Universitaire scheikunde — jaar 1 · Bachelor Year 1

22Alcoholen: de OH-groep activeren

Alcoholen zijn overal: ze worden per ton gemaakt uit alkenen en door fermentatie, en elke grignardadditie van het vorige hoofdstuk levert er een op. Toch ondergaat een alcohol geen substitutie zoals een halogeenalkaan: de OH-groep zou moeten vertrekken als het hydroxide-ion, een sterke base en een zeer slechte vertrekkende groep (Hoofdstuk 19). Chemici hebben drie antwoorden. Verwijder in plaats daarvan het proton van de OH, en het alkoxide wordt een krachtig nucleofiel. Voeg een proton toe, en de vertrekkende groep wordt water. Of vervang het waterstofatoom door een groep die de zuurstof deel maakt van een uitstekende vertrekkende groep, zonder aan het koolstofatoom te raken. Dit hoofdstuk volgt de drie wegen, en de keuzes van mechanisme en stereochemie die erbij horen.

Wat je al weet

SN1, SN2 en hun stereochemie (Hoofdstuk 19); E1, E2 en de regel van Zaitsev (Hoofdstuk 20); zuurconstanten en de methode van de predominante reactie (Hoofdstuk 10); het effect van alkylgroepen op de zuurheid van alcoholen (Oefening 18.11).

22.1 Alcoholen als zuren: alkoxiden

Definitie 22.1 (Alkoxide)

Een alkoxide is de geconjugeerde base $\ce{RO-}$ van een alcohol $\ce{ROH}$ : methoxide $\ce{CH3O-}$ , ethoxide $\ce{CH3CH2O-}$ , tert-butoxide $\ce{(CH3)3CO-}$ . Alkoxiden zijn sterke basen en goede nucleofielen.

Propositie 22.2 (Zuurheid van alcoholen)

Alcoholen zijn zwakkere zuren dan water of ongeveer even zwak: $\mathrm{p}K_a$ 15.5 (methanol), 15.9 (ethanol), 17.1 (propaan-2-ol), 19.2 (2-methylpropaan-2-ol), tegenover 14.0 voor het koppel $\ce{H2O}$ / $\ce{OH-}$ . Hydroxide deprotoneert ze dus maar gedeeltelijk; een volledige omzetting in het alkoxide vraagt een sterkere base of een alkalimetaal.

Bewijs. De reactie $\ce{ROH + OH- <=> RO- + H2O}$ heeft $K = 10^{14.0 - \mathrm{p}K_a(\ce{ROH})}$ , tussen $10^{-1.5}$ en $10^{-5}$ : ongunstig. Natriummetaal reduceert het proton, $\ce{2ROH + 2Na -> 2RO- + 2Na+ + H2}$ , en het hydride-ion van natriumhydride neemt het onomkeerbaar op, $\ce{ROH + H- -> RO- + H2}$ : de waterstof ontsnapt, en de reactie is volledig, wat haar evenwichtsconstante ook is. ∎

In het laboratorium — Natriumhydride

Natriumhydride wordt verkocht als een grijs poeder, gedispergeerd in minerale olie, die het tegen het vocht van de lucht beschermt. Het reageert heftig met water en maakt daarbij brandbare waterstof vrij; het wordt snel afgewogen, in porties onder een inert gas aan de droge alcohol toegevoegd, en het opborrelen van waterstof toont hoe ver de deprotonering gevorderd is. Overmaat hydride wordt aan het eind vernietigd door langzaam een alcohol toe te voegen, nooit water.

22.2 De ethersynthese van Williamson

Definitie 22.3 (Ethersynthese van Williamson)

De ethersynthese van Williamson bereidt een ether $\mathrm{R{-}O{-}R'}$ door een SN2-reactie van een alkoxide $\ce{RO-}$ op een halogeenalkaan (of een sulfonaatester) $\mathrm{R'{-}X}$ .

Williamsonsynthese van methoxyethaan: het ethoxide valt het koolstofatoom van joodmethaan aan aan de kant tegenover het jood (SN2).

Methode 22.4 (De twee partners kiezen)

Een ether $\mathrm{R{-}O{-}R'}$ kan aan beide kanten van de zuurstof geknipt worden.

Schrijf de twee mogelijke paren op: $\ce{RO-}$ met $\mathrm{R'X}$ , en $\mathrm{R'O^-}$ met $\ce{RX}$ .
Houd het paar waarin het halogenide methyl of primair is: SN2 heeft een onbelemmerd koolstofatoom nodig.
Verwerp een paar met een tertiair halogenide: het alkoxide, een sterke base, zou in plaats daarvan elimineren (E2).
Verwacht bij een secundair halogenide een mengsel van ether en alkeen.

Voorbeeld 22.5 (Een asymmetrische ether)

2-Methoxy-2-methylpropaan (methyl-tert-butylether): natrium-tert-butoxide met joodmethaan geeft het zuiver; natriummethoxide met het tertiaire bromide, 2-broom-2-methylpropaan, geeft 2-methylpropeen via E2. Omvangrijk aan de kant van het alkoxide, klein aan de kant van het halogenide.

22.3 De OH-groep activeren

Definitie 22.6 (Sulfonaatesters)

Een sulfonaatester $\mathrm{R{-}O{-}SO_2{-}R'}$ ontstaat uit een alcohol en een sulfonylchloride $\mathrm{R'SO_2Cl}$ in aanwezigheid van een base (pyridine). Het tosylaat, $\ce{R-OTs}$ , komt van 4-methylbenzeensulfonylchloride (tosylchloride); het mesylaat, $\ce{R-OMs}$ , van methaansulfonylchloride. Het sulfonaatanion $\mathrm{R'SO_3^-}$ , de geconjugeerde base van een sterk zuur en door resonantie over drie zuurstofatomen gestabiliseerd, is een uitstekende vertrekkende groep.

Tosylering van een alcohol. De O–H-binding wordt vervangen door O–S; de C–O-binding van de alcohol blijft onaangeroerd. Pyridine neemt het gevormde HCl op.

Propositie 22.7 (Configuratie bij tosylering en substitutie)

De tosylering van een alcohol op een stereogeen koolstofatoom behoudt zijn configuratie (retentie); een daaropvolgende SN2-substitutie van het tosylaat keert haar om. Samen vervangen de twee stappen OH door een nucleofiel met inversie.

Bewijs. Bij de tosylering veranderen de bindingen O–H en S–Cl: de zuurstof van de alcohol valt het zwavelatoom aan en zijn waterstofatoom gaat naar de base. Er wordt geen enkele binding met het stereogene koolstofatoom verbroken, dus de schikking eromheen blijft dezelfde. In de SN2-stap breekt de C–O-binding terwijl het nucleofiel aan de tegenovergestelde kant bindt (Propositie 19.4). ∎

Van (S)-butaan-2-ol naar 2-methylbutaannitril: de tosylering behoudt de configuratie, de SN2-stap met cyanide keert haar om. Netto: OH vervangen door CN met inversie.

Hetzelfde doel kan in zuur milieu bereikt worden: de geprotoneerde OH-groep vertrekt als water, $\ce{R-OH2+ -> R+ + H2O}$ (SN1, E1) of onder aanval (SN2). Zuur beperkt het nucleofiel echter tot de deeltjes die het overleven — halogenide-ionen, water, alcoholen — en zet de deur open voor carbokationen en hun nevenreacties.

22.4 Omzetting in halogeenalkanen

Propositie 22.8 (Alcoholen en waterstofhalogeniden)

Tertiaire alcoholen geven het halogeenalkaan met geconcentreerd zoutzuur bij kamertemperatuur (SN1); primaire alcoholen hebben broomwaterstofzuur of joodwaterstofzuur en verwarming nodig (SN2 op de geprotoneerde alcohol); secundaire alcoholen reageren met tussenliggende snelheden, vaak volgens beide mechanismen.

Bewijs. Protonering maakt van OH een $\ce{-OH2+}$ -groep. Bij een tertiaire alcohol vertrekt water gemakkelijk, wat een stabiel carbokation geeft dat door het halogenide ingevangen wordt (SN1): zelfs het bescheiden nucleofiel $\ce{Cl-}$ volstaat. Een primair carbokation is te instabiel; het halogenide moet water van achteren wegduwen (SN2), wat een goed nucleofiel vraagt ( $\ce{Br-}$ , $\ce{I-}$ , in protische media beter dan $\ce{Cl-}$ , Propositie 18.12) en warmte. ∎

Voorbeeld 22.9 (Een classificatietest)

Een mengsel van geconcentreerd zoutzuur en zinkchloride (een lewiszuur dat de OH helpt vertrekken) maakt een tertiaire alcohol meteen troebel — het onoplosbare chloride scheidt zich af —, een secundaire alcohol binnen enkele minuten, en een primaire alcohol bij kamertemperatuur nauwelijks: de volgorde van stabiliteit van de carbokationen, zichtbaar gemaakt in een reageerbuis.

22.5 Dehydratatie en ethervorming in zuur milieu

Definitie 22.10 (Dehydratatie van een alcohol)

De dehydratatie van een alcohol is de eliminatie van water, gekatalyseerd door een sterk zuur (zwavelzuur of fosforzuur) en warmte, waarbij een alkeen ontstaat: $\mathrm{R_2CH{-}CR'_2OH} \to \mathrm{R_2C{=}CR'_2} + \ce{H2O}$ .

Zuurgekatalyseerde dehydratatie van 2-methylbutaan-2-ol (E1): protonering, verlies van water tot het tertiaire carbokation, verlies van een proton. Het proton van de CH2 verwijderen geeft het trigesubstitueerde 2-methylbut-2-een (Zaitsev, hoofdproduct); van een methylgroep, 2-methylbut-1-een (nevenproduct). — Zuurgekatalyseerde dehydratatie van 2-methylbutaan-2-ol (E1): protonering, verlies van water tot het tertiaire carbokation, verlies van een proton. Het proton van de $\ce{CH2}$ verwijderen geeft het trigesubstitueerde 2-methylbut-2-een (Zaitsev, hoofdproduct); van een methylgroep, 2-methylbut-1-een (nevenproduct).

Propositie 22.11 (Ether of alkeen)

Een primaire alcohol die met zwavelzuur verwarmd wordt, geeft bij matige temperatuur vooral een symmetrische ether (het ene molecuul substitueert het andere via SN2) en bij hogere temperatuur vooral een alkeen; secundaire en tertiaire alcoholen geven alkenen.

Bewijs. Bij een primaire alcohol kan de geprotoneerde alcohol aangevallen worden op het koolstofatoom door een tweede alcoholmolecuul (SN2, wat na verlies van een proton $\ce{R-O-R}$ geeft) of op een $\beta$ -waterstofatoom (E2). Eliminatie maakt meer moleculen dan ze verbruikt en wordt begunstigd naarmate de temperatuur stijgt (Propositie 20.10); substitutie overheerst wanneer die lager is. Secundaire en tertiaire alcoholen ioniseren tot carbokationen, die gemakkelijker een proton verliezen dan dat ze door een zwak nucleofiel ingevangen worden, des te meer bij verwarming; het gevormde water wordt bovendien verwijderd door het vluchtige alkeen af te destilleren. ∎

22.6 Oefeningen

Oefening 22.1 ★

Schrijf de reacties op van ethanol met natrium, met natriumhydride en met natriumhydroxide; bereken de constante van de laatste ( $\mathrm{p}K_a$ van ethanol 15.9).

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.1.

$\ce{2CH3CH2OH + 2Na -> 2CH3CH2O- + 2Na+ + H2}$ ; $\ce{CH3CH2OH + NaH -> CH3CH2O- + Na+ + H2}$ ; $\ce{CH3CH2OH + OH- <=> CH3CH2O- + H2O}$ , $K = 10^{14.0 - 15.9} = 10^{-1.9}$ : gedeeltelijk.

Oefening 22.2 ★

Geef de producten van: natriummethoxide met 1-broompropaan; natriumethoxide met joodmethaan; natriumfenoxide met broomethaan.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.2.

1-Methoxypropaan; methoxyethaan; ethoxybenzeen (het fenoxide, een zwakkere base dan een alkoxide, is nog steeds een goed nucleofiel).

Oefening 22.3 ★

Schrijf de tosylering van propaan-1-ol op en de reactie van het tosylaat met natriumjodide. Wat is het voordeel tegenover de rechtstreekse reactie van de alcohol met natriumjodide?

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.3.

Tosylering in pyridine geeft $\ce{CH3CH2CH2OTs}$ ; daarna

\ce{CH3CH2CH2OTs + I- -> CH3CH2CH2I + TsO-}.

Rechtstreeks zou jodide $\ce{OH-}$ moeten verdrijven: geen reactie. Het tosylaat heeft een uitstekende vertrekkende groep, en de omstandigheden zijn zuur noch sterk basisch.

Oefening 22.4 ★

Geef de alkenen die ontstaan bij de dehydratatie in zuur milieu van butaan-2-ol en van 2-methylpentaan-2-ol, en het hoofdproduct.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.4.

Butaan-2-ol: but-1-een, (Z)- en (E)-but-2-een; hoofdproduct (E)-but-2-een. 2-Methylpentaan-2-ol: 2-methylpent-2-een (hoofdproduct, trigesubstitueerd) en 2-methylpent-1-een.

Oefening 22.5 ★★

Stel een williamsonsynthese voor van 1-ethoxy-2-methylpropaan en verklaar je keuze van de partners. Waarom zou de andere keuze een alkeen geven?

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.5.

$\ce{(CH3)2CHCH2-O-CH2CH3}$ : natrium-2-methylpropaan-1-olaat met broomethaan, of natriumethoxide met 1-broom-2-methylpropaan. Beide halogeniden zijn primair, maar 1-broom-2-methylpropaan is vertakt naast het reagerende koolstofatoom, wat SN2 vertraagt en de sterke base laat elimineren (2-methylpropeen). De eerste keuze is beter.

Oefening 22.6 ★★

(R)-octaan-2-ol wordt omgezet in zijn tosylaat en daarna behandeld met natriumethoxide in ethanol. Geef de configuratie van de ether. Wat zou je krijgen door dezelfde alcohol met zwavelzuur te verwarmen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.6.

Het tosylaat behoudt de (R)-configuratie; SN2 met ethoxide keert haar om: (S)-2-ethoxyoctaan (OEt krijgt de eerste rang, zoals OTs). Met zwavelzuur en warmte: eliminatie tot octenen (vooral (E)-oct-2-een), via een secundair carbokation, met verlies van de stereochemie.

Oefening 22.7 ★★

Schrijf het mechanisme op van de reactie van 2-methylpropaan-2-ol met geconcentreerd zoutzuur en verklaar waarom de reactie bij kamertemperatuur snel verloopt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.7.

Protonering van OH; verlies van water tot het tertiaire carbokation (traag); invangen door $\ce{Cl-}$ : 2-chloor-2-methylpropaan. Snel omdat het tertiaire carbokation stabiel is en het chloride, onoplosbaar in het zuur, zich afscheidt.

Oefening 22.8 ★★

Schrijf het mechanisme op van de vorming van ethoxyethaan uit ethanol in zwavelzuur, en de concurrerende eliminatie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.8.

$\ce{CH3CH2OH + H+ -> CH3CH2OH2+}$ ; een tweede ethanolmolecuul valt het koolstofatoom van achteren aan terwijl water vertrekt (SN2): $\ce{(CH3CH2)2OH+}$ , dat een proton verliest: ethoxyethaan. Concurrerend: een base (ethanol, $\ce{HSO4-}$ ) neemt een $\beta$ -proton van $\ce{CH3CH2OH2+}$ terwijl water vertrekt (E2): etheen.

Oefening 22.9 ★★

Welke alcohol wordt in de classificatietest van dit hoofdstuk als eerste troebel: butaan-1-ol, butaan-2-ol of 2-methylpropaan-2-ol? Schrijf het product op.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.9.

2-Methylpropaan-2-ol (tertiair), dat het onoplosbare 2-chloor-2-methylpropaan geeft.

Oefening 22.10 ★★★

3,3-Dimethylbutaan-2-ol geeft bij verwarming in zuur milieu vooral 2,3-dimethylbut-2-een, waarvan het koolstofskelet verschilt van dat van de alcohol. Stel een mechanisme voor met een 1,2-verschuiving van een methylgroep in het carbokation, en verantwoord die verschuiving.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.10.

Protonering en verlies van water geven een secundair carbokation naast een quaternair koolstofatoom. Een methylgroep van dat koolstofatoom verschuift met haar bindend paar naar het kationische koolstofatoom: de positieve lading zit nu op een tertiair koolstofatoom, stabieler. Verlies van een proton van een naburig koolstofatoom geeft het tetragesubstitueerde 2,3-dimethylbut-2-een, het stabielste alkeen.

Oefening 22.11 ★★★

Ontwerp een synthese van (S)-2-methoxybutaan uit (R)-butaan-2-ol, en een andere uit (S)-butaan-2-ol, telkens met de configuratie onder controle.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.11.

Uit (R)-butaan-2-ol: tosylaat ((R)), daarna natriummethoxide (SN2, inversie): (S)-2-methoxybutaan. Uit (S)-butaan-2-ol: maak het alkoxide (NaH) en voeg joodmethaan toe: de stereogene C–O-binding blijft onaangeroerd, opnieuw (S)-2-methoxybutaan.

Oefening 22.12 ★★★

Toon met het reactiequotiënt (Hoofdstuk 7) aan dat het evenwicht $\ce{2CH3CH2OH <=> (CH3CH2)2O + H2O}$ naar de ether gedreven kan worden door continu water te verwijderen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.12.

$Q = [\text{ether}][\ce{H2O}]/[\ce{EtOH}]^2$ . Water verwijderen naarmate het ontstaat, houdt $[\ce{H2O}]$ en $Q$ klein: $Q < K$ en de reactie blijft ether vormen tot de alcohol verbruikt is.

22.7 Probleem: twee wegen naar een ether

Probleem 22.1

Weekendprobleem — de twee williamsonroutes naar methyl-tert-butylether, een ether met gecontroleerde stereochemie uit een optisch actieve alcohol, de dehydratatie van een tertiaire alcohol, en de verkregen massa ether

2-Methoxy-2-methylpropaan (methyl-tert-butylether, MTBE) werd op grote schaal geproduceerd als brandstofadditief. Molaire massa’s ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): $\ce{C4H10O}$ 74.0, $\ce{C5H12O}$ 88.0, $\ce{CH3I}$ 141.9.

Deel I — MTBE via de ethersynthese van Williamson.

Schrijf de twee paren partners op (alkoxide en halogenide) die MTBE zouden kunnen geven.
Welk paar faalt? Schrijf de reactie op die in plaats daarvan verloopt.
Schrijf de geslaagde reactie en haar mechanisme op.
Hoe wordt natrium-tert-butoxide bereid uit 2-methylpropaan-2-ol? Waarom niet met natriumhydroxide?
Waarom wordt de reactie uitgevoerd in de droge alcohol of in een aprotisch oplosmiddel?
Is het product chiraal?

Deel II — Een optisch actieve ether.

(R)-Butaan-2-ol wordt omgezet in zijn tosylaat. Schrijf de reactie op en geef de configuratie van het tosylaat.
Het tosylaat reageert met natriummethoxide. Schrijf het product en zijn configuratie op.
Welke configuratie van de alcohol geeft langs dezelfde weg (R)-2-methoxybutaan?
Een andere weg: het alkoxide van (R)-butaan-2-ol met joodmethaan. Configuratie van het product? Waarom?
Welke nevenreactie concurreert in vraag 8, en waarom blijft ze hier beperkt?
Waarom zou het verwarmen van (R)-butaan-2-ol met methanol in zwavelzuur een bijna racemische ether geven, als er al ether ontstaat?

Deel III — Dehydratatie van een tertiaire alcohol.

Schrijf het mechanisme op van de dehydratatie in zuur milieu van 2-methylbutaan-2-ol.
Geef de twee alkenen en voorspel het hoofdproduct.
Waarom ontstaat uit deze alcohol geen ether?
Waarom wordt 2-methylbut-2-een afgedestilleerd naarmate het ontstaat?
Teken het energieprofiel van de E1-stap en duid de snelheidsbepalende stap aan.
Zou een primaire alcohol volgens hetzelfde mechanisme gedehydrateerd kunnen worden?

Deel IV — Massa’s.

$10.0\,\mathrm{g}$ 2-methylpropaan-2-ol wordt omgezet in het alkoxide. Bereken de hoeveelheid stof.
Welke massa joodmethaan is nodig voor een overmaat van $10\,\%$ ?
Bereken de theoretische massa MTBE.
Bereken de verkregen massa bij een rendement van $75\,\%$ .

Oplossing

Oplossing van Probleem 22.1.

1. Natrium-tert-butoxide met een methylhalogenide; natriummethoxide met een tert-butylhalogenide. 2. Het tweede: methoxide, een sterke base, elimineert uit het tertiaire halogenide, $\ce{(CH3)3CBr + CH3O- -> (CH3)2C=CH2 + CH3OH + Br-}$ . 3. $\ce{(CH3)3CO- + CH3I -> (CH3)3COCH3 + I-}$ : de zuurstof van het alkoxide valt het methylkoolstofatoom van achteren aan terwijl jodide vertrekt (SN2). 4. Met natrium (of natriumhydride): $\ce{2(CH3)3COH + 2Na -> 2(CH3)3CO- + 2Na+ + H2}$ . Hydroxide is een te zwakke base: $K = 10^{14.0 - 19.2} = 10^{-5.2}$ . 5. Water zou het alkoxide protoneren en het halogenide aanvallen. 6. Nee: geen stereogeen centrum. 7. (R)-butaan-2-ol + TsCl (pyridine) $\to$ (R)-butaan-2-yltosylaat: retentie. 8. (S)-2-methoxybutaan, door SN2-inversie. 9. (S)-butaan-2-ol. 10. (R)-2-methoxybutaan: de C–O-binding van het stereogene koolstofatoom blijft behouden; alleen O–C(methyl) wordt gevormd. 11. E2 (methoxide is een sterke base en het koolstofatoom is secundair), wat butenen geeft; beperkt door de kleine base, een uitstekende vertrekkende groep en een milde temperatuur. 12. De geprotoneerde alcohol ioniseert tot een vlak secundair carbokation, dat aan beide zijden door methanol ingevangen wordt: racemische ether, samen met butenen. 13. Protonering van OH, verlies van water (traag) tot het tertiaire carbokation, verlies van een $\beta$ -proton. 14. 2-Methylbut-2-een (hoofdproduct, trigesubstitueerd) en 2-methylbut-1-een. 15. Een tertiair carbokation is gehinderd en verliest veel gemakkelijker een proton dan dat een ander alcoholmolecuul het kan aanvallen. 16. Om een product te verwijderen: zolang $Q$ klein blijft, gaat de reactie door, en het alkeen blijft niet in contact met het zuur. 17. Een hoge eerste barrière (verlies van water, snelheidsbepalend) naar het carbokation, daarna een kleine barrière naar het alkeen. 18. Nee: een primair carbokation is te instabiel; primaire alcoholen elimineren via E2 op de geprotoneerde alcohol, bij hogere temperatuur. 19. $10.0/74.0 = 0.135\,\mathrm{mol}$ . 20. $1.10 \times 0.135 \times 141.9 = 21.1\,\mathrm{g}$ . 21. $0.135 \times 88.0 = 11.9\,\mathrm{g}$ . 22. $0.75 \times 11.9 =$ $8.9\,\mathrm{g}$ MTBE.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst