Wyklad 5, Chemia, Organiczna, Wykłady
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
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
..
..
..
•
•
•
•
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
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
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
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
)
[ Pobierz całość w formacie PDF ]