Untuk aldehida dan keton, reaksi adisi nukleofilik adalah yang paling khas A N .

Gambaran umum mekanisme adisi nukleofilikA N

Kemudahan serangan nukleofilik pada atom karbon dari gugus karbonil suatu aldehida atau keton tergantung pada besarnya

muatan positif pada atom karbon, ketersediaan spasial dan sifat asam-basa medium.

Dengan mempertimbangkan efek elektronik dari gugus yang terkait dengan atom karbon karbonil, nilai muatan positif parsial + di atasnya dalam aldehida dan keton menurun dalam deret berikut:

Ketersediaan spasial atom karbon karbonil berkurang ketika hidrogen digantikan oleh radikal organik yang lebih besar, sehingga aldehida lebih reaktif daripada keton.

Skema umum reaksi adisi nukleofilik A N ke gugus karbonil melibatkan serangan nukleofilik pada karbon karbonil diikuti dengan penambahan elektrofil ke atom oksigen.

Dalam lingkungan asam, aktivitas gugus karbonil, sebagai suatu peraturan, meningkat, karena karena protonasi atom oksigen, muatan positif muncul pada atom karbon. Katalisis asam biasanya digunakan ketika nukleofil penyerang memiliki aktivitas rendah.

Menurut mekanisme di atas, sejumlah reaksi penting dari aldehida dan keton dilakukan.

Banyak reaksi karakteristik aldehida dan keton terjadi dalam tubuh, reaksi ini disajikan dalam bagian berikut dari buku teks. Bab ini akan membahas reaksi terpenting dari aldehida dan keton, yang dirangkum dalam Skema 5.2.

penambahan alkohol. Alkohol, ketika berinteraksi dengan aldehida, mudah terbentuk hemiasetal. Hemiasetal biasanya tidak diisolasi karena ketidakstabilannya. Dengan kelebihan alkohol dalam lingkungan asam, hemiasetal berubah menjadi asetal.

Penggunaan katalis asam dalam konversi hemiasetal menjadi asetal jelas dari mekanisme reaksi di bawah ini. Tempat sentral di dalamnya ditempati oleh pembentukan karbokation (I), distabilkan karena partisipasi pasangan elektron mandiri dari atom oksigen tetangga (efek +M dari grup C 2 H 5 O).

Reaksi pembentukan hemiasetal dan asetal bersifat reversibel; oleh karena itu, asetal dan hemiasetal mudah dihidrolisis oleh kelebihan air dalam media asam. Dalam lingkungan basa, hemiasetal stabil, karena alkoksidasi adalah gugus pergi yang lebih sulit daripada ion hidroksida.

Pembentukan asetal sering digunakan sebagai perlindungan sementara dari gugus aldehida.

Sambungan air. Menambahkan air ke gugus karbonil - hidrasi- reaksi reversibel Tingkat hidrasi aldehida atau keton dalam larutan berair tergantung pada struktur substrat.

Produk hidrasi, sebagai suatu peraturan, tidak dapat diisolasi dengan distilasi dalam bentuk bebas, karena terurai menjadi komponen aslinya. Formaldehida dalam larutan berair terhidrasi lebih dari 99,9%, asetaldehida kira-kira setengahnya, dan aseton praktis tidak terhidrasi.

Formaldehida (formaldehida) memiliki kemampuan untuk mengentalkan protein. Larutan berair 40%-nya, disebut formalin, digunakan dalam pengobatan sebagai desinfektan dan pengawet preparat anatomi.

Trichloroacetic aldehyde (chloral) sepenuhnya terhidrasi. Gugus triklorometil yang menarik elektron menstabilkan kloral hidrat sedemikian rupa sehingga zat kristal ini memisahkan air hanya selama distilasi dengan adanya zat dehidrasi - asam sulfat, dll.

Efek farmakologis dari CC13CH(OH)2 kloral hidrat didasarkan pada aksi spesifik gugus aldehida pada tubuh, yang menentukan sifat disinfektan. Atom halogen meningkatkan aksinya, dan hidrasi gugus karbonil mengurangi toksisitas zat secara keseluruhan.

Adisi amina dan turunannya. Amina dan senyawa lain yang mengandung nitrogen dengan rumus umum NH2X (X = R, NHR) bereaksi dengan aldehida dan keton dalam dua tahap. Pertama, produk adisi nukleofilik terbentuk, yang kemudian, karena ketidakstabilan, memisahkan air. Dalam hal ini, proses ini umumnya diklasifikasikan sebagai reaksi lampiran-detasemen.

Dalam kasus amina primer, tersubstitusi imina(disebut juga basis Schiff).

Imina adalah zat antara dalam banyak proses enzimatik. Pembuatan imina berlangsung melalui pembentukan alkohol amino, yang relatif stabil, misalnya, dalam reaksi formaldehida dengan asam -amino (lihat 12.1.4).

Imina adalah zat antara dalam produksi amina dari aldehida dan keton dengan aminasi reduktif. Metode umum ini terdiri dari reduksi campuran senyawa karbonil dengan amonia (atau amina). Proses berlangsung sesuai dengan skema pembelahan tambahan dengan pembentukan imina, yang kemudian direduksi menjadi amina.

Ketika aldehida dan keton bereaksi dengan turunan hidrazin, hidrazon. Reaksi ini dapat digunakan untuk mengisolasi aldehida dan keton dari campuran dan identifikasi kromatografinya.

Basa Schiff dan senyawa serupa lainnya mudah dihidrolisis oleh larutan asam mineral berair untuk membentuk produk awal.

Dalam kebanyakan kasus, reaksi aldehida dan keton dengan basa nitrogen memerlukan katalisis asam, yang mempercepat dehidrasi produk adisi. Namun, jika keasaman medium terlalu tinggi, reaksi akan melambat sebagai akibat dari konversi basa nitrogen menjadi asam konjugat non-reaktif XNH3+.

reaksi polimerisasi. Reaksi-reaksi ini adalah karakteristik terutama dari aldehida. Ketika dipanaskan dengan asam mineral, polimer aldehida terurai menjadi produk awal.

Pembentukan polimer dapat dilihat sebagai hasil dari serangan nukleofilik oleh atom oksigen dari satu molekul aldehida pada atom karbon karbonil dari molekul lain. Jadi, ketika formalin berdiri, polimer formaldehida, paraform, mengendap dalam bentuk endapan putih.

Penambahan nukleofilik ke alkuna dimulai di bawah pengaruh partikel bermuatan negatif - nukleofil. Secara umum, basa adalah katalis untuk reaksi tersebut. Skema umum tahap pertama reaksi adisi nukleofilik:

Reaksi adisi nukleofilik yang khas

Contoh khas dari reaksi adisi nukleofilik adalah reaksi Favorsky - penambahan alkohol dengan adanya alkali untuk membentuk ester alkenil:

Amina primer di bawah aksi basa menambah alkuna untuk membentuk imina:

Dengan analogi, asetilena bereaksi dengan amonia untuk membentuk etilideneimin:

Pada suhu tinggi dengan adanya katalis, imina terdehidrogenasi dan berubah menjadi asetonitril:

Dalam lingkungan basa yang sangat kuat (misalnya: KOH + DMSO), asetilena bereaksi dengan hidrogen sulfida, membentuk divinil sulfida:

Reaksi adisi radikal

Di hadapan peroksida atau kondisi lain yang mendorong pembentukan radikal bebas, penambahan alkuna berlangsung sesuai dengan mekanisme radikal - melawan aturan Markovnikov (efek Harash):

Menurut mekanisme radikal bebas*, reaksi alkuna dengan tiol dapat berlangsung:

* - Dengan adanya basa, reaksi berlangsung menurut mekanisme nukleofilik.

Demikian pula, penambahan karben terjadi:

Reaksi Ethynilasi

Reaksi etinilasi disebut reaksi peningkatan kerangka karbon alkuna dengan mempertahankan ikatan rangkap tiga. Mereka dapat melanjutkan baik dengan mekanisme elektrofilik dan nukleofilik, tergantung pada medium dan kondisi reaksi, sifat substrat, dan jenis katalis yang digunakan.

Memperoleh alkohol asetilena

Dengan adanya basa kuat, alkuna dengan ikatan rangkap tiga terminal dapat menambahkan senyawa karbonil untuk membentuk alkohol (Reaksi Favorsky):

Reaksi terpenting dari kelompok ini adalah penambahan formaldehida ke asetilena dengan pembentukan propargil alkohol dan kemudian butyn-2-diol-1,4 *:

Memperoleh ester dan asam asetilenat

Asam asetilen atau esternya dapat diperoleh dengan reaksi Zuzhi:

Katalis: PdCl2 , CuCl.

Reaksi hidrogenasi

Hidrogenasi heterogen

Hidrogenasi alkuna dengan hidrogen pada katalis heterogen, sebagai suatu peraturan, mengarah pada pembentukan cis- koneksi. Katalis hidrogenasi adalah Ni, Pd, Pt, serta oksida atau kompleks Ir, Ru, Rh dan beberapa logam lainnya.

Pada tahap pertama, sebuah alkena terbentuk, yang segera terhidrogenasi menjadi alkana:

Untuk menghentikan reaksi pada tahap produksi alkena, digunakan katalis Lindlar (Pd/PbO/CaCO 3) atau nikel borida.

Ketika asetilena dihidrogenasi pada katalis nikel-kobalt, isobutilena dapat diperoleh:

Hidrogenasi homogen

Hidrogenasi homogen dilakukan dengan natrium amida dalam amonia cair atau litium aluminium hidrida dalam tetrahidrofuran. Selama reaksi, kesurupan-alkena.

Hidroborasi

Alkuna dengan mudah menambahkan diborana melawan aturan Markovnikov, membentuk cis-alkenilboran:

atau mengoksidasi H 2 O 2 menjadi aldehida atau keton.

Reaksi adisi nukleofilik - reaksi adisi di mana serangan pada tahap awal dilakukan oleh nukleofil - partikel yang bermuatan negatif atau memiliki pasangan elektron bebas.

Pada langkah terakhir, karbanion yang dihasilkan mengalami serangan elektrofilik.

Terlepas dari kesamaan mekanisme, reaksi adisi dibedakan oleh ikatan karbon-karbon dan karbon-heteroatom.

Reaksi adisi nukleofilik lebih umum untuk ikatan rangkap tiga daripada untuk ikatan rangkap.

Reaksi adisi nukleofilik pada ikatan karbon-karbon

Adisi nukleofilik ikatan rangkap biasanya merupakan proses Ad N 2 dua langkah - reaksi adisi nukleofilik bimolekular:

Adisi nukleofilik pada ikatan C=C cukup jarang, dan, sebagai aturan, jika senyawa tersebut mengandung substituen penarik elektron. Reaksi Michael adalah yang paling penting di kelas ini:

Keterikatan pada ikatan rangkap tiga mirip dengan ikatan pada ikatan C=C:

Reaksi adisi nukleofilik pada ikatan karbon-heteroatom Adisi nukleofilik pada ikatan karbon-heteroatom ganda memiliki mekanisme Ad N 2

Sebagai aturan, tahap proses yang membatasi laju adalah serangan nukleofilik, adisi elektrofilik terjadi dengan cepat.

Terkadang produk adisi masuk ke dalam reaksi eliminasi, sehingga secara kolektif memberikan reaksi substitusi:

Adisi nukleofilik pada ikatan C=O sangat umum, yang sangat penting secara praktis, industri dan laboratorium.

Asilasi keton tak jenuh

Metode ini melibatkan perlakuan substrat dengan ion aldehida dan sianida dalam pelarut aprotik polar seperti DMF atau Me2SO. Metode ini berlaku untuk keton, ester, dan nitril a,b-tak jenuh.

Kondensasi ester dengan keton

Ketika ester dikondensasikan dengan keton, rendemen -diketon rendah, sekitar 40%, hal ini disebabkan reaksi samping kondensasi diri ester.

Hidrolisis senyawa nitro (reaksi Nef)

Reaksi Nef merupakan reaksi hidrolisis asam senyawa nitro dengan pembentukan senyawa karbonil. Ditemukan pada tahun 1892 oleh ahli kimia Rusia M.I. Konovalov dan J. Nef pada tahun 1894. Reaksi Nef terdiri dari hidrolisis bentuk asil senyawa nitro (asam nitronik), dan oleh karena itu senyawa nitro alifatik dan alisiklik primer dan sekunder dapat masuk ke dalamnya.

Reaksi Nef memungkinkan untuk memperoleh senyawa dikarbonil dengan hasil hingga 80-85%. Untuk melakukan ini, reaksi dilakukan pada pH=1, karena dalam media yang kurang asam, asam nitronat diisomerisasi kembali menjadi senyawa nitro dengan penurunan konversi senyawa nitro, dan dalam media yang lebih asam, pembentukan produk sampingan meningkat. Reaksi ini dilakukan pada t=0-5 0 C .

Interaksi keton dengan asam klorida dengan adanya piperidin

Klorida asam mudah direduksi menjadi alkohol primer di bawah aksi lithium aluminium hidrida. Tetapi jika enamina yang diperoleh dari keton di bawah aksi piperidin direaksikan dengan klorida asam, maka setelah hidrolisis garam yang diperoleh awalnya, b-diketon terbentuk.

Kimia aldehida dan keton ditentukan oleh adanya gugus karbonil. Gugus ini, pertama, adalah tempat serangan nukleofilik dan, kedua, meningkatkan keasaman atom hidrogen yang terkait dengan atom -karbon. Kedua efek ini cukup konsisten dengan struktur gugus karbonil, dan sebenarnya keduanya disebabkan oleh kemampuan oksigen untuk mengambil muatan negatif.

(Dalam bab ini, hanya jenis reaksi adisi nukleofilik yang paling sederhana yang akan dibahas. Dalam Bab 27, reaksi atom -hidrogen juga akan dibahas.)

Gugus karbonil mengandung ikatan rangkap karbon-oksigen; karena elektron-mobil sangat tertarik pada oksigen, karbon gugus karbonil adalah pusat kekurangan elektron, dan oksigen gugus karbonil kaya elektron. Karena bagian molekul ini datar, maka relatif dapat diakses untuk menyerang dari atas atau bawah bidang ini dalam arah yang tegak lurus terhadapnya. Tidak mengherankan, kelompok terpolarisasi yang tersedia ini sangat reaktif.

Jenis reagen apa yang akan menyerang kelompok seperti itu? Karena tahap yang paling penting dalam reaksi ini adalah pembentukan ikatan dengan karbon karbonil (asam) yang kekurangan elektron, gugus karbonil paling rentan untuk berinteraksi dengan reagen nukleofilik yang kaya elektron, yaitu dengan basa. Reaksi khas aldehida dan keton adalah reaksi adisi nukleofilik.

Seperti yang diharapkan, gambaran paling akurat tentang reaktivitas gugus karbonil dapat diperoleh dengan mempertimbangkan keadaan transisi untuk penambahan nukleofil. Atom karbon dalam reagen adalah trigonal. Dalam keadaan transisi, atom karbon mulai mengasumsikan konfigurasi tetrahedral yang akan dimilikinya dalam produk; dengan demikian, kelompok-kelompok yang terkait dengannya agak konvergen. Oleh karena itu, beberapa kesulitan spasial dapat diharapkan, yaitu, kelompok besar akan mencegah pendekatan ini lebih besar daripada kelompok yang lebih kecil. Tetapi keadaan transisi dalam reaksi ini akan relatif lebih mudah daripada keadaan transisi untuk, katakanlah, reaksi - di mana karbon terikat pada lima atom. Kemudahan relatif inilah yang dimaksudkan bila gugus karbonil dikatakan tersedia untuk diserang.

Dalam keadaan transisi, oksigen mulai memperoleh elektron dan muatan negatif yang akan dimilikinya dalam produk akhir. Ini adalah kecenderungan oksigen untuk memperoleh elektron, atau lebih tepatnya kemampuannya untuk membawa muatan negatif, itulah alasan sebenarnya untuk reaktivitas gugus karbonil terhadap nukleofil.

Aldehid cenderung mengalami adisi nukleofilik lebih mudah daripada keton. Perbedaan reaktivitas ini konsisten dengan sifat keadaan antara reaksi dan, tampaknya, dijelaskan oleh aksi gabungan faktor elektronik dan spasial. Keton mengandung gugus alkil atau aril kedua, sedangkan aldehida mengandung atom hidrogen. Gugus aril atau alkil kedua dari keton lebih besar dari atom hidrogen dalam aldehida dan oleh karena itu akan lebih tahan terhadap peningkatan hambatan sterik dalam keadaan transisi. Gugus alkil menyumbangkan elektron dan dengan demikian mendestabilisasi keadaan transisi dengan meningkatkan muatan negatif pada oksigen.

Orang mungkin berharap bahwa gugus aril, dengan efek induktif penarikan elektronnya (masalah 18.7, hlm. 572), akan menstabilkan keadaan transisi dan dengan demikian mempercepat reaksi; namun, tampaknya, efek ini menstabilkan keton awal ke tingkat yang lebih besar lagi karena resonansi (kontribusi struktur I) dan, sebagai akibatnya, menonaktifkan keton dalam reaksi yang sedang dipertimbangkan.

sebuah) Interaksi dengan alkohol. Aldehida dapat bereaksi dengan satu atau dua molekul alkohol untuk membentuk hemiasetal dan asetal.

Hemiasetal adalah senyawa yang mengandung gugus hidroksil dan alkoxyl (OR) pada satu atom karbon. Asetal adalah senyawa yang mengandung dua gugus alkoksi pada satu atom karbon:

hemiasetal asetal

Reaksi untuk memperoleh asetal banyak digunakan dalam sintesis organik untuk "melindungi" gugus aldehida aktif dari reaksi yang tidak diinginkan:

Reaksi seperti itu sangat penting dalam kimia karbohidrat.

b) Aksesi hidrosulfit berfungsi untuk mengisolasi aldehida dari campurannya dengan zat lain dan memperolehnya dalam bentuk murni, karena turunan sulfo yang dihasilkan sangat mudah dihidrolisis:

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

di) reaksi dengan theoli. aldehida dan keton bereaksi dengan tiol dalam lingkungan asam, ditioasetal terbentuk:

G) Aksesi hidrosianik(asam hidrosianat):

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

Senyawa yang dihasilkan mengandung satu atom karbon lebih dari aldehida atau keton asli, sehingga reaksi ini digunakan untuk memperpanjang rantai karbon.

e) Lampiran reagen Grignard. Dalam sintesis organik, reagen Grignard sangat sering digunakan - salah satu senyawa organologam paling sederhana.

Ketika larutan haloalkana dalam dietil eter ditambahkan ke serutan magnesium, reaksi eksotermik mudah terjadi, magnesium masuk ke dalam larutan dan pereaksi Grignard terbentuk:

R-X + Mg → R-Mg-X,

di mana R adalah radikal alkil atau aril, X adalah halogen.

- Interaksi reagen Grignard dengan formaldehida, hampir semua alkohol primer (kecuali metanol) dapat diperoleh. Untuk ini, produk tambahan reagen Grignard dihidrolisis dengan air.

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

- Saat menggunakan aldehida alifatik lainnya, alkohol sekunder dapat diperoleh:

- Alkohol tersier diperoleh dengan interaksi pereaksi Grignard dengan keton:

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

16. Aldehid dan keton. Sifat kimia: reaksi kondensasi, reaksi dengan senyawa yang mengandung nitrogen. Perwakilan individu dan aplikasi mereka.

Senyawa organik yang molekulnya memiliki gugus karbonil C=O disebut senyawa karbonil atau senyawa okso. Mereka dibagi menjadi dua kelompok terkait - aldehida dan kwton.

Reaksi kondensasi:

Kondensasi aldol

dengan senyawa dengan sifat asam CH, aldehida dan keton dapat masuk ke dalam berbagai reaksi kondensasi. senyawa yang mengandung hidrogen bergerak dalam reaksi ini bertindak sebagai reagen nukleofilik dan disebut komponen mytelin, dan aldehida dan keton disebut komponen karbonil. reaksi kondensasi aldol berlangsung di bawah aksi basa encer pada aldehida atau keton. sementara satu molekul aldehida adalah komponen metilen, yang lain adalah komponen karboksilat.

Di bawah aksi basa, aldehida menghilangkan proton dari pusat asam CH dan berubah menjadi karbanion. Karbanion adalah nukleofil kuat dan menempel pada molekul aldehida lain. stabilisasi anion yang dihasilkan terjadi karena penghapusan proton dari asam lemah.

Mekanisme:

Jika kondensasi aldol disertai dengan penghilangan air (pada suhu tinggi), maka kondensasi seperti itu disebut kondensasi krotonik:

Reaksi kondensasi aldol atau kratonik sering dilakukan dalam zat campuran. ketika komponen metilen dan karboksilat adalah senyawa yang berbeda. pemilihan pasangan untuk reaksi ini didasarkan pada fakta bahwa komponen karbonil harus sangat reaktif dalam reaksi adisi nukleofilik. pada dasarnya itu adalah aldehida. pada saat yang sama, komponen metilen harus memiliki keasaman CH yang tinggi - berbagai aldehida atau keton yang memiliki atom -hidrogen.