Organische chemie - oefeningen carbonzuurderivaten

De pKa van HCl = -8, van azijnzuur 5, van een alcohol 16 en van ammoniak 35-38. Leg uit waarom de relatieve reactiviteit van de carbonzuurderivaten samenvalt met de relatieve basiciteit van de LG.

Sterke base (een hoge pKa van het geconjugeerd zuur (HCl)) → slechtere LG → lagere reactiviteit

Waarom voegen we 2 equivalenten ethylamine toe in de reactie met cyclohexanecarbonylchloride?

1e ethylamine: gebruikt als nucleofiel om een amide te vormen

2e ethylamine: gebruikt als base om HCl te neutraliseren en voor een efficiëntere reactie

Waarom bekomen we slechts 1 amide bij de reactie van azijnzuurchloride en 1 equivalent ethylamine en triethylamine?

Bij 1 equivalent ethylamine is er genoeg nucleofiel aanwezig om 1 molecuul azijnzuurchloride om te zetten in amide

Triethylamine neemt niet deel aan nucleofiele substitutie → functioneert alleen als base (vormt zout met HCl)

Bij het mechanisme van de zure hydrolyse van een ester, hoe kunnen we het evenwicht naar het carbonzuur verschuiven?

1. door overmaat H2O toe te voegen

2. door het alcohol te verwijderen

3. door een sterk zuur te gebruiken (als katalysator)

4. door lage temperaturen te vermijden

Bij het mechanisme van de alcoholyse (transesterificatie) van ethylbenzoaat met methanol, kan hier de reactie worden verschoven naar methylbenzoaat door het alcohol af te destilleren?

1. door het destilleren van ethanol

2. door een overmaat van methanol toe te voegen

De aminolyse (de reactie van een amine met een ester) verloopt sneller dan de reactie van water met een ester, waarom? Waarom kan de reactie niet versneld worden door een proton (zuur) toe te voegen? Waarom moeten we maar 1 equivalent toevoegen?

Aminolyse verloopt sneller dan de reactie van water met ester:

• sterker nucleofiel (amines) → C minder elektronegatief dan O → hogere e- dichtheid → reageert sterker met elektrofiele carbonylkoolstof van ester

• betere stabilisatie tussenproducten → bij aminolyse kan intermediair gemakkelijker stabiliseren, omdat amines ook proton kunnen afstaan/opnemen, wat reactie bevordert

Reactie niet versnellen door proton toe te voegen:

• protonering amine maakt minder nucleofiel → in een zure omgeving wordt amine geprotoneerd → vrije e- paar verliezen en niet langer als nucleofiel aanvallen

• verhoogde stabiliteit van ester → zuren protoneren de carbonylgroep van ester, waardoor deze minder elektrofiel wordt en minder makkelijk wordt aangevallen door nucleofiel

Waarom 1 equivalent:

• efficiëntie reactie → 1 equivalent is voldoende om ester volledig om te zetten in amide, zolang er geen ander nevenreacties plaatsvinden

• voorkomen bijproducten → meer dan 1 equivalent → overtollige amine reageren met gevormde alcohol, wat tot ongewenste nevenreacties kan leiden

• kostenefficiëntie → amines kunnen duur zijn

Bij het mechanisme van de omzetting van een carbonzuur naar een zuurchloride met thionylchloride, waarom kunnen we zeggen dat de drijfkracht van deze reactie de toename van entropie is?

SO2 (dat een gas is) neemt alle plaats in dat beschikbaar is, wat de entropie doet verhogen

Waarom kunnen amiden niet gehydrolyseerd worden zonder zure katalyse?

Door de lage reactiviteit van amiden: amiden zijn veel minder reactief dan esters, zuren en zuurchloriden vanwege:

• sterke resonantie-stabilitatie: ionenpaar van N wordt gedeeld met carbonylgroep, waardoor een gedeeltelijke C=N karakter ontstaat. R-C(=O)-NH2 <-> R-C(-O)=NH2 (carbonylkoolstof minder elektrofiel en minder vatbaar voor nucleofiele aanval van H20)

• zwakke carbonyl e-acceptor: N minder elektronegatief dan O → trekt minder sterk aan e- → carbonylkoolstof minder positief geladen dan bij esters of zuurchloriden → nucleofielen (water) moeilijker om aan te vallen

Water is zwak nucleofiel:

• hoge activatie-energie: H2O zwak nucleofiel en valt niet makkelijk aan op amide-carbonyl

• geen spontane LG: in niet gekatalyseerde hydrolyse zou hydroxide-intermediair gevormd worden, dat geen goede LG heeft

Hoe helpt zure katalyse: bij zure katalyse wordt de amide gemakkelijker gehydrolyseerd door:

• protonatie carbonylgroep: zuur protoneert carbonylzuurstof waardoor carbonylkoolstof sterker elektrofiel wordt

• vergemakkelijking van nucleofiele aanval door water: doordat carbonylgroep elektrofieler wordt, kan H2O makkelijker aanvallen

• verlaten van stabiele LG: uiteindelijk wordt NH3/RNH2 als LG uitgestoten, wat bij neutrale pH niet spontaan zou gebeuren

Bèta-lactams worden aangetroffen in antibiotica; waarom zijn deze cyclische amiden zo reactief?

Bèta-lactam → 4-ledig cyclische amiden → hoek van 90° → bindingen gedwongen in niet-ideale geometrie, wat spanning in de ring creëert → verhoogt de reactiviteit, omdat de ring graag openbreekt om de spanning te verlichten.

Resonantie beperkt omdat N vastzit in 4-ledige ring en de overlap met de carbonylgroep inefficiënt is → carbonylkoolstof elektrofieler → nucleofielen makkelijker aanvallen.

Elektrofiele carbonylkoolstof wordt gemakkelijker aangevallen door nucleofielen (H2O, OH-, enzymen zoals bèta-lactamase en transpeptidase)