IChO 1992 · Theory problem 3
Coniferyl alcohol: structure and stereoisomers of its dibromide
Coniferyl alcohol has the molecular formula \(\ce{C10H12O3}\). It is isolated from pine trees. Coniferyl alcohol is not soluble in water or aqueous \(\ce{NaHCO3}\). A solution of \(\ce{Br2}\) in \(\ce{CCl4}\) is decolorized when added to coniferyl alcohol forming A (\(\ce{C10H12O3Br2}\)). Upon reductive ozonolysis coniferyl alcohol produces vanillin (4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyd) and B (\(\ce{C2H4O2}\)). Coniferyl alcohol reacts with benzoyl chloride (\(\ce{C6H5COCl}\)) in the presence of a base to form C (\(\ce{C24H20O5}\)). This product rapidly decolorizes \(\ce{KMnO4}\) (aq) and is insoluble in dilute \(\ce{NaOH}\).
Coniferyl alcohol reacts with cold \(\ce{HBr}\) to form D (\(\ce{C10H11O2Br}\)). Hot \(\ce{HI}\) converts \(\ce{ArOR}\) to \(\ce{ArOH}\) and \(\ce{RI}\). Coniferyl alcohol reacts with excess hot \(\ce{HI}\) to give E (\(\ce{C9H9O2I}\)) and \(\ce{CH3I}\). \(\ce{CH3I}\) in aqueous base reacts with coniferyl alcohol to form F (\(\ce{C11H14O3}\)), which is not soluble in a strong base, but decolorizes \(\ce{Br2}/\ce{CCl4}\)-solution.
3.1 Draw the structures of coniferyl alcohol and compounds A - F.
3.2 There are a number of stereoisomers of compound A. Draw structure of compound A. Label each chiral centre in compound A with an asterisk (*). For all stereoisomers draw Fischer projections and label each chiral center with the proper \(R\) or \(S\) designation giving the absolute configuration about the chiral centre.
Official English text of the problem.
Answers
- 3.1. The structures are as follows. Alkene geometry is left unspecified because the stated experiments do not determine it.
| Compound | Name | SMILES |
|---|---|---|
| Coniferyl alcohol | 3-(4-Hydroxy-3-methoxyphenyl)prop-2-en-1-ol | OCC=Cc1cc(OC)c(O)cc1 |
| A | 2,3-Dibromo-3-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)propan-1-ol | OCC(Br)C(Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| B | 2-Hydroxyethanal, also called glycolaldehyde | O=CCO |
| C | Coniferyl alcohol dibenzoate: 3-[4-(benzoyloxy)-3-methoxyphenyl]prop-2-en-1-yl benzoate | O=C(OCC=Cc1cc(OC)c(OC(=O)c2ccccc2)cc1)c1ccccc1 |
| D | 4-(3-Bromoprop-1-en-1-yl)-2-methoxyphenol | BrCC=Cc1cc(OC)c(O)cc1 |
| E | 4-(3-Iodoprop-1-en-1-yl)benzene-1,2-diol | ICC=Cc1cc(O)c(O)cc1 |
| F | 3-(3,4-Dimethoxyphenyl)prop-2-en-1-ol | OCC=Cc1cc(OC)c(OC)cc1 |
- 3.2. Number the side chain from the alcohol end: C1 is the hydroxymethyl carbon, C2 is the middle carbon, and C3 is attached to the aromatic ring. C2 and C3 are the two chiral centres. There are four stereoisomers and no meso form.
The following table precisely specifies their Fischer projections. Put the 4-hydroxy-3-methoxyphenyl group at the top, then C3, then C2, and finally \(\ce{CH2OH}\) at the bottom. Horizontal bonds point toward the viewer; vertical bonds point away.
| Stereoisomer of A | C3: left / right | C2: left / right | Isomeric SMILES |
|---|---|---|---|
| \((2R,3R)\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | OC[C@@H](Br)[C@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2S,3S)\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | OC[C@H](Br)[C@@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2R,3S)\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | OC[C@@H](Br)[C@@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2S,3R)\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | OC[C@H](Br)[C@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
Solution
3.1. Identification of coniferyl alcohol and A–F
The degree of unsaturation of coniferyl alcohol is
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(10)+2-12}{2}=5. \]
A benzene ring accounts for four degrees of unsaturation, leaving one additional double bond.
Vanillin is 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde, O=Cc1cc(OC)c(O)cc1. Its formation by reductive ozonolysis establishes an aromatic fragment bearing hydroxy and methoxy groups at positions 4 and 3 relative to the side chain. The original side chain therefore contains an \(\ce{Ar-CH=}\) unit, where \(\mathrm{Ar}\) denotes the 4-hydroxy-3-methoxyphenyl group.
Benzoylation provides the other essential constraint. Replacing an \(\ce{O-H}\) hydrogen by a benzoyl group adds the net composition \(\ce{C7H4O}\). The observed formula change is
\[ \Delta=\ce{C14H8O2}=2\times\ce{C7H4O}. \]
Thus two hydroxyl groups are benzoylated. One is the phenolic hydroxyl identified through vanillin; the other must be an alcoholic hydroxyl. Together with the two-carbon ozonolysis fragment, this establishes the parent structure:
\[ \boxed{\ce{Ar-CH=CH-CH2OH}}. \]
The lack of bicarbonate solubility is consistent with a phenol, whose acidity is insufficient for the usual bicarbonate reaction of carboxylic acids.
Formation of A: bromine addition.
Bromine adds across the side-chain double bond:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + Br2 ->[CCl4] Ar-CHBr-CHBr-CH2OH}. \]
This gives A, retaining all twelve hydrogen atoms and adding two bromine atoms, exactly as required by \(\ce{C10H12O3Br2}\).
Formation of B: reductive ozonolysis.
Cleavage of the double bond gives vanillin from the aromatic end and glycolaldehyde from the alcohol end:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH ->[reductive\ ozonolysis] Ar-CHO + OHC-CH2OH}. \]
For an explicitly balanced net equation, dimethyl sulfide, CSC, can be chosen as the reductive work-up reagent; its oxidation product is dimethyl sulfoxide, CS(C)=O:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + O3 + (CH3)2S -> Ar-CHO + OHC-CH2OH + (CH3)2SO}. \]
The second organic product is therefore B, glycolaldehyde, \(\ce{C2H4O2}\).
Formation of C: benzoylation of both hydroxyl groups.
The phenolic and primary-alcohol hydroxyl groups both form benzoate esters. Writing sodium hydroxide as the base gives the balanced equation
\[ \ce{C10H12O3 + 2 C6H5COCl + 2 NaOH -> C24H20O5 + 2 NaCl + 2 H2O}. \]
In C, the ring substituent \(\ce{-OH}\) has become \(\ce{-OCOC6H5}\), and the side-chain terminus \(\ce{-CH2OH}\) has become \(\ce{-CH2OCOC6H5}\). The methoxy group and alkene remain intact.
The absence of a free phenolic hydroxyl explains insolubility in dilute sodium hydroxide. The retained alkene explains rapid permanganate decolorization. Under the usual mild alkaline test conditions, a balanced representative reaction is
\[ \ce{3 C24H20O5 + 2 KMnO4 + 4 H2O -> 3 C24H22O7 + 2 MnO2 + 2 KOH}. \]
Here the organic product is 2,3-dihydroxy-3-[4-(benzoyloxy)-3-methoxyphenyl]propyl benzoate, O=C(OCC(O)C(O)c1cc(OC)c(OC(=O)c2ccccc2)cc1)c1ccccc1. The problem gives only the decolorization observation, so a particular isolated oxidation product is not needed for identifying C.
Formation of D: replacement of the alcoholic hydroxyl by bromine.
The formula change corresponds to loss of \(\ce{OH}\) and introduction of \(\ce{Br}\):
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + HBr ->[cold] Ar-CH=CH-CH2Br + H2O}. \]
Thus D is the allylic bromide. Simple addition of hydrogen bromide across the alkene would retain all three oxygen atoms and would not match the stated formula.
Formation of E: ether cleavage and alcohol substitution.
Excess hot hydrogen iodide causes two transformations:
- The aromatic methoxy group becomes a hydroxyl group, releasing iodomethane (methyl iodide),
CI. - The side-chain alcoholic hydroxyl is replaced by iodine.
The balanced overall equation is
\[ \ce{C10H12O3 + 2 HI -> C9H9O2I + CH3I + H2O}. \]
Hence E has adjacent phenolic hydroxyl groups and the side chain \(\ce{-CH=CH-CH2I}\). Its formula requires retention of the alkene.
Formation of F: methylation of the phenolic hydroxyl.
In aqueous base, the phenolic hydroxyl is preferentially deprotonated and methylated. The balanced net equation is
\[ \ce{C10H12O3 + CH3I + NaOH -> C11H14O3 + NaI + H2O}. \]
The product F therefore has two aromatic methoxy groups and retains its primary-alcohol group. With no free phenolic hydroxyl, it does not acquire the usual phenolate-mediated solubility in aqueous strong base.
Its remaining double bond consumes bromine:
\[ \ce{C11H14O3 + Br2 -> C11H14O3Br2}. \]
The addition product is 2,3-dibromo-3-(3,4-dimethoxyphenyl)propan-1-ol, OCC(Br)C(Br)c1cc(OC)c(OC)cc1.
3.2. Chiral centres, Fischer projections, and absolute configurations
The starred carbon atoms in A are
\[ \ce{HOCH2-} \underset{\mathrm{C2}^{*}}{\ce{CH(Br)}} \ce{-} \underset{\mathrm{C3}^{*}}{\ce{CH(Br)}} \ce{-Ar}. \]
Each has four different substituents. The hydroxymethyl carbon is not chiral because it bears two hydrogen atoms.
The Cahn–Ingold–Prelog priorities are:
-
At C2: \[ \ce{Br} > \ce{CH(Br)-Ar} > \ce{CH2OH} > \ce{H}. \] The two carbon ligands are distinguished by their next attached atoms: \((\ce{Br},\ce{C},\ce{H})\) outranks \((\ce{O},\ce{H},\ce{H})\).
-
At C3: \[ \ce{Br} > \ce{CH(Br)-CH2OH} > \ce{Ar} > \ce{H}. \] The side-chain carbon has bromine in its next comparison sphere and therefore outranks the aromatic carbon.
These priorities give the Fischer projections specified in the Answers table. In every listed projection, hydrogen lies on a horizontal bond and points toward the viewer, so the apparent clockwise or counterclockwise \(1\rightarrow2\rightarrow3\) order must be reversed.
There are
\[ 2^2=\boxed{4} \]
configurational stereoisomers. The different aromatic and hydroxymethyl ends prevent an internal symmetry element from producing a meso form. The enantiomeric pairs are
\[ (2R,3R)\longleftrightarrow(2S,3S), \qquad (2R,3S)\longleftrightarrow(2S,3R). \]
Members of different pairs are diastereomers. Anti bromination of a single alkene geometrical isomer ordinarily produces one enantiomeric pair; the question asks for all stereoisomers of the dibromide.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1992 · Theorieaufgabe 3
Coniferylalkohol: Struktur und Stereoisomere seines Dibromids
Coniferylalkohol hat die Summenformel \(\ce{C10H12O3}\). Er wird aus Kiefern isoliert. Coniferylalkohol ist weder in Wasser noch in wässrigem \(\ce{NaHCO3}\) löslich. Eine Lösung von \(\ce{Br2}\) in \(\ce{CCl4}\) wird bei Zugabe zu Coniferylalkohol unter Bildung von A (\(\ce{C10H12O3Br2}\)) entfärbt. Bei der reduktiven Ozonolyse liefert Coniferylalkohol Vanillin (4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyd) und B (\(\ce{C2H4O2}\)). Coniferylalkohol reagiert mit Benzoylchlorid (\(\ce{C6H5COCl}\)) in Gegenwart einer Base zu C (\(\ce{C24H20O5}\)). Dieses Produkt entfärbt \(\ce{KMnO4}\) (aq) rasch und ist in verdünnter \(\ce{NaOH}\) unlöslich.
Coniferylalkohol reagiert mit kaltem \(\ce{HBr}\) zu D (\(\ce{C10H11O2Br}\)). Heißes \(\ce{HI}\) wandelt \(\ce{ArOR}\) in \(\ce{ArOH}\) und \(\ce{RI}\) um. Coniferylalkohol reagiert mit überschüssigem heißem \(\ce{HI}\) zu E (\(\ce{C9H9O2I}\)) und \(\ce{CH3I}\). \(\ce{CH3I}\) reagiert in wässriger Base mit Coniferylalkohol zu F (\(\ce{C11H14O3}\)), das in einer starken Base nicht löslich ist, aber eine \(\ce{Br2}/\ce{CCl4}\)-Lösung entfärbt.
3.1 Zeichnen Sie die Strukturen von Coniferylalkohol und den Verbindungen A - F.
3.2 Von Verbindung A gibt es mehrere Stereoisomere. Zeichnen Sie die Struktur von Verbindung A. Kennzeichnen Sie jedes Chiralitätszentrum in Verbindung A mit einem Sternchen (*). Zeichnen Sie für alle Stereoisomere die Fischer-Projektionen und kennzeichnen Sie jedes Chiralitätszentrum mit der entsprechenden Bezeichnung \(R\) oder \(S\), die die absolute Konfiguration am Chiralitätszentrum angibt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 3.1. Die Strukturen sind nachstehend angegeben. Die Geometrie der Doppelbindung bleibt offen, da sie durch die angegebenen Experimente nicht bestimmt wird.
| Verbindung | Name | SMILES |
|---|---|---|
| Coniferylalkohol | 3-(4-Hydroxy-3-methoxyphenyl)prop-2-en-1-ol | OCC=Cc1cc(OC)c(O)cc1 |
| A | 2,3-Dibrom-3-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)propan-1-ol | OCC(Br)C(Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| B | 2-Hydroxyethanal, auch Glycolaldehyd genannt | O=CCO |
| C | Coniferylalkoholdibenzoat: 3-[4-(Benzoyloxy)-3-methoxyphenyl]prop-2-en-1-ylbenzoat | O=C(OCC=Cc1cc(OC)c(OC(=O)c2ccccc2)cc1)c1ccccc1 |
| D | 4-(3-Bromprop-1-en-1-yl)-2-methoxyphenol | BrCC=Cc1cc(OC)c(O)cc1 |
| E | 4-(3-Iodprop-1-en-1-yl)benzol-1,2-diol | ICC=Cc1cc(O)c(O)cc1 |
| F | 3-(3,4-Dimethoxyphenyl)prop-2-en-1-ol | OCC=Cc1cc(OC)c(OC)cc1 |
- 3.2. Nummerieren Sie die Seitenkette vom Alkoholende aus: C1 ist das Kohlenstoffatom der Hydroxymethylgruppe, C2 das mittlere Kohlenstoffatom, und C3 ist an den aromatischen Ring gebunden. C2 und C3 sind die beiden Chiralitätszentren. Es gibt vier Stereoisomere und keine meso-Form.
Die folgende Tabelle legt ihre Fischer-Projektionen eindeutig fest. Ordnen Sie die 4-Hydroxy-3-methoxyphenylgruppe oben an, darunter C3, dann C2 und schließlich \(\ce{CH2OH}\) unten. Horizontale Bindungen zeigen zum Betrachter hin; vertikale Bindungen zeigen von ihm weg.
| Stereoisomer von A | C3: links / rechts | C2: links / rechts | Isomere SMILES |
|---|---|---|---|
| \((2R,3R)\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | OC[C@@H](Br)[C@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2S,3S)\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | OC[C@H](Br)[C@@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2R,3S)\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | OC[C@@H](Br)[C@@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2S,3R)\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | OC[C@H](Br)[C@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
Lösung
3.1. Identifizierung von Coniferylalkohol und A–F
Der Doppelbindungsäquivalentwert von Coniferylalkohol beträgt
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(10)+2-12}{2}=5. \]
Auf einen Benzolring entfallen vier Doppelbindungsäquivalente, sodass eine weitere Doppelbindung verbleibt.
Vanillin ist 4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyd, O=Cc1cc(OC)c(O)cc1. Seine Bildung durch reduktive Ozonolyse weist ein aromatisches Fragment mit Hydroxy- und Methoxygruppen in den Positionen 4 und 3 relativ zur Seitenkette nach. Die ursprüngliche Seitenkette enthält daher eine \(\ce{Ar-CH=}\)-Einheit, wobei \(\mathrm{Ar}\) die 4-Hydroxy-3-methoxyphenylgruppe bezeichnet.
Die Benzoylierung liefert die andere entscheidende Bedingung. Der Ersatz eines \(\ce{O-H}\)-Wasserstoffatoms durch eine Benzoylgruppe erhöht die Zusammensetzung netto um \(\ce{C7H4O}\). Die beobachtete Änderung der Summenformel lautet
\[ \Delta=\ce{C14H8O2}=2\times\ce{C7H4O}. \]
Somit werden zwei Hydroxygruppen benzoyliert. Eine davon ist die durch Vanillin identifizierte phenolische Hydroxygruppe; die andere muss eine alkoholische Hydroxygruppe sein. Zusammen mit dem Ozonolysefragment mit zwei Kohlenstoffatomen legt dies die Struktur der Ausgangsverbindung fest:
\[ \boxed{\ce{Ar-CH=CH-CH2OH}}. \]
Die fehlende Löslichkeit in Hydrogencarbonatlösung ist mit einem Phenol vereinbar, dessen Acidität für die übliche Reaktion von Carbonsäuren mit Hydrogencarbonat nicht ausreicht.
Bildung von A: Bromaddition.
Brom wird an die Doppelbindung der Seitenkette addiert:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + Br2 ->[CCl4] Ar-CHBr-CHBr-CH2OH}. \]
Dabei entsteht A, wobei alle zwölf Wasserstoffatome erhalten bleiben und zwei Bromatome hinzukommen, genau wie es die Formel \(\ce{C10H12O3Br2}\) erfordert.
Bildung von B: reduktive Ozonolyse.
Die Spaltung der Doppelbindung ergibt am aromatischen Ende Vanillin und am Alkoholende Glycolaldehyd:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH ->[reductive\ ozonolysis] Ar-CHO + OHC-CH2OH}. \]
Für eine explizit ausgeglichene Nettogleichung kann Dimethylsulfid, CSC, als Reagenz für die reduktive Aufarbeitung gewählt werden; sein Oxidationsprodukt ist Dimethylsulfoxid, CS(C)=O:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + O3 + (CH3)2S -> Ar-CHO + OHC-CH2OH + (CH3)2SO}. \]
Das zweite organische Produkt ist daher B, Glycolaldehyd, \(\ce{C2H4O2}\).
Bildung von C: Benzoylierung beider Hydroxygruppen.
Sowohl die phenolische Hydroxygruppe als auch die Hydroxygruppe des primären Alkohols bilden Benzoesäureester. Mit Natriumhydroxid als Base ergibt sich die ausgeglichene Gleichung
\[ \ce{C10H12O3 + 2 C6H5COCl + 2 NaOH -> C24H20O5 + 2 NaCl + 2 H2O}. \]
In C ist der Ringsubstituent \(\ce{-OH}\) zu \(\ce{-OCOC6H5}\) geworden und das Seitenkettenende \(\ce{-CH2OH}\) zu \(\ce{-CH2OCOC6H5}\). Die Methoxygruppe und die Alkenfunktion bleiben erhalten.
Das Fehlen einer freien phenolischen Hydroxygruppe erklärt die Unlöslichkeit in verdünnter Natronlauge. Die erhaltene Alkenfunktion erklärt die rasche Entfärbung von Permanganat. Unter den üblichen milden alkalischen Nachweisbedingungen lautet eine repräsentative ausgeglichene Reaktionsgleichung
\[ \ce{3 C24H20O5 + 2 KMnO4 + 4 H2O -> 3 C24H22O7 + 2 MnO2 + 2 KOH}. \]
Das organische Produkt ist hier 2,3-Dihydroxy-3-[4-(benzoyloxy)-3-methoxyphenyl]propylbenzoat, O=C(OCC(O)C(O)c1cc(OC)c(OC(=O)c2ccccc2)cc1)c1ccccc1. Die Aufgabe gibt lediglich die beobachtete Entfärbung an; zur Identifizierung von C wird daher kein bestimmtes isoliertes Oxidationsprodukt benötigt.
Bildung von D: Ersatz der alkoholischen Hydroxygruppe durch Brom.
Die Änderung der Summenformel entspricht dem Verlust von \(\ce{OH}\) und der Einführung von \(\ce{Br}\):
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + HBr ->[cold] Ar-CH=CH-CH2Br + H2O}. \]
Somit ist D das allylische Bromid. Bei einer einfachen Addition von Bromwasserstoff an die Alkenfunktion blieben alle drei Sauerstoffatome erhalten, was nicht mit der angegebenen Summenformel übereinstimmen würde.
Bildung von E: Etherspaltung und Substitution der alkoholischen Hydroxygruppe.
Überschüssiger heißer Iodwasserstoff bewirkt zwei Umwandlungen:
- Die aromatische Methoxygruppe wird unter Freisetzung von Iodmethan (Methyliodid),
CI, zu einer Hydroxygruppe. - Die alkoholische Hydroxygruppe der Seitenkette wird durch Iod ersetzt.
Die ausgeglichene Gesamtgleichung lautet
\[ \ce{C10H12O3 + 2 HI -> C9H9O2I + CH3I + H2O}. \]
Damit besitzt E benachbarte phenolische Hydroxygruppen und die Seitenkette \(\ce{-CH=CH-CH2I}\). Seine Summenformel erfordert, dass die Alkenfunktion erhalten bleibt.
Bildung von F: Methylierung der phenolischen Hydroxygruppe.
In wässriger Base wird die phenolische Hydroxygruppe bevorzugt deprotoniert und methyliert. Die ausgeglichene Nettogleichung lautet
\[ \ce{C10H12O3 + CH3I + NaOH -> C11H14O3 + NaI + H2O}. \]
Das Produkt F besitzt daher zwei aromatische Methoxygruppen und behält seine primäre Alkoholgruppe. Da es keine freie phenolische Hydroxygruppe besitzt, erhält es nicht die übliche, durch Phenolatbildung vermittelte Löslichkeit in einer wässrigen starken Base.
Seine verbleibende Doppelbindung verbraucht Brom:
\[ \ce{C11H14O3 + Br2 -> C11H14O3Br2}. \]
Das Additionsprodukt ist 2,3-Dibrom-3-(3,4-dimethoxyphenyl)propan-1-ol, OCC(Br)C(Br)c1cc(OC)c(OC)cc1.
3.2. Chiralitätszentren, Fischer-Projektionen und absolute Konfigurationen
Die mit Sternchen gekennzeichneten Kohlenstoffatome in A sind
\[ \ce{HOCH2-} \underset{\mathrm{C2}^{*}}{\ce{CH(Br)}} \ce{-} \underset{\mathrm{C3}^{*}}{\ce{CH(Br)}} \ce{-Ar}. \]
Jedes besitzt vier verschiedene Substituenten. Das Kohlenstoffatom der Hydroxymethylgruppe ist nicht chiral, da es zwei Wasserstoffatome trägt.
Die Cahn–Ingold–Prelog-Prioritäten lauten:
-
An C2: \[ \ce{Br} > \ce{CH(Br)-Ar} > \ce{CH2OH} > \ce{H}. \] Die beiden Kohlenstoffliganden werden anhand der jeweils als Nächstes gebundenen Atome unterschieden: \((\ce{Br},\ce{C},\ce{H})\) hat eine höhere Priorität als \((\ce{O},\ce{H},\ce{H})\).
-
An C3: \[ \ce{Br} > \ce{CH(Br)-CH2OH} > \ce{Ar} > \ce{H}. \] Das Kohlenstoffatom der Seitenkette weist in seiner nächsten Vergleichssphäre Brom auf und hat daher eine höhere Priorität als das aromatische Kohlenstoffatom.
Aus diesen Prioritäten ergeben sich die in der Tabelle unter Antworten angegebenen Fischer-Projektionen. In jeder aufgeführten Projektion liegt Wasserstoff an einer horizontalen Bindung und zeigt zum Betrachter hin, sodass die scheinbar im oder gegen den Uhrzeigersinn verlaufende Reihenfolge \(1\rightarrow2\rightarrow3\) umgekehrt werden muss.
Es gibt
\[ 2^2=\boxed{4} \]
Konfigurationsstereoisomere. Die unterschiedlichen aromatischen und Hydroxymethyl-Endgruppen verhindern, dass ein inneres Symmetrieelement eine meso-Form ermöglicht. Die Enantiomerenpaare sind
\[ (2R,3R)\longleftrightarrow(2S,3S), \qquad (2R,3S)\longleftrightarrow(2S,3R). \]
Mitglieder verschiedener Paare sind Diastereomere. Die anti-Bromierung eines einzelnen geometrischen Alkenisomers liefert gewöhnlich ein Enantiomerenpaar; die Frage verlangt alle Stereoisomere des Dibromids.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1992 · Teori sorusu 3
Koniferil alkol: yapısı ve dibromürünün stereoizomerleri
Koniferil alkolün molekül formülü \(\ce{C10H12O3}\)'tür. Çam ağaçlarından izole edilir. Koniferil alkol suda veya sulu \(\ce{NaHCO3}\) çözeltisinde çözünmez. \(\ce{Br2}\)'nin \(\ce{CCl4}\) içindeki çözeltisi koniferil alkole eklendiğinde rengini kaybeder ve A (\(\ce{C10H12O3Br2}\)) oluşur. İndirgen ozonoliz sonucunda koniferil alkolden vanilin (4-hidroksi-3-metoksibenzaldehit) ve B (\(\ce{C2H4O2}\)) elde edilir. Koniferil alkol, bir baz varlığında benzoil klorür (\(\ce{C6H5COCl}\)) ile tepkimeye girerek C (\(\ce{C24H20O5}\)) oluşturur. Bu ürün, sulu \(\ce{KMnO4}\) çözeltisinin rengini hızla giderir ve seyreltik \(\ce{NaOH}\) çözeltisinde çözünmez.
Koniferil alkol, soğuk \(\ce{HBr}\) ile tepkimeye girerek D (\(\ce{C10H11O2Br}\)) oluşturur. Sıcak \(\ce{HI}\), \(\ce{ArOR}\)'yi \(\ce{ArOH}\) ve \(\ce{RI}\)'ye dönüştürür. Koniferil alkol, aşırı miktarda sıcak \(\ce{HI}\) ile tepkimeye girerek E (\(\ce{C9H9O2I}\)) ve \(\ce{CH3I}\) verir. Sulu baz ortamında \(\ce{CH3I}\), koniferil alkol ile tepkimeye girerek kuvvetli bazda çözünmeyen, ancak \(\ce{Br2}/\ce{CCl4}\) çözeltisinin rengini gideren F (\(\ce{C11H14O3}\)) oluşturur.
3.1 Koniferil alkolün ve A - F bileşiklerinin yapılarını çiziniz.
3.2 A bileşiğinin birden fazla stereoizomeri vardır. A bileşiğinin yapısını çiziniz. A bileşiğindeki her kiral merkezi bir yıldız (*) ile işaretleyiniz. Tüm stereoizomerler için Fischer izdüşümlerini çiziniz ve her kiral merkezi, o merkez etrafındaki mutlak konfigürasyonu gösteren uygun \(R\) veya \(S\) simgesiyle belirtiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 3.1. Yapılar aşağıdaki gibidir. Verilen deneyler alken geometrisini belirlemediğinden bu geometri belirtilmemiştir.
| Bileşik | Adı | SMILES |
|---|---|---|
| Koniferil alkol | 3-(4-Hidroksi-3-metoksifenil)prop-2-en-1-ol | OCC=Cc1cc(OC)c(O)cc1 |
| A | 2,3-Dibromo-3-(4-hidroksi-3-metoksifenil)propan-1-ol | OCC(Br)C(Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| B | Glikolaldehit olarak da adlandırılan 2-hidroksietanal | O=CCO |
| C | Koniferil alkol dibenzoat: 3-[4-(benzoiloksi)-3-metoksifenil]prop-2-en-1-il benzoat | O=C(OCC=Cc1cc(OC)c(OC(=O)c2ccccc2)cc1)c1ccccc1 |
| D | 4-(3-Bromoprop-1-en-1-il)-2-metoksifenol | BrCC=Cc1cc(OC)c(O)cc1 |
| E | 4-(3-İyodoprop-1-en-1-il)benzen-1,2-diol | ICC=Cc1cc(O)c(O)cc1 |
| F | 3-(3,4-Dimetoksifenil)prop-2-en-1-ol | OCC=Cc1cc(OC)c(OC)cc1 |
- 3.2. Yan zinciri alkol ucundan başlayarak numaralandırınız: C1 hidroksimetil karbonudur, C2 ortadaki karbondur ve C3 aromatik halkaya bağlıdır. İki kiral merkez C2 ve C3'tür. Dört stereoizomer vardır ve mezo biçim yoktur.
Aşağıdaki tablo, bunların Fischer izdüşümlerini kesin olarak tanımlar. 4-hidroksi-3-metoksifenil grubunu en üste, ardından C3'ü, sonra C2'yi ve son olarak \(\ce{CH2OH}\) grubunu en alta yerleştiriniz. Yatay bağlar gözlemciye doğru, düşey bağlar ise gözlemciden uzağa yönelir.
| A'nın stereoizomeri | C3: sol / sağ | C2: sol / sağ | İzomerik SMILES |
|---|---|---|---|
| \((2R,3R)\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | OC[C@@H](Br)[C@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2S,3S)\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | OC[C@H](Br)[C@@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2R,3S)\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | OC[C@@H](Br)[C@@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2S,3R)\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | OC[C@H](Br)[C@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
Çözüm
3.1. Koniferil alkolün ve A–F bileşiklerinin belirlenmesi
Koniferil alkolün doymamışlık derecesi
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(10)+2-12}{2}=5. \]
Bir benzen halkası dört doymamışlık derecesine karşılık gelir; geriye bir ek çift bağ kalır.
Vanilin, 4-hidroksi-3-metoksibenzaldehittir, O=Cc1cc(OC)c(O)cc1. İndirgen ozonolizle oluşması, yan zincire göre 4 ve 3 konumlarında sırasıyla hidroksi ve metoksi grupları taşıyan aromatik bir parçanın varlığını ortaya koyar. Dolayısıyla başlangıçtaki yan zincir bir \(\ce{Ar-CH=}\) birimi içerir; burada \(\mathrm{Ar}\), 4-hidroksi-3-metoksifenil grubunu gösterir.
Benzoilleme, diğer temel kısıtı sağlar. Bir \(\ce{O-H}\) hidrojeninin bir benzoil grubuyla değiştirilmesi, net olarak \(\ce{C7H4O}\) bileşiminin eklenmesine yol açar. Gözlenen formül değişimi
\[ \Delta=\ce{C14H8O2}=2\times\ce{C7H4O}. \]
Böylece iki hidroksil grubu benzoillenir. Bunlardan biri vanilin aracılığıyla belirlenen fenolik hidroksildir; diğeri ise bir alkol hidroksili olmalıdır. İki karbonlu ozonoliz parçasıyla birlikte bu bilgi, başlangıç bileşiğinin yapısını belirler:
\[ \boxed{\ce{Ar-CH=CH-CH2OH}}. \]
Bikarbonat çözeltisinde çözünmemesi, asitliği karboksilik asitlerin olağan bikarbonat tepkimesini vermeye yetmeyen bir fenolle uyumludur.
A'nın oluşumu: brom katılması.
Brom, yan zincirdeki çift bağa katılır:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + Br2 ->[CCl4] Ar-CHBr-CHBr-CH2OH}. \]
Böylece on iki hidrojen atomunun tamamı korunup iki brom atomu eklenerek A elde edilir; bu, \(\ce{C10H12O3Br2}\) formülünün gerektirdiği değişimle tam olarak örtüşür.
B'nin oluşumu: indirgen ozonoliz.
Çift bağın parçalanmasıyla aromatik uçtan vanilin, alkol ucundan ise glikolaldehit elde edilir:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH ->[reductive\ ozonolysis] Ar-CHO + OHC-CH2OH}. \]
Açıkça denkleştirilmiş bir net denklem yazmak için indirgen son işlem reaktifi olarak dimetil sülfür, CSC, seçilebilir; bunun yükseltgenme ürünü dimetil sülfoksittir, CS(C)=O:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + O3 + (CH3)2S -> Ar-CHO + OHC-CH2OH + (CH3)2SO}. \]
Dolayısıyla ikinci organik ürün, glikolaldehit olan B'dir, \(\ce{C2H4O2}\).
C'nin oluşumu: her iki hidroksil grubunun benzoillenmesi.
Fenolik hidroksil grubu ve birincil alkolün hidroksil grubu, her ikisi de benzoat esterleri oluşturur. Baz olarak sodyum hidroksit yazıldığında denkleştirilmiş denklem şöyle olur:
\[ \ce{C10H12O3 + 2 C6H5COCl + 2 NaOH -> C24H20O5 + 2 NaCl + 2 H2O}. \]
C'de, halkadaki \(\ce{-OH}\) sübstitüenti \(\ce{-OCOC6H5}\)'e, yan zincirin ucundaki \(\ce{-CH2OH}\) ise \(\ce{-CH2OCOC6H5}\)'e dönüşmüştür. Metoksi grubu ve alken değişmeden kalır.
Serbest bir fenolik hidroksilin bulunmaması, seyreltik sodyum hidroksitte çözünmezliği açıklar. Korunan alken, permanganat renginin hızla giderilmesini açıklar. Olağan ılımlı bazik test koşullarında, temsili bir denkleştirilmiş tepkime şöyledir:
\[ \ce{3 C24H20O5 + 2 KMnO4 + 4 H2O -> 3 C24H22O7 + 2 MnO2 + 2 KOH}. \]
Buradaki organik ürün 2,3-dihidroksi-3-[4-(benzoiloksi)-3-metoksifenil]propil benzoattır, O=C(OCC(O)C(O)c1cc(OC)c(OC(=O)c2ccccc2)cc1)c1ccccc1. Soruda yalnızca rengin giderildiği gözlemi verildiğinden, C'nin belirlenmesi için belirli bir izole edilmiş yükseltgenme ürününe gerek yoktur.
D'nin oluşumu: alkol hidroksilinin bromla yer değiştirmesi.
Formül değişimi, \(\ce{OH}\) kaybına ve \(\ce{Br}\) eklenmesine karşılık gelir:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + HBr ->[cold] Ar-CH=CH-CH2Br + H2O}. \]
Dolayısıyla D, allilik bromürdür. Hidrojen bromürün alkene basitçe katılması, üç oksijen atomunun tamamını koruyacağından verilen formülle uyuşmazdı.
E'nin oluşumu: eter bağının parçalanması ve alkolde yer değiştirme.
Aşırı miktarda sıcak hidrojen iyodür iki dönüşüme yol açar:
- Aromatik metoksi grubu bir hidroksil grubuna dönüşür ve iyodometan (metil iyodür),
CI, açığa çıkar. - Yan zincirdeki alkol hidroksili iyotla yer değiştirir.
Denkleştirilmiş toplam denklem şöyledir:
\[ \ce{C10H12O3 + 2 HI -> C9H9O2I + CH3I + H2O}. \]
Bu nedenle E, komşu fenolik hidroksil gruplarına ve \(\ce{-CH=CH-CH2I}\) yan zincirine sahiptir. Formülü, alkenin korunmasını gerektirir.
F'nin oluşumu: fenolik hidroksilin metillenmesi.
Sulu baz ortamında fenolik hidroksil tercihli olarak protonunu kaybeder ve metillenir. Denkleştirilmiş net denklem şöyledir:
\[ \ce{C10H12O3 + CH3I + NaOH -> C11H14O3 + NaI + H2O}. \]
Dolayısıyla F ürünü, iki aromatik metoksi grubuna sahiptir ve birincil alkol grubunu korur. Serbest fenolik hidroksili bulunmadığından, sulu kuvvetli baz ortamında fenolat oluşumunun sağladığı olağan çözünürlüğü kazanmaz.
Korunan çift bağı brom tüketir:
\[ \ce{C11H14O3 + Br2 -> C11H14O3Br2}. \]
Katılma ürünü 2,3-dibromo-3-(3,4-dimetoksifenil)propan-1-oldür, OCC(Br)C(Br)c1cc(OC)c(OC)cc1.
3.2. Kiral merkezler, Fischer izdüşümleri ve mutlak konfigürasyonlar
A'daki yıldızla işaretlenmiş karbon atomları şunlardır:
\[ \ce{HOCH2-} \underset{\mathrm{C2}^{*}}{\ce{CH(Br)}} \ce{-} \underset{\mathrm{C3}^{*}}{\ce{CH(Br)}} \ce{-Ar}. \]
Her biri dört farklı sübstitüente sahiptir. Hidroksimetil karbonu, iki hidrojen atomu taşıdığı için kiral değildir.
Cahn–Ingold–Prelog öncelikleri şöyledir:
-
C2'de: \[ \ce{Br} > \ce{CH(Br)-Ar} > \ce{CH2OH} > \ce{H}. \] İki karbon ligandı, bir sonraki bağlı atomlarına göre ayırt edilir: \((\ce{Br},\ce{C},\ce{H})\), \((\ce{O},\ce{H},\ce{H})\)'den daha yüksek önceliklidir.
-
C3'te: \[ \ce{Br} > \ce{CH(Br)-CH2OH} > \ce{Ar} > \ce{H}. \] Yan zincir karbonunun bir sonraki karşılaştırma katmanında brom bulunur; bu nedenle aromatik karbondan daha yüksek önceliklidir.
Bu öncelikler, Cevaplar tablosunda belirtilen Fischer izdüşümlerini verir. Listelenen her izdüşümde hidrojen yatay bir bağ üzerinde bulunur ve gözlemciye doğru yönelir; dolayısıyla görünürde saat yönünde veya saat yönünün tersinde olan \(1\rightarrow2\rightarrow3\) sıralaması tersine çevrilmelidir.
Konfigürasyon stereoizomerlerinin sayısı
\[ 2^2=\boxed{4} \]
olur. Aromatik ve hidroksimetil uçların farklı olması, bir iç simetri elemanının mezo biçim oluşturmasını engeller. Enantiyomer çiftleri şunlardır:
\[ (2R,3R)\longleftrightarrow(2S,3S), \qquad (2R,3S)\longleftrightarrow(2S,3R). \]
Farklı çiftlerin üyeleri diastereomerlerdir. Tek bir alken geometrik izomerinin anti bromlanması, normalde bir enantiyomer çifti oluşturur; soruda dibromürün tüm stereoizomerleri istenmektedir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1992 · Problema teórico 3
Alcohol coniferílico: estructura y estereoisómeros de su dibromuro
El alcohol coniferílico tiene la fórmula molecular \(\ce{C10H12O3}\). Se aísla de los pinos. El alcohol coniferílico no es soluble en agua ni en \(\ce{NaHCO3}\) acuoso. Una disolución de \(\ce{Br2}\) en \(\ce{CCl4}\) se decolora al añadirla al alcohol coniferílico, formando A (\(\ce{C10H12O3Br2}\)). Mediante ozonólisis reductora, el alcohol coniferílico produce vainillina (4-hidroxi-3-metoxibenzaldehído) y B (\(\ce{C2H4O2}\)). El alcohol coniferílico reacciona con cloruro de benzoílo (\(\ce{C6H5COCl}\)) en presencia de una base para formar C (\(\ce{C24H20O5}\)). Este producto decolora rápidamente el \(\ce{KMnO4}\) (aq) y es insoluble en \(\ce{NaOH}\) diluido.
El alcohol coniferílico reacciona con \(\ce{HBr}\) en frío para formar D (\(\ce{C10H11O2Br}\)). El \(\ce{HI}\) en caliente convierte \(\ce{ArOR}\) en \(\ce{ArOH}\) y \(\ce{RI}\). El alcohol coniferílico reacciona con un exceso de \(\ce{HI}\) en caliente para dar E (\(\ce{C9H9O2I}\)) y \(\ce{CH3I}\). El \(\ce{CH3I}\) en medio básico acuoso reacciona con el alcohol coniferílico para formar F (\(\ce{C11H14O3}\)), que no es soluble en una base fuerte, pero decolora una disolución de \(\ce{Br2}/\ce{CCl4}\).
3.1 Dibuje las estructuras del alcohol coniferílico y de los compuestos A - F.
3.2 Existen varios estereoisómeros del compuesto A. Dibuje la estructura del compuesto A. Marque cada centro quiral del compuesto A con un asterisco (*). Dibuje las proyecciones de Fischer de todos los estereoisómeros y asigne a cada centro quiral la designación \(R\) o \(S\) adecuada, indicando la configuración absoluta en torno al centro quiral.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 3.1. Las estructuras son las siguientes. La geometría del alqueno se deja sin especificar porque los experimentos descritos no la determinan.
| Compuesto | Nombre | SMILES |
|---|---|---|
| Alcohol coniferílico | 3-(4-hidroxi-3-metoxifenil)prop-2-en-1-ol | OCC=Cc1cc(OC)c(O)cc1 |
| A | 2,3-dibromo-3-(4-hidroxi-3-metoxifenil)propan-1-ol | OCC(Br)C(Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| B | 2-hidroxietanal, también llamado glicolaldehído | O=CCO |
| C | Dibenzoato de alcohol coniferílico: benzoato de 3-[4-(benzoiloxi)-3-metoxifenil]prop-2-en-1-ilo | O=C(OCC=Cc1cc(OC)c(OC(=O)c2ccccc2)cc1)c1ccccc1 |
| D | 4-(3-bromoprop-1-en-1-il)-2-metoxifenol | BrCC=Cc1cc(OC)c(O)cc1 |
| E | 4-(3-yodoprop-1-en-1-il)benceno-1,2-diol | ICC=Cc1cc(O)c(O)cc1 |
| F | 3-(3,4-dimetoxifenil)prop-2-en-1-ol | OCC=Cc1cc(OC)c(OC)cc1 |
- 3.2. Numere la cadena lateral desde el extremo del alcohol: C1 es el carbono del grupo hidroximetilo, C2 es el carbono central y C3 está unido al anillo aromático. C2 y C3 son los dos centros quirales. Hay cuatro estereoisómeros y ninguna forma meso.
La siguiente tabla especifica con precisión sus proyecciones de Fischer. Coloque el grupo 4-hidroxi-3-metoxifenilo en la parte superior, luego C3, después C2 y, por último, \(\ce{CH2OH}\) en la parte inferior. Los enlaces horizontales apuntan hacia el observador; los enlaces verticales se alejan de él.
| Estereoisómero de A | C3: izquierda / derecha | C2: izquierda / derecha | SMILES isomérico |
|---|---|---|---|
| \((2R,3R)\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | OC[C@@H](Br)[C@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2S,3S)\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | OC[C@H](Br)[C@@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2R,3S)\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | OC[C@@H](Br)[C@@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2S,3R)\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | OC[C@H](Br)[C@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
Solución
3.1. Identificación del alcohol coniferílico y de A–F
El grado de insaturación del alcohol coniferílico es
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(10)+2-12}{2}=5. \]
Un anillo de benceno representa cuatro grados de insaturación, por lo que queda un doble enlace adicional.
La vainillina es el 4-hidroxi-3-metoxibenzaldehído, O=Cc1cc(OC)c(O)cc1. Su formación mediante ozonólisis reductora demuestra la presencia de un fragmento aromático con grupos hidroxi y metoxi en las posiciones 4 y 3 con respecto a la cadena lateral. Por tanto, la cadena lateral original contiene una unidad \(\ce{Ar-CH=}\), donde \(\mathrm{Ar}\) representa el grupo 4-hidroxi-3-metoxifenilo.
La benzoilación proporciona la otra condición esencial. Sustituir un hidrógeno de \(\ce{O-H}\) por un grupo benzoílo añade la composición neta \(\ce{C7H4O}\). El cambio de fórmula observado es
\[ \Delta=\ce{C14H8O2}=2\times\ce{C7H4O}. \]
Por tanto, se benzoílan dos grupos hidroxilo. Uno es el hidroxilo fenólico identificado mediante la vainillina; el otro debe ser un hidroxilo alcohólico. Junto con el fragmento de dos carbonos obtenido por ozonólisis, esto establece la estructura del compuesto original:
\[ \boxed{\ce{Ar-CH=CH-CH2OH}}. \]
La falta de solubilidad en bicarbonato es coherente con un fenol, cuya acidez es insuficiente para la reacción habitual de los ácidos carboxílicos con bicarbonato.
Formación de A: adición de bromo.
El bromo se adiciona al doble enlace de la cadena lateral:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + Br2 ->[CCl4] Ar-CHBr-CHBr-CH2OH}. \]
Así se obtiene A, conservando los doce átomos de hidrógeno y añadiendo dos átomos de bromo, exactamente como exige \(\ce{C10H12O3Br2}\).
Formación de B: ozonólisis reductora.
La ruptura del doble enlace da vainillina a partir del extremo aromático y glicolaldehído a partir del extremo del alcohol:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH ->[reductive\ ozonolysis] Ar-CHO + OHC-CH2OH}. \]
Para escribir una ecuación neta explícitamente ajustada, se puede elegir sulfuro de dimetilo, CSC, como reactivo para el tratamiento reductor posterior; su producto de oxidación es el dimetilsulfóxido, CS(C)=O:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + O3 + (CH3)2S -> Ar-CHO + OHC-CH2OH + (CH3)2SO}. \]
Por tanto, el segundo producto orgánico es B, el glicolaldehído, \(\ce{C2H4O2}\).
Formación de C: benzoilación de ambos grupos hidroxilo.
Tanto el grupo hidroxilo fenólico como el del alcohol primario forman ésteres del ácido benzoico. Al escribir hidróxido de sodio como base se obtiene la ecuación ajustada
\[ \ce{C10H12O3 + 2 C6H5COCl + 2 NaOH -> C24H20O5 + 2 NaCl + 2 H2O}. \]
En C, el sustituyente \(\ce{-OH}\) del anillo se ha convertido en \(\ce{-OCOC6H5}\), y el extremo \(\ce{-CH2OH}\) de la cadena lateral se ha convertido en \(\ce{-CH2OCOC6H5}\). El grupo metoxi y el alqueno permanecen intactos.
La ausencia de un hidroxilo fenólico libre explica la insolubilidad en hidróxido de sodio diluido. La conservación del alqueno explica la rápida decoloración del permanganato. En las condiciones alcalinas suaves habituales del ensayo, una reacción representativa ajustada es
\[ \ce{3 C24H20O5 + 2 KMnO4 + 4 H2O -> 3 C24H22O7 + 2 MnO2 + 2 KOH}. \]
Aquí el producto orgánico es el benzoato de 2,3-dihidroxi-3-[4-(benzoiloxi)-3-metoxifenil]propilo, O=C(OCC(O)C(O)c1cc(OC)c(OC(=O)c2ccccc2)cc1)c1ccccc1. El problema solo indica la observación de la decoloración, por lo que no se necesita un producto de oxidación aislado concreto para identificar C.
Formación de D: sustitución del hidroxilo alcohólico por bromo.
El cambio de fórmula corresponde a la pérdida de \(\ce{OH}\) y la introducción de \(\ce{Br}\):
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + HBr ->[cold] Ar-CH=CH-CH2Br + H2O}. \]
Por tanto, D es el bromuro alílico. La simple adición de bromuro de hidrógeno al alqueno conservaría los tres átomos de oxígeno y no concordaría con la fórmula indicada.
Formación de E: ruptura del éter y sustitución en el alcohol.
El exceso de yoduro de hidrógeno en caliente provoca dos transformaciones:
- El grupo metoxi aromático se convierte en un grupo hidroxilo, liberando yodometano (yoduro de metilo),
CI. - El hidroxilo alcohólico de la cadena lateral se sustituye por yodo.
La ecuación global ajustada es
\[ \ce{C10H12O3 + 2 HI -> C9H9O2I + CH3I + H2O}. \]
Así pues, E tiene grupos hidroxilo fenólicos adyacentes y la cadena lateral \(\ce{-CH=CH-CH2I}\). Su fórmula exige que se conserve el alqueno.
Formación de F: metilación del hidroxilo fenólico.
En medio básico acuoso, el hidroxilo fenólico se desprotona y se metila preferentemente. La ecuación neta ajustada es
\[ \ce{C10H12O3 + CH3I + NaOH -> C11H14O3 + NaI + H2O}. \]
Por tanto, el producto F tiene dos grupos metoxi aromáticos y conserva su grupo de alcohol primario. Al no tener un hidroxilo fenólico libre, no adquiere la solubilidad habitual en una base fuerte acuosa debida a la formación de un fenóxido.
El doble enlace que conserva consume bromo:
\[ \ce{C11H14O3 + Br2 -> C11H14O3Br2}. \]
El producto de adición es el 2,3-dibromo-3-(3,4-dimetoxifenil)propan-1-ol, OCC(Br)C(Br)c1cc(OC)c(OC)cc1.
3.2. Centros quirales, proyecciones de Fischer y configuraciones absolutas
Los átomos de carbono marcados con asteriscos en A son
\[ \ce{HOCH2-} \underset{\mathrm{C2}^{*}}{\ce{CH(Br)}} \ce{-} \underset{\mathrm{C3}^{*}}{\ce{CH(Br)}} \ce{-Ar}. \]
Cada uno tiene cuatro sustituyentes diferentes. El carbono del grupo hidroximetilo no es quiral porque tiene dos átomos de hidrógeno.
Las prioridades de Cahn–Ingold–Prelog son:
-
En C2: \[ \ce{Br} > \ce{CH(Br)-Ar} > \ce{CH2OH} > \ce{H}. \] Los dos ligandos carbonados se distinguen por los átomos unidos a ellos en el siguiente nivel: \((\ce{Br},\ce{C},\ce{H})\) tiene mayor prioridad que \((\ce{O},\ce{H},\ce{H})\).
-
En C3: \[ \ce{Br} > \ce{CH(Br)-CH2OH} > \ce{Ar} > \ce{H}. \] El carbono de la cadena lateral tiene bromo en la siguiente esfera de comparación y, por tanto, tiene mayor prioridad que el carbono aromático.
Estas prioridades dan las proyecciones de Fischer especificadas en la tabla de Respuestas. En todas las proyecciones indicadas, el hidrógeno está en un enlace horizontal y apunta hacia el observador, por lo que debe invertirse el sentido aparente, horario o antihorario, de la secuencia \(1\rightarrow2\rightarrow3\).
Hay
\[ 2^2=\boxed{4} \]
estereoisómeros configuracionales. La diferencia entre el extremo aromático y el extremo hidroximetilo impide que un elemento de simetría interna dé lugar a una forma meso. Los pares de enantiómeros son
\[ (2R,3R)\longleftrightarrow(2S,3S), \qquad (2R,3S)\longleftrightarrow(2S,3R). \]
Los miembros de pares diferentes son diastereómeros. La bromación anti de un único isómero geométrico del alqueno produce normalmente un par de enantiómeros; la pregunta pide todos los estereoisómeros del dibromuro.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1992 · 理论题 3
松柏醇:结构及其二溴加成产物的立体异构体
松柏醇的分子式为 \(\ce{C10H12O3}\),可从松树中分离得到。松柏醇不溶于水或 \(\ce{NaHCO3}\) 水溶液。向松柏醇中加入 \(\ce{Br2}\) 的 \(\ce{CCl4}\) 溶液时,溶液褪色,生成 A(\(\ce{C10H12O3Br2}\))。松柏醇经还原性臭氧化分解生成香兰素(4-羟基-3-甲氧基苯甲醛)和 B(\(\ce{C2H4O2}\))。松柏醇在碱存在下与苯甲酰氯(\(\ce{C6H5COCl}\))反应,生成 C(\(\ce{C24H20O5}\))。该产物能使 \(\ce{KMnO4}\) 水溶液迅速褪色,且不溶于稀 \(\ce{NaOH}\) 溶液。
松柏醇与冷的 \(\ce{HBr}\) 反应,生成 D(\(\ce{C10H11O2Br}\))。热的 \(\ce{HI}\) 可将 \(\ce{ArOR}\) 转化为 \(\ce{ArOH}\) 和 \(\ce{RI}\)。松柏醇与过量热的 \(\ce{HI}\) 反应,生成 E(\(\ce{C9H9O2I}\))和 \(\ce{CH3I}\)。在碱性水溶液中,\(\ce{CH3I}\) 与松柏醇反应生成 F(\(\ce{C11H14O3}\));F 不溶于强碱溶液,但能使 \(\ce{Br2}/\ce{CCl4}\) 溶液褪色。
3.1 画出松柏醇及化合物 A - F 的结构。
3.2 化合物 A 存在若干立体异构体。画出化合物 A 的结构。用星号()标出化合物 A* 中的每个手性中心。画出所有立体异构体的费歇尔投影式,并用适当的 \(R\) 或 \(S\) 标记每个手性中心,注明其绝对构型。
题目译自官方英文原文。
答案
- 3.1. 各结构如下。由于题述实验无法确定烯烃的几何构型,此处不予指定。
| 化合物 | 名称 | SMILES |
|---|---|---|
| 松柏醇 | 3-(4-羟基-3-甲氧基苯基)丙-2-烯-1-醇 | OCC=Cc1cc(OC)c(O)cc1 |
| A | 2,3-二溴-3-(4-羟基-3-甲氧基苯基)丙-1-醇 | OCC(Br)C(Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| B | 2-羟基乙醛,也称乙醇醛 | O=CCO |
| C | 松柏醇二苯甲酸酯:苯甲酸-3-[4-(苯甲酰氧基)-3-甲氧基苯基]丙-2-烯-1-基酯 | O=C(OCC=Cc1cc(OC)c(OC(=O)c2ccccc2)cc1)c1ccccc1 |
| D | 4-(3-溴丙-1-烯-1-基)-2-甲氧基苯酚 | BrCC=Cc1cc(OC)c(O)cc1 |
| E | 4-(3-碘丙-1-烯-1-基)苯-1,2-二酚 | ICC=Cc1cc(O)c(O)cc1 |
| F | 3-(3,4-二甲氧基苯基)丙-2-烯-1-醇 | OCC=Cc1cc(OC)c(OC)cc1 |
- 3.2. 从醇端开始对侧链编号:C1 为羟甲基的碳原子,C2 为中间的碳原子,C3 与芳环相连。C2 和 C3 是两个手性中心。共有四种立体异构体,不存在内消旋体。
下表准确规定了各异构体的费歇尔投影式。将 4-羟基-3-甲氧基苯基置于最上方,其下依次为 C3、C2,最下方为 \(\ce{CH2OH}\)。水平键指向观察者,竖直键背向观察者。
| A 的立体异构体 | C3:左 / 右 | C2:左 / 右 | 异构 SMILES |
|---|---|---|---|
| \((2R,3R)\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | OC[C@@H](Br)[C@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2S,3S)\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | OC[C@H](Br)[C@@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2R,3S)\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | OC[C@@H](Br)[C@@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2S,3R)\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | OC[C@H](Br)[C@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
解答
3.1. 松柏醇及 A–F 的结构确定
松柏醇的不饱和度为
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(10)+2-12}{2}=5. \]
一个苯环占四个不饱和度,剩余的一个不饱和度对应另一个双键。
香兰素是 4-羟基-3-甲氧基苯甲醛,O=Cc1cc(OC)c(O)cc1。还原性臭氧化分解生成香兰素,表明分子中存在一个芳香片段,相对于侧链,其 4 位和 3 位分别带有羟基和甲氧基。因此,原侧链含有一个 \(\ce{Ar-CH=}\) 单元,其中 \(\mathrm{Ar}\) 表示 4-羟基-3-甲氧基苯基。
苯甲酰化反应提供了另一个关键限制条件。用苯甲酰基取代 \(\ce{O-H}\) 中的氢原子,净增加的组成为 \(\ce{C7H4O}\)。观察到的分子式变化为
\[ \Delta=\ce{C14H8O2}=2\times\ce{C7H4O}. \]
因此,有两个羟基发生了苯甲酰化。其中一个是通过香兰素确定的酚羟基;另一个必然是醇羟基。结合含两个碳原子的臭氧化分解片段,可确定母体结构为:
\[ \boxed{\ce{Ar-CH=CH-CH2OH}}. \]
不溶于碳酸氢盐溶液的现象与酚的性质相符,因为酚的酸性不足以发生羧酸通常与碳酸氢盐发生的反应。
A 的生成:溴加成。
溴在侧链双键上发生加成:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + Br2 ->[CCl4] Ar-CHBr-CHBr-CH2OH}. \]
由此生成 A,保留全部十二个氢原子,并增加两个溴原子,与 \(\ce{C10H12O3Br2}\) 的要求完全一致。
B 的生成:还原性臭氧化分解。
双键断裂后,芳环端生成香兰素,醇端生成乙醇醛:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH ->[reductive\ ozonolysis] Ar-CHO + OHC-CH2OH}. \]
为写出明确配平的总反应方程式,可选用二甲硫醚(CSC)作为还原性后处理试剂;其氧化产物为二甲亚砜(CS(C)=O):
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + O3 + (CH3)2S -> Ar-CHO + OHC-CH2OH + (CH3)2SO}. \]
因此,第二种有机产物是 B,即乙醇醛,\(\ce{C2H4O2}\)。
C 的生成:两个羟基的苯甲酰化。
酚羟基和伯醇羟基均形成苯甲酸酯。以氢氧化钠为碱,配平的反应方程式为
\[ \ce{C10H12O3 + 2 C6H5COCl + 2 NaOH -> C24H20O5 + 2 NaCl + 2 H2O}. \]
在 C 中,环上的取代基 \(\ce{-OH}\) 变为 \(\ce{-OCOC6H5}\),侧链末端的 \(\ce{-CH2OH}\) 变为 \(\ce{-CH2OCOC6H5}\)。甲氧基和烯键保持不变。
由于不存在游离酚羟基,该化合物不溶于稀氢氧化钠溶液。保留的烯键则解释了高锰酸盐迅速褪色的现象。在通常的温和碱性检验条件下,一个具有代表性的配平反应为
\[ \ce{3 C24H20O5 + 2 KMnO4 + 4 H2O -> 3 C24H22O7 + 2 MnO2 + 2 KOH}. \]
此处的有机产物为苯甲酸-2,3-二羟基-3-[4-(苯甲酰氧基)-3-甲氧基苯基]丙酯,O=C(OCC(O)C(O)c1cc(OC)c(OC(=O)c2ccccc2)cc1)c1ccccc1。题目仅给出了褪色现象,因此,确定 C 的结构不需要指定某种分离得到的氧化产物。
D 的生成:醇羟基被溴取代。
分子式的变化对应于失去 \(\ce{OH}\) 并引入 \(\ce{Br}\):
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + HBr ->[cold] Ar-CH=CH-CH2Br + H2O}. \]
因此,D 是烯丙基型溴化物。若仅发生溴化氢对烯键的加成,则会保留全部三个氧原子,与题给分子式不符。
E 的生成:醚键断裂及醇的取代反应。
过量热的碘化氢引起两种转化:
- 芳环上的甲氧基转变为羟基,释放出碘甲烷(甲基碘),
CI。 - 侧链上的醇羟基被碘取代。
配平的总反应方程式为
\[ \ce{C10H12O3 + 2 HI -> C9H9O2I + CH3I + H2O}. \]
因此,E 具有相邻的两个酚羟基以及侧链 \(\ce{-CH=CH-CH2I}\)。其分子式要求保留烯键。
F 的生成:酚羟基的甲基化。
在碱性水溶液中,酚羟基优先去质子化并发生甲基化。配平的净反应方程式为
\[ \ce{C10H12O3 + CH3I + NaOH -> C11H14O3 + NaI + H2O}. \]
因此,产物 F 的芳环上有两个甲氧基,并保留其伯醇基团。由于没有游离酚羟基,它无法像通常的酚那样通过形成酚盐而溶于强碱水溶液。
其保留的双键会消耗溴:
\[ \ce{C11H14O3 + Br2 -> C11H14O3Br2}. \]
加成产物为 2,3-二溴-3-(3,4-二甲氧基苯基)丙-1-醇,OCC(Br)C(Br)c1cc(OC)c(OC)cc1。
3.2. 手性中心、费歇尔投影式及绝对构型
A 中以星号标出的碳原子如下:
\[ \ce{HOCH2-} \underset{\mathrm{C2}^{*}}{\ce{CH(Br)}} \ce{-} \underset{\mathrm{C3}^{*}}{\ce{CH(Br)}} \ce{-Ar}. \]
每个碳原子均连接四个不同的取代基。羟甲基的碳原子连接两个氢原子,因此不是手性中心。
按照卡恩–英戈尔德–普雷洛格规则,优先次序为:
-
在 C2 处: \[ \ce{Br} > \ce{CH(Br)-Ar} > \ce{CH2OH} > \ce{H}. \] 两个以碳原子相连的基团可通过下一层所连接的原子加以区分:\((\ce{Br},\ce{C},\ce{H})\) 的优先次序高于 \((\ce{O},\ce{H},\ce{H})\)。
-
在 C3 处: \[ \ce{Br} > \ce{CH(Br)-CH2OH} > \ce{Ar} > \ce{H}. \] 侧链碳原子的下一层比较原子中含有溴,因此其优先次序高于芳环碳原子。
根据这些优先次序,即可得到答案表中规定的费歇尔投影式。在所列的每个投影式中,氢都位于水平键上,指向观察者,因此必须将表观的顺时针或逆时针 \(1\rightarrow2\rightarrow3\) 顺序反转。
构型立体异构体共有
\[ 2^2=\boxed{4} \]
种。两端分别为不同的芳基和羟甲基,因此不存在能使分子成为内消旋体的内部对称要素。对映异构体对为
\[ (2R,3R)\longleftrightarrow(2S,3S), \qquad (2R,3S)\longleftrightarrow(2S,3R). \]
不同对中的成员互为非对映异构体。单一烯烃几何异构体的溴反式加成通常生成一对对映异构体;本题要求列出该二溴加成产物的所有立体异构体。
解答已与官方解答核对。
IChO 1992 · Теоретическая задача 3
Конифериловый спирт: строение и стереоизомеры его дибромида
Конифериловый спирт имеет молекулярную формулу \(\ce{C10H12O3}\). Его выделяют из сосен. Конифериловый спирт нерастворим в воде и водном растворе \(\ce{NaHCO3}\). Раствор \(\ce{Br2}\) в \(\ce{CCl4}\) обесцвечивается при добавлении к конифериловому спирту с образованием A (\(\ce{C10H12O3Br2}\)). При восстановительном озонолизе кониферилового спирта образуются ванилин (4-гидрокси-3-метоксибензальдегид) и B (\(\ce{C2H4O2}\)). Конифериловый спирт реагирует с бензоилхлоридом (\(\ce{C6H5COCl}\)) в присутствии основания с образованием C (\(\ce{C24H20O5}\)). Этот продукт быстро обесцвечивает водный раствор \(\ce{KMnO4}\) и нерастворим в разбавленном растворе \(\ce{NaOH}\).
Конифериловый спирт реагирует с холодным \(\ce{HBr}\) с образованием D (\(\ce{C10H11O2Br}\)). Горячий \(\ce{HI}\) превращает \(\ce{ArOR}\) в \(\ce{ArOH}\) и \(\ce{RI}\). Конифериловый спирт реагирует с избытком горячего \(\ce{HI}\) с образованием E (\(\ce{C9H9O2I}\)) и \(\ce{CH3I}\). В водном растворе основания \(\ce{CH3I}\) реагирует с конифериловым спиртом с образованием F (\(\ce{C11H14O3}\)), который нерастворим в растворе сильного основания, но обесцвечивает раствор \(\ce{Br2}/\ce{CCl4}\).
3.1 Изобразите структурные формулы кониферилового спирта и соединений A - F.
3.2 Соединение A имеет несколько стереоизомеров. Изобразите структурную формулу соединения A. Отметьте каждый хиральный центр в соединении A звёздочкой (*). Для всех стереоизомеров изобразите проекции Фишера и обозначьте каждый хиральный центр соответствующим символом \(R\) или \(S\), указывающим его абсолютную конфигурацию.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 3.1. Структуры приведены ниже. Геометрия двойной связи не указана, поскольку описанные эксперименты не позволяют её определить.
| Соединение | Название | SMILES |
|---|---|---|
| Конифериловый спирт | 3-(4-Гидрокси-3-метоксифенил)проп-2-ен-1-ол | OCC=Cc1cc(OC)c(O)cc1 |
| A | 2,3-Дибром-3-(4-гидрокси-3-метоксифенил)пропан-1-ол | OCC(Br)C(Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| B | 2-Гидроксиэтаналь, также называемый гликолевым альдегидом | O=CCO |
| C | Дибензоат кониферилового спирта: 3-[4-(бензоилокси)-3-метоксифенил]проп-2-ен-1-илбензоат | O=C(OCC=Cc1cc(OC)c(OC(=O)c2ccccc2)cc1)c1ccccc1 |
| D | 4-(3-Бромпроп-1-ен-1-ил)-2-метоксифенол | BrCC=Cc1cc(OC)c(O)cc1 |
| E | 4-(3-Иодпроп-1-ен-1-ил)бензол-1,2-диол | ICC=Cc1cc(O)c(O)cc1 |
| F | 3-(3,4-Диметоксифенил)проп-2-ен-1-ол | OCC=Cc1cc(OC)c(OC)cc1 |
- 3.2. Пронумеруем боковую цепь со стороны спиртовой группы: C1 — атом углерода гидроксиметильной группы, C2 — средний атом углерода, а C3 связан с ароматическим кольцом. C2 и C3 — два хиральных центра. Существуют четыре стереоизомера; мезо-форма отсутствует.
Следующая таблица однозначно задаёт их проекции Фишера. Расположите 4-гидрокси-3-метоксифенильную группу вверху, затем C3, затем C2 и, наконец, \(\ce{CH2OH}\) внизу. Горизонтальные связи направлены к наблюдателю; вертикальные — от наблюдателя.
| Стереоизомер A | C3: слева / справа | C2: слева / справа | Изомерический SMILES |
|---|---|---|---|
| \((2R,3R)\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | OC[C@@H](Br)[C@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2S,3S)\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | OC[C@H](Br)[C@@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2R,3S)\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | OC[C@@H](Br)[C@@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2S,3R)\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | OC[C@H](Br)[C@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
Решение
3.1. Установление строения кониферилового спирта и A–F
Степень ненасыщенности кониферилового спирта равна
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(10)+2-12}{2}=5. \]
Бензольное кольцо соответствует четырём единицам ненасыщенности, поэтому остаётся ещё одна двойная связь.
Ванилин — это 4-гидрокси-3-метоксибензальдегид, O=Cc1cc(OC)c(O)cc1. Его образование при восстановительном озонолизе устанавливает наличие ароматического фрагмента с гидроксильной и метоксильной группами в положениях 4 и 3 относительно боковой цепи. Следовательно, исходная боковая цепь содержит фрагмент \(\ce{Ar-CH=}\), где \(\mathrm{Ar}\) обозначает 4-гидрокси-3-метоксифенильную группу.
Бензоилирование даёт ещё одно существенное ограничение. При замещении атома водорода в \(\ce{O-H}\) бензоильной группой суммарный состав увеличивается на \(\ce{C7H4O}\). Наблюдаемое изменение формулы составляет
\[ \Delta=\ce{C14H8O2}=2\times\ce{C7H4O}. \]
Таким образом, бензоилируются две гидроксильные группы. Одна из них — фенольный гидроксил, наличие которого установлено по образованию ванилина; другая должна быть спиртовым гидроксилом. Вместе с двухуглеродным фрагментом, образующимся при озонолизе, это позволяет установить структуру исходного соединения:
\[ \boxed{\ce{Ar-CH=CH-CH2OH}}. \]
Нерастворимость в растворе гидрокарбоната согласуется с наличием фенольной группы, кислотность которой недостаточна для обычной реакции карбоновых кислот с гидрокарбонатом.
Образование A: присоединение брома.
Бром присоединяется по двойной связи боковой цепи:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + Br2 ->[CCl4] Ar-CHBr-CHBr-CH2OH}. \]
При этом образуется A с сохранением всех двенадцати атомов водорода и присоединением двух атомов брома, что в точности соответствует формуле \(\ce{C10H12O3Br2}\).
Образование B: восстановительный озонолиз.
При расщеплении двойной связи из фрагмента со стороны ароматического кольца образуется ванилин, а из фрагмента со стороны спиртовой группы — гликолевый альдегид:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH ->[reductive\ ozonolysis] Ar-CHO + OHC-CH2OH}. \]
Чтобы записать суммарное уравнение с явно расставленными коэффициентами, в качестве реагента для восстановительной обработки можно выбрать диметилсульфид, CSC; продуктом его окисления является диметилсульфоксид, CS(C)=O:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + O3 + (CH3)2S -> Ar-CHO + OHC-CH2OH + (CH3)2SO}. \]
Следовательно, второй органический продукт — B, гликолевый альдегид, \(\ce{C2H4O2}\).
Образование C: бензоилирование обеих гидроксильных групп.
Как фенольная, так и первичная спиртовая гидроксильная группа образуют сложные эфиры бензойной кислоты. Если в качестве основания указать гидроксид натрия, уравнение с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \ce{C10H12O3 + 2 C6H5COCl + 2 NaOH -> C24H20O5 + 2 NaCl + 2 H2O}. \]
В C заместитель \(\ce{-OH}\) в кольце превращается в \(\ce{-OCOC6H5}\), а концевая группа боковой цепи \(\ce{-CH2OH}\) — в \(\ce{-CH2OCOC6H5}\). Метоксильная группа и двойная связь сохраняются.
Отсутствие свободного фенольного гидроксила объясняет нерастворимость в разбавленном растворе гидроксида натрия. Сохранение двойной связи объясняет быстрое обесцвечивание перманганата. В обычных мягких условиях проведения пробы в щелочной среде типичную реакцию можно представить следующим уравнением с расставленными коэффициентами:
\[ \ce{3 C24H20O5 + 2 KMnO4 + 4 H2O -> 3 C24H22O7 + 2 MnO2 + 2 KOH}. \]
Здесь органический продукт — 2,3-дигидрокси-3-[4-(бензоилокси)-3-метоксифенил]пропилбензоат, O=C(OCC(O)C(O)c1cc(OC)c(OC(=O)c2ccccc2)cc1)c1ccccc1. В условии сообщается только о наблюдаемом обесцвечивании, поэтому для установления строения C не требуется указывать конкретный выделенный продукт окисления.
Образование D: замещение спиртового гидроксила бромом.
Изменение формулы соответствует отщеплению \(\ce{OH}\) и введению \(\ce{Br}\):
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + HBr ->[cold] Ar-CH=CH-CH2Br + H2O}. \]
Таким образом, D — аллильный бромид. При простом присоединении бромоводорода по двойной связи сохранились бы все три атома кислорода, что не соответствовало бы указанной формуле.
Образование E: расщепление простой эфирной связи и замещение спиртового гидроксила.
Избыток горячего иодоводорода вызывает два превращения:
- Метоксильная группа при ароматическом кольце превращается в гидроксильную с выделением иодметана (метилиодида),
CI. - Спиртовой гидроксил боковой цепи замещается иодом.
Суммарное уравнение с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \ce{C10H12O3 + 2 HI -> C9H9O2I + CH3I + H2O}. \]
Следовательно, E содержит соседние фенольные гидроксильные группы и боковую цепь \(\ce{-CH=CH-CH2I}\). Его формула требует сохранения двойной связи.
Образование F: метилирование фенольного гидроксила.
В водном растворе основания преимущественно депротонируется и метилируется фенольный гидроксил. Суммарное уравнение с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \ce{C10H12O3 + CH3I + NaOH -> C11H14O3 + NaI + H2O}. \]
Поэтому продукт F содержит две метоксильные группы при ароматическом кольце и сохраняет первичную спиртовую группу. Из-за отсутствия свободного фенольного гидроксила он не приобретает обычной растворимости в водном растворе сильного основания, обусловленной образованием фенолята.
Сохранившаяся двойная связь реагирует с бромом:
\[ \ce{C11H14O3 + Br2 -> C11H14O3Br2}. \]
Продукт присоединения — 2,3-дибром-3-(3,4-диметоксифенил)пропан-1-ол, OCC(Br)C(Br)c1cc(OC)c(OC)cc1.
3.2. Хиральные центры, проекции Фишера и абсолютные конфигурации
Атомы углерода в A, отмеченные звёздочками:
\[ \ce{HOCH2-} \underset{\mathrm{C2}^{*}}{\ce{CH(Br)}} \ce{-} \underset{\mathrm{C3}^{*}}{\ce{CH(Br)}} \ce{-Ar}. \]
У каждого из них четыре разных заместителя. Атом углерода гидроксиметильной группы не является хиральным, поскольку связан с двумя атомами водорода.
Старшинство заместителей по правилам Кана—Ингольда—Прелога:
-
При C2: \[ \ce{Br} > \ce{CH(Br)-Ar} > \ce{CH2OH} > \ce{H}. \] Два углеродных лиганда различаются по атомам, связанным с ними на следующем уровне: \((\ce{Br},\ce{C},\ce{H})\) имеет более высокий приоритет, чем \((\ce{O},\ce{H},\ce{H})\).
-
При C3: \[ \ce{Br} > \ce{CH(Br)-CH2OH} > \ce{Ar} > \ce{H}. \] У атома углерода боковой цепи в следующей сфере сравнения имеется бром, поэтому он имеет более высокий приоритет, чем ароматический атом углерода.
Это старшинство заместителей даёт проекции Фишера, указанные в таблице раздела «Ответы». В каждой приведённой проекции водород расположен на горизонтальной связи и направлен к наблюдателю, поэтому видимое направление последовательности \(1\rightarrow2\rightarrow3\) — по часовой стрелке или против неё — необходимо обратить.
Существуют
\[ 2^2=\boxed{4} \]
конфигурационных стереоизомера. Различие ароматического и гидроксиметильного концов молекулы исключает наличие внутреннего элемента симметрии, который мог бы обусловить существование мезо-формы. Энантиомерные пары:
\[ (2R,3R)\longleftrightarrow(2S,3S), \qquad (2R,3S)\longleftrightarrow(2S,3R). \]
Представители разных пар являются диастереомерами. Анти-присоединение брома к одному геометрическому изомеру алкена обычно даёт одну энантиомерную пару; в задаче требуется указать все стереоизомеры дибромида.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1992 · مسألة نظرية 3
كحول الكونيفيريل: البنية والمتماكبات الفراغية لثنائي البروميد المشتق منه
الصيغة الجزيئية لكحول الكونيفيريل هي \(\ce{C10H12O3}\). ويُعزل من أشجار الصنوبر. لا يذوب كحول الكونيفيريل في الماء أو في محلول \(\ce{NaHCO3}\) المائي. يزول لون محلول \(\ce{Br2}\) في \(\ce{CCl4}\) عند إضافته إلى كحول الكونيفيريل، ويتكوّن A (\(\ce{C10H12O3Br2}\)). وعند إخضاع كحول الكونيفيريل للتحلل بالأوزون الاختزالي، ينتج الفانيلين (4-هيدروكسي-3-ميثوكسي بنزالدهيد) وB (\(\ce{C2H4O2}\)). يتفاعل كحول الكونيفيريل مع كلوريد البنزويل (\(\ce{C6H5COCl}\)) في وجود قاعدة، ليكوّن C (\(\ce{C24H20O5}\)). يزيل هذا الناتج بسرعة لون \(\ce{KMnO4}\) المائي، ولا يذوب في محلول \(\ce{NaOH}\) المخفف.
يتفاعل كحول الكونيفيريل مع \(\ce{HBr}\) البارد ليكوّن D (\(\ce{C10H11O2Br}\)). ويحوّل \(\ce{HI}\) الساخن \(\ce{ArOR}\) إلى \(\ce{ArOH}\) و\(\ce{RI}\). يتفاعل كحول الكونيفيريل مع فائض من \(\ce{HI}\) الساخن ليعطي E (\(\ce{C9H9O2I}\)) و\(\ce{CH3I}\). ويتفاعل \(\ce{CH3I}\) في وسط قاعدي مائي مع كحول الكونيفيريل ليكوّن F (\(\ce{C11H14O3}\))، الذي لا يذوب في قاعدة قوية، ولكنه يزيل لون محلول \(\ce{Br2}/\ce{CCl4}\).
3.1 ارسم بُنى كحول الكونيفيريل والمركبات A - F.
3.2 يوجد عدد من المتماكبات الفراغية للمركب A. ارسم بنية المركب A. ضع علامة النجمة () على كل مركز كيرالي في المركب A*. ارسم مساقط فيشر لجميع المتماكبات الفراغية، وعيّن لكل مركز كيرالي الرمز المناسب \(R\) أو \(S\) الذي يحدّد التشكيل المطلق حوله.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 3.1. البُنى كما يلي. تُترك الهندسة الفراغية للألكين غير محدّدة لأن التجارب المذكورة لا تحدّدها.
| المركب | الاسم | SMILES |
|---|---|---|
| كحول الكونيفيريل | 3-(4-هيدروكسي-3-ميثوكسي فينيل)بروب-2-ين-1-ول | OCC=Cc1cc(OC)c(O)cc1 |
| A | 2,3-ثنائي برومو-3-(4-هيدروكسي-3-ميثوكسي فينيل)بروبان-1-ول | OCC(Br)C(Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| B | 2-هيدروكسي إيثانال، ويُسمّى أيضًا غليكول ألدهيد | O=CCO |
| C | ثنائي بنزوات كحول الكونيفيريل: بنزوات 3-[4-(بنزويل أوكسي)-3-ميثوكسي فينيل]بروب-2-ين-1-يل | O=C(OCC=Cc1cc(OC)c(OC(=O)c2ccccc2)cc1)c1ccccc1 |
| D | 4-(3-بروموبروب-1-ين-1-يل)-2-ميثوكسي فينول | BrCC=Cc1cc(OC)c(O)cc1 |
| E | 4-(3-يودوبروب-1-ين-1-يل)بنزين-1,2-ديول | ICC=Cc1cc(O)c(O)cc1 |
| F | 3-(3,4-ثنائي ميثوكسي فينيل)بروب-2-ين-1-ول | OCC=Cc1cc(OC)c(OC)cc1 |
- 3.2. رقّم السلسلة الجانبية بدءًا من الطرف الكحولي: C1 هو كربون مجموعة الهيدروكسي ميثيل، وC2 هو الكربون الأوسط، وC3 هو الكربون المتصل بالحلقة العطرية. C2 وC3 هما المركزان الكيراليان. توجد أربعة متماكبات فراغية، ولا يوجد شكل ميزو.
يحدّد الجدول التالي مساقط فيشر لها بدقة. ضع مجموعة 4-هيدروكسي-3-ميثوكسي فينيل في الأعلى، ثم C3، ثم C2، وأخيرًا \(\ce{CH2OH}\) في الأسفل. تتجه الروابط الأفقية نحو الناظر، بينما تتجه الروابط الرأسية بعيدًا عنه.
| المتماكب الفراغي للمركب A | C3: اليسار / اليمين | C2: اليسار / اليمين | SMILES للمتماكب |
|---|---|---|---|
| \((2R,3R)\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | OC[C@@H](Br)[C@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2S,3S)\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | OC[C@H](Br)[C@@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2R,3S)\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | \(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\) | OC[C@@H](Br)[C@@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
| \((2S,3R)\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | \(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\) | OC[C@H](Br)[C@H](Br)c1cc(OC)c(O)cc1 |
الحل
3.1. تحديد هوية كحول الكونيفيريل والمركبات A–F
درجة عدم الإشباع لكحول الكونيفيريل هي
\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(10)+2-12}{2}=5. \]
تمثّل حلقة البنزين أربع درجات من عدم الإشباع، مما يترك رابطة مزدوجة إضافية واحدة.
الفانيلين هو 4-هيدروكسي-3-ميثوكسي بنزالدهيد، O=Cc1cc(OC)c(O)cc1. ويثبت تكوّنه بالتحلل بالأوزون الاختزالي وجود جزء عطري يحمل مجموعتي هيدروكسي وميثوكسي في الموضعين 4 و3 بالنسبة إلى السلسلة الجانبية. لذلك تحتوي السلسلة الجانبية الأصلية على وحدة \(\ce{Ar-CH=}\)، حيث يرمز \(\mathrm{Ar}\) إلى مجموعة 4-هيدروكسي-3-ميثوكسي فينيل.
توفّر البنزويلة القيد الأساسي الآخر. فاستبدال هيدروجين \(\ce{O-H}\) بمجموعة بنزويل يضيف تركيبًا صافيًا مقداره \(\ce{C7H4O}\). والتغيّر الملحوظ في الصيغة هو
\[ \Delta=\ce{C14H8O2}=2\times\ce{C7H4O}. \]
إذن تخضع مجموعتا هيدروكسيل للبنزويلة. إحداهما مجموعة الهيدروكسيل الفينولية التي جرى تحديدها من خلال الفانيلين؛ ولا بد أن تكون الأخرى مجموعة هيدروكسيل كحولية. وبالاقتران مع جزء التحلل بالأوزون المحتوي على ذرتي كربون، يثبت ذلك بنية المركب الأصلي:
\[ \boxed{\ce{Ar-CH=CH-CH2OH}}. \]
يتوافق عدم الذوبان في محلول البيكربونات مع وجود فينول، إذ إن حموضته لا تكفي لإحداث تفاعل الأحماض الكربوكسيلية المعتاد مع البيكربونات.
تكوّن A: إضافة البروم.
يُضاف البروم عبر الرابطة المزدوجة في السلسلة الجانبية:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + Br2 ->[CCl4] Ar-CHBr-CHBr-CH2OH}. \]
ينتج عن ذلك A، مع الاحتفاظ بذرات الهيدروجين الاثنتي عشرة جميعها وإضافة ذرتي بروم، تمامًا كما تقتضيه الصيغة \(\ce{C10H12O3Br2}\).
تكوّن B: التحلل بالأوزون الاختزالي.
يعطي شطر الرابطة المزدوجة الفانيلين من الطرف العطري وغليكول ألدهيد من الطرف الكحولي:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH ->[reductive\ ozonolysis] Ar-CHO + OHC-CH2OH}. \]
لصياغة معادلة صافية موزونة صراحةً، يمكن اختيار كبريتيد ثنائي الميثيل، CSC، كاشفًا للمعالجة اللاحقة الاختزالية؛ وناتج أكسدته هو سلفوكسيد ثنائي الميثيل، CS(C)=O:
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + O3 + (CH3)2S -> Ar-CHO + OHC-CH2OH + (CH3)2SO}. \]
إذن الناتج العضوي الثاني هو B، غليكول ألدهيد، \(\ce{C2H4O2}\).
تكوّن C: بنزويلة كلتا مجموعتي الهيدروكسيل.
تكوّن كلٌّ من مجموعة الهيدروكسيل الفينولية ومجموعة هيدروكسيل الكحول الأولي إستر بنزوات. وبكتابة هيدروكسيد الصوديوم بوصفه القاعدة، نحصل على المعادلة الموزونة
\[ \ce{C10H12O3 + 2 C6H5COCl + 2 NaOH -> C24H20O5 + 2 NaCl + 2 H2O}. \]
في C، تحوّل المستبدَل الحلقي \(\ce{-OH}\) إلى \(\ce{-OCOC6H5}\)، وتحوّلت نهاية السلسلة الجانبية \(\ce{-CH2OH}\) إلى \(\ce{-CH2OCOC6H5}\). وتبقى مجموعة الميثوكسي والألكين دون تغيير.
يفسّر غياب مجموعة هيدروكسيل فينولية حرة عدم الذوبان في هيدروكسيد الصوديوم المخفف. ويفسّر بقاء الألكين زوال لون البرمنغنات بسرعة. وفي ظروف الاختبار القلوية المعتدلة المعتادة، يمكن تمثيل التفاعل بالمعادلة الموزونة التالية
\[ \ce{3 C24H20O5 + 2 KMnO4 + 4 H2O -> 3 C24H22O7 + 2 MnO2 + 2 KOH}. \]
الناتج العضوي هنا هو بنزوات 2,3-ثنائي هيدروكسي-3-[4-(بنزويل أوكسي)-3-ميثوكسي فينيل]بروبيل، O=C(OCC(O)C(O)c1cc(OC)c(OC(=O)c2ccccc2)cc1)c1ccccc1. لا تذكر المسألة سوى ملاحظة زوال اللون، لذا لا يلزم تحديد ناتج أكسدة معيّن معزول لتحديد هوية C.
تكوّن D: استبدال مجموعة الهيدروكسيل الكحولية بالبروم.
يتوافق تغيّر الصيغة مع فقدان \(\ce{OH}\) وإدخال \(\ce{Br}\):
\[ \ce{Ar-CH=CH-CH2OH + HBr ->[cold] Ar-CH=CH-CH2Br + H2O}. \]
إذن D هو بروميد الأليل الموافق. أما الإضافة البسيطة لبروميد الهيدروجين عبر رابطة الألكين فستُبقي ذرات الأكسجين الثلاث جميعها، ولن تتوافق مع الصيغة المذكورة.
تكوّن E: شطر الإيثر والاستبدال في الكحول.
يُحدث فائض يوديد الهيدروجين الساخن تحوّلين:
- تتحوّل مجموعة الميثوكسي العطرية إلى مجموعة هيدروكسيل، مع تحرير يودوميثان (يوديد الميثيل)،
CI. - تُستبدل مجموعة الهيدروكسيل الكحولية في السلسلة الجانبية باليود.
المعادلة الإجمالية الموزونة هي
\[ \ce{C10H12O3 + 2 HI -> C9H9O2I + CH3I + H2O}. \]
وعليه، يحتوي E على مجموعتي هيدروكسيل فينوليتين متجاورتين وعلى السلسلة الجانبية \(\ce{-CH=CH-CH2I}\). وتقتضي صيغته بقاء الألكين.
تكوّن F: مثيلة مجموعة الهيدروكسيل الفينولية.
في وسط قاعدي مائي، تُنزع بروتونات مجموعة الهيدروكسيل الفينولية وتُجرى مثيلتها تفضيليًا. والمعادلة الصافية الموزونة هي
\[ \ce{C10H12O3 + CH3I + NaOH -> C11H14O3 + NaI + H2O}. \]
لذلك يحتوي الناتج F على مجموعتي ميثوكسي عطريتين، ويحتفظ بمجموعة الكحول الأولي. وفي غياب مجموعة هيدروكسيل فينولية حرة، لا يكتسب الذوبانية المعتادة في المحلول المائي لقاعدة قوية التي يتيحها تكوّن الفينولات.
تستهلك رابطته المزدوجة المتبقية البروم:
\[ \ce{C11H14O3 + Br2 -> C11H14O3Br2}. \]
ناتج الإضافة هو 2,3-ثنائي برومو-3-(3,4-ثنائي ميثوكسي فينيل)بروبان-1-ول، OCC(Br)C(Br)c1cc(OC)c(OC)cc1.
3.2. المراكز الكيرالية ومساقط فيشر والتشكيلات المطلقة
ذرات الكربون المعلّمة بنجمة في A هي
\[ \ce{HOCH2-} \underset{\mathrm{C2}^{*}}{\ce{CH(Br)}} \ce{-} \underset{\mathrm{C3}^{*}}{\ce{CH(Br)}} \ce{-Ar}. \]
تحمل كلٌّ منها أربعة مستبدَلات مختلفة. ولا يكون كربون مجموعة الهيدروكسي ميثيل كيراليًا لأنه يحمل ذرتي هيدروجين.
ترتيب الأولويات وفق قواعد كان–إنغولد–بريلوغ هو:
-
عند C2: \[ \ce{Br} > \ce{CH(Br)-Ar} > \ce{CH2OH} > \ce{H}. \] يُميَّز بين المجموعتين المرتبطتين عبر الكربون بمقارنة الذرات المتصلة التالية: تتقدّم \((\ce{Br},\ce{C},\ce{H})\) في الأولوية على \((\ce{O},\ce{H},\ce{H})\).
-
عند C3: \[ \ce{Br} > \ce{CH(Br)-CH2OH} > \ce{Ar} > \ce{H}. \] يحمل كربون السلسلة الجانبية برومًا في نطاق المقارنة التالي، ولذلك يتقدّم في الأولوية على الكربون العطري.
تعطي هذه الأولويات مساقط فيشر المحدّدة في جدول الإجابات. في كل مسقط مدرج، يقع الهيدروجين على رابطة أفقية ويتجه نحو الناظر، ولذلك يجب عكس الاتجاه الظاهري للتسلسل \(1\rightarrow2\rightarrow3\)، سواء كان مع عقارب الساعة أو عكسها.
يوجد
\[ 2^2=\boxed{4} \]
متماكبات فراغية تشكيلية. ويمنع اختلاف الطرف العطري عن طرف الهيدروكسي ميثيل وجود عنصر تناظر داخلي ينتج عنه شكل ميزو. وأزواج المتماكبات المرآتية هي
\[ (2R,3R)\longleftrightarrow(2S,3S), \qquad (2R,3S)\longleftrightarrow(2S,3R). \]
تكون المتماكبات المنتمية إلى أزواج مختلفة متماكبات فراغية غير مرآتية. وتنتج عادةً عن إضافة البروم المضادّة إلى متماكب هندسي واحد للألكين متماكبات مرآتية تشكّل زوجًا واحدًا؛ ويطلب السؤال جميع المتماكبات الفراغية لثنائي البروميد.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.