig Fryhle, P a cific L u th era n U niversity ; M. K. Gleicher, O regon S tate U niversity; Brad Glorvigen, U niversity o f SL T hom as; Roy Gratz, M ary W ashhigton C ollege; Way ne Guida, E c k e r d C ollege: Frank Guziec, N e w M exico S tate U niversity; Philip L. Hall, V irginia P olytechnuc In stitu te a n d S ta te U niversity; Lee Harris. U niversity o f A rizo n a ; Kenneth Hartman, G eneva C ollege; Michael Hearn, W ellesley C ollege; John Helling, U niversity o f F lorida; Jerry A. Hirsch, Seton H a ll U niversity; John Hogg, Texas A U niversity; John Holum, A u sb u rg C ollege; John Jewett, U niversity o f V erm ont; A. William Johnson, U niversity o f N orth D akota; Robert G. Johnson, X a v ie r U niversity; Stanley N. Johnson. O range C o a st C ollege; John F. Keana, U niversity o f O regon; David H. Kenny, M ichigan T ech n o lo g ica l U niversity; Robert C. Kerber, S tate U niversity o f N ew York at S tony B ro o k; Karl R. Kopecky, The U niversity o f A lb erta ; Paul J. Kropp, U niversity o f N o rth C a ro lina a t C hapel H ill; Michael Kzell, O range C oast C o lleg e; John A. Landgrebe, U niversity o f K a n sas; Paul Langford, D a v id L ip sco m b U niversity; Allan K. Lazarus. T renton S tate C ollege; Philip W. LeQuesne, N o rth ea stern U niversity; Robert Levine, U niversity o f P ittsb u rg h ; Samuel G Levine, N orth C arolina Sta te U niversity; Patricia Lutz, W agner C ollege; John Meisenheimer, E astern K en tu cky U niversity; Gerado Molina, U niversid a d de P uerto R ico; Everett Nienhouse, F erris S tate C ollege; John Otto Olson, C am rose L utheran C ollege; Paul Papadopoulos, U niversity o f N ew M e xico ; Willi am A. Pryor, L o u isia n a Sta te U niversity; Michael Richmond. U niversity o f N o rth Texas; Thomas R. Riggs, U niversity o f M ich ig a n ; Frank Robinson, U niversity o f V ictoria. B ritish C olum bia; Stephen Rodemeyer. C alifo rn ia S ta te U niversity F re sn o ; Christine Russell, C ollege o f D u P a g e; Yousry Sayed. U niversity o f N orth C arolina at W ilm ington; Jonathan Sessler, U niversity o f T exas a t A ustin; John Sevenair, X a v ie r U niversity o f L o u isia n a ; Warren Sherman, C hicago Sta te U niversity; Doug Smith, U niversity o f T oledo; Jean Stanley, W ellesley C ollege; Ronald Starkey, U niversity o f W iscon s in - G r e e n B a y; Frank Switzer. X a v ie r U niversity; James G. Traynham, L o u isia n a S tate U niversity; Daniel Trifan, F a irleigh D ickin so n U niversity; James Van Verth, C an isiu s C ollege; Darrell Watson, GM1 E n g in eerin g a n d M a n a g em en t In stitu te; Arthur Wat terson, U. M a ssa ch u setts-L a w e ll; Mark Welker, W ake F o re st U niversity; Desmond M. S. Wheeler, U niversity o f N eb ra ska ; James K. Whitesell, The U niversity o f T exas a t A u sin ; Josen Wolinski, P urdue U niversity; Darrel J. Woodman. U ni versity o f W ashington; Herman E. Zieger, B rooklyn C ollege B u b a s k ıd a y a r d ı m l a r ı d o l a y ı s ı y l a b i r ç o k k i ş i y e t e ş e k k ü r b o r ç l u y u z . X a v i e r Ü n i v e r s i t e s i ’ n d e n R o b e r t G . J o h n s o n k i t a b ın t ü m h a z ı r l ı k s a f h a la r ın d a y a r d ı m v e ö n e r ile r d e b u l u n d u . B o b , t ü m k it a b ın d ü z e l t m e l e r i n i , s a y f a s a y f a e n s o n ş e k li d e d a h il o l m a k ü z e r e t a s h ih e tti. O n a k it a b ın b a ş la n g ıc ın d a n s o n u n a k a d a r y a p t ığ ı y a r d ı m c ı ö n e r i le r i d o l a y ı s ı y l a ş ü k r a n l a r ı m ı z ı y e t e r in c e if a d e e d e b i l m e m i z m ü m k ü n d e ğ il d ir . S t e v e n H a r d i n g e r ( U Ç L A ) v e R o n a l d

XVİİ

M a g i d ( T e n e s s e e Ü n iv e r s it e s i K n o x v i l l e ) b a s k ıy a g ir e c e k k o p y a y ı k o n t r o l e d e r e k b iz e k r i t i k y a r d ı m d a b u l u n d u l a r . K i m y a v e e ğ it im y ö n ü y l e y a p t ık l a r ı k o n t r o lle r e m in n e t t a r ız . A y r ı c a ö n c e k i b a s k ıla r d a n 7 . b a s k ıy a g e lin c e y e k a d a r a y r ı n t ı l a r ı y l a b i r ç o k t e k r a r y a p ı l m ış o l m a s ın ı n d a f a y d a s ın ı g ö r d ü k . K u z e y A m e r i k a 'd a 4 0 't a n f a z la f a k ü lt e ( ö n c e k i s a y f a d a is im le r i v e r i l m i ş t i r ) ta s a rı h a l in d e k i b ö l ü m l e r i in c e le m iş , ç o k d e ğ e r li ö n e r i l e r v e d e ğ iş i k l i k l e r s u n m u ş la r d ır . P a s if ik L u t h e r o n Ü n iv e r s it e s i " n d e n C h a r le s A n d e r s o n ’ a ( e m e k l i ) y e n i " ç ö z ü l m e s i d a h a z o r o la n p r o b l e m l e r in " ç o ğ u n u n h a z ır la n m a s ın d a k i k a t k ıs ı d o l a y ıs ıy l a t e ş e k k ü r e t m e k is t e r iz . K i m y a e ğ it ic is i o la r a k v e s e n t e tik o r g a n ik k i m y a c ı o la r a k z e n g i n d e n e y im l e r iy l e k i t a b ım ı z a z o r p r o b l e m l e r in s p e k t r u m l a n iç in h e m ö n e m l i h e m d e g ü n c e l l iğ i b a k ım ın d a n d e ğ e r li o la n il a v e l e r y a p m ış t ır . D a r r e l l W o o d m a n ’ a ( W a s h i n g t o n Ü n i v e r s i t e s i ) m ü k e m m e l e ğ it ic i r o l ü o la n g r a f i k l e r i, k i t a b ım ı z d a C D ’ y e e ş lik e d e r e k b ir le ş t ir d iğ i iç in t e ş e k k ü r e d e r iz . O r g a n i k k i m y a y ı g e liş e n t e k n o l o j i y i d e d ik k a t e a la r a k ö ğ r e t m e s i e ğ it im a ç ıs ın d a n o ld u k ç a d e ğ e r l i d i r . B ö l ü m 1 2 ’ d e a ç ılış s u n u ş u n d a m o n e n s i n - s o d y u m k o m p le k s i k o o r d i n a t la r ın ı v e r d i k l e r i iç in D a v e W o o d c o c k ’ a ( W a s h i n g t o n Ü n iv e r s it e s i ) d a t e ş e k k ü r e d e r iz . C B F , ö ğ r e n c il e r l e e t k il e ş i m in d e n ç o k f a y d a l a n d ığ ı L e a l l y n B . C l a p p ( B r o w n Ü n i v e r s it e s i) b a ş ta o l m a k ü z e r e b i r ç o k k i m y a h o c a s ın a (d a n ış m a n ın a ) t e ş e k k ü r e t m e k t e d ir . A y r ıc a d e r in g ö z le m le r in d e n d o l a y ı m e s le k t a ş ı W i l l i a m G i d d i n g s ’e ( E m e r i t u s ) , ö ğ r e n c ile r in e , h a li h a z ır d a k i m e s le k t a ş la r ın a v e ü n iv e r s it e id a r e s in e , b u ç a b a s ı s ır a s ın d a s a ğ la d ık la r ı d e s t e k v e a n la y ış t a n d o l a y ı m in n e t t a r d ır . Y ı l l a r b o y u k e n d is in e d e s t e k s a ğ la y a n v e k i m y a y l a i l g i l i b i r ç o k m a k a l e y i k e n d is in e g ö n d e r e n a ile s in e d e t e ş e k k ü r e t m e k t e d ir . H e p s in d e n d e ö n e m l i s i . C B F . k it a b ın b it m e s i n i b e k le y e n e ş i D e a n n a v e k ı z l a r ı L a u r e n v e H e a t h e r ’ a t e ş e k k ü r e t m e k t e d ir . D e a n n a k it a b ın h a z ı r l a n d ı ğ ı s ü r e c e C B F ’ y e h e r k o n u d a y a r d ı m c ı o l d u ; s ü r e k li b i r c e s a re t v e t e ş v ik k a y n a ğ ı y d ı . W i l e y ’ in k e n d is in i a d a m ış y e t e n e k li g r u b u b u k i t a b ın o r t a y a ç ık m a s ın ı s a ğ la d ı. Ö n s e z i v e ş e v k i n d e n d o la y ı D a v i d H a r r i s ’e t e ş e k k ü r e d i y o r u z . D a v i d , u z u n v e t a t m in k a r b i r l ik t e l i ğ in d e n d o l a y ı m in n e t t a r o l d u ğ u m u z ö n c e k i e d i t ö r ü m ü z N e d a h R o s e ’ u t a k ip e t t i. H e r a y r ın t ın ı n d e v a m l ı l ı ğ ı n ı g ö z ö n ü n d e b u l u n d u r a n v e y a z a r l a r ı n y e n i m il e n y u m d a y a z ı iş in i b it ir m e l e r in i s a ğ la y a n g e l iş t i r c i e d it ö r J o h n a B a r t o ’ y a t e ş e k ü r e d i y o r u z . E s t e t ik g ö z ü v e b u b a s ım ın ç a r p ıc ı t a s a r ım ın d a n d o l a y ı K a r e n K i n c h e l o e ’ y a d a m in n e t t a r ız . Ö z e n l i v e a r t is t ik u z m a n l ı ğ ı n d a n d o l a y ı r e s im li ö r n e k l e r e d it ö r ü E d S t a r r ’ a d a m in n e t t a r ı z . E d , b i r ç o k ş e k il iç in e k s tr a k i l o m e t r e l e r k a t e tt i. F o t o ğ r a f e d it ö r ü L i s a G e e b u b a s n n iç in in a n ıl m a z b ir r e s im k o l l e k s i y o n u s a ğ la d ı. M a r t i n B a t e y ’ e b u k it a p la b ir l ik t e v e r i l e n C D ’ n in ü r e t im y ö n e t i c i l i ğ i n i y a p t ı ğ ı iç in t e ş e k k ü r e d i y o r u z . G ü n ü m ü z t e k n o lo j is i n d e k i u z m a n l ı ğ ı v e g a y r e t i b i r i n c i s ı n ı f b i r t e k n o l o j ik e k k a y n a ğ ı n o r t a y a ç ık m a s ın ı s a ğ la d ı. S o n o la r a k , b u k it a b ın o r t a y a ç ık m a s ı iç in b i r ç o k s a f h a y ı y ö n e t e n k ı d e m l i ü r e t im e d it ö rü E l i z a b e t h S w a i n ’ e t e ş e k k ü r e d e r i z .

T. W. Graham Solomons Craig B. Fryhle

İçindekiler

Bölüm I

Karbon Bileşikleri ve Kimyasal Bağlar Yaşam Organik Kimyadır

I

I

A (Moleküler grafik: Glisin, uzayda bulunan bir organik molekül)

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17

Giriş 2 Organik Kimyanın Bir Bilim Olarak Gelişmesi 3 Organik Kimyanın Yapı Teorisi 4 Kimyasal Bağlar: Oktet Kuralı 7 Lewis Yapılarının Yazılması 9 Oktet Kuralının İstisnaları 10 Formal Yük 12 Rezonans 14 Kuantum Mekaniği 18 Atomik Orbitaller 19 Moleküler Orbitaller 21 Metan ve Etanın Yapısı: sp3 Melezleşmesi 24 Etenin (Etilen) Yapısı: sp2Melezleşmesi 28 Etinin (Asetilen) Yapısı: sp Melezleşmesi 33 Kuantum Mekaniğinden Çıkan Önemli Kavramların Bir Özeti 35 Moleküler Geometri: Değerlik Kabuğu Elektron Çifti İtmesi (VSEPR) Modeli Yapı Formüllerinin Gösterilmesi 40

Bölüm 2

Tipik Karbon Bileşikleri: Fonksiyonel Gruplar, Moleküller Arası Kuvvetler ve İnfrared (İR) Spektroskopisi 50 Yapı Herşeydir

50

A (Moleküler grafik: Crixivan, HlV'e karşı kullanılan bir ilaç)

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9

Karbon-Karbon Kovalent Bağları 51 Hidrokarbonlar: Başlıca Alkanlar, Alkenler, Alkinler ve Aromatik Bileşikler Polar Kovalent Bağlar 55 Polar ve Polar Olmayan Moleküller 56 Fonksiyonel Gruplar 59 Alkil Halojenürler ve Haloalkanlar 60 Alkoller 61 Eterler 63 Aminler 63

XX

2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16

İçindekiler

Aldehit ve Ketonlar 64 Karboksilik Asitler, Amitler ve Esterler 66 Nitriller 67 Organik Bileşiklerin Önemli Sınıflarının Özeti 68 Fiziksel Özellikler ve Moleküler Yapı 68 Çekici Elektrik Kuvvetlerinin Özeti 76 İnfrared (Kırmızı Ötesi) Spektroskopisi: Fonksiyonel Grupların Belirlenmesi İçin Bir Aletli Yöntem 76

