14a. Z W I Ą Z K I K A R B O N Y L O W E, cz. I

Aleksander Kołodziejczyk 2009 wrzesień

Grupa karbonylowa -C=O występuje w wielu związkach organicznych, ale tylko aldehydy i ketony nazywane są związkami karbonylowymi. W jedynie nich karbonylowy atom węgla jest związany wyłącznie z atomami wodoru lub/i węgla. W pozostałych związkach zawierających grupę -C=O, tj. w kwasach karboksylowych i ich pochodnych do karbonylowego atomu węgla dołączona jeszcze inna grupa funkcyjna, np. -OH, -OR, -COR czy -X.

Związki organiczne zawierające grupę karbonylową Tabela 14.1

Nazwa	Wzór ogólny	Nazwa	Wzór ogólny	Nazwa	Wzór ogólny
aldehyd		bezwodnik kwasowy		lakton (ester cykliczny)
keton		chlorek kwasowy (halogenek kwasowy)		amid
kwas karboksylowy		ester		laktam (amid cykliczny)
				keten

14.1 Budowa grupy karbonylowej

Grupa karbonylowa C=O jest pod względem geometrycznym podobna do podwójnego wiązania C=C. Wokół atomu C o hybrydyzacji sp² rozmieszczone są 3 podstawniki. Ułożone są one w jednej płaszczyźnie, a kąt pomiędzy nimi przyjmuje wartość zbliżoną do 120^o. Wiązanie C=O jest krótsze niż C=C (1,22 Å i 1,43Å odpowiednio) i znacznie silniejsze - 175 kcal/mol (732 kJ/mol) wobec 92 kcal/mol (385 kJ/mol). Silniejsze nie oznacza mniej reaktywne. Wiązanie karbonylowe jest mocniej spolaryzowane, co rzutuje na wysoką reaktywność.

Parametry geometryczne cząsteczki etanalu Tabela 14.2

Karbonylowy atom węgla o hybrydyzacji sp² tworzy 3 wiązania typu σ i jedno .

Związki zawierające grupę karbonylową są polarne, ponieważ wiązanie C=O jest spolaryzowane. Łatwo się domyślić, że częściowy ładunek dodatni jest zlokalizowany na atomie węgla, zaś ujemny na atomie tlenu.

Grupę karbonylową można przedstawić w postaci wzorów mezomerycznych, przy czym na jednym z nich są całkowicie rozdzielone ładunki. Prawdopodobieństwo występowania grupy karbonylowej z rozdzielonymi ładunkami jest niskie, ale wyjaśnia ono podatność tego typu związków na atak odczynników nukleofilowych i kwasów.

Dodatkowe podstawniki i grupy funkcyjne mogą zwiększać lub zmniejszać polarność tego wiązania, a tym samym wpływać na wielkość momentu dipolowego cząsteczki i reaktywność grupy. W tabeli 14.3 przedstawiono wartości momentów dipolowych wybranych związków zawierających grupę karbonylową.

Wartości momentu dipolowego wybranych związków Tabela 14. 3

zawierających grupę karbonylową

Nazwa	Wzór	Grupa związku	Moment dipolowy [D]
metanal	H2C=O	aldehyd	2,33
etanal	CH3HC=O	aldehyd	2,72
aceton	(CH3)2C=O	keton	2,88
acetofenon	PhCOCH3	keton	3,02
cyklobutanon		keton	2,99
kwas octowy	CH3COOH	kwas karboksylowy	1,74
chlorek acetylu	CH3COCl	chlorek kwasowy	2,72
octan metylu	CH3COOCH3	ester	1,72
acetamid	CH3CONH2	amid	3,72
N,N-dimetylo-acetamid	CH3CON(CH3)2	amid	3,81

14.2 Reaktywność związków karbonylowych

Reaktywność związków zawierających grupę karbonylowa jest związana z właściwościami elektronowymi atomów wchodzących w jej skład, przede wszystkim z dodatnio naładowanym karbonylowym atomem węgla C^δ i ujemnie naładowanym atomem tlenu O^-δ.

Karbonylowy atom węgla C^δ jest podatny na atak odczynników nukleofilowych (:Nu), a atom tlenu O^-δ na działanie kwasów (A). Powinowactwo karbonylowego atomu węgla do nukleofila :Nu będzie modyfikowane właściwościami elektronowymi związanej z nim grupy funkcyjnej Y. Grupy elektronoakceptorowe będą zwiększały powinowactwo, a eletronodonorowe - zmniejszały. Reaktywne są również atomy wodoru przy C_; mają one podwyższoną ruchliwość. Sąsiedztwo grupy karbonylowej zwiększa ich kwasowość w porównaniu z typowym alifatycznym atomem wodoru, a przez to łatwiej ulegają oderwaniu pod wpływem zasad (B:).

A - kwasy Lewisa (np.: ⁺H, ⁺NH₂, BF₃, AlCl₃, itp.); wykazują duże powinowactwo do karbonylowego atomu tlenu O; tworzą z nim kompleksy.

:B - zasady Lewisa (np.: ^-H, ^-NH₂, ^-OH, ^-OR, NR₃, itp.) mają powinowactwo do ruchliwych protonów - odrywają H przy C_ w stosunku do grupy karbonylowej.

Powstający po oderwaniu protonu karboanion jest podatny na atak odczynnika elektrofilowego - E⁺; ten etap zapoczątkowuje reakcje kondensacji karbonylowej.

:Nu - wykazuje powinowactwo do dodatnio naładowanego atomu węgla grupy karbonylowej i reakcja z nim zaczyna się od addycji do karbonylowego atomu węgla. Dalszy bieg reakcji zależy od właściwości podstawnika Y:

- może nastąpić protonowanie atomu O lub

- eliminacja podstawnika ^-Y, jeżeli jest dobrą grupą odchodzącą.

Do najpopularniejszych reakcji, jakim ulegają związki zawierające grupę karbonylową należą:

addycja nukleofilowa substytucja  i

acylowa substytucja nukleofilowa kondensacja karbonylowa

14.2.1 Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej

Jeżeli podstawnik grupy karbonylowej -Y jest złą grupą odchodzącą (-H lub -R) to w reakcji z nukleofilem dochodzi do addycji nukleofilowej, przy czym zmienia się hybrydyzacja obu atomów tworzących grupę karbonylową (z sp² na sp³), a po sprotonowaniu produktu addycji (produktu pośredniego) powstaje alkohol. Tak z nukleofilami reagują aldehydy i ketony.

R i Y: H, alkil lub aryl Nu: ^-H (jon wodorkowy) lub związki Grignarda (R^'MgX)

14.2.2 Substytucja na karbonylowym atomie węgla

Reakcja substytucji na grupie C=O może biec dwoma sposobami (A i B). Wg A w końcowym produkcie zostaje zachowana grupa C=O, a wg B tworzy się ugrupowanie C=Nu.

Sposób A

Związki karbonylowe zawierające łatwo odchodząca grupę Y, np. -OH, -OR, -SR, -C(O)OR, lub -halogen po przyłączeniu nukleofila :Nu tworzą produkt pośredni (addukt), z którego odszczepia się grupa Y i powstaje inny związek zawierający grupę karbonylową, np. kwas karboksylowy zostaje przekształcony w ester, chlorek kwasowy, w amid itp. Są to reakcje charakterystyczne dla kwasów karboksylowych i ich pochodnych. Nie wszystkie przedstawione powyżej podstawniki Y należą do grup łatwo odchodzących, ale w odpowiednich warunkach mogą zostać w takie grupy przekształcone, np. -OH czy -OR po protonowaniu do -O⁺H₂ lub -

-O⁺RH stają się grupami łatwo odchodzącymi.

R: H, alkil lub aryl Y: halogen; -OR, -OH, -SR, -C(O)OR

Kwasy karboksylowe i ich pochodne reagują z nukleofilami według sposobu A.

Sposób B

Sposobem B reagują aldehydy i ketony w wyniku addycji do karbonylowego atomu niektórych związków zawierających grupę aminową (-NH₂); po addycji następuje eliminacja atomu tlenu w postaci cząsteczki wody (łatwo odchodzącej grupy) i powstaje imina.

Y: H, alkil lub aryl : NH₂R': aminy 1^o, hydrazyna i inne związki zawierające grupę -NH₂

Substytucja 

W reakcji substytucji  dochodzi do podstawienia uaktywnionego atomu wodoru przy C w stosunku do grupy karbonylowej. Miejsce H_ może zająć elektrofil, np. halogen lub alkil. Reakcja biegnie poprzez formę enolanową.

Przykładem takiej reakcji może być otrzymywanie -bromoacetofenonu. Związek ten jest silnym lakrymatorem (drażni oczy).

14.3 Reakcje kondensacji związków karbonylowych

W środowisku zasadowym aldehydy i ketony zawierające H_ ulegają dimeryzacji, zwanej kondensacją aldolową.

Mechanizm

Reakcja zaczyna się od oderwania protonu H_ i utworzenia karboanionu, który jako nukleofil przyłącza się do karbonylowego atomu węgla wg uprzednio poznanych reguł. Po zakwaszeniu powstałego enolanu tworzy się aldol. Ta nazwa to skrót sporządzony ze słowa aldehydoalkohol.

Do tego typu reakcji należy kondensacja aldolowa aldehydów i ketonów, kondensacja Claisena estrów i szereg innych podobnych reakcji.

A L D E H Y D Y I K E T O N Y

Do aldehydów zalicza się związki zawierające przy karbonylowym atomie węgla resztę organiczną i atom wodoru. Szczególnym przypadkiem jest metanal (aldehyd mrówkowy inaczej formaldehyd), ponieważ z karbonylowym atomem węgla związane są dwa atomy wodoru.

W ketonach do grupy karbonylowej przyłączone są dwie reszty organiczne.

14.5 Występowanie

Aldehydy są związkami nietrwałymi, ponieważ łatwo ulegają utlenieniu. Dlatego chociaż występują często w naturze, rzadko spotyka się je w dużych stężeniach. Są składnikami niektórych olejków eterycznych, np.: cytronellal, neral (cytral b), geranial (cytral a), aldehyd benzoesowy (benzaldehyd) czy aldehyd anyżowy. Znane są też pochodne aldehydu 3,4-dihydroksybenzoesowego. Aldehydy należą do ważnych substratów w biosyntezie.

Aldehyden jest aldosteron, przedstawiciel hormonów kortykosterydowych (hormonów nadnercza). O obecności grupy aldehydowej świadczy nazwa tego związku - aldosteron.

Popularnymi aldehydami są cukry - aldozy, np. D-glukoza. W odróżnieniu od innych aldehydów charakteryzują się dużą trwałością, ponieważ jako polihydroksyaldehydy tworzą hemiacetale - związki odporne na utleniające działanie tlenu z powietrza.

Niezwykle interesującymi (ze względu na możliwość praktycznego zastosowania do zwalczania owadów) są substancje utrudniające żerowanie owadów - IAF (ang. insect antifeedants). Są pośród nich aldehydy należące do terpenoidów, np. poligodial (tadeonal), ajugaryny (I-V) lub ajugomaryna. IAF wydzielają niektóre rośliny, żeby chronić się przed żerującymi na nich owadami, np. przed szarańczą. Jak dotychczas naturalne IAF nie znalazły praktycznego zastosowania (są zbyt skomplikowane, żeby je syntezować, a w naturze występują w małym stężeniu). Jednak na ich podstawie zaprojektowano prostsze związki o zbliżonej aktywności.

Naturalne ketony są znacznie popularniejsze od aldehydów. Nietrudno zauważyć, że aldosteron jest także ketonem. Pozostałe kortykosterydy też zawierają grupę lub grupy ketonowe. Do ketonów należy większość hormonów płciowych: estron, progesteron, testosteron i androsteron.

Pośród terpenoidów spotyka się wiele związków zawierających grupę ketonową; jako przykłady można podać menton, karwon, tujon czy kamforę.

Ketonami są substancje zapachowe pochodzenia zwierzęcego, takie jak cybeton i muskon.

Grupę ketonową zawierają cukry - ketozy, czyli polihydroksyketony, a najpopularniejszą pośród nich jest D-fruktoza. Ketozy, tak jak i aldozy występują w formie hemiacetalowej.

14.6 Nomenklatura aldehydów

14.6.1 Systematyczna

Nazwy aldehydów tworzy się przez dodanie końcówki -al do nazwy węglowodoru macierzystego.

14.6.2 Karboaldehydowa

Inny systematyczny sposób nazywania aldehydów polega na dodaniu do nazwy węglowodoru związanego z grupą -CHO przyrostku karboaldehyd wraz z łącznikiem „o”.

14.6.3 Przerostkowa - nazwę poprzedza przedrostek formylo; stosowana do związków o skomplikowanej budowie.

14.6.4 Odkwasowa

Popularny, półsystematyczny sposób nadawania nazw aldehydom wywodzi się od nazw kwasów karboksylowych. Te dwie grupy związków są z sobą spokrewnione, ponieważ utlenienie aldehydów prowadzi do kwasów zawierających tę samą resztę organiczną. Mamy więc aldehyd mrówkowy (metanal, zwany także formaldehydem) wywodzący się od kwasu mrówkowego, podobnie aldehyd octowy (etanal), propionowy (propanal), masłowy (butanal), izomasłowy (2-metylopropanal), benzoesowy czy salicylowy.

14.6.5 Nazwy zwyczajowe

Niektóre aldehydy znane są prawie wyłącznie pod nazwami zwyczajowymi, np. aldehyd salicylowy czy anyżowy.

14.7 Nomenklatura ketonów

14.7.1 Systematyczna

Zgodnie z zasadami IUPAC nazwy ketonów tworzy się przez dodanie końcówki „on” do nazwy węglowodoru macierzystego.

14.7.2 Grupowo-funkcjonalna

Powszechnie stosowany sposób nazywania ketonów, tzw. grupowo-funkcjonaly polega na dodaniu do słowa keton nazw reszt alkilowych (arylowych) związanych z grupą karbonylową. Nazwy reszt podaje się w porządku alfabetycznym i rozdziela się je myślnikiem. Używa się je w formie przymiotnikowej, np. keton metylowo-propylowy, a nie metylo-propylowy, gdyż w wymowie ta druga forma jest równoznaczna z ketonem metylopropylowym, a to oznacza inny związek.

14.7.3 Podstawnikowa

Tlen grupy ketonowej =O jako podstawnik nosi nazwę okso i można jej używać w tworzeniu nazw podstawnikowych. Przedrostek okso zastępuje on dawniej używany przedrostek „keto”.

14.7.4 Zwyczajowa

Wiele ketonów ma nazwy zwyczajowe. Oprócz wymienionych uprzednio ketonów naturalnych należy znać takie związki, jak aceton, acetofenon czy benzofenon.

14.8 Właściwości fizykochemiczne

Metanal jest gazem (tw. -19^oC), etanal zaś bardzo lotna cieczą, lotniejszą niż eter etylowy (tw. 20,8^oC), a propanal wrze w temp. 48^oC. Metanal i etanal mieszają się z wodą w każdym stosunku; rozpuszczalność w wodzie wyższych aldehydów maleje wraz ze wzrostem ich masy cząsteczkowej; przykładowo propanal, n-butanal i aldehyd benzoesowy rozpuszczają się w wodzie odpowiednio: 28, 4 i 3 g/100 ml w 20^oC. Aldehydy i ketony rozpuszczają się dobrze w większości rozpuszczalników organicznych. Wodny roztwór metanalu (25-37%) znany pod nazwą formaliny zawiera często metanol jako stabilizator. Formalina ma silne działanie antyseptyczne i służy do przechowywania preparatów organicznych.

Metanal ma bardzo silny, drażniący i duszący zapach, etanal nieco słabiej, ale też bardzo intensywnie oddziałuje na zmysł powonienia. Zapach średniej wielkości aldehydów alifatycznych jest bardzo nieprzyjemny („smrodliwy”). Benzaldehyd i niektóre inne aldehydy aromatyczne charakteryzują się specyficznym zapachem gorzkich migdałów.

Aceton wrze w temperaturze 56^oC i miesza się z wodą w każdym stosunku. Ma charakterystyczny rozpuszczalnikowy zapach. Aceton jest popularnym rozpuszczalnikiem stosowanym do rozpuszczania związków organicznych (w tym farb i lakierów).

14.9 Otrzymywanie aldehydów

14.9.1 Utlenianie

Alkohole 1^o można przeprowadzić w aldehydy pod wpływem odpowiednio dobranych utleniaczy, należy jednak zapewnić warunki zabezpieczające je przed dalszym utlenieniem do kwasów, ponieważ aldehydy łatwiej utleniają się do kwasów niż alkohole do aldehydów.

Rekomendowanym utleniaczem 1^o alkoholi do aldehydów jest chlorochromian pirydyny - w skrócie PCC (ang. pyridium chlorochromate). Reakcja biegnie w dichlorometanie w temperaturze pokojowej (RT - ang. room temperature).

Aldehydy lotniejsze od wody otrzymuje się z odpowiednich alkoholi poprzez ich utlenianie dichromianem sodu we wrzącej wodzie. W tych warunkach powstający aldehyd usuwany jest z utleniającego środowiska przez oddestylowanie. Przykładem może być przekształcanie n-butanolu (tw. 118^oC) w n-butanal (tw. 75^oC). Wydajności są jednak dużo niższe niż w utlenianiu za pomocą PCC.

Jedna z przemysłowych metod otrzymywania aldehydu octowego polega na utlenianiu etanolu w fazie gazowej w obecności katalizatora srebrowego.

14.9.2 Odwodornianie

Alkohole 1^o można odwodornić katalitycznie w obecności, np. katalizatora złożonego z miedzi i tlenku chromu osadzonych na pumeksie. Jest to metoda preferowana w przemyśle.

14.9.3 Ozonoliza

W reakcji ozonolizy alkenów zawierających winylowy atom wodoru powstają aldehydy. Korzystnymi substratami są alkeny symetryczne.

14.9.4 Redukcja pochodnych kwasów karboksylowych

W syntezie aldehydów wykorzystywane są pochodne kwasów karboksylowych, głównie estry i chlorki kwasowe. Większość reduktorów przeprowadza kwasy karboksylowe i ich pochodne w alkohole 1^o. Do otrzymania aldehydów potrzebne są reduktory specjalne, umożliwiające selektywną redukcję. Należy do nich hydroglinian diizobutylowy (wodorek didizobutyloglinowy - DIBAH, ang. diisobutylaluminium hydride).

14.9.5 Redukcja Rosenmunda

Aldehydy można otrzymać z chlorków kwasowych poprzez uwodornienie ich wobec zdezaktywowanego katalizatora palladowego. Metoda ta nazywana redukcją Rosenmunda ma obecnie znaczenie historyczne.

14.9.6 Hydroliza geminalnych dihalogenopochodnych

Zarówno aldehydy, jak i ketony można otrzymać poprzez hydrolizę geminalnych dihalogenopochodnych. Jest to sposób przydatny wówczas, kiedy takie pochodne są łatwo dostępne. Do popularnych należy chlorek benzylidenu, otrzymywany w reakcji chlorowania toluenu. W trakcie jego hydrolizy łatwo powstaje benzaldehyd.

14.9.7 Hydratacja alkinów

Aldehydy i ketony tworzą się w reakcji addycji wody do alkinów. Reakcja jest katalizowana przez sole rtęci. Z etynu powstaje etanal, a z pozostałych alkinów tworzą się ketony. W ten sposób otrzymywano aldehyd octowy przemysłowo, obecnie w przemyśle dominuje utlenianie etenu tlenem gazowym.

metoda przemysłowa

14.10 Otrzymywanie ketonów

14.10.1 Utlenianie

Ketony najłatwiej otrzymać z alkoholi 2^o, nie ma w tym przypadku obawy o ich dalsze utlenienie. W ten sposób powstaje cykloheksanon z cykloheksanolu.

Utleniaczem alkoholi 2^o, tak jak alkoholi 1^o może być PCC.

Cykloheksanon produkuje się przemysłowo przez utlenienie powietrzem cykloheksanu. Utlenianie powietrzem arenów zawierających odpowiednie łańcuchy boczne jest szczególnie przydatne w otrzymywaniu ketonów alifatyczno-aromatycznych.

14.10.2 Ozonoliza

Ozonoliza odpowiednich alkenów prowadzi do ketonów:

14.10.3 Acylowanie

Niezwykle wygodnym sposobem otrzymywania ketonów alifatyczno-aromatycznych lub aromatycznych jest reakcja acylowania arenów Friedla-Craftsa. Polega ona na działaniu chlorkami lub bezwodnikami kwasowymi na związki zawierające pierścień aromatyczny.

Reakcję Friedla-Craftsa wykorzystuje się do otrzymywania związków cyklicznych; tak można kwas fenylobutanowy przekształcić w tetralon.

14.11 Właściwości chemiczne

14.11.1 Utlenianie

Aldehydy są bardziej podatne na utlenienie niż ketony; nawet słabe utleniacze przekształcają je w kwasy karboksylowe. Reakcja ta służy częściej jako test do wykrywania aldehydów, niż jako sposób otrzymywania kwasów z aldehydów, ponieważ łatwiej jest utlenić bezpośrednio alkohol 1^o do kwasu, niż prowadzić tę reakcję dwuetapowo poprzez aldehyd.

Utleniacze: HNO₃, KMnO₄, O₂, Na₂CrO₇, odczynniki Jonesa, Tollensa, Fehlinga i inne.

Odczynnik Jonesa - CrO₃/H₂SO₄/HOH - należy do najłagodniejszch utleniaczy przekształcających aldehydy w kwasy.

Odczynniki Tollensa - (AgNO₃/NH₃/HOH) i Fehlinga - (CuSO₄/H₂SO₄/HOH-NaOH/KNaC₄H₄O₆/HOH) są stosowane w testach do wykrywania aldehydów.

Odczynnik Tolensa w obecności reduktora typu aldehydu ulega redukcji do srebra metalicznego, które tworzy lustro, ponieważ w postaci cienkiej warstwy osadza się na dnie naczynia szklanego. Powstawanie takiego lustra jest testem na obecność aldehydu. Reakcja ta wykorzystywana jest do produkcji luster.

W próbie Fehlinga obserwuje się pomarańczowy osad wytrącającego się tlenku miedzi (I) pod wpływem aldehydu.

Ketony też ulegają utlenieniu, ale pod wpływem silniejszych utleniaczy, następuje przy tym rozerwanie wiązania pomiędzy atomem C_ a grupą karbonylową. Z ketonów alifatycznych powstaje mieszanina kwasów karboksylowych.

Z ketonów cyklicznych otrzymuje się jednorodne kwasy dikarboksylowe.

14.11.2 Addycja nukleofilowa

Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej jest charakterystyczną reakcją aldehydów i ketonów. Na atomie węgla grupy C=O zlokalizowany jest częściowy ładunek dodatni, a przez to karbonylowy atom węgla jest podatny na atak nukleofilowy.

Nukleofilami (Nu:^-) mogą być atomy lub grupy obdarzone ładunkiem ujemnym, np.:

aniony: cyjankowy karboanion wodorkowy alkoksylowy hydroksylowy

lub bez formalnego ładunku (cząsteczki obojętne - :Nu-H), ale zawierające elektroujemne atomy z wolną para elektronową, np.:

Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej biegnie jednym z dwóch wariantów: A jedynie addycja lub B addycja i następcza eliminacja. Kierunek reakcji zależny jest głównie od charakteru odczynnika nukleofilowego. W obu przypadkach pierwszym etapem jest atak nukleofila na karbonylowy atom węgla i utworzenie adduktu, przy czym atom ten zmienia hybrydyzację na sp³. W wariancie A addukt stabilizuje się przez protonowanie atomu tlenu, a w drugim przypadku - B, następuje odszczepione cząsteczki wody (eliminacja) i atom węgla powraca do poprzedniej hybrydyzacji sp². Odszczepienie cząsteczki wody jest możliwe dzięki temu, że nukleofil zawiera 2 ruchliwe atomy wodoru.

Rys. 14.1 Mechanizm addycji nukleofilowej do karbonylowego atomu węgla

Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej aldehydów i ketonów jest szeroko wykorzystywana w syntezie chemicznej, można za jej pomocą otrzymywać wiele cennych produktów. Poniższy schemat obrazuje te możliwości.

Addycja wody - tworzenie geminalnych dioli

W wyniku addycji cząsteczki wody do grupy karbonylowej powstają geminalne diole, zwane w skrócie gemdiolami lub gemglikolami (grec. geminalny czyli bliźniaczy; w tym przypadku odnosi się do dwóch grup -OH na tym samym atomie węgla). Hydratacja grupy karbonylowej jest reakcją odwracalną i najczęściej jej równowaga jest przesunięta na korzyść formy karbonylowej. Zdarzają się jednak trwałe gemglikole (tzw. hydraty).

Trwałymi gemdiolami są hydrat metanalu i chloralu. Udział formy uwodnionej większości aldehydów i ketonów w wodnych roztworach nie przekracza 0,1%, podczas gdy metanal i chloral występują głównie w formie uwodnionej (99,9%). Hydrat chloralu jest silnym lekiem usypiającym, o działaniu zbliżonym do barbituranów. Jego efekt uboczny polega na drażniącym działaniu na skórę i błony śluzowe. Stosowany także jako surowiec do produkcji DDT.

Hydrat metanalu występuje jedynie w roztworze wodnym, podczas gdy hydrat chloralu jest trwałym, krystalicznym związkiem.

Występowanie hydratów związków karbonylowych udowodniono na podstawie widm spektroskopowych, a także za pomocą reakcji izotopowej z wodą zawierającą ¹⁸O. Po pewnym czasie od rozpuszczenia aldehydu w takiej wodzie izolowano aldehyd zawierający w grupie C=O tlen ¹⁸O.

Reakcja hydratacji aldehydów i ketonów jest katalizowana zarówno zasadowo, jak i kwasowo. W środowisku obojętnym biegnie wolno.

Mechanizm hydratacji grupy karbonylowej

Addycja cząsteczki alkoholu - tworzenie hemiacetali, acetali i tioacetali

Cząsteczka alkoholu, podobnie jak cząsteczka wody przyłącza się do grupy karbonylowej, a produkt takiej addycji nosi nazwę hemiacetalu (grec. hemi = w połowie), dla odróżnienia od acetali (pełnych acetali). Dawniej tego typu związki nazywano półacetalami. Reakcja jest katalizowana kwasami.

Zwykle hemiacetale są nietrwałe i występują jedynie w roztworze alkoholowym w stanie równowagi z formą karbonylową. W środowisku kwaśnym reagują dalej z alkoholem w kierunku acetali. Acetale pochodzące od ketonów nazywa się często ketalami. Cukry tworzą trwałe hemiacetale

Mechanizm

Reakcja tworzenia acetali zaczyna się od protonowania grupy -OH, eliminacji cząsteczki wody, przyłączenia cząsteczki alkoholu do atomu węgla i kończy się stabilizacją przez odszczepienie protonu.

Chociaż większość hemiacetali występuje jedynie w roztworach alkoholowych w równowadze ze związkami karbonylowymi, to hemiacetale wewnątrzcząsteczkowe, do których należą cukry są trwałe. W cukrach równowaga przesunięta jest na korzyść hemiacetali.

Wiązanie hemiacetalowe w D-glukozie powstaje pomiędzy grupą -OH przy C5 i grupą aldehydową. Cząsteczka glukozy przyjmuje konformację krzesłową. Acetale utworzone z cukrów nazywają się glikozydami. Występują powszechnie w przyrodzie.

Synteza acetali polega na ogrzewaniu aldehydów lub ketonów z bezwodnym alkoholem w kwaśnym środowisku. Ulegają one łatwo hydrolizie w środowisku kwaśnym, a są odporne na hydrolizę zasadową. Stosuje się je do czasowej osłony grupy karbonylowej, tak żeby można było przeprowadzić reakcję w innej części cząsteczki, chroniąc grupę karbonylową, np. przed utlenieniem lub redukcją. Po zaplanowanych przekształceniach grupę karbonylową łatwo odzyskuje się w reakcji kwaśnej hydrolizy. Często dla ochrony funkcji karbonylowej używa się glikolu etylowego, ponieważ z nim tworzy się wyjątkowo łatwo cykliczny acetal.

Selektywna redukcja przedstawiona na powyższym schemacie byłaby niemożliwa do przeprowadzenia bez czasowej ochrony grupy ketonowej.

Podobną rolę pełnią tioacetale, które tworzą się jeszcze łatwiej, a ulegają usunięciu, np. podczas katalitycznej redukcji. Warto wiedzieć, że związki siarki dezaktywują katalizatory typu Pt czy Pd, ale nie nikiel Renaya (Ni_Ra). W ten sposób można zredukować grupę karbonylową całkowicie, czyli do węglowodoru.

Do osłony grupy karbonylowej można też użyć tioglikolu etylenowego.

14.11.3 Reakcje aldehydów i ketonów ze związkami Grignarda

Związki Grignarda reagują z grupą karbonylową w ten sposób, że ujemnie naładowana reszta organiczna R przyłącza się do karbonylowego atomu węgla, a -MgX tworzy wiązanie alkoholanowe z atomem tlenu. Po hydrolizie alkoholanu otrzymuje się alkohole.

W reakcji związków Grignarda z metanalem powstają alkohole 1^o, z innymi aldehydami - alkohole 2 ^o, a z ketonami - alkohole 3 ^o.

14.11.4 Addycja nukleofilowa HCN; otrzymywanie cyjanohydryn

Cyjanowodór przyłącza się do grupy karbonylowej tych aldehydów i ketonów, które nie mają zawady przestrzennej wokół tej grupy. Produktem reakcji są cyjanohydryny (inaczej nitryle -hydroksykwasów), czyli związki zawierające funkcję -CN i -OH przy tym samym atomie węgla. W wyniku addycji cyjanowodoru do benzaldehydu powstaje nitryl kwasu migdałowego.

Addycja cyjanowodoru do aldehydów lub ketonów jest reakcją odwracalną, zwykle z równowagą przesuniętą na korzyść produktu. Reakcję ułatwia kataliza zasadowa, gdyż jon ^-CN przyłącza się łatwiej niż HCN. Jon cyjankowy jest silnym nukleofilem i dlatego równowaga reakcji jego addycji do grupy karbonylowej jest przesunięta w stronę produktów. Inne kwasy, np. halogenowodory, kwas siarkowy czy kwasy karboksylowe są słabymi nukleofilami i nie tworzą adduktów ze związkami karbonylowymi.

W reakcji addycji cyjanowodoru do grupy karbonylowej wystarczają śladowe ilości zasady jako katalizatora, ponieważ w warunkach równowagi odtwarza się jon cyjankowy.

Cyjanohydryny stanowią dogodny półprodukt w syntezie organicznej. Redukując je można otrzymać -aminoalkohole, a w wyniku hydrolizy -hydroksykwasy.

14.11.5 Addycja jonu wodorkowego - redukcja wodorkami

Wodorki typu NaBH₄ lub LiAlH₄ redukują aldehydy i ketony do odpowiednich alkoholi, przy czym czynnikiem redukującym jest anion wodorkowy - H^-.

Wodorki stosowane do redukcji (NaBH₄, LiAlH₄) zwane są wodorkami kompleksowymi w odróżnieniu od wodorków prostych, takich jak LiH, NaH czy KH. Wodorki proste odznaczają się przede wszystkim wysoką zasadowością, podczas gdy wodorki kompleksowe wykazują wykazują silną nukleofilowość anionów wodorkowych H^-. Różnica we właściwościach chemicznych obu grup wodorków wynika z różnicy charakteru wiązań atomu wodoru. W wodorkach prostych atom wodoru jest związany z silnie elektrododatnimi atomami metali alkalicznych, podczas gdy w wodorkach kompleksowych łączy się z ujemnie naładowanymi atomami glinu lub boru, co zmniejsza ich zasadowość, równocześnie podwyższając nukleofilowość anionów wodorkowych.

Szczególnie przydatnym okazał się tetrahydroboran sodu, ponieważ jest trwalszy (odporniejszy na hydrolizę) od LiAlH₄, działa selektywnie (nie redukuje kwasów karboksylowych i ich pochodnych), a reakcję można prowadzić w metanolu, nawet uwodnionym.

14.11.6 Redukcja katalityczna

Uwodornienie grupy karbonylowej aldehydów i ketonów za pomocą gazowego wodoru wymaga katalizatorów. Do najczęściej używanych katalizatorów w takiej reakcji należy nikiel Raneya - Ni_Ra, odczynnik otrzymywany poprzez trawienie stopu Ni/Al wodorotlenkiem sodu. Otrzymany w ten sposób gąbczasty nikiel zawiera dużą ilość rozpuszczonego w sobie wodoru. Produkt redukcji aldehydu czy ketonu w reakcji uwodornienia na niklu Raneya jest taki sam, jak w wyniku redukcji za pomocą wodorków kompleksowych, z tym że wodorki są wygodniejsze w operacji, ale droższe; mają zatem większe zastosowanie w syntezie laboratoryjnej. Platyna i pallad nie są aktywnymi katalizatorami w reakcji uwodornienia związków karbonylowych. Ponadto redukcja za pomocą wodorków jest bardziej selektywna, ponieważ wiązanie podwójne C=C ulega nasyceniu w trakcie reakcji z wodorem w obecności niklu Raneya, a jest odporne na działanie tetrahydroboranu sodu.

14.11.7 Reakcja Cannizzaro

Jest to reakcja dysproporcjonowania, w wyniku której z aldehydu tworzy się alkohol (redukcja) i kwas karboksylowy (utlenienie). Zachodzi ona w środowisku alkalicznym, a ulegają jej aldehydy nie zawierające atomów wodoru przy C, np. metanal i aldehydy aromatyczne.

Charakterystyczną cechą tej reakcji jest to, że bierze w niej udział anion wodorkowy. W pierwszym etapie reakcji grupa hydroksylowa ulega addycji do karbonylowego atomu węgla, po czym anion wodorkowy, jako nukleofil atakuje grupę karbonylową drugiej cząsteczki aldehydu. Następnie proton z kwasu karboksylowego (silniejszy kwas) przechodzi do alkoholanowego atomu tlenu.

Chociaż produkt reakcji Cannizzaro jest złożony (kwas i alkohol), to łatwo udaje się go rozdzielić, ponieważ oba składniki różnią się właściwościami chemicznymi i fizycznymi. Z zasadowego, wodnego środowiska alkohol można wyekstrahować za pomocą rozpuszczalników organicznych nie mieszających się z wodą, a kwas wytrącić z wodnego roztworu jego soli przez zakwaszenie. Kwas można izolować też za pomocą jonitów.

Pomimo tych ułatwień nie jest to szeroko stosowana metoda otrzymywania ani kwasu benzoesowego, ani alkoholu benzylowego, ponieważ znane są lepsze sposoby syntezy tych związków. Większe znaczenie preparatywne ma tzw. krzyżowa reakcja Cannizzaro, w której wykorzystuje się fakt, że w obecności aldehydów aromatycznych metanal ulega głównie utlenieniu do mrówczanu, natomiast większa część aldehydu aromatycznego ulega redukcji do alkoholu aromatycznego. Ta różnica w reaktywności spowodowana jest większą elektrofilowością karbonylowego atomu węgla metanalu - jest on bardziej podatny na atak reszty hydroksylowej niż karbonylowy atom aldehydu aromatycznego.

Z aldehydu ftalowego w reakcji Cannizzaro powstaje kwas (hydroksymetylo)benzoesowy.

W najważniejszym procesie redukcji biochemicznej, z udziałem zredukowanego dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NADH), widoczny jest mechanizm reakcji Cannizzaro:

1

---