3.11 - ADDITIE AAN DE GEPOLARISEERDE π-BINDING: DE CARBONYLGROEP

McMurry - hoofdstuk 19 (604 - 649)

naamgeving

zie deel 1 — IUPAC NAAMGEVING

carbonylgroep

• aldehyden en ketonen

• binding wordt ook wel een gepolariseerde π-binding genoemd

  • C heeft δ⁺ ; nucleofiele aanval mogelijk

  • O heeft δ^- ; zwakke base (zuur-base)

bereiding aldehyden

• oxidatie 1° alc

• ozonisatie alkenen

• partiële reductie carbonzuurderivaten

aldehyde — oxidatie 1° alc

• Cr(VI) oxidatie

  • alc + CrO₃ → chromaatester

  • chromaatester + PCC →

    • aldehyde

    • Cr(IV) → Cr(III)

aldehyde — ozonisatie alkenen

aldehyde — partiële reductie carbonzuurderivaten

• partiële reductie;

  DIBAH in tolueen

  • ester/zuurchloride → aldehyde

‎

• volledige reductie;

  LiAlH₄ in ether

  • ester/carbonzuur/zuurchloride → aldehyde → 1° alc

bereiding ketonen

• oxidatie 2° alc

• ozonisatie alkenen

• hydratatie alkynen

• reactie zuurchloride met diorganokoper reagens

keton — oxidatie 2° alc

• Cr(VI) oxidatie

  • alc + CrO₃ → chromaatester

  • chromaatester + PCC →

    • keton

    • Cr(IV) → Cr(III)

keton — ozonisatie alkenen

keton — hydratatie alkynen

• zuurgekatalyseerde hydratatie

  • + H₂O

  • katalysatoren; HgSO₄ en H₂SO₄

    ‎

• Markovnikov

• opm; alkyn → enol → keton;

  via keto-enol tautomerie

keton — reactie zuurchloride met diorganokoper reagens

• = Gilman reagentia

• (R)₂CuLi; lithium diorganokoperverbindingen

‎

• Cl wordt vervangen door R

carbonylgroep

• aldehyden en ketonen

• binding wordt ook wel een gepolariseerde π-binding genoemd

  • C heeft δ⁺ ; nucleofiele aanval mogelijk

  • O heeft δ^- ; zwakke base (zuur-base)

carbonylgroep — bindingen

• C en O

  • SG = 3 → sp²

  • vlakke structuur

    ‎

• C = O

  • σ-binding = overlap tss 2 v/d 3 sp²-orbitalen

  • π-binding = (zijdelingse) overlap tss 2 overige p-orbitalen

homo- vs heterolytische splitsing

• homolytisch

  • elke bindingselektron gaat naar één van de atomen → vorming van radicalen

    ‎

• heterolytisch

  • beide elektronen gaan naar één atoom → vorming van ionen

dubbele binding — eigenschappen

• sterke binding

  • moeilijk homolytisch te splitsen

  • thermodynamisch aspect; dubbele binding bevat meer energie dan enkele

    ‎

• reactieve binding

  • vlot heterolytisch te splitsen

  • kinetisch aspect; π-elektronen zijn toegankelijk en reageren vlot

carbonylgroep — nucleofiele additie

• nucleofiel valt aan op koolstof;

  • langs boven

  • langs onder

• gevormde producten;

  • identiek

  • enantiomeren (één stereogeen centrum)

  • diastereomeren (meerdere stereogene centra)

carbonylgroep — nucleofiele additie

• nucleofiel valt aan op koolstof carbonylgroep;

  • sp² → sp³

• dubbele binding verdwijnt;

  • 1 σ-binding + 1 π-binding → 2 σ-bindingen

    ‎

• vaak afwerking met zuur/H₂O; leidt tot vorming alcohol

  • formaldehyde → 1° alc

  • aldehyde → 2° alc

  • keton → 3° alc

carbonylgroep — zuur-base

• Brønstedzuur

  • H⁺ afgeven

• Lewiszuur

  • e^- opnemen

mogelijke reacties — samengevat

uitleg

relatieve reactiviteit

• aldehyden reactiever dan ketonen

  (bij nucleofiele additie);