Bölüm 3

Organik Tepkim elere Giriş: Asitler ve Bazlar Protonlara Mekik Dokutmak

90

90

▲ (Moleküler grafik: Diamox, yükseklik hastalığını önleyen bir ilaç) 3.1 Tepkim eler ve M ekanizm aları 3.2 A sit-B az Tepkim eleri 94

91

Kimyası... Tepkimelerde H O M O ’lar ve L U M O ’lar

98

3.3 B ağların K arb on a H eterolizi: K arb okatyo n lar ve K arb an yo n lar 3.4 Tepkim elerin G österim inde Eğri O kların K ullanım ı 99 3.5 A sitlerin ve B azların K uvvetleri: ve p 101

98

Ka Ka

3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3 .11 3.12 3.13 3.14

A sit-B a z Tepkim elerinin Sonucunu Ö ngörm e 104 Y ap ı ve A sitlik A rasınd aki İlişki 106 E n erji Değişim leri 110 Denge Sabiti ve Standart Serbest Enerji Değişim i, AG°, A rasınd aki İlişki K arb oksilik Asitlerin A sitliği 112 Çözücünün A sitlik Ü zerine Etkisi 116 B azlar O la ra k O rgan ik Bileşikler 117 B ir O rgan ik Tepkim enin M ekanizm ası 119 Susuz Çözeltilerde A sitler ve B azlar 120

Kimyası... Karbonik Anhidraz

121

3.15 A sit-B a z Tepkim eleri ve Döteryum ve T rityu m Etiketli Bileşiklerin Sentezi

Bölüm 4

123

Alkanlar: Adlandırm a, Konformasyon Analizi ve Sentezlere Giriş Esnek Olup Olmamayı Moleküler Yapı Belirler

129

A (Moleküler grafik: Son derece rijit bir molekül olan elmasın yapısının bir kısmı)

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

1 11

Alkanlar ve Sikloalkanlara Giriş 130 Alkanların Şekilleri 132 Alkanlar, Alkil Halojenürler ve Alkollerin IUPAC Adlandırması Sikloalkanların Adlandırılması 142 Alkenler ve Sikloalkenlerin Adlandırılması 144 Alkinlerin Adlandırılması 146 Alkan ve Sikloalkanların Fiziksel Özellikleri 147 Sigma Bağları ve Bağlar Etrafında Dönme 149

135

I 29

İçindekiler

4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20

Bütanın Konformasyon Analizi 151 Sikloalkanların Bağıl Kararlılıkları: Halka Gerginliği 153 Siklopropan ve Siklobütandaki Halka Gerginliğinin Kaynağı: Açı ve Burulma Gerginliği Sikloheksanın Konformasyonları 157 Sübstitüe Sikloheksanlar: Aksiyal ve Ekvatoryal Hidrojen Atomları 160 Disübstitüe Sikloalkanlar: Cis-Trans Izomerisi 163 Bisiklik ve Polisiklik Alkanlar 168 Feromonlar: Kimyasal Maddelerle İletişim 169 Alkanların Kimyasal Tepkimeleri 170 Alkanlar ve Sikloalkanların Sentezleri 170 Yapı ve Etkinlikle İlgili Bazı Genel Kurallar: Sentezlere Doğru Bir Bakış 173 Organik Senteze Giriş 174

K im y a s ı... İnorganikten Organiğe

Bölüm 5

178

Stereokimya: Kiral Moleküller Hayatın El Seçiciliği

I 84

184

▲ (Moleküler grafik: Kiral bir amino asit olan alaninin ayna görüntüsü stereoizomerleri) 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10

İzom eri: Y ap ı izom erleri ve Stereoizom erler 185 Enantiyom erler ve K ira l M oleküller 187 K iralliğin B iyolojik Önem i 191 Stereokim yanın T arih i K ökeni 193 K ira llik İçin Denem eler: Sim etri Düzlem i 194 Enantiyom erlerin Adlandırılm ası: ( ) Sistemi 195 E nantiyom erlerin Ö zellikleri: O ptikçe A k tiflik 200 O ptikçe A ktifliğin K ayn ağı 205 K ira l M oleküllerin Sentezleri 208 K ira l İlaçlar 210

R-S

Kimyası... Doğal Olmayan Protein Enantiyomerleri

21 I

5 .11 5.12 5.13 5.14

Birden F azla Stereom erkeze Sahip M oleküller 211 Fischer İzdüşüm Form ülleri 215 H alkalı Bileşiklerde Stereoizom eri 217 Stereom erkeze Bağlı H içbir Bağın K ırılm adığı Tepkim eler Y ard ım ıyla K onfîgü rasyonları İlişkilendirm e 219 5.15 E nantiyom erlerin A yrılm ası: Y arılm a 223 5.16 K arbon dan B aşka Stereom erkez İçeren Bileşikler 224 5.17 D ört F arklı G ru plu Düzgün D örtyüzlü B ir A tom a Sahip O lm ayan K ira l M oleküller

Bölüm 6

224

İyonik Te p kim e le r-A lk il Halojenürlerin Nükleofilik Y e r Değiştirme Tepkim eleri 229 Organik Kimya İle Bakteri Hücre Duvarlarının Parçalanması

229

▲ (Moleküler grafik: Bir hidroksit anyonu ile klorometanın çarpışması sonucu oluşan SN2 geçiş hali)

6.1 Giriş 230 6.2 Organik Halojenürlerin Fiziksel Özellikleri

231

155

İçindekiler

XXII 6.3 6.4 6.5 6.6

N ükleofilik Y e r Değiştirm e Tepkim eleri 231 N ükleofiller 232 A yrılan G ru p la r 233 Bir N ükleofilik Y e r Değiştirm e Tepkim esinin K inetiği: SN2 Tepkim esi

6.7 Sn 2 Tepkim esinin M ekanizm ası

235

6.8 G eçiş H ali Teorisi: Serbest Enerji D iyagram ları 6.9 S n2 Tepkim elerinin Stereokim yası 240

237

6.10 H idroksit İyoni İle ter-B ütil K lorürün Tepkim esi: SN1 Tepkim esi 6 .11 SN1 Tepkim esinin M ekanizm ası 6.12 K arb okatyo n lar 246 6.13 S N1 Tepkim elerinin Stereokim yası

234

243

244 249

6.14 SN1 ve S n2 Tepkim elerinin H ızlarını Etkileyen E tkenler

251

6.15 O rgan ik Sentezler: SN2 Tepkim eleri İle Fonksiyonel G ru p Dönüşüm leri

K im y a s ı... Biyolojik Metilleme: Biyolojik Bir Nükleofilik Yer Değiştirme

6.16 6.17 6.18 6.19 6.20

A lkil H alojenürlerin A yrılm a Tepkim eleri E2 Tepkim esi 267 E l Tepkim esi 268 A yrılm aya K arşı Y e r Değiştirm e 269 Genel Ö zet 272

Bölüm 7

261

261

265

Alkenler ve Alkinler I: Özellikleri ve Elde Edilişleri. Alkil Halojenürlerin A yrılm a Tepkim eleri 28 I Hücre Zarı Geçirgenliği

281

A (Moleküler grafik: Hücre zarı fosfolipitlerine katılan bir doymamış yağ asidi, cis—9—oktadekenoik asit) 7.1 - 7.2 ' 7.3 * 7.4 ' 7.5 ' 7.6 « 7.7 7.8 7.9 7.10 * 7 .11 - 7.12 * 7.13

(E)-(Z)

G iriş 282 Alken Diastereom erlerinin Sistem iyle A dlandırılm ası 282 A lkenlerin Bağıl K a ra rlılık la rı 284 Sikloalkenler 287 A yrılm a Tepkim eleri Üzerinden A lkenlerin Sentezi 288 A lkil H alojenürlerden H idrojen H alojenür Ç ıkarılm ası (Dehidrohalojenlem e) Alkollerden Su Ç ıkarılm ası (Dehidrasyon) 293 K arbokatvon K a ra rlılığı ve M oleküler Ç evrilm elerin M eydana Gelişi 299 Kom şu D ibrom ürlerden Brom Ç ıkarılm asıyla Alken Sentezi 303 A yrılm a Tepkim eleriyle Alkinlerin Sentezi 304 Uç Alkinlerin A sitliği 305 Uç Alkinlerin A setilenik H idrojen Atom unun Y e r Değiştirm esi 306 A lkenlerin H idrojenlenm esi 307

K im y a s ı... Gıda Endüstrisinde Hidrojenleme

308

7.14 H idrojenlem e: K atalizörün G örevi 309 7.15 A lkinlerin H idrojenlenm esi 310 7.16 H idrokarbon ların M olekül Form ülleri: H idrojen E ksikliği İndeksi

312

288

İçindekiler

Bölüm 8

Alkenler ve Alkinler II: Katılma Tepkim eleri

321

Deniz: Biyolojik Olarak Aktif Doğal Ürünler Hâzinesi

321

A (Moleküler grafik: Daktilin, halojenlenmiş bir doğal deniz ürünü)

- 8.1 Giriş: Alkenlere Katılmalar 322 9 8.2 Alkenlere Hidrojen Halojenür Katılması: Markovnikov Kuralı 8.3 Bir Alkene İyonik Katılmanın Stereokimyası 330 8.4 Alkenlere Sülfürik Asit Katılması 330 - 8.5 Alkenlere Su Katılması: Asit Katalizli Hidrasyon 321 •8.6 Alkenlere Brom ve Klor Katılması 334 8.7 Alkenlere Halojenlerin Katılmasının Stereokimyası 335 8.8 Halohidrin Oluşumu 339

324

K im y a s ı... Simetrik Olmayan Sübstitüe Bromonyum İyonlarında Yerseçimlilik:

Eten, Propen ve 2-Metilpropenin Bromonyum İyonları

8.9 8.10 8.11 8.12 8.13 8.14 8.15

340

İki Değerlikli Karbon Bileşikleri: Karbenler 342 Alkenlerin Yükseltgenmesi: Sin Hidroksilleme 344 Alkenlerin Yükseltgemeli Bölünmesi 346 Alkinlere Brom ve Klor Katılması 348 Alkinlere Hidrojen Halojenür Katılması 349 Alkinlerin Yükseltgemeli Bölünmesi 350 Sentetik Straetejilerin Yeniden Gözden Geçirilmesi 350

K im y a s ı... Kolesterolün Biyosentezi: Doğadaki Mükemmel ve Bildik Tepkimeler

Bölüm 9

Nükleer Manyetik Rezonans ve Kütle Spektrom etri: Yapı Tayini İçin Kullanılan A letler 366 Sıvı Helyum Termosu

366

A (Moleküler grafik: 1—Kloro—2—proparıol)

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11

Giriş 367 Elektromanyetik Spektrum 368 Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi 370 Nükleer Spin: Sinyalin Kaynağı 374 Protonların Perdelenmesi ve Perdelenmemesi 376 Kimyasal Kayma 377 Kimyasal Kayması Eşdeğer ve Eşdeğer Olmayan Protonlar Sinyal Yarılması: Spin-Spin Eşleşmesi 381 Proton NMR Spektrumları ve Hız İşlemleri 391 Karbon-13 NMR Spektroskopisi 393 İki Boyutlu (2D) NMR Teknikleri 397

Kimyası... Tıpta Manyetik Rezonans Görüntüleme

9.12 Kütle Spektrometriye Giriş 9.13 Kütle Spektroskopisi 403

403

402

379

354

x x iii

XXİV

9.14 9.15 9.16 9.17 9.18

İçindekiler

Kütle Spektrumu 406 Molekül Formüllerinin ve Molekül Kütlelerinin Belirlenmesi Parçalanma 413 GC/MS Analizi 420 Biyomoleküllerin Kütle Spektrumları 420

Bölüm 10

Radikal Tepkim eleri

409

429

Kalikamisin y/: D N A İskeletinin Dilimlenmesi İçin Bir Radikal Cihazı

429

A (Moleküler grafik: DNA ikili telini parçalayabilen bir molekül, kalikamisin y^)

10.1 Giriş

431

K im y a s ı... Biyoloji, Tıp ve Endüstride Radikaller

10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 10.10 10.11

432

Homolitik Bağ Ayrışma Enerjileri 433 Alkanların Halojenlerle Tepkimeleri 437 Metanın Klorlanması: Tepkime Mekanizması 439 Metanın Klorlanması: Enerji Değişimleri 442 Yüksek Alkanların Halojenlenmesi 450 Alkil Radikallerinin Geometrisi 453 Düzgün Dörtyüzlü Stereomerkez Oluşturan Tepkimeler 453 Alkenlere Radikalik Katılma: Hidrojen Bromürün Anti-Markovnikov Katılması Alkenlerin Radikalik Polimerleşmesi: Zincir Büyütme Polimerleri 458 Diğer Önemli Radikal Tepkimeleri 460 Özel Konu A: Zincir Büyütme Polimerleri

Bölüm I I

Alkoller ve Eterler

476

Moleküler Konukçular

476

456

469

A (Moleküler grafik: Hücre zarları arasında iyon aktarımı yapan bir antibiyotik, monensin sodyum tuzu)

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11

Yapı ve Adlandırma 477 Alkollerin ve Eterlerin Fiziksel Özellikleri 480 Önemli Alkoller ve Eterler 482 Alkollerin Alkenlerden Sentezi 484 Oksiciva Katılması-Civa Ayrılması Tepkimesiyle Alkenlerden Alkollerin Eldesi Hidroborasyon: Organoboranlarm Sentezleri 488 Hidroborasyon-Yükseltgemeyle Alkenlerden Alkollerin Eldesi 490 Alkollerin Tepkimeleri 493 Alkollerin Asit Olarak Davranışı 494 Alkollerin Mesilatlara ve Tosilatlara Dönüştürülmesi 495 Sn2 Tepkimelerinde Mesilatlar ve Tosilatlar 497

K im y a s ı... Alkil Fosfatlar

485

498

11.12 Alkollerin Alkil Halojenürlere Dönüştürülmesi 499 11.13 Alkollerin Hidrojen Halojenürlerle Tepkimelerinden Alkil Halojenürlerin Elde Edilmesi 499 11.14 Alkollerin PBr3veya SOCI2ile Tepkimelerinden Alkil Halojenürlerin Elde Edilmesi 502

İçindekiler

11.15 Eterlerin Sentezi 503 11.16 Eterlerin Tepkimeleri 507 11.17 Epoksitler 508 K im y a s ı... Sharpless Asimetrik Epoksitlemesi

11.18 Epoksitlerin Tepkimeleri

510

512

K im y a s ı... Epoksitler, Karsinojenler ve Biyolojik Yükseltgenme

514

11.19 Alkenlerin Epoksitler Üzerinden Anti-Hidroksillenmesi 516 11.20 Taç Eterler: Bağıl Olarak Polar Olmayan Aprotik Çözücülerde Faz-Transfer Kataliziyle Nükleofilik Yer Değiştirme 519 11.21 Alkenlerin, Alkollerin ve Eterlerin Tepkimelerinin Özeti 523 Bölüm I 2

Alkollerin Karbonil Bileşiklerinden Sentezi. Yükseltgenm e-İndirgenm e ve Organom etalik Bileşikler 529 Koenzim N A D H ’nin İki Hali

529

A (Moleküler grafik: Nikotinamit [niasin])

12.1 Giriş 530 12.2 Organik Kimyada Yükseltgenme-İndirgenme Tepkimeleri 12.3 Karbonil Bileşiklerinin İndirgenmesiyle Alkollerin Eldesi K im y a s ı... Alkol Dehidrojenaz

532 533

536

K im y a s ı... Karbonil Gruplarının Stereoseçimli İndirgenmeleri

12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10

537

Alkollerin Yükseltgenmesi 538 Organometalik Bileşikler 543 Organolityum ve Organomagnezyum Bileşiklerinin Elde Edilişi 544 Organolityum ve Organomagnezyum Bileşiklerinin Tepkimeleri 546 Grignard Reaktiflerinden Alkollerin Eldesi 549 Lityum Dialkilkupratlar: Corey-Posner, Whitesides-House Sentezi 556 Koruyucu Gruplar 559

Birinci Karm a Problem Takım ı Bölüm 13

566

Konjuge Doymamış Sistemler Sentetik Moleküllerde Nobel Ödüllüler

571 571

A (Moleküler grafik: Morfin, Diels—Alder tepkimesi içeren sentezi)

13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7

Giriş 572 Allilik Yer Değiştirme ve Allil Radikali 573 Allil Radikallerinin Kararlılığı 577 Allil Katyonu 580 Rezonans Kurallarının Özeti 582 Alkadienler ve Doymamışlığı Fazla Olan Hidrokarbonlar 1,3-Bütadien: Elektron Delokalizasyonu 587

586

XXV

XXVI

İçindekiler

13.8 Konjuge Dienlerin Kararlılığı 589 13.9 Ultraviyole-Görünür Bölge Spektroskopisi K im y a s ı... Görmenin Fotokimyası

591

596

13.10 Konjuge Dienler: Elektrofilik Atak: 1,4 Katılması 600 13.11 Diels-Alder Tepkimesi: Dienlerin 1,4-Siklokatılma Tepkimeleri Bölüm I 4

A ro m atik Bileşikler “ Yeşil” Kimya

604

6 I9

619

A (Moleküler grafik: Aromatik hidrokarbon ailesinde ana molekül, benzen)

14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7 14.8

Giriş 620 Benzen Türevlerinin Adlandırılması 621 Benzenin Tepkimeleri 623 BenzeninKekule' Yapısı 624 BenzeninKararlılığı 626 BenzeninYapısıyla İlgili Modern Teoriler 627 Hückel Kuralı: (4n + 2) n Elektron Kuralı 630 Diğer Aromatik Bileşikler 637

K im y a s ı... Nanotüpler

641

14.9 Heterohalkalı Aromatik Bileşikler 642 14.10 Biyokimyada Aromatik Bileşikler 643 14.11 Aromatik Bileşiklerin Spektroskopisi 646 K im y a s ı... Güneş Koruyucuları (Güneş Işınlarına Maruz Kalma ve Bunun Etkileri)

Bölüm 15

A ro m atik Bileşiklerin Tepkim eleri

650

611

Tiroksinin Biyosentezi: İyot İçeren Aromatik Yer Değiştirme

61 I

A (Moleküler grafik: Metabolik hızın düzenlenmesiyle ilgili aromatik iyot-içeren bir hormon, Tiroksin)

15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9 15.10 15.11

Elektrofilik Aromatik Yer Değiştirme Tepkimeleri 662 Elektrofilik Aromatik Yer Değiştirme İçin Genel Bir Mekanizma: Arenyum İyonları 663 Benzenin Halojenlenmesi 665 Benzenin Nitrolanması 667 Benzenin Sülfolanması 668 Friedel-Crafts Alkillemesi 669 Friedel-Crafts Açillemesi 671 Friedel-Crafts Tepkimelerinin Kısıtlamaları 673 Friedel-Crafts Açillemelerinin Sentetik Uygulamaları: Clemmensen İndirgemesi 675 Etkinlik ve Yönlendirme Üzerine Sübstitüent Etkileri 677 Elektrofilik Aromatik Yer Değiştirmede Sübstitüent Etkileri Teorisi 680

K im y a s ı... Tiroksin Biyosentezinde İyotun Katılımı

15.12 A lkilbenzenlerin Y an Z in cir T epkim eleri

692

690

İçindekiler K im y a s ı... Endüstriyel Stiren Sentezi

15.13 15.14 15.15 15.16

693

Alkenilbenzenler 696 Sentetik Uygulamalar 698 Nükleofilik Yer Değiştirme Tepkimelerinde Benzilik ve Allilik Halojenürler Aromatik Bileşiklerin İndirgenmesi 704

Bölüm I 6

XXVII

702

Aldehitler ve Ketonlar I. Karbonil G rubuna Nükleofilik Katılma Ç o k Yönlü Bir Vitamin, Piridoksin (Vitamin B6)

7 I4

714

A (Moleküler grafik: Piridoksal fosfat [vitamin B6])

16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8

Giriş 715 Aldehitler ve Ketonların Adlandırılması 716 Fiziksel Özellikleri 717 Aldehitlerin Sentezleri 719 Ketonların Sentezleri 723 Karbon-Oksijen İkili Bağına Nükleofilik Katılma Alkollerin Katılması: Yarı-Asetaller ve Asetaller Amonyak Türevlerinin Katılması 738

Kimyası... Pridoksal Fosfat

16.9 16.10 16.11 16.12 16.13 16.14

727 730

742

Hidrojen Siyanür Katılması 743 Yilürlerin Katılması: Wittig Tepkimesi 745 Organometalik Reaktiflerin Katılması: Reformatsky Tepkimesi Aldehitlerin ve Ketonların Yükseltgenmesi 750 Aldehitler ve Ketonlar İçin Kimyasal Analizler 752 Aldehit ve Ketonların Spektroskopik Özellikleri 753

Bölüm I 7

Aldehitler ve Ketonlar II. Aldol Tepkim eleri

749

766

TİM (Trioz Fosfat Isomeraz) Enol Üzerinden Karbonun Geri Kazanımı A (Moleküler grafik: Metabolik enerji üretiminde bir anahtar ara ürün, gliseraldehit—3—fosfat)

17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7

Karbonil Bileşiklerinin a-Hidrojenlerinin Asitliği: Enolat Anyonları 767 Keto ve Enol Tautomerleri 769 Enoller ve Enolat Anyonları Üzerinden Olan Tepkimeler 770 Aldol Tepkimeleri: Enolat Anyonlarının Aldehitlere ve Ketonlara Katılması Çapraz Aldol Tepkimeleri 780 Aldol Kondensasyonlarıyla Halkalanmalar 786 Lityum Enolatlar 788

K im y a s ı... Silil Enol Eterler

792

17.8 a-Selenleme: a,/3-Doymamış Karbonil Bileşiklerinin Sentezi 17.9 a,^-Doymamış Aldehitler ve Ketonlara Katılmalar 795 K im y a s ı... D N A ’nın Parçalanması İçin Kalikamisin

7

/ Aktivasyonu

794 799

776

766

XXVIII

İçindekiler

Bölüm I 8

Karboksilik Asitler ve Tü re vleri, Açil Karbonunda Nükleofilik K atılm a -A yrılm a 8 I0 Bir Genel Bağ

810

▲ (Moleküler grafik: Bir poliamit olan naylon 6,6’nın bir kısmı)

18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.8

Giriş 811 Adlandırma ve Fiziksel Özellikleri 811 Karboksilik Asitlerin Sentezi 820 Açil Karbonunda Nükleofilik Katılma-Ayrılma Açil Klorürler 825 Karboksilik Asit Anhidritleri 827 Esterler 828 Amitler 836

Kimyası... Penisilinler

822

844

18.9 a-Halo Asitler: Hell-Volhard-Zelinski Tepkimesi 18.10 Karbonik Asit Türevleri 846 18.11 Karboksilik Asitlerin Dekarboksilasyonu 849 Kimyası... Tiyamin

850

18.12 Açil Bileşikleri İçin Kimyasal Denemeler

851

Özel Konu B: Basamaklı Büyüyen Polimerler

Bölüm 19

844

868

/}-Dikarbonil Bileşiklerinin Sentezleri ve Tepkim eleri: Enolat Anyonlarıyla İlgili Daha Fazla Kimyasal Bilgi 877 Sahte Bileşikler

877

A (Moleküler grafik: Bir doğal substrat gibi maskeleyerek antikanser etkinlik gösteren bir enzim inhibitörü, 5—Florourasil)

19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8 19.9

Giriş 878 Claisen Kondensasyonu: /3-Keto Esterlerin Sentezi 879 Aseto Asetik Ester Sentezi: Metil Ketonların (Sübstitüe Asetonlar) Sentezi Malonik Ester Sentezi: Sübstitüe Asetik Asitlerin Sentezi 892 Aktif Hidrojen Bileşiklerinin Daha İleri Tepkimeleri 896 Ester ve Nitrillerin Doğrudan Alkillenmesi 897 1,3-Ditiyanların Alkillenmesi 898 Knoevenagel Kondensasyonu 900 Michael Katılmaları 900

K im y a s ı... Kendi Kendini Yok Eden Bir Enzim Substratı

19.10 Mannich Tepkimesi 902 19.11 Enaminlerin Sentezi: Stork Enamin Tepkimeleri 19.12 Barbitüratlar 908 K im y a s ı... Antikor Katalizli Aldol Katılması

910

902

904

885

İçindekiler

x x ix

Özel Konu C: Tiyoller, Kükürt Yilürleri ve Disülfürler 923 Özel Konu D: Tiyol Eterleri ve Lipit Biyosentezleri 928

Bölüm 2 0

A m in le r

942

Nörotoksinler ve Sinir İleticileri

942

A (Moleküler grafik: Zehirli ok kurbağalarından izole edilen bir felç edici bir nörotoksin, Histriyonikatoksin)

20.1 Adlandırma 944 20.2 Aminlerin Fiziksel Özellikleri ve Yapıları 20.3 Aminlerin Bazlığı: Amin Tuzları 947

945

Kimyası... Enantiyomerlerin HPLC Yarılması

954

20.4 20.5 20.6 20.7

Biyolojik Önemi Olan Bazı Aminler Aminlerin Eldesi 957 Aminlerin Tepkimeleri 965 Aminlerin Nitröz Asitle Tepkimeleri

Kimyası... Nitrozoaminler

20.8 20.9 20.10 20.11 20.12 20.13

955 966

968

Arendiazonyum Tuzlarının Yer Değiştirme Tepkimeleri 969 Arendiazonyum Tuzlarının Kenetlenme Tepkimeleri 972 Aminlerin Sülfonil Klorürle Tepkimeleri 975 Sülfa İlaçları: Sülfanilamit 977 Aminlerin Analizi 980 Amonyum Bileşiklerini İçeren Ayrılmalar 982 Özel Konu E: Heterohalkalı Aminlerin Tepkimeleri ve Sentezleri Özel Konu F: Alkaloitler 1008

Bölüm 2 I

Fenoller ve A ril Halojenürler: Nükleofilik A ro m atik Y e r Değiştirme Güm üş Kupa

1014

A (Moleküler grafik: Kupa şeklinde bir molekül, 4—ter—BütiIkaIiks[4]aren)

21.1 21.2 21.3 21.4

Fenollerin Yapıları ve Adlandırılmaları Doğal Olarak Oluşan Fenoller 1016 Fenollerin Fiziksel Özellikleri 1017 Fenollerin Sentezleri 1017

1015

K im y a s ı... Poliketit Antikanser Antibiyotik Biyosentezi

21.5 21.6 21.7 21.8 21.9 21.10 21.11

997

1018

Asitler Olarak Fenollerin Tepkimeleri 1023 Fenollerin O-H Grubunun Diğer Tepkimeleri 1025 Alkil Aril Eterlerin Bölünmesi 1026 Fenollerin Benzen Halkasının Tepkimeleri 1027 Claisen Çevrilmesi 1029 Kinonlar 1030 Aril Halojenürler ve Nükleofilik Aromatik Yer Değiştirme

1032

10 1 4

XXX

İçindekiler

K im y a s ı... Bir PCB Türevinin Bakteriyel Dehaiojenlenmesi

1035

21.12 Fenollerin ve Aril Halojenürlerin Spektroskopik Analizleri İkinci Karm a Problem Takım ı

1039

10 5 0

Özel Konu G: Elektrosiklik ve Siklokatılma Tepkimeleri 1056 Özel Konu H: Çevremizdeki Organik Halojenürler ve Organometalik Bileşikler Özel Konu I: Geçiş Metalli Organometalik Bileşikler 1077

Bölüm 2 2

Karbohitratlar

1071

10 8 8

Hastalıklarda ve İyileşmede Karbohidrat Tanınması

1088

A (Moleküler grafik: Tanınmada ve yaralanmış dokunun iyileşmesinde önemli bir karbohidrat, sialil Lewis*)

22.1 22.2 22.3 22.4 22.5 22.6 22.7 22.8 22.9 22.10 22.11 22.12

Giriş 1089 Monosakkaritler 1092 Mutarotasyon 1098 Glikosit Oluşumu 1099 Monosakkaritlerin Diğer Tepkimeleri 1102 Monosakkaritlerin Yükseltgenme Tepkimeleri 1104 Monosakkaritlerin İndirgenmesi: Alditoller 1110 Monosakkaritlerin Fenilhidrazinle Tepkimeleri: Osazonlar Monosakkaritlerin Sentezi ve Küçültülmesi 1112 Aldozların D Ailesi 1114 D-(+)-Glikozun Konfigürasyonuna Fischer Kanıtı 1114 Disakkaritler 1118

