Κεφάλαιο 5: Προσθήκες σε πολλαπλούς δεσμούς

Transcript

1 Κεφάλαιο 5: Προσθήκες σε πολλαπλούς δεσμούς Σύνοψη Το κεφάλαιο αυτό ασχολείται με τη μελέτη των αντιδράσεων προσθήκης σε μεμονωμένους και συζυγιακούς δεσμούς C=C (ηλεκτρονιόφιλες και πυρηνόφιλες), σε δεσμούς C C, σε δεσμούς C=O (συμπεριλαμβανομένων των αντιδράσεων πυρηνόφιλης ακυλο-υποκατάστασης των παραγώγων των καρβοξυλικών οξέων) και σε δεσμούς C=N και C N. Γίνεται ανάλυση διαφόρων παραμέτρων που επηρεάζουν την πορεία και έκβασή τους και δίνονται κάποιες από τις σημαντικότερες αντιδράσεις που χωρούν με αυτού του είδους τις προσθήκες. Η συγγραφή του κεφαλαίου βασίστηκε εν μέρει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-11]. Προαπαιτούμενη γνώση Για την ευκολότερη και καλύτερη κατανόηση αυτού του κεφαλαίου ο αναγνώστης θα πρέπει να είναι σε θέση να σχεδιάζει σωστές δομές Lewis, να έχει εξοικειωθεί με τη χρήση κυρτών βελών, να κατέχει τους βασικούς κανόνες ονοματολογίας και στερεοχημείας, να αναγνωρίζει τις διάφορες τάξεις οργανικών ενώσεων και να γνωρίζει καλά τους μηχανισμούς πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (Κεφάλαιο 2), τους μηχανισμούς ηλεκτρονιόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (Κεφάλαιο 4) και τις έννοιες: ηλεκτρονιόφιλο, πυρηνόφιλο, καρβοκατιόντα, καρβανιόντα, συντονισμός, θερμοδυναμική θεώρηση μιας οργανικής αντίδρασης (και ό,τι σχετίζεται με αυτήν) και ισοτοπικό φαινόμενο. Για τα αντικείμενα αυτά ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέχει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-11] και στα προηγούμενα κεφάλαια του παρόντος συγγράμματος. 5. Προσθήκες σε πολλαπλούς δεσμούς Οι αντιδράσεις προσθήκης σε πολλαπλούς δεσμούς διακρίνονται σε προσθήκες σε διπλούς και σε τριπλούς δεσμούς (C=A και C A, όπου Α: C, O, N). Οι προσθήκες αυτές, ανάλογα με τον μηχανισμό, κατατάσσονται σε ηλεκτρονιόφιλες και πυρηνόφιλες. Ένα μεγάλος μέρος των αντιδράσεων προσθήκης σε πολλαπλούς δεσμούς ανήκει στις περικυκλικές αντιδράσεις, οι οποίες μελετώνται χωριστά (Κεφάλαιο 9), ενώ οι αντιδράσεις που περιλαμβάνουν στον μηχανισμό τους ενόλες και ενολικά ιόντα μελετώνται στο Κεφάλαιο Ηλεκτρονιόφιλες προσθήκες σε δεσμούς C=C Γενική θεώρηση της ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε μεμονωμένους δεσμούς C=C Οι αιθυλενικοί διπλοί δεσμοί (μη συζυγιακοί) έχουν αυξημένη π ηλεκτρονική πυκνότητα και γι αυτό αντιδρούν εύκολα με ηλεκτρονιόφιλα αντιδραστήρια (οξέα κατά Lewis). Ο διπλός δεσμός λειτουργεί ως πυρηνόφιλο (βάση κατά Lewis) και δημιουργεί αρχικά με το ηλεκτρονιόφιλο τμήμα του χρησιμοποιούμενου αντιδραστηρίου (Α-Β) ένα π σύμπλοκο (π complex, C), το οποίο στη συνέχεια προσβάλλεται από το πυρηνόφιλο τμήμα του Α-Β, Σχήμα 5.1. Η προσθήκη αυτή χαρακτηρίζεται ως ηλεκτρονιόφιλη διότι η πρώτη ομάδα που εισέρχεται είναι η ηλεκτρονιόφιλη. Ανάλογα με τον τρόπο προσέγγισης του ηλεκτρονιόφιλου και του πυρηνόφιλου τμήματος του Α-Β, η διαδικασία μπορεί να είναι μια αντι-προσθήκη (anti-addition), δηλαδή οι ομάδες Α και Β τοποθετούνται σχετικά σε αντι-θέση, ή μια συν-προσθήκη (syn-addition), δηλαδή οι ομάδες Α και Β τοποθετούνται σχετικά σε συν-θέση, ή μπορεί να μην υφίσταται σημαντική εκλεκτικότητα. Η αντιπροσθήκη έχει παρατηρηθεί σε εκείνες τις περιπτώσεις στις οποίες σχηματίζεται ένα σταθεροποιημένο μη κλασικό καρβοκατιόν (1). Η συν-προσθήκη έχει παρατηρηθεί σε εκείνες τις περιπτώσεις που σχηματίζεται κυκλικό ενδιάμεσο μεταξύ του αλκενίου και του προστιθέμενου αντιδραστηρίου (2). Όταν το αρχικά 1

2 σχηματιζόμενο π σύμπλοκο μετατρέπεται σε ένα κλασικό καρβοκατιόν (3), η αντίδραση δεν εμφανίζει εκλεκτικότητα. Το γεγονός αυτό δεν αποδίδεται στη δυνατότητας αμφίπλευρης προσβολής του καρβοκατιώντος από το B, αλλά στη δυνατότητα περιστροφής του δεσμού C + -C. Σχήμα 5.1 Το γενικό σχήμα μιας ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε δεσμό C=C. Σε μη συμμετρικούς αλκυλο-υποκατεστημένους δεσμούς C=C και με αντιδραστήρια Α-Β για τα οποία ισχύει Α Β παρατηρείται συγκεκριμένη εκλεκτικότητα προσβολής (τοποεκλεκτικότητα, regioselectivity). Στην πράξη το πυρηνόφιλο τμήμα συνδέεται κατά προτίμηση με το περισσότερο υποκατεστημένο άτομο C (κανόνας Markovnikov, Markovnikov s rule), Σχήμα 5.2. Αυτό εξηγείται με την παραδοχή ότι στο ενδιάμεσο μη κλασικό καρβοκατιόν το κλασματικό θετικό φορτίο είναι κυρίως εντοπισμένο στον περισσότερο υποκατεστημένο άνθρακα, λόγω σταθεροποίησής του από το επαγωγικό φαινόμενο των αλκυλίων (+Ι). Το ίδιο αποτέλεσμα προκύπτει και με την ανάλυση της σταθερότητας στα αντίστοιχα κλασικά καρβοκατιώντα. Λόγω της παρουσίας καρβοκατιόντων είναι επίσης πιθανός ο σχηματισμός ισομερών προϊόντων, μέσω αναδιάταξής τους (παράγραφος ). Σχήμα 5.2 Εξήγηση του κανόνα Markovnikov. Για τον μηχανισμό προσθήκης υδραλογόνου σε ένα αλκένιο δείτε το Video

3 Video 5.1 Ο μηχανισμός προσθήκης υδραλογόνου σε ένα αλκένιο. Η ίδια εκλεκτικότητα παρατηρείται και στα βινυλο-αλογονίδια, αφού το +R φαινόμενο του αλογόνου καθορίζει, μέσω της δομής συντονισμού Α, ποιος άνθρακας είναι περισσότερος ηλεκτρονιόφιλος και το πυρηνόφιλο τμήμα του αντιδραστηρίου συνδέεται με αυτόν, Σχήμα 5.3. Σχήμα 5.3 Προσθήκη σε βινυλοαλογονίδια. Η εκλεκτικότητα αντιστρέφεται όταν στο αλκένιο υπάρχουν δέκτες ηλεκτρονίων ( Ι, R). Στην περίπτωση αυτή (εφόσον δεν γίνεται συζυγιακή προσθήκη, παράγραφος 5.2), δεν ευνοείται η εμφάνιση κλασματικού θετικού φορτίου στον C που φέρει την ομάδα δέκτη ηλεκτρονίων και το αποτέλεσμα είναι ο σχηματισμός του αντι-markovnikov προϊόντος, π.χ. Σχήμα 5.4. Σημειώνεται ότι αντίθετη εκλεκτικότητα (αντι-markovnikov, anti-markovnikov) παρατηρείται και όταν ο μηχανισμός προσθήκης περιλαμβάνει ρίζες (δείτε την παράγραφο και την παράγραφο 8.7.3). Σχήμα 5.4 Κανόνας αντι-markovnikov. Η ταχύτητα της αντίδρασης προσθήκης αυξάνεται με υποκαταστάτες που είναι δότες ηλεκτρονίων και μειώνεται με δέκτες. Ειδικότερα, τα αλκένια στα οποία ο διπλός δεσμός είναι απευθείας συνδεδεμένος με άτομα με μονήρες ζεύγος είναι, λόγω της δομής συντονισμού, ιδιαίτερα δραστικά, Σχήμα 5.5. Τα αλογόνα, ως υποκατάστατες, μειώνουν την ταχύτητα, λόγω του επαγωγικού τους φαινομένου ( Ι). Σχήμα 5.5 Εξήγηση δραστικότητας αλκενίων με υποκαταστάτες δότες ηλεκτρονίων Γενική θεώρηση της ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε συζυγιακούς δεσμούς C=C Οι 1,3-συζυγιακοί δεσμοί C=C (απουσία δέκτη ηλεκτρονίων) δίνουν με ηλεκτρονιόφιλα, εκτός από την προβλεπόμενη 1,2-προσθήκη, και 1,4-προσθήκη, Σχήμα 5.6. Για παράδειγμα, η προσθήκη ενός ισοδύναμου Br 2 δίνει εκτός από το 1,2-διβρωμο- και το 1,4-διβρωμο-προϊόν. Το ποιο θα είναι το κύριο προϊόν εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Έτσι, σε υψηλή θερμοκρασία ευνοείται ο σχηματισμός του 1,4-προϊόντος (περισσότερο σταθερό, ως περισσότερο υποκατεστημένο αλκένιο και άρα θερμοδυναμικά ευνοούμενο), ενώ σε χαμηλή ο σχηματισμός του 1,2-προϊόντος (κινητικά ευνοούμενο). Η θερμοδυναμική θεώρηση της πορείας της αντίδρασης καταδεικνύει τη διαφορά μεταξύ των δύο ενεργειών ενεργοποίησης (ΔG ) και της ελεύθερης ενέργειας (ΔG ο ), Εικόνα 5.1. Η ίδια θεώρηση ισχύει και για την προσθήκη υδροβρωμίου. 3

4 Σχήμα 5.6 Εξήγηση της 1,4-προσθήκης σε συζυγιακούς δεσμούς C=C. Εικόνα 5.1 Ανταγωνισμός 1,2- και 1,4-προσθήκης Br 2 σε συζυγιακούς δεσμούς C=C Χαρακτηριστικές αντιδράσεις ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε δεσμούς C=C Προσθήκη αλογόνου Η προσθήκη αλογόνων (Cl 2, Br 2 ή Ι 2 ) γίνεται με αντι-προσθήκη με την παραδοχή σχηματισμού ενός σταθερού ενδιάμεσου τριμελούς δακτυλίου (π.χ. βρωμώνιο για την περίπτωση του Br 2 ), Σχήμα 5.7. Τα ενδιάμεσα αυτά ευνοούνται περισσότερο με το Br και το Ι και λιγότερο με το Cl. Είναι προφανές πως στις αντιδράσεις αυτού του τύπου δεν τίθεται θέμα τοποεκλεκτικότητας. Σχήμα 5.7 Το γενικό σχήμα προσθήκης αλογόνου σε δεσμό C=C. Όταν η προσθήκη αλογόνου γίνεται παρουσία νερού τότε προκύπτουν αλοϋδρίνες (Α), αντί για τα διαλογονωμένα παράγωγα, π.χ. Σχήμα 5.8. Η διαδικασία αυτή χωρεί και πάλι μέσω του αλογωνίου κατιόντος με αντι-προσθήκη και σύμφωνα με τον κανόνα του Markovnikov. Με παρόμοιο τρόπο αντιδρούν και οι αλκοόλες. 4

5 Σχήμα 5.8 Σχηματισμός αλοϋδρινών Προσθήκη υδραλογόνου Η προσθήκη υδραλογόνων (ΗΧ) γίνεται συνήθως μέσω κλασικών καρβοκατιόντων (προκύπτει μίγμα στερεοϊσομερών) σύμφωνα με τον γενικό μηχανισμό, Σχήμα 5.9, και με εφαρμογή του κανόνα Markovnikov. Ωστόσω, υπάρχουν και περιπτώσεις (εξαρτάται όχι μόνο από το υπόστρωμα, αλλά και τις πειραματικές συνθήκες) που σχηματίζεται ως κύριο το προϊόν αντι- ή συν-προσθήκης. Σχήμα 5.9 Το γενικό σχήμα προσθήκης υδραλογόνου σε δεσμό C=C Προσθήκη νερού και αλκοολών Η προσθήκη νερού γίνεται μόνο με τη χρήση όξινων καταλυτών (π.χ Η 2 SO 4 ) σύμφωνα με τον κανόνα Markovnikov, Σχήμα Με τον ίδιο τρόπο γίνεται και η προσθήκη αλκοολών. Η προσθήκη νερού επιτυγχάνεται με σχετικά χαμηλές συγκεντρώσεις οξέος και σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες και με τη χρήση πυκνών διαλυμάτων οξέων ευνοείται η αντίστροφη πορεία, δηλαδή η αφυδάτωση της αλκοόλης προς αλκένιο. Σχήμα 5.10 Το γενικό σχήμα προσθήκης νερού σε δεσμό C=C. Η προσθήκη νερού επιτυγχάνεται και με ηπιότερες συνθήκες, χρησιμοποιώντας οξικό υδράργυρο. Η διαδικασία αυτή καλείται οξυυδραργύρωση (oxymercuration) και περιλαμβάνει δύο στάδια: ηλεκτρονιόφιλη προσθήκη του υδραργυρικού αντιδραστηρίου στον διπλό δεσμό (σχηματισμός του υδροαργυρωνίου ιόντος Α) και κατεργασία με NaBH 4, η οποία προκαλεί αφυδραργύρωση, Σχήμα Λόγω του σχηματισμού του Α η διαδικασία είναι μια αντι-προσθήκη. 5

6 Σχήμα 5.11 Αντίδραση οξυυδραργύρωσης. Με παρόμοιο τρόπο προστίθενται και οι αλκοόλες (αλκοξυδραργύρωση, alkoxymercuration) και προκύπτουν αιθέρες με μια κατά Markovnikov διαδικασία, Σχήμα Σχήμα 5.12 Αντίδραση αλκοοξυυδραργύρωσης Υδροβορίωση Η προσθήκη νερού γίνεται φαινομενικά με αντι-markovnikov τρόπο με τη χρήση διβορανίου, το οποίο είναι το διμερές του βορανίου (υδροβορίωση, hydroboration). Η μετατροπή αυτή χωρεί μέσω δύο σταδίων. Στο πρώτο, το βοράνιο δίνει με συν-προσθήκη ένα κυκλικό ενδιάμεσο με αποτέλεσμα ένα προϊόν σύμφωνα με τον κανόνα Markovnikov, λόγω του γεγονότος ότι στο βοράνιο το Η είναι το πυρηνόφιλο τμήμα, αλλά και λόγω μικρότερης στερεοχημικής παρεμπόδισης. Στο δεύτερο στάδιο επιτελείται οξείδωση (με Η 2 Ο 2 ) σε βασικό περιβάλλον και τελικά προκύπτει η λιγότερο υποκατεστημένη αλκοόλη, Σχήμα Η υδροβορίωση μπορεί να επιτευχθεί και με τριαλκυλοβοράνια, τα οποία είναι περισσότερο σταθερά και εκλεκτικά (π.χ το 9-ΒΒΝ, το οποίο αντιδρά εκλεκτικά μόνο με μη παρεμποδισμένους δεσμούς C=C). 6

7 Σχήμα 5.13 Υδροβορίωση του δεσμού C=C Εποξείδωση Η εποξείδωση (epoxidation) του δεσμού C=C γίνεται με τη χρήση υπεροξέων (RCOOOH, συνήθως το mcpba, μ-χλωρο-υπερβενζοϊκό οξύ) μέσω μιας συν-προσθήκης που περιλαμβάνει τη δημιουργία σ δεσμών και από τους δύο ολεφινικούς άνθρακες με το ίδιο άτομο οξυγόνου, Σχήμα Η αντίδραση είναι στερεοειδική, δηλαδή ένα cis-αλκένιο δίνει το cis-εποξείδιο, ενώ ένα trans-αλκένιο δίνει το trans-εποξείδιο. Με την προσθήκη ασύμμετρων καταλυτών είναι δυνατόν να σχηματισθεί εκλεκτικά τα ένα από τα δύο διαστερεοϊσομερή (ασύμμετρη εποξείδωση, asymmetric epoxidation). Σχήμα 5.14 Το γενικό σχήμα εποξείδωσης του δεσμού C=C Διυδροξυλίωση Η διυδροξυλίωση (dihydroxylation) του δεσμού C=C μπορεί να επιτευχθεί έμμεσα με τη διάνοιξη των προϊόντων εποξείδωσης. Σχηματίζονται 1,2-διόλες (γλυκόλες). Η μετατροπή αυτή γίνεται με υδατικό οξύ και είναι μια αντι-διαδικασία, Σχήμα

8 Σχήμα 5.15 Διυδροξυλίωση του δεσμού C=C μέσω εποξειδίου. Υπάρχουν όμως και μέθοδοι με τις οποίες η διυδροξυλίωση γίνεται με συν-προσθήκη. Έτσι, με επίδραση αραιού διαλύματος KMnO 4 σε αλκένια προκύπτει ένα κυκλικό ενδιάμεσο, το οποίο υδρολύεται για να δώσει μιαν 1,2-διόλη, Σχήμα Εντούτοις, η διυδροξυλίωση με KMnO 4 περιπλέκεται πολλές φορές από την παράπλευρη αντίδραση διάσπασης του ενδιάμεσου προς δύο καρβονυλικές ενώσεις (διάσπαση δεσμού C-C). Σχήμα 5.16 Διυδροξυλίωση του δεσμού C=C με KMnO 4. Εναλλακτικά η διυδροξυλίωση με συν-προσθήκη μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση OsO 4 (οσμυλίωση, osmylation), χωρίς να παρατηρηθεί διάσπαση του δεσμού C-C. Η διάσπαση του κυκλικού οσμικού εστέρα Α γίνεται συνήθως με κατεργασία με όξινο θειώδες νάτριο ή Η 2 S, Σχήμα Σχήμα 5.17 Διυδροξυλίωση του δεσμού C=C με OsO Υδρογόνωση Η υδρογόνωση (hydrogenation) του δεσμού C=C γίνεται με μοριακό υδρογόνο παρουσία ενός καταλύτη (ετερογενής κατάλυση, π.χ. Pd, Pt, PtO 2, Ra-Ni), Σχήμα Η μεταφορά των δύο ατόμων υδρογόνου γίνεται από τον καταλύτη και μάλιστα από την ίδια πλευρά, τη λιγότερο παρεμποδισμένη (συν-προσθήκη). Με τη χρήση χειρόμορφων καταλυτών μπορεί να επιτευχθεί ασύμμετρη υδρογόνωση (asymmetric hydrogenation). 8

9 Σχήμα 5.18 Υδρογόνωση του δεσμού C=C Προσθήκη καρβενίου Η προσθήκη καρβενίων (carbene addition) στον δεσμό C=C είναι μια ηλεκτρονιόφιλη διαδικασία, αφού αυτά συμπεριφέρονται ως ηλεκτρονιόφιλα αντιδραστήρια (έχουν χάσμα οκτάδας). Η αντίδραση είναι στερεοειδική, όπως και στην περίπτωση της εποξείδωσης (παράγραφος ), και οδηγεί σε κυκλοπροπανικά παράγωγα, Σχήμα Ανάλογα αντιδρούν και τα νιτρένια τα οποία δίνουν αζιριδίνες. Οι αντιδράσεις αυτές θεωρούνται και αντιδράσεις [2+1] κυκλοπροσθήκης (δείτε την παράγραφο 9.3.4). Σχήμα 5.19 Προσθήκη καρβενίου στον δεσμό C=C. Τα καρβένια παρασκευάζονται, εκτός από τις αντιδράσεις α-απόσπασης (παράγραφος 3.4), και από διαζωενώσεις (π.χ. το μεθυλένιο παρασκευάζεται από το διαζωμεθάνιο, Σχήμα 5.20). Σχήμα 5.20 Διάσπαση διαζωμεθανίου Προσθήκη όζοντος Η προσθήκη όζοντος στον δεσμό C=C (οζονόλυση, ozonolysis) εμπίπτει στις αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης γι αυτό και μελετάται στο σχετικό κεφάλαιο (παράγραφος ) Σύνοψη των αντιδράσεων ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε δεσμούς C=C 9

10 Στον Πίνακα 5.1 δίνεται μια περίληψη των αντιδράσεων ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε δεσμούς C=C. Πίνακας 5.1 Σύνοψη των αντιδράσεων ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε δεσμούς C=C. 5.2 Πυρηνόφιλες προσθήκες σε δεσμούς C=C Η πυρηνόφιλη προσθήκη σε δεσμό C=C γίνεται μόνον όταν αυτός βρίσκεται σε συζυγία με έναν δέκτη ηλεκτρονίων (π.χ. καρβονύλιο, νιτροομάδα και σουλφονική ομάδα), σε αντίθεση με τους άλλους αιθυλενικούς διπλούς δεσμούς. Αυτό εξηγείται με βάση τη δομή συντονισμού ενός τέτοιου δεσμού, στην οποία ο συζυγιακός άνθρακας είναι ηλεκτρονιόφιλος, π.χ. Σχήμα Με βάση αυτήν τη διαδικασία (1,4- προσθήκη ή συζυγιακή προσθήκη, 1,4-addition ή conjugated addition), η οποία χωρεί με βασική κατάλυση, μπορεί να προστεθεί μια ποικιλία πυρηνόφιλων (π.χ. αλκοόλες, θειόλες, αμίνες, οργανομεταλλικές ενώσεις). Η αντίδραση με πυρηνόφιλα που είναι σταθεροποιημένα καρβανιόντα καλείται αντίδραση Michael (Michael 10

11 addition, δείτε την παράγραφο και την παράγραφο 6.4.2), ενώ γενικότερα η 1,4-προσθήκη καλείται και προσθήκη τύπου Michael (Michael type addition). Σχήμα 5.21 Εξήγηση της πυρηνόφιλης προσβολής σε έναν συζυγιακό δεσμό C=C που φέρει δέκτη (C=O). Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η προσθήκη οργανομαγνησιακών (ή άλλων οργανομεταλλικών) αντιδραστηρίων σε α-ακόρεστες καρβονυλικές ενώσεις, Σχήμα Σχήμα 5.22 Παράδειγμα πυρηνόφιλης 1,4-προσθήκης. Στα ίδια συζυγιακά συστήματα μπορεί να γίνει και προσβολή από H χρησιμοποιώντας αναγωγικά αντιδραστήρια, όπως το NaBH 4 και το LiALH 4. Στις περιπτώσεις όμως που ο δέκτης είναι καρβονύλιο η αναγωγή χωρεί τόσο στον δεσμό C=C, όσο και στον δεσμό C=O. Με τον ίδιο τρόπο αντιδρούν και συζυγιακοί δεσμοί C C. 5.3 Προσθήκες σε δεσμούς C C Γενική θεώρηση της προσθήκης σε δεσμούς C C Η ηλεκτρονιόφιλη προσθήκη σε δεσμούς C C είναι γενικά δυσκολότερη από ότι στα αλκένια γιατί το ενδιάμεσο καρβοκατιόν (βινυλικό) είναι εξαιρετικά ασταθές και σχηματίζεται πολύ αργά Χαρακτηριστικές αντιδράσεις προσθήκης σε δεσμούς C C Προσθήκη αλογόνου Η προσθήκη αλογόνου σε έναν δεσμό C C μπορεί να οδηγήσει στο διαλογονωμένο ή στο τετρααλογονωμένο παράγωγο, ανάλογα με την ποσότητα του μοριακού αλογόνου που χρησιμοποιείται και τις πειραματικές συνθήκες, Σχήμα Στην περίπτωση μη συμμετρικά υποκατεστημένου δεσμού C C η προσθήκη ενός ισοδύναμου αλογόνου δίνει το trans-προϊόν. 11

12 Σχήμα 5.23 Αλογόνωση δεσμού C C Προσθήκη υδραλογόνου Η προσθήκη υδραλογόνου σε έναν δεσμό C C γίνεται με τη διαδοχική προσθήκη δύο μορίων υδραλογόνου, σύμφωνα με τον κανόνα Markovnikov (προκύπτουν τα gem-διαλογονωμένα παράγωγα), Σχήμα Στην περίπτωση μη συμμετρικά υποκατεστημένου δεσμού C C η προσθήκη ενός ισοδύναμου υδραλογόνου δίνει το προϊόν στο οποίο το Η και το αλογόνο έχουν trans σχετική διευθέτηση. Σχήμα 5.24 Προσθήκη υδραλογόνου σε δεσμό C C Προσθήκη νερού Η προσθήκη νερού σε ακραίο αλκύνιο γίνεται με τη χρήση Η 2 SO 4 /HgSO 4 κατά Markovnikov. Ενδιάμεσα σχηματίζεται το ευδιάλυτο στο υδατικό μέσο σύμπλοκο Α. Η προσθήκη δίνει αρχικά μιαν ενόλη (Β), η οποία ταυτομερίζεται στην αντίστοιχη μεθυλο-κετόνη, Σχήμα Η αντίδραση γίνεται και με εσωτερικά αλκύνια, αλλά στην περίπτωση αυτή έχει περιορισμένη πρακτική σημασία γιατί σχηματίζεται μίγμα των δύο ισομερών κετονών. Σχήμα 5.25 Προσθήκη νερού σε δεσμό C C Υδροβορίωση 12

13 Η προσθήκη νερού στον δεσμό C C γίνεται επίσης με τη χρήση διβορανίου, όπως και στα αλκένια (παράγραφος ). Η διαδικασία αυτή δίνει μιαν αλδεΰδη όταν το αλκύνιο είναι ακραίο, (1), ή μιαν κετόνη όταν είναι εσωτερικό, (2), Σχήμα Σχήμα 5.26 Υδροβορίωση του δεσμού C C Υδρογόνωση Η υδρογόνωση του δεσμού C C γίνεται, όπως και στην περίπτωση των αλκενίων, με μοριακό υδρογόνο και καταλύτη. Πρακτικά είναι πολύ δύσκολο να σταματήσει η αναγωγή στο πρώτο στάδιο και προκύπτουν τα πλήρως αναγμένα προϊόντα (1). Η χρήση όμως συγκεκριμένων «δηλητηριασμένων» καταλυτών, όπως το Lindlar, επιτρέπει την εκλεκτική αναγωγή μέχρι το στάδιο του αλκενίου (2), Σχήμα Στην περίπτωση αυτή σχηματίζεται το cis-αλκένιο. Το trans-αλκένιο μπορεί να παραχθεί κάνοντας την αναγωγή με διαλυόμενα μέταλλα (π.χ. Νa σε υγρή αμμωνία). Όμως, ο μηχανισμός αυτός περιλαμβάνει ρίζες (δείτε την παράγραφο ). Σχήμα 5.27 Υδρογόνωση του δεσμού C C. 5.4 Προσθήκες σε δεσμούς C=Ο Γενική θεώρηση της προσθήκης σε δεσμούς C=Ο Σε αντίθεση με τους αιθυλενικούς διπλούς δεσμούς, οι δεσμοί C=O είναι πολωμένοι και έχουν έτσι άνιση κατανομή των π ηλεκτρονίων. Είναι προφανές, με βάση τη δομή συντονισμού ενός δεσμού C=O, ότι αυτός μπορεί εύκολα να προσβληθεί από πυρηνόφιλα, στον C, Σχήμα Κατά αναλογία, το Ο προσβάλλεται εύκολα από ηλεκτρονιόφιλα. Σχήμα 5.28 Εξήγηση της πυρηνόφιλης προσβολής σε έναν δεσμό C=Ο. 13

14 Σε βασικό περιβάλλον, και εφόσον υπάρχει α-η, μπορεί να συμβεί ενολοποίηση οπότε η αντίδραση παίρνει άλλη τροπή (δείτε το Κεφάλαιο 6). Οι αντιδράσεις προσθήκης σε δεσμούς C=O καταλύονται τόσο σε βασικό όσο και σε όξινο περιβάλλον. Στην πρώτη περίπτωση [πυρηνόφιλη προσθήκη, (1)] η βάση αυξάνει τον πυρηνόφιλο χαρακτήρα του Nu, ενώ στη δεύτερη [ηλεκτρονιόφιλη προσθήκη, (2)] το οξύ πρωτονιώνει το Ο του καρβονυλίου και κάνει έτσι τον C περισσότερο ηλεκτρονιόφιλο, Σχήμα Ακόμα και ασθενή οξέα ή βάσεις καταλύουν αυτήν τη διαδικασία. Σχήμα 5.29 Βασική και όξινη κατάλυση της πυρηνόφιλης προσβολής σε έναν δεσμό C=Ο Χαρακτηριστικές αντιδράσεις προσθήκης στις αλδεΰδες και τις κετόνες Προσθήκη νερού Η προσθήκη νερού στις αλδεΰδες και τις κετόνες δίνει υδρίτες (gem-διόλες), Σχήμα Η διαδικασία είναι αντιστρεπτή και, πρακτικά, ο υδρίτης είναι απομονώσιμος μόνο για λίγες αλδεΰδες. Καταλύεται τόσο από οξέα όσο και από βάσεις, σύμφωνα με τον γενικό μηχανισμό. Σχήμα 5.30 Προσθήκη νερού στον δεσμό C=Ο Προσθήκη αλκοολών Η προσθήκη αλκοολών στις αλδεΰδες και τις κετόνες δίνει ημιακετάλες (hemiacetals), (1), Σχήμα Η διαδικασία καταλύεται από οξύ και είναι αντιστρεπτή: περίσσεια αλκοόλης δίνει την ημιακετάλη, ενώ περίσσεια νερού οδηγεί πίσω στην καρβονυλική ένωση. Με τα ίδια αντιδραστήρια, αλλά ισχυρότερες συνθήκες, οι ημιακετάλες μετατρέπονται σε ακετάλες (acetals), (2), Σχήμα Η προσβολή από το δεύτερο μόριο αλκοόλης είναι στην πραγματικότητα μια διαδικασία S N 1 (δείτε την παράγραφο 2.3). Η μετακίνηση της ισορροπίας προς την ακετάλη μπορεί να επιτευχθεί με την απομάκρυνση του νερού [αζεοτροπική απόσταξή του, χρήση μοριακών κοσκίνων ή αφυδραντικών αντιδραστηρίων, όπως οι ορθοφορμικοί εστέρες, ΗC(OR) 3 ]. Οι αλδεΰδες αντιδρούν γενικά πιο γρήγορα. Λόγω της ευκολίας μετατροπής σε ακετάλες (και αντίστροφα στις αρχικές καρβονυλικές ενώσεις), η διαδικασία αυτή χρησιμοποιείται ευρύτατα για την προστασία των αλδεϋδών και των κετονών. Επιπλέον, σύμφωνα με το ίδιο σκεπτικό χρησιμοποιείται και για την προστασία διολών. 14

15 Σχήμα 5.31 Προσθήκη αλκοόλης στον δεσμό C=Ο Προσθήκη θειολών Η προσθήκη θειολών στις αλδεΰδες και τις κετόνες δίνει θειοακετάλες (thioacetals), (Α), Σχήμα Η διαδικασία αυτή μοιάζει πολύ με τη διαδικασία σύνθεσης ακεταλών (καταλύεται επίσης από οξύ), αλλά δεν είναι αντιστρεπτή. Η σύνθεση θειοακεταλών χρησιμοποιείται επίσης ως μέθοδος προστασίας αλδεϋδών και κετονών. Λόγω της μη αντιστρεπτότητας της αντίδρασης, η αποπροστασία γίνεται με υδρόλυση παρουσία αλάτων του Hg 2+. Σχήμα 5.32 Προσθήκη θειολών στον δεσμό C=Ο Επίδραση ΗΟ Η επίδραση αλκαλίων σε αλδεΰδες με α-η οδηγεί σε αλδολική συμπύκνωση (δείτε την παράγραφο 6.2.5). Όταν όμως αυτές δεν έχουν α-η δίνουν την αντίδραση Cannizzaro (Cannizzaro reaction), η οποία είναι στην πράξη μια οξειδοαναγωγή: ένα μόριο αλδεΰδης οξειδώνεται προς καρβοξυλικό οξύ και ένα άλλο ανάγεται προς αλκοόλη, Σχήμα Σχήμα 5.33 Αντίδραση Cannizzaro. Ιδιαίτερη περίπτωση επίδρασης ΗΟ αποτελεί η βενζιλική αναδιάταξη (benzilic rearrangement). Αυτή λαμβάνει χώρα με την επίδραση αλκάλεων σε 1,2-δικετόνες και οδηγεί σε α-υδροξυοξέα, Σχήμα

16 Σχήμα 5.34 Η βενζιλική αναδιάταξη Προσθήκη οργανομεταλλικών ενώσεων Η προσθήκη οργανομαγνησιακών ενώσεων στις αλδεΰδες και τις κετόνες (αντίδραση Grignard, Grignard reaction) δίνει αλκοόλες, Σχήμα Πιο συγκεκριμένα, η φορμαλδεΰδη δίνει πρωτοταγείς αλκοόλες με ανοικοδόμηση κατά ένα άτομο C, οι υπόλοιπες αλδεΰδες δίνουν δευτεροταγείς αλκοόλες και, τέλος, οι κετόνες δίνουν τριτοταγείς αλκοόλες. Ανάλογα με τις αλδεΰδες και τις κετόνες αντιδρά και το διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο δίνει με αυτόν τον τρόπο καρβοξυλικά οξέα. Παρόμοια αντιδρούν και οι οργανολιθιακές ενώσεις. Σχήμα 5.35 Προσθήκη οργανομαγνησιακών ενώσεων στον δεσμό C=Ο Αναγωγή Η αναγωγή των αλδεϋδών και των κετονών δίνει πρωτοταγείς και δευτεροταγείς αλκοόλες. Τα αναγωγικά αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι το NaBH 4, Σχήμα 5.36, και το LiAlH 4, Σχήμα 5.37, ή ανάλογά τους. Και στις δύο περιπτώσεις γίνεται παραδεκτό ότι το αναγωγικό αντιδραστήριο προσφέρει και τα τέσσερα υδρογόνα του με τη μορφή του υδριδίου ιόντος (Η ), αλλά, ενώ η αναγωγή με NaBH 4 γίνεται παρουσία μιας αλκοόλης, το LiAlH 4 (ως πιο δραστικό) απαιτεί ξηρές συνθήκες. Η αναγωγή μπορεί να γίνει και με βοράνιο (διβοράνιο) ή αλκυλο-βοράνια με έναν μηχανισμό παρόμοιο της υδροβορίωσης του δεσμού C=C. Ενδιάμεσα σχηματίζονται βορικοί εστέρες, οι οποίοι υδρολύονται προς τις αντίστοιχες αλκοόλες. Σχήμα 5.36 Αναγωγή του δεσμού C=Ο με ΝaBH 4. 16

17 Σχήμα 5.37 Αναγωγή του δεσμού C=Ο με LiAlH Προσθήκη αζωτούχων αντιδραστηρίων Η προσθήκη αζωτούχων αντιδραστηρίων του γενικού τύπου A-NH 2 οδηγεί σε αντιδράσεις συμπύκνωσης, αφού η αρχική προσθήκη (πυρηνόφιλη προσβολή) από το Ν ακολουθείται από απόσπαση νερού με τη δημιουργία ενός δεσμού C=N. Οι αντιδράσεις αυτές καταλύονται σε ασθενώς όξινο περιβάλλον, λόγω πρωτονίωσης του καρβονυλικού οξυγόνου, σύμφωνα με τη γενική αντίδραση (1), Σχήμα Αλλά, καταλύονται και σε βασικό περιβάλλον, με την υποβοήθηση της απόσπασης του νερού, σύμφωνα με τη γενική αντίδραση (2), Σχήμα Ανάλογα με το αζωτούχο αντιδραστήριο μπορούν να προκύψουν: ιμίνες, συμπεριλαμβανομένων των βάσεων Schiff (οι ιμίνες διακρίνονται σε: αλδιμίνες, αν η καρβονυλική ένωση είναι αλδεΰδη ή κετιμίνες, αν η καρβονυλική ένωση είναι κετόνη), οξίμες, υδραζόνες, κ.τ.λ. Σχήμα 5.38 Προσθήκη αζωτούχων αντιδραστηρίων στον δεσμό C=Ο. Οι δευτεροταγείς αμίνες δίνουν αρχικά ένα ιμινιακό κατιόν (Α) το οποίο, εφόσον έχει στην α-θέση ως προς το καρβονύλιο έναν δέκτη ηλεκτρονίων, οδηγείται στην εναμίνη (Β), Σχήμα

18 Σχήμα 5.39 Σύνθεση εναμίνης. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η αντίδραση προσθήκης αμμωνίας ή μιας αμίνης με παράλληλη εφαρμογή αναγωγικών συνθηκών (συνήθως NaCNBH 3 ή καταλυτική υδρογόνωση). Η μετατροπή αυτή καλείται αντίδραση αναγωγικής αμίνωσης (reductive amination reaction) και δίνει, ανάλογα και με τη χρησιμοποιούμενη καρβονυλική ένωση, πρωτοταγείς, δευτεροταγείς και τριτοταγείς αμίνες, Σχήμα Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται αρχικά η αμμωνία ή μια πρωτοταγής αμίνη γίνεται αποδεκτό ότι μεσολαβεί η ιμίνη A. Σχήμα 5.40 Αντίδραση αναγωγικής αμίνωσης Προσθήκη κυανιούχων Η προσθήκη HCN στις αλδεΰδες και τις κετόνες δίνει σύμφωνα με το γενικό σχήμα κυανυδρίνες, Σχήμα Σχήμα 5.41 Προσθήκη HCN στον δεσμό C=Ο. Η αντίδραση προσθήκης κυανιούχων παίρνει άλλη τροπή σε ορισμένες αλδεΰδες (κυρίως αρωματικές). Στην περίπτωση αυτή το κυανιούχο ανιόν καταλύει τη σύνδεση δύο μορίων της πρώτης ύλης (δημιουργία δεσμού C-C), μέσω πυρηνόφιλης προσβολής στον δεσμό C=O. Οι ενώσεις που προκύπτουν (αυδροξυκετόνες) καλούνται βενζοΐνες και η διαδικασία συμπύκνωση βενζοΐνης (benzoin condensation), Σχήμα

19 Σχήμα 5.42 Συμπύκνωση βενζοΐνης Ολεφινοποίηση Η προσθήκη υλιδίων του P (Α) στις αλδεΰδες και τις κετόνες οδηγεί στα αντίστοιχα αλκένια, Σχήμα Τα υλίδια αυτά είναι ασταθή και δημιουργούνται in situ, εκτός από τις περιπτώσεις που το R είναι δέκτης ηλεκτρονίων, οπότε είναι απομονώσιμα και σε θερμοκρασία δωματίου. Γίνεται παραδεκτό ότι ενδιάμεσα σχηματίζεται ένα οξαφωσφετάνιο (Β), το οποίο διασπάται για να δώσει το επιθυμητό αλκένιο και φωσφινοξείδιο. Με τα σταθεροποιημένα υλίδια το αλκένιο που σχηματίζεται έχει συνήθως Ε-στερεοχημεία, αλλά, ανάλογα τις συνθήκες, μπορεί το κύριο προϊόν να είναι το Ζ. Αντίθετα, τα μη σταθεροποιημένα υλίδια δίνουν συνήθως ως κύριο προϊόν το Ζ. Η ολεφινοποίηση αυτή καλείται αντίδραση Wittig (Wittig reaction). Σχήμα 5.43 Ολεφινοποίηση Wittig. Η ολεφινοποίηση μπορεί να επιτευχθεί με παρόμοιο τρόπο και με υλίδια που προκύπτουν από φωσφονικούς εστέρες, Σχήμα Η αντίδραση αυτή καλείται αντίδραση Wittig-Horner (Wittig-Horner reaction) ή Horner-Wadsworth-Emmons. Πλεονεκτεί έναντι της κλασικής ολεφινοποίησης Wittig, αφού τα υλίδια αυτά είναι πιο δραστικά και το παραπροϊόν της αντίδρασης είναι υδατοδιαλυτό και απομακρύνεται ευκολότερα από το μίγμα της αντίδρασης. Επιπλέον, η αντίδραση αυτή δίνει σχεδόν αποκλειστικά τα Ε- αλκένια. 19

20 Σχήμα 5.44 Ολεφινοποίηση Wittig-Horner. Εναλλακτικά, η ολεφινοποίηση επιτυγχάνεται σε αλδεΰδες ή κετόνες με την επίδραση των λιθιακών (ή οργανομαγνησιακών) παραγώγων τριαλκυλοσιλανίων. Η μετατροπή αυτή καλείται αντίδραση ολεφινοποίησης Peterson (Peterson olefination reaction) ή αλλιώς αντίδραση σιλυλο-wittig (silyl-wittig reaction) και το R μπορεί να είναι μεταξύ άλλων και COOR ή SO 2 R), Σχήμα Η ολεφινοποίηση αρωματικών αλδεϋδών με ανυδρίτες καλείται αντίδραση Perkin (Perkin reaction), δείτε την παράγραφο 6.5. Σχήμα 5.45 Ολεφινοποίηση Peterson. Διευκρινίζεται ότι, όταν το ανιόν σταθεροποιείται από ένα καρβονύλιο, οι παραπάνω αντιδράσεις (Wittig, Wittig-Horner, Peterson) εμπίπτουν στην κατηγορία αντιδράσεων των ενολικών ανιόντων (Κεφάλαιο 6). Παρατίθενται όμως εδώ, μαζί με τις μη σταθεροποιημένες εκδοχές τους, για λόγους συνέχειας. 20

21 Ειδικότερα η μεθυλενίωση μπορεί να γίνει και με το σύμπλοκο του τιτανίου Α (αντιδραστήριο Tebbe, Tebbe reagent). Αυτό δίνει με την καταλυτική επίδραση βάσης το μεταλλο-καρβενοειδές Β, το οποίο προστίθεται σε δεσμούς C=O, ακόμη και στην περίπτωση των εστέρων και των αμιδίων (αντίδραση ολεφινοποίησης Tebbe, Tebbe olefination reaction), Σχήμα Με παρόμοιο τρόπο αντιδρά και το αντιδραστήριο Petasis (Petasis reagent, Me 2 TiCp 2 ). Σχήμα 5.46 Αντίδραση ολεφινοποίησης Tebbe. Κατά μία θεώρηση οι αντιδράσεις ολεφινοποίησης με υλίδια του P ή με αντιδραστήρια τύπου Tebbe αποτελούν διαδικασίες [2+2] κυκλοπροσθήκης (παράγραφος 9.3.1) Προσβολή από ενόλες και ενολικά ανιόντα Μεγάλος αριθμός αντιδράσεων που σχετίζονται με την προσθήκη στον δεσμό C=O αφορούν σε αντιδράσεις ενολών και ενολικών ανιόντων. Αυτές μελετώνται στο Κεφάλαιο Η σύνθεση ενολαιθέρων από 1,3-δικετόνες Οι ενολαιθέρες των 1,3-δικετονών (C) προκύπτουν από τις μητρικές δικετόνες και αλκοόλες με όξινη κατάλυση, Σχήμα Η αντίδραση χωρεί μέσω της ενόλης Α και του πολύ σταθεροποιημένου καρβοκατιόντος Β, το οποίο προσβάλλεται από το πυρηνόφιλο (αλκοόλη). Στην αντίστοιχη αντίδραση με απλές κετόνες ο ενολαιθέρας δεν είναι εύκολα απομονώσιμος, αφού υδρολύεται άμεσα σε όξινο περιβάλον. Σχήμα 5.47 Σύνθεση ενολαιθέρα. 21

22 Σύνοψη των αντιδράσεων προσθήκης σε δεσμούς C=Ο Στον Πίνακα 5.2 δίνεται μια περίληψη των αντιδράσεων προσθήκης σε δεσμούς C=Ο. Πίνακας 5.2 Σύνοψη των αντιδράσεων προσθήκης σε δεσμούς C=Ο Αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στα παράγωγα των καρβοξυλικών οξέων Η δραστικότητα του καρβονυλίου δεν είναι ίδια σε όλες τις καρβονυλικές ενώσεις. Έτσι, ανάλογα με το είδος των υποκαταστατών του, το καρβονύλιο μπορεί να είναι περισσότερο ή λιγότερο επιδεκτικό στις πυρηνόφιλες προσβολές. Οι υποκαταστάτες επηρεάζουν τη δραστικότητα του καρβονυλίου μέσω των ηλεκτρονικών φαινομένων τους (οι δότες ηλεκτρονίων ελαττώνουν τη δραστικότητα, αφού λόγω της συζυγίας μειώνεται η επιθυμητή πολικότητα του καρβονυλίου, Σχήμα 5.48) και μέσω του όγκου τους (στερεοχημική παρεμπόδιση). Σχήμα 5.48 Μια εξήγηση της παρεμπόδισης πυρηνόφιλης προσβολής σε έναν δεσμό C=Ο. Η γενικευμένη σειρά ηλεκτροφιλικότητας του C του δεσμού C=O για τις διάφορες τάξεις καρβονυλικών ενώσεων δίνεται στην Εικόνα 5.2. Σημειώνεται ότι για συγκεκριμένους υποκαταστάτες η σειρά αυτή μπορεί να διαφέρει ελαφρώς. Εικόνα 5.2 Η σειρά δραστικότητας σε πυρηνόφιλη προσβολή διαφόρων τάξεων καρβονυλικών ενώσεων. Ειδικότερα στα παράγωγα των καρβοξυλικών οξέων η πυρηνόφιλη προσβολή (κατά την οποία σχηματίζεται το τετραεδρικό ενδιάμεσο Α) ακολουθείται από ένα στάδιο απόσπασης (πυρηνόφιλη ακυλο- 22

23 υποκατάσταση, nucleophilic acyl-substitution). Σύμφωνα με την παραπάνω κατηγοριοποίηση (Εικόνα 5.2), οι περισσότερο δραστικές τάξεις ενώσεων μπορούν να αντιδράσουν με αυτήν τη διαδικασία για να δώσουν μιαν άλλη λιγότερο δραστική τάξη ενώσεων (π.χ. τα αμίδια υδρολύονται προς καρβοξυλικά οξέα), Σχήμα Σχήμα 5.49 Απλοποιημένο σχήμα αλληλομετατροπής παραγώγων των καρβοξυλικών οξέων. Στην πραγματικότητα ο μηχανισμός της πυρηνόφιλης προσβολής δεν είναι πάντα ο ίδιος και εξαρτάται σημαντικά από τις συνθήκες της αντίδρασης και τα συμμετέχοντα αντιδραστήρια. Για τον μηχανισμό πυρηνόφιλης ακυλο-υποκατάστασης δείτε το Video 5.2. Video 5.2 Ο μηχανισμός πυρηνόφιλης ακυλο-υποκατάστασης Υδρόλυση των παραγώγων των καρβοξυλικών οξέων Γενικότερα, η υδρόλυση των παραγώγων των καρβοξυλικών οξέων μπορεί να γίνει είτε με όξινη, (1), είτε με βασική κατάλυση, (2), Σχήμα Στην πρώτη περίπτωση γίνεται αρχικά πρωτονίωση του Ο του καρβονυλίου και στη συνέχεια το νερό προσβάλλει τον ηλεκτρονιόφιλο άνθρακα. Στη δεύτερη περίπτωση γίνεται προσβολή του καρβονυλίου από το ΗΟ και σχηματίζεται ένα τετραεδρικό ενδιάμεσο (Α), από το οποίο αποσπάται η αποχωρούσα ομάδα. Σχήμα 5.50 Οι μηχανισμοί υδρόλυσης των παραγώγων καρβοξυλικών οξέων. Το παραπάνω σχήμα αποτελεί μιαν απλοποιημένη μόνο περιγραφή των μηχανισμών υδρόλυσης. Μια ενδελεχής μελέτη της υδρόλυσης των εστέρων υποδεικνύει πως θεωρητικά μπορεί να υπάρχουν τρεις παράγοντες διαφοροποίησης του μηχανισμού αυτού: το είδος της κατάλυσης [όξινη (Α) ή βασική (Β)], το είδος του δεσμού που διασπάται [διάσπαση ακυλίου (ΑC) ή αλκυλίου (ΑL), Εικόνα 5.3] και η τάξη της αντίδρασης [μονομοριακός ( 1 ) ή διμοριακός μηχανισμός ( 2 )]. Δηλαδή υπάρχουν θεωρητικά 8 πιθανοί μηχανισμοί. Όμως, πρακτικά μερικοί είναι σπάνιοι, ενώ άλλοι δεν έχουν παρατηρηθεί καθόλου. Η εξακρίβωση του μηχανισμού γίνεται με τη χρήση επισημασμένου νερού, (1), ή με την επίδραση μιας άλλης 23

24 αλκοόλης, (2), οπότε, ανάλογα με τον τρόπο διάσπασης, θα σχηματιστούν διαφορετικά προϊόντα, Σχήμα Στην περίπτωση που ο μηχανισμός είναι τύπου Α AC η μετατροπή καλείται αντίδραση μετεστεροποίησης (transesterification reaction) σε όξινο περιβάλλον. Εικόνα 5.3 Διάκριση σχάσης ακυλίου (AC) και αλκυλίου (AL) στους εστέρες. Σχήμα 5.51 Τρόποι εξακρίβωσης του είδους διάσπασης σε έναν μηχανισμό όξινης υδρόλυσης εστέρων. Η υδρόλυση των εστέρων σε όξινο περιβάλλον είναι μια αντιστρεπτή διαδικασία (η αντίδραση σύνθεσης των εστέρων σε όξινο περιβάλλον από ένα καρβοξυλικό οξύ και μιαν αλκοόλη καλείται εστεροποίηση Fischer, Fischer esterification). Η ισορροπία της αντίδρασης καθορίζεται από το ποιο από τα αντιδρώντα βρίσκεται σε περίσσεια (συνήθως το νερό σε μιαν υδρόλυση και η αλκοόλη σε μιαν εστεροποίηση) ή από την απομάκρυνση ενός εκ των προϊόντων (π.χ. το νερό σε μιαν εστεροποίηση). Ο πιο συχνά παρατηρούμενος μηχανισμός σε μιαν υδρόλυση εστέρα σε όξινο περιβάλλον είναι ο Α AC 2, Σχήμα Σχήμα 5.52 Υδρόλυση εστέρα σύμφωνα με τον μηχανισμό Α ΑC 2. Δύο άλλοι συχνά παρατηρούμενοι μηχανισμοί για την υδρόλυση των εστέρων σε όξινο περιβάλλον είναι ο Α AC 1 και ο Α AL 1. Ο μηχανισμός Α AC 1 ευνοείται όταν το ενδιάμεσο ακυλο-κατιόν (RCO + ) 24

25 σταθεροποιείται, Σχήμα 5.53, ενώ ο μηχανισμός Α AL 1 ευνοείται όταν το ενδιάμεσο αλκυλο-κατιόν (R + ) σταθεροποιείται, Σχήμα Σχήμα 5.53 Υδρόλυση εστέρα σύμφωνα με τον μηχανισμό Α ΑC 1. Σχήμα 5.54 Υδρόλυση εστέρα σύμφωνα με τον μηχανισμό Α ΑL 1. Σε αντίθεση με την υδρόλυση των εστέρων σε όξινο περιβάλλον, η υδρόλυση σε βασικό περιβάλλον δεν είναι αντιστρεπτή διαδικασία και είναι συνθετικά περισσότερο χρήσιμη. Ο πιο συχνά παρατηρούμενος μηχανισμός στην περίπτωση αυτή είναι ο B ΑC 2, Σχήμα Η υδρόλυση εστέρων με καυστικά αλκάλια καλείται αντίδραση σαπωνοποίησης (saponification reaction). Σχήμα 5.55 Υδρόλυση εστέρα σύμφωνα με τον μηχανισμό Β ΑC 2. Η βασική υδρόλυση εστέρων με τριτοταγές αλκύλιο (R ) γίνειται συνήθως με τον μηχανισμό Β AL 1, Σχήμα Σχήμα 5.56 Υδρόλυση εστέρα σύμφωνα με τον μηχανισμό Β ΑL 1. Η υδρόλυση των αμιδίων γίνεται τόσο σε όξινο, (1), όσο και σε βασικο περιβάλλον, (2), με μηχανισμούς που προσομοιάζουν με τους Α AC 2 και Β ΑC 2, αντίστοιχα, Σχήμα Η υδρόλυση των αμιδίων σε όξινο περιβάλλον δεν είναι αντιστρεπτή διαδικασία, αφού προκύπτει το άλας της αμίνης που δεν είναι πυρηνόφιλο. 25

26 Σχήμα 5.57 Υδρόλυση αμιδίων. Τα ακυλαλογονίδια είναι τόσο δραστικά ώστε η υδρόλυσή τους να γίνεται ακόμη και με την επίδραση νερού χωρίς την παρουσία οξέος ή βάσης. Ο κύριος μηχανισμός υδρόλυσής τους προσομοιάζει με το Β ΑC 2, Σχήμα Σχήμα 5.58 Υδρόλυση ακυλαλογονιδίων. Η υδρόλυση των ανυδριτών γίνεται όπως και των ακυλαλογονιδίων, Σχήμα Σχήμα 5.59 Υδρόλυση ανυδριτών. Τέλος, τα νιτρίλια υδρολύονται κυρίως σε όξινο περιβάλλον και δίνουν αρχικά τα αντίστοιχα αμίδια, τα οποία υδρολύονται προς καρβοξυλικά οξέα, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, Σχήμα Σχήμα 5.60 Υδρόλυση νιτριλίων. 26

27 Άλλες αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στα ακυλαλογονίδια Εκτός από το νερό, τα ακυλαλογονίδια αντιδρούν με αλκοόλες και αμίνες για να δώσουν εστέρες και αμίδια, αντίστοιχα, Σχήμα Οι αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής από αρωματικό σύστημα (ηλεκτρονιόφιλη αρωματική υποκατάσταση) μελετώνται στο Κεφάλαιο 7. Σχήμα 5.61 Άλλες αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στα ακυλαλογονίδια. Για την αντίδραση ακυλίωσης μιας αλκοόλης με ακυλαλογονίδια (σύνθεση εστέρα) γίνονται δεκτοί δύο μηχανισμοί. Ο πρώτος, (1), είναι ο κλασικός μηχανισμός προσθήκης-απόσπασης, ενώ ο δεύτερος, που χωρεί μόνο αν υπάρχουν α-η ως προς το καρβονύλιο, (2), είναι ένας μηχανισμός απόσπασης-προσθήκης και περιλαμβάνει τον σχηματισμό μιας κετένης (Α), Σχήμα Σχήμα 5.62 Μηχανισμοί ακυλίωσης αλκοολών με ακυλαλογονίδια. Συχνά σε αυτές τις αντιδράσεις χρησιμοποιείται ένας καταλύτης, όπως το DMAP (4- διμεθυλαμινοπυριδίνη). Το DMAP είναι καλύτερο πυρηνόφιλο από το RΌ και αυξάνει σημαντικά την ταχύτητα του πρώτου σταδίου (προσθήκη), το οποίο αλλιώς είναι πολύ πιο αργό από το στάδιο της απόσπασης, Σχήμα Σχήμα 5.63 Μηχανισμός κατάλυσης από το DMAP. 27

28 Άλλες αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στους ανυδρίτες Οι ανυδρίτες αντιδρούν όπως και τα ακυλαλογονίδια (παράγραφος ), Σχήμα Οι αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής από αρωματικό σύστημα (ηλεκτρονιόφιλη αρωματική υποκατάσταση), μελετώνται στο Κεφάλαιο 7. Σχήμα 5.64 Άλλες αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στους ανυδρίτες Άλλες αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στους εστέρες Εκτός από το νερό, οι εστέρες αντιδρούν με αμίνες (και την αμμωνία) για να δώσουν αμίδια (αμινόλυση), Σχήμα 5.65, με μηχανισμούς ανάλογους αυτών που αναφέρθηκαν παραπάνω. Σχήμα 5.65 Αντίδραση εστέρων με αμίνες. Οι εστέρες ανάγονται με αντιδραστήρια που προσφέρουν H, όπως το LiAlH 4, για να δώσουν πρωτοταγείς αλκοόλες, Σχήμα 5.66, ενώ η αναγωγή με NaBH 4 είναι πολύ αργή. Ο μηχανισμός περιλαμβάνει αρχικά τον σχηματισμό της αντίστοιχης αλδεΰδης, η οποία ανάγεται περαιτέρω κατά τα γνωστά (δείτε την παράγραφο ). Σημειώνεται πως η αναγωγή δεν μπορεί εύκολα να σταματήσει στο στάδιο της αλδεΰδης γιατί αυτή ανάγεται ευκολότερα του αρχικού εστέρα. Σχήμα 5.66 Αναγωγή εστέρων με LiAlH 4. Οι εστέρες αντιδρούν επίσης με οργανομαγνησιακές ενώσεις για να δώσουν τριτοταγείς αλκοόλες (στην περίπτωση των φορμικών εστέρων προκύπτουν δευτεροταγείς αλκοόλες), Σχήμα Ο μηχανισμός περιλαμβάνει αρχικά τον σχηματισμό της αντίστοιχης αλδεΰδης ή κετόνης, η οποία προσβάλλεται περαιτέρω από την οργανομαγνησιακή ένωση κατά τα γνωστά (δείτε την παράγραφο ). Σημειώνεται πως η επίδραση της οργανομαγνησιακής δεν μπορεί εύκολα να σταματήσει στο στάδιο της αλδεΰδης ή της κετόνης, γι αυτό και σπάνια εφαρμόζεται γι αυτόν τον σκοπό. 28

29 Σχήμα 5.67 Αντίδραση εστέρων με οργανομαγνησιακά αντιδραστήρια. Τέλος, οι εστέρες αντιδρούν και με αλκοόλες, είτε σε όξινο περιβάλλον (μετεστεροποίηση σε όξινο περιβάλλον, δείτε την παράγραφο ) είτε με βασική κατάλυση παρουσία περίσσειας αλκοόλης (μετεστεροποίηση σε βασικό περιβάλλον), Σχήμα Σχήμα 5.68 Μετεστεροποίηση σε βασικό περιβάλλον Άλλες αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στα αμίδια Τα αμίδια, όπως και οι εστέρες (παράγραφος ), ανάγονται με αντιδραστήρια που προσφέρουν H, όπως το LiAlH 4, για να δώσουν αμίνες, Σχήμα Η αντίδραση αυτή είναι πιο αργή από την αντίστοιχη της αναγωγής των εστέρων και γι αυτό απαιτούνται δραστικότερες συνθήκες. Σχήμα 5.69 Αναγωγή αμιδίων με LiAlH 4. Τα αμίδια αντιδρούν και με οργανομαγνησιακές ενώσεις για να δώσουν το τετραεδρικό ενδιάμεσο Α, το οποίο είναι σχετικά σταθερό σε χαμηλές θερμοκρασίες, ειδικότερα στην περίπτωση που ο ένας υποκαταστάτης του Ν είναι αλκοξυ-ομάδα (αμίδια Weinreb). Προσθήκη νερού οδηγεί στον σχηματισμό μιας αλδεΰδης ή μιας κετόνης, Σχήμα Η ίδια αντίδραση χωρεί και με οργανολιθιακές ενώσεις. 29

30 Σχήμα 5.70 Επίδραση οργανομαγνησιακών ενώσεων στα αμίδια Άλλες αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσβολής στα νιτρίλια Τα νιτρίλια ανάγονται με αντιδραστήρια που προσφέρουν H, όπως το LiAlH 4, αλλά και με καταλυτική υδρογόνωση για να δώσουν πρωτοταγείς αμίνες, Σχήμα Ακόμη, αντιδρούν με οργανομαγνησιακές ενώσεις για να δώσουν κετόνες, Σχήμα Η αντίδραση αυτή οδηγεί αποκλειστικά σε κετόνες, αφού οι τελευταίες σχηματίζονται μόνο μετά την υδατική κατεργασία του μίγματος της αντίδρασης (το ενδιάμεσο Α δεν είναι ηλεκτρονιόφιλο). Σχήμα 5.71 Αναγωγή νιτριλίων. Σχήμα 5.72 Αντίδραση νιτριλίων με οργανομαγνησιακές ενώσεις. Με αλκοόλυση τα νιτρίλια δίνουν εστέρες, με μηχανισμό παρόμοιο με αυτόν με τον οποίο υδρολύονται. 5.5 Προσθήκες σε δεσμούς C=Ν Οι προσθήκες σε δεσμούς C=N ακολουθούν σε γενικές γραμμές τους ίδιους μηχανισμούς που ακολουθούν οι προσθήκες σε δεσμούς C=O (παράγραφος 5.4.1). Παρακάτω περιγράφονται μερικές τέτοιες αντιδράσεις. Σημειώνεται ότι στην περίπτωση των ισοκυανικών εστέρων οι διάφορες αντιδράσεις προσθήκης χωρούν στον δεσμό C=N μόνο φαινομενικά, ενώ στην πραγματικότητα η προσθήκη γίνεται στον δεσμό C=O Υδρόλυση παραγώγων με δεσμό C=N 30

31 H υδρόλυση των παραγώγων του τύπου C=N-Α δίνει τις αντίστοιχες καρβονυλικές ενώσεις (αλδεΰδες και κετόνες), είναι δηλαδή μια αντίστροφη διαδικασία της σύνθεσης των ενώσεων αυτών (παράγραφος ), Σχήμα Πρακτικά πολύ εύκολα υδρολύονται οι ιμίνες (συμπεριλαμβανομένων και των βάσεων Schiff, εκτός των αρωματικών), ενώ οι οξίμες και οι υδραζόνες απαιτούν πιο δραστικές συνθήκες. Σχήμα 5.73 Υδρόλυση παραγώγων του τύπου C=N-A. Η υδρόλυση των ισοκυανικών εστέρων παράγει αρχικά ένα Ν-υποκατεστημένο καρβαμικό οξύ (Α), το οποίο άμεσα χάνει διοξείδιο του άνθρακα για να δώσει την αντίστοιχη αμίνη, Σχήμα Με τον ίδιο τρόπο χωρεί και η προσθήκη αλκοολών, αλλά η αντίδραση σταματά στο στάδιο της ουρεθάνης (Β). Σχήμα 5.74 Υδρόλυση και αλκοόλυση ισοκυανικών εστέρων Αμμωνιόλυση παραγώγων με δεσμό C=N H προσθήκη αμμωνίας ή αμινών σε ισοκυανικούς εστέρες δίνει υποκατεστημένες ουρίες, Σχήμα Σχήμα 5.75 Αμμωνιόλυση ισοκυανικών εστέρων Αναγωγή παραγώγων με δεσμό C=N H αναγωγή των ιμινών και των οξιμών (με αντιδραστήρια όπως το NaBH 4, το LiAlH 4, το NaCNBH 3 και καταλυτική υδρογόνωση με Pd ή Ra-Ni) δίνει αμίνες (δείτε και την αντίδραση αναγωγικής αμίνωσης, παράγραφος ). Ειδικότερα οι οξίμες ανάγονται και με βοράνια, προς υδροξυλαμίνες Επίδραση οργανομεταλλικών αντιδραστηρίων σε παράγωγα με δεσμό C=N Η αλδιμίνες δίνουν με οργανομαγνησιακές ενώσεις τις αναμενόμενες δευτεροταγείς αμίνες, Σχήμα 5.76, ενώ οι κετιμίνες ανάγονται. Αντίθετα, η επίδραση οργανολιθιακών ενώσεων και στις δύο κατηγορίες οδηγεί σε δευτεροταγείς αμίνες. 31

32 Σχήμα 5.76 Επίδραση οργανομαγνησιακών σε αλδιμίνες. Οι ισοκυανικοί εστέρες δίνουν με οργανομαγνησιακές ενώσεις αμίδια, Σχήμα Σχήμα 5.77 Επίδραση οργανομαγνησιακών σε ισοκυανικούς εστέρες. 5.6 Προσθήκες στα ισονιτρίλια Στα ισονιτρίλια τόσο η ηλεκτρονιόφιλη ομάδα όσο και η πυρηνόφιλη προστίθενται στο ίδιο άτομο, Σχήμα Στην πράξη η αντίστροφη διαδικασία, δηλαδή η αφυδάτωση των φορμαμιδίων, χρησιμοποιείται για την παρασκευή ισονιτριλίων. Σχήμα 5.78 Γενικό σχήμα αντίδρασης προσθήκης σε ισονιτρίλιο Ενυδάτωση ισονιτριλίων H ενυδάτωση των ισονιτριλίων γίνεται σύμφωνα με το γενικό σχήμα οδηγώντας σε φορμαμίδια. Σε αρκετές περιπτώσεις αυτά διασπώνται προς αμίνες, Σχήμα Με παρόμοιο τρόπο αντιδρούν και άλλα πυρηνόφιλα, όπως οι αλκοόλες, οι θειόλες και οι αμίνες. Σχήμα 5.79 Ενυδάτωση ισονιτριλίων Η αντίδραση Passerini 32

33 Η αντίδραση Passerini (Passerini reaction) είναι μια αντίδραση τριών συστατικών στην οποία συμμετέχουν ένα ισονιτρίλιο, μια καρβονυλική ένωση (αλδεΰδη ή κετόνη) και ένα καρβοξυλικό οξύ, Σχήμα Η μετατροπή αυτή περιλαμβάνει ένα στάδιο στο οποίο γίνεται ακυλο-αναδιάταξη. Σχήμα 5.80 Αντίδραση Passerini Η αντίδραση Ugi Προέκταση της αντίδρασης Passerini είναι η αντίδραση Ugi (Ugi reaction), μια αντίδραση τεσσάρων συστατικών στην οποία συμμετέχουν ένα ισονιτρίλιο, μια καρβονυλική ένωση (αλδεΰδη ή κετόνη), ένα καρβοξυλικό οξύ και μια αμίνη, Σχήμα Το πρώτο στάδιο είναι ο σχηματισμός μιας ιμίνης (Α) (δείτε την παράγραφο ), ενώ στο τελευταίο στάδιο γίνεται ακυλο-αναδιάταξη. Σχήμα 5.81 Αντίδραση Ugi. 33

34 Βιβλιογραφία/Αναφορές [1] Ν. Ε. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία: Δομή-Φάσματα-Μηχανισμοί, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Ζήτη, 1985, Τεύχος Α. [2] A. Βάρβογλης, Χημεία Οργανικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Παρατηρητής, [3] R. B. Grossman, The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Springer, [4] W.C. Groutas, Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Wiley, [5] M. G. Moloney, Reaction Mechanisms at a Glance, Oxford, UK: Blackwell Science, [6] Μ. Στρατάκης, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Α. [7] Δ. Παπαϊωάννου, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Β. [8] Μ. Β. Smith, J. March, Advanced Organic Chemistry, 5 th Ed., John Wiley & Sons, Inc., [9] J. McMurry, Οργανική Χημεία, (Μετάφραση Α. Βάρβογλης, Μ. Ορφανόπουλος, Ι. Σμόνου, Μ. Στρατάκης), Ηράκλειο, Ελλάς: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, [10] P. Vollhardt, N. Schore, Οργανική Χημεία: Δομή και Λειτουργικότητα (Μετάφραση: Ε. Μαλαμίδου, Ν. Ρόδιος, Σ. Σπυρούδης), Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Αφοί Κυριακίδη, 2012, Τόμοι Α και Β. [11] Θ. Μαυρομούστακος, Θ. Τσέλιος, Κ. Παπακωνσταντίνου, Θεμελιώδεις Αρχές Οργανικής Χημείας, Αθήνα, Ελλάς, Εκδόσεις Συμμετρία, Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης 1 Κριτήριο αξιολόγησης 2 Κριτήριο αξιολόγησης 3 Κριτήριο αξιολόγησης 4 Κριτήριο αξιολόγησης 5 Κριτήριο αξιολόγησης 6 Κριτήριο αξιολόγησης 7 Κριτήριο αξιολόγησης 8 Κριτήριο αξιολόγησης 9 Κριτήριο αξιολόγησης 10 34