Document

Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
HOOFDSTUK XI:
additie aan gepolariseerde p-binding:
de carbonylgroep
Mc Murry: pagina 682-716
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
XI.1 Naamgeving van aldehyden en ketonen (Mc Murry: p 683-685)
Aldehyden
Uitgang: alkan-al
Hoofdketen bevat de CHO-groep
CHO-koolstof is koolstof 1
O
R
H3C
H
O
O
C
C
H
H3CCH2
O
CH3
H
CH3CHCH2CH
C
CHO
H
CH2CH3
ethanal
(acetaldehyde)
HCHO
CH3CHO
CH3CH2CHO
CH3CH2CH2CHO
H2C=CHCHO
propanal
(propionaldehyde)
2-ethyl-4methylpentanal
cyclohexaancarbaldehyde
formaldehyde
acetaldehyde
propionaldhyde
butyraldehyde
acroleïne
methanal
ethanal
propanal
butanal
propenal
benzaldehyde
benzeencarbaldehyde
CHO
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Ketonen
O
R
R
Uitgang: alkan-on
Hoofdketen is de langste en bevat de C=O-groep
Nummering start bij het eind dichtst bij de C=O-groep
O
CH3CH2CCH2CH2CH3
3-hexanon
O
H3C
CH
CHCH2CCH3
4-hexen-2-on
O
O
O
CH3CH2CCH2CCH3
2,4-hexaandion
O
O
CH3CCH3
aceton
CH3
acetofenon
benzofenon
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
O
O
O
R
C
H3C
acetyl
Een acylgroep
O
5
4
3 2
H
C
C
formyl
benzoyl
O
CH3CH2CH2CCH2COCH3
6
C
O
1
Methyl-3-oxohexanoaat
Meest prioritaire functionele groep: COOCH3 = ester
Keton wordt benoemd met prefix -oxo
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
XI.2 Bereiding van aldehyden en ketonen (Mc Murry: p 685-687)
Bereiding van aldehyden
a) Oxidatie van primaire alcoholen (zie hoofdstuk oxidatie/ reductie)
PCC
CH2OH
CHO
CH2Cl2
citronellol
citronellal
b) Oxidatieve splitsing van alkenen (zie hoofdstuk oxidatie/ reductie)
CH3
O
1. O3
H
2. Zn, CH3COOH
H3C
H
O
c) Partiële reductie van carbonzuurderivaten (zie hoofdstuk oxidatie/ reductie)
O
O
1. DIBAH, tolueen, -78°C
CH3(CH2)10COCH3
2. H3O
+
CH3(CH2)10CH
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Bereiding van ketonen
a) Oxidatie van secundaire alcoholen (zie hoofdstuk oxidatie/ reductie)
PCC
(CH3)3C
OH
CH2Cl2
(CH3)3C
O
b) Oxidatieve splitsing van alkenen (zie hoofdstuk oxidatie/ reductie)
O
O
CH2
CH3
O
1. O3
2. Zn, H3O+
+ CH2O
CH3
c) Hydratatie van alkynen (zie hoofdstuk additie aan p-binding)
H3O+
CH3(CH2)2CH2 C
O
CH3(CH2)2CH2 C
CH
HgSO4
CH3
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
d) Arylketonen door Friedel-Crafts acylering van aromaten (zie hoofdstuk aromatische substitutie)
O
O
+
AlCl3
C
CH3
C
H3C
Cl
e) Reactie van een zuurchloride met een diorganokoper reagens (zie hoofdstuk carboxylderivaten)
O
O
C
CH3(CH2)4
Cl
- +
+ (CH3)2Cu Li
C
CH3(CH2)4
CH3
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
XI.3 Nucleofiele additiereacties van aldehyden en ketonen (Mc Murry: p 688-690)
Gemiddelde bindingsenergieën (kJ/mol)
O
R
O
R
R
R
X=
C
N
O
C=X
610
615
744
C–X
347
305
360
263
310
385
bijdrage van p
in dubbele binding
Dubbele binding is zeer sterk:
moeilijk homolytisch te splitsen owv elektrostatische bijdrage
(thermodynamisch aspect)
Dubbele binding is reactief:
vlot heterolytisch te splitsen (kinetisch aspect)
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
O
O
R
R
R
R
Vrije elektronenparen op O: zwak basische eigenschappen
Brönstedzuur
O
H
O
+
+ H3O
H3C
CH3
pKa =
H3C
-1,7
O
Lewiszuur
CH3
+
AlCl3
+ H2O
CH3
-7.2
O
AlCl3
CH3
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
* O meer elektronegatief dan C: C=O gepolariseerd
O
O
Elektropositief C:
reactie met nucleofielen
R
R
R
R
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
-
R1
R2
Nu
R1
C
Nu
O
O
R2
Nu
-
O
C
O
O
Nu
Nu
C
C
R1
R2
O
R1
R1
R2
R2
R1
R2
Nu
O
Nu
O
O
+
C
H3C
CH3
H3C
CH3
Nu
C
H3C
CH3
identiek (homomeren)
O
H3C
O
CH2
CH2
CH2
CH3
H3C
Nu
Nu
CH2
CH2
CH2
O
+
CH3
H3C
CH2
CH2
CH2
CH3
enantiomeren
O
H
C
H3C
CH2
O
CH3
CH2
CH3
Nu H CH3
C
H3C
CH2
CH2
CH3
+
Nu
O
H CH3
C
H3C
diastereomeren
CH2
CH2
CH3
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
XI.3 Relatieve reactiviteit van aldehyden en ketonen (Mc Murry: p 690-691)
Aldehyden zijn meer reactief dan ketonen in nucleofiele additiereacties
Sterische redenen
•
één versus twee substituenten
•
nucleofiel nadert aldehyde gemakkelijker
•
TTS naar tetraëdraal intermediair minder gehinderd en
lager in energie voor nadering naar aldehyde
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Elektronische redenen
H
H
C
C
H
R
1° carbokation
minder stabiel, meer reactief
R
R
R'
2° carbokation
meer stabiel, minder reactief
O
-
O
-
C
+
C
+
H
R
keton
aldehyde
minder stabilisatie van 
meer reactief
R'
+
meer stabilisatie van 
minder reactief
+
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
pKa
H-Nu
CH3
-
XI.4a Types nucleofielen: geladen
O
Nu
+
35
NH2
a
-
H
C-O
b
15
C-H
CN
c
5
Cl
c: sterk endotherm: irreversibel
O
+
OR
-
b: omkeerbaar
C-Cl
C-C
a
25
Nu
a: sterk exotherm: irreversibel
C-N
b
O
DH°(C-Nu)
kJ/mol
RO
O
DH°r  25 kJ/mol
OR
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
XI.4b Types nucleofielen: neutraal
HOH: water (vorming van een hydraat)
ROH: een alcohol (vorming van een acetal)
H3N of RNH2: een amine (vorming van een imine)
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
XI.5 Nucleofiele additie van koolstofnucleofielen: organometaalverbindingen
(Mc Murry: p 695-696)
bereiding van alcoholen

O
+

(1)
 +
+ R-M
ether
(2)
R
N2
H3C
R-M
R
OH
+ MOH
R-M
R
OH
CH3
CH3
R
OH
H3O+
CH3
O
aldehyd
H3O+
zuur-base
afwerking
O
keton
- +
OM
H3O+
tertiair
secundair
H3C
CH3
H
O
R-M
H3O+
R
H
OH
primair
formaldehyd
H
H
H
H
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
• Bereiding van het organometaalreagens in een afzonderlijke stap.
• Zuur-base complexatie van Mg2+
maakt carbonyl betere acceptor
• Nucleofiele additie van R- leidt tot vorming van tetraëdraal intermediair.
• Protonatie door water of een zwak zuur in een afzonderlijke stap geeft een neutraal
alcohol.
• Irreversibele additie !
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Enkele praktische voorbeelden
bereiding
organometaalreagens
Cl
Mg
Ether
additiereactie
MgCl
Ether
CH2=O
afwerking (zuur)
CH2O MgCl
H3O+
CH2OH
+ MgX2
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
H3C
2 Li
CH3
I
CH3
Li
- +
O Li
H3C
H3O+
THF
OH
H
H
+ LiX
O
Li-I
H
Br
nBuLi
Li
+ CH3CHO
nBuBr
H3C
THF
- +
O Li
H
H3C
H3O+
OH
H
+ LiX
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
XI.6 Nucleofiele additie van koolstofnucleofielen: fosforyliden
(Mc Murry: p 706-709)
Omzetting van aldehyd / keton in een alkeen: Wittig reactie
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Bereiding van het fosforylide
P
+ H3C
Trifenylfosfine
SN2
BuLi
P
Br
CH3
- THF
Br
Methyltrifenyl
fosfoniumbromide
P
CH2
Methyleentrifenyl
fosforaan
•
(Ph)3P : goed nucleofiel in de SN2 reactie
•
Waterstof op het koolstof naast het positief geladen fosfor: zwak zuur
•
Resulterende carbanion gestabiliseerd door delokalisatie van de negatieve lading naar het
derde-periode element P (zogenaamde (p-d) delokalisatie)
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Hoffman-LaRoche bereiding van b-caroteen
CHO
CHP(Ph)3
+
Retinal
Retinylideentrifenylfosforaan
b-caroteen
Gele voedingskleurstof
Bron van vitamine A
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Enkele praktische voorbeelden
Bereiding van 3-ethyl-2-penteen ?
H3CH2C
C
CHCH3
CH2CH3
Alternatieve bereiding van b-caroteen vertrekkende van:
CHO
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
XI.7 Nucleofiele additie van koolstofnucleofielen: HCN additie, vorming van
cyanohydrinen (Mc Murry: p 693-694)
O
Na O
+ + Na CN
O
HO
+ H-CN
CN
CN
Gemiddelde bindingsenergie (kJ/mol)
p(C=O) :
385
H–O
:
435
H – CN :
523
C – CN :
485
908
920
cyanohydrin
O
+
CN
O
CN
HO
CN
via
O
CN
+ H-CN
praktisch voorbeeld:
+
CH2O + KCN
H2SO4
H2O
CN
HOCH2CN
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
XI.8 Nucleofiele additie van zuurstofnucleofielen: H2O additie, vorming van
hydraten (Mc Murry: p 691-693)
O
OH
+ H2O
H3C
CH3
Aceton (99.9%)
H3C
H3C
OH
Aceton
hydraat (0.1%)
• Additie: traag in zuiver water
• Katalyse door zuur of base
! Katalysator verandert de
ligging van het evenwicht niet !
O
OH
+ H2O
H
H
Formaldehyde (0.1%)
H
H
OH
Formaldehyde
hydraat (99.9%)
Beïnvloedt enkel de snelheid
van de hydratatiereactie !
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Basegekatalyseerde hydratatie
Aanvallend nucleofiel is sterk:
negatief geladen hydroxide ion is
een sterke elektronendonor !
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Zuurgekatalyseerde hydratatie
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
XI.9 Nucleofiele additie van zuurstofnucleofielen: additie van alcoholen,
vorming van acetalen (Mc Murry: p 702-705)
O
OR'
zuur
+ H2O
+ 2 R'OH
H
H
Keton / aldehyde
OR'
acetaal
Activatie van de carbonylgroep via protonatie

H
O
+
H
H
O
A
O
Stapsgewijze reactie
CH3OH
OH
CH3OH
OCH3
+ H2O
O
H+ katalyse
OCH3
hemiacetaal
H+ katalyse
OCH3
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
H
Mechanisme van de acetalisering
HO
snel
R
H
+
O
O
R
+H
H
H
O
O
O
O
+
+H
R
H
R
O
H
O
O
O
+ H2O
R
H
H
O
+ R-O-H
HO
O
R
R
H
O
+ R-O-H
H
HO
O
R
snel
HO
O
R
+ H+
H+
HO
+ R-O-H
O
O
O
R
RO
O
R
+ H+
R
HO
OR
+ ROH
hemi-acetaal
H+
RO
OR
+ H2O
acetaal
O
H+
+ 2 ROH
R
H
RO
O
RO
RO
OR
+ H2O
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
O
+ 2 R'OH
R
H+
K
R
R'O
OR'
+ H2O
R
R
acetalisering
K>1
door
én / of [ H2O ]
a)
[ ROH ]
b)
Inspelen op negatieve entropiefactor (bv. Gebruik van een diol)
hydrolyse
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Gebruik als beschermende groep
bescherming
O
R'O
2 R'OH
+
R
R
ontscherming
H
OR'
R
R
O
H3O+
+ 2 R'OH
R
R
praktisch voorbeeld:
?
