chorg-w-17-add nukleo

RJC
1
Addycje Nukleofilowe do
Grupy Karbonylowej
O
O
Nu
C
R
H
R C
Nu
+H
H
OH
R C
H
Nu
Slides 1 to 29
RJC
Addycja vs Substytucja
2
Atom C w grupie karbonylowej (δ ) jest podatny
na atak odczynnika nukleofilowego Nu; w
zaleŜności od substratu, reakcja moŜe prowadzić
albo do addycji, albo do substytucji.
+
Oδ
-
O
subn
Cδ
+
C
R
Nu
addn
R
OH
R C
X
Nu
Nu
X
RJC
Addycje Nukleofilowe : X=H
3
PoniewaŜ atom H nie moŜe stabilizować ładunku
ujemnego, jest on bardzo złą grupą odchodzącą.
Atak odczynnika Nu prowadzi do powstania
produktu addycji.
O
O
Nu
C
R
H
R C
Nu
+H
H
OH
R C
Nu
H
RJC
Addycje Nukleofilowe : X = R
4
PoniewaŜ podstawniki typu R (alkil, aryl) nie
stabilizują ładunku ujemnego, to takie grupy są
bardzo złymi grupami odchodzącymi; atak
odczynnika Nu prowadzi do powstawania
produktów addycji.
O
O
Nu
C
R
R
R C
Nu
+H
R
OH
R C
Nu
R
RJC
Nukleofile z Ładunkiem Ujemnym
5
Nukleofile mogą stanowić cząsteczki naładowane
ujemnie (aniony).
O
O
Nu
C
R
••
HO
+H
R C
R
R
Nu
••
•
•
••
jon hydroksylowy
•
•
Br
•
•
••
jon bromkowy
OH
R C
R
Nu
••
CH3O
•
•
••
jon metoksylanowy
RJC
Nukleofile bez Ładunku (Obojętne)
6
Nukleofile obojętne, po addycji do grupy
+
karbonylowej tracą jon H ; w ten sposób dają
produkty obojętne (bez ładunku).
O
O
NuH
C
R
R
••
H2O
••
woda
R C
OH
R
NuH
••
NH3
amoniak
R C
R
Nu
••
CH3OH
••
metanol
RJC
Aldehydy vs Ketony
7
Aldehydy są bardziej reaktywne niŜ ketony;
powodem jest zmniejszona zawada steryczna
(przestrzenna) w aldehydach (łatwiejsze
podejście nukleofila).
90°
acetaldehyd
90°
aceton
RJC
8
Diagram Energetyczny Reakcji
Szybkość reakcji jest zdeterminowana przez
wartość energii aktywacji ∆G‡; równowaga
pomiędzy produktami i substratami jest określona
energią końcowych produktów (względem
o
substratów), czyli wartością ∆G .
OH
R C
Nu
Energia
O
C
R
R
∆G
‡
Postęp reakcji
∆G
o
R
RJC
Na Przykład ... Aceton
9
Dodatnia wartość + ∆G oznacza reakcję
endotermiczną, w której, w stanie równowagi,
preferowane są substraty.
o
OH
CH3
C
Nu
energia
O
C
CH3
CH3
postęp reakcji
∆G
o
CH3
RJC
Na Przykład ... Formaldehyd
10
Ujemna wartość -∆G oznacza reakcję
egzotermiczną, w której stan równowagi preferuje
produkty.
o
−∆Go
energia
OH
O
H
C
H
H
postęp reakcji
C
Nu
H
RJC
Wpływ pH na Szybkość Reakcji
11
Szybkość reakcji addycji nukleofilowej do grupy C=O jest
uzaleŜniona od wartości pH.
Warunki obojętne
: brak aktywacji
Warunki kwasowe
: aktywują substrat
karbonylowy
Warunki zasadowe
: aktywują nukleofil
RJC
Odczyn Obojętny
12
Ani nukleofil, ani substrat karbonylowy nie
ulegają aktywacji.
O
O
Nu
C
R
R
R C
Nu
+H
R
OH
R C
Nu
R
RJC
Odczyn Kwasowy
13
Atom tlenu w grupie C=O jest protonowany,
wskutek czego staje się ona ‘uaktywniona’ wobec
odczynnika nukleofilowego (bardziej podatna na
atak nukleofila).
O
+H
C
R
R
R
OH
OH
C
C
R
Nu
R
R
RJC
Na Przykład ... Aceton
14
Aktywacja kwasowa powoduje, Ŝe woda jako
słaby nukleofil reaguje z acetonem dając jego
hydrat.
O
OH
+H
CH3
CH3
-H
CH3
-H2O
OH
CH3
OH
CH3
-H
+H2O
OH
+H
CH3
CH3
CH3
OH2
RJC
15
Odczyn Zasadowy
Słabe nukleofile mogą ulec deprotonowaniu przez
zasadę, dając lepsze (bardziej aktywne) nukleofile
anionowe.
NuH + B
Nu + BH
RJC
16
Na Przykład ...
Słaby nukleofil H2O moŜe zostać przeprowadzony
w silniejszy nukleofil, jakim- jest anion
hydroksylowy HO .
H2O + B
HO + BH
RJC
17
Reakcje Prowadzące do Utworzenia
Wiązania C-C
Reakcje prowadzące do utworzenia wiązania σ
C-C mają wyjątkowe znaczenie w syntezie
organicznej; addycje nukleofilowe do grupy
karbonylowej są jednym z najlepszych rozwiązań
tego problemu;
Otrzymywanie Cyjanohydryn
Reakcje z Odczynnikami Grignarda
RJC
Cyjanohydryny
18
Anion cyjankowy reaguje z aldehydami oraz
niezatłoczonymi ketonami dając produkty addycji
w postaci odpowiedniej cyjanohydryny.
O
O
CN
C
R
R
R C
CN
+H
R
OH
R C
CN
R
RJC
19
Cyjanohydryny jako WaŜne Substraty w
Syntezie Organicznej
Hydroliza cyjanohydryn prowadzi do otrzymania
kwasu karboksylowego, który w wyniku dalszej
redukcji moŜe zostać przeprowadzony w inne
pochodne.
OH
R C
CN
OH
R
R C
OH
R
CO2H
R C
R
CH2OH
RJC
Odczynniki Grignarda
20
Halogenki alkilowe (równieŜ arylowe) reagują z Mg
w warunkach bezwodnych (najlepiej w absolutnym
eterze dietylowym lub THF) dając tzw. ‘odczynniki
Grignarda’ (związek magnezoorganiczny).
CH3Br + Mg
CH3MgBr
Addycje Nukleofilowe Odczynników
Grignarda
RJC
21
Odczynniki Grignarda reagują z aldehydami oraz z
ketonami dając odpowiednio alkohole II- lub IIIrzędowe. Reakcja z formaldehydem (aldehydem
mrówkowym) prowadzi do alkoholu I-rzędowego
O
CH3MgBr
R C
C
R
O MgBr
R
CH3
R
+H
OH
R C
CH3
R
RJC
22
Pochodne Azotowe Związków Karbonylowych
Aldehydy oraz ketony są często cieczami; w celu
charakteryzacji często są one przeprowadzane w
krystaliczne pochodne, takie jak:
Semikarbazony
Oksymy
2,4-Dinitrofenyhydrazony
RJC
Semikarbazony
23
Semikarbazyd (zaznaczony na niebiesko) łatwo
reaguje z ketonami oraz aldehydami dając jako
produkty addycji (z następną eliminacją wody)
krystaliczne semikarbazony.
O
O
O
+ NH2NHCNH2
C
R
R
N-NHCNH2
-H2O
C
R
R
RJC
Oksymy
24
Hydroksylamina NH2OH reaguje z ketonami oraz
aldehydami dając, w podobny sposób, czyli wg
schematu addycja/eliminacja) oksymy
(charakterystyczna grupa funkcyjna C=NOH).
O
+
C
R
R
N-OH
-H2O
NH2OH
C
R
R
RJC
2,4-Dinitrofenylohydrazony
25
2,4-dinitrofenyhydrazyna reaguje z ketonami oraz
aldehydami dając krystaliczne pochodne
nazywane 2,4-dinitrofenyhydrazonami.
NH-NH2
O
+
C
R
NO2 -H O
2
R
C N-NH
R
NO2
R
NO2
NO2
RJC
26
Inne Pochodne Zawierające Atom Azotu
Ketony oraz aldehydy reagują z alkilo- lub aryloaminami (I- oraz II-rzędowymi) dając jako
produkty addycji/eliminacji iminy (z amin Irzędowych) lub enaminy (z amin II-rzędowych)
Iminy
Enaminy
RJC
Iminy
27
Są produktami powstającymi z aminy I-rzędowej
oraz ketonu lub aldehydu.
O
+
C
R
R
N-R
-H2O
R-NH2
C
R
R
RJC
Enaminy
28
Są produktami reakcji ketonu lub aldehydu z
aminami II-rzędowymi. Warunkiem ich
powstawania jest obecność atomu wodoru w
pozycji α, w cząsteczce związku karbonylowego
R
O
C
R
+
CH3
-H2O
R2NH
N
R
C
R
CH2
RJC
29
Podsumowanie
Addycje nukleofilowe do grupy C=O
Nukleofile z ładunkiem vs nukleofile obojętne
Rola zawady sterycznej
Szybkość reakcji a wartość pH, równowagi
Otrzymywanie cyjanohydryn oraz ich wykorzystanie
Reakcje grupy C=O z odczynnikami Grignarda
Semikarbazony oraz oksymy
2,4-Dinitrofenylohydrazony
Iminy oraz enaminy