Karbonylové sloučeniny
R1
C
O
R2 R1
C
H
O
keton aldehyd
C C
R1
R1
O
keten
Příprava aldehydů a ketonů
Oxidace alkoholů
RCH2 OH
PCC
CH2Cl2
R
O
H
R2CH OH
K2Cr2O7
H2SO4
R
O
R
Hydratace alkynů
R H
Hg2+/H2O
H2SO4 R
O
CH3R
OH
CH2
16. dubna 2020 1 / 45
Karbonylové sloučeniny
Ozonizace alkenů
R2
R1 R3
R4
1. O3
2. Zn/H2O
+O
R1
R2
O
R4
R3
Friedelova-Craftsova reakce
+ Cl
O
R
1. AlCl3
2. H2O
O
R
Hydroborace-oxidace terminálních alkynů
R H
1. BH3
2. H2O2/NaOH
R
R
H
OH
H
O
16. dubna 2020 2 / 45
Základní rysy reaktivity karbonylových sloučenin
Nukleofilní adice (AN)
ONu Nu
O
Nu
E
O
E
E
Nu
O
E
Nu
O
E
O
E
Reakce s nukleofily:
O
Aktivace elektrofilem:
tetraedrický
intermediát
V nukleofilní adici obvykle aldehydy reagují rychleji než ketony.
Sterický efekt.
Elektronový efekt.
Pořadí reaktivity vůči nukleofilům:
O
CH3H3C
O
HH
O
HH3C
O
H3C
O
> >> >
16. dubna 2020 3 / 45
Základní rysy reaktivity karbonylových sloučenin
Tetraedrický intermediát je obvykle nestabilní a podléhá dalším přeměnám –
eliminaci a nukleofilní substituci.
Nukleofilní adice na karbonyl nemusí být vratná:
H3C CH3
O
+ CH3CH2 MgBr H3C CH3
O
CH2CH3
H3C CH3
O
+ HCl
O
CH3H3C
Cl
Mg Br
2
H
nevratná adice:
vratná adice:
Enolizace karbonylových sloučenin – podmínkou je přítomnost atomu vodíku
na α atomu uhlíku:
O
H3C CH3
H H
α
β
H3C CH3
O
H
H
16. dubna 2020 4 / 45
Základní rysy reaktivity karbonylových sloučenin
Neenolizovatelné karbonylové sloučeniny:
O
H H
O
H
O
Enolizovatelné karbonylové sloučeniny mohou být deprotonovány na vzniku
ambidentního enolátu:
O
CH2
O
CH2H3C H3C
Reakce enolátu / enolu s elektrofily:
E
O
H3C
E
E
O
CH2H3C
E
O
CH2H3C E
enolát enol
O
CH2H3C
O
CH2H3C
H
− H
O
CH2H3C
H
O
CH2H3C
H
16. dubna 2020 5 / 45
Tvorba hydrátů karbonylových sloučenin
Nukleofilní adicí vody na karbonyl aldehydů a ketonů vznikají hydráty
(geminální dioly).
Adice vody může být katalyzována kysele:
H3C CH3
O
H
H3C CH3
O
H
H3C CH3
O
H
H
O
H
O
H3C CH3
O
HH
H
O
H3C CH3
O
H
H
H
geminální
diol
−
Nebo bazicky:
H3C CH3
O
H
O
H
O
H3C CH3
O
H
H
geminální
diol
−
HO
O
H3C CH3
O
H
HO
16. dubna 2020 6 / 45
Tvorba hydrátů karbonylových sloučenin
Tvorba hydrátů je u ketonů obvykle nevýhodná, stabilita hydrátů aldehydů je
vyšší:
H3C CH3
O OH
H3C CH3
OH
+ H2O
99,9 % 0,1 %
H H
O OH
H H
OH
+ H2O
0,1 % 99,9 %
Stabilní hydráty tvoří aldehydy a karbonylové sloučeniny nesoucí
elektronakceptorní skupiny:
H H
O
Cl3C H
O
F3C CF3
O
O
O
O
16. dubna 2020 7 / 45
Tvorba poloacetalů a acetalů
O
ROH
kyselina
nebo
báze
O
OR
H
poloacetal
(hemiacetal)
pouze
kyselina
H2O
ROH
+
OR
OR
acetal
AN SN1
V bazickém prostředí vzniká pouze poloacetal (hemiacetal):
O
O HR B OR BH
OR
O
O
R
BH
O
O
R
B
H
16. dubna 2020 8 / 45
Tvorba poloacetalů a acetalů
V kyselém prostředí může vzniknout z poloacetalu kysele katalyzovanou
SN1 acetal:
O
O
R
H
O
H
O
H
O
H
OR H
H
O
O
R
H
H
O
O
R
HH
− H2O O
R
OR H
O
O
R
HR
O
O
R
R
H+
Trend ve stabilitě poloacetalů a acetalů je podobný jako u hydrátů →
nutnost externím zásahem posouvat rovnováhu.
16. dubna 2020 9 / 45
Tvorba poloacetalů a acetalů
Výjimku představuje intramolekulární adice alkoholu za vzniku pěti- nebo
šestičlenného cyklu:
O
CH3
OHO
CH3HO
O
H
OH
OH
OH
OH
HO
D-glukosa α-D-glukopyranosa
O OH
OHHO
OH
HO
Náhradou poloacetalové -OH skupiny za jiný nukleofil vznikají glykosidy.
N
NN
N
NH2
N
NN
N
NH2
O
OHOH
HO
H
+
O
OHOH
HO OH
+ H2O
D-ribofuranosa adenin adenosin
16. dubna 2020 10 / 45
Tvorba poloacetalů a acetalů
Náhradou poloacetalové -OH skupiny za jiný nukleofil vznikají glykosidy.
O OH
OHHO
OH
HO
α-D-glukopyranosa kyanidin kyanin
O
O
O
OH
HO
OH
O
O
OHHO
HO
OH
HO
OHOH
OH
2
O
HO
OH
HO
OH
OH
+
−2 H2O
16. dubna 2020 11 / 45
Tvorba poloacetalů a acetalů
+ HCN
H
O
H
CN
HO
O O
O
OHHO
OH
HO
OH
OH
OH
ONC
amygdalin
enzym
H2O
16. dubna 2020 12 / 45
Reakce s dusíkatými nukleofily
Reakce s primárními aminy nebo NH3:
O + H2N R N
R
+ H2O
primární
amin nebo
amoniak
imin
(Schiffova báze)
O
NHR
H
E1AN
karbinolamin
Reakce obvykle vyžaduje kyselou katalýzu:
O
N
H
O
H
O
H
O
H
NR H
O
N
R
H
H
O
N
R
HH
− H2O N
R
N
R
H
R H
H
H
H
H
+ H
16. dubna 2020 13 / 45
Reakce s dusíkatými nukleofily
Analogicky reagují sloučeniny s nukleofilní -NH2 skupinou:
O + H2N OH N
OH
+ H2O
hydroxylamin oxim
O + H2N NH2 N
NH2
+ H2O
hydrazin hydrazon
Iminy enolizovatelných karbonylových sloučenin existují v tautomerních
formách (analogie keto-enol tautomerie):
N
R
H H
N
R
H H
imin enamin
16. dubna 2020 14 / 45
Reakce komplexními hydridy
Komplexní hydridy jako NaBH4 nebo LiAlH4 jsou primárně donorem nukleofilního
hydridového aniontu. Adice je nevratná.
Vykazují také bazické vlastnosti (vznik H2).
NaH je silná báze.
O
BH H
H
H
O
H
H
O
H
O
H
H
Formálně jde o redukci – adici H2 na dvojnou vazbu.
H
O
H3C
1. LiAlH4
2. H2O
H3C
OH
CH3
O
1. NaBH4
2. H2O
CH3
OH
primární alkohol
sekundární alkohol
16. dubna 2020 15 / 45
Adice organokovů
Organokovy vystupují jako nukleofily a báze.
H3C CH3
O
R Li
H3C CH3
O
R
H
O
H
H3C CH3
O
R
H
Li
+ LiOH
analogicky:
H3C CH3
O
R Mg
H3C CH3
O
R
Br
Mg2
Br
H2O
H3C CH3
O
R
H
+ Mg(OH)2 MgBr2+
16. dubna 2020 16 / 45
Wittigova reakce
P
Ph
Ph Ph
R2R1
+
O
R1 R2
+ P
Ph
Ph Ph
O
Georg Wittig
Reakce fosforového ylidu s aldehydem nebo ketonem.
Příprava fosforového ylidu:
P
Ph
Ph
Ph
H3C Br Ph P
Ph
Ph
C H
H
H
pKa = 22
NH2
Na
Ph P
Ph
Ph
CH2
Br
Ph P
Ph
Ph
CH2
Ph =
16. dubna 2020 17 / 45
Wittigova reakce
Meziproduktem reakce je heterocyklus – oxafosfetan.
