Aldehyde und Ketone - Nucleophile Addition Die C=O

92
10. Die Carbonylgruppe : Aldehyde und Ketone - Nucleophile Addition
Die C=O Doppelbindung - der Carbonylgruppe - ist die wichtigste funktionelle Gruppe der
organischen Chemie. Dieses Kapitel befasst sich mit der Chemie der Aldehyde und Ketone.
10.1 Arten von Carbonylgruppen
Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Klassen von Carbonyl-Verbindungen:
O
Aldehyd
R
-al
H
O
-on
Keton
R
R
O
Carbonsäuren
R
-säure
H
O
O
Alkanoylhalogenid
R
Cl
O
Anhydrid
-säurechlorid
-oylchlorid
R
O
-säureanhydrid
O
R'
Ester
R
O
Thioester
O
O
-oat
R'
R
S
R'
O
Lacton (Cyclischer Ester)
R
-lacton
O
O
Amid
R
(Cyclisches Amid =
Lactam)
-amid
N
Es kann nützlich sein, die Carbonyl-Verbindungen in zwei Klassen zu unterteilen :
O
Aldehyd
R
R
Alkanoylhalogenid
H
O
Anhydrid
Ester
O
R
R
Lacton (Cyclischer Ester)
Amid
(Cyclisches Amid
= Lactam)
O
O
H
R
Cl
O
O
O
R'
Keton
R
O
O
Carbonsäuren
R
S
R'
R
R'
O
O
R
O
O
R
N
Aldehyde und Ketone besitzen
Der Acyl-Rest (RCO) in Carbonsäuren und ihren Derivaten
entweder ein H-Atom oder eine
ist an ein Heteroatom gebunden (-Cl, -OR, -NR2).
Alkyl- oder Aryl- Gruppe. Solche
Diese elektronegativen Heteroatome können eine negative
Gruppen können nicht eine
Ladung tragen und können deswegen als Abgangsgruppen
negative Ladung tragen. Sie können dienen. Die Chemie dieser Carbonyl-Verbindungen ist
deswegen nicht als eine
deswegen untereinander ähnlich.
Abgangsgruppe dienen. Aldehyde
und Ketone besitzen ähnliche
chemische Eigenschaften, unterscheiden
sich aber in ihrer Chemie
von der der Carbonsäure-Derivate.
93
10.2 Struktur und chemische Eigenschaften der Carbonylgruppe
Sowohl das Sauerstoff als auch das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe sind sp2-hybridisiert und
liegen daher in der gleichen Ebene wie die beiden anderen Nachbaratome des Kohlenstoffatoms ; die
Bindungswinkel am C-Atom betragen etwa 120o :
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 C. Das letztere beeinflusst die π-Elektronenwolke so, dass eine nennenswerte
Polarisierung der C=O-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
Hinzufügung der Endung -al ab. Die Position der C=O-gruppe wird nicht spezifiziert.
Definitionsgemäss ist ihr C-Atom C-1. Solange die Aldehydfunktion der längsten Kohlenstoffkette
angehört,ist auch die Numerierung der anderen C-Atome eindeutig festgelegt :
Methanal
(Formaldehyd)
4,6-Dimethylheptanal
Ethanal
(Acetaldehyd)
Cyclohexancarbaldehyd
Systeme die nicht so einfach durch die Endung -al benannt werden können, werden als
Carbaldehyde bezeichnet.
94
Entsprechend den IUPAC-Regeln heissen Ketone Alkanone, dabei wird die Endung -on an den
Namen des entsprechenden Alkans angehängt. Die Position der Carbonylgruppe in der längsten
Kette wird durch Numerierung in der Weise festgelegt, dass das Kohlenstoffatom der
Carbonylgruppe die niedrigste mögliche Nummer erhält:
2-Hexanon
Hexan-2-on
4-Chlor-6-methyl-3-heptanon
3-Oxobuttersäure
(Acetessigsäure)
Bei komplizierten Strukturen wird die Bezeichnung oxo benutzt, um die Gegenwart einer
Carbonylgruppe deutlich zu machen. Zahlreiche Substituenten, die eine Carbonylgruppe enthalten,
haben spezielle Namen .
Z.B.:
Acetylgruppe =
Acylgruppe =
Formylgruppe =
10.4 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen : Nucleophile Additonsmechanismen
Die Carbonylgruppe ist stark polarisiert, und demzufolge greifen Elektrophile das Sauerstoffatom
und Nucleophile das Kohlenstoffatom an. Eine der wichtigsten Reaktionen, die Aldehyde und
Ketone eingehen, ist die Nucleophile Addition an der Carbonylgruppe :
Wir können die folgenden allgemeinen Mechanismen schreiben :
Das Elektronenpaar an dem Nucleophil greift
das elektrophile Carbonyl-C-Atom an. Die zwei
p-Elektronen in der C=O Doppelbindung
werden auf das O-atom verschoben. Das CarbonylC-Atom wird von sp2 zu sp3 umhybridisiert.
Das tetraedrische Zwischenprodukt nimmt ein Proton ausdem Lösungsmittel auf und ergibt ein
neutrales Produkt.
95
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 Carbonylverbindung und
dem entsprechenden geminalen Diol, das auch als Carbonylhydrat bezeichnet wird :
Carbonylhydrate entstehen nur langsam im Wasser bei pH 7, werden aber in Gegenwart von
Säuren oder Basen beträchtlich schneller gebildet. Die Reaktion wird also durch Säure oder Base
katalysiert - Die Gleichgewichtskonstante bleibt identisch, die Reaktion erreicht die
Gleichgewichtslage aber schneller. Warum?
Katalyse
Im Fall von Basenkatalyse, bei pH>7, haben wir OH- vorhanden, was gegenüber Wasser ein viel
besseres Nucleophil ist :
Im basenkatalysierten Mechanismus agiert das Hydroxid-Ion als Nucleophil . Wasser fängt dann das
intermediäre Addukt unter Bildung des geminalen Diols ab, wobei der Katalysator wieder frei wird.
Im säurekatalysierten Mechanismus erfolgt zuerst eine Protonierung auf das Lewis-basische
Carbonyl-O. Dadurch wird die C=O Gruppe stärker polarisiert, und die Carbonyl-C-Atomgruppe ein
stärkeres Elektrophil. Jetzt greift ein Wassermolekül, obwohl es immer noch ein schwaches
Nucleophil ist, auch sehr rasch an :
Ein Proton wird auf das Carbonyl-O -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.
96
Es ist zu bemerken, dass der basen-katalysierte Prozess rascher abläuft, weil das -OH-Ion ein viel
besseres Nucleophil ist als ein Wassermolekül. Der säure-katalysierte Prozess hingegen läuft rascher
ab, weil durch Protonierung der Carbonylgruppe ein besseres Elektrophil für den Nucleophil-Angriff
gebildet wird.
Den Reaktionsgleichungen ist zu entnehmen, dass die Hydratisierung 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.:
Allgemein finden Additionen an C=O-Gruppen umso schneller statt, je elektrophiler das CarbonylC-Atom ist :
Reihenfolge der Reaktivität von C=O-Gruppen bei eine nukleophile Addition:
O
O
Cl3C
H
H
O
H
Me
O
H
Me
Me
Man kann die elektrophile Kraft dieses Zentrums grob mit der Stabilität des in der dipolaren
Resonanzstruktur formulierten Carbeniumions korrelieren. Das höher (mit Alkylgruppen)
substituierte Carbeniumion ist das stabilere, und seine Reaktivität sinkt in dieser Reihenfolge.
Elektronenziehende Substituenten destabilisieren das positiv polarisierte C-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.:
O
R
+
2
R'
OH
+
2
R'
OH
Acetal
+ H2O
Ketal
+ H2O
H
O
R
R
Es sollte nicht überraschen, dass auch Alkohole an Aldehyde und Ketone addieren, wobei der
Mechanismus dem der Hydratisierung praktisch gleicht. Die so erhaltenen Produkte nennt man
Halbacetale oder Halbketale :
97
Diese Additionsreaktionen werden ebenfalls von einem Gleichgewicht beherrscht, das
normalerweise auf der Seite der Carbonylverbindung liegt. In Gegenwart eines Überschusses an
Alkohol geht die säurekatalysierte Reaktion mit Aldehyden oder Ketonen über die Halbacetal-Stufe
hinaus :
O
MeOH
H+
HO
OMe
MeOH
H+
MeO
OMe
Dieser zweite Schritt kann als eine SN1 Substitutionsreaktion (sp3 -Zentrum) gesehen werden :
Die Hydroxygruppe wird protoniert,
wodurch eine gute Abgangsgruppe
(Wasser) entsteht.
Das resultierende Carbeniumion ist
durch ein freies Elektronenpaar des
O-Atoms resonanzstabilisiert.
Ein zweites Molekül Alkohol addiert
nun an das elektrophile C-Atom, was zu
einem protonierten Acetal führt, dass
dann zum Endprodukt deprotoniert wird.
