Phản ứng cộng và thế carbonyl

Nhóm carbonyl phân cực là trung tâm phản ứng linh hoạt nhất trong hóa học hữu cơ, trải qua phản ứng cộng nucleophin trong aldehyd và ceton, và phản ứng thế acyl nucleophin trong các dẫn xuất của axit cacboxylic.

Definition

Phản ứng cộng và thế carbonyl bao gồm các phản ứng của nhóm C=O với các nucleophin: cộng trực tiếp qua liên kết đôi trong aldehyd và ceton, và cộng-loại thông qua một chất trung gian tứ diện trong các dẫn xuất axit cacboxylic.

Scope

Chủ đề này bao gồm phản ứng cộng nucleophin vào aldehyd và ceton (tạo thành rượu, hydrat, acetal, imin và cyanohydrin), cơ chế trung gian tứ diện của phản ứng thế acyl nucleophin, khả năng phản ứng tương đối của các dẫn xuất axit, và hóa học enolat tại carbon alpha.

Core questions

• Tại sao carbon carbonyl có tính điện di và oxy có tính bazơ?
• Điều gì chi phối việc một nucleophin chỉ cộng vào hay cộng vào rồi đẩy một nhóm đi ra?
• Sự ổn định tương đối của các nhóm đi ra sắp xếp khả năng phản ứng của các dẫn xuất axit như thế nào?

Key theories

Cơ chế trung gian tứ diện

Sự tấn công nucleophin vào carbon carbonyl tạo ra một alkoxit tứ diện; việc nó phân hủy bằng cách đẩy một nhóm đi ra (phản ứng thế) hay bị proton hóa (phản ứng cộng) phụ thuộc vào cơ chất.

Thứ tự khả năng phản ứng của các dẫn xuất acyl

Clorua axit > anhydrit > este > amit về khả năng phản ứng, phản ánh cả khả năng của nhóm đi ra và sự cho điện tử làm ổn định nhóm carbonyl ở trạng thái cơ bản.

Mechanisms

Các nucleophin tấn công carbon carbonyl theo quỹ đạo Bürgi–Dunitz. Trong aldehyd và ceton, alkoxit tứ diện tạo thành chỉ đơn giản là bị proton hóa, tạo ra một rượu hoặc một sản phẩm phái sinh. Trong các dẫn xuất axit, chất trung gian tứ diện bị phân hủy, đẩy nhóm đi ra để tái tạo một nhóm carbonyl và thực hiện phản ứng thế ròng. Xúc tác axit hoặc bazơ điều chỉnh cả tính điện di và độ mạnh của nucleophin.

Clinical relevance

Hóa học carbonyl là nền tảng của hóa sinh và hóa dược: sự hình thành liên kết amit tạo ra peptit và nhiều loại thuốc, quá trình thủy phân este điều chỉnh sự hoạt hóa tiền chất thuốc, và các phản ứng ngưng tụ carbonyl xây dựng sự phức tạp phân tử trong tổng hợp.

History

Nghiên cứu có hệ thống về khả năng phản ứng của carbonyl trải dài từ hóa học ngưng tụ thế kỷ XIX đến phân tích tinh thể học Bürgi–Dunitz về các góc tấn công nucleophin vào những năm 1970, đã đưa ra cơ sở cấu trúc cho hình học của phản ứng cộng carbonyl.

Key figures

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

Seminal works

• careysundberg2007b

Frequently asked questions

Tại sao amit kém phản ứng hơn nhiều so với clorua axit?

Nitrogen cho cặp điện tử tự do của nó vào nhóm carbonyl, làm ổn định trạng thái cơ bản và làm cho carbon ít có tính điện di hơn; ngoài ra, anion amit là một nhóm đi ra kém, vì vậy phản ứng thế diễn ra chậm.

Góc Bürgi–Dunitz là gì?

Đó là quỹ đạo khoảng 107 độ mà một nucleophin tiếp cận carbon carbonyl, tối đa hóa sự chồng lấp với obitan pi* của C=O trong khi giảm thiểu lực đẩy từ các cặp điện tử tự do của oxy.