H3 Carbonylverbindingen II CHEM Update FINAL PDF

HOOFDSTUK 3 CARBONYL VERBINDINGEN II O C Bruice 7 Bruice 8 Chapter 17 Chapter 16 Ketonen (= ketones) en aldehyden (= aldehydes) A. Nomenclatuur Aldehyden (aldehydes) A. Nomenclatuur...

HOOFDSTUK 3 CARBONYL VERBINDINGEN II O C Bruice 7 Bruice 8 Chapter 17 Chapter 16 Ketonen (= ketones) en aldehyden (= aldehydes) A. Nomenclatuur Aldehyden (aldehydes) A. Nomenclatuur ❖ Voorbeelden: geur van amandel A. Nomenclatuur ❖ Opmerkingen : Bij de gebruiksnamen wordt dezelfde naam als deze van het overeenkomstig zuur gebruikt, enkel de uitgang “ic acid” wordt vervangen door “aldehyde”. De plaats van de substituenten wordt aangeduid met Griekse letters. De methylene groep naast de carbonyl is de a-koolstof. Wanneer er twee aldehyde functies voorkomen, wordt de naam van het alkane gebruikt gevolgd door “dial”. De “e” van het alkane wordt hier niet verwijderd daar dit enkel wordt gedaan met twee opeenvolgende klinkers! A. Nomenclatuur Ketonen (ketones) beginproduct nylon! A. Nomenclatuur ❖ Opmerkingen : Phenyl- gesubstitueerde ketonen worden gewoonlijk benoemd door de gebruiksnaam van het overeenkomstige zuur te nemen en de uitgang “ic acid” te vervangen door “ophenone”. Acyclische ketonen worden dikwijls ook benoemd door de twee alkyl (of phenyl) groepen die op de carbonylgroep staan te gebruiken, gevolgd door “ketone”. A. Nomenclatuur ❖ Opmerkingen : Wanneer er twee (of meerdere) ketone functies voorkomen, wordt de naam van het alkane gebruikt gevolgd door “dione” (of “trione”, … ). De “e” van het alkane wordt hier niet verwijderd daar dit enkel wordt gedaan met twee opeenvolgende klinkers!! De plaats van de carbonylgroepen worden met nummers in de stam aangegeven. A. Nomenclatuur ❖ Welke functionele groep krijgt prioriteit ? De prioriteit hangt af van de oxidatiegraad van het koolstofatoom. Functionele groep Suffix stamnaam indien hoofdgroep Prefix naam indien geen hoofdgroep Carboxylic acid -oic acid Carboxy Ester -oate Alkoxycarbonyl Acyl halide -oyl halide Halocarbonyl Amide -amide Aminocarbonyl Nitrile -nitrile Cyano Aldehyde -al Oxo (=O) Aldehyde -al Formyl (-CH=O) Ketone -one Oxo (=O) Alcohol -ol Hydroxy Amine -amine Amino Alkene -ene Alkenyl Toenemende prioriteit Alkyne -yne Alkynyl Alkane -ane Alkyl Ether / Alkoxy Alkyl halide / Halo Opmerking: De prioriteitsvolgorde (eerste kolom) krijg je op het examen. A. Nomenclatuur ❖ Voorbeeld: Aldehyde is geen hoofdgroep Indien het aldehyde in de hoofdketen zit : “plaatsnummer-oxo” voor de stam. Indien een aldehyde op de hoofdketen is ingeplant : “plaatsnummer- formyl” voor de stam. A. Nomenclatuur ❖ Voorbeeld: Ketone is geen hoofdgroep Indien het ketone in de hoofdketen zit : “plaatsnummer–oxo” voor de stam. Indien een ketone op de hoofdketen is ingeplant : “plaatsnummer- oxoalkyl” voor de stam. A. Nomenclatuur ❖ Voorbeeld: Alkenes of Alkynes in de hoofdketen van een aldehyde of ketone: Alkenes en alkynes hebben een lagere prioriteit wat belangrijk is voor de nummering van de hoofdketen. Ze worden in de stamnaam genoemd. De letter “e” wordt weggelaten omdat twee klinkers elkaar opvolgen. B. Natuurlijk voorkomende aldehyden en ketonen Smaakstof Steroïden geslachtshormoon bij vrouwen en geslachtshormoon bij vrouwen en mannen, maar veruit het meest door mannen, maar veruit het meest door vrouwen geproduceerd mannen geproduceerd  extra Natuurlijk of synthetisch vanille aroma? ❖ In tegenstelling tot veel andere producten zijn er wel degelijk belangrijke verschillen tussen het natuurlijke vanille-aroma en het synthetisch product. Synthetische vanille bestaat uit zuivere vanilline (4) terwijl de natuurlijke vorm een extract is en een mengsel van vele tientallen verbindingen. ❖ Synthetische vanilline werd vroeger voornamelijk gemaakt uit een afvalproduct van de papier industrie, namelijk de ‘brown liquor’ uit het sulfiet (HSO3-) proces. Deze fractie bevat het aromatische polyfenolische lignine dat bij afbraak reactant oplevert voor de aanmaak. Problemen met zuivering en dergelijke zorgden er echter voor dat tegenwoordig het Droge vanille stokken petrochemische startmateriaal guaiacol (o-methoxyphenol, 1) wordt gebruikt. Vanilline wordt ook uit ferulic acid (rijstzemelen) gesynthetiseerd via biokatalyse (Rhovanil Natural) door Solvay. Bessen van Vanilla planifolia  extra Natuurlijk of synthetisch vanille aroma? ❖ Hout:  extra Sustainability and Green Chemistry De Standaard, Het Nieuwsblad, 16/04/2019 EVEN OEFENINGEN ❖ Geef de IUPAC naam van volgende moleculen EVEN OEFENINGEN ❖ Geef de IUPAC naam van volgende moleculen 4-formylhexanamide 4-oxohex-5-enamide C. Relatieve reactiviteiten van carbonylverbindingen t.o.v. nucleofielen 1. Aldehyden t.o.v. ketonen Elektronisch effect: aldehyden hebben een meer elektrofiele carbonyl koolstof vermits er slechts één alkylgroep is die elektronendensiteit op het carbonyl koolstofatoom plaatst Sterisch effect: dit is belangrijk daar in de transitietoestand een tetrahedrische verbinding wordt gevormd  C. Relatieve reactiviteiten van carbonylverbindingen t.o.v. nucleofielen 2. Klasse I t.o.v. klasse II carbonylverbindingen ❖ Hoe zwakker de base Y-, hoe reactiever de carbonylverbinding zwakke Y- * weinig resonantiebijdrage naar de carbonyl Resonantie veroorzaakt een lagere reactiviteit. 3p ! 99%) bij evenwicht in waterig midden. H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen 3. Koolhydraten of Sachariden ❖ Glycoside [= een suiker (het glycon) gebonden aan een niet-suiker (het aglycon) of andere suiker]: O,N,S acetalen op de anomere positie P.S.: De term aglycone (letterlijk: een niet-suiker) gebruikt men voor de niet-suiker groep gebonden aan het anomere koolstofatoom. H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen 3. Koolhydraten of Sachariden ❖ De vorming van glycosiden: Glycosiden kunnen bekomen worden door reactie van het suiker met een alcohol onder zure katalyse. Aangezien het “open-ring” suiker in evenwicht is met het a- en - hemiacetal en nucleofiele aanval van alcohol langs de boven en onderkant van het intermediaire oxocarbenium kan gebeuren, worden beide anomeren van het acetal gevormd. H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen 3. Koolhydraten of Sachariden ❖ De vorming van glycosiden: Mechanisme acetalvorming H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen 3. Koolhydraten of Sachariden ❖ Disachariden: Er komen drie types van natuurlijk voorkomende glycosidische bindingen voor: ❑ 1-4’ binding: het anomere koolstofatoom is gebonden aan het zuurstofatoom op de C4 van een tweede suiker. ❑ 1-6’ binding: het anomere koolstofatoom is gebonden aan het zuurstofatoom op de C6 van een tweede suiker. ❑ 1-1’ binding: de anomere koolstofatomen van de twee suikers zijn verbonden door middel van een zuurstofatoom. H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen 3. Koolhydraten of Sachariden ❖ Disachariden: Cellobiose: bevat een -1-4’ glycosidische binding tussen twee D-glucose eenheden. De monosacchariden in cellobiose zijn met elkaar verbonden dmv de equatoriale positie van C1 en de equatoriale positie van C4'. Cellobiose wordt bekomen door partiële hydrolyse van cellulose. H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen 3. Koolhydraten of Sachariden ❖ Disachariden: Maltose: bevat een a-1,4’ glycosidische binding tussen twee D-glucose eenheden. De monosacchariden in maltose zijn met elkaar verbonden dmv de axiale positie van C1 en de equatoriale positie van C4'. Maltose wordt bekomen door partiële hydrolyse van zetmeel. Lactose: bevat een -1,4' glycosidische binding tussen een D-galactose en een D-glucose eenheid. De twee ringen zijn verbonden dmv een -1,4’ glycosidische binding van de equatoriale positie van C1 van het galactose en de equatoriale positie van C4' het glucose. Komt voor in melk. H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen 3. Koolhydraten of Sachariden ❖ Disachariden: Gentiobiose: Twee D-glucose eenheden verbonden via -1,6’ glycosidische binding. Komt zelden voor in disaccharides, maar komt wel voor als vertakkingspunt in polysacchariden. Sucrose: Binding tussen twee anomere koolstoffen van een D-glucose en D- fructose. Dit is het riet- of bietsuiker. H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen 3. Koolhydraten of Sachariden ❖ Polysachariden: Cellulose: -1,4’ polymeer van D-glucose. De systematische naam is poly(1,4’-O-- D-glucopyranoside). Cellulose is het meest voorkomende organische materiaal. Het wordt door planten gesynthetiseerd als een structureel materiaal. Het kan tot 15000 glucose eenheden bevatten. Cfr. disaccharide Cellobiose H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen 3. Koolhydraten of Sachariden ❖ Polysachariden: Zetmeel: bestaat uit twee types polymeren 1) Amylose: dit is een a-1,4’ polymeer 2) Amylopectine: a-1,4’ polymeer van van D-glucose. Systematische naam: D-glucose met a-1,6’ vertakkingen. poly(1,4’-O-a-D-glucopyranoside). Cfr. disaccharide Maltose H. Reacties van aldehyden en ketonen met zuurstof nucleofielen 3. Koolhydraten of Sachariden ❖ Kiliani–Fischer synthese: Deze methode verlengt een aldose met één koolstofatoom, door additie van een cyanide aan het aldehyde (cyanohydrin vorming). Met deze techniek kan zowel de structuur van bestaande suikers opgehelderd worden, als een nieuw suiker gesynthetiseerd worden. I. Reacties van aldehyden en ketonen met zwavel nucleofielen Thiolen geven thioacetalen met aldehyden en thioketalen met ketonen ❖ Het mechanisme is volledig analoog aan dat van de vorming van acetalen en ketalen. In plaats van een zuur wordt vaak ook gebruik gemaakt van een Lewis zuur. I. Reacties van aldehyden en ketonen met zwavel nucleofielen Thiolen geven thioacetalen met aldehyden en thioketalen met ketonen ❖ Het mechanisme is volledig analoog aan dat van de vorming van acetalen en ketalen. In plaats van een zuur wordt vaak ook gebruik gemaakt van een Lewis zuur. I. Reacties van aldehyden en ketonen met zwavel nucleofielen Thiolen geven thioacetalen met aldehyden en thioketalen met ketonen ❖ Cyclische thioacetalen en thioketalen zijn synthetisch zeer nuttig daar ze door reactie met H2 en Raney-Ni kunnen omgezet worden tot een methyleen- groep. Wanneer een C-S tot een C-H wordt omgezet met behulp van waterstofgas en een metaalkatalysator, spreken we van een hydrogenolyse. Raney-Ni? Ni-Al legering NaOH, H 2O NaAl(OH)4 + Ni + H2 Dit is een derde methode voor het invoeren van CH2 in te bouwen in een molecule. Maar ditmaal onder neutrale omstandigheden! I. Reacties van aldehyden en ketonen met zwavel nucleofielen Thiolen geven thioacetalen met aldehyden en thioketalen met ketonen ❖ Cyclische thioacetalen zijn zogenaamde acyl-anion equivalenten. Door het aldehyde om te zetten in een cyclisch thioacetaal wordt een “umpolung” van het koolstofatoom verkregen. In een aldehyde is de koolstof van de carbonyl immers elektrofiel en in een cyclisch thioacetaal kan door deprotonering een nucleofiel koolstofatoom ontstaan. Dit anion kan door het naburige zwavelatoom gestabiliseerd worden. Delocalisatie in lege 3d Delocalisatie in s* van de C-S binding ❖ Door reactie van het gestabiliseerde anion met een alkyl halogenide gevolgd door ontscherming wordt een keton verkregen. I. Reacties van aldehyden en ketonen met zwavel nucleofielen Thiolen geven thioacetalen met aldehyden en thioketalen met ketonen ❖ Cyclische thioacetalen en thioketalen kunnen normaal gezien niet gehydrolyseerd worden in een zure waterige oplossing: ❑ S wordt veel moeilijker geprotoneerd dan O [S is minder basisch dan O] => kleinere concentratie S geprotoneerde molecule ❑ 3p (S) – 2p (C) overlap geeft een veel zwakkere p-binding dan een 2p (O) – 2p (C) overlap.  Dit zorgt dus voor een moeilijkere uitstoot.  Oplossing: maak van cyclisch thioacetalen/ketalen een beter elektrofiel! I. Reacties van aldehyden en ketonen met zwavel nucleofielen Thiolen geven thioacetalen met aldehyden en thioketalen met ketonen ❖ Cyclische thioacetalen en thioketalen kunnen normaal gezien niet gehydrolyseerd worden in een zure waterige oplossing:  Oplossing 1: dus een Hg(II)-zout (beter elektrofiel) dient toegevoegd te worden als Lewis zuur i.pv. een proton. I. Reacties van aldehyden en ketonen met zwavel nucleofielen Thiolen geven thioacetalen met aldehyden en thioketalen met ketonen ❖ Cyclische thioacetalen en thioketalen kunnen normaal gezien niet gehydrolyseerd worden in een zure waterige oplossing:  Oplossing 2: Methylering [want S (thioacetaal) beter nucleofiel dan O (acetaal)] gevolgd door reactie met water. I. Reacties van aldehyden en ketonen met zwavel nucleofielen Thiolen geven thioacetalen met aldehyden en thioketalen met ketonen ❖ Cyclische thioacetalen en thioketalen kunnen normaal gezien niet gehydrolyseerd worden in een zure waterige oplossing:  Oplossing 3: Oxidatie van een S tot sulfoxide gevolgd door protonering en reactie met water J. Reacties van aldehyden en ketonen met ylide Wittig-reactie ❖ De Wittig reactie converteert de carbonyl group van ketonen en aldehyden naar een nieuwe C═C dubbele binding. ❖ Het nucleofiel in deze reactie is een phosphorus ylide (fosforylide). ❖ Fosforyliden worden bereid door triphenylphosphine te laten reageren met een sterisch ongehinderd alkyl halide ter vorming van phosphonium zouten. Een sterke base zoals n-butyllithium onttrekt dan een proton van de koolstof naast de fosfor met vorming van het ylide. J. Reacties van aldehyden en ketonen met ylide Wittig-reactie ❖ Mechanisme 1. Betaine vorming: 2. Oxaphosphetane vorming: 3. Eliminatie: het oxaphosphetane valt uiteen met de vorming van het alkene en één molecule triphenyl phosphine oxide: Drijvende kracht voor deze syn-eliminatiereactie is de sterke P=O binding (529 kJ/mol). J. Reacties van aldehyden en ketonen met ylide Wittig-reactie ❖ Voorbeelden: De stereochemie hangt af van de substituent op het koolstofatoom van het ylide. De algemene regel is: ✓ Ongestabiliseerde yliden zijn Z-selectief ✓ Gestabiliseerde yliden zijn E-selectief J. Reacties van aldehyden en ketonen met ylide Wittig-reactie ❖ Z of E selectiviteit: De Wittig reactie bestaat uit twee stappen. - De additie van het ylide aan het aldehyde/ketone kan in principe 2 diastereomeren van het intermediaire oxaphosphetane vormen. De laagste transitietoestand is geprefereerd. - De eliminatiestap is stereospecifiek: de fosfor en de zuurstof staan immers in een syn- periplanaire positie en bepaalt dus de uitkomst van de stereochemie bij het alkene (E of Z). Waarom Z bij ongestabiliseerde yliden? J. Reacties van aldehyden en ketonen met ylide Wittig-reactie ❖ Z of E selectiviteit: Waarom E bij gestabiliseerde yliden? J. Reacties van aldehyden en ketonen met ylide Horner-Wadsworth-Emmons reactie: (E-selectieve Wittig reactie) ❖ Phosphonate esters kunnen gedeprotoneerd worden door natrium hydride of een alkoxide anion om enolate-type anionen te bekomen. Het anion is gestabiliseerd door resonantiestabilisatie. J. Reacties van aldehyden en ketonen met ylide Horner-Wadsworth-Emmons reactie: (E-selectieve Wittig reactie) ❖ Phosphonate esters worden bereid door trialkylphosphite te laten reageren met een a-bromoester ter vorming van phosphonate esters. Dit noemen we een Michaelis Arbuzov reactie. 1847-1916 1877-1968 August Michaelis Aleksandr Arbuzov J. Reacties van aldehyden en ketonen met ylide Horner-Wadsworth-Emmons reactie: (E-selectieve Wittig reactie) ❖ Mechanisme van de Horner-Wadsworth-Emmons reactie: J. Reacties van aldehyden en ketonen met ylide Sulfonium Ylide? extra ❖ In de Wittig reactie is de drijvende kracht de vorming van een sterke P=O binding (529 kJ/mol). De analoge reactie van ketonen (of aldehyden) met sulphonium ylides heeft niet zo’n grote drijvende kracht. De S=O binding bedraagt immers maar 367 kJ/mol. Om deze reden zal Me2S als leaving groep optreden met de vorming van een epoxide tot gevolg. K. Reacties van a,-onverzadigde aldehyden en ketonen ❖ Twee mogelijkheden: ❑ 1,2-additie (directe) ❑ 1,4-additie (geconjugeerde, Michael additie)  HOOFDSTUK13 HSAB Hard and Soft Acids and Bases R.G. Pearson Principe Harde zuren (elektrofielen) binden sterk met harde basen (nucleofielen) en zachte zuren (elektrofielen) binden sterk met zachte basen (nucleofielen). Hard / hard en zacht / zacht combinaties zijn dus het beste. ❖ De termen zuur en base zijn deze volgens de Lewis definitie. ▪ Lewis zuur = elektronenpaar acceptor ▪ Lewis base = elektronenpaar donor Harde en Zachte Base (Donor) Harde base (nucleofiel) ❖ Zijn de deeltjes waarbij het donoratoom: - een klein atoom is met een hoge ladingsdichtheid (weinig polariseerbaar) - sterk elektronegatief is ❖ Ze komen typisch uit de eerste rijen van de tabel van Mendeljev. ❖ Voorbeelden: HO-, H2O, RO-, ROH, ROR’, F-, Cl-, RLi, RMgBr Zachte base (nucleofiel) ❖ Zijn de deeltjes waarbij het donoratoom: - een groter atoom is met meer diffuse orbitalen (hoger energetisch) (polariseerbaar) - minder elektronegatief is ❖ Ze komen typisch uit hogere rijen in de tabel van Mendeljev. ❖ Voorbeelden: I-, RS-, RSH, RSR’, R3P, NH3, alkenen, aromatische ringen Hard en Zacht Zuur (Acceptor) Hard zuur (elektrofiel) ❖ Zijn de deeltjes waarbij het acceptoratoom: - klein is - met een hoge positieve lading en weinig polariseerbaar ❖ Ze komen typisch uit de eerste rijen van de tabel van Mendeljev. ❖ Voorbeelden: H+, Li+, BF3, CH3+ Zacht zuur (elektrofiel) ❖ Zijn de deeltjes waarbij het acceptoratoom: - groot is - met een lage positieve lading en goed polariseerbaar ❖ Ze komen typisch uit hogere rijen in de tabel van Mendeljev. ❖ Voorbeelden: M0, Br2, Ag+ K. Reacties van a,-onverzadigde aldehyden en ketonen ❖ Wanneer 1,2- en wanneer 1,4-additie? ❑ Nucleofielen die onstabiele 1,2-additie producten vormen (= zwakkere basen zijn) geven 1,4-additie daar deze niet-reversiebel is en aanleiding geeft tot een stabieler reactieproduct. Halogenide en cyanide ionen, thiolen, alcoholen en aminen zijn dergelijke nucleofielen. K. Reacties van a,-onverzadigde aldehyden en ketonen ❖ Wanneer 1,2- en wanneer 1,4-additie? ❑ Nucleofielen die stabiele 1,2-additie producten vormen (= sterkere basen zijn) geven 1,2-additie en 1,4-additie producten die beide stabiel zijn. Carbanionen en een hydride zijn dergelijke nucleofielen. De belangrijkste reactie zal deze zijn die het snelste doorgaat en 1,2- of 1,4-additie is bijgevolg sterk afhankelijk van de reactiviteit van de carbonylgroep. HYDRIDE *In een reductie van a,-onverzadigd keton en aldehyde met NaBH4 zal het a,- onverzadigd aldehyde relatief meer 1,2-additie ondergaan daar een aldehyde reactiever is dan een keton. K. Reacties van a,-onverzadigde aldehyden en ketonen ❖ Wanneer 1,2- en wanneer 1,4-additie? HYDRIDE *De carbonyl van een a,-onverzadigd keton kan reactiever gemaakt worden door een Lewis zuur toe te voegen dat met de carbonyl complexeert. Op deze manier wordt er enkel 1,2-additie verkregen. CARBANION *De dubbele binding van een a,-onverzadigde carbonylverbinding is een zacht elektrofiel, terwijl de carbonylgroep een eerder hard elektrofiel is. Zachte nucleofielen zullen bijgevolg 1,4-additie prefereren terwijl harde nucleofielen bij voorkeur 1,2- additie geven. Organometalen met een sterk gepolariseerde C-M binding (Hard) geven daarom 1,2- additie (bv. organomagnesium en organolithium), terwijl een minder gepolariseerde C-M binding (Zacht) 1,4-additie geeft (bv. organozink, organokoper). K. Reacties van a,-onverzadigde aldehyden en ketonen ❖ Wanneer 1,2- en wanneer 1,4-additie? CARBANION *Sterische hindering aan de carbonyl kan de 1,2-additie met organometalen met sterk gepolariseerde C-M (Hard) sterk vertagen zodat voornamelijk 1,4-additie product wordt gevormd. Sterische Hinder L. Reacties van a,-onverzadigde carbonzuur derivaten ❖ Wanneer 1,2- en wanneer 1,4-additie? ❑ a,-onverzadigde carbonzuur derivaten (klasse I) kunnen met nucleofielen 1,4-additie en een substitutiereactie via additie-eliminatie op de carbonylgroep geven. Reactieve klasse I carbonylgroepen geven steeds substitutie via additie-eliminatie (bv. a,- overzadigd zuurhalogenide). Michael additie wordt steeds waargenomen bij minder reactieve klasse I carbonylgroepen (bv. a,-onverzadigde esters en amiden) en nucleofielen die zwakke basen zijn. EVEN OEFENEN ❖ Wat wordt er gevormd in deze reacties? ❖Oefen zelf thuis met het handboek: ▪BRUICE EDITION 7: CHAPTER 17 Oefeningen 53, 56, 58, 62, 70, 81 ▪BRUICE EDITION 8: CHAPTER 16 Oefeningen 54, 57, 58, 66, 73, 84 EVEN OEFENEN ❖ Wat wordt er gevormd in deze reacties? ❖Oefen zelf thuis met het handboek: ▪BRUICE EDITION 7: CHAPTER 17 Oefeningen 53, 56, 58, 62, 70, 81 ▪BRUICE EDITION 8: CHAPTER 16 Oefeningen 54, 57, 58, 66, 73, 84