10. Karbonyyliyhdisteet. Karboksyylihapot ja niiden johdannaiset Karboksyylihapot ja niiden johdannaiset ovat karbonyyliyhdisteitä, joilla on karbonyylihiileen liittynyt elektronegatiivinen atomi. Niillä on ryhmä, joka voi toimia lähtevänä ryhmänä ja siksi niillä voi tapahtua nukleofiilinen substituutioreaktio (vrt. aldehydit ja ketonit: additio) Karboksyylihappo appohalidi Esteri Amidi appoanhydridi Näitten yhdisteiden yhteydessä käsitellään myös nitriilejä, jotka eivät ole karbonyyliyhdisteitä, mutta niiden reaktiot ovat samantapaisia kuin karboksyylihappojohdannaisten, sillä syanoryhmä on polaarinen ja hiili on elektrofiilinen. Nitriilien hydrolyysi tuottaa karboksyylihappoa kuten karboksyylihappojohdannaistenkin reaktio Nitriili N 10.1. Nimeäminen Karboksyylihapot: iilivety + happo. Numerointi aloitetaan karbonyyliryhmän hiilestä Vaihtoehtoisesti käytetään päätettä karboksyylihappo. Tällöin karbonyylihiiltä ei numeroida. Jälkimmäistä tapaa käytetään aina, jos happoryhmä on liittynyt renkaaseen. enkaan numerointi aloitetaan hiilestä, jossa karboksyylihapporyhmä on, mutta ko. hiiltä ei numeroida Substituentin paikkaa osoittamaan voidaan käyttää myös kreikkalaisia aakkosia (α, β, γ...). Monista aromaattisista karboksyylihapoista käytetään triviaalinimiä. Systemaattisissa nimissä sovelletaan aromaattisten yhdisteiden nimeämissääntöjä. l 3 2 3 2 3-klooributaanihappo l. 2-klooripropaanikarboksyylihappo 3-syklohekseenikarboksyylihappo α-hydroksibutaanihappo l Bentsoehappo Ftaalihappo Salisyylihappo m-klooribentsoehappo 56
appohalogenidit: Asyyli / aroyyliryhmä + halidi. Karbonyyliryhmän hiili lasketaan mukaan hiililukuun ja sen numero on 1. Jos happohalidiryhmä on kiinni renkaassa, yhdiste nimetään liittämällä hiilivedyn nimeen karbonyylihalidi. iiliatomi, jossa happohalidiryhmä on kiinni, saa numeron 1. Numeroa ei mainita nimessä. 3 l 3 2 I Br Asyyliryhmä: metanoyyli, etanoyyli, jne... Aroyyliryhmä, esim. bentsoyyli Ar l Etanoyylikloridi l. asetyylikloridi Propanoyylikloridi Bentsoyylibromidi 3-syklohekseenikarbonyylibromidi appoanhydridit (symmetriset): apon nimi + anhydridi 3 3 Etikkahappoanhydridi Esterit. Estereiden nimeämisessä on kaksi tapaa: (1) ne voidaan nimetä kuten hapon suolat tai (2) nimi voi olla sanaliitto, joka määrittelee molemmat ryhmät 3 2 2 3 3 1. Propyylietanoaatti l.propyyliasetaatti. 2. Etikkahapon propyyliesteri 1. Metyyli-3-syklohekseenihappokarboksylaatti. 2. 3-syklohekseenikarboksyylihapon metyyliesteri Amidit. iilivety + amidi. Amidiryhmän hiili saa numeron 1. Jos ryhmä on substituenttina renkaassa, hiilivety + karboksiamidi. Amidiryhmä tai nitriiliryhmä on tällöin kiinni 1-hiilessä, eikä numeroa mainita. Sekundääriset ja tertiääriset amidit nimetään N-alkyylijohdannaisina 3 3 3 2 N 3 2 N 3 2 3 2 3 Etaaniamidi i N-metyylipropaaniamidi N,N-dietyyli-2-metyylipropaaniamidi 3-syklohekseenikarboksiamidi 57
10.2. Karboksyylihappojen ja niiden johdannaisten ominaisuuksista. Karboksyylihapot Karbonyylinryhmän rakenne (mm. - ja -atomien hybridisaatio) on samanlainen kuin ketoneissa -- sidokset ovat myös polaarisia vety on hapan eli se dissosioituu helposti Pienimolekyyliset karboksyylihapot ovat nesteitä ja niiden kiehumispisteet ovat korkeita, koska molekyylit voivat olla voimakkaasti vetysitoutuneita toisiinsa. Karboksyylihappomolekyylit esiintyvät yleensä vetysitoutuneina dimeereinä. Vetysitoutumismahdollisuuden takia liukenevat hyvin veteen Karboksyylihapot ovat heikkoja happoja l. vesiliuoksessa ne ovat osittain dissosioituneina. Substituoimattomien happojen pk a -arvot ovat luokkaa 3-5 2 3 Karboksyylihapot reagoivat Na:n ja myös heikompien emästen (esim. NA 3 ) kanssa. Tällöin muodostuu karboksylaatti-ioneita. Suoloja kutsutaan karboksylaateiksi. Karboksylaatti-ioni on resonanssin stabiloima, mikä lisää - ryhmän protonin happamuutta esim. alkoholien -ryhmiin verrattuna Elektroneja puoleensa vetävät ryhmät stabiloivat edelleen karboksylaatti-ionia ja lisäävät happamuutta. Elektroneja luovuttavat ryhmät vähentävät happamuutta l l 3 pk a 1.48 pk a 4.76 pk a 4.88 58
Esterit. ydroksyyliryhmä on esteröitynyt, eivätkä esterit siis dissosioidu. Ne eivät myöskään kykene toimimaan vetysidoksen luovuttajina. Karbonyyliryhmä sensijaan voi toimia vetysidoksen vastaanottajana. Karboksyylihappoihin verrattuna estereiden kiehumispisteet ovat alhaisempia ja ne liukenevat veteen heikommin kuin vastaavat hapot. appoamidit. appoamidien reaktiivisuuteen eniten vaikuttava piirre on amidiresonanssi, joka stabiloi amideja. Ne ovat kaikkein epäreaktiivisimpia karboksyylihappojohdannaisia, eivätkä amidit ole emäksisiä (kuten amiinit). Amidit voivat toimia sekä vetysidoksen luovuttajina (aminoryhmä) että vastaanottajina (karbonyyliryhmä) appohalidit ja happoanhydridit. Ei esiinny luonnossa. Koska ne ovat hyvin reaktiivisia, niitä käytetään runsaasti lähtöaineina orgaanisessa syntetiikassa. 10.3. Nukleofiilinen asyylisubstituutio Karboksyylihappojohdannaisten tyypillisin reaktio on asyylisubstituutio. Karbonyyliryhmä on altis nukleofiiliselle hyökkäykselle. Muodostuvassa tetraedrisessä intermediaatissa on elektronegatiivisen atomin sisältävä ryhmä, joka kykenee toimimaan lähtevänä ryhmänä. +Nu: - eaktio johtaa asyyliryhmään liittyneen ryhmän korvautumiseen toisella ja tätä reaktiota käyttämällä voidaan karboksyylihappojohdannaisia muuttaa toisikseen. +: - Nu Karboksyylihappojohdosten reaktiivisuus riippuu karbonyylihiilen ja elektronegatiivisen ryhmän välisen sidoksen polaarisuudesta: mitä polaarisempi se on, sitä reaktiivisempi yhdiste on. eaktiivisuusjärjestys on: appohalidi > happoanhydridi > karboksyylihappo = esteri > amidi eaktiivisemmasta yhdisteestä voidaan valmistaa vähemmän reaktiivisia, mutta ei yleensä toisin päin. Mikäli reaktiivisuusero on pieni, reaktio päättyy tasapainotilanteeseen. Epäreaktiivisempien johdosten reaktiot vaativat yleensä rajummat olosuhteet ja ja niissä käytetään katalysaattoria. 59
10.4. Asyylisubstituutioreaktioita 1. ydrolyysi: Nukleofiili vesi, tuote karboksyylihappo. appohalidit ja anhydridit reagoivat nopeasti. Esterien ja amidien reaktio vaatii happo- tai emäskatalysaattorin. Amidien reaktio lisäksi lämmityksen (vrt. reaktiivisuusero) 2. Alkoholyysi: Nukleofiili alkoholi, tuote esteri Voidaan valmistaa estereitä happohalideista ja anhydrideistä sekä karboksyylihapoista. Karboksyylihapon happokatalyyttistä reaktiota kutsutaan Fisherin esterisynteesiksi. Esterisynteesi on tasapainoreaktio. Esterin muodostusta voidaan edesauttaa käyttämällä alkoholiylimäärää ja poistamalla reaktioliuoksesta reaktiossa muodostuvaa vettä Y + 2, - Y - Y + 2, - Y - 2 appokloridin alkoholyysireaktiossa käytetään liuottimena yleensä pyridiiniä, joka on emäksinen ja neutraloi reaktiossa vapautuneen vetyhalidin + N N - 3. Aminolyysi: Nukleofiili ammoniakki tai amiini, tuote amidi Y + + + +Y - Karboksyylihapot eivät reagoi suoraan, sillä happo ja amiini/ammoniakki muodostavat keskenään suolan. Alkyyliammoniumioni ei ole nukleofiilinen, sillä typellä ei ole vapaata elektroniparia. Amidi muodostuu, kun suolaa kuumennetaan. N + - +N 3 Δ N + 2 Δ -symboli tarkoittaa, että reaktioseosta lämmitetään 4. eaktiossa karboksylaatti-ionin kanssa muodostuu happo-anhydridejä. eaktiolla voidaan valmistaa sekä kahden samanlaisen hapon ja kahden erilaisen hapon anhydridejä. Jälkimmäisiä kutsutaan seka-anhydrideiksi 60
10.5. Karboksyylihappojen ja johdannaisten valmistus Karboksyylihapot 1.1 alkoholien hapetus (reagenssi esim. r 3 tai Na 2 r 2 7 ) tai aldehydien hapetus (Esim. Tollensin reagenssi AgN 3 ammoniakkiliuoksessa) 2.Alkyylibentseenien hapetus bentsoehappojohdannaiset 3.Karboksyylihappojohdannaisten ja nitriilien hydrolyysi 4.Grignardin reagenssit + 2 appokloridit:karboksyylihapoista tionyylikloridin (Sl 2 ) kanssa appoanhydridit: appokloridien asyylisubstituutio Amidit: Karboksyylihappojohdannaisten asyylisubstituutio ammoniakin tai amiinien kanssa Esterit 1.Asyylisubstituutioreaktiot: happohalidin alkoholyysi ja Fisherin esterisynteesi 2.Karboksylaatti-ionin ja primäärisen tai sekundäärisen alkyylihalidin S N 2- reaktio +Sl 2 l 10.6. Karboksyylihappojen ja niiden johdannaisten reaktiot Karboksyylihapot 1. Pelkistys primäärisiksi alkoholeiksi. Nukleofiilinen asyylisubstituutioreaktio, jossa nukleofiilinä toimii hydridi-ioni : - 2. appokloridien valmistus tionyylikloridin kanssa 3. Asyylisubstituutiot: Esterisynteesi ja amidien valmistus (aminolyysi + kuumennus) 4. appoanhydridien valmistus kuumentamalla. eaktio on hidas ja käytännön synteetistä merkitystä sillä on ainoastaan, jos muodostuva anhydridi on osana 5- tai 6- jäsenistä rengasta. appohalidit ja anhydridit 1.Alkoholyysi ja aminolyysi. Nukleofiilisiä asyylisubstituutioreaktioita. Käytetään monesti hydroksi- tai aminoryhmän suojaukseen orgaanisessa syntetiikassa 2. Pelkistys ja hydrolyysi. Nukleofiilisiä substituutioreaktioita. Tuotteina muodostuu karboksyylihappoja 61
Esterit 1. Asyylisubstituutiot: hydrolyysi karboksyylihapoksi ja alkoholiksi ja aminolyysi amideiksi 2. Pelkistys primäärisiksi alkoholeiksi 3.eaktio Grignardin reagenssin kanssa. Tuotteena muodostuu 3 alkoholi Amidit 1. ydrolyysi karboksyylihapoksi 2. Pelkistys amiiniksi. Spesifinen reaktio: karbonyyliryhmä pelkistyy 2 -ryhmäksi. Muiden johdannaisten pelkistyksessä muodostuu alkoholeja 10.7. Nitriilit Synteesi: Yksinkertaisin menetelmä nitriilien valmistamiseksi on natriumsyanidin ja 1 alkyylihalidin S N 2-substituutioreaktio: eaktiot 2 Br + Na + N - 2 N + NaBr Nitriilit reagoivat nukleofiilien kanssa samalla tavalla kuin karbonyyliyhdisteet. Nukleofiilin hyökkäys elektrofiliseen hiiliatomiin tuottaa intermediaatin, joka on pysymätäön ja hajoaa nopeasti tuotteiksi N Nu: - 1. ydrolyysi karboksyylihapoksi. eaktio voi tapahtua hapon tai emäksen katalysoimana. Mahdollistaa karboksyylihappojen valmistamisen alkaen alkyylihalideista N N Tuotteet 3 + tai - 2 Imiini -anioni +N 3 2. Pelkistys amiineiksi N 1. LiAl 4 2. 2 2 3. eaktio Grignardin reagenssin kanssa. Tuotteena muodostuu ketoni. N N 2 Mg 2 Mg 3 + 2 +N 3 62