26-29. Reakcje aldehydów i ketonów„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2019/20201Z = H, aldehydZ = R (czyli at. C), keton

(1)

26-29. Reakcje aldehydów i ketonów

Z = H, aldehyd

Z = R (czyli at. C), keton

(2)

1. Reakcja aldehydów i ketonów z nukleofilami – informacje ogólne

Przypomnienie: reakcja kwasów karboksylowych i ich pochodnych - reakcja addycji-eliminacji

Reakcja aldehydów i ketonów - reakcja addycji nukleofilowej

tetraedryczny addukt (racemat)

„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2019/2020

2

• reakcja jest odwracalna

• atak nukleofila na at. C ze względu na polaryzację wiązania C=O

• atak nukleofila zarówno od góry, jak i od dołu płaszczyzny C=O (tetraedryczny produkt w postaci racematu)

• reakcja zachodzi łatwo w środowisku kwasowym ze względu na ładunek d- na at. O

(3)

1.1. Reakcja addycji nukleofilowej – przebieg reakcji w zależności od mocy Nu

Reakcja z silnym nukleofilem

protonowanie może przebiegać też z udziałem innego kwasu niż Nu-H

Reakcja ze słabym nukleofilem (reakcja w środowisku kwasowym)

(4)

1.2. Reakcja addycji nukleofilowej - względna reaktywność aldehydów i ketonów

Reaktywność maleje w miarę

wzrostu zatłoczenia sterycznego w sąsiedztwie karbonylowego at. C

4 sąsiedztwie karbonylowego at. C

(5)

1.3. Reakcja addycji nukleofilowej – trwałość teraedrycznego adduktu

R R

O

Nu H

Trwałość tetraedrycznego adduktu zależy od:

• rodzaju i budowy wyjściowego związku karbonylowego

• warunków reakcji

• rodzaju nukleofila

Trwałość adduktu (trzy przypadki):

1. addukt nie ulega reakcjom następczym, kiedy powstaje w reakcji z:

a) H₂O b) HCN

c) związkiem Grignarda d) wodorkiem metalu d) wodorkiem metalu

2. addukt ulega eliminacji (dehydratacji), kiedy powstaje w reakcji z:

a) alkoholem b) tiolem

c) amoniakiem NH₃lub jego pochodną (NH₂-OH lub NH₂-NH₂)

d) aminą (R₂NH)

3. addukt ulega przegrupowaniu, kiedy powstaje w reakcji z:

a) peroksykwasem (reakcja Bayera-Villigera)

(6)

1.4.1. Reakcja z H

₂

O – addukt nie ulega reakcjom następczym

zatłoczenie steryczne w sąsiedztwie C=O

H H

O

+ H₂O H H

OH

H₃C H O

+ H₂O H₃C H

OH

0.1% 99.9%

42% 58%

skłonność zw. karbonylowego do tworzenia hydratu

Otrzymywanie hydratów

6 H₃C CH₃

O

+ H₂O H₃C CH₃

OH

99.8% 0.2%

37% roztwór (formalina)

wodzian chloralu, środek usypiający (w powieściach detektywistycznych i nie tylko) przykłady:

(7)

1.4.2. Reakcja z HCN – addukt nie ulega reakcjom następczym

O + NaCN

H₂SO₄/H₂O

CN HO

O CN

H CN

CN CN

cyjanohydryna acetonu

reakcji ulegają aldehydy

Otrzymywanie cyjanohydryn i ich wykorzystanie w syntezie

reakcji ulegają aldehydy i ketony alifatyczne

kwas a-hydroksykarboksylowy

b-aminoalkohol

kwas metakrylowy – np. do produkcji „szkła organicznego”, tzn. plexiglasu

zapoznać się z zasadami nazewnictwa związków wielofunkcyjnych, slajd 34

(8)

formaldehyd, R′ = R = H aldehyd, R′ = H keton, R, R′ ≠ H

1.4.3. Reakcja ze zw. Grignarda – addukt nie ulega reakcjom następczym

Otrzymywanie alkoholi 1, 2 i 3

8

(9)

H O

H

O H₃C H

O

CH₃ H₃C

O

Cl (lub OCH₃)

H₃C O C O

substrat formaldehyd aldehyd keton chlorek kwasowy (lub ester)

R MgBr 1.

2. HCl/H₂O

R MgBr 1.

2. HCl/H₂O

2 1.^{R MgBr}

2. HCl/H₂O

R

OH

H R

OH

H R

OH

CH₃ R

OH

CH₃ O

1.4.3.1. Porównanie r. związków Grignarda z różnymi zw. karbonylowymi

R H

H

CH₃ CH₃³ R

R CH₃

R OH

produkt alkohol 1° alkohol 2° alkohol 3° alkohol 3° kwas karboksylowy związki o charakterystycznej budowie: dwa jednakowe

podstawniki pochodzące z RMgBr

(10)

1.4.3.2. Planowanie syntezy z udziałem reakcji addycji zw. Grignarda

10 Br

PCC

(11)

1.4.4. Reakcja z wodorkiem metalu, addukt nie ulega reakcjom następczym

aldehyd, R′ = H keton, R′ ≠ H

Otrzymywanie alkoholi na drodze redukcji NaBH₄(borowodorkiem sodu)

Reakcja zachodzi też z LiAlH₄ w roli reduktora, ale nie ma potrzeby stosowania agresywnego i niewygodnego reagenta

aldehyd, niewydzielalny chlorek kwasowy, Y = Cl

kwas karboksylowy, Y = OH

ester, Y = OR′

Porównanie: w przypadku chlorków kwasowych, kwasów karboksylowych i estrów zachodzi typowa reakcja addycji – eliminacji, reakcja zachodzi tylko z LiAlH₄

(12)

1.4.4.1. Redukcja zw. karbonylowych wodorkiem metalu - podsumowanie

aldehyd chlorek

kwasowy kwas

karboksylowy ester keton

alkohol 1°

alkohol 2°

12 alkohol 1°

amid

amina

(13)

1.4.4.2. Redukcja związków organicznych – podsumowanie wiadomości

Każdemu wiązaniu, jakie tworzy at. C, przyporządkowuje się:

• -1, kiedy C-H lub C-metal

• 0, kiedy C-C

• +1, kiedy C-atom pierwiastka bardziej elektroujemnego od C Suma przyporządkowanych wartości odpowiada stopniowi utlenienia at. C

stopień

addycja H-H do wiązania C=O

+1

[H]

C O

H C

O

Cl C O

OH C

O O

[H] [H] [H]

+3 +3 +3

addycja H-H do wiązania C≡C lub C=C

stopień utlenienia

C -1

OH H

H Podsumowanie wszystkich

informacji na temat redukcji związków

organicznych, p. slajdy 35 i 36.

(14)

1.4.4.3. Selektywna redukcja związków wielofunkcyjnych, przykłady

14

(15)

1.5.1. Reakcja z alkoholami, addukt ulega eliminacji

nietrwały (zwykle), reakcja biegnie dalej

kwasy w roli katalizatorów (najczęściej stosowane):

• stężony H₂SO₄

• TsOH (p-toluenosulfonowy) aldehyd lub keton Otrzymywanie acetali

• TsOH (p-toluenosulfonowy)

• chlorowodór [HCl (gaz.)]

w roztworze wodnym równowaga:

cukier (forma otwarta) - hemiacetal

(16)

1.5.1.1. Mechanizm powstawania acetali

16

(17)

1.5.1.2. Praktyczne wykorzystanie acetali - zabezpieczanie grup funkcyjnych

wiem, że:

zabezpieczenie

docelowa reakcja

1. LiAlH₄/THF 2 H⁺/H O

wniosek:

muszę uchronić (zabezpieczyć) keton przed działaniem LiAlH

ale (!): odbezpieczenie

2. H⁺/H₂O

O O

OH

(18)

1.5.2. Reakcja z tiolami - addukt ulega eliminacji

Otrzymywanie i wykorzystanie tioacetali (reakcja analogiczna do tworzenia acetali)

Tioacetale (podobnie jak acetale) są

wykorzystywane do zabezpieczania grupy formylowej w aldehydach i grupy karbonylowej w ketonach.

18

(19)

1.5.3. Reakcja z NH

₃

, NH

₂

OH i NH

₂

NH

₂

- addukt ulega eliminacji

iminy (tzw. zasady Schiffa), mieszanina izomerów (E) i (Z) Addycja amin 1° - otrzymywanie imin

Addycja hydroksyloaminy – otrzymywanie oksymów

oksym, izomery (E) i (Z) można niekiedy rozdzielić

hydrazon, mieszaninina izomerów (E) i (Z) Addycja hydroksyloaminy – otrzymywanie oksymów

Addycja hydrazyny - otrzymywanie hydrazonów

(20)

1.5.3.1. Mechanizm powstawania imin, znaczenie pH mieszaniny reakcyjnej

eliminacja H₂O

addukt A

20 zbyt mało H₃O⁺, aby protonowanie adduktu A było efektywne

zbyt dużo RNH₃⁺, tj. zbyt mało wolnej RNH₂, aby mogła reagować jako nukleofil

pH optymalne

(21)

1.5.3.2. Wykorzystanie imin, oksymów i hydrazonów

(22)

1.5.4. Reakcja z R

₂

NH - addukt ulega eliminacji

aldehyd lub keton amina 2° enamina

Addycja amin 2° - otrzymywanie enamin

22 jedyna możliwość wytworzenia

stabilnego, obojętnego produktu

enamina

(23)

1.5.4.1. Imimy i enaminy w roli związków pośrednich - redukcyjne aminowanie

R H

O

NH₃ RCH^1° ₂ NH^1° ₂

Reductive amination is sometimes incorrectly associated with the reduction of preformed imines and derivatives thereof. Reductive amination, by definition, is only the one-pot conversion of a ketone to

O

1.

2. [H]

1. H N 2. [H]

N

, H⁺ H N

H

, H⁺

N H

RNH₂ RCH₂ NHR^2°

R₂NH RCH₂ NR^3° ₂ alternatywa:

redukcja amidów (p. 15.6.1, 19.3)

derivatives thereof. Reductive amination, by definition, is only the one-pot conversion of a ketone to an amine in which the reductant coexists in the presence of the ketone starting material. The term indirect reductive amination is occasionally used, but can be more tersely and accurately described as imine reduction. Adv. Synth. Catal. 2010, 352, 753 – 819.

(24)

1.6. Reakcja z peroksykwasem - addukt ulega przegrupowaniu

• R′ = H, migracja R′¯ (tj. H¯)

• R′ ≠H, migracja R′¯ lub R¯

(stąd dwa estry w przypadku ketonów,

niedogodność z punktu widzenia preparatyki) Przegrupowanie Bayera-Villigera

24 aldehyd zawsze da

kwas karboksylowy keton może dać

dwa różne estry

Wykorzystanie praktyczne

(25)

1.6.1. Przegrupowanie Bayera-Villigera - przykłady

bardzo częste wykorzystanie:

lakton z cyklicznego ketonu

(26)

2. Reakcja [2+2]-cykloaddycji - reakcja Wittiga

ylid fosforowy

aldehyd lub keton, ale keton może reagować słabiej

26 2 elektrony od

zw. karbonylowego

2 elektrony od ylidu

(27)

B CH Ph P

2.1. Reakcja Wittiga – zalety metody

dotychczasowa metoda – nie zawsze efektywna reakcja Wittiga

zasada Lewisa (nukleofil)

Procedura - ogólnie

Ph₃P H H

Br CH₃ Ph₃P +

S_N2

Ph₃P CH₂ Br

Li H

+ H + LiBr

podatny na oderwanie, bo w sąsiedztwie P⁺

mocna zasada (nukleofil)

(28)

2.2. Reakcja Wittiga – strategia syntezy

P(Ph)₃ O (Ph)₃P

H

+ O +

P(Ph)₃

Br + (Ph)₃P + Br

korzystniejszy wariant, niżej rzędowy halogenek konieczny do syntezy ylidu

(w reakcji S_N2)

28

(29)

3. Przykłady syntez

OH

6

OH Br

OH

(30)

3. Przykłady syntez

30 OH

(31)

3. Przykłady syntez

1. O₃ 2. (CH₃)₂S

Na₂Cr₂O₇

H₂SO₄ O

O HO

1. BH₃/THF 2. H₂O_2,OH

B C D

E I F

A

O

O Cl

O

O O

N H

L G

H J

K M

(32)

Uzupełnienie

32

(33)

Aldehyd

nazwa:

systematyczna zwyczajowa 1 zwyczajowa 2

Keton

nazwa:

systematyczna zwyczajowa

grupowo-funkcyjna

H H

O metanal formaldehyd

aldehyd mrówkowy

H

O etanal

acetaldehyd aldehyd octowy

O propanal O propanon

Nazewnictwo

tylko ketony acykliczne o nieskomplikowanej

budowie

H

O propanal

propionaldehyd aldehyd propionowy

O propanon aceton

keton metylowo-metylowy

H

O butanal

butyroaldehyd

aldehyd masłowy O

butanon brak

keton etylowo-metylowy

H

O pentanal

waleroaldehyd

aldehyd walerianowy O

pentan-2-on brak

keton metylowo-propylowy O pentan-3-on

brak

keton dietylowy

kolejność alfabetyczna

keton symetryczny

(34)

3

1 H Cl O

3-chlorobutanal

H H

O O

propanodial

aldehyd malonowy

H O

3 1

H O HO

Nazewnictwo

4

2 1

Cl O

4-chloropentan-2-on

O O

pentano-2,4-dion

O O

H

cykloheksanokarboaldehyd

H O

benzaldehyd

H

3-hydroksycykloheksanokarboaldehyd

34 cyklopentanon

O

keton fenylowo-metylowy acetofenon

O

1 2

2-metylocyklopentanon O

karboaldehyd = kiedy gr. formylowa połączona ze szkieletem cykloalkanu (reguła)

(nazwa zwyczajowa) (nazwa zwyczajowa)

(35)

Redukcja związków organicznych – uporządkowanie wiadomości

aldehydy i ketony NaBH₄

kwasy karboksylowe LiAlH₄ chlorki kwasowe, estry

amidy red. do amin (nie pokazana) LiAlH₄

aldehydy, ketony, nitryle H₂, Ni-Ra Formalnie jest to addycja: H¯, H⁺

Formalnie jest to addycja dwóch atomów wodoru (H• •H), wodoroliza

alkiny (red. do cis-alkenów) H₂, kat.

Lindlara alkiny, alkeny (do alkanów) H₂, Pd/C

[Na/NH₃(ciekły), Na/NHEt₂, lub K/NH₃ (ciekły)]

Formalnie jest to addycja: e¯, H⁺i e¯, H⁺