Киселинно и основно каталитично получаване на хидрати на хемиацеталите

Вече видяхме как се получават хидрати от полуацетали в реакции без катализатор. В това видео ще покажа как се получават хидрати и полуацетали в реакции, катализирани от киселини и основи. Ще започнем с киселинно- катализирани реакции: Тук имаме алдехид или кетон и първо ще направим хидратиране. Знаем, че в нормална реакция на хидратиране само добавяме вода, но в киселинно или основно катализирана реакция трябва да добавим източник на протони, значи Н+. Така ще получим хидроний или Н3О+. В киселинно-катализираната реакция първото нещо, което ще се случи, е протонирането на карбонилния кислород. Несподелената електронна двойка при кислорода тук ще отнеме протон от хидрония, като ще остави тези електрони ето тук. Ще покажа как става това: Ще протонираме карбонилния кислород тук, т.е. ще прикачим водород, от което тук получаваме заряд +1 при кислорода. Въглеродът все още е свързан с R група и водород, така че можем да напишем резонансна структура за това. Можем да покажем как тези пи-електрони тук се преместват при кислорода, нека да го направя. Сега този кислород тук горе ще има две несподелени електронни двойки, като отнемаме връзка от този въглерод. Ако отнемем връзка от този въглерод, получаваме заряд +1. Тук ще поставя резонансни скоби, а сега да проследим тези електрони. Тези пи-електрони тук се преместват при горния кислород, като отнемат връзка от карбонилния въглерод ето тук; това му дава пълен положителен заряд в тази резонансна структура, значи заряд +1. Това прави нашия карбонилен въглерод по-електрофилен, което означава, че нуклеофилът може да атакува по-добре, нуклеофилът ще бъде привлечен по-силно. Това прави карбонила по-реактивен, така че ролята на киселинния катализатор е да направи карбонилния въглерод по-електрофилен, което означава по-реактивен в реакция на нуклеофилно присъединяване. Друга водна молекула се приближава. Ще я направя отново жълта. Значи водната молекула се приближава, тя действа като нуклеофил по-нататък в механизма. Несподелената двойка електрони при кислорода ще атакува карбонилния въглерод, сега ще покажа това. Кислородът се присъединява при този въглерод тук, а този кислород все още е свързан с два водорода и има една несподелена електронна двойка, което му придава заряд +1. Този въглерод пак е свързан с този кислород, този кислород също има две несподелени електронни двойки, ето така. Така че, когато пишем междинното съединение, тук имаме водород, ето така. Ще покажа тези електрони. Несподелената двойка електрони при този кислород ще атакува карбонилния въглерод, ще образува връзка, така че тези електрони са ето тези тук. После тези пи-електрони тук в нашия карбонил отиват при кислорода, ето така. Това ни дава междинното съединение, и почти се образува хидрат. Последната стъпка е депротониране. Приближава се една водна молекула, която сега ще действа като основа и ще отнеме този протон, като тези електрони остават при този кислород. Сега ще покажа продукта, получаването на хидрат. Имаме въглерод, свързан с две ОН групи сега, образува се хидрат или гем-диол. Ще проследя тези електрони. Нека тези електрони тук отдясно да се преместят при горния кислород, няма значение коя несподелена електронна двойка ще вземеш, и това е образуването на нашия хидрат. Мажехме да тръгнем от кетон, вместо от алдехид. Ако бяхме започнали с кетон, тук щеше да е нашето прим, а после това щеше да е нашето прим, след което това щеше да е прим, и накрая тук щеше да е прим. Това пак е образуване на хидрат. Ако искаме да получим полуацетал, трябваше да започнем не с вода, а трябваше да започнем с алкохол. Нека да го покажа. Нека това да е R"ОН, това е киселинно- катализираният процес, значи R"ОН и Н+. Вместо да се образува хидрат, тук ще се образува полуацетал. Значи вместо Н3О+, което имаме при киселинно-катализираното хидратиране, тук ще присъединим протон към алкохола. Нека да променя това, тук вече няма да е Н, тук ще бъде R", ето така. И когато присъединим протон към нашия карбонилен кислород, и като направим нашия въглерод по-електрофилен, тук електрофилът няма да е вода, а ще бъде алкохол. Молекулата на алкохола ще бъде нуклеофил и ще атакува карбонилния въглерод. Можем сега да проследим това R". Тук няма да е Н, а ще бъде R". Следователно в крайния ни продукт тук ще бъде не Н, а ще бъде R". Надявам се, че разпознаваш, че сега имаме полуацетал. Най-често е трудно да се изолира полуацеталът. Ако реакцията протича в кисела среда, тогава полуацеталът ще се превърне в пълен ацетал. Сега ще покажа структурата на пълния ацетал. Това не е само една стъпка, но ние нямаме да разглеждаме стъпките в това видео, ще ги разгледаме в следващото видео. Тук само исках да ти покажа структурата на пълния ацетал. Тук ще имаме R", несподелени електронни двойки при този кислород, и тук имаме R" и несподелени електронни двойки при кислорода. Така че това ще бъде ацетал, и хайде още веднъж да сравним структурите. При ацетала имаме ОR" -група, още една ОR" група в нашия ацетал. При полуацетала имаме само една от тези ОR" групи, като пак повтарям, ще разгледаме много по-подробно ацеталите в следващото видео. Тук могат също да се получат хидрати и полуацетали, като използваме основа като катализатор. Нека да разгледаме механизма за това. Първо започваме с хидрартиране. Ето тук отдясно е нашият алдехид или кетон, в некатализираната версия, да напомня пак, използвахме вода като нуклеофил. Знаем, че нашият карбонилен въглерод, ето тук, е частично положителен, кислородът е частично отрицателен. Значи водата действа като нуклеофил и атакува карбонилния въглерод. При катализирания с основа процес основата може да вземе този протон тук във водата, като я превръща в по-силен нуклеофил. Така се получава хидроксиден анион, който е по-добър нуклеофил от водата. Значи имаме пълен отрицателен заряд –1 при кислорода, което прави хидроксидния анион по-добър нуклеофил. Той ще атакува при процеса, катализиран от основа. Така че тук има нуклеофилна атака, нуклеофилна атака на електрофила, тези електрони отиват при кислорода. Сега да видим какво ще се получи. Сега ОН ще бъде свързан с въглерода, ще поставя това тук. Сега имаме само две несподелени електронни двойки при кислорода. Сега да проследим отново някои електрони. Тези електрони тук ще образуват връзка между кислорода и този въглерод, да кажем, че е точно тук. Също така свързан с този въглерод има кислород, който имаше две несподелени електронни двойки и сега получи още една. Сега той има отрицателен заряд –1. Нека да проследим тези електрони, ще ги направя червени. Ето тук тези електрони отиват при този кислород, като пак няма значение коя електронна двойка ще вземем. Да кажем, че е тази. Към въглерода също има свързани една R група и водород. Това е междинното съединение, а в следващата стъпка за да се получи хидрат, трябва да протонираме. Тук ще имаме водна молекула, която може да действа като киселина. Сега ще покажа това. Това ще действа като основа, така че да кажем, че тези електрони в червено взимат един протон от водата, като електроните остават при кислорода. Така се получава хидрата, защото сега имаме този кислород ето тук отляво. Сега имаме този кислород тук отдясно, който присъедини протон. Сега ще покажа тези електрони в червено, които придърпаха този протон, и образуваха тази връзка тук. Така получихме нашия хидрат. Тук ще поставя R и това Н. Повтарям, че можехме да осъществим процеса, като започнем с кетон, така че хайде да го видим много бързо. Вместо водород тук, можехме да имаме R', тук можеш да е R', тук можеше да е R', и това е хидрат също. Ако искаме да получим полуацетал, отново, не започваме с вода, а започваме с алкохол. Това ще направим R". Ако използваме основа, тя ще отнеме този протон от алкохола, за да се образува алкоксид. Тук ще бъде R", като алкоксидният анион е по-нуклеофилен от самия алкохол. Значи алкоксидът атакува, вместо да имаме водород, тук ще бъде R". Можехме да покажем тази стъпка, това няма да е вода, а ще бъде алкохол. Мога да направя това тук R", и накрая в нашия полуацетал това няма да е водород, а ще бъде R". Можем да видим, че се получи полуацетал като продукт. При основа полуацелът няма да реагира до ацетал. Това е важен момент, когато използваме ацетали като защитни групи, те са стабилни в алкална среда. Значи няма да получим ацетал в алкална среда (основа), но след като вече имаме ацетал, той е стабилен в присъствие на основа. Ще видим повече по тази тема в следващите видео уроци.