1. KARBONILCSOPORTOT TARTALMAZÓ VEGYÜLETEK 1.1. A karbonilcsoport szerkezete A szénsav acilcsoportja a karbonilcsoport: O C
O C i
vagy
1. ábra: A karbonilcsoport
A karbonilcsoport az alábbi vegyületcsaládokban fordul elő: Oxovegyületek Karbonsavak és származékaik Szénsavszármazékok A karbonilcsoport elektronszerkezetét a formaldehid példáján mutatjuk be: H C O H 2. ábra: A formaldehid
A formaldehid szénatomja planáris sp2 hibridállapotú, míg az oxigénatomja sp hibridállapotú. Ennek megfelelően a szénatom vegyértékhéjának s, px és py, az oxigénatom vegyértékhéjának s és px, valamint a hidrogénatomok s pályáinak kölcsönhatásából jön létre a molekula σ-váza. A σ-váz 8 elektront tartalmaz, ebből 6 elektron képezi a három σ-kötést, 2 elektron pedig az oxigénatom nem reaktív sp-hibrid magányos elektronpárjához tartozik. A szénatom és az oxigénatom vegyértékhéjának pz atompályáinak kölcsönhatásából jön létre a molekula π-váza. A π-kötéshez két elektron tartozik. Az oxigénatom vegyértékhéjának py atompályája hozza létre a molekula reaktív magányos elektronpárját. A molekula σ-váza, és ennél jelentősebb mértékben a π-váza is polarizált. Ezért az oxigénatomon δ– míg a szénatomon δ+ töltés jön létre. H H
C
O
3. ábra: A formaldehid kötésszerkezete σ-kötések: fekete; π-kötés: kék sp-hibrid magányos elektronpár: rózsaszín py magányos elektronpár: piros
Az MO elmélet szerint a szénatom négy, az oxigénatom négy és a hidrogénatomok egy-egy vegyértékhéj-atompályái (AO) kölcsönhatásából jön létre a molekula 10 molekulapályája (MO), melyek közül a legalacsonyabb energiájú 6 db. MO-n összesen 12 elektron található, 4 db. MO pedig üres lazító pálya. A betöltött molekulapályák az alábbi atompálya-kombinációkból származtathatóak: Molekulapálya ny (HOMO) πz (HOMO-1) σx (HOMO-2)
C – 2pz 2px
σy (HOMO-3) σs’ (HOMO-4)
2py 2s
σs (HOMO-5)
i
A kombinációban résztvevő atompályák O H 2py – 2pz – 2px 1s – 2s
1s 1s
H – – 1s 1s 1s
2s 2s 1s 1s 1. táblázat: A formaldehid betöltött molekulapályái (energetikai sorrendben)
Kötésszerkezeti funkció magányos ep. π-kötés σ-kötés, sp-hibrid magányos ep. σ-kötés σ-kötés, sp-hibrid magányos ep. σ-kötés
A magányos elektronpárokat nem minden ábrán tüntetjük fel.
1
s
y
s'
ny x z 4. ábra: A formaldehid betöltött molekulapályáit létrehozó atompályák. A szaggatott vonalakkal a csomósíkokat ábrázoltuk.
1.2. A karbonilcsoport reaktivitása A molekula HOMO pályája az ny MO, a LUMO pálya pedig a π-kötéshez tartozó lazító pálya. Az FMOii elmélet szerint a HOMO pálya a nukleofil, a LUMO pálya pedig elektrofil reaktivitásért felelős. Így elektrofil reagensek (pl. a proton) a nukleofil oxigénatomra kapcsolódnak. Nukleofilok (pl. a hidroxid-ion) a polaritás-viszonyok miatt az elektrofil szénatomhoz közeledve lépnek a LUMOpályával kölcsönhatásba. Ezt a reakciótípust nukleofil addíciónak nevezzük.iii H+
H C O H
H OH C H OH
OH5. ábra: A formaldehid reakciója vízzel
A karbonilcsoport reaktivitását a polarizáció mértéke, azaz a szénatomon létrejövő δ+ töltés nagysága határozza meg. Ennek megfelelően az aceton < acetaldehid < formaldehid < klorál (triklóracetaldehid) irányban nő az addícióra való hajlandóság. hiszen a metilcsoportok +I effektusukkal csökkentik, míg a triklórmetilcsoport –I effektussal növeli a szénatomon kifejlődő δ+ töltés értékét. CH3
H
H
<
< Cl
<
Cl
H
O Cl 6. ábra: Oxovegyületek reaktivitási sorrendje: aceton < acetaldehid < formaldehid < klorál H3C
O
H3C
O
H
O
A reaktivitást jól jellemzi a fenti vegyületek hidrátképző tulajdonsága. A klorál szobahőmérsékleten szilárd állapotban klorál–hidrátként létezik, a formaldehid 40%-os vizes oldatban (formalin) gyakorlatilag teljes mértékben kémiailag hidrátként oldódik, de az oldat bepárlásával visszakapjuk az aldehid formát. Míg az acetaldehid és hidrátja híg vizes oldatban egyensúlyi rendszert képez, addig az aceton majdnem teljes mértékben csak fizikailag oldódik a vízben. H H
H O
H
OH OH
Cl
Cl
H
OH OH
Cl
7. ábra: A formaldehid és hidrátja egyensúlya, illetve a klorál–hidrát
A karbonilcsoportot tartalmazó vegyületek másik jellemző kémiai tulajdonsága, hogy a karbonilcsoport elektronszívó tulajdonsága miatt megnöveli a hozzá képest α-helyzetben lévő atomon helyet foglaló hidrogén savasságát. ii
FMO: Frontier Molecular Orbital; az elmélet szerint a molekula reaktivitását a HOMO és a LUMO pálya határozza meg. Szerves kémiában elsősorban a szénatom szempontjából osztályozzuk a reakciókat. A karbonilcsoport nukleofil addíciója során a karbonil-szénatomra nukleofilok kapcsolódnak. iii
2
Ezért a karbonsavak hidroxilcsoportja savasabb az alkoholok hidroxilcsoportjánál (ΔpKa ~12), a savamidok aminocsoportja savasabb az aminok aminocsoportjánál (ΔpKa ~20), és az oxovegyületek αhelyzetű CH-csoportja savasabb az alkánok CH-csoportjánál (ΔpKa ~22). O
O
O
NH2 CH3 NH2 CH3 8. ábra: Saverősségi sorrend: ecetsav: pKa ~ 4,7; acetamid: pKa ~ 16; etanol: pKa ~ 17; aceton: pKa ~ 20; etil-amin: pKa ~ 36; propán: pKa ~ 42 OH
OH
A karbonilcsoportot tartalmazó vegyületek α-helyzetben lévő atomján helyet foglaló hidrogén savasságával összefüggő reaktivitás a prototróp tautomer egyensúly. Az α-helyzetű atomon lévő proton távozásával általában egy kettős reaktivitású (ambidens) anion jön létre, amelyre a proton nemcsak az eredeti helyére, hanem a karbonil-oxigénatomra is visszakapcsolódhat. O
gyors
O
OH
O
O
lassú
O
NH2 O
gyors
O
gyors NH
lassú
O
OH
OH NH
gyors
OH
CH3 CH2 CH2 9. ábra: Báziskatalizált prototróp tautomer egyensúlyok: ecetsav: virtuális tautomer egyensúly; acetamid: savamid–imidsav egyensúly; aceton: oxo–enol egyensúly
Míg az acetát-ion két oxigénje egyenértékű, és ezért a proton azonos valószínűséggel kapcsolódik mindkettőhöz, addig az acetamidát és az enolát ambidens reaktivitású. Az oxigén kemény a nitrogén lágyabb, míg a szén egyértelműen lágy nukleofil tulajdonságú.iv Ezért a kemény proton nagyobb valószínűséggel kapcsolódik a kemény oxigénhez, mint lágyabb nitrogénhez, vagy a lágy szénhez. Ellenben a keletkezett imidsav-, illetve enol-alak termodinamikailag kevésbé stabil,v mint a savamid-, illetve oxo-alak, ezért gyors reakcióban visszaalakul az ambidens-anionná. A gyors és a lassú egyensúlyok eredményeként beálló termodinamikai egyensúlyban a termodinamikailag stabilabb savamid-, illetve oxo-alak aránya nagyságrendekkel múlja felül a termodinamikailag kevésbé stabil imidsav-, illetve enol-alak arányát. A tautomer egyensúly jellemzésére szolgál az ún. tautomer egyensúlyi állandó (KT), amely az oxo-, illetev enol-alak savas disszociációs egyensúlyi állandójának (Ka) a hányadosa. [𝐻3 𝑂+ ] × [𝑒𝑛𝑜𝑙á𝑡 − ] 𝑜𝑥𝑜 [𝑒𝑛𝑜𝑙] 𝐾𝑎 [𝐻2 𝑂] × [𝑜𝑥𝑜] 𝐾𝑇 = 𝑒𝑛𝑜𝑙 = = [𝐻3 𝑂+ ] × [𝑒𝑛𝑜𝑙á𝑡 − ] [𝑜𝑥𝑜] 𝐾𝑎 [𝐻2 𝑂] × [𝑒𝑛𝑜𝑙] azaz 𝑝𝐾𝑇 = 𝑝𝐾𝑎𝑜𝑥𝑜 − 𝑝𝐾𝑎𝑒𝑛𝑜𝑙 Aceton esetén az oxo-alak pKa értéke 20, míg az enol-alak pKa értéke 14,4, így a tautomer egyensúlyi állandó pKT értéke 5,6. Ennek megfelelően a tautomer egyensúlyban az [enol]/[oxo] arány 10–5,6.
iv
A kemény (hard) és lágy (soft) reaktivitást az ún. HSAB elmélet tárgyalja. A kemény reakciócentrumok elsősorban töltéskontrollált, míg a lágy reakciócentrumok elsősorban pályakontrollált reakciókban vesznek részt. v Az imidsav-, illetve enol-alak termodinamikailag kisebb stabilitásából következik, hogy ezen alakok savassága nagyobb, azaz a pKa értékük kisebb, mint a termodinamikailag stabilabb savamid-, illetve oxo-alaké.
3
A karbonilcsoport oxigénje δ– töltésének megfelelően bázikus tulajdonságú. Prótikus savakkal protonálható, és Lewis-savakkal komplexet képez. O
OH
H+ OH
OH
O Ph
Cl Cl Al O Cl
AlCl3 CH3
Ph CH3 10. ábra: Az ecetsav protonálódása, illetve az acetofenon–Lewis-sav komplex képződése
Az oxo–enol, illetve savamid–imidsav prototróp tautomer egyensúly savkatalizált körülmények között is létrejön. O
OH OH
OH
OH
O
O
OH NH2
OH
NH2
O
NH
OH
OH
CH3 CH3 CH2 11. ábra: Savkatalizált prototróp tautomer egyensúlyok: ecetsav: virtuális tautomer egyensúly; acetamid: savamid–imidsav egyensúly; aceton: oxo–enol egyensúly
Az előzőekben tárgyalt sav-bázis egyensúlyok következtében pl. acetaldehid esetén az oldat pHértékének függvényében négy, különböző reaktivitású forma jelenlétével kell számolnunk. Az oxoalak karbonil-szénatomja lágy elektrofil tulajdonságú, a metilcsoportja gyengén savas, míg oxigénatomja bázikus és nukleofil tulajdonsággal rendelkezik. A protonált oxo-alak karbonilszénatomja az egységnyi pozitív töltés miatt kemény elektrofil, a metil- és a hidroxilcsoport pedig savas tulajdonságú. Az enol-alak reaktív része a szén-szén kettős kötés π-elektronfelhője, melynek lágy nukleofil reaktivitását a hidroxilcsoport magányos elektronpárja +M effektussal növeli. Mivel az oxigénatomhoz közvetlenül kapcsolódó szénatomra az oxigénatom –I effektussal is hat, a nukleofil és enyhén bázikus reaktivitás az oxigéntől távolabbi α-szénatomon jelentkezik. E+ O H3C
OH H
Nu-
H3C
H
Nu-
E+ O H2C
OH H
H2C
H
E+ E+ 12. ábra: Az acetaldehid oxo-, protonált oxo-, enolát- és enol-alakjának a reaktivitása: oxo-alak: lágy elektrofil és nukleofil; protonált oxo-alak: kemény elektrofil; enolát: ambidens nukleofil; enol: lágy nukleofil
4
Az ambidens enolát-anion szénatomjai sp2 míg az oxigénatomja sp hibridállapotúak. Az anion 12 elektront tartalmazó σ-váza az öt σ-kötésből és az oxigén nem reaktív sp-hibrid magányos elektronpárjából áll. Az anion három atomra kiterjedő, négy elektront tartalmazó három MO-ból álló delokalizált π-rendszere a két szénatom valamint az oxigénatom pz atompályáiból jött létre. Az anion két reaktív betöltött molekulapályája az oxigénen található kemény nukleofil ny MO és a lágy nukleofil π-rendszer ψ2 MO-ja. Ennek megfelelően az enolát-anion kemény elektrofilekkel (pl. trimetilszililklorid) az oxigénen, lágy elektrofilekkel (pl. bróm) az α-szénatomon reagál el. H2C
CH
O
13. ábra: A acetaldehid-enolát kötésszerkezete σ-kötések: fekete; π-kötés: kék sp-hibrid magányos elektronpár: rózsaszín py magányos elektronpár: piros
Si Cl O
O
H2C
H
H2C
O H2C
Si
Cl-
H O
H
H2C Br
H
Br-
Br Br 14. ábra: Az acetaldehid enolát-alakjának ambidens reaktivitása Felső sor: töltéskontrollált kemény-reaktivitás Alsó sor: pályakontrollált lágy-reaktivitás
Az enolát-anion három π-MO-ja közül a ψ2 MO a karbonil szénatomon keresztül menő csomósíkkal rendelkezik. Ezért a negatív töltés az oxigénatom és az α-szénatom között oszlik meg x/(1-x) arányban, ahol az oxigén nagyobb elektronegativitása miatt 0,5<x<1. A valóságos elektroneloszlást leíró φ térbeli elektronsűrűségi függvényt közelítő módszerrel meg lehet kapni két (csak az elektroneloszlásban különböző) lokalizált határszerkezet térbeli elektronsűrűségi függvényének (φ 1 és φ2) a súlyozott átlagával. A súlyozó faktorok a töltéseloszlást leíró x és (1-x).
H2C
CH
O
H2C
CH
O
15. ábra: A acetaldehid-enolát betöltött π-MO-i A zöld szaggatott vonal a csomósíkot jelzi
O H2C C H
O H2C C H
16. ábra: A acetaldehid-enolát határszerkezetei
5
1.3. A karbonilcsoport nukleofil addíciós reakciói A nukleofil addíciós reakciók négy fő csoportba sorolhatók. a.) Addíciók: Ha a karbonil-szénatomra belépő nukleofilnak az addíció után nem marad magányos elektronpárja, a reakció egyirányú, az addukt stabil. Ilyen reakció pl. az oxovegyületek fémhidrides redukciója, vagy Grignard-vegyületekkel történő reakciója: H
H O H B H Na H3C H H
H H
H3C
Br Mg CH3
O H3C
O
H H B
O
H
H3C
H+
O
Na
H H
H3C
Mg
H
Br CH3 Mg Br
CH3 H
H+
O
H CH3 H
H3C
H3C Mg Br 17. ábra: Az acetaldehid redukciója és Grignard-reakciója.
Az enolát-anion támadását fogadó oxovegyület szemszögéből nézve az aldol-dimerizáció is e csoportba tartozik:
H3C
O
O
O H
H+
O
O
H
C H3C C H H H2 H H2 18. ábra: Az acetaldehid aldol-dimerizációja.
H2C
H3C
H
O H
Ha a belépő nukleofil stabil anion, az addíciós reakció megfordíthatóvá válik. Így pl. az oxovegyületek és hidrogén-cianid reakciója savas közegben az addíció, míg lúgos közegben az elimináció irányába tolódik el: H+
O H3C
H
O H3C
C N
O H3C
H
H C
N
O
C N C H3C H H N 19. ábra: Az acetaldehid HCN addíciója.
b.) Addíció-elimináció-addíciós reakciók: Ha az addíció után a belépő nukleofilnak a karbonil-szénatomhoz kapcsolódó atomján (jellemzően oxigén, kén, nitrogén, stb.) marad még magányos elektronpárja, ez enyhén savas közegben +M effektusával elősegíti az eredetileg karbonil-oxigénatom vízként való távozását. A folyamat egy második nukleofil addíciójával zárul. Ezek a lépések megfordíthatóak, egyensúlyra vezetnek. Ilyen reakció pl. az oxovegyületek és alkoholok acetál-képződést eredményező reakciója.
6
H+
O H3C
H
HO CH3
O H3C
H
H CH3
H
O H
H3C
O H
H2O
H O
CH3
H3C
H
O
+M CH3
CH3OH
O H3O
H3C
CH3 O
H H2O
CH3
H3C
H 20. ábra: Az acetaldehid-dimetil-acetál képződése.
CH3
O H
O
CH3
c.) Addíció-eliminációs reakciók: Ha az addíció után a belépő nukleofilnak a karbonil-szénatomhoz kapcsolódó atomján (jellemzően nitrogén) marad még magányos elektronpárja, ez enyhén savas közegben π-kötés létrehozásával elősegíti az eredetileg karbonil-oxigénatom vízként való távozását. Ha a belépő nukleofilnak a karbonil-szénatomhoz kapcsolódó atomján marad még savas jellegű hidrogén is, a folyamat a proton leválásával zárul. Ezek a lépések megfordíthatóak, egyensúlyra vezetnek. Ilyen reakció pl. az oxovegyületek és aminok imin-képződést eredményező reakciója. H+
O H3C
H
H2N CH3
O H3C
H
H CH3 N H H
H H3C
O
H2O
H
N H H
H CH3
H3C
N H
CH3
H H3O
H3C
N
CH3
21. ábra: Az acetaldehid-metilimin képződése.
Hasonló mechanizmussal játszódnak le az oxim-, hidrazon- és szemikarbazon-képződési reakciók. Ha az addíció után a belépő nukleofilnak a karbonil-szénatomhoz kapcsolódó atomján (jellemzően nitrogén) marad még magányos elektronpárja, ez enyhén savas közegben π-kötés létrehozásával elősegíti az eredetileg karbonil-oxigénatom vízként való távozását. Ha a belépő nukleofilnak a karbonil-szénatomhoz kapcsolódó atomján ellenben nem marad savas jellegű hidrogénje, a protonleválás az α-helyzetű szénatomról is megtörténhet. Ezek a lépések megfordíthatóak, egyensúlyra vezetnek. Ilyen reakció pl. a ketonok és szekunder-aminok enamin-képződést eredményező reakciója. Ha sem a belépő nukleofilnak a karbonil-szénatomhoz kapcsolódó atomjáról, sem az α-helyzetű szénatomról nem tud proton leválni, a reaktív iminium-kation újabb nukleofil addícióját fogadja.vi Ilyen reakció pl. a Mannich-reakció.vii
vi vii
Azaz b.) típusú addíció-elimináció-addíciós reakció játszódik le Mivel a Mannich-reakció második nukleofil addíciója az a.) típusba tartozik, a reakció egyirányúvá válik.
7
H+
O
H
O
H
O
CH3 N CH3 H
HN CH3 H3C
H2O
H
CH3 N CH3 CH2
CH3 N CH3
CH3 N CH3 CH
H3O
22. ábra: A ciklohexanon és dimetil-amin reakciója.
H+
O H
H H
HN CH3 H3C
OH
O
H
CH3 N H CH3 H
H
CH3 N CH3
H
H3O
H2O
CH2
H2O
H H O H CH3 N H CH3
O CH3 N CH3
H
H2 C
H
CH3 N CH3
O CH3 23. ábra: A Mannich-reakció.
d.) Acilezési-reakciók: Ha a karbonil-szénatomhoz távozó-csoportviii kapcsolódik, mint például a savszármazékokban, akkor a nukelofil-addíció a távozó-csoport eliminációjával társul, és a reakció bruttó folyamatban szubsztitúciót eredményez. Ilyen reakció pl. a karbonsavak és ammónia reakciója: O
O H3C
OH
NH3
H2O
O
H3C H H3C H N N HO H O H H H H 24. ábra: Az ecetsav-amid képződése.
O H3C
NH2
Az acilezési-reakciók savakkal és bázisokkal is katalizálhatók, a katalízis és a távozó-csoport távozókészsége alapján e reakciók az alábbi jellemző módokon játszódhatnak le: viii
Távozó-csoport vagy leváló-csoport (angolul leaving group, jele L) az, amelynek leválása az adott reakciókörülmények között termodinamikailag kedvezményezett. Vizes közegben jellemzően a víz és a víznél erősebb savak (vagy anionjuk) a távozó csoportok. A távozó-csoport pKa értékének csökkenésével növekszik a távozó-készség.
8
AAc2-mechanizmus: savkatalizált bimolekulárisix reakció. Ilyen pl. a savak és alkoholok észterképzése. H+
O H3C
H3C
OH
O
OH
OH CH3
H3C
OH HO CH3
H
O OH H
H2O
O H3O
H3C
H3C O O H H
O
CH3
CH3
OH H3C
O
CH3
25. ábra: A metil-acetát képződése.
BAc2-mechanizmus: báziskatalizált bimolekuláris reakció. Ilyen pl. az észterek bázikus hidrolízise.x OH-
O
O H3C
O
H3C
CH3
O OH
CH3 H3C
HO CH3
O CH3
O
O
OH
H3C
O
26. ábra: A metil-acetát hidrolízise.
AAc1-mechanizmus: acilium-köztiterméken keresztül lejátszódó savkatalizált monomolekuláris reakció. Ilyen reakciók pl. a savkloridok képződése,xi vagy a savkloridok Lewis-sav katalizált acilezési reakciói.xii O S Cl Cl
O H3C
O H
O H3C
O S
SO2
HCl Cl
O H3C
O
O
Cl Al Cl O H3C
Cl Cl
H3C
O
Cl Cl Al Cl Cl H3C H
Cl
Cl
27. ábra: Az ecetsav-klorid képződése.
Cl Cl Al Cl Cl
H3C
HCl
O
Cl Cl Al Cl O
H3C
28. ábra: A Friedel–Crafts-acilezés.
Ahogy már említettük a karbonilcsoportot tartalmazó vegyületek reaktivitását a karbonil-szénatomon kifejlődő δ+ töltés nagysága határozza meg. Ennek megfelelően az alábbi sorrend állítható fel:
ix
A reakciók molekularitása a sebességmeghatározó-lépésben résztvevő molekulák számát adja meg. Az utolsó sav-bázis reakció az ecetsav és metanol közötti nagy pKa különbség miatt egyirányú folyamat. xi A reakciólépéseket a melléktermékek gázként való távozása teszi egyirányú folyamattá. xii A benzol nukleofil támadása a.) típusú egyirányú reakció. x
9
O Cl
Cl Cl
CH3
> H3C
O
H
H
>
O
CH3 >
O
OH
O
O
~
CH3
NH2
>
> H3C
O
H H3C
>
>
>
O
NH2
H3C O H3C O H3C O H2N O O H3C 29. ábra: Egyes karbonilcsoportot tartalmazó vegyületek reaktivitási sorrendje: foszgén > acetil-klorid > ecetsav-anhidrid > formaldehid > acetaldehid > aceton > ecetsav ~ metil-acetát > acetamid > karbamid
A reaktivitási sorrendet elsősorban a karbonil-szénatomhoz kapcsolódó csoportok elektronküldő– elektronszívó tulajdonságai határozzák meg.xiii A klóratom –I effektusa nagyobb, mint a +M effektusa. A metilcsoport +I effektussal rendelkezik. A hidroxil- és a metoxicsoport +M effektusa felülmúlja a –I effektust. Az aminocsoport +M effektusa nagyobb és –I effektusa kisebb, mint a hidroxilcsoporté. Az aromás-vázzal létrejövő konjugáció jelentősen csökkenti a reaktivitást. Az aromás-váz jelentős +M effektust fejt ki a karbonilcsoportra.xiv Cl
Cl >
H3C
O
Ph H
H
H
> H
O
> H3C
O CH3
>
O
CH3
Ph
O Ph
>
H3C O Ph O Ph O 30. ábra: Egyes karbonilcsoportot tartalmazó vegyületek reaktivitási sorrendje: acetil-klorid > benzoil-klorid; formaldehid > acetaldehid > benzaldehid; aceton > acetofenon > benzofenon
xiii
Az I effektus a σ-váz, az M effektus a p–π-rendszer polarizációját írja le. Ugyanezt a polarizációt az aromás-váz oldaláról nézve úgy jellemezhetjük, hogy a karbonilcsoport jelentős –M effektust fejt ki az aromás π-rendszerre. xiv
10
