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台灣大學開放式課程 有機化學乙 蔡蘊明 教授 【本著作除另有註明,作者皆為蔡蘊明教授,所有內容皆採用 創用CC 名標示-非商業使用-相同方式分享 3.0 台灣 授權條款釋出】

蔡蘊明 教授ocw.aca.ntu.edu.tw/ocw_files/100S120/100S120_CS35L01.pdf · 2012-06-06 · 台灣大學開放式課程. 有機化學乙. 蔡蘊明 教授 【本著作除另有註明,作者皆為蔡蘊明教授,所有內容皆採用

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Chapter 19 Condensation and conjugate addition reactions of carbonyl compounds

※ β-Dicarbonyl compounds

R R'

O O

R OR'

O O

RO OR

O O

β-dicarbonyl system β-keto ester malonic ester

O O

H

pKa~10-14

O OH

O O−

+ H+

O O OO−

a vinylougous acid resonance stabilized

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★ The Claisen condensation

H3C OEt

O NaOEt

EtOH CH3CCH2COEtO O

2 + EtOH

NaOEt

CH3CCHCOEtO O

Na

HClCH3CCH2COEt

O O

ethyl acetoacetate(an acetoacetic ester)

75-76%

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Mechanism:

RCH2COEtO

RCH COEtO−

+ EtO− + EtOH

RCH2COEtO

RCH COEtO−

RCH2CO

C CR H

OOEt+ + EtO−

RCH2CO

C CR

OOEt + EtOH

This step drives the equilibrium to the right

OEt

O

HOEt

O O

No Claisen condensation No available acidic hydrogen

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OEt

O NaOEt

OEt

O O

OEt

O O

Na

AcOH

2 + EtOH

77%

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Dieckmann condensation

EtOOEt

O

O

O

OEt

O1) NaOEt

2) H+

diethyl haxanedioate(diethyl adipate)

ethyl 2-oxocyclopentanecarboxylate

74-81%

Basically, this is an intramolecular Claisen condensation

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◎ Crossed Claisen condensation

One component should have no α-hydrogen or be very reactive

O

OEt

O

OEtEtOO

OEt

OEtO

+

(excess)

1) NaOEt

2) H+

65%

CO2Et

CO2Et

O

OEtH

CO2Et

CO2Et

H

O

+1) NaH

2) H+

60-70%

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Others:

OEt

ONa+ −CPh3

Et2O OEt

O+ HCPh3

O

Cl

Ph OEt

O O+ NaCl

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◎ Acylation of ketones

O NaNH2 O− OEt

O

Et2O O O

1)

2) H3O+

76%

O

EtOOEt

O

O O OOEt

O+

1) NaOEt

2) H+

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★ The aldol reaction

O

HH3C CH3CHCH2CHOH O

210% NaOH, H2O

5 oC3-hydroxybutanal

50%

an aldol product *Also called an aldol addition product

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Mechanism: O

H+ OH− + H2O

O−

H

O

H

O−

H+

H

O− O

H

O− O+ H2O

H

OH O+ OH−

The aldol reaction is reversible For aldehydes, the equilibrium favors the aldol products

*The reverse of aldol reaction is called retro-aldol reaction

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◎ Dehydration of aldol addition product

+ H2OH

OH O+ OH−

H

OH O−∆

H

OH O−

H

O+ OH−

crotonaldehyde (2-butenal)

an enal an aldol condensation product

This double bond is more stable due to conjugation

Aldol addition or condensation? depend on the reaction condition and substrate structure

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◎ Acid-catalyzed aldol condensation

H+OO

H

OH OH

OH −H+ OH

OH

H+

OH

OH2O

Dehydration is easier under acidic condition

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◎ Aldol reaction of ketones equilibrium favors starting materials

OH ONaOH

NaOH

OH

OO

O2

55%

2

22%

higher steric effect lower yield

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◎ Synthetic application

2 RCH2CHO OH−

RCH2CHCHCHOH

R

O NaBH4

H2OR

OH

OH

R

a 1,3-diol

RCH2CH C CHR

O

H+, H2O

RCH2CH C CH2OHR

LAH

an allylic alcohol

H2

NiRCH2CH2CHCH2OH

R

RCH2CH2CHCHR

O

H2, Pd/C

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◎ Crossed aldol reaction

O

H

O

H

NaOH

H2O H

OH O

H

OH O

H

OH O

H

OH O

+ +

+ +

A mixture is obtained Solutions:

H

O

+

O

HOH−

10 oCH

O

68%

has no α-hydrogen (non-enolizable)

adds slowly to avoid self condensation

an extended conjugate system: dehydrates very easily

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O

HPh

O

HPhCH2

OH−PhCH CCH

Ph

O+

25 oC

O

HH+

O

Hdil. Na2CO3

40 oC

O

H

OH

> 64%

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◎ The Claisen-Schmidt reactions condensation of non-enolizable aldehyde with ketone

O

HPh

O OH−

PhCH CHCCH3

O+

100 oC70%

slow addition not necessary self condensation is slow

O

HO NaOEt

O

+EtOH−5 oC

BF3HOAc

OO

+Vitamine A

β-ionone

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◎ Condensation with nitroalkanes

RCH2 NO

O

−H+R-CH N

O

OR-CH N

O

Oresonance stabilizednitroalkane

pKa ~ 10

O

HPh

OH−

PhCH=CHNO2

PhCH2CH2NH2

+ CH3NO2

H2, Ni

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◎ With nitriles

CH3CN pKa ~ 25

O

HPhPhCH2CN

NaOEt

EtOHPhCH C C

PhN+

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◎ Application of aldol reaction: ring formation

HO

O

OH−O

HO−

O

O

−O

H2OO

HO

OH−

O−

HO

O

H

O−

cf.

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※ α,β-Unsaturated aldehydes and ketones

O + H-Nu

O−

O−

OHNu

OHNu

ONu

an ambident electrophile

1,2-addition

1,4-addition or

conjugate addition

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1,2-Addition is kinetic product

Oδ−

δ+

δ+ δ−

more positive: reacts faster

1,4-Addition is thermodynamically controlled

O−

NuO−

NuO

Nu

Resonance stabilized More stable

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In general: highly reactive nucleophiles such as RLi, RMgBr 1,2-addition moderately reactive nucleophiles 1,4 addition Ex: RO−, ROH, RNH2,

−CN

O 1) CH3MgBr

2) H3O+

OH O+

1,2-addition 1,4-addition

72% 20%

PhCH=CHCPhO EtOH

AcOHPhCH-CH2CPh

CN

O+ −CN

95%

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★ Michael addition

Addition of enolate to α,β-unsaturated carbonyl compounds

PhCH=CHCPhO

OOH−

O

Ph

Ph O

+

OOH−

O−

PhCH=CHCPhO

OH−

O

Ph

Ph O−

O

Ph

Ph O

H2O

+

Mechanism

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OEt

O EtO OEt

O O NaOEtO OEt

OEt

O OEt

O

+EtOH25 oC

70%

NN

NCN+

EtOHreflux

H2O CNO

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※ Robinson annulation

O

O

OOH−

CH3OH

O

OO

O

O

+

65%

a 1,3-dicarbonylcompound

methyl vinyl ketone(MVK)

OH−

O

O

O−

O

O

O−

very acidic

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※ The Mannich reaction

O O

HH

HCl

NEt2

O+ + Et2NH + H2O

O

HH

H+ OH

NEt2+ Et2NH

H+ O

NEt2

H H

NEt2 + H2O

Mechanism:

An imminium ion (very reactive)

O H+ OH N

Et

Et

NEt2

O

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◎ Directed aldol reaction

O O− Li+O

H O OLi

O OH

H2O

LDA, THF

−78 oC

75%cf. O O−

O

H

OO OH

+O−

O

H

HO

OH−

Obtain a mixture

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※ The Knovenagel condensation

Condensation of active methylene compound with aldehyde or ketone

OEt

O OCl CHO

EtOH

NH

AcOH−H2O

Cl CH

C

OOEt

O

+

86%

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※ Barbiturates (von Baeyer, 1863)

OEt

OEtO

O

OH2N

H2N NaOEt

NH

NHO

O

ON

N

HO

HO

OH+−EtOH

1

2

34

56

tautomerization

barbituric acid Stronger acid than acetic acid

Contains a pyrimidine ring

安眠藥用 HN

NH

O

O O

EtEt

Veronal (5,5-diethylbarbituric acid) pKa = 7.4

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※ Biological chemistry

H3C SCoA

O

SCoA

O O2

acetoacetyl CoA thiolase

acetyl CoA

More acidic than ester

O

OHO

N

P O−OO−

N

N

N

NH2

OPO

O−OP

O

O−OC

H2CCH3

CH3

HCOH

CO

NH

CH2

CH2

CO

NH

CH2

CH2

SCO

H3C

Full structure of acetyl CoA

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SCoA

O O

SCoA

O−O SCoA

O OH O+

HMG CoA synthase

β-hydroxy-β-methylglutaryl CoA

HMG CoA lyase

O−

O O

−CO2

O

acetone

β-hydroxybutyratedehydrogenase

O−

OHO H

ketone bodies

Diabetes or on starvation; No utilization of glucose Fat metabolism for energy Produce too much acetyl CoA Excess acetone is formed Ketosis Normal 3 mg/100 mL blood of ketone bodies Ketosis can be as high as 90 mg/100mL