Metody usuwania grupy karbonylowej z ketonów i aldehydów

Z W I Ą Z K I K A R B O N Y L O W E 10.2006
Aleksander Kołodziejczyk
Grupa karbonylowa -C=O występuje w wielu związkach organicznych, ale tylko aldehydy i
ketony nazywane są związkami karbonylowymi. W jedynie nich karbonylowy atom węgla jest
związany wyłącznie z atomami wodoru lub/i węgla. W pozostałych związkach zawierających
grupę -C=O, tj. w kwasach karboksylowych i ich pochodnych do karbonylowego atomu węgla
dołączona jeszcze inna grupa funkcyjna, np. -OH, -OR, -COR czy -X.
Związki organiczne zawierające grupę karbonylową Tabela
Nazwa Wzór ogólny Nazwa Wzór ogólny
aldehyd
O
ester
O
keton
kwas karboksylowy
bezwodnik kwasowy
chlorek kwasowy
(halogenek)
R
C
O
H
C
R R'
O
C
R OH
O
C C
R O
O
C
R Cl
O
R'
lakton (ester
cykliczny)
amid
laktam (amid
cykliczny)
R
C
OR'
O
C
O
C
C
R N
keten R C C O
Budowa grupy karbonylowej
Grupa karbonylowa C=O jest pod względem geometrycznym podobna do podwójnego wiązania
C=C. Wokół atomu C o hybrydyzacji sp 2 rozmieszczone są 3 podstawniki. UłoŜone są one w
jednej płaszczyźnie pod kątem zbliŜonym do 120 o . Wiązanie C=O jest krótsze niŜ C=C (1,22 Å i
1,43Å odpowiednio) i znacznie silniejsze – 175 kcal/mol (732 kJ/mol) wobec 92 kcal/mol (385
kJ/mol). Silniejsze nie oznacza mniej reaktywne. Wiązanie karbonylowe jest mocniej
spolaryzowane, co rzutuje na jej właściwości chemiczne i wysoką reaktywność.
H
C
H 3
C O
parametry fizyczne cząsteczki etanalu
Kąty walencyjne [ o ] Długości wiązań [A]
H-C-C 118 C=O 1,22
C-C-O
121
H-C-O 121
C-C 1,5
OC-H 1,09
C
O
C
N
O
Tabela
1

Karbonylowy atom węgla o hybrydyzacji sp 2 tworzy 3 wiązania typu σ i jedno π.
.
.
C O
orbitale p
..
.
..
C O .
elektrony na niezhybrydyzowanych
orbitalach p po nałoŜeniu
tworzą wiązanie typu π
Związki zawierające grupę karbonylową są polarne, poniewaŜ wiązanie C=O jest
spolaryzowane. Łatwo się domyślić, Ŝe częściowy ładunek dodatni jest zlokalizowany na atomie
węgla, zaś ujemny na atomie tlenu.
+δ -δ ...
C
Grupę karbonylową moŜna przedstawić w postaci wzorów mezomerycznych, przy czym na
jednym z nich są całkowicie rozdzielone ładunki. Prawdopodobieństwo występowania grupy
karbonylowej z rozdzielonymi ładunkami jest niskie, ale wyjaśnia on podatność tego typu
związków na atak odczynników nukleofilowych i kwasów:
+δ -δ
C
..
O.
.
O.
+ .. -
C O..
:
Dodatkowe podstawniki i grupy funkcyjne mogą zwiększać lub zmniejszać polarność tego
wiązania, a tym samym wpływać na wielkość momentu dipolowego cząsteczki i reaktywność
grupy. W tabeli przedstawiono wartości momentów dipolowych wybranych związków
zawierających grupę karbonylową.
Wartości momentu dipolowego wybranych związków zawierających Tabela
grupę karbonylową
Nazwa Wzór Grupa związku Moment
dipolowy [D]
metanal H2C=O aldehyd 2,33
etanal CH3HC=O aldehyd 2,72
aceton (CH3)2C=O keton 2,88
acetofenon PhCOCH3 keton 3,02
cyklobutanon
O
keton 2,99
kwas octowy CH3COOH kwas karboksylowy 1,74
chlorek acetylu CH3COCl chlorek kwasowy 2,72
octan metylu CH3COOCH3 ester 1,72
acetamid CH3CONH2 amid 3,72
N,N-dimetyloacetamid
CH3CON(CH3)2 amid 3,81
2

Reaktywność związków karbonylowych
Reaktywność związków zawierających grupę karbonylowa jest związana z właściwościami
elektronowymi atomów wchodzących w jej skład, przede wszystkim z dodatnio naładowanym
karbonylowym atomem węgla C +δ i ujemnie naładowanym atomem tlenu O -δ .
Karbonylowy atom węgla C +δ jest podatny na atak odczynników nukleofilowych (:Nu), a atom
tlenu O -δ na działanie kwasów (A). Powinowactwo karbonylowego atomu węgla do nukleofila
:Nu będzie modyfikowane właściwościami elektronowymi związanej z nim grupy funkcyjnej Y.
Grupy elektronoakceptorowe będą powinowactwo zwiększały, a eletronodonorowe –
zmniejszały. Reaktywne są równieŜ atomy wodoru przy Cα. Mają one podwyŜszoną ruchliwość.
Sąsiedztwo grupy karbonylowej zwiększa ich kwasowość kwaśne w porównaniu z typowym
alifatycznym atomem wodoru, a przez to łatwiej ulegają oderwaniu pod wpływem zasad (B:).
:B
-δ .. A
O:
+δ
C C
Y
H
:Nu
A kwas
:B
zasada
:Nu nukleofil
-δ .. + A
O:
+δ
C C
Y
H
: O
C C
Y
H
.. + A
A – kwasy Lewisa (np.: + H, + NH2, BF3, AlCl3, itp.) wykazując duŜe powinowactwo do
karbonylowego atomu tlenu O tworzą z nim kompleksy.
:B – zasady Lewisa (np.: - H, - NH2, - OH, - OR, NR3, itp.) mając powinowactwo do ruchliwych
protonów odrywają H przy Cα w stosunku do grupy karbonylowej:
:B
-δ ..
O:
+δ
C C
Y
H
- + BH
..
O:
C C
-
Y
.. -
: O:
C C
Y
↑
Powstający po oderwaniu protonu karboanion jest podatny na atak odczynnika elektrofilowego –
E + ; w ten sposób biegną reakcje kondensacji karbonylowej.
:Nu – wykazuje powinowactwo do dodatnio naładowanego węgla grupy karbonylowej i reakcja z
nim zaczyna się od addycji do karbonylowego atomu węgla. Dalszy bieg reakcji zaleŜy od
właściwości podstawnika Y:
– moŜe nastąpić protonowanie atomu O lub
– eliminacja podstawnika - Y, jeŜeli jest dobrą grupą odchodzącą.
+ H
.. -
: O:
C C
Y
Nu
protonowanie
atomu O
albo
eliminacja
grupy Y
3

Do najpopularniejszych reakcji jakim ulegają związki zawierające grupę karbonylową naleŜą:
addycja nukleofilowa
acylowa substytucja nukleofilowa
substytucja α α α α i
kondensacja karbonylowa
Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej
JeŜeli podstawnik grupy karbonylowej -Y jest złą grupą odchodzącą (-H lub -R) to w reakcji z
nukleofilem dochodzi do addycji nukleofilowej, przy czym zmienia się hybrydyzacja obu
atomów tworzących grupę karbonylową (z sp 2 na sp 3 ), a po sprotonowaniu produktu addycji
(produktu pośredniego) powstaje alkohol. Tak reagują aldehydy i ketony z nukleofili.
.. -
: O:
: O:
: O H
..
C
R Y
:Nu
C
R
Y
Csp2 Csp3
Nu
+ H
R
Y
C
Csp 3
aldehyd lub keton produkt addycji alkohol
R i Y: H, alkil lub aryl Nu: -H (jon wodorkowy) lub związki Grignarda (R ’ MgX)
Substytucja na karbonylowym atomie węgla
Reakcja substytucji na grupie C=O moŜe biec dwoma sposobami (A i B). Wg A w końcowym
produkcie zostaje zachowana grupa C=O, a wg B tworzy się ugrupowanie C=Nu.
Sposób A
Związki karbonylowe zawierające łatwo odchodząca grupę Y, np. -OH, -OR, -SR, -C(O)OR,
lub -halogen po przyłączeniu nukleofila :Nu tworzą produkt pośredni (addukt), z którego
odszczepia się grupa Y i powstaje inny związek zawierający grupę karbonylową, np. kwas
karboksylowy zostaje przekształcony w ester, chlorek kwasy w amid itp. Są to reakcje
charakterystyczne dla kwasów karboksylowych i ich pochodnych. Nie wszystkie przedstawione
powyŜej podstawniki Y naleŜą do grup łatwo odchodzących, ale w odpowiednich warunkach
mogą zostać w takie grupy przekształcone, np. -OH czy -OR po protonowaniu do H + OH lub
H + OR stają się grupami łatwo odchodzącymi.
-δ ..
-
: O:
: O:
:Nu
C
C
R Y
R Nu
+ δ
Y
Csp2 Csp3
- Y -
: O:
C
R Nu
Csp 2
R: H, alkil lub aryl Y: halogen; -OR, -OH, -SR, -C(O)OR
Według sposobu A z nukleofilami reagują kwasy karboksylowe i ich pochodne.
- δ
+ δ
Nu
4

Sposób B
Aldehydy i ketony reagują z niektórymi związkami zawierającymi grupę aminową -NH2 w ten
sposób, Ŝe po ich addycji do karbonylowego atomu węgla, następuje eliminacja atomu tlenu w
postaci cząsteczki wody, jako najlepiej odchodzącej grupy w powstałym związku przejściowym.
Produktem takiej reakcji jest imina.
-δ ..
..
-
-
δ
: O:
: O:
: O H : N R'
:NH2R' - HOH
C
C + C
R Y
R NH2R' R NHR' C
+ δ
..
Y
Y
R + δ Y
Csp2 Csp3
Csp 3
Csp 2
aldehydy lub ketony iminy
Y: H, alkil lub aryl :NH2R’: aminy 1 o , hydrazyna i inne związki zawierające grupę -NH2
Substytucja α
W reakcji substytucji αααα dochodzi do podstawienia uaktywnionego atomu wodoru przy Cα w
stosunku do grupy karbonylowej. Miejsce Hα moŜe zająć elektrofil, np. halogen lub alkil.
Reakcja biegnie poprzez formę enolanową.
H
C
: O:
C
E
Y
związek karbonylowy
C
: O:
C
Y
C
..
: O
C
- H +
α-podstawiony związek karbonylowy
..
H : O H
Y
+ E
E
E
C
C + Y
C
+
: O H
Przykładem takiej reakcji moŜe być otrzymywanie α-bromoacetofenonu. Związek ten jest silnym
lakrymatorem (draŜni oczy).
O
C
CH 3
+ Br 2
AcOH
O
C
C
CH 3
Y
+ HBr
acetofenon α-bromoacetofenon (72%)
Reakcje kondensacji związków karbonylowych
W środowisku zasadowym aldehydy i ketony zawierające Hα ulegają dimeryzują.
O O - OH O
OH
CH3CH + CH3CH CH3CHCH2CH etanal etanal 3-hydroksybutanal
5

