45
Carbonyl Condensa-on Reac-ons

Carbonyl)Condensaon) Reac-ons)...• Carbonyl)condensaon)reac-ons)also)occur) o6en)in)metabolic)pathways.) • Also)one)of)the)general)methods)used)to)form) CCbonds. Why)this)Chapter?)

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

  • Carbonyl  Condensa-on  Reac-ons  

  • •  Carbonyl  compounds  are  both  the  electrophile  and  nucleophile  in  carbonyl  condensa-on  reac-ons  

    Condensa-on  Reac-ons  

  • •  Carbonyl  condensa-on  reac-ons  also  occur  o6en  in  metabolic  pathways.  

    •  Also  one  of  the  general  methods  used  to  form  C-‐C  bonds.  

    Why  this  Chapter?  

  • •  Acetaldehyde  reacts  in  basic  solu-on  (NaOEt,  NaOH)  with  another  molecule  of  acetaldehyde  

    •  The  β-‐hydroxy  aldehyde  product  is  aldol  (aldehyde  +  alcohol)  •  This  is  a  general  reac-on  of  aldehydes  and  ketones  

    Carbonyl  Condensa-on:  The  Aldol  Reac-on  

  • •  The  aldol  reac-on  is  reversible,  favoring  the  condensa-on  product  only  for  aldehydes  with  no  α  subs-tuent  

    •  Steric  factors  are  increased  in  the  aldol  product  

    The  Equilibrium  of  the  Aldol  

  • Aldehydes  and  Ketones  and  the  Aldol  Equilibrium  

  • •  Aldol  reac-ons,  like  all  carbonyl  condensa-ons,  occur  by  nucleophilic  addi-on  of  the  enolate  ion  of  the  donor  molecule  to  the  carbonyl  group  of  the  acceptor  molecule  

    •  The  addi-on  intermediate  is  protonated  to  give  an  alcohol  product  

    Mechanism  of  Aldol  Reac-ons  

  • •  Carbonyl  condensa-ons  and  α  subs-tu-ons  both  involve  forma-on  of  the  enolate  ion  intermediates  

    •  Alpha-‐subs-tu-on  reac-ons  are  accomplished  by  conver-ng  all  of  the  carbonyl  compound  to  enolate  form  so  it  is  not  an  electrophile  

    •  Immediate  addi-on  of  an  alkyl  halide  completes  the  alkyla-on  reac-on  

    Carbonyl  Condensa-on  versus  Alpha-‐Subs-tu-on  

  • •  A  small  amount  of  base  is  used  to  generate  a  small  amount  of  enolate  in  the  presence  of  unreacted  carbonyl  compound  

    •  A6er  the  condensa-on,  the  basic  catalyst  is  regenerated  

    Condi-ons  for  Condensa-ons  

  • •  The  β-‐hydroxy  carbonyl  products  dehydrate  to  yield  conjugated  enones  

    •  The  term  “condensa-on”  refers  to  the  net  loss  of  water  and  combina-on  of  2  molecules  

     Dehydra-on  of  Aldol  Products:  Synthesis  of  Enones  

  • •  The  α  hydrogen  is  removed  by  a  base,  yielding  an  enolate  ion  that  expels  the  –OH  leaving  group  

    •  Under  acidic  condi-ons  the  –OH  group  is  protonated  and  water  is  expelled  

    Dehydra-on  of  β-‐Hydroxy  Ketones  and  Aldehydes  

  • •  Removal  of  water  from  the  aldol  reac-on  mixture  can  be  used  to  drive  the  reac-on  toward  products  

    •  Even  if  the  ini-al  aldol  favors  reactants,  the  subsequent  dehydra-on  step  pushes  the  reac-on  to  comple-on  

    Driving  the  Equilibrium  

  • •  If  a  desired  molecule  contains  either  a  β-‐hydroxy  carbonyl  or  a  conjugated  enone,  it  might  come  from  an  aldol  reac-on  

     Using  Aldol  Reac-ons  in  Synthesis  

  • •  Subsequent  transforma-ons  can  be  carried  out  on  the  aldol  products  •  A  saturated  ketone  might  be  prepared  by  cataly-c  hydrogena-on  of  

    the  enone  product  

    Extending  the  Synthesis  

  • •  A  mixed  aldol  reac-on  between  two  similar  aldehyde  or  ketone  partners  leads  to  a  mixture  of  four  possible  products  

    •  This  is  not  useful  

    Mixed  Aldol  Reac-ons  

  • •  If  one  of  the  carbonyl  partners  contains  no  α  hydrogens  and  the  carbonyl  is  unhindered  (such  as  benzaldehyde  and  formaldehyde)  it  is  a  good  electrophile  and  can  react  with  enolates,  then  a  mixed  aldol  reac-on  is  likely  to  be  successful  

    •  2-‐methylcyclohexanone  gives  the  mixed  aldol  product  on  reac-on  with  benzaldehyde  

    Prac-cal  Mixed  Aldols  

  • •  Ethyl  acetoacetate  is  completely  converted  into  its  enolate  ion  under  less  basic  condi-ons  than  monocarbonyl  partners  

    •  Aldol  condensa-ons  with  ethyl  acetoacetate  occur  preferen-ally  to  give  the  mixed  product  

    Mixed  Aldols  With  Acidic  Carbonyl  Compounds  

  • A  Crossed  Aldol  Addi-on  

    the  crossed  aldol  addi-on  forms  four  products  

  • •  Treatment  of  certain  dicarbonyl  compounds  with  base  produces  cyclic  products  by  intramolecular  reac-on  

     Intramolecular  Aldol  Reac-ons  

  • •  Both  the  nucleophilic  carbonyl  anion  donor  and  the  electrophilic  carbonyl  acceptor  are  now  in  the  same  molecule.  

    •  The  least  strained  product  is  formed  because  the  reac-on  is  reversible  

    Mechanism  of  Intramolecular  Aldol  Reac-ons  

  • •  Reac-on  of  an  ester  having  an  α  hydrogen  with  1  equivalent  of  a  base  to  yield  a  β-‐keto  ester  

     The  Claisen  Condensa-on  Reac-on  

  • Mechanism  of  the  Claisen  Condensa-on  

    •  Similar  to  aldol  condensa-on:  nucleophilic  acyl  subs-tu-on  of  an  ester  enolate  ion  on  the  carbonyl  group  of  a  second  ester  molecule  

  • •  If  the  star-ng  ester  has  more  than  one  acidic  α hydrogen,  the  product  β-‐keto  ester  has  a  doubly  ac-vated  proton  that  can  be  abstracted  by  base  

    •  Requires  a  full  equivalent  of  base  rather  than  a  cataly-c  amount  

    •  The  deprotona-on  drives  the  reac-on  to  the  product  

    Features  of  the  Claisen  Condensa-on  

  • •  Successful  when  one  of  the  two  esters  acts  as  the  electrophilic  acceptor  in  reac-ons  with  other  ester  anions  to  give  mixed  β-‐keto  esters  

     Mixed  Claisen  Condensa-ons  

  •  A  Crossed  Claisen  Condensa-on  

    the  carbonyl  compound  with  α-‐hydrogens  is  added  slowly  to  a  solu-on  of  the  carbonyl  compound  without  α-‐hydrogens  and  

    a  base  

  • •  Reac-ons  between  esters  and  ketones,  resul-ng  in  β-‐diketones  

    •  Best  when  the  ester  component  has  no  α  hydrogens  and  can't  act  as  the  nucleophilic  donor  

    Esters  and  Ketones  

  •  A  Crossed  Condensa-on  Between    a  Ketone  and  an  Ester  

    LDA  is  used  to  form  the  enolate  ion  and  the  other  carbonyl  compound  is  added  slowly  

  • Summary  of  Crossed  Condensa-ons  

    if  both  carbonyl  compounds  have  α-‐hydrogens  

    LDA  is  used  to  form  the  desired  enolate  ion  and  the  other  carbonyl  compound  is  added  slowly  

    if  only  one  carbonyl  compound  has  α-‐hydrogens  

    the  carbonyl  compound  with  α-‐hydrogens  is  added  slowly  to  a  solu-on  of  the  carbonyl  compound  without  α-‐hydrogens  and    

    a  base  

  • •  Intramolecular  Claisen  condensa-on  •  Best  with  1,6-‐diesters  (product:  5-‐membered  β-‐ketoester)  and  1,7-‐diesters  (product:  6-‐membered  β-‐ketoester)  

     Intramolecular  Claisen  Condensa-ons:    The  Dieckmann  Cycliza-on  

  • Mechanism  of  the  Dieckmann  Cycliza-on  

  • •  The  cyclic  β-‐keto  ester  can  be  further  alkylated  and  decarboxylated  as  in  the  acetoace-c  ester  synthesis    

    Alkyla-on  of  Dieckmann  Product  

  • •  Enolates  can  add  as  nucleophiles  to  α,β-‐unsaturated  aldehydes  and  ketones  to  give  the  conjugate  addi-on  product  

    Conjugate  Carbonyl  Addi-ons:  The  Michael  Reac-on  

  • •  Example:  Enolate  from  a  β-‐keto  ester  or  other  1,3-‐dicarbonyl  compound  adding  to  an  unhindered  α,β-‐unsaturated  ketone  

    Best  Condi-ons  for  the  Michael  Reac-on  

  • •  Nucleophilic  addi-on  of  a  enolate  ion  donor  to  the  β  carbon  of  an  α,β-‐unsaturated  carbonyl  acceptor  

    Mechanism  of  the  Michael  Reac-on  

  • •  Occurs  with  a  variety  of  α,β-‐unsaturated  carbonyl  compounds  (aldehydes,  esters,  nitriles,  amides,  and  nitro  compounds)    

    •  Donors  include  β-‐diketones,  β-‐keto  esters,  malonic  esters,  β-‐keto  nitriles,  and  nitro  compounds  

    Generality  of  the  Michael  Reac-on  

  • •  Enamines  are  equivalent  to  enolates  in  that  their  reac-ons  and  can  be  used  to  accomplish  the  transforma-ons  under  milder  condi-ons  

    •  Enamines  are  prepared  from  a  ketone  and  a  secondary  amine  

    Carbonyl  Condensa-ons  with  Enamines:  The  Stork  Reac-on  

  • •  Overlap  of  the  nitrogen  lone-‐pair  orbital  with  the  double-‐bond  π  orbitals  increases  electron  density  on  the  α  carbon  atom  

    Enamines  Are  Nucleophilic  

  • •  Enamine  adds  to  an  α,β-‐unsaturated  carbonyl  acceptor  •  The  product  is  hydrolyzed  to  a  1,5-‐dicarbonyl  compound  

    Enamine  Addi-on  and  Hydrolysis  

  • •  A  two-‐step  process:  combines  a  Michael  reac-on  with  an  intramolecular  aldol  reac-on  

    •  The  product  is  a  subs-tuted  2-‐cyclohexenone  

    The  Robinson  Annula-on  Reac-on  

  • •  Malonyl  ACP  is  decarboxylated  and  enolate  is  formed  •  Enolate  is  added  to  the  carbonyl  group  of  another  acyl  group  

    through  a  thioester  linkage  to  a  synthase  •  Tetrahedral  intermediate  gives  acetoacetyl  ACP  

     Some  Biological  Carbonyl  Condensa-on  Reac-ons  

  • Retrosynthe-c  Analysis  

  • Designing  a  Synthesis  to  Make  New  Carbon–Carbon  Bonds  

    locate  the  new  carbon−carbon  bond  that  must  be  formed  

  • Solu-on  

  • Designing  a  Synthesis  to  Make  New  Carbon–Carbon  Bonds  

    locate  the  new  carbon−carbon  bond  that  must  be  formed  

  • Designing  a  Synthesis  to  Make  New  Carbon–Carbon  Bonds  

    locate  the  new  carbon−carbon  bond  that  must  be  formed  

    solu-on