Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Społeczność
Odkryj najlepsze uniwersytety w twoim kraju, według użytkowników Docsity
Bezpłatne poradniki
Pobierz bezpłatnie nasze przewodniki na temat technik studiowania, metod panowania nad stresem, wskazówki do przygotowania do prac magisterskich opracowane przez wykładowców Docsity
Materiały przygotowujące do kolokwium
Typologia: Egzaminy
1 / 26
Dr Bartosz Trzewik
Kraków, 12 listopada 2013 r.
Spis treści części I i II
2.1. Reakcja aldolowa
2.1.1. Aldehyd octowy (jedyny substrat)
2.1.2. Aldehyd propionowy (jedyny substrat), aceton (jedyny substrat)
2.1.3. Aldehyd octowy i aldehyd propionowy – oba enolizują (krzyżowe reakcje aldolowe)
2.1.4. Aldehyd octowy i aldehyd benzoesowy oraz bezwodnik octowy i aldehyd benzoesowy – tylko jeden enolizuje
(krzyżowe reakcje aldolowe c.d., reakcja Perkina)
2.1.5. Aldehyd benzoesowy (jedyny substrat) – nie enolizuje
2.1.6. Heptano-2,6-dion (jedyny substrat), 5 - oksoheksanal (jedyny substrat) – wewnątrzcząsteczkowe reakcje aldolowe
2.1.7. Podsumowanie
2.2. Kondensacja Claisena
2.2.1. Octan etylu (jedyny substrat)
2.2.2. Propionian etylu (jedyny substrat)
2.2.3. Octan etylu i propionian etylu – oba enolizują (krzyżowe reakcje kondensacji Claisena)
2.2.4. Octan etylu i benzoesan etylu – tylko jeden enolizuje (krzyżowe reakcje kondensacji Claisena c.d.)
2.2.5. Benzoesan etylu (jedyny substrat) – nie enolizuje
2.2.6. Adypinian dietylu (jedyny substrat)– wewnątrzcząsteczkowa reakcjakondensacji Claisena (reakcja Diecmanna)
2.2.7. Octan etylu i butan- 2 - on oraz 5 - oksoheksanian etylu (jedyny substrat) – reakcje krzyżowe typu Claisena
2.2.8. Podsumowanie
2.3. Inne reakcje prostych jonów enolanowych/prostych enoli
3.1.1. Aldehyd benzoesowy (jedyny substrat)
3.1.2.Aldehyd benzoesowy i aldehyd mrówkowy (krzyżowa reakcja Cannizzaro)
3.1.3.Glioksal (jedyny substrat), aldehyd ftalowy (jedyny substrat) – wewnątrzcząsteczkowa reakcja
Cannizzaro
4.1. Kondensacja Knövenagla
4.1.1. Kwas malonowy i aldehyd benzoesowy , kwas malonowy i heksanal
4.1.2. Malonian dietylu i aldehyd benzoesowy , malonian dietylu i heksanal
4.1.3. Inne przykłady reakcji kondensacji Knövenagla
4.2. Alkilowanie stabilizowanych jonów enolanowych
4.2.1. Reakcja enaminowa Storka
4.2.2. Monoalkilowanie i dialkilowanie 1,3-diketonów
4.2.3. Monoalkilowanie i dialkilowanie diestrów kwasu malonowego. Hydroliza i dekarboksylacja
produktów: otrzymywanie mono- i dialkilowanych pochodnych kwasu octowego.
4.2.4. Monoalkilowanie i dialkilowanie β-ketoestrów. Hydroliza i dekarboksylacja produktów:
otrzymywanie mono- i dialkilowanych pochodnych acetonu i acetofenonu.
4.3. Reakcje Michaela stabilizowanych jonów enolanowych
Rozdziałach 1– 4
2
2
Schemat 26 Schemat wewnątrzcząsteczkowych reakcji Cannizzaro: glioksalu i aldehydu ftalowego
Zaletą wewnątrzcząsteczkowej reakcji Cannizzaro jest wprowadzenie dwóch grup funkcyjnych do
cząsteczki w jednym etapie.
Stabilizowane jony enolanowe, powstające z cząsteczek typu Y–CH 2
2
)(patrz Rozdział 1, Rysunek 3), ze względu na łatwość tworzenia się
połączonąz wystarczającą reaktywnością są reagentami niezmiernie użytecznymi w syntezie
organicznej, tym bardziej, że grupę CN, COOH lub COOR można po reakcji łatwo usunąć.
Omówimy trzy typy reakcji, którym ulegają stabilizowane jony enolanowe: reakcję Knövenagla
(Rozdział 4.1), alkilowanie jonów enolanowych (Rozdział 4.2) oraz reakcje addycji Michaela jonów
enolanowych (Rozdział 4.3).
Stabilizowane jony enolanowe powstające z cząsteczek typu Y–CH 2
aldehydami (dużo rzadziej z ketonami), najczęściej nie posiadającymi atomów wodoru α, dając
produkty kondensacji Knövenagla(Schemat 27):
zasada
1
2
B
A
1
2
Schemat 27 Ogólny zapis reakcji kondensacji Knövenagla. Wiązanie podwójne tworzy się najczęściej pomiędzy atomami α i
β produktu
Fragment A pochodzi z cząsteczki związku Y–CH 2
karbonylowego, a nowe wiązanie = jest zaznaczone na czerwono. Najczęściej tworzy się ono
pomiędzy atomami α i β cząsteczki produktu.
Klasycznymi warunkami reakcji kondensacji Knövenagla prowadzonej na kwasie malonowym
2
dodanie katalitycznej (kilka % molowych) ilości pirymidyny (Schemat 28):
B
A
pirydyna (3 mol)
piperydyna (3%mol)
B A
pirydyna (2 mol)
piperydyna (1%mol)
Schemat 28 Schematy reakcji kondensacji Knövenagla kwasu malonowego z aldehydami: nieposiadającym oraz
posiadającym atomy wodoru α
W tych warunkach pomiędzy atomem grupy CH 2 związku Y–CH 2
węgla aldehydu lub ketonu tworzy się wiązanie podwójne (oznaczone = na Schemacie 28), a ponadto
jedna grupa COOH ulega dekarboksylacji i nie pojawia się w strukturze produktu. W efekcie z
cząsteczki kwasu malonowego pozostaje jedynie fragment CH 2
podobieństwa i różnice w przebiegu reakcji i strukturze produktu na Schematach 28 oraz8 i 9.
Podobną dekarboksylację (po hydrolizie) można przeprowadzić również po (di)alkilowaniu lub reakcji
Michaela estrów malonowych lub β-ketoestrów – patrz Rozdziały 4.2.3, 4.2.4 i 4.3 (Schematy 34–39).
UWAGA: W reakcjach prowadzonych z aldehydami lub ketonami posiadającymi atomy wodoru α (na
przykład heksanalem) oprócz produktu z wiązaniem podwójnym pomiędzy atomami α i β może
również powstać produkt uboczny z wiązaniem podwójnym pomiędzy atomami β i γ.
Inna cząsteczką typu Y–CH 2
dietylu EtOOC–CH 2
daje on również produkty kondensacji (Schemat 29):
B
B
A
L-prolina
(10%mol)
B
piperydyna
MeCN
A
B A
B
A A B
A
B
piperydyna
EtOH, 0°C
A
B
A
B
A
EtOH,
2
B
A
B
2
3
(10%mol)
20°C, ucieranie w
moździerzu (10 min)
A
B
A
NaOH
2
Schemat 30 Przykłady reakcji kondensacji Knövenagla różnych związków typu Y–CH 2
Na podstawie reakcji przedstawionych na Schemacie 30 można zorientować się, że istnieje ogromna
ilość kombinacji reagentów, dających produkty reakcji Knövenagla. W każdym jednak przypadku
jeden z substratów musi mieć strukturę typu Y–CH 2
grupę karbonylową. Również stosowane spektrum zasad katalizujących reakcję, rozpuszczalników i
warunków jest bardzo szerokie. Czasem wystarczą zasady tak słabe jak prolina lub K 2
3
(przykładowe reakcje cykloheksano-1,3-dionu), reakcja może również zachodzić w ogóle bez
katalizatora (przykładowa reakcja kwasu barbiturowego). Wśród podanych przykładów znajduję się
również reakcja spełniająca założenia zielonej chemii.
Dotychczas omówiliśmy trzy typy reakcji jonów enolanowych: reakcję aldolową (Rozdział 2.1),
kondensację Claisena (Rozdział 2.2) oraz kondensację Knövenagla (Rozdział 4.1). Jony enolanowe,
jako nukleofile, mogą ulegać również reakcjom alkilowania i acylowania. Chociaż bezpośrednie
alkilowanie prostych jonów enolanowych jest możliwe (patrz Rozdział 2.3, Schemat 23) to do ich
alkilowania i acylowania lepiej posłużyć się reakcją enaminową Storka.
No dobrze, to już było na II roku, ale przedstawiam schematy przykładowych reakcji enaminowych
Storka na Schemacie 31:
benzen
Br
Cl
3
2
3
2
Schemat 31 Przykład reakcji enaminowych Storka przeprowadzonych na 2-metylocykloheksanonie z wykorzystaniem piperydyny
Kiedy keton potraktuje się aminą drugorzędową (do reakcji enaminowej Storka używa się najczęściej
piperydyny – jak na Schemacie 31, pirolidyny lub morfoliny) w obecności katalizatora kwaśnego (np.
kwasu p - toluenosulfonowego czyli PTSA) tworzy się odpowiednia enamina. Użycie niepolarnego
rozpuszczalnika, na przykład benzenu, ułatwia usunięcie wydzielającej się w reakcji wody przy
pomocy nasadki Deana-Starka.
Powstałą enaminę można potraktować reaktywnym halogenkiem alkilowym (najlepsze efekty dają
halogenki allilowe, benzylowe i propargilowe) lub halogenkiem acylowym: podstawienie następuje
po mniej podstawionej stronie enaminy. Hydroliza powstałej soli iminiowej zachodzi bardzo łatwo w
warunkach kwaśnych (podobnie jak w ostatnim etapie reakcji Vilsmeiera-Haacka!), a wynikiem netto
całej reakcji jest α-podstawiony keton.
Enamina wytworzona w reakcji enaminowej Storka może również reagować z akceptorami
Michaela – patrz Rozdział 4.3.
UWAGA: Często przy rysowaniu wzorów produktów monoalkilowania lub dialkilowania związków
typu Y–CH 2
Często go Państwo gubią we wzorach, czego efektem jest niepotrzebna strata punktów na
colloquium. Szczególną uwagę na liczbę atomów węgla pochodzących z Y–CH 2
należy zwrócić podczas zapisywania reakcji dialkilowania z utworzeniem pierścienia – w przykładzie
przedstawionym na Schemacie 32 z utworzeniem pierścienia pięcioczłonowego – cztery atomy węgla
pochodzą z dihalogenku, a jeden z acetyloacetonu!
W syntezie organicznej od 1,3-diketonów jeszcze bardziej użyteczne są diestry kwasu malonowego
(np. malonian dietylu) oraz β-ketoestry (np. acetylo- lub benzoilooctan etylu). Ich struktury z
zaznaczonymi atomami węgla α, na których zachodzi alkilowanie, oraz p K a atomów wodoru α są
przypomniane na Schemacie 33:
p K
a
p K
a
p K
a
malonian dietylu acetylooctan etylu benzoilooctan etylu
Schemat 33 Przypomnienie struktur malonianu dietylu, acetylooctanu etylu i benzoilooctanu etylu oraz wartości p K a ich
atomów wodoru α
Obecność jednej (w β-ketoestrach) lub dwóch (w diestrach kwasu malonowego) grup estrowych przy
atomie węgla α powoduje obniżenie kwasowości atomów wodoru α w porównaniu z
acetyloacetonem (p K a
≈ 9). Z tego powodu do wygenerowania jonów enolanowych i przebiegu reakcji
alkilowania używa się zwykle silniejszej zasady, na przykład EtONa w EtOH.
Idea reakcji mono- i dialkilowania diestrów kwasu malonowego oraz β-ketoestrów jest identyczna
jak w przypadku acetyloacetonu (Rozdział 4.2.2, Schemat 32) – oprócz użycia innej zasady i
rozpuszczalnika. Mono- i dialkilowanie również zachodzi na atomie węgla α pomiędzy grupami
karbonylowymi – inne są tylko podstawniki Y i Z. Z tego powodu nie ma w tym miejscu potrzeby
rysowania schematów wszystkich reakcji. Ograniczymy się do dokładniejszej analizy tylko jednej z
nich: niesymetrycznego dialkilowania malonianu dietylu (Schemat 34), oraz dialkilowania
dihalogankiem, prowadzącym do zamknięcia pierścienia (Schemat 35):
Br
3
I (1 mol)
2
2
Schemat 34 Schemat reakcji niesymetrycznego dialkilowania malonianu dietylu, prowadzącej do niesymetrycznej dialkilopochodnej kwasu octowego.
Wszystkie produktu pośrednie tego ciągu reakcji da się wyodrębnić
Wszystkie produkty pośrednie reakcji alkilowania pochodnych kwasu malonowego da się
wyodrębnić i na ogół czyni się to przed kolejnymi etapami reakcji (produkty pośrednie można
również poddać innym przemianom – patrz Rozdział 5). Fragmenty pochodzące od malonianu dietylu
zaznaczono na niebiesko, te pochodzące od halogenków alkilowych na zielono, zaś nowe wiązania ––
- na czerwono.
Etapy 1. i 2.orazetapy 3. i 4 .są analogiczne i prowadzą do kolejnych alkilowań pozycji α cząsteczki
estru malonowego.
Etapy 5. i 6 .to nieodwracalna hydroliza otrzymanego α,α-dialkiloestru w warunkach zasadowych
połączona z wydzieleniem po zakwaszeniu α,α-dialkilowanego kwasu malonowego.
Etap 7. to dekarboksylacja jednej z grup COOH α,α-dialkilowanego kwasu malonowego z
ostatecznym otrzymaniem α,α-dialkilowanego kwasu octowego.
Dialkilowanie może być również przeprowadzone z użyciem dihalogenku. Na Schemacie
35 zapisano ciąg reakcji prowadzących od malonianu dietylu do kwasu cyklopentanokarboksylowego:
Br
Br
2
2
Schemat 35 Schemat reakcji dialkilowania malonianu dietylu dihalogenkiem alkilowym, prowadzącej do kwasu cykloalkilokarboksylowego.
Podobnie jak na Schemacie 34 fragmenty pochodzące od malonianu dietylu zaznaczono na niebiesko,
te pochodzące od halogenków alkilowych na zielono, zaś nowe wiązania ––– na czerwono.
Br
3
I (1 mol)
2
Br
Br
2
2
Schemat 37 Reakcje alkilowania β-ketoestrów prowadzą, po hydrolizie i dekarboksylacji produktów, do pochodnych acetonu
Jak na poprzednim schemacie, fragmenty cząsteczek pochodzących od substratu Y–CH 2
zaznaczone na niebiesko, fragmenty pochodzące z halogenków lub dihalogenków – na zielono, zaś
nowe wiązania ––– przy atomach węgla α – na czerwono.
Po alkilowaniu otrzymuje się mono- lub dialkilowane w pozycji α pochodne β-ketoestrów. Po
hydrolizie dają one odpowiednie kwasy, które w wyniku ogrzewania i dekarboksylacji dają ketony:
mono- lub dialkilowane pochodne acetonu (lub acetofenonu).
Kolejną (i ostatnią omówioną w tych Materiałach) reakcją stabilizowanych jonów enolanowych jest
ich addycja Michaelado akceptorów Michaela. Z addycją Michaela (addycją sprzężoną, addycją 1,4)
spotkali się już Państwo w trakcie kursu podstawowego Chemia Organiczna (Wykład: „Addycja
nukleofilowa do C=O, addycja sprzężona”) przy okazji addycji różnego typu nukleofili do α,β-
nienasyconych związków karbonylowych, które były akceptorami Michaela .Takim nukleofilem
( donorem Michaela )może być również stabilizowany jon enolanowy, wytworzony z cząsteczki typu Y–
2
akceptorów Michaela są przedstawione na Schematach 38 i 39:
K 2
CO 3
, DCM, 20°C
O
O
O
O
Donor Michaela Akceptor Michaela
O
O
OH
O
O
O
O
O
O
EtONa, EtOH, 20°C
O
O O
O
O O
MeONa, MeOH,
O
O O
O
O
O
O
O O
O
O
OH
O
KOH, DMF, 40°C
O
O O
O
O
O
O
O O
O
O
OH
O
O
O
O
O
Produkt
addycji Michaela
Schemat 38 Reakcje Michaela związków typu Y–CH 2
podstawienia. Produkty te, jeśli otrzymane zostały z diestrów kwasu malonowego lub β-ketoestrów, mogą być poddane hydrolizie i
dekarboksylacji, dając związki 1,5-dikarbonylowe
Niektóre uwagi dotyczące reakcji Michaela stabilizowanych jonów enolanowych, przedstawionych
na Schematach 38 i 39:
UWAGA 1: Patrząc na strukturę cząsteczki produktu po hydrolizie i dekarboksylacji możemy czasami
ustalić dwa zestawy reagentów, które mogą dać produkt mający narysowaną strukturę, na przykład w
pierwszej reakcji na Schemacie 38– patrz Schemat 40:
Schemat 40 Czasami hydroliza i dekarboksylacja produktu reakcji Michaela daje identyczny związek z różnych kombinacji
donora i akceptora Michaela
Wynika to z faktu, że przed dekarboksylacją znikająca grupa COOH mogła być przyłączona albo przy
atomie węgla α z grupą COCH 3
(reakcja górna) albo przy atomie węgla α z drugą grupą COOH (reakcja
dolna zapisana na Schemacie 39).
UWAGA 2: W produktach reakcji Michaela hydrolizująwszystkie grupy estrowe COOR (i CN) , ale
późniejszej dekarboksylacji ulegają tylko te grupy COOH, które znajdują się przy atomach węgla z
grupą ketonową COR lub inną grupą COOH!
UWAGA 3: Produkty niektórych reakcji Michaela można otrzymać również w reakcjach alkilowania z
użyciem β-halogenoketonów na przykład w pierwszej reakcji ze Schematu 38 – patrz Schemat 41:
Br
Schemat 41 Produkty reakcji Michaela można czasem otrzymać przez alkilowania donora Michaela β-halogenoketonem
UWAGA 4: Ponieważ w cząsteczkach typu Y–CH 2
kombinację alkilowania (Rozdziały 4.2.3 i 4.2.4) i reakcji Michaela na tej samej cząsteczce Y–CH 2
rozdziałach 1– 4
Dalsze przekształcenia produktów otrzymanych w reakcjach opisanych w poprzednich rozdziałach
zależą od struktury cząsteczki końcowego produktu, który zamierzamy otrzymać, na przykład
zapisując schematy odpowiednich przemian podczas rozwiązywania zadań colloquium końcowego
kursu Zaawansowana Chemia Organiczna. Przykłady nie wyczerpujące w żaden sposób tego tematu
przedstawiono na Schemacie 42:
Ze Schematu 5
NaClO
2
4
, MeOH
0°C, 2 h, pod N
2
pirydyna
redukcja grupy CHO utlenianie grupy CHO
kondensacja
Knövenagla
2 , Pd-C
24 h
redukcja wiązania C=C
Ze Schematu 35
LiAlH
4
3
MeCN, 20°C, 16 h
redukcja
grup COOEt
tworzenie
cyklicznego acetalu
Schemat 42 Przykłady dalszych przekształceń produktów reakcji opisanych w Rozdziałach 1– 4