Mechanizm
Reakcja zaczyna się od oderwania protonu Hα i utworzenia karboanionu, który jako nukleofil
przyłącza się do karbonylowego atomu węgla wg uprzednio poznanych reguł. Powstający enolan
po zakwaszeniu tworzy aldol. Ta nazwa pochodzi od skrótu sporządzone ze słów
aldehydoalkohol.
..
: O
C
H2C H
H
etanal
- HB
:B -
: O
..
- C
H2C.. H
aldol
(3-hydroksybutanal)
O
C H3C H3C H H
C
H 3
.. -
: O :
H
C
CH 2
..
: O H
C
CH 2
O
C
+ H/HOH
Do tego typu reakcji naleŜy kondensacja aldolowa aldehydów i ketonów, kondensacja Claisena
estrów i szereg innych podobnych reakcji.
A L D E H Y D Y I K E T O N Y
Do aldehydów zalicza się związki zawierające przy karbonylowym atomie węgla resztę
organiczną i atom wodoru. Szczególnym przypadkiem jest metanal (aldehyd mrówkowy inaczej
formaldehyd), poniewaŜ z karbonylowym atomem węgla związane są dwa atomy wodoru.
W ketonach do grupy karbonylowej przyłączone są dwie reszty organiczne.
R
O
C
H
aldehydy, R: alkil, aryl lub H ketony, R, R’: alkil lub aryl
Występowanie
Aldehydy są związkami nietrwałymi, poniewaŜ łatwo ulegają utlenieniu. Dlatego chociaŜ
występują często w naturze, rzadko spotyka się je w duŜych stęŜeniach. Jako składniki niektórych
olejków eterycznych znaleziono: cytronellal, neral (cytral b), geranial (cytral a), aldehyd
benzoesowy (benzaldehyd) czy aldehyd anyŜowy. Znane są teŜ pochodne aldehydu 3,4dihydroksybenzoesowego.
Aldehydy stanowią waŜne substraty w biosyntezie.
CHO CHO CHO
α β
cytranellal neral geranial
H
R
H
O
C
R'
CHO
O
C
H
H
CHO
aldehyd
benzoesowy
6

Do aldehydów naleŜy aldosteron, przedstawiciel hormonów kortykosterydowych (hormonów
nadnercza). Obecność grupy aldehydowej wyraŜona jest w nazwie związku – aldosteron.
O
HO
OHC
H
H H
COCH 2 OH
aldosteron
Popularnymi aldehydami są cukry – aldozy, np. D-glukoza. W odróŜnieniu od innych aldehydów
są to związki trwałe, poniewaŜ jako polihydroksyaldehydy tworzą hemiacetale – odporne na
utleniające działanie tlenu z powietrza.
H
HO
H
H
CHO
C
C
C
C
OH
H
OH
OH
CH 2 OH
HO
HO
OH
O
HO
H
OH
D-glukoza hemiacetal
Niezwykle interesującymi (ze względu na moŜliwość praktycznego zastosowania do zwalczania
owadów) są substancje utrudniające Ŝerowanie owadów - IAF (ang. insect antifeedants). Są
pośród nich aldehydy naleŜące do terpenoidów, np. poligodial (tadeonal), ajugaryny (I-V) lub
ajugomaryna. IAF wydzielają niektóre rośliny, Ŝeby chronić się przed Ŝerującymi na nich
owadami, np. przed szarańczom. Jak dotychczas naturalne IAF nie znalazły praktycznego
zastosowania (są zbyt skomplikowane, Ŝeby je syntezować, a w naturze występują w małym
stęŜeniu). Jednak na ich podstawie zaprojektowano prostsze związki o zbliŜonej aktywności.
H 3 C
H
CHO
CHO
H3C H
OCOCH 3
O
CH 3
O CH2 OCOCH 3
poligolial (tadeonal) ajugaryna I
Naturalne ketony są znacznie popularniejsze od aldehydów. Nietrudno zauwaŜyć, Ŝe aldosteron
jest takŜe ketonem. Pozostałe kortykosterydy teŜ zawierają grupę lub grupy ketonowe. Do
ketonów naleŜy większość hormonów płciowych: estron, progesteron, testosteron i androsteron.
H
O
O
H H
O
H H
progesteron testosteron
H
O
OH
7

Pośród terpenoidów spotyka się wiele związków zawierających grupę ketonową; jako przykłady
moŜna podać menton, karwon, tujon czy kamforę:
O
O O
O
(-)-menton (+)-karwon (-)-α-tujon kamfora
Ketonami są substancje zapachowe pochodzenia zwierzęcego, takie jak cybeton i muskon.
O
cybeton muskon
Grupę ketonową zawierają cukry – ketozy, czyli polihydroksyketony, a najpopularniejszą pośród
nich jest D-fruktoza. Ketozy, tak jak i aldozy występują w formie hemiacetalowej.
Nomenklatura
Aldehydów
1.Systematyczna
Nazwy aldehydów tworzy się przez dodanie końcówki -al do nazwy węglowodoru
macierzystego.
O
O C
H C H
3
C
H H etanal CH CH 3 2
O
C
H
O
CH CH 2 3
CH3CHCH2CHCHO CH 3
metanal propanal 4-etylo-2-metylopentanal
2. Karboaldehydowa
Inny systematyczny sposób nazywania aldehydów polega na dodaniu do nazwy węglowodoru
związanego z grupą -CHO przyrostku karboaldehyd wraz z łącznikiem „o”. Stosowany
najczęściej w nazywaniu skomplikowanych związków.
CHO
H
H
Et H
CHO
cykloheksanokarboaldehyd (1R,2R)-2-etylocyklo-heksano-1-karboaldehyd
3. Podobną rolę pełni przedrostek formylo:
CH 2 CHO
OCHCH 2 CH 2 CHCHCHO
CH 3
OHC COOH
3-(formylometylo)-2-metyloheksanodial kwas 4-formylobenzoesowy
8

4. Odkwasowa
Popularny, półsystematyczny sposób nadawania nazw aldehydom wywodzi się od kwasów
karboksylowych. Te dwie grupy związków są z sobą spokrewnione, poniewaŜ utlenienie
aldehydów prowadzi do kwasów zawierających tę samą resztę organiczną. Mamy więc aldehyd
mrówkowy (metanal, zwany takŜe formaldehydem) wywodzący się od kwasu mrówkowego,
podobnie aldehyd octowy (etanal), propionowy (propanal), masłowy (butanal), izomasłowy (2metylopropanal)
benzoesowy czy salicylowy.
5. Nazwy zwyczajowe
Niektóre aldehydy znane są prawie wyłącznie pod nazwami zwyczajowymi, np. aldehyd
salicylowy czy anyŜowy.
CHO
(CH CHO
3 ) 2CHCHO H
OH 3CO aldehyd izomasłowy aldehyd anyŜowy
(2-metylopropanal) aldehyd salicylowy (p-metoksybenzoesowy)
(o-hydroksybenzoesowy)
Nomenklatura ketonów
1. Systematyczna
Zgodnie z zasadami IUPAC nazwy ketonów tworzy się przez dodanie do nazwy węglowodoru
macierzystego końcówki „on”:
O O
O CH3 O
C CH
CH3CH=CCH2CCH3 3CCH2CH2CH3 H3C CH3 pentan-2-on
4-metyloheks-4-en-2-on
propanon (aceton) cykloheksanon
2. Grupowo-funkcjonalna
Powszechnie stosowany sposób nazywania ketonów, tzw. grupowo-funkcyjny polega na
wymienieniu po słowie keton w porządku alfabetycznym, rozdzielone myślnikiem nazwy reszt
alkilowych (arylowych) związanych z grupą karbonylową,. NaleŜy pamiętać o tym, Ŝeby uŜywać
nazw reszt organicznych w formie przymiotnikowej, tj. np. keton metylowo-propylowy, a nie
metylo-propylowy, gdyŜ w wymowie ta druga forma jest równoznaczna z ketonem
metylopropylowym, a to oznacza inny związek.
C
H 3
O
C
CH 2 CH 2 CH 3
CH 3 CHCH 2
CH 3
O
CH 2 CHCH 3
CH 3
keton metylowo-propylowy (keton metylopropylowy)
keton bis(2-metylopropylowy)
3. Podstawnikowa
Tlen grupy ketonowej =O, jako podstawnik nosi nazwę okso i moŜna tego przedrostka uŜywać w
tworzeniu nazw podstawnikowych. Zastępuje ona dawniej uŜywany przedrostek „keto”.
C
9

O CH 2 CH 2 CH 2 COOH
kwas 4(4-oksocykloheksylo)butanowy
O
8
6
9
O
10
5
O
1
4
3
COOH
H
O
kwas 1,3,6,8-tetraokso-1,2,3,6,7,8,-
-heksahydropireno-2-karboksylowy
4. Zwyczajowa
Wiele ketonów ma nazwy zwyczajowe. Oprócz wymienionych uprzednio ketonów naturalnych
naleŜy znać takie związki jak aceton, acetofenon czy benzofenon:
C
H 3
O
C aceton
CH 3
O
O
acetofenon
C C
CH 3
benzofenon
Właściwości fizykochemiczne
Metanal jest gazem (tw. -19 o C), etanal zaś bardzo lotna cieczą, lotniejszą niŜ eter etylowy (tw.
20,8 o C), a propanal wrze w temp. 48 o C. Metanal i etanal mieszają się z wodą w kaŜdym
stosunku; rozpuszczalność w wodzie wyŜszych aldehydów maleje wraz ze wzrostem ich masy
cząsteczkowej; przykładowo propanal, n-butanal i aldehyd benzoesowy rozpuszczają się w
wodzie odpowiednio: 28, 4 i 3 g/100 ml w 20 o C. Aldehydy i ketony rozpuszczają się dobrze w
większości rozpuszczalników organicznych. Wodny roztwór metanalu (25-37%) znany pod
nazwą formaliny zawiera często metanol jako stabilizator. Formalina ma silne działanie
antyseptyczne i słuŜy do przechowywania preparatów organicznych.
Metanal ma bardzo silny, draŜniący i duszący zapach, etanal nieco słabiej, ale teŜ bardzo
intensywnie oddziałuje na zmysł powonienia. Zapach wyŜszych aldehydów alifatycznych jest
bardzo nieprzyjemny („smrodliwy”). Benzaldehyd i wiele innych aldehydów aromatycznych
charakteryzują się specyficznym zapachem gorzkich migdałów.
Aceton wrze w temperaturze 56 o C i miesza się z wodą w kaŜdym stosunku. Ma
charakterystyczny rozpuszczalnikowy zapach. Aceton jest popularnym rozpuszczalnikiem
stosowanym do rozpuszczania związków organicznych (w tym farb i lakierów).
Otrzymywanie aldehydów
1. Utlenianie
Alkohole 1 o moŜna przeprowadzić w aldehydy pod wpływem odpowiednio dobranych
utleniaczy, naleŜy jednak zapewnić warunki zabezpieczające przed dalszym utlenieniem do
kwasów, poniewaŜ aldehydy łatwiej się utleniają do kwasów niŜ alkohole do aldehydów.
Rekomendowanym utleniaczem alkoholi 1 o do aldehydów jest chlorochromian pirydyny – w
skrócie PCC (ang. pyridium chlorochromate). Reakcja biegnie w dichlorometanie w
temperaturze pokojowej (RT – ang. room temperature).
N + CrO3Cl- H
PCC, chlorochromian pirydyny
10

PCC, RT
CH2OH CHO
CH2Cl2 cytronellol cytronellal (82%)
Aldehydy lotniejsze od wody otrzymuje się z odpowiednich alkoholi poprzez ich utlenienie za
pomocą dichromianu sodu we wrzącej wodzie. W tych warunkach powstający aldehyd usuwany
jest z utleniającego środowiska przez oddestylowanie. Przykładem moŜe być przekształcanie nbutanolu
(tw. 118 o C) w n-butanal (tw. 75 o C). Wydajności są jednak duŜo niŜsze niŜ w utlenianiu
za pomocą PCC.
Na 2 Cr 2 O 7 /H 2 SO 4
CH2OH HOH/tw
CHO
n-butanolu n-butanal (32%)
Jedna z przemysłowych metod otrzymywania aldehydu octowego polega na utlenianiu etanolu w
fazie gazowej w obecności katalizatora srebrowego.
500 o C
CH3CH2OH + 0,5 O2 CH
Ag
3CHO + HOH
etanol etanal (90%)
2. Odwodornianie
Alkohole 1 o moŜna odwodornić katalitycznie w obecności, np. katalizatora złoŜonego z miedzi i
tlenku chromu osadzonego na pumeksie. Jest to metoda preferowana w przemyśle.
CH 2 OH
Cu-CrO 3 /pumeks
CHO
- H 2 , 330 o C
n-heksanol n-hesanal (30%)
3.Ozonoliza
Z alkenów zawierających winylowy atom wodoru powstają aldehydy w reakcji ozonolizy.
1. O 3
2. Zn, AcOH 2
dec-5-en n-pentanal
4. Redukcja pochodnych kwasów karboksylowych
Dobrymi substratami w syntezie aldehydów są pochodne kwasów karboksylowych, głównie estry
i chlorki kwasowe. Większość reduktorów przeprowadza kwasy karboksylowe i ich pochodne je
w alkohole 1 o . Do otrzymania aldehydów potrzebne są reduktory specjalne, umoŜliwiające
selektywną redukcję. NaleŜy do nich hydroglinian diizobutylowy (wodorek didizobutyloglinowy
– DIBAH, ang. diisobutylaluminium hydride).
CH 3 (CH 2 ) 10 COOCH 3
1. DIBAH, toluen,-78 o C
2. H + /HOH
CHO
CH 3 (CH 2 ) 10 CHO
dodekanian metylu dodekanal (88%)
DIBAH: (CH 3 ) 2 CHCH 2 -Al(H)-CH 2 CH(CH 3 ) 2
H
Al
11

5. Redukcja Rosenmunda
Dawniej aldehydy otrzymywało się z chlorków kwasowych w reakcji uwodornienia wobec
zdezaktywowanego katalizatora palladynowego. Metoda ta nazywa się redukcja Rosenmunda.
6. Hydroliza geminalnych dihalogenopochodnych
Zarówno aldehydy, jak i ketony moŜna otrzymać poprzez hydrolizę geminalnych
dihalogenopochodnych. Jest to sposób przydatny wówczas, kiedy takie pochodne są łatwo
dostępne. Do popularnych naleŜy chlorek benzylidenu, otrzymywany w reakcji chlorowania
toluenu. W trakcie jego hydrolizy łatwo powstaje benzaldehyd:
CH 3
Cl 2 , hν
CHCl 2
- OH/HOH
CHO
toluen chlorek benzylidenu aldehyd benzoesowy
7. Hydratacja alkinów
Aldehydy i ketony tworzą się w reakcji addycji wody do alkinów. Reakcja jest katalizowana
przez sole rtęci. Z etynu powstaje etanal, a z pozostałych alkinów ketony. W ten sposób
otrzymywano aldehyd octowy przemysłowo, obecnie dominuje utlenianie etenu tlenem
gazowym.
HgSO 4
HC CH + HOH
CH3CHO etyn H2SO4 /HOH etanal
Otrzymywanie ketonów
120
CH2 =CH2 + 0,5 O2 oC CH3CHO Pd/CuCl2 eten etanal (94%)
1. Utlenianie
Ketony najłatwiej otrzymać z alkoholi 2 o , nie ma w tym przypadku obawy o ich dalsze
utlenienie. W ten sposób powstaje cykloheksanon z cykloheksanolu.
cykloheksanol
OH
Na 2 Cr 2 O 7 /H 2 SO 4
HOH
Utleniaczem alkoholi 2 o , tak jak 1 o moŜe być PCC.
O
cykloheksanon
W przemyśle cykloheksanon produkuje się przez utlenienie cykloheksanu powietrzem. Ten
sposób otrzymywania ketonów jest szczególnie przydatny w syntezie ketonów alifatycznoaromatycznych
poprzez utlenianie arenów zawierające odpowiednie łańcuchy boczne.
CH 2
powietrze
O
(79%)
CH C
3 CH3
100 o C
etylobenzen benzofenon
12

2. Ozonoliza
Ozonoliza odpowiednich alkenów prowadzi do ketonów:
1. O 3
2. Zn, AcOH
1-metylocykloheksen 6-oksoheptanal (86%)
3. Acylowanie
Niezwykle wygodnym sposobem otrzymywania ketonów alifatyczno-aromatycznych lub
aromatycznych jest reakcja acylowania arenów Friedla-Craftsa. Polega ona na działaniu
chlorkami kwasowymi na związki zawierające pierścień aromatyczny.
+
Cl
O
C
AlCl 3
benzen chlorek benzoilu benzofenon (85%)
benzen
+
O
O
O
AlCl 3
bezwodnik
bursztynowy
Δ
O
O
O
O
C
H
C-CH 2 CH 2 COOH
kwas 3-benzoilopropanowy
(94%)
Za pomocą reakcji Friedla-Craftsa moŜna otrzymywać związki cykliczne; w ten sposób z kwasu
fenylobutanowego powstaje tetralon:
Właściwości chemiczne
O (CH ) COOH
2 3
C-CH2CH2COOH NaBH4 kwas 4-fenylo-
kwas 3-benzoilopropanowy
tetralon (79%) O
AlCl 3
butanowy
SOCl 2
ClC=O
(89%)
chlorek
kwasowy
1. Utlenianie
Aldehydy są podatne na działanie utleniaczy bardziej niŜ ketony; nawet pod wpływem słabych
utleniaczy zostają przekształcane w kwasy karboksylowe.
aldehyd
R
C
O
H
[O]
R
C
O
OH
kwas
karboksylowy
Utleniacze: HNO3, KMnO4, O2, Na2CrO7, odczynniki Jonesa, Tollensa, Fehlinga i inne.
13

Odczynnik Jonesa – CrO3/H2SO4/HOH – naleŜy do najłagodniejszch utleniaczy
przekształcających aldehydy w kwasy.
Odczynniki Tollensa – (AgNO3/NH3/HOH) i Fehlinga – (CuSO4/H2SO4/HOH-
NaOH/KNaC4H4O6/HOH) są stosowane w testach do wykrywania aldehydów.
O
O
R C
H
+ 2 Ag + R C
OH
+ 2 Ag
aldehyd kwas karboksylowy lustro srebrowe
Odczynnik Tolensa w obecności reduktora typu aldehydu ulega redukcji do srebra metalicznego,
które tworzy lustro, jako Ŝe w postaci cienkiej warstwy osadza się na dnie naczynia szklanego.
Tworzenie się takiego lustra jest testem na obecność aldehydu. Ta reakcja wykorzystywana jest
do produkcji luster.
W próbie Fehlinga obserwuje się pomarańczowy osad wytrącającego się tlenku miedzi (I) pod
wpływem aldehydu.
O
O
R C
H
+ 2 Cu R
OH
2+ aldehyd
C
-OH kwas karboksylowy
+ Cu2O pomarańczowy
osad
Ketony teŜ ulegają utlenieniu, ale jedynie pod wpływem silniejszych utleniaczy, następuje przy
tym rozerwanie wiązania pomiędzy atomem Cα a grupą karbonylową. Z ketonów alifatycznych
powstaje mieszanina kwasów karboksylowych.
O
R-CH 2 -C-CH 2 -R'
KMnO 4
- OH/HOH,Δ
RCOOH + RCH 2 COOH +
HOOCR' + HOOCCH 2 R'
keton alifatyczny mieszanina kwasów karboksylowych
Z ketonów cyklicznych otrzymuje się jednorodne kwasy dikarboksylowe.
O
1. KMnO4 /NaOH/HOH, Δ
2. H
O
HO
O
OH
+ /HOH
cykloheksanon kwas adypinowy (kwas heksano-1,6-dionowy) (65%)
2. Addycja nukleofilowa
Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej jest charakterystyczną reakcją aldehydów i
ketonów. Na atomie węgla grupy C=O zlokalizowany jest częściowy ładunek dodatni, a przez to
karbonylowy atom węgla jest podatny na atak nukleofilowy.
O
δ -
C
R R(H)
δ+
:Nu
14

Nukleofilami (Nu: - ) mogą być atomy lub grupy obdarzone ładunkiem ujemnym, np.:
RO: -
..
..
HO: -
..
N C:
..
-
R3C: - H: -
aniony: cyjankowy karboanion wodorkowy alkoksylowy hydroksylowy
lub bez formalnego ładunku (cząsteczki obojętne – :Nu-H), ale zawierające elektroujemne atomy
z wolną para elektronową, np.:
RNH2 R2NH ROH
..
.. ..
.. HOH
..
H3N: ..
amoniak amina 1 o amina 2 o alkohol woda
Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej biegnie jednym z dwóch wariantów: A jedynie
addycja lub B addycja i eliminacja. Kierunek reakcji zaleŜny jest głównie od charakteru
odczynnika nukleofilowego. W obu przypadkach pierwszym etapem jest atak nukleofila na
karbonylowy atom węgla i utworzenie adduktu, przy czym atom ten zmienia hybrydyzację na
sp 3 . W wariancie A addukt stabilizuje się przez protonowanie atomu tlenu, a w drugim
przypadku – B, następuje odszczepione cząsteczki wody (eliminacja) i atom węgla powraca do
poprzedniej hybrydyzacji sp 2 . Odszczepienie cząsteczki wody jest moŜliwe dzięki temu, Ŝe
nukleofil zawiera 2 ruchliwe atomy wodoru.
A
..
: O:
-
C
R Nu
R'
..
: O
H +
H
C
R Nu
R'
: O:
C
R R'
:Nu - :NuNH 2
Rys. Mechanizm addycji nukleofilowej do karbonylowego atomu węgla
aldehyd
lub keton
..
: O:
-
C +
R NuH2 R'
Nu
B
- HOH
C
R R'
15

Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej aldehydów i ketonów jest szeroko
wykorzystywana w syntezie chemicznej, moŜna za jej pomocą otrzymywać wiele cennych
produktów. PoniŜszy schemat obrazuje te moŜliwości:
alkohole
OH
R
C C
R
alkeny
C
OR
C
acetale
H
OR
NaBH 4
(Ph) 3 P=C(R) 2
ylidy
:H -
OH
C
alkohole
O
C
H
R
RMgX
H 2 N-Y
aldehydy lub ketony
ROH
C
H
alkany
HCN
Y
N
OH
C
CN
cyjanohydryny
C
1. HSCH 2 CH 2 SH
2. Ni Ra
iminy
oksymy
hydrazony
itp
pochodne azotowe
R 2 NH
C C
enaminy
2.1 Addycja wody – tworzenie geminalnych dioli
W wyniku addycji cząsteczki wody do grupy karbonylowej powstają geminalne diole, zwane w
skrócie gemdiolami lub gemglikolami (grec. geminalny czyli bliźniaczy; w tym przypadku
odnosi się do dwóch grup na tym samym atomie węgla). Hydratacja grupy karbonylowej jest
reakcją odwracalną i najczęściej jej równowaga jest przesunięta na korzyść formy karbonylowej.
Zdarzają się jednak trwałe gemglikole (hydraty).
O
OH
C + HOH C
R
R R'
R'
OH
R 2 N
forma karbonylowa forma uwodniona (hydrat)
Trwałymi gemdiolami są hydrat metanalu i chloralu. W większości wodnych roztworów
aldehydów i ketonów udział formy uwodnionej nie przekracza 0,1%, podczas gdy metanal i
chloral występują głównie w formie uwodnionej (99,9%). Hydrat chloralu jest silnym lekiem
usypiającym, o działaniu zbliŜonym do barbituranów. Jego działanie uboczne polega na
draŜniącym działaniu na skórę i błony śluzowe. Stosowany takŜe jako surowiec do produkcji
DDT.
H2C(OH) 2
O
ciecz wrząca
Cl3CC w temp. 97
H
Cl3CC(OH) 2
oC t.t. = 57oC hydrat metanalu chloral hydrat chloralu
16

Hydrat metanalu występuje jedynie w roztworze wodnym, podczas gdy hydrat chloralu jest
trwałym, krystalicznym związkiem.
Występowanie hydratów związków karbonylowych udowodniono na podstawie widm
spektroskopowych, a takŜe za pomocą reakcji izotopowej z wodą zawierającą 18 O. Po pewnym
czasie od rozpuszczenia aldehydu w takiej wodzie izolowano aldehyd zawierający w grupie
C=O tlen 18 O.
RCHO + H 18 OH RCH(OH)( 18 OH) RCH 18 O + HOH
Reakcja hydratacji aldehydów i ketonów jest katalizowana zarówno zasadowo, jak i kwasowo. W
środowisku obojętnym biegnie wolno.
Mechanizm hydratacji grupy karbonylowej
kataliza zasadowa kataliza kwasowa
..
..
O:
O:
C
C
..
: O:
C ..
OH ..
..
: O
C
- ..
:OH ..
..
HO..
H
H - ..
.. + :OH
..
OH ..
H 3 O +
+
.. +
O H
C
..
: O
C
H
..
O
H
.. +
H H 2O.. : O H
C
..
+
..
: O
C
..
H2O.. ..
H2O.. H
.. H
O
+
H
2.2 Addycja cząsteczki alkoholu - tworzenie hemiacetali, acetali i tioacetali
Podobnie jak cząsteczka wody do grupy karbonylowej przyłącza się cząsteczka alkoholu, a
produkt takiej addycji nosi nazwę hemiacetalu (grec. hemi = w połowie). Dawniej tego typu
związki nazywano półacetalami, dla odróŜnienia od acetali (pełnych acetali). Reakcja jest
katalizowana kwasami.
17

..
O:
C
aldehyd
lub keton
H +
.. +
O H
C
hemiacetal
: O H
C
..
+
..
: OH
C ..
OR ..
..
ROH ..
- H +
..
: O H
C .. H
O
+
R
Zwykle hemiacetale są nietrwałe i występują jedynie w roztworze alkoholowym w stanie
równowagi z formą karbonylową. W środowisku kwaśnym reagują dalej z alkoholem w kierunku
acetali. Acetale pochodzące od ketonów nazywa się często ketalami.
Mechanizm
Reakcja tworzenia acetali zaczyna się od protonowania grupy -OH, eliminacji cząsteczki wody,
przyłączenia cząsteczki alkoholu do atomu węgla i kończy się stabilizacją przez odszczepienie
protonu:
..
: OH
C ..
OR ..
hemiacetal
..
: O
R
O R C
..
acetal
H +
- H +
H
H
..
O
H
+
C
O..
R
-HOH
O
O R
..
..
R ROH ..
+
C
..
O R
C +
..
..
O R
C +
..
ChociaŜ większość hemiacetali występuje jedynie w roztworach alkoholowych w równowadze
ze związkami karbonylowymi, to hemiacetale wewnątrzcząsteczkowe, do których naleŜą cukry
są trwałe. W cukrach równowaga przesunięta jest na korzyść hemiacetali.
H
HO
H
H
CHO
C
C
C
C
OH
H
OH
OH
CH 2 OH
H
HO
H
H
OH
HC
C
C
C
C
OH
H
OH
CH 2 OH
O
HO
HO
OH
O
HO
D-glukoza
Wiązanie hemiacetalowe w D-glukozie tworzy się pomiędzy grupą -OH przy C5 i grupą
aldehydową. Cząsteczka glukozy przyjmuje konformację krzesłową. Acetale utworzone z cukrów
nazywają się glikozydami. Występują powszechnie w przyrodzie.
Synteza acetali polega na ogrzewaniu aldehydów lub ketonów z bezwodnym alkoholem w
kwaśnym środowisku. Ulegają one łatwo hydrolizie w środowisku kwaśnym, a są odporne na
hydrolizę zasadową. Stosuje się je do czasowej osłony grupy karbonylowej, tak Ŝeby moŜna
H
OH
18

yło przeprowadzić reakcję w innej części cząsteczki, chroniąc grupę karbonylową, np. przed
utlenieniem lub redukcją. Po zaplanowanych przekształceniach łatwo odzyskuje się ją w reakcji
hydrolizy kwaśnej. Często dla ochrony funkcji karbonylowej uŜywa się glikolu etylowego,
poniewaŜ z niego wyjątkowo łatwo tworzy się acetal cykliczny.
O
O
O
O
4-oksopentanian etylu
OH
4-oksopent-1-ol
-
HO OH
H +
+ H/HOH
HO OH
O
O
O
O
1. LiAlH 4
O
O
O
2. + H/HOH
OH
+ EtOH
Selektywna redukcja przedstawiona na powyŜszym schemacie byłaby niemoŜliwa do
przeprowadzenia bez czasowej ochrony grupy ketonowej.
Podobną rolę pełnią tioacetale, które tworzą się jeszcze łatwiej, a ulegają usunięciu, np. podczas
katalitycznej redukcji. Warto wiedzieć, Ŝe związki siarki dezaktywują katalizatory typu Pt czy
Pd, ale nie nikiel Renaya (NiRa). W ten sposób moŜna całkowicie zredukować grupę
karbonylową, czyli do węglowodoru.
O 2 RSH RS SR
C
C
+ H
Ni Ra
EtOH
CH 2
aldehyd lub keton tioacetal węglowodór
Do osłony grupy karbonylowej moŜna teŜ uŜyć tioglikolu etylenowego.
O
HS SH
BF 3
S
S
Ni Ra
+ NiS
4-metylocykloheksanon tioacetal 4-metylocykloheksan
2.3 Reakcje aldehydów i ketonów ze związkami Grignarda
Związki Grignarda reagują z grupą karbonylową w ten sposób, Ŝe ujemnie naładowana reszta
organiczna R przyłącza się do karbonylowego atomu węgla, a -MgX tworzy wiązanie
alkoholanowe z atomem tlenu. Po hydrolizie alkoholanu otrzymuje się alkohole.
O
: O:
MgX
R
.. - +
-δ : :
MgX +H/HOH
+δ C + R C
-δ +δ
: OH
..
związek Grignarda
aldehyd lub keton alkoholan alkohol
C
R
19

W reakcji związków Grignarda z metanalem powstają alkohole 1 o , z innymi aldehydami –
alkohole 2 o , a z ketonami – alkohole 3 o .
C
H 3
bromek
cyklopentylu
H
C=O
Br
Mg
eter
H
MgBr
bromek cyklopentylowomagnezowy
cyklopentylometanol (48%)
(alkohol 1 o )
H
C
H
- +
O MgBr
+ H/HOH
CH 2 OH
CH3 CH
O
3 OH
C MgCl + C H3C C C
H
H
CH 3
CH 3
bromek-t-butylo - benzaldehyd 1-fenylo-2,2-dimetylo-
magnezowy propanol (alkohol 2 o )
CH 3
MgI + O
IMgO
C
H 3
+H/HOH
HO
C
H 3
jodek metylo- cyklopentanon 1-metylocyklopentanol
magnezowy (alkohol 3 o )
2.4 Addycja nukleofilowa HCN; otrzymywanie cyjanohydryn
Cyjanowodór przyłącza się do grupy karbonylowej aldehydów i ketonów jeŜeli nie ma zawady
przestrzennej wokół tej grupy. Produktem reakcji są cyjanohydryny (inaczej nitryle ααααhydroksykwasów),
czyli związki zawierające funkcję -CN i -OH przy tym samym atomie węgla.
W wyniku addycji cyjanowodoru do benzaldehydu powstaje nitryl kwasu migdałowego:
O
OH
C
H
HC N
C
H
CN
benzaldehyd nitryl kwasu migdałowego (cyjanohydryna) (88%)
Addycja cyjanowodoru do aldehydów lub ketonów jest reakcją odwracalną, zwykle z równowagą
przesuniętą na korzyść produktu. Reakcję ułatwia kataliza zasadowa, gdyŜ jon - CN przyłącza się
łatwiej niŜ HCN. Jon cyjankowy jest silnym nukleofilem i dlatego równowaga jego addycji do
grupy karbonylowej jest przesunięta w stronę produktów. Inne kwasy, np. halogenowodory,
kwas siarkowy czy kwasy karboksylowe są słabymi nukleofilami i nie tworzą adduktów ze
związkami karbonylowymi.
20

W reakcji addycji cyjanowodoru do grupy karbonylowej wystarczają śladowe ilości zasady,
poniewaŜ w warunkach równowagi jon cyjankowy odtwarza się:
..
.. -
O:
: O:
C
H
: C -
N
C
H
CN
HCN
OH
C
+
H
CN
aldehyd produkt przejściowy cyjanohydryna
Cyjanohydryny stanowią dogodny półprodukt w syntezie organicznej. Poprzez ich redukcję
moŜna otrzymać ββββ-aminoalkohole, a w wyniku hydrolizy αααα-hydroksykwasy.
OH
H CN
C
cyjanohydryna
benzaldehydu
1. LiAlH 4 ,THF
2. HOH
+ H/HOH
lub - Δ
OH/HOH
OH
C
:C -
H CH2NH2 2-amino-1-fenyloetanol
OH
N
C
COOH
H kwas migdałowy
2.5 Addycja jonu wodorkowego – redukcja wodorkami
Wodorki typu NaBH4 lub LiAlH4 redukują aldehydy i ketony do odpowiednich alkoholi, przy
czym czynnikiem redukującym jest anion wodorkowy – H - .
Na + BH 4 - Na + BH 3 + :H -
tetrahydroboran sodu anion wodorkowy
Szczególnie przydatnym okazał się tetrahydroboran sodu, poniewaŜ jest trwalszy (odporniejszy
na hydrolizę) od LiAlH4, działa selektywnie (nie redukuje kwasów karboksylowych i ich
pochodnych), a reakcję moŜna prowadzić w metanolu, nawet uwodnionym.
: O:
:H- C
R R'
NaBH 4 lub
LiAlH 4
aldehyd lub keton
R, R': H, alkil lub aryl
R R'
.. -
: O:
C
H
R
.. -
: O:
+ C
H R
R'
OH
C
R'
+ H/HOH
H
alkohol
3. Reakcja Cannizzaro
Jest to reakcja dysproporcjonowania, w wyniku której z aldehydu tworzy się alkohol (redukcja) i
kwas karboksylowy (utlenienie). Zachodzi ona w środowisku alkalicznym, a ulegają jej aldehydy
nie zawierające atomów wodoru przy Cα, np. metanal i aldehydy aromatyczne.
21

CHO 1. CH2OH COOH
2 +
-OH/HOH 2. H + /HOH (86%) (79%)
benzaldehyd alkohol benzylowy kwas benzoesowy
Charakterystyczną cechą tej reakcji jest to, Ŝe bierze w niej udział anion wodorkowy. W
pierwszym etapie reakcji grupa hydroksylowa ulega addycji do karbonylowego atomu węgla, po
czym anion wodorkowy, jako nukleofil atakuje grupę karbonylową drugiej cząsteczki aldehydu.
Następnie proton z kwasu karboksylowego (silniejszy kwas) przechodzi do alkoholanowego
atomu tlenu:
..
O:
C
H
- ..
: OH ..
- ..
: O:
C H
OH
benzaldehyd
O
C .. -
O..
:
..
O:
C
H
CH 2 OH
O
C
+
- ..
: O:
C H
H
anion benzoesanowy alkohol benzylowy
+
ChociaŜ produkt reakcji Cannizzaro jest złoŜony (kwas i alkohol), to łatwo udaje się go
rozdzielić, poniewaŜ oba składniki róŜnią się właściwościami chemicznymi i fizycznymi. Z
zasadowego, wodnego środowiska alkohol wyekstrahuje się rozpuszczalnikiem organicznym, nie
mieszającym się z wodą, a kwas wytrąca z wodnego roztworu jego soli przez zakwaszenie. Kwas
moŜna izolować teŜ za pomocą jonitów.
Pomimo tych ułatwień nie jest to szeroko stosowana metoda otrzymywania ani kwasu
benzoesowego, ani alkoholu benzylowego, poniewaŜ znane są lepsze sposoby syntezy tych
związków. Większe znaczenie preparatywne ma tzw. krzyŜowa reakcja Cannizzaro, w której
wykorzystuje się fakt, Ŝe w obecności aldehydów aromatycznych metanal ulega głównie
utlenieniu do mrówczanu, natomiast większa część aldehydu aromatycznego ulega redukcji
alkoholu aromatycznego. Ta róŜnica w reaktywności spowodowana jest większą
elektrofilowością karbonylowego atomu węgla metanalu – jest on bardziej podatny na atak reszty
hydroksylowej niŜ karbonylowy atom aldehydu aromatycznego.
CHO
CH 3
+
HCHO
KOH
CH 2 OH
CH 3
OH
+ HCOO - K +
metanal mrówczan potasu
aldehyd p-toluilowy alkohol p-metybenzylowy (72%)
Z aldehydu ftalowego w reakcji Cannizzaro powstaje kwas (hydroksymetylo)benzoesowy.
22

CHO
1. KOH
2. + H/HOH
COOH
CHO CH 2 OH
aldehyd o-ftalowy kwas o-(hydroksymetylo)benzoesowy
W najwaŜniejszym procesie redukcji biochemicznej, z udziałem zredukowanego dinukleotyd
nikotynoamidoadeninowy (NADH), widoczny jest mechanizm reakcji Cannizzaro:
N
H 2
R''
N
R
O
R' H2N R''
N
R R'
O H H
O H H
H
C
..
+
..
:
C
C
+
+
OH
C
zw. karbonylowy
hydroksyzwiązek
NADH NAD + R’’: reszta cukrowo-fosforanowa
4. Reakcje kondensacji
4.1 Kondensacja aldolowa
Aldehydy i ketony zawierające w atom wodoru przy Cα ulegają kondensacji katalizowanej przez
zasady i kwasy. W reakcji tej powstają dimery – aldehydoalkohole, dlatego została ona nazwana
kondensacją aldolową a jej najprostszy produkt dimeryzacji etanalu zwany jest aldolem.
2 CH 3 CH
O OH O
NaOEt
CH 3 CH-CH 2 CH
EtOH
acetaldehyd aldol (3-hydroksybutanal)
W odracalnej reakcji kondensacji aldolowej dla monopodstawionych aldehydów (RCH2CHO)
równowaga jest przesunięta na prawo, zaś dla rozgałęzionych aldehydów i większości ketonów
na lewo. Z aldehydami biegnie ona z większą szybkością. Zwykle w warunkach reakcji tworzą
się nienasycone aldehydy lub ketony, poniewaŜ w produktach dochodzi do eliminacji cząsteczki
wody. ββββ-podstawione aldehydy i ketony są bardzo podatne na eliminację. Dehydratacja
powoduje przesunięcie równowagi reakcji w kierunku dimerów.
Z podatności produktów do dehydratacji reakcja ta powszechnie nazywana jest kondensacją, a
nie jak powinna – dimeryzacją. Kondensacja bowiem to reakcja dimeryzacji (oligomeryzacji lub
polimeryzacji), w której obok głównego produktu wydzielają się małe cząsteczki – w tym
wypadku wody.
Kondensacja aldolowa polega na addycji nukleofilowej do karbonylowego atomu węgla anionu
powstałego w wyniku oderwania protonu z Cα.
23

.. -
HO:
+
O
H-CH2-CH : O
-
H2C-CH ..
..
: O:
H2C=CH -
acetaldehyd
- HOH
:
.. -
: O:
OH
O
O
CH 3 -CH-CH 2 -CH
..
HOH ..
- HO -
aldol CH3-CH-CH2-CH - HOH
O
CH3CH aldehyd krotonowy
(but-2-enal)
O
CH 3 CH=CH-CH
Podobnie wygląda kondensacja aldolowa acetonu, jednak wydajność tej reakcji jest niewielka:
Mechanizm:
O OH
H 3 C-C-CH 3
aceton
- OH
CH 3
O
H 3 C-C-CH 2 -C-CH 3
4-hydroksy-
- 4-metylopent-2-on
(5%)
O
H-H2C-C-CH3 aceton
..-
: OH ..
O
-
H2C-C-CH .. 3
- ..
: O:
H2C=C-CH3 OH
H 3 C-C-CH 2 -C-CH 3
CH 3
C
H 3
4-hydroksy-4-metylopent-2-on
O
C
CH 3
O : O:
.. -
HOH
- - OH
CH 3
O
H 3 C-C-CH 2 -C-CH 3
Wydajność kondensacji aldolowej acetonu moŜna zwiększyć przez usuwanie produktu ze
środowiska reakcji, tzn. poprzez odizolowanie go od alkalicznego katalizatora. Tę reakcję moŜna
prowadzić w kolumnie wypełnionej, np. kawałkami Ba(OH)2. W kolumnie aceton spływający z
chłodnicy zwrotnej ulega dimeryzacji w zetknięciu z Ba(OH)2 i spływa do kolby zawierając
kilka procent 4-hydroksy-4-metylopentan-2-onu. Aceton w kolbie wrze, a jego pary skraplając
się w chłodnicy zwrotnej ponownie przepływają przez kolumnę z Ba(OH)2, podczas czego
kolejna porcja acetonu ulegnie dimeryzacji. Ten proces trwa aŜ do wyczerpania acetonu, a w
kolbie pozostaje prawie czysty produkt.
W cykloheksanonie zawada przestrzenna jest mniejsza niŜ w acetonie (sztywny układ) i dzięki
temu wydajność jego dimeryzacji jest kilka razy większa (22%):
2
O
NaOH
OH
O
cykloheksanon 1-hydroksy-2’-oksodicykloheksyl
24

Kondensację aldolową stosuje się często w syntezie róŜnorodnych związków organicznych,
zarówno w laboratorium, jak i w skali technicznej. Powstające w reakcji aldole moŜna poddawać
dehydratacji, dalszej kondensacji aldolowej lub selektywnej redukcji.
O OH O OH
RCH2CH NaOH
RCH2CHCHCH NaBH4 2
RCH2CHCHCH2OH aldehyd aldol
R
R
- HOH
RCH2CH=CCH H2 /Ni
R
aldehyd
αααα,ββββ-nienasycony
RCH2CH2CHCH2OH alkohol
O
R
O
1,3-diol
R
RCH 2 CH=CCH 2 OH
H R
2 /Pd/C alkohol allilowy
RCH 2 CH 2 CHCH
aldehyd
Kondensacja aldolowa jest szeroko stosowana w przemyśle, szczególnie do otrzymywania
alkoholi. Tą drogą produkuje się butan-1-ol.
NaBH 4
Zadanie: zaproponuj schemat reakcji prowadzących do butan-1-olu.
Dehydratacja ββββ-hydroksyaldehydów i ketonów jest charakterystyczną reakcją tych związków.
Często juŜ w warunkach kondensacji aldolowej dochodzi do dehydratacji, jeŜeli nie zachowuje
się specjalnego reŜimu (niskiej temperatury). Powstają przy tym αααα,ββββ-nienasycone aldehydy lub
ketony, zwane inaczej sprzęŜonymi enonami. Reakcja dehydratacji ββββ-hydroksyaldehydów i
ketonów jest katalizowana zarówno przez kwasy, jak i zasady. Usunięcie cząsteczki wody z
produktu kondensacji aldolowej przesuwa równowagę reakcji na prawo i w ten sposób otrzymuje
się sprzęŜone enony z wysoką wydajnością, pomimo tego Ŝe równowaga samej reakcji nie
sprzyja dimeryzacji. W warunkach równowagi z cykloheksanonu powstaje jedynie 22% produktu
dimeryzacji, ale w wyniku dehydratacji tworzy się ponad 90% sprzęŜonego enonu, co świadczy
o prawie całkowitym zuŜyciu substratu (ilościowej dimeryzacji wyjściowego ketonu).
2
O
cykloheksanon
NaOH
OH
O
O
+ HOH
1-hydroksy-2’oksodicykloheksyl cykloheksylideno-cykloheksan-2-on (90%)
Jak uprzednio wspomniano produkt kondensacji aldolowej acetonu – 4-hydroksy-4-metylopenta-
2-on powstaje w reakcji równowagowej jedynie z wydajnością 5%. JeŜeli jednak reakcja będzie
prowadzona w temperaturze powyŜej 50 o C, to z dobrą wydajnością powstanie sprzęŜony enon,
zwany tlenkiem mezytylu.
25

O OH
H 3 C-C-CH 3
aceton
Ba(OH) 2
CH 3
O
H 3 C-C-CH 2 -C-CH 3
50o C
C
H 3
C
H 3
O
C=C C
H
CH 3
4-hydroksy-4-metylopenta-2-on (5%) tlenek mezytylu (95%)
Reakcja podobna do kondensacji aldolowej zachodzi równieŜ w środowisku kwaśnym. Aceton
po nasyceniu chlorowodorem ulega przekształceniu w tlenek mezytylu; równocześnie tworzy się
produkt trimeryzacji i dehydratacji, nazywany foronem.
C
H 3
C
H 3
O
CH 3
C=C
H H CH3 C C=C foron
Zadanie: napisz etapy powstawania foronu i jego cyklizacji do mezytylenu, który tworzy się z
acetonu pod wpływem stęŜonego kwasu siarkowego.
4.2 Mieszane (krzyŜowe) reakcje kondensacji aldolowej
W reakcji kondensacji aldolowej dwóch róŜnych aldehydów, np. etanalu i propanalu powstaną 4
produkty dimeryzacji: dwa symetryczne w wyniku połączenia się wzajemnego 2 cząsteczek
etanalu i 2 cząsteczek propanalu oraz dwa jako efekt dimeryzacji mieszanej: (etanal + propanal) i
(propanal + etanal).
CH 3 CHO
etanal
+
CH 3 CH 2 CHO
propanal
:B -
OH
CH 3 CHCH 2 CHO
3-hydroksybutanal
OH
CH3CH2CHCHCHO CH 3
3-hydroksy-2-metylopentanal
OH
CH3CHCHCHO CH 3
3-hydroksy-2-metylobutanal
OH
CH 3 CH 2 CHCH 2 CHO
3-hydroksypentanal
symetryczne
niesymetryczne
Reakcja, w której powstają 4 róŜne produkty o podobnych właściwościach fizycznych i
chemicznych jest mało przydatna, nie tylko dlatego, Ŝe wydajności poszczególnych związków są
niskie, ale równieŜ z tego powodu, Ŝe trudno je rozdzielić. Syntezę chemiczną naleŜy tak
prowadzić, Ŝeby z maksymalnie wysoką wydajnością otrzymywać jeden czysty produkt.
Wobec tego wydawać się moŜe, Ŝe mieszane kondensacje aldolowe są praktycznie nieprzydatne.
JeŜeli jednak w reakcji będzie brał udział jeden z substratów, który nie zawiera atomu wodoru
26

przy Cα, to teoretycznie powstaną dwa produkty: symetryczny i mieszany. Jest to sytuacja
znacznie korzystniejsza. Ponadto tę reakcję moŜna tak prowadzić, Ŝeby zmniejszyć wydajność
dimeru symetrycznego, który w takiej reakcji jest produktem ubocznym (niepoŜądanym).
ZałoŜony cel osiągną się przez wkraplanie substratu zawierającego Hα (A) do alkalicznego
środowiska reakcji, w którym znajduje się składnik bez Hα (B). W ten sposób substrat A dopiero
w środowisku zasadowym moŜe autokondesować, spotyka jest jednak ze znacznym nadmiarem
składnika B i wobec tego powstaje głównie produkt mieszany. Tworzeniu się produktu
mieszanego sprzyja równieŜ to, Ŝe grupa karbonylowa składnika B jest często silniejszym
elektrofilem niŜ reagenta A, np. grupy karbonylowe benzaldehydu czy metanalu są silniejszymi
elektrofilami niŜ większość innych aldehydów, nie wspominając o ketonach. Substrat A
nazywany jest często donorem (eletronów), a B akceptorem.
Z benzaldehydu i etanalu otrzymuje się w ten sposób aldehyd cynamonowy (główny składnik
aromatu cynamonowego), a z benzaldehydu i propanalu powstaje aldehyd αmetylocynamonowy.
O O
CH
+ CH 3 CH 2 CH
NaOH
10 o C
CH
O
CCH
CH 3
benzaldehyd B propanal A aldehyd α-metylocynamonowy (80%)
(akceptor) (donor)
Zadanie: wyjaśnij dlaczego naleŜy roztwór propanalu wkraplać do intensywnie mieszanego roztworu benzaldehydu
w środowisku zasadowym, a nie odwrotnie.
Jako inny przykład krzyŜowej kondensacji aldolowej moŜe słuŜyć reakcja benzaldehydu z
ketonem, np. metylocykloheksanonem.
CHO O
+
CH 3
NaOEt
- HOH
benzaldehyd 2-metylocyloheksanon 2-benzylideno-6-metylocykloheksanon (78%)
W reakcji benzaldehydu z acetonem powstaje benzylidenoaceton.
CHO
O
+ H3C C
beznaldehyd aceton
- HOH
CH3 O
CH CH
O
CH 3
NaOH CCH 3
benzylidenoaceton
(77%)
Benzylidenoaceton moŜna przekształcić w dibenzylidenoaceton przez traktowanie go kolejną
porcją benzaldehydu.
27

