Para aldeídos e cetonas, as reações de adição nucleofílica são mais características UMA N .

Descrição geral do mecanismo de adição nucleofílicaUMA N

A facilidade do ataque nucleofílico no átomo de carbono do grupo carbonila de um aldeído ou cetona depende da magnitude do ataque parcial.

carga positiva no átomo de carbono, sua disponibilidade espacial e propriedades ácido-base do meio.

Levando em conta os efeitos eletrônicos dos grupos associados ao átomo de carbono da carbonila, o valor da carga positiva parcial δ+ sobre ele em aldeídos e cetonas diminui na seguinte série:

A disponibilidade espacial do átomo de carbono carbonílico diminui quando o hidrogênio é substituído por radicais orgânicos mais volumosos, de modo que os aldeídos são mais reativos que as cetonas.

Esquema geral das reações de adição nucleofílica UMA N ao grupo carbonila envolve um ataque nucleofílico ao carbono carbonila seguido pela adição de um eletrófilo ao átomo de oxigênio.

Em um ambiente ácido, a atividade do grupo carbonila, como regra, aumenta, pois devido à protonação do átomo de oxigênio, surge uma carga positiva no átomo de carbono. A catálise ácida é geralmente usada quando o nucleófilo atacante tem baixa atividade.

De acordo com o mecanismo acima, várias reações importantes de aldeídos e cetonas são realizadas.

Muitas reações características de aldeídos e cetonas ocorrem no corpo, essas reações são apresentadas nas seções subsequentes do livro. Este capítulo discutirá as reações mais importantes de aldeídos e cetonas, que estão resumidas no Esquema 5.2.

adição de álcoois. Os álcoois, ao interagirem com aldeídos, formam hemiacetais. Os hemiacetais geralmente não são isolados devido à sua instabilidade. Com um excesso de álcool em um ambiente ácido, os hemiacetais se transformam em acetais.

A utilização de um catalisador ácido na conversão de hemiacetal em acetal é clara a partir do mecanismo de reação abaixo. O lugar central nele é ocupado pela formação de um carbocátion (I), estabilizado devido à participação do par solitário de elétrons do átomo de oxigênio vizinho (efeito +M do grupo C 2 H 5 O).

As reações de formação de hemiacetais e acetais são reversíveis, portanto, acetais e hemiacetais são facilmente hidrolisados ​​pelo excesso de água em meio ácido. Em um ambiente alcalino, os hemiacetais são estáveis, uma vez que o alcóxido é um grupo de saída mais difícil do que o íon hidróxido.

A formação de acetais é frequentemente usada como proteção temporária do grupo aldeído.

Conexão de água. Adicionando água a um grupo carbonila - hidratação- reação reversível. O grau de hidratação de um aldeído ou cetona em uma solução aquosa depende da estrutura do substrato.

O produto da hidratação, via de regra, não pode ser isolado por destilação na forma livre, pois se decompõe em seus componentes originais. O formaldeído em solução aquosa é hidratado em mais de 99,9%, o acetaldeído é aproximadamente metade e a acetona praticamente não é hidratada.

O formaldeído (formaldeído) tem a capacidade de coagular proteínas. Sua solução aquosa a 40%, chamada formalina, utilizado na medicina como desinfetante e conservante de preparações anatômicas.

O aldeído tricloroacético (cloral) é totalmente hidratado. O grupo triclorometil retirador de elétrons estabiliza o hidrato de cloral de tal forma que esta substância cristalina separa a água apenas durante a destilação na presença de substâncias desidratantes - ácido sulfúrico, etc.

O efeito farmacológico do hidrato de cloral CC13CH(OH)2 baseia-se na ação específica do grupo aldeído no organismo, que determina as propriedades desinfetantes. Átomos de halogênio potencializam sua ação, e a hidratação do grupo carbonila reduz a toxicidade da substância como um todo.

