Organic Chemistry McMurry – 6th edition – Hoofdstukken 19 t/m 23
Chapter 19 – Aldehydes and Ketones: Nucleophilic Addition Reactions
19.1 Aldehydes: RCHO en ketonen: R2CO. Naamgeving aldehydes = laatste -e vervangen door -al. De ouderketen moet -CHO als
groep bevatten en -CHO koolstof is koolstof 1. Cyclische aldehydes waarbij -CHO groep direct aan ring zit gekoppeld =
-carbaldehyde. Sommige hebben een algemene naam. Zie tabel. Naamgeving ketonen =
laatste -e vervangen door -one. Een paar hebben ook een algemene naam.
Als R-C=O als substituent wordt gezien → acyl groep:
Als twee dubbel gebonden
O’s aanwezig zijn,
wordt oxo- gebruikt.
19.2 Synthese van
aldehydes:
- Oxidatie van primaire alcohol
Hierbij wordt vaak Dess-Martin
periodinane gebruikt in dichloormethaan oplosmiddel.
- Carboxylisch zuur derivaten deels reduceren naar aldehyden
Bijvoorbeeld partiële reductie van ester door DIBAH in tolueen
oplosmiddel bij -78°C.
Synthese van ketonen:
- Oxidatie van
secundair
alcohol met
Dess-Martin of CrO3 (ligt aan kosten, gevoeligheid en schaal)
- Ozonolyse van alkenen → een van
de onverzadigde koolstofatomen
wordt gedisubstitueerd
- Friedel-Crafts acetylatie van
aromatische ring met acid chloride in
aanwezigheid van AlCl3 katalysator.
- Carboxylisch zuur derivaten
→ acid chloride +
Lithiumdiorganocopper
19.3 Oxidatie van aldehydes geeft
carbonzuur → gebeurt gemakkelijk. Ketonen reageren meestal niet met oxidatie.
Aldehydes hebben een -CHO proton die kan worden weggehaald tijdens oxidatie,
ketonen hebben dat niet. KMnO4 en heet HNO3 kunnen worden gebruikt voor
aldehydes, maar meestal CrO3 gebruikt. Aldehyde oxidatie gebeurt door
tussenproduct 1,1-diolen/hydraten, gevormd door reversibele nucleofiele additie
van water aan carbonylgroep. Hydraat reageert net als primaire of secundaire
alcohol en wordt geoxideerd naar carbonylverbinding. Ketonen ondergaan
slome splitsing van C-C binding naast carbonyl groep wanneer behandeld met
hete alkaline KMNO4 → reactie niet vaak gebruikt.
19.4 Meest voorkomende reactie van
aldehydes en ketonen is de nucleofiele
additie reactie. Het nucleofiel valt aan
op de C= O positieve koolstof. Rehybridisatie van sp2 naar sp3 vindt plaats. En een
elektronpaar beweegt naar zuurstofatoom → Tetraëdische alkoxide ion intermediate.
Protonatie van alkoxide door additie van een zuur geeft een alcohol. Nucleofiele
additie reactie van aldehydes en ketonen geven alcoholen. Twee variaties:
- Tetraëdische intermediate geprotoneerd door water of zuur om alcohol te geven als eindproduct
- Carbonyl zuurstof wordt geprotoneerd en vervolgens geëlimineerd als HO- of H2O om C=Nu te krijgen
Aldehydes zijn over het algemeen reactiever dan ketonen in nucleofiele additie reacties:
- Aanwezigheid van minder substituenten gebonden, zorgt ervoor dat nucleofiel het molecuul beter kan
benaderen → aldehyde 1 grote vs keton 2 grote substituenten. Hierdoor is de
transition state (die leidt tot tetraëdisch intermediate) lager in energie
bij aldehyde dan bij keton
- Aldehydes zijn reactiever dan ketonen door de grotere polarisatie
van de aldehyde groep. Bij keton stabiliseren de twee substituenten
inductief de delta + koolstof → minder reactief
Aromatische aldehydes zijn minder reactief bij nucleofiele additie reacties
dan alifatische aldehydes door elektron-donerende resonantie effect die
ring minder elektrofiel maakt (koolstof is minder positief).
, Organic Chemistry McMurry – 6th edition – Hoofdstukken 19 t/m 23
19.5 Nucleofiele addtie van H2O: Hydratie
Aldehydes en ketonen reageren met water om 1,1-diolen/germinale
(gem) diolen te geven → Hydratie → reversibel. Het evenwicht staat
meestal gericht naar de carbonyl om sterische redenen. Voor een paar
simpele aldehydes is gem diol voordeliger. Nucleofiele addite van water aan
keton of aldehyde is sloom onder neutrale condities en wordt gekatalyseerd door base of zuur:
- Basisch: OH negatief geladen nucleofiel → valt aan → alkoxide ion → protonatie door water
geeft neutrale additie product en -OH
- Zuur: carbonyl zuurstof geprotoneerd door H3O+ → carbonyl sterker elektrofiel. H2O werkt
als nucleofiel → deprotonatie door water geeft neutrale additie product en H3O+
Base gekatalyseerd snel: water omgezet
in hydroxide ion → veel beter nucleofiel
Zuur gekatalyseerd snel: carbonyl door
protonatie omgezet in veel beter elektrofiel
In reacties waarbij H-Y nucleofiel reageert
met keton of aldehyde, waarbij Y
elektronegatief is en negatieve lading kan stabiliseren is nucleofiele
additie reversibel met evenwicht meestal gericht naar carbonyl.
19.6 Nucleofiele additie van HCN: Cyanohydrin formatie
Aldehydes en ongehinderde ketonen ondergaan nucleofiele additie reactie
met HCN en geven cyanohydrins (RCH(OH)C≡N). Deze reactie is reversibel
en base gekatalyseerd. Door de base wordt nucleofiel CN- gevormd. Intermediate wordt geprotoneerd
door HCN, hierbij ontstaat ook weer CN-. Dit is een uitzondering van additie van H-Y (protic acid)
aan carbonyl, waarbij normaal het evenwicht naar carbonyl ligt. Bij HCN wordt cyanohydrin
product meer gemaakt. Cyanohydrin kan met LiAlH4 worden gereduceerd naar primaire amine
en kan worden gehydrolyseerd door zuur om carbonzuur te geven.
19.7 Nucleofiele additie van hydride en Grignard reagenten: Alcohol formatie
- Reductie: additie van hydride reagenten → Aldehydes en ketonen
worden met NaBH4 of LiALH4 gereduceerd tot alcoholen. Alkoxide ion wordt
geprotoneerd met een zuur. Aldehyde → 1° alcohol. Keton → 2° alcohol.
- Grignard reagenten: R:- +MgX. Aldehyde → 2° alcohol. Keton → 3° alcohol.
Ether wordt ook gebruikt bij deze reactie. Reactie begint met zuur-base complex van Mg2+ aan carbonyl zuurstof
→ carbonyl betere elektrofiel. Nucleofiele additie van R- geeft tetraëdische magnesium alkoxide.
Beide reacties niet
reversibel → allebei
te slechte leaving
group.
19.8 Nucleofiele additie van amines: Imine en enamine formatie
Primaire amines (RNH2) aan aldehydes en ketonen geeft imines (R2C=NR)
Secundaire amines (R2NH) geeft enamines (R2N-CR=CR2). Imines komen vaak voor
in biologische pathways → Schiff bases genoemd. In beide reacties wordt water
geëlimineerd. Imines → reversibel, zuur gekatalyseerd proces: aanval nucleofiel,
proton transfer (van N naar O), geeft neutraal aminoalcohol: carbinolamine.
→ protonatie → leaving water (E1-achtig) → Iminium ion → verlies van proton van N
geeft imine met H3O+.
Proces van enamine is identiek tot iminium ion stage: er is dan geen proton op de N, die
kan worden verloren om neutraal imine te vormen → in plaats daarvan wordt een proton
verloren van de naastgelegen koolstof (alfa). Imine en enamine formatie is sloom bij hoge
en lage pH maar hebben maximum snelheid bij zwak zure pH rond 4-5. Niet te zuur: dan
wordt amine nucleofiel helemaal geprotoneerd (nucleofiele additie stap vindt niet plaats)
niet te basisch: geen zuur aanwezig om te protoneren. Mechanismen op volgende pagina.
19.9 Nucleofiele additie van hydrazine: Wolff-Kishner reactie
Aldehyde of keton met hydrazine (H2NNH2) in aanwezigheid van KOH geeft alkaan =
Wolff-Kishner reactie. Hierbij ontstaat N2 gas en water. Formatie van hydrazone intermediate =
R2C=NNH2, gevolgd door base gekatalyseerde dubbele binding migratie, verlies van N2 (ontstaat
carbanion) en protonatie. Migratie van dubbele binding komt door resonantie structuur.
Verlies van stikstof en formatie van alkyl anion wordt gedreven door grote thermo-
dynamische stabiliteit van N2. Zie mechanisme op volgende pagina.
19.10 Nucleofiele additie van alcoholen:
Acetal formatie
Aldehydes en ketonen reageren reversibel met
Chapter 19 – Aldehydes and Ketones: Nucleophilic Addition Reactions
19.1 Aldehydes: RCHO en ketonen: R2CO. Naamgeving aldehydes = laatste -e vervangen door -al. De ouderketen moet -CHO als
groep bevatten en -CHO koolstof is koolstof 1. Cyclische aldehydes waarbij -CHO groep direct aan ring zit gekoppeld =
-carbaldehyde. Sommige hebben een algemene naam. Zie tabel. Naamgeving ketonen =
laatste -e vervangen door -one. Een paar hebben ook een algemene naam.
Als R-C=O als substituent wordt gezien → acyl groep:
Als twee dubbel gebonden
O’s aanwezig zijn,
wordt oxo- gebruikt.
19.2 Synthese van
aldehydes:
- Oxidatie van primaire alcohol
Hierbij wordt vaak Dess-Martin
periodinane gebruikt in dichloormethaan oplosmiddel.
- Carboxylisch zuur derivaten deels reduceren naar aldehyden
Bijvoorbeeld partiële reductie van ester door DIBAH in tolueen
oplosmiddel bij -78°C.
Synthese van ketonen:
- Oxidatie van
secundair
alcohol met
Dess-Martin of CrO3 (ligt aan kosten, gevoeligheid en schaal)
- Ozonolyse van alkenen → een van
de onverzadigde koolstofatomen
wordt gedisubstitueerd
- Friedel-Crafts acetylatie van
aromatische ring met acid chloride in
aanwezigheid van AlCl3 katalysator.
- Carboxylisch zuur derivaten
→ acid chloride +
Lithiumdiorganocopper
19.3 Oxidatie van aldehydes geeft
carbonzuur → gebeurt gemakkelijk. Ketonen reageren meestal niet met oxidatie.
Aldehydes hebben een -CHO proton die kan worden weggehaald tijdens oxidatie,
ketonen hebben dat niet. KMnO4 en heet HNO3 kunnen worden gebruikt voor
aldehydes, maar meestal CrO3 gebruikt. Aldehyde oxidatie gebeurt door
tussenproduct 1,1-diolen/hydraten, gevormd door reversibele nucleofiele additie
van water aan carbonylgroep. Hydraat reageert net als primaire of secundaire
alcohol en wordt geoxideerd naar carbonylverbinding. Ketonen ondergaan
slome splitsing van C-C binding naast carbonyl groep wanneer behandeld met
hete alkaline KMNO4 → reactie niet vaak gebruikt.
19.4 Meest voorkomende reactie van
aldehydes en ketonen is de nucleofiele
additie reactie. Het nucleofiel valt aan
op de C= O positieve koolstof. Rehybridisatie van sp2 naar sp3 vindt plaats. En een
elektronpaar beweegt naar zuurstofatoom → Tetraëdische alkoxide ion intermediate.
Protonatie van alkoxide door additie van een zuur geeft een alcohol. Nucleofiele
additie reactie van aldehydes en ketonen geven alcoholen. Twee variaties:
- Tetraëdische intermediate geprotoneerd door water of zuur om alcohol te geven als eindproduct
- Carbonyl zuurstof wordt geprotoneerd en vervolgens geëlimineerd als HO- of H2O om C=Nu te krijgen
Aldehydes zijn over het algemeen reactiever dan ketonen in nucleofiele additie reacties:
- Aanwezigheid van minder substituenten gebonden, zorgt ervoor dat nucleofiel het molecuul beter kan
benaderen → aldehyde 1 grote vs keton 2 grote substituenten. Hierdoor is de
transition state (die leidt tot tetraëdisch intermediate) lager in energie
bij aldehyde dan bij keton
- Aldehydes zijn reactiever dan ketonen door de grotere polarisatie
van de aldehyde groep. Bij keton stabiliseren de twee substituenten
inductief de delta + koolstof → minder reactief
Aromatische aldehydes zijn minder reactief bij nucleofiele additie reacties
dan alifatische aldehydes door elektron-donerende resonantie effect die
ring minder elektrofiel maakt (koolstof is minder positief).
, Organic Chemistry McMurry – 6th edition – Hoofdstukken 19 t/m 23
19.5 Nucleofiele addtie van H2O: Hydratie
Aldehydes en ketonen reageren met water om 1,1-diolen/germinale
(gem) diolen te geven → Hydratie → reversibel. Het evenwicht staat
meestal gericht naar de carbonyl om sterische redenen. Voor een paar
simpele aldehydes is gem diol voordeliger. Nucleofiele addite van water aan
keton of aldehyde is sloom onder neutrale condities en wordt gekatalyseerd door base of zuur:
- Basisch: OH negatief geladen nucleofiel → valt aan → alkoxide ion → protonatie door water
geeft neutrale additie product en -OH
- Zuur: carbonyl zuurstof geprotoneerd door H3O+ → carbonyl sterker elektrofiel. H2O werkt
als nucleofiel → deprotonatie door water geeft neutrale additie product en H3O+
Base gekatalyseerd snel: water omgezet
in hydroxide ion → veel beter nucleofiel
Zuur gekatalyseerd snel: carbonyl door
protonatie omgezet in veel beter elektrofiel
In reacties waarbij H-Y nucleofiel reageert
met keton of aldehyde, waarbij Y
elektronegatief is en negatieve lading kan stabiliseren is nucleofiele
additie reversibel met evenwicht meestal gericht naar carbonyl.
19.6 Nucleofiele additie van HCN: Cyanohydrin formatie
Aldehydes en ongehinderde ketonen ondergaan nucleofiele additie reactie
met HCN en geven cyanohydrins (RCH(OH)C≡N). Deze reactie is reversibel
en base gekatalyseerd. Door de base wordt nucleofiel CN- gevormd. Intermediate wordt geprotoneerd
door HCN, hierbij ontstaat ook weer CN-. Dit is een uitzondering van additie van H-Y (protic acid)
aan carbonyl, waarbij normaal het evenwicht naar carbonyl ligt. Bij HCN wordt cyanohydrin
product meer gemaakt. Cyanohydrin kan met LiAlH4 worden gereduceerd naar primaire amine
en kan worden gehydrolyseerd door zuur om carbonzuur te geven.
19.7 Nucleofiele additie van hydride en Grignard reagenten: Alcohol formatie
- Reductie: additie van hydride reagenten → Aldehydes en ketonen
worden met NaBH4 of LiALH4 gereduceerd tot alcoholen. Alkoxide ion wordt
geprotoneerd met een zuur. Aldehyde → 1° alcohol. Keton → 2° alcohol.
- Grignard reagenten: R:- +MgX. Aldehyde → 2° alcohol. Keton → 3° alcohol.
Ether wordt ook gebruikt bij deze reactie. Reactie begint met zuur-base complex van Mg2+ aan carbonyl zuurstof
→ carbonyl betere elektrofiel. Nucleofiele additie van R- geeft tetraëdische magnesium alkoxide.
Beide reacties niet
reversibel → allebei
te slechte leaving
group.
19.8 Nucleofiele additie van amines: Imine en enamine formatie
Primaire amines (RNH2) aan aldehydes en ketonen geeft imines (R2C=NR)
Secundaire amines (R2NH) geeft enamines (R2N-CR=CR2). Imines komen vaak voor
in biologische pathways → Schiff bases genoemd. In beide reacties wordt water
geëlimineerd. Imines → reversibel, zuur gekatalyseerd proces: aanval nucleofiel,
proton transfer (van N naar O), geeft neutraal aminoalcohol: carbinolamine.
→ protonatie → leaving water (E1-achtig) → Iminium ion → verlies van proton van N
geeft imine met H3O+.
Proces van enamine is identiek tot iminium ion stage: er is dan geen proton op de N, die
kan worden verloren om neutraal imine te vormen → in plaats daarvan wordt een proton
verloren van de naastgelegen koolstof (alfa). Imine en enamine formatie is sloom bij hoge
en lage pH maar hebben maximum snelheid bij zwak zure pH rond 4-5. Niet te zuur: dan
wordt amine nucleofiel helemaal geprotoneerd (nucleofiele additie stap vindt niet plaats)
niet te basisch: geen zuur aanwezig om te protoneren. Mechanismen op volgende pagina.
19.9 Nucleofiele additie van hydrazine: Wolff-Kishner reactie
Aldehyde of keton met hydrazine (H2NNH2) in aanwezigheid van KOH geeft alkaan =
Wolff-Kishner reactie. Hierbij ontstaat N2 gas en water. Formatie van hydrazone intermediate =
R2C=NNH2, gevolgd door base gekatalyseerde dubbele binding migratie, verlies van N2 (ontstaat
carbanion) en protonatie. Migratie van dubbele binding komt door resonantie structuur.
Verlies van stikstof en formatie van alkyl anion wordt gedreven door grote thermo-
dynamische stabiliteit van N2. Zie mechanisme op volgende pagina.
19.10 Nucleofiele additie van alcoholen:
Acetal formatie
Aldehydes en ketonen reageren reversibel met
