ch21 - laney college4/25/2012 4 • lialh4 (lah) is a strong reducing agent that can convert an acid...

17
4/25/2012 1 Carboxylic acids are abundant in nature and in pharmaceuticals. 21.1 Introduction Carboxylic Acids Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 21-1 The US produces over 2.5 million tons of acetic acid per year, which is primarily used to produce vinyl acetate. 21.1 Introduction Carboxylic Acids Vinyl acetate is used in paints and adhesives. Carboxylic acid derivatives, such as vinyl acetate, are very common, and they play a central role in organic chemistry. Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 21-2 Monocarboxylic acids are named with the suffix “oic acid.” 21.2 Nomenclature of Carboxylic Acids The carbon of the carboxylic acid moiety is assigned the locant position 1. Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 21-3 When the carboxylic acid group is attached to a ring, it is named as an alkane carboxylic acid. There are also many common names for carboxylic 21.2 Nomenclature of Carboxylic Acids acids. Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 21-4 Dicarboxylic acids are named with the suffix “dioic acid.” There are also many common names for dicarboxylic acids: 21.2 Nomenclature of Carboxylic Acids Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINTs 12.1 through 12.3. Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 21-5 The carbon atom of the carboxylic acid has a trigonal planar geometry. WHY? The acid moiety is capable of strong hydrogen (H) bonding including Hbonding between acid pairs. 21.3 Structure and Properties of Carboxylic Acids As a result, carboxylic acids generally have high boiling points. Consider the BPs of acetic acid (118 °C) and isopropanol (82 °C). Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 21-6

Upload: others

Post on 03-Aug-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

1

• Carboxylic acids are abundant in nature and in pharmaceuticals. 

21.1 Introduction Carboxylic Acids

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-1

• The US produces over 2.5 million tons of acetic acid per year, which is primarily used to produce vinyl acetate.

21.1 Introduction Carboxylic Acids

– Vinyl acetate is used in paints and adhesives.

• Carboxylic acid derivatives, such as vinyl acetate, are very common, and they play a central role in organic chemistry.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-2

• Monocarboxylic acids are named with the suffix “oic acid.”

21.2 Nomenclature of Carboxylic Acids

• The carbon of the carboxylic acid moiety is assigned the locant position 1.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-3

• When the carboxylic acid group is attached to a ring, it is named as an alkane carboxylic acid.

• There are also many common names for carboxylic id

21.2 Nomenclature of Carboxylic Acids

acids.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-4

• Dicarboxylic acids are named with the suffix “dioic acid.”

• There are also many common names for dicarboxylic acids:

21.2 Nomenclature of Carboxylic Acids

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINTs 12.1 through 12.3.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-5

• The carbon atom of the carboxylic acid has a trigonal planar geometry. WHY?

• The acid moiety is capable of strong hydrogen (H‐) bonding including H‐bonding between acid pairs.

21.3 Structure and Properties of Carboxylic Acids

• As a result, carboxylic acids generally have high boiling points.– Consider the BPs of acetic acid (118 °C) and 

isopropanol (82 °C).Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-6

Page 2: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

2

• Carboxylate ions end in the suffix “oate.”

21.3 Structure and Properties of Carboxylic Acids

• Compounds that end in the suffix “oate” are often found in food ingredient lists as preservatives.

• NaOH is a strong base, so it is capable of reacting ≈100% with a carboxylic acid.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-7

• In water, the equilibrium generally favors the acid .

K l tl b t 4 d 5 Wh t i K ?

21.3 Structure and Properties of Carboxylic Acids

• pKa values mostly range between 4 and 5. What is pKa?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-8

• How does the pKa value for a carboxylic acid compare to a strong acid like HCl, or a very weak acid like ethanol?

H–Cl

21.3 Structure and Properties of Carboxylic Acids

pKa = -7

• How can induction and resonance be used to explain the acidity of a carboxylic acid?

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINTs 21.4 through 21.7.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-9

• Let’s examine the equilibrium between the carboxylic acid and the carboxylate at physiological pH (7.3).

• The acid and the conjugate base make a buffer. HOW?

• Recall that the Henderson‐Hasselbalch equation can be 

21.3 Structure and Properties of Carboxylic Acids

used to calculate the pH of a buffer:

• Assuming the pKa is 4.3, calculate the ratio of carboxylate/acid.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-10

• Many biomolecules exhibit carboxylic acid moieties.

• Biomolecules such as pyruvic acid exist primarily as the carboxylate under physiological conditions.

21.3 Structure and Properties of Carboxylic Acids

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 21.8.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-11

• Electron withdrawing substituents have a great effect on acidity.

21.3 Structure and Properties of Carboxylic Acids

• WHY?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-12

Page 3: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

3

• Electron withdrawing substituents affect benzoic acid as well.

21.3 Structure and Properties of Carboxylic Acids

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 21.9.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-13

• In earlier chapters, we already learned some methods to synthesize carboxylic acids.

21.4 Preparation of Carboxylic Acids

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-14

• In earlier chapters, we already learned some methods to synthesize carboxylic acids.

21.4 Preparation of Carboxylic Acids

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-15

• Let’s examine two more ways to make carboxylic acids:1. The hydrolysis of a nitrile can produce a carboxylic acid.

– The mechanism will be discussed later.

21.4 Preparation of Carboxylic Acids

The mechanism will be discussed later.

– Carboxylic acids can be made from alkyl halides using a two‐step process.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-16

• Let’s examine two more ways to make carboxylic acids:2. Carboxylation of a Grignard reaction can be achieved using 

CO2.

21.4 Preparation of Carboxylic Acids

– The Grignard reagent and the H3O+ cannot be added together. WHY?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-17

• This gives us a second method to convert an alkyl halide into a carboxylic acid:

21.4 Preparation of Carboxylic Acids

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 12.10.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-18

Page 4: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

4

• LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol:– The LAH acts as a base first.

21.5 Reactions of Carboxylic Acids

– Then, an aldehyde is produced.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-19

• LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol:– The aldehyde is further reduced to the alcohol.

21.5 Reactions of Carboxylic Acids

– Can the reduction be stopped at the aldehyde?Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-20

• The milder borane reagent can also be used to promote the reduction.

• Reduction with borane is selective compared to LAH 

21.5 Reactions of Carboxylic Acids

reduction.

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 21.11.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-21

• The reduction of acids with LAH or borane result in a decrease in the oxidation number for carbon. HOW?

• There are also many reactions where carboxylic acids don’t change their oxidation state

21.6 Introduction to Carboxylic Acid Derivatives

don’t change their oxidation state.

• What criteria must Z fulfill so that there is no change in the oxidation state?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-22

• When Z is a heteroatom, the compound is called a carboxylic acid derivative.

21.6 Introduction to Carboxylic Acid Derivatives

• Because it has the same oxidation state, a nitrile is also an acid derivative despite not having a carbonyl group.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-23

• Acid halides and anhydrides are relatively unstable, so they are not common in nature; we will discuss their instability in detail later in this chapter.

• Some naturally occurring esters are known to have l d

21.6 Introduction to Carboxylic Acid Derivatives

pleasant odors:

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-24

Page 5: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

5

• Amides are VERY common in nature.

• What type of molecule in nature includes amide li k ?

21.6 Introduction to Carboxylic Acid Derivatives

linkages?

• Many other compounds feature amides, including some natural sedatives like melatonin.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-25

• To name an acid halide, replace “ic acid” with “yl halide.”

21.6 Introduction to Carboxylic Acid Derivatives

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-26

• Alternatively, the suffix, “carboxylic acid” can be replaced with “carbonyl halide.”

21.6 Introduction to Carboxylic Acid Derivatives

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-27

• Acid anhydrides are named by replacing “acid” with “anhydride.”

21.6 Introduction to Carboxylic Acid Derivatives

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-28

• Asymmetric acid anhydrides are named by listing the acids alphabetically and adding the word anhydride.

21.6 Introduction to Carboxylic Acid Derivatives

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-29

• Esters are named by naming the alkyl group attached to the oxygen followed by the carboxylic acid’s name with the suffix “ate.”

21.6 Introduction to Carboxylic Acid Derivatives

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-30

Page 6: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

6

• Amides are named by replacing the suffix “ic acid” or “oic acid” with “amide.”

21.6 Introduction to Carboxylic Acid Derivatives

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-31

• If the nitrogen atom of the amide group bears alkyl substituents, their names are placed at the beginning of the name with N as their locant.

21.6 Introduction to Carboxylic Acid Derivatives

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-32

• Nitriles are named by replacing the suffix “ic acid” or “oic acid” with “onitrile.”

21.6 Introduction to Carboxylic Acid Derivatives

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINTs 21.12 and 21.13.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-33

• In general, carboxylic acid derivatives are good electrophiles.

• WHY?

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-34

• Reactivity can be affected by – Induction

– Resonance

S i

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

– Sterics

– Quality of leaving group

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-35

• Let’s examine the acid chloride:– The electronegative chlorine enhances the electrophilic 

character of the carbonyl. HOW?

– There are 3 resonance contributors to the acid chloride: 

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

– The chlorine does not significantly donate electron density to the carbonyl. HOW does that affect its quality as an electrophile.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-36

Page 7: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

7

• Let’s examine the acid chloride:– Describe how the presence of the chloride affects the sterics 

of the nucleophilic attack on the carbonyl.

– The chloride is a good leaving group, which also enhances its reactivity

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

reactivity.

• Considering all of the factors involved, the acid chloride is quite reactive.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-37

• Amides are the least reactive acid derivative.

• Examine the factors below to explain amide reactivity:– Induction

– Resonance

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

– Sterics

– Quality of leaving group

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-38

• Aldehydes and ketones are also electrophilic, but they do not undergo substitution.

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

• WHY? Consider induction, resonance, sterics, and quality of leaving group.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-39

• Nucleophilic acyl substitution is a two‐step process.

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

– Because C=O double bonds are quite stable, the “loss of leaving group” step should occur if a leaving group is present.

– – H and –R do not qualify as leaving groups. WHY?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-40

• Let’s analyze a specific example:

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

– The highest quality leaving group leaves the tetrahedral intermediate.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-41

• Do NOT draw the acyl substitution with an SN2 mechanism.

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

• Sometimes a proton transfer will be necessary in the mechanism:– Under acidic conditions, (–) charges rarely form. WHY?

– Under basic conditions, (+) charges rarely form. WHY?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-42

Page 8: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

8

• Under acidic conditions, (–) charges rarely form.

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

– The first step will NOT be nucleophilic attack.

– The electrophile and nucleophile are both low in energy.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-43

• H3O+ is unstable and drives the equilibrium forward by starting the reaction mechanism.

N h h

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

• Now that the electrophile carries a (+) charge, it is much less stable (higher in energy). Complete the rest of the mechanism.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-44

• Under basic conditions, (+) charges rarely form.

• The OH– is the most bl i i h

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

unstable species in the reaction and drives the equilibrium forward.

• Continue the rest of the mechanism.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-45

• Neutral nucleophiles are generally less reactive, but they can still react if given enough time.

• An intermediate with both (+) and (‐) charges forms.

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

• Intermediates with two (+) or two (–) charges are very unlikely to form. WHY?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-46

• Depending on reaction conditions, UP TO THREE proton transfers may be necessary in the mechanism:

f

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

• Draw a complete mechanism for the reaction below.

– Will the reaction be reversible? 

– What conditions could be employed to favor products?

• Practice with SKILLBUILDER 21.1.Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-47

• Give necessary reaction conditions and a complete mechanism for the reaction below.

21.7 Reactivity of Carboxylic Acid Derivatives

• Describe how conditions could be modified to favor the products as much as possible.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-48

Page 9: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

9

• Acid chlorides have great synthetic utility. WHY?

• An acid chloride may form when an acid is treated with SOCl2.

21.8 Preparation and Reaction of Acid Chlorides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-49

21.8 Preparation and Reaction of Acid Chlorides

• The mechanism is more favored in the presence of a non‐nucleophilic base like pyridine. WHY? 

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-50

• To avoid an acid chloride being converted into an acid, it must be protected from moisture.

21.8 Preparation and Reaction of Acid Chlorides: HYDROLYSIS

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-51

• Often acid chlorides are used to synthesize esters.

21.8 Preparation and Reaction of Acid Chlorides: ALCOHOLYSIS

• Give a complete mechanism showing the role of pyridine in the mechanism.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-52

• Often acid chlorides are used to synthesize amides.

• Give a complete h i h i

21.8 Preparation and Reaction of Acid Chlorides: AMINOLYSIS

mechanism showing why TWO equivalents are used.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-53

• Acid chlorides can also be reduced using LAH:

21.8 Preparation and Reaction of Acid Chlorides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-54

Page 10: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

10

• Acid chlorides can also be reduced using LAH:– The acid must be added after the LAH has given adequate 

time to react completely.

21.8 Preparation and Reaction of Acid Chlorides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-55

• To stop the aldehyde from being reduced to the alcohol, a bulky reducing agent can be used.

21.8 Preparation and Reaction of Acid Chlorides

• HOW does lithium tri(t‐butoxy) aluminum hydride allow the reduction to be stopped at the aldehyde?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-56

• Acid chlorides can also be attacked by Grignard nucleophiles:

21.8 Preparation and Reaction of Acid Chlorides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-57

• Two equivalents of the Grignard yield a 3° alcohol.

21.8 Preparation and Reaction of Acid Chlorides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-58

• The Gilman reagent is another nucleophilic organometallic reagent that reacts readily with acid chlorides.

• The C–Cu bond is less i i h h C M

21.8 Preparation and Reaction of Acid Chlorides

ionic than the C–Mg bond. WHY?

• How does the ionic character of the bond affect the reactivity of the organometallic reagent?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-59

• Figure 21.9 illustrates the reactions of acid chlorides that we discussed

21.8 Preparation and Reaction of Acid Chlorides

discussed.

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINTs 21.18 through 21.20.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-60

Page 11: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

11

• Fill in necessary reagents for the reactions below.

21.8 Preparation and Reaction of Acid Chlorides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-61

• Acetic anhydride can be synthesized by heating 2 moles of acetic acid.

21.9 Preparation and Reactions of Acid Anhydrides

• Why is so much heat needed to drive the equilibrium forward?

• This process doesn’t work for most other acids because their structures cannot withstand such high temperatures.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-62

• A more practical synthesis occurs when an acid chloride is treated with a carboxylate. 

21.9 Preparation and Reactions of Acid Anhydrides

• The –R groups attached to the anhydride do not have to be equivalent.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-63

• Given that they both contain good quality leaving groups, how do you think the reactions of anhydrides compare to the reactions we already saw for chlorides?

21.9 Preparation and Reactions of Acid Anhydrides

• Which has a better leaving group? WHY?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-64

• Figure 21.10 shows how anhydrides can undergo many 

21.9 Preparation and Reactions of Acid Anhydrides

g yreactions analogous to those of acid chlorides.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-65

• A non‐nucleophilic weak base such as pyridine is not necessary when acid anhydrides react with a nucleophile. WHY?

• When a nucleophile reacts with an anhydride, there will b b li id b d WHY?

21.9 Preparation and Reactions of Acid Anhydrides

be a carboxylic acid byproduct. WHY?

• Why is it often a disadvantage to have such a byproduct in a reaction?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-66

Page 12: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

12

• Acetic anhydride is often used to acetylate an amine or an alcohol.

21.9 Preparation and Reactions of Acid Anhydrides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-67

21.9 Preparation and Reactions of Acid Anhydrides

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 21.21.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-68

• Fischer esterification combines a carboxylic acid and an alcohol using an acid catalyst.

21.10 Preparation of Esters

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-69

• Each step of the Fischer esterification mechanism is equilibrium.

• Under acidic conditions, (–) charges are avoided.

21.10 Preparation of Esters

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-70

• The overall Fischer esterification reaction is an equilibrium process.

21.10 Preparation of Esters

• How might you use Le Châtelier’s principle to favor products?– How might you use Le Châtelier's principle to favor reactants?

• Is there an entropy difference that might be exploited?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-71

• Esters can also be prepared by treating an acid chloride with an alcohol—see Section 21.8.

21.10 Preparation of Esters

• What is the role of pyridine?

• Why doesn’t pyridine act as a nucleophile?

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINTs 21.22 and 21.23.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-72

Page 13: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

13

• Esters can undergo hydrolysis in the presence of aqueous hydroxide (SAPONIFICATION).

21.11 Reactions of Esters

• Predict the last steps in the mechanism.

• To produce a carboxylic acid, H3O+ must be added at the end. WHY?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-73

• SAPONIFICATION is an equilibrium process.– Analyze the reversibility of each step in the mechanism.

– How might you use Le Châtelier’s principle to favor products?

– How might you use Le Châtelier’s principle to favor reactants?

h diff h i h b l i d?

21.11 Reactions of Esters

– Is there an entropy difference that might be exploited?

• Soap is made through the saponification of triglycerides. EXPLAIN HOW.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-74

• Ester hydrolysis can be catalyzed under acidic conditions.

• The carbonyl of the ester is protonated, and then a water acts as a nucleophile attacking the carbonyl 

b

21.11 Reactions of Esters

carbon.

• Draw out the complete mechanism.

• Show how regeneration of H3O+ makes it catalytic.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-75

• Esters can also undergo aminolysis.

21.11 Reactions of Esters

• The overall equilibrium favors the amide formation.– Because of enthalpy or entropy?

• The synthetic utility is limited because the process is slow and because there are more efficient ways to synthesize amides.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-76

• Esters can be reduced using reagents such as LAH:

21.11 Reactions of Esters

– Two equivalents of reducing agent are required.

– Two alcohols are produced.

• Draw a reasonable mechanism.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-77

• LAH is a strong reducing agent, so a full reduction beyond the aldehyde to the alcohol cannot be avoided.

• When performed at low temperature, reduction with DIBAH yields an aldehyde. HOW?

21.11 Reactions of Esters

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-78

Page 14: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

14

• Esters can also react with Grignard reagents.

• Two moles can be used to make a tertiary alcohol.

21.11 Reactions of Esters

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-79

• Esters can also react with Grignard reagents.

• Two moles can be used to make a tertiary alcohol.

21.11 Reactions of Esters

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINTs 21.24 and 21.25.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-80

• Give necessary reagents for the conversions below.

21.11 Reactions of Esters

OO

O

O

HOHO

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-81

OH

HO

OHOH

HO

OH

• Nylon is a polyamide.

21.12 Preparation and Reactions of Amides

• Polyester is made similarly. HOW?Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-82

• Amides can be hydrolyzed with H3O+, but the process is slow and requires high temperature.

21.12 Preparation and Reactions of Amides

• The mechanism is very similar to that for the hydrolysis of an ester.

• Show a complete mechanism.

• WHY is the process generally slow?Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-83

• Amides can be hydrolyzed with H3O+, but the process is slow and requires high temperature.

21.12 Preparation and Reactions of Amides

• Should the equilibrium favor reactants or products? WHY?

• Where does the NH4+ come from?

• Amide hydrolysis can also be promoted with NaOH, although the process is very slow.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-84

Page 15: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

15

• LAH can reduce an amide to an amine.

• The mechanism is quite

21.12 Preparation and Reactions of Amides

qdifferent from the others we have seen in this chapter.

• When the H‐ attacks, which is the best leaving group?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-85

• The iminium is reduced with a second equivalent of hydride.

21.12 Preparation and Reactions of Amides

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINTs21.26 through 21.28.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-86

• When a 1° or 2° alkyl halide is treated with a cyanide ion, the CN– acts as a nucleophile in an SN2 reaction.

21.13 Preparation and Reactions of Nitriles

• Nitriles can also be made by dehydrating an amide using a variety of reagents including SOCl2.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-87

• What base might you use?

21.13 Preparation and Reactions of Nitriles

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-88

• An aqueous strong acid solution can be used to hydrolyze a nitrile.

21.13 Preparation and Reactions of Nitriles

• In the mechanism, the nitrogen is protonated multiple times and water acts as a nucleophile.

• Draw a complete mechanism.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-89

• Basic hydrolysis of a nitrile can also be achieved.

21.13 Preparation and Reactions of Nitriles

• Which group in the reaction acts as a nucleophile?

• Which group acts to protonate the nitrogen?

• Draw a complete mechanism.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-90

Page 16: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

16

• Nitriles can also react with Grignards.

21.13 Preparation and Reactions of Nitriles

• After the nitrile is consumed, H3O+ is added to form an imine, which can be hydrolyzed with excess H3O+ (aq) to form a ketone. SHOW a mechanism.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-91

• Similar to how carboxylic acids can be converted to alcohols using LAH (Section 21.5), nitriles can be converted to amines.

21.13 Preparation and Reactions of Nitriles

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINTs 21.29 through 21.31.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-92

• When designing a synthesis, there are two general considerations that we make:1. Is there a change in the CARBON SKELETON?

2. Is there a change in FUNCTIONAL GROUPS?

21.14 Synthetic Strategies

• We have learned many new FUNCTIONAL GROUP TRANSFORMATIONs in this chapter.

• Practice with SKILLBUILDER 21.2.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-93

21.14 Synthetic Strategies

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-94

• Give necessary reagents for the conversion below. Multiple steps will be necessary.

21.14 Synthetic Strategies

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-95

• There are 2 categories of bond‐forming reactions:

21.14 Synthetic Strategies

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-96

Page 17: ch21 - Laney College4/25/2012 4 • LiAlH4 (LAH) is a strong reducing agent that can convert an acid to a primary alcohol: – The LAH acts as a base first. 21.5 Reactions of Carboxylic

4/25/2012

17

• When forming new carbon‐carbon bonds, it is critical to install functional groups in the proper location.

• Give necessary reagents for the conversion below. More than one step will be necessary.

21.14 Synthetic Strategies

• Practice with SKILLBUILDER 21.3.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-97

• Recall that C=O stretching is a prominent peak in IR spectra.

21.15 Spectroscopy of Carboxylic Acids and Their Derivatives

• Recall that conjugated carbonyl signals appear at lower wavenumbers (about 40 cm‐1 less).

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-98

• The O–H stretch of an acid gives a very broad peak (2500‐3300 cm‐1).

• The C≡N triple bond stretch appears around 2200 cm‐1.• Carbonyl 13C peaks appear around 160‐185 ppm.

21.15 Spectroscopy of Carboxylic Acids and Their Derivatives

• Nitrile 13C peaks appear around 115‐130 ppm.

• The 1H peak for a carboxylic acid proton appears around 12 ppm.

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 21.38.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-99

• Predict the number and chemical shift of all 13C peaks for the molecule below.

• Predict the number, chemical shift, multiplicity, and integration of all 1H peaks for the molecule below.

21.15 Spectroscopy of Carboxylic Acids and Their Derivatives

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e21-100