➕ תגובות סיפוח לאלקנים

מבנה אלקן ותגובתיות - הקשר הפי כנוקלאופיל

אלקן הוא פחמימן עם קשר כפול C=C, המורכב מקשר סיגמא (σ) חזק וקשר פי (π) חלש יותר, הנוצר מחפיפה צדדית של מסלולי p על שני פחמני sp2. הקשר הפי עתיר אלקטרונים וגלוי יחסית (מעל ומתחת למישור המולקולה), ולכן האלקן מתפקד כנוקלאופיל בתגובות סיפוח.

בתגובת סיפוח אלקטרופילית (Electrophilic Addition) האלקטרונים של הקשר הפי תוקפים אלקטרופיל (Electrophile) - כמו כלל, אלקטרופיל תמיד יגיב עם נוקלאופיל ולהפך. לאחר התקיפה נוצר קשר חדש בין הפחמן לאלקטרופיל, הקשר הפי נשבר, וכל אחד משני פחמני הקשר הכפול הופך ל-sp3 (במקרה של סיפוח מלא לשני הפחמנים).

רוב תגובות הסיפוח לאלקנים עוברות באחת משתי דרכים עיקריות: (1) מנגנון דו-שלבי דרך קרבוקטיון אמיתי (כמו בסיפוח או מים בזרז חומצי), או (2) מנגנון דרך יון גשר-מחזורי (halonium ion) או מצב מעבר מחזורי (כמו בהידרובורציה) שמונע יצירת קרבוקטיון פתוח לגמרי - ולכן גם מונע שיחלוף.

• קשר פי (π) חלש יותר מקשר סיגמא (σ) - קל יותר לשבור אותו, ולכן אלקנים ריאקטיביים בתגובות סיפוח.
• תגובה רגיוסלקטיבית (Regioselective) - תגובה שיוצרת יותר מאיזומר מבני (constitutional isomer) אחד מאשר מהאחר.
• תגובה סטראוספציפית (Stereospecific) - תוצר בעל סטריאוכימיה מוגדרת (למשל אנטי או סין), בניגוד לתערובת לא-סלקטיבית.

איזומריה גאומטרית: cis/trans ו-E/Z

בניגוד לקשר יחיד (סיגמא), סביב קשר כפול (C=C) אין סיבוב חופשי - סיבוב היה מצריך פירוק החפיפה הצדדית של מסלולי ה-p (שבירת הקשר הפי), מה שדורש אנרגיה גבוהה (כ-65 קק״ל/מול). לכן, כאשר לכל אחד משני פחמני הקשר הכפול יש שתי קבוצות שונות זו מזו, נוצרת איזומריה גאומטרית (סטראואיזומרים שאינם ניתנים להמרה זה לזה בסיבוב קשר בלבד).

המונחים cis/trans מתארים מיקום יחסי של קבוצות "דומות" (בדרך כלל שתי קבוצות אלקיל מול שני מימנים): cis - הקבוצות הדומות באותו צד; trans - הקבוצות הדומות בצדדים מנוגדים. הבעיה: המונחים cis/trans נעשים דו-משמעיים כאשר יש שלוש או ארבע קבוצות שונות על הקשר הכפול - אז נדרשת שיטת מינוח מדויקת ואוניברסלית: כללי CIP ותיוג E/Z.

כללי CIP (Cahn-Ingold-Prelog) לקביעת E/Z: בכל אחד משני פחמני הקשר הכפול, משווים בין שתי הקבוצות המחוברות אליו לפי מספר אטומי (Z) של האטום הראשון המחובר - אטום עם מספר אטומי גבוה יותר מקבל עדיפות גבוהה יותר. אם יש תיקו באטום הראשון, ממשיכים 'כמו כדור שלג' החוצה ומשווים את קבוצת האטומים המחוברים אליו (מהגבוה לגבוה). קשרים כפולים/משולשים נספרים כאילו יש אטום מוכפל (duplicate atom) פנטומי.

• Z (Zusammen, גרמנית: 'ביחד') - שתי קבוצות העדיפות הגבוהה נמצאות באותו צד של הקשר הכפול.
• E (Entgegen, גרמנית: 'מנוגד') - שתי קבוצות העדיפות הגבוהה נמצאות בצדדים מנוגדים.
• cis לרוב (אך לא תמיד!) מתאים ל-Z, ו-trans לרוב מתאים ל-E - אבל כאשר סדר העדיפות של הקבוצות משתנה, ההתאמה יכולה להישבר; לכן במבחן תמיד יש לבדוק עדיפות CIP בפועל ולא להסתמך על 'דמיון חזותי' בלבד.
• איזומרים גאומטריים הם סטראואיזומרים אמיתיים - בעלי תכונות פיזיקליות שונות (נקודת רתיחה, מומנט דיפול) ולעיתים תכונות ביולוגיות שונות לחלוטין.

הידרוהלוגנציה (HX) וכלל מרקובניקוב

בתגובת סיפוח של המוליד מימן (: , , ) לאלקן, הקשר הפי העשיר-אלקטרונים תוקף את (האלקטרופיל) של . התגובה עוברת בשני שלבים: בשלב הראשון (האיטי, קובע-הקצב) נוצר קרבוקטיון כאשר אחד מפחמני הקשר הכפול נקשר ל-H, והשני נותר קטיוני (sp2, שטוח); בשלב השני (המהיר) יון ההליד () תוקף את הקרבוקטיון ומשלים את התוצר - אלקיל הליד.

כלל מרקובניקוב (Markovnikov's Rule) בניסוח מודרני: האלקטרופיל (H) מתווסף לפחמן ה-sp2 הקשור למספר הגדול יותר של מימנים (הפחות מסועף), כי כך נוצר הקרבוקטיון היציב יותר (3° > 2° > 1° > מתיל, בזכות היפרקוניוגציה ואפקט אינדוקטיבי). לכן ה-X מתווסף לפחמן המסועף יותר.

מכיוון שהמנגנון עובר דרך קרבוקטיון אמיתי - שטוח ולא-כיראלי - יון ההליד יכול לתקוף משני צדי המישור; אם נוצר מרכז כיראלי חדש, מתקבלת בדרך-כלל תערובת רצמית (ולא תוצר יחיד סטראוספציפי). כמו כן, קרבוקטיון עלול לעבור שיחלוף (הסטת הידריד או הסטת מתיל, ואף הרחבת טבעת) אם ניתן ליצור קרבוקטיון יציב יותר - כך מתקבל לעיתים תוצר 'בלתי צפוי' שאינו מהמיקום המקורי של הקשר הכפול.

הידרציה מזוהמת בחומצה (H2O/H3O+) והדימיון להידרוהלוגנציה

הוספת מים לאלקן בזרז חומצי (בקורס - כזרז) יוצרת אלכוהול, במנגנון זהה בעקרונו לסיפוח : (מהחומצה) הוא האלקטרופיל שתוקף ראשון ויוצר את הקרבוקטיון היציב יותר (מרקובניקוב), ולאחר מכן מים (הנוקלאופיל) תוקפים את הקרבוקטיון ויוצרים אוקסוקרבניום (אלכוהול פרוטונירי), שמאבד פרוטון (דה-פרוטונציה) בשלב אחרון ומהיר ונותן את האלכוהול הסופי. זרז (Catalyst) הוא מין שמאיץ תגובה מבלי להתכלות בה - ה- מתחדש בסוף התגובה.

תגובה זו היא שיווי-משקל (equilibrium) - ניתן להריץ אותה גם בכיוון ההפוך (דהידרציה - סילוק מים מאלכוהול ליצירת אלקן, בקטליזה חומצית). בנוסף, מכיוון שהמנגנון עובר דרך קרבוקטיון אמיתי, קיימת אפשרות לשיחלוף קרבוקטיון בדיוק כמו בהידרוהלוגנציה - זו בעיה מעשית משמעותית: כאשר רוצים לקבל אלכוהול 'נקי' (ללא שיחלוף) ובפרט תוצר אנטי-מרקובניקוב, לא נעשה שימוש בהידרציה חומצית אלא בהידרובורציה-חמצון.

תגובה דומה - הוספת אלכוהול לאלקן בזרז חומצי - נותנת אתר, במנגנון אנלוגי: תקיפת ← יצירת קרבוקטיון ← תקיפת האלכוהול הנוקלאופילי ← דה-פרוטונציה.

הלוגנציה (X2) ויון ההלוניום - סיפוח אנטי

בסיפוח הלוגן ( או ; ריאקטיבי מדי לשימוש בסינתזה, ו- פחות ריאקטיבי) לאלקן, אין כאן כאלקטרופיל - במקום זאת, הקשר הפי העשיר-אלקטרונים מקטב את מולקולת ההלוגן (), דוחף אלקטרונים ויוצר קשר חדש לאחד מאטומי הברום תוך שחרור . אך בניגוד להידרוהלוגנציה, לא נוצר קרבוקטיון פתוח - במקום זאת נוצר יון הלוניום (Halonium ion: Bromonium, Chloronium) - טבעת תלת-חברתית טעונה חיובית שבה אטום ההלוגן 'גשר' על שני פחמני הקשר הכפול לשעבר.

מכיוון שאין קרבוקטיון אמיתי (המטען מפוזר על הגשר המחזורי) - אין אפשרות לשיחלוף הידריד/מתיל בתגובה זו! בשלב השני, יון ההליד () שהשתחרר תוקף את יון ההלוניום מהצד הנגדי לגשר (Back-side attack, בדיוק כמו ב-SN2) - במיקום הפחמן המסועף יותר (בעל אופי קרבוקטיוני חלקי גדול יותר). התוצאה: סיפוח אנטי (Anti Addition) - שני אטומי ההלוגן מתווספים לצדדים מנוגדים של המישור לשעבר, ויוצרים דיהליד וויצינלי (vicinal dihalide, שני הלוגנים על פחמנים סמוכים).

הסיפוח האנטי הוא סטראוספציפי: כאשר מסופחים לאלקן ציקלי (כגון ציקלוהקסן), התוצר הוא תמיד הדיאסטראומר הטרנס (שני ההלוגנים בצדדים מנוגדים של הטבעת) - ולא התוצר הציס.

הלוהידרין, הידרוגנציה קטליטית והידרובורציה-חמצון

הלוהידרין (Halohydrin): כאשר מריצים סיפוח הלוגן בנוכחות מים (או אלכוהול) כממס, ריכוז הממס (מים) גבוה בהרבה מריכוז ה- - לכן במקום שהליד יתקוף את יון ההלוניום, המים (נוקלאופיל חלש יותר אך בריכוז עצום) תוקפים ראשונים. המים תוקפים במיקום הפחמן המסועף יותר (הרגיוכימיה דומה למרקובניקוב - שם מתפתח אופי קרבוקטיוני-חלקי גדול יותר), מהצד הנגדי לגשר ההלוניום (אנטי). לאחר דה-פרוטונציה מתקבל הלוהידרין וויצינלי: OH על הפחמן המסועף, X על הפחמן הפחות מסועף, ביחס אנטי.

הידרוגנציה קטליטית (Catalytic Hydrogenation, H2 + Pt/Pd/Ni): גז המימן נספח (adsorption) על משטח מתכתי מוצק (בקורס - Pt, אך גם Pd/C ו-Ni נפוצים). האלקן ניגש למשטח, ושני אטומי המימן מועברים אליו מאותו צד של המשטח - כלומר סיפוח סין (Syn Addition), ותוצאתו רוויה מלאה של הקשר הכפול לאלקן. באלקן ציקלי, סיפוח סין נותן תוצר ציס (שני המימנים החדשים באותו צד של הטבעת).

הידרובורציה-חמצון (Hydroboration-Oxidation, /THF ואז /): שלב ראשון - בורון (חסר אלקטרונים, אלקטרופילי) ומימן מתווספים במצב מעבר מחזורי בן ארבעה מרכזים (concerted, ללא תווך ביניים אמיתי - ולכן ללא שיחלוף אפשרי כלל!). מסיבות סטריות (בורון גדול נתקל בקבוצות אלקיל) ואלקטרוניות (אופי חיובי-חלקי מתפתח בפחמן המסועף יותר במצב המעבר, בדומה ליציבות קרבוקטיון), הבורון מתווסף לפחמן הפחות מסועף - זהו סיפוח אנטי-מרקובניקוב. הסיפוח הוא סין (שני חלקי הריאגנט מאותו צד). שלב שני (חמצון) - / ממירים את קשר C-B ל-C-OH בשימור קונפיגורציה מלא (ללא היפוך, ללא רצמיזציה, ללא שיחלוף) - מתקבל אלכוהול אנטי-מרקובניקוב 'נקי', המשלים את הפער שמשאירה ההידרציה החומצית.