1. KARBILSPRTT TARTALMAZÓ VEGYÜLETEK 1.1. A karbonilcsoport szerkezete A szénsav acilcsoportja a karbonilcsoport: vagy 1. ábra: A karbonilcsoport A karbonilcsoport az alábbi vegyületcsaládokban fordul elő: xovegyületek Karbonsavak és származékaik Szénsavszármazékok A karbonilcsoport elektronszerkezetét a formaldehid példáján mutatjuk be: 2. ábra: A formaldehid A formaldehid szénatomja planáris sp 2 hibridállapotú, míg az oxigénatomja sp hibridállapotú. Ennek megfelelően a szénatom vegyértékhéjának s, p x és p y, az oxigénatom vegyértékhéjának s és p x, valamint a hidrogénatomok s pályáinak kölcsönhatásából jön létre a molekula σ-váza. A σ-váz 8 elektront tartalmaz, ebből 6 elektron képezi a három σ-kötést, 2 elektron pedig az oxigénatom nem reaktív sp-hibrid magányos elektronpárjához tartozik. A szénatom és az oxigénatom vegyértékhéjának p z atompályáinak kölcsönhatásából jön létre a molekula π-váza. A π-kötéshez két elektron tartozik. Az oxigénatom vegyértékhéjának p y atompályája hozza létre a molekula reaktív magányos elektronpárját. A molekula σ-váza, és ennél jelentősebb mértékben a π-váza is polarizált. Ezért az oxigénatomon δ míg a szénatomon δ+ töltés jön létre. 3. ábra: A formaldehid kötésszerkezete σ-kötések: fekete; π-kötés: kék sp-hibrid magányos elektronpár: rózsaszín p y magányos elektronpár: piros Az M elmélet szerint a szénatom négy, az oxigénatom négy és a hidrogénatomok egy-egy vegyértékhéj-atompályái (A) kölcsönhatásából jön létre a molekula 10 molekulapályája (M), melyek közül a legalacsonyabb energiájú 6 db. M-n összesen 12 elektron található, 4 db. M pedig üres lazító pálya. A betöltött molekulapályák az alábbi atompálya-kombinációkból származtathatóak: Molekulapálya A kombinációban résztvevő atompályák Kötésszerkezeti funkció n y (M) 2p y magányos ep. π z (M-1) 2p z 2p z π-kötés σ x (M-2) 2p x 2p x 1s 1s σ-kötés, sp-hibrid magányos ep. σ y (M-3) 2p y 1s 1s σ-kötés σ s (M-4) 2s 2s 1s 1s σ-kötés, sp-hibrid magányos ep. σ s (M-5) 2s 2s 1s 1s σ-kötés 1. táblázat: A formaldehid betöltött molekulapályái (energetikai sorrendben) i i A magányos elektronpárokat nem minden ábrán tüntetjük fel. 1
s s ' y x z n y 4. ábra: A formaldehid betöltött molekulapályáit létrehozó atompályák. A szaggatott vonalakkal a csomósíkokat ábrázoltuk. 1.2. A karbonilcsoport reaktivitása A molekula M pályája az n y M, a LUM pálya pedig a π-kötéshez tartozó lazító pálya. Az FM ii elmélet szerint a M pálya a nukleofil, a LUM pálya pedig elektrofil reaktivitásért felelős. Így elektrofil reagensek (pl. a proton) a nukleofil oxigénatomra kapcsolódnak. ukleofilok (pl. a hidroxid-ion) a polaritás-viszonyok miatt az elektrofil szénatomhoz közeledve lépnek a LUMpályával kölcsönhatásba. Ezt a reakciótípust nukleofil addíciónak nevezzük. iii - + 5. ábra: A formaldehid reakciója vízzel A karbonilcsoport reaktivitását a polarizáció mértéke, azaz a szénatomon létrejövő δ+ töltés nagysága határozza meg. Ennek megfelelően az aceton < acetaldehid < formaldehid < klorál (triklóracetaldehid) irányban nő az addícióra való hajlandóság, hiszen a metilcsoportok +I effektusukkal csökkentik, míg a triklórmetilcsoport I effektussal növeli a szénatomon kifejlődő δ+ töltés értékét. 3 3 < < < 3 aceton acetaldehid formaldehid klorál 6. ábra: xovegyületek reaktivitási sorrendje A reaktivitást jól jellemzi a fenti vegyületek hidrátképző tulajdonsága. A klorál szobahőmérsékleten szilárd állapotban klorál hidrátként létezik, a formaldehid 40%-os vizes oldatban (formalin) gyakorlatilag teljes mértékben kémiailag hidrátként oldódik, de az oldat bepárlásával visszakapjuk az aldehid formát. Míg az acetaldehid és hidrátja híg vizes oldatban egyensúlyi rendszert képez, addig az aceton majdnem teljes mértékben csak fizikailag oldódik a vízben. 7. ábra: A formaldehid és hidrátja egyensúlya, illetve a klorál hidrát ii FM: Frontier Molecular rbital; az elmélet szerint a molekula reaktivitását a M és a LUM pálya határozza meg. iii Szerves kémiában elsősorban a szénatom szempontjából osztályozzuk a reakciókat. A karbonilcsoport nukleofil addíciója során a karbonil-szénatomra nukleofilok kapcsolódnak. 2
A karbonilcsoportot tartalmazó vegyületek másik jellemző kémiai tulajdonsága, hogy a karbonilcsoport elektronszívó tulajdonsága miatt megnöveli a hozzá képest α-helyzetben lévő atomon helyet foglaló hidrogén savasságát. Ezért: a karbonsavak hidroxilcsoportja savasabb az alkoholok hidroxilcsoportjánál (ΔpK a ~12), a savamidok aminocsoportja savasabb az aminok aminocsoportjánál (ΔpK a ~20), és az oxovegyületek α-helyzetű -csoportja savasabb az alkánok -csoportjánál (ΔpK a ~22). 2 3 2 3 ecetsav: pk a ~ 4,7; acetamid: pk a ~ 16; etanol: pk a ~ 17; aceton: pk a ~ 20; etil-amin: pk a ~ 36; propán: pk a ~ 42 8. ábra: Saverősségi sorrend A karbonilcsoportot tartalmazó vegyületek α-helyzetben lévő atomján helyet foglaló hidrogén savasságával összefüggő reaktivitás a prototróp tautomer egyensúly. Az α-helyzetű atomon lévő proton távozásával általában egy kettős reaktivitású (ambidens) anion jön létre, amelyre a proton nemcsak az eredeti helyére, hanem a karbonil-oxigénatomra is visszakapcsolódhat. gyors gyors Az ecetsav virtuális tautomer egyensúlya lassú gyors 2 Az acetamid savamid imidsav egyensúlya lassú gyors 3 2 Az aceton oxo enol egyensúlya 2 9. ábra: Báziskatalizált prototróp tautomer egyensúlyok Míg az acetát-ion két oxigénje egyenértékű, és ezért a proton azonos valószínűséggel kapcsolódik mindkettőhöz, addig az acetamidát és az enolát ambidens reaktivitású. Az oxigén kemény a nitrogén lágyabb, míg a szén egyértelműen lágy nukleofil tulajdonságú. iv Ezért a kemény proton nagyobb valószínűséggel kapcsolódik a kemény oxigénhez, mint lágyabb nitrogénhez, vagy a lágy szénhez. Ellenben a keletkezett imidsav-, illetve enol-alak termodinamikailag kevésbé stabil, v mint a savamid-, illetve oxo-alak, ezért gyors reakcióban visszaalakul az ambidens-anionná. A gyors és a lassú egyensúlyok eredményeként beálló termodinamikai egyensúlyban a termodinamikailag stabilabb savamid-, illetve oxo-alak aránya nagyságrendekkel múlja felül a termodinamikailag kevésbé stabil imidsav-, illetve enol-alak arányát. A tautomer egyensúly jellemzésére szolgál az ún. tautomer egyensúlyi állandó (K T ), amely az oxo-, illetve enol-alak savas disszociációs egyensúlyi állandójának (K a ) a hányadosa. iv A kemény (hard) és lágy (soft) reaktivitást az ún. SAB elmélet tárgyalja. A kemény reakciócentrumok elsősorban töltéskontrollált, míg a lágy reakciócentrumok elsősorban pályakontrollált reakciókban vesznek részt. v Az imidsav-, illetve enol-alak termodinamikailag kisebb stabilitásából következik, hogy ezen alakok savassága nagyobb, azaz a pk a értékük kisebb, mint a termodinamikailag stabilabb savamid-, illetve oxo-alaké. 3
azaz K T = K a oxo K a enol = [ 3 + ] [enolát ] [ 2 ] [oxo] [ 3 + ] [enolát = [enol] ] [oxo] [ 2 ] [enol] pk T = pk a oxo pk a enol Aceton esetén az oxo-alak pk a értéke 20, míg az enol-alak pk a értéke 14,4, így a tautomer egyensúlyi állandó pk T értéke 5,6. Ennek megfelelően a tautomer egyensúlyban az [enol]/[oxo] arány 10 5,6. A karbonilcsoport oxigénje δ töltésének megfelelően bázikus tulajdonságú. Prótikus savakkal protonálható és Lewis-savakkal komplexet képez. + Al 3 Ph 3 Ph 3 10. ábra: Az ecetsav protonálódása, illetve az acetofenon Lewis-sav komplex képződése Al Az oxo enol, illetve savamid imidsav prototróp tautomer egyensúly savkatalizált körülmények között is létrejön. ecetsav virtuális tautomer egyensúlya 2 2 acetamid savamid imidsav egyensúlya 3 3 aceton oxo enol egyensúlya 2 11. ábra: Savkatalizált prototróp tautomer egyensúlyok: Az előzőekben tárgyalt sav-bázis egyensúlyok következtében pl. acetaldehid esetén az oldat pértékének függvényében négy, különböző reaktivitású forma jelenlétével kell számolnunk. Az oxoalak karbonil-szénatomja lágy elektrofil tulajdonságú, a metilcsoportja gyengén savas, míg oxigénatomja bázikus és nukleofil tulajdonsággal rendelkezik. A protonált oxo-alak karbonilszénatomja az egységnyi pozitív töltés miatt kemény elektrofil, a metil- és a hidroxilcsoport pedig savas tulajdonságú. Az enol-alak reaktív része a szén-szén kettős kötés π-elektronfelhője, melynek lágy nukleofil reaktivitását a hidroxilcsoport magányos elektronpárja +M effektussal növeli. Mivel az oxigénatomhoz közvetlenül kapcsolódó szénatomra az oxigénatom I effektussal is hat, a nukleofil és enyhén bázikus reaktivitás az oxigéntől távolabbi α-szénatomon jelentkezik. 4
E + 3 u - 3 u - E + 2 2 E + 12. ábra: Az acetaldehid oxo-, protonált oxo-, enolát- és enol-alakjának a reaktivitása: oxo-alak: lágy elektrofil és nukleofil; protonált oxo-alak: kemény elektrofil; enolát: ambidens nukleofil; enol: lágy nukleofil Az ambidens enolát-anion szénatomjai sp 2 míg az oxigénatomja sp hibridállapotúak. Az anion 12 elektront tartalmazó σ-váza az öt σ-kötésből és az oxigén nem reaktív sp-hibrid magányos elektronpárjából áll. Az anion három atomra kiterjedő, négy elektront tartalmazó három M-ból álló delokalizált π-rendszere a két szénatom valamint az oxigénatom p z atompályáiból jött létre. Az anion két reaktív betöltött molekulapályája az oxigénen található kemény nukleofil n y M és a lágy nukleofil π-rendszer ψ 2 M-ja. Ennek megfelelően az enolát-anion kemény elektrofilekkel (pl. trimetilszililklorid) az oxigénen, lágy elektrofilekkel (pl. bróm) az α-szénatomon reagál el. 2 E + 13. ábra: A acetaldehid-enolát kötésszerkezete σ-kötések: fekete; π-kötés: kék sp-hibrid magányos elektronpár: rózsaszín p y magányos elektronpár: piros Si Si 2 2 2 2 2 14. ábra: Az acetaldehid enolát-alakjának vi ambidens reaktivitása Felső sor: töltéskontrollált kemény-reaktivitás Alsó sor: pályakontrollált lágy-reaktivitás Az enolát-anion három π-m-ja közül a ψ 2 M a karbonil szénatomon keresztül menő csomósíkkal rendelkezik. Ezért a negatív töltés az oxigénatom és az α-szénatom között oszlik meg x/(1-x) arányban, ahol az oxigén nagyobb elektronegativitása miatt 0,5<x<1. A valóságos elektroneloszlást leíró φ térbeli elektronsűrűségi függvényt közelítő módszerrel meg lehet kapni két (csak az elektroneloszlásban különböző) lokalizált határszerkezet térbeli elektronsűrűségi függvényének (φ 1 és φ 2 ) a súlyozott átlagával. A súlyozó faktorok a töltéseloszlást leíró x és (1-x). vi Az ambidens enolát-anion delokalizált szerkezeti képletét és határszerkezeti képleteit is ábrázoltuk. A határszerkezetek a valóságban nem létező, a valóságos elektronsűrűségi függvény szélsőértékeihez tartozó szerkezetek. 5
2 2 15. ábra: Az acetaldehid-enolát betöltött π-m-i A zöld szaggatott vonal a csomósíkot jelzi 2 2 16. ábra: Az acetaldehid-enolát határszerkezetei 1.3. A karbonilcsoport nukleofil addíciós reakciói A nukleofil addíciós reakciók négy fő csoportba sorolhatók. a.) Addíciók: a a karbonil-szénatomra belépő nukleofilnak az addíció után nem marad magányos elektronpárja, a reakció egyirányú, az addukt stabil. Ilyen reakció pl. az oxovegyületek fémhidrides redukciója, vagy Grignard-vegyületekkel történő reakciója: B B + a a 3 3 3 3 Mg 3 3 Mg 3 Mg 3 3 Mg + 3 3 17. ábra: Az acetaldehid redukciója és Grignard-reakciója. Az enolát-anion támadását fogadó oxovegyület szemszögéből nézve az aldol-dimerizáció is e csoportba tartozik: + 3 2 3 2 18. ábra: Az acetaldehid aldol-dimerizációja. a a belépő nukleofil stabil anion, az addíciós reakció megfordíthatóvá válik. Így pl. az oxovegyületek és hidrogén-cianid reakciója savas közegben az addíció, míg lúgos közegben az elimináció irányába tolódik el: 3 2 6
+ 3 3 3 3 19. ábra: Az acetaldehid addíciója. b.) Addíció-elimináció-addíciós reakciók: a az addíció után a belépő nukleofilnak a karbonil-szénatomhoz kapcsolódó atomján (jellemzően oxigén, kén, nitrogén, stb.) marad még magányos elektronpárja, ez enyhén savas közegben +M effektusával elősegíti az eredetileg karbonil-oxigénatom vízként való távozását. A folyamat egy második nukleofil addíciójával zárul. Ezek a lépések megfordíthatóak, egyensúlyra vezetnek. Ilyen reakció pl. az oxovegyületek és alkoholok acetál-képződést eredményező reakciója. 3 + 3 3 3 3 3 2 +M 3 3 3 3 3 3 3 20. ábra: Az acetaldehid-dimetil-acetál képződése. 2 3 3 3 c.) Addíció-eliminációs reakciók: a az addíció után a belépő nukleofilnak a karbonil-szénatomhoz kapcsolódó atomján (jellemzően nitrogén) marad még magányos elektronpárja, ez enyhén savas közegben π-kötés létrehozásával elősegíti az eredetileg karbonil-oxigénatom vízként való távozását. a a belépő nukleofilnak a karbonil-szénatomhoz kapcsolódó atomján marad még savas jellegű hidrogén is, a folyamat a proton leválásával zárul. Ezek a lépések megfordíthatóak, egyensúlyra vezetnek. Ilyen reakció pl. az oxovegyületek és aminok imin-képződést eredményező reakciója. 3 + 2 3 3 2 3 3 3 3 3 21. ábra: Az acetaldehid-metilimin képződése. 3 3 3 asonló mechanizmussal játszódnak le az oxim-, hidrazon- és szemikarbazon-képződési reakciók. 7
a az addíció után a belépő nukleofilnak a karbonil-szénatomhoz kapcsolódó atomján (jellemzően nitrogén) marad még magányos elektronpárja, ez enyhén savas közegben π-kötés létrehozásával elősegíti az eredetileg karbonil-oxigénatom vízként való távozását. a a belépő nukleofilnak a karbonil-szénatomhoz kapcsolódó atomján ellenben nem marad savas jellegű hidrogénje, a protonleválás az α-helyzetű szénatomról is megtörténhet. Ezek a lépések megfordíthatóak, egyensúlyra vezetnek. Ilyen reakció pl. a ketonok és szekunder-aminok enamin-képződést eredményező reakciója. + 2 3 3 3 3 3 3 3 3 2 22. ábra: A ciklohexanon és dimetil-amin reakciója. 3 3 3 a sem a belépő nukleofilnak a karbonil-szénatomhoz kapcsolódó atomjáról, sem az α-helyzetű szénatomról nem tud proton leválni, a reaktív iminium-kation újabb nukleofil addícióját fogadja. vii Ilyen reakció pl. a Mannich-reakció. viii + 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 3 3 2 3 3 3 23. ábra: A Mannich-reakció. vii Azaz b.) típusú addíció-elimináció-addíciós reakció játszódik le viii Mivel a Mannich-reakció második nukleofil addíciója az a.) típusba tartozik, a reakció egyirányúvá válik. 8
d.) Acilezési-reakciók: a a karbonil-szénatomhoz távozó-csoport ix kapcsolódik, mint például a savszármazékokban, akkor a nukelofil-addíció a távozó-csoport eliminációjával társul, és a reakció bruttó folyamatban szubsztitúciót eredményez. Ilyen reakció pl. a karbonsavak és ammónia reakciója: 3 3 3 3 24. ábra: Az ecetsav-amid képződése. 2 3 2 Az acilezési-reakciók savakkal és bázisokkal is katalizálhatók, a katalízis és a távozó-csoport távozókészsége alapján e reakciók az alábbi jellemző módokon játszódhatnak le: A Ac 2-mechanizmus: savkatalizált bimolekuláris x reakció. Ilyen pl. a savak és alkoholok észterképzése. + 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 25. ábra: A metil-acetát képződése. 2 3 3 B Ac 2-mechanizmus: báziskatalizált bimolekuláris reakció. Ilyen pl. az észterek bázikus hidrolízise. xi 3-3 3 3 3 26. ábra: A metil-acetát hidrolízise. 3 3 3 A Ac 1-mechanizmus: acilium-köztiterméken keresztül lejátszódó savkatalizált monomolekuláris reakció. Ilyen reakciók pl. a savkloridok képződése, xii vagy a savkloridok Lewis-sav katalizált acilezési reakciói. xiii 3 S 3 S 3 27. ábra: Az ecetsav-klorid képződése. S 2 3 ix Távozó-csoport vagy leváló-csoport (angolul leaving group, jele L) az, amelynek leválása az adott reakciókörülmények között termodinamikailag kedvezményezett. Vizes közegben jellemzően a víz és a víznél erősebb savak (vagy anionjuk) a távozó csoportok. A távozó-csoport pk a értékének csökkenésével növekszik a távozó-készség. x A reakciók molekularitása a sebességmeghatározó-lépésben résztvevő molekulák számát adja meg. xi Az utolsó sav-bázis reakciólépés az ecetsav és metanol közötti nagy pk a különbség miatt egyirányú folyamat. xii A reakciólépéseket a melléktermékek gázként való távozása teszi egyirányú folyamattá. xiii A benzol nukleofil támadása a.) típusú egyirányú reakció. 9
3 Al 3 Al 3 Al 3 Al 28. ábra: A Friedel rafts-acilezés. Ahogy már említettük a karbonilcsoportot tartalmazó vegyületek reaktivitását a karbonil-szénatomon kifejlődő δ+ töltés nagysága határozza meg. Ennek megfelelően az alábbi sorrend állítható fel: > > 3 > > 3 3 3 > 3 3 2 2 > > > > 3 3 3 3 2 29. ábra: Egyes karbonilcsoportot tartalmazó vegyületek reaktivitási sorrendje: Felső sor: foszgén > acetil-klorid > ecetsav-anhidrid > formaldehid > acetaldehid > Alsó sor: aceton > metil-acetát > ecetsav > acetamid > karbamid A reaktivitási sorrendet elsősorban a karbonil-szénatomhoz kapcsolódó csoportok elektronküldő elektronszívó tulajdonságai határozzák meg. xiv A klóratom I effektusa nagyobb, mint a +M effektusa. A metilcsoport +I effektussal rendelkezik. A hidroxil- és a metoxicsoport +M effektusa felülmúlja a I effektust. Az aminocsoport +M effektusa nagyobb és I effektusa kisebb, mint a hidroxilcsoporté. Az aromás-vázzal létrejövő konjugáció jelentősen csökkenti a reaktivitást. Az aromás-váz jelentős +M effektust fejt ki a karbonilcsoportra. xv 3 > Ph > > 3 Ph 3 3 3 > > Ph Ph Ph 30. ábra: Egyes karbonilcsoportot tartalmazó vegyületek reaktivitási sorrendje: Felső sor: acetil-klorid > benzoil-klorid; Középső sor: formaldehid > acetaldehid > benzaldehid; Alsó sor: aceton > acetofenon > benzofenon xiv Az I effektus a σ-váz, az M effektus a p π-rendszer polarizációját írja le. xv Ugyanezt a polarizációt az aromás-váz oldaláról nézve úgy jellemezhetjük, hogy a karbonilcsoport jelentős M effektust fejt ki az aromás π-rendszerre. 10