ปฏิกิริยาการเติมและการแทนที่ของคาร์บอนิล

หมู่คาร์บอนิลที่มีขั้วเป็นศูนย์กลางปฏิกิริยาที่มีความหลากหลายมากที่สุดในเคมีอินทรีย์ โดยเกิดปฏิกิริยาการเติมแบบนิวคลีโอฟิลิกในอัลดีไฮด์และคีโตน และปฏิกิริยาการแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิกที่อะซิลในอนุพันธ์ของกรดคาร์บอกซิลิก

Definition

ปฏิกิริยาการเติมและการแทนที่ของคาร์บอนิลประกอบด้วยปฏิกิริยาของหมู่ C=O กับนิวคลีโอไฟล์: การเติมโดยตรงข้ามพันธะคู่ในอัลดีไฮด์และคีโตน และการเติม-การกำจัดผ่านสารมัธยันตร์ทรงสี่หน้าในอนุพันธ์ของกรดคาร์บอกซิลิก

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมปฏิกิริยาการเติมแบบนิวคลีโอฟิลิกในอัลดีไฮด์และคีโตน (ซึ่งก่อให้เกิดแอลกอฮอล์, ไฮเดรต, อะซีทัล, อิมมีน และไซยาโนไฮดริน), กลไกแบบสารมัธยันตร์ทรงสี่หน้าของการแทนที่อะซิลแบบนิวคลีโอฟิลิก, ความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาของอนุพันธ์ของกรด และเคมีของอีโนเลตที่คาร์บอนตำแหน่งอัลฟา

Core questions

• เหตุใดคาร์บอนของคาร์บอนิลจึงเป็นอิเล็กโทรฟิลิกและออกซิเจนจึงเป็นเบส?
• อะไรเป็นตัวกำหนดว่านิวคลีโอไฟล์จะเพียงแค่เติมหรือเติมแล้วขับหมู่ที่จากไป?
• ความเสถียรสัมพัทธ์ของหมู่ที่จากไปจัดลำดับความว่องไวของอนุพันธ์ของกรดได้อย่างไร?

Key theories

กลไกสารมัธยันตร์ทรงสี่หน้า

การเข้าโจมตีแบบนิวคลีโอฟิลิกที่คาร์บอนของคาร์บอนิลก่อให้เกิดแอลคอกไซด์ทรงสี่หน้า; การที่มันจะสลายตัวโดยการขับหมู่ที่จากไป (การแทนที่) หรือถูกโปรตอนเนต (การเติม) ขึ้นอยู่กับสารตั้งต้น

ลำดับความว่องไวของอนุพันธ์อะซิล

เอซิลคลอไรด์ > แอนไฮไดรด์ > เอสเทอร์ > เอไมด์ ในด้านความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งสะท้อนทั้งความสามารถในการเป็นหมู่ที่จากไปและการบริจาคอิเล็กตรอนที่ทำให้คาร์บอนิลในสถานะพื้นมีความเสถียร

Mechanisms

นิวคลีโอไฟล์จะเข้าโจมตีคาร์บอนของคาร์บอนิลตามแนววิถี Bürgi–Dunitz ในอัลดีไฮด์และคีโตน แอลคอกไซด์ทรงสี่หน้าที่เกิดขึ้นจะถูกโปรตอนเนต ทำให้ได้แอลกอฮอล์หรือผลิตภัณฑ์ที่ได้มา ในอนุพันธ์ของกรด สารมัธยันตร์ทรงสี่หน้าจะสลายตัว โดยขับหมู่ที่จากไปเพื่อสร้างคาร์บอนิลขึ้นใหม่และทำให้เกิดการแทนที่สุทธิ การเร่งปฏิกิริยาด้วยกรดหรือเบสจะปรับทั้งความเป็นอิเล็กโทรฟิลิกและความแข็งแรงของนิวคลีโอไฟล์

Clinical relevance

เคมีของคาร์บอนิลเป็นพื้นฐานสำคัญในชีวเคมีและเคมีทางการแพทย์: การสร้างพันธะเอไมด์สร้างเปปไทด์และยาหลายชนิด, การไฮโดรไลซิสของเอสเทอร์ควบคุมการกระตุ้นยาโปรดรัก, และการควบแน่นของคาร์บอนิลสร้างความซับซ้อนของโมเลกุลในการสังเคราะห์

History

การศึกษาอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับความว่องไวของคาร์บอนิลครอบคลุมตั้งแต่เคมีของการควบแน่นในศตวรรษที่สิบเก้าไปจนถึงการวิเคราะห์ Bürgi–Dunitz ด้วยผลึกศาสตร์ของมุมการเข้าโจมตีของนิวคลีโอฟิลิกในทศวรรษ 1970 ซึ่งให้พื้นฐานเชิงโครงสร้างสำหรับเรขาคณิตของการเติมคาร์บอนิล

Key figures

• Hans Heinrich Bürgi
• Jack D. Dunitz
• Adolf von Baeyer

Seminal works

• careysundberg2007b

Frequently asked questions

เหตุใดเอไมด์จึงมีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาน้อยกว่าเอซิลคลอไรด์มาก?

ไนโตรเจนบริจาคคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวเข้าสู่คาร์บอนิล ทำให้สถานะพื้นมีความเสถียรและทำให้คาร์บอนมีความเป็นอิเล็กโทรฟิลิกน้อยลง; นอกจากนี้ แอนไอออนของเอไมด์ยังเป็นหมู่ที่จากไปที่ไม่ดี ดังนั้นการแทนที่จึงช้า

มุม Bürgi–Dunitz คืออะไร?

เป็นแนววิถีประมาณ 107 องศาที่นิวคลีโอไฟล์เข้าใกล้คาร์บอนของคาร์บอนิล โดยเพิ่มการซ้อนทับกับออร์บิทัล C=O pi* ให้สูงสุด ในขณะที่ลดการผลักกันจากคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวของออกซิเจน