Kimia Universitas — Tahun 2 · Bachelor Year 2
27Reaksi Wittig dan Reaksi Pembentuk C=C Lainnya
Lalat rumah betina menarik lalat jantan dengan hidrokarbon berkarbon 23 yang membawa satu ikatan rangkap saja, di antara karbon 9 dan 10, dengan geometri (Z). Untuk membuatnya dalam jumlah banyak, seorang kimiawan harus menempatkan satu ikatan rangkap itu tepat di sana, dan dengan geometri itu: sebuah eliminasi akan menyebarkannya ke beberapa posisi dan menghasilkan kedua geometri. Bab ini membangun ikatan rangkap dengan cara lain, yaitu dengan menyambungkan dua potongan pada gugus karbonil, sehingga ikatan rangkap itu muncul di tempat semula.
Yang sudah kamu ketahui
Bab 25: kondensasi aldol. Bab 21: hidrogenasi alkuna menjadi alkena (Z) dengan katalis yang diracuni. Jilid Tahun 1: E1, E2, dan aturan Zaitsev, substitusi bimolekular, pereaksi Grignard dan pembalikan kepolaran, deskriptor (Z)/(E). Jilid sekolah: ekonomi atom.
27.1 Garam fosfonium dan ilida
Definisi 27.1 (Ilida fosfonium)
Sebuah garam fosfonium dibuat melalui substitusi bimolekular haloalkana oleh fosfina, biasanya trifenilfosfina . Melepaskan sebuah hidrogen dari karbon yang terikat pada fosfor menghasilkan ilida fosfonium, yaitu molekul netral dengan muatan-muatan berlawanan yang bersebelahan, , yang juga ditulis . Sebuah ilida terstabilkan membawa pada karbon itu gugus penarik elektron (ester, keton, nitril) yang mendelokalisasikan muatan negatifnya.
Proposisi 27.2 (Membuat ilida)
Garam fosfonium jauh lebih asam pada karbon di sebelah fosfor daripada alkana. Garam alkil fosfonium sederhana tetap memerlukan basa yang sangat kuat (butillitium, natrium hidrida, natrium amida) dalam kondisi kering dan inert; garam yang -nya juga membawa gugus karbonil dideprotonasi oleh basa lemah (natrium karbonat, natrium hidroksida), dan ilida terstabilkan yang terbentuk dapat diisolasi dan disimpan.
Argumen. Fosfor positif di sebelah karbanion menstabilkannya melalui muatannya dan melalui kemudahan terpolarisasinya atom fosfor yang besar: ilida sederhana adalah karbanion yang terstabilkan, tetapi kurang terstabilkan daripada enolat, karena itu diperlukan basa kuat. Karbonil yang bersebelahan menyebarkan muatan negatif ke oksigen, seperti pada enolat (Proposisi 25.4), selain pada fosfor: asam konjugasinya menjadi cukup asam untuk basa lemah, dan ilidanya, yang jauh kurang basa, tidak lagi bereaksi dengan air atau udara. ∎
27.2 Reaksi Wittig
Definisi 27.3 (Reaksi Wittig)
Yang disebut reaksi Wittig antara ilida fosfonium dan aldehida atau keton menghasilkan alkena dan trifenilfosfina oksida:
Reaksi ini melalui sebuah oksafosfetana, yaitu cincin beranggota empat yang terdiri atas fosfor, dua karbon, dan oksigen, yang terbentuk ketika karbon ilida berikatan dengan karbon karbonil sementara oksigen karbonil berikatan dengan fosfor.
Proposisi 27.4 (Ikatan rangkap tepat di tempatnya)
Dalam reaksi Wittig, ikatan yang baru menghubungkan bekas karbon karbonil dengan bekas karbon ilida, dan tidak di tempat lain.
Argumen. Satu-satunya ikatan yang terbentuk dan terputus adalah ikatan-ikatan cincin beranggota empat: karbon ilida dengan karbon karbonil, lalu ikatan dan . Tidak ada hidrogen yang berpindah dan tidak ada karbokation atau karbanion yang terbentuk di sepanjang rantai, sehingga ikatan rangkapnya tidak dapat bergeser. Sebaliknya, eliminasi memilih di antara hidrogen-hidrogen pada beberapa karbon tetangga (aturan Zaitsev), dan reaksi E1 dapat mengalami penataan ulang. ∎
Proposisi 27.5 (Gaya pendorong)
Pembentukan ikatan trifenilfosfina oksida membuat reaksi Wittig sangat menguntungkan dan ireversibel.
Argumen. Reaksi ini menukar satu ikatan dan satu ikatan (dalam ilida, sebagian besar merupakan ikatan tunggal ) dengan satu ikatan dan satu ikatan . Ikatan sebuah fosfina oksida sangat kuat, jauh lebih kuat daripada ikatan yang hilang, dan yang hilang sebagian diimbangi oleh yang terbentuk: neracanya jelas menurun. Fosfor adalah penampung oksigen dalam reaksi ini. ∎
27.3 Stereoselektivitas
Proposisi 27.6 (Geometri alkena)
Dengan aldehida, ilida tak terstabilkan (, R gugus alkil) terutama menghasilkan alkena (Z), dalam kondisi bebas garam. Ilida terstabilkan (, ) terutama menghasilkan alkena (E). Ilida yang hanya distabilkan oleh gugus aril menghasilkan campuran.
Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎
Ini adalah hasil pengamatan. Penjelasan yang lazim membaca reaksi Wittig sebagai persaingan antara laju dan kestabilan. Dengan ilida tak terstabilkan yang reaktif, oksafosfetana terbentuk dengan cepat dan secara ireversibel, melalui keadaan transisi yang kurang sesak, yang kedua substituennya berakhir pada sisi cincin yang sama; oksafosfetana itu lalu runtuh dengan mempertahankan susunan tersebut: kendali kinetik menghasilkan alkena (Z). Dengan ilida terstabilkan, tahap pertama lebih lambat dan reversibel; oksafosfetana-oksafosfetana saling berubah melalui bahan awal, dan oksafosfetana dengan substituen-substituen pada sisi yang berseberangan, yang kurang tegang, yang menang: alkena (E), di bawah kendali termodinamik.
27.4 Reaksi Horner–Wadsworth–Emmons
Definisi 27.7 (Fosfonat dan reaksi HWE)
Yang disebut fosfonat adalah ester asam fosfonat, , dengan sebuah ikatan . Fosfonat dibuat melalui reaksi Michaelis–Arbuzov antara trialkil fosfit dan haloalkana, . Dalam reaksi Horner–Wadsworth–Emmons (HWE), anion fosfonat yang membawa gugus penarik elektron pada -nya beradisi pada aldehida dan menghasilkan alkena serta anion dialkil fosfat.
Proposisi 27.8 (Mengapa kimiawan menyukai reaksi HWE)
Reaksi HWE terutama menghasilkan alkena (E), dan produk samping fosfornya, garam yang larut dalam air, disingkirkan dengan pencucian air sederhana; anion fosfonat juga lebih nukleofilik daripada ilida terstabilkan yang bersesuaian dan juga bereaksi dengan keton.
Argumen. Anion fosfonat adalah karbanion yang terstabilkan, sehingga adisinya reversibel dan reaksinya berlangsung di bawah kendali termodinamik: (E), seperti pada ilida terstabilkan. Tidak seperti ilida fosfonium, anion itu membawa muatan negatif penuh, yang tidak diimbangi oleh kation di sebelahnya: anion itu lebih reaktif. Produk sampingnya, , adalah garam ionik, sedangkan trifenilfosfina oksida adalah padatan organik netral yang harus dipisahkan dari produk dengan kromatografi atau kristalisasi. ∎
27.5 Memilih metode
Metode 27.9 (Pemutusan Wittig)
- Potonglah ikatan target; satu karbon menjadi karbon karbonil, yang lain menjadi karbon ilida (sebuah garam fosfonium, dari sebuah halida).
- Dari kedua cara melakukannya, utamakan cara yang halidanya primer (substitusi bimolekular oleh ) dan senyawa karbonilnya aldehida.
- Pilihlah pereaksinya menurut geometri yang diinginkan: ilida tak terstabilkan untuk (Z), ilida terstabilkan atau fosfonat (HWE) untuk (E).
- Periksalah bahwa tidak ada bagian lain molekul yang bereaksi dengan basa yang dipakai.
Metode 27.10 (Memilih reaksi pembentuk C=C)
| Metode | Posisi | Geometri |
|---|---|---|
| Eliminasi E2 atau E1 | aturan Zaitsev, campuran | terutama (E), campuran |
| Kondensasi aldol | terkonjugasi dengan | (E) |
| Wittig, ilida tak terstabilkan | pada bekas | (Z) |
| Wittig, ilida terstabilkan; HWE | pada bekas | (E) |
| Alkuna, lalu katalis teracuni | pada bekas ikatan rangkap tiga | (Z) |
Untuk menyambungkan dua potongan yang ukurannya mirip pada sebuah , reaksi Wittig dan kerabat-kerabatnya biasanya menjadi pilihan pertama; metatesis olefin, yang menukar ujung-ujung dua alkena, dibahas dalam jilid Tahun 3.
Sejarah — Ilida yang menjadi pereaksi
Georg Wittig, yang mempelajari ilida fosfor pada awal 1950-an, menemukan bahwa metilidenatrifenilfosforana mengubah benzofenon menjadi 1,1-difeniletena dan trifenilfosfina oksida; bersama mahasiswanya Ulrich Schöllkopf ia mengubah pengamatan itu menjadi metode umum pada tahun 1954. Industri segera mengadopsinya, antara lain untuk vitamin A, dan Wittig berbagi Hadiah Nobel Kimia 1979.
Keselamatan
Larutan butillitium mudah terbakar dan korosif serta bereaksi hebat dengan air; natrium hidrida melepaskan hidrogen dengan air. Trifenilfosfina berbahaya dan korosif terhadap mata, trietil fosfit mudah terbakar dan berbahaya; trifenilfosfina oksida berbahaya.
27.6 Latihan
Latihan 27.1 ★
Tuliskan pembuatan ilida dari trifenilfosfina dan sebuah haloalkana.
Solusi
Solusi Latihan 27.1.
(substitusi bimolekular, pemanasan dalam pelarut), lalu butillitium dalam eter kering atau THF di bawah gas inert: .
Latihan 27.2 ★
Tuliskan produk-produk reaksi Wittig benzaldehida dengan ilida yang dibuat dari iodometana.
Solusi
Solusi Latihan 27.2.
Ilida dan benzaldehida menghasilkan feniletena (stirena), , dan trifenilfosfina oksida.
Latihan 27.3 ★
Golongkan sebagai terstabilkan, tak terstabilkan, atau terstabilkan aril: , , , . Manakah yang memerlukan butillitium?
Solusi
Solusi Latihan 27.3.
dan : terstabilkan. : tak terstabilkan, yang memerlukan butillitium (atau natrium hidrida, natrium amida). : terstabilkan aril, dalam praktik dibuat dengan alkoksida atau hidroksida, dan menghasilkan campuran geometri.
Latihan 27.4 ★
Tuliskan produk trietil fosfonoasetat, natrium hidrida, dan propanal, beserta geometrinya.
Solusi
Solusi Latihan 27.4.
Etil (E)-pent-2-enoat, , bersama natrium dietil fosfat.
Latihan 27.5 ★★
Metilenasikloheksana diinginkan. Bandingkan jalur Wittig dari sikloheksanon dengan dehidrasi terkatalisis asam 1-metilsikloheksan-1-ol.
Solusi
Solusi Latihan 27.5.
Wittig: ilida , yang dibuat dari metiltrifenilfosfonium iodida dan butillitium, bersama sikloheksanon hanya menghasilkan metilenasikloheksana, dengan ikatan rangkap di luar cincin. Dehidrasi 1-metilsikloheksan-1-ol melalui karbokation tersier dan melepaskan hidrogen yang menghasilkan alkena yang lebih tersubstitusi (Zaitsev): terutama 1-metilsikloheksena, isomer yang salah.
Latihan 27.6 ★★
Putuskan (E)-1,2-difeniletena (stilbena) dengan reaksi Wittig. Mengapa jalur Wittig merupakan pilihan yang buruk untuk (E)-stilbena murni, dan apa yang sebaiknya dipakai sebagai gantinya?
Solusi
Solusi Latihan 27.6.
Kedua potongan itu sama: benzaldehida dan ilida benzilidena . Ilida itu hanya terstabilkan aril dan menghasilkan campuran (E)/(Z). Untuk (E) murni, pakailah reaksi HWE dietil benzilfosfonat dengan benzaldehida.
Latihan 27.7 ★★
Propanal bereaksi dengan di satu pihak dan dengan di pihak lain. Tuliskan produk-produknya dan geometri utamanya.
Solusi
Solusi Latihan 27.7.
Dengan terbentuk (Z)-pent-2-ena, , terutama isomer (Z). Dengan terbentuk etil (E)-pent-2-enoat, terutama isomer (E).
Latihan 27.8 ★★
Hitunglah ekonomi atom metilenasi sikloheksanon oleh .
Solusi
Solusi Latihan 27.8.
. Massa: metilenasikloheksana , trifenilfosfina oksida ; ekonomi atom . Tiga perempat massa pereaksi keluar sebagai fosfina oksida.
Latihan 27.9 ★★
Tuliskan reaksi Michaelis–Arbuzov trietil fosfit dengan etil bromoetanoat, dalam dua tahap: substitusi oleh fosfor, lalu dealkilasi oleh bromida.
Solusi
Solusi Latihan 27.9.
Fosfor, yang nukleofilik, menggeser bromida:
Bromida lalu menyerang sebuah karbon gugus etil pada ion fosfonium itu (substitusi bimolekular), sambil melepaskan bromoetana dan membentuk ikatan :
Latihan 27.10 ★★★
Usulkan sintesis 1,6-difenilheksa-1,3,5-triena dari (E)-but-2-enadial melalui dua reaksi Wittig, dan sebutkan ilida mana dan berapa banyak.
Solusi
Solusi Latihan 27.10.
: dua ekuivalen ilida benzilidena (dari benziltrifenilfosfonium klorida dan sebuah basa), satu untuk setiap gugus aldehida. Ikatan-ikatan rangkap yang baru terbentuk sebagai campuran geometri; isomer serba-(E), yang paling stabil, diisolasi melalui kristalisasi, atau campurannya diisomerisasi.
Latihan 27.11 ★★★
(E)-4-Fenilbut-3-en-2-on dapat dibuat melalui kondensasi aldol atau melalui reaksi Wittig. Tuliskan kedua jalur itu dan bandingkan.
Solusi
Solusi Latihan 27.11.
Aldol: benzaldehida dengan propanon berlebih dan natrium hidroksida (Bab 25); pereaksinya murah, produk sampingnya air, produknya (E), tetapi kondensasi dapat terjadi dua kali (dibenzalaseton) jika propanon tidak berlebih. Wittig: benzaldehida dengan ilida terstabilkan ; (E), satu produk, tanpa kondensasi ganda, tetapi ilidanya mahal dan trifenilfosfina oksida harus disingkirkan. Di sini aldol adalah jalur yang lebih baik.
Latihan 27.12 ★★★
Usulkan dua jalur menuju (Z)-okt-4-ena, satu melalui reaksi Wittig dan satu melalui alkuna, dan sebutkan produk samping yang ditinggalkan masing-masing.
Solusi
Solusi Latihan 27.12.
Wittig: butanal dengan (dari 1-bromobutana, lalu butillitium), bebas garam: terutama (Z); produk sampingnya trifenilfosfina oksida, dan sebagian isomer (E). Alkuna: okt-4-una (dari etuna melalui dua alkilasi dengan 1-bromopropana dan natrium amida) yang dihidrogenasi dengan katalis paladium yang diracuni (Proposisi 21.2): hanya (Z); produk sampingnya natrium bromida dan amonia dari alkilasi.
27.7 Soal: Feromon melalui Reaksi Wittig
Soal 27.1
Soal akhir pekan — retrosintesis sebuah alkena (Z), ilida tak terstabilkan dan selektivitasnya, biaya berupa trifenilfosfina oksida, dan alternatif melalui alkuna
Target: (Z)-trikos-9-ena, , feromon lalat rumah pada pembuka bab. Massa molar (): C 12.011, H 1.008, O 15.999, P 30.974, Br 79.904.
Bagian I — Retrosintesis.
- Tuliskan rumus molekul target dan periksalah bahwa target itu alkena.
- Ikatan manakah yang dipotong oleh pemutusan Wittig?
- Tuliskan kedua pasangan yang mungkin (senyawa karbonil, garam fosfonium).
- Untuk pasangan nonanal + ilida, haloalkana manakah yang membentuk garam fosfoniumnya?
- Mengapa haloalkana primer cocok untuk tahap ini?
- Tuliskan pembentukan garam fosfonium itu.
Bagian II — Ilida dan geometri.
- Basa manakah yang mendeprotonasi garam ini? Mengapa natrium hidroksida tidak memadai?
- Apakah ilida itu terstabilkan? Geometri apa yang diramalkan oleh hal itu?
- Tuliskan oksafosfetana yang terbentuk dengan nonanal.
- Mengapa reaksi harus dijalankan dalam keadaan kering dan di bawah gas inert?
- Mengapa ikatan rangkapnya berakhir tepat di antara karbon 9 dan 10?
- Apa yang akan dihasilkan oleh dehidrasi terkatalisis asam trikosan-9-ol sebagai gantinya?
Bagian III — Trifenilfosfina oksida.
- Tuliskan persamaan keseluruhan dari ilida dan nonanal.
- Hitunglah massa molar target, nonanal, garam fosfonium, dan trifenilfosfina oksida.
- Hitunglah ekonomi atom tahap Wittig (ilida + aldehida).
- Bagaimana trifenilfosfina oksida dipisahkan dari sebuah hidrokarbon?
- Mengapa pembentukan trifenilfosfina oksida merupakan gaya pendorongnya?
- Mengapa reaksi HWE tidak cocok untuk target ini?
Bagian IV — Jalur alkuna.
- Alkuna manakah yang, jika dihidrogenasi, menghasilkan target, dan dengan katalis apa?
- Bangunlah alkuna itu dari dek-1-una dan sebuah haloalkana: halida manakah, basa manakah?
- Mengapa hidrogenasi harus berhenti pada alkena, dan bagaimana katalisnya menjamin hal itu?
- Bandingkan kedua jalur: jumlah tahap, kendali geometri, produk samping.
- Berapakah ekonomi atom tahap hidrogenasi?
- Nyatakan massa trifenilfosfina oksida yang ikut dihasilkan per gram feromon melalui jalur Wittig.
Solusi
Solusi Soal 27.1.
1. , yaitu dengan : satu ikatan rangkap (atau satu cincin), di sini sebuah . 2. Ikatan rangkap . 3. Nonanal dengan ilida dari 1-halotetradekana; atau tetradekanal dengan ilida dari 1-halononana. 4. 1-Bromotetradekana, . 5. Substitusi bimolekular oleh trifenilfosfina yang meruah berlangsung cepat pada karbon primer yang tidak terhalang dan tidak tersaingi oleh eliminasi. 6. , tetradesiltrifenilfosfonium bromida. 7. Butillitium (atau natrium hidrida, natrium amida); hidroksida adalah basa yang terlalu lemah untuk ilida tak terstabilkan, dan air yang dibawanya akan memprotonasi ilida. 8. Tidak, ilida itu hanya membawa gugus alkil: terutama (Z) (Proposisi 27.6). 9. Cincin beranggota empat : fosfor terikat pada karbon yang membawa rantai , karbon itu pada karbon yang membawa rantai , dan karbon terakhir ini pada oksigen, yang terikat pada fosfor. 10. Butillitium dan ilida bereaksi dengan air dan oksigen. 11. Ikatan rangkap menghubungkan bekas karbon karbonil nonanal (C9 produk) dengan bekas karbon ilida (C10), dan tidak ada ikatan lain yang bergeser (Proposisi 27.4). 12. Karbokation pada C9, yang dapat kehilangan hidrogen dari C8 atau C10 dan dapat bergeser: campuran trikos-8-ena dan trikos-9-ena, masing-masing sebagai (E) dan (Z), terutama (E). 13. . 14. Target : ; nonanal : ; garam : ; , : . 15. Ilida bermassa ; bersama nonanal, pereaksi untuk produk: . 16. Berdasarkan kepolarannya: hidrokarbon nonpolar lolos melalui kolom silika pendek dengan eluen nonpolar sementara oksidanya tertahan; atau oksidanya mengkristal dari pelarut nonpolar yang dingin. 17. Ikatan yang sangat kuat yang terbentuk melebihi ikatan yang terputus (Proposisi 27.5). 18. Reaksi itu memerlukan fosfonat dengan gugus penarik elektron pada karbon yang bereaksi, yang tidak ada pada rantai alkil biasa, dan reaksi itu menghasilkan alkena (E). 19. Trikos-9-una, , dengan hidrogen pada katalis paladium yang diracuni (paladium pada kalsium karbonat dengan garam timbal dan kuinolina). 20. Dek-1-una, , dideprotonasi oleh natrium amida, lalu 1-bromotridekana : karbon, dengan ikatan rangkap tiga di antara C9 dan C10. 21. Hidrogenasi lebih lanjut akan menghasilkan trikosana, tanpa ikatan rangkap; katalis yang diracuni mengikat alkuna jauh lebih kuat daripada alkena, yang meninggalkan permukaan sebelum adisi kedua. 22. Keduanya memerlukan dua tahap dari potongan-potongan yang tersedia. Jalur alkuna menghasilkan isomer (Z) dengan bersih dan hanya menyisakan garam; jalur Wittig menghasilkan sebagian isomer (E) dan setumpuk trifenilfosfina oksida. 23. 100 %: , setiap atom berakhir dalam produk. 24. trifenilfosfina oksida per gram feromon.