ch20 - laney college · 4/18/2012 3 • show the nucleophilic attack for some other nucleophiles....

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4/18/2012 1 Common in biomolecules Important in the synthesis of many pharmaceuticals The basis upon which much of the remaining concepts in this course will build 20.1 Ketones and Aldehydes The carbonyl group is common to both ketones and aldehydes Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 20 -1 20.1 Ketones and Aldehydes Relevant Examples Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 20 -2 1. Identify and name the parent chain: For aldehydes, replace the e with an al. Example: 20.2 Nomenclature of Aldehydes Be sure that the parent chain includes the carbonyl carbon. Example: Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 20 -3 1. Identify and name the parent chain: Numbering the carbonyl group of the aldehyde takes priority over other groups. Example: 20.2 Nomenclature of Aldehydes Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 20 -4 1. Identify and name the parent chain. 2. Identify the name of the substituents (side groups) 3. Assign a locant (number) to each substituents. 4. Assemble the name alphabetically . 20.2 Nomenclature of Aldehydes Name the following molecule. Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 20 -5 1. Identify and name the parent chain: For ketones, replace the e with an one. Example: 20.2 Nomenclature of Ketones The locant (number showing where the C=O is located) can be expressed before the parent name or before the suffix. Example: Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 20 -6

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Page 1: ch20 - Laney College · 4/18/2012 3 • Show the nucleophilic attack for some other nucleophiles. Nucleophiles to consider include OH–, CN–, H–, R–, H 2O. 20.4 Nucleophilic

4/18/2012

1

• Common in biomolecules

• Important in the synthesis of many pharmaceuticals

• The basis upon which much of the remaining concepts in this course will build

20.1 Ketones and Aldehydes

• The carbonyl group is common to both ketones and aldehydes

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -1

20.1 Ketones and Aldehydes –Relevant Examples

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -2

1. Identify and name the parent chain:– For aldehydes, replace the e with an al.

– Example:

20.2 Nomenclature of Aldehydes

– Be sure that the parent chain includes the carbonyl carbon.

– Example:

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -3

1. Identify and name the parent chain:– Numbering the carbonyl group of the aldehyde takes priority 

over other groups.

– Example:

20.2 Nomenclature of Aldehydes

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -4

1. Identify and name the parent chain.

2. Identify the name of the substituents (side groups)

3. Assign a locant (number) to each substituents.

4. Assemble the name alphabetically.

20.2 Nomenclature of Aldehydes

p y

• Name the following molecule.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -5

1. Identify and name the parent chain:– For ketones, replace the e with an one.

– Example:

20.2 Nomenclature of Ketones

– The locant (number showing where the C=O is located) can be expressed before the parent name or before the suffix.

– Example:

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -6

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1. Identify and name the parent chain.

2. Identify the name of the substituents (side groups).

3. Assign a locant (number) to each substituents.

4. Assemble the name alphabetically.

20.2 Nomenclature of Ketones

p y

• Name the following molecule.

• Practice with SKILLBUILDER 20.1

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -7

20.3 Preparing Aldehydes and Ketones

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -8

• What makes the carbonyl carbon a good electrophile?1. RESONANCE: There is a minor but significant contributor that 

includes a formal 1+ charge on the carbonyl carbon.

20.4 Carbonyls as Electrophiles

– What would the resonance hybrid look like for this carbonyl?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -9

What makes the carbonyl carbon a good electrophile?

2. INDUCTION: The carbonyl carbon is directly 

attached to a very electronegative oxygen atom.

20.4 Carbonyls as Electrophiles

3. STERICS: How does an sp2 carbon compare to an sp3?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -10

• Consider the factors: resonance, induction, and sterics. 

• Which should be MORE REACTIVE as an electrophile, aldehydes or ketones? Explain WHY.

• Example comparison:

20.4 Carbonyls as Electrophiles

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -11

• We want to analyze how nucleophiles attack carbonyls and why some nucleophile react and others don’t.

– Example attack:

20.4 Nucleophilic Attack on a Carbonyl

• If the nucleophile is weak, or if the attacking nucleophile is a good leaving group, the reverse reaction will dominate.

– Reverse reaction:

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -12

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• Show the nucleophilic attack for some other nucleophiles. Nucleophiles to consider include OH–, CN–, H–, R–, H2O.

20.4 Nucleophilic Attack on a Carbonyl

• When the nucleophile attacks, is the resulting intermediate relatively stable or unstable? WHY?

• If a nucleophile is also a GOOD LEAVING GROUP, is it likely to react with a carbonyl? Explain WHY. 

• Compare attack on a carbonyl with attack on an alkyl halide.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -13

• If the nucleophile is strong enough to attack and NOT a good leaving group, then the full ADDITION will occur (Mechanism 20.1).

20.4 Nucleophilic Attack on a Carbonyl – Nucleophilic Addition

• The intermediate carries a negative charge, so it will pick up a proton to become more stable.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -14

• If the nucleophile is weak and reluctant to attack the carbonyl, HOW could we improve its ability to attack? 

• We can make the carbonyl more electrophilic:

20.4 Nucleophilic Attack on a Carbonyl

– Adding an acid will help. HOW?

• Consider the factors that make it electrophilic in the first place (resonance, induction, and sterics).

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -15

• With a weak nucleophile, the presence of an acid will make the carbonyl more attractive to the nucleophile so the full ADDITION can occur (Mechanism 20.2).

20.4 Nucleophilic Attack on a Carbonyl – Nucleophilic Addition

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -16

• Is there a reason why acid is not used with strong nucleophiles?

20.4 Nucleophilic Attack on a Carbonyl – Nucleophilic Addition

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -17

• Is water generally a strong or weak nucleophile?

• Show a generic mechanism for water attacking an aldehyde or ketone.

20.5 Water as a Nucleophile

• Predict whether the nucleophilic attack is product favored or reactant favored. WHY?

• Would the presence of an acid improve the reaction?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -18

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• If water were to attack the carbonyl, what likely mechanism steps would follow? 

• Will the overall process be fast or slow? 

20.5 Water as a Nucleophile

• Will the overall process be product or reactant favored?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -19

20.5 Water as a Nucleophile

Acetone

Formaldehyde

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -20

Formaldehyde

Hexafluoroacetone

20.5 Water as a Nucleophile

Acetone

Formaldehyde

• How do the following factors affect the equilibria: entropy, induction, sterics?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -21

Formaldehyde

Hexafluoroacetone

• To avoid the unstable intermediate with two formal charges, the reaction can be catalyzed by a base (Mechanism 20.3).

20.5 Water as a Nucleophile

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -22

20.5 Water as a Nucleophile

• How does the base increase the rate of reaction? Will it make the reaction more product‐favored?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -23

• The reaction can also be catalyzed by an acid (Mechanism 20.4).

20.5 Water as a Nucleophile

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -24

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20.5 Water as a Nucleophile

• How does the acid increase the rate of reaction? Will it make the reaction more product‐favored?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -25

• An alcohol acts as the nucleophile instead of water.

20.5 Acetals – Formation

• Notice that the reaction is under equilibrium and that it is acid catalyzed.

• Analyze the complete mechanism (Mechanism 20.5) on the next slide.

• Analyze how the acid allows the reaction to proceed through lower energy intermediates.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -26

20.5 Acetals – Formation

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -27

• After the hemiacetal is protonated in Mechanism 20.5, the water leaving group leaves. Why is the water leaving group pushed out INTRAMOLECULARLY?

20.5 Acetals – Formation

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -28

• You might imagine an INTERMOLECULAR collision that causes the water to leave. 

20.5 Acetals – Formation

• Why is the INTERMOLECULAR step unlikely?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -29

20.5 Acetals – Formation

• Practice with SKILLBUILDER 20.2.Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -30

5 and 6-membered cyclic acetals are generally product favored

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20.5 Acetals – Formation

• How do entropy, induction, sterics, and Le Châtelier’s principle affect the equilibrium?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -31

5 and 6-membered cyclic acetals are generally product favored

• Acetals can be attached and removed fairly easily.

• Example:

20.5 Acetals – Equilibrium Control

• Both the forward and reverse reactions are acid catalyzed.

• How does the presence of water affect which side the equilibrium will favor?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -32

• We can use an acetal to selectively protect an aldehyde or ketone from reacting in the presence of other electrophiles. 

• Fill in necessary reagents or intermediates.

20.5 Acetals – Protecting Groups

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -33

• Fill in necessary reagents or intermediates.

20.5 Acetals – Protecting Groups

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -34

• As a nucleophile, are amines stronger or weaker than water?

– If you want an amine to attack a carbonyl carbon, will a catalyst be necessary?

• Will an acid (H+) or a base (OH‐) catal st be most likel

20.6 Primary Amine Nucleophiles

• Will an acid (H+) or a base (OH‐) catalyst be most likely to work? WHY?

• What will the product most likely look like? Keep in mind that entropy disfavors processes in which two molecules combine to form one.

• Analyze the complete mechanism (Mechanism 20.6) on the next slide.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -35

20.6 Primary Amine Nucleophiles

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -36

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• The mechanism requires an acid catalyst. Note that the optimal pH to achieve a fast reaction is around 4 or 5.

20.6 Primary Amine Nucleophiles

• Practice with SKILLBUILDER 20.3.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -37

• Why does the reaction slow down below pH 4?

20.6 Primary Amine Nucleophiles

• Why does the reaction slow down when the pH is greater than 5?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -38

• A proton transfer alleviates the +1 charge in both mechanisms. The difference occurs in the LAST step.

– For 1° amines (Mechanism

20.6 Primary Amine Nucleophiles vs. Secondary Amine Nucleophiles

For 1 amines (Mechanism 20.6): the NITROGEN atom loses a proton directly.

– For 2° amines (Mechanism 20.7): a neighboring CARBON atom loses a proton.

• Practice with SKILLBUILDER 20.4.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -39

• Reduction of a carbonyl to an alkane:

20.7 Wolff‐Kishner Reduction

• Hydrazine attacks the carbonyl via Mechanism 20.6 to form the hydrazone, which is structurally similar to an imine.

• The second part of the mechanism is shown on the next slide (Mechanism 20.8).

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -40

• In general, carbanions are unstable and reluctant to form.

20.7 Wolff‐Kishner Reduction

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -41

• What drives this reaction forward? 

• Is OH‐ a catalyst in the mechanism?

20.7 Wolff‐Kishner Reduction

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -42

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• Note the many similarities between the acid catalyzed mechanisms we have discussed:– Carbonyl is protonated first: 

• Makes the carbonyl more electrophilic

• Avoids negative formal charge on the intermediate

– Avoid high energy intermediate with two formal charges

20.8 Mechanism Strategies

– Acid protonates leaving group so that it is stable and neutral upon leaving

– Last step of mechanism involves a proton transfer forming a neutral product

• Overall: under acidic conditions, reaction species should either be neutral or have a +1 formal charge.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -43

• Under acidic conditions, thiols react nearly the same as alcohols. Examples:

20.8 Mechanism Strategies –Sulfur Nucleophiles

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -44

• Conditions to convert a ketone into an alkane:

20.8 Mechanism Strategies –Alternative to Wolff‐Kishner

1. A thioacetal is formed via an acid catalyzed nucleophilic addition mechanism.

2. Raney Ni transfers H2 molecules to the thioacetal converting it into an alkane.

• Recall the Clemmenson (Section 19.6) reduction can also be used to promote this conversion.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -45

• We rarely see hydrogen acting as a nucleophile. WHY? What role does hydrogen normally play in mechanisms?

• To be a nucleophile, hydrogen must have a pair of l H 1 i ll d h d id

20.9 Hydrogen Nucleophiles

electrons. H:1‐ is called hydride

• Reagents that produce hydride ions include LiAlH4

(LAH) and NaBH4. Hydrides will react readily with carbonyls.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -46

• Identify the nucleophile.

• Will the reaction be more effective under acidic or 

20.9 Hydrogen Nucleophiles

under basic conditions? WHY?

• Show a complete mechanism (Mechanism 20.9).

• Analyze the reversibility (or irreversibility )of each step.

• Describe necessary experimental conditions. Why are there two steps in the reaction?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -47

• Carbon doesn’t often act as a nucleophile. WHY? What ROLE does carbon most often play in mechanisms?

• To be a nucleophile, carbon must have a pair of electrons it can use to attract an electrophile:

20.10 Carbon Nucleophiles

1. A carbanion with a ‐1 charge and an available pair of electrons. However, carbanions are relatively unstable and reluctant to form.

2. A carbon attached to a very low electronegativity atom such as a Grignard. Analyze the electrostatics of the Grignard reagent.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -48

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• Identify the nucleophile.

• Will the reaction be more effective under acidic or d b i diti ? WHY?

20.10 Grignard Example1)

2) dilute HCl (aq)

OH

O

O

BrMg3 equivalents

under basic conditions? WHY?

• Show a complete mechanism (Mechanism 20.10). Three equivalents of the Grignard are necessary.

• Analyze the reversibility or irreversibility of each step.

• Describe necessary experimental conditions. Why are there two steps in the reaction?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -49

• The cyanide ion can act as a nucleophile.

20.10 Cyanohydrin

• Disadvantage: EXTREME toxicity and volatility of hydrogen cyanide.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -50

• Advantage: synthetic utility

20.10 Cyanohydrin

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -51

• Like the Grignard and the cyanohydrin, the Wittig reaction can be very synthetically useful. What do these three reactions have in common?

• Example:

20.10 Wittig Reaction 

• Similar to the Grignard, one carbon is a nucleophile and the other is an electrophile.

• Identify which is which.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -52

• The ylide carries a formal negative charge on a carbon.

20.10 Wittig Reaction –Wittig Reagent or Ylide

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -53

• In general, carbons are not good at stabilizing a 

20.10 Wittig Reaction –Wittig Reagent or Ylide

g , g gnegative charge. Are there any factors that allow the ylide to stabilize its formal negative charge?

• Why is the charged resonance contributor the major contributor?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -54

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• The Wittig mechanism (Mechanism 20.12):

20.10 Wittig Reaction

• Which of the steps in the reaction is mostly likely the slowest? WHY?

• The formation of the especially stable triphenylphoshine oxide drives the equilibrium forward.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -55

• To make an ylide, you start with an alkyl halide and triphenylphosphine.

• Example:

20.10 Wittig Reaction –Formation of an ylide

• The first step is a simple substitution. The second step is a proton transfer. 

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -56

• Is the base used in the second step strong or weak? Why is such a base used?

20.10 Wittig Reaction –Formation of an Ylide

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -57

• Overall, the Wittig reaction allows two molecular segments to be connected through a C=C. 

• Example:

20.10 Wittig Reaction – Overall 

O

– Describe the reagents and conditions necessary for the reaction to take place.

– Give a mechanism.

– Note how the colored segments are connected.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -58

Br

• Overall, the Wittig reaction allows two molecular segments to be connected through a C=C. 

20.10 Wittig Reaction – Overall 

retro1.

• Use a retrosynthetic analysis to determine a different set of reactants that could be used to make the target.

• Practice with SKILLBUILDER 20.6.Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -59

2.

• An oxygen is inserted between a carbonyl carbon and neighboring group.

• Mechanism 20.13 shows the movement of electrons.

20.11 Baeyer‐Villiger

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -60

Page 11: ch20 - Laney College · 4/18/2012 3 • Show the nucleophilic attack for some other nucleophiles. Nucleophiles to consider include OH–, CN–, H–, R–, H 2O. 20.4 Nucleophilic

4/18/2012

11

• Which step in the equilibrium is most likely the slowest? WHY?

20.11 Baeyer‐Villiger

• Note the last step is not reversible. WHY?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -61

• If the carbonyl is asymmetrical, use the following chart to determine which group migrates most readily.

• Predict the product of the reaction, and give a 

20.11 Baeyer‐Villiger Example

complete mechanism.

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• Recall the questions we ask to aid our analysis‐1. Is there a change in the carbon skeleton?

2. Is there a change in the functional group?

20.12 Synthetic Strategies

• Changes to the carbon skeleton: C–C bond formation 

• Name each reaction.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -63

• Recall the questions we ask to aid our analysis1. Is there a change in the carbon skeleton?

2. Is there a change in the functional group?

• Changes to the 

20.12 Synthetic Strategies

carbon skeleton: C–C bond cleavage 

• Name the reaction.

• Practice with SKILLBUILDER 20.7.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -64

• STRONG peak for the C=O stretch: 

20.13 Spectroscopic Analysis –Infrared Spectroscopy

typical carbonyl             typical conjugated carbonyl

• Aldehydes also give WEAK peaks around 2700–2800 cm‐1 for the C–H stretch.

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• Protons neighboring a carbonyl are weakly deshielded by the oxygen.

20.13 Spectroscopic Analysis –NMR Spectroscopy

• Aldehyde protons are strongly deshielded, usually appearing around 9 or 10 ppm. 

– Why is the aldehyde proton shifted so far downfield?

• In the 13C NMR, the carbonyl carbon generally appears around 200 ppm.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e20 -66

Page 12: ch20 - Laney College · 4/18/2012 3 • Show the nucleophilic attack for some other nucleophiles. Nucleophiles to consider include OH–, CN–, H–, R–, H 2O. 20.4 Nucleophilic

4/18/2012

12

• Predict 1H NMR shifts, splitting, and integration and 13C shifts for the following molecule.

20.13 Spectroscopic Analysis –NMR Spectroscopy

O

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O

HO