PREDNÁŠKA Č. 3

KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY

VLASTNOSTI & PRÍPRAVA

1

KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY

2

Acetón

8 000 000 ton/rok

(2013)

Pd2+/Cu+

H+/H2O

O

Wackerova oxidácia

Formaldehyd

40 000 000 ton/rok

(2013)

C OAg

650°CO

H

H

+ H2

H

H

H

H

Dehydrogenácia

KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY – Prírodné látky

3

Civetón (Civettictis civetta)

Feromón vzácnej cibetky africkej

Produkuje najdrahšiu kávu na svete!

Nonanal (Culex quinquefasciatus)

Humánny atraktant komára

Pôsobí synergicky s CO2

R

OH

OH

R=H hydrochinón

R=CH3 metylhydrochinón

H2O2

kataláza

peroxidáza

R

O

O

R=H benzochinón

R=CH3 metylbenzochinón

+ O2 + H2O

Stenaptinus insignis

Teplota toxického „koktejlu“ 100°C, frekvencia pulzov 500x za sekundu!

O

O

KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY – Syntetické medikamenty

4

Fluticasone® (Glaxo)

Inhalačný kortikosteroid

Liečba astmy a rinitídy

Doxycycline® (Pfizer)

Tetracyklínové antibiotikum

Liečba moru, antraxu, boreliózy

Atovaquone® (Glaxo)

Antiparazitikum

Liečba malárie, toxoplazmózy

Norethynodrel® (GD Searle)

Prvé orálne kontraceptívum

Prevencia tehotenstva

Donepezil® (Eisai)

AChE inhibítor

Antialzheimerikum

Raloxifene® (Eli Lilly)

A(nta)gonista estrogénu

Liečba osteoporózy

KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY – Drogéria, Kozmetika

5

Gáfor (LD50=1 g/kg, myš)

Stimuluje receptory chladu

Antiiritant, antiprurikum

Dihydroxyacetón

Sfarbuje odumreté bunky kože

„Samoopaľovací“ prípravok

HO OH

O

O

Acetofenón

Prísada do šampónov

Imitácia jahodovej vône

O

Oxybenzón

Potenciálny fotokarcinogén!

ÚV filter opaľovacích krémov

OHO

O

KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY – Biogénne molekuly

6

R = OH Testosterón ♂

R = Ac Progesterón ♀ / orech

Ľudské pohlavné hormóny

Vitamín K1 (lipofilný)

Nevyhnutný pre zrážanie krvi

Zelenina, pečeň, črevné baktérie

O

H

R

H H

O

O

3

CHO

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OH

D-Glukóza

Produkt fotosyntézy

Zdroj bioenergie

Retinal (forma vitamínu A)

Zabezpečuje videnie cicavcov

Biosyntetizuje sa z karotenoidov

KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY – Gastromolekuly

7

(-)-Oleokantal (Olea europaea)

Extra panenský olivový olej

Protizápalový antioxidant

R = H Daidzeín R = OH Genisteín

Fytoestrogény sóje (Glycine max)

Znižujú hladinu LDL cholesterolu

HO

O

CHO

O

CHO

CH3

HOO

H3C

O O

OOH

CH3

Kurkumín (Curcuma longa)

Žlté farbivo curry korenia (E 100)

Chemopreventívne etnofarmakum

O

R

HO

OOH

Syringaldehyd (Quercus robur)

Aromatický fenol dubového dreva

Dáva charakter barikovému koňaku

MeO

HO

MeO

O

Rozdelenie a typy karbonylových zlúčenín

8

Nomenklatúra aldehydov a ketónov

• Triviálne (historické) názvy pre niektoré jednoduché aldehydy a ketóny

Formaldehyd Acetón Acetaldehyd

Metanal Propán-2-ón Etanal

Konzervant Rozpúšťadlo Spôsobuje „opicu“

9

• Triviálne (historické) názvy pre niektoré C=O substituenty (acylové skupiny)

Benzaldehyd Etylmetylketón Škoricový aldehyd

Vôňa mandlí Rozpúšťadlo Vôňa škorice

Nomenklatúra aldehydov a ketónov

• Systematické (IUPAC) názvoslovie:

- nájdi najdlhší reťazec (najväčší kruh) s C=O skupinou,

- pridaj k názvu (cyklo)alkánu príponu –al alebo –ón

(bez C=O skupiny pridaj k názvu príponu –karbaldehyd),

- očísluj molekulu tak, aby C=O uhlík mal najnižšie číslo.

10

2,5-Dimetylbenzaldehyd

CHOO2N

trans-3-Nitrocyklopentánkarbaldehyd

O

O

Propanal

O

Bután-2-ón (E)-Hex-4-én-3-ón

OBr

(R)-3-Brómbutanal

(±)-2-Metylcyklohexanón

1

2

3

1

2

3 4 1 2

3 4

4

1

2 3

5

6

1

2

3

4 5

O

H3C

CH3

H

O

1 2

5

6

3 4

1

2

5

6

3

4

11

Štruktúra a elektronické vlastnosti karbonylových zlúčenín

• Karbonylový uhlík je sp2 hybridizovaný.

• C=O skupina je polárna, vytvára dipól.

• Aldehydy a ketóny intenzívne absorbujú

žiarenie v IČ oblasti ~ 1700 cm-1.

Uhol H-C-H ~ 117° (trigonálne planárny)

Dĺžka C=O ~ 122 pm (kratšia ako C=C)

Dipólový moment ~ 2.5 D (C=C ~ 0.4 D)

H H

Formaldehyd

12

Stabilita karbonylových zlúčenín – Aldehydy vs. ketóny

• Ketóny sú stabilnejšie (= menej reaktívne) ako aldehydy.

• Čím viac alkylových skupín na C=O, tým väčšia stabilizácia.

(analogický +I efekt ako u alkénov, karbkatiónov a radikálov)

• Prejavom odlišnej stability aldehydov a ketónov je rozdiel ich spalných tepiel.

• Ten rozdiel je podstatne väčší ako u analogických alkénov (DHC=O > DHC=C)

13

Fyzikálne vlastnosti aldehydov a ketónov – Vodíkové väzby Bod varu

• Aldehydy a ketóny nie sú donormi vodíkovej väzby – neposkytujú H+.

Tvoria veľmi slabé intermolekulové mostíky.

Majú nižšie body varu ako analogické alkoholy!

14

Fyzikálne vlastnosti aldehydov a ketónov – Vodíkové väzby Rozpustnosť vo vode

• Aldehydy a ketóny sú akceptormi vodíkovej väzby – prijímajú H+.

Sú dobre rozpustné vo vode.

15

Senzorické vlastnosti aldehydov a ketónov – Zápach

Akroleín (karcinogén!)

Vzniká pyrolýzou mäsa

Typický zápach barbecue

Butanal (amfifilný, penetruje!)

Oxiduje sa na kyselinu maslovú

Zápach rozkladajúceho sa potu

16

Senzorické vlastnosti aldehydov a ketónov – Vôňa

Citral

Cymbopogon nardus

(Eau Savage®, Christian Dior)

Jazmón

Jasmine officinalis

(Caléche®, Hermés)

Vanilín

Vanilla planifolia

(Shalimar®, Guerlain)

b-Jonón

Rosa damascena

(Diva®, Emanuel Ungaro)

17

Senzorické vlastnosti aldehydov a ketónov – Chuť

Bután-2,3-dión (Diacetyl)

Maslová príchuť popcornu

Možné zdravotné riziko!

Gingerol (Zingiber officinale)

Ostrá chuť čerstvého zázvoru

Antiemetikum, antimigrenikum

Heptán-2-ón / Nonán-2-ón

Pikantná chuť plesnivých syrov

Rocquefort, Gorgonzola, Stilton

Humulón (Humulus lupulus)

Horká chuť chmeľového piva

Antioxidant, inhibítor angiogenézy

Syntéza aldehydov a ketónov – Oxidácia 1° a 2° alkoholov

18

„Jemné“ oxidačné činidlá (prevencia preoxidácie):

- Pyridínium chlórchromát (PCC) = pyridín/HCl/CrO3/DCM

- Pyridínium dichromát (PDC) = pyridín/CrO3/DCM

- Oxid manganičitý (burel) – oxidácia alylalkoholov

- Swernova oxidácia = (COCl)2, DMSO, -78°C

- TPAP = tetrapropylamónium perrutenát

- Dess-Martinov perjodinán = hypervalentný jód (I+5)

+

Syntéza aldehydov a ketónov – Oxidácia alkoholov – Jones

19

• Ak alkohol nie je kyslo-labilný, je výhodné použiť

dichróman disodný v zriedenej kyseline sírovej.

• Zmes sa obvykle pridá do roztoku alkoholu v acetóne.

Mechanizmus Jonesovej oxidácie:

- Najprv dochádza vo vode ku vzniku HCrO4- aniónu, ktorý v kyslom prostredí vytvorí s alkoholom

príslušný chrómový ester. Ten defragmentuje za vzniku produktu a súčasnej eliminácie HCrO3- aniónu.

- Soli Cr4+ reagujú s Cr6+ zlúčeninami za vzniku 2 x Cr5+ molekúl. Tie oxidujú alkoholy rovnakým

spôsobom a sú zároveň redukované až na konečné Cr3+ soli.

- Ukončenie oxidácie indikuje evidentná zmena farby reakčnej zmesi z oranžovej (Cr6+) na zelenú (Cr3+).

- Potenciálny problém: vo vode sú aldehydy hydratované preoxidácia na karboxylové kyseliny!

Cr(VI)

Syntéza aldehydov a ketónov – Oxidácia alkoholov – PDC, PCC, TPAP

20

• Kľúčové je bezvodé prostredie - použitie PCC resp. PDC v dichlórmetáne.

kyslý

• Alternatívou je použitie systému TPAP/NMO - stačí kat. množstvo Ru6+-soli, čo rieši problém toxického

odpadu ako napríklad Cr-oxidantov. Stechiometrickým oxidantom je NMO, ktorý sa redukuje na amín

a zároveň reoxiduje ruténium späť na Ru(VI). Obzvlášť vhodné v prípade senzitívnych aldehydov.

neutrálny

Syntéza aldehydov a ketónov – Oxidácia alkoholov – Dess-Martin

21

• Ďalšou možnosťou je použitie Dess-Martinovho perjodinánu, oxidačného činidla objaveného v 1983.

• Pripravuje sa oxidáciou kyseliny 2-jódbenzoovej, ktorá je dostupná diazotáciou kyseliny antranilovej.

• Jedná sa o veľmi jemné oxidačné činidlo, obzvlášť vhodné na oxidáciu senzitívnych alkoholov.

• Napríklad (Z)-a,b-nenasýtený aldehyd je pripraviteľný zo (Z)-alylalkoholu bez C=C izomerizácie.

James Cullen Martin

(1928-1999)

Vanderbildt University

Daniel Benjamin Dess

(19??)

University of Illinois

Syntéza aldehydov a ketónov – Oxidácia alkoholov – Swern

22

• Často využívaným spôsobom oxidácie senzitívnych (alyl)alkoholov je Swernova oxidácia.

• Dimetylsulfoxid na úvod reaguje s oxalyl chloridom za vzniku elektrofilného sírneho intermediátu.

• Eliminovaný chloridový anión následne nukleofilne atakuje atóm síry za vzniku plynných oxidov a Cl-.

• Záverečný nukleofilný atak alkoholu, deprotonácia bázou a eliminácia dimetylsulfidu poskytne aldehyd.

Mechanizmus Swernovej oxidácie:

Oxalyl

chlorid

Dimetylsulfónium

chlorid

Sírny ylid

T< -60°C

Daniel Swern

(1916-1982)

University of Maryland

- HCl

Syntéza aldehydov a ketónov – Ozonolýza alkénov

23

Mechanizmus ozonolýzy:

Syntéza aldehydov a ketónov – Hydratácia alkínov

24

• Alkíny podliehajú v kyslom prostredí Markovnikovej adícii vody za vzniku príslušných ketónov.

• Terminálne alkíny poskytujú výlučne metylketóny, zatiaľ čo interné alkíny dávajú zmes produktov.

• Alkíny podliehajú hydroborácii a po spracovaní bázickým hydroperoxidom poskytujú príslušné

aldehydy ako produkty anti-Markovnikovej adície (Brownova reakcia).

Herbert Charles Brown

(1912-2004)

Nobelova cena 1979

Purdue University

Syntéza aldehydov a ketónov – Hydroformylácia

25

• Terminálne alkény poskytujú v atmosfére oxidu uhoľnatého a vodíka za katalýzy zlúčeninami

kobaltu alebo ródia príslušné aldehydy v priemyselnom meradle (Hydroformylácia, OXO PROCES).

Mechanizmus hydroformylácie:

Syntéza aldehydov a ketónov – Wackerova oxidácia

26

• Alkény podliehajú v prítomnosti katalytického systému PdCl2/CuCl2 adícii vody a poskytujú

príslušné aldehydy alebo ketóny v priemyselnom meradle (Wackerova oxidácia).

Mechanizmus Wackerovej oxidácie:

Syntéza aldehydov – Redukcia esterov

27

• Estery karboxylových kyselín (RCO2R´) je možné selektívne zredukovať na príslušné aldehydy.

• Používa sa silné a zároveň stéricky objemné redukčné činidlo (prevencia totálnej redukcie).

Syntéza aldehydov – Redukcia chloridov kyselín

28

• Acylchloridy (RCOCl) je možné zredukovať na príslušné aldehydy tri-terc-butoxyalumínium

hydridom za nízkej teploty.

Mechanizmus:

Syntéza ketónov – SE na aromátoch, a-Oxidácia

29

Friedel-Crafts Gatterman-Koch

Reimer-Tiemann

a-Oxidácia

CO, HCl

CuCl, AlCl3

O

CHCl3

NaOH

O

OH OH

O

SeO2

Syntéza ketónov – Adícia organokovov na acylchloridy

30

• Gilmanove kupráty (R2CuX) sa adujú na chloridy kyselín za vzniku príslušných ketónov.

• Analogicky reagujú s chloridmi kyselín aj dialkylkademnaté činidlá za vzniku príslušných ketónov.

R Cl

OMe2Cd

R Me

O+ MeCdCl

+ CH3Cu + LiCl

Syntéza ketónov – Adícia organokovov na nitrily

31

• Organolítne (RLi) a Grignardove činidlá (RMgX) sa adujú na nitrily za vzniku príslušných ketónov.

• Nedochádza ku dvojnásobnej adícii, nakoľko by na dusíku v takom prípade vznikol dianión...