протонированная форма
Основность альдегидов и кетонов невысока, однако она играет заметную роль в реакциях нуклеофильного присоединения, поскольку в протонированной форме электрофильность атома углерода значительно выше. Поэтому типичные для альдегидов и кетонов реакции AdN могут катализироваться кислотами.
2.2. Реакции нуклеофильного присоединения
Взаимодействие альдегидов и кетонов с нуклеофильными агентами осуществляется по следующему общему механизму:
Нуклеофил Z–Н (очень часто при нуклеофильном центре имеется атом водорода) присоединяется к электрофильному атому углерода карбонильной группы за счет неподеленной пары электронов нуклеофильного центра, образуя продукт, в котором на бывшем карбонильном кислороде находится отрицательный заряд, а бывший нуклеофильный центр заряжается положительно. Этот биполярный ион стабилизируется переносом протона от положительно заряженного атома Z (кислота Бренстеда) к отрицательно заряженному атому кислорода (основание). Образовавшийся при этом продукт часто претерпевает дальнейшие превращения, например, отщепление воды.
В качестве нуклеофилов могут выступать различные соединения, в которых в качестве нуклеофильных центров выступают атомы кислорода (О-нуклеофилы), серы (S-нуклеофилы), азота (N- нуклеофилы), углерода (С-нуклеофилы).
Реакционная способность альдегидов и кетонов в реакциях нуклеофильного присоединения зависит от электрофильности кар-
http://mitht.ru/e-library
бонильной группы: чем больше частичный положительный заряд на атоме углерода, тем легче происходит присоединение нук-
леофила . Поскольку в молекулах альдегидов при карбонильном атоме углерода содержится только один углеводородный остаток, проявляющий электронодонорные свойства, а в молекулах кетонов таких остатков два, то естественно предположить, что в общем случае в реакциях нуклеофильного присоединения альдегиды более реакционноспособны, чем кетоны . Электроноакцепторные заместители, особенно вблизи карбонильной группы, увеличивают электрофильность карбонильного углерода и, следовательно, повышают реакционную способность. Определенное значение имеет и стерический фактор: поскольку при присоединении атом углерода карбонильной группы изменяет гибридизацию (sp2 → sp3 ), то чем объемнее заместители при карбонильном атоме углерода, тем бóльшие пространственные затруднения возникают при этом переходе. Например, в ряду: формальдегид, уксусный альдегид, ацетон, трет -бутилметилкетон реакционная способность уменьшается.
(CH3 )3 C |
||||||||||||
а) Реакции с О-нуклеофилами
Гидратация
При взаимодействии альдегидов и кетонов с водой в обратимом процессе образуется гидрат – геминальный диол, который в большинстве случаев является очень нестабильным соединением, поэтому данное равновесие сильно смещено влево.
Однако для некоторых карбонильных соединений это равновесие может быть смещено вправо. Так, в водном растворе формальдегид практически полностью находится в гидратной форме (в отличие, например, от ацетона, в водном растворе которого гидратной формы чрезвычайно мало), а трихлоруксусный альдегид (хлораль) при взаимодействии с водой превращается в очень устойчивый даже в кристаллическом виде хлоральгидрат.
CH2 =O H 2 O CH2 (OH)58 2
http://mitht.ru/e-library
Cl3 CCH=O + H2 O Cl3 CCH(OH)2
хлораль хлоральгидрат
Взаимодействие со спиртами (реакция ацетализации)
Продукт присоединения к молекуле альдегида или кетона одной молекулы спирта – так называемый полуацеталь – неустойчив. При взаимодействии же альдегида или кетона с 2 эквивалентами спирта в кислой среде, то образуется устойчивый продукт –
ацеталь.
Приведем механизм последней реакции на примере взаимодействия уксусного альдегида с метиловым спиртом (1:2) в присутствии сильной кислоты Бренстеда.
Протонирование карбонильной группы уксусного альдегида приводит к образованию катиона, в котором положительный заряд делокализован. По сравнению с уксусным альдегидом этот катион более электрофилен, и нуклеофильное присоединение молекулы метанола к нему происходит значительно легче. Продукт присоединения (катион оксония) является сильной кислотой, и при отщеплении от него протона образуется полуацеталь (1-метоксиэтанол).
CH3 CH=O H |
||||||
CH3 CH=O |
HO CH3 |
CH3 CH OH |
CH3 CH OH |
|||
CH3 CH OH |
H O CH3 |
OCH3 |
||||
http://mitht.ru/e-library
Далее через протонированную форму этого полуацеталя происходит отщепление воды с образованием карбокатиона, к которому присоединяется следующая молекула метанола. При депротонировании продукта присоединения образуется диметилацеталь уксусного альдегида (1,1-диметоксиэтан).
HO CH3 |
|||||||
CH3 CH OH |
CH3 CH O H |
CH3 CH |
|||||
OCH3 |
OCH3 |
OCH3 |
|||||
CH3 CH |
OCH3 |
CH3 CH OCH3 |
|||||
OCH3 |
OCH3 |
||||||
Весь описанный процесс реакции, которую называют ацетализацией, обратим, поэтому эффективно провести взаимодействие альдегида или кетона со спиртом до ацеталя можно только, смещая равновесие вправо, например, удаляя образующуюся воду из сферы реакции. Обратная реакция представляет собой кислотный гидролиз ацеталя. Следовательно, в кислой водной среде ацетали неустойчивы, поскольку подвергаются гидролизу.
OCH3 + H2 O |
CH3 CH=O + 2 CH3 OH |
||||||||
OCH3 |
|||||||||
В щелочной же среде ацетали устойчивы, поскольку гидролиз
в этих условиях произойти не может.
б) Реакции с S-нуклеофилами
Атом серы в аналогах спиртов – тиолах (меркаптанах) – является более сильным нуклеофилом, поэтому меркаптаны легче присоединяются к альдегидам и кетонам. При этом образуются продукты, аналогичные полуацеталям и ацеталям, например, при взаимодействии бензальдегида с двумя эквивалентами метантиола (метилмеркаптана) в кислой среде образуется диметилтиоацеталь бензальдегида.
2CH3 SH |
CH(SCH3 )2 |
|||||
а) Взаимодействие со спиртами. Альдегиды могут взаимодействовать с одной или двумя молекулами спирта, образуя соответственно полуацетали и ацетали.
Полуацеталями называют соединения, содержащие при одном атоме углерода гидроксильную и алкоксильную (OR) группы. Ацетали - это соединения, содержащие при одном атоме углерода две алкоксильные группы:
полуацеталь ацеталь
Реакцию получения ацеталей широко используют в органических синтезах для "защиты" активной альдегидной группы от нежелательных реакций:
Особенно важное значение подобные реакции имеют в химии углеводов.
б) Присоединение гидросульфитов служит для выделения альдегидов из смесей с другими веществами и для получения их в чистом виде, поскольку полученное сульфопроизводное очень легко гидролизуется:
R-CH=O + NaHSO 3 → R-CH(OH)-SO 3 Na.
в) реакция с теолами . альдегиды и кетоны взаимодействуют с тиолами в кислой среде, образуется дитиоацеталь:
Г) Присоединение циановодородной (синильной) кислоты:
СН 3 -СН=О + H-CN → СН 3 -СН(СN)-ОН.
Образовавшееся соединение содержит на один атом углерода больше, чем исходный альдегид или кетон, поэтому подобные реакции используются для удлинения углеродной цепи.
д) Присоединение реактива Гриньяра . В органическом синтезе чрезвычайно часто используется реактив Гриньяра - одно из простейших металлоорганических соединений.
При добавлении раствора галогеналкана в диэтиловом эфире к магниевой стружке легко происходит экзотермическая реакция, магний переходит в раствор и образуется реактив Гриньяра:
R-X + Mg → R-Mg-X ,
где R - алкильный или арильный радикал, X - галоген.
- Взаимодействием реактива Гриньяра с формальдегидом можно получить практически любой первичный спирт (кроме метанола). Для этого продукт присоединения реактива Гриньяра гидролизуют водой
Н 2 СО + RMgX → R-CH 2 -O-MgX → R-CH 2 -OH .
- При использовании любых других алифатических альдегидов могут быть получены вторичные спирты:
- Взаимодействием реактивов Гриньяра с кетонами получают третичные спирты :
(СН 3) 2 С=O + R-MgX → (СН 3) 2 С(R)-O-MgX → (СН 3) 2 С(R)-OH
16. Альдегиды и кетоны. Химические свойства: реакция конденсации, реакции с азотсодержащими соединениями. Отдельные представители и их применение.
Органические соединения, в молекуле которых имеется карбонильная группа С=О, называются карбонильными соединениями или оксосоединениями. Они делятся на две родственные группы - альдегиды и квтоны.
