Vznik hemiacetalů a hemiketalů

V minulém videu jsme si ukázali jak vytvořit hydráty z aldehydů a ketonů. V tomto videu si ukážeme jak z aldehydu nebo ketonu vytvořit poloacetal. Rozdíl je v tom, že tentokrát budeme místo vody přidávat alkohol. Tato reakce je rovnovážná. Napravo máme produkt, tentokrát polacetal. Tohle je poloacetal, neboli hemiacetal. Z hlediska mechanismu je tvorba poloacetalů úplně stejná jako u hydrátů. Nalevo je karbonyl, buď aldehyd nebo keton, s elektronegativním kyslíkem, který odtahuje elektrony od uhlíku karbonylu. Je tu parciálně záporný kyslík a parciálně kladný uhlík karbonylu. Tento uhlík karbonylu je parciálně kladný, takže je to elektrofilní. Alkohol se bude chovat jako nukleofil. Molekula alkoholu, nakreslíme si ji sem, bude v reakci působit jako nukleofil. Volný elektronový pár na kyslíku napadne karbonyl a odsune pí elektrony na kyslík. Náš kyslík má dva volné elektronové páry. Ukážeme si výsledek nukleofilního ataku. Kyslík je nyní navázán na uhlík. Tady je náš kyslík, vytvořil vazbu na uhlík. Vodík byl připojen na kyslík, pak je tu R''. Na kyslíku je stále ještě volný elektronový pár, díky kterému má formální náboj +1. Uhlík je navázán na další kyslík, který dříve měl dva volné elektronové páry a zrovna získal další. Teď má záporný formální náboj -1. Stále tu máme R skupinu a vodík. Podívejme se na elektrony. Růžové elektrony na alkoholu vytvořily vazbu mezi kyslíkem a uhlíkem, takže tyhle elektrony přímo tady. Pí elektrony karbonylu se přesunuly na kyslík, nezáleží na tom, který z elektronových párů to byl. Řekneme, že to byl tenhle. Tohle je náš meziprodukt. Dalším krokem je deprotonace meziproduktu. Mohli bychom mít další molekulu alkoholu, nakreslíme si ji sem, takže druhá molekula alkoholu, která může fungovat jako báze. Volný elektronový pár na tomto alkoholu si vezme proton a elektrony kyslíku nechá. Nakreslíme si výsledek této acidobazické reakce. Dojde k deprotonaci a máme kyslík navázaný na R'' skupinu. A tady napravo máme kyslík s formálním nábojem −1. Pořád je tu R a vodík. Tenhle kyslík má teď další volný elektronový pár z deprotonace. Ukážeme si to. Tyto elektrony mezi kyslíkem a vodíkem jsou nyní na kyslíku, který tím přišel o formální náboj +1 a my máme tohle. Jsme hodně blízko k produktu, potřebujeme jen jednu další acidobazickou reakci. Alkoholy jsou, stejně jako voda, amfoterní takže můžou fungovat jako kyseliny a darovat protony. Ukážeme si to. Přichází další molekula alkoholu a volný elektronový pár si vezme proton. Elektrony tam nechává. Následně dojde k protonaci a vzniká hemiacetal. Celou reakci bychom mohli provést s R' skupinou, pokud bychom začali s ketonem. Dostali bychom tohle místo vodíku v našem poloacetalu. Oba jsou to poloacetaly. Tohle je obecný mechanismus přípravy poloacetalů. Nejde o kysele ani bazicky katalyzovanou reakci, o těch si povíme v příštím videu. Při přípravě poloacetalů je většinou rovnováha nakloněna k aldehydům/ketonům, takže je obvykle posunutá doleva. Nicméně u vzniku pěti- nebo šeštičlenných kruhů se rovnováha intramolekulární reakce za vzniku poloacetalů posune doprava. Tohle je velmi důležitá reakce. Podívejme se na toto. V jedné molekule tu máme aldehyd a alkohol. Tohle bude intramolekulární reakce vzniku poloacetalu. Tuto rovnováhu posuneme doprava a vznikne cyklický poloacetal. Očíslujeme si uhlíky, abychom si objasnili, co se stalo. Tenhle uhlík bude číslo jedna, dva, tři, čtyři a pět. Víme, jaký je mechanismus. Alkohol funguje jako nukleofil a zaútočí na karbonylový uhlík. Tenhle kyslík se musí přehoupnout sem a zaútočit na tento karbonylový uhlík. Tím odstrčí elektrony na kyslík. Projděme si, co se stalo s uhlíky. Tento uhlík jsme si označili jako číslo jedna. Uhlík číslo dva, tři, čtyři a pět. Tento kyslík na kruhu byl tento kyslík. Označíme si i ten druhý kyslík. Tenhle kyslík je tímhle kyslíkem. Formace cyklických poloacetalů je velmi důležitá v biochemii a chemii sacharidů. Projdeme si to trochu podrobněji. Máme tu úplně stejnou molekulu, jen je ukázaná v jiné konformaci. Sigma vazby jsou trochu jinak pootočené. Sigma vazby se mohou volně otáčet. Pootočí se, aby mohlo snáze dojít k nukleofilnímu ataku na elektrofil. Když se zaměříme na volný elektronový pár na kyslíku, je snazší vidět, jak k nukleofilnímu ataku dojde. Dojde k útoku na uhlík a tyto elektrony přeskočí na kyslík. Ukážeme si výsledek. Máme kyslík navázaný na uhlík a vytvořili jsme kruh. Podívejme se na elektrony, tyhle růžové se přesunuly sem a vytvořily tuhle vazbu. Červeně vyznačený kyslík bude nahoře... Za minutku se k tomu ještě vrátíme. Tenhle kyslík se posune nahoru, měl kolem sebe dva volné elektronové páry. Získal další, takže na něm je teď záporný formální náboj −1. Kyslík v cyklu na sobě má stále navázaný vodík a volný elektronový pár, má tedy formální náboj +1. A potom je tu ještě vodík tady dole. Tohle je náš meziprodukt. Aniž bychom si ukazovali jednotlivé kroky acidobazické reakce, zamyslíme se nad tím, co se stane. Musí dojít k deprotonaci, takže přijde báze, vezme si proton a tyhle elektrony se přesunou na kyslík. Víme, že naprotonujeme záporný náboj. Nakreslíme si jeden z možných produktů. Máme tu kyslík, který je součástí kruhu. Nakreslíme si židličkovou konformaci. Máme tu OH skupinu v ekvatoriální poloze a vodík v axiální. To je jeden z možných produktů. Potom tu máme dva volné elektronové páry na kyslíku Doufám že už vidíte, proč je tohle jeden z možných produktů. Tady jsme si ho nakreslili v planární podobě a tady jsme si nakreslili židličkovou konformaci. Tady je OH ekvatoriální. Vrátíme se k původní situaci nalevo, kde došlo k útoku nukleofilu na uhlík karbonylu. Prostorové uspořádání tohoto karbonylového uhlíku je planární s trojčetnou symetrií, proto může nukleofil zaútočit z druhé strany. Pokud by se tak stalo, kyslík by se posunul vůči rovině dolů. Pojďme si to ukázat. Máme druhou možnost, kterou si teď nakreslíme. Kyslík je součástí našeho kruhu. Nakreslíme uhlíkatý cyklus. Tentokrát nakreslíme uhlík směřující dolů místo do ekvatoriální polohy. Dáme ho do axiální polohy. Má tři volné elektronové páry, takže má formální náboj −1. Vodík půjde do ekvatoriální polohy a potom nám tu zbývá volný elektronový pár na kyslíku, vodík a formální náboj +1. Tohle je naše druhá možnost. Zamyslíme se nad mechanismem. Víme, že báze deprotonuje, takže tyto elektrony přeskočí sem a víme, že potom dojde k protonaci záporného formálního náboje. Tím vznikne poloacetal. Nakreslíme si to sem. Tady je další produkt. Tentokrát nakreslíme vodík do ekvatoriální polohy a OH do axiální. Tohle jsou naše dvě možnosti. Podívejme se na tento uhlík a zamysleme se nad jeho stereochemií. Tohle je chirální centrum. Máme tyhle dva možné produkty. Tohle je extrémně důležité, když se pohybujeme v chemii sacharidů. Tyto poloacetaly se liší na uhlíku jedna. Tohle je uhlík v pozici jedna. V chemii sacharidů je nazýván anomerní uhlík. Podle toho, jestli je OH skupina nahoře nebo dole, rozlišujeme dva anomery. To je velmi důležité například pro glukózu. Budeme o tom určitě mluvit v dalším videu. Je velmi důležité tvorbě cyklických poloacetalů rozumět.