Dabei ist jeder Schritt reversibel. Die gesamte Reaktionsfolge von der Carbonylverbindung bis zum
Acetal ist ein Gleichgewichtsprozess. Durch Manipulation der Reaktionsbedingungen kann das
Gleichgewicht nach rechts oder nach links verschoben werden:
Acetal/Ketal Bildung benötigt einen Alkoholüberschuss
MeOH (Überschuss), kat. H+
O
Ph
MeO
Ph
Me
OMe
Me
+ H2O
Acetal/Ketal Hydrolyse benötigt einen Wasserüberschuss
EtO
O
OEt
H2O (Überschuss), kat. H+
+ 2 EtOH
98
1,2-Ethandiol (Glycol) und ähnliche Diole reagieren mit Aldehyden und Ketonen in Gegenwart
katalytischer Mengen Säure zu zyklischen Acetalen und Ketalen :
Eine wichtige Eigenschaft der Acetale und Ketale ist ihre relative Inertheit gegenüber Basen,
Grignard-Reagenzien, Hydrid-Reduktionsmitteln 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 die synthetische
Chemie als Schutzgruppen für die Carbonylfunktion in Aldehyden und Ketonen verwendet.
Halbacetale und Halbketale sind meist nicht isolierbar. Man kann aber Halbacetale oder Halbketale
von Hydroxyaldehyden oder Hydroxyketonen isolieren, wenn ein Ringschluss zur Bildung von
relativ spannungsfreien Fünf- oder Sechsringen führt :
O
HO
O
H
HO
H
H
O
OH
Dies kann man mit Hilfe der Entropie erklären. In intermolekularen Reaktionen kombinieren 2
Moleküle unter Bildung einer neuen Struktur. Dies ist entropisch ungünstig. Entsprechend ist die
umgekehrte Reaktion entropisch begünstigt. Im Gegensatz dazu wandelt sich bei der
intramolekularen Reaktion ein Molekul 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 Halbacetalen hat in der Chemie der Zucker (Kohlenhydrate)
grosse Bedeutung.
10.4.3 Nucleophile Addition von Grignard Reagenzien
Grignard Reagenzien addieren an Aldehyde und Ketone in gleicher Weise wie andere Nucleophile
unter Bildung von Alkoholen (Seite-89) :
Die negativ polarisierte Alkylgruppe
greift das Carbonyl-C-Atom an. Das
Carbonyl-O-Atom übernimmt das Metall
unter Bildung eines Metall-Alkoxids.
Durch Zugabe von wässeriger Säure wird
Metall-Alkoxid hydrolysiert. So entstehen
der Alkohol und ein Salz.
Durch diesen Mechanismus können alle die auf Seite-89 angegebenen Reaktionen zwischen
Grignard- Reagenzien und Aldehyden oder Ketonen erklärt werden.
99
10.4.4 Die nucleophile Addition von Aminen an Aldehyde und Ketone
Kondensation zu Iminen, Oximen und Hydrazonen
Man kann Amine als die N-Analoga der Alkohole betrachten. Das N-Atom ist jedoch stärker
nucleophil als das O-Atom, und daher addieren Amine sehr effektiv an Carbonylgruppen von
Aldehyden und Ketonen zunächst unter Bildung von Halbaminalen und dann von Iminen:
OH
R
O
R'
R'
H
N
NH-R
R'
H
pH 4 - 5
R'
- H2O
NH2
H
Ein Imin
reagiert rasch weiter
Mechanismus :
Ein freies Elektronenpaar an N greift die
Carbonylgruppe an.
Umprotonierung findet blitzschnell
statt, und ein neues Gleichgewicht
ensteht.
Das Molekül wird an dem O-Atom
protoniert, was zu einer Eliminierung von
Wasser führt.
Die Bildung eines Imins ist auch reversibel und durch Behandlung von wässeriger Säure wird das
Imin wieder zu einem Aldehyd oder Keton hydrolysiert.
Eine Reihe von anderen Imin-ähnlichen Derivaten können auch durch die Reaktion zwischen einem
Aldehyd oder Keton und einem Amin-Derivat (H2N-X) hergestellt werden, z.B. :
OH
O
N
+
EtOH, H+
NH2OH
Hydroxylamin
Ein Oxim
Keton/Aldehyd
O2N
NO2
O
Me
+
Me
Keton/Aldehyd
H2N NH
EtOH, H
NH
NO2
N
NO2
2,4-Dinitrophenylhydrazin
Me
Me
Ein 2,4-Dinitrophenylhydrazon
100
10.4.5 Die Addition von Kohlenstoff-Nucleophilen an Aldehyde und Ketone
Cyanhydrine
Neben Alkoholen und Aminen können zahlreiche andere Nucleophile die Carbonylgruppe angreifen.
Besonders wichtig sind Kohlenstoff-Nucleophile, da man auf diesem Wege neue C-C-Bindungen
bilden kann.
HCN, zum Beispiel, addiert an Carbonylverbindungen, wodurch Hydroxyalkannitrile gebildet
werden, die auch Cyanhydrine genannt werden:
KCN, EtOH
O
Ein Cyanhydrin
Me
H
O
KCN, EtOH
Ein Cyanhydrin
Der Mechanismus der Cyanhydrinbildung beginnt mit einem nucleophilen Angriff des Cyanid-Ions
und endet mit einer Protonierung des O-Atoms :
Die Reaktion kann durch Basen leicht umgekehrt werden, da sie das Gleichgewicht durch Entzug der
Protonen auf die Seite der freien Cyanid-Ionen verschieben.
Da die Nitrilgruppe durch weitere Reaktionen umgewandelt werden kann, sind Cyanhydrine
wichtige Zwischenprodukte :
H2O, H+
N
HO
Me
C
Hydrolyse
H
Reduktion
H2, Pt
10.4.6 Die nucleophile Addition von Hydrid - die REDUKTION von Aldehyde und Ketone
Wir haben auf Seite-89 gesehen wie Aldehyde und Ketone zu Alkoholen reduziert werden können :
O
Me
NaBH4
H
O
EtOH
LiAlH4
Et2O
(KEIN WASSER
ODER ROH dabei)
101
Metallhydriden wie NaBH4 und LiAlH4 übertragen ein Äquivalent Hydrid (H-) auf die C=ODoppelbindung. Ein Aldehyd oder Keton wird so zu einem Alkohol reduziert :
O
H
H B H
H
LiAlH4 ist reaktiver als NaBH4 und kann nur in aprotischen Lösungsmitteln wie Ether eingesetzt
werden. Insgesamt werden alle vier Wasserstoffatome von AlH4- auf vier Carbonylgruppen
übertragen. Auch mit Lithiumaluminiumhydrid lassen sich Hydrid-Ionen nucleophil an
Carbonylgruppen addieren :
O
O
H
H Al H
H
AlH3
O
H
Al
H2O
4
H
10.5 Oxidation von Alkoholen und Aldehyden mit CrO3 - Mechanismus
Wir haben früher gesehen, dass Alkohole mit CrO3 oxidiert werden können. Primäre Alkohole
ergeben zuerst Aldehyde. Weitere Oxidation führt zu Carbonsäuren. Die Mechanismen für solche
Oxidations-Prozesse können folgenderweise formuliert werden :
Ausgehend von einem Aldehyd kann in Gegenwart von Wasser ein Carbonyl-Hydrat gebildet
werden, was dann über einen analogen Mechanismus oxidiert werden kann. Sekundäre Alkohole
können aber mit diesem Verfahren nur bis zu Ketonen oxidiert werden:
102
10.6 Beispiele aus der biologischen Chemie
Viele der Reaktionen die man im Labor verwendet kommen auch in der Natur vor:
CH3
COOH
HO
+
H
H
CONH2
N
LactatDehydrogenase
R
Milchsäure
(Lactic acid)
NAD
CH3
H
CONH2
COOH
+
O
N
Pyruvat
R
+
NADH
Ein Biosyntheseweg zu gewissen α-Aminosäuren verläuft zum Beispiel über eine Nucleophile
Addition von Ammoniak an eine α-Ketocarbonsäure (hier Pyruvinsäure = Pyruvic acid) :
CH3
C
Alanin-Dehydrogenase
NH
O
+ NH3
CH3
COOH
C
COOH
NADH
NAD+
Andere Beispiele kommen oftmals in der Kohlenhydrat-Chemie vor. Glucose zum Beispiel ist eine
Hexose und kann in einer Fischer-Projektion als ein Aldehyd geschrieben werden. Aber wenn man
Glucose mit spektroskopischen Methoden untersucht, stellt man fest, dass keine Aldehydgruppe
vorhanden ist ! Der Grund dafür ist, dass Glucose als ein cyclisches Halbacetal vorliegt
OH
OH
OH
HO
HO
O
O
OH
HO
OH H
HO
OH
Glucose
(Halbacetal Form)
Auch Cyanohydrine kommen in der Natur vor. Sie spielen eine interessante Rolle in einem
chemischen Verteidigungsmechanismus, den gewisse Tausendfüssler (Millepede) benützen, z.B.
Apheloria corrugata. Wenn angegriffen, wird Mandonitril sowie ein Enzym, das die Zersetzung von
Mandonitril zu Benzaldehyd und HCN katalysiert, abgesondert.
HCN wird dadurch über die Angreifer geschossen !