Реакция конденсации:
Альдольная конденсация
с соединениями обладающими СН кислотными свойствами альдегиды и кетоны способны вступать в различные реакции конденсации. соединения содержащие подвижный водород в этих реакциях выступает в качестве нуклеофильного реагента и называется мителеновой компонентой, а альдегиды и кетоны называются карбонильной компонентой. реакция альдольной конденсации протекает при действии на альдегид или кетон разбавленных щелочей. при этом одна молекула альдегида представляет собой метиленовую компоненту, другая карбоновую компоненту.
При действии основания альдегид отщепляет протон от α СН кислотного центра и превращается в карбанион. карбанион является сильным нуклеофилом и присоединяется к другой молекуле альдегида. стабилизация образующегося аниона происходит за счет отщепления протона от слабой кислоты.
Механизм:
Если альдольная конденсация сопровождается отщеплением воды (при высокой температуре), то такая конденсация называется кротоновой конденсацией:
Реакцию альдольной или кратоновой конденсации часто проводят в смешанном веществе. когда метеленовая и карбоновая компоненты – это разные соединения. подбор партнеров для этой реакции производят исходя из того, что карбониловая компонента должна обладать высокой реакционной способностью в реакциях нуклеофильного присоединения. в основном это альдегид. в тоже время метиленовая компонента должна обладать высокой СН-кислотностью – различные альдегиды или кетоны, имеющие α-атом водорода.
Имеем реагент НХ, который распадается
Атакует нуклеофильная частица, образуя анион.
Затем идет быстрое присоединение к аниону положительно-заряженной частицы Н + , образуется продукт реакции.
Электроноакцепторные заместители, оттягивая на себя электронную плотность, увеличивают атома углерода и скорость протекания реакции. Поэтому хлоруксусный альдегид активнее чем уксусный.
|
У кетонов, в отличии от альдегидов, с кетонной группой связаны два радикала, понижающие активность молекулы. Поэтому кетоны обладают меньшей активностью, чем альдегиды. Арилы еще более сильные электронодоноры, поэтому ароматические альдегиды и кетоны менее активны, чем алифатические. Карбонильные соединения можно расположить в ряд по уменьшению активности:
На реакционную способоность карбонильной группы влияет и размер радикала, так как при большом размере R затрудняется доступ реагента к атому углерода:
На основе механизма приведем примеры реакций нуклеофильного присоединения:
Присоединение водорода. Из альдегидов получаются первичные спирты, а из кетонов – вторичные:
Присоединение цианводорода (НСN). При этом получаются циангидрины (гидроксинитрилы):
Присоединение гидросульфита натрия (NаНSО 3), при этом получаются гидросульфитные соединения:
Эти вещества легко разлагаются при нагревании с разбавленными кислотами с выделением в чистом виде альдегидов и кетонов.
Присоединение магнийорганических соединений (МОС) (Реактив Гриньяра):
Вывод: из муравьиного альдегида и любого МОС получаются первичные спирты , из других альдегидов и любого МОС – вторичные спирты , а из кетонов и любого МОС – третичные спирты . Для того, чтобы получить, например, бутанол-1 – первичный спирт СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 ОН , необходимо взять муравьиный альдегид и СН 3 – СН 2 – СН 2 – MgJ .
Давайте подумаем, что может произойти с этой молекулой в водном растворе. Сперва дадим этой молекуле верное название. Самая длинная цепь состоит из трех атомов, корень названия - «проп». Итак, три атома в самой длинной цепи, значит «проп». Все связи одинарные, значит это пропан. Подпишу: пропан. Из трех атомов углерода основной цепи второй соединен с метильной группой и, кроме того, с атомом брома. Это означает «2-бром». Я запишу: «2-бром-2-метил». Хотя нет, так не пойдет. Неаккуратно вышло, мне нужно больше места. Итак, это вещество будет называться следующим образом. Давайте запишем: 2-бром-2-метилпропан. Как это вещество реагирует с водой? В этом случае вода является нуклеофилом. Здесь есть эти электронные пары. Кроме того, у атома кислорода высокая электроотрицательность. Нуклеофильные свойства не так сильны, как у гидроксид-аниона, который был в реакциях Sn2, но они все же есть. Это слабый нуклеофил. Вода - это слабый нуклеофил. Ее тянет к положительно заряженным ядрам атомов, ведь у атома кислорода есть частичный отрицательный заряд из-за его электроотрицательности. А здесь - частичный положительный заряд. Пусть это и не полноценный заряд, а всего лишь частичный, все равно это означает желание отдать электрон. Это слабый нуклеофил. Слабый нуклеофил. Будет еще несколько роликов об этом типе реакций и я объясню, когда идут реакции этого типа, а когда - реакции типа Sn2. Но, давайте вернемся к нашему примеру. В молекуле есть атом брома. У него высокая электроотрицательность и он становится стабильным, получая отрицательный заряд. Наличие заряда ухудшает стабильность. Но у него при этом будет 8 валентных электронов. Медленно и постепенно атом брома оттягивает на себя электронную плотность от углерода. Он подтягивает электроны к себе, благодаря своей электроотрицательности. Посмотрите на его валентные электроны. Один из них образует связь с атомом углерода. А вот и второй электрон этой связи. Плюс еще 6 валентных электронов. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. 7 валентных электронов. Представьте, что бром оттягивает на себя электрон атома углерода. Давайте я покажу для наглядности. Этот электрон окажется здесь. Он притянется на это место. Повторюсь, это медленный процесс, но он возможен. И, так как процесс медленный, возникает равновесие. В ходе этой внутримолекулярной реакции возникает равновесие. Что же тут получится? Атом углерода, метильная группа позади него, метильная группа впереди и также еще одна группа сверху. А бром отщепился. Нарисую его здесь. Связь разорвана. Вот его исходные валентные электроны: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Еще один электрон принадлежал атому углерода, но бром забрал его с собой. В результате, естественно, возник отрицательный заряд. Углерод, лишившись электрона, получает положительный заряд. Теперь добавим сюда атом кислорода. Хотя, нет, не кислород, добавим молекулу воды. Вот молекула воды. Нарисую молекулу воды. Пусть она и слабый нуклеофил, но углерод очень нуждается в электроне. Это третичный карбокатион, который довольно устойчив. Иначе ничего бы не получилось. Если бы этот атом был первичным или вообще не был бы связан с другими, превращение в карбокатион было бы крайне сложным. Однако он третичный и устойчивый, разве что заряд все портит. Ему нужен электрон. И этот электрон он позаимствует у молекулы воды. Вода отдаст один электрон, например, вот этот, поделившись с атомом углерода. Нуклеофил притягивается к положительно заряженному ядру углерода. И, что же дальше? На этой стадии реакция существенно ускоряется. Слева довольно стабильная ситуация, потому и равновесие. Но теперь реакция ускоряется и стрелка идет в одну сторону. Вот так. Получается что-то такое. Вот исходный атом углерода с заместителями. Вот метильная группа позади и еще одна впереди него. В дело вступает вода. Вот кислород и два водорода. У атома кислорода есть свои электроны, которые я покажу разным цветом. Вот электроны. Один из электронов этой пары отдан углероду. Теперь он находится здесь. Возникает связь. Электронная пара образовала связь. Вода имела нейтральный заряд, но, отдав один из своих электронов, она приобретает положительный заряд, при этом превращаясь в катион. Заряд положительный. И в этот момент другая молекула воды или даже бром могут забрать один из атомов водорода. При этом электрон вернется к кислороду. Лучше я нарисую это. Например, есть другая молекула воды. Их много. Вот другая молекула воды. Изображу ее здесь. Эта молекула вступает в реакцию. Все происходит одновременно. Кислород отдает один из электронов атому водорода. Одновременно с этим электрон от водорода возвращается к прежнему владельцу. Так кислород возвращает электрон. Что получится в результате? Вновь рисуем исходную молекулу. Давайте изобразим исходную молекулу. Метильная группа сзади, метильная группа спереди и еще одна сверху. И, конечно, не забываем про кислород с одним атомом водорода, потому что связь со вторым разорвана. А вот бромид-анион и его 8 валентных электронов. И еще ион гидроксония. Этот атом кислорода отдал электрон водороду, образовав связь с этим атомом. Валентные электроны этого атома кислорода будут выглядеть так. Эти два: раз, два. Еще один электрон участвует в связи с углеродом. Покажу другим цветом. Этот электрон оказывается вот здесь. Еще один тоже в составе связи, вот этой. Сейчас объясню. В составе связи с атомом водорода. Это связь с атомом водорода, но это не водородная связь. Надеюсь вы поняли. Один из валентных электронов теперь в составе связи. Вот еще один валентный электрон. Вот этот электрон связи с атомом водорода. Теперь он здесь. И еще один вернулся от атома водорода, вот он. У него вновь 6 валентных электронов. Пересчитаем: 1, 2, 3, 4, 5, 6. Вот так взаимодействует 2-бром-2-метилпропан со слабым нуклеофилом. Я еще расскажу о разных нуклеофилах. Что же получилось в результате? Самая длинная цепь - 3 атома. Корнем названия по-прежнему будет «проп». О гидроксильной группе мы еще не говорили, но само ее наличие означает, что перед нами спирт. В названиях спиртов используется суффикс «анол». Теперь запишем это название - пропанол. Пропанол. Необходимо указать, при каком атоме располагается гидроксильная группа. Это пропанол-2. Хорошо. Пропанол-2. Не забываем также про наличие метильной группы. Это 2-метилпропанол-2. Механизм протекания этой реакции называется Sn1. Думаю, вы понимаете, почему Sn1, а не Sn2. Я это запишу. Реакция Sn1. S означает «замещение». Подпишу опять. n означает «нуклеофильное», как мы уже знаем. Нуклеофильное. В реакции участвовал слабый нуклеофил, а именно вода. Цифра 1 означает, что самая медленная. То есть лимитирующая, стадия этого механизма идет с участием всего лишь одного из реагентов. На самой первой лимитирующей стадии, бром отнимает электрон у углерода. Вода в этом не участвует. Скорость реакции Sn2 определяют оба реагента, а здесь только один. Поэтому и называется Sn1. До встречи! Subtitles by the Amara.org community
Нуклеофильное присоединение к алкинам инициируется под воздействием отрицательно заряженной частицы - нуклеофила . В общем случае, катализатором таких реакций являются основания. Общая схема первой стадии реакции нуклеофильного присоединения:
Типовые реакции нуклеофильного присоединения
· Характерным примером реакции нуклеофильного присоединения является Реакция Фаворского - присоединение спиртов в присутствии щелочей с образованием алкенильных эфиров:
· Первичные амины под действием оснований присоединяются к алкинам с образованием иминов :
По аналогии ацетилен реагирует с аммиаком, образуя этилиденимин :
При высокой температуре в присутствии катализатора имин дегидрируется и превращается в ацетонитрил:
· В среде очень сильных оснований (например: КОН+ДМСО) ацетилен реагирует с сероводородом, образуя дивинилсульфид :
Реакции радикального присоединения
В присутствии перекисей или других условиях, способствующих образованию свободных радикалов, присоединение к алкинам идет по радикальному механизму - против правила Марковникова(эффект Хараша):
По свободнорадикальному механизму* может протекать реакция алкинов с тиолами:
* - В присутствии оснований реакция идет по нуклеофильному механизму.
Аналогично происходит присоединение карбенов:
Реакции этинилирования
Реакциями этинилирования называют реакции увеличения углеродного скелета алкинов с сохранением тройной связи. Они могут протекать как по электрофильному, так и нуклеофильному механизму в зависимости от среды и условий реакции, характера субстрата, а также типа используемого катализатора.
Получение ацетиленовых спиртов
В присутствии сильных оснований алкины с концевой тройной связью способны присоединять карбонильные соединения с образованием спиртов (Реакция Фаворского):
Важнейшей реакцией из этой группы является присоединения формальдегида к ацетилену с образованием пропаргилового спирта и далее бутин-2-диола-1,4 * :
Получение ацетиленовых эфиров и кислот
Ацетиленовые кислоты или их эфиры можно получить по реакции Цужи :
Катализаторы: PdCl 2 , CuCl.
Реакции гидрирования
Гетерогенное гидрирование
Гидрирование алкинов водородом на гетерогенных катализаторах, как правило, приводит к образованию цис -присоединения . Катализаторами гидрирования служат Ni, Pd, Pt, а также оксиды или комплексы Ir, Ru, Rh и некоторых других металлов.
На первой стадии образуется алкен, который практически сразу же гидрируется до алкана:
Для остановки реакции на стадии получения алкена используют катализаторы Линдлара (Pd/PbO/CaCO 3) или борид никеля.
При гидрировании ацетилена на никель-кобальтовом катализаторе можно получить изобутилен:
Гомогенное гидрирование
Гомогенное гидрирование проводят в амидом натрия в жидком аммиаке или алюмогидридом лития в тетрагидрофуране. В ходе реакции образуются транс -алкены.
Гидроборирование
Алкины легко присоединяют диборан против правила Марковникова, образуя цис -алкенилбораны:
или окислить H 2 O 2 до альдегида или кетона .