chapter 10: alkynes - indiana university...

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 1 of 22

Chapter 10: Alkynes  1. Acidity of Alkynes 

2. Alkylation of Alkynes 

3. Preparation of Alkynes 

4. Addition Reactions of Alkynes 

A.   Catalytic Hydrogenation 

B.   Addition of HX (hydrohalogenation) 

C.   Addition of H2O (acid catalyzed hydration) 

D.   Hydroboration‐Oxidation 

E.   Addition of X2 (halogenation) 

F.   Oxidative Cleavage  

5. Synthetic Strategies 

 It would be BEST  if you did ALL  the  textbook problems, but at  the very 

least do these:  

10.35‐37, 10.40‐44, 10.46, 10.48‐49, 10.51‐53, 10.56‐62, 10.64‐67   

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 2 of 22

Alkyne Importance:  

• More than 1000 different alkyne natural products have been isolated. 

• One  example  is  histrionicotoxin,  which  can  be  isolated  from  South American  frogs,  and  is  used  on  poison‐tipped  arrows  by  South American tribes. 

    • Ethynylestradiol is the active ingredient in many birth control pills. 

• The presence of the triple bond increases the potency of the drug compared to the natural analog. 

Internal alkynes are ca. 4.5 kcal/mol more stable than terminal alkynes.   

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 3 of 22

1. Acidity of Alkynes  

Alkynes can be deprotonated with addition of strong enough base.  Will NaOCH3 deprotonate an alkyne?  

     What bases will deprotonate an alkyne?  

     A common base used with alkynes is LDA = lithium diisopropylamide:   [(CH3)2CH]2N Li    

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 4 of 22

2.  Alkylation of Acetylide Anions  

Reactions  that  attach  an  alkyl  group  to  a molecular  frame  are  called “Alkylation Reactions”.  The most common way alkynes are prepared are via alkylation of alkynes.  

Once the alkyne  is deprotonated,  it becomes a Nu‐ or base depending on the RX (E+) introduced to it. 

 →  Acts like a Nu‐ when reacted with 1o and methyl carbons only  

     → Alkynide ions usually act as bases with 2° or 3° alkyl halides to cause elimination rather than substitution. 

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 5 of 22

Prepare 2‐pentyne from acetylene (in several steps):    

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 6 of 22

3. Preparation of Alkynes Alkynes  are  prepared  through  an  elimination  reaction.    This  reaction occurs with addition of strong bases like:  

CH3Li 

NaNH2 

NaH  Two types of dihaloalkanes exist:  

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 7 of 22

4. A. Addition Reactions of Alkynes – Catalytic Reductions  There are three methods to add H2 to a triple bond:  i.  Catalytic Hydrogenation (Reduction) of Alkynes to Alkanes:  H2 gas (moderate pressures = 3 atm; ca. RT) and a catalyst (Pt, Pd or Ni)   

 → it is NOT possible to stop at the alkene product 

  ii. Lindlar catalyst:  a special catalyst that reduces an alkyne via syn‐addition to produce a cis‐alkene only 

o Compared to Pd metal above, the Lindlar catalyst is deactivated or considered “poisoned”

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 8 of 22

iii.  Chemical Reduction of an Alkyne ‐  

• Alkali metals in NH3(l) leading to anti‐addition and a trans‐alkene product. 

• Ammonia has a boiling point of –33°C, so the temperature for these reactions must remain very low. 

• Why can’t water be used as the solvent? 

Mechanism? 

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 9 of 22

B. Addition Reactions – hydrohalogenation (HX) 

      What do you notice about the regioselectivity above/below?             • Peroxides can be used in the hydrohalogenation of alkynes to promote anti‐Markovnikov addition just like with alkenes. 

• The process proceeds  through a  free  radical mechanism  that we will discuss in detail in Chapter 11 (C342). 

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 10 of 22

C.    Addition Reactions ‐ hydration of alkynes 

• The process  is generally catalyzed with HgSO4 to compensate  for the slow  reaction  rate  that  results  from  the  formation  of  vinylic carbocation. 

• HgSO4  catalyzed  hydration  involves  the mercury  (II)  ion  interacting with the alkyne. 

O

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 11 of 22

Mechanism of hydration: 

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 12 of 22

C.    Addition Reactions ‐ hydration of alkynes (hydroboration) 

 Overall result is addition of water to a triple bond.  

o Internal alkynes lead to ketones.  o Terminal alkynes add BH2 to the less substituted, terminal carbon. After oxidation to the enol, tautomerization yields an aldehyde, a carbonyl compound having a hydrogen atom bonded to the carbonyl carbon.  

 o In this case, the tautomerization is catalyzed by the base (OH‐) rather than by an acid. 

o To block out the second unit of BH3 from reacting with the intermediate, bulky borane reagents are  often used. 

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 13 of 22

Predict products for the following reaction. 

Draw the alkyne reactant and reagents that could be used to synthesize the following molecule. 

  O

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 14 of 22

D.   Addition Reactions – Halogenation 

• You might expect the mechanism to be similar to the halogenation of alkenes, yet stereochemical evidence suggests otherwise. 

• The halogenation of an alkene undergoes anti addition ONLY. 

• The mechanism for alkyne halogenation is not fully elucidated. 

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 15 of 22

E.   Oxidation Reactions of Alkynes – Ozonolysis 

o Alkynes undergo oxidative cleavage of the  and both  bonds.   o Internal alkynes are oxidized to carboxylic acids (RCO2H). 

 o Terminal alkynes afford a carboxylic acid and CO2 from the sp hybridized C—H bond.   

O3

H2O

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 16 of 22

5. Synthetic Strategies  

   This entire course will bring you to a point where you can use reactions that you learn to actually pursue organic synthetic problems.  Planning  a  successful  synthesis  means  determining  where  the  target molecule can be broken down into simpler molecules that join together.  You will need to be able to:  

o To plan a  synthesis of more  than one  step, we use  the process of retrosynthetic analysis—that  is, working backwards  from a desired product to determine the starting materials from which it is made. 

 o Break down the carbon skeleton  o Look at the functional groups present and determine what reactions you know about those functional groups 

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 17 of 22

a.                 

b.                

c.                   

d.                

e.                

f.                 

g.                 

h.                

i.               

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 18 of 22

Provide reagents for the following scheme: 

a.                          

b.                          

c.                          

d.                            

e.                          

f.                          

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 19 of 22

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 20 of 22

Br

OH

+

HO

Br

+ En + En

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 21 of 22

The  ketone  2‐heptanone  has  been  identified  as  contributing  to  the  odor  of  a number of dairy products, including condensed milk and cheddar cheese.  Provide a synthesis of 2‐heptanone from acetylene and any necessary reagents. 

HC CH

O

C341/Fall 2011 Chapter 10: Alkynes

Page 22 of 22