Universitaire scheikunde — jaar 2 · Bachelor Year 2
21Oxidatie en reductie van alkenen
Tweecomponentenepoxylijm zit in twee tubes: de ene bevat moleculen die eindigen op epoxideringen, drieringen van twee koolstofatomen en een zuurstofatoom; de andere een amine. Na het mengen gaan de gespannen ringen een voor een open en hardt de pasta uit tot een stevig netwerk. Alkenen zijn de grondstof van zulke ringen, van alcoholen op plaatsen waar de regel van Markovnikov ze nooit zou zetten, van diolen met een gekozen geometrie, en van de kleine fragmenten die chemici vroeger vertelden waar een dubbele binding in een molecuul lag. Dit hoofdstuk voegt aan de elektrofiele addities van het deel van jaar 1 de reacties toe die de dubbele binding reduceren of oxideren, en de stereochemie die elk ervan oplegt.
Wat je al weet
Het deel van jaar 1: elektrofiele addities, regel van Markovnikov, haloniumionen, syn- en anti-addities, hydratatie van alkenen, oxidatieniveaus van koolstof, hydridedonoren, chemoselectiviteit, mesoverbindingen en racemische mengsels, stereospecifieke reacties. Hoofdstuk 20: de hydrogeneringscyclus van de katalysator van Wilkinson.
21.1 Katalytische hydrogenering
Definitie 21.1 (Katalytische hydrogenering)
Een katalytische hydrogenering addeert diwaterstof aan een meervoudige binding in aanwezigheid van een katalysator: een fijn verdeeld metaal (palladium op koolstof, platina, nikkel) bij heterogene katalyse, of een oplosbaar complex zoals dat van Wilkinson bij homogene katalyse.
Op een metaaloppervlak worden diwaterstof en het alkeen allebei vastgehouden, de binding breekt tot waterstofatomen aan het oppervlak, en die worden een voor een overgedragen op de koolstofatomen van het alkeen, dat plat op het metaal ligt.
Propositie 21.2 (Syn-additie)
Katalytische hydrogenering brengt beide waterstofatomen aan op hetzelfde vlak van de dubbele binding. Een alkyn dat gehydrogeneerd wordt over een vergiftigde palladiumkatalysator stopt bij het alkeen, en dat is het (Z)-isomeer.
Redenering. Het alkeen is met één vlak aan de katalysator gebonden, en beide waterstofatomen komen van de katalysator, aan dat vlak: syn-additie. Bij een alkyn staan de twee waterstofatomen die aan de drievoudige binding geaddeerd worden aan dezelfde kant, cis ten opzichte van elkaar: het (Z)-alkeen. Een gedeeltelijk gedeactiveerde katalysator (palladium op calciumcarbonaat met een loodzout en chinoline) bindt het alkyn veel sterker dan het gevormde alkeen, dat het oppervlak verlaat vóór een tweede additie. ∎
21.2 Hydroborering–oxidatie
Definitie 21.3 (Hydroborering)
Een hydroborering addeert een binding B–H van een boraan aan een binding ; gevolgd door oxidatie met basisch waterstofperoxide zet ze het alkeen om in een alcohol waarvan de hydroxylgroep op het minst gesubstitueerde koolstofatoom zit: een anti-Markovnikovoriëntatie.
Propositie 21.4 (Oriëntatie van de hydroborering)
Boor addeert aan het minst gesubstitueerde koolstofatoom van de dubbele binding, en waterstof aan het meest gesubstitueerde; de additie is syn.
Redenering. Boor, met een lege p-orbitaal, is het elektrofiel: in de vierkernige overgangstoestand (de twee koolstofatomen, boor en waterstof) vormt de binding met boor zich iets vóór de binding C–H, en op het andere koolstofatoom ontstaat een partiële positieve lading, die het meest gesubstitueerde beter draagt; de omvangrijke boorgroep verkiest ook het minst gehinderde uiteinde. Beide nieuwe bindingen vormen zich aan één vlak, in een gecoördineerde stap: syn. ∎
Propositie 21.5 (Oxidatie met behoud)
De oxidatie van een alkylboraan door basisch waterstofperoxide vervangt elke binding C–B door een binding C–OH met behoud van configuratie aan het koolstofatoom.
Redenering. Het hydroperoxide-anion addeert aan boor; een alkylgroep migreert dan van boor naar het naburige zuurstofatoom, met zijn elektronenpaar, terwijl hydroxide vertrekt; het koolstofatoom houdt zijn bindingen de hele tijd aan dezelfde kant. Hydrolyse van de binding B–O maakt de alcohol vrij. ∎
21.3 Epoxiden
Definitie 21.6 (Epoxide)
Een epoxide (oxiraan) is een cyclische ether met een drieledige ring van twee koolstofatomen en één zuurstofatoom. Een epoxidering zet een alkeen om in een epoxide, meestal met een peroxyzuur , dat één zuurstofatoom op de dubbele binding overdraagt.
Propositie 21.7 (Stereospecifieke epoxidering)
Epoxidering door een peroxyzuur is stereospecifiek: een (Z)-alkeen geeft het cis-epoxide, een (E)-alkeen het trans-epoxide.
Bewijs. Het zuurstofatoom wordt in één gecoördineerde stap overgedragen op één vlak van de dubbele binding, die intussen niet draait: de onderlinge posities van de substituenten blijven behouden. ∎
Propositie 21.8 (Opening van epoxiden)
Een nucleofiel opent een epoxide door aanval op één koolstofatoom vanaf het vlak tegenover het zuurstofatoom (anti-opening, met inversie aan dat koolstofatoom). Onder basische omstandigheden valt het het minst gehinderde koolstofatoom aan; onder zure omstandigheden het meest gesubstitueerde.
Redenering. De ringspanning maakt de bindingen C–O gemakkelijk te verbreken. Met een sterk nucleofiel en zonder zuur is de opening een bimoleculaire substitutie, en het minst gehinderde koolstofatoom is het gemakkelijkst bereikbaar. In zuur wordt het zuurstofatoom geprotoneerd; de binding C–O met het meest gesubstitueerde koolstofatoom rekt het sterkst uit, want dat koolstofatoom draagt de grootste partiële positieve lading, en zelfs een zwak nucleofiel (water, een alcohol) valt daar aan — nog steeds van achteren, dus nog steeds anti. ∎
21.4 Dihydroxylering
Definitie 21.9 (Dihydroxylering)
Een dihydroxylering zet een alkeen om in een 1,2-diol door één -groep aan elk koolstofatoom van de dubbele binding toe te voegen.
Osmiumtetroxide, in katalytische hoeveelheid met een heroxidator, en koud verdund permanganaat brengen beide zuurstofatomen aan via een cyclische ester, aan één vlak: een syn-dihydroxylering. Epoxidering gevolgd door opening met water in zuur geeft het anti-diol.
Propositie 21.10 (Syn- en anti-diolen)
Uit (Z)-but-2-een geeft syn-dihydroxylering meso-butaan-2,3-diol en de epoxideroute geeft de racemische (2R,3R)- en (2S,3S)-diolen; uit (E)-but-2-een zijn de resultaten omgewisseld.
Bewijs. In (Z)-but-2-een staan de twee methylgroepen aan dezelfde kant. Twee aan één vlak toevoegen geeft een diol waarin, getekend in de eclipsconformatie van de vroegere dubbele binding, de twee aan de ene kant staan en de twee methylgroepen aan de andere: een spiegelvlak loopt tussen C2 en C3, de mesoverbinding. De epoxideroute zet de twee aan tegenovergestelde vlakken (anti): het spiegelvlak verdwijnt, en de aanval op elk van beide koolstofatomen van het achirale epoxide, even waarschijnlijk, geeft de twee enantiomeren in gelijke hoeveelheden. Bij het (E)-alkeen verandert elke stap de verhouding van de methylgroepen, wat de uitkomsten omwisselt. ∎
21.5 Oxidatieve splitsing
Definitie 21.11 (Oxidatieve splitsing)
Een oxidatieve splitsing verbreekt beide bindingen van een dubbele binding en maakt van elk koolstofatoom een carbonyl- of carboxylgroep. Bij een ozonolyse reageert het alkeen met ozon en wordt het intermediaire ozonide in een tweede stap ontleed, de opwerking.
Propositie 21.12 (Producten van ozonolyse)
Ozonolyse splitst elke binding in twee groepen . Met een reductieve opwerking (zink en zuur, of dimethylsulfide) geeft een koolstofatoom dat een waterstofatoom draagt een aldehyde; met een oxidatieve opwerking (waterstofperoxide) geeft het een carbonzuur. Een koolstofatoom met twee koolstofgroepen geeft in beide gevallen een keton.
Redenering. Ozon addeert aan de dubbele binding, het intermediair lagert om en de binding C–C breekt, wat een ozonide geeft waarin elk vroeger alkeenkoolstofatoom aan twee zuurstofatomen gebonden is. De opwerking reduceert het tot twee carbonylverbindingen, of oxideert de aldehyden verder. De tussenstappen worden aangenomen. ∎
Methode 21.13 (Een dubbele binding lokaliseren)
- Som de carbonylfragmenten van de ozonolyse op en tel hun koolstofatomen; samen moeten ze het aantal van het alkeen geven.
- Elk koolstofatoom van een was een dubbel gebonden koolstofatoom: verbind de fragmenten door twee te vervangen door één .
- Bij een ring komt er één molecuul met twee carbonylgroepen uit; verbind de twee uiteinden ervan.
- Controleer met de formule en de onverzadigingsgraad.
Heet geconcentreerd permanganaat splitst ook dubbele bindingen, en geeft zuren en ketonen; natriumperiodaat splitst 1,2-diolen in twee carbonylverbindingen, een mildere route via het diol.
Methode 21.14 (Een reagens kiezen voor een alkeen)
| doel | reagens | stereochemie, oriëntatie |
|---|---|---|
| alkaan | , Pd/C | syn |
| Markovnikov-alcohol | , zuur | via een carbokation |
| anti-Markovnikov-alcohol | , dan , | syn |
| epoxide | peroxyzuur | stereospecifiek |
| syn-diol | (kat.) of koud | syn |
| anti-diol | peroxyzuur, dan , zuur | anti |
| twee carbonylen | , dan /zuur | splitsing |
Veiligheid
Osmiumtetroxide is vluchtig en zeer giftig (het beschadigt de ogen); het wordt in katalytische hoeveelheid in oplossing gebruikt, in een zuurkast. Peroxyzuren en waterstofperoxide zijn oxidatoren die heftig kunnen ontleden bij verhitting of in geconcentreerde vorm; boraanoplossingen zijn ontvlambaar; ozon is giftig en wordt in een zuurkast gegenereerd.
21.6 Oefeningen
Oefening 21.1 ★
Geef het product van 1-methylcyclohexeen met: /Pd; /; dan /; een peroxyzuur; (kat.); dan /.
Oplossing
Oplossing van Oefening 21.1.
Methylcyclohexaan; 1-methylcyclohexaan-1-ol; trans-2-methylcyclohexaan-1-ol (syn-additie van H en B, dus de en de nieuwe H aan dezelfde kant, de methylgroep trans ten opzichte van de ); 1-methylcyclohexeenoxide; cis-1-methylcyclohexaan-1,2-diol; 6-oxoheptanal .
Oefening 21.2 ★
Welke alcohol geeft hydroborering–oxidatie uit 2-methylpropeen? En zuurgekatalyseerde hydratatie?
Oplossing
Oplossing van Oefening 21.2.
Hydroborering–oxidatie: 2-methylpropaan-1-ol. Zuurgekatalyseerde hydratatie: 2-methylpropaan-2-ol.
Oefening 21.3 ★
Teken het epoxide dat uit (E)-but-2-een gevormd wordt. Is het chiraal?
Oplossing
Oplossing van Oefening 21.3.
trans-2,3-Dimethyloxiraan, de twee methylgroepen aan tegenovergestelde kanten van de ring. Het is chiraal (geen spiegelvlak) en wordt als racemisch mengsel gevormd.
Oefening 21.4 ★
Geef de producten van de ozonolyse van hex-3-een met een reductieve opwerking, en daarna met een oxidatieve opwerking.
Oplossing
Oplossing van Oefening 21.4.
Reductieve opwerking: twee moleculen propanal. Oxidatieve opwerking: twee moleculen propaanzuur.
Oefening 21.5 ★★
Geef de diolen die gevormd worden uit (Z)-but-2-een (a) met ; (b) met een peroxyzuur en daarna waterig zuur. Welk ervan is optisch inactief omdat het meso is, en welk omdat het racemisch is?
Oplossing
Oplossing van Oefening 21.5.
(a) meso-butaan-2,3-diol, inactief omdat het achiraal is. (b) de (2R,3R)- en (2S,3S)-diolen in gelijke hoeveelheden, inactief omdat ze racemisch zijn.
Oefening 21.6 ★★
2,2-Dimethyloxiraan wordt geopend door water in zuur en door hydroxide. Geven de twee routes hetzelfde product? Leg uit.
Oplossing
Oplossing van Oefening 21.6.
In zuur valt water het tertiaire koolstofatoom aan, in base valt hydroxide de aan; in beide gevallen komt er een op elk koolstofatoom: hetzelfde 2-methylpropaan-1,2-diol. Met methanol geven de twee routes verschillende ethers (zoals in het hoofdstuk).
Oefening 21.7 ★★
Hoe zou je (Z)-hex-3-een bereiden uit hex-3-yn?
Oplossing
Oplossing van Oefening 21.7.
Hydrogenering met één equivalent over een vergiftigde palladiumkatalysator (Lindlar): de syn-additie aan de drievoudige binding stopt bij het (Z)-alkeen.
Oefening 21.8 ★★
Een alkeen geeft bij ozonolyse met een reductieve opwerking propanon en butanal. Geef zijn structuur.
Oplossing
Oplossing van Oefening 21.8.
Propanon (3 C) en butanal (4 C) geven , 2-methylhex-2-een: ze worden verbonden via hun carbonylkoolstofatomen.
Oefening 21.9 ★★
Stel een synthese voor van hexaan-1-ol uit hex-1-een, en zeg waarom zuurgekatalyseerde hydratatie zou mislukken.
Oplossing
Oplossing van Oefening 21.9.
(of een omvangrijk boraan), daarna en : hexaan-1-ol. Zuurgekatalyseerde hydratatie verloopt via het secundaire carbokation en geeft hexaan-2-ol (Markovnikov), met omgelegde bijproducten.
Oefening 21.10 ★★★
Limoneen heeft een drievoudig gesubstitueerde dubbele binding in de ring en een tweevoudig gesubstitueerde exocyclische (). Welke reageert het eerst met één equivalent van een peroxyzuur, en welke met één equivalent van een omvangrijk boraan? Leg uit.
Oplossing
Oplossing van Oefening 21.10.
Het peroxyzuur, een elektrofiel, reageert sneller met de meer gesubstitueerde, elektronenrijkere dubbele binding in de ring. Het omvangrijke boraan reageert met de minder gehinderde eindstandige .
Oefening 21.11 ★★★
Bereid trans-cyclohexaan-1,2-diol uit cyclohexeen, en ook cis-cyclohexaan-1,2-diol.
Oplossing
Oplossing van Oefening 21.11.
trans: peroxyzuur, daarna water in zuur (anti-opening). cis: katalytisch met een heroxidator, of koud verdund permanganaat (syn).
Oefening 21.12 ★★★
Een verbinding neemt één equivalent op. Haar ozonolyse met een reductieve opwerking geeft één enkel product, hexaandial . Identificeer ze.
Oplossing
Oplossing van Oefening 21.12.
heeft onverzadigingsgraad 2; één equivalent betekent één , dus één ring. Eén enkel dialdehyde met zes koolstofatomen komt van een ring die bij zijn dubbele binding geopend is: cyclohexeen.
21.7 Probleem: een terpeen identificeren
Probleem 21.1
Weekendprobleem — de formule en onverzadiging van limoneen, zijn hydrogenering, de fragmenten van zijn ozonolyse, en de selectieve reacties van zijn twee dubbele bindingen
Limoneen, de geur van sinaasappelschil, heeft de formule . Het is 1-methyl-4-(prop-1-een-2-yl)cyclohex-1-een: een dubbele binding in de ring met een methylgroep, en een exocyclische groep op het tegenoverliggende koolstofatoom van de ring. ; molaire massa’s (): C 12.011, H 1.008.
Deel I — Formule en hydrogenering.
- Bereken de molaire massa van limoneen.
- Bereken zijn onverzadigingsgraad.
- Hoeveel ringen en hoeveel dubbele bindingen heeft het?
- Schrijf zijn hydrogenering over palladium op, met het product.
- Bereken de hoeveelheid diwaterstof die limoneen opneemt.
- Bereken het volume ervan bij en .
- Is het product chiraal?
Deel II — Ozonolyse.
- Welke fragmenten geeft ozonolyse met een reductieve opwerking? (Tel de koolstofatomen.)
- Waarom geeft de dubbele binding in de ring één molecuul en niet twee?
- Welk fragment gaat verloren als gas of vluchtige vloeistof?
- Hoe zouden de producten verschillen bij een oxidatieve opwerking?
- Laat zien hoe de fragmenten de twee dubbele bindingen lokaliseren.
- Hoeveel stereocentra heeft limoneen, en blijft dat bij de ozonolyse behouden?
Deel III — Hydroborering.
- Welke dubbele binding reageert met één equivalent van een omvangrijk boraan? Waarom?
- Teken het product na oxidatie.
- Is de nieuwe alcohol primair, secundair of tertiair?
- Waarom heet de oriëntatie anti-Markovnikov?
- Hoeveel stereo-isomeren kunnen er ontstaan aan het nieuwe stereocentrum?
- Welk reagens zou de daarentegen op het meest gesubstitueerde koolstofatoom van dezelfde dubbele binding zetten?
Deel IV — Epoxidering.
- Welke dubbele binding reageert met één equivalent van een peroxyzuur? Waarom?
- Teken het epoxide.
- Open het met water in zuur: op welk koolstofatoom valt water aan?
- Teken het diol en geef de onderlinge oriëntatie van zijn twee .
- Hoe zou je de andere diastereomeer van dit diol verkrijgen?
- Geef het volume diwaterstof dat limoneen opneemt bij en .
Oplossing
Oplossing van Probleem 21.1.
1. . 2. . 3. Eén ring en twee dubbele bindingen. 4. , 1-isopropyl-4-methylcyclohexaan. 5. limoneen, . 6. , . 7. Nee: de ringkoolstofatomen 1 en 4 dragen elk twee identieke ringpaden; het cis- en het trans-isomeer zijn achiraal. 8. Methanal (1 C) uit het uiteinde , en één enkele -verbinding, 3-acetyl-6-oxoheptanal . 9. Haar twee koolstofatomen behoren tot dezelfde ring: de dubbele binding verbreken opent de ring zonder iets af te splitsen. 10. Methanal (een gas). 11. De aldehydegroepen worden carbonzuren (methanal gaat verder tot ); de ketonen blijven onveranderd. 12. Het keton en het aldehyde van de -keten waren in de ring verbonden; het tweede keton () en methanal waren de twee uiteinden van de dubbele binding van de zijketen. 13. Eén (C4 van de ring); de ozonolyse raakt het niet, en het blijft over als stereocentrum van het -product. 14. De exocyclische , minder gehinderd dan de drievoudig gesubstitueerde dubbele binding in de ring. 15. 2-(4-Methylcyclohex-3-een-1-yl)propaan-1-ol: op het vroegere eindstandige koolstofatoom. 16. Primair. 17. De gaat naar het minst gesubstitueerde koolstofatoom, tegengesteld aan de oriëntatie die de regel van Markovnikov voor hydratatie voorspelt. 18. Twee configuraties aan het nieuwe centrum, wat twee diastereomeren geeft (met het bestaande centrum). 19. Zuurgekatalyseerde hydratatie (of een andere markovnikovhydratatie): de tertiaire alcohol, -terpineol. 20. De dubbele binding in de ring: drievoudig gesubstitueerd, elektronenrijker. 21. 1,2-Epoxy-1-methyl-4-(prop-1-een-2-yl)cyclohexaan, met het zuurstofatoom als brug tussen C1 en C2. 22. Op C1, het meest gesubstitueerde koolstofatoom (dat de methylgroep draagt). 23. 1-Methyl-4-(prop-1-een-2-yl)cyclohexaan-1,2-diol, de twee trans (anti-opening). 24. Syn-dihydroxylering van de dubbele binding in de ring (katalytisch ), wat het cis-diol geeft — als het reagens selectief met die dubbele binding kan reageren. 25. limoneen neemt diwaterstof op.