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
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