aldehydes(and(ketones( - los angeles mission college · pdf file•...

66
Aldehydes and Ketones Nucleophilic Addi3on Reac3ons 1

Upload: nguyendan

Post on 06-Mar-2018

218 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Aldehydes  and  Ketones  

Nucleophilic  Addi3on  Reac3ons  

1  

•  Aldehydes  (RCHO)  and  ketones  (R2CO)  are  characterized  by  the  carbonyl  func3onal  group  (C=O)  

•  The  compounds  occur  widely  in  nature  as  intermediates  in  metabolism  and  biosynthesis  

Aldehydes  and  Ketones  

2  

3  

Aldehydes  and  Ketones  

4  

Nomenclature  of  Aldehydes  

5  

Naming  the  Aldehyde  as  a  Subs3tuent  

6  

•  Replace  the  terminal  -­‐e  of  the  alkane  name  with  –one  •  Parent  chain  is  the  longest  one  that  contains  the  ketone  group  

– Numbering  begins  at  the  end  nearer  the  carbonyl  carbon  

Naming  Ketones  

7  

•  IUPAC  retains  well-­‐used  but  unsystema3c  names  for  a  few  ketones  

Ketones  with  Common  Names  

8  

Nomenclature  of  Ketones  

9  

•  The  R–C=O  as  a  subs3tuent  is  an  acyl  group,  used  with  the  suffix  -­‐yl  from  the  root  of  the  carboxylic  acid  –  CH3CO:  acetyl;  CHO:  formyl;  C6H5CO:  benzoyl  

•  The  prefix  oxo-­‐  is  used  if  other  func3onal  groups  are  present  and  the  doubly  bonded  oxygen  is  labeled  as  a  subs3tuent  on  a  parent  chain  

Ketones  and  Aldehydes  as  Subs3tuents  

10  

Reac3vity  of  Aldehydes  and  Ketones  

Electronic  Reasoning:  •  An aldehyde has a greater partial positive

charge on its carbonyl carbon than does a ketone.

•  Because a hydrogen is more electron withdrawing than an alkyl group.

11  

Aldehydes  are  More  Reac3ve  than  Ketone  

•  Ketones  have  greater  steric  crowding  in  their  transi3on  states,  so  they  have  less  stable  transi3on  states  than  do  aldehydes.  

•  The  carbonyl  carbon  of  an  aldehyde  is  more  accessible  to  the  nucleophile.  

Reac3vity  of  Carbonyl  Groups  

12  

Preparing  Aldehydes  and  Ketones  

•  From  Alkenes  (Ozonolysis)  •  From  Alkynes         Aldehyde  from  terminal  alkyne  via  Hydrobra3on  

      Ketone  from  symmetrical  alkyne  via  Hydrobora3on  and  Mercury2+    

      catalyzed  hydra3on  

•  From  Alcohols  (Aldehyde  and  Ketone  •  From  Arene  (ketones  from  Friedel-­‐Craas  acyla3on)  

•  From  Carbonyl  Chemistry  

13  

From  Various  Carbonyls  

R H

O

R R'

OHH

R R'

O

1) R'Li

2) H2O

O

14  

•  CrO3    in  aqueous  acid  oxidizes  aldehydes  to  carboxylic  acids  efficiently  

•  Silver  oxide,  Ag2O,  in  aqueous  ammonia  (Tollens’  reagent)  oxidizes  aldehydes  

Oxida3on  of  Aldehydes  and  Ketones  

15  

•  Undergo  slow  cleavage  with  hot,  alkaline  KMnO4  •  C–C  bond  next  to  C=O  is  broken  to  give  carboxylic  acids  •  Reac3on  is  prac3cal  for  cleaving  symmetrical  ketones  

Ketones  Oxidize  with  Difficulty  

16  

Oxida3on  of  Aldehydes  and  Ketones  

17  

The  Baeyer–Villiger  Oxida3on  

18  

•  Nucleophiles  can  be  nega3vely  charged  (  :Nu-­‐)  or  neutral  (  :Nu)  at  the  reac3on  site  

•  Hydride,  hydroxide,  organolithium,  organomagnesium,  acetylide,  cyanide  

Nucleophilic  Addi3on  Reac3ons    of  Aldehydes  and  Ketones  

Nucleophiles  

19  

•  Aldehydes  are  generally  more  reac3ve  than  ketones  in  nucleophilic  addi3on  reac3ons  

•  The  transi3on  state  for  addi3on  is  less  crowded  and  lower  in  energy  for  an  aldehyde  (a)  than  for  a  ketone  (b)    

•  Aldehydes  have  one  large  subs3tuent  bonded  to  the  C=O:  ketones  have  two  

Rela3ve  Reac3vity  of  Aldehydes  and  Ketones  

20  

•  Aldehyde  C=O  is  more  polarized  than  ketone  C=O  •  As  in  carboca3ons,  more  alkyl  groups  stabilize  +  character  •  Ketone  has  more  alkyl  groups,  stabilizing  the  C=O  carbon  

induc3vely  

Electrophilicity  of  Aldehydes  and  Ketones  

21  

•  Less  reac3ve  in  nucleophilic  addi3on  reac3ons  than  alipha3c  aldehydes  

•  Electron-­‐dona3ng  resonance  effect  of  aroma3c  ring  makes  C=O  less  reac3ve  electrophile  than  the  carbonyl  group  of  an  alipha3c  aldehyde  

Reac3vity  of  Aroma3c  Aldehydes  

22  

•  Convert  C=O  to  CH-­‐OH  •  LiAlH4  and  NaBH4  react  as  donors  of  hydride  ion  •  Protona3on  aaer  addi3on  yields  the  alcohol  

Hydride  Addi3on  

23  

Cataly3c  Hydrogena3on  Reduces    Carbon—Oxygen  Double  Bonds  

24  

•  Treatment  of  aldehydes  or  ketones  with  Grignard  reagents  yields  an  alcohol  –   Nucleophilic  addi3on  of  the  equivalent  of    a  carbon  anion,  or  

carbanion.  A  carbon–magnesium  bond  is  strongly  polarized,  so  a  Grignard  reagent  reacts  for  all  prac3cal  purposes  as  R:  -­‐  MgX+.  

 Nucleophilic  Addi3on  of  Grignard  Reagents  and  Organolithium  Reagents:  Alcohol  Forma3on  

25  

•  Aldehydes  and  unhindered  ketones  react  with  HCN  to  yield  cyanohydrins,  RCH(OH)C≡N  

•  Addi3on  of  HCN  is  reversible  and  base-­‐catalyzed,  genera3ng  nucleophilic  cyanide  ion,  CN-­‐  

•  Addi3on  of  CN-­‐  to  C=O  yields  a  tetrahedral  intermediate,  which  is  then  protonated  

•  Equilibrium  favors  adduct  

Nucleophilic  Addi3on  of  HCN:  Cyanohydrin  Forma3on  

26  

•  The  nitrile  group  (⎯C≡N)  can  be  reduced  with  LiAlH4  to  yield  a  primary  amine  (RCH2NH2)  

•  Can  be  hydrolyzed  by  hot  acid  to  yield  a  carboxylic  acid  

Uses  of  Cyanohydrins  

27  

Cataly3c  Hydrogena3on  Reduces    Carbon—Nitrogen  Double  and  Triple  

Bonds  

28  

•  Aldehyde  oxida3ons  occur  through  1,1-­‐diols  (“hydrates”)  •  Reversible  addi3on  of  water  to  the  carbonyl  group  •  Aldehyde  hydrate  is  oxidized  to  a  carboxylic  acid  by  usual  

reagents  for  alcohols  

Hydra3on  of  Aldehydes  

29  

•  Aldehydes  and  ketones  react  with  water  to  yield  1,1-­‐diols  (geminal  (gem)  diols)  

•  Hyrda3on  is  reversible:  a  gem  diol  can  eliminate  water  

Nucleophilic  Addi3on  of  H2O:  Hydra3on  

30  

•  Addi3on  of  water  is  catalyzed  by  both  acid  and  base  

•  The  base-­‐catalyzed  hydra3on  nucleophile  is  the  hydroxide  ion,  which  is  a  much  stronger  nucleophile  than  water  

Base-­‐Catalyzed  Addi3on  of  Water  

31  

•  Protona3on  of  C=O  makes  it  more  electrophilic  

Acid-­‐Catalyzed  Addi3on  of  Water  

32  

•  Alcohols  are  weak  nucleophiles  but  acid  promotes  addi3on  forming  the  conjugate  acid  of  C=O  

•  Addi3on  yields  a  hydroxy  ether,  called  a  hemiacetal  (reversible);  further  reac3on  can  occur  

•  Protona3on  of  the  –OH  and  loss  of  water  leads  to  an  oxonium  ion,  R2C=OR+  to  which  a  second  alcohol  adds  to  form  the  acetal  

 Nucleophilic  Addi3on  of  Alcohols:  Acetal  Forma3on  

33  

•  Acetals  can  serve  as  protec3ng  groups  for  aldehydes  and  ketones    

•  It  is  convenient  to  use  a  diol  to  form  a  cyclic  acetal  (the  reac3on  goes  even  more  readily)  

Uses  of  Acetals  

34  

The  Reac3ons  of  Aldehydes  and  Ketones  with  Alcohols  

35  

Acid-­‐Catalyzed  Hydrolysis  of  an  Acetal  

36  

The  Addi3on  of  Sulfur  Nucleophiles  

37  

Thioacetals  are  Desulfurized    with  Hydrogen  and  Raney  Nickel  

38  

•  Reac3on  of  C=O  with  H-­‐Y,  where  Y  is  electronega3ve,  gives  an  addi3on  product  (“adduct”)  

•  Forma3on  is  readily  reversible  

Addi3on  of  H–Y  to  C=O  

39  

•  RNH2  adds  to  R’2C=O  to  form  imines,  R’2C=NR  (aaer  loss  of  HOH)  

•  R2NH  yields  enamines,  R2N⎯CR=CR2  (aaer  loss  of  HOH)  (ene  +  amine  =  unsaturated  amine)  

Nucleophilic  Addi3on  of  Amines:  Imine  and  Enamine  Forma3on  

40  

Aldehydes  and  Ketones  Form  Imines    with  Primary  Amines  

41  

•  Primary  amine  adds  to  C=O  

•  Proton  is  lost  from  N  and  adds  to  O  to  yield  an  amino  alcohol  (carbinolamine)  

•  Protona3on  of  OH  converts  it  into  water  as  the  leaving  group  

•  Result  is  iminium  ion,  which  loses  proton  

•  Acid  is  required  for  loss  of  OH–  too  much  acid  blocks  RNH2  

Mechanism  of  Forma3on  of  Imines  

42  

Forma3on  of  Imine  Deriva3ves  

43  

Imine  Hydrolysis  is  Irreversible  

•  The amine is protonated in the acidic solution, so it is unable to react with the carbonyl compound.

44  

•  Addi3on  of  amines  with  an  atom  containing  a  lone  pair  of  electrons  on  the  adjacent  atom  occurs  very  readily,  giving  useful,  stable  imines  

•  For  example,    hydroxylamine  forms  oximes  and  2,4-­‐dinitrophenylhydrazine  readily  forms  2,4-­‐dinitrophenylhydrazones    –  These  are  usually  solids  and  help  in  characterizing  liquid  ketones  

or  aldehydes  by  mel3ng  points  

Imine  Deriva3ves  

45  

Aldehydes  and  Ketones  Form  Enamines  with  Secondary  Amines  

46  

Enamine  Forma3on  

47  

•  Treatment  of  an  aldehyde  or  ketone  with  hydrazine,  H2NNH2,  and  KOH  converts  the  compound  to  an  alkane  

•  Originally  carried  out  at  high  temperatures  but  with  dimethyl  sulfoxide  as  solvent  takes  place  near  room  temperature  

 Nucleophilic  Addi3on  of  Hydrazine:    The  Wolff–Kishner  Reac3on  

48  

Enamine  Hydrolysis  is  Irreversible  

•  The  amine  is  protonated  in  the  acidic  solu3on,  so  it  is  unable  to  react  with  the  carbonyl  compound.  

49  

Reduc3ve  Amina3on  

•  The  unstable  imine  formed  from  ammonia  is  hydrogenated  to  an  amine.  

•  Imines  and  enamines  are  reduced  to  amines  with  NaBH3CN.  

50  

•  The  sequence  converts  C=O  to  C=C  •  A  phosphorus  ylide  adds  to  an  aldehyde  or  ketone  to  yield  a  

dipolar  intermediate  called  a  betaine    •  The  intermediate  spontaneously  decomposes  through  a  four-­‐

membered  ring  to  yield  alkene  and  triphenylphosphine  oxide,  (Ph)3P=O  

•  Forma3on  of  the  ylide  is  shown  below  

Nucleophilic  Addi3on  of    Phosphorus  Ylides:  The  Wipg  Reac3on  

51  

Synthesizing  Alkenes    (The  Wipg  Reac3on)  

52  

Mechanism  of  the  Wipg  Reac3on  

53  

•  Can  be  used  for  monosubs3tuted,  disubs3tuted,  and  trisubs3tuted  alkenes  but  not  tetrasubs3tuted  alkenes  The  reac3on  yields  a  pure  alkene  of  known  structure  

•  For  comparison,  addi3on  of  CH3MgBr  to  cyclohexanone  and  dehydra3on  with,  yields  a  mixture  of  two  alkenes  

Uses  of  the  Wipg  Reac3on  

54  

Choosing  Partners  for  the  Wipg  Reac3on  

55  

•  The  adduct  of  an  aldehyde  and  OH-­‐  can  transfer  hydride  ion  to  another  aldehyde  C=O  resul3ng  in  a  simultaneous  oxida3on  and  reduc3on  (dispropor2ona2on)  

Biological  Reduc3ons  

56  

Direct  vs.  Conjugate  Nucleophilic  Addi3on  to    α,β-­‐Unsaturated  Aldehydes  and  Ketones  

57  

Kine3c  and  Thermodynamic  Control  

58  

•  Primary  and  secondary  amines  add  to  α,  β-­‐unsaturated  aldehydes  and  ketones  to  yield  β-­‐amino  aldehydes  and  ketones  

Conjugate  Addi3on  of  Amines  

59  

•  Reac3on  of  an  α,β-­‐unsaturated  ketone  with  a  lithium  diorganocopper  reagent  

•  Diorganocopper  (Gilman)  reagents  form  by  reac3on  of  1  equivalent  of  cuprous  iodide  and  2  equivalents  of  organolithium  

•  1°,  2°,  3°  alkyl,  aryl  and  alkenyl  groups  react  but  not  alkynyl  groups  

Conjugate  Addi3on  of  Alkyl  Groups:  Organocopper  Reac3ons  

60  

•  Conjugate  nucleophilic  addi3on  of  a  diorganocopper  anion,  R2Cu-­‐,  to  an  enone  

•  Transfer  of  an  R  group  and  elimina3on  of  a  neutral  organocopper  species,  RCu    

Mechanism  of  Alkyl  Conjugate    Addi3on:  Organocopper  Reac3ons  

61  

•  Infrared  Spectroscopy  •  Aldehydes  and  ketones  show  a  strong  C=O  peak  1660  to  1770  

cm-­‐1  •  aldehydes  show  two  characteris3c  C–H  absorp3ons  in  the  2720  

to  2820  cm-­‐1  range.  

 Spectroscopy  of  Aldehydes  and  Ketones  

62  

•  Aldehyde  proton  signals  are  near  δ  10  in  1H  NMR  -­‐  dis3nc3ve  spin–spin  coupling  with  protons  on  the  neighboring  carbon,  J  ≈  3  Hz  

NMR  Spectra  of  Aldehydes  

63  

•  C=O  signal  is  at  δ  190  to  δ  215    •  No  other  kinds  of  carbons  absorb  in  this  range  

13C  NMR  of  C=O  

64  

•  Alipha3c  aldehydes  and  ketones  that  have  hydrogens  on  their  gamma  (γ)  carbon  atoms  rearrange  as  shown  

Mass  Spectrometry  –  McLafferty  Rearrangement  

65  

•  Cleavage  of  the  bond  between  the  carbonyl  group  and  the  α  carbon  

•  Yields  a  neutral  radical  and  an  oxygen-­‐containing  ca3on    

Mass  Spectroscopy:    α-­‐Cleavage  

66