Overview of the Reactions of Carbonyl Compounds by pptfiles

VIEWS: 2 PAGES: 54

									  Overview of the Reactions of 
     Carbonyl Compounds
• Topical Outline of Coverage
  – I. Kinds of Carbonyl Compounds.
  – II.Polarity of the Carbonyl Functional
    Group.
  – III.General Reactions of Carbonyl
    Compounds
     • A.     Nucleophilic Addition Reactions
     • B.     Nucleophilic Substitution Reactions
   Kinds of Carbonyl Compounds
• All carbonyl compounds contain the acyl group 




• where the (R) residue bonded to the carbonyl 
  maybe alkyl, aryl, alkenyl, or alkynyl.  The 
  different kinds of carbonyl compounds arise from 
  the nature of the other residue      bonded to the 
  carbonyl group.
Kinds of Carbonyl Compounds
   Categories of Carbonyl Compounds
• Carbonyl 
  Compounds 
  may be 
  grouped into 
  two broad 
  categories 
  based upon 
  whether or 
  not they take 
  part in 
  Nucleophilic 
  Substitution 
  Reactions 
        Aldehydes and Ketones

                   R    X
                        X

• Aldehydes and Ketones - X =  H and R 
  respectively ; these carbonyl compounds do
  not undergo nucleophilic substitution
  reactions.  That is to say, the H and R groups 
  are never substituted by other groups.  Both H- 
        -
  and R  make poor leaving groups.
Carboxylic Acids and their Derivatives

                      X


• Carboxylic acids and their derivatives – 
  X = some heteroatom (O, Cl, or N).  
  Nucleophilic substitution reactions are 
  possible for these carbonyl compounds 
  because the electronegative heteroatom can 
  stabilize a negative charge and form good 
  Leaving Groups.
           Polarity of the Carbonyl
                    Groups 
• The carbon-oxygen double bond of the 
  carbonyl group is extremely polarized in the 
  direction of the highly electronegative oxygen.  
  This polarization is responsible for the 
  characteristic reactions of carbonyl compounds 

      d-

       d+
     General Reactions Of
     Carbonyl Compounds

• Nucleophilic Addition Reactions

• Nucleophilic Acyl Substitution
  Nucleophilic Addition Reactions –
             Chapter 09
• There are two different ways in which a nucleophile can add 
  to a carbonyl compound.  Each way leads to a different 
  nucleophilic addition reaction but the mechanisms for both 
  reactions involves the same 1st step.
• In this step, the nucleophile bonds to the carbonyl carbon 
  and thereby causes a carbon-oxygen bond to break.  The 
  carbonyl carbon rehybridizes from sp2 to sp3 and the 
  carbonyl oxygen becomes negatively charged.  At this point 
  the tetrahedral intermediate can either be protonated to form 
  an alcohol (NaBH4, LiAlH4, or Grignard Reduction) or a 
  non-bonded e- pair on the nucleophile can be used to form a 
  second bond to the carbonyl carbon.  The new bond 
  formation causes expulsion of the carbonyl oxygen as H2O. 
        First Type of Nucleophilic 
                 Addition 
• Alcohol Formation – 
  Ketones and 
  Aldehydes react with 
  NaBH4, LiAlH4, and 
  Grignard reagents to 
  form alcohols 
Second Type of Nucleophilic Addition 


• Imine formation - 
  Ketones and 
  Aldehydes react 
  with 1o amines  to 
  form imines .
Nucleophilic Acyl Substitution –
• Theses reactions do not apply to aldehydes 
  and ketones. These reactions involve the 
  substitution of the nucleophile for the X 
  residue of the carbonyl compound.
Nucleophilic Acyl Substitution 
Carboxylic Acid Derivatives
    Carboxylic Acid Derivatives
• These all have an acyl group bonded to Y,  an 
  electronegative atom or leaving group
• Includes:  Y = halide (acid halides), acyloxy 
  (anhydrides), alkoxy (esters), amine (amides).
      General Reaction Pattern
• Nucleophilic acyl substitution
Nucleophilic Acyl Substitution-The 
           Mechanism
• Carboxylic acid 
  derivatives have an acyl 
  carbon bonded to an 
  electronegative group 
  ¾Y that can leave
• A tetrahedral 
  intermediate is formed, 
  then the leaving group 
  is expelled to generate a 
  new carbonyl 
  compound, leading to 
  substitution
      Substitution in Synthesis
• We can readily convert a more reactive acid 
  derivative into a less reactive one
• Reactions in the opposite sense are possible but 
  require more complex approaches 




             Found in Nature
       Reactions of Acid Halides
•   Nucleophilic acyl substitution
•   Halogen replaced by ¾OH, by ¾OR, or by ¾NH2
•   Reduction yields a primary alcohol
•   Grignard reagent yields a tertiary alcohol
  Reactions of Acid Anhydrides
• Similar to acid chlorides in reactivity
          Reactions of Esters
• Less reactive toward nucleophiles than are acid 
  chlorides or anhydrides
• Cyclic esters are called lactones and react 
  similarly to acyclic esters 
Chapter 09. Aldehydes and Ketones: 
 Nucleophilic Addition Reactions 
                  Aldehydes
• Aldehydes are carbonyl compounds having at least 
  one hydrogen attached to the carbonyl  carbon.
                    Ketones
• Ketones are carbonyl compounds having two 
  alkyl fragments attached to the carbonyl carbon. 
    Naming Aldehydes and Ketones
• Aldehydes are named by replacing the terminal -e 
  of the corresponding alkane name with –al
• The parent chain must contain the ¾CHO group
   –  The ¾CHO carbon is numbered as C1
• If the ¾CHO group is attached to a ring, use the 
  suffix carbaldehyde
Names of more Complex 
      Aldehydes
              Naming Ketones
• Replace the terminal -e of the alkane name with –
  one
• Parent chain is the longest one that contains the 
  ketone group
   – Numbering begins at the end nearer the carbonyl 
     carbon
  Ketones with Common Names
• IUPAC retains well-used but unsystematic names 
  for a few ketones
        Preparation of Aldehydes and 
• Preparing Aldehydes
                      Ketones
• We have already discussed two of the best methods of 
  aldehyde synthesis.  These are oxidation of primary 
  alcohols, and oxidative cleavage of alkenes. Oxidize 
  primary alcohols using pyridinium chlorochromate
               Preparing Ketones
• Ketones may be prepared by the oxidation of
  secondary alcohols. A wide range of oxidizing can
  accomplish this purpose. Some of these are: Jones
  reagent (CrO3 in aqueous sulfuric acid), sodium
  chromate (Na2CrO4) and potassium permanganate
  (KMnO4). 
     Prep. Of Ketones by Ozonolysis 
               of Alkenes
• Ozonolysis of alkenes yields ketones if one of the
  doubly bonded carbons is itself bonded to two
  alkyl groups. 
   Prep. Of Ketones by Hydration of 
          Terminal Alkynes
• Methyl ketones can be prepared by the 
  Markovnikov addition of water to a terminal 
  alkyne.  The reaction needs to be catalyzed by 
  Hg+2 ion.  See Section 4.13 of text.
     Aryl Ketones by Acylation
• Friedel–Crafts acylation of an aromatic ring with 
  an acid chloride in the presence of AlCl3 catalyst 
  (see Section 5.6)
 Oxidation of Aldehydes and Ketones
• Aldehydes are readily oxidized to carboxylic acid but 
  ketones are unreactive towards oxidation except under the 
  most vigorous conditions. This difference in reactivity 
  towards oxidation lies in the structural difference between 
  the two types of carbonyl compounds. Aldehydes are 
  more easily oxidized because they posses a hydrogen 
  atom bonded to the carbonyl carbon. This hydrogen atom 
  can be removed as a proton with the final result being the 
  oxidation (loss of hydrogen) from the original aldehyde.  
  Ketones have no expendable carbonyl-hydrogen bond. 
   Oxidation of Aldehydes and Ketones
• Many oxidizing agents will convert aldehydes to carboxylic 
  acids. Some of these are Jones reagent, hot nitric acid and 
  KMnO4.




• One drawback to the Jones reagent is that it is acidic. Many 
  sensitive aldehydes would undergo acid - catalyzed 
  decomposition before oxidation if Jones reagent was used 
        A Milder Oxidizing Agent
• For acid sensitive molecules a milder oxidizing 
  agent such as the silver ion (Ag+) may be used. A 
  dilute ammonia solution of silver oxide, Ag2O, 
  (Tollens reagent) oxidizes aldehydes in high yield 
  without harming carbon-carbon double bonds or 
  other functional groups.
                 Tollens Oxidation




•Note; In this reaction the oxidizing agent is Ag+ and it is 
ultimately reduced to Ag(s).
•A shiny mirror of metallic silver is deposited on the inside 
walls of the flask during a Tollens oxidation: observation of 
such a mirror forms the basis of an old qualitative test for the 
presence of an aldehyde functional group in a  molecule of 
unknown structure.
        Nucleophilic Addition Reactions of 
             Aldehydes and Ketones
• Nu- approaches 45° to the plane of C=O and adds to the 
  Carbonyl Carbon
•  A tetrahedral alkoxide ion intermediate is produced and 
  ultimately protonated
                      Nucleophiles
• Nucleophiles can be negatively charged ( : Nu-) or neutral   
  ( : Nu-H)
• If neutral, the nucleophile usually carries a hydrogen atom 
  that can subsequently be eliminated and carry away the 
  positive charge.
 Relative Reactivity of Aldehydes and Ketones
• Aldehydes are generally much more reactive than ketones. 
  There are two reasons for this;
   –  Aldehydes are less sterically hindered than ketones. In 
     other words the carbonyl carbon of aldehydes is more 
     accessibly to attack. The presence of two relatively large 
     substituents in ketone hinders the attacking nucleophile 
     from reaching the carbonyl carbon.




              +
   –  The d  on the carbonyl carbon is reduced in ketones 
     because of the ability of the extra alkyl group to stabilize 
     a + charge. This ability is emphasized in the stability 
     order of carbocations. 3o>2o>1o
        Aldehydes Have A Greater 
     Electrophilicity Than Do Ketones
• Aldehyde C=O is more polarized than ketone C=O
• As in carbocations, more alkyl groups stabilize + character
• Ketone has more alkyl groups, stabilizing the C=O carbon 
  inductively
         Addition of H-Y to C=O
• Reaction of C=O with H-Y, where Y is electronegative, 
  gives an addition product (“adduct”) and the reaction is 
  readily reversible because the electronegative Y is a 
  good leaving group.
  Nucleophilic Addition of Alcohols: 
         Acetal Formation
• Two equivalents of ROH in the presence of an acid 
  catalyst add to C=O to yield acetals, R2C(OR¢)2
• Alcohols, ROH, fall under the category of Y-H and
  therefore the reaction is reversible.
• Mechanism for 
  Formation of 
  Acetals
               Uses of Acetals
• Acetals can serve as protecting groups for 
  aldehydes and ketones-remember the rxn. is 
  reversible.
• It is convenient to use a diol, to form a cyclic 
  acetal (the reaction goes even more readily)
 Nucleophilic Addition of Grignard Reagents and 
     Hydride Reagents: Alcohol Formation
• Treatment of aldehydes or ketones with Grignard 
  reagents yields an alcohol
  –  Nucleophilic addition of the equivalent of  a carbon 
    anion, or carbanion. A carbon–magnesium bond is 
    strongly polarized in the direction of the carbon atom, so 
    a Grignard reagent reacts for all practical purposes as R:-
    and MgX +.
  Mechanism of Addition of Grignard 
             Reagents
• R- attacks the carbonyl carbon.  The alkoxide 
  anion is then protonated by dilute acid.
• Grignard additions are irreversible because a 
  carbanion is not a leaving group
              Hydride Addition
• H- attacks the carbonyl carbon.  The alkoxide anion 
  is then protonated by dilute acid.
• Hydride additions are irreversible because a 
  hydride is not a good leaving group
• LiAlH4 and NaBH4 react as donors of hydride ion 
  (H-)
Nucleophilic Addition of Amines: Imine Formation
Primary amines (RNH2) add to C=O to form imines, R2C=NR 
  (after loss of HOH)
• Mechanism of 
  Imine Formation
                   Imine Derivatives
• Addition of amines that have an adjacent atom containing a 
  lone pair of electrons occurs very readily, giving useful, 
  stable imines
• For example,  hydroxylamine forms oximes and 2,4-
  dinitrophenylhydrazine readily forms 2,4-
  dinitrophenylhydrazones 
   – These are usually solids and help in characterizing liquid ketones 
     or aldehydes by melting points
   Spectroscopy of Aldehydes and 
              Ketones
• Infrared Spectroscopy
• Aldehydes and ketones show a strong C=O peak 1660 to 
  1770 cm-1
• aldehydes show two characteristic C–H absorptions in the 
  2720 to 2820 cm-1 range.
      C=O Peak Position in the IR 
             Spectrum
• The precise position of the peak reveals the exact 
  nature of the carbonyl group
                   Summary
• Aldehydes are from oxidative cleavage of alkenes 
  or oxidation of 1° alcohols
• Ketones are from oxidative cleavage of alkenes or 
  oxidation of 2° alcohols.
• Aldehydes and ketones are reduced to yield 1° and 
  2° alcohols , respectively
• Grignard reagents also gives alcohols 
• 1° amines add to form imines
• Alcohols add to yield acetals

								
To top