Wyklad 5,6,7 - Addycja nukleofilowa aldehydów i ketonów.pdf

(471 KB) Pobierz
Wyk³ad 10
2004/2005
Wykład 5, 6 i 7. ADDYCJA NUKLEOFILOWA DO
ALDEHYDÓW I KETONÓW
Nukleofilowa addycja do aldehydów i ketonów jest najbardziej ogólną reakcją tych
związków. Nukleofile mogą mieć różny atom atakujący. Mogą być cząsteczkami obojętnymi
lub anionami. Najbardziej powszechne nukleofile, które dodają się do grupy karbonylowej
aldehydów i ketonów, są zebrane na Rysunku 1 . W ciągu wykładów 5-7 będziemy się
zajmowali reakcjami grupy karbonylowej aldehydów i ketonów z tymi właśnie nukleofilami.
Nukleofile
O-nukleofile
ROH
..
S-nukleofile
..
..
RSH
..
R
O
-
RS
..
-
..
..
..
..
HOH
..
NaHSO 3
..
-
Anion wodorkowy
H -
..
H
O
N-nukleofile
NH 3
C-nukleofile
-
CN
..
-
..
C
RNH 2
R
R
R
..
δ δ δ
- ++
-
H 2 NNH 2
RMgX
ArNHNH 2
..
+
..
-
Ph 3 P
CH R
..
H 2 NCONHNH 2
Ph 3 P
CH R
Rysunek 1
Plan wykładów jest zatem następujący
1. Addycja nukleofilów tlenowych
•
Addycja jednej cząsteczki alkoholu – hemiacetale
•
Addycja dwóch cząsteczek alkoholu – acetale
•
Najważniejsze hemiacetale i acetale: cukry
Addycja wody – gem-diole
2. Addycja nukleofilów siarkowych
•
Addycja tioli – tioacetale
Addycja wodorosiarczanów (IV) – "połączenia bisulfitowe"
3. Addycja nukleofilów azotowych
•
Addycja amoniaku – aldehydoamoniaki i heksametylenotetraamina
•
Addycja 1 o amin i związków pokrewnych – iminy i związki pokrewne
Addycja 2 o amin – enaminy
4. Addycja anionu wodorkowego – redukcja aldehydów i ketonów
•
Nieorganiczne donory anionu wodorkowego
Przeniesienie anionu wodorkowego z atomu węgla
5. Addycja nukleofilów węglowych
•
Reakcja cyjanohydrynowa – cyjanohydryny
1
..
..
..
•
•
•
•
196678965.025.png 196678965.026.png 196678965.027.png
2004/2005
•
Addycja aldolowa –aldole
•
Reakcja Grignarda – alkohole
•
Reakcja Wittiga – alkeny
Addycja nukleofilów tlenowych
Nukleofile tlenowe są tymi, które do grupy karbonylowej aldehydów i ketonów dodają
się najczęściej. Czyli w tej najbardziej ogólnej dla aldehydów i ketonów reakcji, którą jest
addycja nukleofilowa, reakcja z nukleofilami tlenowymi jest reakcją najbardziej typową.
Dzieje się tak, gdyż nukleofile tlenowe są najbardziej rozpowszechnione. Są to: woda i
alkohole, zarówno te proste, jak i kompleksowe, przede wszystkim węglowodany.
Addycja jednej cząsteczki alkoholu — hemiacetale ( Rysunek 2 )
Hemiacetale (hemiketale)
OR
CO
+
ROH
CO
H
hemiacetal
Kataliza kwasem
CO
+
H
CO
H
CO
H
O R
H O R
H
O
R
CO
+ H
CO
H
Kataliaz zasadą
ROH
OH OH
+
RO
+
H
OR
OR
-
HOH
C O C O
OR
C O
H + OH
Rysunek 2
-hydroksyeterami. Kiedyś inaczej nazywano produkty addycji
do aldehydów, a inaczej do ketonów. Pierwsze były hemiacetalami, drugie — hemiketalami.
Dzisiaj nazwę ketal wykluczono i nie powinno się jej używać (Podręczniki biochemii stosują
ją nadal do opisu budowy węglowodanów). Hemiacetale powstają w odwracalnej reakcji
addycji alkoholi do związków karbonylowych katalizowanej przeważnie protonem, chociaż
równowaga ustala się szybko także w obecności katalitycznych ilości zasady.
α
Addycja dwóch cząsteczek alkoholu — acetale ( Rysunek 3 )
Reakcja związku karbonylowego z dwoma cząsteczkami alkoholu daje acetal (nazwa
ketal jest nazwą formalnie nieuprawnioną). Pierwszy etap reakcji — to addycja cząsteczki
alkoholu do grupy karbonylowej i tworzenie hemiacetalu. Reakcję tę już znamy. W etapie
drugim następuje eliminacja cząsteczki wody z hemiacetalu i addycja drugiej cząsteczki
alkoholu. Reakcja tworzenia acetalu jest również odwracalna.
2
H
Addycja jednej cząsteczki alkoholu do związku karbonylowego daje hemiacetal
(półacetal). Hemiacetale są
196678965.028.png 196678965.001.png 196678965.002.png 196678965.003.png 196678965.004.png 196678965.005.png 196678965.006.png 196678965.007.png 196678965.008.png 196678965.009.png
2004/2005
Acetale (ketale)
OR
+
2ROH
C O
+
H 2
OR
acetal
H
RO H
OR
CO
CO
+
RO HH
+
CO
H
+ H
OR
CO
H
C
OR OR
C
+ H 2 O
H
H
O
R
O R
H O R
OR H OR
+
C
Rysunek 3
Najważniejsze hemiacetale i acetale: cukry
α
--
D Glukoza
Najważniejszych przykładów hemiacetali i ace-
tali dostarcza natura. Węglowodany proste występują
głównie w formie hemiacetali. Rysunek 4 ilustruje
model czaszowy stereoizomeru
najbardziej rozpow-
szechnionego związku naturalnego, jakim jest cukier D -
glukoza. Drugi stereoizomer – to izomer
α
Różnią się
one położeniem grupy OH przy pierwszym atomie
węgla względem atomu odniesienia, którym w cukrach
jest ostatni atom asymetryczny we wzorze rzutowym
Fischera. Obydwa izomery występują w równowadze z
o twartą formą łańcuchową (aldehydową) glukozy
( Rysunek 5 ). Hemiacetal tworzy się w wyniku wew-
nątrzcząsteczkowej addycji grupy hydroksylowej na atomie węgla-5 glukozy do jej grupy
aldehydowej. Pierścień nazywa się piranozowy m ze względu na podobieństwo do heterocyk-
li zwanych piranami. Podane na rysunku wzory pierścieniowe nazywają się wzorami
Hawortha . Zamykanie pierścienia może nastąpić przy ataku grupy hydroksylowej na atom
węgla C=O od dołu płaszczyzny, na której to ugrupowanie leży, lub na skutek swobodnej
rotacji na wiązaniach C–C – od góry. Cyklizacja czyni atom węgla grupy karbonylowej C-1
asymetrycznym i tworzy się para diastereoizomerów zwana anomerami [greckie ana na(d),
w górę], a atom węgla hemiacetalowy nazywa się anomerycznym. W
β
Rysunek 4
-anomerze anome-
ryczny atom węgla ma tę samą orientację co atom odniesienia dla szeregu konfiguracyjnego ,
w anomerze
α
— przeciwną . Atom odniesienia w strukturach węglowodanów — to asymetry-
czny atom węgla o najwyższej numeracji . Takie steryczne przyporządkowanie dla
β
- i
β
-
anomerów oznacza, że we wzorze Hawortha D -glukopiranozy grupa OH-1 anomeru
α
leży po
— po tej samej.
Anomery jako diastereoizomery mają różne właściwości chemiczne i fizyczne, w tym ich
β
3
C O
C
α
przeciwnej stronie pierścienia jak grupa CH 2 OH ( Rysunek 5 ), a anomeru
196678965.010.png 196678965.011.png 196678965.012.png
 
2004/2005
Wzajemne relacje między izomerami -glukozy
D
O
O
CH OH
2
O
H
H
α
-piran
γ
-piran
OH
H
H
C
HO
O H
H
OH
α
- -glukopiranoza
D
H O
(
α
- -glukoza)
C
CH OH
2
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
OH
H
H
OH
H
H
C
HO
O
H
OH
CH OH
2
O
CH OH
2
H
O H
H
C
OH
H
D -glukoza
(otwarta forma łańcuchowa)
HO
H
H
OH
β
- -glukopiranoza
(
β
- -glukoza)
D
Anomeryczny
atom węgla
C OH
HO C
H
C OH
Atom
odniesienia
C O
C O
O C
D -cukier
α
D -cukier
L -cukier
-anomer
β
-anomer
β
-anomer
Rysunek 5
roztwory mają inne wartości skręcalności właściwej. Te wartości nie jest jednak stałe. Po
sporządzeniu roztworu któregokolwiek anomeru skręcalność zmienia się tak długo, aż ustali
się stan równowagi niezależny od tego, z którego anomeru wychodziliśmy. Zjawisko to
nazywamy mutarotacją . Jest ono dowodem na odwracalność reakcji tworzenia hemiacetali,
gdyż interkonwersja przebiega przez otwartą łańcuchową formę aldehydową. Roztwory
glukozy są więc zawsze równowagową mieszaniną dwóch jej anomerów . Wszystkie oligo i
policukry są acetalami (o bogatej stereochemii).
4
D
D
196678965.013.png 196678965.014.png 196678965.015.png 196678965.016.png 196678965.017.png 196678965.018.png 196678965.019.png 196678965.020.png 196678965.021.png 196678965.022.png
2004/2005
Addycja wody — gem-diole ( Rysunek 6 )
Addycja wody
O H
+
HOH
C
O H
gem - diol
H 3 C
+
H 3 C
+
H 3 C
+
C O + H
C O H
C O H
H 3 C
H 3 C
H 3 C
H 3 C
C+ H
OH
+
H 3 C
C
OH
+
H 3 C
OH
H 3 C
O H
H
Rysunek 6
Addycja wody do grupy karbonylowej daje związki dihydroksylowe znane jako hyd-
raty lub gem- diole ( łac. geminus – bliźniak, gemini – bliźnięta), z powodu dwóch identycz-
nych grup na tym samym atomie węgla . Tak jak dotychczas omówione reakcje addycji do
grupy karbonylowej, reakcja hydratacji jest katalizowana przez kwasy lub zasady, i odwracal-
na. Dla większości aldehydów czy ketonów reakcja nie ma znaczenia syntetycznego z
powodu niekorzystnego położenia równowagi. Ilustruje to Tabela 1 , w której tylko dwa
związki, mianowicie formaldehyd i aldehyd trichloroctowy, tzw. chloral wykazują równo-
Tabela 1. Stałe reakcji addycji wody do związków
karbonylowych
( 20 C )
°
a)
HCHO
C
2 10
1.3
3
H
HCHO
3
δ−
Cl
O
3 10 4
2 10 -3
Cl CCHO
(CH CO
3
x
Cl C CH
δ+
32
x
δ−
Cl
O
(CH ) CHCHO
(CH ) CCHO
32
0.5
H
33
0.2
wodzian chloralu
a) S.H.Pine J.B.Hendrickson D.J.Cram G.S.Hammond
“Organic chemistry” 4th Ed. McGraw-Hill Book Company
New York 1980 p. 247
wagę dobitnie przesuniętą w kierunku hydratu. Porównanie stałych równowagi reakcji
aldehydu octowego i trichlorooctowego wskazuje na rolę efektu indukcyjnego trzech
podstawników chlorowych. Wodzian chloralu można wyodrębnić, dzięki wewnątrzcząstecz-
kowym wiązaniom wodorowym, które stabilizują cząsteczkę. Utworzone wiązania i rozkład
gęstości elektronowej w omawianej cząsteczce pokazuje rysunek obok Tabeli 1. Wodzian
chloralu jest używany w weterynarii do usypiania zwierząt. Formaldehyd jest w warunkach
normalnych gazem i poza zastosowaniami przemysłowymi używany jest jako 37% roztwór
wodny wodzianu, w tym do konserwacji preparatów biologicznych.
5
C O
x
)
196678965.023.png 196678965.024.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin