KAPITEL 22. SUBSTITUSJNSREAKSJNER α TIL KARBNYL.
1. KET-ENL TAUTMERI Karbonylforbindelser med hydrogen bundet til α-karbonatomer er i likevekt med de korresponderende alkoholer. Likevekten kalles tautomeri og de individuelle isomere kalles tautomere. I motsetning til resonansformer er tautomere forskjellige isomere. I tross for det faktum at svært lite av enolformen er tilstede ved romtemperatur er enoler viktige fordi de er reaktive. Mekanisme for tautomeri. Ved syrekatalysert tautomeri blir karbonylkarbon protonisert og danner et intermediat. Intermediatet taper et hydrogen fra α karbon og gir en nøytral enol. + + 3 + Ved basekatalysert enoldannelse skjer det en syrebase reaksjon mellom en base og et α hydrogen. Det resulterende enolatet protoniseres for å gi en enol. + +. Kun hydrogen i α posisjon i sure. ppgave 22.1 og 22.2 Tegn strukturen av enol tautomerer til hver av følgende forbindelser vor mange sure hydrogen har molekylene listet i oppgave 22.1? Identifiser dem. Ketoform Enolform Sure protoner 4 l 3 l 3 2
3 3 2 4 5 3 ppgave 22.3 Tegn strukturer for monoenoler av sykloheksa-1,3-dion. vor mange former er mulig? vilke forventer du er mest stabile. Forklar. De to første monoenolene er mer stabile, fordi enol dobbeltbindingen er konjugert med karbonylgruppen. 2. REAKTIVITET AV ENLER: MEKANISMEN FR α SUBSTITUSJNSREAKSJNER. T159 Den elektronrike dobbeltbindingen i enoler er årsak til at de kan oppføre seg som nukleofiler. Den elektrondonerende enol gruppen er årsak til at enoler er mer reaktive enn alkener. Når en enol reagerer med en elektrofil vil det initielle adduktet tape fra oksygen og gi en substituert karbonylforbindelse. 3. α ALGENERING AV ALDEYDER G KETNER T160 Aldehyder og ketoner kan halogeneres i α posisjon ved reaksjon med X 2 i surt miljø. Reaksjonen skjer ved en syrekatalysert dannelse av et enol intermediat. alogen er ikke involvert i det hastighetsbestemmende trinn. astigheten er ikke avhengig av type halogen, men av [keton ] og [ + ]. α-bromketoner er nyttige i syntese, fordi de kan dehydrobromeres ved behandling med base og danne α,β-umettede ketoner 3
ppgave 22.4 Vis mekanismen for deuterering av propanon ved behandling med D 3 +? 3 3 D 2 D D 3 2 3 D 2 3 D D 3 D 3 ppgave 22.5 vordan kan du fremstille pent-1-en-3-on fra pentan-3-on? Br 2 3 3 2 2 3 3 2 3 Br pyridin varme 3 2 2 4. α BRMERING AV KARBKSYLSYRER: ELL-VLARD-ZELINSKII REAKSJNEN I ell-volhard-zelinskii reaksjonen brukes en blanding av Br 2 og PBr 3 for å bromere karboksylsyrer i α posisjon. Det dannes først et alkanoylbromid. Alkanoylbromidet reagerer med Br 2 og danner et α-brom alkanoylbromid. Reaksjonen går via et enolformen av α-alkanoylbromid. α-bromalkanoylbromidet hydrolyseres og gir vann og en α-bromsyre. ppgave 22.6 Dersom metanol tilsettes istedenfor vann på slutten av en ell-volhard-zelinskii reaksjon dannes en ester fremfor en syre. Vis hvordan du vil fremstille metyl 2-brom-3-metylpentanat fra 3- metylpentansyre og foreslå en mekanisme for trinnet der det dannes en ester. PBr 3 Br Br (3 ) 2 3 (3 ) 2 3 ( 3 ) 2 3 Br 2 Br 3 (3 ) 2 3 3 Br Br (3 ) 2 3 Mekanisme: Metanol angriper karbonyl. Det dannes et tetraederisk intermediat. Bromid sparkes ut. 4
5. SYRESTYRKE TIL α YDRGENATMER: DANNELSE AV ENLATER. T161 ydrogen i α stilling til en karbonylgruppe er svakt sure. Stabiliteten av anionet skyldes overlapp av ledige p-orbital med karbonyl p-orbital og tillater at karbonylgruppen stabiliserer den negative ladningen via resonans. De to resonansformene er ikke ekvivalente. Formen med negativ ladning på oksygen har lavere energi. Sterke baser er nødvendig for dannelse av enolater. Alkoksider er for svake baser til at de kan benyttes for å lage enolater. Litium diisopropylamid (LDA) brukes for å danne enolater, fordi det er en meget sterk base. Den er løselig i TF og den kan brukes ved meget lave temperaturer. LDA kan brukes for å danne enolater av mange forskjellige karbonylforbindelser. ppgave 22.7 Identifisere de sureste hydrogenatomer i hver av følgende molekyl. 3 ( 3 ) 3 N 3 2 N N 3 3 ppgave 22.8 Tegn en resonansstruktur for etanitrilanionet og forklar årsaken til at nitriler er sure. Nitriler er svakt sure fordi nitrilanion kan stabiliseres ved resonans 2 N 2 N 6. REAKTIVITET AV ENLAT INER. Det er to årsaker til at enolater er mer brukbare enn enoler. I motsetning til enoler kan man lett lage stabile løsninger av enolater. Enolater er mer reaktive enn enoler, fordi de er mer nukleofile. Enolater kan reagere med enten oksygen eller karbon Reaksjon på karbon gir en α substituert karbonylforbindelse. Reaksjon på oksygen gir et enol derivat. 5
7. ALGENERING AV ENLATINER: ALFRMREAKSJNEN. Basepromotert halogenering av aldehyder og ketoner går lett, fordi hvert addert halogen gjør karbonylforbindelsen mer reaktiv. Som en konsekvens av dette dannes vanligvis polyhalogenerte forbindelser. Reaksjonen er kun brukbar for metylketoner som danner X 3 når de reagerer med halogen. Et karbanion er den utgående gruppen i siste trinn i reaksjonen. ppgave 22.9 vorfor er halogenering av ketoner i surt miljø referert til som syrekatalysert, mens halogenering i basisk miljø refereres til som basepromotert? Med andre ord hvorfor er en ekvivalent base nødvendig for halogenering. alogenering i surt miljø er syrekatalysert fordi hydrogenion regenereres i reaksjonen. + X 2 X + + + X - alogenering i basisk miljø er basepromotert fordi en støkiometrisk mengde base forbrukes i reaksjonen. + X 2 + B: - X + B + X - ppgave 22.10 Som regel er karbanion dårlige utgående grupper i nukleofile substitusjonsreaksjoner. vorfor tror du andre trinn i haloform reaksjon skjer så hurtig? Til tross for at den utgående gruppen er et karbanion vil den negative ladningen stabiliseres av de tre elektrontiltrekkende halogenatomene. 8. ALKYLERING AV ENLATINER Generelle trekk. Alkylering er nyttige da det dannes nye - bindinger. Alkyleringer har samme begrensinger som S N2 reaksjoner, alkylgruppen må være metyl, primær, allylisk eller benzylisk. Malonestersyntese. Malonestersyntese benyttes for å syntetisere karboksylsyrer fra et halogenid, mens kjeden øker med to karbonatom Dietylmalonat er brukbar fordi enolat kan lett fremstilles ved reaksjon med natriumetanat. (etoksid) 6
Da dietyletanolat har to sure hydrogen kan to alkyleringer finne sted. ppvarming med vandig l forårsaker hydrolyse og dekarboksylering av alkylerte malonater. Dekarboksyleringer er vanlig for β-ketosyrer og malonsyrer. Sykloalkankarboksylsyrer kan også fremstilles. Acetoeddikestersyntese. Acetoeddikester syntes brukes for å omdanne haloalkaner til metylketoner, mens kjeden øker med tre karbonatom. Som med malonester har acetoeddikester to sure hydrogen som er omgitt av et keton og en ester og to alkyleringer kan finne sted. ppvarming med vandig l hydrolyserer esteren og dekarboksylerer syrer for å gi et keton. Alle β-ketoestere kan undergå denne type reaksjon. Direkte alkylering av ketoner, ester og nitriler. LDA i et ikke-protisk løsningsmiddel om kan omdanne forbindelsene overfor til enolater. Alkylering av et usymmetrisk keton gir en blanding av produkter, men hovedproduktet blir alkylert ved den sterisk minst hindrede posisjon. ppgave 22.11 vordan kan malonestersyntese benyttes til å fremstille følgende forbindelser. Vis alle trinn. a. 3-fenylpropansyre Fra malonester 1. Na +- 2 3 3 +, varme + 2 + 2 3 2 2. Ph 2 Br b. 2-metylpentansyre 7
Fra malonester 1. Na +- 2 3 2. 3 2 2 Br 1. Na +- 2 3 2. 3 Br 3 +, varme + 2 + 2 3 2 c. 4-metylpentansyre Fra malonester 1. Na +- 2 3 2. ( 3 ) 2 2 Br 3 +, varme + 2 + 2 3 2 d. etyl syklobutankarboksylat Fra malonester 1. Na +- 2 3 2. Br 2 2 2 Br 3 +, varme + 2 + 2 3 2 3 2 3 + I malonestersyntesen omdannes at haloalkan til en karboksylsyre med to karbonatom mer (en substituert eddiksyre). Identifiser komponenten som kommer fra malonesteren (syrekomponenten). Resten av molekylet kommer fra haloalkanet som er primært eller metyl. 8
ppgave 22.12 Monoalkylert og dialkylert eddiksyre kan fremstilles ved malonestersyntese, men trialkylerte eddiksyrer R 3 ikke kan fremstilles på denne måten. Forklar dette. Da malonester kun har to sure hydrogenatom kan den alkyleres kun to ganger. Dannelse av trialkylerte eddiksyrer er ikke mulig. ppgave 22.13 vilke haloalkaner kan brukes til å fremstille følgende ketoner ved acetoeddikestersyntese? a. 5-metylheksan-2-on Fra acetoeddikester 1. Na +- 2 3 2. ( 3 ) 2 2 Br 3 +, varme + 2 + 3 2 b. 5-fenylpentan-2-on Fra acetoeddikester 1. Na +- 2 3 2. Ph 2 2 Br 3 +, varme + 2 + 3 2 ppgave 22.14 vordan kan du fremstille metyl syklopentyl keton ved bruk av acetoeddikestersyntese? Fra acetoeddikester 1. 2 Na +- 2 3 2. Br 2 2 2 Br 3 +, varme + 2 + 3 2 ppgave 22.15 vilke av følgende forbindelser kan ikke fremstilles ved acetoeddikestersyntese? Forklar. 1. Tre karbonatom må komme fra acetoeddikester. Det betyr at forbindelser av type R 3 ikke kan syntetiseres fra RX og acetoeddikester 9
2. aloalkanet må være primært eller sekundært 3. Acetoeddikestersyntese kan ikke brukes til å fremstille forbindelser som er trisubstituert i α posisjon a. Fenylpropanon Fenylpropanon kan ikke brukes i en acetoeddikestersyntese fordi brombenzen som er det nødvendig halogenid ikke deltar i S N2 reaksjoner. Se punkt 2 over. b. Fenyletanon Se punkt 1 over c. 3,3-dimetylbutan-2-on. Se punkt 3 over. ppgave 22.16 Vis hvordan du kan fremstille følgende forbindelser ved bruk av alkyleringsreaksjon i nøkkeltrinnet. Direkte alkylering brukes til å introdusere substituenter α til en ester keton eller nitril. Se på målmolekylet og identifiser substituentene. Alkylering oppnås ved å behandle utgangsmaterialet med LDA fulgt av et primært halogenid. a 3-fenylbutan-2-on 1. LDA 2. 3 I b. 2-etylpentannittril N 1. LDA 2. 3 2 I N c. 2-allylsykloheksanon 1. LDA 2. 2 = 2 I d. 2,2,6,6-tetrametylsykloheksanon. 1. overskudd LDA 2.overskudd 3 I 10