20.3.2020
1
Ústav chemických léčiv, Farmaceutická fakulta VFU,
Palackého 1/3, 642 12 Brno
Doc. Ing. Pavel Bobáľ, CSc.
Organická chemie
15.Karbonylové sloučeniny:
aldehydy a ketony
2
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
Karbonylové sloučeniny – obsahují vazbu C=O
- obsahují acylovou skupinu
2
Úvod
O
OH
O
O OH
O HO
H
N
O
kyselina octová
(karboxylová kyselina)
kyselina acetylsalicylová
(karboxylová kyselina + ester)
paracetamol
(amid)
H
O
CH3
O
benzaldehyd
(aldehyd)
acetofenon
(keton)
O
R
3
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
3
O
R'R
O
OHR
O
NH2R
O
HR
O
OR'R
O
OR R'
O
O
XR
keton
aldehyd
karboxylová
kyselina
ester
acylhalogenid
amid
anhydrid kyseliny
-al
-on
-ová kyselina
-oylhalogenid
-anhydrid
-át nebo -oát
-olakton
-amid
-olaktam
O
OC
lakton
(cyklický ester)
O
NC
laktam
(cyklický amid)
Typy karbonylových sloučenin
4
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
4
Typy karbonylových sloučenin
O
R'R
O
OHR
O
NH2R
O
HR
O
OR'R
O
OR R'
O
O
ClR
keton aldehyd
karboxylová
kyselina
ester acylchlorid
amid anhydrid kyseliny
Substituenty -R' a -H
nemohou být odstupující
skupinou v substitučních
reakcích
Substituenty -OH, -OR', -Cl,
NH2, a -OCOR' mohou být
odstupující skupinou
v substitučních reakcích
20.3.2020
2
5
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
- sufix – al, aldehydy - CHO
5
Názvosloví aldehydů a ketonů
H
O
H
O
H
O
ethanal
(acetaldehyd)
propanal
(propionaldehyd)
2-ethyl-4-methylpentanal
1
2
3
4
5
CHO CHO
cyklohexankarbaldehyd naftalen-2-karbaldehyd
6
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
methanal formaldehyd
ethanal acetaldehyd
propanal propionaldehyd
butanal butyraldehyd
pentanal valeraldehyd
prop-2-enal akrolein
benzenkarbaldehyd benzaldehyd
6
Názvosloví aldehydů a ketonů
O
1
2
3
4
5
6
O
1
2
3
4
5
6
O
1
2
3
4
5
6
O
hexan-3-on hex-4-en-2-on hexan-2,4-dion
- sufix – on, ketony – C=O
7
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
7
Názvosloví aldehydů a ketonů
O
O O
aceton acetofenon benzofenon
R
O
H3C
O
acylová skupina acetyl
H
O O
formyl benzoyl
O
CH3
OO
1
23
4
5
6
methyl-3-oxohexanoát
8
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
8
Příprava aldehydů a ketonů
OH O
PCC
CH2Cl2
citronelol citronelal (82 %)
oxidace
CH3
H
O
O1. O3
2. Zn, CH3COOH
1-methylcyklohexen 6-oxoheptanal (86 %)
O
O
H
O1. DIBAH, PhCH3, -78 °C
2. H3O+
Al
H
DIBAH =
methyl-dodekanoát dodekanal (88 %)
20.3.2020
3
9
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
9
Příprava aldehydů a ketonů
OH O
PCC
CH2Cl2
4-terc-butylcyklohexanol 4-terc-butylcyklohexanon
oxidace
O
1. O3
2. Zn, H3O+
O
O
+ CH2O
+
O
Cl
AlCl3
zahřívání
O
10
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
10
Příprava aldehydů a ketonů
O
H3O+
HgSO4
hex-1-yn hexan-2-on
Cl
O
+ (CH3)2Cu
-
Li+
CH3
O
hexanoylchlorid lithium-dimethylkuprát heptan-2-on (81 %)
11
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
11
Příprava aromatických aldehydů
Reimerova–Tiemannova reakce
mechanismus
12
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
12
Příprava aromatických aldehydů
Reimerova–Tiemannova reakce
mechanismus
20.3.2020
4
13
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
13
Oxidace aldehydů a ketonů
O
HR
O
OHR
[O]
aldehyd karboxylová kyselina
O
R'R
[O]
keton
Nereaguje
H
O
OH
O
CrO3, H3O+
aceton, 0 °C
hexanal hexanová kyselina
14
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
14
Oxidace aldehydů a ketonů
O
H
O
OH
NH4OH, H2O
Ag2O
+ Ag
benzaldehyd kyselina benzoová
Tollensovo činidlo
O 1. KMnO4, H2O
NaOH
2. H3O+ COOH
COOH
cyklohexanon hexandiová kyselina
15
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
15
Nukleofilní adice na aldehydy a ketony
Záporně nabité nukleofily
Neutrální nukleofily
Protonace
Adice
16
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
16
Nukleofilní adice na aldehydy a ketony
O
R'R
O
NuR
-
R'
O
NuR
R'
H
Nu
H
Nu H A
H A
O
NuR
R'
H
H
O
NuR
R'
H
- H2O
Nu
R'R


20.3.2020
5
17
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
17
Relativní reaktivita aldehydů a ketonů
O
HR 

O
R'R 

aldehyd
(menší stabilizace , reaktivnější)
keton
(větší stabilizace , méně reaktivní)
HR 
H
R'R 
primární karbokation
(méně stabilní, reaktivnější)
sekundární karbokation
(stabilnější, méně reaktivní)
H
H
O
H
O
+
-
H
O
+
-
H
O
+
-
aromatické aldehydy – méně reaktivní než alifatické
18
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
18
Nukleofilní adice H2O: vznik hydrátu
H3C CH3
O
H3C OH
OH
H3C
+ H2O
aceton (99,9 %) hydrát acetonu (0,1 %)
H H
O
H OH
OH
H
+ H2O
formaldehyd (0,1 %) hydrát formaldehydu (99,9 %)
19
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
19
Nukleofilní adice H2O: vznik hydrátu
O
OH
OH
OH
-
O
OH
- O
H
H
- bazicky katalyzovaná reakce – OH je silnější nukleofil než voda
- kysele katalyzovaná reakce – protonovaná zvyšuje elektrofilitu uhlíku
O
OH
OHOH
O
O
H
H
H
+
OH
+
O
H
H
H
H
+
O
H
H
+ H3O+
20
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
20
Nukleofilní adice HCN: vznik kyanhydrinů
O
H
benzaldehyd
HCN H
nitril kyseliny mandlové
2-fenyl-2-hydroxyethannitril
(kyanhydrin)
HO CN
O
H
benzaldehyd
C H
tetraedrický
intermediát
O CN
HCN H
nitril kyseliny mandlové
(kyanhydrin)
HO CN
-
-
+
N
C
-
N
mechanizmus
20.3.2020
6
21
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
21
Nukleofilní adice HCN: vznik kyanhydrinů
O
H
benzaldehyd
HCN H
nitril kyseliny mandlové
(kyanhydrin)
HO CN
CHCH2NH2
OH
2-amino-1-fenylethanol
CHCOOH
OH
kyselina mandlová
(2-hydroxy-2-fenyloctová kyselina)
1. LiAlH4, THF
2. H3O+
H3O+
, zahřívání
22
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
22
Nukleofilní adice Grignardových činidel a hydridů:
Vznik alkoholů
+ HOMgX
O
R
- O
R
tetraedrický
medziprodukt
H3O+ OH
R
alkohol
MgX
O R
-
karbonylová
sloučenina
+
+ MgX
MgX
O
R'R
H- O
HR
R'
intermediární
alkoxid
H3O+ OH
HR
R'
alkohol
-
karbonylová
sloučenina


z NaBH4
+ H2O
23
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
23
Nukleofilní adice aminů: Vznik iminů a enaminů
O
H
N
H
N
R R R
N
H
R R
R NH2
+ H2OH2O +
aldehyd
keton
imin enamin
24
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
24
Nukleofilní adice aminů: Vznik iminů a enaminů
O
NHR
OH
NH2R
O
NH2R
- O
H
H
H
+
+
O
H
H
- H3O+
+
NHR
O
H H
- HOH
N
R H
+ N
Rpřenos
protonu
aldehyd
keton
hemiaminal iminiový
ion
imin
H2NOH + H A H3NOH
+
+ A
báze
kyselina není nukleofilní
O H2NOH+
cyklohexanon hydroxylamin
N +
cyklohexanon-oxim
H2O
OH
reakčnírychlost→
20.3.2020
7
25
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
25
Nukleofilní adice aminů: Vznik iminů a enaminů
O
R2N
OH
NHR2
O
H
H
H
+
O
H
H
- H3O+
N
R
aldehyd
keton
enamin
H H
R2N
OH2
H
+
N
R R+
H
R
26
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
26
Nukleofilní adice hydrazinu: Wolffova-Kižněrova reakce
O HH
+ N2 + H2O
H2NNH2
KOH
H
O
+ N2 + H2O
H2NNH2
KOH
CH3
Ludwig Wolff Nikolai Matveevich Kischner
27
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
27
Nukleofilní adice alkoholů: tvorba acetalů a ketalů
O
OR'
OR' + H2O+ 2 R'OH
aldehyd
keton
acetal
ketal
O


O O

H A
H H
- protonace karbonylových sloučenin
cyklohexanon
O
hemiketal
CH3OH, H+
OH
OCH3
ketal
cyklohexanon-dimethylketal
CH3OH, H+
OCH3
OCH3
+ H2O
28
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
28
Nukleofilní adice alkoholů: tvorba acetalů a ketalů
O


OH Cl
H
O
O
HOR
H
R
H
+
+
OH
OR
hemiacetal
hemiketal
H Cl
OH2
OR
+O
R
HOR
+
- H2O
O
O
R
R
H
+
HOH
OR
OR - H3O+
acetal
ketal
- H3O+
mechanizmus
20.3.2020
8
29
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
29
Nukleofilní adice alkoholů: tvorba acetalů a ketalů
O
O
O
O
O
OOOHHO
H+
OH
OO
OH
OHHO
H3O+
+
O
1. LiAlH4
2. H3O+
- použití - chránění
30
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
30
Nukleofilní adice thiolů: tvorba thioacetalů a thioketalů
Coreyho-Seebachova reakce – „Umpolung“
- příprava – analogicky
- použití – chránění a „Umpolung“
normální nukleofilní adice „Umpolung“
Elias James Corey (1928 - )
Harvard University
1990 Nobelova cena za chemii
Dieter Seebach (1937 - )
ETH Zürich
31
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
31
Nukleofilní adice thiolů: tvorba thioacetalů a thioketalů
Coreyho-Seebachova reakce – „Umpolung“
- využití
S S
R Li
O
R'
X R'
O
R''(R')H
O
R''X
1.
2. H3O+
2. H3O+
1.
HgO
HgO
HgO
HgO
O
R'R
O
R R'
OH
O
R
R''
OH
H(R')
O
R
R''
O- proč 1,3-dithiany a ne 1,3-dithiolany
H3C
S
CH3 H3C
S
CH3
CH3
ICH3I NaOH
CH3SOCH3
0 °C
H3C
S
CH2
CH3
+ NaI
H
O
O
H
S
CH3
CH3
H3C
S
CH3 +
O
32
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
32
Nukleofilní adice sulfonium-ylidů:
Coreyho-Chaykovskyeho reakce
- příprava epoxidu z aldehydu – reakce trialkylsulfonium-halogenidů
sulfonium-ylid (sulfuran)
sulfoxonium-ylid
20.3.2020
9
33
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
33
Nukleofilní adice fosfonium-ylidů: Wittigova reakce
P H3C Br
SN2
P CH3
+
Br
P
CH2
+
BuLi
THF
-
trifenylfosfan
(trifenylfosfin)
methyl(trifenyl)-
fosfonium-bromid
methylen(trifenyl)-
fosforan
(fosfonium-ylid)Ph3P
Georg Wittig
1897 – 1987
1979 Nobelova cena za chemii
- metoda syntézy alkenů
(olefinace)
34
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
34
Nukleofilní adice fosfonium-ylidů: Wittigova reakce
O P(Ph)3
R'R
-
+
ylid
O P(Ph)3
R'
R
+-
betain
O P(Ph)3
R'
R
R'
R
+ (Ph)3P=O
- mechanizmus
35
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
35
Nukleofilní adice fosfonium-ylidů: Wittigova reakce
O
CH2
CH3 CH2
+
+ (Ph)3P=O
1. CH3MgBr
2. POCl3
(Ph)3P-CH2
+ -
THF
cyklohexanon
1-methylcyklohexen methylencyklohexan
methylencyklohexan
9 : 1
36
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
36
Nukleofilní adice hydroxidu: Cannizzarova reakce
- odstupující skupina – hydridový ion,
- disproporcionace – současná oxidace a redukce
H
O
OH
-
OH
HO
-
H
O1.
2. H3O+
OH OH
OHH
+
benzaldehyd tetraedrický
intermediát
benzylalkohol kyselina benzoová
Stanislao Cannizzaro
1826 - 1910
20.3.2020
10
37
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
37
Nukleofilní adice kyanidu: Benzoinová kondenzace
- NaCN, thiamin hydrochlorid (vitamin B1) v alkalickém prostředí
O
H
CN
nebo
thiamin
O OH
benzoin
N
N
N
NH2
S OH
Cl
38
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
38
Nukleofilní adice kyanidu: Benzoinová kondenzace
O
H
CN
C
H
O
C N
H2O
C
H
OH
C N
OH
C
OH
C N
O
H
O OH
C
OH
C
N
H
O
C
O
C
N
H
OH- CN
C
OH
C N
o- a p-
C
OH
C N
- mechanismus
39
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
39
Nukleofilní adice kyanidu: Benzoinová kondenzace
O
H
O OH
NaOH, CH3CH2OH, H2O
N
N
N
NH2
S OH
Cl
N
N
N
NH2
S OH
Cl
OH N
N
N
NH2
S OH
H
R1 R2
40
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
40
Nukleofilní adice kyanidu: Benzoinová kondenzace
- mechanismus
R1
N
S
R2
O
H
C
O
H
H2O
R1
N
S
R2
C
OH
H
R1
N
S
R2
OH
C
OH
R1
N
S
R2
C
OH
R1
N
S
R2
O
H
C
OH
R1
N
S
R2
H
O
C
O
R1
N
S
R2
H
OH
O OH
R1
N
S
R2
„Umpolung
20.3.2020
11
41
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
41
Benzilový přesmyk
- reakce 1,2-diketonů s alkalickými hydroxidy
42
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
42
Benzilový přesmyk
- mechanismus
43
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
43
Benzilový přesmyk
- mechanismus u cyklických 1,2-diketonů
44
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
44
Konjugovaná nukleofilní adice na α,β-nenasycené
aldehydy a ketony (Michaelova adice)
- 1,4-adice
O
C
C
C
O
C
C
C
-
+
O
C
C
C
-
+

Arthur Michael
1853 -1942
20.3.2020
12
45
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
45
Konjugovaná nukleofilní adice na α,β-nenasycené
aldehydy a ketony (Michaelova adice)
O
C
C
C
O
C
C
C
Nu


1
2
3
4
Nu
-
O
C
C
C
Nu-
O
C
C
C
Nu
H3O+
H
- mechanizmus
46
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
46
Konjugovaná nukleofilní adice aminu na α,β-nenasycené
aldehydy a ketony (Michaelova adice)
O
+ H N
O
N
ethanol
O
+ H N
CH3
H
ethanol
O
N
H
CH3
47
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
47
Konjugovaná nukleofilní adice aminu na α,β-nenasycené
aldehydy a ketony (Michaelova adice)
O
C
C
C
- O
C
C
C
R
H3O+
H
R1.
2.
RX RLi + LiX
2 Li
pentan
2 RLi Li+
(RCuR) + LiI
CuI
ether
-
lithium-diorganokuprát
(Gilmanovo činidlo)
O O
H
HH
1. (CH2=CH)2CuLi, ether
H3O+2.
48
15. Karbonylové sloučeniny: aldehydy a ketony
Organická chemie
48
Konjugovaná nukleofilní adice aminu na α,β-nenasycené
aldehydy a ketony (Michaelova adice)
O
O
CH3HO
CH3
H3O+2.
H3O+2.
1. CH3MgBr (CH3Li), ether
1. (CH3)2CuLi, ether
1-methylcyklohex-2-en-1-ol
3-methylcyklohexanon
1,2-adice
1,4-adice