Organische Chemie H3 Carbonyl Verbindingen II PDF

Preview

Summary

Samenvatting van de slides door prof. mamphuis...

Description

CARBONYL VERBINDINGEN II

CARBONYL VERBINDINGEN II 1. Nomenclatuur Aldehyden (aldehydes) Regel Alkane – “e” + “al” 1 Regel De hoofdketen is de langste keten die de carbonyl 2 groep van de aldehyde bevat. Regel Het koolstofatoom van de carbonyl groep van het 3 aldehyde draagt nummer 1. Regel Substituenten worden in alfabetische volgorde met 4 plaatsaanduiding voor de stamnaam geplaatst. Regel 5

Regel 6 OPM

Bij ringstructuren wordt de naam van de ring (cycloalkane of benzene) gevolgd door “carbaldehyde” gebruikt. In principe is het toegelaten om dit ook voor niet cyclische systemen worden toegepast. Als de -COH geen hoofdgroep is, wordt het voorvoegsel formyl of oxo gebruikt, voorafgegaan door een nummer dat de plaats op de keten aangeeft. Bij de gebruiksnamen wordt dezelfde naam als deze van het overeenkomstig zuur gebruikt, enkel de uitgang “ic acid” wordt vervangen door “aldehyde”. De plaats van de substituenten wordt aangeduid met Griekse letters. De methylene groep naast de carbonyl is de -koolstof. Wanneer er twee aldehyde functies voorkomen, wordt de naam van het alkane gebruikt gevolgd door “dial”. De “e” van het alkane wordt hier niet verwijderd daar dit enkel wordt gedaan met twee opeenvolgende klinkers!

CARBONYL VERBINDINGEN II

Ketonen Regel 1 Regel 2 Regel 3 Regel 4 Regel 5 Regel 6

OPM

(ketones) Alkane – “e” + “one” De hoofdketen is de langste keten die de carbonyl groep van de ketone bevat. De carbonyl groep van het ketone moet zo laag mogelijk genummerd worden. De substituenten worden in alfabetische volgorde met plaatsaanduiding voor de stamnaam geplaatst. Bij ringstructuren: cycloalkane – “e” + “one” Als de -CO - geen hoofdgroep is, wordt het voorvoegsel oxo gebruikt, voorafgegaan door een nummer dat de plaats op de keten aangeeft.

Phenyl- gesubstitueerde ketonen worden gewoonlijk benoemd door de gebruiksnaam van het overeenkomstige zuur te nemen en de uitgang “ic acid” te vervangen door “ophenone”.

Acyclische ketonen worden dikwijls ook benoemd door de twee alkyl (of phenyl) groepen die op de carbonylgroep staan te gebruiken, gevolgd door “ketone”. Wanneer er twee (of meerdere) ketone functies voorkomen, wordt de naam van het alkane gebruikt gevolgd door “dione” (of “trione”, … ). De “e” van het alkane wordt hier niet verwijderd daar dit enkel wordt gedaan met twee opeenvolgende klinkers!! De plaats van de carbonylgroepen worden met nummers voor de stam aangegeven.

CARBONYL VERBINDINGEN II

CARBONYL VERBINDINGEN II

B. Natuurlijk voorkomende aldehyden en ketonen

CARBONYL VERBINDINGEN II

C. Relatieve reactiviteiten van carbonylverbindingen t.o.v. nucleofielen 1. Aldehyden t.o.v. ketonen

Elektronisch effect:

aldehyden hebben een meer elektrofiele carbonyl koolstof vermits er slechts één alkylgroep is die elektronendensiteit op het carbonyl koolstofatoom plaatst Sterisch effect: dit is belangrijk daar in de transitietoestand een tetrahedrische verbinding wordt gevormd 2. Klasse I t.o.v. klasse II carbonylverbindingen

Verklarin g

1. Resonantie veroorzaakt een lagere reactiviteit. 2. Hoe zwakker de base Y- , hoe reactiever de carbonylverbinding  zwakke Y –  weinig resonantiebijdrage  inductief elektronenzuiger 3. Verschil reactiviteit ester en zuuranhydride:

4. De aldehyden en ketonen bevinden zich tussen de zuurhalogeniden en de zuuranhydrides enerzijds en de esters, carbonzuren en amiden anderzijds  geen resonantiebijdrage, enkel een inductief effect

CARBONYL VERBINDINGEN II

D. Hoe reageren klasse II carbonylverbindingen? De reactie verloopt via een tetrahedrische verbinding via een nucleofiel additie mechanisme of additieeliminatie mechanisme. In het algemeen is een sp3 koolstof gebonden aan een zuurstof en één of meerdere andere elektronegatieve atomen onstabiel. Het nucleofiel bepaalt dus het type reactie. Nucleofiele additie:

Additie-eliminatie:

CARBONYL VERBINDINGEN II

E. Reacties van carbonylverbindingen met koolstof nucleofielen 1. RLi en RMgX reactantia Aldehyden geven secundaire alcoholen.

Opgelet: Formaldehyde geeft een primair alcohol

Ketonen en esters geven tertiaire alcoholen.

Zuuranhydriden en Zuurhalogeniden geven ook tertiaire alcoholen.

Koolstofdioxide (carbon dioxide) geeft een carbonzuur.

CARBONYL VERBINDINGEN II

E. Reacties van carbonylverbindingen met koolstof nucleofielen 1. RLi en RMgX reactantia Afhankelijk van het gebruikte organometaal en type klasse I carbonylverbinding kan de reactie eventueel gestopt worden in het tetrahedrische intermediair. Na aanzuren wordt er een keton bekomen.

CARBONYL VERBINDINGEN II

E. Reacties van carbonylverbindingen met koolstof nucleofielen 1. RLi en RMgX reactantia Voorbeeld 1: Voorbeeld 2:

Voorbeeld 3:

Voorbeeld 4:

Speciale amiden Additie van organolithium of organomagnesiumverbindingen aan N-methoxy-N-methyl amiden (Weinreb amiden) geeft een tertiair intermediair dat gestabiliseerd wordt via chelering. Dit intermediair geeft pas aanleiding tot keton vorming wanneer er wordt aangezuurd (op het einde van de reactie).

CARBONYL VERBINDINGEN II Reactie van DMF (dimethylformamide) geeft na aanzuren de invoering van een formyl groep.

E. Reacties van carbonylverbindingen met koolstof nucleofielen 2. Acetylide ionen Een acetylide kan gevormd worden uit een eindstandig alkyn met behulp van een sterke base:

3. Hydrogen cyanide (vorming cyanohydrins)  HCN is een ZEER toxisch gas!!  Normaal wordt HCl aan een mengsel van aldehyde of keton en een overmaat NaCN toegevoegd.

Cyanohydrins zijn onstabiel in basisch milieu:

CARBONYL VERBINDINGEN II

F. Reacties van carbonylverbindingen met een hydride ion? Aldehyden en ketonen kunnen worden gereduceerd Reactiemechanisme voor de reactie van een keton met een met NaBH4 en LiAlH4 hydride  NaBH4 is minder reactief dan LiAlH4 .  NaBH4 kan daarom enkel gebruikt worden om de meer reactieve carbonylverbindingen (ketonen en aldehyden) te reduceren.



CARBONYL VERBINDINGEN II LiAlH4 kan niet in protische solventen gebruikt worden! Er treedt een zuur-base reactie op.

Esters, carbonzuren en amiden kunnen enkel gereduceerd worden met LiAlH4

F. Reacties van carbonylverbindingen met een hydride ion? 1. Esters geven na reactie met LiAlH4 en aanzuren primaire alcoholen

CARBONYL VERBINDINGEN II Opmerking: Zuurhalogeniden geven eveneens primaire alcoholen

2. Esters kunnen ook omgezet worden tot aldehyden door reactie met DIBAL bij zeer lage temperatuur (-78 °C). Bij deze lage temperatuur wordt een stabiel tetrahedrisch intermediair gevormd. Opmerking: Reactie van Weinreb amiden met metaal hydriden (LiAlH4 of AlH(i-Bu)2 ) geven na zure afwerking ook aldehyden.

3. Carbonzuren geven na reactie met LiAlH4 en aanzuren primaire alcoholen

CARBONYL VERBINDINGEN II Reactiemechanisme voor een carbonzuur met een hydride ion:

Reactiemechanisme voor een secundair amide met een hydride ion

Reactiemechanisme voor een primair amide met een hydride ion:

Reactiemechanisme voor een tertiar amide met een hydride ion:

G. Reacties van aldehyden en ketonen met stikstof nucleofielen?

CARBONYL VERBINDINGEN II De reacties vereisen normaal zure katalyse. Ze gaan het best bij pH 4-6 en zijn traag bij lagere pH (te veel amine is geprotoneerd). De reacties kunnen doorgaan bij hogere pH maar dan is het moeilijker (ontwateren) 1. Aminen Primaire amines geven imines

Probleem: Oplossing:

Dit zijn evenwichtreacties! Het evenwicht kan verschoven worden naar het imine door water te verwijderen of neerslaan van het imine. Mechanisme voor imine vorming (Het stikstof geprotoneerde intermediair is bevoordeeld (N is meer basisch dan O)).

