Ημιακετάλες

Η γενική δομή μιας ημιακετάλης (αριστερά) και ημικετάλης (δεξιά).

Στην οργανική χημεία, μια ημιακετάλη (hemiacetal) είναι μια χαρακτηριστική ομάδα με γενικό τύπο R1R2C(OH)OR, όπου το R1, R2 είναι ένα άτομο υδρογόνου ή ένας οργανικός υποκαταστάτης. Γενικά, προκύπτουν από την πυρηνόφιλη προσθήκη μιας αλκοόλης (μιας ένωσης με τουλάχιστον μία υδροξυλομάδα) σε μια αλδεΰδη (R−CH=O) ή μια κετόνη (R2C=O) υπό όξινες συνθήκες. Η προσθήκη μιας αλκοόλης σε μια κετόνη αναφέρεται πιο συχνά ως ημικετάλη. Κοινά παραδείγματα ημιακεταλών περιλαμβάνουν κυκλικούς μονοσακχαρίτες. Οι ημιακετάλες χρησιμοποιούνται ως προστατευτικές ομάδες και στη σύνθεση οξυγονωμένων ετεροκυκλικών ενώσεων όπως τα τετραϋδροφουράνια.

Ονοματολογία

Σύμφωνα με τον ορισμό της ημιακετάλης από την IUPAC, οι ομάδες R1 και R2 μπορεί να είναι υδρογόνο ή όχι. Σε μια ημικετάλη, και οι δύο αυτές ομάδες R δεν πρέπει να είναι υδρογόνο. Έτσι, οι ημικετάλες θεωρούνται ως υποκατηγορία ημιακεταλών.[1] Το πρόθεμα ημι (hemi), αναφέρεται στη μία αλκοόλη που προστίθεται στην καρβονυλική ομάδα. Αυτό είναι το ήμισυ των απαιτούμενων αλκοολών για το σχηματισμό ακεταλών ή κεταλών.[2] Οι κυκλικές ημιακετάλες μπορεί μερικές φορές να αναφέρονται ως λακτόλες (lactols).[3]

Σχηματισμός

Σχηματισμός ημιακεταλών
Σχηματισμός ημιακεταλών
Σχηματισμός ημικεταλών
Σχηματισμός ημικεταλών

Ημιακετάλες σχηματίζονται στην αντίδραση μεταξύ αλκοολών και αλδεϋδών ή κετονών. Χρησιμοποιώντας έναν όξινο καταλύτη, η αντίδραση προχωρά μέσω πυρηνόφιλης προσβολής της καρβονυλικής ομάδας από την αλκοόλη.[4] Μια επακόλουθη πυρηνόφιλη προσβολή της ημιακετάλης από την αλκοόλη οδηγεί σε ακετάλη.[2] Τα διαλύματα απλών αλδεϋδών σε αλκοόλες αποτελούνται κυρίως από την ημιακετάλη. Η ισορροπία είναι δυναμική και μπορεί εύκολα να αντιστραφεί μέσω υδρόλυσης. Η ισορροπία είναι ευαίσθητη σε στερεοχημικές επιδράσεις.[5]

Ακεταλίωση αλδεϋδών και κετονών
Καρβονυλική ένωση αλκοολικός διαλύτης %ημιακετάλη
ακεταλδεΰδη μεθανόλη 97
ακεταλδεΰδη αιθανόλη 91
προπιοναλδεΰδη μεθανόλη 95
βρωμοακετόνη μεθανόλη 47

Οι κυκλικές ημιακετάλες σχηματίζονται εύκολα, ειδικά όταν είναι 5- και 6-μελείς δακτύλιοι. Σε αυτή την περίπτωση, μια ομάδα υδροξυλίου αντιδρά με μια ομάδα καρβονυλίου μέσα στο ίδιο μόριο για να υποστεί μια αντίδραση ενδομοριακής κυκλοποίησης.[6]

Σχηματισμός γενικής κυκλικής ημιακετάλης
Δομές ορισμένων εύκολα απομονώσιμων ημιακεταλών και ημικεταλών. Η χλωράλη (Chloral) και ο γλυοξαλικός αιθυλεστέρας απεικονίζουν τη σταθεροποιητική επίδραση των ομάδων που απομακρύνουν ηλεκτρόνια. Η περίπτωση της κυκλοπροπανόνης επεξηγεί την επίδραση της τάσης του δακτυλίου (ring-strain).[7] Οι δύο περιπτώσεις στα δεξιά απεικονίζουν το αποτέλεσμα του κλεισίματος του δακτυλίου.[5]

Ημιακετάλες στη φύση

Αριστερά, γλυκόζη, μια κυκλική ημιακετάλη.
Αριστερά, γλυκόζη, μια κυκλική ημιακετάλη.
Δεξιά, μια λακτόλη φρουκτόζης, μια κυκλική ημικετάλη.
Δεξιά, μια λακτόλη φρουκτόζης, μια κυκλική ημικετάλη.

Οι ημιακετάλες υπάρχουν συνήθως στη φύση ως αλδόζες όπως η γλυκόζη και οι ημικετάλες υπάρχουν συνήθως στη φύση ως κετόζες όπως η φρουκτόζη. Η προτίμηση του σχηματισμού ενός εξαμελούς δακτυλίου χωρίς παραμορφώσεις και η ηλεκτρονιοφιλία μιας αλδεΰδης συνδυάζονται για να ευνοήσουν έντονα τη μορφή της ακετάλης.[8]

Χρήση

Οι ημιακετάλες μπορούν να χρησιμοποιηθούν στρατηγικά ως προστατευτικές ομάδες για τα καρβονύλια στην οργανική σύνθεση για την πρόληψη ανεπιθύμητων αντιδράσεων.[6] Ένα καρβονύλιο μπορεί να μετατραπεί στην ημιακεταλική του μορφή για να μειώσει την αντιδραστικότητα του. Η επιθυμητή αντίδραση με τη λειτουργική ομάδα στόχο μπορεί στη συνέχεια να πραγματοποιηθεί και η ημιακετάλη μπορεί αργότερα να μετατραπεί ξανά σε καρβονύλιο μέσω υδρόλυσης. Τα τετραϋδροφουράνια μπορούν να συντεθούν από πυρηνόφιλη προσθήκη σε ημιακετάλες με υψηλή στερεοεκλεκτικότητα, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί περαιτέρω για το σχηματισμό πολυμερών όπως οι λιγνάνες.[9] Οι ημιακετάλες μπορούν επίσης να υποστούν σπειροκυκλοποίηση (spirocyclization) καταλυόμενη από οξύ ή προσθήκη/απομάκρυνση καταλυόμενη από μέταλλο για να δώσουν σπειροακετάλες. Αυτές οι αντιδράσεις είναι μετρίως στερεοεκλεκτικές, αν και το θερμοδυναμικά ευνοούμενο ισομερές παράγεται συχνά.[10] Τα προγράμματα ανακάλυψης φαρμάκων συνθέτουν ικριώματα σπειροακετάλης για να δημιουργήσουν βιβλιοθήκες μορίων που περιέχουν σπειροακετάλη. Αυτά τα παράγωγα σπειροακετάλης έχουν πιθανή χρήση για τη θεραπεία ασθενειών όπως η λευχαιμία CLL.[11] Μία μέθοδος παραγωγής γραμμικών ημιακεταλικών εστέρων είναι μέσω της συμπύκνωσης σταθεροποιημένων ημιακεταλών από ανυδρίτες. Αυτό δημιουργεί ένα σταθερό ημικεταλικό ενδιάμεσο που στη συνέχεια υφίσταται ακετυλίωση στον ημιακεταλικό εστέρα. Οι ημιακεταλικοί εστέρες χρησιμοποιούνται κυρίως στη χημεία πολυμερών ως εκκινητές πολυμερισμού και ως προστατευτικές ομάδες για καρβοξυλικά οξέα.[12]

Παραπομπές

  1. ↑ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version:  (2006–) "hemiketals".
  2. ↑ 2,0 2,1 Fox, Marye Anne· Whitesell, James K. (2004). Organic Chemistry (στα Αγγλικά). Jones & Bartlett Learning. σελ. 590. ISBN 9780763721978. 
  3. ↑ IUPAC Gold Book lactols
  4. ↑ Azofra, Luis Miguel; Alkorta, Ibon; Elguero, José; Toro-Labbé, Alejandro (2012-08-09). «Mechanisms of Formation of Hemiacetals: Intrinsic Reactivity Analysis» (στα αγγλικά). The Journal of Physical Chemistry A 116 (31): 8250–8259. doi:10.1021/jp304495f. ISSN 1089-5639. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jp304495f. 
  5. ↑ 5,0 5,1 Schmitz, Ernst· Eichhorn, Inge (1967). «Acetals and Hemiacetals». The Ether Linkage (PATAI'S Chemistry of Functional Groups). σελίδες 309–351. doi:10.1002/9780470771075.ch7. ISBN 9780470771075. 
  6. ↑ 6,0 6,1 Solomons, Thomas W. Graham· Fryhle, Craig B.· Snyder, Scott A. (2016). Solomons' organic chemistry (12th, global έκδοση). Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-1-119-24897-2. 
  7. ↑ Salaun, Jacques (1983). «Cyclopropanone Hemiacetals». Chemical Reviews 83 (6): 619–632. doi:10.1021/cr00058a002. 
  8. ↑ «10.3: Hemiacetals, Hemiketals, and Hydrates». Chemistry LibreTexts (στα Αγγλικά). 10 Αυγούστου 2018. Ανακτήθηκε στις 30 Νοεμβρίου 2024. 
  9. ↑ Rainier, Jon D. (2014), Cossy, Janine, επιμ., Synthesis of Substituted Tetrahydrofurans, 35, Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, σελ. 1–41, doi:10.1007/978-3-642-41473-2_1, ISBN 978-3-642-41472-5, https://link.springer.com/10.1007/978-3-642-41473-2_1, ανακτήθηκε στις 2024-11-30 
  10. ↑ Brimble, Margaret A.; Stubbing, Louise A. (2014), Cossy, Janine, επιμ., Synthesis of 5,6- and 6,6-Spirocyclic Compounds, 35, Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, σελ. 189–267, doi:10.1007/978-3-642-41473-2_5, ISBN 978-3-642-41472-5, https://link.springer.com/10.1007/978-3-642-41473-2_5, ανακτήθηκε στις 2024-11-30 
  11. ↑ Lenci, Elena (2020-01-01), Trabocchi, Andrea; Lenci, Elena, επιμ., Chapter 8 - Synthesis and biological properties of spiroacetal-containing small molecules, Elsevier, σελ. 225–245, doi:10.1016/b978-0-12-818349-6.00008-x, ISBN 978-0-12-818349-6, https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B978012818349600008X 
  12. ↑ Boucher, David; Laviéville, Sidonie; Ladmiral, Vincent; Negrell, Claire; Leclerc, Eric (2024-02-13). «Hemiacetal Esters: Synthesis, Properties, and Applications of a Versatile Functional Group». Macromolecules 57 (3): 810–829. doi:10.1021/acs.macromol.3c01250. ISSN 0024-9297. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c01250.