⚗️ אלדהידים וקטונים

מבנה הקרבוניל ותגובתיות

הקבוצה הקרבונילית C=O מקוטבת מאוד: החמצן האלקטרושלילי 'מושך' אליו את צפיפות האלקטרונים של הקשר הכפול, כך שנוצר מטען חלקי שלילי (δ⁻) על החמצן ומטען חלקי חיובי (δ⁺) על הפחמן. פחמן הקרבוניל הוא sp2 (מישורי, זוויות קשר של כ-120°), אלקטרופילי, ולכן פגיע להתקפה של נוקלאופילים.

אלדהיד () ריאקטיבי יותר מקטון () כלפי תוספת נוקלאופילית משתי סיבות משלימות: (1) אפקט אלקטרוני - בקטון שתי קבוצות אלקיל תורמות אלקטרונים (השראה + היפרקוניוגציה) מקטינות את המטען החיובי החלקי על פחמן הקרבוניל ומייצבות אותו, בעוד שבאלדהיד יש רק קבוצת אלקיל אחת (ואטום H); (2) אפקט סטרי - בקטון שתי קבוצות האלקיל 'חוסמות' את הגישה לנוקלאופיל, בעוד שבאלדהיד הפחמן נגיש הרבה יותר.

פורמלדהיד () הוא הקרבוניל הריאקטיבי ביותר מכולם - אין לו אף קבוצת אלקיל, ולכן הן האפקט האלקטרוני והן האפקט הסטרי פועלים למקסימום הריאקטיביות.

• סדר ריאקטיביות כלפי תוספת נוקלאופילית: פורמלדהיד > אלדהיד רגיל > קטון (עם קבוצות אלקיל קטנות) > קטון עם קבוצות אלקיל גדולות/מסועפות.
• ארומטיזציה (כמו בבנזלדהיד) מורידה ריאקטיביות - הצמדה (קונפוגציה) של הטבעת הארומטית עם הקרבוניל מייצבת את המצב ההתחלתי ומפזרת את המטען החיובי.
• ככלל: ככל שהבסיס המצומד של הנוקלאופיל התוקף חלש יותר (יציב יותר) - כך הוא קבוצה פורשת טובה יותר בתגובות תוספת-סילוק (addition-elimination).

מנגנון כללי של תוספת נוקלאופילית

בתוספת נוקלאופילית לקרבוניל, הנוקלאופיל תוקף את פחמן הקרבוניל לא בזווית ישרה של 90° אלא בזווית אלכסונית של כ-107° הידועה כזווית Bürgi-Dunitz - זווית זו מאפשרת חפיפה אופטימלית בין המסלול (אורביטל) של זוג האלקטרונים הבודד של הנוקלאופיל לבין מסלול ה-π* (אנטי-קושר) של הקרבוניל.

עם ההתקפה, שני האלקטרונים של קשר ה-π עוברים אל החמצן, הפחמן עובר מהיברידיזציה sp2 ל-sp3 (מישורי → טטרהדרלי), ונוצר תווך ביניים אלקוקסיד טעון שלילית על החמצן. בשלב הבא, לרוב, מתרחשת פרוטונציה (מהמים/מהחומצה בתמיסה) שנותנת תוצר עם קבוצת הידרוקסיל (OH).

כאשר הנוקלאופיל התוקף מכיל זוג אלקטרונים בודד נוסף על האטום התוקף (כמו O או N), התהליך יכול להמשיך הלאה לתגובת תוספת-סילוק (addition-elimination) - כלומר, לאחר התוספת, מים עוזבים (אלימינציה) ונוצרת קשר כפול חדש (כמו ב-C=N באימין).

• נוקלאופילים חזקים/בסיסיים (כמו הידריד או קרבניון) יוצרים תוספת בלתי-הפיכה.
• נוקלאופילים חלשים יחסית (כמו מים או אלכוהול) יוצרים תוספת הפיכה - שיווי משקל שתלוי בתנאים (עודף מגיב, הסרת מים וכו').

הידרט (gem-diol) - תוספת מים

כאשר מים תוקפים את פחמן הקרבוניל, מתקבל הידרט (gem-diol) - פחמן הנושא שתי קבוצות הידרוקסיל. זהו שיווי משקל הפיך: הידרט ⇌ קרבוניל + מים, ולרוב שיווי המשקל נוטה לכיוון הקרבוניל (הידרט פחות יציב) עבור אלדהידים וקטונים רגילים.

יציבות ההידרט עולה כאשר יש קבוצות מושכות אלקטרונים (EWG) סמוכות לקרבוניל - למשל כלוראל (טריכלוראצטלדהיד, ) יוצר הידרט יציב מאוד (כלוראל הידרט) כי שלושת אטומי הכלור המושכי-אלקטרונים מייצבים את המטען החלקי השלילי הנוסף על החמצנים. באופן דומה, פחות הפרעה סטרית (כמו בפורמלדהיד) גם מייצבת את ההידרט.

הקטל (hemiacetal/acetal) - תוספת אלכוהול

כאשר אלכוהול () תוקף קרבוניל בקטליזה חומצית, מתקבל בשלב ראשון המיאצטל (hemiacetal) - אנלוגי להידרט אך עם קבוצת OR אחת ו-OH אחת על אותו פחמן. הבחנה בשם: כשמדובר באלדהיד המוצר נקרא hemiacetal, וכשמדובר בקטון - hemiketal.

בנוכחות עודף אלכוהול ובקטליזה חומצית, ההמיאצטל ממשיך להגיב הלאה ויוצר אצטל (acetal, או ketal לקטון) - פחמן הנושא שתי קבוצות OR ואיבד את שתיהן קבוצות OH.

מנגנון היווצרות אצטל (בקטליזה חומצית): (1) פרוטונציה של החמצן הקרבונילי - מגביר את האלקטרופיליות של הפחמן; (2) האלכוהול הראשון תוקף כנוקלאופיל ונוצר המיאצטל פרוטוני; (3) העברת פרוטון ופרוטונציה של קבוצת ה-OH (לא ה-OR) הופכת אותה לקבוצה פורשת טובה (מים); (4) איבוד מים יוצר קרבוקטיון מיוצב-רזוננס במיוחד - יון אוקסוקרבניום (oxocarbenium, ) שבו החמצן השכן תורם זוג אלקטרונים ומייצב את המטען החיובי; (5) האלכוהול השני תוקף את יון האוקסוקרבניום; (6) דה-פרוטונציה סופית נותנת את האצטל הנייטרלי.

לתגובה כולה יש חשיבות מעשית גדולה: מכיוון שאצטל יציב בתנאים בסיסיים ובנוכחות נוקלאופילים/מחזרים חזקים (כמו , בסיסים חזקים, ריאגנטי גריניארד), משתמשים בו כקבוצת הגנה (protecting group) - 'מכבים' זמנית קרבוניל ריאקטיבי לפני ביצוע תגובה במקום אחר במולקולה, ולאחר מכן 'משחררים' אותו בחזרה לקרבוניל בהידרוליזה חומצית (מים + חומצה).

אימין ואנאמין - תוספת אמין

אמין ראשוני () תוקף קרבוניל בקטליזה חומצית קלה: לאחר תוספת נוקלאופילית מתקבל תווך ביניים בשם קרביניולאמין (carbinolamine, גם נקרא hemiaminal) - פחמן עם קבוצת OH וקבוצת NHR. בשלב הבא מתרחשת פרוטונציה של ה-OH והפיכתו לקבוצה פורשת (מים), ולאחר איבוד המים והעברת פרוטון מהחנקן נוצר אימין (imine, קשר כפול C=N), הידוע גם כבסיס שיף (Schiff base).

אמין שניוני () תוקף קרבוניל באותו אופן ויוצר קרביניולאמין דומה - אך לחנקן אין אטום H שני שניתן לאבד בסוף התהליך כדי ליצור קשר כפול C=N. לכן, אם לקרבוניל המקורי יש מימן אלפא (על הפחמן הסמוך לקרבוניל), הפרוטון הנדרש נלקח משם במקום - נוצר קשר כפול C=C (במקום C=N) עם החנקן נשאר קשור בקשר יחיד לפחמן ה-α. תוצר זה נקרא אנאמין (enamine, מ-'ene' + 'amine').

אם לקרבוניל אין מימן אלפא כלל (כמו בבנזלדהיד או בפורמלדהיד), אמין שניוני לא יכול ליצור אנאמין יציב - שכן אין מקור פרוטון חלופי.

חיזור קרבוניל להידריד (NaBH₄ / LiAlH₄)

הידריד (, ממקור או ) הוא נוקלאופיל חזק התוקף את פחמן הקרבוניל באותו מנגנון תוספת נוקלאופילית - זוג האלקטרונים של קשר ה-π עובר לחמצן ונוצר תווך ביניים אלקוקסיד, שלאחר עיבוד חומצי מימי (work-up) מתקבל אלכוהול.

אלדהיד מחוזר לאלכוהול ראשוני (1°); קטון מחוזר לאלכוהול שניוני (2°).

(בורוהידריד נתרן) הוא מחזר מתון - ניתן לעבודה במים/אלכוהול ואינו מחזר אסטרים או חומצות קרבוקסיליות. (אלומיניום ליתיום הידריד) הוא מחזר חזק בהרבה - מגיב באלימות עם מים, נדרש ממס יבש (כמו אתר), ומסוגל לחזר גם אסטר וגם חומצה קרבוקסילית (דרך שני שלבי תוספת הידריד) עד לאלכוהול ראשוני.