Adição de aminas e seus derivados. Aminas e outros compostos contendo nitrogênio da fórmula geral NH2X (X = R, NHR) reagem com aldeídos e cetonas em duas etapas. Primeiro, os produtos de adição nucleofílica são formados, que então, devido à instabilidade, separam a água. A este respeito, este processo é geralmente classificado como uma reação apego-desapego.

No caso de aminas primárias, iminas(também chamado bases de Schiff).

As iminas são intermediários em muitos processos enzimáticos. A preparação de iminas ocorre através da formação de aminoálcoois, que são relativamente estáveis, por exemplo, na reação de formaldeído com α-aminoácidos (ver 12.1.4).

As iminas são intermediários na produção de aminas a partir de aldeídos e cetonas por aminação redutiva. Este método geral consiste na redução de uma mistura de composto carbonílico com amônia (ou amina). O processo prossegue de acordo com o esquema de adição-clivagem com a formação de uma imina, que é então reduzida a uma amina.

Quando aldeídos e cetonas reagem com derivados de hidrazina, hidrazonas. Esta reação pode ser usada para isolar aldeídos e cetonas de misturas e sua identificação cromatográfica.

As bases de Schiff e outros compostos semelhantes são facilmente hidrolisados ​​por soluções aquosas de ácidos minerais para formar os produtos de partida.

Na maioria dos casos, as reações de aldeídos e cetonas com bases nitrogenadas requerem catálise ácida, que acelera a desidratação do produto de adição. No entanto, se a acidez do meio aumentar muito, a reação irá desacelerar como resultado da conversão da base nitrogenada no ácido conjugado não reativo XNH3+.

reações de polimerização. Essas reações são características principalmente de aldeídos. Quando aquecidos com ácidos minerais, os polímeros aldeídos se decompõem nos produtos iniciais.

A formação de polímeros pode ser vista como o resultado de um ataque nucleofílico por um átomo de oxigênio de uma molécula de aldeído sobre o átomo de carbono carbonílico de outra molécula. Assim, quando a formalina está em repouso, um polímero de formaldeído, paraform, precipita na forma de um precipitado branco.

A adição nucleofílica a alcinos é iniciada sob a influência de uma partícula carregada negativamente - nucleófilo. Em geral, as bases são o catalisador para tais reações. Esquema geral da primeira etapa da reação de adição nucleofílica:

Reações típicas de adição nucleofílica

Um exemplo típico de uma reação de adição nucleofílica é a reação de Favorsky - a adição de álcoois na presença de álcalis para formar ésteres alcenílicos:

Aminas primárias sob a ação de bases adicionam-se a alcinos para formar iminas:

Por analogia, o acetileno reage com a amônia para formar etilidenimina:

Em alta temperatura na presença de um catalisador, a imina desidrogena e se transforma em acetonitrila:

Em um ambiente de bases muito fortes (por exemplo: KOH + DMSO), o acetileno reage com o sulfeto de hidrogênio, formando sulfeto de divinila:

Reações de adição de radicais

Na presença de peróxidos ou outras condições que promovem a formação de radicais livres, a adição de alcinos ocorre de acordo com um mecanismo radical - contra a regra de Markovnikov (efeito Harash):

De acordo com o mecanismo de radicais livres*, a reação de alcinos com tióis pode ocorrer:

* - Na presença de bases, a reação prossegue de acordo com o mecanismo nucleofílico.

Da mesma forma, a adição de carbenos ocorre:

Reações de etinilação

As reações de etinilação são chamadas de reações de aumento do esqueleto de carbono dos alcinos com a preservação da ligação tripla. Eles podem ocorrer por mecanismos eletrofílicos e nucleofílicos, dependendo do meio e das condições de reação, da natureza do substrato e do tipo de catalisador usado.

Obtenção de álcoois acetilênicos

Na presença de bases fortes, alcinos com uma ligação tripla terminal são capazes de adicionar compostos carbonílicos para formar álcoois (reação de Favorsky):

A reação mais importante deste grupo é a adição de formaldeído ao acetileno com a formação de álcool propargílico e depois butin-2-diol-1,4*:

Obtenção de ésteres e ácidos acetilênicos

Ácidos de acetileno ou seus ésteres podem ser obtidos pela reação de Zuzhi:

Catalisadores: PdCl2, CuCl.

Reações de hidrogenação

Hidrogenação heterogênea

A hidrogenação de alcinos com hidrogênio em catalisadores heterogêneos, como regra, leva à formação cis- conexões. Os catalisadores de hidrogenação são Ni, Pd, Pt, assim como óxidos ou complexos de Ir, Ru, Rh e alguns outros metais.

Na primeira fase, forma-se um alceno, que é quase imediatamente hidrogenado a um alcano:

Para interromper a reação na fase de produção de alceno, são usados ​​catalisadores Lindlar (Pd/PbO/CaCO 3) ou boreto de níquel.

Quando o acetileno é hidrogenado em um catalisador de níquel-cobalto, o isobutileno pode ser obtido:

Hidrogenação homogênea

A hidrogenação homogênea é realizada com amida de sódio em amônia líquida ou hidreto de alumínio e lítio em tetrahidrofurano. Durante a reação, transe-alcenos.

Hidroboração

Alcinos adicionam facilmente diborano contra a regra de Markovnikov, formando cis-alquenilboranos:

ou oxidar H 2 O 2 a um aldeído ou cetona.

Reações de adição nucleofílica - reações de adição nas quais o ataque no estágio inicial é realizado por um nucleófilo - uma partícula carregada negativamente ou com um par de elétrons livre.

Na etapa final, o carbânion resultante sofre ataque eletrofílico.

Apesar da semelhança do mecanismo, as reações de adição são distinguidas por ligações carbono-carbono e carbono-heteroátomo.

As reações de adição nucleofílica são mais comuns para ligações triplas do que para ligações duplas.

Reações de adição nucleofílica em ligações carbono-carbono

A adição nucleofílica de ligação múltipla é geralmente um processo Ad N 2 de duas etapas - uma reação de adição nucleofílica bimolecular:

A adição nucleofílica na ligação C=C é bastante rara e, como regra, se o composto contém substituintes que retiram elétrons. A reação de Michael é da maior importância nesta classe:

A ligação na ligação tripla é semelhante à ligação na ligação C=C:

Reações de adição nucleofílica em uma ligação carbono-heteroátomo A adição nucleofílica em uma ligação múltipla carbono-heteroátomo tem o mecanismo Ad N 2

Como regra, o estágio limitante da taxa do processo é um ataque nucleofílico, a adição eletrofílica ocorre rapidamente.

Às vezes, os produtos de adição entram em uma reação de eliminação, dando coletivamente uma reação de substituição:

A adição nucleofílica na ligação C=O é muito comum, o que é de grande importância prática, industrial e laboratorial.

Acilação de cetonas insaturadas

Este método envolve o tratamento do substrato com um íon aldeído e cianeto em um solvente polar aprótico, como DMF ou Me2SO. Este método é aplicável a cetonas, ésteres e nitrilas a,b-insaturadas.

Condensação de ésteres com cetonas

Quando os ésteres são condensados ​​com cetonas, o rendimento de α-dicetona é baixo, cerca de 40%, devido à reação lateral de autocondensação do éster.

Hidrólise de compostos nitro (reação Nef)

A reação Nef é uma reação de hidrólise ácida de compostos nitro com a formação de compostos carbonílicos. Descoberto em 1892 pelo químico russo M.I. Konovalov e J. Nef em 1894. A reação Nef consiste na hidrólise de formas acil de nitrocompostos (ácidos nitrônicos) e, portanto, compostos nitro alifáticos e alicíclicos primários e secundários podem entrar nela.

A reação de Nef permite obter compostos dicarbonílicos com rendimento de até 80-85%. Para isso, a reação é realizada em pH=1, pois em meio menos ácido, os ácidos nitrônicos voltam a se isomerizar em um composto nitro com diminuição na conversão do composto nitro, e em meio mais ácido, a formação de subprodutos aumenta. Esta reação é realizada em t = 0-5 0 C .

Interação de cetonas com cloretos de ácido na presença de piperidina

Os cloretos ácidos são facilmente reduzidos a álcoois primários sob a ação do hidreto de alumínio e lítio. Mas se a enamina obtida da cetona sob a ação da piperidina reage com cloretos de ácido, após a hidrólise do sal obtido inicialmente, as b-dicetonas são formadas.

A química de aldeídos e cetonas é determinada pela presença de um grupo carbonila. Este grupo, em primeiro lugar, é o sítio de ataque nucleofílico e, em segundo lugar, aumenta a acidez dos átomos de hidrogênio associados ao átomo de carbono. Ambos os efeitos são bastante consistentes com a estrutura do grupo carbonila e, de fato, ambos são devidos à capacidade do oxigênio de assumir uma carga negativa.

(Neste capítulo, apenas os tipos mais simples de reações de adição nucleofílica são considerados. No Capítulo 27, as reações de átomos de hidrogênio também serão discutidas.)

O grupo carbonila contém uma ligação dupla carbono-oxigênio; uma vez que os elétrons móveis são fortemente atraídos pelo oxigênio, o carbono do grupo carbonila é um centro deficiente em elétrons, e o oxigênio do grupo carbonila é rico em elétrons. Como essa parte da molécula é plana, é relativamente acessível ao ataque de cima ou de baixo desse plano em uma direção perpendicular a ele. Não surpreendentemente, este grupo polarizado disponível é altamente reativo.

Que tipo de reagentes atacarão tal grupo? Uma vez que o estágio mais importante nessas reações é a formação de uma ligação com um carbono carbonil deficiente em elétrons (ácido), o grupo carbonil é mais propenso a interagir com reagentes nucleofílicos ricos em elétrons, isto é, com bases. Reações típicas de aldeídos e cetonas seriam reações de adição nucleofílica.

Como esperado, a imagem mais precisa da reatividade do grupo carbonila pode ser obtida considerando o estado de transição para a adição de um nucleófilo. O átomo de carbono no reagente é trigonal. No estado de transição, o átomo de carbono começa a assumir a configuração tetraédrica que terá no produto; assim, os grupos associados a ela convergem um pouco. Portanto, algumas dificuldades espaciais podem ser esperadas, ou seja, grandes grupos impedirão essa abordagem em maior medida do que grupos menores. Mas o estado de transição nesta reação será relativamente menos difícil do que o estado de transição para, digamos, uma reação em que o carbono está ligado a cinco átomos. É essa relativa facilidade que se entende quando se diz que o grupo carbonila está disponível para ataque.

No estado de transição, o oxigênio começa a adquirir elétrons e a carga negativa que terá no produto final. É a tendência do oxigênio de adquirir elétrons, ou melhor, sua capacidade de carregar uma carga negativa, que é a verdadeira razão da reatividade do grupo carbonila em relação aos nucleófilos.

Os aldeídos tendem a sofrer adição nucleofílica mais facilmente do que as cetonas. Essa diferença de reatividade é consistente com a natureza do estado intermediário da reação e, aparentemente, é explicada pela ação combinada de fatores eletrônicos e espaciais. A cetona contém um segundo grupo alquil ou aril, enquanto o aldeído contém um átomo de hidrogênio. O segundo grupo aril ou alquil da cetona é maior que o átomo de hidrogênio no aldeído e, portanto, será mais resistente ao aumento do impedimento estérico no estado de transição. O grupo alquila doa elétrons e assim desestabiliza o estado de transição aumentando a carga negativa do oxigênio.

