14 -1 Klein, Organic Chemistry 1e 14 -2 Klein, …...• Generally, the F– ion is not used as a...

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An ether group includes an oxygen atom that is bonded to TWO –R groups: –R groups can be alkyl, aryl, or vinyl groups. Would the compound below be considered an ether? 14.1 Introduction to Ethers Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 14 -1 O O Compounds containing ether groups are quite common. 14.1 Introduction to Ethers Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 14 -2 Common names are used frequently: 1. Name each –R group. 2. Arrange them alphabetically. 3. End with the word “ether.” 14.2 Naming Ethers Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 14 -3 IUPAC systematic names are often used as well: 1. Make the larger of the –R groups the parent chain. 2. Name the smaller of the –R groups as an alkoxy substituent. Practice with SKILLBUILDER 14.1. 14.2 Naming Ethers Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 14 -4 Name the following molecule. Draw the structure for (R)1methoxycyclohexen3ol. 14.2 Naming Ethers Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 14 -5 O Cl The bond angle in ethers is very similar to that found in water and in alcohols. Is the oxygen atom in an ether sp 3 , sp 2 , or sp hybridized? How do the –R groups affect the bond angle? 14.3 Structure and Properties of Ethers Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 14 -6

Transcript of 14 -1 Klein, Organic Chemistry 1e 14 -2 Klein, …...• Generally, the F– ion is not used as a...

• An ether group includes an oxygen atom that is bonded to TWO –R groups:

• –R groups can be alkyl, aryl, or vinyl groups.

• Would the compound below be considered an ether?

14.1 Introduction to Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -1

O

O

• Compounds containing ether groups are quite common.

14.1 Introduction to Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -2

• Common names are used frequently:1. Name each –R group.

2. Arrange them alphabetically.

3. End with the word “ether.”

14.2 Naming Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -3

• IUPAC systematic names are often used as well:1. Make the larger of the –R groups the parent chain.

2. Name the smaller of the –R groups as an alkoxy substituent.

• Practice with SKILLBUILDER 14.1.

14.2 Naming Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -4

• Name the following molecule.

• Draw the structure for (R)‐1‐methoxycyclohexen‐3‐ol.

14.2 Naming Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -5

O Cl

• The bond angle in ethers is very similar to that found in water and in alcohols.

• Is the oxygen atom in an ether sp3, sp2, or sp hybridized?

• How do the –R groups affect the bond angle?

14.3 Structure and Properties of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -6

• In Chapter 13, we learned that due to hydrogen‐bonding (H‐bonding), alcohols have relatively high boiling points.

• What is the maximum number of H‐bonds an alcohol can have?

• Draw an H‐bond between an ether and an alcohol.

• What is the maximum number of H‐bonds an ether can have?

14.3 Structure and Properties of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -7

• In Chapter 13, we learned that due to hydrogen‐bonding (H‐bonding), alcohols have relatively high boiling points.

• Would you expect the boiling point of an ether to be elevated similar to alcohols?

• WHY or WHY not?

14.3 Structure and Properties of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -8

• Explain the boiling point trends below using all relevant intermolecular attractions.– Trend 1:

– Trend 2:

14.3 Structure and Properties of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -9

• Ethers are often used by organic chemists as solvents:– Relatively low boiling points allow them to be evaporated 

after the reaction is complete.

– Their dipole moment allows them to stabilize charged or partially charged transition states. HOW?

– They are NOT protic. WHY is that an advantage for a solvent in many reactions?

14.3 Structure and Properties of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -10

• Metal atoms with a full or partial positive charge can be stabilized by ether solvents.

• Ethers are generally used as the solvent in Grignard reactions.

• Give another reason why an ether makes a good solvent in this reaction.

14.4 Crown Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -11

• Crown ethers have been shown to form especially strong attractions to metal atoms. WHY?

• Note how many carbon atoms separate the oxygen.

• Why are they called CROWN ethers?

• Explain the numbers found in their names.

14.4 Crown Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -12

• The size of the metal must match the size of the crown to form a strong attraction.

• 18‐crown‐6 fits a K+ ion just right.

14.4 Crown Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -13

• Normally metal ions are not soluble in low polarity solvents. WHY?

• The crown ether–metal complex should dissolve nicely in low polarity solvents. WHY?

• Imagine how a crown ether could be used to aid reactions between ions (especially anions) and low polarity organic substrates.

14.4 Crown Ethers

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• The F– ion below is ready to react because the K+ ion is sequestered by the crown ether.

• Without the crown ether, the solubility of KF in benzene is miniscule.

14.4 Crown Ethers

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• Generally, the F– ion is not used as a nucleophile because it is strongly solvated by polar solvents.

• Such solvation greatly reduces its nucleophilic strength.

• In the presence of the crown ether and in a nonpolar solvent, the F– ion is soluble enough that it can readily attack an electrophile.

14.4 Crown Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -16

• Smaller crown ethers bind smaller cations.

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 14.4.

14.4 Crown Ethers

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• Diethyl ether is prepared industrially by the acid‐catalyzed dehydration of ethanol.

• How is it a dehydration?

• Can this method be used to make asymmetrical ethers?

14.5 Preparation of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -18

• The Williamson ether synthesis is a viable approach for many asymmetrical ethers.

• What happens to the halide?

14.5 Preparation of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -19

• The Williamson ether synthesis is a viable approach for many asymmetrical ethers.

• The alkoxide that forms in step 1 is also a strong base.

• Are elimination products likely for methyl, primary, secondary, or tertiary alkyl halides?

14.5 Preparation of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -20

• Use the Williamson ether approach to prepare MTBE.

• Consider a retrosynthetic disconnect on the t‐butyl side.

• It is better to make your retrosynthetic disconnect on the methyl side. WHY? 

• Practice with SKILLBUILDER 14.2. 

14.5 Preparation of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -21

• Use the Williamson ether approach to synthesize the following molecule.

14.5 Preparation of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -22

• Recall from Section 9.5 that oxymercuration‐demercuration can be used to synthesize alcohols.

• Is the addition Markovnikov or anti‐Markovnikov?

• Is the addition syn or anti?

14.5 Preparation of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -23

• Similarly, alkoxymercuration‐demercuration can be used to synthesize ethers.

• Is the addition Markovnikov or anti‐Markovnikov?

• Is the addition syn or anti?

• Practice CONCEPTUAL CHECKPOINTs 14.8‐14.10.

14.5 Preparation of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -24

• As we mentioned earlier because they are aprotic, ethers are generally unreactive.

• However, ethers can react under the right conditions.

• Consider the ether below.

• Where are the most reactive sites?

• Is it most likely to react as an acid, base, nucleophile, electrophile, etc.?

14.6 Reactions of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -25

• Ethers can undergo acid‐promoted cleavage.

14.6 Reactions of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -26

• Draw a complete mechanism and predict the products for the following acid‐promoted cleavage.

14.6 Reactions of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -27

• To promote cleavage, HI and HBr are generally effective.

• HCl is less effective, and HF does not cause significant cleavage.

• Explain the trend above considering the relative strength of the halide nucleophiles.

• Why is the cleavage considered acid‐promoted rather than acid‐catalyzed?

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 14.11.

14.6 Reactions of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -28

• Predict products for the reaction below, and draw a complete mechanism.

14.6 Reactions of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -29

• Recall from Section 11.9 that ethers can undergo autooxidation.

• Hydroperoxides can be explosive, so laboratory samples of ether must be frequently tested for the presence of hydroperoxides before they are used.

• The autooxidation occurs through a free radical mechanism.

14.6 Reactions of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -30

14.6 Reactions of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -31

• Recall that the net reaction is the sum of the propagation steps:

14.6 Reactions of Ethers

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -32

• For cyclic ethers, the size of the ring determines the parent name of the molecule.

• Oxiranes are also known as epoxides.

• Which cyclic ether system do you think is most reactive? WHY?

14.7 Naming Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -33

• An epoxide can have up to 4 –R groups.

• Although they are unstable, epoxides are found commonly in nature.

14.7 Naming Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -34

• There are two methods for naming epoxides:1. The oxygen is treated as a side group, and two numbers are 

given as its locants.

2. Oxirane is used as the parent name.

14.7 Naming Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -35

• Name the molecules below by both methods if possible.

• Practice CONCEPTUAL CHECKPOINTs 14.12 and 14.13.

14.7 Naming Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -36

• Recall from Section 9.9 that epoxides can be formed when an alkene is treated with a peroxy acid.

• MCPBA and peroxyacetic acid are most commonly used.

14.8 Preparation of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -37

• Recall that the process is stereospecific.

14.8 Preparation of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -38

• Epoxides can also be formed from halohydrins. 

• What is a halohydrin?

• How are halohydrins formed from alkenes?

• When a halohydrin is treated with NaOH, a ring‐closing reaction can occur.

14.8 Preparation of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -39

14.8 Preparation of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -40

• Assess the overall stereochemistry of the epoxidation that occurs through the halohydrin intermediate.

• Practice with SKILLBUILDER 14.3.

14.8 Preparation of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -41

• The epoxidation methods we have discussed so far are NOT enantioselective.

• Draw the products.

14.9 Enantioselective Epoxidation

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -42

• The epoxidation forms a racemic mixture because the flat alkene can react on either face.

14.9 Enantioselective Epoxidation

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -43

• To be enantioselective at least one of the reagents (or the catalyst) in a reaction must be chiral.

• The Sharpless catalyst forms such a chiral complex with an allylic alcohol.

14.9 Enantioselective Epoxidation

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -44

• The desired epoxide can be formed if the right catalyst is chosen. Note the position of the –OH group.

• How does the catalyst favor just one epoxide product?

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 14.16.

14.9 Enantioselective Epoxidation

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -45

• Because of their significant ring strain, epoxides have great synthetic utility as intermediates.

• Propose some reagents that might react with an epoxide to provide a specific functional group.

• Propose some reagents that might react with an epoxide to alter the carbon skeleton.

14.10 Ring‐opening of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -46

• Strong nucleophiles react readily with epoxides.

• Predict whether each step is product‐ or reactant‐favored, and explain WHY.

14.10 Ring‐opening of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -47

• In general, alkoxides are not good leaving groups.

• The ring strain associated with the epoxide increases its potential energy making it more reactive.

14.10 Ring‐opening of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -48

• The epoxide reaction is both more kinetically and more thermodynamically favored. WHY?

14.10 Ring‐opening of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -49

• Epoxides can be opened by many other strong nucleophiles as well.

• Both regioselectivity and stereoselectivity must be considered.

14.10 Ring‐opening of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -50

• Given that the epoxide ring‐opening is SN2, predict the outcome of the following reactions.

• Pay attention to regio‐ and stereoselectivity. Explain WHY.

• Practice with SKILLBUILDER 14.4.

14.10 Ring‐opening of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -51

O

• Acidic conditions can also be used to open epoxides.

14.10 Ring‐opening of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -52

• Water or an alcohol can also be used as the nucleophile under acidic conditions. 

• Predict the products and draw a complete mechanism.

• Antifreeze (ethylene glycol) is made industrially by this method.

14.10 Ring‐opening of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -53

• Propose an explanation for the following regiochemical observations.

• Consider both steric and electronic effects (induction).

14.10 Ring‐opening of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -54

• If the nucleophile preferentially attacks the tertiary carbon under acidic conditions, is the mechanism likely SN1 or SN2?

• Considering the observations below, is the mechanism likely SN1 or SN2?

14.10 Ring‐opening of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -55

• When the nucleophile attacks a tertiary center of the epoxide, the intermediate it attacks takes on some carbocation character (SN1), but not completely.

• Give reaction conditions for the following reaction.

• Practice with SKILLBUILDER 14.5.

14.10 Ring‐opening of Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -56

• Sulfur appears just under oxygen on the periodic table.

• Sulfur appears in THIOLS as an –SH group analogous to the –OH group in alcohols.

• The name of a compound with an –SH group ends in “thiol” rather than “ol.”

• Note that the “e” of butane is not dropped in the name of the thiol.

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -57

• Thiols are also known as mercaptans.

• The –SH group can also be named as part of a side group rather than as part of the parent chain.

• The mercaptan name comes from their ability to complex mercury.

• 2,3‐dimercapto‐1‐propanol is used to treat mercury poisoning. WHY? Draw its structure.

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -58

• Thiols are known for their unpleasant odor.

• Skunks use thiols as a defense mechanism.

• Methanethiol is added to natural gas (methane) so that gas leaks can be detected.

• Your nose is a very sensitive instrument.

• The hydrosulfide ion (HS–) is a strong nucleophile and a weak base.

• HS– promotes SN2 rather than E2.

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -59

• Predict the outcome of the following reactions, and draw a complete mechanism.

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 14.22.

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -60

• Thiols have a pKa of about 10.5.

• Recall that water has a pKa of 15.7.

• Predict whether the equilibrium below will favor products or reactants and draw the mechanism.

• Thiolates are excellent nucleophiles.

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -61

thiolate ion

• Once a thiolate forms, it can attack Br2 to produce a disulfide.

• How does the oxidation number change?

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -62

• Disulfides can be reduced by the reverse reaction.

• The interconversion between thiol and disulfide can also occur directly via a free radical mechanism. Propose a mechanism.

• The bond dissociation energy of a S–S bond is only about 53 kcal/mol. WHY is that significant?

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -63

• Sulfur analogs of ethers are called SULFIDES or THIOETHERS.

• Sulfides can also be named as a side group. 

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -64

• Sulfides are generally prepared by nucleophilic attack of a thiolate on an alkyl halide.

• How are thiolates generally prepared?

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -65

• Sulfides undergo a number of reactions:1. Attack on an alkyl halide:

– The process produces a strong alkylating reagent that can add an alkyl group to a variety of nucleophiles.

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -66

• Sulfides undergo a number of reactions:2. Sulfides can also be oxidized.

– Sodium meta‐periodate can be used to form the sulfoxide.

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -67

• Sulfides undergo a number of reactions:2. Sulfides can also be oxidized.

– Hydrogen peroxide can be used to give the sulfone.

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -68

• Sulfoxides and sulfones have very little double bond character.

• Which resonance contributor for each is the major contributor, and WHY?

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -69

• Because sulfides are readily oxidized, they make good reducing agents.

• Recall the ozonolysis reaction from Section 9.11.

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 14.23.

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -70

• Predict any products or necessary reagents in the reaction sequence below.

• Verify the formal charge on the sulfur in the final product above.

14.11 Thiols and Sulfides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -71

BrHS

1) NaOH

2)

• Epoxides can be used to install functional groups on adjacent carbons.

• Give necessary reagents for the reaction below.

• Practice with SKILLBUILDER 14.6.

14.12 Synthetic Strategies Involving Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -72

• By reacting an epoxide with a Grignard reagent, the carbon skeleton can be modified.

• You may think of an alkyl halide as the starting material.

14.12 Synthetic Strategies Involving Epoxides

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• Recall that a carbonyl can be used to install a one carbon chain between an R group and an OH group.

• An epoxide can be used to install a two carbon chain between an R group and an OH group.

14.12 Synthetic Strategies Involving Epoxides

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e14 -74

• Give necessary reagents for the reaction below.

• Practice with SKILLBUILDER 14.7.

14.12 Synthetic Strategies Involving Epoxides

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