K im y a s ı... Yapay Tatlandırıcılar (Ne Kadar Tatlı)

22.13 22.14 22.15 22.16 22.17

Polisakkaritler 1123 Biyolojik Önemi Olan Diğer Şekerler 1128 Azot İçeren Şekerler 1129 Hücre Yüzeyinin Glikolipit ve Glikoproteinleri Karbohidrat Antibiyotikler 1132

Bölüm 23

Lipitler

1110

I 122

1130

I 14 2

Sinirlerin Yalıtımı

I 142

A (Moleküler grafik: Miyelin kılıfı zarlarında bulunan bir spingomiyelin molekülü)

23.1 Giriş 1143 23.2 Yağ Asitleri ve Triaçilgliseroller

1144

K im y a s ı... Olestra ve Katı Yağlar Yerine Kullanılan Diğer Maddeler

23.3 23.4 23.5 23.6 23.7

Terpenler ve Terpenoitler Steroitler 1156 Prostaglandinler 1165 Fosfolipitler 1167 Mumlar 1170

1152

I 148

İçindekiler

Bölüm 2 4

A m in o Asitler ve Proteinler

I 179

Katalitik Antikorlar: Tasarımcı Katalizörler

I 179

A (Moleküler grafik: Bir bağlı hapteni olan sentetik bir Diels—alderaz katölizörü)

24.1 24.2 24.3 24.4 24.5 24.6

Giriş 1180 Amino Asitler 1181 a-Amino Asitlerin Laboratuvar Sentezleri 1186 Polipeptitlerin ve Proteinlerin Analizi 1190 Polipeptitlerin ve Proteinlerin Amino Asit Sırası 1193 Polipeptitlerin ve Proteinlerin Birincil Yapıları 1196

K im y a s ı... Orak Hücre Anemisi

24.7 24.8 24.9 24.10 24.11

I 199

Polipeptit ve Protein Sentezleri 1200 Proteinlerin İkincil, Üçüncül ve Dördüncül Yapıları Enzimlere Giriş 1212 Lisozim: Bir Enzimin Etkime Şekli 1213 Serin Proteazlar 1215

K im y a s ı... Bazı Katalitik Antikorlar

24.12 Hemoglobin: Bir Konjuge Protein Bölüm 2 5

1220

1222

Nükleik Asitler ve Protein Sentezi Aileleri Bulmada Araçlar

1205

1228

1228

A (Moleküler grafik: Bir elektrostatik potansiyel haritası olarak van der VVaals yüzeyi gösterilen bir sitosin-guanin baz çifti)

25.1 25.2 25.3 25.4 25.5 25.6 25.7 25.8

Giriş 1229 Nükleotitler ve Nükleositler 1229 Nükleosit ve Nükleotitlerin Laboratuvar Sentezleri Deoksiribonükleik Asit (DNA) 1236 RNA ve Protein Sentezi 1243 DNA’nın Baz Diziliş Sırasının Tayini 1250 Oligonükleotitlerin Laborutavar Sentezleri 1253 Polimeraz Zincir Tepkimesi 1255

Seçilmiş Problemlerin Cevapları Sözlük

A l

GI

Fotoğraf, Resim, Şekil ve Çizelgelerin Kaynakları Dizin

1232

C I

XXXI

Yazarlar Hakkında

T. W . G

r ah am

So

C

lo m o n s

T. W. Graham Solomons lisans eğitimini Citadol’da yap tı ve organik kimyada doktor unvanını 1959’da Duke Üni versitesinde aldı. Doktorasında C. K. Bradsher ile çalıştı. Daha sonra, Sloan Vakfının verdiği bursla, doktora son rası çalışmalarım V. Boekelheide ile birlikte devam etti. 1960’ta Kuzey Florida Üniversitesinin fakültesinde ku rucu üye oldu ve 1973’te Kimya Profesörü, 1992’de Emekli Profesör oldu. 1994’te René Descartes (Paris VSEPR) Üniversitesi Fen Fakültesi Biyoloji Bölümünde •ziyaretçi profesör olarak bulundu. Sigma Xi, Phi Lamb da Upsilon ve Sigma Pi Sigma üyesidir. Amerikan Kim ya Topluluğu Petrol Araştırma Teşkilatı ve Araştırma şirketlerinden araştırma bursları kazanmıştır. Senelerce USF’de lisans düzeyi öğrencilerinin araştırma değişim programlarında NSF sponsorluğu müdürlüğü yapmıştır. Araştırma konuları heterosiklik kimya ve alışılmamış aro matik bileşikler alanıdır. Yayınlarını "Journal of Ameri

can Chemical Society", "Journal of Organic Chemistry" ve "Journal ofHeterocyclic Chemistıy"de yapmıştır. Eği ticiliği yönüyle bir çok ödül almıştır. Organik Kimya ders kitapları 20 senedir kullanılmakta olup, bu kitapları Japoncaya, Çinceye, Arapçaya, Portekizceye, İspanyolcaya, İtalyancaya, Malezyacaya, Koreceye çevrilmiştir. Kendisi ve karısı Judith’in jeofizikçi olan bir kızı ve iki küçük oğlu vardır.

r a îg

Ba

r to n

Fr

yh le

Craig Barton Fryhle Pasifik "Lutheran" Üniversitesinde Doçent olup, Kimya Bölümü Başkamdir. Lisans derece sini "Gettysburg" kolejinden Ph. D. Diplomasını ise "Brown" Üniversitesinden almıştır. Profesör Fryhle'ın araştırma sahası şikimik asit sürecindeki enzimler ve metabolitlerdir. Devamlı araştırma konuları şikimik asitin es terleşmesi mekanizmasında substratların konformasyon çalışmaları, moleküler modelleme ve NMR spektrometresiyle benzetmeler ve şikimik asit sürecinde enzimlerin yapı ve etkinlikleri üzerinde çalışmalardır. Milli Bilim Vakfından, özel kuruluşlardan, M. J. Murdock firmasın dan araştırma ve alet kurma ödülleri almıştır. Profesör Fryhle’ın kimya eğitimi çalışmaları organik kimyada ak tif ve bilgisayar destekli eğitim programlarını, lisans se viyesi organik kimya derslerinde yeni deneylerin geliştirilmesini, aletsel analiz derslerini ve bu kitabın ön ceki baskılarındaki yapılan çalışmaları içerir. Seattle dev let okullarında fen programlarında gönüllü olarak çalışmıştır. Amerikan Kimya Demeği Puget Ses Bölü münde 1999’da müdürlük yapmıştır. Seattle’da karısı Deanna ve kızları Lauren ve Heather’la birlikte yaşamak tadır.

