Aldehydeille ja ketoneille nukleofiiliset additioreaktiot ovat tyypillisimpiä A N .

Yleinen kuvaus nukleofiilisestä additiomekanismistaA N

Nukleofiilisen hyökkäyksen helppous aldehydin tai ketonin karbonyyliryhmän hiiliatomiin riippuu osittaisen hyökkäyksen suuruudesta.

hiiliatomin positiivinen varaus, sen avaruudellinen saatavuus ja väliaineen happo-emäsominaisuudet.

Ottaen huomioon karbonyylihiiliatomiin liittyvien ryhmien elektroniset vaikutukset siihen kohdistuvan osittaisen positiivisen varauksen δ+ arvo aldehydeissä ja ketoneissa pienenee seuraavissa sarjoissa:

Karbonyylihiiliatomin avaruudellinen saatavuus heikkenee, kun vety korvataan kookkaammilla orgaanisilla radikaaleilla, joten aldehydit ovat reaktiivisempia kuin ketonit.

Nukleofiilisten additioreaktioiden yleinen kaavio A N karbonyyliryhmään liittyy nukleofiilinen hyökkäys karbonyylihiileen, jota seuraa elektrofiilin lisääminen happiatomiin.

Happamassa ympäristössä karbonyyliryhmän aktiivisuus yleensä kasvaa, koska happiatomin protonoitumisen vuoksi hiiliatomiin syntyy positiivinen varaus. Happokatalyysiä käytetään yleensä, kun hyökkäävän nukleofiilin aktiivisuus on alhainen.

Yllä olevan mekanismin mukaisesti suoritetaan useita tärkeitä aldehydien ja ketonien reaktioita.

Elimistössä tapahtuu monia aldehydeille ja ketoneille ominaisia ​​reaktioita, nämä reaktiot on esitelty oppikirjan seuraavissa osioissa. Tässä luvussa käsitellään aldehydien ja ketonien tärkeimpiä reaktioita, joista on yhteenveto kaaviossa 5.2.

alkoholien lisääminen. Alkoholit muodostuvat helposti vuorovaikutuksessa aldehydien kanssa puoliasetaalit. Hemiasetaaleja ei yleensä eristetä niiden epävakauden vuoksi. Ylimääräisellä alkoholilla happamassa ympäristössä hemiasetaalit muuttuvat asetaalit.

Happokatalyytin käyttö hemiasetaalin muuttamisessa asetaaliksi käy ilmi alla olevasta reaktiomekanismista. Keskeisen paikan siinä on karbokationin (I) muodostuminen, joka stabiloituu viereisen happiatomin yksinäisen elektroniparin osallistumisen vuoksi (C 2 H 5 O -ryhmän +M-vaikutus).

Hemiasetaalien ja asetaalien muodostumisreaktiot ovat palautuvia, joten asetaaalit ja hemiasetaalit hydrolysoituvat helposti ylimääräisellä vedellä happamassa väliaineessa. Emäksisessä ympäristössä hemiasetaalit ovat stabiileja, koska alkoksidini on vaikeampi poistuva ryhmä kuin hydroksidi-ioni.

Asetaaalien muodostumista käytetään usein aldehydiryhmän väliaikaisena suojana.

Vesiliitäntä. Veden lisääminen karbonyyliryhmään - nesteytys- palautuva reaktio. Aldehydin tai ketonin hydrataatioaste vesiliuoksessa riippuu substraatin rakenteesta.

Hydrataatiotuotetta ei yleensä voida eristää tislaamalla vapaassa muodossa, koska se hajoaa alkuperäisiksi komponenteiksi. Vesiliuoksessa oleva formaldehydi hydratoituu yli 99,9 %, asetaldehydi on noin puolet ja asetoni ei käytännössä hydratoitu.

Formaldehydillä (formaldehydillä) on kyky koaguloida proteiineja. Sen 40-prosenttinen vesiliuos, ns formaliini, käytetään lääketieteessä anatomisten valmisteiden desinfiointi- ja säilöntäaineena.

Trikloorietikkaaldehydi (kloraali) on täysin hydratoitunut. Elektroneja vetävä trikloorimetyyliryhmä stabiloi kloraalihydraattia siinä määrin, että tämä kiteinen aine lohkeaa vettä vain tislauksen aikana, kun läsnä on kuivattavia aineita - rikkihappoa jne.

