Pentru aldehide și cetone, reacțiile de adiție nucleofile sunt cele mai caracteristice A N .

Descrierea generală a mecanismului de adiție nucleofilăA N

Ușurința atacului nucleofil asupra atomului de carbon al grupării carbonil a unei aldehide sau cetone depinde de magnitudinea parțială.

sarcina pozitivă asupra atomului de carbon, disponibilitatea sa spațială și proprietățile acido-bazice ale mediului.

Luând în considerare efectele electronice ale grupărilor asociate atomului de carbon carbonil, valoarea sarcinii parțiale pozitive δ+ asupra acestuia în aldehide și cetone scade în următoarele serii:

Disponibilitatea spațială a atomului de carbon carbonil scade atunci când hidrogenul este înlocuit cu radicali organici mai voluminosi, astfel încât aldehidele sunt mai reactive decât cetonele.

Schema generală a reacțiilor de adiție nucleofile A N la gruparea carbonil implică un atac nucleofil asupra carbonului carbonil urmat de adăugarea unui electrofil la atomul de oxigen.

Într-un mediu acid, activitatea grupării carbonil, de regulă, crește, deoarece din cauza protonării atomului de oxigen apare o sarcină pozitivă asupra atomului de carbon. Cataliza acidă este utilizată de obicei atunci când nucleofilul atacator are activitate scăzută.

Conform mecanismului de mai sus, se efectuează o serie de reacții importante ale aldehidelor și cetonelor.

În organism apar multe reacții caracteristice aldehidelor și cetonelor, aceste reacții sunt prezentate în secțiunile ulterioare ale manualului. Acest capitol va discuta cele mai importante reacții ale aldehidelor și cetonelor, care sunt rezumate în Schema 5.2.

adaos de alcooli. Alcoolii, atunci când interacționează cu aldehidele, se formează ușor hemiacetale. Hemiacetalii nu sunt de obicei izolați din cauza instabilității lor. Cu un exces de alcool într-un mediu acid, hemiacetalii se transformă în acetalii.

Utilizarea unui catalizator acid în conversia hemiacetalului în acetal este clară din mecanismul de reacție de mai jos. Locul central în acesta este ocupat de formarea unui carbocation (I), stabilizat datorită participării perechii de electroni singure a atomului de oxigen vecin (efectul + M al grupării C 2 H 5 O).

Reacțiile de formare a hemiacetalilor și acetalilor sunt reversibile; prin urmare, acetalii și hemiacetalii sunt ușor hidrolizați prin excesul de apă într-un mediu acid. Într-un mediu alcalin, hemiacetalii sunt stabili, deoarece alcoxidarea este o grupare care pleacă mai dificilă decât ionul hidroxid.

Formarea acetalilor este adesea folosită ca protecție temporară a grupării aldehide.

Conexiune la apă. Adăugarea de apă la o grupare carbonil - hidratare- reacție reversibilă. Gradul de hidratare al unei aldehide sau cetone într-o soluție apoasă depinde de structura substratului.

Produsul hidratării, de regulă, nu poate fi izolat prin distilare într-o formă liberă, deoarece se descompune în componentele sale originale. Formaldehida într-o soluție apoasă este hidratată cu mai mult de 99,9%, acetaldehida este aproximativ jumătate, iar acetona practic nu este hidratată.

Formaldehida (formaldehida) are capacitatea de a coagula proteinele. Soluția sa apoasă de 40%, numită formol, folosit în medicină ca dezinfectant și conservant al preparatelor anatomice.

Aldehida tricloroacetică (cloral) este complet hidratată. Gruparea triclorometil care atrage electroni stabilizează hidratul de cloral într-o asemenea măsură încât această substanță cristalină desprinde apa numai în timpul distilării în prezența substanțelor de deshidratare - acid sulfuric etc.

Efectul farmacologic al hidratului de cloral CC13CH(OH)2 se bazează pe acțiunea specifică a grupării aldehide asupra organismului, care determină proprietățile dezinfectante. Atomii de halogen îi sporesc acțiunea, iar hidratarea grupării carbonil reduce toxicitatea substanței în ansamblu.

Adăugarea de amine și derivați ai acestora. Aminele și alți compuși care conțin azot cu formula generală NH2X (X = R, NHR) reacționează cu aldehidele și cetonele în două etape. În primul rând, se formează produse de adiție nucleofile, care apoi, din cauza instabilității, desprind apa. În acest sens, acest proces este în general clasificat ca o reacție ataşament-detaşare.

În cazul aminelor primare, substituite imine(numit si bazele Schiff).

Iminele sunt intermediari în multe procese enzimatice. Prepararea iminelor se realizează prin formarea de aminoalcooli, care sunt relativ stabili, de exemplu, în reacția formaldehidei cu α-aminoacizi (vezi 12.1.4).

Iminele sunt intermediari în producerea de amine din aldehide și cetone prin aminare reductivă. Această metodă generală constă în reducerea unui amestec de compus carbonil cu amoniac (sau amină). Procesul se desfășoară conform schemei de adăugare-clivare cu formarea unei imine, care este apoi redusă la o amină.

Când aldehidele și cetonele reacţionează cu derivaţii de hidrazină, hidrazone. Această reacție poate fi utilizată pentru a izola aldehidele și cetonele din amestecuri și identificarea lor cromatografică.

Bazele lui Schiff și alți compuși similari sunt ușor hidrolizați prin soluții apoase de acizi minerali pentru a forma produsele inițiale.

În majoritatea cazurilor, reacțiile aldehidelor și cetonelor cu bazele azotate necesită cataliză acidă, care accelerează deshidratarea produsului de adiție. Cu toate acestea, dacă aciditatea mediului este crescută prea mult, reacția va încetini ca urmare a conversiei bazei azotate în acidul conjugat nereactiv XNH3+.

reacții de polimerizare. Aceste reacții sunt caracteristice în principal aldehidelor. Când sunt încălziți cu acizi minerali, polimerii aldehidici se descompun în produsele inițiale.

Formarea polimerilor poate fi privită ca rezultatul unui atac nucleofil al unui atom de oxigen al unei molecule de aldehidă asupra atomului de carbon carbonil al altei molecule. Deci, când formalina stă în picioare, un polimer de formaldehidă, paraformă, precipită sub formă de precipitat alb.

Adăugarea nucleofilă la alchine este inițiată sub influența unei particule încărcate negativ - nucleofil. În general, bazele sunt catalizatorul pentru astfel de reacții. Schema generală a primei etape a reacției de adiție nucleofilă:

Reacții de adiție nucleofile tipice

Un exemplu tipic de reacție de adiție nucleofilă este reacția Favorsky - adăugarea de alcooli în prezența alcaline pentru a forma esteri alchenil:

Aminele primare sub acțiunea bazelor se adaugă la alchine pentru a forma imine:

Prin analogie, acetilena reacționează cu amoniacul pentru a forma etilidenimină:

La temperatură ridicată în prezența unui catalizator, imina se dehidrogenează și se transformă în acetonitril:

Într-un mediu cu baze foarte puternice (de exemplu: KOH + DMSO), acetilena reacţionează cu hidrogenul sulfurat, formând sulfura de divinil:

Reacții de adiție radicală

În prezența peroxizilor sau a altor condiții care favorizează formarea de radicali liberi, adăugarea la alchine se efectuează conform unui mecanism radical - împotriva regulii Markovnikov (efectul Harash):

Conform mecanismului radicalilor liberi*, reacția alchinelor cu tiolii poate avea loc:

* - In prezenta bazelor reactia se desfasoara dupa mecanismul nucleofil.

În mod similar, are loc adăugarea carbenelor:

Reacții de etinizare

Reacțiile de etinizare se numesc reacții de creștere a scheletului de carbon al alchinelor cu păstrarea legăturii triple. Ele pot proceda atât prin mecanisme electrofile, cât și nucleofile, în funcție de mediu și de condițiile de reacție, de natura substratului și de tipul de catalizator utilizat.

Obținerea alcoolilor acetilenici

În prezența bazelor puternice, alchinele cu o legătură triplă terminală sunt capabile să adauge compuși carbonilici pentru a forma alcooli (reacția Favorsky):

Cea mai importantă reacție din acest grup este adăugarea de formaldehidă la acetilenă cu formarea de alcool propargilic și apoi butin-2-diol-1,4 *:

Obținerea de esteri și acizi acetilenici

Acizii acetilenic sau esterii lor pot fi obținuți prin reacția Zuzhi:

Catalizatori: PdCI2, CuCI.

Reacții de hidrogenare

Hidrogenare eterogenă

Hidrogenarea alchinelor cu hidrogen pe catalizatori eterogene, de regulă, duce la formarea cis- conexiuni. Catalizatorii de hidrogenare sunt Ni, Pd, Pt, precum și oxizi sau complecși de Ir, Ru, Rh și alte metale.

În prima etapă, se formează o alchenă, care este aproape imediat hidrogenată într-un alcan:

Pentru a opri reacția în etapa de producere a alchenei, se folosesc catalizatori Lindlar (Pd/PbO/CaCO3) sau borura de nichel.

Când acetilena este hidrogenată pe un catalizator de nichel-cobalt, se poate obține izobutilenă:

Hidrogenare omogenă

Hidrogenarea omogenă se realizează cu amidă de sodiu în amoniac lichid sau hidrură de litiu aluminiu în tetrahidrofuran. In timpul reactiei, transă-alchene.

Hidroborarea

Alchinele adaugă cu ușurință diboran împotriva regulii lui Markovnikov, formând cis-alchenilborani:

sau oxidează H2O2 la o aldehidă sau cetonă.

Reacții de adiție nucleofile - reacții de adiție în care atacul în stadiul inițial este efectuat de un nucleofil - o particulă care este încărcată negativ sau are o pereche de electroni liberi.

În etapa finală, carbanionul rezultat suferă un atac electrofil.

În ciuda caracterului comun al mecanismului, reacțiile de adiție se disting prin legături carbon-carbon și carbon-heteroatom.

Reacțiile de adiție nucleofile sunt mai frecvente pentru legăturile triple decât pentru legăturile duble.

Reacții de adiție nucleofile la legăturile carbon-carbon

Adăugarea nucleofilă cu legături multiple este de obicei un proces Ad N 2 în două etape - o reacție de adiție nucleofilă bimoleculară:

Adăugarea nucleofilă la legătura C=C este destul de rară și, de regulă, dacă compusul conține substituenți atrăgători de electroni. Reacția lui Michael este de cea mai mare importanță în această clasă:

Atașarea la legătura triplă este similară cu atașarea la legătura C=C:

Reacții de adiție nucleofilă la o legătură carbon-heteroatom Adăugarea nucleofilă la o legătură multiplă carbon-heteroatom are mecanismul Ad N 2

De regulă, etapa de limitare a vitezei a procesului este un atac nucleofil, adăugarea electrofilă are loc rapid.

Uneori, produsele de adiție intră într-o reacție de eliminare, dând astfel colectiv o reacție de substituție:

Adăugarea nucleofilă la legătura C=O este foarte comună, ceea ce are o mare importanță practică, industrială și de laborator.

Acilarea cetonelor nesaturate

Această metodă implică tratarea substratului cu un ion aldehidă și cianură într-un solvent aprotic polar, cum ar fi DMF sau Me2SO. Această metodă este aplicabilă cetonelor a,b-nesaturate, esterilor și nitrililor.

Condensarea esterilor cu cetone

Când esterii sunt condensați cu cetone, randamentul de α-dicetonă este scăzut, aproximativ 40%, acest lucru se datorează reacției secundare de autocondensare a esterului.

Hidroliza compușilor nitro (reacția Nef)

Reacția Nef este o reacție de hidroliză acidă a compușilor nitro cu formarea de compuși carbonilici. Descoperit în 1892 de chimistul rus M.I. Konovalov și J. Nef în 1894. Reacția Nef constă în hidroliza formelor acil ale compușilor nitro (acizi nitronici) și, prin urmare, pot intra în ea compuși nitro alifatici și aliciclici primari și secundari.

Reacția Nef face posibilă obținerea de compuși dicarbonil cu un randament de până la 80-85%. Pentru a face acest lucru, reacția se efectuează la pH=1, deoarece într-un mediu mai puțin acid, acizii nitronici izomerizează înapoi într-un compus nitro cu o scădere a conversiei compusului nitro, iar într-un mediu mai acid, formarea de crește produsele secundare. Această reacţie este efectuată la t=0-5°C.

Interacțiunea cetonelor cu clorurile acide în prezența piperidinei

Clorurile acide se reduc cu ușurință la alcooli primari sub acțiunea hidrurii de litiu-aluminiu. Dar dacă enamina obținută din cetonă sub acțiunea piperidinei reacţionează cu cloruri acide, atunci după hidroliza sării obţinute iniţial se formează b-dicetone.

Chimia aldehidelor și cetonelor este determinată de prezența unei grupări carbonil. Acest grup, în primul rând, este locul atacului nucleofil și, în al doilea rând, crește aciditatea atomilor de hidrogen asociați cu atomul de carbon. Ambele efecte sunt destul de consistente cu structura grupării carbonil și, de fapt, ambele se datorează capacității oxigenului de a prelua o sarcină negativă.

(În acest capitol sunt luate în considerare doar cele mai simple tipuri de reacții de adiție nucleofile. În capitolul 27, vor fi discutate și reacțiile atomilor de hidrogen.)

Gruparea carbonil conține o legătură dublă carbon-oxigen; deoarece electronii mobili sunt puternic atrași de oxigen, carbonul din grupa carbonil este un centru cu deficit de electroni, iar oxigenul din grupa carbonil este bogat în electroni. Deoarece această parte a moleculei este plată, este relativ accesibilă pentru a ataca de deasupra sau de sub acest plan într-o direcție perpendiculară pe acesta. Nu este surprinzător, acest grup polarizat disponibil este foarte reactiv.

Ce fel de reactivi vor ataca un astfel de grup? Deoarece etapa cea mai importantă în aceste reacții este formarea unei legături cu un carbon carbonil (acid) cu deficit de electroni, gruparea carbonil este cea mai predispusă să interacționeze cu reactivii nucleofili bogați în electroni, adică cu bazele. Reacțiile tipice ale aldehidelor și cetonelor ar fi reacții de adiție nucleofile.

După cum era de așteptat, imaginea cea mai precisă a reactivității grupării carbonil poate fi obținută luând în considerare starea de tranziție pentru adăugarea unui nucleofil. Atomul de carbon din reactiv este trigonal. In starea de tranzitie, atomul de carbon incepe sa-si asume configuratia tetraedrica pe care o va avea in produs; astfel, grupurile asociate acestuia converg oarecum. Prin urmare, se pot aștepta unele dificultăți spațiale, adică grupurile mari vor împiedica această abordare într-o mai mare măsură decât grupurile mai mici. Dar starea de tranziție în această reacție va fi relativ mai puțin dificilă decât starea de tranziție pentru, de exemplu, o reacție în care carbonul este legat de cinci atomi. Această ușurință relativă se înțelege atunci când se spune că gruparea carbonil este disponibilă pentru atac.

În starea de tranziție, oxigenul începe să dobândească electroni și sarcina negativă pe care o va avea în produsul final. Tendința oxigenului de a dobândi electroni, sau mai degrabă capacitatea sa de a transporta o sarcină negativă, este adevăratul motiv pentru reactivitatea grupării carbonil față de nucleofili.

Aldehidele tind să sufere adiție nucleofilă mai ușor decât cetonele. Această diferență de reactivitate este în concordanță cu natura stării intermediare a reacției și, aparent, se explică prin acțiunea combinată a factorilor electronici și spațiali. Cetona conține o a doua grupare alchil sau arii, în timp ce aldehida conține un atom de hidrogen. A doua grupare arii sau alchil a cetonei este mai mare decât atomul de hidrogen din aldehidă și, prin urmare, va fi mai rezistentă la creșterea obstacolului steric în starea de tranziție. Gruparea alchil donează electroni și, prin urmare, destabilizează starea de tranziție prin creșterea sarcinii negative a oxigenului.

S-ar putea aștepta ca gruparea arii, cu efectul său inductiv de retragere a electronilor (problema 18.7, p. 572), să stabilizeze starea de tranziție și, prin urmare, să accelereze reacția; totuși, aparent, acest efect stabilizează cetona inițială într-o măsură și mai mare datorită rezonanței (aportul structurii I) și, ca urmare, dezactivează cetona în reacția luată în considerare.

A) Interacțiunea cu alcoolii. Aldehidele pot reacționa cu una sau două molecule de alcool pentru a forma hemiacetali și, respectiv, acetali.

Hemiacetalii sunt compuși care conțin atât grupări hidroxil, cât și alcoxil (OR) la un atom de carbon. Acetalii sunt compuși care conțin două grupe alcoxi la un atom de carbon:

acetal hemiacetal

Reacția de obținere a acetalilor este utilizată pe scară largă în sintezele organice pentru a „proteja” gruparea aldehidă activă de reacții nedorite:

Astfel de reacții sunt de o importanță deosebită în chimia carbohidraților.

b) Aderarea hidrosulfiților servește la izolarea aldehidelor din amestecurile cu alte substanțe și la obținerea lor în formă pură, deoarece derivatul sulfo rezultat este foarte ușor hidrolizat:

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

în) reacție cu theoli. aldehidele și cetonele reacționează cu tiolii într-un mediu acid, se formează ditioacetal:

G) Accesarea cianhidricului acid (cianhidric):

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

Compusul rezultat conține un atom de carbon mai mult decât aldehida sau cetona originală, astfel încât aceste reacții sunt folosite pentru a prelungi lanțul de carbon.

e) Atașarea reactivului Grignard. În sinteza organică, reactivul Grignard este extrem de des folosit - unul dintre cei mai simpli compuși organometalici.

Când o soluție de haloalcan în dietil eter este adăugată la așchii de magneziu, are loc cu ușurință o reacție exotermă, magneziul intră în soluție și se formează un reactiv Grignard:

R-X + Mg → R-Mg-X,

unde R este un radical alchil sau arii, X este un halogen.

- Interacțiunea reactivului Grignard cu formaldehida se poate obtine aproape orice alcool primar (cu exceptia metanolului). Pentru aceasta, produsul de adiție al reactivului Grignard este hidrolizat cu apă.

H2CO + RMgX → R-CH2-O-MgX → R-CH2-OH.

- Când se folosesc alte aldehide alifatice, se pot obține alcooli secundari:

- Alcoolii terțiari se obțin prin interacțiunea reactivilor Grignard cu cetonele:

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

16. Aldehide și cetone. Proprietăți chimice: reacție de condensare, reacții cu compuși care conțin azot. Reprezentanții individuali și aplicarea acestora.

Compușii organici în molecula cărora există o grupă carbonil C=O se numesc compuși carbonilici sau compuși oxo. Ele sunt împărțite în două grupe înrudite - aldehide și kwtoni.

Reactie de condensare:

Condens aldolic

cu compuși cu proprietăți acide CH, aldehidele și cetonele sunt capabile să intre în diferite reacții de condensare. compușii care conțin hidrogen mobil în aceste reacții acționează ca un reactiv nucleofil și se numesc componentă mitelină, iar aldehidele și cetonele sunt numite componenta carbonil. reacția de condensare aldolică are loc sub acțiunea alcalinelor diluate asupra aldehidei sau cetonei. în timp ce o moleculă de aldehidă este o componentă de metilen, cealaltă este o componentă carboxilică.

Sub acțiunea unei baze, aldehida elimină un proton din centrul acidului α CH și se transformă într-un carbanion. Carbanionul este un nucleofil puternic și se atașează la o altă moleculă de aldehidă. stabilizarea anionului rezultat are loc datorită eliminării unui proton dintr-un acid slab.

Mecanism:

Dacă condensarea aldolică este însoțită de eliminarea apei (la temperatură ridicată), atunci o astfel de condensare se numește condensare crotonică:

Reacția de condensare aldolică sau cratonică este adesea efectuată într-o substanță mixtă. când componentele metilen şi carboxilice sunt compuşi diferiţi. selecția partenerilor pentru această reacție se bazează pe faptul că componenta carbonil trebuie să fie foarte reactivă în reacțiile de adiție nucleofile. practic este o aldehidă. în același timp, componenta metilenică trebuie să aibă o aciditate ridicată în CH - diverse aldehide sau cetone având un atom de α-hidrogen.