Substitúcia na alfa-uhlíku

Alfa-substitučné reakcie sú chemické reakcie, ktoré prebiehajú na prvom uhlíku od karbonylovej skupiny, na takzvanom α-uhlíku. Pritom sa α-vodík (vodík na α-uhlíku) substituuje elektrofilom. Mechanizmus prebieha buď cez enol alebo enolátový ión.

Mechanizmus alfa-substitúcie

Pretože ich dvojité väzby sú bohaté na elektróny, správajú sa ako nukleofily a reagujú s elektrofilmi veľmi podobne ako alkény. No kvôli rezonancii s voľným elektrónovým párom na kyslíku sú enoly viac reaktívne ako alkény. Na nasledovnom zobrazení vinylalkoholu  (H₂C=CHOH) je možné všimnúť si, že na α-uhlíku je vysoká elektrónová hustota.
Keď alkén reaguje s elektrofilom ako je napr. HCl, prvotná adícia H  ⁺  poskytuje prechodný katión ako medziprodukt a následná rýchla reakcia s Cl  ⁻  poskytne produkt adície. Pri reakcii enolu s elektrofilom je rovnaký iba prvý krok. V druhom kroku namiesto reakcie s CI  ⁻  kationový medziprodukt stráca protón z OH ⁻ , aby mohla vzniknúť α-substituovaná karbonylová zlúčenina.

Alfa halogenácia aldehydov a ketónov

Najbežnejšie α-substitučné reakcie v laboratóriu sú halogenácie aldehydov a ketónov na ich α-pozíciách, reakciou s Cl  ₂ , Br  ₂  alebo I  ₂  v kyslom prostredí. Často sa využíva bróm rozpustený v kyseline octovej.
Pozoruhodné je, že halogenácie ketónov tiež prebiehajú v biologických systémoch, a to najmä v morských riasach, kde sa našli dibromoacetaldehydy, bromoacetón, 1, l, l-tribromoacetón, a ďalšie súvisiace zlúčeniny.
Halogenácia je typická α-substitučná reakcia, ktorá prebieha kyslou katalýzou za vzniku enolu ako medziproduktu.

Kyslosť Alfa Vodíka: Vytvorenie Enolátu

Vodík na α-pozícii na karbonylovej zlúčenine je slabo kyslý a môže byť vytrhnutý silnou bázou za vzniku enolátu. Pre porovnanie, acetón (pKₐ= 19.3) a etán (pKₐ= 60), kde je možné si všimnút, že prítomnosť karbonylovej skupine zapríčiňuje rozdiel v kyslosti.
Vytrhnutie protónu z karbonylovej zlúčeniny nastane, keď sa väzba C-H natočí zhruba rovnobežne s p orbitálom na karbonylovej skupine. α-uhlík enolátu je v sp²-hybridizácii a má p orbitály prekrývajúce susedné karbonylové p orbitály. Kvôli tomu majú spolu s  elektronegatívnejším atómom kyslíka spoločne záporný náboj a enolátový ión sa stabilizuje rezonanciou.
Karbonylové zlúčeniny sú kyslejšie než alkány z rovnakého dôvodu, prečo karboxylové kyseliny sú kyslejšie ako alkoholy. V oboch prípadoch sú anióny stabilizované rezonanciou. Enoláty sa odlišujú od karboxylátových aniónov v ich nerovnomernej rezonancii dvoch foriem - forma s negatívnym nábojom na kyslíku má menšiu energiu ako s nábojom na uhlíku. Každopádne, príncip stabilizácie rezonanciou je rovnaký v oboch prípadoch.
Kvôli nízkej kyslosti karbonylových zlúčenín pri tvorení enolátu potrebujeme silnú bázu. Pokiaľ použijeme alkoholát, napríklad etanolát sodný ako bázu, deprotonácia sa udeje iba v 0.1% substrátu, pretože acetón je slabšia kyselina ako etanol (pKₐ= 16). Pokiaľ však zoberieme silnejší hydrid sodný (NaH) alebo lítium diizopropylamín (LDA),celé množstvo karbonylovej zlúčeniny môže zreagovať na enolát. LDA, ktoré vieme jednoducho pripraviť reakciou silnej bázi butyllítia s diizopropylamínom, je často používaná v laboratóriu ako báza na prípravu enolátov karbonylových zlúčenín.
Veľa typov karbonylových zlúčenín, zahŕňajúc aldehydy, ketóny, estery, tioestery, karboxylové kyseliny, a amidy, sa dá previesť na enoláty reakciou s nenukleofilnou bázou LDA. Treba poznamenať, že nitrily sú tiež kyslé a môžu byť prevedené na anióny podobné enolátom.
Pokiaľ je atóm vodíka obklopený dvomi karbonylovými skupinami, jeho kyslosť sa ešte zvýší. Zvýšená kyslosť β-dikarbonylových zlúčenín je zapríčinená stabilizáciou enolátov delokalizáciou negatívneho náboja medzi dvoma karbonylovými skupinami.

Reaktivita Enolátu

Enoláty sú užitočnejšie ako enoly z dvoch dôvodov. Za prvé, enoly sa normálne nadajú izolovať, pretože vznikajú len ako krátko existujúce medziprodukty v nízkej koncentrácii. Naproti tomu, stabilné enoláty z roztoku sa dajú ľahko pripraviť z väčšiny karbonylových zlúčenín reakciou so silnou bázou. Za druhé, enoláty sú viac reaktívne ako enoly a poskytujú mnoho reakcií, ktoré enoly nedávajú. Kvôli tomu, že enoly sú neutrálne a enoláty záporne nabité, sú tiež oveľa lepšie nukleofily. Preto sa enoláty častejšie vyskytujú než enoly v biologickom či chémickom laboratóriu.
Vzhľadom na ich rezonanciu dvoch nerovnovážnych foriem, sa môžeme na enoláty pozerať buď ako na vinyl alkoholáty (C = C-O  ⁻ ), alebo ako na α-ketokarbanióny ( ⁻  C-C = o). Preto enoláty môžu reagovať s elektrofilmi buď na svojom kyslíku alebo uhlíku. Reakcia na kyslíku vedie k derivátom enolov, kým reakcia na uhlíku vedie k α-substituovaným karbonylovým zlúčeninám. Oba typy reaktivity sú známe, ale reakcie na uhlíku sú častejšie.

Alkylácia Enolátov

Snáď najdôležitejšou reakciou enolátov je ich alkylácia pomocou alkyl halogenidov či tozylátov, čím sa vytvorí nová väzba C-C a spojenie dvoch menších molekúl do jednej väčšej molekuly. Alkylácia nastane, keď nukleofilný enolát reaguje s elektrofilným alkyl halogenidom SN  ₂  reakciou  vytláčajúc odchádzajúcu skupinu atakom zo zadnej strany.
Na alkylačné reakcie sa vzťahujú rovnaké obmedzenia, ktoré ovplyvňujú všetky SN  ₂  reakcie. Kvôli tomu odchádzajúcou skupinou X v alkylačnom činidle RX môže byť chlorid, bromid, Jodid, alebo tozylát. Zostávajúca skupina R alkylu by mala byť primárna , alebo tiež allylová či benzylová. Sekundárny halogenidy reagujú zle, a terciárne halogenidy nereagujú vôbec, pretože konkurenčné E2 eliminácia HX nastane okamžite. Vinylové a arylové halidy sú tiež nereaktívne, pretože prístup zo zadnej strany je sféricky bránený.