Chap 16 Aldehydes and Ketones
16.1 Structure and bonding 16.2 Nomenclature
16.3 Physical properties 16.4 Reactions
16.5 Addition of carbon nucleophiles 16.6 The Wittig reaction
16.7 Addition of oxygen nucleophiles 16.8 Addition of nitrogen nucleophiles 16.9 Keto-enol tautomerism
16.10 Oxidation 16.11 Reductions
16.12 Reactions at an α-carbon
16.1 Structure and Bonding
Aldehyde(RCHO) : 카보닐(C=O)기에 수소 및 탄소원자가 결합된 구조 Ketone(RCOR') : 카보닐(C=O)기에 두 탄소원자가 결합된 구조
HCHO CH3CHO CH3COCH3
Methanal Ethanal Propanone (Formaldehyde) (Acetaldehyde) (Acetone)
16.2 Nomenclature
A. IUPAC Nomenclature Aldehyde의 명명 :
i) 가장 긴 탄소 사슬을 모체로 선정하고, alkane의 어미 -e → -al 로 변환.
ii) Unsaturated aldehyde의 경우에는 삽입어 en- 혹은 -yn-을 사용하여 이중 결 합 혹은 삼중 결합의 위치를 표시함.
iii) -CHO가 고리에 직접 결합된 경우는 고리명칭에 carbaldehyde를 붙여줌
C6H5
O
H
O
H
O
H
CHO HO CHO
O
H
3-Methylbutanal 2-Propenal (2E)-3,7-Dimethyl-2,6-octadienal
trans-3-Phenyl-2-propenal Cyclopentanecarbaldehyde trans-4-Hydroxycyclohexanecarbaldehyde (Cinnamaldehyde)
O
Propanone 1-Phenyl-1-pentanone O
O O
O
H H
H
Formaldehyde Benzaldehyde Ethyl isoproryl ketone Dicyclohexyl ketone Acetophenone
O O
H OH
HS
OH OH
HO
OH
OH
O O O O O
NH2 O
3-Oxopropanoic acid 3-Oxobutanoic acid 4-Hydroxybutanoic acid
3-Aminobutanoic acid 2-Mercaptoethanol
Ketone의 명명 : 카보닐기를 포함하는 가장 긴 모체 탄소 사슬을 선정하고, alkane 의 어미 -e → -one로 변환
B. 관용명
Aldehyde : 카복실산의 -ic acid 혹은 -oic acid → -aldehyde로 변환 Ketone : 2개의 alkyl 혹은 aryl + ketone 으로 명명
C. IUPAC Names for More Complex Aldehydes and Ketones
작용기의 우선 순위 (Table 16.1) : Carboxylic acid > Aldehyde > Ketone >
Alcohol > Amine > Thiol
Nu + C O R'
R
C
C Nu
O
O Nu R
R R'
R'
+ aq HCl
C
C OH Nu
OH R
R R'
R'
Nu +
Tetrahedral intermediate
(Racemic) Racemic alcohol
R C R
O + H B fast R C R
O H
R C R
OH H Nu
Nu C
OH
R R
+ BH
16.3 Physical Properties
Carbonyl(C=O) : 탄소와 산소의 전기음성도 차이로 인하여 극성을 띰 C=O 작용기 사이의 dipole-dipole interaction
Table 16.2 : Boiling point of some compounds of similar molecular wight Bp : Carboxylic acid > Alcohol > Aldehyde, Ketone > Ether, Alkane
Table 16.3 : Physical properties of some aldehydes and ketones
16.4 Reactions
친전자성을 띠는 carbonyl carbon에 친핵체가 첨가반응을 일으켜 정사면체의 중간 체 생성 - Nucleophilic addition(친핵성 첨가반응)
1) Basic condition
2) Acidic condition
1st step : Protonation of carbonyl by H+ - Activation of C=O
Carbonyl C의 electrophilicity 증가 2nd step : Nucleophilic addition of Nu- - Formation of racemic alcohols
CH3CH2 MgBr +
H H
O Et2O
CH3CH2 CH2 O MgBr H3O+
CH3CH2CH2 OH 1-Propanol (1o OH)
Et2O H3O+
H O
+
MgBr O MgBr
OH
2o OH O
+ Ph MgBr THF Ph
OMgBr H3O+
Ph
OH
3o OH
16.5 Addition of Carbon Nucleophiles
탄소를 포함하는 친핵체 : R-Li > R-MgX > R-C≡C- > -C≡N
A. Addition of Grignard Reagents
Carbonyl 화합물에 RMgX 시약을 첨가하면 친핵성 첨가에 의하여 tetrahedral alkoxide의 중간체가 생성되고, aq HCl로 산성화하면 alcohol이 생성된다.
Reaction of acetaldehyde and acetone with Grignard reagent
예제 16.4 : Synthesis of 2-phenyl-2-butanol
H3O+ O
+ H C C Na
HO C CH
Na O C CH
O
+ K C N
O K
C N
H C N OH
C N
+ C N
C C
OH
N
H+
N Acrylonitrile 2 H2, Ni
NH2 OH
O + Li
H3O+
lithium alkoxide
O Li OH
B. Addition of Organolithium Compounds RLi : More reactive than RMgBr
Carbonyl 화합물과 친핵성 첨가 반응하여 alcohol을 생성함
C. Addition of Anions of Terminal Alkynes
말단 alkyne의 음이온은 알데하이드나 케톤의 carbonyl기에 친핵성 첨가하여 삼중 결합을 가진 alcohol을 생성한다.
D. Addition of Hydrogen Cyanide
알데하이드나 케톤에 KCN(or NaCN)/HCN을 첨가하면 친핵성 첨가에 의하여 cyanohydrin(동일한 탄소에 -OH기와 -CN기가 결합된 화합물)을 생성한다.
* Utility of cyanohydrin compound
O + Ph3P CH2 CH2 + Ph3P O Cyclohexanone Phosphonium
ylide
Methylenecyclohexene Triphenylphisphineoxide
Ph3P + CH3 I SN2
Ph3P CH3 I n-BuLi
Ph3P CH2 + CH3CH2CH2CH3 + LiI
Ph3P CH2
O + Ph3P CH2
CH2 + Ph3P O
O
PPh3 PPh3
O
Betaine Oxaphosphetane
Ph3P CHR : R = Alkyl (CH3, Et etc) cis-alkene이 주 생 성 물 로 얻 어 짐 R = -COCH3, -COOEt etc trans-alkene이 주 생 성 물 로 얻 어 짐
H
Ph Ph3P
O + Ph
Ph + + Ph3P O
cis-1-phenyl-2-butene trans-1-phenyl-2-butene 87% 13%
H
Ph Ph3P
O
+ Ph + Ph3P O
O OEt
O OEt
Ethyl trans-4-phenyl-2-butenoate (major product)
16.6 The Wittig Reaction
Phosphonium ylide(Ph3P=CHR)가 알데하이드나 케톤과 반응하여 alkene을 생성하 는 반응
1) Formation of phosphonium ylide
2) Wittig reaction
▘Control of cis-/trans-alkene by Wittig reaction
Phosphonium ylide의 구조가 주로 alkene의 configuration을 결정함
Phosphonium ylide가 공명 안정화되면 반응성이 감소하게 되어 평형상태가 반응을 지배하게 된다. trans-alkene은 cis-alkene보다 안정하므로 trans-가 주생성물로 얻어진다.
(MeO)3P Trimethylphosphite
Br CH2 C O
OEt α-bromoester
Br CH2 C O
R α-bromoketone
(MeO)2 P O
CH2 C O
OEt + MeBr α-Phosphonoester
(MeO)2 P O
CH2 C O
R + MeBr α-Phosphonoketone
(MeO)2 P O
CH2 C O
OEt (MeO)2 P
O
CH C
O
NaH OEt
O
H
O P
COOEt O
(OMe)2
P O
COOEt O
(OMe)2 COOEt
+ MeO P O
O OMe
only E-isomer Dimethylphosphate anion
◆ Horner-Emmons-Wadsworth reaction
염기 하에서 α-phosphonoester or α-phosphonoketone과 aldehyde or ketone을 반응시켜 alkene을 합성하는 반응
1) Preparation of α-phosphonoester or α-phosphonoketone
α-Phosphonoester or α-phosphonoketone의 유용성 : α-H이 acidic하므로 염기 에 의하여 쉽게 제거되어 stabilized anion을 생성함. Phosphonate로 안정화된 anion은 Wittig반응에서 거의 대부분 trans-alkene을 생성함
2) Wittig reaction
예제 16.5 :
CH3
O + Br
R' R
O + H2O K
R' R
OH OH
hydrate (geminal diol)
H R
O + R'OH
H R
OR' OH
H
R OR'
OR' hemiacetal acetal
R'OH
aldehyde
HO
H OH
OH OH
OH O
D-Glucose (open chain form)
O O
CH2OH HO
OH
HO OH
CH2OH
HO HO
OH OH +
β-Anomer of D-glucose (cyclic hemiactal)
α-Anomer of D-glucose (cyclic hemiacetal) 아 노 머 탄 소
R C
O
H + H+ R C
OH
H R C
OH O H R'OH
H R'
-H+
R C
OH
H OR'
hemiacetal
16.7 Addition of Oxygen Nucleophiles
A. Addition of Water: Formation of Carbonyl Hydrates
Aldehyde나 ketone에 H2O를 첨가하면 nucleophilic addition (친핵성 첨가) 에 의 하여 geminal diol이 생성된다.
Reversible reaction
Geminal diol - 일반적으로 unstable, easy dehydration
반응물보다 생성물의 steric repulsion이 증가함
K의 크기 : R,R'=H,H > R,R'=CH3,H > R,R'=CH3,CH3 (K=0.002)
B. Addition of Alcohols: Formation of Acetals
Hemiacetal : 일반적으로 unstable
5원자 혹은 6원자 고리의 hemiacetal은 상대적으로 angle strain이 작으므로 안정하게 존재함
1) Acid-catalyzed formation of hemiacetal
H+: catalyst, Reversible reaction, Warming 조건, 1 eq alcohol의 사용
R C OH
H
OR' H+
R C
OH2
H
OR' - H2O
R C OR'
H
R'OH
R C
OR'
H O H
R' -H+
R C
OR'
H OR'
acetal
O
H + M
O H
??
OH O
H
5-Hydroxy-5-phenylpentanal
O H
+ Br
O H
OH O
H
5-Hydroxy-5-phenylpentanal OH
HO
H+
Br BrMg
O O
O Mg
THF
O
O
O-MgBr O
HCl, H2O OH
HO R H
O H+
H
R R H R H
O H
HO O
HO
H
H2O O
HO
- H3O+ R H
O O
2) Acid-catalyzed formation of acetal
H+: catalyst, 가열조건, Aldehyde에 2 eq 알코올의 사용 Reversible reaction : Dean-Stark trap을 이용하여 반응을 완결시킴
Figure 16.1 : Dean-Stark trap for removing water by azeotrope(공비 혼합물)
Acetal : stable to basic reagent (LiAlH4, NaBH4, RMgBr)
→ Protecting group of carbonyl (C=O) unstable to acidic reagent
▘Formation of cyclic acetal
C. Acetals as Carbonyl-Protecting Groups
Synthesis of 5-hydroxy-5-phenylpentanal from 4-bromobutanal :
RCH2OH + O
H+
O RCH2O
Dihydropyran Tetrahydropyranyl ether : Stable to basic reagent (NaBH4, RMgBr)
CH3 C O
H + H2N H+
CH3 CH N
Imine (Schiff base)
CH3 C O
H + H2N
1단 계 : CH3 C
O N
H H
H
CH3 C N OH
H H
CH3 CH N Imine (Schiff base)
2단 계 : CH3 C
O N
H H
CH3 C N OH
H H
H+
H H
CH3 C N H H
+ H2O
+ H3O+
D. Tetrahydropyranyl Ethers: Protecting an Alcohol as an Acetal
Protection of ROH : Use of dihydropyran (DHP) → Tetrahydropyranyl (THP) ether
예제 16.7 : Mechanism of THP ether formation
16.8 Addition of Nitrogen Nucleophiles
A. Ammonia and Its Derivatives
1) NH3, RNH2(1차 아민)과 aldehyde 혹은 ketone과의 반응
친핵성을 갖는 NH3, RNH2는 산성 조건에서 aldehyde or ketone의 카보닐기와 반 응하여 imine(이민) 또는 다른 말로 Schiff base(Schiff 염기)를 생성함
Mechanism :
1단계 : Nucleophilic addition of aniline to acetaldehyde → Formation of tetrahedral carbonyl addition compound
2단계 : Tetrahedral 화합물의 OH의 protonation 및 dehydration H+ - catalyst
O + H2N H+ N H2 / Ni
N H
O + N H+ N
H + H2O
Cyclohexanone Piperidine Enamine
O + H2NNH2 NNH2 + H2O Hydrazine Hydrazone
▘Imine 화합물의 유용성
Hydrogenation에 의하여 C=N이 C-N으로 환원됨 Reduction amination (환원적 아민화) :
2) R2NH(2차 아민)과 aldehyde 혹은 ketone과의 반응
친핵성을 갖는 R2NH는 산성 조건에서 aldehyde or ketone의 카보닐기와 반응하여 enamine(엔아민)을 생성함
B. Hydrazine and Related Compounds
Aldehyde나 ketone이 hydrazine(H2NNH2)과 반응하면 Schiff base의 일종인 hydrazone(하이드라존)을 생성함
Table 16.4 : Derivatives of ammonia and hydrazine used for forming imines
