Aldoolreaktsioonid (3)

10. Aldoolreaktsioonid
Karbonüülrühma -vesinike happelisus Karbonüülühendite teiseks oluliseks iseloomuks on karbonüülrühmaga külgnevate süsinikuaatomite juures olevate vesinike happelisus. Selliseid vesinikuaatomeid nimetatakse -vesinikeks.
O H O
R C C C R
H Karbonüülrühma -vesinike happelisuse põhjused on lihtsad. Karbonüülrühm on tugev elektronaktseptoorne rühm ja kui karbonüülühendist eraldub - prooton , siis tekkinud anioon on resonantsi poolt stabiliseeritud. Aniooni negatiivne laeng on delokaliseerunud.
.. - .. .. - :O H :B :O :O : -.. C C C C C C + H B A B Resonantsi poolt stabiliseeritud
Struktuuris A on negatiivne laeng süsinikul ja struktuuris B on negatiivne laeng hapnikul . Kuigi tegelikult esineb hübriidstruktuur on B siiski eelistatum , kuna süsinik- hapnik -side on suhteliselt nõrgem süsinik-süsinik - sidemest . Struktuuri B osatähtsus hübriidstruktuuris on suurem, kuna hapnik oma suure elektronegatiivsuse tõttu on võimeline paremini hoidma negatiivset laengut. Kui resonants -stabiliseeritud anioon liidab prootoni, võib see toimuda kahel viisil: a) kui prooton seotakse süsinikule ja moodustub algne karbonüülühend nimetatakse keto -vormiks; b) kui prooton seotakse hapnikule moodustub enool-vorm. Resonants- stabiliseeritud aniooni nimetatakse enolaataniooniks. Prooton Prooton liitub liitub
O C C + HB enolaatanioon
HO O H - - C C + B: C C + B:
enool-vorm keto-vorm
Karbonüülühendite keto- ja enool-vormid on spetsiifilist tüüpi struktuuri-isomeerid. Nad võivad kergesti üle minna ühest olekust teise happe või aluse jääkide juuresolekul. Neid vorme nimetatakse tautomeerideks ja sellist üleminekut tautomeeriaks. Keto-enoolne tautomeeria on tasakaaluolek . Lihtsates monokarbonüülühendites on ülekaalus keto-vorm. Aga näiteks - dikarbonüülühendites on enoolvormi osakaal suurem.
O O OH O
CH CCH2CCH CH 3C CHCCH3 3 3
pentaan -2,4-dioon enool-vorm (24%) (76%)
Reaktsioonid üle enoolide ja enolaatanioonide Enolisatsioon võib toimuda nii alus- kui ka happe-katalüütiliselt.
Alus-katalüütiline: .. .. - .. O: :O : H OH :O H .. - C C C C C C .. : + HO H .. - Ketoon Enolaat- Enool anioon .. : HO ( kiraalne ) (akiraalne) (akiraalne)
Happe-katalüütiline .. ..+ .. O: H O H +.. :O H O H .. + C C + H C C C C + H O H
H Ketoon H H .. Enool (kiraalne) :O H (akiraalne)
H
Kuna happe või aluse juuresolekul toimub ketooni muutumine pöördumatult enooliks, kaotavad optiliselt aktiivsed ühendid aktiivsuse, toimub ratsemisatsioon.
- halogeenimine Ketoonid, millel on -vesinikud, reageerivad halogeenidega, toimub asendus. Halogeenimisreaktsiooni kiirus suureneb, kui lisada hapet või alust. Samuti sõltub reaktsiooni kiirus halogeeni kontsentratsioonist.
H O X O hape C C + X2 või alus C C + HX
Haloformi reaktsioon Metüülketoonide reaktsioonil halogeenidega aluse juuresolekul esineb mitmeetapiline halogeenimine metüülrühma süsiniku juures, kuna esimese halogeeni sisseviimise järel muutuvad ülejäänud -vesinikud veelgi happelisemaks. :O: H :O: :O: X - ..- X X - C C H + :B C C H C C H + X H H H
-.. :O : H C C H enolaat- anioon
:O: X :O: X :O: X - - X X - C C H + :B C C: C C X + X H H H - happelisus on suurenenud :B, siis X 2 halogeeniaatomi elektro- negatiivsuse tõttu -.. :O : H :O: X C C H C C X enolaat- X anioon
Metüülketoonide reageerimisel halogeenidega naatriumhüdroksiidi keskkonnas toimub veel lisareaktsioon. Hüdroksiidiooni atakk karbonüülrühma süsinikule, mis on omakorda seotud kolme halogeeniaatomiga, põhjustab süsinik-süsinik sideme katkemise. Trihalometüülrühm on suhteliselt hea lahkuv rühm. Viimases etapis toimub prootoni ülekanne, moodustub haloform (kollane sade). .. :O: X :O : X - .. C C X + : OH .. C C X X .. X :OH
:O : X - C .. + :C X :O H X
:O : X
C .. - + H C X :O : X Karboksülaat- Haloform anioon
See reaktsioon on aluseks metüülketoonide (ja metüül- sekundaarsete alkoholide) laboratoorseks klassifikatsiooniks.