Předpokládá se, že může vzniknout dvěma způsoby:
P
CH2
Ph
Ph Ph
O
R1
R2
P
H2C
Ph
Ph Ph
O
R1
R2
H2C
P O
Ph
Ph
Ph
R2
R1
oxafosfetan
H2C
R1
R2
P O
Ph
Ph
Ph
Nebo součinnou [2+2] cykloadicí:
P
Ph
Ph Ph
O
H2C
P O
Ph
Ph
Ph
R2
R1
oxafosfetan
H2C
R1
R2
P O
Ph
Ph
Ph
[2+2] cykloadice
16. dubna 2020 18 / 45
Wittigova reakce
CH3
CH3 CH3
P
Ph
Ph
Ph
Br
CH3H3C
O
H CH3 CH3
H3C CH3
H3C
retinal
KOH
CH3OH
CH3
CH3 CH3CH3H3C
CH3 CH3
H3C CH3
H3C
β-karoten
16. dubna 2020 19 / 45
Reakce vycházející z enolů/enolátů
O
CH2H3C
O
CH2H3C
H
O
CH3H3C
O
CH2H3C
kyselina
nebo báze
E
− H
E
silná
báze
enol
enolát
E
Rezonanční struktury enolu a enolátu:
O
CH2
O
CH2H3C H3C
enolát enol
O
CH2H3C
H
O
CH2H3C
H
16. dubna 2020 20 / 45
Pozice rovnováhy mezi enolem a ketoformou
H3C CH3
O
H3C CH2
OH
> 99,99 % < 0,01 %
OHO
H
H
< 0,01 % > 99,99 %
H3C
O O
CH3
H H
H2C
O O
CH3
H H
H
minoritní
enol
H3C
O O
CH3
H
H
majoritní
enol
Hodnota rovnovážné konstanty enol/keto závisí na rozpouštědle!
16. dubna 2020 21 / 45
Pozice rovnováhy mezi enolem a ketoformou
Hodnota rovnovážné konstanty enol/keto závisí na rozpouštědle, pro
acetylaceton:
Solvent % enolu
Cyklohexan 97
H3C CH3
O O
H3C CH3
OH OČistá látka 62
Dimethylsulfoxid 62
Voda 16
Kyselost α-vodíků u aldehydů a ketonů:
O
H
pKa 16,7 19,2 18,3 8,8 5
O
H3C
O
H H
O
O
H H
H
H HH
H
H
H
H
H
O
H3C CH3
O
H H
16. dubna 2020 22 / 45
Mechanismus enolizace
V kyselém prostředí (katalýza kyselinou):
O
CH3H3C
H
O
CH3H3C
H
O
H3C
H
H
H
H
O
H3C
H
H
H H+
V bazickém prostředí (katalýza zásadou):
O
H3C
H
H
H
B O
H3C
H
H
BH
O
H3C
H
H
H B+
16. dubna 2020 23 / 45
Kinetický a termodynamický enol
O
CH3
OH
CH3
OH
CH3
E
Enol s více substituovanou dvojnou vazbou bývá obvykle stabilnější →
termodynamický enol.
Enol s menším počtem alkylů na dvojné vazbě obvykle vzniká rychleji
→ kinetický enol.
16. dubna 2020 24 / 45
Halogenace
H3C CH3
O
H3C CH2
O
X
XH+
kyselina
nebo
báze
X2
(X )
Obvykle chlorace, bromace a jodace enolizovatelných karbonylových sloučenin.
Prakticky se provádí častěji za kyselé katalýzy.
H3C CH3
O
H
(kat.)
pomalu
H3C CH2
O
H
Br
Br
H3C CH2
O
H
Br
Br
H3C CH2
O
Br
BrH+
rychle rychle
16. dubna 2020 25 / 45
Alkylace
R X
H3C CH3
O
LDA
− 80 °C
deprotonace
H3C C
O
H
H
Li
H3C C
O
H
H
Li
primární
substrát
SN2
H3C C
O
H
H
R
+ LiX
Mechanismus:
H3C C
O
H
H
H
N
H3C CH3
CH3
CH3
H3C C
O
H
H
H3C Br
H3C C
O
H
H
CH3
Li
Li
+ LiBr + diisopropylamin
Selektivní alkylace nesymetrických ketonů:
H3C
O
??