CC13CH(OH)2 kloraalihydraatin farmakologinen vaikutus perustuu aldehydiryhmän erityiseen vaikutukseen kehossa, joka määrää desinfiointiominaisuudet. Halogeeniatomit tehostavat sen toimintaa, ja karbonyyliryhmän hydratoituminen vähentää aineen myrkyllisyyttä kokonaisuudessaan.

Amiinien ja niiden johdannaisten lisääminen. Amiinit ja muut typpeä sisältävät yhdisteet, joilla on yleinen kaava NH2X (X = R, NHR) reagoivat aldehydien ja ketonien kanssa kahdessa vaiheessa. Ensin muodostuu nukleofiilisiä additiotuotteita, jotka sitten epästabiiliuden vuoksi irrottavat vettä. Tässä suhteessa tämä prosessi luokitellaan yleensä reaktioksi kiinnitys-irrotus.

Primaaristen amiinien tapauksessa substituoitu imiinit(kutsutaan myös Schiff-pohjat).

Imiinit ovat välituotteita monissa entsymaattisissa prosesseissa. Imiinien valmistus etenee muodostamalla aminoalkoholeja, jotka ovat suhteellisen stabiileja esimerkiksi formaldehydin reaktiossa α-aminohappojen kanssa (ks. 12.1.4).

Imiinit ovat välituotteita amiinien tuotannossa aldehydeistä ja ketoneista pelkistävä aminointi. Tämä yleinen menetelmä koostuu karbonyyliyhdisteen seoksen pelkistämisestä ammoniakin (tai amiinin) kanssa. Prosessi etenee additio-pilkkomiskaavion mukaisesti, jolloin muodostuu imiiniä, joka sitten pelkistetään amiiniksi.

Kun aldehydit ja ketonit reagoivat hydratsiinijohdannaisten kanssa, hydratsonit. Tätä reaktiota voidaan käyttää aldehydien ja ketonien eristämiseen seoksista ja niiden kromatografiseen tunnistamiseen.

Schiffin emäkset ja muut vastaavat yhdisteet hydrolysoituvat helposti mineraalihappojen vesiliuoksilla, jolloin muodostuu lähtötuotteita.

Useimmissa tapauksissa aldehydien ja ketonien reaktiot typpipitoisten emästen kanssa vaativat happokatalyysiä, mikä nopeuttaa additiotuotteen dehydraatiota. Jos väliaineen happamuutta kuitenkin lisätään liikaa, reaktio hidastuu johtuen typpipitoisen emäksen muuttumisesta ei-reaktiiviseksi konjugaattihapoksi XNH3+.

polymerointireaktiot. Nämä reaktiot ovat ominaisia ​​pääasiassa aldehydeille. Mineraalihappojen kanssa kuumennettaessa aldehydipolymeerit hajoavat lähtötuotteiksi.

Polymeerien muodostumista voidaan pitää tuloksena yhden aldehydimolekyylin happiatomin nukleofiilisen hyökkäyksen seurauksena toisen molekyylin karbonyylihiiliatomia vastaan. Joten, kun formaliini seisoo, formaldehydin polymeeri, paraformi, saostuu valkoisena sakan muodossa.

Nukleofiilinen lisäys alkyyneihin alkaa negatiivisesti varautuneen hiukkasen vaikutuksesta - nukleofiili. Yleensä emäkset ovat tällaisten reaktioiden katalyytti. Nukleofiilisen additioreaktion ensimmäisen vaiheen yleinen kaavio:

Tyypillisiä nukleofiilisiä additioreaktioita

Tyypillinen esimerkki nukleofiilisestä additioreaktiosta on Favorsky-reaktio - alkoholien lisääminen alkalien läsnä ollessa alkenyyliestereiden muodostamiseksi:

Primääriset amiinit emästen vaikutuksesta lisäävät alkyyneihin imiinejä:

Analogisesti asetyleeni reagoi ammoniakin kanssa muodostaen etylideeni-imiiniä:

Korkeassa lämpötilassa katalyytin läsnäollessa imiini dehydrogenoituu ja muuttuu asetonitriiliksi:

Erittäin vahvojen emästen ympäristössä (esimerkiksi: KOH + DMSO) asetyleeni reagoi rikkivedyn kanssa muodostaen divinyylisulfidin:

Radikaaliadditioreaktiot

Peroksidien tai muiden vapaiden radikaalien muodostumista edistävien olosuhteiden läsnä ollessa alkyynien lisääminen tapahtuu radikaalimekanismin mukaisesti - vastoin Markovnikov-sääntöä (Harash-ilmiö):

Vapaaradikaalimekanismin* mukaan alkyynien reaktio tiolien kanssa voi edetä:

* - Emästen läsnä ollessa reaktio etenee nukleofiilisen mekanismin mukaisesti.

Samalla tavalla karbeeneja lisätään:

Etynylaatioreaktiot

Etynylaatioreaktioita kutsutaan reaktioksi, jossa alkyynien hiilirunkoa lisätään kolmoissidoksen säilyttämisellä. Ne voivat edetä sekä elektrofiilisten että nukleofiilisten mekanismien avulla riippuen väliaineesta ja reaktio-olosuhteista, substraatin luonteesta ja käytetyn katalyytin tyypistä.

Asetyleenialkoholien saaminen

Vahvojen emästen läsnä ollessa alkyynit, joissa on terminaalinen kolmoissidos, voivat lisätä karbonyyliyhdisteitä muodostaen alkoholeja (Favorsky-reaktio):

Tämän ryhmän tärkein reaktio on formaldehydin lisääminen asetyleeniin, jolloin muodostuu propargyylialkoholia ja sitten butyn-2-dioli-1,4*:

Asetyleeniesterien ja -happojen saaminen

Asetyleenihappoja tai niiden estereitä voidaan saada Zuzhi-reaktiolla:

Katalyytit: PdCl2, CuCl.

Hydrausreaktiot

Heterogeeninen hydraus

Alkyenien hydraus vedyllä heterogeenisillä katalyyteillä johtaa yleensä muodostumiseen IVY- liitännät. Hydrauskatalyyttejä ovat Ni, Pd, Pt sekä Ir-, Ru-, Rh- ja eräiden muiden metallien oksidit tai kompleksit.

Ensimmäisessä vaiheessa muodostuu alkeeni, joka hydrataan lähes välittömästi alkaaniksi:

Reaktion pysäyttämiseksi alkeenin tuotantovaiheessa käytetään Lindlar-katalyyttejä (Pd/PbO/CaCO 3) tai nikkeliboridia.

Kun asetyleenia hydrataan nikkeli-kobolttikatalyytillä, isobuteenia voidaan saada:

Homogeeninen hydraus

Homogeeninen hydraus suoritetaan natriumamidilla nestemäisessä ammoniakissa tai litiumalumiinihydridillä tetrahydrofuraanissa. Reaktion aikana, transsi-alkeenit.

Hydroboraatio

Alkyynit lisäävät helposti diboraania Markovnikovin sääntöä vastaan ​​muodostaen IVY-alkenyyliboraanit:

tai hapettaa H202 aldehydiksi tai ketoniksi.

Nukleofiiliset additioreaktiot - additioreaktiot, joissa hyökkäyksen alkuvaiheessa suorittaa nukleofiili - hiukkanen, joka on negatiivisesti varautunut tai jossa on vapaa elektronipari.

Viimeisessä vaiheessa tuloksena oleva karbanioni käy läpi elektrofiilisen hyökkäyksen.

Huolimatta mekanismin yhteisyydestä, additioreaktiot erottuvat hiili-hiili- ja hiili-heteroatomi-sidoksilla.

Nukleofiiliset additioreaktiot ovat yleisempiä kolmoissidoksille kuin kaksoissidoksille.

Nukleofiiliset additioreaktiot hiili-hiili-sidoksissa

Nukleofiilinen monisidosadditio on yleensä kaksivaiheinen Ad N2 -prosessi - bimolekulaarinen nukleofiilinen additioreaktio:

Nukleofiilinen additio C=C-sidoksessa on melko harvinaista, ja yleensä, jos yhdiste sisältää elektroneja vetäviä substituentteja. Michaelin reaktio on erittäin tärkeä tässä luokassa:

Kiinnitys kolmoissidoksessa on samanlainen kuin kiinnitys C=C-sidoksessa:

Nukleofiiliset additioreaktiot hiili-heteroatomi-sidoksessa Nukleofiilisellä additiolla hiili-heteroatomi-monisidoksessa on Ad N2 -mekanismi

Pääsääntöisesti prosessin nopeutta rajoittava vaihe on nukleofiilinen hyökkäys, elektrofiilinen lisäys tapahtuu nopeasti.

Joskus additiotuotteet osallistuvat eliminaatioreaktioon, jolloin saadaan kollektiivisesti substituutioreaktio:

Nukleofiilinen additio C=O-sidoksessa on hyvin yleistä, millä on suuri käytännön, teollinen ja laboratorio merkitys.

Tyydyttymättömien ketonien asylointi

Tämä menetelmä sisältää substraatin käsittelemisen aldehydi- ja syanidi-ionilla polaarisessa aproottisessa liuottimessa, kuten DMF:ssä tai Me2SO:ssa. Tämä menetelmä soveltuu a,b-tyydyttymättömille ketoneille, estereille ja nitriileille.

Esterien kondensaatio ketonien kanssa

Kun estereitä kondensoidaan ketonien kanssa, β-diketonin saanto on alhainen, noin 40 %, tämä johtuu estereiden itsekondensoitumisen sivureaktiosta.

Nitroyhdisteiden hydrolyysi (Nef-reaktio)

Nef-reaktio on nitroyhdisteiden happohydrolyysin reaktio karbonyyliyhdisteiden muodostumisen kanssa. Löysi vuonna 1892 venäläinen kemisti M.I. Konovalov ja J. Nef vuonna 1894. Nef-reaktio koostuu nitroyhdisteiden (nitronihappojen) asyylimuotojen hydrolyysistä, ja siksi siihen voi päästä primäärisiä ja sekundaarisia alifaattisia ja alisyklisiä nitroyhdisteitä.

Nef-reaktio mahdollistaa dikarbonyyliyhdisteiden saamisen jopa 80-85 %:n saannolla. Tätä varten reaktio suoritetaan pH = 1:ssä, koska vähemmän happamassa väliaineessa nitronihapot isomeroituvat takaisin nitroyhdisteeksi, jolloin nitroyhdisteen konversio vähenee, ja happammassa väliaineessa muodostuu sivutuotteiden määrä lisääntyy. Tämä reaktio suoritetaan lämpötilassa t = 0 - 5 °C.

Ketonien vuorovaikutus happokloridien kanssa piperidiinin läsnä ollessa

Happokloridit pelkistyvät helposti primäärisiksi alkoholeiksi litiumalumiinihydridin vaikutuksesta. Mutta jos piperidiinin vaikutuksesta ketonista saatu enamiini saatetaan reagoimaan happokloridien kanssa, niin alun perin saadun suolan hydrolyysin jälkeen muodostuu b-diketoneja.

Aldehydien ja ketonien kemian määrää karbonyyliryhmän läsnäolo. Tämä ryhmä on ensinnäkin nukleofiilisen hyökkäyksen paikka ja toiseksi lisää -hiiliatomiin liittyvien vetyatomien happamuutta. Molemmat vaikutukset ovat yhdenmukaisia ​​karbonyyliryhmän rakenteen kanssa, ja itse asiassa molemmat johtuvat hapen kyvystä ottaa negatiivinen varaus.

(Tässä luvussa tarkastellaan vain yksinkertaisimpia nukleofiilisten additioreaktioiden tyyppejä. Luvussa 27 käsitellään myös -vetyatomien reaktioita.)

Karbonyyliryhmä sisältää hiili-happi-kaksoissidoksen; koska liikkuvat elektronit vetoavat voimakkaasti happiin, karbonyyliryhmän hiili on elektronivajava keskus ja karbonyyliryhmän happi on elektronirikas. Koska tämä molekyylin osa on litteä, se on suhteellisen helposti saavutettavissa hyökkäämään tämän tason ylä- tai alapuolelta siihen nähden kohtisuorassa suunnassa. Ei ole yllättävää, että tämä saatavilla oleva polarisoitu ryhmä on erittäin reaktiivinen.

Millaiset reagenssit hyökkäävät tällaista ryhmää vastaan? Koska tärkein vaihe näissä reaktioissa on sidoksen muodostuminen elektronivajaisen (happaman) karbonyylihiilen kanssa, karbonyyliryhmä on alttiimmin vuorovaikutukseen elektronirikkaiden nukleofiilisten reagenssien, ts. emästen, kanssa. Tyypillisiä aldehydien ja ketonien reaktioita ovat nukleofiiliset additioreaktiot.

Kuten odotettiin, tarkin kuva karbonyyliryhmän reaktiivisuudesta voidaan saada ottamalla huomioon siirtymätila nukleofiilin lisäämiselle. Reagenssin hiiliatomi on trigonaalinen. Siirtymätilassa hiiliatomi alkaa omaksua tetraedrisen konfiguraation, joka sillä on tuotteessa; joten siihen liittyvät ryhmät lähentyvät jonkin verran. Siksi on odotettavissa joitain tilaongelmia, eli suuret ryhmät estävät tätä lähestymistapaa enemmän kuin pienemmät ryhmät. Mutta siirtymätila tässä reaktiossa on suhteellisesti vähemmän vaikea kuin siirtymätila esimerkiksi -reaktiolle, jossa hiili on sitoutunut viiteen atomiin. Juuri tätä suhteellista helppoutta tarkoitetaan, kun karbonyyliryhmän sanotaan olevan käytettävissä hyökkäämiseen.

Siirtymätilassa happi alkaa hankkia elektroneja ja negatiivista varausta, joka sillä on lopputuotteessa. Juuri hapen taipumus hankkia elektroneja, tai pikemminkin sen kyky kuljettaa negatiivista varausta, on todellinen syy karbonyyliryhmän reaktiivisuuteen suhteessa nukleofiileihin.

Aldehydeillä on taipumus läpikäydä nukleofiilinen lisäys helpommin kuin ketonit. Tämä ero reaktiivisuudessa on yhdenmukainen reaktion välitilan luonteen kanssa ja ilmeisesti selittyy elektronisten ja spatiaalisten tekijöiden yhteisvaikutuksella. Ketoni sisältää toisen alkyyli- tai aryyliryhmän, kun taas aldehydi sisältää vetyatomin. Ketonin toinen aryyli- tai alkyyliryhmä on suurempi kuin aldehydissä oleva vetyatomi, ja siksi se kestää paremmin steerisen esteen lisääntymistä siirtymätilassa. Alkyyliryhmä luovuttaa elektroneja ja siten epävakauttaa siirtymätilan lisäämällä hapen negatiivista varausta.

Voidaan olettaa, että aryyliryhmä elektroneja sisäänvetävällä induktiivisella vaikutuksellaan (ongelma 18.7, s. 572) stabiloisi siirtymätilan ja siten nopeuttaisi reaktiota; kuitenkin ilmeisesti tämä vaikutus stabiloi alkuperäistä ketonia vielä suuremmassa määrin johtuen resonanssista (rakenteen I osuus) ja sen seurauksena deaktivoi ketonin tarkasteltavassa reaktiossa.

a) Vuorovaikutus alkoholien kanssa. Aldehydit voivat reagoida yhden tai kahden alkoholimolekyylin kanssa muodostaen vastaavasti hemiasetaaleja ja asetaaleita.

Hemiasetaalit ovat yhdisteitä, jotka sisältävät hydroksyyli- ja alkoksiryhmiä (OR) yhdessä hiiliatomissa. Asetaaalit ovat yhdisteitä, jotka sisältävät kaksi alkoksiryhmää yhdessä hiiliatomissa:

hemiasetaali asetaali

Reaktiota asetaalien saamiseksi käytetään laajalti orgaanisissa synteesissä aktiivisen aldehydiryhmän "suojaamiseksi" ei-toivotuilta reaktioilta:

Tällaiset reaktiot ovat erityisen tärkeitä hiilihydraattien kemiassa.

b) Hydrosulfiittien liittyminen eristää aldehydejä seoksista muiden aineiden kanssa ja saa ne puhtaassa muodossa, koska tuloksena oleva sulfojohdannainen hydrolysoituu erittäin helposti:

R-CH \u003d O + NaHS03 → R-CH (OH) -S03Na.

sisään) reaktio teolin kanssa. aldehydit ja ketonit reagoivat tiolien kanssa happamassa ympäristössä, ditioasetaalia muodostuu:

G) Syaanivetyhappojen liittyminen(syaanivety) happo:

CH3-CH \u003d O + H-CN → CH3-CH (CN) -OH.

Tuloksena oleva yhdiste sisältää yhden hiiliatomin enemmän kuin alkuperäinen aldehydi tai ketoni, joten näitä reaktioita käytetään hiiliketjun pidentämiseen.

e) Grignard-reagenssin kiinnitys. Orgaanisessa synteesissä Grignard-reagenssia käytetään erittäin usein - yksi yksinkertaisimmista organometallisista yhdisteistä.

Kun halogeenialkaanin liuos dietyylieetterissä lisätään magnesiumlastuihin, tapahtuu helposti eksoterminen reaktio, magnesium liukenee ja muodostuu Grignard-reagenssi:

R-X + Mg → R-Mg-X,

jossa R on alkyyli- tai aryyliradikaali, X on halogeeni.

- Grignardin reagenssin vuorovaikutus formaldehydillä voidaan saada melkein mikä tahansa primaarinen alkoholi (paitsi metanoli). Tätä varten Grignard-reagenssin lisäystuote hydrolysoidaan vedellä.

H2CO+RMgX → R-CH2-O-MgX → R-CH2-OH.

- Käytettäessä muita alifaattisia aldehydejä voidaan saada sekundäärisiä alkoholeja:

- Tertiäärisiä alkoholeja saadaan Grignard-reagenssien vuorovaikutuksesta ketonien kanssa:

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

16. Aldehydit ja ketonit. Kemialliset ominaisuudet: kondensaatioreaktio, reaktiot typpeä sisältävien yhdisteiden kanssa. Yksittäiset edustajat ja heidän hakemuksensa.

Orgaanisia yhdisteitä, joiden molekyylissä on karbonyyliryhmä C=O, kutsutaan karbonyyliyhdisteiksi tai oksoyhdisteiksi. Ne on jaettu kahteen toisiinsa liittyvään ryhmään - aldehydit ja kwtonit.

Kondensaatioreaktio:

Aldol kondensaatio

yhdisteillä, joilla on happamia CH-ominaisuuksia, aldehydit ja ketonit voivat osallistua erilaisiin kondensaatioreaktioihin. yhdisteet, jotka sisältävät liikkuvaa vetyä näissä reaktioissa, toimii nukleofiilisenä reagenssina ja sitä kutsutaan myteliinikomponentiksi, ja aldehydejä ja ketoneja kutsutaan karbonyylikomponentiksi. aldolin kondensaatioreaktio etenee aldehydin tai ketonin laimeiden alkalien vaikutuksesta. kun taas yksi aldehydimolekyyli on metyleenikomponentti, toinen on karboksyylikomponentti.

Aldehydi poistaa emäksen vaikutuksesta protonin αCH-happokeskuksesta ja muuttuu karbanioniksi. Karbanioni on vahva nukleofiili ja kiinnittyy toiseen aldehydimolekyyliin. tuloksena olevan anionin stabiloituminen tapahtuu protonin eliminoitumisen vuoksi heikosta haposta.

Mekanismi:

Jos aldolin tiivistymiseen liittyy veden poistuminen (korkeassa lämpötilassa), tällaista kondensaatiota kutsutaan krotoniseksi kondensaatioksi:

Aldolin tai kratonikondensaatioreaktio suoritetaan usein seka-aineessa. kun metyleeni- ja karboksyylikomponentit ovat erilaisia ​​yhdisteitä. kumppanien valinta tähän reaktioon perustuu siihen tosiasiaan, että karbonyylikomponentin on oltava erittäin reaktiivinen nukleofiilisissä additioreaktioissa. periaatteessa se on aldehydi. samalla metyleenikomponentilla on oltava korkea CH-happoisuus - erilaisia ​​aldehydejä tai ketoneja, joissa on a-vetyatomi.