In zure waterige oplossingen (niet katalytisch) worden imines gehydrolyseerd tot de carbonyl verbindingen en primaire aminen.

CARBONYL VERBINDINGEN II 1. Aminen Secundaire amines geven enamines

Mechanisme voor enamine vorming: Het stikstof geprotoneerde intermediair is bevoordeeld (N is meer basisch dan O). Het evenwicht kan verschoven worden naar het enamine door water te verwijderen of neerslaan van het enamine.

In zure waterige oplossingen (niet katalytisch) worden enaminen gehydrolyseerd tot de carbonyl verbindingen en secundaire aminen.

CARBONYL VERBINDINGEN II 2. Hydroxylamine, hydrazine en semicarbazide Hydroxylamine geeft een oxime:

Voorbeelden van hydrazonen met gesubstituteerde hydrazines:

Een hydrazine geeft een hydrazone:

Een semicarbazide geeft een semicarbazone:  

Hydroxylamine, hydrazine en semicarbazide zijn nucleofieler dan NH3 wegens het a-effect. Dit wil zeggen dat bij deze reactantia de vrije elektronenparen op de heteroatomen elkaar zullen afstoten (repulsie). De producten zijn stabieler dan iminen door delocalisatie van het vrije elektronenpaar op O (oxime) of N (hydrazone of semicarbazone) => stijging energie LUMO en daling positief karakter op koolstof.

Een hydrazon kan omgezet worden in een methyleen groep (Wolff-Kischner reductie). De reactie verloopt in alkalisch milieu. Mechanisme Wolff-Kischner reductie:

STAP 1: Vorming hydrazon in basisch milieu

STAP 2: Decompositie van hydrazon in basisch milieu

Een alternatieve manier om een aldehyde of keton te reduceren is via een Clemmensen reductie. Het mechanisme is niet goed begrepen en kan via een carbanionic of carbenoid mechanisme verlopen. De reactie verloop in zuur milieu.

CARBONYL VERBINDINGEN II H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen? 1. Water geeft hydraten De reactie wordt versneld door zure katalyse (heeft geen invloed op het evenwicht!).

Mechanisme voor zuur-gekatalyseerde hydraat vorming:

De evenwichtsconstante is afhankelijk van de relatieve stabiliteit van het keton of aldehyde en het hydraat:

Elektronenzuigende

groepen

bevorderen ook de vorming van de hydraten. De Keq voor de vorming van het hydraat in het geval van hexafluoroacetone is 106. Chloralhydraat werd vaak gebruikt als verdovings- en slaapmiddel maar nu is het in veel landen verboden of enkel op voorschrift te verkrijgen. In organische synthese is het vooral gekend voor zijn toepassing in de synthese van isatin, het basisprodukt voor de bereiding van de kleurstof indigo.

Alkylgroepen maken het hydraat (tetrahedrisch) minder stabiel door sterische interactie.

CARBONYL VERBINDINGEN II Alkylgroepen maken het keton of aldehyde stabieler door een inductief elektronen donerend effect (hyperconjugatie). Vorming van hydraten kan ook gekatalyseerd worden door hydroxide. Geef het mechanisme.

H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen? 2. Alcoholen geven hemiacetalen en acetalen met aldehyden en hemiketalen en ketalen met ketonen  De reacties vereisen zure katalyse!  Reactiemechanisme voor keton naar een ketaal:

Hemiacetalen en hemiketalen zijn niet stabiel in base. Acetalen en ketalen zijn stabiel in neutraal en basisch milieu.  Dit lijkt op het eerste zicht vreemd daar een sp3 gebonden koolstof aan twee zuurstofatomen gebonden is.  Er is echter geen drijvende kracht voor eliminatie daar een zeer basische alcoholaat groep moet worden uitgestoten en hierbij een positieve lading op een zuurstofatoom wordt geplaatst en deze niet kan verdwijnen. In zure waterige oplossingen worden acetalen en ketalen gehydrolyseerd tot de carbonylverbindingen en alcoholen.  Aldehyden en ketonen reageren met 1,2-diols en 1,3-diols tot cyclische acetalen en ketalen.  Cyclische acetalen en ketalen worden gemakkelijker gevormd dan acyclische.  Ze worden vaak gebruikt als “protecting group” (= beschermgroep) = Een beschermgroep is een groep die een functionele groep beschermt tegen een synthese-operatie die het anders niet zou ‘overleven’!