Poder-se-ia esperar que o grupo arila, com seu efeito indutivo de retração de elétrons (problema 18.7, p. 572), estabilizasse o estado de transição e desse modo acelerasse a reação; no entanto, aparentemente, este efeito estabiliza a cetona inicial em uma extensão ainda maior devido à ressonância (contribuição da estrutura I) e, como resultado, desativa a cetona na reação em consideração.

a) Interação com álcoois. Os aldeídos podem reagir com uma ou duas moléculas de álcool para formar hemiacetais e acetais, respectivamente.

Hemiacetais são compostos contendo grupos hidroxila e alcoxi (OR) em um átomo de carbono. Os acetais são compostos que contêm dois grupos alcoxi em um átomo de carbono:

hemiacetal acetal

A reação para obtenção de acetais é amplamente utilizada em sínteses orgânicas para "proteger" o grupo aldeído ativo de reações indesejáveis:

Tais reações são de particular importância na química dos carboidratos.

b) Adesão de hidrossulfitos serve para isolar aldeídos de misturas com outras substâncias e obtê-los na forma pura, pois o derivado sulfo resultante é muito facilmente hidrolisado:

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

dentro) reação com teoli. aldeídos e cetonas reagem com tióis em um ambiente ácido, o ditioacetal é formado:

G) Adesão de cianídricoácido (cianídrico):

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

O composto resultante contém um átomo de carbono a mais do que o aldeído ou cetona original, então essas reações são usadas para alongar a cadeia de carbono.

e) Anexação do reagente de Grignard. Na síntese orgânica, o reagente de Grignard é extremamente usado - um dos compostos organometálicos mais simples.

Quando uma solução de um haloalcano em éter dietílico é adicionada a aparas de magnésio, ocorre facilmente uma reação exotérmica, o magnésio entra em solução e um reagente de Grignard é formado:

R-X + Mg → R-Mg-X,

onde R é um radical alquil ou aril, X é um halogênio.

- A interação do reagente de Grignard com formaldeído, quase qualquer álcool primário (exceto metanol) pode ser obtido. Para isso, o produto de adição do reagente de Grignard é hidrolisado com água.

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

- Ao usar quaisquer outros aldeídos alifáticos, álcoois secundários podem ser obtidos:

- Os álcoois terciários são obtidos pela interação de reagentes de Grignard com cetonas:

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

16. Aldeídos e cetonas. Propriedades químicas: reação de condensação, reações com compostos contendo nitrogênio. Representantes individuais e sua aplicação.

Os compostos orgânicos na molécula da qual existe um grupo carbonila C = O são chamados de compostos carbonílicos ou compostos oxo. Eles são divididos em dois grupos relacionados - aldeídos e kwtons.

Reação de condensação:

Condensação aldólica

com compostos com propriedades ácidas de CH, aldeídos e cetonas são capazes de entrar em várias reações de condensação. compostos contendo hidrogênio móvel nessas reações atuam como um reagente nucleofílico e é chamado de componente mitelina, e aldeídos e cetonas são chamados de componente carbonila. a reação de condensação aldólica ocorre sob a ação de álcalis diluídos no aldeído ou cetona. enquanto uma molécula de aldeído é um componente metileno, a outra é um componente carboxílico.

Sob a ação de uma base, o aldeído remove um próton do centro ácido α CH e se transforma em um carbânion. O carbânion é um forte nucleófilo e se liga a outra molécula de aldeído. a estabilização do ânion resultante ocorre devido à eliminação de um próton de um ácido fraco.

Mecanismo:

Se a condensação aldólica for acompanhada pela eliminação de água (em alta temperatura), essa condensação é chamada de condensação crotônica:

A reação de condensação aldólica ou cratônica é frequentemente realizada em uma substância mista. quando os componentes metileno e carboxílico são compostos diferentes. a seleção de parceiros para esta reação é baseada no fato de que o componente carbonila deve ser altamente reativo em reações de adição nucleofílica. basicamente é um aldeído. ao mesmo tempo, o componente metileno deve ter uma alta acidez CH - vários aldeídos ou cetonas com um átomo de hidrogênio α.