E 102.1: Grundlagen der hemie - rganische hemie Prof Dr. E. Landau und Prof. Dr. J. A. obinson 10. Die arbonylgruppe : Aldehyde und Ketone - Nucleophile Addition Die = Doppelbindung - der arbonylgruppe - ist die wichtigste funktionelle Gruppe der organischen hemie. Dieses Kapitel befasst sich mit der hemie der Aldehyde und Ketone. 10.1 Arten von arbonylgruppen Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Klassen von arbonyl-verbindungen: Aldehyd Keton arbonsäuren Alkanoylhalogenid l -al -on -säure -säurechlorid -oylchlorid Anhydrid Ester Lacton (yclischer Ester) ' ' -säureanhydrid -oat -lacton Thioester S ' Amid (yclisches Amid = Lactam) N -amid Es kann nützlich sein, die arbonyl-verbindungen in zwei Klassen zu unterteilen :
Aldehyd Keton arbonsäuren Alkanoylhalogenid Anhydrid Ester Lacton (yclischer Ester) Amid (yclisches Amid = Lactam) ' l S ' N ' Aldehyde und Ketone besitzen entweder ein -Atom oder eine Alkyl- oder Aryl- Gruppe. Solche Gruppen können keine negative Ladung tragen. Sie können deswegen nicht als eine Abgangsgruppe dienen. Aldehyde und Ketone besitzen ähnliche chemische Eigenschaften, unterscheiden sich aber in ihrer hemie von der der arbonsäure- Derivate. Der Acyl-est () in arbonsäuren und ihren Derivaten ist an ein eteroatom gebunden (-l, -, -N 2 ). Diese elektronegativen eteroatome können eine negative Ladung tragen und können deswegen als Abgangsgruppen dienen. Die hemie dieser arbonyl-verbindungen ist deswegen untereinander ähnlich. 10.2 Struktur und chemische Eigenschaften der arbonylgruppe Das Kohlenstoffatom der arbonylgruppe ist sp 2 -hybridisiert und daher planar. Die Bindungswinkel am -Atom betragen etwa 120 o. Ein einfaches Modell der arbonylgruppe gibt das -Atom auch als sp 2 -hybridisiert an. Die M-Theorie zeigt aber ein alternatives Bild mit den zwei freien Elektronenpaaren nicht in sp 2 ybrid-rbitalen, sondern eines in einem s-ähnlichen und das zweite in einem p-ähnlichen rbital: Der Vergleich mit der elektronischen Struktur der Doppelbindung in Alkenen zeigt zwei wesentliche Unterschiede: Das Sauerstoffatom trägt zwei freie Elektronenpaare und ist auch stärker elektronegativ als. Es beeinflusst die π-elektronenwolke so, dass eine nennenswerte Polarisierung der =-Bindung zu beobachten ist:
Auf diese Weise wird das Kohlenstoffatom elektrophil und das Sauerstoffatom nucleophil und leicht basisch : 10.3 Nomenklatur der Aldehyde und Ketone Die Vertreter dieser Klasse von Verbindungen werden, mit systematischen und mit Trivialnamen benannt. Aldehyde Die systematischen Namen der Aldehyde leiten sich von denen der entsprechenden Alkane durch inzufügung der Endung -al ab. Die Position der =-gruppe wird nicht spezifiziert. Definitionsgemäss ist ihr -Atom -1. Solange die Aldehydfunktion der längsten Kohlenstoffkette angehört, ist auch die Numerierung der anderen -Atome eindeutig festgelegt : thanal (Formaldehyd) Ethanal 2-exanon 4,6-Dimethylheptanal (Acetaldehyd) (exan-2-on) Entsprechend den IUPA-egeln heissen Ketone Alkanone, dabei wird die Endung -on an den Namen des entsprechenden Alkans angehängt. Die Position der arbonylgruppe in der längsten Kette wird durch Numerierung in der Weise festgelegt, dass das Kohlenstoffatom der arbonylgruppe die niedrigste mögliche Nummer erhält. Acylgruppe = Acetylgruppe = Formylgruppe = 10.4 eaktionen von Aldehyden und Ketonen : Nucleophile Additonsmechanismen Die arbonylgruppe ist stark polarisiert, und demzufolge greifen Elektrophile das Sauerstoffatom und Nucleophile das Kohlenstoffatom an. Eine der wichtigsten eaktionen, die Aldehyde und Ketone eingehen, ist die Nucleophile Addition an der arbonylgruppe :
Wir können die folgenden allgemeinen chanismen schreiben : Das Elektronenpaar an dem Nucleophil greift das elektrophile arbonyl--atom an. Die zwei p-elektronen in der = Doppelbindung werden auf das -atom verschoben. Das arbonyl- -Atom wird von sp 2 zu sp 3 umhybridisiert. Das tetraedrische Zwischenprodukt nimmt ein Proton aus dem Lösungsmittel auf und ergibt ein neutrales Produkt. 10.4.1 Nucleophile Addition von Wasser Wasser kann sich als ein Nucleophil benehmen, obwohl seine Nucleophilie gar nicht so stark ist (vgl. Seite 74). In der Wasserlösung ensteht also ein Gleichgewicht zwischen der arbonylverbindung und dem entsprechenden geminalen Diol, das auch als arbonylhydrat bezeichnet wird: arbonylhydrate entstehen nur langsam im Wasser bei p 7, werden aber in Gegenwart von Säuren oder Basen beträchtlich schneller gebildet. Die eaktion wird also durch Säure oder Base katalysiert - Die Gleichgewichtskonstante bleibt identisch, die eaktion erreicht die Gleichgewichtslage aber schneller. Warum? Katalyse
Im Fall von Basenkatalyse, bei p>7, sind - Ionen vorhanden, was gegenüber Wasser ein viel stärkeres Nucleophil ist : Im basenkatalysierten chanismus agiert das ydroxid-ion als Nucleophil. Wasser fängt dann das intermediäre Addukt unter Bildung des geminalen Diols ab, wobei der Katalysator wieder frei wird. Im säurekatalysierten chanismus erfolgt zuerst eine Protonierung auf das Lewis-basische arbonyl-. Dadurch wird die = Gruppe stärker polarisiert, und das arbonyl--atom ein stärkeres Elektrophil. Jetzt greift ein Wassermolekül, obwohl es immer noch ein schwaches Nucleophil ist, auch sehr rasch an : Ein Proton wird auf das arbonyl- -Atom übertragen. Der Aldehyd bzw. das Keton ist dadurch viel leichter von Nucleophilen angreifbar. Die Nucleophile Addition führt zu einem protonierten geminalen Diol. Der Verlust eines Protons ergibt ein neutrales Produkt, und das Proton wird zurückgewonnen. Es ist zu bemerken, dass der basen-katalysierte Prozess rascher abläuft, weil das - -Ion ein viel besseres Nucleophil ist als ein Wassermolekül. Der säure-katalysierte Prozess hingegen läuft rascher ab, weil durch Protonierung der arbonylgruppe ein besseres Elektrophil für den nucleophilen Angriff gebildet wird.
Den eaktionsgleichungen ist zu entnehmen, dass die ydratisierung von Aldehyden und Ketonen reversibel ist. Für Ketone liegt das Gleichgewicht normalerweise auf der linken Seite, für Formaldehyde und Aldehyde mit elektronenziehenden Substituenten rechts. Aldehyde weisen Gleichgewichtskonstanten um 1 auf, z.b.: Kinetik: Allgemein finden Additionen an =-Gruppen umso schneller statt, je elektrophiler das arbonyl--atom ist : eihenfolge der eaktivität von =-Gruppen bei eine nukleophile Addition: l 3 Man kann die elektrophile Kraft dieses Zentrums grob mit der Stabilität des in der dipolaren esonanzstruktur formulierten arbeniumions korrelieren. Das höher (mit Alkylgruppen) substituierte arbeniumion ist das stabilere, und seine eaktivität sinkt in dieser eihenfolge. Elektronenziehende Substituenten destabilisieren das positiv polarisierte -Atom, weswegen es bei einem nucleophilen Angriff reaktiver ist. 10.4.2 Nucleophile Addition von Alkoholen Aldehyde und Ketone reagieren mit Alkoholen in Gegenwart eines Säure-Katalysators und geben Acetale und Ketale als Produkte. Z.B.: + 2 ' Acetal + 2 + 2 ' Ketal + 2 Es sollte nicht überraschen, dass auch Alkohole an Aldehyde und Ketone addieren, wobei der chanismus dem der ydratisierung praktisch gleicht. Die so erhaltenen Produkte nennt man albacetale oder albketale :
Diese Additionsreaktionen werden ebenfalls von einem Gleichgewicht beherrscht, das normalerweise auf der Seite der arbonylverbindung liegt. In Gegenwart eines Überschusses an Alkohol geht die säurekatalysierte eaktion mit Aldehyden oder Ketonen über die albacetal-stufe hinaus : + + Dieser zweite Schritt kann als eine S N 1 Substitutionsreaktion (sp 3 -Zentrum) angesehen werden : Die ydroxygruppe wird protoniert, wodurch eine gute Abgangsgruppe (Wasser) entsteht. Das resultierende arbeniumion ist durch ein freies Elektronenpaar des -Atoms resonanzstabilisiert. Ein zweites Molekül Alkohol addiert nun an das elektrophile -Atom, was zu einem protonierten Acetal führt, dass dann zum Endprodukt deprotoniert wird. Dabei ist jeder Schritt reversibel. Die gesamte eaktionsfolge von der arbonylverbindung bis zum Acetal ist ein Gleichgewichtsprozess. Durch Manipulation der eaktionsbedingungen kann das Gleichgewicht nach rechts oder nach links verschoben werden: Acetal/Ketal Bildung benötigt einen Alkoholüberschuss
(Überschuss), kat. + Ph Ph + 2 Acetal/Ketal ydrolyse benötigt einen Wasserüberschuss Et Et 2 (Überschuss), kat. + + 2 Et 1,2-Ethandiol (Glycol) und ähnliche Diole reagieren mit Aldehyden und Ketonen in Gegenwart katalytischer ngen Säure zu zyklischen Acetalen und Ketalen : Eine wichtige Eigenschaft der Acetale und Ketale ist ihre relative Inertheit gegenüber Basen, Grignard- eagenzien, ydrid-eduktionsmitteln und anderen Nucleophilen. Dies ist nicht allzu überraschend, wenn man sie als Ether auffasst. Man kann Acetale und Ketale als "maskierte" Aldehyde oder Ketone betrachten. Ins besondere die cyclischen Systeme werden in der synthetischen hemie als Schutzgruppen für die arbonylfunktion in Aldehyden und Ketonen verwendet. albacetale und albketale sind meist nicht isolierbar. Man kann aber albacetale oder albketale von ydroxyaldehyden oder ydroxyketonen isolieren, wenn ein ingschluss zur Bildung von relativ spannungsfreien Fünf- oder Sechsringen führt : Dies kann man mit ilfe der Entropie erklären. In intermolekularen eaktionen kombinieren 2 Moleküle unter Bildung einer neuen Struktur. Dies ist entropisch ungünstig. Entsprechend ist die umgekehrte eaktion entropisch begünstigt. Im Gegensatz dazu wandelt sich bei der intramolekularen eaktion ein Molekül in ein neues um. Jetzt ist die Entropieänderung viel geringer, und dementsprechend liegt das Gleichgewicht mehr auf der Produktseite, da die Enthalpiebilanz günstig ist.
Die intramolekulare Bildung von albacetalen hat in der hemie der Zucker (Kohlenhydrate) grosse Bedeutung. Unten wird D-Glucose in eine Fischer-Projektion dargestellt: 2 2 In Lösung liegt Glucose in einem Gleichgewicht zwischen der offenkettigen und der cyclischen albacetalform vor, wobei die zweite stark überwiegt. bwohl sich prinzipiell jede der fünf ydroxygruppen an die arbonylgruppe des Aldehyds addieren könnte, ist die Bildung eines 6-ings in diesem Fall bevorzugt, obwohl teilweise auch 5-inge gebildet werden: 2 2 Monosaccharide, die als 6-ing vorliegen, nennt man Pyranosen nach dem sauerstoffhaltigen 6-ing Pyran. Monosaccharide, die als 5-ing vorliegen, nennt man Furanosen nach dem sauerstoffhaltigen 5-ing Furan aworth entwickelte eine Projektion, aus der sich die tatsächliche 3D-Struktur des Zuckermoleküls besser erkennen lässt, die aworth-projektion. 10.4.3 Nucleophile Addition von Grignard eagenzien Grignard eagenzien addieren an Aldehyde und Ketone in gleicher Weise wie andere Nucleophile unter Bildung von Alkoholen (Seite-87) :
Die negativ polarisierte Alkylgruppe greift das arbonyl--atom an. Das arbonyl--atom übernimmt das tall unter Bildung eines tall-alkoxids. Durch Zugabe von wässriger Säure wird tall-alkoxid hydrolysiert. So entstehen der Alkohol und ein Salz. Durch diesen chanismus können alle die auf Seite-87 angegebenen eaktionen zwischen Grignard- eagenzien und Aldehyden oder Ketonen erklärt werden. 10.4.4 Die nucleophile Addition von Aminen an Aldehyde und Ketone Kondensation zu Iminen, ximen und ydrazonen Man kann Amine als die N-Analoga der Alkohole betrachten. Das N-Atom ist jedoch stärker nucleophil als das -Atom, und daher addieren Amine sehr effektiv an arbonylgruppen von Aldehyden und Ketonen zunächst unter Bildung von albaminalen und dann von Iminen: ' N 2 p 4-5 ' N- reagiert rasch weiter - 2 ' N ' Ein Imin chanismus : Ein freies Elektronenpaar an N greift die arbonylgruppe an. Umprotonierung findet blitzschnell statt, und ein neues Gleichgewicht entsteht.
Das Molekül wird an dem -Atom protoniert, was zu einer Eliminierung von Wasser führt. Die Bildung eines Imins ist auch reversibel und durch Behandlung von wässriger Säure wird das Imin wieder zu einem Aldehyd oder Keton hydrolysiert. Eine eihe von anderen Imin-ähnlichen Derivaten können auch durch die eaktion zwischen einem Aldehyd oder Keton und einem Amin-Derivat ( 2 N-X) hergestellt werden, z.b.: N + N 2 Et, + ydroxylamin Keton/Aldehyd Ein xim N 2 2 N + 2 N N Et, N 2 N N N 2 Keton/Aldehyd 2,4-Dinitrophenylhydrazin Ein 2,4-Dinitrophenylhydrazon 10.4.5 Die Addition von Kohlenstoff-Nucleophilen an Aldehyde und Ketone yanhydrine Neben Alkoholen und Aminen können zahlreiche andere Nucleophile die arbonylgruppe angreifen. Besonders wichtig sind Kohlenstoff-Nucleophile, da man auf diesem Wege neue --Bindungen bilden kann. N, zum Beispiel, addiert an arbonylverbindungen, wodurch ydroxyalkannitrile gebildet werden, die auch yanhydrine genannt werden: KN, Et Ein yanhydrin KN, Et Ein yanhydrin Der chanismus der yanhydrinbildung beginnt mit einem nucleophilen Angriff des yanid-ions und endet mit einer Protonierung des -Atoms :
Die eaktion kann durch Basen leicht umgekehrt werden, da sie das Gleichgewicht durch Entzug der Protonen auf die Seite der freien yanid-ionen verschieben. Da die Nitrilgruppe durch weitere eaktionen umgewandelt werden kann, sind yanhydrine wichtige Zwischenprodukte : N 2, + ydrolyse eduktion 2, Pt 10.4.6 Die nucleophile Addition von ydrid - die EDUKTIN von Aldehyden und Ketonen Wir haben schon gesehen wie Aldehyde und Ketone zu Alkoholen reduziert werden können: NaB 4 Et LiAl 4 Et 2 (KEIN WASSE DE dabei) tallhydride wie NaB 4 und LiAl 4 übertragen ein Äquivalent ydrid ( - ) auf die =- Doppelbindung. Ein Aldehyd oder Keton wird so zu einem Alkohol reduziert: B
LiAl 4 ist reaktiver als NaB 4 und kann nur in aprotischen Lösungsmitteln wie Ether eingesetzt werden. Insgesamt werden alle vier Wasserstoffatome von Al 4 - auf vier arbonylgruppen übertragen. Auch mit Lithiumaluminiumhydrid lassen sich ydrid-ionen nucleophil an arbonylgruppen addieren : Al 3 Al 2 Al 4 10.5 xidation von Alkoholen und Aldehyden mit r 3 - chanismus Wir haben früher gesehen, dass Alkohole mit r 3 oxidiert werden können. Primäre Alkohole ergeben zuerst Aldehyde. Weitere xidation führt zu arbonsäuren. Die chanismen für solche xidations- Prozesse können folgenderweise formuliert werden: Ausgehend von einem Aldehyd kann in Gegenwart von Wasser ein arbonyl-ydrat gebildet werden, was dann über einen analogen chanismus oxidiert werden kann. Sekundäre Alkohole können aber mit diesem Verfahren nur bis zu Ketonen oxidiert werden:
10.6 Beispiele aus der biologischen hemie Viele der eaktionen die man im Labor verwendet kommen auch in der Natur vor: 3 Milchsäure (Lactic acid) N 2 3 + N Lactat- + Dehydrogenase Pyruvat NAD + N NAD N 2 Ein Biosyntheseweg zu gewissen a-aminosäuren verläuft zum Beispiel über eine nucleophile Addition von Ammoniak an eine a-ketocarbonsäure (hier Pyruvinsäure = Pyruvic acid) : N Alanin-Dehydrogenase 3 + N 3 3 NAD NAD +