prednÁŠka Č. 5 karbonylovÉ zlÚČeninyszolcsanyi/education/files/organicka chemia ii... · 4...
Post on 09-Apr-2019
232 Views
Preview:
TRANSCRIPT
PREDNÁŠKA Č. 5
KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY
REAKCIE II.
1
2
Reakcie aldehydov a ketónov – Klasifikácia
REAKCIE KARBONYLOVEJ SKUPINY
REAKCIE NA a-UHLÍKU
REAKCIE KARBONYLOVEJ SKUPINY:
S kyselinami
Adície
Oxidácie
3
Reakcie karbonylovej skupiny – Oxidácie Oxidácie aldehydov
• Aldehydy je možné transformovať 2-elektrónovou oxidáciou na príslušné karboxylové kyseliny.
• Najčastejšie sa ako oxidačné činidlá používajú Cr6+-soli vo vodnom prostredí – Jonesova oxidácia.
• Mechanisticky sa pravdepodobne jedná o oxidáciu intermediárne vzniknutého geminálneho diolu.
R
O [O]
H2O R
O
OH
Furán-2-
karbaldehyd
(Furfural)
Kyselina furán-
2-karboxylová
(Kys. furoová)
O
OO
O
OHK2Cr2O7
H2SO4
H2O, 75%
Aplikácia
R
O [O]H2O
R
O
OH+
R
OH
OH
Aldehyd Geminálny
diol
Karboxylová
kyselina
Mechanizmus:
4
Reakcie karbonylovej skupiny – Oxidácie – Baeyer-Villiger
Johann Friedrich Wilhelm
von Baeyer (1835-1917)
University of Münich
Nobelova cena 1905
Viktor Villiger
(1868-1934)
University of Münich
• Oxidácia ketónov peroxokyselinami poskytuje ako produkty príslušné estery alebo laktóny.
• Ako oxidant sa najčastejšie používa stabilná kryštalická kyselina m-chlórperbenzoová (m-CPBA).
• Prvým krokom je AdN peroxo aniónu na C=O ketónu za vzniku tetraédrického intermediátu.
Následne dochádza k prešmyku najlepšie migrujúcej skupiny a finálnej deprotonácii na produkt.
Preferencia migrácie: tertalkyl > sekalkyl, aryl > primalkyl > metyl
e-caprolactone cyclohexanone
- RCO2
Criegee intermediate
5
Reakcie karbonylovej skupiny – Oxidácie – Baeyer-Villiger
• Prečo z alkylových skupín najlepšie migrujú práve viac-substituované?
Tranzitný stav Baeyer-Villigerovej oxidácie zahŕňa elimináciu karboxylátového aniónu, pričom
vznikajúci kladný náboj je následne rovnomerne distribuovaný po celej reakčnej časti molekuly.
Ak migrujúca skupina môže napomôcť vzniku kladného náboja, tranzitný stav bude stabilnejší.
Čím stabilnejší náboj, tým výhodnejší tranzitný stav a v konečnom dôsledku rýchlejší prešmyk.
O
6
Reakcie karbonylovej skupiny – Na a-uhlíku
Vieme, že kyslík C=O skupiny môže ako Brönstedova / Lewisova báza atakovať elektrofily.
Vieme, že uhlík C=O skupiny môže byť ako Lewisova kyselina atakovaný nukleofilmi.
Pozrieme sa teraz na vlastnosti a reaktivitu a-uhlíka karbonylových zlúčenín...
b
g
ČÍM JE a-UHLÍK C=O SKUPINY ŠPECIÁLNY?
a-Vodíky na ňom naviazané sú kyslé.
Ich pKa sa pohybuje v rozmedzí 16-20.
(a-Vodíky C=O zlúčenín sú ~ kyslé ako alkoholy).
a
7
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Oxo-enolová tautoméria
• V princípe každá C=O zlúčenina obsahujúca a-vodíky môže enolizovať, kvantitatívnym vyjadrením
je rovnovážna konštanta oxo-enolovej tautomérie. Závisí od štruktúry molekuly a vlastností média.
• Typická koncentrácia enol-formy v roztoku je pre „normálne“ ketóny cca 10-6. Prečo je teda dôležitá?
• Nakoľko enolizácia je fakticky iba transfer protónu, deje sa neustále a veľmi rýchlo. A hoci často
nedokážeme enoly zachytiť a/alebo izolovať, ich existencia determinuje reaktivitu C=O zlúčenín.
= 10-6
• Hlavným dôvodom väčšej stability oxo-formy
v porovnaní s enol-formou je existencia
silnejšej C=O väzby voči slabšej C=C väzbe.
• Tento rozdiel (DE ~ 100 kJ/mol) nekompenzuje
ani silnejšia O-H väzba enolu v porovnaní so
slabšou C-H väzbou oxo-formy (DE ~ 60 kJ/mol).
8
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Stabilita enolov
9
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Katalýza enolizácie
• Enolizácia v neutrálnom prostredí je v skutočnosti značne pomalý proces a je nutné ju katalyzovať.
• Pri kyslo-katalyzovanej enolizácii dochádza najprv k protonácii C=O a následne deprotonácii C-H.
• Pri bázicky-katalyzovanej enolizácii dochádza najprv k deprotonácii C-H a následne k protonácii O-.
Oba typy enolizácii sú a priori katalytické reakcie!
10
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Stereochemické dôsledky enolizácie
• Pri bázicky-katalyzovanej enolizácii dochádza ku vzniku enolátu s planárnym usporiadaním C=C
väzby z dôvodu sp2-hybridizovaného uhlíka stereochemická informácia sa stráca v enoláte.
• Pri kyslo-katalyzovanej enolizácii dochádza k deprotonácii a-vodíka za vzniku enolu s planárnym
usporiadaním C=C väzby z dôvodu sp2-hybridizovaného uhlíka stereochemická informácia sa
stráca v enole.
11
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Vznik a vlastnosti enolátov
• Intermediátom bázicky-katalyzovanej enolizácie C=O zlúčenín je enolátový anión (enolát).
• Pripravuje sa buď C-H deprotonáciou aldehydu/ketónu alebo O-H deprotonáciou enolu.
• Enolát je alkoxidový anión, z dôvodu konjugácie je však stabilnejší ako jeho nasýtený analóg.
• Záporný náboj enolátu je totiž kompletne delokalizovaný medzi atómami kyslíka a a-uhlíka.
12
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Reaktivita enolátov
C- vs. O-protonation
C- vs. O-alkylation
13
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Alkylácia enolátov
• Nukleofilné enoláty ochotne reagujú s elektrofilnými alkyl halidmi SN reakciou za vzniku alkylovaných
C=O zlúčenín. Silná báza (LDA) zabezpečí úplnú deprotonáciu substrátu a následne sa pridá elektrofil.
• Reakcia sa obvykle uskutočňuje v bezvodom éterickom rozpúšťadle (THF) pri nízkej teplote (-78°C).
14
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Alkylácia enolátov
• Alkylácia ketónov cez Li-enoláty predstavuje jednu z najdôležitejších metód generovania C-C väzby.
• Z dôvodu značnej elektrofility C=O skupiny je alkylácia aldehydov cez Li-enoláty nevhodná, nakoľko za
reakčných podmienok dochádza aj ku konkurenčnej autokondenzácii za vzniku nežiaducich polymérov.
• Nezanedbateľným problémom je aj priama nukleofilná adícia LDA na karbonylovú skupinu aldehydov.
15
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Kyslo-katalyzovaná halogenácia
Mechanizmus kyslej katalýzy:
Aplikácia:
• C=O zlúčeniny môžu byť halogenované v kyslých alebo
bázických podmienkach.
• Po iniciálnej H+-enolizácii dochádza k nukleofilnému ataku
na elektrofilný Br2 a po deprotonácií vzniká a-haloketón.
• Kyslý katalyzátor sa regeneruje a namiesto protónu je
možné použiť aj Lewisovu kyselinu.
Nedochádza k SEAr benzénového kruhu, nakoľko enol je oveľa reaktívnejším nukleofilom ako arén!
16
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Bázicky-katalyzovaná halogenácia
• Bázicky-katalyzovaná halogenácia C=O zlúčenín sa obvykle nezastaví na monohaloketóne.
• Jeho následnou deprotonáciou totiž vzniká reaktívnejší enolát, ako z východiskového ketónu.
• Ten poskytne dihaloketón, ktorého deprotonáciou vzniká ešte reaktívnejší enolát. Prechodne
vzniknutý trihaloketón podlieha AdN hydroxylového aniónu. Tetraédrický intermediát eliminuje
CBr3- (pKa = 9 (CHBr3) vs. pKa = 15.7 (H2O)) a jeho protonáciou vzniká konečný produkt haloform.
17
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Prírodný výskyt a biosyntéza halokarbonylových zlúčenín
Limu kohu (Asparagopsis taxiformis)
Jedlá morská riasa (Oahu, Hawai)
Obsahuje >100 (!) organohalogénov
Mäta dlholistá (Mentha longifolia)
Aromatická bylina (Pakistan)
Prísada do čajových zmesí
OCl
HO
LongifónCHBr3
Cl Cl
O
ClCl
ClCl
Br
O
Br
I
O
I
OHCH2I2
Biosyntetická haloformová reakcia:
O
+ Cl- + 1/2 O2
chlórper
-oxidáza
O
Cl
+
O
Cl
ClCl
HO-
H2O
+
MeCO2-
CHCl3
HO-
18
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Aldolová adícia (a kondenzácia)
• Enoláty generované v bázickom prostredí z C=O zlúčenín podliehajú AdN s elektrofilmi. Samotné
aldehydy/ketóny sú molekuly obsahujúce elektrónovo-deficitný karbonylový uhlík - sú elektrofilmi.
• Reakciou aldehydu/ketónu s bázou dochádza k jeho rýchlej a reverzibilnej (auto)kondenzácii.
• Produktom rovnovážnej reakcie je aldol (aldehyd+alkohol), čiže b-hydroxykarbonylová zlúčenina.
• Distribúcia reaktantu a produktu je závislá od štruktúry substrátu a reakčných podmienok. V prípade
aldehydov je rovnováha posunutá skôr v prospech aldolu, u ketónov naopak v prospech substrátu.
Alexander P. Borodin
(1833-1887)
Skladateľ a chemik
19
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Aldolová (adícia a) kondenzácia
• Aldoly podliehajú termickej alebo kyslo-/bázicky-katalyzovanej dehydratácii za vzniku a,b-nenasýtenej
karbonylovej zlúčeniny. Zatiaľ čo vznik aldolu je rovnovážny proces, eliminácia vody je ireverzibilná.
• Bázicky-katalyzovaná dehydratácia aldolov prebieha ťažšie, nakoľko HO- je oveľa horšie odstupujúcou
skupinou (pKa (H2O) = 15.7) ako H3O+. Je teda nutné použiť koncentrovanú bázu pri zvýšenej teplote.
• Hnacou silou kondenzácie je vznik konjugáciou stabilizovanej a,b-nenasýtenej karbonylovej zlúčeniny.
H H
H
H
H
H
H
H
20
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Aldolová reakcia nesymetrických ketónov
• Pokiaľ je nesymetrický ketón enolizovateľný iba jedným spôsobom, vzniká len jeden aldol ako produkt.
• Jedná sa o substráty s arylovým alebo terc-butylovým substituentom: napr. benzaldehyd, tBu(C=O)Me.
Mechanizmus:
21
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Skrížené aldolové reakcie
• V prípade aldolovej reakcie 2 rôznych karbonylových zlúčenín je možné získať v princípe až 4 produkty.
• Pre efektívne syntetické využitie je nutné skombinovať enolizovateľnú C=O zlúčeninu (= nukleofil) a
neenolizovateľnú C=O zlúčeninu (= elektrofil). Výhodné je tiež použitie ketónov, nakoľko tie neochotne
podliehajú autokondenzácii. Skrížené aldolové reakcie s aromatickými aldehydmi prakticky vždy končia
dehydratáciou za vzniku extra stabilizovanej a,b-karbonylovej zlúčeniny (C=C konjugovaná s C=O a Ar).
Rainer Ludwig Claisen
(1851-1930)
University of Bonn
J. Gustav Schmidt
(?)
ETH Zürich
22
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Skrížené aldolové reakcie
Mechanizmus:
19 (Elimination Unimolecular conjugate Base)
23
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Retrosyntéza skríženej aldolovej kondenzácie
• Zo štruktúry (medzi)produktu je možné spätne (retrosynteticky) identifikovať východiskové substráty.
Identifikuj karbonylovú zlúčeninu, ktorá slúžila ako zdroj nukleofilného enolátu, resp. enolu.
Identifikuj karbonylovú zlúčeninu, ktorá bola ako elektrofil atakovaná enolátom, resp. enolom.
Je ich vzájomná reakcia možná? Ak áno, nakoľko komplexná bude reakčná zmes?
24
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Intramolekulová aldolová reakcia
• Intramolekulové reakcie sú z dôvodu nižšej entropie vo všeobecnosti rýchlejšie ako intermolekulové.
• Ak je možná cyklizácia substrátu na 5- alebo 6-článkový kruh, transformácia je značne favorizovaná.
• Intramolekulová aldolová reakcia cyklodeka-1,6-diónu dáva aj napriek prítomnosti 4 enolizovateľných
pozícií iba jediný bicyklický produkt. Prečo? Nakoľko substrát je symetrický, vzniká vždy identický enol.
Následne dochádza k jeho AdN na priestorovo blízky ketón za vzniku stabilného 5-článkového cyklu.
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Intramolekulová aldolová reakcia
• Kyslo-katalyzovaná rovnovážna enolizácia symetrického nona-2,8-diónu poskytne dva rôzne enoly.
• Jeden z nich bude v princípe cyklizovať aldolovou reakciou na 8-článkový, druhý na 6-článkový kruh.
• V skutočnosti vzniká výlučne 6-článkový cyklický produkt, nakoľko jeho TS má nižšiu celkovú energiu.
25
Kinetic enol Thermodynamic enol
Thermodynamic enol
26
Reakcie C=O skupiny – Na a-uhlíku – Priemyselné využitie aldolovej kondenzácie TECHNOLOGICKÝ PROCES „ALDOX“ (Royal Dutch Shell & Exxon)
• Propén a syntézny plyn (CO/H2) sú ALDOX procesom priamo transformované na 2-etylhexanol.
• Hydroformyláciou propénu („OXO“ proces) vzniká n-butanal, ktorý aldolovou kondenzáciou
poskytne 2-etylhexenal, ktorého finálnou hydrogenáciou sa získa cieľový komerčný produkt.
1. krok: CH3-CH=CH2 : CO/H2 (1:2), 0.1-1% Co(CO)8, 130°C, 350 barov (35000 kPa).
2. krok: n-butanal, 2% aq. NaOH, 80°-130°C, 3-10 atmosfér (300-1000 kPa).
3. krok: 2-etylhex-2-én-1-al, H2/Ra-Ni, 99% konverzia 2-etylhexanol.
2-etylhexanol 2-etylhex-2-én-1-al n-butanal
27
Reaktivita a,b-nenasýtených C=O zlúčenín – Vplyv konjugácie
• Aldolová kondenzácia je efektívny spôsob prípravy a,b-nenasýtených karbonylových zlúčenín.
• Dochádza u nich ku konjugácii C=C a C=O väzieb za vzniku stabilného delokalizovaného p-systému.
• Distribúcia elektrónovej hustoty zapríčiňuje jednak zníženú nukleofilitu C=C väzby v AdE porovnaní s
alkénmi a zároveň je dôvodom zvýšenej elektrofility b-uhlíka a,b-nenasýtených karbonylových zlúčenín.
28
Reakcie a,b-nenasýtených C=O zlúčenín – Priama vs. konjugovaná AdN
• a,b-Nenasýtené karbonylové zlúčeniny majú 2 elektrofilné centrá: uhlík C=O a uhlík C=C.
• Termodynamicky je preferovaný produkt 1,4-adície, lebo je stabilnejší (C=O je silnejšia ako C=C).
• Kineticky je síce 1,2-adícia na C=O rýchlejšia, ak je však reverzibilná, „vyhráva“ termodynamika.
• V prípade, že 1,2-adícia je ireverzibilná alebo prebieha pri nízkej teplote, dominuje kinetický produkt.
1,2 1,4
29
Reakcie a,b-nenasýtených C=O zlúčenín – Priama vs. konjugovaná AdN
Mechanizmus
1,2- Adícia (priama):
1,4- Adícia (konjugovaná):
30
Reakcie a,b-nenasýtených C=O zlúčenín – Konjugované AdN heteroatómov • Amíny sú dobrými nukleofilmi pre konjugované adície a poskytujú b-aminokarbonylové zlúčeniny.
• Alkoholy sú slabšími nukleofilmi a pre ich konjugované (Michaelove) adície je nutná bázická katalýza.
Arthur Michael
(1853-1942)
Harvard University
31
Reakcie a,b-nenasýtených C=O zlúčenín – Konjugované AdN – Cu+-soli
Mechanizmus konjugovanej adície:
• Reakcia Grignardových činidiel s a,b-nenasýtenými C=O zlúčeninami dáva produkt 1,2-adície.
• Avšak analogická reakcia v prítomnosti Cu(I)-solí už poskytuje produkt konjugovanej adície.
• Rozdiel reaktivity má pôvod v elektronegativite kovov: meď (1.9) je „mäkšia“ako horčík (1.3).
• Transformácia je katalytická na meď, nakoľko „RCu“ vznikajú in situ transmetaláciou RMgX.
32
Reakcie a,b-nenasýtených C=O zlúčenín – Využitie konjugovaných AdN
Fotochrómne plastové šošovky
• Expozícia fotochrómneho farbiva naftopyránu ÚV žiareniu (<400 nm) spôsobí intramolekulový prešmyk
za vzniku a,b-nenasýteného ketónu, ktorý absorbuje svetlo už aj vo viditeľnej oblasti spektra (>400 nm).
• Reakcia je rýchla a reverzibilná, pričom v závislosti od typu a intenzity dopadajúceho ÚV/VIS žiarenia
dochádza k automatickému stmavovaniu resp. zosvetľovaniu fotochrómnych šošoviek s ÚV filtrom.
O
O
Absorbuje
ÚV svetlo
Absorbuje ÚV aj
viditeľné svetlo
top related