Br
H
O
H
O
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Belangrijk:
H3O+
C
OR
C
H
O
C
H
O
zeer traag
R
C
+ ROH
H2O
ether
H3O+
C
OR
OR
acetaal
OR
zeer snel
R
H2O
C
C
OR
O
+ ROH
R
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
XI.10 Nucleofiele additie van stikstofnucleofielen: additie van amines,
vorming van imines en enamines (Mc Murry: p 696-699)
O
C
H
RNH2
C
R
R
Keton of
aldehyde
N
H2O +
R2NH
C
R
N
+
C
H
H2O
C
C
enamine
imine
Stabiliteit van imines of Schiff basen
H
N
R
R'
N
<<
H
R
<
N
H
R
stabiliteit
H
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Mechanisme van de iminevorming
R
O
N
H+
+ RNH2
O
HH
N
O
primair amine
R
imine
R
H
N
HO
+ RNH2
+ H2O
N
R
H2O +
H+
+
H
HO
HH
N
R
H
R
en
H2O
N
R
R
N
R
R
N
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
R
pH 4
O
N
+ RNH2
+ H2O
primair amine
NB: bij pH 4:
imine
RNH2
RNH3+
=
1
106
OH
N
O
(+ H2O)
+ HO-NH2
hydroxylamine
oxime
NH - Ph
N
O
+ Ph - NH - NH2
fenylhydrazine
(+ H2O)
fenylhydrazon
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Mechanisme van de enaminevorming
O
HO
+ R2NH
+
R
H
NR2
R
R
N
N
+ H2O
H
H
H
- H+
H+
R
R
N
O
H+
R
R
N
+ R2NH
secundair
amine
R
+ H2O
enamine
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
XI.11 Geconjugeerde nucleofiele additie aan a, b –onverzadigde aldehyden
en ketonen (Mc Murry: p 711-715)

a, b –onverzadigde
carbonyl groep
-
O
O
+ C
C
C
b
aC
O
C
C
C
elektrofiele plaatsen
O
geactiveerde dubbele
binding
1. Nu
C
C
C
2. H3O+
O
C
C
C
Nu
H
niet-geactiveerde
dubbele binding
Nu
C
C
geen reactie
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Geconjugeerde additie van amines
O
O
ethanol
+
Selectief geconjugeerde additie
CH3NH2
NHCH3
3-(N-methylamino)
cyclohexanon
2-cyclohexenon
Geconjugeerde additie van alkylgroepen: organokoper reacties
RX
2 Li
pentaan
RLi + Li+X-
2 RLi
-
CuI
pentaan
Li+(RCuR) + Li+IGilman reagens
O
O
1. Li(H2C=CH)2Cu, ether
2. H3O+
C
H
C
H
H
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
Grignard en organolithiumverbindingen:
directe additie
HO
CH3
1. CH3MgBr of CH3Li, ether
O
2. H3O+
O
1. Li(CH3)2Cu, ether
2. H3O+
CH3
Lithiumdiorganokoperverbindingen:
geconjugeerde additie
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
O
Bereiding van
CH3
via geconjugeerde additie ?
CH2CH2CH3
Bereiding van 4-tert-butyl-3-ethylcyclohexanon via geconjugeerde additie ?
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
XI.12 Biologische nucleofiele additiereacties
Synthese van alanine door Bacillus subtilis
O
H3C
NH
COOH
+
:NH3
H3C
Pyrodruivenzuur
H2N
COOH
H3C
imine
H
COOH
Alanine
Verdedigingsmechanisme van de duizendpoot Apheloria corrugata
NC
OH
O
enzyme
Mandelonitrile
(cyanohydrine)
+ HCN
Hoofdstuk XI: additie aan gepolariseerde p-binding: de carbonylgroep
XI.12 Enantioselectieve additie
(Mc Murry: p 720-721)
COOH
HO
C
H
HO
C
H
wijnsteenzuur
COOH
O
H3CH2C
OH
HO
(CH3CH2)2Zn
H
Ph
H3C
H3C
O
+
Ph
Ph
O
O
Ph
O
Ti
O
O
Ph
Ph
O
O
Ph
CH3
CH3
S (97%)
Ph
Chirale katalysator op basis van wijnsteenzuur
R (3%)
CH2CH3