Αντίδραση συμπύκνωσης Aldol

Βασικές έννοιες

Σε αυτό το σεμινάριο οργανικής χημείας, θα μάθετε τα βασικά της αντίδρασης συμπύκνωσης αλδόλης, τους μηχανισμούς της, το ενδιάμεσο ενόλης και τη συμπύκνωση Claisen.

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

• Αντιδράσεις συμπύκνωσης
• Λειτουργική ομάδα καρβονυλίου
• Πυρηνόφιλα
• Ηλεκτρόφιλα
• Ιδιότητες οξέων και βάσεων

Τι είναι η συμπύκνωση Aldol;

Η συμπύκνωση αλδόλης περιλαμβάνει την αντίδραση δύο καρβονυλικών μόρια για να σχηματίσουν ένα ακόρεστο μόριο καρβονυλίου, με διπλό δεσμό C=C μεταξύ δύο ανθράκων γειτονικών στο καρβονύλιο, όπως φαίνεται παρακάτω. Γενικά, η συμπύκνωση αλδόλης πρέπει να περιλαμβάνει τουλάχιστον μία κετόνη , ενώ το άλλο μόριο μπορεί να είναι είτε κετόνη ή μια αλδεΰδη ως πρώτη ύλη. Η δομή του ακόρεστου καρβονυλικού προϊόντος εξαρτάται από τη δομή των αντιδρώντων καρβονυλίων.

Αν και οι συμπυκνώσεις αλδόλης μπορούν να συμβούν με μια ποικιλία ομάδων R, η πιο κοινή μορφή της αντίδρασης περιλαμβάνει μια μεθυλκετόνη και μια αλδεΰδη, που σχηματίζουν ένα μη διακλαδισμένο ακόρεστο καρβονύλιο.

Επιπλέον, όλες οι συμπυκνώσεις αλδόλης έχουν ως αποτέλεσμα καθαρή απώλεια από δύο υδρογόνα και ένα οξυγόνο. Ουσιαστικά, αυτή η καθαρή απώλεια ισοδυναμεί με ένα νερό μόριο, γι' αυτό οι χημικοί αποκαλούν αυτή την αντίδραση "συμπύκνωση".

The Enol Intermediate

Ηενόλη το μόριο είναι ένα σημαντικό ενδιάμεσο σε συμπυκνώσεις αλδόλης και εμφανίζεται σε πολλές άλλες οργανικές αντιδράσεις. Εξ ορισμού, η δομή περιλαμβάνει έναν C=C διπλό δεσμό (-ene-) και ένα παρακείμενο αλκοόλ (-ol), σχηματίζοντας αυτό που οι χημικοί αποκαλούν ενόλη (-ene- plus -ol).

Τελικά, αυτός ο συνδυασμός λειτουργικών ομάδων τείνει να είναι ασταθής , λόγω της ευνοϊκότητας των καρβονυλικών ομάδων σε σχέση με τις ενολικές ομάδες. Κατά συνέπεια, τα μόρια ενόλης υφίστανται γρήγορα ταυτομερισμό κετο-ενόλης υπό βασικές ή ουδέτερες συνθήκες, σχηματίζοντας αυτό που οι χημικοί αποκαλούν ενολικό ιόν, που περιέχει ένα καρβονύλιο και ένα καρβανιόν. Εναλλακτικά, οι όξινες συνθήκες σταθεροποιούν κάπως το μόριο της ενόλης, αλλά τα μόρια της ενόλης τείνουν να είναι ιδιαίτερα αντιδραστικά.

Βασικοί μηχανισμοί συμπύκνωσης Aldol

Είναι ενδιαφέρον ότι οι συμπυκνώσεις αλδόλης μπορούν να συμβούν είτε σε όξινες είτε σε βασικές συνθήκες, αλλά οι μηχανισμοί αντίδρασης και στις δύο συνθήκες είναι διαφορετικοί. Και στις δύο καταστάσεις, και οι δύο μηχανισμοί περιλαμβάνουν την αποπρωτονίωση του άνθρακα δίπλα στο καρβονύλιο . Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η επίδραση της έλξης ηλεκτρονίων του καρβονυλίου αυξάνει την οξύτητα των γειτονικών υδρογόνων του άνθρακα. Σημειώστε ότι και οι δύο μηχανισμοί περιλαμβάνουν τα μόρια HA και B, τα οποία υποδεικνύουν ένα γενόσημο οξύ και μια γενική βάση, αντίστοιχα.

Συμπύκνωση Aldol υπό βασικές συνθήκες

Για να ξεκινήσει η αντίδραση συμπύκνωσης, μια βάση αποπρωτονιώνει τον άνθρακα δίπλα στην ομάδα καρβονυλίου στο πρώτο μόριο, σχηματίζοντας ένα ενολικό μόριο. Αυτό δημιουργεί έναν πυρηνόφιλο άνθρακα , λόγω του πρόσφατα απελευθερωμένου ζεύγους ηλεκτρονίων ως αποτέλεσμα της αποπρωτονίωσης.

Δεύτερον, ο πυρηνόφιλος άνθρακας επιτίθεται το δεύτερο μόριο στον άνθρακα που συνδέεται διπλά με το οξυγόνο, το οποίο είναι ηλεκτρόφιλο λόγω της ηλεκτραρνητικότητας του οξυγόνου. Αυτό ωθεί ένα ζεύγος ηλεκτρονίων από τον διπλό δεσμό καρβονυλίου στο οξυγόνο, σχηματίζοντας ένα ανιόν. Ωστόσο, αυτό το οξυγόνο πρωτονιώνεται γρήγορα, με αποτέλεσμα μια αλκοόλη.

Τρίτον, μια αντίδραση εξάλειψης εμφανίζεται όταν ο όξινος άνθρακας αποπρωτονιώνεται για δεύτερη φορά, σχηματίζοντας ένα άλλο ενδιάμεσο καρβανιόν. Το ζεύγος ελεύθερων ηλεκτρονίων προχωρά στο σχηματισμό διπλού δεσμού με τον άνθρακα που μεταφέρει την αλκοόλη, αποβάλλοντας την αλκοόλη . Συγκεκριμένα, οι χημικοί αποκαλούν αυτό το στάδιο αντίδραση E1cB, που χαρακτηρίζεται από μια ισχυρή αποπρωτονίωση οξέος (ο κεντρικός άνθρακας) και μια σχετικά φτωχή αποχωρούσα ομάδα (το αλκοόλ). Το "E1" σημαίνει ότι είναι μια μονομοριακή εξάλειψη, ενώ το "cB" σημαίνει "συζευγμένη βάση", η οποία σχετίζεται με το ενδιάμεσο καρβανιόν.

Τέλος, σχηματίζεται το ακόρεστο καρβονυλικό προϊόν.

Συμπύκνωση αλδόλης υπό όξινες συνθήκες

Για αρχή, τοκαρβονύλιο του πρώτου μορίου είναι πρωτονιωμένο ενώ οπαρακείμενος άνθρακας είναι αποπρωτονιωμένο , σχηματίζοντας ένα μόριο ενόλης.

Δεύτερον, ένα ζεύγος ηλεκτρονίων από τον διπλό δεσμό στη συνέχεια επιθέσεις το καρβονύλιο του δεύτερου μορίου. Αυτό σχηματίζει ένα ιόν οξυγόνου το οποίο πρωτονιώνεται γρήγορα, παρόμοιο με τον μηχανισμό υπό βασικές συνθήκες. Επιπλέον, αυτή η πυρηνόφιλη επίθεση επιτρέπει την αναμόρφωση του καρβονυλίου στο πρώτο μόριο.

Τρίτον, μια αντίδραση εξάλειψης λαμβάνει χώρα. Σε αντίθεση με τις βασικές συνθήκες, αυτό το βήμα προχωρά κυρίως μέσω μιας αντίδρασης E1 μονοπάτι (αν και μπορεί να υπάρχουν μικρές ποσότητες αντιδράσεων Ε2), που περιλαμβάνει ισχυρή αποχωρούσα ομάδα και σχηματισμό καρβοκατιόντων. Αρχικά, η πρόσφατα σχηματισμένη αλκοόλη πρωτονιώνεται για δεύτερη φορά, δημιουργώντας μια ισχυρή αποχωρούσα ομάδα ενός μορίου νερού. Καθώς το μόριο του νερού φεύγει , σχηματίζεται ένα καρβοκατιόν, το οποίο κάνει τα υδρογόνα του κεντρικού άνθρακα πιο όξινα. Αυτό επιτρέπει μια δεύτερη αποπρωτονίωση, απελευθερώνοντας ένα άλλο ζεύγος ηλεκτρονίων που σχηματίζουν έναν διπλό δεσμό .

Συμπυκνώσεις Claisen

Ένα σημαντικό παράδειγμα συμπύκνωσης αλδόλης είναι η Συμπύκνωση Claisen . Συγκεκριμένα, αυτή η αντίδραση περιλαμβάνει εστέρα μόρια και ακολουθεί τη βάση μηχανισμός κατάστασης. Ωστόσο, ένα καρβοξυλικό άλας με την ίδια αλκυλομάδα καθώς οι εστέρες πρέπει να χρησιμεύουν ως βάση. Αυτό γίνεται για να αποτραπεί η αντικατάσταση της καρβοξυομάδας των μορίων καρβονυλίου. Μια άλλη σημαντική διάκριση είναι ότι το τελικό προϊόν είναι ένα δικαρβονύλιο μόριο, αντί για ένα ακόρεστο μονοκαρβονύλιο.

Για να ξεκινήσει μια συμπύκνωση Claisen, ο άνθρακας δίπλα στο καρβονύλιο του πρώτου μορίου αποπρωτονιώνεται . Το καρβανιόν που προκύπτει τότε επιτίθεται τον ηλεκτρόφιλο καρβονυλάνθρακα του δεύτερου μορίου. Κατά συνέπεια, ο δεσμός C=O μεταρρυθμίζεται, αποβάλλοντας την καρβοξυ ομάδα .

Στη συνέχεια, εάν η συμπύκνωση Claisen λαμβάνει χώρα σε νερό , μετά ένα αλκοόλ η ομάδα αντικαθιστά τον υπόλοιπο εστέρα ομάδα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια ομάδα καρβοξυλικού οξέος.

Ωστόσο, αυτό τοκαρβοξυλικό οξύ το μόριο στερείται σταθερότητας και θα διασπαστεί σε υψηλές θερμοκρασίες. Συγκεκριμένα, μια αποκαρβοξυλίωση εμφανίζεται, που περιλαμβάνει μια κυκλική κίνηση ηλεκτρονίων που διασπάται το καρβοξυλικό οξύ, απελευθερώνοντας διοξείδιο του άνθρακα . Το προκύπτον μόριο ενόλης στη συνέχεια ταυτοποιείται σε κετόνη . Η αποκαρβοξυλίωση συμβαίνει σε πολλές σημαντικές βιολογικές οδούς, κυρίως στον κύκλο του κιτρικού οξέος.