PREDNÁŠKA Č. 3 KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY VLASTNOSTI & PRÍPRAVA
1
KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY H H
Ag C
H
H
O H
650°C
Pd2+/Cu+
O + H2 H
Dehydrogenácia
Formaldehyd 40 000 000 ton/rok (2013)
O
H+/H2O
Wackerova oxidácia
Acetón 8 000 000 ton/rok (2013) 2
KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY – Prírodné látky
O O Civetón (Civettictis civetta) Feromón vzácnej cibetky africkej Produkuje najdrahšiu kávu na svete!
OH
O H2O2
R
OH
Nonanal (Culex quinquefasciatus) Humánny atraktant komára Pôsobí synergicky s CO2
kataláza peroxidáza
R=H hydrochinón R=CH3 metylhydrochinón
R + O2 + H2O O R=H benzochinón R=CH3 metylbenzochinón
Stenaptinus insignis
Teplota toxického „koktejlu“ 100°C, frekvencia pulzov 500x za sekundu!
3
KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY – Syntetické medikamenty
Fluticasone® (Glaxo) Inhalačný kortikosteroid Liečba astmy a rinitídy
Doxycycline® (Pfizer) Tetracyklínové antibiotikum Liečba moru, antraxu, boreliózy
Norethynodrel® (GD Searle) Prvé orálne kontraceptívum Prevencia tehotenstva
Atovaquone® (Glaxo) Antiparazitikum Liečba malárie, toxoplazmózy
Raloxifene® (Eli Lilly) A(nta)gonista estrogénu Liečba osteoporózy
Donepezil® (Eisai) AChE inhibítor Antialzheimerikum 4
KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY – Drogéria, Kozmetika
O
O Gáfor (LD50=1 g/kg, myš) Stimuluje receptory chladu Antiiritant, antiprurikum
HO
OH
Dihydroxyacetón Sfarbuje odumreté bunky koţe „Samoopaľovací“ prípravok
O HO
O
O Acetofenón Prísada do šampónov Imitácia jahodovej vône
Oxybenzón Potenciálny fotokarcinogén! ÚV filter opaľovacích krémov 5
KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY – Biogénne molekuly R
O
H 3
H
H
O R = OH Testosterón ♂ R = Ac Progesterón ♀ / orech Ľudské pohlavné hormóny
O Vitamín K1 (lipofilný) Nevyhnutný pre zráţanie krvi Zelenina, pečeň, črevné baktérie
H HO H H
Retinal (forma vitamínu A) Zabezpečuje videnie cicavcov Biosyntetizuje sa z karotenoidov
CHO OH H OH OH CH2OH
D-Glukóza Produkt fotosyntézy Zdroj bioenergie
6
KARBONYLOVÉ ZLÚČENINY – Gastromolekuly MeO O H3C O
HO
O
OH
HO
MeO
O
Syringaldehyd (Quercus robur) Aromatický fenol dubového dreva Dáva charakter barikovému koňaku
CH3
O
Kurkumín (Curcuma longa) Ţlté farbivo curry korenia (E 100) Chemopreventívne etnofarmakum
HO
R
O
OH O O
HO
CH3
O CHO CHO
R = H Daidzeín R = OH Genisteín Fytoestrogény sóje (Glycine max) Zniţujú hladinu LDL cholesterolu
(-)-Oleokantal (Olea europaea) Extra panenský olivový olej Protizápalový antioxidant
7
Rozdelenie a typy karbonylových zlúčenín
8
Nomenklatúra aldehydov a ketónov • Triviálne (historické) názvy pre niektoré jednoduché aldehydy a ketóny
Formaldehyd Metanal Konzervant
Benzaldehyd Vôňa mandlí
Acetón Propán-2-ón Rozpúšťadlo
Etylmetylketón Rozpúšťadlo
Acetaldehyd Etanal Spôsobuje „opicu“
Škoricový aldehyd Vôňa škorice
• Triviálne (historické) názvy pre niektoré C=O substituenty (acylové skupiny)
9
Nomenklatúra aldehydov a ketónov • Systematické (IUPAC) názvoslovie: - nájdi najdlhší reťazec (najväčší kruh) s C=O skupinou, - pridaj k názvu (cyklo)alkánu príponu –al alebo –ón (bez C=O skupiny pridaj k názvu príponu –karbaldehyd), - očísluj molekulu tak, aby C=O uhlík mal najniţšie číslo.
3
Br
1
O
O
5
O
2
O
4
Propanal
1
3
2
1
2
3
4
1 3 2
Bután-2-ón
(R)-3-Brómbutanal
(E)-Hex-4-én-3-ón
O
O
6
H3C
5
4
1
H 2
4 3
6
4
CH3
2,5-Dimetylbenzaldehyd
5
3
6
1
O2N
CHO 2
trans-3-Nitrocyklopentánkarbaldehyd
1
5 4
2 3
(±)-2-Metylcyklohexanón 10
Štruktúra a elektronické vlastnosti karbonylových zlúčenín
H
H
Formaldehyd
• Karbonylový uhlík je sp2 hybridizovaný.
• C=O skupina je polárna, vytvára dipól. • Aldehydy a ketóny intenzívne absorbujú ţiarenie v IČ oblasti ~ 1700 cm-1.
Uhol H-C-H ~ 117° (trigonálne planárny) Dĺţka C=O ~ 122 pm (kratšia ako C=C) Dipólový moment ~ 2.5 D (C=C ~ 0.4 D) 11
Stabilita karbonylových zlúčenín – Aldehydy vs. ketóny • Ketóny sú stabilnejšie (= menej reaktívne) ako aldehydy. • Čím viac alkylových skupín na C=O, tým väčšia stabilizácia. (analogický +I efekt ako u alkénov, karbkatiónov a radikálov)
• Prejavom odlišnej stability aldehydov a ketónov je rozdiel ich spalných tepiel.
• Ten rozdiel je podstatne väčší ako u analogických alkénov (DHC=O > DHC=C)
12
Fyzikálne vlastnosti aldehydov a ketónov – Vodíkové väzby Bod varu • Aldehydy a ketóny nie sú donormi vodíkovej väzby – neposkytujú H+. Tvoria veľmi slabé intermolekulové mostíky. Majú nižšie body varu ako analogické alkoholy!
13
Fyzikálne vlastnosti aldehydov a ketónov – Vodíkové väzby Rozpustnosť vo vode • Aldehydy a ketóny sú akceptormi vodíkovej väzby – prijímajú H+. Sú dobre rozpustné vo vode.
14
Senzorické vlastnosti aldehydov a ketónov – Zápach
Butanal (amfifilný, penetruje!) Oxiduje sa na kyselinu maslovú Zápach rozkladajúceho sa potu
Akroleín (karcinogén!) Vzniká pyrolýzou mäsa Typický zápach barbecue 15
Senzorické vlastnosti aldehydov a ketónov – Vôňa
Citral Cymbopogon nardus (Eau Savage®, Christian Dior)
Jazmón Jasmine officinalis (Caléche®, Hermés)
Vanilín Vanilla planifolia (Shalimar®, Guerlain)
b-Jonón Rosa damascena (Diva®, Emanuel Ungaro)
16
Senzorické vlastnosti aldehydov a ketónov – Chuť
Gingerol (Zingiber officinale) Ostrá chuť čerstvého zázvoru Antiemetikum, antimigrenikum
Heptán-2-ón / Nonán-2-ón Pikantná chuť plesnivých syrov Rocquefort, Gorgonzola, Stilton
Bután-2,3-dión (Diacetyl) Maslová príchuť popcornu Moţné zdravotné riziko!
Humulón (Humulus lupulus) Horká chuť chmeľového piva Antioxidant, inhibítor angiogenézy 17
Syntéza aldehydov a ketónov – Oxidácia 1° a 2° alkoholov „Jemné“ oxidačné činidlá (prevencia preoxidácie): - Pyridínium chlórchromát (PCC) = pyridín/HCl/CrO3/DCM - Pyridínium dichromát (PDC) = pyridín/CrO3/DCM - Oxid manganičitý (burel) – oxidácia alylalkoholov - Swernova oxidácia = (COCl)2, DMSO, -78°C - TPAP = tetrapropylamónium perrutenát - Dess-Martinov perjodinán = hypervalentný jód (I+5)
+
18
Syntéza aldehydov a ketónov – Oxidácia alkoholov – Jones • Ak alkohol nie je kyslo-labilný, je výhodné pouţiť dichróman disodný v zriedenej kyseline sírovej. • Zmes sa obvykle pridá do roztoku alkoholu v acetóne. Mechanizmus Jonesovej oxidácie: Cr(VI)
- Najprv dochádza vo vode ku vzniku HCrO4- aniónu, ktorý v kyslom prostredí vytvorí s alkoholom príslušný chrómový ester. Ten defragmentuje za vzniku produktu a súčasnej eliminácie HCrO3- aniónu. - Soli Cr4+ reagujú s Cr6+ zlúčeninami za vzniku 2 x Cr5+ molekúl. Tie oxidujú alkoholy rovnakým spôsobom a sú zároveň redukované aţ na konečné Cr3+ soli. - Ukončenie oxidácie indikuje evidentná zmena farby reakčnej zmesi z oranţovej (Cr6+) na zelenú (Cr3+). - Potenciálny problém: vo vode sú aldehydy hydratované preoxidácia na karboxylové kyseliny!
19
Syntéza aldehydov a ketónov – Oxidácia alkoholov – PDC, PCC, TPAP • Kľúčové je bezvodé prostredie - pouţitie PCC resp. PDC v dichlórmetáne.
kyslý
neutrálny
• Alternatívou je pouţitie systému TPAP/NMO - stačí kat. mnoţstvo Ru6+-soli, čo rieši problém toxického odpadu ako napríklad Cr-oxidantov. Stechiometrickým oxidantom je NMO, ktorý sa redukuje na amín a zároveň reoxiduje ruténium späť na Ru(VI). Obzvlášť vhodné v prípade senzitívnych aldehydov.
20
Syntéza aldehydov a ketónov – Oxidácia alkoholov – Dess-Martin • Ďalšou moţnosťou je pouţitie Dess-Martinovho perjodinánu, oxidačného činidla objaveného v 1983. • Pripravuje sa oxidáciou kyseliny 2-jódbenzoovej, ktorá je dostupná diazotáciou kyseliny antranilovej.
• Jedná sa o veľmi jemné oxidačné činidlo, obzvlášť vhodné na oxidáciu senzitívnych alkoholov. • Napríklad (Z)-a,b-nenasýtený aldehyd je pripraviteľný zo (Z)-alylalkoholu bez C=C izomerizácie.
Daniel Benjamin Dess (19??) University of Illinois
James Cullen Martin (1928-1999) Vanderbildt University
21
Syntéza aldehydov a ketónov – Oxidácia alkoholov – Swern • Často vyuţívaným spôsobom oxidácie senzitívnych (alyl)alkoholov je Swernova oxidácia.
Mechanizmus Swernovej oxidácie:
T< -60°C
Dimetylsulfónium chlorid
Oxalyl chlorid
Daniel Swern (1916-1982) University of Maryland
- HCl
Sírny ylid
• Dimetylsulfoxid na úvod reaguje s oxalyl chloridom za vzniku elektrofilného sírneho intermediátu. • Eliminovaný chloridový anión následne nukleofilne atakuje atóm síry za vzniku plynných oxidov a Cl-. • Záverečný nukleofilný atak alkoholu, deprotonácia bázou a eliminácia dimetylsulfidu poskytne aldehyd. 22
Syntéza aldehydov a ketónov – Ozonolýza alkénov
Mechanizmus ozonolýzy:
23
Syntéza aldehydov a ketónov – Hydratácia alkínov • Alkíny podliehajú hydroborácii a po spracovaní bázickým hydroperoxidom poskytujú príslušné aldehydy ako produkty anti-Markovnikovej adície (Brownova reakcia).
• Alkíny podliehajú v kyslom prostredí Markovnikovej adícii vody za vzniku príslušných ketónov. • Terminálne alkíny poskytujú výlučne metylketóny, zatiaľ čo interné alkíny dávajú zmes produktov.
Herbert Charles Brown (1912-2004) Nobelova cena 1979 Purdue University 24
Syntéza aldehydov a ketónov – Hydroformylácia • Terminálne alkény poskytujú v atmosfére oxidu uhoľnatého a vodíka za katalýzy zlúčeninami kobaltu alebo ródia príslušné aldehydy v priemyselnom meradle (Hydroformylácia, OXO PROCES).
Mechanizmus hydroformylácie:
25
Syntéza aldehydov a ketónov – Wackerova oxidácia • Alkény podliehajú v prítomnosti katalytického systému PdCl2/CuCl2 adícii vody a poskytujú príslušné aldehydy alebo ketóny v priemyselnom meradle (Wackerova oxidácia).
Mechanizmus Wackerovej oxidácie:
26
Syntéza aldehydov – Redukcia esterov • Estery karboxylových kyselín (RCO2R´) je moţné selektívne zredukovať na príslušné aldehydy. • Pouţíva sa silné a zároveň stéricky objemné redukčné činidlo (prevencia totálnej redukcie).
27
Syntéza aldehydov – Redukcia chloridov kyselín • Acylchloridy (RCOCl) je moţné zredukovať na príslušné aldehydy tri-terc-butoxyalumínium hydridom za nízkej teploty.
Mechanizmus:
28
Syntéza ketónov – SE na aromátoch, a-Oxidácia Friedel-Crafts
Gatterman-Koch
CO, HCl
O
CuCl, AlCl3
Reimer-Tiemann
OH
OH CHCl3
O
NaOH
a-Oxidácia
O SeO2
29
Syntéza ketónov – Adícia organokovov na acylchloridy • Gilmanove kupráty (R2CuX) sa adujú na chloridy kyselín za vzniku príslušných ketónov.
+ CH3Cu + LiCl
• Analogicky reagujú s chloridmi kyselín aj dialkylkademnaté činidlá za vzniku príslušných ketónov.
O R
O
Me2Cd Cl
R
Me
+ MeCdCl
30
Syntéza ketónov – Adícia organokovov na nitrily • Organolítne (RLi) a Grignardove činidlá (RMgX) sa adujú na nitrily za vzniku príslušných ketónov.
• Nedochádza ku dvojnásobnej adícii, nakoľko by na dusíku v takom prípade vznikol dianión...
31
