1

RJC

Addycje Nukleofilowe do

Grupy Karbonylowej

Addycje Nukleofilowe do

Addycje Nukleofilowe do

Grupy Karbonylowej

Grupy Karbonylowej

Slides 1 to 29

C

O

R

H

Nu

Nu

C

OH

R

H

Nu

C

O

R

H

+H

2

RJC

Addycja vs Substytucja

Addycja vs Substytucja

Atom C w grupie karbonylowej (

Atom C w grupie karbonylowej (

δ

δ

+

+

) jest podatny

) jest podatny

na atak odczynnika nukleofilowego Nu; w

na atak odczynnika nukleofilowego Nu; w

zale

zale

ż

ż

no

no

ś

ś

ci od substratu, reakcja mo

ci od substratu, reakcja mo

ż

ż

e prowadzi

e prowadzi

ć

ć

albo do addycji, albo do substytucji.

albo do addycji, albo do substytucji.

C

O

δ

+

δ

-

Nu

X

R

C

O

Nu

R

C

OH

R

X

Nu

add

n

sub

n

3

RJC

Addycje Nukleofilowe : X=H

Addycje Nukleofilowe : X=H

Poniewa

Poniewa

ż

ż

atom H nie mo

atom H nie mo

ż

ż

e stabilizowa

e stabilizowa

ć

ć

ł

ł

adunku

adunku

ujemnego, jest on bardzo z

ujemnego, jest on bardzo z

łą

łą

grup

grup

ą

ą

odchodz

odchodz

ą

ą

c

c

ą

ą

.

.

Atak odczynnika Nu prowadzi do powstania

Atak odczynnika Nu prowadzi do powstania

produktu addycji.

produktu addycji.

C

O

R

H

Nu

Nu

C

OH

R

H

Nu

C

O

R

H

+H

4

RJC

Addycje Nukleofilowe : X = R

Addycje Nukleofilowe : X = R

Poniewa

Poniewa

ż

ż

podstawniki typu R (alkil, aryl) nie

podstawniki typu R (alkil, aryl) nie

stabilizuj

stabilizuj

ą

ą

ł

ł

adunku ujemnego

adunku ujemnego

,

,

to takie grupy s

to takie grupy s

ą

ą

bardzo z

bardzo z

ł

ł

ymi grupami odchodz

ymi grupami odchodz

ą

ą

cymi; atak

cymi; atak

odczynnika Nu prowadzi do powstawania

odczynnika Nu prowadzi do powstawania

produkt

produkt

ó

ó

w addycji.

w addycji.

C

O

R

R

Nu

Nu

C

OH

R

R

Nu

C

O

R

R

+H

5

RJC

Nukleofile z

Nukleofile z

Ł

Ł

adunkiem Ujemnym

adunkiem Ujemnym

Nukleofile mog

Nukleofile mog

ą

ą

stanowi

stanowi

ć

ć

cz

cz

ą

ą

steczki na

steczki na

ł

ł

adowane

adowane

ujemnie (aniony).

ujemnie (aniony).

jon hydroksylowy

jon bromkowy

jon metoksylanowy

HO

Br

CH

3

O

••

•

•

••

••

•
•

••

••

•

•

••

•
•

C

O

R

R

Nu

Nu

C

OH

R

R

Nu

C

O

R

R

+H

6

RJC

Nukleofile bez

Nukleofile bez

Ł

Ł

adunku (Oboj

adunku (Oboj

ę

ę

tne)

tne)

Nukleofile oboj

Nukleofile oboj

ę

ę

tne, po addycji do grupy

tne, po addycji do grupy

karbonylowej trac

karbonylowej trac

ą

ą

jon H

jon H

+

+

; w ten spos

; w ten spos

ó

ó

b daj

b daj

ą

ą

produkty oboj

produkty oboj

ę

ę

tne (bez

tne (bez

ł

ł

adunku).

adunku).

