Kimia Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

23Senyawa Karbonil: Adisi Nukleofilik, Asetal, dan Proteksi

Larutkan glukosa dalam air, maka hampir tidak ada yang tetap berupa aldehida rantai terbuka seperti yang digambar di buku pelajaran: molekul itu melengkung, gugus hidroksilnya sendiri beradisi pada gugus aldehidanya, dan sebuah cincin beranggota enam menutup. Adisi alkohol yang sama pada gugus karbonil, yang diulang sekali lagi dengan katalis asam, menghasilkan asetal, senyawa yang stabil terhadap basa dan terhadap nukleofil yang paling reaktif. Kestabilan itu adalah sebuah alat: aldehida yang akan dirusak oleh pereaksi Grignard dapat disembunyikan sebagai asetal, dibawa melewati reaksi itu, dan diperoleh kembali pada akhirnya. Bab ini mempelajari gugus karbonil sebagai elektrofil, adisi air dan alkohol, serta strategi proteksi.

Yang sudah kamu ketahui

Adisi Grignard pada senyawa karbonil (Bab 21); kuosien reaksi $Q$ dan evolusi sistem selama $Q \neq K$ (Bab 7); panah lengkung, nukleofil, dan elektrofil (Bab 18). Jilid sekolah (kelas 12) telah memperkenalkan gagasan melindungi sebuah gugus selama sintesis.

23.1 Gugus karbonil sebagai elektrofil

Ikatan C=O terpolarisasi ke arah oksigen (Bab 2), dan struktur resonansi $\ce{C+-O-}$ menempatkan muatan positif penuh pada karbon: karbon itu elektrofilik, diserang oleh nukleofil tegak lurus terhadap bidang gugus itu. Nukleofil kuat (pereaksi Grignard, hidrida, sianida) beradisi secara langsung. Nukleofil lemah — air, alkohol — memerlukan bantuan.

Definisi 23.1 (Aktivasi elektrofilik)

Aktivasi elektrofilik gugus karbonil adalah protonasinya (atau koordinasinya dengan asam Lewis) pada oksigen. Kation $\ce{C=OH+}$ , yang muatan positifnya ikut dimiliki karbon melalui struktur resonansi $\ce{C+-OH}$ , diserang bahkan oleh nukleofil yang lemah.

Aktivasi aldehida oleh asam: protonasi oksigen menghasilkan kation yang struktur resonansinya membawa muatan pada karbon.

23.2 Hidrat dan hemiasetal

Air beradisi secara reversibel pada aldehida dan keton, $\ce{R2C=O + H2O <=> R2C(OH)2}$ ; hidratnya biasanya minor untuk keton dan dapat mayor untuk metanal. Alkohol beradisi dengan cara yang sama.

Definisi 23.2 (Hemiasetal dan asetal)

Hemiasetal adalah senyawa yang satu karbonnya membawa sebuah gugus OH sekaligus sebuah gugus OR, yang terbentuk melalui adisi alkohol pada gugus karbonil. Asetal adalah senyawa yang satu karbonnya membawa dua gugus OR, yang terbentuk dari hemiasetal dan molekul alkohol kedua, disertai lepasnya air.

Hemiasetal rantai terbuka biasanya minor dalam kesetimbangannya dengan aldehida dan alkohol; jika OH dan C=O berada dalam molekul yang sama dan sebuah cincin beranggota lima atau enam dapat menutup, hemiasetal siklik itulah yang predominan. Demikianlah halnya pada glukosa, dan pada 5-hidroksipentanal yang lebih sederhana.

5-Hidroksipentanal dan hemiasetal siklisnya, sebuah cincin beranggota enam yang mengandung oksigen. OH karbon 5 telah beradisi pada aldehida karbon 1; bentuk cincinnya predominan, seperti pada glukosa.

23.3 Asetal

Proposisi 23.3 (Mekanisme pembentukan asetal)

Dalam asam, aldehida atau keton dan alkohol menghasilkan hemiasetal, lalu asetal, melalui tahap-tahap: protonasi C=O; adisi alkohol; lepasnya proton (hemiasetal); protonasi OH; lepasnya air, yang menghasilkan karbokation yang distabilkan oleh gugus OR yang tersisa (ion oksokarbenium); adisi alkohol kedua; lepasnya proton. Setiap tahap bersifat reversibel.

Bukti. Setiap tahap adalah perpindahan proton asam–basa atau adisi (atau lepasnya) sebuah nukleofil pada (atau dari) karbon yang elektrofilik, seperti yang diuraikan dalam Bab 18. Lepasnya air dimungkinkan karena kation yang terbentuk, $\mathrm{R_2C^+{-}OR}$ , mempunyai struktur resonansi $\mathrm{R_2C{=}O^+R}$ yang setiap atomnya memiliki oktet (Proposisi 18.8). Asam dipakai dalam protonasi dan dibentuk kembali dalam deprotonasi: asam itu adalah katalis. ∎

Pembentukan asetal, dalam dua baris: mula-mula hemiasetal (aktivasi, adisi alkohol, lepasnya proton), lalu asetal (protonasi OH, lepasnya air menjadi kation yang stabil, adisi alkohol kedua, lepasnya proton).

Reaksi keseluruhan, $\mathrm{RCHO} + 2\,\mathrm{R'OH} \rightleftharpoons \mathrm{RCH(OR')_2} + \ce{H2O}$ , mempunyai tetapan kesetimbangan yang sedang, dan air adalah salah satu produknya.

Proposisi 23.4 (Mendorong asetalisasi)

Jika air yang terbentuk dikeluarkan secara terus-menerus, asetalisasi berlanjut sampai senyawa karbonil (atau alkoholnya) habis.

Bukti. Kuosien reaksi $Q = [\text{asetal}][\ce{H2O}]/([\text{aldehida}] [\mathrm{R'OH}]^2)$ tetap di bawah $K$ selama air dikeluarkan: menurut Bab 7, reaksi terus bergerak maju, berapa pun nilai $K$ . Dengan sebuah diol (etana-1,2-diol) asetalnya siklik, dan kesetimbangannya juga lebih menguntungkan, karena satu molekul diol menggantikan dua molekul alkohol. ∎

Perangkap Dean–Stark. Uap toluena dan air mengembun dan jatuh ke dalam penampung bergaris skala; air, yang lebih rapat dan tidak dapat bercampur dengan toluena, tenggelam dan tinggal di sana, sedangkan toluena meluap kembali ke dalam labu. Volume air yang terkumpul mengukur kemajuan reaksi.

Proposisi 23.5 (Kestabilan asetal)

Asetal stabil dalam medium netral dan basa serta terhadap nukleofil, pereaksi Grignard, dan pereaksi hidrida; asam berair menghidrolisisnya kembali menjadi senyawa karbonil dan alkohol.

Bukti. Karbon asetal tidak membawa gugus pergi yang dapat diusir oleh basa atau nukleofil: $\ce{RO-}$ , sebuah basa kuat, tidak pergi, dan tidak ada lagi C=O yang dapat diserang. Dalam asam berair, mekanisme di atas berjalan mundur: air yang sangat berlebih membuat $Q < K$ untuk reaksi balik. ∎

23.4 Proteksi dan deproteksi

Definisi 23.6 (Gugus pelindung)

Gugus pelindung adalah gugus yang dimasukkan ke dalam molekul untuk menutupi sebuah fungsi untuk sementara, agar fungsi itu tidak bereaksi dalam tahap yang ditujukan pada bagian lain molekul. Pemasukannya adalah proteksi, pelepasannya adalah deproteksi.

Metode 23.7 (Proteksi, reaksi, deproteksi)

Kenali fungsi yang akan bereaksi, atau yang akan merusak pereaksinya, dalam tahap yang direncanakan.
Pilihlah gugus pelindung yang stabil dalam tahap itu dan dapat dilepas pada kondisi yang dapat ditoleransi bagian molekul lainnya (untuk aldehida atau keton yang menghadapi basa, nukleofil, atau hidrida: asetal siklik).
Lakukan proteksi; jalankan tahap yang direncanakan; lakukan deproteksi.
Hitunglah ongkosnya: dua tahap tambahan, masing-masing dengan rendemennya.

Contoh 23.8 (Keton yang menghalangi)

Untuk mengadisikan pereaksi Grignard pada gugus aldehida sebuah molekul yang juga membawa keton, tidak ada pilihan asetal yang sederhana (aldehida lebih mudah membentuk asetal daripada keton, sehingga gugus yang salah yang akan terlindungi); urutan tahap atau pereaksinya harus diubah. Proteksi adalah sebuah strategi, bukan refleks.

23.5 Latihan

Latihan 23.1 ★

Tentukan karbon hemiasetal, asetal, hidrat, eter, atau alkohol dalam: $\ce{CH3CH(OH)OCH3}$ , $\ce{CH3CH(OCH3)2}$ , $\ce{CH3CH(OH)2}$ , $\ce{CH3OCH3}$ , $\ce{(CH3)2C(OCH2CH3)2}$ .

Solusi

Solusi Latihan 23.1.

$\ce{CH3CH(OH)OCH3}$ : hemiasetal. $\ce{CH3CH(OCH3)2}$ : asetal. $\ce{CH3CH(OH)2}$ : hidrat. $\ce{CH3OCH3}$ : eter. $\ce{(CH3)2C(OCH2CH3)2}$ : asetal (dari sebuah keton).

Latihan 23.2 ★

Tuliskan persamaan keseluruhan pembentukan asetal propanal dengan metanol, dan asetal siklik propanon dengan etana-1,2-diol.

Solusi

Solusi Latihan 23.2.

$\ce{CH3CH2CHO + 2CH3OH <=> CH3CH2CH(OCH3)2 + H2O}$ ; propanon dengan etana-1,2-diol menghasilkan 2,2-dimetil-1,3-dioksolana dan air, $\ce{(CH3)2CO + HOCH2CH2OH <=> C5H10O2 + H2O}$ .

Latihan 23.3 ★

Pereaksi manakah di antara berikut ini yang membiarkan asetal tidak berubah: larutan natrium hidroksida, metilmagnesium bromida, asam sulfat encer dalam air, natrium borohidrida?

Solusi

Solusi Latihan 23.3.

Natrium hidroksida, metilmagnesium bromida, dan natrium borohidrida membiarkannya tidak berubah; asam sulfat encer berair menghidrolisisnya.

Latihan 23.4 ★

Gambarlah hemiasetal siklik yang dibentuk oleh 4-hidroksibutanal. Berapakah ukuran cincinnya?

Solusi

Solusi Latihan 23.4.

OH pada karbon 4 beradisi pada karbon aldehida 1: cincin beranggota lima yang terdiri atas empat karbon dan satu oksigen, dengan sebuah OH pada karbon di sebelah oksigen cincin.

Latihan 23.5 ★★

Tuliskan mekanisme lengkap pembentukan dimetil asetal etanal yang dikatalisis asam, dengan panah lengkung, dan tunjukkan bahwa asamnya terbentuk kembali.

Solusi

Solusi Latihan 23.5.

Protonasi C=O; metanol beradisi pada karbon; lepasnya $\ce{H+}$ : hemiasetal; protonasi OH-nya; lepasnya air menjadi $\ce{CH3CH=O+CH3}$ ; metanol kedua beradisi; lepasnya $\ce{H+}$ : $\ce{CH3CH(OCH3)2}$ . Kedua proton yang diambil dikembalikan: asam itu adalah katalis.

Latihan 23.6 ★★

Tuliskan mekanisme hidrolisis asam 2,2-dimetoksipropana. Mengapa dipakai air dalam jumlah besar?

Solusi

Solusi Latihan 23.6.

Protonasi salah satu OCH3; lepasnya metanol menjadi $\ce{(CH3)2C=O+CH3}$ ; air beradisi; lepasnya $\ce{H+}$ : hemiasetal; protonasi, lepasnya metanol, lepasnya $\ce{H+}$ : propanon. Air yang berlebih menjaga $Q$ di bawah $K$ untuk hidrolisis, yang berlangsung sempurna.

Latihan 23.7 ★★

Asetalisasi $0.250\,\mathrm{mol}$ sebuah keton diikuti dengan perangkap Dean–Stark. Berapa volume air yang seharusnya terkumpul pada konversi penuh (massa jenis sekitar $1.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ )? Sesudah satu jam, $3.2\,\mathrm{mL}$ telah terkumpul: berapakah konversinya?

Solusi

Solusi Latihan 23.7.

Satu molekul air per asetal: $0.250 \times 18.0 = 4.5\,\mathrm{g}$ , sekitar $4.5\,\mathrm{mL}$ . Sesudah satu jam, $3.2/18.0 = 0.178\,\mathrm{mol}$ : konversi $71\,\%$ .

Latihan 23.8 ★★

Jelaskan mengapa asetal siklik dengan etana-1,2-diol terbentuk lebih sempurna daripada asetal dengan dua molekul metanol, untuk senyawa karbonil yang sama.

Solusi

Solusi Latihan 23.8.

Dengan diol, satu molekul menggantikan dua: reaksinya tidak mengurangi jumlah molekul (satu aldehida dan satu diol menghasilkan satu asetal dan satu air), dan OH kedua berada dekat dengan karbon yang bereaksi, sehingga cincinnya mudah menutup. Keduanya membuat asetal siklik lebih menguntungkan.

Latihan 23.9 ★★

Mengapa katalis asam harus dihilangkan (atau dinetralkan) sebelum senyawa yang terlindungi direaksikan dengan pereaksi Grignard?

Solusi

Solusi Latihan 23.9.

Asam itu akan merusak pereaksi Grignard (perpindahan proton); jejak air dan diol juga harus dihilangkan.

Latihan 23.10 ★★★

Usulkan sintesis 5-hidroksi-5-metilheksan-2-on, $\ce{(CH3)2C(OH)CH2CH2COCH3}$ , dari 4-klorobutan-2-on dan propanon, dengan memakai sebuah proteksi. Tentukan setiap tahap, pereaksinya, dan peran masing-masing.

Solusi

Solusi Latihan 23.10.

1. Lindungi keton 4-klorobutan-2-on sebagai asetal siklik (etana-1,2-diol, katalis asam, Dean–Stark). 2. Magnesium dalam eter kering: pereaksi Grignard dari klorida yang terlindungi, yang tidak lagi dirusak oleh karbonilnya sendiri. 3. Tambahkan propanon; pengolahan akhir dengan amonium klorida berair: alkohol tersier. 4. Asam berair encer: deproteksi menjadi 5-hidroksi-5-metilheksan-2-on.

Latihan 23.11 ★★★

Tunjukkan dengan kuosien reaksi bahwa metanol yang sangat berlebih juga mendorong asetalisasi sebuah aldehida, dan bandingkan metode ini dengan pengeluaran air.

Solusi

Solusi Latihan 23.11.

$Q = [\text{asetal}][\ce{H2O}]/([\text{aldehida}][\ce{CH3OH}]^2)$ : metanol yang sangat berlebih, yang dikuadratkan dalam penyebut, menjaga $Q < K$ sampai aldehida yang tersisa tinggal sedikit. Pengeluaran air bekerja pada pembilang; memakai metanol sebagai pelarut lebih sederhana, tetapi memerlukan produk yang mudah dipisahkan.

Latihan 23.12 ★★★

Jelaskan mengapa hemiasetal siklik glukosa diserang, dalam metanol yang asam, menghasilkan metil asetal (sebuah metil glikosida), sedangkan gugus OH glukosa yang lain tidak diubah menjadi eter.

Solusi

Solusi Latihan 23.12.

Hanya OH hemiasetal yang dapat pergi sebagai air dan menghasilkan kation yang distabilkan oleh oksigen cincin di sebelahnya ( $\ce{C=O+}$ ); gugus OH yang lain harus pergi dari karbon biasa, yang menghasilkan kation yang tidak terstabilkan. Metanol beradisi pada kation yang stabil itu: sebuah metil asetal.

23.6 Soal: Pereaksi Grignard yang Membawa Aldehida

Soal 23.1

Soal akhir pekan — mengapa 4-bromobutanal tidak dapat menghasilkan pereaksi Grignard, proteksinya sebagai asetal siklik dengan perangkap Dean–Stark, adisi Grignard pada propanon, deproteksinya, dan volume air yang terkumpul

Seorang kimiawan memerlukan 5-hidroksi-5-metilheksanal, $\ce{(CH3)2C(OH)CH2CH2CH2CHO}$ , dan berencana membuatnya dari 4-bromobutanal, $\ce{BrCH2CH2CH2CHO}$ , dan propanon. Ia memulai dari $15.09\,\mathrm{g}$ 4-bromobutanal. Massa molar ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): $\ce{C4H7BrO}$ 150.9, $\ce{C2H6O2}$ 62.0, $\ce{C6H11BrO2}$ 194.9, $\ce{C3H6O}$ 58.0, $\ce{C9H18O3}$ 174.0, $\ce{C7H14O2}$ 130.0, $\ce{H2O}$ 18.0; massa jenis air $0.997\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ .

Bagian I — Persoalannya.

Tuliskan pereaksi Grignard yang akan dihasilkan 4-bromobutanal.
Mengapa pereaksi itu tidak dapat ada? Tuliskan reaksi yang merusaknya.
Fungsi manakah yang harus diproteksi, dan terhadap apa?
Mengapa asetal cocok?
Mengapa asetal siklik (dengan etana-1,2-diol) lebih disukai?
Hitunglah jumlah 4-bromobutanal.
Hitunglah massa diol untuk kelebihan $20\,\%$ .

Bagian II — Proteksi.

Tuliskan persamaan asetalisasi dengan etana-1,2-diol.
Apa peran katalis asam (asam 4-metilbenzenasulfonat)?
Uraikan cara kerja perangkap Dean–Stark.
Jelaskan dengan $Q$ dan $K$ mengapa pengeluaran air mendorong reaksinya.
Mengapa toluena, dan bukan air, yang dikembalikan ke labu?
Bagaimana kimiawan itu mengetahui bahwa reaksinya sudah selesai?
Hitunglah massa bromida terlindungi yang diharapkan pada konversi penuh.

Bagian III — Tahap Grignard.

Tuliskan pembentukan pereaksi Grignard dari bromida yang terlindungi itu.
Tuliskan adisinya pada propanon dan alkoksida yang terbentuk.
Mengapa pengolahan akhir tahap ini harus bersifat agak basa atau netral (misalnya amonium klorida berair) dan bukan asam?
Hitunglah massa alkohol terlindungi untuk rendemen $70\,\%$ pada tahap ini.

Bagian IV — Deproteksi.

Tuliskan deproteksinya dalam asam berair.
Mengapa alkohol tersier itu bertahan dalam asam berair yang lunak?
Produknya dapat menutup cincin beranggota enam dengan mengadisikan OH-nya pada aldehida. Gambarlah hemiasetal siklik itu.
Hitunglah massa hidroksi aldehida pada rendemen deproteksi $90\,\%$ .
Berapa rendemen keseluruhan dari 4-bromobutanal yang dicapai kimiawan itu?
Hitunglah massa air yang terbentuk pada tahap proteksi pada konversi penuh.
Nyatakan volume air yang terkumpul dalam perangkap Dean–Stark pada konversi penuh.

Solusi

Solusi Soal 23.1.

1. $\ce{BrMgCH2CH2CH2CHO}$ . 2. Karbonnya yang mirip karbanion akan menyerang aldehida molekul lain (atau dirinya sendiri): $\ce{RMgBr}$ beradisi pada $\mathrm{R'CHO}$ , menghasilkan alkoksida. 3. Aldehidanya, terhadap pereaksi Grignard. 4. Asetal stabil terhadap pereaksi Grignard dan basa, dan dapat dilepas oleh asam berair. 5. Asetal itu terbentuk lebih sempurna (satu diol untuk dua molekul alkohol) dan mudah dihidrolisis. 6. $15.09/150.9 = 0.1000\,\mathrm{mol}$ . 7. $1.20 \times 0.1000 \times 62.0 = 7.44\,\mathrm{g}$ . 8. $\ce{BrCH2CH2CH2CHO + HOCH2CH2OH <=> C6H11BrO2 + H2O}$ (2-(3-bromopropil)-1,3-dioksolana). 9. Katalis itu mengaktifkan karbonil dan memungkinkan lepasnya air pada tahap kedua; katalis itu terbentuk kembali. 10. Toluena dan air terdistilasi bersama, mengembun, dan jatuh ke dalam penampung; air tenggelam dan tinggal di sana, toluena meluap kembali. 11. $Q$ mengandung $[\ce{H2O}]$ pada pembilangnya; pengeluaran air menjaga $Q < K$ , dan reaksinya berlanjut. 12. Air lebih rapat dan tidak bercampur dengan toluena: air terkumpul di dasar; hanya lapisan atas yang mencapai lengan balik. 13. Ketika air berhenti terkumpul, pada volume yang diharapkan. 14. $0.1000 \times 194.9 = 19.5\,\mathrm{g}$ . 15. $\ce{C6H11BrO2 + Mg -> C6H11BrMgO2}$ (eter kering). 16. Pereaksi itu beradisi pada $\ce{(CH3)2CO}$ : alkoksida $\ce{(CH3)2C(O^-)CH2CH2CH2-}$ pada rantai yang terlindungi, dengan $\ce{MgBr+}$ . 17. Asam akan melepas gugus pelindung terlalu dini dan dapat mendehidrasi alkohol tersier itu. 18. $0.0700 \times 174.0 = 12.2\,\mathrm{g}$ . 19. Asetal + $\ce{H2O}$ $\to$ aldehida + etana-1,2-diol (katalis asam). 20. Lepasnya air dari alkohol itu memerlukan asam kuat dan kalor; asam berair yang lunak dan dingin menghidrolisis asetal jauh lebih cepat. 21. OH karbon 5 beradisi pada karbon aldehida 1: cincin beranggota enam (lima karbon dan satu oksigen) dengan dua gugus metil pada karbon di sebelah oksigen cincin dan sebuah OH pada karbon lain di sebelahnya. 22. $0.0700 \times 0.90 = 0.0630\,\mathrm{mol}$ , $8.19\,\mathrm{g}$ . 23. $0.0630/0.1000 = 63\,\%$ (proteksi dianggap sempurna). 24. $0.1000 \times 18.0 = 1.80\,\mathrm{g}$ . 25. $1.80/0.997 =$ $1.8\,\mathrm{mL}$ air dalam perangkap.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium