ZWIZKI KARBONYLOWEAleksander Koodziejczyk

10.2006

Grupa karbonylowa -C=O wystpuje w wielu zwizkach organicznych, ale tylko aldehydy i ketony nazywane s zwizkami karbonylowymi. W jedynie nich karbonylowy atom wgla jest zwizany wycznie z atomami wodoru lub/i wgla. W pozostaych zwizkach zawierajcych grup -C=O, tj. w kwasach karboksylowych i ich pochodnych do karbonylowego atomu wgla doczona jeszcze inna grupa funkcyjna, np. -OH, -OR, -COR czy -X. Zwizki organiczne zawierajce grup karbonylow Nazwa aldehyd ketonR

Tabela Nazwa ester lakton cykliczny) (esterC

Wzr oglnyO R C H

Wzr oglnyO R C OR'

O CO R C OH

O C O

R'

kwas karboksylowy

amidRO O C R'

O CO C C N

N

bezwodnik kwasowyR

O C

laktam cykliczny)

(amid

chlorek kwasowy (halogenek)R

O C Cl

keten

R C

C O

Budowa grupy karbonylowej Grupa karbonylowa C=O jest pod wzgldem geometrycznym podobna do podwjnego wizania C=C. Wok atomu C o hybrydyzacji sp2 rozmieszczone s 3 podstawniki. Uoone s one w jednej paszczynie pod ktem zblionym do 120o. Wizanie C=O jest krtsze ni C=C (1,22 i 1,43 odpowiednio) i znacznie silniejsze 175 kcal/mol (732 kJ/mol) wobec 92 kcal/mol (385 kJ/mol). Silniejsze nie oznacza mniej reaktywne. Wizanie karbonylowe jest mocniej spolaryzowane, co rzutuje na jej waciwoci chemiczne i wysok reaktywno. Tabelaparametry fizyczne czsteczki etanalu

HC O

Kty walencyjne [o]

Dugoci wiza [A]

H-C-C C-C-O

118 121 121

C=O C-C OC-H

1,22 1,5 1,09

H3C

H-C-O

1

Karbonylowy atom wgla o hybrydyzacji sp2 tworzy 3 wizania typu i jedno .

. C

. O

.. ..

C

O

.. ..

orbitale p

elektrony na niezhybrydyzowanych orbitalach p po naoeniu tworz wizanie typu

Zwizki zawierajce grup karbonylow s polarne, poniewa wizanie C=O jest spolaryzowane. atwo si domyli, e czciowy adunek dodatni jest zlokalizowany na atomie wgla, za ujemny na atomie tlenu.+ -.

. C O. .

Grup karbonylow mona przedstawi w postaci wzorw mezomerycznych, przy czym na jednym z nich s cakowicie rozdzielone adunki. Prawdopodobiestwo wystpowania grupy karbonylowej z rozdzielonymi adunkami jest niskie, ale wyjania on podatno tego typu zwizkw na atak odczynnikw nukleofilowych i kwasw:+

.. C O. .

-

+ .. C O: ..

Dodatkowe podstawniki i grupy funkcyjne mog zwiksza lub zmniejsza polarno tego wizania, a tym samym wpywa na wielko momentu dipolowego czsteczki i reaktywno grupy. W tabeli przedstawiono wartoci momentw dipolowych wybranych zwizkw zawierajcych grup karbonylow. Wartoci momentu dipolowego wybranych zwizkw zawierajcych grup karbonylowNazwa metanal etanal aceton acetofenon cyklobutanon kwas octowy chlorek acetylu octan metylu acetamid N,N-dimetyloacetamid Wzr H2C=O CH3HC=O (CH3)2C=O PhCOCH3O

Tabela

Grupa zwizku aldehyd aldehyd keton keton keton kwas karboksylowy chlorek kwasowy ester amid amid

Moment dipolowy [D] 2,33 2,72 2,88 3,02 2,99 1,74 2,72 1,72 3,72 3,81

CH3COOH CH3COCl CH3COOCH3 CH3CONH2 CH3CON(CH3)2

2

Reaktywno zwizkw karbonylowych Reaktywno zwizkw zawierajcych grup karbonylowa jest zwizana z waciwociami elektronowymi atomw wchodzcych w jej skad, przede wszystkim z dodatnio naadowanym karbonylowym atomem wgla C+ i ujemnie naadowanym atomem tlenu O-. Karbonylowy atom wgla C+ jest podatny na atak odczynnikw nukleofilowych (:Nu), a atom tlenu O- na dziaanie kwasw (A). Powinowactwo karbonylowego atomu wgla do nukleofila :Nu bdzie modyfikowane waciwociami elektronowymi zwizanej z nim grupy funkcyjnej Y. Grupy elektronoakceptorowe bd powinowactwo zwikszay, a eletronodonorowe zmniejszay. Reaktywne s rwnie atomy wodoru przy C. Maj one podwyszon ruchliwo. Ssiedztwo grupy karbonylowej zwiksza ich kwasowo kwane w porwnaniu z typowym alifatycznym atomem wodoru, a przez to atwiej ulegaj oderwaniu pod wpywem zasad (B:).- +

.. O:

A

A :B

kwas zasada+

-

.. O:

+A

C C :B

C C

H

Y :Nu

:Nu nukleofil

H

Y

.. : + O A C C Y H

A kwasy Lewisa (np.: +H, +NH2, BF3, AlCl3, itp.) wykazujc due powinowactwo do karbonylowego atomu tlenu O tworz z nim kompleksy. :B zasady Lewisa (np.: -H, -NH2, -OH, -OR, NR3, itp.) majc powinowactwo do ruchliwych protonw odrywaj H przy C w stosunku do grupy karbonylowej:- +

O: Y- +BH

..

O:C C C C

..

.. : O:

C :B

C

H

Y

Y

Powstajcy po oderwaniu protonu karboanion jest podatny na atak odczynnika elektrofilowego E+; w ten sposb biegn reakcje kondensacji karbonylowej. :Nu wykazuje powinowactwo do dodatnio naadowanego wgla grupy karbonylowej i reakcja z nim zaczyna si od addycji do karbonylowego atomu wgla. Dalszy bieg reakcji zaley od waciwoci podstawnika Y: moe nastpi protonowanie atomu O lub eliminacja podstawnika -Y, jeeli jest dobr grup odchodzc.+H

.. : O: C

protonowanie atomu Oalbo

C

Nu

Y

eliminacja grupy Y

3

Do najpopularniejszych reakcji jakim ulegaj zwizki zawierajce grup karbonylow nale: addycja nukleofilowa acylowa substytucja nukleofilowa substytucja i kondensacja karbonylowa Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej Jeeli podstawnik grupy karbonylowej -Y jest z grup odchodzc (-H lub -R) to w reakcji z nukleofilem dochodzi do addycji nukleofilowej, przy czym zmienia si hybrydyzacja obu atomw tworzcych grup karbonylow (z sp2 na sp3), a po sprotonowaniu produktu addycji (produktu poredniego) powstaje alkohol. Tak reaguj aldehydy i ketony z nukleofili.: O: R C Y:Nu

.. :O: R C Nu Y Csp3produkt addycji

.. :O H+H

R

C Y

Nu

Csp2aldehyd lub keton

Csp3alkohol

R i Y: H, alkil lub aryl

Nu: -H (jon wodorkowy) lub zwizki Grignarda (RMgX)

Substytucja na karbonylowym atomie wgla Reakcja substytucji na grupie C=O moe biec dwoma sposobami (A i B). Wg A w kocowym produkcie zostaje zachowana grupa C=O, a wg B tworzy si ugrupowanie C=Nu. Sposb A Zwizki karbonylowe zawierajce atwo odchodzca grup Y, np. -OH, -OR, -SR, -C(O)OR, lub -halogen po przyczeniu nukleofila :Nu tworz produkt poredni (addukt), z ktrego odszczepia si grupa Y i powstaje inny zwizek zawierajcy grup karbonylow, np. kwas karboksylowy zostaje przeksztacony w ester, chlorek kwasy w amid itp. S to reakcje charakterystyczne dla kwasw karboksylowych i ich pochodnych. Nie wszystkie przedstawione powyej podstawniki Y nale do grup atwo odchodzcych, ale w odpowiednich warunkach mog zosta w takie grupy przeksztacone, np. -OH czy -OR po protonowaniu do H+OH lub H+OR staj si grupami atwo odchodzcymi.-

: O: R C+

:Nu

.. :O: C

-

- Y-

: O: R C+

Y

R

Csp2

Nu Y Csp3

Nu

Csp2

R: H, alkil lub aryl

Y: halogen; -OR, -OH, -SR, -C(O)OR

Wedug sposobu A z nukleofilami reaguj kwasy karboksylowe i ich pochodne.

4

Sposb B Aldehydy i ketony reaguj z niektrymi zwizkami zawierajcymi grup aminow -NH2 w ten sposb, e po ich addycji do karbonylowego atomu wgla, nastpuje eliminacja atomu tlenu w postaci czsteczki wody, jako najlepiej odchodzcej grupy w powstaym zwizku przejciowym. Produktem takiej reakcji jest imina.-

: O: R C+

.. :O::NH2R'

.. :O H R C Y NHR' ..