H3C
O
CH3
H3C
H3C
O
16. dubna 2020 26 / 45
Alkylace
Selektivní alkylace nesymetrických ketonů:
H3C
O
H3C
O
CH3
H3C
H3C
O
1. NaH (25 °C)
2. CH3I 2. CH3I
1. LDA (−80 °C)
Enolát je ambidentní nukleofil:
N
CH3
O
Et3N
N
CH2
O
Cl Si CH3
CH3
CH3
N
CH2
O
Si
CH3
H3C
CH3
CH3
O
OH3C
H3C
H3C
K
DMSO
CH2
O
S
O
O
O O
CH3
CH3 CH2
O
CH3
+
O
CH3
70 % 30 %
16. dubna 2020 27 / 45
Aldolová reakce
Enol nebo enolát se nukleofilně aduje na karbonylovou sloučeninu
v keto-formě.
H3C H
O
+
H3C H
O
kyselina
nebo
báze
H3C
O
H
H
CH2
H
O
Mechanismus reakce:
CH
O
CH3
O
H
CH2
H
O
H
H
H
O H
CH
O
H
H
CH3H
O
CH
O
H
C
H
CH3
H O
O H
H
H
+ O H
16. dubna 2020 28 / 45
Aldolová reakce
Aldolové reakce jsou často zvratné.
H3C
O
H
2
NaOH
H2O H3C
O
H
HO
CH3
25 % 75 %
O
2
NaOH
H2O
O
H
O
80 % 20 %
Aldolová kondenzace – aldolizace + eliminace H2O – často nevratná:
− H2OH
O
CH3
+
H
O
CH3
H
O OH
CH3 H
O
CH3
aldolová reakce
(aldolizace)
aldolová kondenzace
16. dubna 2020 29 / 45
Aldolová reakce
Mechanismus bazicky katalyzované eliminace vody z aldolu – E1cb:
CH3C
OH
H
CC
H
O H
H
O H
CH3C
OH
H
CC
H
O H
− H2O
+
C C
O
H C
H
CH3
H
O H
Někdy nelze aldol vůbec izolovat – konjugace hnací sílou pro eliminaci
H2O:
O
CH3
2 NaOH
O CH3HO
nelze izolovat
− H2O
O CH3
rychle
16. dubna 2020 30 / 45
Zkřížená aldolová reakce
Zkřížená aldolová reakce – za rovnovážných podmínek může vyvstat
problém se selektivitou:
H
O
CH3 NaOH
+
H
O
CH3
H
O
CH2
H
O
CH3
H
O
CH2
+
H
O
CH3
+
H
O
CH3
+
H
O
CH3
H
O
CH3 +
H
O
CH3
H
O OH
CH3
H
O OH
CH3
H
O OH
CH3
CH3
H
O OH
CH3
CH3
16. dubna 2020 31 / 45
Zkřížená aldolová reakce
Dosažení selektivní zkřížené aldolizace:
1. Enolizovatelná karbonylová sloučenina + neenolizovatelná karbonylová
sloučenina, která je lepším elektrofilem.
H3C
O
H
+
H H
O
Ca(OH)2
(kat.) HO
O
H
H
H H H
O
Ca(OH)2 HO
O
H
2 HO
OH
H
O
+
CH3
O
NaOH
(kat.)
O OH
− H2O
O
16. dubna 2020 32 / 45
Zkřížená aldolová reakce
Dosažení selektivní zkřížené aldolizace:
2. Řízená aldolová reakce – nevratná kvantitativní deprotonace jedné
karbonylové sloučeniny silnou bazí, selektivní reakce enolátu s druhou
barbonylovou sloučeninou:
H2O
CH3
H3C
CH3
O
LDA (−80 °C)
O
H
CH2
H3C
CH3
OLi
H3C
CH3
O O Li
H3C
CH3
O O
H
16. dubna 2020 33 / 45
Biologický význam aldolizace a retroaldolové reakce
Jedna z reakcí glykolýzy/glukoneogeneze:
C
H2C O
C
O
HO H
CH OH
CH OH
H2C O
P
OH
O
O
aldolasa
C
H2C O
H2C
O
OH
C
CH OH
H2C O
P
OH
O
O
H O
P
OH
O
O
P
OH
O
O
Jednotlivé kroky mechanismu:
NH
O
N
O
H
NH2 O
HO
O
P
O
O
OH
+
NH
O
N
O
H
N
O
HO
P
OH
O
O
− H2O
16. dubna 2020 34 / 45
Biologický význam aldolizace a retroaldolové reakce
NH
O
N
O
H
N
O
HO
P
OH
O
O
H
H
O
HO O P
O
OH
O
NH
O
N
O
H
N
O
HO
P
OH
O
O
OH
HO
O P
O
OH
O
+ H2O
NH
O
N
O
H
N
H
H
P
O
OH
O
O
OH
OH
OH
O
O
P
O
HO
O
+
B
− BH
16. dubna 2020 35 / 45
Michaelova reakce
Konjugovaná adice na α,β-nenasycené karbonylové sloučeniny.
