Org. chemie - 13 Aldehyden en ketonen

Aldehyden en ketonen bevatten als kenmerkende groep de carbonylgroep: C=OZe maken deel uit van een grote groep verbindingen die aangeduid worden met de algemene term carbonylverbindingen.Door het elektronegatieve karakter van O is de carbonylgroep sterk gepolariseerd. De bewegelijke π-elektronen worden naar de kant van het elektronegatieve O-atoom getrokken, waardoor het C-atoom partieel positief wordt en het O-atoom partieel negatief.De carbonylverbindingen worden onderverdeeld in de aldehyden en ketonen enerzijds en de carbonzuren en carbonzuurderivaten anderzijds.

Reacties van aldehyden en ketonenDe polarisatie van de carbonylgroep is van directe invloed op het reactiegedrag van aldehyden en ketonen. Nucleofielen kunnen gemakkelijk aanvallen op het + gepolariseerde C-atoom. De meest typerende reactie die de carbonylgroep kan ondergaan is dan ook de nucleofiele additie.Een tweede type reactie heeft te maken met de zuurgraad van de H-atomen aan het α-C-atoom naast de carbonylgroep, α-H-atomen. De elektronzuigende werking van de carbonylgroep zorgt er voor dat er gemakkelijk een α-H-atoom geabstraheerd kan worden door een base. Het resulterende carbanion wordt dan door mesomerie gestabiliseerd.

Nucleofiele additie aan de carbonylgroepHet reactiemechanisme van een nucleofiele additie is afhankelijk van de omstandigheden waaronder de reactie plaatsvindt.Additie onder neutrale of basische omstandigheden begint met een aanval van het nucleofiel op het + gepolariseerde C-atoom van de carbonylgroep. Het alkoxyde-ion dat daarbij ontstaat, is sterk basisch en abstraheert een proton van het oplosmiddel of wordt, bij afwezigheid van een protondonor in het reactiemilieu, geprotoneerd door het toevoegen van zuur aan het eind van de reactie.

Additie onder zure omstandigheden begint met een reversibele protonering op het O-atoom van de carbonylgroep. Een geprotoneerd O-atoom is nog sterker elektronegatief dan een niet-geprotoneerd O-atoom en trekt nog harder aan de elektronen van de π-binding. Het C-atoom wordt elektrofieler. De aanval van een nucleofiel verloopt daardoor gemakkelijker en ook zwakkere nucleofielen kunnen daarom onder invloed van zuur nog reageren.

Uit het reactiemechanisme van beide typen reacties blijkt dat:- grote groepen rond de carbonylgroep verhinderen dat een nucleofiel snel kan naderen en zo de reactiviteit verlagen;- elektronenstuwende groepen zoals alkylgroepen positieve polarisatie van carbonyl C-atoom verminderen en zo de reactiviteit verlagen;- elektronenzuigende groepen zoals halogenen de positieve polarisatie van carbonyl C-atoom verhogen en zo de reactiviteit verhogen. Rangschikking aldehyden en ketonen volgens reactiviteit in additiereactie 

In het geval een nucleofiel addeert aan de carbonylgroep van een symmetrische, achirale, verbinding, kan een chiraal C-atoom gevormd worden als R en R' verschillend zijn.

Nucleofiel additie onder basische omstandighedenAdditie van water

In basisch milieu:

Additie van alcoholen - De vorming van halfacetalen

Wanneer binnen één molecuul zowel een carbonylgroep als een hydroxygroep aanwezig is, dan kan er door intramoleculaire reactie een halfacetaal gevormd worden. Hierbij ontstaat dan een cyclische verbinding.Additie van organometaalverbindingen

Een alkyl- of arylhalogeenverbinding kan met een alkali- of aardalkalimetaal reageren onder vorming van een organometaalverbinding. Als magnesium als metaal wordt gebruikt, dan heet de gevormde organometaalverbinding een grignardverbinding.De vorming van Grignard-verbindingen verloopt goed in droge ether als oplosmiddel. De ether vormt een complex met de organometaalverbinding waarbij het +geladen metaalion wordt gestabiliseerd door de vrije elektronenparen van de zuurstofatomen.

Ether stabiliseert de +lading op Mg.

Een organometaalverbinding is niet alleen een sterk nucleofiel maar ook een hele sterke base. Daarom mogen er bij reacties met organometaalverbindingen geen verbindingen in het reactiemilieu aanwezig zijn die gemakkelijk een proton kunnen afstaan. In aanwezigheid van water of een alcohol zal er dan namelijk onmiddellijk protonuitwisseling optreden, waarbij de organometaalverbinding wordt omgezet in een alkaan. Er moet dus steeds in droge oplosmiddelen gewerkt worden.

Additie van metaalhydriden - Reductie van de carboxylgroep

Carbonylgroepen in aldehyden en ketonen kunnen gereduceerd worden tot hydroxylgroepen met behulp van hydridedonoren zoals NaBH4 of LiAlH4.Een hydride is een H-atoom met een extra elektron, dus - geladen.

Alle vier H-atomen in deze verbindingen kunnen als hydride-ion op een carbonylgroep worden overgedragen. De O-atomen nemen de negatieve ladingen op en vormen en vormen daarbij een boraat- of een aluminaatbinding. Aan het eind van de reactie kunnen de boraten of aluminaten gehydrolyseerd worden met een verdund zuur, waarbij alcoholen gevormd worden.

De dubbele binding in alkenen is elektronenrijk en niet gepolariseerd en daarom niet gevoelig voor een nucleofiele aanval.

Additie van waterstofDoor een geschikte keuze van de katalysator is het mogelijk om bij verbindingen die zowel een alkeen- als een carbonlygroep bevatten, één van deze dubbele bindingen selectief te reduceren.

Nucleofiele additie onder zure omstandighedenVorming van acetalenOnder invloed van een zuur kan een halfacetaal verder reageren met een tweede alcoholmolecuul tot een acetaal.

Additie van ammoniak en derivaten van ammoniakAmmoniak (NH3) en derrivaten van ammoniak (H2N-R) zijn nucleofielen die kunnen aanvallen op het + gepolariseerde C-atoom van de carbonylgroep. Hierbij wordt in eerste instantie een instabiel α-aminoalcohol gevormd dat water afsplitst onder de vorming van een dubbele binding tussen C en N. Het eindresultaat van deze reactie is dus dat het dubbelgebonden O-atoom van de carbonylgroep vervangen wordt door een dubbelgeboden N-atoom. De reactie wordt gekatalyseerd door zuur. De zuurgraad van het reactiemilieu mag echter niet te groot zijn, omdat dan teveel van de nucleofiele aminemoleculen geprotoneerd worden tot ammoniumionen, die niet meer nucleofiel zijn. 

Samenvatting nucleofiele additiereacties aan aldehyden en ketonen

Enolisatie van aldehyden en ketonenDe sterk gepolariseerde carbonylgroep oefent invloed uit op de direct naastgelegen C-atomen, α-C-atomen.Door het elektronenzuigende effect van de carbonylgroep en vooral door mesomere stabilisatie can het carbanion dat ontstaat bij protonafsplitsing worden de α-H-atomen sterker zuur dan normaal en kunnen ze door een base geabstraheerd worden.

De negatieve lading van het carbanion is verdeeld over het C- en het O-atoom, met de grootste ladingsdichtheid op het sterker elektronegatieve O-atoom. Bij herprotonering kan het proton zowel op het C-atoom als op het O-atoom komen te zitten.

Het enolaatanion is in evenwicht met de keto- en de enolvorm. Dit wordt keto-enoltautomerie genoemd.De keto- en enolvorm worden tautomeren van elkaar genoemd.De ketonvorm is meestal stabieler dan de enolvorm. De ketonvorm zal daarom het meeste voorkomen.De vorming van de enolvorm uit de keton vorm: enolisatie. Deze reactie verloopt het beste bij gebruik van een base.Enolisatie kan ook door een zuur gekatalyseerd worden:

De vorming van een enolaatanion verloopt sneller als het anion gestabiliseerd wordt door mesomerie met twee carbonylgroepen.Bovendien zorgt de tweede carbonylgroep voor stabilisatie door een intramoleculaire H-brug.

Adolcondensaties kunnen in principe ook optreden tussen twee verschillende aldekyden, maar deze reacties zijn vanuit synthetisch oogpunt meestal niet zo zinvol, omdat mengsels van producten gevormd worden. Goede resultaten worden alleen verkregen wanneer een keton in reactie gebracht wordt met een aldehyde dat zelf geen α-H-atomen bevat.Reacties van α,β-onverzadigde carbonylverbindingenWanneer meerdere functionele goepen in eenzelfde verbindingen aanwezig zijn, geeft deze verbinding meestal de normale reacties ban beide functionele goepen.

In α,β-onverzadigde carbonylverbindingen waarin de functionele groepen geconjugeerd zitten, beïnvloeden de C=C-binding en de carbonylgroep elkaar.Naast de reactie van individuele functionele groepen vertonen deze α,β-onverzadigde carbonylverbindingen een aantal eigenschappen die een gevolg zijn van de onderlinge interactie van de dubbele binding en de carbonylgroep. Deze interactie is de reden dat in deze vebindingen de C=C reageert met nucleofielen. De mesomere grensstructuren maken duidelijk welke interactie optreedt en waar de aanval van een nucleofiel zal plaatsvinden. In gewone alkenen is een C=C zelf elektronenrijk en reageert daarom niet met andere elektronenrijke deeltjes, nucleofielen, maar juist met elektrofielen.

De additie van een nucleofiel aan een α,β-onverzadigde carbonylverbinding, gevolgd door een protonering, kan op twee manieren verlopen:De 1,2-additie verloopt hetzelfde als bij aldehyden en ketonen.

De 1,4-additie verloopt door aanval op het + gepolariseerde β-C-atoom van het onverzadigde systeem. Na deze aanval ontstaat een carbanion dat door mesomerie met de carbonylgroep gestabiliseerd wordt.

In de meeste gevallen zal bij nucleofiele additie aan α,β-onverzadigde carbonylverbindingen een mengsel van 1,2- en 1,4-additieproducten gevormd worden. Als de additie wordt uitgevoerd met kleine reactieve nucleofielen zoals een grignardverbiding of eene hydridereductiemiddel, dan is het 1,2-additieproduct meestal het hoofdproduct.

Grote anionen reageren voornamelijk via 1,4-additie. De anionen kunnen gemakkelijk gevormd worden door deprotonering van een C-atoom dat naast twee elektronenzuigende groepen zit die de negatieve lading door mesomerie kunnen stabiliseren.

De 1,4 additie van dit type anionen aan α,β-onverzadigde carbonylverbindingen staat bekend als de michaeladditie.

Aldolcondensatie van aldehyden en ketonenWanneer redelijk zure α-H-atomen door een base geabstraheerd worden, wordt een enolaation gevormd met een vrij elektronenpaar. Het enolaation kan nu als nucleofiel aanvallen op de carbonylgroep van een niet-geprotoneerd aldehyde of keton.Bij deze reacite worden twee moleculen gekoppeld, gecondenseerd, en wordt een alcoholaatanion gevormd dat door water geprotoneerd wordt. Het reactieproduct is een β-hydroxylaldehyde of een β-hydroxylketon. De reactie staat bekend als de aldolcondensatie, een samentrekking van aldehyde en alcohol.

Ook andere nucleofielen zoals hydroxide-, alcoholaat-, thiolaatanionen en aminen kunnen michaeltype-1,4-addities geven aan α,β-onverzadigde carboxylverbindingen.

1

2

3

4

5