CH CH
O
CCH 3
benzylidenoaceton
NaOH
+
O
O
HC
- HOH
CH CHCCH=CH benzaldehyd
dibenzylidenoaceton
W krzyŜowej kondensacji aldolowej często wykorzystywanym akceptorem jest metanal. W
reakcji z etanalem powstaje produkt addycji trzech cząsteczek metanalu do etanalu, po czym
następuje spontaniczna redukcja (nadmiarem metanalu) do polialkoholu zwanego
pentaerytrytolem; preparat uŜywany w leczeniu zaparć, a jego ester z kwasem azotowym –
tetraazotan pentaerytrytolu – podobnie jak nitrogliceryna rozszerza naczynia wieńcowe i
stosowany jest leczniczo oraz zapobiegawczo w przypadku dusznicy bolesnej. Działa on dłuŜej
niŜ nitrogliceryna. Tetraazotan pentaerytrytolu równieŜ jak nitrogliceryna jest silnym materiałem
wybuchowym.
O
3 HCH + C
H
H
CHO
H
metanal etanal
Ca(OH) 2
krzyŜowa reakcja
Cannizzaro
pentaerytrytol
(55%)
HOCH 2
- HCOOH
HO
HO
(77%)
CHO
C
CH 2 OH
CH 2 OH
(trihydroksymetylo)etanal
HCHO
Wysoką wydajność jednego tylko produktu w krzyŜowych kondensacjach aldolowych zapewnia
uŜycie jako donora związku posiadającego bardziej kwaśne atomy wodoru niŜ Hα
aldehydów i ketonów. Do takich związków naleŜy, np. acetylooctan etylu. Dwie grupy
karbonylowe mocniej uaktywniają atomy wodoru i przez to łatwiej ulegają oderwaniu tworząc
karboanion, który przyłącza się do grupy karbonylowej akceptora.
O
O O
+ CH 3 CCH 2 COEt
acetylooctan etylu
NaOEt
- HOH
OH
OH
O O
cykloheksan (donor) cykloheksylidenoacetylooctan etylu (80%)
(akceptor)
4.3 Wewnątrzcząsteczkowa kondensacja aldolowa – reakcje cyklizacji
Cząsteczki zawierające grupę akceptorową i donorową mogą ulegać wewnątrzcząsteczkowej
kondensacji aldolowej w wyniku czego dochodzi do cyklizacji. W tego typu reakcjach biorą
udział dialdehydy i diketony (takŜe oksoaldehydy), najłatwiej kondensuję te, w których grupy
karbonylowe oddalone są od siebie tak, Ŝeby powstawały pięcio- lub sześcioczłonowe
pierścienie. Z 1,4-diketonu powstaje pochodna cyklopentanonu.
OEt
28

heksano-
-2,5-dion
O
CH 3
O CH 3
NaOH
- HOH
Z 1,5-ketonu powstanie pochodna cykloheksanonu.
heptano-
2,6-dion
O
CH3 CH3 O
NaOH
- HOH
O
O
3-metylocyklopent-2-enon
(40%)
3-metylocykloheks-2-enon
(44%)
Natomiast z 6-oksoheptanalu tworzy się głównie pochodna cyklopetanonu pomimo tego, Ŝe
odległość pomiędzy grupami karbonylowymi jest taka sama jak w hepta-2,6-dionie. W tym
przypadku lepszym akceptorem jest grupa aldehydowa, zaś atomy wodoru przy C5 są bardziej
kwaśne niŜ przy C7.
Mechanizm reakcji:
O O
CH 3 CCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH
NaOH
- HOH
O
CCH 3
6-oksoheptanal keton 1-cyklopentenylowometylowy (73%)
O
H
O
CCH 3
O
CH 3 CCHCH 2 CH 2 CH 2 CH -OH
6-oksoheptanal
- OH
keton 1-cyklopentenylowo-metylowy
..
O
: O
-
CH3CCHCH .. 2CH2CH2CH ..
.. -
: OH
: O:
O HOH O
Właściwości elektronoakceptorowe ketonowej grupy karbonylowej są zmniejszone jako efekt
elektrodonorowego oddziaływania dwóch reszt alkilowych:
H
CCH 3
O O
R C R' R C H
w ketonach w aldehydach
4.4 Addycja nukleofilowa do α,β-nienasyconych aldehydów i ketonów
Przyłączenie nukleofila do karbonylowego atomu węgla sprzęŜonych enonów nie zawsze
prowadzi do addycji 1,2. MoŜe nastąpić addycja 1,4. Kierunek reakcji w duŜej mierze zaleŜy od
właściwości nukleofilowo-zasadowych odczynnika nukleofilowego.
Grupa karbonylowa jest spolaryzowana, przy czym częściowy ładunek dodatni jest
zlokalizowany przy atomie C i w to miejsce skierowany jest atak nukleofila – :Nu - . W enonach
znajduje się dodatkowo podwójne wiązanie C=C, które ma powinowactwo do elektrofila E + .
CCH 3
29

δ-
δ+
- ..
: O: : O:
C
+ C C
C
:Nu- E+
W enonach sprzęŜonych na skutek oddziaływania elektronów π obu podwójnych wiązań (C=C i
C=O)dochodzi do polaryzacji cząsteczki i utworzenia częściowego ładunku dodatniego na
atomie węgla C4, który tym samym staje się podatny na oddziaływanie odczynnika
nukleofilowego :Nu - .
Mechanizm addycji 1,4:
: O:
C
C C
alken
C C
δ-
Nu
Nu
δ+
: O:
C
addycja
1,2
1
- ..
: O:
C
+ H/HOH
.. 1
: OH
- ..
: O:
C
sprzęŜony enon
C C
2 3
4
:Nu -
E +
C C +
1 ..
C
2
2
3
C C
4
:Nu -
brak reakcji
:Nu -
: O:
C
2
..
- : O:
C
2
: O:
3
4
C
2
C C
+
C C
3
E
.. -
: O:
C
C C
3
+
4
C
Nu
C
C
H Nu
C
C C
addycja
1,4
4
+ H/HOH
nienasycony alkohol aldehyd lub keton
1
1
3
4
Nu
30

Silnie zasadowe odczynniki nukleofilowe, np. związki Grignarda przyłączają się głównie w
sposób 1,2.
Mechanizm reakcji addycji 1,2:
O
CH 3 CH=CHCCH 3 + CH 3 MgBr
OH
CH 3
THF
pent-3-en-2-on bromek metylomagnezowy
CH 3
+ H/HOH
CH 3 CH=CHCCH 3 + CH 3 CHCH 2 CCH 3
3-metylopent-2-en-3-ol (72%) 4-metylopent-2-on (20%)
addycja 1,2 addycja 1,4
δ-
: O
..
C C C
δ+
Mechanizm reakcji addycji 1,4:
..
O:
C
C C
δ+
sprzęŜony enon
MgX
R δ-
δ+
MgX
R δ-
aldehyd
lub keton
C
C
H
..
: O
C C C
: O
C
..
R
C C
R
R
O
..
MgX : OH
HX
- MgX 2
C C C
R
addycja 1,2
MgX : O
HX C
..
- MgX 2
C C
.. enol
O:
C
addycja 1,4
Mniej zasadowe nukleofile, np. odczynniki Gilmana przyłączają się prawie wyłącznie w
sposób 1,4.
Otrzymywanie odczynników Gilmana:
R
X
+ 2 Li
pentan
- LiX
R
Li
CuI
eter
H
R
Li + ( - R-Cu-R) + LiI
halogenek alkilu alkilolit dialkilomiedzian litu (odczynnik Gilmana)
Za pomocą dimetylomiedzianu litu moŜna wprowadzić grupę metylową do łańcucha węglowego
sprzęŜonego enonu:
O
CH 3 CCH=CH 2 + Li(CH 3 ) 2 Cu
+H/HOH
O
CH 3 CCH 2 CH 2 CH 3
but-1-en-3-on dimetylomiedzian litu pentan-2-on (97%)
31

Tym sposobem moŜna równieŜ przyłączyć reszty nienasycone lub aromatyczne:
O
+
Li(H 2 C=CH) 2 Cu
+H/HOH
O
(65%)
CH=CH 2
cykloheks-2-enon diwinylomiedzian litu 3-winylocykloheksanon
O O
+
Li(C 6 H 5 ) 2 Cu
+H/HOH
(70%)
cykloheks-2-enon difenylomiedzian litu 3-fenylocykloheksanon
Odczynniki Gilmana stanowią wyjątek pośród związków metaloorganicznych, np. butylolit i
inne alkilolity jako silnie zasadowe ulegają addycji 1,2.
1. CH 3 MgBr 1. CH 3 Li
2. + H/HOH
CH 3
2. + H/HOH
O
HO HO
CH3 cykloheks-2-enon
1. Li(CH 3 ) 2 Cu
2. + H/HOH
O
CH 3
1-metylocykloheks-2-enon 3-metylocykloheksanon
Do grupy nukleofili, które do sprzęŜonych enonów przyłączają się w sposób 1,4 naleŜy jon
cyjankowy. Jest on silnym nukleofilem o umiarkowanej zasadowości.
CH=CH
O
C
1. CN -
1. H +
CHCH 2
keton fenylowo-(2-fenylowinylowy) 3-cyjano-1,3-difenylo-3-oksopropan (95%)
TakŜe karboaniony powstałe z C-kwasów są silnymi nukleofilami i przyłączają się zwykle w
sposób 1,4. Za ich pomocą moŜna wykonywać skomplikowane syntezy.
CN
O
C
32

O CH3
H
O
- OH
MeOH
O
- CH3
..
O
karboanion
2-metylocykloheksa-1,3-dion
5,6-didehydro-
1,7-diokso-10metylodekalina
(65%)
O
O
O
CH 2 =CHCCH 3
- OH/MeOH
- HOH
- OH/MeOH
O
O CH3
CH 2
C
H 3
OH
O CH 2
5. Azotowe pochodne aldehydów i ketonów
Aldehydy i ketony reagują z aminami i ich analogami tworząc pochodne, których budowa zaleŜy
od rzędowości amin. Z aminami 1 o powstają iminy (aldiminy lub ketiminy) zwane zasadami
Schiffa, podczas gdy z aminami 2 o tworzą się enaminy (grupa aminowa przyłączona do C=C).
Reakcja jest katalizowana kwasami, jednak środowisko silnie kwaśnie nie sprzyja reakcji;
optymalne pH wynosi ~ 4.
Mechanizm addycji amin 1 o
.. - ..
..
: O .. : O:
:
H OH
2N-Y C
C + C ..
NH2 NH
aldehyd
lub keton
Y
Y aminoalkohol
(karbinoloamina)
+ H
N Y
:
C
- H +
H
N Y +
C
- HOH
H
.. + H
O
C ..
NH
Y
C
O
O
33

W zaleŜności od reszty Y przyłączonej do grupy aminowe otrzymuje się szereg azotowych
pochodnych aldehydów i ketonów.
:NH2-Y
Y: wzór nazwa
N H
-H C ..
N R
-R (alkil, aryl) C ..
-OH
N OH
N NH -NH2 2 C ..
-NH-
-NH-
O 2 N
NO 2
C
N NH
C ..
aldimina lub ketimina
zasada Schiff
(imina)
oksym
hydrazon
fenylohydrazon
N NH NO2 C ..
O2N 2,4-dinitrofenylohydrazon
O
N NH NH O
-NH-C-NH2 C ..
C 2
semikarbazon
Jedną z najbardziej znanych imin jest benzylidenoanilina, preparat, który prawie kaŜdy student
wydziału chemicznego otrzymuje w trakcie zajęć laboratoryjnych z chemii organicznej,
poniewaŜ jest on niezwykle łatwy w wykonaniu – miesza się ze sobą oba substraty i krystalizuje
produkt.
CHO + H2N - HOH
CH N
benzaldehyd anilina benzylidenoanilina (84%)
DuŜe znaczenie pośród azotowych pochodnych ketonów ma oksym cykloheksanonu. Z niego po
przeształceniu w kaprolaktam (przegrupowanie Hofmanna) wytwarzana jest lizyny, słuŜy takŜe
jako monomer w przemyśle włókien syntetycznych. Oksym cykloheksanonu otrzymuje się w
reakcji cykloheksanonu z chloroworkiem hydroksyloaminy w obecności octanu sodu (buforu
obniŜającego pH).
34

O
+ H 2 NOH . HCl
NaAc
..
N
OH
cykloheksanon chlorowodorek hydroksyloaminy oksym cykloheksanonu (87%)
Oksymy i innego podobne związki zawierające układ =N- tworzą stereoizomery typu cis-/transzwane
syn- i anti-.
syn
.. OH
N
H O . .
N
anti
C
H
C
H
stereoizomery oksymu benzaldehydu
Takie pochodne aldehydów i ketonów, jak oksymy, fenylohydrazony, 2,4dinitrofenylohydrazony
i semikarbazony wykorzystuje się do charakteryzowania związków
karbonylowych. Są one zwykle krystaliczne i dzięki temu po specyficznych temperaturach
topnienia moŜna zidentyfikować aldehydy i ketony, z których powstały. Ten sposób
identyfikacji stracił obecnie na znaczeniu, z uwagi na powszechne stosowanie metod
spektralnych, szczególnie uŜytecznego do tego celu NMR.
Przykłady krystalicznych pochodnych ciekłych związków karbonylowych:
C
H 3
N
C
OH
H
H H
C
N N
oksym etanalu fenylohydrazon benzaldehydu 2,4-dinitrofenylohydrazon semikarbazon
(tt. 47 o C) (tt. 158 o C) acetonu (tt. 126 o C) benzaldehydu (tt. 222 o C)
C
H 3
Mechanizm addycji 2 o amin do związków karbonylowych
enamina
..
R2NH +
R ..
N
R
C C
: O:
C
H
C
- + H/HOH
: O:
.. -
C
+
R N 2
H
R + R
N
C C
H
N
C
H
C
NH
CH 3
R N 2 ..
NO 2
: OH
..
NO 2
C H
C
+ H
+
: OH2 C H
C
R2N ..
- HOH
..
HOH ..
..
Często do otrzymywania enamin uŜywa się 2 o amin cyklicznych, np. pirolidyny.
N
C
NH
H
C
O
NH 2
35

O + HN:
- HOH
cykloheksanon pirolidyna pirolidynowa enamina cykloheksanonu
6. Redukcja Wolffa-KiŜnera
Grupę karbonylową moŜna zredukować do CH2. SłuŜy do tego redukcja Wolffa-KiŜnera.
Ludwig Wolff (1857-1919); ur. w Neustadt/Hardt (Niemcy), doktorat w Strasburgu, Francja, u Fittiga; prof. Uniw.
w Jenie.
N. M. KiŜner (1867-1935); ur. w Moskwie; doktorat w Moskwie u Markownikowa; prof. w Tomsku i w Moskwie.
Reakcja addycji hydrazyny do grupy karbonylowej jest wykorzystywana do redukcji tej grupy do
-CH2-, czyli przekształcania związku karbonylowego w węglowodór; nosi ona nazwę redukcji
Wolffa-KiŜnera. Polega ona na ogrzewaniu aldehydu lub ketonu z hydrazyną w obecności
KOH w temperaturze 240 o C. Pośrednio powstaje fenylohydrazon. Późniejsza modyfikacja
polegająca na zastosowaniu DMSO jako rozpuszczalnika pozwoliła na znaczne obniŜenie
temperatury reakcji. Redukcja Wolffa-Kiznera jest alternatywnym redukcji grupy karbonylowej
do metody Clemmensena (za pomocą amalgamatu rtęci).
O
C
CH 2 CH 3
H 2 NNH 2 /KOH
DMSO
N:
CH2CH2CH3 + HOH + N2 propiofenon propylobenzen (keton etylowo-fenylowy) (82%)
7. Reakcja haloformowa
Ketony metylowe i acetaldehyd rozpadają się w środowisku zasadowym pod wpływem
halogenów; wydziela się przy tym haloform (CHX3), a z reszty tworzy się sól kwasu
karboksylowego.
O
C
CH 3
X 2
- OH
O
C
CX 3
- OH
-
COO
+ CHX3 acetofenon trihalogenoacetofenon benzoesan haloform
W reakcji metylowego ketonu z halogenem w środowisku zasadowym reakcja nie zatrzymuje się
na monohalogenowaniu, ale biegnie dalej aŜ do podstawienia wszystkich atomów wodoru grupy
metylowej. Taki trihalogenometylowy keton jest nietrwały w obecności zasad i rozpada się na
haloform i jon karboksylanowy:
36

O H
O
O
:B
CH2 -
..
: :
: : : :
-
R C
R C
R C
-
CH 2
: O:
R C
:B -
CBr 3
Br 2
:B -
jon enolanowy Br 2
Br 2
:B -
: O:
-
R C COO
: O:
Br
R C
CH 2
CH 2
+ CHBr 3
+ Br -
jon karboksylanowy bromoform
Podobnej reakcji ulegają 2 o alkohole zawierające grupę CH3 przy hydroksylowanym atomie
węgla. Tego typu alkohole łatwo utleniają się pod wpływem halogenu do metylowego ketonu:
OH
RCHCH 3
X 2
- HX
O
RCCH 3
2 o alkohol zawierający grupę keton metylowy
CH3 przy hydroksylowanym atomie C
Działanie jodem na ketony metylowe, acetaldehyd i 2 o alkohole zawierające grupę CH3 przy
hydroksylowanym atomie C, słuŜy jako test do wykrywania tego typu ugrupowań:
O OH
i
-CCH 3
-CHCH 3
Po dodaniu jodu do roztworu takich związków wypada jodoform w formie Ŝółtych kłaczków.
Test ten nosi nazwę reakcji jodoformowej.
O
-CCH 3
I 2
- OH
-COO -
+ CHI 3
jodoform
8. Kondensacja pinakolinowa
Pinakolanami nazywane są wicynalne glikole zawierające grupy hydroksylowe przy 3 o atomach
węgla, przy czym najprostszy z nich czyli 2,3-dimetylo-2,3-dihydroksybutan nosi nazwę
pinakolu. Pinakole powstają w wyniku dimeryzacji ketonów pod wpływem reaktywnych metali
w środowisku aprotonowym. W środowisku protonowym metale te redukują ketony do alkoholi.
Pierwszy etapem reakcji w obu przypadkach jest utworzenie anionorodnika (ketylu) w procesie
przeniesienia pojedynczego elektronu (SET, ang. single electron transfer).
: O:
R C R' + Mo Dalsze etapy reakcji zaleŜą od środowiska:
SET
.. -
: O:
R C.
R'
anionorodnik
(ketyl)
37

A. W środowisku protonowym anionorodnik przyłącza proton i przekształca się w rodnik,
który ponownie w reakcji SET pobiera elektron od atomu metalu przechodząc w anion.
Z anionu po kolejnym protonowaniu tworzy się alkohol.
B. Zaś w środowisku aprotonowym anionorodnik dimeryzuje tworząc dianion
(alkoholan), z którego po zakwaszeniu powstaje pinakol.
..
: O:
anionorodnik
A
R C . R' (ketyl)
B
-
H +
..
: OH
R C.
R'
SET M o
..
: OH
-
R C..
R'
: OH
..
R C
H
środowisko
protonowe
H +
alkohol
R'
rodnik
anion
anionorodnik
anionorodnik
środowisko
aprotonowe
alkoholan
pinakol
R
R
R'
C .
+
.
C
R'
.. -
O..
:
.. -
O..
:
R
R
R'
C
C
R'
.. -
O..
:
..
O..
:
-
H +
R' R'
R C C
Dowodem na to, Ŝe reakcja kondensacji pinakolinowej biegnie przez anionorodnik jest zmiana
barwy roztworu, w którym zachodzi reakcja. Zarówno substrat – keton, jak i produkt – pinakol
są bezbarwne, natomiast w trakcie reakcji pojawia się intensywnie niebieskie (lub fioletowe)
zabarwienie, typowe dla anionorodników.
HO
.. +
: O: : O:
- K
C
benzofenon
bezbarwny
HO
C C
K
THF
OH
+ H
C.
ketyl benzofenonu
intensywnie
niebieski
benzopinakol
bezbarwny
OH
R
38

Pinakol, czyli 2,3-dimetylobutano-2,3-diol jest najczęściej otrzymywanym pinakolem.
Otrzymuje się z bardzo dobrą wydajnością w reakcji acetonu z magnezem; krystalizuje w postaci
hydratu.
..
: O: : O:
-
2 H3C C CH3 C
6 HOH .
aceton
C
H 3
CH3 CH3 C C
HO
OH
Mg
benzen
CH 3
hydrat pinakolu (95%)
+ H
HOH
H 3
C
H 3
C
H 3
C.
.
C
: O:
.. -
CH 3
CH 3
CH3 CH3 C C
: O O
- ..
: :
..
:
-
2+
Mg
9. Addycja wodorosiarczanu (IV) – połączenia bisulfitowe
Wodorosiarczany (IV) przyłączają się do grupy karbonylowej aldehydów i niektórych ketonów
(nie zawierających objętościowo duŜych podstawników) tworząc krystaliczne, trudno
rozpuszczalne w wodzie sole kwasów αααα-hydroksysulfonowych, zwane połączeniami
bisulfitowymi.
O
OH
C + Na + - C SO HSO3 3 Na +
CH 3
aldehyd lub keton połączenie bisulfitowe (αααα-hydroksysulfonian sodu)
Z połączeń bisulfitowych łatwo odtwarza się wyjściowe związki karbonylowe. Ulegają one
rozkładowi pod wpływem kwasów lub zasad. Często słuŜą do wyodrębniania związków
karbonylowych z mieszanin (ze środowiska reakcji) lub do usuwania ich resztek, kiedy słuŜyły
jako substraty.
10. Reakcja Wittiga
OH
C
-
SO 3
+ H
- OH
O
C + SO 2 + HOH
O
C
-
+ SO 3 -2 + HOH
Georg Wittig (1897-1987), ur. w Berlinie; doktorat w Marburgu u von Auwersa; prof. uniwersytetów we Freiburgu,
Tybindze i Heiderbergu; laureat nagrody Nobla w 1979 r.
Reakcja Wittiga słuŜy do otrzymywania alkenów z aldehydów lub ketonów. Kluczowym
reagentem w tej reakcji są ylidy – specyficzne pochodne trifenylofosfiny.
39

..
P
trifenylofosfina
Trifenylofosfina ulega łatwo alkilowaniu do 4 o soli fosfoniowej.
Ph 3 P: + CH 3
trifenylofosfina
bromek
metylu
SN2 Br Ph3P CH3 Br - +
bromek trifenylometylofosfoniowy
4 o sole fosfoniowe, np. bromek trifenylometylofosfoniowy pod wpływem silnych zasad
przekształca się w betainę, będącą izomeryczną formą ylidu. Zasada odrywa z halogeneku
trifenyloalkilofosfoniowego kwaśny atom wodoru znajdujący się przy Cα w stosunku do atomu
fosforu.
+
BuLi + ..
Ph3P CH2 H Ph3P CH
- 2
Br -
betaina
bromek
trifenylometylofosfoniowy
Betaina tym róŜni się od ylidu, Ŝe w betainie rozdzielone są ładunki. Obie te formy są
odmianami mezomerycznymi tego samego związku.
Ylid reaguje ze związkami karbonylowymi tworząc nietrwały addukt, który się rozpada na alken i
tlenek trifenylofosfiny.
Ph 3 P
ylid
H C C 2
alken
CH 2
- Ph 3 P=O
+
Ph3P -
..
C O:
+
Ph3P ..
: O
-
..
tlenek trifenylofosfiny
Reakcja Wittiga, pośród wielu metod otrzymywania alkenów, naleŜy do najbardziej
selektywnych, szczególnie gdy produktem ma być związek o rozbudowanym szkielecie
węglowym.
Z aldehydów lub ketonów moŜna trzymać alkeny równieŜ innym sposobem: poprzez ich reakcję
ze związkami Grignarda, a następnie dehydratację otrzymanych alkoholi pod wpływem POCl3,
jednak produktem jest zwykle mieszanina izomerów.
CH 2
CH 2
C
Ph 3 P
ylid
CH 2
40

O
1. CH 3 MgBr
2. POCl 3
Ph 3 P=CH 2
CH 3
1-metylocykloheksen
CH 2
+
CH 2
metylenocykloheksen
metylenocykloheksen
O efektywności reakcji Wittiga świadczy to, Ŝe znalazła zastosowanie przemysłowe, np. do
wytwarzania β-karotenu (prowitaminy A).
retinal
O
CH
reakcja
Wittiga
+
HC
β-karoten
PPh 3
(84%)
ylid retinylidenotrifenylofosfoniowy
11. Tautomeria keto-enolowa
Związki karbonylowe zawierające atom wodoru w połoŜeniu α ulegają tautomerii, polegającej na
tym, Ŝe Hαααα przemieszcza się pomiędzy atomami O↔C. W większości przypadków równowaga
jest przesunięta w kierunku grupy karbonylowej (na lewo):
H
..
O:
R
..
: O H
R
R'
C C
R'' R'
C C
R''
Zjawisko przejścia atomu wodoru (przegrupowania) w obrębie tej samej cząsteczki nazywane
jest tautomerią (grec. tauto – takie samo, meros – część). Poszczególne izomery tautomeryczne
nazywane są tautomerami. Tautomeria jest związana z mezomerią. Etapem pośrednim
tautomeryzacji jest jon enolanowy, a powstający tautomer jest enolem.
Nazwa enol pochodzi od połączenia końcówek dwóch grup funkcyjnych „en” (od alkenu) i „ol”
(od alkoholu) i oznacza, Ŝe grupa -OH jest przyłączona do atomu węgla tworzącego podwójne
wiązanie (tzn. o hybrydyzacji sp 2 ).
41

..... ..
.. -
R : O:
C C jon enolanowy
R' R''
- H + + H+ - H + + H+
..
..
R O:
R : O H
R' C C C C
H R''
R' R''
forma ketonowa (karbonylowa) forma enolowa
W środowisku obojętnym tautomeria jest reakcją wolną, natomiast w obecności zarówno
kwasów jak i zasad jej szybkość znacznie wzrasta.
Kataliza kwasowa:
H
.. +
O H
C C
H
..
O:
+H
O H
C C
-
H
C
..
: O
C
+
H
+ ..
:
H C C
forma ketonowa forma enolowa
Kataliza zasadowa:
..
H O:
-OH C C
- HOH
forma ketonowa
C
-
C
..
O:
C
.. -
: O:
C
+ H
..
: O H
C C
forma enolowa
Aldehydy i ketony chociaŜ występuję w obu formach (ketonowej i enolowej) to najczęściej
równowaga jest zdecydowanie przesunięta w kierunku grupy karbonylowej. Znane są jednak
związki, w których forma enolowa przewaŜa, naleŜy do nich fenol, a takŜe 1,3-diony.
42

Równowaga tautomeryczna przykładowych związków
aldehyd
octowy
forma ketonowa forma enolowa
O
O
aceton CH 3 CCH 3
cykloheksanon
fenol
O
O
C
H 2
OH
CH3CH CH2 CH
99,99%

Przyczyną tej racemizacji jest przejściowo tworząca się, pozbawiona chiralnego atomu węgla
forma enolowa. W trakcie odtworzenie grupy karbonylowej -C=O dochodzi do powstanie takiej
samej ilości izomeru (+) jak i (-), czyli racematu.
Dzięki tautomerii moŜna wprowadzać izotopy wodoru w połoŜenie α do grupy karbonylowej.
H3C O
CH 3 CH 2 CC
H
+ D/DOD
lub - OD/DOD
H3C O
CH 3 CH 2 CC
1-fenylo-2-metylobutan-1-on 2-deutero-1-fenylo-2-metylobutan-1-on
Zadanie: przedstaw mechanizm α deuterowania związków karbonylowych
Stosunkowo łatwa wymiana protonu przy Cα na deuteron (lub tryton) jest moŜliwa dzięki
stosunkowo duŜej wartości pKa (kwasowości) atomu wodoru w tej pozycji – pKa przy Cα
wynosi 19-20, podczas gdy przy Cβ jedynie 40-50.
R
O
C C C
H H
α β
19-20 40-50
pKa ↑ ↑
kwasowy atom H niekwasowy alifatyczny atom H
1 o i 2 o nitrozwiązki teŜ ulegają tautomerii, tworząc przy tym stosunkowo silne kwasy.
Nitrozwiązki w formie tautomerycznej noszą nazwę aci-nitropochodnych. Stała kwasowa Hα dla
nitrometanu wynosi 6,1.10 -11 , podczas gdy jego formy aci – 5,6.10 -4 . Roztwór nitrometanu nie
daje odczynu kwaśnego wobec papierka uniwersalnego, natomiast nitrometan w formie aci
zabarwi ten papierek podobnie jak kwas octowy. W nitrozwiązkach w środowisku obojętnym
równowaga przesunięta jest w kierunku formy nitrowej; w nitrometanie formy aci jest jedynie
około 0,00001%, w nitroetanie 0,009%, a w 2-nitropropanie 0,3%.
H
..
O:
..
: O H
R C N ..
R N
+
-
C ..
O..
:
+
-
O..
:
forma nitro forma aci
W obecności zasad nitrozwiązki wolno tworzą rozpuszczalne w wodzie sole formy aci. Sole te
pod wpływem mocnych kwasów zostają przekształcane w nietrwałe kwasy – aci-nitrozwiązki. Po
ponownym zalkalizowaniu świeŜo otrzymanych aci-nitrozwiązków powstają z nich sole tak
szybko, jak z kwasów mineralnych. Aci-nitrozwiązki z ciągu kilku godzin samorzutnie
przechodzą w formę nitro.
D
44

H ..
O:
CH N ..
+
-
O..
:
fenylonitrometan
forma nitro
ciecz, tw. 226 o C
forma aci
NaOH
wolno
kilka
godzin
fenylonitrometan
ciało stałe, tt. 84 o C
NaOH
szybko
..
: O Na
CH N ..
+
-
O..
:
+ -
H +
szybko
..
: O H
CH N ..
+
-
O..
:
Forma aci większości nitrozwiązków jest tak nietrwała, Ŝe trudno je wyizolować w postaci
indywiduów chemicznych; fenylonitrometan naleŜy do tych nitrozwiązków, które trwają przez
kilka godzin, moŜna więc je wyizolować i scharakteryzować.
Aci-nitropochodne są silniejszymi kwasami niŜ kwas węglowy i rozpuszczają się w roztworach
węglanu sodu czy potasu, natomiast nitrozwiązki w formie nitro nie rozpuszczają się w
roztworach węglanów. Aci-nitrozwiązków pod wpływem roztworu chlorku Ŝelaza (III) przyjmują
czerwone zabarwienie, podobnie jak enole i fenole.
Fenole są przykładem trwałych enoli. Do twałych enoli naleŜą równieŜ 1,3-diony, ββββoksyaldehydy,
ββββ-oksynitryle czy ββββ-oksyestry.
12. Polimeryzacja aldehydów
Aldehydy niskocząsteczowe (metanal i etanal) ulegają cyklicznej oligomeryzacji lub liniowej
polimeryzacji. Tworzą się przy tym produkty zawierające wiązania acetalowe. Aldehydy
aromatyczne zawierające grupę karbonylową przy pierścieniu nie ulegają polimeryzacji.
Tendencja do polimeryzacji aldehydów alifatycznych zmniejsza się wraz ze wzrostem ich masy
cząsteczkowej.
Metanal jest trwały w stanie gazowym. Ślady wody i wiele innych zanieczyszczeń powodują jego
szybką polimeryzację. W roztworach wodnych polimeryzacja jest wolniejsza, ale widoczny osad
(polimer metanalu) na dnie formaliny (wodnego roztworu metanalu) świadczy, Ŝe polimeryzacja
ma miejsce. MoŜna ją przyspieszyć. Katalitycznie działają zarówno kwasy, jak i zasady. Z
wodnego roztworu metanalu pod wpływem wodorotlenków alkalicznych powstaje αpolioksymetylen.
(n + 2) HCHO + HOH
+ H lub -OH HOCH2 (OCH2 ) nOCH2OH metanal polioksymetylen
Pod wpływem stęŜonego kwasu siarkowego wytrąca się β-polioksymetylen, a paraformaldehyd
tworzy się w trakcie odparowywania pod obniŜonym ciśnieniem wodnych roztworów metanalu.
Wszystkie te trzy formy są liniowo spolimeryzowanym metanalem. RóŜnica polega na tym, Ŝe
stopień polimeryzacji n paraformaldehydu mieści się w granicach 10-50, zaś stopień
polimeryzacji polioksymetylenów jest większy. β-Polioksymetylen zawiera małe ilości kwasu
siarkowego związanego estrowo. Obecnie paraformaldehyd jest równieŜ zaliczany do
polioksymetylenów.
45

Paraformaldehyd jest produkowany na skalę przemysłową, stanowi bowiem dogodną formę
przechowywania i transportowania metanalu. Paraformaldehyd łatwo przekształcić w wolny
aldehyd, poniewaŜ depolimeryzuje on w temperaturze 140-160 o C bezpośrednio do gazowego
produktu. RównieŜ w niektórych reakcjach zachowuje się jak wolny aldehyd.
Trioksan (trioksymetylen), cykliczny trimer metanalu powstaje w trakcie ogrzewania
paraformaldehydu (polioksymetylenu) z katalityczną ilością kwasu siarkowego w zamkniętym
naczyniu. Jest to w odróŜnieniu od polimerów liniowych związek jednorodny i w odróŜnieniu od
metanalu ma przyjemny zapach.
HOCH 2 (OCH 2 ) n OCH 2 OH
polioksymetylen
H 2 SO 4
O
O O
trioksan
tt. 64 o C
Etanal i wyŜsze aldehydy przechowywane w stanie czystym, w szczelnie zamkniętym naczyniu są
trwałe – nie ulegają samorzutnej polimeryzacji. Jednak pod wpływem katalitycznych ilości
silnych kwasów etanal szybko trimeryzuje. Ten trimer nazywany jest paraacetaldehydem lub
krócej paraaldehydem (paraldehydem). Równocześnie powstaje tetramer zwany metaaldehydem
(metaldehydem).
3 CH 3 CHO
+ H
C
H 3
O CH 3
O O
CH 3
H C 3
O
C
H 3
O
O
O
CH 3
CH 3
etanal paraaldehyd metaaldehyd
(tw. 21 o C, tt. –125 o C) (tw. 124 o C, tt. 10 o C) (tt. 190 o C, subl.)
Reakcja oligomeryzacji etanalu jest reakcją odwracalną, przy czym stan równowagi zaleŜy od
temperatury; w temp. 50 o C 40% aldehydu ulega oligomeryzacji. W niŜszych temperaturach
równowaga przesuwa się w kierunku oligomerów. Czysty paraaldehyd otrzymuje się przez
oddestylowanie go po zobojętnieniu mieszaniny równowagowej. Z pozostałości wydziela się
metaaldehyd. Dawniej metaaldehyd w formie kostek słuŜył jako bezpieczne paliwo turystyczne.
Nie stwarzało ono tyle problemów co, np. benzyna w szklanych butelkach. Wadą metaaldehydu
jako paliwa jest jego niska wartość energetyczna, poniewaŜ jest w znacznym stopniu utleniony.
Obecnie metalowe butle z ciekłym gazem (propan/butan) są najpopularniejszym paliwem
turystycznym.
Z paraaldehydu po zakwaszeniu wydziela się etanal. Jest to jedna z metod wprowadzania etanalu
jako reagenta do wielu syntez.
Wielocząsteczkowy, liniowy polimer etanalu powstaje poprzez polimeryzację etanalu wobec
tlenku glinu. MoŜna go równieŜ otrzymać z zamroŜonego do -120 o C monomeru. Po jego
podgrzaniu do temperatury pokojowej otrzymuje się gęstą ciecz, która samorzutnie przekształca
się w stały produkt.
+
46