R
O
R
O
R
O
R
O
δ
δδ
Vznik 1,2- a 1,4-aduktů:
H3C
O
C HN
H3C
O
C NH
H3C
O C NH
H3C
O
C
N
H
H3C
O
C NH
H3C
O
H
C
N
1
2
3
4
1
2
3
4
H3C
O
H
C
N
H3C
O
C
N
H H
16. dubna 2020 36 / 45
Michaelova reakce
Termodynamické a kinetické řízení konjugované adice.
O
CH3
NaCN, HCN NaCN, HCN
5-10 oC 80 oC
O
CH3NC
OH
CH3
CN
1,2-adice 1,4-adice
E
Typické výchozí látky Michaelovy reakce:
Akceptory
H
O
CH3 H3C
O
CH3
O
O
CH3
R
N
O
CH3
R
R
C
CH3
N
CH3
N
O
O
Donory
R SH
R
N
H
H
R
N
R
H
R2CuLi
R R
O O
R O
O O
R
N
O
O
R CR
N
16. dubna 2020 37 / 45
Michaelova reakce
O
O O
CH3
1. KOH
2.
3. H
O
O
CH3
O
Mechanismus:
O
O
H
H
O H
O
O
O H
− H2O
H O
CH3
O
O
CH3
O
H
H
− OH
O
O
CH3
O
H
H
O
O
CH3
O
H
16. dubna 2020 38 / 45
Michaelova reakce
Následná aldolová kondenzace:
O
KOH (kat.)
O
O
CH3
O
O
Mechanismus:
O H
O H
− H2O
H
− OH
O
O
CH2
O
H
O
O
C
O
H
H
H
H
O
H
O
O
O
H
O
O
H H H
O H
O
H
O
O
H H
− H2O
− OH
O
H
O
H
16. dubna 2020 39 / 45
Zástupci
Formaldehyd
H H
O
Štiplavý plyn, podezřelý z karcinogenity.
Výroba plastů (+ fenol = bakelit, močovinoformaldehydové
pryskyřice).
Formalín (40% vodný roztok) je nestabilní, vylučuje se polymer:
H
C
H
O
O C
H
H n
Reakcí s amoniakem vzniká urotropin:
H H
O
+ NH3
N
N N
N
H
H
H
H
46 + 6 H2O
urotropin
16. dubna 2020 40 / 45
Zástupci
Acetaldehyd
H
C
CH3
O
Štiplavě zapáchající těkavá kapalina, podezřelá z karcinogenity.
Průmyslově připravován oxidací ethenu.
Výroba lepidel, butanolu. . .
Trimerací vzniká paraldehyd:
H CH3
O
O
O
O
H3C CH3
CH3
16. dubna 2020 41 / 45
Zástupci
Benzaldehyd
H
O
Kapalina, aroma hořkých mandlí.
Ve styku se vzduchem se rychle oxiduje na kyselinu benzoovou.
16. dubna 2020 42 / 45
Zástupci
Vanilin
H
O
HO
O
H3C
Pevná látka, aroma vanilky.
V potravinářství se používá syntetický ethylvanilin, který má silnější
aroma.
H
O
HO
OH3C
ethylvanilin
16. dubna 2020 43 / 45
Zástupci
Cinammaldehyd – aldehyd kyseliny skořicové
H
O
Kapalina, aroma skořice.
16. dubna 2020 44 / 45
Zástupci
Aceton
H3C CH3
O
Kapalina.
Název skupiny sloučenin (ketony) je odvozen z triviálního názvu
acetonu.
Důležité průmyslové rozpouštědlo a výchozí látka.
Kurkumin
O O
HO OH
O
CH3
O
H3C
Barvivo obsažené v kurkumě.
16. dubna 2020 45 / 45