Aldoolreaktsioon: enolaatanioonide liitumine aldehüüdidele ja ketoonidele Aldehüüdi reaktsioonil toatemperatuuril NaOH vesilahuse juuresolekul toimub dimerisatsioon, kusjuures saadud ühend sisaldab nii aldehüüdrühma (ald) kui ka alkohol -rühma (ool), seetõttu nimetatakse produkti aldooliks.
I etapp
.. - :O: :O: :O: .. - - .. .. : + H CH2 C H H O :CH2 C H CH2 C H + H O: H enolaatanioon
Selles etapis eemaldab alus (hüdroksiidioon) ühelt molekulilt atseetaldehüüdi - süsinikult prootoni, saadakse resonantsi poolt stabiliseeritud enolaatanioon. II etapp
.. - :O : :O : :O : :O : - CH3 C H + :CH2 C H CH3 CH CH2 C H
alkoksiidanioon .. - :O :
CH2 C H
Seejärel atakeerib enolaatanioon kui nukleofiil (karbanioon) teise molekuli atseetaldehüüdi karbonüülrühma süsinikku (eletrofiil), saadakse alkoksiidanioon.
III etapp
.. - .. O: :O: :O H :O : .. - .. CH3 CH CH2 C H+ H O .. H CH3 CH CH2 C H + :O.. H
tugevam alus aldool nõrgem alus
Alkoksiidanioon eemaldab prootoni vee molekulilt, moodustub aldool.
Aldoolprodukti dehüdraatumine. Kui aldoolprodukti sisaldavat aluselist segu kuumutatakse, toimub dehüdraatumine ja moodustub 2-butenaal (krootonaldehüüd). Dehüdraatumine esineb, kuna on veel - vesinikke ja produkt on stabiliseeritud konjugeeritud kaksiksidemete tõttu.
.. :O H :O : :O : .. .. - CH3 CH CH C H CH3 CH CH C H + H .. : O: + H O 2-butenaal H (krootonaldehüüd) H .. - Need vesinikud H .. : O on happelised
Alkeeni kaksikside ja karbonüülrühm on konjugeeritud asendis. Mõningate aldoolreaktsioonide puhul toimub dehüdraatumine nii kiiresti, et aldoolprodukti ei ole võimalik eraldada (aromaatsed ühendid).
Ristaldoolreaktsioonid. Aldoolreaktsioone, mille lähteaineteks on erinevad karbonüülühendid nimetatakse ristaldoolreaktsioonideks. Selliste ühendite reaktsioonil aluselises keskkonnas saadakse mitme produkti segu. Kui näiteks panna reageerima etanaal ja propanaal , võib saada 4 produkti segu.
O - O OH O OH O CH3CH + CH3CHCH OH CH3CHCH2CH + CH3CH2CHCHCH 2 H2O CH3 3-hüdroksübutanaal 3-hüdroksü-2- metüülpentanaal (2 molekulist etanaalist) (2 molekulist propanaalist)
OH O OH O + CH3CHCHCH + CH3CH2CHCH2CH CH3 3-hüdroksü-2-metüülbutanaal 3-hüdroksüpentanaal (ühest molekulist etanaalist ja ühest molekulist propanaalist)
Praktikas on laialt levinud ristaldoolreaktsioonid, kus kasutatakse ühe reagendina karbonüülühendit, millel puuduvad -vesinikud st et ei saa moodustuda enolaataniooni ja toimuda kondensatsiooni iseendaga . Sellega välistatakse kõrvalreaktsioonid.
O O - CH3 O OH CH + CH3 CH2CH CH C CH 10 oC Bensaldehüüd Propanaal 2-metüül-3-fenüül- 2- propenaal (68%)
Ristaldoolkondensatsioonid lõpevad sageli dehüdraatumisega. Eriti kergesti toimub see juhul, kui produktiks moodustub konjugeeritud süsteem. -dikarbonüülühendite süntees ja reaktsioonid Ühendid, millel kaks karbonüülrühma on eraldatud ühe süsinikuaatomiga nimetatakse -dikarbonüülühenditeks. Sellised ühendid väga levinud reagendid orgaanilisees sünteesis.
O O C C C
Prootonid , mis selles ühendis on kahe karbonüülrühma vahelise süsiniku juures on väga happelised (pKa = 9-11). -dikarbonüülühenditest moodustunud enolaatidega saab läbi viia alküülimise ja atsüülimise reaktsioone.
O O O O O O 1) NaOR 2) R X CH3 C C C OR CH3 C C .. C OR CH3 C C C OR - (või atsüül) H R
Claiseni kondensatsioon (-ketoestrite süntees)
Etüülatsetaadi reaktsioonil naatriumetoksiidiga kulgeb kondensatsioonireaktsioon ning pärast reaktsioonisegu hapestamist saadud produkt on -keto- ester - etüülatsetoatsetaat (atsetoäädikhappe-ester). Seda tüüpi kondensatsioonireaktsioone nimetatakse Claiseni kondensatsioonideks. Claiseni kondensatsiooni esimeses etapis toimub aldoolliitumine. Etoksiidanioon seob estri -vesiniku. Kuigi estri -vesinikud ei ole nii happelised kui aldehüüdi või ketooni puhul, on moodustunud enolaatanioon stabiliseeritud resonantsi poolt.
I etapp O :O: -.. RCH COC2H + :O .. C 2H5 RCH .. COC2H5 + C 2H5OH 5 - H
.. - :O: RCH COC2H5
Teises etapis atakeerib enolaatanioon teise estri molekuli karbonüülrühma süsinikku. Selles osas on Claiseni ja aldoolkondensatsiooni erinevus. Aldoolkondensatsioonis toimub nukleofiilne liitumine, Claiseni kondensatsioonis liitumine ­ elimineerimine.
II etapp
.. - :O: :O: :O: :O: - RCH2C + :CH COC2H5 RCH2C CH COC2H5 OC2H5 R C H O: R 2 5..
:O : :O:
RCH2C CH COC2H5 R - .. + :O.. C2H5
Teise etapi produktideks on -keto-ester ja etoksiidanioon, siiski on selles punktis tasakaal vastupidine. Produkti tekib vähe. Viimases etapis toimub hape-alus reaktsioon etoksiidiooni ja -keto-estri vahel. Selles etapis on tasakaal paremale nihutatud ja seda võib veel rohkem nihutada, destilleerides reaktsioonisegust etanooli.
III etapp :O: H :O: :O: :O: - .. ..- RCH2C C COC2H5 + :O .. C2H5 RCH2C C COC2H5 + C2 H5OH R R keto-ester etoksiidioon keto-ester anioon etanool (tugevam hape) (tugevam alus) (nõrgem alus) (nõrgem hape)
-keto-ester on tugevam hape kui etanool. -keto- estrid on palju happelisemad kui tavalised estrid, sest nende enolaatanioonid on resonantsi poolt stabiliseeritud. Negatiivne laeng on delokaliseeritud kahele karbonüülrühmale. Moodustub resonantshübriid.
Pärast esimese kolme etapi toimumist lisatakse reaktsioonisegusse hapet, toimub kiire aniooni protoneerumine, saadakse -keto-ester, kusjuures segus on tasakaal keto- ja enool-vormi vahel.
IV etapp :O: :O: :O: :O: ..- + HO RCH2C C COC2H5 3 RCH2C CH COC 2H5 R R keto-vorm
OH :O: RCH2C CH COC 2H5 R enool-vorm
Reaktsiooni läbiviimisel estri ja alkoksiidiooni vahel kasutatakse tavaliselt sama alküülrühmaga alkoksiidi nagu estriski (et vältida ümberesterifikatsiooni).
Atsetoäädikhappe estrite süntees Eespool vaatlesime, et etüülatsetoatsetaadi metüleenrühma prootonid on palju happelisemad kui ­OH-rühma prooton, kuna need on kahe karbonüülrühma vahel. Selliste ühenditega saab läbi viia alküülimise reaktsioone, töödeldes nukleofiilset enolaataniooni alküülhalogeniidiga. Seda meetodit nimetatakse atsetoäädikhappe estrite sünteesiks. :O: :O: + :O: Na :O: ..- CH3C CH2 COC2H5 + C2H5O- Na+ CH3C CH COC2H5 + C2H5OH naatrium - naatrium- atseto atseto-äädikhappeester etoksiid äädikhappe ester
R X
:O: :O: CH3C CH COC2H5 + Na X R monoalküül- atseto-äädikhappeester
Eespool toodud reaktsioonis kulgeb alküülimine SN2 mehhanismi järgi, seega parimaid tulemusi saadakse primaarsete alküülhalogeniididega. Sekundaarsete alküülhalogeniidide puhul kulgeb reaktsioon madalate saagistega ja tertsiaarsete alküülhalogeniidide puhul toimub elimineerumine. Monoasendatud estris on säilinud veel üks happeline vesinik , saab läbi viia veel teisegi alküülimise, kuid see kulgeb märksa raskemates tingimustes. Sünteesi tulemusena saadakse dialküülatsetoäädikhappe ester.
Monoasendatud metüülketoonide (monoasendatud atsetooni ) sünteesimiseks viiakse läbi ainult üks alküülimine. Seejärel monoalküülatsetoäädikhappe ester hüdrolüüsitakse, kasutades lahjendatud NaOH või KOH lahust. Sellele järgneval segu hapestamisel saadakse alküülatsetoäädikhape, mille kuumutamisel 100 oC juures toimub -keto-happe dekarboksüülimine. O O O O lahj. NaOH - + CH3C CH COC2H5 kuumut . CH3C CH CO Na R R esterrühma leeliseline hüdrolüüs
O O O H3O+ kuumut. CH3C CH C OH 100 oC CH3C CH2 R + CO2
hapestamine R b-ketohappe dekarboksüülimine
Etüülatsetoatsetaatanioon on sünteetiline ekvivalent atsetoonist saadud enolaatanioonile.
O O O - - CH3C CH .. COC2H5 CH3C CH .. 2