Реакции нуклеофильного присоединения (реакция-AdN)

Двойная связь в карбонильной группе сильно поляризована из-за большого различия в электроотрицательности кислорода и углерода. Электронная плотность смещена к атому кислорода и углеродный атом карбонильной группы проявляет электрофильные свойства. Поэтому для карбонильных соединений характерны реакции присоединения нуклеофилов к электронодефицитному атому углерода.

Лимитирующей стадией реакции является атака нуклеофильной частицы электрофильного углеродного атома карбонильной группы, с образованием связи за счет электронов нуклеофила. Одновременно происходит гетеролитический разрыв р-связи С=О, что приводит к образованию алкоксид-иона. При этом карбонильный углерод переходит в состояние sp 3 гибридизации.

Алкоксид-ион является сильным основанием и поэтому быстро протонируется с образованием нейтрального конечного продукта присоединения.

Если в реакцию вступает азотистый нуклеофил (амины, гидроксиламин, и т.д.), то образовавшийся нейтральный продукт присоединения подвергается дегидратации с образованием двойной связи между карбонильным углеродом и нуклеофильным агентом.

Нуклеофильное присоединение к карбонильной группе - процесс обратимый, за исключением реакций идущих с образованием спиртов и с присоединением металлоорганических соединений.

Альдегиды более реакционноспособны в реакциях присоединения нуклеофильных реагентов по сравнению с кетонами. Это связано с отсутствием стерических препятствий у альдегидов для атаки нуклеофильного агента. А в кетонах две алкильные группы создают пространственные затруднения для атаки нуклеофила и образования тетраэдрического продукта присоединения. Так же на низкую реакционную способность кетонов оказывает их более высокая термодинамическая стабильность по сравнению с альдегидами (теплота образования кетона ниже теплоты образования соответствующего альдегида).

Являются производными углеводородов, в молекулах которых два атома водорода, находившиеся при одном атоме углерода, замещены атомом кислорода. Получающаяся таким путем группа >С=О называется карбонильной группой, или оксогруппой. Если карбонильная группа связана с одним водородным атомом и углеводородным радикалом (или с двумя атомами водорода), то такие соединения называют альдегидами, а группу - альдегидной, если карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами, соединения называют кетонами, а группу - кетогруппой. Таким образом, альдегиды и кетоны представляют собой один класс органических веществ - оксосоединения.

Атомные орбитали углерода карбонильной группы находятся в состоянии sp 2 -гибридизации. Три гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом » 120 ° друг по отношению к другу, участвуют в образовании трех s- связей. Негибридная р-орбиталь атома углерода, расположенная перпендикулярно плоскости, в которой лежат s- связи, участвует в образовании p-связи с атомом кислорода. Двойная связь углерод-кислород полярная, электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому кислорода, на котором возникает частичный отрицательный заряд, а на атоме углерода карбонильной группы - частичный положительный заряд:

Из этого следует, что характерной для карбонильной группы реакцией должна быть нуклеофильная атака по атому углерода. В молекулах карбонильных соединений, кроме электрофильного центра - атома углерода оксогруппы - есть и другие реакционные центры. Атом кислорода за счет неподеленной пары электронов выступает в реакциях как основный центр, реагируя с кислотами. Альдегиды и кетоны являются слабыми основаниями, концентрация протонированной формы карбонильного соединения достигает величин » 0,1-1% только в 60-80% серной кислоте.

В результате присоединения протона за счет образования s -связи О-Н возрастает электрофильность атома углерода оксогруппы и облегчается присоединение нуклеофильной частицы.

Гидратация кетонов возможна лишь в присутствии кислот или щелочей как катализаторов.

Механизм реакции гидратации при кислотном катализе:

На первом этапе протон присоединяется к атому кислорода карбонильной группы (за счет неподеленной пары электронов кислорода) с образованием оксониевого катиона, который на следующем этапе превращается в карбкатион, легко (за счет целого положительного заряда на углероде) подвергающийся нуклеофильной атаке молекулой воды. Образующийся оксониевый катион стабилизируется отщеплением протона (возврат катализатора).

Механизм реакции гидратации при основном катализе:

При проведении гидратации в щелочной среде гидроксид-ион атакует электрофильный атом углерода карбонильной группы с образованием оксониевого аниона, который далее стабилизируется путем отщепления протона от молекулы воды.

В отличие от большинства карбонильных соединений, 2,2,2-трихлорэтаналь (хлораль) легко реагирует с водой, образуя устойчивый продукт гидратации - хлоральгидрат, используемый в медицине и ветеринарии как успокаивающее и снотворное средство. Повышенная реакционная способность этого соединения объясняется сильным электроноакцепторным эффектом трихлорметильной группы, которая увеличивает эффективный положительный заряд на атоме углерода карбонильной группы, а также стабилизирует продукт реакции.

Реакции присоединения спиртов

В присутствии сухого хлороводорода альдегиды реагируют со спиртами, образуя ацетали. Промежуточно образующиеся полуацетали в большинстве случае в свободном виде выделить не представляется возможным. Необходимо отметить, что превращение полуацеталей в ацетали без кислотных катализаторов не происходит.

Превращение альдегидов в полуацетали происходит по механизму нуклеофильного присоединения А N , а последующее превращение полуацеталя в ацеталь представляет нуклеофильное замещение.

Необходимость использования кислотного катализа при превращении полуацеталей в ацетали обусловлена тем, что ОН-группа является плохо уходящей. Для превращения ее в хорошо уходящую группу - молекулу Н 2 О - используют кислоты в качестве катализаторов.

В случае реакций кетонов со спиртами положительный заряд на атоме углерода карбонильной группы оказывается недостаточным для непосредственной атаки молекулой спирта, и кетали одноатомных спиртов таким путем получить нельзя. Их получают с использованием ортоэфиров муравьиной кислоты.

Реакции образования полуацеталей и ацеталей характерны для природных гетерополифункциональных соединений - углеводов. Моносахариды являются, как правило, полигидроксиальдегидами или полигидроксикетонами, внутри молекул которых между гидроксильной и карбонильной группами происходит взаимодействие, приводящее к образованию гетероцикла:

Циклические формы моносахаридов являются циклическими полуацеталями или циклическими полукеталями. Образование олигосахарид ов и полисахаридов представляет собой реакцию образования ацеталя, повторяющуюся многократно:

Полисахариды, как ацетали, подвергаются гидролизу только в кислой среде.

Присоединение меркаптанов RSH к альдегидам и кетонам приводит к образованию, соответственно, тиоацеталей. Способность молекул меркаптанов эффективно атаковать атом углерода карбонильной группы кетонов отражает большую склонность RSH (по сравнению с ROH) к образованию эффективных нуклеофилов RS - , т.е большую кислотность тиолов по сравнению со спиртами.

Реакции нуклеофильного присоединения - реакции присоединения, в которых атаку на начальной стадии осуществляет нуклеофил - частица, заряженная отрицательно или имеющая свободную электронную пару.

На конечной стадии образующийся карбанион подвергается электрофильной атаке .

Несмотря на общность механизма различают реакции присоединения по связи углерод-углерод и углерод-гетероатом.

Реакции нуклеофильного присоединения более распространены для тройных, чем для двойных связей.

Реакции нуклеофильного присоединения по связи углерод-углерод

Нуклеофильное присоединение по кратной связи обычно двухстадийный процесс Ad N 2 - реакция бимолекулярного нуклеофильного присоединения:

Нуклеофильное присоединение по связи С=C встречается достаточно редко, и, как правило, если в соединении имеются электроноакцепторные заместители. Наибольшее значение имеет в этом классе реакция Михаэля:

Присоединение по тройной связи аналогично присоединению по связи С=C:

Реакции нуклеофильного присоединения по связи углерод-гетероатом Нуклеофильное присоединение по кратной связи углерод-гетероатом имеет механизм Ad N 2

Как правило, лимитирующей стадией процесса является нуклеофильная атака, электрофильное присоединение происходит быстро .

Иногда продукты присоединения вступают в реакцию отщепления, тем самым совокупно давая реакцию замещения:

Hуклеофильное присоединение по связи С=O очень распространено, что имеет большое практическое, промышленное и лабораторное значение.

Ацилирование ненасыщенных кетонов

Данный метод включает обработку субстрата альдегидом и цианид-ионом в полярном апротонном растворителе, таком, как ДМФ или Me 2 SO. Этот метод применим к a,b-ненасыщенным кетоном, сложным эфирам и нитрилам .

Конденсация сложных эфиров с кетонами

При конденсации сложных эфиров с кетонами выход?-дикетона невысок, около 40%, это объясняется побочной реакцией самоконденсации сложного эфира .

Гидролиз нитросоединений (Реакция Нефа)

Реакция Нефа - реакция кислотного гидролиза нитросоединений с образованием карбонильных соединений. Открыта в 1892 г. российским химиком М.И. Коноваловым и Дж. Нефом в 1894 г. Реакция Нефа заключается в гидролизе ацильных форм нитросоединений (нитроновых кислот), и поэтому в неё могут вступать первичные и вторичные алифатические и алициклические нитросоединения.

Реакция Нефа позволяет получить дикарбонильные соединения с выходом до 80-85 %. Для этого реакция проводится при pH=1, так как в менее кислой среде нитроновые кислоты изомеризуются обратно в нитросоединение со снижением конверсии нитросоединения, а в более кислой - повышается образование побочных продуктов. Данную реакцию проводят при t=0-5 0 C .

Взаимодействие кетонов с хлорангидридами в присутствии пиперидина

Хлорангидриды легко восстанавливаются до первичных спиртов под действием алюмогидрида лития. Но если енамин, полученный из кетона под действием пиперидина, вводить в реакцию с хлорангидридами, то после гидролиза первоначально полученной соли образуются b-дикетоны .

Для альдегидов и кетонов наиболее характерны реакции нуклеофильного присоединения A N .

Общее описание механизма нуклеофильного присоединения A N

Легкость нуклеофильной атаки по атому углерода карбонильной группы альдегида или кетона зависит от величины частичного

положительного заряда на атоме углерода, его пространственной доступности и кислотно-основных свойств среды.

С учетом электронных эффектов групп, связанных с карбонильным атомом углерода, величина частичного положительного заряда δ+ на нем в альдегидах и кетонах убывает в следующем ряду:

Пространственная доступность карбонильного атома углерода уменьшается при замене водорода более объемистыми органиче- скими радикалами, поэтому альдегиды более реакционноспособны, чем кетоны.

Общая схема реакций нуклеофильного присоединения A N к карбонильной группе включает нуклеофильную атаку по карбонильному атому углерода, за которой следует присоединение электрофила к атому кислорода.

В кислой среде активность карбонильной группы, как правило, увеличивается, поскольку вследствие протонирования атома кислорода на атоме углерода возникает положительный заряд. Кислотный катализ используют обычно тогда, когда атакующий нуклеофил обладает низкой активностью.

По приведенному выше механизму осуществляется ряд важных реакций альдегидов и кетонов.

Многие свойственные альдегидам и кетонам реакции протекают в условиях организма, эти реакции представлены в последующих разделах учебника. В настоящей главе будут рассмотрены наиболее важные реакции альдегидов и кетонов, которые в обзорном виде приведены на схеме 5.2.

Присоединение спиртов. Спирты при взаимодействии с альдегидами легко образуют полуацетали. Полуацетали обычно не выделяют из-за их неустойчивости. При избытке спирта в кислой среде полуацетали превращаются в ацетали.

Применение кислотного катализатора при превращении полуацеталя в ацеталь становится понятным из приведенного ниже механизма реакции. Центральное место в нем занимает образование карбо- катиона (I), стабилизированного за счет участия неподеленной пары электронов соседнего атома кислорода (+M-эффект группы С 2 Н 5 О).

Реакции образования полуацеталей и ацеталей обратимы, поэтому ацетали и полуацетали легко гидролизуются избытком воды в кислой среде. В щелочной среде полуацетали устойчивы, так как алкоксидион является более трудно уходящей группой, чем гидроксид-ион.

Образование ацеталей часто используется как временная защита альдегидной группы.

Присоединение воды. Присоединение воды к карбонильной группе - гидратация - обратимая реакция. Степень гидратации альдегида или кетона в водном растворе зависит от строения субстрата.

Продукт гидратации, как правило, в свободном виде выделить с помощью перегонки не удается, так как он разлагается на исходные компоненты. Формальдегид в водном растворе гидратирован более чем на 99,9%, ацетальдегид - приблизительно наполовину, ацетон практически не гидратирован.

Формальдегид (муравьиный альдегид) обладает способностью свертывать белки. Его 40% водный раствор, называемый формалином, применяется в медицине как дезинфицирующее средство и консервант анатомических препаратов.

Трихлороуксусный альдегид (хлораль) гидратирован полностью. Электроноакцепторная трихлорометильная группа настолько стабилизирует хлоральгидрат, что это кристаллическое вещество отщепляет воду только при перегонке в присутствии дегидратирующих веществ - серной кислоты и др.

В основе фармакологического эффекта хлоральгидрата СС1зСН(ОН)2 лежит специфическое действие на организм альдегидной группы, обусловливающее дезинфицирующие свойства. Атомы галогена усиливают ее действие, а гидратация карбонильной группы снижает токсичность вещества в целом.

Присоединение аминов и их производных. Амины и другие азотсодержащие соединения общей формулы NH2X (X = R, NHR) реагируют с альдегидами и кетонами в две стадии. Сначала образуются продукты нуклеофильного присоединения, которые затем вследствие неустойчивости отщепляют воду. В связи с этим данный процесс в целом классифицируют как реакцию присоединения-отщепления.

В случае первичных аминов получаются замещенные имины (их называют также основаниями Шиффа).

Имины - промежуточные продукты многих ферментативных процессов. Получение иминов проходит через стадию образования аминоспиртов, которые бывают относительно устойчивы, например при взаимодействии формальдегида с α-аминокислотами (см. 12.1.4).

Имины являются промежуточными продуктами получения аминов из альдегидов и кетонов путем восстановительного аминирования. Этот общий способ заключается в восстановлении смеси карбонильного соединения с аммиаком (или амином). Процесс протекает по схеме присоединения-отщепления с образованием имина, который затем восстанавливается в амин.

При взаимодействии альдегидов и кетонов с производными гидразина получаются гидразоны. Эту реакцию можно использовать для выделения альдегидов и кетонов из смесей и их хроматографической идентификации.

Основания Шиффа и другие подобные соединения легко гидролизуются водными растворами минеральных кислот с образованием исходных продуктов.

В большинстве случаев для реакций альдегидов и кетонов с азотистыми основаниями необходим кислотный катализ, ускоряющий дегидратацию продукта присоединения. Однако если слишком повысить кислотность среды, то реакция замедлится в результате превращения азотистого основания в нереакционноспособную сопряженную кислоту XNH3+.

Реакции полимеризации. Эти реакции свойственны в основном альдегидам. При нагревании с минеральными кислотами полимеры альдегидов распадаются на исходные продукты.

Образование полимеров можно рассматривать как результат нуклеофильной атаки атомом кислорода одной молекулы альдегида карбонильного атома углерода другой молекулы. Так, при стоянии формалина выпадает в виде белого осадка полимер формальдегида - параформ.

Молекула этанола не является достаточно активным нуклеофилом для этой реакции. Чтобы увеличить активность электрофильного центра (карбонильный углерод с δ+) и используют кислотный катализ. На первой стадии реакции альдегид (1) взаимодействует с хлороводородом по основному центру (атом кислорода с неподеленной электронной парой), образуя катион, который существует в виде двух резонансных структур (2 и 3). В карбкатионе (3) на электрофильном центре уже полный положительный заряд (а не частичный, как в исходном альдегиде). Таким образом, активность электрофильного центра увеличилась, и он может взаимодействовать со слабым нуклеофилом – молекулой спирта. Новая связь C-O образуется за счет неподеленной электронной пары кислорода, поэтому на нем появляется положительный заряд (4). Для стабилизации этому катиону необходимо отщепить протон водорода. Его принимает анион Cl - . Образуется молекула конечного продукта реакции – полуацеталя.

По такому же механизму происходит дальнейшее превращение полуацеталя в ацеталь:

Эти реакции обратимы, в кислой среде полуацетали и ацетали гидролизуются до соответствующих альдегидов и спиртов. Вот почему катализатором в реакциях их образования является газообразный хлороводород, а не его водный раствор.

Реакцию образования ацеталей часто используют в органическом синтезе для защиты альдегидной группы от окисления. После проведения реакции окисления защиту «снимают», т.е. проводят кислотный гидролиз.

Кетоны в реакцию со спиртами практически не вступают.

Присоединение синильной кислоты HCN. Эта реакция характерна и для альдегидов, и для кетонов. Рассмотрим её на примере ацетона.

Реакция протекает в присутствии щелочи в качестве катализатора.

Синильная кислота – слабая кислота, с малой степенью диссоциации, т.е. плохой источник нуклеофилных частиц (цианид-анионов CN -). Для активизации нуклеофила и используют катализатор:

Далее реакция протекает по общему механизму нуклеофильного присоединения:

Нуклеофил атакует электрофильный центр молекулы ацетона, π-связь C=O разрывается гетеролитически, оба ее электрона уходят к атому кислорода, поэтому там появляется отрицательный заряд (1), новая связь C-C образуется за счет электронов нуклеофила. Анион (1) присоединяет протон водорода от молекулы воды, образуя оксинитрил (2) и гидроксид-анион, что доказывает, что щелочь являлась катализатором этой реакции.

Циангидрины способны к гидролизу с образованием соответствующих оксосоединений и синильной кислоты. Некоторые циангидриды встречаются в природе (синтезируются растениями). Употребление их в пищу (косточки сливы, вишни, горького миндаля) может привести к отравлению.

Присоединение воды. Эта реакция обратима. Её равновесие контролируется стерическими и электронными факторами.

Гидраты большинства альдегидов и особенно кетонов неустойчивы, существуют только в растворах. Гидрат трихлоруксусного альдегида (хлораля) очень устойчив, что связано с электроноакцепторным действием атомов хлора:

Восстановление кетонов приводит к получению вторичных спиртов, например:

Взаимодействие с аммиаком и аминами. Амины и их производные типа X-NH 2 реагируют с альдегидами и кетонами в две стадии. Сначала протекает реакция нуклеофильного присоединения, продукты которой неустойчивы и отщепляют молекулу воды. Поэтому такие реакции характеризуют как присоединение-отщепление .

Рассмотрим механизм реакции на примере взаимодействия ацетальдегида с аммиаком.

Имины называют также основаниями Шиффа.

Имины являются промежуточными продуктами во многих ферментативных процессах, например, в биосинтезе
α-аминокислот в организме.

Основания Шиффа легко гидролизуются водными растворами минеральных кислот с образованием исходных продуктов. В организме гидролиз иминов происходит в процессе окислительного дезаминирования α-аминокислот.

Помимо аммиака, в реакцию просоединения-отщепления с альдегидами и кетонами вступают первичные амины (R-NH 2), гидроксиламин (NH 2 -OH), гидразин (NH 2 -NH 2), фенилгидразин (C 6 H 5 -NH-NH 2), семикарбазид (NH 2 -NH-CO-NH 2):

Все эти производные – кристаллические соединения с чёткими температурами плавления, поэтому их получение может использоваться для идентификации альдегидов и кетонов. А так как эти производные так же, как и имины способны к гидролизу с образованием исходных соединений, то данные реакции могут использоваться и для выделения оксосоединений из смесей с другими соединениями.

Через стадию образования альдимина при взаимодействии пиридоксальфосфата (см. стр. 195) и α-аминокислоты протекает реакция переаминирования белковых α-аминокислот (основной путь биосинтеза α-аминокислот).

Реакция альдольной конденсации характерна только для альдегидов, в структуре которых есть α-CH-кислотный центр. Реакция катализируется щелочами.

Конденсацией называется реакция, приводящая к усложнению углеродного скелета и возникновению новой углерод-углеродной связи, при этом из двух или более относительно простых молекул образуется новая более сложная молекула.

Эта реакция начинается по CH-кислотному центру альдегида:

Образующийся анион CH-кислоты стабилизирован за счёт p,π-сопряжения. Он является нуклеофилом по отношению к другой молекуле альдегида, и далее реакция протекает по общему механизму нуклеофильного присоединения:

В результате реакции образуется соединение, являющееся альд егидом и спиртом (алкоголь ) – альдоль.

Альдольная конденсация имеет место и в биологических системах. Например, биосинтез лимонной кислоты, нейраминовой кислоты протекает по механизму альдольной конденсации.

Те альдегиды, которые не имеют атомов водорода при α-углеродном атоме, т.е. не проявляют CH-кислотных свойств, в присутствии щелочей реагируют по-иному. Для них характерна реакция Канниццаро. Другое название этой реакции – диспропорционирование, или реакция оксидоредукции: одна молекула альдегида при этом окисляется, а другая – восстанавливается.

Реакция Канниццаро характерна, например, для бензальдегида:

В случае формальдегида реакция Канниццаро протекает в водном растворе без катализатора:

В водных растворах формальдегида накапливается муравьиная кислота, поэтому эти растворы имеют кислую реакцию.

За счёт CH-кислотного центра протекают также реакции галогенирования , например, так называемая иодоформная реакция:

Эту реакцию дают все оксосоединения, в структуре которых есть группа

Т.е. уксусный альдегид и все метилкетоны (ацетон, метилэтилкетон, метилпропилкетон и т.п.). Образующийся иодоформ обладает характерным «аптечным» запахом, а при достаточной концентрации выпадает в виде желтоватого осадка.

Иодоформную реакцию используют как качественную, чтобы отличить уксусный альдегид от всех других альдегидов. В медицинской практике иодоформную реакцию используют для обнаружения ацетона в моче больных сахарным диабетом.

Реакции окисления альдегидов . Альдегиды окисляются очень легко. Даже такие слабые окислители, как аммиачный раствор гидроксида серебра (реактив Толленса) и гидроксид меди (II), окисляют альдегиды в соответствующие карбоновые кислоты. Обе эти реакции используют как качественные для обнаружения альдегидной группы.