woda

amoniak

metanol

H

2

O

••

••

CH

3

OH

••

••

••

NH

3

C

O

R

R

NuH

Nu

C

OH

R

R

NuH

C

O

R

R

7

RJC

Aldehydy vs Ketony

Aldehydy vs Ketony

Aldehydy s

Aldehydy s

ą

ą

bardziej reaktywne ni

bardziej reaktywne ni

ż

ż

ketony;

ketony;

powodem jest zmniejszona zawada steryczna

powodem jest zmniejszona zawada steryczna

(przestrzenna) w aldehydach (

(przestrzenna) w aldehydach (

ł

ł

atwiejsze

atwiejsze

podej

podej

ś

ś

cie nukleofila).

cie nukleofila).

acetaldehyd

aceton

90°

90°

8

RJC

Diagram Energetyczny Reakcji

Diagram Energetyczny Reakcji

Szybko

Szybko

ść

ść

reakcji jest zdeterminowana przez

reakcji jest zdeterminowana przez

warto

warto

ść

ść

energii aktywacji

energii aktywacji

∆

∆

G

G

‡

‡

; r

; r

ó

ó

wnowaga

wnowaga

pomi

pomi

ę

ę

dzy produktami i substratami jest okre

dzy produktami i substratami jest okre

ś

ś

lona

lona

energi

energi

ą

ą

ko

ko

ń

ń

cowych produkt

cowych produkt

ó

ó

w (wzgl

w (wzgl

ę

ę

dem

dem

substrat

substrat

ó

ó

w), czyli warto

w), czyli warto

ś

ś

ci

ci

ą

ą

∆

∆

G

G

o

o

.

.

Energia

Postęp reakcji

C

O

R

R

Nu

C

OH

R

R

∆

G

o

∆

G

‡

9

RJC

Na Przyk

Na Przyk

ł

ł

ad ... Aceton

ad ... Aceton

Dodatnia warto

Dodatnia warto

ść

ść

+

+

∆

∆

G

G

o

o

oznacza reakcj

oznacza reakcj

ę

ę

endotermiczn

endotermiczn

ą

ą

, w kt

, w kt

ó

ó

rej, w stanie r

rej, w stanie r

ó

ó

wnowagi,

wnowagi,

preferowane s

preferowane s

ą

ą

substraty.

substraty.

energia

postęp reakcji

C

O

CH

3

CH

3

Nu

C

OH

CH

3

CH

3

∆

G

o

10

RJC

Na Przyk

Na Przyk

ł

ł

ad ... Formaldehyd

ad ... Formaldehyd

Ujemna warto

Ujemna warto

ść

ść

-

-

∆

∆

G

G

o

o

oznacza reakcj

oznacza reakcj

ę

ę

egzotermiczn

egzotermiczn

ą

ą

, w kt

, w kt

ó

ó

rej stan r

rej stan r

ó

ó

wnowagi preferuje

wnowagi preferuje

produkty.

produkty.

−∆

G

o

energia

postęp reakcji

C

O

H

H

Nu

C

OH

H

H

11

RJC

Wp

Wp

ł

ł

yw pH na Szybko

yw pH na Szybko

ść

ść

Reakcji

Reakcji

Szybko

Szybko

ść

ść

reakcji addycji nukleofilowej do grupy C=O jest

reakcji addycji nukleofilowej do grupy C=O jest

uzale

uzale

ż

ż

niona od warto

niona od warto

ś

ś

ci pH.

ci pH.

Warunki obojętne

: brak aktywacji

Warunki kwasowe

: aktywują substrat

karbonylowy

Warunki zasadowe

: aktywują nukleofil

12

RJC

Odczyn Oboj

Odczyn Oboj

ę

ę

tny

tny

Ani nukleofil, ani substrat karbonylowy nie

Ani nukleofil, ani substrat karbonylowy nie

ulegaj

ulegaj

ą

ą

aktywacji.

aktywacji.

C

O

R

R

Nu

Nu

C

OH

R

R

Nu

C

O

R

R

+H

13

RJC

Odczyn Kwasowy

Odczyn Kwasowy

Atom tlenu w grupie C

Atom tlenu w grupie C

=

=

O jest

O jest

protonowany

protonowany

,

,

wskutek czego staje si

wskutek czego staje si

ę

ę

ona

ona

‘

‘

uaktywniona

uaktywniona

’

’

wobec

wobec

odczynnika nukleofilowego (bardziej podatna na

odczynnika nukleofilowego (bardziej podatna na

atak nukleofila).

atak nukleofila).

+H

C

O

R

R

C

O

H

R

R

C

O

H

R

R

Nu

14

RJC

Na Przyk

Na Przyk

ł

ł

ad ... Aceton

ad ... Aceton

Aktywacja kwasowa powoduje,

Aktywacja kwasowa powoduje,

ż

ż

e woda jako

e woda jako

s

s

ł

ł

aby nukleofil reaguje z acetonem daj

aby nukleofil reaguje z acetonem daj

ą

ą

c jego

c jego

hydrat.

hydrat.

CH

3

O

CH

3

CH

3

O

H

CH

3

CH

3

O

H

CH

3

OH

2

CH

3

O

H

CH

3

OH

+H

+H

2

O

+H

-H

-H

-H

2

O

15

RJC

Odczyn Zasadowy

Odczyn Zasadowy

S

S

ł

ł

abe nukleofile mog

abe nukleofile mog

ą

ą

ulec deprotonowaniu przez

ulec deprotonowaniu przez

zasad

zasad

ę

ę

,

,

daj

daj

ą

ą

c lepsze (bardziej aktywne) nukleofile

c lepsze (bardziej aktywne) nukleofile

anionowe.

anionowe.

NuH +

B

Nu +

BH

16

RJC

Na Przyk

Na Przyk

ł

ł

ad ...

ad ...

S

S

ł

ł

aby nukleofil H

aby nukleofil H

2

2

O mo

O mo

ż

ż

e zosta

e zosta

ć

ć

przeprowadzony

przeprowadzony

w silniejszy

w silniejszy

nukleofil

nukleofil

,

,

jakim jest anion

jakim jest anion

hydroksylowy HO

hydroksylowy HO

-

-

.

.

H

2

O +

B

HO +

BH

17

RJC

Reakcje Prowadz

Reakcje Prowadz

ą

ą

ce do Utworzenia

ce do Utworzenia

Wi

Wi

ą

ą

zania C

zania C

-

-

C

C

Reakcje prowadz

Reakcje prowadz

ą

ą

ce do utworzenia wi

ce do utworzenia wi

ą

ą

zania

zania

σ

σ

C

C

-

-

C maj

C maj

ą

ą

wyj

wyj

ą

ą

tkowe znaczenie w syntezie

tkowe znaczenie w syntezie

organicznej; addycje nukleofilowe do grupy

organicznej; addycje nukleofilowe do grupy

karbonylowej s

karbonylowej s

ą

ą

jednym z najlepszych rozwi

jednym z najlepszych rozwi

ą

ą

za

za

ń

ń

tego problemu;

tego problemu;

Otrzymywanie Cyjanohydryn

Reakcje z Odczynnikami Grignarda

18

RJC

Cyjanohydryny

Cyjanohydryny

Anion cyjankowy reaguje z aldehydami oraz

Anion cyjankowy reaguje z aldehydami oraz

niezat

niezat

ł

ł

oczonymi ketonami daj

oczonymi ketonami daj

ą

ą

c produkty addycji

c produkty addycji

w postaci odpowiedniej cyjanohydryny.

w postaci odpowiedniej cyjanohydryny.

C

O

R

R

CN

CN

C

OH

R

R

CN

C

O

R

R

+H

19

RJC

Cyjanohydryny jako Wa

Cyjanohydryny jako Wa

ż

ż

ne Substraty w

ne Substraty w

Syntezie Organicznej

Syntezie Organicznej

Hydroliza cyjanohydryn prowadzi do otrzymania

Hydroliza cyjanohydryn prowadzi do otrzymania

kwasu karboksylowego, kt

kwasu karboksylowego, kt

ó

ó

ry w wyniku dalszej

ry w wyniku dalszej

redukcji mo

redukcji mo

ż

ż

e zosta

e zosta

ć

ć

przeprowadzony w inne

przeprowadzony w inne

pochodne.

pochodne.

CN

C

OH

R

R

CO

2

H

C

OH

R

R

CH

2

OH

C

OH

R

R

20

RJC

Odczynniki Grignarda

Odczynniki Grignarda

Halogenki alkilowe (r

Halogenki alkilowe (r

ó

ó

wnie

wnie

ż

ż

arylowe) reaguj

arylowe) reaguj

ą

ą

z Mg

z Mg

w warunkach bezwodnych (najlepiej w absolutnym

w warunkach bezwodnych (najlepiej w absolutnym

eterze dietylowym lub THF) daj

eterze dietylowym lub THF) daj

ą

ą

c tzw.

c tzw.

‘

‘

odczynniki

odczynniki

Grignarda

Grignarda

’

’

(zwi

(zwi

ą

ą

zek magnezoorganiczny).

zek magnezoorganiczny).

CH

3

Br + Mg CH

3

MgBr

21

RJC

Addycje Nukleofilowe Odczynnik

Addycje Nukleofilowe Odczynnik

ó

ó

w

w

Grignarda

Grignarda

Odczynniki Grignarda reaguj

Odczynniki Grignarda reaguj

ą

ą

z aldehydami oraz z

z aldehydami oraz z

ketonami daj

ketonami daj

ą

ą

c odpowiednio alkohole II

c odpowiednio alkohole II

-

-

lub III

lub III

-

-

rz

rz

ę

ę

dowe. Reakcja z formaldehydem (aldehydem

dowe. Reakcja z formaldehydem (aldehydem

mr

mr

ó

ó

wkowym) prowadzi do alkoholu I

wkowym) prowadzi do alkoholu I

-

-

rz

rz

ę

ę

dowego

dowego

C

O

R

R

CH

3

MgBr

CH

3

C

OH

R

R

CH

3

C

O

R

R

+H

MgBr

22

RJC

Pochodne Azotowe Zwi

Pochodne Azotowe Zwi

ą

ą

zk

zk

ó

ó

w Karbonylowych

w Karbonylowych

Aldehydy oraz ketony s

Aldehydy oraz ketony s

ą

ą

cz

cz

ę

ę

sto cieczami; w celu

sto cieczami; w celu

charakteryzacji cz

charakteryzacji cz

ę

ę

sto s

sto s

ą

ą

one przeprowadzane w

one przeprowadzane w

krystaliczne pochodne, takie jak:

krystaliczne pochodne, takie jak:

Semikarbazony

Oksymy

2,4-Dinitrofenyhydrazony

23

RJC

Semikarbazony

Semikarbazony

Semikarbazyd (zaznaczony na niebiesko)

Semikarbazyd (zaznaczony na niebiesko)

ł

ł

atwo

atwo

reaguje z ketonami oraz aldehydami daj

reaguje z ketonami oraz aldehydami daj

ą

ą

c jako

c jako

produkty addycji (z nast

produkty addycji (z nast

ę

ę

pn

pn

ą

ą

eliminacj

eliminacj

ą

ą

wody)

wody)

krystaliczne semikarbazony.

krystaliczne semikarbazony.

NH

2

NHCNH

2

O

C

O

R

R

C

R

R

N-NHCNH

2

O

+

-H

2

O

24

RJC

Oksymy

Oksymy

Hydroksylamina NH

Hydroksylamina NH

2

2

OH reaguje z ketonami oraz

OH reaguje z ketonami oraz

aldehydami daj

aldehydami daj

ą

ą

c, w podobny spos

c, w podobny spos

ó

ó

b, czyli wg

b, czyli wg

schematu addycja/eliminacja) oksymy

schematu addycja/eliminacja) oksymy

(charakterystyczna grupa funkcyjna C=NOH).

(charakterystyczna grupa funkcyjna C=NOH).

NH

2

OH

C

O

R

R

C

R

R

N-OH

+

-H

2

O

25

RJC

2,4

2,4

-

-

Dinitrofenylohydrazony

Dinitrofenylohydrazony

2,4

2,4

-

-

dinitrofenyhydrazyna reaguje z ketonami oraz

dinitrofenyhydrazyna reaguje z ketonami oraz

aldehydami daj

aldehydami daj

ą

ą

c krystaliczne pochodne

c krystaliczne pochodne

nazywane 2,4

nazywane 2,4

-

-

dinitrofenyhydrazonami.

dinitrofenyhydrazonami.

C

O

R

R

+

NH-NH

2

NO

2

NO

2

C

R

R

N-NH

NO

2

NO

2

-H

2

O

26

RJC

Inne Pochodne Zawieraj

Inne Pochodne Zawieraj

ą

ą

ce Atom Azotu

ce Atom Azotu

Ketony oraz aldehydy reaguj

Ketony oraz aldehydy reaguj

ą

ą

z alkilo

z alkilo

-

-

lub arylo

lub arylo

-

-

aminami (I

aminami (I

-

-

oraz II

oraz II

-

-

rz

rz

ę

ę

dowymi) daj

dowymi) daj

ą

ą

c jako

c jako

produkty addycji/eliminacji iminy (z amin I

produkty addycji/eliminacji iminy (z amin I

-

-

rz

rz

ę

ę

dowych) lub enaminy (z amin II

dowych) lub enaminy (z amin II

-

-

rz

rz

ę

ę

dowych)

dowych)

Iminy

Enaminy

27

RJC

Iminy

Iminy

S

S

ą

ą

produktami powstaj

produktami powstaj

ą

ą

cymi z aminy I

cymi z aminy I

-

-

rz

rz

ę

ę

dowej

dowej

oraz ketonu lub aldehydu.

oraz ketonu lub aldehydu.

R-NH

2

C

O

R

R

C

R

R

N-R

+

-H

2

O

28

RJC

Enaminy

Enaminy

S

S

ą

ą

produktami reakcji ketonu lub aldehydu z

produktami reakcji ketonu lub aldehydu z

aminami II

aminami II

-

-

rz

rz

ę

ę

dowymi. Warunkiem ich

dowymi. Warunkiem ich

powstawania jest obecno

powstawania jest obecno

ść

ść

atomu wodoru w

atomu wodoru w

pozycji

pozycji

α

α

, w cz

, w cz

ą

ą

steczce zwi

steczce zwi

ą

ą

zku karbonylowego

zku karbonylowego

R

2

NH

C

O

CH

3

R

C

R

CH

2

N

+

-H

2

O

R

R

29

RJC

Podsumowanie

Podsumowanie

Addycje nukleofilowe do grupy C=O

Nukleofile z ładunkiem vs nukleofile obojętne

Rola zawady sterycznej

Szybkość reakcji a wartość pH, równowagi

Otrzymywanie cyjanohydryn oraz ich wykorzystanie

Reakcje grupy C=O z odczynnikami Grignarda

Semikarbazony oraz oksymy

2,4-Dinitrofenylohydrazony

Iminy oraz enaminy

Addycje nukleofilowe do grupy C=O

Nukleofile z ładunkiem vs nukleofile obojętne

Rola zawady sterycznej

Szybkość reakcji a wartość pH, równowagi

Otrzymywanie cyjanohydryn oraz ich wykorzystanie

Reakcje grupy C=O z odczynnikami Grignarda

Semikarbazony oraz oksymy

2,4-Dinitrofenylohydrazony

Iminy oraz enaminy