  • sterische redenen

  • elektronische redenen

    ‎

• opm; niet-aromatische structuren minder reactief door resonantie

sterische redenen

• aldehyde minder sterische hinder;

  • 1 vs 2 substituenten

  • nucleofiel makkelijker naderen

  • TTS intermediair lager in E

elektronische redenen

aromatisch vs niet-aromatisch — resonantie

• hoe meer resonantiestructuren, hoe stabieler, en dus ook hoe minder reactief

  • aromatische structuren hebben meer mogelijke resonantiestructuren

types nucleofielen (2)

• geladen

• neutraal

geladen nucleofiel — stabiliteit

• lage pKz H-Nu → stabiel nucleofiel

  • endotherme reactie; irreversibel

  • zwakke σ-binding gevormd

    ‎

• gemiddelde pKz H-Nu

  • matig endo-/exotherme rectie; reversibel

    ‎

• hoge pKz H-Nu → onstabiel nucleofiel

  • exotherme reactie; irreversibel

  • sterke σ-binding gevormd

neutraal nucleofiel

• HOH = water

  • → hydraat = geminaal diol; HO-C-OH‎

• ROH = alcohol

  • → acetal; RO-C-OR

• RNH₂ = primair amine

  • → imine; C=N-R

• R₂NH = secundair amine

  • → enamine; C=C-NR₂

aanval geladen vs neutraal nucleofiel

• geladen nucleofiel

  • afwerking adhv zuur → alc

    ‎

• neutraal nucleofiel

  • H (nucleofiel) verplaatst naar O^-

  • -H₂O

  • product; hydraat, acetal, imine of enamine

nucleofiele additie — koolstofnucleofielen

• organometaalverbinding

• fosforyliden

• HCN-additie

organometaalverbinding — types

• Grignardreagens;

  • R - Mg - X

• Organozink;

  • R - Zn - X

• Organolithium;

  • R - Li

• Gilman reagens = organokoperreagens

  • R₂CuLi

organometaalverbinding

• bereiding organometaalreagens

  • Mg wordt toegevoegd om Grignard reagens te vormen (bij halogeen); maakt van carbonyl betere acceptor

    ‎

• nucleofiele additiereactie

  ‎

• protonatie

  • door H₂O of zwak zuur

  • vorming alcohol

fosforyliden — Wittig reactie

fosforyliden — Wittig reactie

• aldehyde/keton + fosforylide → alkeen

  • C^- v/d fosforylide valt C carbonyl aan

  • O^- en P⁺ trekken elkaar aan → box

  • alkeen + P=O

    ‎

• ylide

  • bevat + en -lading naast elkaar;

  • zorgt voor stabiliteit

• fosforylide

  • = ylide met fosfor

  • vb. P(Ph)₃ = trifenylfosfine

fosforylide — vorming

• halogeenalkaan bevat;

  • willekeurig halogeen

  • aantal toe te voegen koolstoffen

HCN-additie

• vorming cyaanhydrinen

  • HO - C - CN

nucleofiele additie — zuurstofnucleofielen

• additie H₂O

• additie alcoholen

additie H₂O

• vorming hydraten

  • HO - C - OH

    ‎

• traag in zuiver water,

  katalyse door zuur/base

basegekatalyseerde hydratatie

• nucleofiele additie

• zuur-base

zuurgekatalyseerde hydratatie

• protonatie

• nucleofiele additie

• deprotonatie

additie alcoholen

• vorming acetalen

  • RO - C - OR

‎

• zie ook 4.1 - CARBO- OF KOOLHYDRATEN

  • keton/aldehyde + 2 R-OH → acetal + H₂O

    • intermediar = hemi-acetal

  • omgekeerde reactie = hydrolyse

aldehyde → hemi-acetal — stappen

1. zuur-base; protonering carbonylgroep

2. nucleofiele additie; aanval alcohol (SBS)

3. zuur-base; vorming hemi-acetal

aldehyde → hemi-acetal — uitwerking

hemi-acetal → acetal — stappen

1. zuur-base; protonering hydroxylgroep

2. eliminatie; vorming oxonium-ion

3. nucleofiele additie; aanval alcohol

4. zuur-base; deprotonering

hemi-acetal → acetal — uitwerking

vorming acetal — beïnvloedende factoren

• we kunnen evenwicht meer naar rechts verschuiven door;

  • [ROH] ↗ én/of [H₂O] ↙

  • inspelen op entropiefactor; dalende entropie is ongunstig; 2 ⇄ 2 > 3 ⇄ 2

    • 1× keton/aldehyde + 2× ROH → acetal

    • 1× keton/aldehyde + 1× diol → afscherming

      ‎

• opm; reactie gebeurt onder zure katalyse; versnelt reactie, maar verplaatst evenwicht niet

hydrolyse acetal

• acetal → hemi-acetal → keton/aldehyde

  • = PAD-PEAD omgekeerd

  • = PEAD - PED

hydrolyse — ether vs acetal

• let goed op, want beide lijken op elkaar

  • ether zal reactie niet of nauwelijks doorgaan

  • acetaal → hemi-acetal → keton/aldehyde

    • via omgekeerd PAD-PEAD

nucleofiele additie — stikstofnucleofielen

• additie amines

additie amines

• primair amine → imine

• secundair amine → enamine

iminevorming

• PAD - PED

  • op N of O

  • enkel O leidt tot eindproduct

iminevorming — invloed pH

enaminevorming

imine- vs enaminevorming — opm

• verlopen grotendeels via zelfde mechanisme;

  • activatie carbonyl (door protonatie)

  • aanval amine

  • deprotonatie amine

  • protonatie OH tot H₂O als LG

‎

• varschil in laatste stap;

  • 1° amine; deprotonatie amine

  • 2° amine; base neemt H van α-koolstof

geconjugeerde nucleofiele additie

• α,β-onverzadigde aldehyden/ketonen

• amines

• alkylgroepen; organokoper reacties

α,β-onverzadigde aldehyden/ketonen — filmpje (7 min)

α,β-onverzadigde aldehyden/ketonen

• nucleofiel kan op twee plaatsen aanvallen;

  • koolstof van carbonyl; δ⁺ door ΔEN

  • β-koolstof; +lading door resonantie

    ‎

• afhankelijk van nucleofiel waar aangevallen wordt;

  • sterk nucleofiel; directe aanval (carbonyl)

  • zwak nucleofiel; geconjugeerde aanval (β)

sterk vs zwak nucleofiel

• sterk

  • Grignard (MgBr), organolithium, LiAlH₄

• zwak

  • alcohol, water, alkoxides, hydroxide, amines, thiolen, cyaniden, Gilman ((R₂)CuLi)

geconjugeerde aanval — voorbeeld

• let op; protonatie

  • niet op zuurstof carbonyl

  • wel op α-koolstof

enantioselectieve additie

• = additie waarbij één enantiomeer voorkeursmatig wordt gevormd ipv racemisch mengsel (50/50)

  ‎

• maakt gebruik van chirale katalysator;

  • "dwingt" de reactie in een bepaalde 3D-richting

oef — enkele opm

• voor reacties bij carbonyl heb je nucleofiel nodig

  • alkyn + carbonyl → x

  • alkyn + base → nucleofiel + carbonyl → …

• als protonatie carbonyl mogelijk is, voer je die eerst uit; op die manier kan nucleofiel nog beter aanvallen

• H₂O kan op zichzelf molecule verlaten als LG

• (de)protonatie gebeurt altijd via zuur/base in opl

oef 5 WC3 — opm

• keten verlengen kan op 2 manieren;

  • nucleofiele additie

  • nucleofiele substitutie

• afhankelijk van waar O moet komen;

  • op 1^e C gebruik je carbonyl + Grignard

    • (form)aldehyde / keton

    • je verkrijgt 1°, 2° of 3° alc

  • op 2^e C gebruik je epoxide + nucleofiel