-

Y

R

C Y

+ NH2R'

: - HOH N R' R C+

Y

Csp2

Csp3

Csp3

Csp2

aldehydy lub ketony

iminy

Y: H, alkil lub aryl

:NH2R: aminy 1o, hydrazyna i inne zwizki zawierajce grup -NH2

Substytucja W reakcji substytucji dochodzi do podstawienia uaktywnionego atomu wodoru przy C w stosunku do grupy karbonylowej. Miejsce H moe zaj elektrofil, np. halogen lub alkil. Reakcja biegnie poprzez form enolanow.: O: H C C Y C .. :O H C Y+E

.. :O H E C C + Y

zwizek karbonylowy

: O: E C C Y

- H+

+ :O H E C C Y

-podstawiony zwizek karbonylowy

Przykadem takiej reakcji moe by otrzymywanie -bromoacetofenonu. Zwizek ten jest silnym lakrymatorem (drani oczy).O CacetofenonAcOH

O C CH3 + Br 2 CH3 + HBr

-bromoacetofenon (72%)

Reakcje kondensacji zwizkw karbonylowych W rodowisku zasadowym aldehydy i ketony zawierajce H ulegaj dimeryzuj.O O CH3CH + CH3CHetanal etanal-OH

O OH CH3CHCH2CH3-hydroksybutanal

5

Mechanizm Reakcja zaczyna si od oderwania protonu H i utworzenia karboanionu, ktry jako nukleofil przycza si do karbonylowego atomu wgla wg uprzednio poznanych regu. Powstajcy enolan po zakwaszeniu tworzy aldol. Ta nazwa pochodzi od skrtu sporzdzone ze sw aldehydoalkohol... :O C H2C Hetanal- HB

.. :O - C H2C H ..H3C OC

.. :O :H

O

H

:B-

H3C

C C H CH2 H+H/HOH

.. :O Haldol (3-hydroksybutanal)

O

H3C

C C H CH2 H

Do tego typu reakcji naley kondensacja aldolowa aldehydw i ketonw, kondensacja Claisena estrw i szereg innych podobnych reakcji. ALDEHYDY I KETONY Do aldehydw zalicza si zwizki zawierajce przy karbonylowym atomie wgla reszt organiczn i atom wodoru. Szczeglnym przypadkiem jest metanal (aldehyd mrwkowy inaczej formaldehyd), poniewa z karbonylowym atomem wgla zwizane s dwa atomy wodoru. W ketonach do grupy karbonylowej przyczone s dwie reszty organiczne.O C R H Raldehydy, R: alkil, aryl lub H

O C R'ketony, R, R: alkil lub aryl

Wystpowanie Aldehydy s zwizkami nietrwaymi, poniewa atwo ulegaj utlenieniu. Dlatego chocia wystpuj czsto w naturze, rzadko spotyka si je w duych steniach. Jako skadniki niektrych olejkw eterycznych znaleziono: cytronellal, neral (cytral b), geranial (cytral a), aldehyd benzoesowy (benzaldehyd) czy aldehyd anyowy. Znane s te pochodne aldehydu 3,4dihydroksybenzoesowego. Aldehydy stanowi wane substraty w biosyntezie.H CHO

CHO H

CHO

CHO

CHO

aldehyd benzoesowy

cytranellal

neral

geranial

6

Do aldehydw naley aldosteron, przedstawiciel hormonw kortykosterydowych (hormonw nadnercza). Obecno grupy aldehydowej wyraona jest w nazwie zwizku aldosteron.HO

OHC COCH2OHH

O

H

H

aldosteron

Popularnymi aldehydami s cukry aldozy, np. D-glukoza. W odrnieniu od innych aldehydw s to zwizki trwae, poniewa jako polihydroksyaldehydy tworz hemiacetale odporne na utleniajce dziaanie tlenu z powietrza.CHO H C OH HO C H H C OH H C OH CH2OH HO HO OH O HO H OH

D-glukoza hemiacetal

Niezwykle interesujcymi (ze wzgldu na moliwo praktycznego zastosowania do zwalczania owadw) s substancje utrudniajce erowanie owadw - IAF (ang. insect antifeedants). S pord nich aldehydy nalece do terpenoidw, np. poligodial (tadeonal), ajugaryny (I-V) lub ajugomaryna. IAF wydzielaj niektre roliny, eby chroni si przed erujcymi na nich owadami, np. przed szaraczom. Jak dotychczas naturalne IAF nie znalazy praktycznego zastosowania (s zbyt skomplikowane, eby je syntezowa, a w naturze wystpuj w maym steniu). Jednak na ich podstawie zaprojektowano prostsze zwizki o zblionej aktywnoci.OH3C CHO CHO H O H3C H O

CH3

CH2 OCOCH3

OCOCH3

poligolial (tadeonal)

ajugaryna I

Naturalne ketony s znacznie popularniejsze od aldehydw. Nietrudno zauway, e aldosteron jest take ketonem. Pozostae kortykosterydy te zawieraj grup lub grupy ketonowe. Do ketonw naley wikszo hormonw pciowych: estron, progesteron, testosteron i androsteron.O H H H O progesteron H O H H OH

testosteron

7

Pord terpenoidw spotyka si wiele zwizkw zawierajcych grup ketonow; jako przykady mona poda menton, karwon, tujon czy kamfor:O O O

O(-)-menton (+)-karwon (-)--tujon kamforaO O

Ketonami s substancje zapachowe pochodzenia zwierzcego, takie jak cybeton i muskon.

cybeton

muskon

Grup ketonow zawieraj cukry ketozy, czyli polihydroksyketony, a najpopularniejsz pord nich jest D-fruktoza. Ketozy, tak jak i aldozy wystpuj w formie hemiacetalowej. Nomenklatura Aldehydw 1.Systematyczna Nazwy aldehydw tworzy si przez dodanie kocwki -al do nazwy wglowodoru macierzystego.O O H C H H3C C H CH3CH2 O C H CH2CH3 CH3CHCH2CHCHO CH34-etylo-2-metylopentanal

etanal

metanal

propanal

2. Karboaldehydowa Inny systematyczny sposb nazywania aldehydw polega na dodaniu do nazwy wglowodoru zwizanego z grup -CHO przyrostku karboaldehyd wraz z cznikiem o. Stosowany najczciej w nazywaniu skomplikowanych zwizkw.CHO H H Et H CHO

cykloheksanokarboaldehyd

(1R,2R)-2-etylocyklo-heksano-1-karboaldehyd

3. Podobn rol peni przedrostek formylo:CH2CHOOCHCH2CH2CHCHCHO OHC COOH

CH33-(formylometylo)-2-metyloheksanodial kwas 4-formylobenzoesowy

8

4. Odkwasowa Popularny, psystematyczny sposb nadawania nazw aldehydom wywodzi si od kwasw karboksylowych. Te dwie grupy zwizkw s z sob spokrewnione, poniewa utlenienie aldehydw prowadzi do kwasw zawierajcych t sam reszt organiczn. Mamy wic aldehyd mrwkowy (metanal, zwany take formaldehydem) wywodzcy si od kwasu mrwkowego, podobnie aldehyd octowy (etanal), propionowy (propanal), masowy (butanal), izomasowy (2metylopropanal) benzoesowy czy salicylowy. 5. Nazwy zwyczajowe Niektre aldehydy znane s prawie wycznie pod nazwami zwyczajowymi, np. aldehyd salicylowy czy anyowy.(CH3)2CHCHOaldehyd izomasowy

CHO OH

H3CO

CHO

aldehyd anyowy

(2-metylopropanal)

aldehyd salicylowy (p-metoksybenzoesowy) (o-hydroksybenzoesowy)

Nomenklatura ketonw 1. Systematyczna Zgodnie z zasadami IUPAC nazwy ketonw tworzy si przez dodanie do nazwy wglowodoru macierzystego kocwki on:O H3 CC

O CH3CH3CCH2CH2CH3pentan-2-on

O

CH3 OCH3CH=CCH2CCH34-metyloheks-4-en-2-on

propanon (aceton)

cykloheksanon

2. Grupowo-funkcjonalna Powszechnie stosowany sposb nazywania ketonw, tzw. grupowo-funkcyjny polega na wymienieniu po sowie keton w porzdku alfabetycznym, rozdzielone mylnikiem nazwy reszt alkilowych (arylowych) zwizanych z grup karbonylow,. Naley pamita o tym, eby uywa nazw reszt organicznych w formie przymiotnikowej, tj. np. keton metylowo-propylowy, a nie metylo-propylowy, gdy w wymowie ta druga forma jest rwnoznaczna z ketonem metylopropylowym, a to oznacza inny zwizek.O H 3C C CH2CH2CH3 CH3CHCH2 CH3keton metylowo-propylowy

O C CH2CHCH3 CH3

(keton metylopropylowy) keton bis(2-metylopropylowy)

3. Podstawnikowa Tlen grupy ketonowej =O, jako podstawnik nosi nazw okso i mona tego przedrostka uywa w tworzeniu nazw podstawnikowych. Zastpuje ona dawniej uywany przedrostek keto.

9

10

O1 3 4

O

CH2CH2CH2COOH O8

9

COOH H O

kwas 4(4-oksocykloheksylo)butanowy

kwas 1,3,6,8-tetraokso-1,2,3,6,7,8,-heksahydropireno-2-karboksylowy

6

O

5

4. Zwyczajowa Wiele ketonw ma nazwy zwyczajowe. Oprcz wymienionych uprzednio ketonw naturalnych naley zna takie zwizki jak aceton, acetofenon czy benzofenon:O H 3C C Oaceton

C

acetofenon

O C

benzofenon

CH3

CH3

Waciwoci fizykochemiczne Metanal jest gazem (tw. -19oC), etanal za bardzo lotna ciecz, lotniejsz ni eter etylowy (tw. 20,8oC), a propanal wrze w temp. 48oC. Metanal i etanal mieszaj si z wod w kadym stosunku; rozpuszczalno w wodzie wyszych aldehydw maleje wraz ze wzrostem ich masy czsteczkowej; przykadowo propanal, n-butanal i aldehyd benzoesowy rozpuszczaj si w wodzie odpowiednio: 28, 4 i 3 g/100 ml w 20oC. Aldehydy i ketony rozpuszczaj si dobrze w wikszoci rozpuszczalnikw organicznych. Wodny roztwr metanalu (25-37%) znany pod nazw formaliny zawiera czsto metanol jako stabilizator. Formalina ma silne dziaanie antyseptyczne i suy do przechowywania preparatw organicznych. Metanal ma bardzo silny, dranicy i duszcy zapach, etanal nieco sabiej, ale te bardzo intensywnie oddziauje na zmys powonienia. Zapach wyszych aldehydw alifatycznych jest bardzo nieprzyjemny (smrodliwy). Benzaldehyd i wiele innych aldehydw aromatycznych charakteryzuj si specyficznym zapachem gorzkich migdaw. Aceton wrze w temperaturze 56oC i miesza si z wod w kadym stosunku. Ma charakterystyczny rozpuszczalnikowy zapach. Aceton jest popularnym rozpuszczalnikiem stosowanym do rozpuszczania zwizkw organicznych (w tym farb i lakierw). Otrzymywanie aldehydw 1. Utlenianie Alkohole 1o mona przeprowadzi w aldehydy pod wpywem odpowiednio dobranych utleniaczy, naley jednak zapewni warunki zabezpieczajce przed dalszym utlenieniem do kwasw, poniewa aldehydy atwiej si utleniaj do kwasw ni alkohole do aldehydw. Rekomendowanym utleniaczem alkoholi 1o do aldehydw jest chlorochromian pirydyny w skrcie PCC (ang. pyridium chlorochromate). Reakcja biegnie w dichlorometanie w temperaturze pokojowej (RT ang. room temperature).N+ HCrO3Cl-

PCC, chlorochromian pirydyny

10

CH2OHcytronellol

PCC, RT CH2Cl2

CHOcytronellal (82%)

Aldehydy lotniejsze od wody otrzymuje si z odpowiednich alkoholi poprzez ich utlenienie za pomoc dichromianu sodu we wrzcej wodzie. W tych warunkach powstajcy aldehyd usuwany jest z utleniajcego rodowiska przez oddestylowanie. Przykadem moe by przeksztacanie nbutanolu (tw. 118oC) w n-butanal (tw. 75oC). Wydajnoci s jednak duo nisze ni w utlenianiu za pomoc PCC.CH2OHNa2Cr2O7/H2SO4 HOH/tw

CHOn-butanal (32%)

n-butanolu

Jedna z przemysowych metod otrzymywania aldehydu octowego polega na utlenianiu etanolu w fazie gazowej w obecnoci katalizatora srebrowego.CH3CH2OH + 0,5 O2etanol500oC Ag

CH3CHO + HOHetanal (90%)

2. Odwodornianie Alkohole 1o mona odwodorni katalitycznie w obecnoci, np. katalizatora zoonego z miedzi i tlenku chromu osadzonego na pumeksie. Jest to metoda preferowana w przemyle.CH2OHn-heksanolCu-CrO3/pumeks - H2, 330oC

CHOn-hesanal (30%)

3.Ozonoliza Z alkenw zawierajcych winylowy atom wodoru powstaj aldehydy w reakcji ozonolizy.1. O3 2. Zn, AcOH

2

CHOn-pentanal

dec-5-en

4. Redukcja pochodnych kwasw karboksylowych Dobrymi substratami w syntezie aldehydw s pochodne kwasw karboksylowych, gwnie estry i chlorki kwasowe. Wikszo reduktorw przeprowadza kwasy karboksylowe i ich pochodne je w alkohole 1o. Do otrzymania aldehydw potrzebne s reduktory specjalne, umoliwiajce selektywn redukcj. Naley do nich hydroglinian diizobutylowy (wodorek didizobutyloglinowy DIBAH, ang. diisobutylaluminium hydride).1. DIBAH, toluen,-78oC

CH3(CH2)10COOCH3

2. H+/HOH

CH3(CH2)10CHO

dodekanian metylu

dodekanal (88%)H

DIBAH: (CH3)2CHCH2-Al(H)-CH2CH(CH3)2

Al

11

5. Redukcja Rosenmunda Dawniej aldehydy otrzymywao si z chlorkw kwasowych w reakcji uwodornienia wobec zdezaktywowanego katalizatora palladynowego. Metoda ta nazywa si redukcja Rosenmunda. 6. Hydroliza geminalnych dihalogenopochodnych Zarwno aldehydy, jak i ketony mona otrzyma poprzez hydroliz geminalnych dihalogenopochodnych. Jest to sposb przydatny wwczas, kiedy takie pochodne s atwo dostpne. Do popularnych naley chlorek benzylidenu, otrzymywany w reakcji chlorowania toluenu. W trakcie jego hydrolizy atwo powstaje benzaldehyd:CH3Cl2, h

CHCl2

-OH/HOH

CHO

toluen

chlorek benzylidenu

aldehyd benzoesowy

7. Hydratacja alkinw Aldehydy i ketony tworz si w reakcji addycji wody do alkinw. Reakcja jest katalizowana przez sole rtci. Z etynu powstaje etanal, a z pozostaych alkinw ketony. W ten sposb otrzymywano aldehyd octowy przemysowo, obecnie dominuje utlenianie etenu tlenem gazowym.HgSO4

HC CH + HOH

CH3CHOH2SO4/HOH

CH2=CH2 + 0,5 O2

120oC Pd/CuCl2

CH3CHO

etyn

etanal

eten

etanal

(94%)

Otrzymywanie ketonw 1. Utlenianie Ketony najatwiej otrzyma z alkoholi 2o, nie ma w tym przypadku obawy o ich dalsze utlenienie. W ten sposb powstaje cykloheksanon z cykloheksanolu.cykloheksanol

OH

ONa2Cr2O7/H2SO4 HOH

cykloheksanon (79%)

Utleniaczem alkoholi 2o, tak jak 1o moe by PCC. W przemyle cykloheksanon produkuje si przez utlenienie cykloheksanu powietrzem. Ten sposb otrzymywania ketonw jest szczeglnie przydatny w syntezie ketonw alifatycznoaromatycznych poprzez utlenianie arenw zawierajce odpowiednie acuchy boczne.CH2powietrze

O C CH3

CH3

100oC

etylobenzen

benzofenon

12

2. Ozonoliza Ozonoliza odpowiednich alkenw prowadzi do ketonw:O1. O3 2. Zn, AcOH

O H

1-metylocykloheksen

6-oksoheptanal (86%)

3. Acylowanie Niezwykle wygodnym sposobem otrzymywania ketonw alifatyczno-aromatycznych lub aromatycznych jest reakcja acylowania arenw Friedla-Craftsa. Polega ona na dziaaniu chlorkami kwasowymi na zwizki zawierajce piercie aromatyczny.O + Cl CAlCl3

O C

benzen

chlorek benzoiluO + O O bursztynowybezwodnik

benzofenon (85%)O C-CH2CH2COOHkwas 3-benzoilopropanowy (94%)

AlCl3

benzen

Za pomoc reakcji Friedla-Craftsa mona otrzymywa zwizki cykliczne; w ten sposb z kwasu fenylobutanowego powstaje tetralon:O C-CH2CH2COOHkwas 3-benzoilopropanowy

(CH2)3COOHNaBH4

kwas 4-fenylobutanowy (89%)SOCl2

AlCl3

chlorek kwasowy

tetralon (79%) O

ClC=O

Waciwoci chemiczne 1. Utlenianie Aldehydy s podatne na dziaanie utleniaczy bardziej ni ketony; nawet pod wpywem sabych utleniaczy zostaj przeksztacane w kwasy karboksylowe.O R Caldehyd[O]

O R C OH karboksylowykwas

H

Utleniacze: HNO3, KMnO4, O2, Na2CrO7, odczynniki Jonesa, Tollensa, Fehlinga i inne.

13

Odczynnik Jonesa CrO3/H2SO4/HOH przeksztacajcych aldehydy w kwasy.

naley

do

najagodniejszch

utleniaczy

Odczynniki Tollensa (AgNO3/NH3/HOH) i Fehlinga (CuSO4/H2SO4/HOHNaOH/KNaC4H4O6/HOH) s stosowane w testach do wykrywania aldehydw.O R C Haldehyd

O + 2 Ag+ R C OHkwas karboksylowy lustro srebrowe

+ 2 Ag

Odczynnik Tolensa w obecnoci reduktora typu aldehydu ulega redukcji do srebra metalicznego, ktre tworzy lustro, jako e w postaci cienkiej warstwy osadza si na dnie naczynia szklanego. Tworzenie si takiego lustra jest testem na obecno aldehydu. Ta reakcja wykorzystywana jest do produkcji luster. W prbie Fehlinga obserwuje si pomaraczowy osad wytrcajcego si tlenku miedzi (I) pod wpywem aldehydu.O R C Haldehyd

O + 2 Cu2+-OH

R C OHkwas karboksylowy

+ Cu2Opomaraczowy osad

Ketony te ulegaj utlenieniu, ale jedynie pod wpywem silniejszych utleniaczy, nastpuje przy tym rozerwanie wizania pomidzy atomem C a grup karbonylow. Z ketonw alifatycznych powstaje mieszanina kwasw karboksylowych.O R-CH2-C-CH2-R'KMnO4-OH/HOH,

RCOOH + RCH2COOH + HOOCR' + HOOCCH2R'

keton alifatyczny

mieszanina kwasw karboksylowych

Z ketonw cyklicznych otrzymuje si jednorodne kwasy dikarboksylowe.O1. KMnO4/NaOH/HOH, 2. H+/HOH

O OH kwas adypinowy (kwas heksano-1,6-dionowy) (65%)

HO

O

cykloheksanon

2. Addycja nukleofilowa Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej jest charakterystyczn reakcj aldehydw i ketonw. Na atomie wgla grupy C=O zlokalizowany jest czciowy adunek dodatni, a przez to karbonylowy atom wgla jest podatny na atak nukleofilowy.O R C+

R(H)

:Nu

14

Nukleofilami (Nu:-) mog by atomy lub grupy obdarzone adunkiem ujemnym, np.:aniony:

.. .. RO:HO:.. .. cyjankowy karboanion wodorkowy alkoksylowy hydroksylowy N C:R3C:H:-

lub bez formalnego adunku (czsteczki obojtne :Nu-H), ale zawierajce elektroujemne atomy z woln para elektronow, np.:H3N:amoniak

.. RNH2amina 1o

.. R2NHamina 2o

.. ROH .. alkohol

.. HOH .. woda

Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej biegnie jednym z dwch wariantw: A jedynie addycja lub B addycja i eliminacja. Kierunek reakcji zaleny jest gwnie od charakteru odczynnika nukleofilowego. W obu przypadkach pierwszym etapem jest atak nukleofila na karbonylowy atom wgla i utworzenie adduktu, przy czym atom ten zmienia hybrydyzacj na sp3. W wariancie A addukt stabilizuje si przez protonowanie atomu tlenu, a w drugim przypadku B, nastpuje odszczepione czsteczki wody (eliminacja) i atom wgla powraca do poprzedniej hybrydyzacji sp2. Odszczepienie czsteczki wody jest moliwe dziki temu, e nukleofil zawiera 2 ruchliwe atomy wodoru.: O: C R:Nu-

aldehyd lub keton

R':NuNH2

A .. : O: R R' C NuH+

B .. : O: R R' C + NuH2

.. :O H R R' C Nu R

- HOH

Nu C R'

Rys. Mechanizm addycji nukleofilowej do karbonylowego atomu wgla

15

Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej aldehydw i ketonw jest szeroko wykorzystywana w syntezie chemicznej, mona za jej pomoc otrzymywa wiele cennych produktw. Poniszy schemat obrazuje te moliwoci:OH OH CalkoholeNaBH4

Calkohole:H-

R

OH C CN

H

cyjanohydrynyRMgX HCN

R C C Ralkeny

(Ph)3P=C(R)2 ylidy

OC

H2N-Y

N C

Y iminyoksymy hydrazony itp

aldehydy lub ketony

pochodne azotoweR2NH

OR CROH

1. HSCH2CH2SH 2. NiRa

OR

R2N C C

acetale

H Calkany

enaminy

H

2.1 Addycja wody tworzenie geminalnych dioli W wyniku addycji czsteczki wody do grupy karbonylowej powstaj geminalne diole, zwane w skrcie gemdiolami lub gemglikolami (grec. geminalny czyli bliniaczy; w tym przypadku odnosi si do dwch grup na tym samym atomie wgla). Hydratacja grupy karbonylowej jest reakcj odwracaln i najczciej jej rwnowaga jest przesunita na korzy formy karbonylowej. Zdarzaj si jednak trwae gemglikole (hydraty).O C R R' + HOH R R' OH C OH

forma karbonylowa

forma uwodniona (hydrat)

Trwaymi gemdiolami s hydrat metanalu i chloralu. W wikszoci wodnych roztworw aldehydw i ketonw udzia formy uwodnionej nie przekracza 0,1%, podczas gdy metanal i chloral wystpuj gwnie w formie uwodnionej (99,9%). Hydrat chloralu jest silnym lekiem usypiajcym, o dziaaniu zblionym do barbituranw. Jego dziaanie uboczne polega na dranicym dziaaniu na skr i bony luzowe. Stosowany take jako surowiec do produkcji DDT.O H2C(OH)2 Cl3CC H chloralciecz wrzca w temp. 97oC

Cl3CC(OH)2t.t. = 57oC

hydrat metanalu

hydrat chloralu

16

Hydrat metanalu wystpuje jedynie w roztworze wodnym, podczas gdy hydrat chloralu jest trwaym, krystalicznym zwizkiem. Wystpowanie hydratw zwizkw karbonylowych udowodniono na podstawie widm spektroskopowych, a take za pomoc reakcji izotopowej z wod zawierajc 18O. Po pewnym czasie od rozpuszczenia aldehydu w takiej wodzie izolowano aldehyd zawierajcy w grupie C=O tlen 18O.RCHO + H18OH RCH(OH)(18OH) RCH18O + HOH

Reakcja hydratacji aldehydw i ketonw jest katalizowana zarwno zasadowo, jak i kwasowo. W rodowisku obojtnym biegnie wolno. Mechanizm hydratacji grupy karbonylowejkataliza zasadowa kataliza kwasowa

.. O: C- ..:OH ..

.. O: C

.. + H2O H ..

.. : O: C .. OH .... HO .. H

.. + O H C

.. :O H C+.. H2O ..

.. :O H - .. + :OH .. C .. OH .. H3O + +

.. :O H C .. H O + H .. :O H C .. O H.. H2O ..

2.2 Addycja czsteczki alkoholu - tworzenie hemiacetali, acetali i tioacetali Podobnie jak czsteczka wody do grupy karbonylowej przycza si czsteczka alkoholu, a produkt takiej addycji nosi nazw hemiacetalu (grec. hemi = w poowie). Dawniej tego typu zwizki nazywano pacetalami, dla odrnienia od acetali (penych acetali). Reakcja jest katalizowana kwasami.

17

.. O: Caldehyd lub keton

H+

.. + O H C

.. :O H C+

.. ROH ..

.. :O H C .. H O + R- H+

.. : OHhemiacetal

C .. OR ..

Zwykle hemiacetale s nietrwae i wystpuj jedynie w roztworze alkoholowym w stanie rwnowagi z form karbonylow. W rodowisku kwanym reaguj dalej z alkoholem w kierunku acetali. Acetale pochodzce od ketonw nazywa si czsto ketalami. Mechanizm Reakcja tworzenia acetali zaczyna si od protonowania grupy -OH, eliminacji czsteczki wody, przyczenia czsteczki alkoholu do atomu wgla i koczy si stabilizacj przez odszczepienie protonu:.. : OH C .. OR ..hemiacetalH+

.. H O H + C R O ..

-HOH

C +.. R O ..

.. :O R C O .. R

- H+

.. H O R + R C O ..

.. ROH ..

C + O R ..

acetal

Chocia wikszo hemiacetali wystpuje jedynie w roztworach alkoholowych w rwnowadze ze zwizkami karbonylowymi, to hemiacetale wewntrzczsteczkowe, do ktrych nale cukry s trwae. W cukrach rwnowaga przesunita jest na korzy hemiacetali.OH CHO H C OH HO C H H C OH H C OH CH2OH HC H C OH HO C H O H C OH H C CH2OHD-glukoza

HO HO

OH O HO H

OH

Wizanie hemiacetalowe w D-glukozie tworzy si pomidzy grup -OH przy C5 i grup aldehydow. Czsteczka glukozy przyjmuje konformacj krzesow. Acetale utworzone z cukrw nazywaj si glikozydami. Wystpuj powszechnie w przyrodzie. Synteza acetali polega na ogrzewaniu aldehydw lub ketonw z bezwodnym alkoholem w kwanym rodowisku. Ulegaj one atwo hydrolizie w rodowisku kwanym, a s odporne na hydroliz zasadow. Stosuje si je do czasowej osony grupy karbonylowej, tak eby mona

18

byo przeprowadzi reakcj w innej czci czsteczki, chronic grup karbonylow, np. przed utlenieniem lub redukcj. Po zaplanowanych przeksztaceniach atwo odzyskuje si j w reakcji hydrolizy kwanej. Czsto dla ochrony funkcji karbonylowej uywa si glikolu etylowego, poniewa z niego wyjtkowo atwo tworzy si acetal cykliczny.O O O4-oksopentanian etylu1. LiAlH4 2. +H/HOH

HO OH

O O O O

H+

O OH

+H/HOH

O O- HO OH

+ EtOHOH O

4-oksopent-1-ol

Selektywna redukcja przedstawiona na powyszym schemacie byaby niemoliwa do przeprowadzenia bez czasowej ochrony grupy ketonowej. Podobn rol peni tioacetale, ktre tworz si jeszcze atwiej, a ulegaj usuniciu, np. podczas katalitycznej redukcji. Warto wiedzie, e zwizki siarki dezaktywuj katalizatory typu Pt czy Pd, ale nie nikiel Renaya (NiRa). W ten sposb mona cakowicie zredukowa grup karbonylow, czyli do wglowodoru.O C2 RSH+H

RS C

SR

NiRa EtOH

CH2

+ NiS

aldehyd lub keton

tioacetal

wglowodr

Do osony grupy karbonylowej mona te uy tioglikolu etylenowego.OHS SH

S S

NiRa

BF3

4-metylocykloheksanon

tioacetal

4-metylocykloheksan

2.3 Reakcje aldehydw i ketonw ze zwizkami Grignarda Zwizki Grignarda reaguj z grup karbonylow w ten sposb, e ujemnie naadowana reszta organiczna R przycza si do karbonylowego atomu wgla, a -MgX tworzy wizanie alkoholanowe z atomem tlenu. Po hydrolizie alkoholanu otrzymuje si alkohole.- : O : +

C

+

R MgX- +

- .. + : O : MgX C R

+ H/HOH

.. : OH C R

zwizek Grignarda aldehyd lub keton alkoholan

alkohol

19

W reakcji zwizkw Grignarda z metanalem powstaj alkohole 1o, z innymi aldehydami alkohole 2 o, a z ketonami alkohole 3 o.H C=O Mg eter H

H

Brbromek cyklopentylu

MgBrbromek cyklopentylowomagnezowy

- + C O MgBr H+H/HOH

cyklopentylometanol (48%) (alkohol 1o)

CH2 OH

CH3 H3C C MgCl + CH3

O C H

CH3 OH H3C C C CH3 H

bromek-t-butylo - benzaldehyd magnezowy

1-fenylo-2,2-dimetylopropanol (alkohol 2o)

CH3 MgI + O

IMgO

+H/HOH

HO

H3C

H3C

jodek metylomagnezowy

cyklopentanon

1-metylocyklopentanol (alkohol 3o)

2.4 Addycja nukleofilowa HCN; otrzymywanie cyjanohydryn Cyjanowodr przycza si do grupy karbonylowej aldehydw i ketonw jeeli nie ma zawady przestrzennej wok tej grupy. Produktem reakcji s cyjanohydryny (inaczej nitryle hydroksykwasw), czyli zwizki zawierajce funkcj -CN i -OH przy tym samym atomie wgla. W wyniku addycji cyjanowodoru do benzaldehydu powstaje nitryl kwasu migdaowego:O C HHC N

OH C CN H

benzaldehyd

nitryl kwasu migdaowego (cyjanohydryna) (88%)

Addycja cyjanowodoru do aldehydw lub ketonw jest reakcj odwracaln, zwykle z rwnowag przesunit na korzy produktu. Reakcj uatwia kataliza zasadowa, gdy jon -CN przycza si atwiej ni HCN. Jon cyjankowy jest silnym nukleofilem i dlatego rwnowaga jego addycji do grupy karbonylowej jest przesunita w stron produktw. Inne kwasy, np. halogenowodory, kwas siarkowy czy kwasy karboksylowe s sabymi nukleofilami i nie tworz adduktw ze zwizkami karbonylowymi.

20

W reakcji addycji cyjanowodoru do grupy karbonylowej wystarczaj ladowe iloci zasady, poniewa w warunkach rwnowagi jon cyjankowy odtwarza si:.. O: C H:C N -

.. : O: C CN HHCN

OH C CN H + :C N

aldehyd

produkt przejciowy

cyjanohydryna

Cyjanohydryny stanowi dogodny pprodukt w syntezie organicznej. Poprzez ich redukcj mona otrzyma -aminoalkohole, a w wyniku hydrolizy -hydroksykwasy.1. LiAlH4,THF 2. HOH

OH C H CH2NH2

OH C Hcyjanohydryna benzaldehydu+H/HOH

CN

2-amino-1-fenyloetanol

OH

C

lub -OH/HOH

COOH H kwas migdaowy

2.5 Addycja jonu wodorkowego redukcja wodorkami Wodorki typu NaBH4 lub LiAlH4 redukuj aldehydy i ketony do odpowiednich alkoholi, przy czym czynnikiem redukujcym jest anion wodorkowy H-.Na+BH4tetrahydroboran sodu

Na+BH3 + :Hanion wodorkowy

Szczeglnie przydatnym okaza si tetrahydroboran sodu, poniewa jest trwalszy (odporniejszy na hydroliz) od LiAlH4, dziaa selektywnie (nie redukuje kwasw karboksylowych i ich pochodnych), a reakcj mona prowadzi w metanolu, nawet uwodnionym.:O: R C R':HNaBH4 lub LiAlH4

.. :O: R R' C H + H+H/HOH

.. :O: C R R'

aldehyd lub keton R, R': H, alkil lub aryl

OH R C H R'alkohol

3. Reakcja Cannizzaro Jest to reakcja dysproporcjonowania, w wyniku ktrej z aldehydu tworzy si alkohol (redukcja) i kwas karboksylowy (utlenienie). Zachodzi ona w rodowisku alkalicznym, a ulegaj jej aldehydy nie zawierajce atomw wodoru przy C, np. metanal i aldehydy aromatyczne.

21

CHO 2benzaldehyd

1. -OH/HOH 2. H+/HOH

CH2OH(86%)

COOH +(79%)

alkohol benzylowy

kwas benzoesowy

Charakterystyczn cech tej reakcji jest to, e bierze w niej udzia anion wodorkowy. W pierwszym etapie reakcji grupa hydroksylowa ulega addycji do karbonylowego atomu wgla, po czym anion wodorkowy, jako nukleofil atakuje grup karbonylow drugiej czsteczki aldehydu. Nastpnie proton z kwasu karboksylowego (silniejszy kwas) przechodzi do alkoholanowego atomu tlenu:.. O: CH

- .. :OH ..

- .. : O: C H OH

O: HC

..

O

C + - .. : O:

OH

benzaldehyd

C H HO

C .. O: ..

+

CH2OH

anion benzoesanowy

alkohol benzylowy

Chocia produkt reakcji Cannizzaro jest zoony (kwas i alkohol), to atwo udaje si go rozdzieli, poniewa oba skadniki rni si waciwociami chemicznymi i fizycznymi. Z zasadowego, wodnego rodowiska alkohol wyekstrahuje si rozpuszczalnikiem organicznym, nie mieszajcym si z wod, a kwas wytrca z wodnego roztworu jego soli przez zakwaszenie. Kwas mona izolowa te za pomoc jonitw. Pomimo tych uatwie nie jest to szeroko stosowana metoda otrzymywania ani kwasu benzoesowego, ani alkoholu benzylowego, poniewa znane s lepsze sposoby syntezy tych zwizkw. Wiksze znaczenie preparatywne ma tzw. krzyowa reakcja Cannizzaro, w ktrej wykorzystuje si fakt, e w obecnoci aldehydw aromatycznych metanal ulega gwnie utlenieniu do mrwczanu, natomiast wiksza cz aldehydu aromatycznego ulega redukcji alkoholu aromatycznego. Ta rnica w reaktywnoci spowodowana jest wiksz elektrofilowoci karbonylowego atomu wgla metanalu jest on bardziej podatny na atak reszty hydroksylowej ni karbonylowy atom aldehydu aromatycznego.CHO CH2OHKOH

+CH3

HCHOmetanal

+CH3

HCOO-K+mrwczan potasu

aldehyd p-toluilowy

alkohol p-metybenzylowy (72%)

Z aldehydu ftalowego w reakcji Cannizzaro powstaje kwas (hydroksymetylo)benzoesowy.

22

CHO CHO

1. KOH 2. +H/HOH

COOH CH2OH

aldehyd o-ftalowy

kwas o-(hydroksymetylo)benzoesowy

W najwaniejszym procesie redukcji biochemicznej, z udziaem zredukowanego dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NADH), widoczny jest mechanizm reakcji Cannizzaro:R'' N .. H2N C + .. O: R'' N+ OH + C OH H C H R' Rhydroksyzwizek

R

C

R'

H2N

O H H zw. karbonylowy

NADH

NAD+

R: reszta cukrowo-fosforanowa

4. Reakcje kondensacji 4.1 Kondensacja aldolowa Aldehydy i ketony zawierajce w atom wodoru przy C ulegaj kondensacji katalizowanej przez zasady i kwasy. W reakcji tej powstaj dimery aldehydoalkohole, dlatego zostaa ona nazwana kondensacj aldolow a jej najprostszy produkt dimeryzacji etanalu zwany jest aldolem.ONaOEt

OH

O

2 CH3CHacetaldehyd

EtOH

CH3CH-CH2CHaldol (3-hydroksybutanal)

W odracalnej reakcji kondensacji aldolowej dla monopodstawionych aldehydw (RCH2CHO) rwnowaga jest przesunita na prawo, za dla rozgazionych aldehydw i wikszoci ketonw na lewo. Z aldehydami biegnie ona z wiksz szybkoci. Zwykle w warunkach reakcji tworz si nienasycone aldehydy lub ketony, poniewa w produktach dochodzi do eliminacji czsteczki wody. -podstawione aldehydy i ketony s bardzo podatne na eliminacj. Dehydratacja powoduje przesunicie rwnowagi reakcji w kierunku dimerw. Z podatnoci produktw do dehydratacji reakcja ta powszechnie nazywana jest kondensacj, a nie jak powinna dimeryzacj. Kondensacja bowiem to reakcja dimeryzacji (oligomeryzacji lub polimeryzacji), w ktrej obok gwnego produktu wydzielaj si mae czsteczki w tym wypadku wody. Kondensacja aldolowa polega na addycji nukleofilowej do karbonylowego atomu wgla anionu powstaego w wyniku oderwania protonu z C.

23

.. HO: +

O H-CH2-CHacetaldehyd

- HOH

H2C-CH ..O CH3CH

: O:

.. : O: H2C=CH

.. : O:.. HOH ..

Oaldehyd krotonowy (but-2-enal)

CH3-CH-CH2-CH- HO-

OH

O

O- HOH

aldol CH3-CH-CH2-CH

CH3CH=CH-CH

Podobnie wyglda kondensacja aldolowa acetonu, jednak wydajno tej reakcji jest niewielka:O H3C-C-CH3aceton-OH

OH CH3

O

H3C-C-CH2-C-CH3

4-hydroksy- 4-metylopent-2-on (5%)

Mechanizm:O H-H2C-C-CH3acetonH3C ..: OH ..

O H2C-C-CH3 ..O C CH3

- .. : O: H2C=C-CH3

OH CH3

OHOH - -OH

.. : O: CH3

O

H3C-C-CH2-C-CH3

H3C-C-CH2-C-CH3

4-hydroksy-4-metylopent-2-on

Wydajno kondensacji aldolowej acetonu mona zwikszy przez usuwanie produktu ze rodowiska reakcji, tzn. poprzez odizolowanie go od alkalicznego katalizatora. T reakcj mona prowadzi w kolumnie wypenionej, np. kawakami Ba(OH)2. W kolumnie aceton spywajcy z chodnicy zwrotnej ulega dimeryzacji w zetkniciu z Ba(OH)2 i spywa do kolby zawierajc kilka procent 4-hydroksy-4-metylopentan-2-onu. Aceton w kolbie wrze, a jego pary skraplajc si w chodnicy zwrotnej ponownie przepywaj przez kolumn z Ba(OH)2, podczas czego kolejna porcja acetonu ulegnie dimeryzacji. Ten proces trwa a do wyczerpania acetonu, a w kolbie pozostaje prawie czysty produkt. W cykloheksanonie zawada przestrzenna jest mniejsza ni w acetonie (sztywny ukad) i dziki temu wydajno jego dimeryzacji jest kilka razy wiksza (22%):NaOH

OH

2

OO 1-hydroksy-2-oksodicykloheksyl

cykloheksanon

24

Kondensacj aldolow stosuje si czsto w syntezie rnorodnych zwizkw organicznych, zarwno w laboratorium, jak i w skali technicznej. Powstajce w reakcji aldole mona poddawa dehydratacji, dalszej kondensacji aldolowej lub selektywnej redukcji.O 2 RCH2CHaldehydNaOH

OHaldol

O R- HOH

RCH2CHCHCH

NaBH4

OH RCH2CHCHCH2OH1,3-diol

R

O RCH2CH=CCHH2/Ni

Raldehyd ,-nienasycony

NaBH4

RCH2CH2CHCH2OHalkohol

RCH2CH=CCH2OH

R

H2/Pd/C alkohol allilowy R

O RCH2CH2CHCHaldehyd

R

Kondensacja aldolowa jest szeroko stosowana w przemyle, szczeglnie do otrzymywania alkoholi. T drog produkuje si butan-1-ol. Zadanie: zaproponuj schemat reakcji prowadzcych do butan-1-olu. Dehydratacja -hydroksyaldehydw i ketonw jest charakterystyczn reakcj tych zwizkw. Czsto ju w warunkach kondensacji aldolowej dochodzi do dehydratacji, jeeli nie zachowuje si specjalnego reimu (niskiej temperatury). Powstaj przy tym ,-nienasycone aldehydy lub ketony, zwane inaczej sprzonymi enonami. Reakcja dehydratacji -hydroksyaldehydw i ketonw jest katalizowana zarwno przez kwasy, jak i zasady. Usunicie czsteczki wody z produktu kondensacji aldolowej przesuwa rwnowag reakcji na prawo i w ten sposb otrzymuje si sprzone enony z wysok wydajnoci, pomimo tego e rwnowaga samej reakcji nie sprzyja dimeryzacji. W warunkach rwnowagi z cykloheksanonu powstaje jedynie 22% produktu dimeryzacji, ale w wyniku dehydratacji tworzy si ponad 90% sprzonego enonu, co wiadczy o prawie cakowitym zuyciu substratu (ilociowej dimeryzacji wyjciowego ketonu).OH

2

O

NaOH

+ HOH O O

cykloheksanon

1-hydroksy-2oksodicykloheksyl

cykloheksylideno-cykloheksan-2-on (90%)

Jak uprzednio wspomniano produkt kondensacji aldolowej acetonu 4-hydroksy-4-metylopenta2-on powstaje w reakcji rwnowagowej jedynie z wydajnoci 5%. Jeeli jednak reakcja bdzie prowadzona w temperaturze powyej 50oC, to z dobr wydajnoci powstanie sprzony enon, zwany tlenkiem mezytylu.

25

O H3C-C-CH3aceton

Ba(OH)2

OH CH3

O

O50oC

H3C-C-CH2-C-CH3

H3C H3C

C C=C H

CH3

4-hydroksy-4-metylopenta-2-on (5%) tlenek mezytylu (95%)

Reakcja podobna do kondensacji aldolowej zachodzi rwnie w rodowisku kwanym. Aceton po nasyceniu chlorowodorem ulega przeksztaceniu w tlenek mezytylu; rwnoczenie tworzy si produkt trimeryzacji i dehydratacji, nazywany foronem.O H3 C H3 C C C=C HH C=C CH3foron

CH3

Zadanie: napisz etapy powstawania foronu i jego cyklizacji do mezytylenu, ktry tworzy si z acetonu pod wpywem stonego kwasu siarkowego. 4.2 Mieszane (krzyowe) reakcje kondensacji aldolowej W reakcji kondensacji aldolowej dwch rnych aldehydw, np. etanalu i propanalu powstan 4 produkty dimeryzacji: dwa symetryczne w wyniku poczenia si wzajemnego 2 czsteczek etanalu i 2 czsteczek propanalu oraz dwa jako efekt dimeryzacji mieszanej: (etanal + propanal) i (propanal + etanal).OH CH3CHCH2CHO3-hydroksybutanal symetryczne

CH3CHOetanal

OH CH3CH2CHCHCHO:B-

+

CH33-hydroksy-2-metylopentanal

CH3CH2CHOpropanal

OH CH3CHCHCHO CH33-hydroksy-2-metylobutanal niesymetryczne

OH CH3CH2CHCH2CHO3-hydroksypentanal

Reakcja, w ktrej powstaj 4 rne produkty o podobnych waciwociach fizycznych i chemicznych jest mao przydatna, nie tylko dlatego, e wydajnoci poszczeglnych zwizkw s niskie, ale rwnie z tego powodu, e trudno je rozdzieli. Syntez chemiczn naley tak prowadzi, eby z maksymalnie wysok wydajnoci otrzymywa jeden czysty produkt. Wobec tego wydawa si moe, e mieszane kondensacje aldolowe s praktycznie nieprzydatne. Jeeli jednak w reakcji bdzie bra udzia jeden z substratw, ktry nie zawiera atomu wodoru

26

przy C, to teoretycznie powstan dwa produkty: symetryczny i mieszany. Jest to sytuacja znacznie korzystniejsza. Ponadto t reakcj mona tak prowadzi, eby zmniejszy wydajno dimeru symetrycznego, ktry w takiej reakcji jest produktem ubocznym (niepodanym). Zaoony cel osign si przez wkraplanie substratu zawierajcego H (A) do alkalicznego rodowiska reakcji, w ktrym znajduje si skadnik bez H (B). W ten sposb substrat A dopiero w rodowisku zasadowym moe autokondesowa, spotyka jest jednak ze znacznym nadmiarem skadnika B i wobec tego powstaje gwnie produkt mieszany. Tworzeniu si produktu mieszanego sprzyja rwnie to, e grupa karbonylowa skadnika B jest czsto silniejszym elektrofilem ni reagenta A, np. grupy karbonylowe benzaldehydu czy metanalu s silniejszymi elektrofilami ni wikszo innych aldehydw, nie wspominajc o ketonach. Substrat A nazywany jest czsto donorem (eletronw), a B akceptorem. Z benzaldehydu i etanalu otrzymuje si w ten sposb aldehyd cynamonowy (gwny skadnik aromatu cynamonowego), a z benzaldehydu i propanalu powstaje aldehyd metylocynamonowy.O O ONaOH 10oC

CH + CH3CH2CH

CH CCH CH3

benzaldehyd B (akceptor)

propanal A (donor)

aldehyd -metylocynamonowy (80%)

Zadanie: wyjanij dlaczego naley roztwr propanalu wkrapla do intensywnie mieszanego roztworu benzaldehydu w rodowisku zasadowym, a nie odwrotnie.

Jako inny przykad krzyowej kondensacji aldolowej moe suy reakcja benzaldehydu z ketonem, np. metylocykloheksanonem.CHO O

OCH3NaOEt - HOH

CH3

+

benzaldehyd 2-metylocyloheksanon

2-benzylideno-6-metylocykloheksanon (78%)

W reakcji benzaldehydu z acetonem powstaje benzylidenoaceton.OCHO

O

NaOH - HOH

CH CH CCH3benzylidenoaceton (77%)

+ H C C CH 3 3

beznaldehyd

aceton

Benzylidenoaceton mona przeksztaci w dibenzylidenoaceton przez traktowanie go kolejn porcj benzaldehydu.

27

OCH CH CCH3benzylidenoacetonNaOH

O + HC

benzaldehyd

- HOH

O

dibenzylidenoaceton (77%)

CH CH C CH=CH

W krzyowej kondensacji aldolowej czsto wykorzystywanym akceptorem jest metanal. W reakcji z etanalem powstaje produkt addycji trzech czsteczek metanalu do etanalu, po czym nastpuje spontaniczna redukcja (nadmiarem metanalu) do polialkoholu zwanego pentaerytrytolem; preparat uywany w leczeniu zapar, a jego ester z kwasem azotowym tetraazotan pentaerytrytolu podobnie jak nitrogliceryna rozszerza naczynia wiecowe i stosowany jest leczniczo oraz zapobiegawczo w przypadku dusznicy bolesnej. Dziaa on duej ni nitrogliceryna. Tetraazotan pentaerytrytolu rwnie jak nitrogliceryna jest silnym materiaem wybuchowym.O 3 HCH +metanal

CHO H C Hetanal

CHOCa(OH)2 krzyowa reakcja Cannizzaro

H

HOCH2

C CH OH 2 CH2OH

(trihydroksymetylo)etanal- HCOOH HCHO

pentaerytrytol (55%)

HO HO

OH OH

Wysok wydajno jednego tylko produktu w krzyowych kondensacjach aldolowych zapewnia uycie jako donora zwizku posiadajcego bardziej kwane atomy wodoru ni H aldehydw i ketonw. Do takich zwizkw naley, np. acetylooctan etylu. Dwie grupy karbonylowe mocniej uaktywniaj atomy wodoru i przez to atwiej ulegaj oderwaniu tworzc karboanion, ktry przycza si do grupy karbonylowej akceptora.O

O O ONaOEt - HOH

O OEt

+ CH3CCH2COEtacetylooctan etylu

cykloheksan (akceptor)

(donor)

cykloheksylidenoacetylooctan etylu (80%)

4.3 Wewntrzczsteczkowa kondensacja aldolowa reakcje cyklizacji Czsteczki zawierajce grup akceptorow i donorow mog ulega wewntrzczsteczkowej kondensacji aldolowej w wyniku czego dochodzi do cyklizacji. W tego typu reakcjach bior udzia dialdehydy i diketony (take oksoaldehydy), najatwiej kondensuj te, w ktrych grupy karbonylowe oddalone s od siebie tak, eby powstaway picio- lub szecioczonowe piercienie. Z 1,4-diketonu powstaje pochodna cyklopentanonu. 28

O

ONaOH - HOH

heksano-2,5-dion

CH3 O CH3

3-metylocyklopent-2-enon (40%)

Z 1,5-ketonu powstanie pochodna cykloheksanonu.Oheptano2,6-dion

O CH3 CH3 ONaOH - HOH

3-metylocykloheks-2-enon (44%)

Natomiast z 6-oksoheptanalu tworzy si gwnie pochodna cyklopetanonu pomimo tego, e odlego pomidzy grupami karbonylowymi jest taka sama jak w hepta-2,6-dionie. W tym przypadku lepszym akceptorem jest grupa aldehydowa, za atomy wodoru przy C5 s bardziej kwane ni przy C7.O CH3CCH2CH2CH2CH2CH ONaOH - HOH

O CCH3

6-oksoheptanal

keton 1-cyklopentenylowometylowy (73%)

Mechanizm reakcji:O O CH3CCHCH2CH2CH2CH H6-oksoheptanal

-OH

CH3CCHCH2CH2CH2CH .. .. : OH O HOH CCH3 H

O

.. :O

O CCH3-OH

.. : O:

O CCH3

keton 1-cyklopentenylowo-metylowy

Waciwoci elektronoakceptorowe ketonowej grupy karbonylowej s zmniejszone jako efekt elektrodonorowego oddziaywania dwch reszt alkilowych:O R C R' R O C H

w ketonach

w aldehydach

4.4 Addycja nukleofilowa do ,-nienasyconych aldehydw i ketonw Przyczenie nukleofila do karbonylowego atomu wgla sprzonych enonw nie zawsze prowadzi do addycji 1,2. Moe nastpi addycja 1,4. Kierunek reakcji w duej mierze zaley od waciwoci nukleofilowo-zasadowych odczynnika nukleofilowego. Grupa karbonylowa jest spolaryzowana, przy czym czciowy adunek dodatni jest zlokalizowany przy atomie C i w to miejsce skierowany jest atak nukleofila :Nu-. W enonach znajduje si dodatkowo podwjne wizanie C=C, ktre ma powinowactwo do elektrofila E+.

29

+

:O : C :Nu-

- .. : O:+

C

C

C

E+

W enonach sprzonych na skutek oddziaywania elektronw obu podwjnych wiza (C=C i C=O)dochodzi do polaryzacji czsteczki i utworzenia czciowego adunku dodatniego na atomie wgla C4, ktry tym samym staje si podatny na oddziaywanie odczynnika nukleofilowego :Nu-.:Nubrak reakcji C C E+alken

+ C C E

:O: C C C

- .. :O: C C C+

:Nu-

.. :O: C C C Nu

sprzony enon

Mechanizm addycji 1,4:1

- : O : +

.. :O :2 3 4

C

C

C

C2

3

4

C

+

C

:Nuaddycja 1,2 addycja 1,4

- .. 1 :O: C Nu+H/HOH

.. 1 - :O:3 4

2

C

C

C2

3

4

C

C Nu+H/HOH

.. 1 : OH C Nunienasycony alkohol2 3 4

1

:O : C C C2 3 4

C

C H Nu

aldehyd lub keton

30

Silnie zasadowe odczynniki nukleofilowe, np. zwizki Grignarda przyczaj si gwnie w sposb 1,2.O CH3CH=CHCCH3pent-3-en-2-on

+ CH3MgBr

THF

+H/HOH

bromek metylomagnezowy

OH CH3CH=CHCCH3 CH3 +

O CH3CHCH2CCH3 CH3 4-metylopent-2-on (20%) addycja 1,4

3-metylopent-2-en-3-ol (72%) addycja 1,2

Mechanizm reakcji addycji 1,2:- : O

..

+

MgX R-

.. : O MgX C C C R

HX

.. : OH C C C R

C C C+

- MgX2

addycja 1,2

Mechanizm reakcji addycji 1,4:C C .. O:+

MgX R-

C C .. O: R C

.. : O MgX R C

HX - MgX2

C C

.. :O H R C

C

sprzony enon aldehyd lub keton

enol

C C H

addycja 1,4

Mniej zasadowe nukleofile, np. odczynniki Gilmana przyczaj si prawie wycznie w sposb 1,4. Otrzymywanie odczynnikw Gilmana:pentan

R X + 2 Lihalogenek alkilu

R Lialkilolit

CuI eter

Li+(-R-Cu-R) + LiIdialkilomiedzian litu (odczynnik Gilmana)

- LiX

Za pomoc dimetylomiedzianu litu mona wprowadzi grup metylow do acucha wglowego sprzonego enonu:O CH3CCH=CH2 + Li(CH3)2Cu+H/HOH

O CH3CCH2CH2CH3

but-1-en-3-on dimetylomiedzian litu

pentan-2-on (97%)

31

Tym sposobem mona rwnie przyczy reszty nienasycone lub aromatyczne:O

O + Li(H2C=CH)2Cu+H/HOH

(65%)

cykloheks-2-enon diwinylomiedzian litu

CH=CH2 3-winylocykloheksanon

O

O + Li(C6H5)2Cu+H/HOH

(70%)

cykloheks-2-enon difenylomiedzian litu

3-fenylocykloheksanon

Odczynniki Gilmana stanowi wyjtek pord zwizkw metaloorganicznych, np. butylolit i inne alkilolity jako silnie zasadowe ulegaj addycji 1,2.Ocykloheks-2-enon

1. CH3MgBr

1. CH3Li2. +H/HOH

1. Li(CH3)2Cu2. +H/HOH

2. +H/HOH

HO

CH3

HO

CH3

O CH3

1-metylocykloheks-2-enon

3-metylocykloheksanon

Do grupy nukleofili, ktre do sprzonych enonw przyczaj si w sposb 1,4 naley jon cyjankowy. Jest on silnym nukleofilem o umiarkowanej zasadowoci.OCH=CH C

O1. CN1. H+

CHCH2 C

CN3-cyjano-1,3-difenylo-3-oksopropan (95%)

keton fenylowo-(2-fenylowinylowy)

Take karboaniony powstae z C-kwasw s silnymi nukleofilami i przyczaj si zwykle w sposb 1,4. Za ich pomoc mona wykonywa skomplikowane syntezy.

32

O

CH3 H O

O-OH

O

- CH3 ..Okarboanion

CH2=CHCCH3

MeOH

2-metylocykloheksa-1,3-dion

O CH 3 CH2 CH2 O C O H3C

-OH/MeOH

5,6-didehydro1,7-diokso-10metylodekalina (65%)

O-OH/MeOH

O O

O

- HOH

OH

5. Azotowe pochodne aldehydw i ketonw Aldehydy i ketony reaguj z aminami i ich analogami tworzc pochodne, ktrych budowa zaley od rzdowoci amin. Z aminami 1o powstaj iminy (aldiminy lub ketiminy) zwane zasadami Schiffa, podczas gdy z aminami 2o tworz si enaminy (grupa aminowa przyczona do C=C). Reakcja jest katalizowana kwasami, jednak rodowisko silnie kwanie nie sprzyja reakcji; optymalne pH wynosi ~ 4.

Mechanizm addycji amin 1o.. :O Caldehyd lub keton.. H2N-Y

- .. : O: C+ NH2 Y+H

.. : OH C .. NH Y aminoalkohol .. H O+ H C .. NH Y(karbinoloamina)

:N C

Y

- H+

H + Y N C

- HOH

33

W zalenoci od reszty Y przyczonej do grupy aminowe otrzymuje si szereg azotowych pochodnych aldehydw i ketonw. :NH2-Y Y:-H

wzrC N .. C N .. H

nazwaaldimina lub ketimina zasada Schiff (imina)

-R (alkil, aryl)

R

-OH

C N

OH

oksym

-NH2 -NH-

C N ..

NH2

hydrazon

C N ..

NHfenylohydrazon

-NHO2N

NO2

C N ..

NH O2N O

NO22,4-dinitrofenylohydrazon

O -NH-C-NH2 C N ..

NH C NH2semikarbazon

Jedn z najbardziej znanych imin jest benzylidenoanilina, preparat, ktry prawie kady student wydziau chemicznego otrzymuje w trakcie zaj laboratoryjnych z chemii organicznej, poniewa jest on niezwykle atwy w wykonaniu miesza si ze sob oba substraty i krystalizuje produkt.CHO + H2N- HOH

CH N

benzaldehyd

anilina

benzylidenoanilina (84%)

Due znaczenie pord azotowych pochodnych ketonw ma oksym cykloheksanonu. Z niego po przesztaceniu w kaprolaktam (przegrupowanie Hofmanna) wytwarzana jest lizyny, suy take jako monomer w przemyle wkien syntetycznych. Oksym cykloheksanonu otrzymuje si w reakcji cykloheksanonu z chloroworkiem hydroksyloaminy w obecnoci octanu sodu (buforu obniajcego pH).

34

O

NaAc

.. N

+

H2NOH.HCl

OH

cykloheksanon

chlorowodorek hydroksyloaminy

oksym cykloheksanonu (87%)

Oksymy i innego podobne zwizki zawierajce ukad =N- tworz stereoizomery typu cis-/transzwane syn- i anti-.syn

.. OH N C H

HO

.. N C H

anti

stereoizomery oksymu benzaldehydu

Takie pochodne aldehydw i ketonw, jak oksymy, fenylohydrazony, 2,4dinitrofenylohydrazony i semikarbazony wykorzystuje si do charakteryzowania zwizkw karbonylowych. S one zwykle krystaliczne i dziki temu po specyficznych temperaturach topnienia mona zidentyfikowa aldehydy i ketony, z ktrych powstay. Ten sposb identyfikacji straci obecnie na znaczeniu, z uwagi na powszechne stosowanie metod spektralnych, szczeglnie uytecznego do tego celu NMR. Przykady krystalicznych pochodnych ciekych zwizkw karbonylowych:OH N H 3C C H H C N H N H 3C N C CH3 NO2 NH NO2 NH N C H C O NH2

oksym etanalu (tt. 47oC)

fenylohydrazon benzaldehydu (tt. 158oC)

2,4-dinitrofenylohydrazon acetonu (tt. 126oC)

semikarbazon benzaldehydu (tt. 222oC)

Mechanizm addycji 2o amin do zwizkw karbonylowych.. R2NH + :O: C C H R2 N H+H

.. : O: H C + C

.. : OH C R2N .. C H

R .. R N C- +H/HOH

R + R N C H C

- HOH .. HOH ..

+ .. : OH2 C R2N .. C H

C

enamina Czsto do otrzymywania enamin uywa si 2o amin cyklicznych, np. pirolidyny.

35

O

+

HN :

- HOH

N:pirolidynowa enamina cykloheksanonu

cykloheksanon

pirolidyna

6. Redukcja Wolffa-Kinera Grup karbonylow mona zredukowa do CH2. Suy do tego redukcja Wolffa-Kinera.Ludwig Wolff (1857-1919); ur. w Neustadt/Hardt (Niemcy), doktorat w Strasburgu, Francja, u Fittiga; prof. Uniw. w Jenie. N. M. Kiner (1867-1935); ur. w Moskwie; doktorat w Moskwie u Markownikowa; prof. w Tomsku i w Moskwie.

Reakcja addycji hydrazyny do grupy karbonylowej jest wykorzystywana do redukcji tej grupy do -CH2-, czyli przeksztacania zwizku karbonylowego w wglowodr; nosi ona nazw redukcji Wolffa-Kinera. Polega ona na ogrzewaniu aldehydu lub ketonu z hydrazyn w obecnoci KOH w temperaturze 240oC. Porednio powstaje fenylohydrazon. Pniejsza modyfikacja polegajca na zastosowaniu DMSO jako rozpuszczalnika pozwolia na znaczne obnienie temperatury reakcji. Redukcja Wolffa-Kiznera jest alternatywnym redukcji grupy karbonylowej do metody Clemmensena (za pomoc amalgamatu rtci).OCH2NNH2/KOH

CH2CH2CH3 + HOH + N2

CH2CH3

DMSO

propiofenon

propylobenzen (keton etylowo-fenylowy) (82%)

7. Reakcja haloformowa Ketony metylowe i acetaldehyd rozpadaj si w rodowisku zasadowym pod wpywem halogenw; wydziela si przy tym haloform (CHX3), a z reszty tworzy si sl kwasu karboksylowego.O C CH3X2-OH

O C-OH

CX3

COO + CHX3benzoesan haloform

acetofenon

trihalogenoacetofenon

W reakcji metylowego ketonu z halogenem w rodowisku zasadowym reakcja nie zatrzymuje si na monohalogenowaniu, ale biegnie dalej a do podstawienia wszystkich atomw wodoru grupy metylowej. Taki trihalogenometylowy keton jest nietrway w obecnoci zasad i rozpada si na haloform i jon karboksylanowy:

36

: O: H R C CH2

:B-

R C CH2

: O:

.. : O: R C CH2Br2

jon enolanowy

: O: R C CBr3:B-

Br2 :B-

Br2 :B-

: O: Br R C CH2

+ Br

: O: R C COO + CHBr3

jon karboksylanowy

bromoform

Podobnej reakcji ulegaj 2o alkohole zawierajce grup CH3 przy hydroksylowanym atomie wgla. Tego typu alkohole atwo utleniaj si pod wpywem halogenu do metylowego ketonu:OH RCHCH3o

X2 - HX

O RCCH3

2 alkohol zawierajcy grup CH3 przy hydroksylowanym atomie C

keton metylowy

Dziaanie jodem na ketony metylowe, acetaldehyd i 2o alkohole zawierajce grup CH3 przy hydroksylowanym atomie C, suy jako test do wykrywania tego typu ugrupowa:O -CCH3 i OH -CHCH3

Po dodaniu jodu do roztworu takich zwizkw wypada jodoform w formie tych kaczkw. Test ten nosi nazw reakcji jodoformowej.O -CCH3I2-OH

-COO

+ CHI3

jodoform

8. Kondensacja pinakolinowa Pinakolanami nazywane s wicynalne glikole zawierajce grupy hydroksylowe przy 3o atomach wgla, przy czym najprostszy z nich czyli 2,3-dimetylo-2,3-dihydroksybutan nosi nazw pinakolu. Pinakole powstaj w wyniku dimeryzacji ketonw pod wpywem reaktywnych metali w rodowisku aprotonowym. W rodowisku protonowym metale te redukuj ketony do alkoholi. Pierwszy etapem reakcji w obu przypadkach jest utworzenie anionorodnika (ketylu) w procesie przeniesienia pojedynczego elektronu (SET, ang. single electron transfer).: O: R C R' + MoSET

.. : O:

anionorodnik

(ketyl) R C R' .

Dalsze etapy reakcji zale od rodowiska:

37

A. W rodowisku protonowym anionorodnik przycza proton i przeksztaca si w rodnik, ktry ponownie w reakcji SET pobiera elektron od atomu metalu przechodzc w anion. Z anionu po kolejnym protonowaniu tworzy si alkohol. B. Za w rodowisku aprotonowym anionorodnik dimeryzuje tworzc dianion (alkoholan), z ktrego po zakwaszeniu powstaje pinakol... : O: R C R' . AH+ rodowisko protonowe rodowisko aprotonowe

anionorodnik (ketyl)

B

.. : OH R C R' rodnik .SET Mo

anionorodnik anionorodnik

.. : OH R C R' anion ..H+

.. R C O: . .. + . .. C O: R .. R' R'

R'

.. : OH R C R' Halkohol

.. R C O: .. .. alkoholan R C O:.. R'H+

R' R' R C C Rpinakol

HO OH

Dowodem na to, e reakcja kondensacji pinakolinowej biegnie przez anionorodnik jest zmiana barwy roztworu, w ktrym zachodzi reakcja. Zarwno substrat keton, jak i produkt pinakol s bezbarwne, natomiast w trakcie reakcji pojawia si intensywnie niebieskie (lub fioletowe) zabarwienie, typowe dla anionorodnikw.: O: Cbenzofenon bezbarwny+H

K THF

+ .. :O: K C .ketyl benzofenonu intensywnie niebieski

benzopinakol

C HO

C OH

bezbarwny

38

Pinakol, czyli 2,3-dimetylobutano-2,3-diol jest najczciej otrzymywanym pinakolem. Otrzymuje si z bardzo dobr wydajnoci w reakcji acetonu z magnezem; krystalizuje w postaci hydratu.: O: 2 H3C C CH3acetonMg benzen

.. : O: H3C C CH3 . 2+ Mg . H3C C CH3 : O: .. +H

CH3 CH3 6 HOH . H3C C HO C CH3 OH

CH3 CH3 H3C C C CH3 : O: : O: .. - ..

HOH

hydrat pinakolu (95%)

9. Addycja wodorosiarczanu (IV) poczenia bisulfitowe Wodorosiarczany (IV) przyczaj si do grupy karbonylowej aldehydw i niektrych ketonw (nie zawierajcych objtociowo duych podstawnikw) tworzc krystaliczne, trudno rozpuszczalne w wodzie sole kwasw -hydroksysulfonowych, zwane poczeniami bisulfitowymi.O C + Na+HSO3OH C SO3 Na+

aldehyd lub keton

poczenie bisulfitowe (-hydroksysulfonian sodu)

Z pocze bisulfitowych atwo odtwarza si wyjciowe zwizki karbonylowe. Ulegaj one rozkadowi pod wpywem kwasw lub zasad. Czsto su do wyodrbniania zwizkw karbonylowych z mieszanin (ze rodowiska reakcji) lub do usuwania ich resztek, kiedy suyy jako substraty.O OH C SO3-OH+H

C O C

+ SO2 + HOH

+ SO3-2 + HOH

10. Reakcja WittigaGeorg Wittig (1897-1987), ur. w Berlinie; doktorat w Marburgu u von Auwersa; prof. uniwersytetw we Freiburgu, Tybindze i Heiderbergu; laureat nagrody Nobla w 1979 r.

Reakcja Wittiga suy do otrzymywania alkenw z aldehydw lub ketonw. Kluczowym reagentem w tej reakcji s ylidy specyficzne pochodne trifenylofosfiny.

39

.. Ptrifenylofosfina

Trifenylofosfina ulega atwo alkilowaniu do 4o soli fosfoniowej.Ph3P: + CH3 Brtrifenylofosfina bromek metyluS N2

+ Ph3P CH3 Br

bromek trifenylometylofosfoniowy

4o sole fosfoniowe, np. bromek trifenylometylofosfoniowy pod wpywem silnych zasad przeksztaca si w betain, bdc izomeryczn form ylidu. Zasada odrywa z halogeneku trifenyloalkilofosfoniowego kwany atom wodoru znajdujcy si przy C w stosunku do atomu fosforu.+ Ph3P CH2 H Br BuLi

+ .. Ph3P CH2 betaina

Ph3P CH2ylid

bromek trifenylometylofosfoniowy

Betaina tym rni si od ylidu, e w betainie rozdzielone s adunki. Obie te formy s odmianami mezomerycznymi tego samego zwizku. Ylid reaguje ze zwizkami karbonylowymi tworzc nietrway addukt, ktry si rozpada na alken i tlenek trifenylofosfiny.Ph3P CH2ylid

+ Ph3P CH2 C O:

..

H2C Calken- Ph3P=O

+ Ph3P CH2 .. :O C - ..

tlenek trifenylofosfiny

Reakcja Wittiga, pord wielu metod otrzymywania alkenw, naley do najbardziej selektywnych, szczeglnie gdy produktem ma by zwizek o rozbudowanym szkielecie wglowym. Z aldehydw lub ketonw mona trzyma alkeny rwnie innym sposobem: poprzez ich reakcj ze zwizkami Grignarda, a nastpnie dehydratacj otrzymanych alkoholi pod wpywem POCl3, jednak produktem jest zwykle mieszanina izomerw.

40

CH31. CH3MgBr

CH2

+1-metylocykloheksen metylenocykloheksen

O

2. POCl3

Ph3P=CH2

CH2metylenocykloheksen (84%)

O efektywnoci reakcji Wittiga wiadczy to, e znalaza zastosowanie przemysowe, np. do wytwarzania -karotenu (prowitaminy A).O CH + HCretinal reakcja Wittiga

PPh3

ylid retinylidenotrifenylofosfoniowy

-karoten

11. Tautomeria keto-enolowa Zwizki karbonylowe zawierajce atom wodoru w pooeniu ulegaj tautomerii, polegajcej na tym, e H przemieszcza si pomidzy atomami OC. W wikszoci przypadkw rwnowaga jest przesunita w kierunku grupy karbonylowej (na lewo):H R R' C C R'' R' .. O: R C C R'' .. :O H

Zjawisko przejcia atomu wodoru (przegrupowania) w obrbie tej samej czsteczki nazywane jest tautomeri (grec. tauto takie samo, meros cz). Poszczeglne izomery tautomeryczne nazywane s tautomerami. Tautomeria jest zwizana z mezomeri. Etapem porednim tautomeryzacji jest jon enolanowy, a powstajcy tautomer jest enolem. Nazwa enol pochodzi od poczenia kocwek dwch grup funkcyjnych en (od alkenu) i ol (od alkoholu) i oznacza, e grupa -OH jest przyczona do atomu wgla tworzcego podwjne wizanie (tzn. o hybrydyzacji sp2).

41

.. : O: . . .. jon enolanowy C ... C R'' R' R- H+ + H+ - H+ + H+

R R' C H C

.. O: R''

R C R'

.. :O H C R''

forma ketonowa (karbonylowa)

forma enolowa

W rodowisku obojtnym tautomeria jest reakcj woln, natomiast w obecnoci zarwno kwasw jak i zasad jej szybko znacznie wzrasta. Kataliza kwasowa:H C H C C H C .. :O H C + .. O:+H

.. + O H C C .. :O H C

- +H

forma ketonowa

forma enolowa

Kataliza zasadowa:.. O: H C C .. O: C -OH

C C .. :O H C

- HOH

+H

forma ketonowa

C

.. : O: C

forma enolowa

Aldehydy i ketony chocia wystpuj w obu formach (ketonowej i enolowej) to najczciej rwnowaga jest zdecydowanie przesunita w kierunku grupy karbonylowej. Znane s jednak zwizki, w ktrych forma enolowa przewaa, naley do nich fenol, a take 1,3-diony.

42

Rwnowaga tautomeryczna przykadowych zwizkwforma ketonowa forma enolowa

Oaldehyd octowy

OHCH2 CH