1

RJC

Addycje Nukleofilowe

Addycje Nukleofilowe

do Grupy

do Grupy

Karbonylowej

Karbonylowej

Addycje Nukleofilowe

Addycje Nukleofilowe

do Grupy

do Grupy

Karbonylowej

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 (





+

+

) jest

) jest

podatny na atak odczynnika

podatny na atak odczynnika

nukleofilowego Nu; w zależności od

nukleofilowego Nu; w zależności od

substratu, reakcja może prowadzić albo

substratu, reakcja może prowadzić albo

do addycji, albo do substytucji.

do addycji, albo do substytucji.

C

O



+



-

Nu

X

R

C

O

Nu

R

C

OH

R

X

Nu

add

n

sub

n

3

RJC

Addycje Nukleofilowe :

Addycje Nukleofilowe :

X=H

X=H

Ponieważ atom H nie może stabilizować

Ponieważ atom H nie może stabilizować

ładunku ujemnego, jest on bardzo złą

ładunku ujemnego, jest on bardzo złą

grupą odchodzącą. Atak odczynnika Nu

grupą odchodzącą. Atak odczynnika Nu

prowadzi do powstania produktu

prowadzi do powstania produktu

addycji.

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

Ponieważ podstawniki typu R (alkil,

Ponieważ podstawniki typu R (alkil,

aryl) nie stabilizują ładunku ujemnego

aryl) nie stabilizują ładunku ujemnego

to takie grupy są bardzo złymi grupami

to takie grupy są bardzo złymi grupami

odchodzącymi; atak odczynnika Nu

odchodzącymi; atak odczynnika Nu

prowadzi do powstawania produktów

prowadzi do powstawania produktów

addycji.

addycji.

C

O

R

R

Nu

Nu

C

OH

R

R

Nu

C

O

R

R

+H

5

RJC

Nukleofile z Ładunkiem

Nukleofile z Ładunkiem

Ujemnym

Ujemnym

Nukleofile mogą stanowić cząsteczki

Nukleofile mogą stanowić cząsteczki

naładowane ujemnie (aniony).

naładowane ujemnie (aniony).

jon
hydroksylowy

jon
hydroksylowy

jon
bromkowy

jon
bromkowy

jon
metoksylanowy

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 Ładunku

Nukleofile bez Ładunku

(Obojętne)

(Obojętne)

Nukleofile obojętne, po addycji do

Nukleofile obojętne, po addycji do

grupy karbonylowej, tracą jon H

grupy karbonylowej, tracą jon H

+

+

; w

; w

ten sposób dają produkty obojętne

ten sposób dają produkty obojętne

(bez ładunku).

(bez ładunku).

woda

woda

amoniak

amoniak

metanol

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 są bardziej reaktywne niż

Aldehydy są bardziej reaktywne niż

ketony; powodem jest zmniejszona

ketony; powodem jest zmniejszona

zawada steryczna (rzestrzenna) w

zawada steryczna (rzestrzenna) w

aldehydach (łatwiejsze podejście

aldehydach (łatwiejsze podejście

nukleofila).

nukleofila).

acetaldehyd

acetaldehyd

aceton

aceton

90°

90°

8

RJC

Diagram Energetyczny

Diagram Energetyczny

Reakcji

Reakcji

Szybkość reakcji jest zdeterminowana

Szybkość reakcji jest zdeterminowana

przez wartość energii aktywacji

przez wartość energii aktywacji





G

G

‡

‡

;

;

równowaga pomiędzy produktami i

równowaga pomiędzy produktami i

substratami jest określona energią

substratami jest określona energią

końcowych produktów (względem

końcowych produktów (względem

substratów), czyli wartością

substratów), czyli wartością





G

G

o

o

.

.

Energia

Postęp reakcji

C

O

R

R

Nu

C

OH

R

R



G

o



G

‡

9

RJC

Na Przykład ...

Na Przykład ...

Aceton

Aceton

Dodatnia wartość +

Dodatnia wartość +





G

G

o

o

oznacza reakcję

oznacza reakcję

enotermiczną, w której, w stanie

enotermiczną, w której, w stanie

równowagi, preferowane są substraty.

równowagi, preferowane są substraty.

energia

postęp reakcji

C

O

CH

3

CH

3

Nu

C

OH

CH

3

CH

3



G

o

10

RJC

Na Przykład ... Formaldehyd

Na Przykład ... Formaldehyd

Ujemna wartość -

Ujemna wartość -





G

G

o

o

oznacza reakcję

oznacza reakcję

egzotermiczną, w której stan

egzotermiczną, w której stan

równowagi preferuje produkty.

równowagi preferuje produkty.



G

o

energia

postęp reakcji

C

O

H

H

Nu

C

OH

H

H

11

RJC

Wpływ pH na Szybkość Reakcji

Wpływ pH na Szybkość Reakcji

Szybkość reakcji addycji nukleofilowej do grupy

Szybkość reakcji addycji nukleofilowej do grupy

C=O jest uzależniona jest uzależniona od

C=O jest uzależniona jest uzależniona od

wartości pH.

wartości pH.

Warunki obojętne

: brak aktywacji

Warunki kwasowe

: aktywują substrat

karbonylowy

Warunki zasadowe

: aktywują nukleofil

12

RJC

Odczyn Obojętny

Odczyn Obojętny

Ani nukleofil, ani substrat karbonylowy

Ani nukleofil, ani substrat karbonylowy

nie ulegają aktywacji.

nie ulegają 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 wskutek czego staje się

protonowany wskutek czego staje się

ona ‘uaktywniona’ wobec odczynnika

ona ‘uaktywniona’ wobec odczynnika

nukleofilowego (bardziej podatna na

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 Przykład ... Aceton

Na Przykład ... Aceton

Aktywacja kwasowa powoduje, że

Aktywacja kwasowa powoduje, że

woda jako słaby nukleofil reaguje z

woda jako słaby nukleofil reaguje z

acetonem dając jego hydrat.

acetonem dając jego 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

Słabe nukleofile mogą ulec

Słabe nukleofile mogą ulec

deprotonowaniu przez zasadę dając

deprotonowaniu przez zasadę dając

lepsze (bardziej aktywne) nukleofile

lepsze (bardziej aktywne) nukleofile

anionowe.

anionowe.

NuH +

B

Nu +

BH

16

RJC

Na Przykład ...

Na Przykład ...

Słaby nukleofil H

Słaby nukleofil H

2

2

O może zostać

O może zostać

przeprowadzony w silniejszy nukleofil

przeprowadzony w silniejszy nukleofil

jakim jest anion hydroksylowy HO

jakim jest anion hydroksylowy HO

-

-

.

.

H

2

O +

B

HO +

BH

17

RJC

Reakcje Prowadzące do

Reakcje Prowadzące do

Utworzenia Wiązania C,C

Utworzenia Wiązania C,C

Reakcje prowadzące do utworzenia

Reakcje prowadzące do utworzenia

wiązania

wiązania





C-C mają wyjątkowe znaczenie w

C-C mają wyjątkowe znaczenie w

syntezie organicznej; addycje

syntezie organicznej; addycje

nukleofilowe do grupy karbonylowej są

nukleofilowe do grupy karbonylowej są

jednym z najlepszych rozwiązań tego

jednym z najlepszych rozwiązań tego

problemu;

problemu;

Otrzymywanie

Cyjanohydryn

Reakcje z Odczynnikami

Grignarda

18

RJC

Cyjanohydryny

Cyjanohydryny

Anion cyjankowy reaguje z aldehydami

Anion cyjankowy reaguje z aldehydami

oraz nie zatłoczonymi ketonami dając

oraz nie zatłoczonymi ketonami dając

produkty addycji w postaci

produkty addycji w postaci

odpowiedniej cyjanohydryny.

odpowiedniej cyjanohydryny.

C

O

R

R

CN

CN

C

OH

R

R

CN

C

O

R

R

+H

19

RJC

Cyjanohydryny jako Ważne

Cyjanohydryny jako Ważne

Substraty w Syntezie

Substraty w Syntezie

Organicznej

Organicznej

Hydroliza cyjanohydryn prowadzi do

Hydroliza cyjanohydryn prowadzi do

otrzymania kwasu karboksylowego,

otrzymania kwasu karboksylowego,

który w wyniku dalszej redukcji może

który w wyniku dalszej redukcji może

zostać przeprowadzony w inne

zostać 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 (również arylowe)

Halogenki alkilowe (również arylowe)

reagują z Mg w warunkach bezwodnych

reagują z Mg w warunkach bezwodnych

(najlepiej w absolutnym eterze dietylowym

(najlepiej w absolutnym eterze dietylowym

lub THF) dając tzw. ‘odczynniki Grignarda’

lub THF) dając tzw. ‘odczynniki Grignarda’

(związek magnezoorganiczny).

(związek magnezoorganiczny).

CH

3

Br + Mg CH

3

MgBr

21

RJC

Addycje Nukleofilowe

Addycje Nukleofilowe

Odczynników Grignarda

Odczynników Grignarda

Odczynniki Grignarda reagują z

Odczynniki Grignarda reagują z

aldehydami oraz z ketonami dając

aldehydami oraz z ketonami dając

odpowiednio alkohole II- lub III-

odpowiednio alkohole II- lub III-

rzędowe. Reakcja z formaldehydem

rzędowe. Reakcja z formaldehydem

(aldehydem mrówkowym) prowadzi do

(aldehydem mrówkowym) prowadzi do

alkoholu I-rzędowego

alkoholu I-rzędowego

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 Związków

Pochodne Azotowe Związków

Karbonylowych

Karbonylowych

Aldehydy oraz ketony są często

Aldehydy oraz ketony są często

cieczami; w celu charakteryzacji, często

cieczami; w celu charakteryzacji, często

są one przeprowadzane w krystaliczne

są one przeprowadzane w krystaliczne

pochodne, takie jak:

pochodne, takie jak:

Semikarbazony

Oksymy

2,4-Dinitrofenyhydrazony

23

RJC

Semikarbazony

Semikarbazony

Semikarbazyd (zaznaczony na

Semikarbazyd (zaznaczony na

niebiesko) łatwo reaguje z ketonami

niebiesko) łatwo reaguje z ketonami

oraz aldehydami dając jako produkty

oraz aldehydami dając jako produkty

addycji (z następną eliminacją wody)

addycji (z następną eliminacją 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

OH reaguje z

ketonami oraz aldehydami dając, w

ketonami oraz aldehydami dając, w

podobny sposób, czyli wg schematu

podobny sposób, czyli wg schematu

addycja/eliminacja) oksymy

addycja/eliminacja) oksymy

(charakterystyczna grupa funkcyjna

(charakterystyczna grupa funkcyjna

C=NOH).

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-Dinitrofeenyhydrazyna reaguje z

2,4-Dinitrofeenyhydrazyna reaguje z

ketonami oraz aldehydami dając

ketonami oraz aldehydami dając

krystaliczne pochodne nazywane 2,4-

krystaliczne pochodne 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 Zawierające Atom

Inne Pochodne Zawierające Atom

Azotu

Azotu

Ketony oraz aldehydy reagują z alkilo-

Ketony oraz aldehydy reagują z alkilo-

lub arylo-aminami (I- oraz II-rzędowymi)

lub arylo-aminami (I- oraz II-rzędowymi)

dając jako produkty addycji/eliminacji

dając jako produkty addycji/eliminacji

iminy (z amin I-rzędowych) lub enaminy

iminy (z amin I-rzędowych) lub enaminy

(z amin II-rzędowych)

(z amin II-rzędowych)

Iminy

Enaminy

27

RJC

Iminy

Iminy

Są produktami powstającymi z aminy I-

Są produktami powstającymi z aminy I-

rzędowej oraz ketonu lub aldehydu.

rzędowej oraz ketonu lub aldehydu.

R-NH

2

C

O

R

R

C

R

R

N-R

+

-H

2

O

28

RJC

Enaminy

Enaminy

Są produktami reakcji ketonu lub

Są produktami reakcji ketonu lub

aldehydu z aminami II-rzędowymi.

aldehydu z aminami II-rzędowymi.

Warunkiem ich powstawania jest

Warunkiem ich powstawania jest

obecność atomu wodoru w pozycji

obecność atomu wodoru w pozycji

α

α

, w

, w

cząsteczce związku karbonylowego

cząsteczce związku 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