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La racionalización de la orden de reactividad de los compuestos de carbonilo hacia nucleófilos

Esto es inmediatamente después de que ron la respuesta de por Qué es una cetona más nucleofílico de un éster?

Una de las más simples preguntas que usted puede preguntar, ¿cómo se puede racionalizar el orden de reactividad hacia nucleófilos, que se da como
order of carbonyl compound versus nucleophiles
haluro de acilo > ácido anhídrido > aldehído > cetonas > ester ~ de ácido carboxílico > amida > ion carboxilato

Podría haber muchos conceptos, que explique este orden, el anterior relacionado pregunta podría sólo la mitad del camino respuesta satisfactoria en el tipo de generalidad que estoy buscando.

Estoy buscando aquí para cualquier modelo que puede ser utilizado para explicar esta reactividad.


Yo también más tarde en publicar una respuesta a esta pregunta utilizando cálculos de química cuántica, tratando de generalizar a partir de un ejemplo. Los puntos clave que deben incluirse son declaró en ron respuesta vinculado anteriormente.

Me gusta Martin puestos, que me hacen pensar y eso siempre es un buen cosa. Aquí es donde mi pensamiento me ha llevado:

  • Creo que Martin enfoque (básicamente de la frontera MO) es fundamentalmente correcto. Yo sería más convencido de que sus números reales son significativa si fuera para calcular 1) el carbono carbonilo LUMO coeficiente de y 2) el HOMO-LUMO con la separación de la siguiente serie de compuestos con el fin de ver si sus valores calculados se correlaciona con este orden de reactividad de los compuestos de carbonilo hacia nucleofílico ataque (podríamos utilizar el agua como el nucleófilo) - pero Martin, creo estos cálculos pueden ser un mal uso de su tiempo y recursos.

Aunque estoy de acuerdo con la mayoría de los de esta, yo en desacuerdo con la última declaración. Lo que yo espero poder probar pronto.

En el mientras tanto, os doy la bienvenida a todos a compartir sus pensamientos sobre el asunto.

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steveverrill Puntos 1090

Hay varias cosas que están pasando aquí en este lugar largo de la serie. Voy a ir a través de ellos a su vez.

Cloruros ácidos y anhídridos de ácido

Estos van a ser reactivos, porque tienen un buen grupo saliente. Ion cloruro es tan estable que se puede romper la molécula y dar $\ce{RCO+}$ $\ce{Cl-}$ espontáneamente, no en gran medida, pero suficiente para que esto tenga ningún efecto limitante en la velocidad de reacción.

De igual modo, un anhídrido ácido puede romper a$\ce{RCO+}$$\ce{RCOO-}$. Sabemos que el anión es de nuevo bastante estable, pero no tan estable como $\ce{Cl-}$. Esto es evidente por el hecho de que $\ce{RCOOH}$ es un ácido, pero no es tan fuerte como un ácido como $\ce{HCl}$.

$\ce{H}$ $\ce{R}$ no son estables aniones, por lo que los aldehídos y las cetonas son mucho menos reactivos que los anhídridos de ácido y los cloruros. Por supuesto, el $\ce{H}$ $\ce{R}$ grupos de permanecer unidos a la molécula, lo cual no es el caso con los cloruros y anhídridos. Ser una reacción de adición en lugar de una reacción de sustitución, hay una disminución en la entropía.

Un caso interesante aquí es la reacción de yodoformo donde $\ce{R-CO-CH3}$ reacciona con el yodo para formar $\ce{R-CO-CI3}$. $\ce{CH3-}$ es un mal grupo saliente, pero el $\ce{CI3-}$ ion es un buen grupo saliente y se separa de la molécula, dejando $\ce{RCO+}$, que luego reacciona con el agua para formar el $\ce{RCOOH}$, mientras que el $\ce{CI3-}$ reacciona con el agua para formar el $\ce{HCI3}$.

La cosa importante aquí es que no es significativa la termodinámica unidad aquí para el bien de salir del grupo para ser sustituida por una más pobres.

Aldehídos y cetonas

Un factor importante que hace que los aldehídos más reactivos que las cetonas es que hay menos masiva bloqueando el enfoque de un nucleófilo. No es menor impedimento estérico.

Los ésteres y ácidos carboxílicos

Ahora estamos de vuelta a reacciones de sustitución. Pero $\ce{RO-}$ o $\ce{OH-}$ son mucho más pobres, dejando a los grupos de la $\ce{Cl-}$ o $\ce{RCOO-}$ que vimos con cloruros ácidos y anhídridos.

Hay otro factor en juego aquí. El $\ce{C=O}$ enlace doble conjugado con la $\pi$ los electrones en el otro oxígeno, que significativamente se estabiliza la molécula. Esto provoca una resistencia tanto a la $\ce{S_{N}1}$ reacciones (donde el $\ce{RO-}$ o $\ce{ROH}$ espontáneamente se separa de la molécula dejando $\ce{RCO+}$) y $\ce{S_{N}2}$ reacciones (donde el nucleófilo ataca a la molécula, dando un intermedio tetraédrico antes de la $\ce{ROH}$ o $\ce{H2O}$ es expulsado.) De cualquier manera que $\pi$ sistema tiene que ser desglosado, dando una barrera cinética de la reacción (de alta energía de activación.)

Las amidas y los iones carboxilato

En ciertos mecanismos de reacción de OH - de forma espontánea puede dejar un ácido carboxílico. $\ce{NH2-}$ es más básico y por lo tanto es muy raro salir de su propio acuerdo. $\ce{O^{2-}}$ es aún más básico (inaudito en solución).

Otros mecanismos de reacción exigir que la molécula protonada en primer lugar. El siguiente paso puede ser el ataque nucleofílico ($\ce{S_{N}2}$ tipo de mecanismo) o espontánea de la escisión de la molécula en $\ce{RCO+}$ y dejando el grupo ($\ce{S_{N}2}$ tipo de mecanismo).

Si $\ce{COOH}$ es protonado, el grupo saliente se $\ce{H2O}$, un compuesto neutro.

Si $\ce{CONH2}$ es protonado, el grupo saliente se $\ce{NH3}$, un compuesto básico.

Si $\ce{COO-}$ es protonado (un ácido) el grupo saliente se $\ce{{}^{-}OH}$.

Generalmente la más ácida/menos básica de un grupo, más estable será cuando se separó de la $\ce{RCO+}$ carbocation. Aquí tenemos una molécula neutra de agua (un buen grupo saliente), una base débil amoníaco (pobre de salir del grupo) y una base fuerte (de muy baja dejando grupo) por lo que el orden de reactividad es como sería de esperar.

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Mike Schall Puntos 2921

Aquí está mi "vieja escuela" de explicación.

Abajo es un dibujo de la coordenada de reacción para el ataque nucleofílico en un carbono carbonilo. La energía así para el inicio de carbonilo compuesto se muestra en la izquierda. Como positivamente polarizado carbonilo reacciona con (forma un lazo con) el nucleófilo pasamos por encima de un estado de transición y caen en un segundo potencial que representa el intermedio tetraédrico. $\ce{E_{act}}$ es la energía de activación necesaria para que pase al estado de transición. En la medida en que un sustituyente podría estabilizar la partida compuesto carbonilo, la energía de la carbonilo compuesto en el que se pueden reducir, y, en consecuencia, $\ce{E_{act}}$ aumentará. La central de carbono (fue el carbono carbonilo) en el intermedio tetraédrico es completamente saturado (sólo $\ce{sp^3}$ bonos) y sin cargo alguno, por lo que el sustituyente X no se puede interactuar a través de resonancia para estabilizar el intermedio tetraédrico. En otras palabras, mientras que el sustituyente X puede estabilizar o desestabilizar el inicio de carbonilo compuesto, tienen poco efecto en la relación energética posición del intermediario tetraédrico.

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A continuación son la resonancia de las estructuras que podemos extraer de nuestro compuesto carbonilo.

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Si la estructura de la III contribuye significativamente a la descripción general del compuesto, entonces sería de esperar que carbonilo compuesto más estable, menos energía, de un compuesto carbonilo en donde la estructura de la III contribuye poco.

Vamos a empezar por comparar el éster de la amida. En ambos casos la estructura de la III implica una 2p-2p pi bond, sino la resultante de la carga positiva se coloca en el oxígeno, cuando empezamos con el éster y en nitrógeno cuando empezamos con la amida. Evidentemente, para que la electronegatividad de razones, la amida caso es mejor con la carga positiva en el menos electronegativo nitrógeno amida. Nuestra predicción: la amida es más estabilizada que el éster y para ello debe ser el más lento de reaccionar de los dos.

$$\ce{ester > amide}$$

En el caso del anión carboxilato, estructura de resonancia III es equivalente a la resonancia de la estructura I (nota: no hay ninguna carga positiva en la estructura III para el carboxilato caso). Ya que son equivalentes, llevan un alto peso de estabilización y en la descripción del anión carboxilato. El anión carboxilato es tan estabilizado por resonancia de las estructuras I y III, que es, básicamente, no reacciona a nucleófilos

$$\ce{ester > amide >> carboxylate}$$

No hay realmente ninguna diferencia entre el éster carboxílico y ácido en términos de estructura de resonancia III contribución de modo que podemos esperar que ellos tengan similares reactividad hacia un nucleófilo.

$$\ce{ester \sim acid > amide >> carboxylate}$$

Vamos a comparar el éster para el anhídrido. Estructura de resonancia III es igualmente eficaz para ambos compuestos, PERO, hay dos carbonilos en el anhídrido para el oxígeno para interactuar con. Para ello, el oxígeno sólo será un medio tan eficaz en la estabilización de cualquiera de anhídrido carbonilo como lo fue para el carbonilo de éster.

$$\ce{anhydride > ester \sim acid > amide >> carboxylate}$$

En el caso del cloruro de ácido, estructura de resonancia III implica una 2p-3p pi bond, no es muy eficaz superponen debido a la diferencia de tamaño (también el cloro es electronegativo para la colocación de una carga positiva en que no es deseable, pero el pobre pi superposición es lo que limita la contribución de la estructura III en el cloruro de ácido caso).

$$\ce{acid~ chloride > anhydride > ester \sim acid > amide >> carboxylate}$$

Para la cetona, nuestra estructura de resonancia III tiene un aspecto ligeramente diferente, implica hyperconjugation como se muestra en la siguiente figura.

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Ya hay 3 átomos de hidrógeno, hay tres hyperconjugated estructuras, Que no son super importantes de resonancia de las estructuras, pero hay 3 de ellos, hacer lugar a la carga positiva en un protón, por lo que no cuentan para una cierta estabilización. Para ser honesto, me habría imaginado que crea más la estabilización de la estructura de resonancia III en el cloruro de ácido caso, pero yo no habría sabido dónde se sitúa entre el cloruro de ácido y el éster. Donde lo pongo, me gustaría poner el aldehído a su izquierda. No hay ninguna estructura de resonancia III para el aldehído.

Yo de viento con $$\ce{acid~ chloride > anhydride > ester \sim acid > amide >> carboxylate}$$ y $\ce{aldehyde > ketone}$ montaje en algún lugar entre el cloruro de ácido y el éster

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maccullt Puntos 1555

Para este enfoque básicamente soy el empleo de la Frontera Orbitales Moleculares Teoría (FMO) para predecir la reactividad de los compuestos de carbonilo hacia nucleófilos.

Para el propósito de esta explicación que he elegido el agua como nucleófilo. En principio estamos buscando en la adición de un electrón rica partícula electrón deficiente del sistema. En este caso, el agua se ataque el polarizado positivamente carbono carbonilo para formar el tetraédrica intermedios reactivos. La barrera de activación de la etapa siguiente, es decir, la disociación de la salida del grupo (o de protones para aldehídos y cetonas), debe ser menor en energía, porque de lo contrario la reacción no se producirá. Por lo tanto, es suficiente con mirar sólo el paso inicial de la reacción, y más rigurosa incluso podemos mirar solamente el estado del suelo de las propiedades de los reactivos.

En FMO teoría básicamente, hay tres observaciones principales:

  1. Orbitales moleculares ocupados de los reactivos se repelen
  2. Opuesto (parcial) de los cargos en los reactantes se atraen el uno al otro
  3. Ocupado de los orbitales de un reactante interactuar con los desocupados de los orbitales del otro reactante (y viceversa) causando interacción atractiva.

El primer punto es bastante obvio y no va a causar un gran cambio en la interacción de las dos moléculas.
El segundo punto también es sencillo. En todos los compuestos de carbonilo de carbono será la realización de un (parcial) de carga positiva, mientras que el nucleófilo va a tener un (parcial) de la carga negativa. El tercer punto no es tan evidente. Es de esperar, el LUMO del carbonilo de compuestos de electrones de baja en carbono) y el HOMO de la nucleófilo (electrones rica) interactúan para formar el nuevo bono. Este también será el más fuerte interacción. El opuesto combinación también es pensable, pero la diferencia de energía entre estos orbitales será mucho más grande, como vamos a ver. En otras palabras, cuanto más cerca de la diferencia de energía entre estos orbitales será, más atractiva será la interacción. Ya que mantener el nucleófilo constante, se puede predecir un orden de reactividad hacia que uno específicos nucleófilo basado en la energía del LUMO del carbonilo compuesto. (Esta comparación se mantenga, incluso si cambiamos el nucleófilo.)

La siguiente tabla reúne las energías de la frontera de los orbitales en $\mathrm{eV}$ así como los más importantes natural parcial cargas atómicas. Como un sistema modelo, el etil sustituidos compuestos $\ce{Et-CO-R}$ han sido elegidos. Los cálculos se realizaron con Gaussian09 Apo. D1 empleando Becke de cambio funcional en conjunción con aproximación perdew la correlación funcional. La densidad de módulos def2-SVP conjunto de base fue utilizada. Para los cargos en que el Vínculo Natural Orbital (NBO) se utilizó el análisis.
Para la comodidad no he incluido ningún disolvente, por lo que estos cálculos asumen la fase de gas, vacío y el cero absoluto.

\begin{array}{lrrrr} \ce{R =} &\ce{HOMO}&\ce{LUMO}&\Delta E &\mathbf{q}(\ce{C})&\mathbf{q}(\ce{O})\\\hline \ce{-Cl} & -7.00 & -2.11 & 4.89 & 0.55 & -0.46 \\\hline \ce{-O-OC-Et} & -6.35 & -1.85 & 4.50 & 0.82 & -0.52 \\ & & \text{(L+1)} -0.85 & & & \\\hline \ce{-H} & -5.79 & -1.79 & 4.00 & 0.41 & -0.51 \\\hline \ce{-Et} & -5.55 & -1.48 & 4.07 & 0.57 & -0.54 \\\hline \ce{-OH} & -6.33 & -0.88 & 5.45 & 0.81 & -0.58 \\ & & & & &(\ce{OH}) -0.68 \\\hline \ce{-OEt} & -6.15 & -0.74 & 5.40 & 0.81 & -0.58 \\ & & & & &(\ce{OEt}) -0.56 \\\hline \ce{-NH2} & -5.53 & -0.24 & 5.29 & 0.67 & -0.60 \\ & & & & &(\ce{N}) -0.83 \\\hline \end{array}

Este tipo de cálculos no se puede manejar la aniones muy bien, así que también he omitido el ion carboxilato. Por razones obvias, yo diría que su tendencia a reaccionar como un electrófilo es insignificante.

El HOMO de agua es uno de los pares libres de oxígeno, en $-6.35~\mathrm{eV}$. La correlación de los LUMO energías de la tabla, a la espera de la orden de reactividad es $$\ce{acid~chloride > anhydride\approx aldehyde > ketone > acid\approx ester > amide}$$


Con NBO podemos mirar localizada orbitales, que tienen un aspecto muy similar y también dan muy similares los resultados numéricos. El $\pi^*$ antibonding LUMO se compone de $67\pm2\%$ carbono $\ce{p}$ AO y $33\pm2\%$ de oxígeno en $\ce{p}$ AO para todos los compuestos. Aquí están las FMO muestra para el anhídrido. nbo pi orbital
nbo pi star orbital


Por desgracia, yo actualmente no es capaz de encontrar cualquier reacción barreras para este enfoque. Mi conjetura es que el elegido nucleófilo es demasiado débil para coordinar a este compuesto en la fase de gas. Creo que voy a tener que incluir un disolvente para el estado de transición de estabilización, pero no estoy seguro de si puedo comprar los cálculos en el momento.

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