الكيمياء الجامعية — السنة الثانية · Bachelor Year 2

26الكربونيلات المترافقة: مايكل وروبنسون

جُمعت الحلقات الأربع لهرمون ستيرويدي أول مرة حلقةً حلقة، وصارت سلسلة واحدة من التفاعلات الطريقة المعيارية لإضافة حلقة: فهي تبني حلقة سداسية كاملة، بكيتونها، من كيتون وكيتون صغير غير مشبع. وهي تنجح لأن مجموعة الكربونيل المترافقة مع رابطة مزدوجة $\ce{C=C}$ تنقل طابعها المحب للإلكترونات إلى الطرف البعيد من تلك الرابطة المزدوجة. وهذا الفصل يدور حول ذلك الطرف البعيد: أي المحبات للنواة تهاجمه، ولماذا، وما الذي يمكن بناؤه به.

ما تعرفه من قبل

الفصل 25: أيونات الإينولات، والتكاثف الألدولي. والفصل 17: التحكم بالشحنة والتحكم المداري، والكواشف القاسية واللينة. والفصل 16: مدارات هوكل وشحنات $\pi$ . ومجلد السنة الأولى: كواشف غرينيار والهيدريدات، والتحكم الحركي والترموديناميكي، والأنظمة المترافقة.

26.1 موقعان محبان للإلكترونات

تعريف 26.1 (المركبات الكربونيلية $\alpha,\beta$ -غير المشبعة)

المركب الكربونيلي $\alpha,\beta$ -غير المشبع له رابطة مزدوجة $\ce{C=C}$ بين الكربونين $\alpha$ و $\beta$ لمركب كربونيلي، مترافقة مع $\ce{C=O}$ : إينون (كيتون)، أو إينال (ألدهيد)، أو إستر أو نتريل غير مشبع. وأبسطها البروبينال $\ce{CH2=CHCHO}$ والبوت-3-ين-2-ون $\ce{CH2=CHCOCH3}$ (ميثيل فينيل كيتون).

البروبينال. في الأعلى: بنى رنينه الثلاث؛ وتضع الأخيرتان شحنة موجبة على كربون الكربونيل وعلى الكربون . وفي الأسفل: نموذج هوكل في (_ O = +، _ CO =؛ وهو نموذج). أكبر شحنة موجبة على كربون الكربونيل (+0.33، مقابل +0.23 على الكربون )؛ وأكبر معامل في المدار LUMO على الكربون (0.66، مقابل -0.58). — البروبينال. في الأعلى: بنى رنينه الثلاث؛ وتضع الأخيرتان شحنة موجبة على كربون الكربونيل وعلى الكربون $\beta$ . وفي الأسفل: نموذج هوكل في الفصل 17 ( $\alpha_{\ce{O}} = \alpha + \beta$ ، $\beta_{\ce{CO}} = \beta$ ؛ وهو نموذج). أكبر شحنة موجبة على كربون الكربونيل (+0.33، مقابل +0.23 على الكربون $\beta$ )؛ وأكبر معامل في المدار LUMO على الكربون $\beta$ (0.66، مقابل $-0.58$ ).

قضية 26.2 (موقعان)

في المركب الكربونيلي $\alpha,\beta$ -غير المشبع، يكون كربون الكربونيل والكربون $\beta$ كلاهما محبًا للإلكترونات. ويحمل كربون الكربونيل الشحنة الموجبة الأكبر؛ ويحمل الكربون $\beta$ المعامل الأكبر في المدار LUMO.

تعليل. تضع بنى الرنين شحنة موجبة على كربون الكربونيل، وعبر $\ce{C=C}$ ، على الكربون $\beta$ ؛ ولا يكون الكربون $\alpha$ موجبًا أبدًا. ونموذج هوكل للبروبينال يجعل ذلك كميًا: فجمع $2c^2$ على المدارين $\pi$ المشغولين يعطي شحنات $\pi$ (التعريف 16.6) $+0.33$ على كربون الكربونيل، و $+0.23$ على الكربون $\beta$ ، و $-0.03$ على الكربون $\alpha$ و $-0.53$ على الأكسجين. والمدار LUMO، الذي يستقبل إلكترونات المحب للنواة، أكبر ما يكون عند الكربون $\beta$ . فيستجيب الموقعان إذن لنوعي التحكم في التعريف 17.5. ∎

26.2 إضافة 1،2 أم إضافة مترافقة

تعريف 26.3 (أنماط الإضافة)

المحب للنواة الذي يُضاف إلى كربون الكربونيل في مركب كربونيلي $\alpha,\beta$ -غير مشبع يعطي إضافة 1،2 (عدًّا من الأكسجين): ألكوكسيدًا أليليًا، ثم كحولًا. والمحب للنواة الذي يُضاف إلى الكربون $\beta$ يعطي إضافة مترافقة (أو إضافة 1،4): أيون إينولات، يُبرتن على الكربون فيعطي مركبًا كربونيليًا مشبعًا مستبدلًا عند الكربون $\beta$ .

الهكس-2-ين حلقي-1-ون مع محبين للنواة ميثيليين. ميثيل الليثيوم، وهو محب للنواة قاسٍ، يُضاف إلى كربون الكربونيل: 1-ميثيل هكس-2-ين حلقي-1-ول (إضافة 1،2). وثنائي ميثيل كوبرات الليثيوم، وهو محب لين، يُضاف إلى الكربون : 3-ميثيل هكسانون حلقي (إضافة مترافقة). — الهكس-2-ين حلقي-1-ون مع محبين للنواة ميثيليين. ميثيل الليثيوم، وهو محب للنواة قاسٍ، يُضاف إلى كربون الكربونيل: 1-ميثيل هكس-2-ين حلقي-1-ول (إضافة 1،2). وثنائي ميثيل كوبرات الليثيوم، وهو محب لين، يُضاف إلى الكربون $\beta$ : 3-ميثيل هكسانون حلقي (إضافة مترافقة).

قضية 26.4 (أي موقع)

المحبات للنواة القاسية (المركبات العضوية الليثيومية، ومعظم كواشف غرينيار، و $\ce{LiAlH4}$ ) تُضاف أساسًا إضافة 1،2، تحت التحكم بالشحنة، وعادة على نحو غير عكوس. والمحبات للنواة اللينة (الكوبرات العضوية، وأيونات الإينولات المثبتة، والثيولات، والأمينات) تُضاف أساسًا إضافة 1،4، تحت التحكم المداري؛ وناتج الإضافة المترافقة، الذي يحتفظ بالرابطة $\ce{C=O}$ ، هو أيضًا الناتج الأكثر استقرارًا.

تعليل. المحب للنواة القاسي، الصغير والمشحون، يتآثر أساسًا عبر الشحنات: فيذهب إلى المركز الأكثر إيجابية، كربون الكربونيل (القضية 26.2)؛ وإضافته سريعة ولا تنعكس، فيبقى ناتج 1،2، المتكوّن أسرع (تحكم حركي). أما المحب للنواة اللين، الكبير والقابل للاستقطاب، ذو المدار HOMO المرتفع، فيتآثر أساسًا عبر المدارات الحدودية: فيذهب حيث يكون المدار LUMO أكبر، أي الكربون $\beta$ . وناتج 1،4 يحتفظ برابطة $\pi$ في $\ce{C=O}$ ، أقوى من رابطة $\pi$ في $\ce{C=C}$ التي يحتفظ بها ناتج 1،2؛ وحين تكون الإضافات عكوسة (السيانيد، والأمينات، وأيونات الإينولات المثبتة، والألكوكسيدات)، ينجرف التوازن إذن نحو ناتج الإضافة المترافقة حتى لو تكوّن ناتج 1،2 أولًا (تحكم ترموديناميكي). ∎

طريقة 26.5 (التنبؤ بنمط الإضافة)

صنّف المحب للنواة: قاسٍ ( $\ce{RLi}$ ، $\ce{RMgX}$ ، $\ce{LiAlH4}$ ، $\ce{NaBH4}$ مع ألدهيد) أو لين ( $\ce{R2CuLi}$ ، أيون إينولات 1،3-ثنائي الكربونيل، $\ce{RS-}$ ، $\ce{R2NH}$ ، السيانيد عند التوازن).
تحقق من العكوسية: الإضافة القاسية غير العكوسة تعطي ناتج 1،2؛ والعكوسة تعطي، إذا أُعطيت الوقت، ناتج 1،4.
تحقق من الإعاقة: الكربون $\beta$ المستبدَل يبطئ الإضافة 1،4؛ والألدهيد، الأقل إعاقة والأكثر تفاعلية عند كربونيله من الكيتون، يحابي 1،2.
اكتب أيون الإينولات المتكوّن بالإضافة 1،4: يمكن برتنته، أو احتجازه بمحب للإلكترونات.

26.3 إضافات مايكل

تعريف 26.6 (إضافة مايكل)

إضافة مايكل هي الإضافة المترافقة لأنيون كربوني مثبَّت، عادة أيون إينولات، إلى مركب كربونيلي $\alpha,\beta$ -غير مشبع أو ألكين مماثل فقير بالإلكترونات. والمحب للنواة هو مانح مايكل (مركب 1،3-ثنائي الكربونيل، أو نترو ألكان، أو سيانو إستر)؛ والمركب غير المشبع هو مستقبل مايكل (إينون، أو إينال، أو إستر أو نتريل أو مركب نترو غير مشبع).

إضافة مايكل لبروبانديوات ثنائي الإيثيل إلى البوت-3-ين-2-ون. يكوّن الإيثوكسيد أيون الإينولات المثبت؛ فيُضاف إلى الكربون ؛ ويأخذ أيون الإينولات المتكوّن بروتونًا من الإيثانول، مما يجدد الإيثوكسيد. والناتج، (3-أوكسوبيوتيل)بروبانديوات ثنائي الإيثيل، مركب 1،5-ثنائي الكربونيل. — إضافة مايكل لبروبانديوات ثنائي الإيثيل إلى البوت-3-ين-2-ون. يكوّن الإيثوكسيد أيون الإينولات المثبت؛ فيُضاف إلى الكربون $\beta$ ؛ ويأخذ أيون الإينولات المتكوّن بروتونًا من الإيثانول، مما يجدد الإيثوكسيد. والناتج، (3-أوكسوبيوتيل)بروبانديوات ثنائي الإيثيل، مركب 1،5-ثنائي الكربونيل.

قضية 26.7 (آلية مايكل)

تجري إضافة مايكل في ثلاث خطوات (نزع بروتون المانح، والإضافة المترافقة، وبرتنة أيون الإينولات الجديد)، وتتجدد القاعدة في الخطوة الأخيرة: فتكفي كمية حفزية منها.

تعليل. هيدروجين $\alpha$ في المانح، الواقع بين كربونيلين، حمضي: $\mathrm pK_a$ نحو 13 لبروبانديوات ثنائي الإيثيل، و10.7 للإستر 3-أوكسوبيوتانوات الإيثيل. وينزعه الإيثوكسيد (الإيثانول، 15.9) بقدر كبير، وهو أكثر من كافٍ. ويُضاف أيون الإينولات المثبت اللين إضافة 1،4 (القضية 26.4). وأيون الإينولات المتكوّن قاعدة أقوى من أيون إينولات المانح (فهو مثبت بكربونيل واحد لا باثنين)، فيأخذ بروتونًا من المذيب، معيدًا إيثوكسيدًا واحدًا مقابل الذي استُهلك. والتفاعل الإجمالي يكوّن رابطة $\sigma$ في $\ce{C-C}$ من رابطة $\pi$ في $\ce{C=C}$ : فهو مواتٍ، ومع مانح مثبت لا ينعكس ناتج الإضافة. ∎

ناتج إضافة مايكل الذي فيه كيتون في جهة المانح وآخر في جهة المستقبل مركب 1،5-ثنائي الكربونيل: يفصل بين الكربونيلين خمس ذرات كربون، مع احتساب كربوني الكربونيل كليهما. وذلك النمط هو بصمة إضافة مايكل، كما كان المركب الكربونيلي $\beta$ -الهيدروكسيلي بصمة الألدول (الطريقة 25.13).

26.4 الكوبرات العضوية

تعريف 26.8 (الكوبرات العضوية)

الكوبرات العضوي $\ce{R2CuLi}$ مركب للنحاس(I) يحمل مجموعتين عضويتين، يُحضَّر من مكافئين من مركب عضوي ليثيومي ومكافئ من هاليد النحاس(I):

\ce{2 CH3Li + CuI -> (CH3)2CuLi + LiI}.

تُحضَّر الكوبرات العضوية (وتسمى أيضًا كواشف جيلمان) وتُستعمل في الإيثر في درجة حرارة منخفضة تحت غاز خامل، مثل أسلافها العضوية الليثيومية. والنحاس أقل كهرجابية من الليثيوم أو المغنيزيوم، فتكون الرابطة $\ce{Cu-C}$ أكثر تساهمية والكربون أقل شحنة: فمجموعة الميثيل في الكوبرات محب للنواة لين. ومن ذلك ثلاثة استعمالات.

الإضافة المترافقة لمجموعة ألكيل أو أريل إلى إينون، وهو ما لا تفعله كواشف غرينيار والمركبات العضوية الليثيومية على نحو نظيف؛ ولا تنتقل إلا إحدى مجموعتي $\ce{R}$ .
الاحتجاز: يمكن ألكلة أيون الإينولات المتكوّن بالإضافة المترافقة عند كربونه $\alpha$ ، فتتكوّن رابطتان $\ce{C-C}$ جديدتان في عملية واحدة.
استبدال الهاليدات: $\mathrm{R_2CuLi + R'Br \to R{-}R' + RCu + LiBr}$ ، وهو اقتران كان المركب العضوي الليثيومي سيفسده بالحذف أو بالتبادل.

26.5 الإلحاق الحلقي لروبنسون

تعريف 26.9 (الإلحاق الحلقي)

الإلحاق الحلقي يبني حلقة جديدة على جزيء موجود. والإلحاق الحلقي لروبنسون يبني هكس-2-ين حلقي-1-ون: إضافة مايكل لأيون إينولات كيتون إلى كيتون $\alpha,\beta$ -غير مشبع (عادة البوت-3-ين-2-ون)، يتبعها تكاثف ألدولي داخلي الجزيء لثنائي الكيتون-1،5 المتكوّن.

الإلحاق الحلقي لروبنسون الذي يصنع كيتون فيلاند–ميشر. يُضاف أيون إينولات 2-ميثيل هكسان حلقي-1،3-ديون إلى البوت-3-ين-2-ون (مايكل): ثلاثي كيتون. ثم يهاجم أيون إينولات ميثيل الكيتون في السلسلة الجانبية كربونيلًا حلقيًا (ألدول داخلي الجزيء)، فيغلق حلقة سداسية؛ ويعطي نزع الماء الإينون المترافق. وتقع مجموعة الميثيل الزاوية على الكربون المشترك بين الحلقتين، وهو المركز الفراغي الوحيد.

قضية 26.10 (الإلحاق الحلقي لروبنسون)

كيتون له هيدروجين $\alpha$ والبوت-3-ين-2-ون، في وسط قاعدي، يعطيان هكس-2-ين حلقي-1-ون في ثلاث خطوات: إضافة مايكل، وإضافة ألدولية داخلية الجزيء تكوّن حلقة سداسية، ونزع الماء. وتحوي الحلقة الجديدة الكربون $\alpha$ السابق للكيتون وكربون كربونيله، والكربونات الأربعة للبوت-3-ين-2-ون.

برهان. تتبّع الذرات في الشكل. يرتبط كربون أيون الإينولات للكيتون (لنسمّه C $_a$ ) بالكربون $\beta$ في البوت-3-ين-2-ون: فتتدلى السلسلة C $_a$ – $\ce{CH2}$ – $\ce{CH2}$ – $\ce{C(=O)}$ – $\ce{CH3}$ من C $_a$ ، ويبقى C $_a$ مرتبطًا بكربون كربونيل الكيتون C $_k$ . وفي القاعدة، يكوّن ميثيل كيتون السلسلة أيون إينولاته عند $\ce{CH3}$ الطرفي، الذي يهاجم C $_k$ . وتضم الحلقة المغلقة C $_k$ وC $_a$ ، و $\ce{CH2}$ الاثنين، وكربون كربونيل السلسلة الجانبية وكربون الميثيل السابق: ست ذرات، وهو حجم الحلقة الخالي من التوتر، ولهذا يؤدي أيون الإينولات هذا، من بين الأيونات الممكنة، إلى ناتج مستقر (أما هجوم أيون إينولات $\ce{CH2}$ الداخلي في السلسلة فكان سيغلق حلقة رباعية). وللألدول $\ce{OH}$ على C $_k$ ، في الموضع $\beta$ بالنسبة إلى كربونيل السلسلة؛ ويضع نزع الماء $\ce{C=C}$ بين C $_k$ وكربون الميثيل السابق، مترافقة مع الكربونيل: هكس-2-ين حلقي-1-ون. ∎

طريقة 26.11 (فك هكسينون حلقي)

أوجد هكس-2-ين حلقي-1-ون في الهدف؛ ورقّم كربون كربونيله C1، والرابطة المزدوجة C2=C3، وتابع على الحلقة حتى C6.
ألغِ نزع الماء: $\ce{OH}$ على C3، و $\ce{C-H}$ على C2.
ألغِ الألدول: اقطع C2–C3. فيصير C3 كربونيل كيتون، وC2 مجموعة ميثيل لميثيل كيتون: ثنائي كيتون-1،5.
ألغِ إضافة مايكل: اقطع الرابطة بين C4 (الكربون $\alpha$ لكيتون C3) وC5. فالمانح هو ذلك الكيتون؛ والمستقبل هو الإينون C5=C6–C1(=O)–C2، الذي هو البوت-3-ين-2-ون حين لا تحمل C5 وC6 وC2 إلا هيدروجينات.

لمحة تاريخية — الإلحاق الحلقي، 1935

نشر روبرت روبنسون ووليام رابسون سلسلة تكوين الحلقة سنة 1935، في عمل يستهدف تخليق الستيرويدات. وكانت إنجازات روبنسون الرئيسية بنى القلويدات وتخليقها، ونال عنها جائزة نوبل في الكيمياء سنة 1947. وفي سنة 1950 صنع بيتر فيلاند وكارل ميشر ثنائي الكيتون الثنائي الحلقة في مسألة هذا الفصل، الذي صار نقطة انطلاق شائعة لتخليق الستيرويدات والتربينات. (صورة شخصية: مؤلف مجهول، ملكية عامة؛ ويكيميديا كومنز.)

السلامة

البوت-3-ين-2-ون قابل للاشتعال، وشديد السمية، وأكّال وخطر على البيئة المائية، ومسيل قوي للدموع؛ ولا يُتداول إلا تحت ساحبة أبخرة. والهكس-2-ين حلقي-1-ون قابل للاشتعال وسام. والمركبات العضوية الليثيومية وكواشف غرينيار والكوبرات تتفاعل بعنف مع الماء وتُتداول تحت غاز خامل.

26.6 تمارين

تمرين 26.1 ★

تنبأ بالإضافة 1،2 أو 1،4 إلى الهكس-2-ين حلقي-1-ون من أجل: $\ce{CH3MgBr}$ ؛ $\ce{(CH3)2CuLi}$ ؛ $\ce{C6H5SH}$ مع قليل من القاعدة؛ $\ce{LiAlH4}$ .

حل

حل التمرين 26.1.

$\ce{CH3MgBr}$ : إضافة 1،2 أساسًا (قاسٍ، غير عكوس)، 1-ميثيل هكس-2-ين حلقي-1-ول.
$\ce{(CH3)2CuLi}$ : إضافة 1،4، 3-ميثيل هكسانون حلقي.
الثيوفينول مع قاعدة: إضافة 1،4 (الثيولات لين)، 3-(فينيل سلفانيل)هكسانون حلقي.
$\ce{LiAlH4}$ : إضافة 1،2، هكس-2-ين حلقي-1-ول.

تمرين 26.2 ★

صنّف إلى مانح مايكل أو مستقبل مايكل: البنتان-2،4-ديون، والبروبيننتريل $\ce{CH2=CHCN}$ ، والنتروميثان، وبروبينوات الميثيل، وبروبانديوات ثنائي الإيثيل، والبوت-3-ين-2-ون.

حل

حل التمرين 26.2.

المانحات: البنتان-2،4-ديون، والنتروميثان، وبروبانديوات ثنائي الإيثيل (رابطة $\ce{C-H}$ حمضية). والمستقبلات: البروبيننتريل، وبروبينوات الميثيل، والبوت-3-ين-2-ون (رابطة $\ce{C=C}$ مترافقة مع مجموعة ساحبة).

تمرين 26.3 ★

اكتب تحضير ثنائي بيوتيل كوبرات الليثيوم من 1-بروموبيوتان والليثيوم ويوديد النحاس(I).

حل

حل التمرين 26.3.

$\ce{C4H9Br + 2Li -> C4H9Li + LiBr}$ ، ثم $\ce{2C4H9Li + CuI -> (C4H9)2CuLi + LiI}$ ، في الإيثر في درجة حرارة منخفضة تحت غاز خامل.

تمرين 26.4 ★

أعطِ ناتج بروبانديوات ثنائي الإيثيل مع البوت-3-ين-2-ون وكمية حفزية من إيثوكسيد الصوديوم، ثم الناتج بعد الحلمهة والتسخين.

حل

حل التمرين 26.4.

(3-أوكسوبيوتيل)بروبانديوات ثنائي الإيثيل، $\ce{(EtOOC)2CHCH2CH2COCH3}$ . وتعطي الحلمهة حمض البروبانديويك المستبدَل، الذي يفقد $\ce{CO2}$ بالتسخين (القضية 25.8): حمض 5-أوكسو هكسانويك، $\ce{HOOCCH2CH2CH2COCH3}$ .

تمرين 26.5 ★★

اقترح تحضيرًا للمركب 3-ميثيل هكسانون حلقي من الهكس-2-ين حلقي-1-ون، وفسّر لماذا يكون بروميد ميثيل المغنيزيوم خيارًا رديئًا.

حل

حل التمرين 26.5.

ثنائي ميثيل كوبرات الليثيوم في الإيثر في درجة حرارة منخفضة، ثم معالجة مائية: إضافة مترافقة. أما بروميد ميثيل المغنيزيوم، وهو أقسى، فيُضاف في معظمه إضافة 1،2 ويعطي 1-ميثيل هكس-2-ين حلقي-1-ول ناتجًا رئيسيًا.

تمرين 26.6 ★★

يُضاف الإيثانثيول إلى البوت-3-ين-2-ون مع أثر من ثلاثي إيثيل أمين. اكتب الآلية وقل لماذا يُضاف الثيولات إضافة 1،4.

حل

حل التمرين 26.6.

ينزع $\ce{Et3N}$ بروتونًا من قليل من $\ce{EtSH}$ فيعطي $\ce{EtS-}$ ؛ ويُضاف الثيولات إلى الكربون $\beta$ ، ويأخذ أيون الإينولات المتكوّن بروتون جزيء آخر من $\ce{EtSH}$ ، مما يجدد $\ce{EtS-}$ . والناتج: 4-(إيثيل سلفانيل)بيوتان-2-ون. والكبريت كبير وقابل للاستقطاب، وزوجه الحر مرتفع الطاقة: فهو محب للنواة لين، تحت التحكم المداري، فيهاجم حيث يكون المدار LUMO أكبر، والإضافة عكوسة، مما يحابي أيضًا ناتج 1،4 الأكثر استقرارًا.

تمرين 26.7 ★★

يعطي السيانيد مع الهكس-2-ين حلقي-1-ون، في درجة حرارة منخفضة ولأزمنة قصيرة، السيانوهيدرين؛ وفي درجة حرارة أعلى ولأزمنة أطول، 3-أوكسو هكسان حلقي-1-كربونتريل. فسّر بالتحكم الحركي والترموديناميكي.

حل

حل التمرين 26.7.

يهاجم السيانيد كربون الكربونيل الأكثر إيجابية أسرع: فالسيانوهيدرين هو الناتج الحركي. وتكوّنه عكوس؛ ففي درجة الحرارة الأعلى، ومع الوقت، يتحرر السيانيد ويُضاف من جديد عند الكربون $\beta$ ، معطيًا الناتج الذي يحتفظ برابطة $\pi$ الأقوى في $\ce{C=O}$ ، وهو الناتج الترموديناميكي.

تمرين 26.8 ★★

أعطِ ناتج الإلحاق الحلقي لروبنسون للمركب 2-ميثيل هكسان حلقي-1،3-ديون مع البوت-3-ين-2-ون، ثم ناتج الهكسانون الحلقي مع البوت-3-ين-2-ون.

حل

حل التمرين 26.8.

مع 2-ميثيل هكسان حلقي-1،3-ديون: كيتون فيلاند–ميشر (شكل الإلحاق الحلقي لروبنسون). ومع الهكسانون الحلقي: 4،4a،5،6،7،8-سداسي هيدرونفثالين-2(3H)-ون، وهو إينون ثنائي الحلقة تنتهي رابطته $\ce{C=C}$ عند كربون التحام الحلقتين، بلا مجموعة ميثيل زاوية.

تمرين 26.9 ★★

فكّك الهبتان-2،6-ديون إلى مانح مايكل ومستقبل مايكل، واقترح الظروف.

حل

حل التمرين 26.9.

$\ce{CH3COCH2CH2CH2COCH3}$ : C2 وC6 هما الكربونيلان، وبينهما خمس ذرات كربون من C2 إلى C6 مع احتسابهما، فهو ثنائي كيتون-1،5. اقطع C3–C4: المانح أيون إينولات البروبانون عند C3 (والأفضل 3-أوكسوبيوتانوات الإيثيل، الذي تُزال مجموعة الإستر فيه لاحقًا بالحلمهة ونزع الكربوكسيل)؛ والمستقبل البوت-3-ين-2-ون. والظروف: 3-أوكسوبيوتانوات الإيثيل، والبوت-3-ين-2-ون، وإيثوكسيد الصوديوم بكمية حفزية في الإيثانول؛ ثم حمض مائي وتسخين.

تمرين 26.10 ★★★

الإضافة الألدولية البسيطة تنعكس بسهولة في القاعدة؛ أما ناتج إضافة مايكل لبروبانديوات ثنائي الإيثيل والبوت-3-ين-2-ون فلا. فسّر بالروابط المتكوّنة والمنكسرة وبحموضة الناتج.

حل

حل التمرين 26.10.

يكوّن الألدول رابطة $\ce{C-C}$ لكنه يحوّل رابطة $\pi$ في $\ce{C=O}$ إلى رابطة $\sigma$ في $\ce{C-O}$ ؛ والحصيلة صغيرة وجزيئان يصيران جزيئًا واحدًا، فيكون $K$ متواضعًا والألدول العكسي سهلًا. أما إضافة مايكل فتكوّن رابطة $\ce{C-C}$ على حساب رابطة $\pi$ أضعف في $\ce{C=C}$ وتحتفظ بكلتا رابطتي $\ce{C=O}$ : فهي مواتية بوضوح. ويتطلب التفاعل العكسي أن يطرد أيون إينولات الكيتون أنيون البروبانديوات المثبت؛ ويقع التوازن بعيدًا جدًا في جهة الناتج بحيث يبقى الناتج قائمًا مع قاعدة حفزية.

تمرين 26.11 ★★★

يعطي بروبانديوات ثنائي الإيثيل مع مكافئين من بروبينوات الميثيل وقاعدة حفزية ناتجًا لا تبقى فيه أي رابطة $\ce{C-H}$ بين مجموعتي الإستر. ارسمه وفسّر.

حل

حل التمرين 26.11.

$\ce{C(COOEt)2(CH2CH2COOCH3)2}$ . بعد إضافة مايكل الأولى يبقى للكربون المركزي هيدروجين واحد بين مجموعتي إستر، حمضي كما كان: فتنزعه القاعدة وتتبع ذلك إضافة ثانية.

تمرين 26.12 ★★★

يمكن أن يتفاعل 2-ميثيل هكسانون حلقي والبوت-3-ين-2-ون في إلحاق حلقي لروبنسون عبر أي من أيوني الإينولات. ارسم الناتجين وقل أي الظروف تحابي الناتج الذي تقع فيه مجموعة الميثيل على كربون التحام الحلقتين.

حل

حل التمرين 26.12.

عبر أيون الإينولات الأكثر استبدالًا (نحو الكربون الحامل للميثيل): الأوكتالون الذي تقع فيه مجموعة الميثيل على كربون الالتحام، 4a-ميثيل-4،4a،5،6،7،8-سداسي هيدرونفثالين-2(3H)-ون. وعبر أيون الإينولات الأقل استبدالًا (من جهة $\ce{CH2}$ ): تنتهي مجموعة الميثيل على كربون حلقي مجاور للالتحام. ويُفضَّل الأول في الظروف التي تسمح بالتوازن (ألكوكسيد في كحوله، أو طريق الإينامين بأمين ثانوي وحمض)، التي تعطي أيون الإينولات الترموديناميكي الأكثر استبدالًا (القضية 25.6).

26.7 مسألة: كيتون فيلاند–ميشر

مسألة 26.1

مسألة نهاية الأسبوع — المانح الحمضي، وناتج إضافة مايكل، والألدول الداخلي الجزيء ونزع الماء منه، والمركز الفراغي والموازنة الكتلية لتحضير

التحضير (معطيات تمرين): يتفاعل $10.0\,\mathrm{g}$ من 2-ميثيل هكسان حلقي-1،3-ديون مع فائض طفيف من البوت-3-ين-2-ون وقاعدة حفزية (إضافة مايكل)؛ ثم يُحلقن ثلاثي الكيتون بأمين ثانوي وحمض (ألدول، ونزع الماء). المردود الإجمالي: 70 %. وللمركب الأم هكسان حلقي-1،3-ديون $\mathrm pK_a = 5.3$ في الماء. والكتل المولية ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): C 12.011، H 1.008، O 15.999.

الجزء الأول — المانح.

ارسم 2-ميثيل هكسان حلقي-1،3-ديون وعلّم أكثر هيدروجيناته حموضة.
لماذا يكون ذلك الهيدروجين أكثر حموضة بكثير من هيدروجينات $\alpha$ في الهكسانون الحلقي؟
ارسم بنى الرنين الثلاث لأيون إينولاته.
هل الهيدروكسيد أو الإيثوكسيد قوي بما يكفي لتكوين أيون الإينولات هذا كليًا؟ استعمل قيمة $\mathrm pK_a$ .
اكتب إينول الديون الذي يشمل C2، وقل لماذا لا تمنعه مجموعة الميثيل على C2 من ذلك.
هل أيون الإينولات هذا قاسٍ أم لين؟ وأي موقع من البوت-3-ين-2-ون سيهاجم؟

الجزء الثاني — ناتج إضافة مايكل.

اكتب إضافة مايكل وسمِّ ثلاثي الكيتون المتكوّن.
لماذا لا تلزم إلا كمية حفزية من القاعدة؟
لماذا تتكوّن الرابطة الجديدة عند C2 في الديون لا عند أكسجينه؟
كم ذرة كربون رباعية في ثلاثي الكيتون؟
حدّد علاقة 1،5-ثنائي الكربونيل في ثلاثي الكيتون.
لماذا يُستعمل فائض طفيف من البوت-3-ين-2-ون، ولماذا طفيف فقط؟

الجزء الثالث — غلق الحلقة.

عدّد كربونات ثلاثي الكيتون التي تحمل هيدروجينات $\alpha$ .
أي أيون إينولات، مهاجمًا أي كربونيل، يغلق حلقة سداسية؟
ما عمليات غلق الحلقة الأخرى التي يمكن أن تُجرَّب، ولماذا لا تعطي الناتج؟
اكتب الألدول المتكوّن ونزع الماء الذي يليه.
لماذا يكون نزع الماء سهلًا؟
سمِّ المجموعات الوظيفية في كيتون فيلاند–ميشر.

الجزء الرابع — الكيمياء الفراغية والموازنة الكتلية.

أي كربون في الناتج مركز فراغي؟
هل ناتج هذا التحضير نشط ضوئيًا؟ فسّر.
احسب الكتل المولية للديون، وللبوت-3-ين-2-ون وللناتج $\ce{C11H14O2}$ .
اكتب المعادلة الإجمالية وتحقق منها بالصيغ.
احسب كمية الديون المستعملة.
اذكر كتلة كيتون فيلاند–ميشر الناتجة بمردود إجمالي 70 %.

حل

حل المسألة 26.1.

1. حلقة هكسان حلقي فيها $\ce{C=O}$ عند C1 وC3 ومجموعة ميثيل على C2؛ والهيدروجين على C2 هو الأكثر حموضة. 2. نزعه يعطي أنيونًا تتوزع شحنته على C2 والأكسجينين كليهما؛ أما في الهكسانون الحلقي فلا يتقاسمها إلا أكسجين واحد، والحموضة أضعف من أن تُقاس في الماء. 3. الشحنة على C2؛ و $\ce{C1=C2}$ مع $\ce{O^-}$ على C1؛ و $\ce{C2=C3}$ مع $\ce{O^-}$ على C3. 4. نعم: مع الهيدروكسيد، $K = 10^{14.0 - 5.3} = 10^{8.7}$ (الماء بوصفه الحمض المرافق، من $K_e$ )؛ ومع الإيثوكسيد، $10^{15.9-5.3} = 10^{10.6}$ . وكلاهما تام.

5. $\ce{C1(OH)=C2(CH3)}$ : ما زال C2 يحمل هيدروجينًا واحدًا، وهو كل ما يحتاج إليه الإينول؛ ومجموعة الميثيل لا تحل إلا محل الهيدروجين الثاني. 6. لين: فالشحنة موزعة على ثلاث ذرات والأنيون مثبت. ويهاجم الكربون $\beta$ (القضية 26.4). 7. يرتبط C2 في أيون الإينولات بطرف $\ce{CH2}$ في البوت-3-ين-2-ون؛ ويأخذ أيون الإينولات المتكوّن بروتونًا: 2-ميثيل-2-(3-أوكسوبيوتيل)هكسان حلقي-1،3-ديون. 8. كل أيون إينولات جديد يأخذ بروتونًا من جزيء ديون (أو من المذيب) فيجدد بذلك أيون إينولات المانح: فلا تُستهلك القاعدة. 9. أيون الإينولات ثنائي الموقع؛ ومع محب للإلكترونات كربوني لين، تحت التحكم المداري، يتفاعل عند الكربون، وناتج $\ce{C-C}$ يحتفظ برابطتي $\ce{C=O}$ ، وهي التوليفة الأقوى؛ وناتج $\ce{O}$ ، إن تكوّن، ينعكس. 10. واحدة: C2، المرتبطة بكل من C1 وC3 والميثيل والسلسلة. 11. كربون كربونيل السلسلة وكربونيل الحلقة C1 (أو C3): $\ce{C(=O)}$ – $\ce{CH2}$ – $\ce{CH2}$ –C2–C1، خمس ذرات كربون مع احتساب الطرفين. 12. لاستهلاك كل الديون، وهو الكاشف الأثمن؛ وطفيف فقط، لأن البوت-3-ين-2-ون شديد السمية ويتبلمر. 13. C4 وC6 في الحلقة (المجاوران للكربونين C3 وC1)، و $\ce{CH2}$ في السلسلة المجاور لكربونيلها، و $\ce{CH3}$ الطرفي في السلسلة. أما C2 فلا هيدروجين له. 14. أيون إينولات $\ce{CH3}$ الطرفي يهاجم كربونيلًا حلقيًا: فتضم الحلقة المغلقة ذلك الكربون، وكربون كربونيل السلسلة، و $\ce{CH2}$ الاثنين، وC2 وكربون الكربونيل المهاجَم: ست ذرات. 15. أيون إينولات $\ce{CH2}$ الداخلي في السلسلة كان سيغلق حلقة رباعية متوترة. وأيون إينولات حلقي (C4 أو C6) يهاجم كربونيل السلسلة يغلق حلقة سداسية أيضًا، لكنها جسرية: وذلك الألدول لا يستطيع نزع الماء (إذ ستقع الرابطة المزدوجة عند رأس جسر نظام ثنائي الحلقة صغير) فينعكس، بينما يُستنزف الألدول الملتحم بنزع الماء. 16. يحمل الألدول $\ce{OH}$ على كربون كربونيل الحلقة السابق، الذي صار الآن عند التحام الحلقتين؛ وفقد الماء مع هيدروجين من كربون $\ce{CH3}$ السابق (الذي صار في الموضع $\alpha$ بالنسبة إلى كيتون السلسلة) يعطي $\ce{C=C}$ مترافقة مع ذلك الكيتون. 17. الرابطة المزدوجة الجديدة مترافقة مع الكربونيل: حذف E1cB عبر أيون الإينولات، يحابيه التسخين (القضية 25.11). 18. كيتون مشبع وكيتون $\alpha,\beta$ -غير مشبع (هكسينون حلقي). 19. كربون التحام الحلقتين الحامل لمجموعة الميثيل: له أربعة بدائل مختلفة. 20. لا: فالديون لاكيرالي، ويُهاجَم كربونيلاه بالتساوي (فهما صورتان مرآويتان أحدهما للآخر بالنسبة إلى السلسلة)؛ ومع كواشف لاكيرالية يكون الناتج راسيميًا. والحفازات الأمينية الكيرالية تحابي أحد الكربونيلين وتعطي أحد المتماكبين المرآويين بفائض (مجلد السنة الثالثة). 21. الديون $\ce{C7H10O2}$ : $126.155\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ؛ $\ce{C4H6O}$ : $70.091\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ؛ $\ce{C11H14O2}$ : $178.231\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . 22. $\ce{C7H10O2 + C4H6O -> C11H14O2 + H2O}$ : C 11، وH 16، وO 3 في كل طرف. 23. $10.0/126.155 = 0.079\,27\,\mathrm{mol} = 79.3\,\mathrm{mmol}$ . 24. $0.07927 \times 178.231 \times 0.70 = \boldsymbol{\approx 9.89\,\mathrm{g}}$ من كيتون فيلاند–ميشر.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (852) في المسرد