A U L č D R EH ć I karbonilnu DI č KETONIelektron.tmf.bg.ac.rs/organskahemija/Aldehidi & Ketoni-13_14.pdf · 3 OPADAJU Ć I PRIORITETI NEKIH FUNKCIONALNIH GRUPA Klasa jedinjenja

1

AALLDDEEHHIIDDII II KKEETTOONNII

▪ Aldehidi i ketoni – organska jedinjenja koja u svojoj strukturi sadrže karbonilnu grupu – karbonilna jedinjenja:

C

O

R HC

O

R R'

. .. .

R = H alkil-grupa aril-grupa

RCHOopštaformula:

ALDEHID

strukturnaformula:

. .. .

R,R' = alkil-grupa aril-grupa

RR'COopštaformula:

KETON

strukturnaformula:

Aldehidi i ketoni su velika familija organskih jedinjenja koja su veoma rasprostranjena u našem svakodnevnom životu.

Učestvuju u biološkom delovanju mnogih enzima.

Zbog njih, mnoge vrste voća i mnogi parfemi prijatno mirišu npr.

• cimetni-aldehid (aldehid) daje karakterističan miris cimetu

• civeton (keton) sastojak je nekih parfema dajući im mošusnu mirusnu notu (sladunjav i rezak miris).

O

H

cimetni-aldehid

O

civeton

(Cibetska macka, Viverra civetta, je prirodni izvor civetona, koji se u današnje vreme dobija sintetskim putem)

C O.... karbonilna

grupa

daje glavne fizicke i hemijske osobine

2

Ciklični ketoni iz grupe steroidnih hormona

• estron (jedan od tri glavna estrogena, ženski seksualni hormoni)

• testosteron (seksualni hormon koji postoji kod oba pola, u različitoj količini i koncentraciji)

odgovorni su za naše seksualne karakteristike.

U industriji se koriste kao reagensi i rastvarači npr.

• sinteza polimera

formaldehid (HCHO) fenol-formaldehidne smole

• sinteza plastifikatora

butiraldehid (CH3(CH2)2CHO) 2-etilheksanol

• sinteza sirćetne kiseline

acetaldehid (CH3CHO)

• sinteza alkohola.

Ugljeni hidrati, šećeri, su polihidroksialdehidi (PHA) ili polihidroksiketoni (PHK) ili jedinjenja koja se mogu hidrolizovati u PHA ili PHK.

O

OHestron

OH

O testosteron

3

OPADAJUĆI PRIORITETI NEKIH FUNKCIONALNIH GRUPA

Klasa jedinjenja

Sufiks Prefiks Primer

1 Katjoni -onijum -onio- +NH4 amonijum

2 Karboksilne kiseline

-ska kiselina

karboksi- C OH

O

CH3

: :

..

..

etanska k.

3 Anhidridi karb.k.

anhidrid -ske k.

––– C O

O

CH3 C

O

CH3

: :....

: :

anhidrid etanske k.

4 Estri alkil-oat alkoksikarbonil- C O

O

CH3 CH3

: :

..

..

metil-etanoat

5 Alkanoil- -halogenidi

-oil- -halogenid

halogenkarbonil- C Cl

O

CH3

: :

..

..:

etanoil-hlorid

6 Amidi -amid karbamoil- C NH2

O

CH3

: :..

etanamid

7 Nitrili -onitril cijano- C NCH3CH2

:

propanonitril

8 Aldehidi -al formil- C H

O

CH3CH2

: :

propanal

9 Ketoni -on okso- C CH3

O

CH3

: :

propanon

4

OPADAJUĆI PRIORITETI NEKIH FUNKCIONALNIH GRUPA – NASTAVAK

Klasa jedinjenja

Sufiks Prefiks Primer

10 Alkoholi Fenoli

-ol hidroksi- CH3CH2CH2 OH....

1-propanol

11 Tioli -tiol merkapto- CH3CH2CH2 SH....

1-propantiol

12 Amini -amin amino- NH2CH3CH2CH2

..

1-propanamin

13 Etri -etar

alkoksi- CH3CH2 O CH2CH3

....

etoksietan dietil-etar

oksa-

14 Sulfidi -sulfid alkiltio- CH3 S CH3

..

.. dimetil-sulfid tia-

15 Alkeni -en alkenil- C C

CH3

HH

H

propen

16 Alkini -in alkinil- C C CH3CH3

2-butin

17 Halogenidi -halogenid halo- CH3CH2CH2 Br.... :

1-brompropan

18 Nitro ––– nitro- CH3CH2CH2 NO2 1-nitropropan

19 Alkani -an alkil- CH3CH2CH3 propan

5

NOMENKLATURA ALDEHIDA I KETONA

Aldehidi

1) Uobičajena (trivijalna) imena aldehida su izvedena iz uobičajenog imena karboksilne kiseline koja nastaje oksidacijom dotičnog aldehida, zamenom kiselinskog završertka izrazom "aldehid."

▪ Položaj supstituenata u odnosu na aldehidnu grupu se označava grčkim slovima: α, β, γ, δ itd.

2) IUPAC–ovom nomenklaturom aldehidi se tretiraju kao derivati alkana – ALKANALI.

▪ Imenu alkana (najduži niz C–atoma u kome se nalazi aldehidna grupa CHO) dodaje se nastavak "al".

▪ Položaj supstituenata u odnosu na aldehidnu grupu se označava brojevima.

▪ Karbonilni C–atom je uvek C–1!!!

▪ Jedinjenja kod kojih je –CHO grupa vezana direktno za prsten, nazivaju se KARBALDEHIDI.

6

C

O

H HC

O

H CH3CH2

C

O

H

Cl

CH2CH

O

C

O

H

C

H

O

OH

CHO

H

OOH

H

O

H

O

O

H

(formaldehid)

CH3

(acetaldehid) (propionaldehid)

(γ-hlorbutiraldehid)

CH2CH2CH2CHO

metanal etanal propanal

4-hlorbutanal

αβγ

34 12

(fenilacetaldehid)2-feniletanal

cikloheksankarbaldehid

(benzaldehid)

benzenkarbaldehid

(o-hidroksibenzaldehid salicilaldehid)

2-hidroksibenzenkarbaldehid

(E)-3-hidroksi-4-metil-4-heksenal

12

5 346

pentandial

propenal(akrolein)

7

Ketoni

1) Uobičajena (trivijalna) imena ketona: prvo se navode 2 supstituentske grupe (alkil- ili aril-), a zatim se na kraju doda reč "keton".

▪ Imena fenil-ketona (karbonilna grupa je vezana direktno za benzenovo jezgro) završavaju se nastavkom "fenon".

2) IUPAC–ovom nomenklaturom ketoni se tretiraju kao derivati alkana – ALKANONI.

▪ Najduži niz se numeriše tako da karbonilna grupa ima najmanji mogući broj, bez obzira na prisustvo ostalih supstituenata ili grupa manjeg prioriteta.

▪ Ciklični ketoni su CIKLOALKANONI.

▪ Karbonilni C–atom u prstenu je uvek C–1!!!

8

12 3

1'

2' 3'

78

(dimetil-keton)

1

1

1

(benzil-metil-keton)

2

2

2

CH33

3

3

1

1

(acetofenon)

4

4

4

2

2

(propiofenon)

5

5

3 3

(benzofenon)

6

6

4

4

(4-metil-3'-nitrobenzofenon)

5

2-propanon

(Z)-5-hlor-4-heksen-2-on1-fenil-2-propanon

1-feniletanon 1-fenil-1-propanon

difenilmetanon(4-metilfenil)(3-nitrofenil)metanon

(aceton)

2-hidroksi-5-metilciklopentanon

4-oktin-2,6-dion

CH2CCH3

NO2

O

O

O

CH3O H

O

O

C

O

OC

C H3

O

CC H3

O

Cl

O O

▪ Ako osnovno jedinjenje sadrži funkcionalnu grupu koja ima veći prioritet:

□ kao supstituent –CHO grupa se zove "formil" □ kao supstituent C=O grupa se zove " okso "

▪ Aldehidna grupa (–CHO) ima manji prioritet od karboksilne grupe (–COOH)!!!

9

C

O

R

C

O

CH3

▪ Sistematsko ime fragmenta je "alkanoil".

▪ Za IUPAC zadržava uobičajeno ime "acetil".

CHO

COOH

CHO

COOH

O

COOH

COOH

CHO O

OO

H

COOH

O

OHC

O

COOH

OHC

O

4-formilcikloheksan-karboksilna kiselina

4-formilbenzen-karboksilna kiselina

1

2

3

4

1

2

3

4 4

12

3

4-okso-2-cikloheksen-karboksilna kiselina

CH2CCH3

4-formil-3-(2-oksopropil)-benzenkarboksilna kiselina

3-oksobutanal

12

3

1

2

3

4

4

4

1

2

3CCH3

2-acetil-4-formil-3-okso-ciklopentankarboksilna kiselina

45

12

3CCH2CH3

2-formil-5-propanoil-cikloheksankarboksilna kiselina

10

STRUKTURA KARBONILNE GRUPE

C OR'

RC

R'

R120 o

δ δ+ _

O:....

..

....

p orbitala

sp2 orbitala120 o

▪ C i O su sp2 hibridizovani1 – nalaze se u istoj ravni kao i dodatne 2 grupe na ugljeniku, sa uglovima veza ≈ 120°.

▪ Elektroni C=O drže zajedno atome različite elektronegativnosti – π–oblak je pomaknut više ka elektronegativnijem O.

C O C OC O

δ δ+ _

....

... .

+ _

..:

..

elektrofilan

nukleofilan i slabo bazan

polarizovana veza

▪ C=O veza karbonilne grupe je POLARIZOVANA – delimično "+" šarža (δ+) je na C, a delimično "–" šarža (δ–) je na O – C je ELEKTROFILAN, a O je NUKLEOFILAN i SLABO BAZAN!!!

1 2 p-orbitale su "┴" na skelet molekula, jedna od njih se nalazi na C a druga na O i grade π–vezu.

11

FIZIČKE OSOBINE ALDEHIDA I KETONA

▪ Polarna karbonilna grupa čini aldehide i ketone POLARNIM jedinjenjima!

▪ Tklj aldehida i ketona su: □ više od Tklj UGLJOVODONIKA slične molekulske mase

(RCHO i RR'CO su polarna jedinjenja) □ niže od Tklj ALKOHOLA i KARBOKSILNIH

KISELINA slične molekulske mase (RCHO i RR'CO ne mogu da grade intermolekulske vodonične veze – H–atomi su isključuvo vezani za C–atome).

▪ Niži aldehidi i ketoni su dobro rastvorni u vodi zbog mogućnosti obrazovanja intermolekulskih vodoničnih veza sa molekulima vode:

C

O

H H

H OHHOH

C

O

CH3 CH3

H OHHOH.. .. .. ..

▪ Rastvorljivost opada sa povećanjem hidrofobnog dela moleklula – granica rastvorljivosti je kod jedinjenja sa 5 C– atoma.

Jedinjenje CH3CH2CH2CH2 OH CH3CH2CH2CHO

O

CH3CCH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH3

Tklj (°C) 118 76 80 36

12

SINTEZA ALDEHIDA I KETONA

1) Oksidacija alkohola

RCH2 OH

N

R

C

H

O

C C C C

N

H

O Cr

O

O

ClR CH

R

OH

R

C

R

O

1o

aldehid PCC katalizator = piridinijum-hlorhromat

CrO3 + + HCl

Cr(VI)-reagens je selektivnne oksiduje i veze

b) K2Cr2O7/H2SO4

a) PCC/CH2Cl2

c) CrO3/H2SO4

[O]

[O]

R = alkil- ili aril-grupa

+

-

2oketon

b) K2Cr2O7/H2SO4

a) PCC/CH2Cl2

c) CrO3/H2SO4

[O]

d) KMnO4/H2SO4

e) HNO3

[O]


CH3CH2CH2 OH

CH3CH2

C

H

O1o

PCC

CH2Cl2

1-propanol propanal

CH3CH2 OH

CH3

C

H

O1o

etanol(acetaldehid)

CrO3/H2SO4

K2Cr2O7/H2SO4

ili

etanal

Tklj = 78 oC Tklj = 20 oC

Nastali ALDEHID se mora kontinualno izvoditi iz reakcione smeše (voda prouzrokuje dalju oksidaciju, do karboksilne kiseline).

13

CH3CH2 CH

CH3CH2

OHCH3CH2

C

CH3CH2

O

2o

K2Cr2O7/H2SO4

3-pentanol 3-pentanon

2) Ozonoliza alkena

C OC CO O

CO

C CO+ O3

H2O, Zn

aldehidi i ketoniozon

alken ozonid

+

CH2

CH3CH2

C

H

O

H

C

H

OCH3CH2CH

1-buten

1) O3

2) H2O, Zn+

metanal(formaldehid)

propanal

CH3CH2

C

H

OCCH3

CH3

CH3

C

CH3

O1) O3

2) H2O, Zn+

2-propanon(aceton)

CH3CH2CH

propanal2-metil-2-penten

CH3

(CH2)4CH3C CHO

O1) O3

2) H2O, Zn

1-metilciklo-heksen

6-oksoheptanal

14

3) Hidratacija alkina

▪ Videti alkine!

C C C C

H OH

C

H

H

C

Oalkin

+ H2OHgSO4/H2SO4

vinil-alkoholMarkovnikov-ljeva adicija ENOL-oblik

KETO-oblik

(nestabilan)(stabilan)

CH3C CH

O

+ H2OHgSO4/H2SO4

CH3CCH3

propin(acetondimetil-keton)

2-propanon

CH3C CCH2CH3

OO

+ H2OHgSO4/H2SO4

CH3CH2CCH2CH3

2-pentin 3-pentanon

CH3CCH2CH2CH3+

2-pentanon

4) Hidroliza geminalnih dihalogenih derivata

R C

Cl

Cl

R' R C

OH

OH

R'

R C R'

OH2O(H)

- H2O(H) (H)

geminalni diol

ketonili

aldehidR, R' može biti alkil- ili aril-grupa

CH3 CH2Cl CHCl2CHO

Cl2hν

Cl2hν

H2O

benzaldehidtoluen benzil-hlorid benzal-hlorid

15

5) Friedel–Crafts–ovo acilovanje (alkanoilovanje)

▪ Reakcija elektrofilne aromatične supstitucije (EAS) – supstitucija H–atoma iz aromatičnog prstena alkanoil- (acil-) grupom.2

H O C

O

R

benzen

+ RCClalkanoil-hlorid

AlCl3

1-fenilalkanon

+ HCl(EAS)

Umesto RCOCl mogu se koristiti i aroil-hloridi (ArCOCl)

H O C

O

CH3

benzen

+ CH3CCl

etanoil-hlorid

AlCl3

1-feniletanon

+ HCl

(acetil-hlorid) (acetofenon)

H C

O

RR C

O

OC

O

Rbenzen

+

anhidrid karboksilne kiseline

AlCl3

1-fenilalkanon

+ RCOOH(EAS)

2 ▪ Benzen reaguje sa alkanoil- (acil-) hloridima (hloridi karboksilnih kiselina) u prisustvu katalizatora aluminijum-trihlorida (AlCl3) dajući 1-fenilalkanone (fenil-ketone). ▪ Umesto alkanoil-hlorida mogu se koristiti i anhidridi karboksilnih kiselina.

16

Mehanizam reakcije

Faza 1: nastajanje acilijum-jona iz alkanoil-halogenida

..R C

O

Cl R C

O

Cl

AlCl3

R C

O

Cl AlCl3..

..

RC O RC O

Cl AlCl3

:

:

:

:

+ AlCl3Lewis-ovakiselina

:

:+

-+

-+

:

+

:......

..

(disocijacija)

izomerni komplekskompleks

..

..

acilijum-jon

+-..

:

Faza 2: elektrofilni napad

H

RC O

H

CR

O

H

CR

O

H

CR

O

H

CR

O

+....

+sporo

+ +

+

+

intermedijarnicikloheksadienil katjon

(σ kompleks)

elektrofilnukleofil

Faza 3: deprotonovanje

Cl AlCl3

H

C

O

RC

O

R+

+ ..-..

:brzo

1-fenilalkanon(fenil-keton)

+ HCl + AlCl3

17

▪ Nastali fenil-keton kompleksira sa AlCl3.3

▪ Obradom reakcione smeše sa vodom oslobađa se keton:

C

O

RCR

OAlCl3

C

O

R+ AlCl3+

1-fenilalkanon(fenil-keton)

: : :

-+

H , H2O

: :

+ Al(OH)3 + HCl

Reakcija nije praćena poliacilovanjem (polialkanoilovanjem):

□ alkanoil- (acil-) grupa je elektron–privlačna (–I, –R) te dezaktivira aromatičan prsten i štiti ga

od dalje supstitucije, □ nastali fenil-keton kompleksira sa katalizatorom.

Reakcija nije moguća na aromatičnom prstenu koji je više dezaktiviran nego u slučaju aril-halogenida.

NO2

O

NEMA REAKCIJE!!!

nitrobenzen

AlCl3

(EAS)+ RCCl

alkanoil--hlorid

3 ▪ Da bi se reakcija odigrala do kraja neophodno je uzeti najmanje 1 ekvivalent katalizatora!

18

▪ Podsećanje na Friedel–Crafts–ovo alkilovanje:

H

CH3CH2CH2 ClCH(CH3)2

CH2CH2CH3

benzenpropil-hlorid

AlCl3

(EAS)

+

+

izopropilbenzen

propilbenzen

(G.P.)

Ograničenja Friedel–Crafts–ovog alkilovanja: □ premeštanje karbokatjona, □ mogućnost polialkilovanja (alkil-grupa je elektron–donorska te aktivira aromatičan prsten za dalju supstituciju).

▪ Zbog pomenutih ograničenja reakcija Friedel–Crafts–ovog alkilovanja nije pogodna za uvođenje ravnog ugljovodoničnog niza u aromatični prsten.

▪ U tu svrhu se koristi Friedel–Crafts–ovo alkanoilovanje (acilovanje) nakon čega sledi redukcija.

Primer Friedel-Crafts-ovo acilovanje sa aroil-halogenidima.

H C

O

CCl

O

benzen benzoil-hlorid

AlCl3+ HCl+

difenilmetanon(benzofenon)

19

H O

C

O

CH2CH2CH3

NH2 NH2

CH2CH2CH2CH3

benzen

+ CH3CH2CH2CCl

butanoil-hlorid

AlCl3

1-fenil-1-butanon

HCl(hlorid butanske kiseline)

Zn(Hg)

H , Δ+

(Clemmensen-ova redukcija)

+

OH , Δ-

(kisela sredina) (bazna sredina)(Wolff-Kishner-ova redukcija)

butilbenzen

C

O

CH2CH3

NO2 NH2 NH2

CH2CH2CH3

NH2

CH2CH2CH3

NO2

Zn(Hg)

H , Δ+

OH , Δ-

1-(3-nitrofenil)-1-propanon

3-propilbenzenamin

1-nitro-3-propilbenzen

Uslove redukcije biramo uzavisnosti od prirode supstituenatau prstenu fenil-ketona

20

6) Formilovanje po Gattermann–Koch–u

▪ Reakcija elektrofilne aromatične supstitucije (EAS) – uvodi se formil grupa (–CHO) u prsten!

CHOG

O

G

H C OC O

AlCl3

++ HCl

ponaša se kao hlorid mravlje kiseline HCCl

+ CO + HCl

G ne sme biti dezaktivirajucagrupa!!!

aldehid

(EAS)

AlCl3 + AlCl4-

formilijum-jon

elektrofil

uslovi sinteze

.. ......

ind:

lab:CO, HCl

AlCl3; CuCl

CO, HCl

AlCl3; p, t

CH3CH3

OHCtoluen 4-metilbenzaldehid

CO, HCl

AlCl3; CuCl

H CHO

benzen benzaldehid

CO, HCl

AlCl3; CuCl

NO2 NEMA REAKCIJE!!!

nitrobenzen

CO, HCl

AlCl3; CuCl

21

HEMIJSKE OSOBINE ALDEHIDA I KETONA

▪ Jako polarna karbonilna grupa određuje hemijske reakcije aldehida i ketona!

▪ Postoje 3 oblasti u kojima najvećim delom dolazi do reakcija:

karbonilni kiseonik, karbonilni ugljenik, susedni ugljenik karbonilnom ugljeniku tzv.

α C–atom.

CC

O

RH

CH

C

O: :

kiseoα H-atom (posledica -I efekta C=O grupe)

α

napad ELEKTROFILA

napad NUKLEOFILA

1

23

kiseoα H-atom

δδ δ

δ -

+ +

-I efekat karbonilne grupe

.. ..

R

▪ Sve to je u skladu sa strukturom karbonilne grupe, odnosno, sposobnosti karbonilnog kiseonika da smesti "–" šaržu!!!

22

NUKLEOFILNA ADICIJA na karbonilnu grupu

▪ Pokretljivi π–elektroni karbonilne grupe su jako pomereni prema O:

karbonilni O je obogaćen elektronima (za nukleofilni i slabo bazni O se vezuju ELEKTROFILI),

karbonilni C ima manjak elektrona (za elektrofilni C se vezuju NUKLEOFILI).

▪ Kako je karbonilna grupa planarna (u ravni je) moguć je nesmetan napad odozgo ili odozdo na tu ravan.

▪ Adicija polarnih reagenasa:

C

O

X Y C

O

Y

δ

_

+

X

δδ

δ_

++

elektrofilnideo nukleofilni

deo

▪ Uopšteno se mogu formulisati 2 mehanizma nukleofilne adicije:

1) u baznim uslovima,

2) u kiselim uslovima.

23

1) Bazni uslovi

Adicija jakih nukleofila (:Nu–):

RC C R MgX

CN (cijanidni jon)

OH (hidroksilni jon)

(acetilidni jon tj. alkinil-anjon)

:

NaBH4, LiAlH4 (hidridni regensi)

(Grignard-ovi reagensi)

Organometalni reagensi

-

-

-

Mehanizam (nukleofilna adicija i protonovanje)

C O C ONu

H OHC OH

Nu+ Nu:

.._

..

..δδ_+

elektrofil nukleofiljak

(bazan)

_

alkoksidni jon(jaka baza)

adicija nukleofila

protonovanje

:....

- H2O.. + OH

_

1

2

2

1

(adicioni) proizvod

Napad jakog nukleofila (:Nu –) na karbonilni ugljenik je olakšan sposobnošću kiseonika da prihvati "–" šaržu tj. još jedan el. par (pravi razlog reaktivnosti aldehida i ketona za reakciju nukleofilne adicije).

1 Nukleofilni napad: Sa približavanjem nukleofila (:Nu –) elektrofilnom C, on se rehibridizuje (iz sp2 u sp3) i el. par π–veze se premešta na O gradeći alkoksidni jon.

2 Krajnji adicioni proizvod se dobija protonovanjem nastalog alkoksidnog jona (obično) protičnim rastvaračem (H2O, ROH).

24

2) Kiseli uslovi

Adicija slabih nukleofila (:Nu–H): voda (HO–H), alkohol (RO–H).

▪ Kiseli uslovi nisu pogodni za jako bazne nukleofile (dolazi do protonovanja).

Mehanizam (elektrofilno protonovanje i nukleofilna adicija)

C ONu H

C OH C OH

NuC OH

H

NuC OH

+ H..+

..

..

δδ_+

nukleofilslab

elektrofilno protonovanje

- NuH ..

:

1

2

1

..+

..++

+ H - H+ +

..

..

3

3

protonovana karbonilna grupa podleže lakše nukleofilnom napadu

deprotonovanje

adicija nukleofila2

veoma reaktivan elektrofil

(adicioni) proizvod

..

1 Elektrofilni napad H+: Protonovanje karbonilnog O smanjuje Ea za nukleofilni napad – protonovana karbonilna grupa se ponaša kao veoma reaktivan elektrofil (O može da primi π–elektrone, a da pri tome ne poveća svoju "–" šaržu).

2 Nukleofilni napad: Slab nukleofil (:NuH) napada elektrofilni C protonovane karbonilne grupe i pomera se prvobitno nepovoljna ravnoteža.

3 Krajnji adicioni proizvod se dobija nakon deprotonovanja.

25

Reaktivnost aldehida i ketona u reakcijama NUKLEOFILNE ADICIJE

▪ Reaktivnot opada u nizu:

H

C

H

O

R

C

H

O

R

C

R

O> >>AROMATICNI aldehidi i ketoni

formaldehid alifatican aldehid

alifatican keton

▪ Ovakav redosled reaktivnosti je posledica delovanja 2 vrste efekata:

elektronskih, sternih.

Elektronski efekti

▪ Što je karbonilni C–atom elektrofilniji, tj. što je veća delimično "+" šarža (δ+) na njemu, lakše će ga napasti nukleofil!!!

H

C

H

O C

H

O C O-CH3 grupa donor elektrona (+I efekat)

formaldehid

>

H3C

acetaldehid

>

H3C

H3C aceton

▪ Supstituenti koji su donori elektrona smanjuju δ+ na karbonilnom C–atomu:

• viša je Ea

• prelazno stanje je destabilizovano

• rekcija adicije se odvija teže i sporije.

26

C

H

O C

H

O>

Cl3C

hloral

-CCl3 grupa akceptor elektrona (-I efekat)

H3C

acetaldehid

▪ Supstituenti koji su akceptori elektrona povećavaju δ+ na karbonilnom C–atomu:

• niža je Ea

• prelazno stanje je stabilizovano

• rekcija adicije se odvija lakše i brže.

C

H

O C

H

O

H3C

acetaldehid

>

benzaldehid

-C6H5 grupa donor elektrona(preovl. +R nad -I efektom)

CH O

CH O

CH O

CH O

+

..

......:

-

+

..

..:-

+

..

..:-

rezonanciona stabilizacija benzaldehida

▪ Benzaldehid: • smanjenje δ+ na karbonilnom C–atomu

(preovlađuje "+R" nad "–I" efektom).

▪ Aromatični aldehidi i ketoni su manje reaktivni od svojih alifatičnih analoga jer su stabilizovani rezonancijom!!!

27

Sterni efekti

C O Nu:_..

..Prilaz nukleofila je moguc sa bilo koje strane molekula!!

trigonalna sp2-hibridizacija C i O

▪ Nastajanje nove veze menja konfiguraciju na C–atomu s trigonalne u tetraedarsku (atomi se oko C jače zbijaju).

C O

R

C ONu

R

C ONu

R+ Nu:

_

δ

δ

_

_

prelazno stanje

_

trigonalnasp2 hibridizacija

:....

približno120 oR' R'R'

tetraedarskasp3 hibridizacija

približno109 o

NUKLEOFILNA ADICIJA

..

..

▪ Pri adiciji nukleofila na keton (u poređenju sa aldehidom):

• u prelaznom stanju je povećano sterno nagomilavanje oko karbonilnog C–atoma

• veća je Ea

• prelazno stanje je destabilizovano

• reakcija adicije se odvija teže i sporije.

28

REAKCIJE NUKLEOFILNE ADICIJE NA ALDEHIDE I KETONE

1. Adicija H2O (hidratacija karbonilne grupe)

▪ Nastaju GEMINALNI DIOLI (KARBONIL-HIDRATI).

C O C

OH

OH

aldehid ili keton

+ H2OH ili OH

-+

katalizator: kiselina (H ) ili baza (OH ) -+

geminalni diol(karbonil-hidrat)

C O

CH3

HH C

CH3

OH

OH+ H2OH ili OH

-+

(acetaldehid)1,1-etandioletanal

C O C OOH

H OHC OH

OH

OH H

+ OH:.._

..

..

elektrofilnukleofil

_

hidroksi-alkoksid(jaka baza)

napad OH jona (nukleofila)

protonovanje

:....

- H2O.. + OH

_

1

2

2

1

regenerisanikatalizator

_

Mehanizam bazno-katalizovane hidratacije:

....

..

......

+ OH:_

slabnukleofil

..

..

_

OH + H2O:....

baza(katalizator)

jaknukleofil


29

▪ Hidratacija je reverzibilna!

▪ Položaj ravnoteže zavisi od stabilnosti polaznog karb. jedinjenja:

• ravnoteža je uglavnom pomerena u " ":4

• HIDRATI se retko mogu izolovati kao čista jedinjenja (suviše lako gube vodu).

▪ Izuzetak:

• stabilan hidrat hlorala.

H C

OH

OH

CCl3

(može se izolovati)

C OHO

C OH

H

OHC OHC OH C OH

+ H ..+

..

..

nukleofilslab

elektrofilno protonovanje

- H2O..

1

21

+

..

..

3

3

protonovana karbonilna grupa

deprotonovanje (regenerisanje H )

napad H2O (nukleofila)2

Mehanizam kiselo-katalizovane hidratacije:

HOH....

..

....

elektrofil

+

- H+

- H+

+ H+


..+

..+

..

4 ▪ Ravnoteža je pomerena: u levo kod ketona u desno kod formaldehida i aldehida sa elektron–

privlačnim supstituentima. ▪ Obični aldehidi se nalaze u sredini.

30

2. Adicija alkohola

▪ Sa 1 ekv. alkohola nastaju HEMIACETALI (poluacetali).

C O

R

HH C

R

OR'

OH

aldehid ili keton

+ R'OHH ili OH

-+

hemiacetal

1 ekv.(R)(R)

katalizator: kiselina (H ) ili baza (OH ) -+

C O

CH3

HH C

CH3

OCH2CH3

OH+ CH3CH2OHH ili OH

-+

(acetaldehid)etanal

1-etoksietanol

C OH

H C

OCH2CH3

OH+ CH3CH2OHH ili OH

-+

(benzaldehid) etoksifenilmetanolbenzenkarbaldehid

▪ Reakcija je reverzibilna!

▪ Položaj ravnoteže zavisi od stabilnosti polaznog karb. jedinjenja:

• ravnoteža je uglavnom pomerena u " ":

• HEMIACETALI se retko mogu izolovati kao čista jedinjenja.

31

▪ Stabilni hemiacetali: • peto- ili šestočlani

prstenovi – intramolekulska ciklizacija hidroksi- aldehida ili ketona

▪ Glukoza, šećer koga ima najviše u prirodi, nalazi se kao ravnotežna smesa acikličnog pentahidroksialdehida i 2 stereoizomerna ciklična hemiacetala:

C

O

CH2OH

HOH

H

H

OHH

OH

H

O

O

CH2OH

HOH

H

H

OHH

OH

CH ili OH

-+

aldehidni oblik

Glukoza

(2 stereoizomera)

može biti ispod ili iznad ravni

(> 99%)(< 0,003%)

H

HOH

C-atomnovi stereocentar

ciklican hemiacetal

▪ Kiselo–katalizovanom reakcijom u prisustvu viška alkohola nastaju ACETALI.

C O

R

HH C

R

OR'

OR'

aldehid ili keton

+ 2 R'OH

acetal

(R)(R)

katalizator: kiselina H+

H+

C O

CH3

HH C

CH3

OCH2CH3

OCH2CH3+ 2 CH3CH2OHH

+

(acetaldehid)etanal

1,1-dietoksietan

O

CO

C

O H

H+

5-hidroksi-pentanal

ciklican hemiacetal

H

HOH

32

Mehanizam nastajanja ACETALA (na primeru aldehida)

Faza 1: nastajanje HEMIACETALA

O

C

OH

R HC

OH

R H

R C

OH

H

OR'

H

R C

OH

H

OR'

..

elektrofilno protonovanje1

3 deprotonovanje (regenerisanje H )

napad R'OH (nukleofila)2

+

32

RCH

: : :

:

+ H+

1

- H+

+

+ - R'OH

R'OH....

+..

- H+

+ H+

..hemiacetal

.. ..::

..

Faza 2: nastajanje ACETALA

R C

OH

H

OR'

R C

OH

H

OR'

H

CHR

OR'

CHR

OR'

R C

H

O

OR'

R'

HR C

H

OR'

OR'

protonovanje na hidroksilnoj grupi (prevoðenje loše odlazece grupe (-OH) u dobru (H2O))1

3

deprotonovanje (regenerisanje H )

adicija drugog molekul R'OH (nukleofila) na elektrofilni C

2

+

:- R'OH

R'OH....

..hemiacetal

4

1 32

4

gubitak H2O

karbokatjonstabilizovan rezonancijom slob. el. para na O

acetal

+ H+

- H+

:..

..

+: ..

:

..

+

+ H2O

- H2O

..:

+

..

: ..

:+ - H

+

+ H+

: ..

33

▪ U prisustvu kiseline obe faze ovog procesa su reverzibilne.

▪ Ravnoteža se može pomeriti: ka acetalu upotrebom viška alkohola ili

odvođenjem vode ka karb. jedinjenju u prisustvu viška vode

(hidroliza acetala).

▪ Acetali se mogu izolovati kao čista jedinjenja, neutralizacijom kiselog katalizatora.

AAcceettaallii kkaaoo zzaaššttiittnnee ggrruuppee

▪ Često korišćen intermedijer u sintezi je acetal etilen-glikola:

O

OC

O

CC

CH3 CH3

CH3CCH3+ H

+

+ HOCH2CH2OH

(etilen-glikol)1,2,-etandiol

H2 H2

stabilan ciklicni acetal

propanon-1,2-etandiol-acetal

▪ Ciklični acetali su otporni prema mnogim nukleofilima (bazama, organometalnim i hidridnim reagensima).

▪ Hidrolizuju se lako tretiranjem sa razblaženom mineralnom kiselinom.

34

3. Adicija bisulfita ▪ Adicija na aldehide i metil-ketone (ostali ketoni ne reaguju – sterne smetnje) – nastaje bisulfitno adiciono jedinjenje:

C O C

SO3 Na

OH C O+ Na HSO3+

-+

karbonilnojedinjenje

natrijum-bisulfit

-

H+

OH-

SO2

SO3

2

+

karbonilnojedinjenjebisulfitno

adiciono jedinjenje(kristalni talog)

-

C O

R

H

S OH

O

O Na

CH

R

S

O Na

OO

OH

CH

R

S

OH

OO

O Na

- +


natrijum-bisulfit

bisulfitnoadiciono jedinjenje(kristalni talog)

+

:

..:

..: ..

:..

: ..

:

.. .. ....

..

: - + ..

.. .... ..

..

..:- +:jak nukleofil

Ostvaruje se veza C-SS nukleofilniji od O (bolje može da prihvati "+" šaržu)

C O

H

C

H

SO3 Na

OH+ Na HSO3+

-+

-

▪ Aldehidi i ketoni se često uklanjaju iz reakcione smeše tretiranjem iste sa konc. vodenim rastvorom natrijum-bisulfita (adicioni proizvod je donekle rastvoran u vodi).

35

4. Adicija organometalnih reagenasa

▪ Organomagnezijumovi ⎟⎠⎞−⎜

⎝⎛ +− δδ

MgXR i litijumovi- ⎟⎠⎞−⎜

⎝⎛ +− δδ

LiR

reagensi – izvor nukleofilnog ugljenika!

▪ Adicijom nastaju ALKOHOLI – nukleofilna alkil-grupa iz organometalnog reagensa formira vezu sa polaznom karbonilnom grupom.5

4.1. Grignard–ovi reagensi (R–MgX)

C

R

O MgXR MgXC O C

R

OH

R MgX

++-..

:


izvor nukleofilnog C

..

.. ..

magnezijum-alkoksid

H , H2O+ ..

..

alkohol

Grignard-ovreagens

1o, 2o ili 3o

aps. etarδ δ+-

RX + Mgaps. etar

R = 1o, 2o, 3o alkil-grupa aril-grupa benzil grupa itd.

jak nukleofil

δ δ+-

R' MgX

C OH

H

C OR

H

C OR

R

H C

H

R'

OH

H C

R

R'

OH

R C

R

R'

OH

H , H2O+

H , H2O+

H , H2O+

..

..1o

..

..

..

..

2o

3o

aps. etar

5 Ako su u strukturi aldehida i ketona prisutne druge C=O grupe ili –OH grupe, moraju se zaštititi!

36

Grignard–ovi reagensi reaguju sa vodom:

R MgX H OH R Hδ δ+-

+δ δ+ -

+ Mg(OH)X

pKa = 15,7 pKa ~ 50

O

CH2CH2CH3

O MgBr

CH2CH2CH3

OH

CH3CH2CH2BrMg, aps. etar

CH3CH2CH2MgBrCH3CCH2CH3 CH3CCH2CH3

+-..:

H , H2O+

:

aps. etar

CH3CCH2CH3

..:

3-metil-3-heksanol

propilmagnezijum--bromid

4.2. Organolitijumovi reagensi (R–Li)

O

OH

C(CH3)3

O Li

C(CH3)3

aps. etar(CH3)3CLi(CH3)3CCl + 2 Li

aps. etar

..

- LiCl

1-terc-butilciklobutanol

H , H2O+

+-..:..

..

C

R

O LiR LiC O C

R

OH

R Li

++-..

:


izvor nukleofilnog C

..

.. ..

litijum-alkoksid

H , H2O+ ..

..

alkohol

alkillitijumovreagens

1o, 2o ili 3o

aps. etarδ δ+-

RX + 2Liaps. etar

R = 1o, 2o, 3o alkil-grupa aril-grupa benzil grupa itd.

jak nukleofil

δ -δ+

+ LiX

37

ZADATAK

Polazeći od navedenih jedinjenja i ostalih reaktiva prikažite sinteze sledećih jedinjenja (između ostalih reakcija koristite adiciju Grignard–ovih reagenasa na karbonilna jedinjenja):

a) 2-fenil-2-butanola iz benzena i etanola

C

OH

CH3

CH2CH3

C

O

CH3

C

OH

CH3

H

MgBr

2-fenil-2-butanol

CH3CH2OH, C6H6

+ CH3CH2MgBr

+ CH3CHO

38

C

O

CH3

C

OH

CH3

CH2CH3

Br MgBr COH

CH3

H

C

O

CH3

CH3CH2OHPCC

CH2Cl2CH3CHO

CH3CH2OH CH3CH2BrPBr3

CH3CH2Br CH3CH2MgBr

1)

2) H , H2O+

1) CH3CHO

2) H , H2O+Br2

FeBr3

Mg

aps. etar

K2Cr2O7

H2SO4

Mg

aps. etar

PCCCH2Cl2

ili

39

b) 2,5-dimetil-3-heksanola iz izobutilena

CH3

C CH2CH3

CH3

CH3

CH3

OH

CH3

CH3

CH3

C CH2CH3

CH3CH3

CH3

CH3

CH3

CH3OH

CH3

C

O

H(CH3)2CH

2,5-dimetil-3-heksanol

CH3CHCH2OH

CH3CHCH CH2CHCH3

+ CH3CHCH2MgBr

CH3CHCH2MgBr

HBr

R2O2

CH3CHCH2BrOH , H2O

-

CH3CHCH2OH

PCCCH2Cl2

CH3CHCHO

Mg

aps. etarCH3CHCH2Br

CH3CHCHO1)

2) H , H2O+

2,5-dimetil-3-heksanol

CH3CHCHCH2CHCH3

40

ZADATAK Predložite odgovarajući postupak za transformaciju jedinjenja A u B:

O

Br

O

OH

O

Br

CH2 O

Br

O O

MgBr

O O

O OO MgBr

O

OH

12

34

56

7

(A) (B)

12

34

56

HOCH2CH2OH, H+

Mg, aps. etar

+-H , H2O+

6-brom-2-heksanon 7-hidroksi-2-heptanon

41

5. Adicija cijanovodonika (cijanhidrinska reakcija)

▪ Cijanovodonik (HCN) se reverzibilno adira na karbonilnu grupu aldehida i ketona gradeći HIDROKSI-ALKANONITRILE tzv. CIJANOHIDRINE:

C

C

O

N

C NC O C

C

OH

N

H CN+

- -:..:

karbonilnojedinjenje cijanidni jon

..

.. ..

alkoksid

..

..

hidroksi-alkanonitril

jak nukleofil

+ CN:-

(cijanohidrin)

C

O

CH3 CH3

CH3 C

CH3

OH

CN

KCN

H2O/H2SO4

2-propanon(aceton) 2-hidroksi-2-metil-

propanonitril(aceton-cijanohidrin)

CH2CH

O

CH2 C

H

OH

CN

KCN

H2O/H2SO4

2-feniletanal(fenilacetaldehid)

3-fenil-2-hidroksipropanonitril(fenilacetaldehid-cijanohidrin)

42

▪ Cijanohidrini su veoma korisni intermedijari u sintezi:

2-hidroksikarboksilnih kiselina (α-hidroksikiseline)

nezasićenih karboksilnih kiselina (α,β-nezasićene kiseline).

CH3 C

H

OH

COOH

CH COOH

C

O

CH3 HCH3 C

H

OH

CN

CH3 C

H

OH

COOH

Δ

konc. H2SO4

-H2O(dehidratacija)

(akrilna kiselina)

CH2

2-propenska kiselina

KCN

H2O/H2SO4

etanal(acetaldehid)

2-hidroksi-propanonitril

(acetaldehid-cijanohidrin)

2-hidroksipropanska kiselina

HCl, H2O

(mlecna kiselina;α-hidroksipropionska kiselina)

Δ

CH3 C

CH3

OH

CNC

O

CH3 CH3CH3 C

CH3

OH

COOH

CH2 C

CH3

COOH

KCN

H2O/H2SO4 Δ

-H2O

2-propanon

2-metil-2-propenska kiselina

konc. H2SO4

(dehidratacija)(aceton)

2-hidroksi-2-metil-propanonitril

(aceton-cijanohidrin)

(metakrilna kis.; α-metilakrilna kis.)

43

Stereohemija cijanhidrinske reakcije ▪ Dobijanje hiralne strukture iz ahiralnog polaznog materijala kao rezultat daje racemsku smesu.

CCH3

HOH

CN

C

O

CH3 HCH3 C

H

OH

CN

CH3 C

H

OH

COOH

CH

CH3

OH

CN

CCH3 OH

CNC

CH3 OH

CN

CH

CH3

OH

COOH

CCH3

HOH

COOH

C O

H

CH3

*

H+ H+

(R)-acetaldehid-cijanohidrin

KCN

H2O/H2SO4

acetaldehid( )-acetaldehid-cijanohidrin

* *

+-

H , H2O+

( )+- -mlecna k.

hiralan hiralan

ahiralan

Prilaz cijanidnog jona (nukleofila)je moguc sa bilo koje strane molekula!!

*

S R

(S)-acetaldehid-cijanohidrin

H , H2O+

H , H2O+

**

(S)-mlecna k. (R)-mlecna k.hiralan hiralan

CN:_

ahiralan

44

6. Adicija amonijaka i njegovih derivata

6.1. Amonijak i 1° amini

▪ Amonijak i 1° amini se adiraju na aldehide i ketone na analogana način kao voda i alkoholi.

▪ Međutim, nastali proizvodi lako gube vodu te nastaju IMINI.

▪ Ukupna reakcija je kondenzacija – dva molekula se spajaju uz eliminaciju vode.

C O C

NH

+ NH3


..

..nukleofil

:

amonijak

+ H2O

..

imin

(aldehid ili keton)

(nestabilan)(pri stajanju polimerizuju)

C O C

NR'

R'+ NH2


..

..

nukleofil

:

1o amin

+ H2O

..

N-supstituisani imin

(aldehid ili keton)Schiff-ova baza(stabilan imin)

45

Mehanizam nastajanja IMINA iz 1° amina6

C O C O

N

H H

R'

C OH

N

R' H

C N

R'

1

eliminacija H2O(dehidratacija)

napad NH2R' (nukleofila)

2

+

-

..

:+ NH2R'


..

..nukleofil

:

(aldehid ili keton)

1o amin

1

2

..

..

deprotonovanje na Nprotonovanje na O

..

..

..

hemiaminal

- H2O

+ H2O

N-supstituisaniiminSchiff-ova baza

6

C

N

OH

HR'

C

N

OH

HR'

H

C

NHR'

C

NHR'

C

NR'

Dehidratacija hemiaminala:

..

..

..+ H

- H+

+

..

..

+

- H2O

+ H2O

..

+

+

hemiaminaliminijum jon

+ H - H++

..

N-supstituisaniiminSchiff-ova baza

46

▪ Imini mogu da se izoluju kao čista jedinjenja u visokom prinosu (kontinualnim uklanjanjem H2O):

C

O

CH3 CH3 NH2C N

CH3

CH3

+ H2O+

(95%)

▪ Reakcija reduktivne aminacije aldehida i ketona:7

C

O

H

NH2 C

N

H

C

H

H

NH

benzaldehid

H2/Ni ili Pt

- H2O

+ H2O

1o amin

imin

2o amin

+

iliNaBH3CN

(ne izoluje se)

benzilcikloheksilamin

cikloheksilamin(kondenzacija)

(redukcija)

7 ▪ Imini nastali kondenzacijom 1° amina sa aldehidima ili ketonima su veoma korisni intermedijari u sintezi amina kompleksnije strukture.

47

6.2. Hidroksilamin (NH2OH), hidrazin (H2NNH2) fenilhidrazin (H2NNHC6H5)

▪ Kondenzacijom sa aldehidima i ketonima daju imino–derivate kristalinične proizvode, često oštrih tački topljenja:

• koriste se za identifikaciju (dokazivanje) strukture karb. jedinjenja.

C O

NH2 OH

C

N

OH

NH2 NH2

C

N

NH2

NH2 NHC6H5

C

N

NHC6H5

C

N

GH

OH

C

N

G


..

..

oksim

(hidroksilamin)

(hidrazin)

hidrazon

+ H+

+ H2O

+ H2O

(aldehid ili keton)

(fenilhidrazin)

fenilhidrazon

+ H2O

+ H2O

48

NH2 OH

CCH3

NOH

NH2 NH2

CCH3

NNH2

NH2 NHC6H5

CCH3

NNHC6H5

C O

CH3

acetofenon

- H2O

acetofenon-oksim

acetofenon-hidrazon

acetofenon-fenilhidrazon

49

C

CH3

H

NOH

C

H

CH3

NOH C

CH3

NOH

C

CH3

NOH

Geometrijska izomerija OKSIMA:

sin-anti-

(Z)-(E)-

ketoksimaaldoksima

sin-anti-(Z)-(E)-

Reakcije kondenzacije aldehida i ketona sa: 1° aminima (NH2R) hidroksilaminom (NH2OH) hidrazinom (H2NNH2) fenilhidrazinom (H2NNHC6H5)

često se odigravaju u slabo kiseloj sredini!

C ONH2 G

C

OH

NH2 G

C N G

C

OH

NH G

NH2 G H3N G

C OH C OH

+ H+

..

..

protonovana karbonilna grupa

..

elektrofil

- H+

- H+

+

- H2Osredina ne sme biti previše kisela:

.. + H+

- H+

+

nukleofil(slobodna baza)

nije nukleofil(so)

+ H+

(olakšan napad nukleofila)

..+

..+

..

50

6.3. 2° Amini ▪ Kondenzacijom aldehida i ketona sa 2° aminima dobijaju se ENAMINI.

C ORCH2

CRCH

NR'2

+ NHR'2....

nukleofil

:

2o amin

+ H2O

enamin

(aldehid ili keton)

:

(enska funkcija alkena i amino-grupa amina)

C OCH2R

R CH2 C O

NR' H

R'

CCH

NR'2

R CH

H

C OH

NR'2

R

deprotonovanje na Nprotonovanje na O


(aldehid ili keton)

N-atom nema H-atom koji bi otpustio!Dehidratacija se odvija alternativno:deprotonovanjem sa α-C-atoma!

+ NHR'2....

nukleofil

:

2o amin

1 ..: -

+

enamin

α α- H2O

+ H2O

2

hemiaminalniintermedijer

1

eliminacija H2O(dehidratacija)

napad NHR'2 (nukleofila)

2

..

:

..

..:

α

α

O

CH3CH2C CHCH3

N(CH3)2

+ HN(CH3)2

..CH3CH2CCH2CH3 + H2O

enamin

CA: N,N-dimetil-2-penten-3-amin

triv.: (1-etil-1-propenil)dimetilamin

3-pentanon dimetilamin

51

CH3CHCH CHCH3

N(CH3)2

CH3CH C

N(CH3)2

CH3C CH2

N(CH3)2

CA: N,N-dimetil-3-penten-2-amintriv.: dimetil(1-metil-2-butenil)amin

H

CA: N,N-dimetil-1-propen-1-amin

triv.: dimetil(1-propenil)aminCA: N,N-dimetil-1-propen-2-amintriv.: N,N,1-trimetilvinilamin

1231231 2 3 4 5

52

Redukcija karbonilnih jedinjenja

1. Redukcija aldehida i ketona 1.1. Do alkohola

C

O

R H

C

O

R R'

R C

H

H

OH

R C

R'

H

OH

R, R' = alkil- aril-grupa

[H]

[H]

1o alkohol

2o alkohol

[H] = (a) 1) LiAlH4/aps. etar 2) H2O

(b) NaBH4/CH3CH2OH

(redukcija hidridnim reagensima)

(c) H2/Pt, Pd ili Ni (kataliticko hidrogenovanje)

▪ Redukcija hidridnim reagensima je nukleofilna adicija vodonika (nukleofil je hidridni jon H: –)!

C O

C OH C O

H C OH

Li H3Al H H C O

+


litijum--aluminijumhidrid

..

..nukleofilni reagens

-+

litijum--alkoksialuminijumhidrid

ponavlja se još 3 puta:reaguje sa jos 3 mol

+-

4

Al Li

H2O4

alkoholLiAlH4 je izvor nukleofilnog H-atoma tj. hidridnog jona (H: )-

+ Al(OH)3 + LiOH

+-AlH3 Li

litijum-tetraalkoksi-aluminat

53

▪ Hidridni reagensi LiAlH4 i NaBH4 su selektivni – redukuju karbonilnu grupu ali ne i nezasićene C–C veze!

Transformišu nezasićene aldehide i ketone u nezasićene alkohole!!!

CH3CH CHCH

O CH3CH CHCH2OH

1) LiAlH4/aps. etar2) H , H2O

NaBH4/CH3CH2OH

H2/Pt2-butenal

(krotonaldehid)CH3CH2CH2CH2OH

2-buten-1-ol

1-butanol

+

O OHH

[H]

ciklopentanon ciklopentanol

[H] = (a) 1) LiAlH4/aps. etar 2) H , H2O

(b) NaBH4/CH3CH2OH

(c) H2/Pt, Pd ili Ni

+

1.2. Do ugljovodonika

C

O

R H

C

O

R R'

R C

H

H

H

R C

R'

H

H

NH2 NH2

HOCH2CH2 O CH2CH2OH

R, R' = alkil- aril-grupa

Zn(Hg)

H , Δ+

(Clemmensen-ova redukcija)

OH , Δ-

(kisela sredina)

(bazna sredina)

(Wolff-Kishner-ova redukcija) ugljovodonik

u prisustvu alkohola visoke tklj

(HOCH2CH2)2O = (dietilen-glikol)

54

CH3CH CHCH

O

CH3CH CHCH3

2-butenal(krotonaldehid)

2-buten

Zn(Hg), H ; Δ+

H2NNH2, OH ; Δ-ili

(HOCH2CH2)2O

CH CHCH

O

CH CHCH3

Zn(Hg), H ; Δ+

3-fenilpropenal(cimetaldehid)

1-fenil-1-propenH2NNH2, OH ; Δ-ili

(HOCH2CH2)2O

O

O1,3-ciklopentan-dion

ciklopentan

Zn(Hg), H ; Δ+

H2NNH2, OH ; Δ-ili

(HOCH2CH2)2O

CCH3

O2N

O

CH2CH3

O2N

CH2CH3

NH2

1-etil-3-nitrobenzen

Zn(Hg), H ; Δ+

H2NNH2, OH ; Δ-

1-(3-nitrofenil)etanon

3-etilfenilamin

(HOCH2CH2)2O

◘ U zavisnosti od strukture karbonilnog jedinjenja, tj. od prisutnih supstituenata, biramo uslove redukcije: u kiseloj ili baznoj sredini!!!

55

2. Redukcija ketona sa magnezijum- -amalgamom, Mg(Hg)

C

O

CH3 CH3

CH3 C

CH3

C

CH3

CH3

OHOH

2,3-dimetil-2,3-butandiol

1) Mg(Hg), C6H6, Δ

2) H2O

acetonpinakol

2

C

O

R RR C

R

C

R

R

OHOHR= alkil- ili aril-grupa 1,2-diol

1) Mg(Hg), C6H6, Δ

2) H2O

keton

tzv. pinakol

2

C O

CH3

CH3

CH3 C

CH3

C

CH3

CH3

OHOH

C O

CH3

CH3

C O

CH3

CH3

C OCH3

CH3

C OCH3

CH3

C O

CH3

CH3

2,3-dimetil-2,3-butandiol

H2O

pinakol

: Mg .

.

-

-....

....

:

:

Mg2+

-

-....

..

..:

:Mg

2+

radikal-anjon(diketil-magnezijum)

56

Pinakolonsko premeštanje

▪ U kiseloj sredini pinakol podleže dehidrataciji koja je praćena 1,2-pomakom (premeštanjem) alkil-, aril-grupe ili hidrida. ▪ Kao proizvod nastaje keton ili aldehid u zavisnosti od strukture polaznog 1,2-diola tzv. pinakola.

CH3 C

CH3

C

CH3

CH3

OHOH

CH3 C C

CH3

CH3

O CH3

2,3-dimetil-2,3-butandiolpinakol

+H

pinakolon3,3-dimetil-2-butanon

(- H2O)

CH3 C

CH3

C

CH3

CH3

OHOH

CH3 C C

CH3

CH3

O CH3

CH3 C

CH3

C

CH3

CH3

OOH

HH

CH3 C

CH3

C

CH3

CH3

OH

CH3 C C(CH3)3

O H

CH3 C C(CH3)3

O H

++ H

:..

:

..: ..

.. :

- H2O

+

+

+

+- H

:: ....+

::1,2-pomak alkil-grupe

3o

(katjon stabilizovan rezonancijom)

57

Oksidacija karbonilnih jedinjenja

1. Oksidacija aldehida 1.1. Sa KMnO4 ili K2Cr2O7 u kiseloj sredini

C

O

R HR = alkil- ili aril-grupa

RCOOHKMnO4/H2SO4

K2Cr2O7/H2SO4

ili

aldehid O

KMnO4/H2SO4

K2Cr2O7/H2SO4

iliCH3CH CH3COOH

acetaldehid sircetna kiselina

C

O

HCOOH

KMnO4/H2SO4

K2Cr2O7/H2SO4

ili

benzaldehid benzoeva kiselina

1.2. Tollens–ov test

▪ Dokazna reakcija za aldehide!

C

O


Ag0 + RCOOH+ Ag+ NH3, H2O

srebrnoogledalo

amonijacni rastvor srebro-hidroksida

NH4OHAgNO3 AgOH

NH3 [Ag(NH3)2] OH+ -

amonijacni rastvor srebro-hidroksida

(bezbojan)

Tollens-ov rastvor

aldehid

▪ Dejstvom aldehida se iz rastvora Ag+ jona taloži srebrno ogledalo.

58

1.3. Fehling–ov test

▪ Dokazna reakcija za aldehide!

C

O

R H

CH

OH

CH

OH

HO2C CO2H

Fehling-ov rastvor


Cu2O + RCOOH+ Cu2+

NaOHNa,K-tartarat

cigla-crvenitalog

aldehid alkalni rastvor kompleksa Cui Na,K-tartarata

(tamno plav)

H2O

tartarati - soli vinske kiseline

2+

▪ U baznoj sredini, taloženje Cu2O ukazuje na prisustvo aldehidne funkcionalne grupe.

1.4. Sa vlažnim Ag2O (Ag+ jon je oksidaciono sredstvo)

C

O


RCOOH

aldehid

Ag2O / H2O

▪ Ag+ jon je blago i selektivno oksidaciono sredstvo!

CH3CH CHCH

O

CH3CH CHCOOH2-butenal

(krotonaldehid)

2-butenska kiselina

Ag2O / H2O

59

CH CHCH

O

CH CHCOOH

3-fenilpropenal

(cimetaldehid)3-fenil-2-propenska kiselina

(cimetna kiselina)

Ag2O / H2O

CHO COOH

3-cikloheksen-karbaldehid

3-cikloheksen-karboksilna kiselina

Ag2O / H2O

2. Oksidacija ketona

▪ Ketoni se oksidišu mnogo teže nego aldehidi – mora doći do raskidanja veze između 2 C–atoma!

▪ Pod blagim uslovima se mogu oksidisati jedino metil-ketoni.

2.1. Oksidacija metil-ketona – HALOFORMSKA REAKCIJA

▪ Reakcija služi za identifikaciju metil-ketona!

C

O

R CH3


RCOO Na

metil-keton

I2, NaOH+ CHI3

- +

jodoform(žuti talog)

Umesto I2 može se koristiti Cl2 i Br2.

Jodoformska reakcija

▪ Tretiranjem reakcione smeše razblaženom mineralnom kiselinom, dobija se karboksilna kiselina.

60

O

+ CHI3CH3CH2CCH3 CH3CH2COO Na- +I2, NaOH H3O

+

+ CHI3CH3CH2COOH

2-butanon

CH3C CHC

OCH3

CH3C CHCOOH

CH3

+ CHI31) I2, NaOH

2) H3O+

4-metil-3-penten-2-on

CH3

▪ CH3CHO – jedini aldehid koji daje pozitivan jodoform test!

2.2. Energična oksidacija ketona

RCH2 C

O

CH2R' RCOOH + R'CH2COOH + RCH2COOH + R'COOHHNO3, Δ

a b a b

RCH C

O

CHR'

R R' R

CR O

R'

CR' O+ R'2CHCOOH + R2CHCOOH +HNO3, Δ

a b a b

OHNO3, Δ

CH3CH2CCH2CH3CH3COOH + CH3CH2COOH

3-pentanon

O CH3

CCH3 O(CH3)2CHCCH(CH3)2

HNO3, Δ + (CH3)2CHCOOH

2,4-dimetil-3-pentanon 2-propanon(aceton)

O

(CH2)4HOOC COOHHNO3, Δ

cikloheksanon

61

KKIISSEELLOOSSTT AALLDDEEHHIIDDAA II KKEETTOONNAA

▪ Karbonilna grupa je polarizovana.

▪ Ektrofilni karbonilni C–atom povlači elektrone duž σ–veze (–I efekat) – veza Cα–H je oslabljena.

▪ α-H–atomi su kiseli usled prisustva karbonilne grupe.

▪ Jake baze mogu ukloniti α-H–atom.

▪ Anjoni koji nastaju deprotonovanjem zovu se ENOLATNI JONI ili ENOLATI:

C

H

C

OC C

O

C C

O

+ B

.

:

. -

- -..

....

...

.: :

+ HB

pKa ~ 16-18 (aldehidi)~ 19-21 (ketoni)

enolatni jon

rezonancioni hibrid

jaka bazajak nukleofil

▪ Nastali enolatni jon, konjugovana baza aldehida i ketona, je stabilizovan rezonancijom:

C C

O

C C

O

C C

O

C C

O. -

-..

....

.: :

rezonancioni hibrid

-δ ..... ......

-δ

ili ..... ......

-

enolatni jon

▪ Elektrofil može napasti Cδ– ili Oδ– (ambidentni jon).

CH

R

CC

O

α

kiseoα H-atom

δδ δ

δ -

+ +

-I efekat karbonilne grupe

.. ..β

62

KKEETTOO––EENNOOLLNNAA ttaauuttoommeerriijjaa aallddeehhiiddaa ii kkeettoonnaa

CH2 C

O

HR CH C

OH

HR(R') (R')

keto-oblikketo-tautomer

enolni-oblikenol-tautomer

H ili OH-+

▪ Keto– i enol–izomer su 2 različita hemijska jedinjenja (strukturni izomeri), tautomeri koji gubitkom protona daju isti anjon koji je rezonancioni hibrid 2 granične strukture.

TTAAUUTTOOMMEERRII:: različita jedinjenja čije se strukture razlikuju u rasporedu atoma (obično vodonika) u molekulu (strukturni izomeri), koja se lako pretvaraju jedno u drugo i koja se, u principu, mogu izolovati kao posebna jedinjenja određenih osobina.

▪ Pod tautomerijom se podrazumeva postojanje dva ili više strukturnih izomera koji se nalaze u ravnoteži i mogu se pretvarati jedni u druge.

▪ Proces pretvaranja jednog tautomernog oblika u drugi, do uspostavljanja ravnotežnog stanja, označava se kao tautomerizacija.

▪ Tautomeri se nalaze u termodinamičkoj ravnoteži koja je pomerena ka jednom ili drugom tautomeru.

▪ Keto–enol tautomerija tj. pretvaranje jednog oblika u drugi je kiselo ili bazno katalizovana reakcija.

63

C

H

C

OC C

O

C C

O

H B

C C

O H

+ B

.

:

. -

- -..

....

...

.: :

+

enolatni jon

keto-oblikketo-tautomer

enolni-oblikenol-tautomer

..:

+ B: -

kiseliji - lakše otpušta proton

T.D. stabilniji

Bazno-katalizovana keto-enolna tautomerija

baza

C

H

C

O

H B

C C

O H

C C

OH

H

C C

OH

H

H B

+ B: -

konj.bazakiseline

..+

protonovani karbonilni sistem

..

+ ..

keto-tautomer

enol-tautomer

...

.

+

kiselina

..

..+

Kiselo-katalizovana keto-enolna tautomerija

▪ Položaj ravnoteže zavisi od strukture molekula!

▪ Kod prostih aldehida i ketona ravnoteža je pomerena ka keto–tautomeru.

100%

CH2 C

O H

C H3CH 3 C

O

C H 3

CH 2 C

O H

HCH3 C

O

H

64

▪ Međutim, postoje karbonilna jedinjenja kod kojih je ravnoteža pomerena ka enol–tautomeru!!!

CH2 C

O

CH3C

O

CH3 CH C

O

CH3C

OH

CH3

O

CC

C

O

H

CH3

H

CH3

cista supstanca (tecnost)

. .. .

16% 84%

1

2

konjugovani sistem dvostrukih veza

mogucnost uspostavljanja intramolekulske vodonicne veze(šestoclana prstenasta struktura)

.....

CH2 C

O

CH3C

O

CH3 CH C

O

CH3C

OH

CH3

u heksanu

8% 92%

▪ U vodenom rastvoru enol–tautomer je nestabilan jer je znatno smanjena mogućnost obrazovanja intramolekulske vodonične veze – jače je intermolekulsko vodonično vezivanje sa molekulima vode!

CH2 C

O

CH3C

O

CH3 CH C

O

CH3C

OH

CH3

O

CC

C

O

CH3

H

CH3

H HO

HH

O HHO

H

u vodi

...

.

85% 15%

. ...

Intermolekulsko vezivanje sa molekulima vode!

.

.. .. ..

...

.

.

65

REAKCIJE IZAZVANE KISELOŠĆU α-H–ATOMA

Aldolna kondenzacija

▪ U razblaženom vodenom rastvoru baze (ili kiseline) mogu se međusobno vezati 2 molekula aldehida (dimerizacija) koji u svojoj strukturi imaju bar 1 α–H–atom!

▪ Kao proizvod aldolne reakcije nastaje β-hidroksi-aldehid tzv. ALDOL koji zagrevanjem podleže dehidrataciji dajući α,β-nezasićeni aldehid.

CH2 C

O

HR CH2 C

OH

C

H

H

R

C

O

HR

CH2 C C

H R

C

O

HR

aldehid

2H2O

OH (ili H )- +

β-hidroksi-aldehidaldol

α,β-nezasiceni aldehid

αβ

Δ(- H2O)

αβ

Intramolekulska dehidratacija je favorizovana jer nastaje α,β-nezasiceno karbonilno jedinjenje(konjugovani sistem dvostrukih veza)

1

2

1

1 2+ = aldolna kondenzacija

aldolna reakcija

2 dehidratacija

(niska t)

α

O

CH3 C

OH

H

CHCH

H

O

CH3CH CHCH

O

2 + H2OΔαβNaOH/H2O

CH3CHαβ

etanal(acetaldehid)

3-hidroksibutanal

2-butenal

(krotonaldehid)aldol

66

▪ Analogno se mogu međusobno vezati 2 molekula (veoma reaktivnog) ketona koji u svojoj strukturi imaju bar 1 α–H–atom!

▪ Kao proizvod aldolne reakcije nastaje β-hidroksi-keton (aldol) koji zagrevanjem podleže dehidrataciji dajući α,β-nezasićeni keton.

O

CH3 C

OH

CH3

CHCCH3

H

O

CH3 C

CH3

CHCCH3

O

2 + H2OΔαβNaOH/H2O

CH3CCH3propanon(aceton)

4-hidroksi-4-metil-2-pentanon 4-metil-3-penten-2-on

αβ

aldol

(β-hidroksi-keton)(α,β-nezasiceni keton)

1

1 2+ = aldolna kondenzacija

aldolna reakcija

1 2

2 dehidratacija

Aldolna reakcija kod ketona je reverzibilan proces – ravnoteža je pomerena ka ketonu!

Ravnotežu u desno pomera: ►uklanjanjem aldola iz reakcione smeše,

►dehidratacija i uklanjanje vode iz reakcione smeše.

67

Mehanizam nastajanja ALDOLA (bazna kataliza)

Faza 1: nastajanje ENOLATA (enolatnog jona)

CH2 C

O

HCH2 C

O

H

O

CH2 H + OH: ....

katalizator

(hidroksilni jon)

. -

- ....

...

: :

+ H2O

enolatni jon

α α

αHC

-: :

Faza 2: nukleofilni napad (adicija)

O

CH2 C

O

HCH2 C

O

H

C CH2CH

O

H

O

enolatni jon

CH3CH

: :

+

nukleofilni centar je α-C-atom enolatnog jona

nukleofil

-..: :

- ..

elektrofil

enolatni jon napada kao karbanjon

CH3

: :

alkoksidni jon

: : .. -

Faza 3: protonovanje

C CH2CH

O

H

O

H OH C CH2CH

OH

H

O

....

CH3

: :

alkoksidni jon

: : .. -

+ CH3

: : : ..

aldol

αβ

3-hidroksibutanal

+ OH: ....

regenerisanikatalizator

-

▪ Faze 2 i 3 ove reakcije pomeraju, u početku nepovoljnu ravnotežu (Faza 1), prema proizvodu, aldolu. ▪ U aldolnoj reakciji do izražaja dolaze 2 najvažnije osobine karbonilne grupe:

►nastajanje enolata (enolatnog jona), ►nukleofilni napad enolatnog jona (anjona) na karbonilnu grupu.

68

▪ Na povišenoj temperaturi, aldol lako podleže dehidrataciji i nastaje proizvod aldolne kindenzacije.

C

OH

H

CCH

H

H

O

CH3CH CHCH

O

aldol

OH , H2O: .... -

CH3

: ..

αβ

Δ+ H2O

αβ

3-hidroksibutanal

2-butenal

(krotonaldehid)


▪ Eliminacija vode je naročito olakšana zato što kao proizvod nastaje stabilan konjugovani sistem.

Proizvodi aldolne reakcije mogu se izolovati samo ako su reaktanti jednostavni aldehidi ili ketoni!

O

CH3CH2 C

OH

H

CHCH

CH3

O

CH3CH2CH CCH

CH3

O

2αβNaOH/H2OCH3CH2CH

αβ

propanal

OH , H2O: .... -

Δ

(- H2O)

može se izolovati na niskoj T.

3-hidroksi-2-metilpentanal2-metil-2-pentenal

▪ Ako je α,β-nezasićeni proizvod naročito stabilan (npr. benzenski prsten deo konjugovanog sistema) može se izolovati isključivo nezasićeno jedinjenje.

▪ Pažnja:

CH3CH C

OH

H

CCHO

CH3

CH3

CH3 C

CH3

H

CH

O CH3α NaOH/H2O αβ OH , H2O: ..

.. -

Δ(- H2O)

2

2-metilpropanal3-hidroksi-2,2,4-trimetilpentanal

dehidratacija nije moguca

▪ α,β-nezasićeni aldehid ne može nastati jer na α–C–atomu nema više H–atoma, pa ne može doći do dehidratacije!

69

▪ Aldoli (ukoliko se mogu izolovati) i α,β-nezasićena karbonilna jedinjenja često se koriste kao intermedijari u organskoj sintezi:

O

CH3CH CHCH

O

OH

OH

OOH

CH3CH CHCOOH

CH3CH CHCH2OH

2

- H2O

Δ

OH /H2O

CH3CH


aldol

Ag2O / H2O


NaBH4/CH3OH

H2/Ptili

ili

CH3CHCH2COOH

CH3CHCH2CH2OH

3-hidroksikarboksilna kis.

1,3-diol

CH3CHCH2CH

-


NaBH4/CH3OH

H2/Pt

ili

CH3CH2CH2CH2OH

+

+

Ag2O / H2O

70

Ukrštena aldolna kondenzacija

▪ Kada reaguju 2 različita karbonilna jedinjenja nastaje složena smesa aldolnih proizvoda:

CH3 C

OH

H

CHCHO

CH3CH3

CH3CH2 C

OH

H

CH2CHO

CH3 C

OH

H

CH2CHO

CH3CH2 C

OH

H

CHCHO

CH3CH3

CH3CHO + CH3CH2CHOetanal propanal

NaOH/H2O Nu je CHCHO:..--

+ Nu je CH2CHO:..--

+ Nu je CH2CHO:..--

+ Nu je CHCHO:..--

Neselektivna ukrštena aldolna reakcija!

71

▪ Međutim, moguće je dobiti 1 aldolni proizvod ukoliko samo 1 karbonilno jedinjenje ima α–H–atome!8

H C

OH

H

CH2 CHCCH3

CH2 C

O

CH3

O

O

CH2 C

O

CH3

O

CH2 H

- H2O

Selektivna ukrštena aldolna kondenzacija!

HCH +

Δ

4-hidroksi-2-butanon

3-buten-2-on

nema α-H-atome

ima α-H-atome

.

- ..

enolatni jon

Nu je: - :

.

αCH3C

NaOH/H2O

C

O

H

O

CH2 H

C CH

H

C

O

H

C

OH

CH2

H

C

O

H

benzaldehid acetaldehid

+α

HC

: :

3-fenilpropenal(cimetaldehid)

- H2O

nije izolovan

NaOH/H2O

Selektivna ukrštena aldolna kondenzacija!

8 Komponenta koja nema α–H–atome se pomeša sa katalizatorom i zatim se karbonilno jedinjenje koje ima α–H–atome dodaje polako u tu smesu.

Tako je koncentracija enolatnog jona uvek veoma mala, te dolazi gotovo isključivo do reakcije sa drugim karbonilnim jedinjenjem koje je u velikom višku.

72

ZADATAK

Prikažite sintezu 3-heksanona iz etanola, kao jedinog organskog reaktiva, koristeći obavezno reakciju adicije Grignard–ovih reagenasa na karbonilna jedinjenja kao i reakciju aldolne kondenzacije.

O

O

O

CH3CH CHCH

CH3CH2OHCH3CH2CH2CCH2CH3

+ BrMgCH2CH3CH3CH2CH2CH

2 CH3CHO

2-butenal

CH3CH2CH2CH2OH

73

O

CH3CH CHCH

O

O

OH

CH3CH2OHPCC

CH2Cl2CH3CHO

2) H , H2O+

2 CH3CHO2) OH /H2O; Δ

1) OH , H2O-

-

H2/Pt

K2Cr2O7/H2SO4

PCC/CH2Cl2

ili

1) BrMgCH2CH3 / aps. etar

PBr3CH3CH2Br

Mg/aps. etarCH3CH2MgBr

K2Cr2O7/H2SO4

PCC/CH2Cl2

ili

CH3CH2CH2CH2OH

CH3CH2CH2CH

CH3CH2CH2CCH2CH3

CH3CH2CH2CHCH2CH3

74

Cannizzaro–va reakcija

▪ Aldehidi koji nemaju α–H–atoma u prisustvu koncentrovanih rastvora (vodenih ili alkoholnih) baze podležu oksido–redukcionoj reakciji.

▪ Nastaje smesa alkohola i soli karboksilne kiseline.

O

HCH2konc. NaOH

CH3OH + HCOO Na- +

(formaldehid) metanol(natrijum-formijat)

metanal natrijum-metanoat

CHO CH2OH COO Na

2konc. NaOH

benzenkarbaldehid

(benzaldehid)

+

- +

fenilmetanol(benzil-alkohol)

natrijum-benzoat

75

Mehanizam Cannizzaro–ve reakcije

H

C O C

H

OH

O

H

C O CH OH

O

C

H

O

H

CO O

H

CH2OH COO

+ OH: ....

nukleofil

-:

...

.

..

: .. +

(pocetni)

nukleofilhidridni jon H: -

+

..

: ..:

..

:

-

: .... -

..

: ..

.. - ..:

+

-

oksidise se

redukuje se

alkoksidni jonjaka baza karboksilna

kiselina

intermedijar

"-" šarža na O pomaze otcepljenje hidridnog jona

2.1. Ukrštena Cannizzaro–va reakcija ▪ Reaguju 2 različita aldehida bez α–H–atoma – jedna komponenta se uvek uzima u višku. ▪ Formaldehid se lako oksidiše (veoma reaktivan, lakše će ga napasti nukleofil) – uzima se kao komponenta u višku.

OCH2OH

OO

CHO

+HCH HCOO Na- +

formaldehid natrijum-formijat

CH3

konc. NaOH+

CH3

4-metoksibenzen-karbaldehid

(4-metoksifenil)metanol

(p-metoksibenzil-alkohol)

(anisaldehid)(p-metoksibenzaldehid)

76

Halogenovanje aldehida i ketona

▪ Halogeni reaguju sa ugljenikom u susedstvu karbonilne grupe (α–C–atom) aldehida i ketona.

▪ Halogenovanje može da se vrši u kiseloj ili baznoj sredini.

C

H

C

O

H C C

O

H

X

+ X2

kiselina ili baza

(H ili OH )-+

α α+ HX

α-halogen karbonilno jed.X2 = Cl2, Br2, I2

(R) (R)

▪ Obim halogenovanja zavisi od toga da li je sredina kisela i li bazna: • bazna sredina – potpuno halogenovanje α–C–

atoma (zamene svih α–H–atoma halogenom),

• kisela sredina – α–halogenovanje staje posle uvođenja jednog atoma halogena.

C

O

HCH3CH2

C

O

HCH3C

Br

Br

C

O

HCH3CH

Br

Br2, NaOH/H2O

Br2, CH3COOH

(bazna sredina)

(kisela sredina)

propanal

2,2-dibrompropanal

2-brompropanal

Cl C

Cl

Cl

C

O

CH2CH3

O

Cl

OCl2, NaOH/H2O

Cl2, CH3COOHCH2CCH2CH3

(bazna sredina)

(kisela sredina)

CH3CCH2CH3

2-butanon

1,1,1-trihlor-2-butanon

1-hlor-2-butanon

(etil-metil-keton)

77

Haloformska reakcija (test na metil-ketone)

▪ Trihalogenski proizvod, nastao α–halogenovanjem metil-ketona u baznoj sredini, reaguje u prisustvu baze dajući odgovarajući haloform i karboksilatni anjon:

C

O

R CH3

C

O

R CX3

X2, NaOH/H2O

(bazna sredina)

R = alkil- ili aril-grupametil-keton RCOO Na + CHX3

- +

haloform(talog)

NaOH/H2O

▪ Mehanizam haloformske reakcije:

O

R C

O

OH

CX3 RC O H

O

O

+ OH:

katalizatorbaza

-

:

RCCX3

-:

..

..

..

..: :

..

:

+ CX3:

:

..

..

RCO - + CHX3

haloform

so karboksilnekiseline

-

C

O

R CH3


RCOO Na

metil-keton

NaOH+ CHX3

- +

haloform(talog)X2 = I2, Br2, Cl2

Haloformska reakcija

+ X2

78

▪ Kada je u pitanju jod, trijodmetan (jodoform) se izdvaja kao žuti talog.

C

O

CH3COO Na

COOH

I2, NaOH+ CHI3

- + H3O+

+ CHI3

Pažnja:

H C

O

CH3H C

O

OH1) I2, NaOH

2) H , H2O+ + CHI3

H C

O

OH1) I2, NaOH

2) H , H2O+ + CHI3CH3CH2OH

Prvo se oksidiše do acetaldehida!!!

79

Hemijske osobine α,β-nezasićenih aldehida i ketona

▪ Već smo naučili da su proizvodi aldolnih kondenzacija α,β-nezasićeni aldehidi i ketoni tzv. konjugovani ENONI:

O

CH3 C

OH

H

CHCH

H

O

CH3CH CHCH

O

2 CH3CH

(acetaldehid)

OH , H2O-

Δetanal

OH , H2O


(krotonaldehid)

2-butenal

-

O O

H C

OH

H

CHCH

H

O

CH2 CHCH

O

HCH + CH3CHOH , H2O

-

Δ

OH , H2O


(akrolein)

propenal

-

▪ α,β-nezasićeni aldehidi i ketoni su stabilniji od svojih nekonjugovanih izomera.

CH2 CH CH

O

CH2 CH CH

O

H2C CH CH

O

rezonanciona stabilizacija akroleina

: : -..

: ..

+

: -

: ..

+

▪ Stabilizovani su rezonancijom čime se delokalizuje parcijalno pozitivno naelektrisanje kabronilnog C–atoma!!!

▪ Dvostruka veza je osiromašena elektronima a β– C–atom je elektrofilan.

80

CH2 CHCH

OCH2 OH

CH OH

C OHΔ

akroleinH2glicerol

KHSO4+ H2O

Laboratorijska sinteza:

CH2 CH

OH

CH2

OH OH

S

O

O

O KOH

CH2 CH

OH

CH2

OH2OH

CH2 CH

OH

CH

H

OH

CH2 CH

OH

C

OH

CH2 CH2

OH

C

O

H

CH2 CHCH

O

H2C CH C

O

H

H

OH2

- +

..

:

.. :..:

..

:

..:

.. ..:: : .... ..: :+

- H2O

+ H2O

....: :+

..: ..:

H

- H+

+ H+

- H+

+ H+

..:

...

.

- H2Otautomerizacija

...

.

- H+

..+

81

ADICIONE REAKCIJE

▪ Adicione reakcije α,β-nezasićenih karbonilnih jedinjenja se klasifikuju kao:

1,2-adicije (učestvuje samo jedna π–veza konjugovanog sistema),

1,4-adicije (učestvuju obe π–veze konjugovanog sistema).

1,2-Adicija polarnog reagensa A–B

C

O

CCA B

C

B

C

C

A

O

CCC

OA

B

δ+

δ_+

elektrofilnideo

nukleofilnideo

1,2-adicija na dvostruku C-C vezu

1,2-adicija na karbonilnu grupu

82

1,4-Adicija polarnog reagensa A–B

▪ 1,4-adicije se zovu i konjugovane adicije!

C

O

CCA B C

B

C

C

O A

C

B

C

C

O H

C

B

C

H

C

O

δ+

δ_+

elektrofilnideo

nukleofilnideo

1,4-adicija αβ

β α

β α

enol-oblik keto-oblikizomerizacija

A = H

Cini se da je doslo do 1,2-adicije NuH na dvostruku vezu C-C!!!

1,4-adicija

▪ Nukleofili koji mogu da stupe u 1,4-adiciju:

halogenovodonici,

voda (kisela– ili bazna–kataliza),

alkoholi (kisela– ili bazna–kataliza),

cijanovodonik (kisela–kataliza).

83

C

O

CC

C

X

C

H

C

O

C

OH

C

H

C

O

C

OR

C

H

C

O

C C

H

C

O

CN

1,4-adicija αβ

β αHX

(HX = HCl, HBr, HI)

H2O

ROH

HCN

β α

β α

β α

β-halogen karbonilnojedinjenje

β-hidroksikarb. jed.

β-alkoksikarb. jed.

β-cijanokarb. jed.

CH2 CH CH

O

CH2 CHCH

Br H

O

+ HBr

(akrolein)propenal

3-brompropanal(β-brompropionaldehid)

CH2 CH CCH3

O

CH2 CHCCH3

OH H

O

+ H2OCa(OH)2

3-buten-2-on

4-hidroksi-2-butanon

C CHCH3

CH3

CCH3

O

O H

O

+ CH3OHH2SO4

4-metil-3-penten-2-on

(CH3)2C CHCCH3

4-metoksi-4-metil-2-pentanon

H3C

CCH CH2

O

CCH CH2

O

CNH

+ KCNH2SO4

1-fenilpropenon4-fenil-4-oksobutanonitril

84

Mehanizam 1,4-adicije HBr

C

O

CC

C

O

CC

H

C

O

CC

H

C

O

CC

H

C

O

CC

H

C C CO

BrH

C C CO

Br

H

H Br

:

αβ

1,4-adicija HBr

:

αβ

..+

αβ

..:

+αβ

..:

+

rezonancijom stabilizovan katjon

elektrofil

nukleofil

..

+

αβ

elektrofil

+

.. : -

1 protonovanje

2

1

2

3 tautomerizacija

nukleofilni napad na β-C-atom

β-halogen karbonilno jedinjenje

....β α

enol-oblik

3

keto-oblik

β α...

.

Br..

:

bromidni jon

Elektrofilni deo reagensa, proton, se adira na kraj konjugovanog sistema na karbonilni O (ne na β-C-atom) jer tako nastaje najstabilniji intermedijarni katjon stabilizovan rezonancijom,kod koga je "+" šarža na C-atomima.

Nukleofilni deo reagensa, negativni jon, napada β-C-atom (ne karbonilni C) jer tako nastaje stabilniji proizvod.

1

2

▪ Potpuno analogan je mehanizam kiselo-katalizovane 1,4-adicije pri čemu je nukleofil nenaelektrisan (:Nu–H).

85

Mehanizam kiselo–katalizovane 1,4-adicije

C

O

CC

C

O

CC

H

C

O

CC

H

C

O

CC

H

C

O

CC

H

C C CO H

C C CO

H

C C CO

OH

H

:

αβ

Kiselo-katalizovana 1,4-adicija H2O

:

H +

αβ

..+

αβ

..:

+αβ

..:

+

rezonancijom stabilizovan katjon

elektrofil

nukleofil

..

+

αβ

elektrofil

..:

1 protonovanje

2

1

2

3 tautomerizacija

nukleofilni napad na β-C-atom

β-hidroksi karbonilno jedinjenje

....β α

enol-oblik

3

keto-oblik

β α...

.

H2O..

+..

+

+

+

β α...

.

H2O

H2O

keto-oblik

4 deprotonovanje

Proton se adira na kraj konjugovanog sistema na karbonilni O (ne na β-C-atom) jer tako nastaje najstabilniji intermedijarni katjon stabilizovan rezonancijom,kod koga je "+" šarža na C-atomima.

Nukleofilni reagens napada β-C-atom (ne karbonilni C) jer tako nastaje stabilniji proizvod.

1

2

4H-

86

Grignard-ovi reagensi (R–MgX) se, takođe, adiraju na α,β-nezasićena karbonilna jedinjenja.

Međutim, pomenute reakcije nisu od posebne koristi s obzirom da se, u zavisnosti od strukture reagujućih vrsta i reakcionih uslova, može odigrati 1,2-adicija, 1,4-adicija ili obe istovremeno.

Adicija Grignard-ovog reagensa na α,β-nezasićene ALDEHIDE odigrava se, generalno, na karbonilnoj grupi (1,2-adicija) pri čemu nastaje nezasićeni alkohol.

CH3CH CHCH

O

CH3CH CHCHCH3

OH1) CH3MgI/aps.etar

2) H , H2O+

1,2-adicija

-Mg(OH)I

3-penten-2-ol2-butenal

Kada su α,β-nezasićeni KETONI u pitanju, Grignard-ovi reagensi, osim u 1,2-adicije na karbonilnu grupu, stupaju i u 1,4-adicije (konjugovane adicije) pri čemu nastaje i β-alkilovani keton kao sporedni proizvod.

CH3CH CHCCH3

O

O

CH3CH CHCCH3

OH

CH3

CH3

1) CH3MgI/aps.etar

2) H , H2O+

1,2-adicija

1,4-adicija

-Mg(OH)I

2-metil-3-penten-2-ol(GLAVNI proizvod)

CH3CHCH2CCH3

4-metil-2-pentanon(SPOREDNI proizvod)

3-penten-2-on

Kod voluminoznijih i sterno zaštićenih α,β-nezasićenih

KETONA dominantna je 1,4-adicija pa je β-alkilovani keton glavni proizvod.

Documents

A U L č D R EH ć I karbonilnu DI č KETONIelektron.tmf.bg.ac.rs/organskahemija/Aldehidi & Ketoni-13_14.pdf · 3 OPADAJU Ć I PRIORITETI NEKIH FUNKCIONALNIH GRUPA Klasa jedinjenja