XXXÜ

Öğrencilere

Yaygın kanıların aksine organik kimya zor bir ders ol mayabilir. Sizlerc tartışmalar sunan tartışmalara açık bir derstir. Bu derste şimdiye kadar gördüğünüz derslerden çok daha fazla şey öğreneceksiniz ve bu öğrendikleriniz yaşamla ve çevrenizde olanlarla ilişkilidir. Organik kim ya olaylara, konulara mantıklı ve sistemli olarak yaklaş tığı için; doğru çalışma alışkanlıkları, organik kimya bilgilerinizin geliştirilmesinde size oldukça tatmin edici tecrübeler kazandıracaktır. Burada size nasıl çalışacağı nıza dair bazı tavsiyeler verilecektir. 1. (¡unu gününe çalışınız. Hiç bir zaman geride kal mayınız. Organik kimya dersi daha önce gördüğünüz bir kavram veya bilgi üzerine başka bir bilginin inşa edildiği bir derstir. Bu bakımdan ders hocanızla bera ber gitmek hatta biraz onun önünde olmak esastır. İde al olanı, sınıfta hocanızdan bir gün önde olmayı dcnemenizdir. Bunu yaptığınızda konuya önceden aşi na olduğunuz için, dersi çok daha kolay anlayacak ve ders size daha yararlı olacaktır. Konuya önceden ya kın olduğunuz için sınıfta fikir geliştirme ve açıklama bakımından da faydalı olacaktır. 2. Küçük birimlerle konuları çalışınız ve yeni bir ko nuyu iyice anladığınızdan emin olmadan sonraki konuya geçmeyiniz. Organik kimya birikebilir bir ya pıya sahip olduğu için her bir yeni fikir önünüze çık tığında bir sonraki kavrama geçmeden önce onu tam olarak anlamaya çalışmanız öğrenmenizde çok etkili olacaktır. Bir çok temel kavram Araç kutusu ikonla rıyla kenarda ve bunlara eşlik eden başlıklarda veril miştir. Bu kavramları öğrendiğinizde, organik kimyadaki başarınız için gerekli olan araçların bir kıs mını da kazanmış olacaksınız. Organik kimya hakkın da düşünme ve çalışmayla ilgili önerilere, başlıklarla ve Çalışma Önerisi ikonlarıyla dikkat çekilmiştir. Bir kavrama Araç kutusu veya Çalışma Önerisi ikonlarıy la dikkat çekilmiş olup olmamasına bakılmaksızın an lamadan ileriye geçilmcmclidir.

3. Bölüm içerisinde verilen problemlerin tümünü ça lışınız. İlerlemenizi kontrol etmek için bölüm içerisin de verilen problemleri çalışmanız (çözmeniz) gerekir. Bu problemler size açıklanan konuları anlayıp anla madığınıza karar vermeniz amacıyla düzenlenmiştir. Eğer bu problemleri çözebilirseniz ileriye devam ede bilirsiniz. eğer bu problemleri anlayamazsanız tekrar daha önce verilen konulara dönüp yeniden çalışmalı sınız. Hocanız tarafından bölüm sonundaki problem lerle ilgili verilen ödevleri yapmalısınız. Bütün problemleri deftere çözünüz. Hocanızdan yardım ge rekli olduğunda kitabınızla beraber bu defteri de gö türünüz. 4. Çalışırken yazınız. Tepkimeleri, mekanizmaları, ya pıları vb. defalarca yazınız. Organik kimya en iyi şe kilde. bakarak, kitaptaki konulara dikkat çekerek vb. yollarla değil, yazarak öğrenilir. Bunun en önemli se bebi organik yapıların, mekanizmaların ve tepkimele rin karmaşık olmasıdır. Bunları tam anladığınızı düşünebilirsiniz, ancak algılamada eksikler olacaktır. Tepkime mekanizması size bir bakıma bir şeyler ifa de edebilir, ancak çok daha iyi anlamanız gerekir. Ko nuları bir başkasına anlatabilmeniz için çok iyi bilmeniz gerekir. Bu seviyede bir öğrenme, genellik le hepimiz için yazma yoluyla kazanılır. Tepkime me kanizmalarının ayrıntılarını; örneğin hangi atomun hangi atoma bağlandığını, tepkimede hangi bağ kırı lıp hangi bağın oluştuğunu, yapıyla ilgili üç boyutlu görünüşleri, ancak yazarak yeterli dikkati verebilir ve öğrenebiliriz. Tepkimeleri ve mekanizmaları yazdığı mızda, organik kimyayı başarmak için gerekli olan bil gilerin uzun süreli akılda yer alması için gerekli bağlantıları beynimizde sağlamış oluruz. Organik kim ya dersinden alacağınız notun bu dersi çalışırken ya zarak doldurduğunuz sayfalarla orantılı olduğunu size garanti edebiliriz.

xxxiii

XXXIV

Önsöz

5. Öğreterek ve açıklamalar yaparak çalışınız. Bir ar kadaşınızla beraber çalışınız. Birbirinize kavramları ve mekanizmaları anlatınız. İkili olarak çalışmada ders hocanızın vereceği alıştırmaları ve Öğrenme Grubu Problemlerini birbirinize öğretme ve anlatmada aktif araç olarak kullanabilirsiniz. 6. Çalışma K ılavuzu'nda verilen problem cevaplarını uygun şekilde kullanınız. Bu cevaplardan iki şekilde yararlanabilirsiniz: (1) Bir problemin çözümünü ta mamladıktan sonra cevabınızı çalışma kılavuzuyla kontrol etmek için kullanınız. (2) Problemi çözerken bir yerde takıldığınızda sadece takıldığınız yere bakıp tekrar geriye giderek probleme devam ediniz. Bir prob lemin değeri onu çözümlemededir. Eğer problemi sa dece okur ve cevabına bakarsanız, öğrenmede en önemli araçtan kendinizi mahrum etmiş olursunuz. 7. Çalışma Kılavuzu'nun giriş kısmında "Bulmaca Çö zümü veya Yapı Herşeydir" başlığıyla verilen kı sımları genel kimyadan organik kimyaya geçişte

başlangıç için verilen köprülerdir. Bu bölüm size ge nel kimyada gördüğünüz, öğrendiğiniz bazı kavramla rın organik kimyayla ilişkisini görmek için yardımcı olabilir. Ayrıca eski bilgilerinizi tazeler ve organik kimyayı anlamanızı kolaylaştırır. Organik kimyadaki temel kuralları ve özellikle yapıları değerlendirmeni zi. anlamanızı kolaylaştırır. Konu olarak sizden önde olarak düşündüğünüz kavramlarda, zor meselelerde ka rışıklıkları azaltır. Gerçekten yapıları bir kere anlama ya başladığınızda organik kimyanın zorluğu da idare edilebilir ölçülere gelir. X. Çalışırken molekül modelleri kullanınız. Organik moleküllerin üç boyutlu yapılarından dolayı, bu yapı ları anlamada, molekül modellerinin kullanımı olduk ça yardımcı olabilir. Pahalı olmayan bir molekül modeli seti satın alınız ve ihtiyacınız olduğunda üç bo yutlu yapıyı anlamak için kullanınız. Ders kitabına yar dımcı olmak üzere verilen Çalışma Kılavuzunun ekinde yararlı olabilecek molekül model alıştırmaları vardır.

Solomon.organik.kimya

Recommend Documents