Für Aldehyde und Ketone sind nucleophile Additionsreaktionen am charakteristischsten EIN N .

Allgemeine Beschreibung des nukleophilen AdditionsmechanismusEIN N

Die Leichtigkeit des nukleophilen Angriffs auf das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe eines Aldehyds oder Ketons hängt von der Größe des Partials ab

positive Ladung am Kohlenstoffatom, seine räumliche Verfügbarkeit und Säure-Base-Eigenschaften des Mediums.

Unter Berücksichtigung der elektronischen Effekte der mit dem Carbonylkohlenstoffatom assoziierten Gruppen nimmt der Wert der positiven Teilladung δ+ darauf in Aldehyden und Ketonen in der folgenden Reihe ab:

Die räumliche Verfügbarkeit des Carbonylkohlenstoffatoms nimmt ab, wenn Wasserstoff durch sperrigere organische Radikale ersetzt wird, sodass Aldehyde reaktiver sind als Ketone.

Allgemeines Schema nucleophiler Additionsreaktionen EIN N an die Carbonylgruppe beinhaltet einen nukleophilen Angriff auf den Carbonylkohlenstoff, gefolgt von der Addition eines Elektrophils an das Sauerstoffatom.

Im sauren Milieu nimmt die Aktivität der Carbonylgruppe in der Regel zu, da durch die Protonierung des Sauerstoffatoms am Kohlenstoffatom eine positive Ladung entsteht. Säurekatalyse wird normalerweise verwendet, wenn das angreifende Nucleophil eine geringe Aktivität aufweist.

Gemäß dem obigen Mechanismus werden eine Reihe wichtiger Reaktionen von Aldehyden und Ketonen durchgeführt.

Im Körper treten viele für Aldehyde und Ketone charakteristische Reaktionen auf, diese Reaktionen werden in den nachfolgenden Abschnitten des Lehrbuchs vorgestellt. In diesem Kapitel werden die wichtigsten Reaktionen von Aldehyden und Ketonen diskutiert, die in Schema 5.2 zusammengefasst sind.

Zugabe von Alkoholen. Alkohole bilden sich bei der Wechselwirkung mit Aldehyden leicht Halbacetale. Halbacetale werden aufgrund ihrer Instabilität normalerweise nicht isoliert. Bei einem Überschuss an Alkohol in einer sauren Umgebung verwandeln sich Halbacetale in Acetale.

Die Verwendung eines Säurekatalysators bei der Umwandlung von Hemiacetal in Acetal wird aus dem nachstehenden Reaktionsmechanismus deutlich. Den zentralen Platz darin nimmt die Bildung eines Carbokations (I) ein, das durch die Beteiligung des freien Elektronenpaars des benachbarten Sauerstoffatoms stabilisiert wird (+M-Effekt der C 2 H 5 O-Gruppe).

Die Reaktionen zur Bildung von Halbacetalen und Acetalen sind reversibel, daher werden Acetale und Halbacetale leicht durch überschüssiges Wasser in einem sauren Medium hydrolysiert. In alkalischem Milieu sind Halbacetale stabil, da die Alkoxidation eine schwierigere Abgangsgruppe ist als das Hydroxidion.

Die Bildung von Acetalen wird oft als vorübergehender Schutz der Aldehydgruppe genutzt.

Wasserverbindung. Hinzufügen von Wasser zu einer Carbonylgruppe - Hydratation- reversible Reaktion. Der Hydratationsgrad eines Aldehyds oder Ketons in einer wässrigen Lösung hängt von der Struktur des Substrats ab.

Das Hydratationsprodukt kann in der Regel nicht in freier Form durch Destillation isoliert werden, da es in seine ursprünglichen Bestandteile zerfällt. Formaldehyd in wässriger Lösung wird zu mehr als 99,9 % hydratisiert, Acetaldehyd etwa zur Hälfte und Aceton wird praktisch nicht hydratisiert.

Formaldehyd (Formaldehyd) hat die Fähigkeit, Proteine ​​zu koagulieren. Seine 40%ige wässrige Lösung, genannt Formalin, wird in der Medizin als Desinfektions- und Konservierungsmittel anatomischer Präparate verwendet.

Trichloressigsäurealdehyd (Chloral) ist vollständig hydratisiert. Die elektronenziehende Trichlormethylgruppe stabilisiert Chloralhydrat so weit, dass diese kristalline Substanz nur bei der Destillation in Gegenwart von wasserentziehenden Stoffen - Schwefelsäure etc. - Wasser abspaltet.

Die pharmakologische Wirkung von CC13CH(OH)2-Chloralhydrat beruht auf der spezifischen Wirkung der Aldehydgruppe auf den Körper, die die desinfizierenden Eigenschaften bestimmt. Halogenatome verstärken seine Wirkung, und die Hydratation der Carbonylgruppe verringert die Toxizität der Substanz als Ganzes.

Zugabe von Aminen und deren Derivaten. Amine und andere stickstoffhaltige Verbindungen der allgemeinen Formel NH2X (X = R, NHR) reagieren mit Aldehyden und Ketonen in zwei Stufen. Zunächst entstehen nucleophile Additionsprodukte, die dann aufgrund von Instabilität Wasser abspalten. Insofern wird dieser Vorgang allgemein als Reaktion eingestuft Anhaftung-Ablösung.

Im Fall von primären Aminen substituiert Imine(auch genannt Schiff-Basen).

Imine sind Zwischenprodukte in vielen enzymatischen Prozessen. Die Herstellung von Iminen erfolgt über die Bildung von Aminoalkoholen, die z. B. bei der Reaktion von Formaldehyd mit α-Aminosäuren relativ stabil sind (siehe 12.1.4).

Imine sind Zwischenprodukte bei der Herstellung von Aminen aus Aldehyden und Ketonen durch reduktive Aminierung. Dieses allgemeine Verfahren besteht in der Reduktion einer Mischung einer Carbonylverbindung mit Ammoniak (oder Amin). Das Verfahren verläuft nach dem Additions-Spaltungs-Schema unter Bildung eines Imins, das dann zu einem Amin reduziert wird.

Wenn Aldehyde und Ketone mit Hydrazinderivaten reagieren, Hydrazone. Diese Reaktion kann zur Isolierung von Aldehyden und Ketonen aus Mischungen und deren chromatographischer Identifizierung verwendet werden.

Schiffsche Basen und andere ähnliche Verbindungen werden leicht durch wässrige Lösungen von Mineralsäuren hydrolysiert, um die Ausgangsprodukte zu bilden.

Die Reaktionen von Aldehyden und Ketonen mit stickstoffhaltigen Basen erfordern in den meisten Fällen eine Säurekatalyse, die die Dehydratisierung des Additionsprodukts beschleunigt. Wenn jedoch der Säuregehalt des Mediums zu stark erhöht wird, verlangsamt sich die Reaktion aufgrund der Umwandlung der stickstoffhaltigen Base in die nicht reaktive konjugierte Säure XNH3+.

Polymerisationsreaktionen. Diese Reaktionen sind hauptsächlich für Aldehyde charakteristisch. Beim Erhitzen mit Mineralsäuren zerfallen Aldehydpolymere in die Ausgangsprodukte.

Die Bildung von Polymeren kann als Ergebnis eines nukleophilen Angriffs eines Sauerstoffatoms eines Aldehydmoleküls auf das Carbonylkohlenstoffatom eines anderen Moleküls angesehen werden. Wenn also Formalin steht, fällt ein Polymer von Formaldehyd, Paraform, in Form eines weißen Niederschlags aus.

Die nucleophile Addition an Alkine wird unter dem Einfluss eines negativ geladenen Teilchens initiiert - Nukleophil. Im Allgemeinen sind Basen der Katalysator für solche Reaktionen. Allgemeines Schema der ersten Stufe der nukleophilen Additionsreaktion:

Typische nucleophile Additionsreaktionen

Ein typisches Beispiel für eine nukleophile Additionsreaktion ist die Favorsky-Reaktion – die Addition von Alkoholen in Gegenwart von Alkalien zu Alkenylestern:

Primäre Amine addieren sich unter Einwirkung von Basen an Alkine zu Iminen:

Analog dazu reagiert Acetylen mit Ammoniak zu Ethylidenimin:

Bei hoher Temperatur in Gegenwart eines Katalysators dehydriert das Imin und verwandelt sich in Acetonitril:

In einer Umgebung mit sehr starken Basen (z. B. KOH + DMSO) reagiert Acetylen mit Schwefelwasserstoff unter Bildung von Divinylsulfid:

Radikalische Additionsreaktionen

In Gegenwart von Peroxiden oder anderen Bedingungen, die die Bildung freier Radikale begünstigen, verläuft die Addition an Alkine nach einem radikalischen Mechanismus – entgegen der Markovnikov-Regel (Harash-Effekt):

Nach dem Radikalmechanismus* kann die Reaktion von Alkinen mit Thiolen ablaufen:

* - In Gegenwart von Basen verläuft die Reaktion nach dem nukleophilen Mechanismus.

Ebenso erfolgt die Addition von Carbenen:

Ethinylierungsreaktionen

Ethinylierungsreaktionen werden Reaktionen genannt, bei denen das Kohlenstoffgerüst von Alkinen unter Beibehaltung der Dreifachbindung erhöht wird. Abhängig vom Medium und den Reaktionsbedingungen, der Art des Substrats und der Art des verwendeten Katalysators können sie sowohl über elektrophile als auch über nukleophile Mechanismen ablaufen.

Gewinnung von Acetylenalkoholen

Alkine mit endständiger Dreifachbindung können in Gegenwart starker Basen Carbonylverbindungen unter Bildung von Alkoholen addieren (Favorsky-Reaktion):

Die wichtigste Reaktion aus dieser Gruppe ist die Addition von Formaldehyd an Acetylen unter Bildung von Propargylalkohol und dann Butin-2-diol-1,4 *:

Gewinnung von Acetylensäureestern und -säuren

Acetylensäuren oder ihre Ester können durch die Zuzhi-Reaktion erhalten werden:

Katalysatoren: PdCl 2 , CuCl.

Hydrierungsreaktionen

Heterogene Hydrierung

Die Hydrierung von Alkinen mit Wasserstoff an heterogenen Katalysatoren führt in der Regel zur Bildung cis- Verbindungen. Hydrierkatalysatoren sind Ni, Pd, Pt sowie Oxide oder Komplexe von Ir, Ru, Rh und einigen anderen Metallen.

In der ersten Stufe wird ein Alken gebildet, das fast sofort zu einem Alkan hydriert wird:

Um die Reaktion auf der Stufe der Alkenherstellung zu stoppen, werden Lindlar-Katalysatoren (Pd/PbO/CaCO 3 ) oder Nickelborid verwendet.

Wenn Acetylen an einem Nickel-Kobalt-Katalysator hydriert wird, kann Isobutylen erhalten werden:

Homogene Hydrierung

Homogene Hydrierung wird mit Natriumamid in flüssigem Ammoniak oder Lithiumaluminiumhydrid in Tetrahydrofuran durchgeführt. Während der Reaktion Trance-Alkene.

Hydroborierung

Alkine fügen leicht Diboran gegen die Markovnikov-Regel hinzu und bilden sich cis-Alkenylborane:

oder H 2 O 2 zu einem Aldehyd oder Keton oxidieren.

Nucleophile Additionsreaktionen - Additionsreaktionen, bei denen der Angriff im Anfangsstadium von einem Nucleophil durchgeführt wird - einem Teilchen, das negativ geladen ist oder ein freies Elektronenpaar hat.

Im letzten Schritt wird das resultierende Carbanion einem elektrophilen Angriff unterzogen.

Trotz der Gemeinsamkeit des Mechanismus unterscheiden sich Additionsreaktionen durch Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Heteroatom-Bindungen.

Nucleophile Additionsreaktionen sind bei Dreifachbindungen häufiger als bei Doppelbindungen.

Nucleophile Additionsreaktionen an Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen

Die nucleophile Addition mehrerer Bindungen ist normalerweise ein zweistufiger Ad N 2 -Prozess - eine bimolekulare nucleophile Additionsreaktion:

Nucleophile Additionen an der C=C-Bindung sind ziemlich selten und in der Regel dann, wenn die Verbindung elektronenziehende Substituenten enthält. Die Michael-Reaktion ist in dieser Klasse von größter Bedeutung:

Die Bindung an der Dreifachbindung ähnelt der Bindung an der C=C-Bindung:

Nucleophile Additionsreaktionen an einer Kohlenstoff-Heteroatom-Bindung Die nukleophile Addition an einer Kohlenstoff-Heteroatom-Mehrfachbindung folgt dem Ad N 2 -Mechanismus

In der Regel ist die geschwindigkeitsbestimmende Stufe des Prozesses ein nucleophiler Angriff, die elektrophile Addition erfolgt schnell.

Manchmal gehen die Additionsprodukte eine Eliminierungsreaktion ein, wodurch zusammen eine Substitutionsreaktion entsteht:

Die nucleophile Addition an der C=O-Bindung ist weit verbreitet, was von großer praktischer, industrieller und Laborbedeutung ist.

Acylierung ungesättigter Ketone

Dieses Verfahren umfasst die Behandlung des Substrats mit einem Aldehyd- und Cyanidion in einem polaren aprotischen Lösungsmittel wie DMF oder Me 2 SO. Dieses Verfahren ist auf a,b-ungesättigte Ketone, Ester und Nitrile anwendbar.

Kondensation von Estern mit Ketonen

Wenn Ester mit Ketonen kondensiert werden, ist die Ausbeute an α-Diketon gering, etwa 40 %, was auf die Nebenreaktion der Ester-Selbstkondensation zurückzuführen ist.

Hydrolyse von Nitroverbindungen (Nef-Reaktion)

Die Nef-Reaktion ist eine Reaktion der sauren Hydrolyse von Nitroverbindungen unter Bildung von Carbonylverbindungen. 1892 vom russischen Chemiker M.I. Konovalov und J. Nef im Jahr 1894. Die Nef-Reaktion besteht in der Hydrolyse von Acylformen von Nitroverbindungen (Nitronsäuren), und daher können primäre und sekundäre aliphatische und alicyclische Nitroverbindungen eintreten.

Die Nef-Reaktion ermöglicht es, Dicarbonylverbindungen mit einer Ausbeute von bis zu 80-85 % zu erhalten. Dazu wird die Reaktion bei pH = 1 durchgeführt, da Salpetersäure in weniger saurem Medium unter Abnahme des Umsatzes der Nitroverbindung und in saurerem unter Bildung von zu einer Nitroverbindung zurückisomerisiert Nebenprodukte steigen. Diese Reaktion wird bei t = 0–5°C durchgeführt.

Wechselwirkung von Ketonen mit Säurechloriden in Gegenwart von Piperidin

Säurechloride werden unter Einwirkung von Lithiumaluminiumhydrid leicht zu primären Alkoholen reduziert. Setzt man aber das aus dem Keton unter Einwirkung von Piperidin gewonnene Enamin mit Säurechloriden um, so entstehen nach der Hydrolyse des zunächst erhaltenen Salzes b-Diketone.

Die Chemie von Aldehyden und Ketonen wird durch das Vorhandensein einer Carbonylgruppe bestimmt. Diese Gruppe ist erstens der Ort des nukleophilen Angriffs und erhöht zweitens die Acidität der mit dem -Kohlenstoffatom assoziierten Wasserstoffatome. Diese beiden Effekte stimmen ziemlich mit der Struktur der Carbonylgruppe überein, und tatsächlich sind beide auf die Fähigkeit von Sauerstoff zurückzuführen, eine negative Ladung anzunehmen.

(In diesem Kapitel werden nur die einfachsten Arten von nucleophilen Additionsreaktionen betrachtet. In Kapitel 27 werden auch Reaktionen von -Wasserstoffatomen besprochen.)

Die Carbonylgruppe enthält eine Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung; Da die beweglichen Elektronen stark von Sauerstoff angezogen werden, ist der Carbonylgruppen-Kohlenstoff ein elektronenarmes Zentrum und der Carbonylgruppen-Sauerstoff elektronenreich. Da dieser Teil des Moleküls flach ist, ist er für einen Angriff von oberhalb oder unterhalb dieser Ebene in einer dazu senkrechten Richtung relativ zugänglich. Es überrascht nicht, dass diese verfügbare polarisierte Gruppe hoch reaktiv ist.

Welche Art von Reagenzien wird eine solche Gruppe angreifen? Da der wichtigste Schritt in diesen Reaktionen die Bildung einer Bindung mit einem elektronenarmen (sauren) Carbonylkohlenstoff ist, ist die Carbonylgruppe am anfälligsten für eine Wechselwirkung mit elektronenreichen nukleophilen Reagenzien, dh mit Basen. Typische Reaktionen von Aldehyden und Ketonen wären nucleophile Additionsreaktionen.

Das genaueste Bild der Reaktivität der Carbonylgruppe erhält man erwartungsgemäß, wenn man den Übergangszustand für die Addition eines Nucleophils betrachtet. Das Kohlenstoffatom im Reagens ist trigonal. Im Übergangszustand beginnt das Kohlenstoffatom die tetraedrische Konfiguration anzunehmen, die es im Produkt haben wird; daher konvergieren die damit verbundenen Gruppen etwas. Daher ist mit einigen räumlichen Schwierigkeiten zu rechnen, d. h. große Gruppen werden dieses Vorgehen stärker verhindern als kleinere Gruppen. Aber der Übergangszustand in dieser Reaktion wird relativ weniger schwierig sein als der Übergangszustand für beispielsweise eine -Reaktion, bei der Kohlenstoff an fünf Atome gebunden ist. Diese relative Leichtigkeit ist gemeint, wenn gesagt wird, dass die Carbonylgruppe für einen Angriff verfügbar ist.

Im Übergangszustand beginnt Sauerstoff, Elektronen und die negative Ladung aufzunehmen, die er im Endprodukt haben wird. Die Tendenz des Sauerstoffs, Elektronen aufzunehmen, oder vielmehr seine Fähigkeit, eine negative Ladung zu tragen, ist der eigentliche Grund für die Reaktivität der Carbonylgruppe gegenüber Nucleophilen (nicht die Polarität der Carbonylgruppe ist die Ursache der Reaktivität, sondern nur eine weitere Manifestation der Elektronegativität von Sauerstoff.)

Aldehyde unterliegen tendenziell leichter einer nukleophilen Addition als Ketone. Dieser Unterschied in der Reaktivität stimmt mit der Art des Zwischenzustands der Reaktion überein und wird offensichtlich durch die kombinierte Wirkung elektronischer und räumlicher Faktoren erklärt. Das Keton enthält eine zweite Alkyl- oder Arylgruppe, während der Aldehyd ein Wasserstoffatom enthält. Die zweite Aryl- oder Alkylgruppe des Ketons ist größer als das Wasserstoffatom des Aldehyds und wird daher widerstandsfähiger gegen zunehmende sterische Hinderung im Übergangszustand. Die Alkylgruppe gibt Elektronen ab und destabilisiert dadurch den Übergangszustand, indem sie die negative Ladung am Sauerstoff erhöht.

Man könnte erwarten, dass die Arylgruppe mit ihrem elektronenziehenden induktiven Effekt (Aufgabe 18.7, S. 572) den Übergangszustand stabilisiert und dadurch die Reaktion beschleunigt; dieser Effekt stabilisiert jedoch offensichtlich das anfängliche Keton aufgrund von Resonanz (Beitrag von Struktur I) in einem noch größeren Ausmaß und deaktiviert infolgedessen das Keton in der betrachteten Reaktion.

a) Wechselwirkungen mit Alkoholen. Aldehyde können mit einem oder zwei Alkoholmolekülen reagieren, um Halbacetale bzw. Acetale zu bilden.

Halbacetale sind Verbindungen, die sowohl Hydroxyl- als auch Alkoxyl(OR)-Gruppen an einem Kohlenstoffatom enthalten. Acetale sind Verbindungen, die zwei Alkoxygruppen an einem Kohlenstoffatom enthalten:

Halbacetal Acetal

Die Reaktion zur Gewinnung von Acetalen wird in organischen Synthesen häufig verwendet, um die aktive Aldehydgruppe vor unerwünschten Reaktionen zu "schützen":

Solche Reaktionen sind von besonderer Bedeutung in der Chemie von Kohlenhydraten.

b) Beitritt von Hydrosulfiten dient dazu, Aldehyde aus Gemischen mit anderen Stoffen zu isolieren und in reiner Form zu gewinnen, da das entstehende Sulfoderivat sehr leicht hydrolysiert wird:

R-CH \u003d O + NaHSO 3 → R-CH (OH) -SO 3 Na.

in) Reaktion mit theoli. Aldehyde und Ketone reagieren mit Thiolen im sauren Milieu, es entsteht Dithioacetal:

G) Beitritt von Blausäure(Blau-) Säure:

CH 3 -CH \u003d O + H-CN → CH 3 -CH (CN) -OH.

Die resultierende Verbindung enthält ein Kohlenstoffatom mehr als das ursprüngliche Aldehyd oder Keton, sodass diese Reaktionen zur Verlängerung der Kohlenstoffkette verwendet werden.

e) Befestigung des Grignard-Reagenzes. In der organischen Synthese wird das Grignard-Reagenz äußerst häufig verwendet - eine der einfachsten metallorganischen Verbindungen.

Wenn eine Lösung eines Halogenalkans in Diethylether zu Magnesiumspänen gegeben wird, tritt leicht eine exotherme Reaktion auf, Magnesium geht in Lösung und es entsteht ein Grignard-Reagenz:

R-X + Mg → R-Mg-X,

wobei R ein Alkyl- oder Arylrest ist, X ein Halogen ist.

- Die Wechselwirkung des Grignard-Reagenzes mit Formaldehyd kann fast jeder primäre Alkohol (außer Methanol) erhalten werden. Dazu wird das Additionsprodukt des Grignard-Reagenzes mit Wasser hydrolysiert.

H 2 CO + RMgX → R-CH 2 -O-MgX → R-CH 2 -OH.

- Bei Verwendung beliebiger anderer aliphatischer Aldehyde können sekundäre Alkohole erhalten werden:

- Tertiäre Alkohole werden durch die Wechselwirkung von Grignard-Reagenzien mit Ketonen erhalten:

(CH 3) 2 C \u003d O + R-MgX → (CH 3) 2 C (R) -O-MgX → (CH 3) 2 C (R) -OH

16. Aldehyde und Ketone. Chemische Eigenschaften: Kondensationsreaktion, Reaktionen mit stickstoffhaltigen Verbindungen. Einzelne Vertreter und ihre Anwendung.

Organische Verbindungen, in deren Molekül eine Carbonylgruppe C=O vorhanden ist, werden als Carbonylverbindungen oder Oxoverbindungen bezeichnet. Sie werden in zwei verwandte Gruppen eingeteilt - Aldehyde und Kwton.

Kondensationsreaktion:

Aldol-Kondensation

mit Verbindungen mit CH-aciden Eigenschaften können Aldehyde und Ketone verschiedene Kondensationsreaktionen eingehen. Verbindungen, die bei diesen Reaktionen beweglichen Wasserstoff enthalten, wirken als nukleophiles Reagenz und werden als Mytelin-Komponente bezeichnet, und Aldehyde und Ketone werden als Carbonyl-Komponente bezeichnet. die Reaktion der Aldolkondensation verläuft unter Einwirkung verdünnter Alkalien auf das Aldehyd oder Keton. während ein Aldehydmolekül eine Methylenkomponente ist, ist das andere eine Carboxylkomponente.

Unter Einwirkung einer Base entfernt der Aldehyd ein Proton vom α CH -Säurezentrum und verwandelt sich in ein Carbanion. Das Carbanion ist ein starkes Nucleophil und bindet an ein anderes Aldehydmolekül. die Stabilisierung des resultierenden Anions erfolgt durch die Eliminierung eines Protons aus einer schwachen Säure.

Mechanismus:

Wenn die Aldolkondensation von einer Wasserabspaltung (bei hoher Temperatur) begleitet wird, wird eine solche Kondensation als crotonische Kondensation bezeichnet:

Die Reaktion der Aldol- oder Kratonkondensation wird oft in einer gemischten Substanz durchgeführt. wenn die Methylen- und Carboxylkomponenten unterschiedliche Verbindungen sind. Die Auswahl der Partner für diese Reaktion basiert darauf, dass die Carbonylkomponente bei nucleophilen Additionsreaktionen sehr reaktiv sein muss. Im Grunde ist es ein Aldehyd. gleichzeitig muss die Methylenkomponente eine hohe CH-Acidität aufweisen - verschiedene Aldehyde oder Ketone mit einem α-Wasserstoffatom.