Adice uhlíkatého nukleofilu k aldehydům a ketonům

Už jsme viděli hodně nukleofilních adicí na aldehydy a ketony a v tomto videu se soustředíme na adici tzv. C-nukleofilů. Začneme aldehydem nebo ketonem, ke kterému budeme přidávat kyanid draselný a zdroj protonů, dojde ke vzniku kyanhydrinů. Máme zde nitrilovou skupinu a zde si všimněme nové vazby mezi uhlíky, která může být velice užitečná ze syntetických důvodů. Podíváme se podrobněji na C-nukleofil, kterým je tento kyanidový anion. Kyanidový anion má trojnou vazbu mezi uhlíkem a dusíkem. Na tomto uhlíku byl volný elektronový pár. Proto má uhlík formální náboj minus jedna, a proto má nukleofilní vlastnosti a je přitahován k elektrofilům. Již víme, že kyslík je částečně záporný a uhlík je částečně kladný. Uhlík na karbonylu je proto elektrofilem, a kyanidový nukleofil tak bude atakovat elektrofilní uhlík. Opačné náboje se přitahují, a tyto elektrony budou atakovat tento uhlík, čímž přemístí tyto elektrony na kyslík. Nakreslíme meziprodukt. Vytváříme novou vazbu mezi dvěma uhlíky. Tento uhlík už měl trojnou vazbu s tímto dusíkem. Tyto elektrony vytváří novou vazbu. Zde vlevo máme ještě atom kyslíku. Tentokrát má kyslík tři volné elektronové páry, a proto nese formální náboj minus jedna. Kdybychom začínali aldehydem, měli bychom zde vodík a substituent R. V posledním kroku dochází k protonaci kyslíku. Volný elektronový pár přijímá proton. a vzniká kyanhydrin. Podíváme se na konkrétní příklad vzniku kyanhydrinu. Začneme například acetonem. Přidáváme kyanid draselný a kyselinu chlorovodíkovou. Vzniká nám tím kyanhydrin. Mezi uhlíkem a dusíkem máme trojnou vazbu a zde máme hydroxylovou skupinu. Výchozí látkou byl keton, takže zde máme dvě methylové skupiny. Vzniklý kyanhydrin lze transformovat na jiné funkční skupiny, proto je tak užitečný v syntéze organických látek. Podíváme se na další reakci využívající C-nukleofil. Tentokrát si vezmeme organokov, konkrétně Grignardovo činidlo. Budeme tu mít alkylovou skupinu vázanou na hořčík a pak halogen, tedy organohořečnatou sloučeninu. Mohli jsme udělat i organolithnou látku, substituent R vázaný na atom lithia. To tedy jsou organokovy. Organokovy jsou důležité rozdílem elektronegativit mezi uhlíkem a kovem. Uhlík má vyšší elektronegativitu než hořčík nebo lithium. Ve vazbě uhlík-hořčík má uhlík vyšší elektronegativitu. Tyto elektrony jsou proto polarizovány směrem k uhlíku. Tato vazba je velmi polární, a dokonce si můžete představovat, že tyto modré elektrony jsou téměř na uhlíku. Nakreslíme to jiným způsobem, že tato vazba je natolik polarizována, že se tyto elektrony nachází na uhlíku. Proto nakreslíme na uhlíku formální náboj minus jedna, a tím získáme karbanion. Není to zcela karbanion, ale představa této látky jako karbanionu zjednodušuje pochopení těchto reakcí. Zde totiž máme polarizovanou karbonylovou skupinu, částečně záporný náboj, částečně kladný náboj. Na tomto místě tak bude docházet k nukleofilnímu ataku, tyto elektrony se přemístí na kyslík. Můžete si to buď představovat jako velmi polární vazbu, která provádí nukleofilní atak, nebo jako iontovou strukturu, ze které vzniká karbanion. V různých učebnicích naleznete jeden z těchto dvou mechanismů. Po nukleofilnímu ataku máme novou vazbu mezi uhlíkem a R" skupinou, dále zde vlevo máme záporně nabitý kyslík a substituent R. A nebo atom vodíku, pokud jsme vycházeli z aldehydu. Tyto modré elektrony teď označíme červeně. Tyto elektrony vazby uhlík-hořčík teď vytvořily novou vazbu uhlík-uhlík. V dalším kroku mechanismu, který musí být proveden zvlášť, přidáváme zdroj protonů, například vodu. Dojde k protonací alkoxidového meziproduktu. Po protonaci alkoxidu získáváme produkt, kterým je alkohol. Přidali jsme nový substituent R" a vytvořili jsme novou vazbu uhlí-uhlík. Tato reakce má velký syntetický význam. Tato reakce se má provádět ve dvou krocích, protože kdybychom přidali zároveň zdroj protonů a organokov, který není jenom dobrým nukleofilem, ale i silnou bází, došlo by k reakci organokovu s vodou ve smyslu acidobazické reakce, a z organokovu by vznikl alkan. Bude to reagovat takhle a vznikne alkan. Tomu ale chceme zabránit, a proto to provádíme ve dvou oddělených krocích. Je to trochu zjednodušený mechanismus reakce, ale je názorný pro nové studenty organické chemie. Podíváme se na příklady reakcí s organokovy. Tentokrát začneme aldehydem, ke kterému v prvním kroku přidáme methylmagnesiumbromid. V druhém kroku přidáme zdroj protonů. Znovu tu připomenu, že si vazbu mezi uhlíkem a hořčíkem můžeme představovat buď jako velmi polární, nebo dokonce jako iontovou, kde tyto purpurové elektrony patří uhlíku, a tím vytváří karbanion. Takže na uhlíku je náboj minus jedna. Tímto způsobem můžeme jednoduše odhadnout produkty reakce. Dojde k ataku na tomto uhlíku, tyto elektrony se přemístí sem na kyslík. V meziproduktu má tento uhlík vazbu s methylovou skupinou, také je na něj navázán vodík, a zde máme alkoxidový anion. Formální náboj minus jedna. Nově vzniklá vazba je tato vazba mezi tímto a tímto uhlíkem. V druhém reakčním kroku dojde k protonaci alkoxidu a vzniku alkoholu. Nakreslíme vzniklý alkohol. Zde máme OH skupinu a vidíme, že se nám zvýšil počet atomů uhlíků. Na začátku jsme měli jeden, dva, tři, čtyři uhlíky. Začínali jsme butanalem. V produktu máme jedna, dva, tři, čtyři, pět. Pět atomů uhlíků. Je to pentan-2-ol, tedy máme jeden uhlík navíc. Methylovou skupinu navíc jsme získali z Grignardova činidla. Tím jsme začínali. Všimneme si, že pokud začínáme aldehydem, v produktu pak bude sekundární alkohol. Uhlík, na kterém je OH skupina, má vazbu se dvěma dalším uhlíky. Takže z aldehydu získáváme sekundární alkohol. Podíváme se ještě na jeden příklad. Tentokrát začneme ketonem a použijeme stejné činidlo, methylmagnesiumbromid. Jenom rychle ukážeme, že tyto elektrony atakují tento uhlík, tím se tyto elektrony přesouvají na kyslík, a v druhém reakčním kroku protonujeme alkoxidový anion. Nakreslíme si produkt. Máme kruh, na který jsme navázali methylovou skupinu, takže sem napíšeme CH₃. A samozřejmě tu máme i OH skupinu. Podíváme se na elektrony. Tyto elektrony vytvořily novou vazbu a zde jsme navázali CH₃ skupinu. Tímto způsobem můžeme zjistit produkty reakce. Tentokrát jsme vycházeli z ketonu a získali jsme terciární alkohol. Tento uhlík, ze kterého vychází OH skupina, má vazbu s jedna, dva, tři, třemi dalšími uhlíky. Teď tedy umíme nový způsob syntézy terciárních alkoholů.