Kimia Universitas — Tahun 2 · Bachelor Year 2

26Karbonil Terkonjugasi: Michael dan Robinson

Keempat cincin sebuah hormon steroid mula-mula dirakit satu cincin demi satu cincin, dan satu urutan reaksi menjadi cara baku untuk menambahkan sebuah cincin: urutan itu membangun satu cincin beranggota enam yang utuh, termasuk ketonnya, dari sebuah keton dan sebuah keton tak jenuh yang kecil. Cara itu berhasil karena gugus karbonil yang terkonjugasi dengan ikatan rangkap $\ce{C=C}$ meneruskan sifat elektrofiliknya ke ujung jauh ikatan rangkap itu. Bab ini membahas ujung jauh itu: nukleofil mana yang menyerangnya, mengapa, dan apa yang dapat dibangun dengannya.

Yang sudah kamu ketahui

Bab 25: enolat, kondensasi aldol. Bab 17: kendali muatan dan kendali orbital, pereaksi keras dan lunak. Bab 16: orbital Hückel dan muatan $\pi$ . Jilid Tahun 1: pereaksi Grignard dan hidrida, kendali kinetik dan termodinamik, sistem terkonjugasi.

26.1 Dua situs elektrofilik

Definisi 26.1 (Senyawa karbonil $\alpha,\beta$ -tak jenuh)

Sebuah senyawa karbonil $\alpha,\beta$ -tak jenuh mempunyai ikatan rangkap $\ce{C=C}$ di antara karbon $\alpha$ dan $\beta$ sebuah senyawa karbonil, yang terkonjugasi dengan $\ce{C=O}$ : enon (keton), enal (aldehida), ester atau nitril tak jenuh. Yang paling sederhana adalah propenal $\ce{CH2=CHCHO}$ dan but-3-en-2-on $\ce{CH2=CHCOCH3}$ (metil vinil keton).

Propenal. Atas: ketiga struktur resonansinya; dua yang terakhir menempatkan muatan positif pada karbon karbonil dan pada karbon . Bawah: model Hückel pada (_ O = +, _ CO =; sebuah model). Muatan positif terbesar terletak pada karbon karbonil (+0.33, dibandingkan dengan +0.23 pada karbon ); koefisien LUMO terbesar terletak pada karbon (0.66, dibandingkan dengan -0.58). — Propenal. Atas: ketiga struktur resonansinya; dua yang terakhir menempatkan muatan positif pada karbon karbonil dan pada karbon $\beta$ . Bawah: model Hückel pada Bab 17 ( $\alpha_{\ce{O}} = \alpha + \beta$ , $\beta_{\ce{CO}} = \beta$ ; sebuah model). Muatan positif terbesar terletak pada karbon karbonil (+0.33, dibandingkan dengan +0.23 pada karbon $\beta$ ); koefisien LUMO terbesar terletak pada karbon $\beta$ (0.66, dibandingkan dengan $-0.58$ ).

Proposisi 26.2 (Dua situs)

Dalam senyawa karbonil $\alpha,\beta$ -tak jenuh, karbon karbonil dan karbon $\beta$ sama-sama elektrofilik. Karbon karbonil membawa muatan positif yang lebih besar; karbon $\beta$ membawa koefisien yang lebih besar dalam LUMO.

Argumen. Struktur-struktur resonansi menempatkan muatan positif pada karbon karbonil dan, melalui $\ce{C=C}$ , pada karbon $\beta$ ; karbon $\alpha$ tidak pernah positif. Model Hückel propenal membuat hal ini kuantitatif: menjumlahkan $2c^2$ pada kedua orbital $\pi$ yang terisi menghasilkan muatan $\pi$ (Definisi 16.6) $+0.33$ pada karbon karbonil, $+0.23$ pada karbon $\beta$ , $-0.03$ pada karbon $\alpha$ , dan $-0.53$ pada oksigen. LUMO, orbital yang menerima elektron-elektron nukleofil, paling besar pada karbon $\beta$ . Dengan demikian, kedua situs itu menanggapi kedua jenis kendali pada Definisi 17.5. ∎

26.2 Adisi-1,2 atau adisi konjugat

Definisi 26.3 (Cara adisi)

Nukleofil yang beradisi pada karbon karbonil sebuah senyawa karbonil $\alpha,\beta$ -tak jenuh menghasilkan adisi-1,2 (dihitung dari oksigen): sebuah alkoksida alilik, lalu alkohol. Nukleofil yang beradisi pada karbon $\beta$ menghasilkan adisi konjugat (atau adisi-1,4): sebuah enolat, yang terprotonasi pada karbon dan menghasilkan senyawa karbonil jenuh yang tersubstitusi pada karbon $\beta$ .

Sikloheks-2-en-1-on dengan dua nukleofil metil. Metillitium, sebuah nukleofil keras, beradisi pada karbon karbonil: 1-metilsikloheks-2-en-1-ol (adisi-1,2). Litium dimetilkuprat, sebuah nukleofil lunak, beradisi pada karbon : 3-metilsikloheksanon (adisi konjugat). — Sikloheks-2-en-1-on dengan dua nukleofil metil. Metillitium, sebuah nukleofil keras, beradisi pada karbon karbonil: 1-metilsikloheks-2-en-1-ol (adisi-1,2). Litium dimetilkuprat, sebuah nukleofil lunak, beradisi pada karbon $\beta$ : 3-metilsikloheksanon (adisi konjugat).

Proposisi 26.4 (Situs yang mana)

Nukleofil keras (organolitium, sebagian besar pereaksi Grignard, $\ce{LiAlH4}$ ) terutama beradisi 1,2, di bawah kendali muatan, biasanya secara ireversibel. Nukleofil lunak (organokuprat, enolat terstabilkan, tiolat, amina) terutama beradisi 1,4, di bawah kendali orbital; adduk konjugat, yang mempertahankan ikatan $\ce{C=O}$ , juga merupakan produk yang lebih stabil.

Argumen. Nukleofil keras, yang kecil dan bermuatan, berinteraksi terutama melalui muatan: nukleofil itu menuju pusat yang paling positif, yaitu karbon karbonil (Proposisi 26.2); adisinya cepat dan tidak berbalik, sehingga produk-1,2, yang terbentuk lebih cepat, bertahan (kendali kinetik). Nukleofil lunak, yang besar dan mudah terpolarisasi, dengan HOMO yang tinggi, berinteraksi terutama melalui orbital-orbital perbatasan: nukleofil itu menuju tempat LUMO paling besar, yaitu karbon $\beta$ . Produk-1,4 mempertahankan ikatan $\pi$ $\ce{C=O}$ , yang lebih kuat daripada ikatan $\pi$ $\ce{C=C}$ yang dipertahankan oleh produk-1,2; jika adisi-adisinya reversibel (sianida, amina, enolat terstabilkan, alkoksida), kesetimbangan karena itu bergeser ke adduk konjugat bahkan ketika adduk-1,2 terbentuk lebih dahulu (kendali termodinamik). ∎

Metode 26.5 (Meramalkan cara adisi)

Golongkan nukleofilnya: keras ( $\ce{RLi}$ , $\ce{RMgX}$ , $\ce{LiAlH4}$ , $\ce{NaBH4}$ dengan aldehida) atau lunak ( $\ce{R2CuLi}$ , enolat 1,3-dikarbonil, $\ce{RS-}$ , $\ce{R2NH}$ , sianida pada kesetimbangan).
Periksalah reversibilitasnya: adisi keras yang ireversibel menghasilkan produk-1,2; adisi yang reversibel, jika diberi waktu, menghasilkan produk-1,4.
Periksalah halangannya: karbon $\beta$ yang tersubstitusi memperlambat adisi-1,4; aldehida, yang kurang terhalang dan lebih reaktif pada karbonilnya daripada keton, lebih menyukai 1,2.
Tuliskan enolat yang terbentuk oleh adisi-1,4: enolat itu dapat diprotonasi, atau ditangkap oleh sebuah elektrofil.

26.3 Adisi Michael

Definisi 26.6 (Adisi Michael)

Yang disebut adisi Michael adalah adisi konjugat sebuah karbanion terstabilkan, biasanya enolat, pada senyawa karbonil $\alpha,\beta$ -tak jenuh atau alkena miskin elektron yang serupa. Nukleofilnya adalah donor Michael (senyawa 1,3-dikarbonil, nitroalkana, sianoester); senyawa tak jenuhnya adalah akseptor Michael (enon, enal, ester tak jenuh, nitril tak jenuh, atau senyawa nitro tak jenuh).

Adisi Michael dietil propanadioat pada but-3-en-2-on. Etoksida membentuk enolat yang terstabilkan; enolat itu beradisi pada karbon ; enolat yang terbentuk mengambil proton dari etanol, yang meregenerasi etoksida. Produknya, dietil (3-oksobutil)propanadioat, adalah senyawa 1,5-dikarbonil. — Adisi Michael dietil propanadioat pada but-3-en-2-on. Etoksida membentuk enolat yang terstabilkan; enolat itu beradisi pada karbon $\beta$ ; enolat yang terbentuk mengambil proton dari etanol, yang meregenerasi etoksida. Produknya, dietil (3-oksobutil)propanadioat, adalah senyawa 1,5-dikarbonil.

Proposisi 26.7 (Mekanisme Michael)

Adisi Michael berlangsung dalam tiga tahap (deprotonasi donor, adisi konjugat, protonasi enolat yang baru), dan basanya diregenerasi pada tahap terakhir: jumlah katalitik sudah cukup.

Argumen. Hidrogen $\alpha$ donor, yang terletak di antara dua karbonil, bersifat asam: $\mathrm pK_a$ sekitar 13 untuk dietil propanadioat, 10.7 untuk etil 3-oksobutanoat. Etoksida (etanol, 15.9) melepaskannya dalam jumlah besar, yang lebih dari cukup. Enolat yang terstabilkan dan lunak itu beradisi 1,4 (Proposisi 26.4). Enolat yang terbentuk adalah basa yang lebih kuat daripada enolat donor (enolat itu distabilkan oleh satu karbonil, bukan dua), sehingga mengambil proton dari pelarut dan mengembalikan satu etoksida untuk setiap etoksida yang terpakai. Reaksi keseluruhannya membentuk ikatan $\sigma$ $\ce{C-C}$ dari ikatan $\pi$ $\ce{C=C}$ : reaksi itu menguntungkan, dan dengan donor yang terstabilkan adduknya tidak berbalik. ∎

Adduk Michael dengan keton di sisi donor dan keton di sisi akseptor adalah senyawa 1,5-dikarbonil: kedua karbonil berjarak lima karbon, termasuk kedua karbon karbonilnya. Pola itu adalah ciri khas adisi Michael, seperti senyawa $\beta$ -hidroksi karbonil menjadi ciri khas aldol (Metode 25.13).

26.4 Organokuprat

Definisi 26.8 (Organokuprat)

Yang disebut organokuprat $\ce{R2CuLi}$ adalah senyawa tembaga(I) yang membawa dua gugus organik, dibuat dari dua ekuivalen organolitium dan satu ekuivalen tembaga(I) halida:

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

Organokuprat (disebut juga pereaksi Gilman) dibuat dan dipakai dalam eter pada suhu rendah di bawah gas inert, seperti induk organolitiumnya. Tembaga kurang elektropositif daripada litium atau magnesium, sehingga ikatan $\ce{Cu-C}$ lebih kovalen dan karbonnya kurang bermuatan: gugus metil sebuah kuprat adalah nukleofil lunak. Ada tiga kegunaannya.

Adisi konjugat gugus alkil atau aril pada enon, yang tidak dapat dilakukan dengan bersih oleh pereaksi Grignard dan organolitium; hanya satu dari kedua gugus $\ce{R}$ yang dipindahkan.
Penangkapan: enolat yang terbentuk oleh adisi konjugat dapat dialkilasi pada karbon $\alpha$ -nya, sehingga dua ikatan $\ce{C-C}$ baru terbentuk dalam satu operasi.
Substitusi halida: $\mathrm{R_2CuLi + R'Br \to R{-}R' + RCu + LiBr}$ , sebuah kopling yang akan dirusak oleh organolitium melalui eliminasi atau pertukaran.

26.5 Anulasi Robinson

Definisi 26.9 (Anulasi)

Yang disebut anulasi membangun cincin baru pada molekul yang sudah ada. Anulasi Robinson membangun sikloheks-2-en-1-on: adisi Michael enolat sebuah keton pada keton $\alpha,\beta$ -tak jenuh (biasanya but-3-en-2-on), diikuti oleh kondensasi aldol intramolekular 1,5-diketon yang terbentuk.

Anulasi Robinson yang menghasilkan keton Wieland–Miescher. Enolat 2-metilsikloheksana-1,3-dion beradisi pada but-3-en-2-on (Michael): sebuah triketon. Enolat dari metil keton pada rantai samping menyerang sebuah karbonil cincin (aldol intramolekular), sehingga menutup cincin beranggota enam; dehidrasi menghasilkan enon terkonjugasi. Gugus metil angular berada pada karbon yang dipakai bersama oleh kedua cincin, satu-satunya pusat stereogenik.

Proposisi 26.10 (Anulasi Robinson)

Keton dengan hidrogen $\alpha$ dan but-3-en-2-on, dalam basa, menghasilkan sikloheks-2-en-1-on dalam tiga tahap: adisi Michael, adisi aldol intramolekular yang membentuk cincin beranggota enam, dan dehidrasi. Cincin yang baru mengandung bekas karbon $\alpha$ keton dan karbon karbonilnya, serta keempat karbon but-3-en-2-on.

Bukti. Ikutilah atom-atomnya pada gambar. Karbon enolat keton (sebut saja C $_a$ ) berikatan dengan karbon $\beta$ but-3-en-2-on: rantai C $_a$ – $\ce{CH2}$ – $\ce{CH2}$ – $\ce{C(=O)}$ – $\ce{CH3}$ tergantung pada C $_a$ , dan C $_a$ masih terikat pada karbon karbonil keton C $_k$ . Dalam basa, metil keton rantai itu membentuk enolatnya pada $\ce{CH3}$ ujung, yang menyerang C $_k$ . Cincin yang tertutup terdiri atas C $_k$ , C $_a$ , kedua $\ce{CH2}$ , karbon karbonil rantai samping, dan bekas karbon metil: enam atom, ukuran cincin yang bebas tegangan, itulah sebabnya enolat ini, di antara enolat-enolat yang mungkin, menghasilkan produk yang stabil (serangan oleh enolat $\ce{CH2}$ bagian dalam rantai akan menutup cincin beranggota empat). Aldolnya mempunyai $\ce{OH}$ pada C $_k$ , $\beta$ terhadap karbonil rantai; dehidrasi menempatkan $\ce{C=C}$ di antara C $_k$ dan bekas karbon metil, terkonjugasi dengan karbonil: sebuah sikloheks-2-en-1-on. ∎

Metode 26.11 (Memutus sebuah sikloheksenon)

Temukan sikloheks-2-en-1-on dalam target; beri nomor karbon karbonilnya C1, ikatan rangkapnya C2=C3, dan cincinnya terus sampai C6.
Batalkan dehidrasinya: sebuah $\ce{OH}$ pada C3, sebuah $\ce{C-H}$ pada C2.
Batalkan aldolnya: potong C2–C3. C3 menjadi karbonil keton, C2 menjadi gugus metil sebuah metil keton: sebuah 1,5-diketon.
Batalkan adisi Michael-nya: potong ikatan antara C4 (karbon $\alpha$ keton C3) dan C5. Donornya adalah keton itu; akseptornya adalah enon C5=C6–C1(=O)–C2, yang merupakan but-3-en-2-on jika C5, C6, dan C2 hanya membawa hidrogen.

Sejarah — Anulasi, 1935

Robert Robinson dan William Rapson menerbitkan urutan pembentuk cincin itu pada tahun 1935, dalam penelitian yang ditujukan pada sintesis steroid. Pencapaian utama Robinson adalah struktur dan sintesis alkaloid, yang membuatnya menerima Hadiah Nobel Kimia 1947. Pada tahun 1950 Peter Wieland dan Karl Miescher membuat diketon bisiklik pada soal bab ini, yang menjadi titik awal yang lazim bagi sintesis steroid dan terpena. (Potret: pembuat tidak diketahui, domain publik; Wikimedia Commons.)

Keselamatan

But-3-en-2-on mudah terbakar, sangat beracun, korosif, dan berbahaya bagi lingkungan akuatik, serta merupakan lakrimator yang kuat; senyawa ini hanya ditangani di dalam lemari asam. Sikloheks-2-en-1-on mudah terbakar dan beracun. Organolitium, pereaksi Grignard, dan kuprat bereaksi hebat dengan air dan ditangani di bawah gas inert.

26.6 Latihan

Latihan 26.1 ★

Ramalkan adisi-1,2 atau adisi-1,4 pada sikloheks-2-en-1-on untuk: $\ce{CH3MgBr}$ ; $\ce{(CH3)2CuLi}$ ; $\ce{C6H5SH}$ dengan sedikit basa; $\ce{LiAlH4}$ .

Solusi

Solusi Latihan 26.1.

$\ce{CH3MgBr}$ : terutama 1,2 (keras, ireversibel), 1-metilsikloheks-2-en-1-ol.
$\ce{(CH3)2CuLi}$ : 1,4, 3-metilsikloheksanon.
Tiofenol dengan basa: 1,4 (tiolat bersifat lunak), 3-(fenilsulfanil)sikloheksanon.
$\ce{LiAlH4}$ : 1,2, sikloheks-2-en-1-ol.

Latihan 26.2 ★

Golongkan sebagai donor Michael atau akseptor Michael: pentana-2,4-dion, propenanitril $\ce{CH2=CHCN}$ , nitrometana, metil propenoat, dietil propanadioat, but-3-en-2-on.

Solusi

Solusi Latihan 26.2.

Donor: pentana-2,4-dion, nitrometana, dietil propanadioat ( $\ce{C-H}$ yang asam). Akseptor: propenanitril, metil propenoat, but-3-en-2-on ( $\ce{C=C}$ yang terkonjugasi dengan gugus akseptor).

Latihan 26.3 ★

Tuliskan pembuatan litium dibutilkuprat dari 1-bromobutana, litium, dan tembaga(I) iodida.

Solusi

Solusi Latihan 26.3.

$\ce{C4H9Br + 2Li -> C4H9Li + LiBr}$ , lalu $\ce{2C4H9Li + CuI -> (C4H9)2CuLi + LiI}$ , dalam eter pada suhu rendah di bawah gas inert.

Latihan 26.4 ★

Tuliskan produk dietil propanadioat dengan but-3-en-2-on dan natrium etoksida dalam jumlah katalitik, lalu produknya setelah hidrolisis dan pemanasan.

Solusi

Solusi Latihan 26.4.

Dietil (3-oksobutil)propanadioat, $\ce{(EtOOC)2CHCH2CH2COCH3}$ . Hidrolisis menghasilkan asam propanadioat tersubstitusi, yang melepaskan $\ce{CO2}$ pada pemanasan (Proposisi 25.8): asam 5-oksoheksanoat, $\ce{HOOCCH2CH2CH2COCH3}$ .

Latihan 26.5 ★★

Usulkan pembuatan 3-metilsikloheksanon dari sikloheks-2-en-1-on, dan jelaskan mengapa metilmagnesium bromida merupakan pilihan yang buruk.

Solusi

Solusi Latihan 26.5.

Litium dimetilkuprat dalam eter pada suhu rendah, lalu pengolahan berair: adisi konjugat. Metilmagnesium bromida, yang lebih keras, terutama beradisi 1,2 dan menghasilkan 1-metilsikloheks-2-en-1-ol sebagai produk utama.

Latihan 26.6 ★★

Etanatiol beradisi pada but-3-en-2-on dengan sekelumit trietilamina. Tuliskan mekanismenya dan jelaskan mengapa tiolat beradisi 1,4.

Solusi

Solusi Latihan 26.6.

$\ce{Et3N}$ melepaskan proton dari sedikit $\ce{EtSH}$ sehingga terbentuk $\ce{EtS-}$ ; tiolat itu beradisi pada karbon $\beta$ , enolat yang terbentuk mengambil proton dari $\ce{EtSH}$ lain, yang meregenerasi $\ce{EtS-}$ . Produk: 4-(etilsulfanil)butan-2-on. Belerang berukuran besar dan mudah terpolarisasi, dengan pasangan elektron bebas berenergi tinggi: sebuah nukleofil lunak, di bawah kendali orbital, sehingga menyerang di tempat LUMO paling besar, dan adisinya reversibel, yang juga mendukung adduk-1,4 yang lebih stabil.

Latihan 26.7 ★★

Sianida dengan sikloheks-2-en-1-on menghasilkan, pada suhu rendah dan waktu singkat, sianohidrin; pada suhu lebih tinggi dan waktu lebih lama, 3-oksosikloheksana-1-karbonitril. Jelaskan dengan kendali kinetik dan termodinamik.

Solusi

Solusi Latihan 26.7.

Sianida menyerang karbon karbonil yang lebih positif dengan lebih cepat: sianohidrin adalah produk kinetik. Pembentukannya reversibel; pada suhu yang lebih tinggi, jika diberi waktu, sianida dilepaskan dan beradisi kembali pada karbon $\beta$ , sehingga terbentuk adduk yang mempertahankan ikatan $\pi$ $\ce{C=O}$ yang lebih kuat, yaitu produk termodinamik.

Latihan 26.8 ★★

Tuliskan produk anulasi Robinson 2-metilsikloheksana-1,3-dion dengan but-3-en-2-on, lalu produk sikloheksanon dengan but-3-en-2-on.

Solusi

Solusi Latihan 26.8.

Dengan 2-metilsikloheksana-1,3-dion: keton Wieland–Miescher (gambar anulasi Robinson). Dengan sikloheksanon: 4,4a,5,6,7,8-heksahidronaftalen-2(3H)-on, sebuah enon bisiklik yang $\ce{C=C}$ -nya berakhir pada karbon fusi cincin, tanpa gugus metil angular.

Latihan 26.9 ★★

Putuskan heptana-2,6-dion menjadi donor Michael dan akseptor Michael, dan usulkan kondisinya.

Solusi

Solusi Latihan 26.9.

$\ce{CH3COCH2CH2CH2COCH3}$ : C2 dan C6 adalah karbonilnya, lima karbon dari C2 sampai C6 jika keduanya ikut dihitung, sebuah 1,5-diketon. Potong C3–C4: donornya enolat propanon pada C3 (lebih baik etil 3-oksobutanoat, yang esternya disingkirkan kemudian melalui hidrolisis dan dekarboksilasi); akseptornya but-3-en-2-on. Kondisi: etil 3-oksobutanoat, but-3-en-2-on, natrium etoksida katalitik dalam etanol; lalu asam berair dan pemanasan.

Latihan 26.10 ★★★

Adisi aldol sederhana mudah berbalik dalam basa; adduk Michael dietil propanadioat dan but-3-en-2-on tidak. Jelaskan dengan ikatan-ikatan yang terbentuk dan terputus serta dengan keasaman produknya.

Solusi

Solusi Latihan 26.10.

Aldol membentuk ikatan $\ce{C-C}$ tetapi mengubah ikatan $\pi$ $\ce{C=O}$ menjadi ikatan $\sigma$ $\ce{C-O}$ ; neraca energinya kecil dan dua molekul menjadi satu, sehingga $K$ sedang saja dan retro-aldol mudah terjadi. Adisi Michael membentuk ikatan $\ce{C-C}$ dengan mengorbankan ikatan $\pi$ $\ce{C=C}$ yang lebih lemah dan mempertahankan kedua $\ce{C=O}$ : adisi itu jelas menguntungkan. Reaksi baliknya akan memerlukan enolat keton untuk mengusir anion propanadioat yang terstabilkan; kesetimbangannya terletak begitu jauh di sisi adduk sehingga dengan basa katalitik adduk itu bertahan.

Latihan 26.11 ★★★

Dietil propanadioat dengan dua ekuivalen metil propenoat dan basa katalitik menghasilkan produk yang tidak lagi mempunyai $\ce{C-H}$ di antara kedua gugus esternya. Gambarlah produk itu dan jelaskan.

Solusi

Solusi Latihan 26.11.

$\ce{C(COOEt)2(CH2CH2COOCH3)2}$ . Setelah adisi Michael pertama, karbon pusatnya masih mempunyai satu hidrogen di antara dua ester, yang sama asamnya seperti sebelumnya: basa melepaskannya dan adisi kedua menyusul.

Latihan 26.12 ★★★

2-Metilsikloheksanon dan but-3-en-2-on dalam anulasi Robinson dapat bereaksi melalui salah satu dari kedua enolat. Gambarlah kedua produknya dan nyatakan kondisi mana yang lebih menghasilkan produk dengan gugus metil pada karbon fusi cincin.

Solusi

Solusi Latihan 26.12.

Melalui enolat yang lebih tersubstitusi (ke arah karbon yang membawa metil): oktalon dengan gugus metil pada karbon fusi cincin, 4a-metil-4,4a,5,6,7,8-heksahidronaftalen-2(3H)-on. Melalui enolat yang kurang tersubstitusi (pada sisi $\ce{CH2}$ ): gugus metil berakhir pada karbon cincin di sebelah fusi. Produk pertama lebih disukai dalam kondisi yang menyeimbangkan (alkoksida dalam alkoholnya, atau jalur enamina dengan amina sekunder dan asam), yang menghasilkan enolat termodinamik yang lebih tersubstitusi (Proposisi 25.6).

26.7 Soal: Keton Wieland–Miescher

Soal 26.1

Soal akhir pekan — donor yang asam, adduk Michael, aldol intramolekular dan dehidrasinya, pusat stereogenik, dan neraca massa sebuah preparasi

Preparasi (data latihan): $10.0\,\mathrm{g}$ 2-metilsikloheksana-1,3-dion direaksikan dengan sedikit kelebihan but-3-en-2-on dan basa katalitik (adisi Michael); triketonnya lalu disiklisasi dengan amina sekunder dan sebuah asam (aldol, dehidrasi). Rendemen keseluruhan: 70 %. Senyawa induk sikloheksana-1,3-dion mempunyai $\mathrm pK_a = 5.3$ dalam air. Massa molar ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): C 12.011, H 1.008, O 15.999.

Bagian I — Donor.

Gambarlah 2-metilsikloheksana-1,3-dion dan tandailah hidrogennya yang paling asam.
Mengapa hidrogen itu jauh lebih asam daripada hidrogen-hidrogen $\alpha$ sikloheksanon?
Gambarlah ketiga struktur resonansi enolatnya.
Apakah hidroksida atau etoksida cukup kuat untuk membentuk enolat ini secara lengkap? Gunakan $\mathrm pK_a$ .
Tuliskan enol dion itu yang melibatkan C2, dan jelaskan mengapa gugus metil pada C2 tidak mencegahnya.
Apakah enolat ini keras atau lunak? Situs but-3-en-2-on manakah yang akan diserangnya?

Bagian II — Adduk Michael.

Tuliskan adisi Michael-nya dan namailah triketon yang terbentuk.
Mengapa hanya diperlukan basa dalam jumlah katalitik?
Mengapa ikatan baru terbentuk pada C2 dion alih-alih pada oksigennya?
Berapa karbon kuaterner yang dimiliki triketon itu?
Kenalilah hubungan 1,5-dikarbonil dalam triketon itu.
Mengapa dipakai sedikit kelebihan but-3-en-2-on, dan mengapa hanya sedikit?

Bagian III — Penutupan cincin.

Daftarlah karbon-karbon triketon yang membawa hidrogen $\alpha$ .
Enolat manakah, yang menyerang karbonil mana, yang menutup cincin beranggota enam?
Penutupan cincin lain apa yang dapat dicoba, dan mengapa penutupan itu tidak menghasilkan produk?
Tuliskan aldol yang terbentuk dan dehidrasi yang menyusulnya.
Mengapa dehidrasinya mudah?
Sebutkan gugus-gugus fungsi keton Wieland–Miescher.

Bagian IV — Stereokimia dan neraca massa.

Karbon manakah dalam produk yang merupakan pusat stereogenik?
Apakah produk preparasi ini aktif secara optik? Jelaskan.
Hitunglah massa molar dion, but-3-en-2-on, dan produk $\ce{C11H14O2}$ .
Tuliskan persamaan keseluruhannya dan periksalah dengan rumus-rumusnya.
Hitunglah jumlah dion yang dipakai.
Nyatakan massa keton Wieland–Miescher yang diperoleh pada rendemen keseluruhan 70 %.

Solusi

Solusi Soal 26.1.

1. Cincin sikloheksana dengan $\ce{C=O}$ pada C1 dan C3 dan gugus metil pada C2; hidrogen pada C2 adalah yang paling asam. 2. Pelepasannya menghasilkan anion yang muatannya terdelokalisasi pada C2 dan kedua oksigen; pada sikloheksanon hanya satu oksigen yang ikut memikulnya, dan keasamannya terlalu lemah untuk diukur dalam air. 3. Muatan pada C2; $\ce{C1=C2}$ dengan $\ce{O^-}$ pada C1; $\ce{C2=C3}$ dengan $\ce{O^-}$ pada C3. 4. Ya: dengan hidroksida, $K = 10^{14.0 - 5.3} = 10^{8.7}$ (air sebagai asam konjugasi, dari $K_e$ ); dengan etoksida, $10^{15.9-5.3} = 10^{10.6}$ . Keduanya tuntas.

5. $\ce{C1(OH)=C2(CH3)}$ : C2 masih membawa satu hidrogen, dan hanya itulah yang diperlukan sebuah enol; gugus metil hanya menggantikan hidrogen kedua. 6. Lunak: muatannya tersebar pada tiga atom dan anionnya terstabilkan. Enolat itu menyerang karbon $\beta$ (Proposisi 26.4). 7. C2 enolat berikatan dengan ujung $\ce{CH2}$ but-3-en-2-on; enolat yang terbentuk mengambil sebuah proton: 2-metil-2-(3-oksobutil)sikloheksana-1,3-dion. 8. Setiap enolat baru mengambil proton dari sebuah molekul dion (atau dari pelarut) dan dengan demikian meregenerasi enolat donor: basanya tidak terpakai. 9. Enolat itu ambiden; dengan elektrofil karbon yang lunak, di bawah kendali orbital, enolat itu bereaksi pada karbon, dan adduk $\ce{C-C}$ mempertahankan dua ikatan $\ce{C=O}$ , kombinasi yang lebih kuat; adduk $\ce{O}$ , seandainya terbentuk, akan berbalik. 10. Satu: C2, yang terikat pada C1, C3, metil, dan rantai. 11. Karbon karbonil rantai dan karbonil cincin C1 (atau C3): $\ce{C(=O)}$ – $\ce{CH2}$ – $\ce{CH2}$ –C2–C1, lima karbon jika ujung-ujungnya ikut dihitung. 12. Untuk menghabiskan seluruh dion, pereaksi yang lebih berharga; hanya sedikit, karena but-3-en-2-on sangat beracun dan berpolimerisasi. 13. C4 dan C6 cincin (di sebelah C3 dan C1), $\ce{CH2}$ rantai di sebelah karbonilnya, dan $\ce{CH3}$ ujung rantai. C2 tidak mempunyai satu pun. 14. Enolat $\ce{CH3}$ ujung menyerang sebuah karbonil cincin: cincin yang tertutup terdiri atas karbon itu, karbon karbonil rantai, dua $\ce{CH2}$ , C2, dan karbon karbonil yang diserang: enam atom. 15. Enolat $\ce{CH2}$ bagian dalam rantai akan menutup cincin beranggota empat, yang tegang. Enolat cincin (C4 atau C6) yang menyerang karbonil rantai juga menutup cincin beranggota enam, tetapi berjembatan: aldol itu tidak dapat terdehidrasi (ikatan rangkapnya akan terletak pada kepala jembatan sistem bisiklik yang kecil) dan berbalik, sedangkan aldol yang terfusi terus dikuras oleh dehidrasi. 16. Aldol itu membawa $\ce{OH}$ pada bekas karbon karbonil cincin, yang kini berada pada fusi cincin; lepasnya air bersama sebuah hidrogen dari bekas karbon $\ce{CH3}$ (kini $\alpha$ terhadap keton rantai) menghasilkan $\ce{C=C}$ yang terkonjugasi dengan keton itu. 17. Ikatan rangkap yang baru terkonjugasi dengan karbonil: eliminasi E1cB melalui enolat, yang didukung oleh pemanasan (Proposisi 25.11). 18. Keton jenuh dan keton $\alpha,\beta$ -tak jenuh (sebuah sikloheksenon). 19. Karbon fusi cincin yang membawa gugus metil: empat substituen yang berbeda. 20. Tidak: dionnya akiral, dan kedua karbonilnya diserang secara sama (keduanya saling merupakan bayangan cermin terhadap rantai); dengan pereaksi akiral, produknya rasemat. Katalis amina kiral lebih menyukai satu karbonil dan menghasilkan satu enansiomer secara berlebih (jilid Tahun 3). 21. Dion $\ce{C7H10O2}$ : $126.155\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $\ce{C4H6O}$ : $70.091\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $\ce{C11H14O2}$ : $178.231\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . 22. $\ce{C7H10O2 + C4H6O -> C11H14O2 + H2O}$ : C 11, H 16, O 3 di setiap ruas. 23. $10.0/126.155 = 0.079\,27\,\mathrm{mol} = 79.3\,\mathrm{mmol}$ . 24. $0.07927 \times 178.231 \times 0.70 = \boldsymbol{\approx 9.89\,\mathrm{g}}$ keton Wieland–Miescher.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium