انولها و انونها
شیمی آلی(انولها و انونها )
انولها و انونها
الکلها ، آلد سیدها و کتون های غیر اشباع
در این فصل مکان دیگر فعالیت آلدئیها و کتون ها ، یعنی کربن مجاور گروه عاملی ، موسوم به کربن آلفا را مورد بررسی قرار می دهیم . به فعالیت خاص این کربن در بخش های 15-4 تا 15-8 اشاره شده گروه کربونیل قطبی شده اثر اسید کنندگی روی هیدروژن آلفا داشته ، تشکیل الکلهای غیر اشباع B ، a (انولها) و آنیونهای مربوطه ( یون انولات ) را ممکن می سازد . گونه های غنی از الکترون می توانند تحت تاثیر حمله الکتروفیلی پرتونها ، عوامل الکیله کننده ، هالوژنها ، و کربنهای بصورت مثبت قطبی شده سایر ترکیبات کربونیل قرار گیرند . به همین نحو ، آلدئیدها و کتونهای غیر اشباع B ، a در واکنشهای افزایشی پیوند دوگانه کربن – کربن شرکت می نمایند . این ترکیبات تحت تاثیر حمله نوکلئوفیلی نیز قرار می گیرند ، که نظیر شیمی دی انهای مزدوج ، به صورت 2،1 یا 4،1 – بسته به نوع نوکلئوفیل صورت می گیرد .
قدرت اسیدی هیدروژنهای درآلدئیدها و کتون ها :
یونهای انولات
در بخشهای 15-4 و 15-5 نشان دادیم که گروه کربونیل می تواند مورد حمله الکتروفیلها ( اغلب ، پرتونها ) در محل اکسیژن و مورد حمله نوکلئوفیلها ، در محل کربن ، واقع شود . نمونه دیگری از فعالیت با استفاده از بازهای قوی ظاهر می شود . وقتی این مکانها را محافظت کنیم تا افزایش نوکلئوفیلی به حداقل برسد ، بازها باعث حذف پرتون در محل آلفا می گردند . در این بخش کاربرد سنتزی گونه های حاصل را توضیح می دهیم .
Pk آلدئیدها و کتون ها بین حدود 19 تا 21 می باشد که بطور قابل ملاحظه ای کمتر از pk اتن (44 ) و آتین ( 25 ) است ، ولی از pk الکلهای ( 15 تا 18 ) بیشتر است . چرا آلدئیدها و کتونها نسبتا اسیدی هستند ؟ دو دلیل وجود دارد : اثر القائی الکترون گیرندگی کربونیل به صورت مثبت قطبی شده ، و مهمتر رزونانس. آنیون حاصل از حذف پرتون ، یون انولات ، از طریق رزونانس پایدار می شود . ایجاد میزان استیو کیومتری یک فرم انولات یک آلدئید بعلت واکنشهای فرعی مشکل است ( بخش 16-3 ملاحظه شود ) . ولی ، کتون ها را می توان توسط لیتیوم دی ایزوپروپیل امید یا پتاسیم هیدرید پرتون گیری کرد . اتم هیدرید در دومی بیشتر به صورت باز عمل می کند تا نوکلئوفیل و لذا برخلاف آنچه در مورد سدیم بور و هیدرید و لیتیوم آلومینیوم هیدرید ملاحظه شد ( بخشهای 8-4 و 15-8 ) به تشکیل الکل منجر نمی شود .
هر دو ساختمانهای رزونانسی انولات در خصلتهای آنیون سهم دارند . با قرار منفی روی کربن ، پیوند دوگانه محکم کربن – اکسیژن دست نخورده باقی می ماند . از طرف دیگر ، اکسیژن الکترونگاتیوتیه از کربن است و لذا انتظار می رود که بار کنفی بیشتر ترجیح دهد تا روی اکسیژن قرار گیرد . هر دو فرم در واکنشهای نوکلئوفیلی یونهای انولات مهم می باشند و حمله الکتروفیل ، هم در محل کربن و هم اکسیژن صورت می گیرد . اگر چه در اکثر حالات کربن مورد حمله قرار می گیرد ، و در بعضی اکسیژن هدف حمله است . گونه هایی که در دو محل مختلف واکنش داده دو محصول متفاوت می دهند ، گونه های با نقش دوگانه نامیده می شود . یون انولات ، یک انیون با نقش دو گانه است . مثلا ، الکیلاسیون انولات سیکلوهگزانون با 3- کلروپروپن در محل کربن صورت می گیرد ( c – الکیلاسیون ) ، ولی پرتونه شدن در محل اکسیژن انجام می شود ( o – پرتونه شدن ) محصول حاصل از پرتونه شدن ، یک انول است که ناپایدار است و بسرعت توتومر شده به کتون تبدیل می گردد .
اغلب ، الکیلاسیون در محل کربن صورت می گیرد . این روش کلی برای وارد کردن استخلاف الکیل روی کربن مجاور گروه کربونیل یک کتون می باشد .
مشکل این عمل کنترل دی الکیلاسیون می باشد . در شرایط واکنش ، یک کتون منوالکیله ممکن است از طریق نولات اولیه پرتون از دست داده و بیشتر الکیله شود .
مسئله دیگر در مورد الکیلاسیون کتونهای نامتفاوت رخ می دهد ، که در آنها هر دو مکان آلفا می توانند مورد حمله الکتروفیل قرار گیرند .
در بخش 15-6 نشان دادیم که واکنش آمینهای نوع دوم باآلدئیدها یا کتونها ، انامین تولید می کند . این ترکیبات ، اگر چه خنثی هستند ، ولی بعلت حضور استخلاف ازت ، از نقطه نظر الکترونی غنی می باشند ( بخش 15-6 ) . بسبب رزونانس پیوند دوگانه کربن – کربن با جفت الکترون آزاد ازت ، این ترکیبات می توانند مورد حمله الکتروفیلها در محل کربن این اتصال دوگانه قرار گیرند .
ساختمان دو قطبی رزونانس نشان می دهد که انامین همانند یون انولات دارای همان قابلیت نقش دوگانه می باشد . مسلما وقتی انامین ها در معرض هالوالکانها قرار گیرند در محل کربن الکیله شده و نمک ایمینیوم تولید می کنند . پس از واکنش با آب ، نمک ایمینیوم از طریق مکانیسمی که عکس تشکیل آن می باشد ( بخش 15-6 ) هیدرولیز می شود . نتیجه ، تشکیل یک کتون الکیله شده و امین نوع دوم اولیه می باشد .
این فرآیند انامین – الکیلاسیون مکمل دستور العمل انولات – الکیلاسیون برای تهیه کتونهای الکیله می باشد .
بطور خلاصه ، هیدروژن روی کربن مجاور گروه کربونیل .آلدئیدها و کتون ها اسیدی بوده pk آنها حدود 19 تا 21 می باشد . پرتون زدائی آنها منجر به تشکیل یون انولات مربوطه می شود که می تواند در محل اکسیژن یا کربن مورد حمله الکتروفیلها قرار گیرد . عمل الکیله شدن بیشتر در محل کربن صورت می گیرد و منجر به تشکیل مشتقات الکیله می شود . در این واکنشها هنگامیکه امکان انتخاب وجود دارد ، کنترل میزان و محل الکیلاسیون مشکل است . انامینهای مشتق شده از آلدئیدها و کتون ها تحت تاثیر الکیلاسیون قرار گرفته و نمکهای ایمینیوم را تولید می کنند که ممکن است به ترکیبات کربونیل الکیله هیدرولیز شوند .
تعادلات کتو-انول
پرتونه شدن یون انولات در محل اکسیژن صورت می گیرد و انول ایجاد می کند ، که به سیستم کربونیل توتومر می گردد . واکنش یک فرایند تعادلی است و گفته می شود که آلدئید ها و کتون ها دارای فرمهای کتو و انول هستند . طبیعتا فرم کتو گونه عمده این تعادل است . در این بخش عواملی که برروی تعادل کتو – انول موثرند ، مکانیسم دقیق فرآیند توتومرسیم ، و نتایج شمیایی آنها مورد بحث قرار می گیرند .
چگونه یه انول با فرم کتو در حال تعادل است ؟
توتومر شدن کتو – انول توسط کاتالیزورهای اسیدی یا بازی انجام می شود . در واکنش با کاتالیزور بازی ، پرتون از اکسیژن کنده شده ، عکس عمل پرتونه شدن صورت می گیرد. متعاقب آن ( و آهسته تر ) حمله به کربن ، فرم کتو، که از نظر ترمودینامیکی پایدار است ، ایجاد می نماید .
در فرآیند اسیدی ، فرم انول در محل پیوند دوگانه ، پرتونه شده ایجاد کربوکاتیونی مجاور اکسیژن می نماید که در اثر رزونانس پایدار است . این گونه یک عامل کربونیل پرتونه شده می باشد . آنگاه حذف پرتون فرم کتو را ایجاد می کند .
تبدیلهای کتو- انول با کاتالیزور اسید و باز در حالت محلول ، وقتی کمی از کاتالیزور مورد نیاز در آن وجود داشته باشد ، تقریبا سریع انجام می شود . آیا می توان مقادیر قابل ملاحظه ای از فرم انول را جدا ساخت ؟ بلی ، ولی تحت شرایط خاص ، وقتی اسید و باز را بتوان کاملا برطرف کرد . مثلا اتنول ( وینیل الکل ) را می توان از طریق آب گیری 1، 2- اتان دیول در اثر حرارت و تحت خلاء ساخت .
اتنول دارای نیمه عمر حدود 30 دقیقه در درجه حرارت اطاق می باشد ، این زمان آنقدر هست که بتوان مشخصات ساختمانی آن را بدست آورد مانع انرژی برای تبدیل اتنول اتانال بدون حضور کاتالیزور در فاز گازی بسیار بالا و حدود 74 کیلوکالری برمول محاسبه شده است . این نتیجه اهمیت کاتالیزور در تغییر آرایش را آشکار می سازد .
ثابت تعادل جهت تبدیل فرم کتو به فرم انول برای کتونها و آلدئیدها کوچک است و فقط مقدار بسیار کمی از فرم انول حضور دارد . فرم انول اتانال( استاادئید ) حدود هزار برابر پایدار تر از فرم انول پروپانون ( استون ) می باشد . این اختلاف شاید بعلت فعالیت بیشتر گروه آلدئیدی کمتر استخلاف شده است .
بعضی لز ترکیبات کربونیل خاص عمدتا به صورت فرم انول وجود دارند . بعنوان مثال B – دی کتونهایی نظیر 2، 4- پنتان دیون ( استیا استون ) ( بخش 22-4 ) را می توان ذکر کرد . آنچه در پایدارزی فرم انول 2 ، 4- پنتان دیون سهم دارد تشکیل یک انون مزدوج و پیوند هیدروژنی داخل ملکولی بین پرتون انول و اکسیژن کربونیل باقیمانده است . توجه کنید که ساختمان حاصل حاوی یک حلقه تقریبا بدون کشش شش ضلعی است
نتیجه حاصل از تشکیل انول : تبادل دوتریم و ایزومره شدن فضائی
از اثر اسید یا باز بر یک کتون بعنوان حلال منجر به تبادل تمام هیدروژنهایی که می توانند در توتومره شدن کتو – انول شرکت نمایند می گردد . این واکنش را می توان به اسانی توسط H NMR دنبال کرد زیرا پیکهای مربوط به این هیدروژنهای به آهستگی ناپدید می شوند .
مکانیسم این واکنش تبادلی همانند توتومریسم با کاتالیزور اسید و باز می باشد ، فقط بعد از انوله شدن ترکیب کربونیل دار اولیه مجددا در اثر حمله D بجای H تشکیل می گردد .
چون DO حلال است احتمال پرتونه شدن مجدد در مقایسه با دو تریم دار شدن کم است . اصولا پرتون در حضور مقدار زیاد DO کم می شود . تکرار این مکانیسم تبادلی به جایگزینی کامل تمام هیدروژنها توسط دو تریم منجر می شود
نتیجه دیگری که از انوله شدن حاصل می شود تحریک فضایی مرکز فضایی حاصل هیدروژنهای قابل انوله شدن می باشد . مثلا از اثر باز ملایم برسیس 3- ،-2 سیکلو پنتانون های دو استخلافی ، ایزومرهای ترانس حاصل می گردد . بدلایل فضایی ، این ساختمانها از نظر ترمودینامیکی پایدارتر می باشند .
واکنش از طریق یون انولات ، که در آنت کربن a دیگر مرکز فضایی نیست انجام می شود . پرتونه شدن مجدد از جانب سیس نسبت به گروه 3- متیل منجر به محصول فوق می گردد .
به همین دلیل ، در ترکیباتی که مرکز فضایی آنها مجاور گروه کربونیل می باشد باقی ماندن فعالیت نوری مشکل است . مثلا در درجه حرارت اطاق ترکیب فعال نوری 3- فنیل -2- بوتانون در محلول بازی اتانول با نیمه عمری حدود یک دقیقه تبدیل به فرم راسمیک می شود .
هالوژناسیون آلدئیدها و کتونها از طریق واسطه انولات یا انول
آلدئیدها و کتون ها در محل کربن مجاور گروه کربونیل یا هالوژن ها واکنش می دهند . بر خلاف واکنش دونریم دار شدن میزان هالوژناسیون بستگی به مصرف کاتالیزور اسیدی یا بازی دارد . مثلا در حضور اسید هالوژناسیون معمولا بعد از وارد شدن اولین هالوژن متوقف می شود .
سرعت هالوژناسیون با کاتالیزور اسیدی مستقل از غلظت هالوژن است که بیانگر اینست که یک مرحله تعیین کننده سرعت واکنش شامل ترکیب کربونیل دار وجود دارد . این مرحله ، مرحله انوله شده می باشد . سپس هالوژن به پیوند دوگانه حمله کرده واسطه هالوکربوکاتیونی می دهد که توسط اکسیژن پایدار می شود حذف پرتون در مرحله بعدی به تشکیل محصول منجر می گردد .
چرا بعد از وارد شدن اولین هالوژن واکنش کند می شود ؟ جواب در آنچه برای انوله شدن لازم است نهفته می باشد برای هالوژناسیون مجدد ، ترکیب هالوکربوکاتیون بایستی از طریق مکانیسم متداول با کاتالیزور اسیدی مجددا تبدیل به انول می گردد . ولی ، قدرت الکترون گیرندگی هالوژن ، عمل پرتونه شدن یعنی اولین مرحله در انوله شدن را مشکل تر از همین عمل با ترکیب مربونیل دار اولیه می سازد
بنابر این ، محصول تک هالوژنه حاصل تا وقتی آلدئید یا کتون اولیه وجود دارد دیگر هالوژنه نمی شود . پس از آن است که هالوژناسیون بیشتر صورت می گیرد
هالوژناسیون با کاتالیزور بازی کاملا متفاوت است . در اینجا واکنش را به سختی می توان متوقف ساخت و لذا کلا مفید نیست ، ولی با متیل کتونها ، مشتق تری هالو متیل حاصل به صورت یک گروه ترک کننده تحت شرایط بازی عمل می کند و محصول نهایی در اکثر موارد یک کربوکسیلیک اسید و تری هالومتان ( نام متداول ، هالوفرم ) می باشد . این فرآیند در آزمایش ید و فرم برای 2- الکانولهای نوع دوم و متیل کتونها ظاهر می شود .
این واکنش چگونه انجام می شود ؟ ابتدا باز ، یون انولات تشکیل می دهد . این گونه آنقدر نوکلئوفیل هست که به ملکول هالوژن حمله کرده ، مستقیما ترکیب منوهالو بسازد . نیروی الکترون گیرندگی هالوژن اثر اسیدی کنندگی روی هیدروژن مجاور دارد و تشکیل انولات را سرعت می بخشد و لذا هالوژناسیون بیشتر صورت می گیرد . گروه تری هالومتیل بوسیله حمله نوکلئوفیلی هیدروکسید روی عامل کربونیل کند می شود و این عمل همانند هیدراسیون با کاتالیزور بازی آلدئیدها و کتون ها می باشد بهرحال در اینجا بجای پرتونه شدن ، بار منفی به همراه گروه خارج شونده ، می رود و پیوند دوگانه کربن – اکسیژن را دوباره ایجاد می کند . این فرآیند بسیار شبیه عکس تشکیل سیانوهیدریدین می باشد .
بطور خلاصه ، آلدئیدها و کتون ها در حال تعادل با فرمهای انول هستند که تقریبا 10 کیلو کالری برمول ناپایدارترند . تعادل متو – انول توسط اسید یا باز کاتالیز می شوند . انوله شدن تبادل ساده و آسان و نیز ایزومر شدن فضایی مجاور گروه عاملی را ممکن می سازد . هالوژناسیون در اسید بطور گزینشی به تشکیل ترکیبات کربونیل منوهالوژنه می انجامد و در حضور باز ، هالوژناسیون کامل است با متیل کتون ها ، حذف گروه تری هالو متیل به تشکیل اسیدهای کربوکسیلیک و هالوفرم منجر می شود .
حمله انولاتها به عامل کربونیل
تراکم آلدولی
انولاتها می توانند به کربن کربونیل حمله کرده ، تولید ترکیبات هیدروکسی کربونیل بنمایند . حذف ملکول آب از تین ترکیبات به تشکیل آلدئیدها و کتونهای غیر اشباع در محل a ، b منجر می شود . نتیجه کلی این دو مرحله یک واکنش تراکمی است .
آلدئیدها با کاتالیزورهای بازی واکنش تراکمی انجام می دهند
کوچکترین آلدئید با هیدروژن قابل انوله شدن ، اتانال ( استالدئید ) در حضور سدیم هیدروکسی آبکی ناپایدار است . صرف نظر از تعادل سریع آن با فرم هیدرات مربوطه ، به آهستگی ( و در اثر حرارت ، به سرعت ) به محصول تراکمی تبدیل شده ، یک آلدئید غیر اشباع در محل a ، b یعنی ترانس -2- بوتنال ( کروتون آلدئید ) می دهد
این واکنش نموه ای از تراکم آلدولی است . تراکم آلدولی در مورد آلدئیدها عمومیت دارد ولی همانطور که خواهیم دید در مورد کتونها نیز می تواند انجام شود .
مکانیسم این واکنش نمونه ای از شیمی انولات می باشد . در شرایط بازی ، تعادلی بین آلدئید و یون انولات مربوطه برقرار می گردد . یون انولات تولید شده ، که توسط آلدئید اضافی احاطه شده است ، کربن نوکلئو فیل خود را برای حمله به کربونیل ملکول آلدئید دیگر بکار می برد . پرتونه شدن یون الکوکسید محصول اضافی آلدولی اولیه ، 3- هیدروکسی بوتانال ، که همان نام متداول آلدول به آن اطلاق می شود را تولید می کند .
توجه کنید که یون هیدرکسید بعنوان کاتالیزور در این واکنش عمل می کند . دو مرحله آخری ، مرحله تعادل نا مطلوب اولیه را به طرف محصول می برند ولی واکنش کلی زیاد گرما زا نیست و لذا کاملا برگشت پذیر می باشد آلدول با راندمان 50 الی 60 درصد تولید می شود و اگر در درجه حرارت پایین 50 درجه سانتیگراد انجام شود واکنش بیشتری نمی دهد .
در درجه حرارت بالا ، آلدول به یون انولات مربوطه اش تبدیل می شود که یون هیدرکسید از دست داده محصول نهایی را ایجاد می کند . نتیجه نهایی این مرحله یک واکنش آب گیری آلدول با کاتالیزور هیدرکسید می باشد .
استفاده سنتزی واکنش آلدول از این واقعیت سرچشمه می گیرد که پیوند کربن – کربن تشکیل می شود و یک هیدروکسی کربونیل یا یک کربونیل غیر اشباع در محل a ، b تولید می کند .
یکی از اشکالات واکنش آلدولی عدم گزینش پذیری آن در موقع استفاده از دو نوع مختلف آلدئید می باشد ( تراکم آلدولی متقاطع ) . مثلا مخلوط 1 به 1 اتانال ( استالدئید ) و پروپانال چار محصول تراکم آلدولی ( یا آلدئید غیر اشباع در محل a ، b در درجه حرارت بالا ) با نسبت آماری تولید می کند .
این مسئله را با استفاده از آلدئیدی که هیدروژن قابل انوله شدن نباشد می توان به حداقل رساند . زیرا دو محصول قابل انتظار تشکیل نمی شود . برای اطمینان از فعالیت یک به یک در این مورد ، آلدئید قابل انوله شدن به آهستگی به واکنش دهنده غیر قابل انوله شدن ( معمولا به صورت اضافی بکار می رود ) افزوده می شود . به مجرد اینکه یون انولات تشکیل می شود ، ترجیحا با آلدئید دیگر واکنش می دهد .
گزینش پذیری در بعضی از تراکمهای آلدولی داخل ملکولی ، که در آنها احتمال واکنش های بین ملکولی به حداقل می رسد ، نیز صورت می گیرد .
تاکنون ، الدئید ها بعنوان ماده اولیه در واکنشهای تراکمی مورد بحث قرار قرار گرفته اند . کتونها چگونه رفتار می کنند ؟ در اثر باز بر پروپانون ( استون ) مسلما به تشکیل مقداری 4- هیدرکسی -4- متیل -2- پروپانون منجر می شود ولی فقط با راندمانی جزیی و در تعادل با ماده اولیه .
اینکه تعادل فوق واقعی است و از هر طرف می تواند تحت تاثیر قرار گیرد را می توان از اثر باز بر 4- هیدروکسی -4- متیل -2- پنتانون اثبات کرد . این عمل بسرعت به واکنش عکس آلدولی منجر شده و تولید پروپانون ( استون ) می نماید .
دلیل اینکه نیروی محرکه در واکنش تراکم آلدولی کتونها در مقایسه با آلدئیدها کمتر است را می توان در قدرت کمی بیشتر ( حدود 3 کیلوکالری برمول ) پیوند کربونیل در کتون جستجو کرد . بدین ترتیب در حالیکه افزایش آلدولی آلدئیدها کمی گرمازاست . همین واکنش برای کتونها تا حدی گرماگیر می باشد . با اینحال واکنش آلدولی کتونها را می توان با استخراج محصول الکل به طور مداوم از مخلوط واکنش ، به پیش برد . یا اینکه با آب گیری در تحت شرایط شدیدتر و حذف آب از محیط واکنش تعادل را به طرف تشکیل کتون غیر اشباع a ، b هدایت کرد . همانطور که در زیر نشان داده شده است .
تراکم کتونها به صورت داخل ملکولی روشی ساده برای تشکیل انونهای حلقوی و دو حلقه ای می باشد بسته به شرایط واکنش و نوع ماده اولیه ، آلدول یا محصول تراکمی جدا می شود .
اصولا ترکم آلدولی به صورت داخل ملکولی می تواند محصولات متعدد با اندازه های مختلف حلقه ایجاد نماید . ولی حلقه ، با حداقل کشش معمولا پنج یا شش ضلعی ، تشکیل می شود . مثلا در یکی از مثالهای قبل 2 ، 5- هگزان دیون ترکیب 3- متیل -2- سیکلو پنتان را تولید می کند و اصلا محصول با حلقه سه تایی تشکیل نمی شود .
به همین نحو ، 2 ، 7- اکتان دیون به تشکیل حلقه پنج ضلعی انونی منجر می شود و حلقه هفت ضلعی ایجاد نمی گردد
دلیل این نتایج این است که افزایش آلدولی برگشت پذیر است و لذا به محصولات ترمودینامیکی منجر می گردد
واکنش آلدولی در طبیعت رخ می دهد
تراکم آلدولی در سیستمهای طبیعی صورت می پذیرد . مثلا الیاف کولاژن از طریق پیوندهای عرضی حاصل از تراکم آلدولی واحدهای آلدئیدی تقویت می شوند . کولاژن فراوانترین پروتئین رشته ای در پستانداران است که جزء عمده لیفی پوست ، استخوان زردپی ، غضروف و دندان می باشد . یکی از نقش های آن به هم نگهداشتن واحد های سلولی مجزا می باشد . ساختمان آن اساسا ردیفهای متباعد ملکولهای تروپوکولاژن است ، که شامل زنجیرهای پلی پیتیدی سه رشته ای مارپیچ می باشد . پیوند عرضی برای پلیمرهای با پیوندهای عرضی مشاهده می شود این زنجیرها از تراکم آلدولی با کاتالیزور آنزیمی حاصل می شود . ابتدا باقیمانده های لیسین در زنجیر از طریق آنزیمی به مشتقات آلدئیدی اکسیده می گردد . سپس یک تراکم آلدولی بین دو زنجیر ، پیوندهای عرضی برقرار می سازد .
میزان پیوند عرضی بستگی به نقش یافت دارد . مثلا کولاژن در زرد پی اچیل موشها دارای پیوندهای عرضی بسیار زیاد است ، ولی در دم متحرک آنها این میزان کمتر می باشد .
تشکیل یک پیوند عرضی آلدولی از طریق رو زنجیر فرعی لیسین
آلدولی انجام داده ، به آلدئیدها و کتونهای غیر اشباع a ، b تبدیل می شوند . این واکنشها از طریق انولات به عامل کربونیل به پیش میروند و ابتدا منجر به تشکیل یک مشتق هیدرکسی کربونیل می گردند که سپس در اثر حرارت آب از دست می دهند . تراکم آلدولی متقاطع به مخلوط محصولات منجر می شود ، مگر اینکه یکی از واکنش دهنده ها نتواند تبدیل به فرم انول گردد . افزایش آلدولی به گروه کربونیل کتون از نظر انرژی نامطلوب است . برای اینکه تراکم آلدولی کتون ها را بتوان به محصول منتهی کرد ، شرایط خاصی نظیر خارج ساختن آب یا آلدول تشکیل شده از محیط عمل بایستی ، بکار گرفته شود . تراکم آلدولی داخل ملکولی می تواند کاملا گزینشی باشد و به تشکیل سیکلوالکنون های با کمترین کشش منجر شوند . نمونه ای از واکنش آلدولی در طبیعت پیوند عرضی الیاف کولاژن می باشد .
طرز تهیه و شیمی آلدئیدها و کتون های غیر اشباع a ، b
آلدئیدها و کتونهای غیر اشباع a ، b حاوی دو گروه عاملی می باشند . همانند سایر ترکیبات دو عاملی شیمی آنها می تواند تلفیق ساده ای از رفتار مجزای دو نوع پیوند دو گانه و یا به صورتی که توضیح داده شد ، ممکن است شامل عامل انون به صورت فرم کلی باشد . این بخش با مروری بر طرز تهیه این ملکولها شروع می شود .
در بخش 16-3 نشان دادیم که چگونه آلدئیدها و کتونهای غیر اشباع را می توان از طریق تراکم آلدولی تهیه نمود . روشهای سنتزی دیگر برای این دسته از ملکولها وجود دارد . مثلا پیوند دوگانه کربن – کربن را می توان از طریق هالوژناسیون و سپس حذف هیدروهالوژن توسط باز ، به کنار عامل کربونیل وارد نمود ، همانطور که در زیر نشان داده شده است .
روش دیگر برای وارد کردن پیوند دوگانه واکنش ویتیگ پیلیدهای کربونیل می باشد . مثلا ، 2- کلرواتانال ( 20 کلرواستاالدئید ) را می توان به نمک فسفونیوم ، و پس از حذف پرتون به پلید مربوطه تبدیل کرد .
بعلت اینکه محصول از طریق رزونانس پایدار می باشد ، پرتون زدایی ساده اسن . یک چنین ییلیدهای پایدار شده ، نسبتا غیر فعالند و بسادگی جدا شده و نگهداری می شوند . مثلا با کتونها ، واکنش های ویتیگ نمی دهند . ولی با آلدئیدها واکنش داده ، آلدئیدهای غیر اشباع a ، b مربوطه را ایجاد می کنند واکنشهای مشابه با پلیدهای الکانویل امکانپذیر است .
روش چهارم برای تهیه آلدئیدها و کتونهای غیر اشباع a ، b از طریق اکسید اسیون الکلهای آلیلی می باشد . معرف خاص این تغییر شکل ، منگنز دی اکسید ، است مثلا ، ویتامین A را می توان با این روش به رتینال تمام ترانس ، ملکولی که در شیمی بینایی حائز اهمیت است ، اکسیده نمود .
آلدئیدها و کتون های مزدوج از ایزومرهای غیر مزدوج آنها پایدارترند
نظیر دی ان های مزدوج ، آلدئیدها و کتون های غیر اشباع a ، b از طریق رزونانس پایدار می شوند .
بدین ترتیب ، ترکیبات کربونیل دار غیر اشباع B ، Y به آسانی به ایزومرهای مزدوجشان تغییر آرایش می یابند . پیوند دوگانه کربن – کربن به صورت مزدوج با گروه کربونیل در می آید .
عمل ایزومره شدن می تواند با کاتالیزور اسیدی و یا بازی انجام گیرد . مسیر با کاتالیزور اسیدی ، از طریق دی انول مزدوج انجام می شود . پرتون دار شدن انتهای دور از گروه هیدروکسی ، یک کربوکاتیون پایدار شده از طریق رزونانس ایجاد می کند که پس از حذف پرتون از روی اکسیژن ، محصول بدست می آید .
در واکنش با کاتالیزوربازی ، ترکیب واسطه ، یک یون دی انولات مزدوج است که مجددا در محل کربن انتهایی پرتونه می شود .
آلدئیدها و کتونهای غیر اشباع a ، b واکنشهای مربوط به گروههای عاملی متشکله را انجام
می دهند
a ، b – آلدئیدها و کتونهای غیر اشباع واکنشهایی از خود نشان می دهند که از شیمی پیوندهای دوگانه کربن – کربن و کربن – اکسیژن کاملا قابل پیش بینی است . مثلا هیدروژناسیون با پالادیم روی کربن ترکیب کربونیل اشباع ایجاد می کند .
کاتالیزور های خاصی سبب کاهش گزینشی گروه کربونیل بدون اثر گذاشتن بر پیوند دوگانه کربن – کربن ، می گردند .
حمله الکتروفیلی در محل سیستم کربن – کربن صورت می گیرد . مثلا برمیناسیون به تشکیل ترکیب دی برموکربونیل می انجامد .
عامل کربونیل تحت تاثیر واکنشهای افزایشی متداول قرار می گیرد . بدین ترتیب ، افزایش آمینها موجب تشکیل محصولات تراکمی مورد انتضار می گردد .
واکنشهای آلدئیدهای غیر اشباع در طبیعت : شیمی بینایی
ویتامین A ( رتینول ) یک عامل تغذیه کننده بینایی است . کمبود ویتامین A سبب شب کوری می گردد . ارگانیسمهای زنده آنزیمی موسوم به رتینول دهید روژناز را برای اکسید کردن ویتامین به ترانس – رتینال بکار می گیرند . این ملکول در سلول پذیرنده نور چشم انسان حضور دارد ولی قبل از آنکه بتواند اثر بیولوژیکی در خود را اعمال کند بایستی توسط آنزیمی دیگر ، رتینال ایزومراز ، ایزومره شده و به سیس – رتینال تبدیل گردد .
این ملکول به خوبی در مکان فعال یک پروتئین موسوم به اوپسین ( با وزن ملکولی تقریبی 38000 ) جای می گیرد . سیس – رتینال با یکی از استخلافهای آمین اوپسیسن واکنش داده تولید ایمین رودوپسین ، واحد شیمیایی حساس نوری در چشم ، می نماید . طیف الکترونی رودوپسین ، بعنوان دلیلی بر حضور گروه ایمین پروتونه شده تفسیر می گردد .
وقتی یک فوتون ، به رودوپسین برخورد می کند ، قسمت سیس رتینال در زمانی حدود 10 ثانیه به سرعت به ایزومر ترانس ، ایزومره می گردد . این عمل ایزومره شدن یک تغییر فاحش شکل هندسی ملکول را باعث می شود ، که بنظر می رسد جایگیری آرام و محکم ملکول اصلی در حفره پروتئین را به شدت متزلزل می سازد . در مدت زمانی حدود 10 ثانیه یک سری شکلهای واسطه ای جدید از این محصول نوری ، حاصل می گردند که با تغییرات هم آرایشی ( کنفورماسیونی ) در ساختمان پروتئین همراه می باشند . و سرانجام به هیدرولیز واحد رتینال با جایگیری ضعیف منجر می شود . این مراحل یک ضربان عصبی را آغاز می کنند که توسط ما به صورت نور دریافت شده است . سپس ترانس – رتینال مجددا به فرم سیس ، توسط رتینال ایزومراز ، ایزومره شده ، مجددا رودوپسین را تشکیل می دهد که برای فوتون دیگری آماده است . آنچه در این مکانیسم خارق العاده است ، حساسیت آن می باشد ، که به چشم اجازه می دهد برخورد بسیار کوچک یک فوتون به رتینا را ثبت کند . باعث تعجب است که تمام سیستمهای بینایی شناخته شده در طبیعت دارای تاریخ تکامل کاملا متفاوتی باشند . ظاهرا ، این ملکول راه حل مطلوب را برای مسئله بینایی ارائه می کند .
را مرور می کند . این روشها عبارتند از : تراکم آلدولی هالوژناسیون – هیدروهالوژن زدایی آلدئیدها و کتونهای اشباع ، واکنشهای ویتیگ با پیلیدهای پایدار شده ، ایزومره شدن سیستمهای کربونیل غیر اشباع B ، Y و اکسیداسیون الکلهای آلیلی توسط سیستمهای حاصل تحت تاثیر واکنشهای ترکیبات کربونیل و الکنها قرار می گیرند . نهایتا یک آلدئید غیر اشباع خاص ، رتینال ، در شیمی بینایی از طریق تشکیل ایمین و ایزومره شدن سیس – ترانس فتوشیمیایی شرکت می کند .
افزایشهای 1/4- به آلدئیدها و کتونهای غیر اشباع
این بخش نشان می دهد که چگونه گروه کربونیل مزدوج آلدئیدها و کتونهای غیر اشباع a ، b می تواند در واکنشهایی که شامل سیستم عاملی کامل می باشد شرکت کند . این واکنشها ، افزایشهای 1 ، 4- از نوعی است که در مورد 1 ، 3- بوتادین ملاحظه شد . بسته به نوع معرف ، واکنش با مکانیسم افزایشی با کاتالیزور اسیدی ، رادیکالی یا نوکلئوفیلی به پیش می رود .
واکنشهای آلدئیدها و کتون های غیر اشباع a ، b که توضیح داده شد را نی توان به صورت افزایش 1 ، 2- به یکی از پیوندهای سیستم دسته بندی کرد .
ولی ، معرفهایی وجود دارند که به صورت 1 ، 4- به سیستم اضافه می شوند و نتیجه به افزایش مزدوج موسوم است . در این تغییر شکلها ، قسمت نوکلئوفیل یک معرف به کربن – B و قسمت الکتروفیل ( اغلب ، پرتون ) به اکسیژن کربونیل متصل می شود . محصول ابتدایی یک انول است که به فرم کتون تغییر شکل می یابد .
هیدروژن سیانید به ترکیبات کربونیل مزدوج حمله کرده و B- سیانوکربونیل می دهد
از اثر سیانید بر کتون یا آلدئید مزدوج در حضور اسید ، ممکن است به حمله سیانید به کربن B منجر شود ، که این عمل ، خلاف تشکیل سیانوهیدرین می باشد . اگر چه این تغییر شکل بنظر می رسد که یک افزایش 1، 2- به پیوند دو گانه C-C ایجاد می کند ، ولی این عمل از طریق افزایش 1، 4- انجام می گیرد : که با پرتونه شدن اکسیژن کربونیل و سیس حمله B نوکلئوفیلی و سرانجام توتومریسم کتوانول همراه است .
افزایش مزدوج نوکلئوفیلهای اکسیژن و ازت
آب ، الکلها ، و آمینها می توانند به صورت 1، 4- افزایش یابند . اگر چه این واکنش ها بوسیله اسید یا باز کاتالیز می شوند محصولات معمولا با سرعت بیشتر و راندمان بالاتر ، با کاتالیزور بازی حاصل می گردند .
توجه کنید که هیدراسیون ترکیبات کربونیل a ، b عکس مرحله دوم تراکم آلدولی است . مسلما در حرارت بالا ، افزایش 1، 4- برگشت پذیر است و محصولات دیگری ممکن است تشکیل شود – مثلا محصولات حاصل از تراکم آلدولی یا تراکم آمینی .
مکانیسم افزایش به آلدئیدها و کتونهای مزدوج با کاتالیزوربازی شامل حمله مستقیم نوکلئوفیل به کربن B و تشکیل یون انولات می باشد ، که متعاقبا پرتونه می گردد .
معرفهای ارگانومتالیک ممکن است به عامل کربونیل غیر اشباع a ، b بصورت 1، 2- یا 1، 4- افزوده شوند . مثلا معرفهای ارگانولیتیوم ترجیحا از طریق حمله نوکلئوفیلی به کربن کربونیل عمل می کنند .
از طرف دیگر ، کوپراتها فقط محصولات افزایش مزدوج را ایجاد می کنند .
واکنشهای افزایشی 1، 4- با ترکیبات ارگانومتالیک مس بنظر می رسد از طریق مکانیسم سریع و پیچیده انتقال الکترون شامل رادیکال و احتمالا گونه های ارگانوکاپر دیگر ، عمل می کنند . اولین واسطه قابل جدا شدن یک یون انولات است که می توان آن را توسط گونه های الکیله کننده ، همانطور که نشان داده شده ، به دام انداخت . افزایش مزدوج که با الکیلاسیون همراه است ، ترتیب مناسبی را برای دی الکیلاسیون a ، b آلدئیدها و کتونهای غیر اشباع فراهم می سازد .
