Heading

Keto-enol tautomerisme is het chemisch evenwicht tussen een keton of aldehyde en een enol. Omdat de aanwezigheid van ofwel zure ofwel basische omstandigheden tot tautomerisme leidt, zijn er twee verschillende reactiemechanismen te beschouwen – één voor zure omstandigheden en één voor basische omstandigheden. Aangezien het enige verschil tussen de tautomeren de plaats van een enkel proton is, zal de omzetting van een keton in een enol twee afzonderlijke stappen inhouden – het inbrengen van een proton (H+) en het verwijderen van een proton (H+).

Bij het schematiseren van de tautomerisatie van keto-enol zijn er drie cruciale factoren die moeten worden bepaald:

1. Of eerst protonering of deprotonering plaatsvindt

2. De plaats van protonering en deprotonering.

3. De te gebruiken reagentia voor de protonoverdrachtsstappen.

Onder basische omstandigheden wordt een alfaproton (H+) (elk proton dat aan een alfakoolstof is gebonden) verwijderd om een enolaat te vormen, wat een enolaat is waarbij een proton ontbreekt in de hydroxylgroep. Het enolaat zal dan een waterstof opnemen om het enol te vormen. In zure omstandigheden zal de zuurstof van het carbonyl eerst H+ toevoegen, en dan zal een alfa-proton worden verwijderd om de enolvorm te vormen. De twee stappen die een keton of aldehyde omzetten in de enolvorm, kunnen worden omgekeerd om de keto vorm weer te vormen door de enolvorm weer om te zetten in de keto vorm.

Voor de omzetting van een keton of aldehyde naar de enolvorm zijn twee afzonderlijke stappen nodig. De ene stap is een protoneringsstap, en de andere stap is een deprotoneringsstap. Protoneren betekent het toevoegen van een waterstofion (H+) om het geconjugeerde zuur van een verbinding te vormen. Deprotoneren betekent het verwijderen van een waterstofion (H+) om de geconjugeerde base van een verbinding te vormen.

Logischerwijs lijkt het eenvoudiger dat de zuurstof (O) van het carbonyl direct een alfaproton verwijdert om het enol te vormen in plaats van een tweestapsproces te doorlopen. Een mechanistisch proces in één stap waarbij een waterstofatoom van het ene atoom in een molecuul naar een ander atoom in hetzelfde molecuul wordt verplaatst, wordt een intramoleculaire protonoverdracht genoemd. De intramoleculaire protonoverdracht kan echter niet plaatsvinden in het keto-enol tautomerisme omdat het zuurstofatoom van de carbonyl te ver verwijderd is van de alfahydrogeen van de alfakoolstof.

Een base-gekatalyseerde reactie is een reactie die onder basische omstandigheden plaatsvindt met een proton-acceptor. In de base-gekatalyseerde reactie verwijdert een base zoals hydroxide (-OH{-}{Orm{OH}-OH) een proton van een alfakoolstof om een intermediair ion te vormen. Het tussenion is een resonantiehybride van een carbanion (negatief geladen koolstof) en een enolaat. Een enolaat is een anion dat wordt gevormd wanneer een alfahydrogeen in het molecuul van een aldehyde of een keton wordt verwijderd in de vorm van een waterstofion. De enolaatvorm van het tussenproduct protoneert in aanwezigheid van water om een enol te vormen. Het is belangrijk te erkennen dat de resonantie geen afzonderlijke stap in het mechanisme is. De enige twee stappen zijn de evenwichtsreactie tussen het keton en het enolaat, en de evenwichtsreactie tussen het enolaat en het enol.

Een zuur-gekatalyseerde reactie is een reactie die onder zure omstandigheden plaatsvindt met een protonendonor. In de zuur-gekatalyseerde reactie zal een zuur zoals hydroniumion (H3O+) de zuurstof van een carbonyl protoneren, waarbij een tussenion wordt gevormd. Het tussenproduct is een resonantiehybride van een geprotoneerd carbonyl en een carbokation (positief geladen koolstof). De carbokation vorm van het tussenproduct zal in aanwezigheid van water deprotoneren en een enol vormen. Net als in de base-gekatalyseerde reactie is de resonantie geen afzonderlijke stap in het mechanisme. De enige twee stappen zijn de evenwichtsreactie tussen het keton en het geprotoneerde carbonyl, en de evenwichtsreactie tussen het geprotoneerde carbonyl en het enol.

Wanneer we het zuur-gekatalyseerde mechanisme vergelijken met het base-gekatalyseerde mechanisme, is een belangrijk verschil de lading van de tussenproducten. Het tussenproduct is negatief geladen in basische omstandigheden en positief geladen in zure omstandigheden. De rest van het mechanisme is vergelijkbaar voor de twee mechanismen. Bij elke stap vindt een eenvoudige protonoverdracht plaats. Het belangrijkste verschil ligt in de opeenvolging van protonering en deprotonering. In zure omstandigheden vindt eerst protonering plaats, gevolgd door deprotonering. Het resulterende positief geladen intermediair correleert met zure condities. Voor basische omstandigheden komt deprotonatie eerst, gevolgd door protonatie. Het resulterende negatief geladen tussenproduct correleert met basische omstandigheden.

Een voorbeeld van omzetting van een enol in een keton onder zure omstandigheden is de omzetting van 1-cyclohexen-1-ol (C6H9OH) in cyclohexanon (C6H10O). Aangezien deze reactie in zure omstandigheden plaatsvindt, vindt eerst een protoneringsstap plaats, en daarna een deprotoneringsstap. Op basis van de volgorde van protonering en deprotonering kan de plaats van protonering en deprotonering worden bepaald. De protonering vindt plaats op de dubbele binding, waardoor een carbokation ontstaat dat een geprotoneerde ketonresonantievorm heeft. De geprotoneerde keton wordt gedeprotoneerd om het ketonproduct van het evenwicht te creëren. De eerste stap moet protonering van de dubbele binding zijn, niet van het hydroxyl (OH). Dit lijkt een logische eerste stap, maar deze protonering zal geen keton opleveren.

Bij het schrijven van een mechanisme voor de keto-enol tautomerisatie in zure omstandigheden, wordt H3O+ gebruikt om te protoneren en H2O om te deprotoneren, niet OH- en H3O+. Er is een verwaarloosbare hoeveelheid OH- aanwezig onder zure omstandigheden.

Bij het schrijven van een mechanisme voor de keto-enol tautomerisatie onder basische omstandigheden, wordt OH- gebruikt om te deprotoneren, en H2O om te protoneren, niet H3O+ en H2O . De pKa van de alfakoolstof naast een carbonyl is ongeveer 19, ongeveer gelijk aan die van een alcohol (pKa=16{\rm {p}}K_{\rm {a}=16pKa=16). De pKa van een alfa-koolstof tussen twee carbonyls is ongeveer 9, even zuur als een fenol. Deze zijn beide veel zuurder dan andere C-H{C{-}H}C-H bindingen.

Een van de belangrijke onderdelen van alfacarbonaatchemie is de keuze van de juiste base om het enolaat te vormen. Voor de alfacarbonaat van een carbonyl is een base nodig met een geconjugeerd zuur dat een pKa groter dan 19 heeft, dus worden vaak NaH, LDA en NaNH2 gebruikt in plaats van NaOH, NaOEt, enzovoort. Voor een alfacarbonaat tussen twee carbonyls zal elk van deze basen werken.