6. Aldehidi i Ketoni

6. ALDEHIDI I KETONI. NUKLEOFILNA

ADICIJA NA KARBONILNU SKUPINU

(AdNu)

2

Aldehidi i ketoni

� Sadrže karbonilnu skupinu:

O

C

R H

aldehidi

� Opća formula:

ketoni

O

C

R R'

OC

R, R’ = alkil, alkenil,aril...

� Mnogi spojevi u prirodi sadrže aldehidnu ili keto skupinu i često sumirisne komponente:

vanilin

(miris vanilije)

cinamaldehid

(miris cimeta)kamfor

O H

C

benzaldehid

(gorki badem)

3

Predstavnici

� U kemijskoj industriji koriste se kao otapala i reagensi za sinteze

O

C

H3C CH3

aceton

(dimetilketon)

O

C

H3C H

formaldehid

OTAPALOFORMALIN – 37% vodena

otopina plina formaldehida

DEZINFICIJENS

O

C

H H

acetaldehid

ZA PROIZVODNJU

octene kiseline, polimera itd.

� Ugljikohidrati su polihidroksialdehidi i polihidroksiketoni

D-glukoza D-fruktoza

4

Reaktivost karbonilnih spojeva

OCδ+ δ¯

� potječe od elektronegativnosti kisikova atoma što uzrokuje polarizacijudvostruke veze između ugljika i kisika

dipolni moment μ = 2,5 D

� Karakteristične reakcije su iz tog razloga nukleofilne adicije, pri čemupostoji mogućnost reakcije adicije nukleofila, odnosno reakcije adicije protona (elektrofila) na C=O dvostruku vezu.

OC OC

δ+ δ¯ + –rezonancijske strukture

(polarnost veze C=O)

5

� Elektrofilan C-atom je sp2-hibridiziran i planaran, te otvoren za napadnukleofila sa druge strane dvostruke veze, pri čemu se njegovahibridizacija mijenja iz sp2 u sp3. Elektroni iz π-veze su potisnuti na kisikov atom, pri čemu nastaje alkoksid-ion, koji nadalje reagira saelektrofilom (obično protonom) dajući produkt (alkohol).

Nu:¯

C O

RR

Nu

alkoksid-ion


� U većini reakcija zbivaju se obje adicije (Nu i E).

U baznoj i neutralnoj sredini:

događa se prvo adicija jakog nukleofila

AdNu

C O

RR

Nu

EE

+

sp2

sp3

6


U kiseloj sredini:

reakcija se odvija kada je prisutan slabi nukleofil i prvo

se adira elektrofil (proton iz kiseline)

sp2

E+

C O

R

R

E C O

R

R

E+

+

AdNuC O

RR

Nu

E

NuH:

� Kada je kisik iz karbonilne skupine protoniran, ugljik karbonilne skupinepostaje izrazito elektrofilan i kao takav pogodan za reakciju sa slabim nukleofilom.

elektrofilan

ugljik

7


� Aldehidi su reaktivniji od ketona prema nukleofilnoj adiciji i reagirajupuno brže, pri čemu je ravnoteža reakcije više pomaknuta u desno,u stranu produkta, nego što je to slučaj u reakcijama s ketonima.

Zbog čega

� Aldehidi sadrže samo jednu elektron-donorsku alkilnu skupinu, pa jealdehidna karbonilna skupina nešto elektronima siromašnija, a time iviše elektrofilna nego što je to keto skupina. Isto tako, ta jedna alkilnaskupina manje zasjenjuje karbonilni ugljik za napad nukleofila, nego štoje to slučaj kod ketona koji ima dvije alkilne skupine (sterički efekt).

C

O

R HC

O

R R

elektrofilniji manje elektrofilan

REAKTIVNIJI MANJE REAKTIVAN

8

GLAVNE REAKCIJE

CIJANHIDRINSKA SINTEZA

ADICIJA ALKOHOLA

(nastajanje poluacetala/poluketala

i acetala/ketala)

ADICIJA HIDRIDA

(redukcija)

GRIGNARDOVA REAKCIJA

ALDEHIDI

ili

KETONI

+ H-CN

+ ROH/H+

+ LiAlH4 ili NaBH4

+ RMgX/ H+

9


� Adicija cijanovodika (HC≡N) na aldehide i ketone uz nastajanjeprodukta cijanhidrina, koji ima jedan C-atom više od reaktanta

Brzina i mehanizam reakcije:

reakcija 2. redav = k x x CN–

OC

CH3

CH3

� Cijanidni-ion (¯CN) je jaki nukleofil i reakcija se odvija u baznommediju. Prvo se u sporom stupnju događa adicija nukleofila ¯CN uznastajanje međuprodukta alkoksida, koji onda protoniranjem u brzomstupnju prelazi u produkt – cijanhidrin.

� Cijanovodik je vrlo otrovan, pa se koriste vodene otopine NaCN ili KCN

• Adicija HCN na dimetilketon (aceton):

10


(1) O

C

H3C CH3

C Nsporo

+ C NC

O

CH3

H3C

(2)

C NC

O

CH3

H3C C NH+brzo

C NC

OH

CH3

H3C + C N

ALKOKSID

(međuprodukt)

CIJANHIDRIN

HCN/ NaCN

• BIMOLEKULSKI mehanizam:

� Cijanhidrinske reakcije su izrazito reverzibilne, te male promjene struktureznatno utječu na ravnotežu reakcije (i iskorištenje).

11

CIJANHIDRINI U PRIRODI

� Organski spojevi koji sadrže cijano-skupinu (–C≡N) nazivamo NITRILIMA.Cijanhidrin je onda α-hidroksinitril.

� Prisutni su u nekim vrstama voća (sjemenkama trešnje, breskve, šljive, marelice). Miris i gorak okus sjemenki badema potječe od benzaldehidai njegova cijanhidrina.

� Vrsta afričke stonoge izlučuje smjesu HCN-a (otrov) i benzaldehida kako bi se obranila od grabežljivaca. Pohranjuje benzaldehid-cijanhidrin kaoobrambenu tekućinu u poseban spremnik. Kada je napadnuta, izbacujetekućinu pri čemu se odmah aktivira enzim koji katalizira pretvorbucijanhidrina u HCN i benzaldehid.

12

ADICIJA ALKOHOLA

� Adicijom 1 mola alkohola na karbonilnu skupinu aldehida ili ketonanastaje poluacetal ili poluketal pri čemu se kisikov atom alkoholaveže na C-atom supstrata uz redukciju karbonilne skupine u hidroksilnu.

� Adicijom 2 mola alkohola na karbonilnu skupinu aldehida ili ketonanastaje acetal ili ketal.

� Kako je alkohol slabi nukleofil, nužno je da se reakcija odvija u kiselom

mediju.

13

ADICIJA ALKOHOLA

• Adicija metanola na acetaldehid:

CH3CHO + CH3OH + CH3OH

POLUACETAL ACETAL

• Adicija etanola na propan-2-on (aceton):

C

O

H3C CH3

+ C2H5OH

HCl HCl

HCl+ C2H5OH

HCl

POLUKETAL KETAL

ALDEHID

KETON

HC

OH

H3C

OCH3

HC

OCH3

H3C

OCH3

CH3C

OH

H3C

OC2H5

CH3C

OC2H5

H3C

OC2H5

14

Reakcijski mehanizam adicije alkohola

OC

H3C

H

+ H+ OHC

H3C

H

+OHC

H3C

H

+

OHCH3

OHC

CH3

H

CH3O

H

+

OHCH3

OHC

CH3

H

CH3O

POLUACETAL

� Kiselina protonira karbonilni kisik, pri čemu karbonilni ugljik postajeelektrofilniji (+ naboj na C-atomu) za reakciju sa slabim nukleofilom.Nakon deprotoniranja stvorenog međuprodukta nastaje poluacetal.

OHCH3

H

+

+

15


OHC

CH3

H

CH3O

H+ OHC

CH3

H

CH3O

H

+

C

CH3

H

CH3O

+

OH2+ +

C

CH3

H

CH3O+

OHCH 3

OCH3C

CH3

H

CH3OH

+

OHCH3

OCH3C

CH3

H

CH3O

ACETAL

POLUACETAL

16


� Protoniranjem OH-skupine poluacetala stvara se voda, koja kao dobraodlazeća skupina izlazi iz molekule. Stvara se vrlo reaktivni međuproduktsa elektronski-osiromašenim C-atomom (+ naboj na C-atomu). Nukleofilnimnapadom druge molekule alkohola na takav međuprodukt uz naknadnodeprotoniranje, nastaje acetal.

� Acetali i ketali se hidroliziraju natrag u aldehide i ketone u kiselojvodenoj otopini

� Nastajanje poluacetala i poluketala nisu energetski povoljni procesi (konstanta ravnoteže K < 1)

� Za razliku od acikličkih, ciklički poluacetali i poluketali su stabilniji ienergetski povoljniji (konstanta ravnoteže K > 1)

17

Ciklički poluacetali/poluketali i acetali/ketali

O

H

HO

H

HO

H

H

HOH

CH2OH

OH1

23

45

6C

H O

OH

OH

OH

HO H

H

H

CH2OH

H

1

2

3

4

5

6

� Ugljikohidrati se uglavnom pojavljuju kao ciklički poluacetali ili poluketali.npr: OH-skupina na 5. C-atomu monosaharida glukoze se adira na karbonilni C-atom, pri čemu nastupa ciklizacija i redukcija aldehidne skupine u poluacetalnu OH-skupinu.

D-glukoza

(monosaharid)

poluacetalna

OH-skupina

ciklički oblik

0,5 % 99,5 %

18

Ciklički poluacetali/poluketali i acetali/ketali

� Pri povezivanju monosaharida u disaharide, stvaraju se acetali.

O

H

HO

H

HO

H

H

HO

CH2OH

OH

O

H

H

HO

H

H

HOH

CH2OH

OH

poluacetalacetal

� Cikloheksanon u reakciji sa etilen-glikolom daje ciklički ketal:

O + HOCH2CH2OHO

OOH2+

cikloheksanon 1,2-etandiol

(etilen-glikol)ciklički ketal

19

ADICIJA HIDRIDA - redukcija

� Redukcijom aldehida/ketona dobivaju se ALKOHOLI, a oksidacijomKARBOKSILNE KISELINE:

OCH O

OHC

H

C

OH

O

� Adicijom hidridnog-iona na aldehide i ketone nastaje alkoksid-ion, kojiprotoniranjem dodatkom kiseline prelazi u alkohol.

C

O

R R

H+

O

C H

R

RH+

OH

C H

R

R

KETON ALKOKSID-ION ALKOHOL

20


� Kao izvor hidridnih-iona koriste se metalni hidridi i to najčešće:Litij-aluminij-hidrid (LiAlH4) reaktivniji (reducira razne funkcijske skupine)Natrij-bor-hidrid (NaBH4) selektivniji (slabije reaktivan)

PhCH=CHCHOLiAlH4

NaBH4PhCH2CH2CH2OH PhCH=CHCH2OH

• LiAlH4 (LAH) će reducirati i dvostruku vezu i aldehidnu skupinu, dokNaBH4 će reducirati aldehidnu skupinu, a dvostuka veza ostaje netaknuta.

21


� Aldehidi se reduciraju do 1° alkohola, a ketoni do 2° alkohola:

C

O

CH3CH2 H

NaBH4

H3O+

OH

C H

H

CH3CH2 1° ALKOHOL

(propanol)

C

O

CH3CH2CH2CH3

NaBH4

H3O+

OH

C CH2CH3

H

CH3CH2

KETON

ALDEHID

2° ALKOHOL

(pentan-3-ol)

22

Stereokemija redukcije s hidridom

O

CH3CH2

CH3

HC

CH2CH3

OHCH3H

*C

CH2CH3

OHCH3

H*

50% 50%

� Zbog planarne geometrije acikličkih aldehida i ketona, hidrid možereagirati i s gornje i sa donje strane molekule tokom redukcije.Ako sp2 hibridizirani C-atom prelazi u KIRALNI sp3 hibridizirani, nastatiće smjesa ekvimolarnih količina jednog i drugog enantiomera –RACEMIČNA OPTIČKI INAKTIVNA SMJESA.

R-enantiomer S-enantiomer

23

Organometalni spojevi

� Spojevi u kojima je metal vezan za ugljik : M—C

� Biološki važni spojevi koji sadrže metale su i hemoglobin i klorofil:

HEMOGLOBIN KLOROFIL

� Mnogi organometalni spojevi su otrovni (živine soli-ekološki problem)

24

Organometalni spojevi

� C-atom je elektronegativniji od većine metala, što rezultira POLARNOŠĆUVEZE:

MCδ¯ δ+

� Reaktivnost organometalnih spojeva raste s ionskim karakterom vezeC—M i možemo ih smatrati donorima karbaniona.

� Predstavnici: RMgBr, RLi, R2Cd

25

GRIGNARDOVA REAKCIJA

� Adicija Grignardovog nukleofila na karbonilnu skupinu aldehida i ketonarezultira nastankom nove C-C veze (produljenje ugljikovog lanca) uzredukciju karbonila u alkohol.

� Grignardov reagens: RMgX R = alkil; X = halogen

� Reakcijom RMgX na aldehide nastaju 1° ili 2°, a na ketone 3° alkoholi:

CH3CH2MgBr

+ OC

H

H

+ OC

H3C

H

OC

H3C

H3C+

HCl

HCl

HCl

CH3CH2CH2OH

OHCH

CH3

CH3CH2

CH3

C OHCH3CH2

CH3

1° ROH

2° ROH

3° ROH

26

Reakcijski mehanizam Grignardove reakcije

δ+

δ¯O

C

H3C CH3CH3

MgBrδ+

δ¯ C

OMgBr

CH3CH3 CH3

H3O+

C

OH

CH3CH3 CH3

• Adicija metilmagnezijevog bromida na aceton:

� Adicijom organskog dijela Grignardovog reagensa (nukleofila) na karbonilni ugljik nastaje alkoksid-ion, koji je kompleksiran samagnezijevim-ionom. Hidrolizom takvog kompleksa nastaje produkt,alkohol.

27

1. S.H. Pine, Organska kemija, Školska knjiga, Zagreb, 1994.2. V. Rapić, Nomenklatura organskih spojeva, Školska knjiga, Zagreb, 2004.3. P. Y. Bruice, Organic chemistry, 4th edition, Prentice Hall, New Jersey, 2004.4. L.G. Wade, Organic Chemistry, 6th Edition, Prentice Hall, New Jersey, 2006.5. J. McMurry, Organic Chemistry, 7th Edition, Thomson Brooks/Cole, 2008.

LITERATURA

6. Aldehidi i Ketoni

Documents