CARBONYL VERBINDINGEN II Aldehyden en ketonen reageren met 1,2-diols en 1,3-diols tot cyclische acetalen en ketalen. Voorbeelden:

H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen? 3. Koolhydraten of Sacchariden  Tot deze groep behoren de suikers zoals rietsuiker, zetmeel, cellulose…  Zij worden over het algemeen door planten gesynthetiseerd door CO2 en H2O met behulp van zonlicht om te zetten naar glucose and O2 .  De meeste suikers hebben als brutoformule Cn (H2O)n , waardoor men dit initieel als hydraten van koolstof is gaan beschouwen, maar dit is louter toevallig druivensuiker: C6H12O6 of C6 (H2O)6 zetmeel: (C6H10O5 )n of [C6 (H2O)5 ]n  Sacchariden bestaan uit eenheden van meestal 5 of 6 koolstofatomen. Naargelang ze bestaan uit één, twee, enkele of veel eenheden spreekt men van: monosacchariden, disacchariden, oligosacchariden, polysacchariden Klassificatie monosachariden volgens drie criteria: 1. Bevatten ze:  een aldehyde groep aldosen (polyhydroxyaldehydes)  een ketone groep ketosen (polyhydroxyketones) 2. Aantal koolstofatomen in de keten 3. Configuratie van het asymmetrisch koolstofatoom dat het verste van de carbonyl-groep ligt. (+)- en (-)Glyceraldehydes:

 Bij het (+)-enantiomeer van glyceraldehyde staat de OH groep rechts in de Fischer projectie.  Bij het (-)-enantiomeer van glyceraldehyde staat de OH groep links in de Fischer projectie. Bij uitbreiding:  Bij suikers van de D-reeks staat de OH-groep van het onderste asymmetrische koolstofatoom naar rechts in de Fischer projectie.

CARBONYL VERBINDINGEN II 

Bij suikers van de L-reeks staat de OH-groep van het onderste asymmetrische koolstofatoom naar links in de Fischer projectie.

CARBONYL VERBINDINGEN II

CARBONYL VERBINDINGEN II H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen? 3. Koolhydraten of Sacchariden  Glucose komt voornamelijk voor onder de cyclisch hemi-acetal vorm. De cyclische structuur van  Vijf- of zesring hemi-acetalen zijn meer stabiel dan de open-keten vormen.  Onderstaande bewerking leidt tot de zogenaamde Haworth projectie van suikers. Deze wordt nog glucose: veel gebruikt, maar geeft de -foute- indruk dat de zesring vlak is.  Glucose wordt ook wel dextrose of druivensuiker genoemd.

De stoelconformati e van glucose:

De vorming van glycosiden:

De stoelconformatie geeft een meer correcte voorstelling van glucose.  Anomeren van glucose: H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen? De OH-groep op de anomere koolstof staat  naar beneden (axiaal) in het α-anomeer  naar boven (equatoriaal) in het β-anomeer  De term aglycone gebruikt men voor de groep gebonden aan het ano mere koolstofatoom. 





Glycosiden kunnen bekomen worden door reactie van het suiker met een alcohol onder zure katalyse. Aangezien het “open-ring” suiker in evenwicht is met het - en hemiacetaal, worden beide anomeren van het acetaal gevormd. Mechanisme acetaalvorming

CARBONYL VERBINDINGEN II H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen? 3. Koolhydraten of Sacchariden Disacchariden: Er komen drie types van natuurlijk voorkomende glycosidische bindingen voor: 1) 1-4’ binding: het anomere koolstofatoom is gebonden aan het zuurstofatoom op de C4 van een tweede suiker. 2) 1-6’ binding: het anomere koolstofatoom is gebonden aan het zuurstofatoom op de C6 van een tweede suiker. 3) 1-1’ binding: de anomere koolstofatomen van de twee suikers zijn verbonden door middel van een zuurstofatoom. De -1-4’ glycosidische binding  In cellobiose, is de anomere koolstof van één glucose gebonden aan de equatoriale () koolstof-zuurstof binding C4 van een andere glucose eenheid. Dit noemt men een -1-4’ glycosidische binding.  Cellobiose wordt bekomen door partiële hydrolyse van cellulose. Maltose:

Lactose:

bevat een -1,4’ glycosidische binding tussen twee glucose eenheden. De monosacchariden in maltose zijn met elkaar verbonden dmv de axiale positie van C1 en de equatoriale positie van C4'. Maltose wordt bekomen door partiële hydrolyse van zetmeel. bevat een -1,4' galactosidische binding tussen een galactose en een glucose eenheid. De twee ringen zijn verbonden dmv een -1,4’ glycosidische binding van het galactose naar de 4positie op de glucose ring. Komt voor in melk.

Gentiobiose:

Twee glucose eenheden verbonden via 1,6’ glycosidische binding. Komt zelden voor in disaccharides, maar komt wel voor als vertakkingspunt in polysacchariden.

Sucrose:

Binding tussen twee anomere koolstoffen. Dit is het riet- of bietsuiker.

CARBONYL VERBINDINGEN II Polysacchariden:

Cellulose:

-1,4’ polymeer van D-glucose. De systematische naam is poly(1,4’-O-- Dglucopyranoside). Cellulose is het meest voorkomende organische materiaal. Het wordt door planten gesynthetiseerd als een structureel materiaal. Het kan tot 15000 glucose eenheden bevatten. Cellulose is relatief bestand tegen zuren omwille van zijn bijzondere conformatie (helix). De hydrolytische spitsing tot glucose treedt pas op in 40% HCl.

Zetmeel: Amylose:

Amylopectine:

Kiliani–Fischer synthese:

 

bestaat uit twee types polymeren dit is een -1,4’ polymer is van glucose. Systematische naam: poly(1,4’-O--Dglucopyranoside). hetgeen een vertakt -1,6’ polymeer is van glucose.

Deze methode verlengt een aldose met één koolstofatoom, door additie van een cyanide aan het aldehyde. Met deze techniek kan zowel de structuur van bestaande suikers opgehelderd worden, als een nieuw suiker gesynthetiseerd worden.

CARBONYL VERBINDINGEN II

I. Reacties van aldehyden en ketonen met zwavel nucleofielen: vorming van thioacetalen en thioketalen Het mechanisme is volledig analoog aan dat van de vorming van acetalen en ketalen. In plaats van een zuur wordt vaak ook gebruik gemaakt van een Lewis zuur.

Cyclische thioacetalen en thioketalen zijn synthetisch zeer nuttig daar ze door reactie met H2 en Raney-Ni kunnen omgezet worden tot een methyleengroep. Wanneer een C-S tot een C-H wordt omgezet met behulp van waterstofgas en een metaalkatalysator, spreken we van een hydrogenolyse. Dit is een derde methode voor het invoeren van CH2 in te bouwen in een molecule. Maar dit maal onder neutrale omstandigheden!  Cyclische thioacetalen zijn zogenaamde acyl-anion equivalenten. Door het aldehyde om te zetten in een cyclisch thioacetaal wordt een “umpolung” van het koolstofatoom verkregen. In een aldehyde is de koolstof van de carbonyl immers elektrofiel en in een cyclisch thioacetaal kan door deprotonering een nucleofiel koolstofatoom ontstaan. Dit anion kan door het naburige zwavelatoom gestabiliseerd worden (delocalisatie in s* van de CS binding). S R S C O R acyl anion equivalent acyl anion (kan niet bestaan)  Door reactie van het gestabiliseerde anion met een alkyl halogenide gevolgd door ontscherming wordt een keton verkregen. Cyclische thioacetalen en thioketalen kunnen normaal gezien niet gehydrolyseerd worden in een zure waterige oplossing:  S wordt veel moeilijker geprotoneerd dan O (S is minder basisch dan O) => kleinere concentratie S geprotoneerde molecule  3p (S) – 2p (C) overlap geeft een veel zwakkere p-binding dan een 2p (O) – 2p (C) overlap.  Dit zorgt dus voor een moeilijkere uitstoot.

CARBONYL VERBINDINGEN II  Oplossing: maak van cyclisch thioacetaal een beter elektrofiel! I. Reacties van aldehyden en ketonen met zwavel nucleofielen: vorming van thioacetalen en thioketalen Cyclische thioacetalen en thioketalen kunnen normaal gezien niet gehydrolyseerd worden in een zure waterige oplossing: Oplossin dus een Hg(I...