Для углеводородов характерны реакции нуклеофильного присоединения. Реакции нуклеофильного присоединения (АN) к карбонильным соединениям

протонированная форма

Основность альдегидов и кетонов невысока, однако она играет заметную роль в реакциях нуклеофильного присоединения, поскольку в протонированной форме электрофильность атома углерода значительно выше. Поэтому типичные для альдегидов и кетонов реакции AdN могут катализироваться кислотами.

2.2. Реакции нуклеофильного присоединения

Взаимодействие альдегидов и кетонов с нуклеофильными агентами осуществляется по следующему общему механизму:

Нуклеофил Z–Н (очень часто при нуклеофильном центре имеется атом водорода) присоединяется к электрофильному атому углерода карбонильной группы за счет неподеленной пары электронов нуклеофильного центра, образуя продукт, в котором на бывшем карбонильном кислороде находится отрицательный заряд, а бывший нуклеофильный центр заряжается положительно. Этот биполярный ион стабилизируется переносом протона от положительно заряженного атома Z (кислота Бренстеда) к отрицательно заряженному атому кислорода (основание). Образовавшийся при этом продукт часто претерпевает дальнейшие превращения, например, отщепление воды.

В качестве нуклеофилов могут выступать различные соединения, в которых в качестве нуклеофильных центров выступают атомы кислорода (О-нуклеофилы), серы (S-нуклеофилы), азота (N- нуклеофилы), углерода (С-нуклеофилы).

Реакционная способность альдегидов и кетонов в реакциях нуклеофильного присоединения зависит от электрофильности кар-

http://mitht.ru/e-library

бонильной группы: чем больше частичный положительный заряд на атоме углерода, тем легче происходит присоединение нук-

леофила . Поскольку в молекулах альдегидов при карбонильном атоме углерода содержится только один углеводородный остаток, проявляющий электронодонорные свойства, а в молекулах кетонов таких остатков два, то естественно предположить, что в общем случае в реакциях нуклеофильного присоединения альдегиды более реакционноспособны, чем кетоны . Электроноакцепторные заместители, особенно вблизи карбонильной группы, увеличивают электрофильность карбонильного углерода и, следовательно, повышают реакционную способность. Определенное значение имеет и стерический фактор: поскольку при присоединении атом углерода карбонильной группы изменяет гибридизацию (sp2 → sp3 ), то чем объемнее заместители при карбонильном атоме углерода, тем бóльшие пространственные затруднения возникают при этом переходе. Например, в ряду: формальдегид, уксусный альдегид, ацетон, трет -бутилметилкетон реакционная способность уменьшается.

а) Реакции с О-нуклеофилами

Гидратация

При взаимодействии альдегидов и кетонов с водой в обратимом процессе образуется гидрат – геминальный диол, который в большинстве случаев является очень нестабильным соединением, поэтому данное равновесие сильно смещено влево.

Однако для некоторых карбонильных соединений это равновесие может быть смещено вправо. Так, в водном растворе формальдегид практически полностью находится в гидратной форме (в отличие, например, от ацетона, в водном растворе которого гидратной формы чрезвычайно мало), а трихлоруксусный альдегид (хлораль) при взаимодействии с водой превращается в очень устойчивый даже в кристаллическом виде хлоральгидрат.

CH2 =O H 2 O CH2 (OH)58 2

http://mitht.ru/e-library

Cl3 CCH=O + H2 O Cl3 CCH(OH)2

хлораль хлоральгидрат

Взаимодействие со спиртами (реакция ацетализации)

Продукт присоединения к молекуле альдегида или кетона одной молекулы спирта – так называемый полуацеталь – неустойчив. При взаимодействии же альдегида или кетона с 2 эквивалентами спирта в кислой среде, то образуется устойчивый продукт –

ацеталь.

Приведем механизм последней реакции на примере взаимодействия уксусного альдегида с метиловым спиртом (1:2) в присутствии сильной кислоты Бренстеда.

Протонирование карбонильной группы уксусного альдегида приводит к образованию катиона, в котором положительный заряд делокализован. По сравнению с уксусным альдегидом этот катион более электрофилен, и нуклеофильное присоединение молекулы метанола к нему происходит значительно легче. Продукт присоединения (катион оксония) является сильной кислотой, и при отщеплении от него протона образуется полуацеталь (1-метоксиэтанол).

http://mitht.ru/e-library

Далее через протонированную форму этого полуацеталя происходит отщепление воды с образованием карбокатиона, к которому присоединяется следующая молекула метанола. При депротонировании продукта присоединения образуется диметилацеталь уксусного альдегида (1,1-диметоксиэтан).

Весь описанный процесс реакции, которую называют ацетализацией, обратим, поэтому эффективно провести взаимодействие альдегида или кетона со спиртом до ацеталя можно только, смещая равновесие вправо, например, удаляя образующуюся воду из сферы реакции. Обратная реакция представляет собой кислотный гидролиз ацеталя. Следовательно, в кислой водной среде ацетали неустойчивы, поскольку подвергаются гидролизу.

В щелочной же среде ацетали устойчивы, поскольку гидролиз

в этих условиях произойти не может.

б) Реакции с S-нуклеофилами

Атом серы в аналогах спиртов – тиолах (меркаптанах) – является более сильным нуклеофилом, поэтому меркаптаны легче присоединяются к альдегидам и кетонам. При этом образуются продукты, аналогичные полуацеталям и ацеталям, например, при взаимодействии бензальдегида с двумя эквивалентами метантиола (метилмеркаптана) в кислой среде образуется диметилтиоацеталь бензальдегида.

Реакции нуклеофильного присоединения - реакции присоединения, в которых атаку на начальной стадии осуществляет нуклеофил - частица, заряженная отрицательно или имеющая свободную электронную пару.

На конечной стадии образующийся карбанион подвергается электрофильной атаке .

Несмотря на общность механизма различают реакции присоединения по связи углерод-углерод и углерод-гетероатом.

Реакции нуклеофильного присоединения более распространены для тройных, чем для двойных связей.

Реакции нуклеофильного присоединения по связи углерод-углерод

Нуклеофильное присоединение по кратной связи обычно двухстадийный процесс Ad N 2 - реакция бимолекулярного нуклеофильного присоединения:

Нуклеофильное присоединение по связи С=C встречается достаточно редко, и, как правило, если в соединении имеются электроноакцепторные заместители. Наибольшее значение имеет в этом классе реакция Михаэля:

Присоединение по тройной связи аналогично присоединению по связи С=C:

Реакции нуклеофильного присоединения по связи углерод-гетероатом Нуклеофильное присоединение по кратной связи углерод-гетероатом имеет механизм Ad N 2

Как правило, лимитирующей стадией процесса является нуклеофильная атака, электрофильное присоединение происходит быстро .

Иногда продукты присоединения вступают в реакцию отщепления, тем самым совокупно давая реакцию замещения:

Hуклеофильное присоединение по связи С=O очень распространено, что имеет большое практическое, промышленное и лабораторное значение.

Ацилирование ненасыщенных кетонов

Данный метод включает обработку субстрата альдегидом и цианид-ионом в полярном апротонном растворителе, таком, как ДМФ или Me 2 SO. Этот метод применим к a,b-ненасыщенным кетоном, сложным эфирам и нитрилам .

Конденсация сложных эфиров с кетонами

При конденсации сложных эфиров с кетонами выход?-дикетона невысок, около 40%, это объясняется побочной реакцией самоконденсации сложного эфира .

Гидролиз нитросоединений (Реакция Нефа)

Реакция Нефа - реакция кислотного гидролиза нитросоединений с образованием карбонильных соединений. Открыта в 1892 г. российским химиком М.И. Коноваловым и Дж. Нефом в 1894 г. Реакция Нефа заключается в гидролизе ацильных форм нитросоединений (нитроновых кислот), и поэтому в неё могут вступать первичные и вторичные алифатические и алициклические нитросоединения.

Реакция Нефа позволяет получить дикарбонильные соединения с выходом до 80-85 %. Для этого реакция проводится при pH=1, так как в менее кислой среде нитроновые кислоты изомеризуются обратно в нитросоединение со снижением конверсии нитросоединения, а в более кислой - повышается образование побочных продуктов. Данную реакцию проводят при t=0-5 0 C .

Взаимодействие кетонов с хлорангидридами в присутствии пиперидина

Хлорангидриды легко восстанавливаются до первичных спиртов под действием алюмогидрида лития. Но если енамин, полученный из кетона под действием пиперидина, вводить в реакцию с хлорангидридами, то после гидролиза первоначально полученной соли образуются b-дикетоны .

Являются производными углеводородов, в молекулах которых два атома водорода, находившиеся при одном атоме углерода, замещены атомом кислорода. Получающаяся таким путем группа >С=О называется карбонильной группой, или оксогруппой. Если карбонильная группа связана с одним водородным атомом и углеводородным радикалом (или с двумя атомами водорода), то такие соединения называют альдегидами, а группу - альдегидной, если карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами, соединения называют кетонами, а группу - кетогруппой. Таким образом, альдегиды и кетоны представляют собой один класс органических веществ - оксосоединения.

Атомные орбитали углерода карбонильной группы находятся в состоянии sp 2 -гибридизации. Три гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом » 120 ° друг по отношению к другу, участвуют в образовании трех s- связей. Негибридная р-орбиталь атома углерода, расположенная перпендикулярно плоскости, в которой лежат s- связи, участвует в образовании p-связи с атомом кислорода. Двойная связь углерод-кислород полярная, электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому кислорода, на котором возникает частичный отрицательный заряд, а на атоме углерода карбонильной группы - частичный положительный заряд:

Из этого следует, что характерной для карбонильной группы реакцией должна быть нуклеофильная атака по атому углерода. В молекулах карбонильных соединений, кроме электрофильного центра - атома углерода оксогруппы - есть и другие реакционные центры. Атом кислорода за счет неподеленной пары электронов выступает в реакциях как основный центр, реагируя с кислотами. Альдегиды и кетоны являются слабыми основаниями, концентрация протонированной формы карбонильного соединения достигает величин » 0,1-1% только в 60-80% серной кислоте.

В результате присоединения протона за счет образования s -связи О-Н возрастает электрофильность атома углерода оксогруппы и облегчается присоединение нуклеофильной частицы.

Гидратация кетонов возможна лишь в присутствии кислот или щелочей как катализаторов.

Механизм реакции гидратации при кислотном катализе:

На первом этапе протон присоединяется к атому кислорода карбонильной группы (за счет неподеленной пары электронов кислорода) с образованием оксониевого катиона, который на следующем этапе превращается в карбкатион, легко (за счет целого положительного заряда на углероде) подвергающийся нуклеофильной атаке молекулой воды. Образующийся оксониевый катион стабилизируется отщеплением протона (возврат катализатора).

Механизм реакции гидратации при основном катализе:

При проведении гидратации в щелочной среде гидроксид-ион атакует электрофильный атом углерода карбонильной группы с образованием оксониевого аниона, который далее стабилизируется путем отщепления протона от молекулы воды.

В отличие от большинства карбонильных соединений, 2,2,2-трихлорэтаналь (хлораль) легко реагирует с водой, образуя устойчивый продукт гидратации - хлоральгидрат, используемый в медицине и ветеринарии как успокаивающее и снотворное средство. Повышенная реакционная способность этого соединения объясняется сильным электроноакцепторным эффектом трихлорметильной группы, которая увеличивает эффективный положительный заряд на атоме углерода карбонильной группы, а также стабилизирует продукт реакции.

Реакции присоединения спиртов

В присутствии сухого хлороводорода альдегиды реагируют со спиртами, образуя ацетали. Промежуточно образующиеся полуацетали в большинстве случае в свободном виде выделить не представляется возможным. Необходимо отметить, что превращение полуацеталей в ацетали без кислотных катализаторов не происходит.

Превращение альдегидов в полуацетали происходит по механизму нуклеофильного присоединения А N , а последующее превращение полуацеталя в ацеталь представляет нуклеофильное замещение.

Необходимость использования кислотного катализа при превращении полуацеталей в ацетали обусловлена тем, что ОН-группа является плохо уходящей. Для превращения ее в хорошо уходящую группу - молекулу Н 2 О - используют кислоты в качестве катализаторов.

В случае реакций кетонов со спиртами положительный заряд на атоме углерода карбонильной группы оказывается недостаточным для непосредственной атаки молекулой спирта, и кетали одноатомных спиртов таким путем получить нельзя. Их получают с использованием ортоэфиров муравьиной кислоты.

Реакции образования полуацеталей и ацеталей характерны для природных гетерополифункциональных соединений - углеводов. Моносахариды являются, как правило, полигидроксиальдегидами или полигидроксикетонами, внутри молекул которых между гидроксильной и карбонильной группами происходит взаимодействие, приводящее к образованию гетероцикла:

Циклические формы моносахаридов являются циклическими полуацеталями или циклическими полукеталями. Образование олигосахарид ов и полисахаридов представляет собой реакцию образования ацеталя, повторяющуюся многократно:

Полисахариды, как ацетали, подвергаются гидролизу только в кислой среде.

Присоединение меркаптанов RSH к альдегидам и кетонам приводит к образованию, соответственно, тиоацеталей. Способность молекул меркаптанов эффективно атаковать атом углерода карбонильной группы кетонов отражает большую склонность RSH (по сравнению с ROH) к образованию эффективных нуклеофилов RS - , т.е большую кислотность тиолов по сравнению со спиртами.

Химия альдегидов и кетонов определяется наличием карбонильной группы. Эта группа, во-первых, является местом нуклеофильной атаки и, во-вторых, увеличивает кислотность атомов водорода, связанных с -углеродным атомом. Оба эти эффекта вполне согласуются со строением карбонильной группы, и по сути дела оба обусловлены способностью кислорода принимать отрицательный заряд.

(В этой главе рассмотрены лишь простейшие типы реакций нуклеофильного присоединения. В гл. 27 будут обсуждены также реакции -водородных атомов.)

Карбонильная группа содержит двойную углерод-кислородную связь; поскольку подвижные -электроны сильно оттянуты к кислороду, углерод карбонильной группы является электронодефицитным центром, а кислород карбонильной группы - электроноизбыточным. Поскольку эта часть молекулы плоская, она относительно доступна для атаки сверху или снизу от этой плоскости в направлении, перпендикулярном к нему. Не удивительно, что эта доступная поляризованная группа очень реакционноспособна.

Какого рода реагенты будут атаковать такую группу? Поскольку важнейшая стадия в этих реакциях - образование связи с электронодефецитным (кислым) карбонильным углеродом, то карбонильная группа более всего склонна к взаимодействию с электроноизбыточными нуклеофильными реагентами, т. е. с основаниями. Типичными реакциями альдегидов и кетонов будут реакции нуклеофильного присоединения.

Как и следовало ожидать, наиболее верную картину реакционной способности карбонильной группы можно получить, если рассмотреть переходное состояние для присоединения нуклеофила. В реагенте атом углерода тригонален. В переходном состоянии атом углерода начинает принимать тетраэдрическую конфигурацию, которую он будет иметь в продукте; таким образом, связанные с ним группы несколько сближаются. Поэтому можно ожидать проявления некоторых пространственных затруднений, т. е. большие группы будут в большей степени препятствовать этому сближению, чем группы меньшего размера. Но переходное состояние в этой реакции будет относительно менее затрудненным, чем переходное состояние для, скажем, -реакции, в котором углерод связан с пятью атомами. Именно эта относительная незатрудненность и имеется в виду, когда говорят, что карбонильная группа доступна для атаки.

В переходном состоянии кислород начинает приобретать электроны и отрицательный заряд, который он будет иметь в конечном продукте. Именно тенденция кислорода приобретать электроны, точнее его способность нести отрицательный заряд, и является действительной причиной реакционноспособнасти карбонильной группы по отношению к нуклеофилам, (Полярность карбонильной группы не является причиной реакционноспособности, а лишь еще одним проявлением электроотрицательности кислорода.)

Альдегиды, как правило, легче вступают в реакцию нуклеофильного присоединения, чем кетоны. Это различие в реакционной способности согласуется с характером промежуточного состояния реакции и, по-видимому, объясняется совместным действием электронных и пространственных факторов. Кетон содержит вторую алкильную или арильную группу, а альдегид - атом водорода. Вторая арильная или алкильная группа кетона больше, чем атом водорода в альдегиде, и поэтому она в большей степени будет препятствовать увеличению пространственной затрудненности в переходном состоянии. Алкильная группа подает электроны и тем самым дестабилизует переходное состояние за счет усиления отрицательного заряда на кислороде.

Можно было ожидать, что арильная группа с ее электронооттягивающим индуктивным эффектом (задача 18.7, стр. 572) будет стабилизовать переходное состояние и тем самым ускорять реакцию; однако, по-видимому, этот эффект еще в большей степени стабилизует исходный кетон вследствие резонанса (вклад структуры I) и в результате дезактивирует кетон в рассматриваемой реакции.

Давайте подумаем, что может произойти с этой молекулой в водном растворе. Сперва дадим этой молекуле верное название. Самая длинная цепь состоит из трех атомов, корень названия - «проп». Итак, три атома в самой длинной цепи, значит «проп». Все связи одинарные, значит это пропан. Подпишу: пропан. Из трех атомов углерода основной цепи второй соединен с метильной группой и, кроме того, с атомом брома. Это означает «2-бром». Я запишу: «2-бром-2-метил». Хотя нет, так не пойдет. Неаккуратно вышло, мне нужно больше места. Итак, это вещество будет называться следующим образом. Давайте запишем: 2-бром-2-метилпропан. Как это вещество реагирует с водой? В этом случае вода является нуклеофилом. Здесь есть эти электронные пары. Кроме того, у атома кислорода высокая электроотрицательность. Нуклеофильные свойства не так сильны, как у гидроксид-аниона, который был в реакциях Sn2, но они все же есть. Это слабый нуклеофил. Вода - это слабый нуклеофил. Ее тянет к положительно заряженным ядрам атомов, ведь у атома кислорода есть частичный отрицательный заряд из-за его электроотрицательности. А здесь - частичный положительный заряд. Пусть это и не полноценный заряд, а всего лишь частичный, все равно это означает желание отдать электрон. Это слабый нуклеофил. Слабый нуклеофил. Будет еще несколько роликов об этом типе реакций и я объясню, когда идут реакции этого типа, а когда - реакции типа Sn2. Но, давайте вернемся к нашему примеру. В молекуле есть атом брома. У него высокая электроотрицательность и он становится стабильным, получая отрицательный заряд. Наличие заряда ухудшает стабильность. Но у него при этом будет 8 валентных электронов. Медленно и постепенно атом брома оттягивает на себя электронную плотность от углерода. Он подтягивает электроны к себе, благодаря своей электроотрицательности. Посмотрите на его валентные электроны. Один из них образует связь с атомом углерода. А вот и второй электрон этой связи. Плюс еще 6 валентных электронов. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. 7 валентных электронов. Представьте, что бром оттягивает на себя электрон атома углерода. Давайте я покажу для наглядности. Этот электрон окажется здесь. Он притянется на это место. Повторюсь, это медленный процесс, но он возможен. И, так как процесс медленный, возникает равновесие. В ходе этой внутримолекулярной реакции возникает равновесие. Что же тут получится? Атом углерода, метильная группа позади него, метильная группа впереди и также еще одна группа сверху. А бром отщепился. Нарисую его здесь. Связь разорвана. Вот его исходные валентные электроны: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Еще один электрон принадлежал атому углерода, но бром забрал его с собой. В результате, естественно, возник отрицательный заряд. Углерод, лишившись электрона, получает положительный заряд. Теперь добавим сюда атом кислорода. Хотя, нет, не кислород, добавим молекулу воды. Вот молекула воды. Нарисую молекулу воды. Пусть она и слабый нуклеофил, но углерод очень нуждается в электроне. Это третичный карбокатион, который довольно устойчив. Иначе ничего бы не получилось. Если бы этот атом был первичным или вообще не был бы связан с другими, превращение в карбокатион было бы крайне сложным. Однако он третичный и устойчивый, разве что заряд все портит. Ему нужен электрон. И этот электрон он позаимствует у молекулы воды. Вода отдаст один электрон, например, вот этот, поделившись с атомом углерода. Нуклеофил притягивается к положительно заряженному ядру углерода. И, что же дальше? На этой стадии реакция существенно ускоряется. Слева довольно стабильная ситуация, потому и равновесие. Но теперь реакция ускоряется и стрелка идет в одну сторону. Вот так. Получается что-то такое. Вот исходный атом углерода с заместителями. Вот метильная группа позади и еще одна впереди него. В дело вступает вода. Вот кислород и два водорода. У атома кислорода есть свои электроны, которые я покажу разным цветом. Вот электроны. Один из электронов этой пары отдан углероду. Теперь он находится здесь. Возникает связь. Электронная пара образовала связь. Вода имела нейтральный заряд, но, отдав один из своих электронов, она приобретает положительный заряд, при этом превращаясь в катион. Заряд положительный. И в этот момент другая молекула воды или даже бром могут забрать один из атомов водорода. При этом электрон вернется к кислороду. Лучше я нарисую это. Например, есть другая молекула воды. Их много. Вот другая молекула воды. Изображу ее здесь. Эта молекула вступает в реакцию. Все происходит одновременно. Кислород отдает один из электронов атому водорода. Одновременно с этим электрон от водорода возвращается к прежнему владельцу. Так кислород возвращает электрон. Что получится в результате? Вновь рисуем исходную молекулу. Давайте изобразим исходную молекулу. Метильная группа сзади, метильная группа спереди и еще одна сверху. И, конечно, не забываем про кислород с одним атомом водорода, потому что связь со вторым разорвана. А вот бромид-анион и его 8 валентных электронов. И еще ион гидроксония. Этот атом кислорода отдал электрон водороду, образовав связь с этим атомом. Валентные электроны этого атома кислорода будут выглядеть так. Эти два: раз, два. Еще один электрон участвует в связи с углеродом. Покажу другим цветом. Этот электрон оказывается вот здесь. Еще один тоже в составе связи, вот этой. Сейчас объясню. В составе связи с атомом водорода. Это связь с атомом водорода, но это не водородная связь. Надеюсь вы поняли. Один из валентных электронов теперь в составе связи. Вот еще один валентный электрон. Вот этот электрон связи с атомом водорода. Теперь он здесь. И еще один вернулся от атома водорода, вот он. У него вновь 6 валентных электронов. Пересчитаем: 1, 2, 3, 4, 5, 6. Вот так взаимодействует 2-бром-2-метилпропан со слабым нуклеофилом. Я еще расскажу о разных нуклеофилах. Что же получилось в результате? Самая длинная цепь - 3 атома. Корнем названия по-прежнему будет «проп». О гидроксильной группе мы еще не говорили, но само ее наличие означает, что перед нами спирт. В названиях спиртов используется суффикс «анол». Теперь запишем это название - пропанол. Пропанол. Необходимо указать, при каком атоме располагается гидроксильная группа. Это пропанол-2. Хорошо. Пропанол-2. Не забываем также про наличие метильной группы. Это 2-метилпропанол-2. Механизм протекания этой реакции называется Sn1. Думаю, вы понимаете, почему Sn1, а не Sn2. Я это запишу. Реакция Sn1. S означает «замещение». Подпишу опять. n означает «нуклеофильное», как мы уже знаем. Нуклеофильное. В реакции участвовал слабый нуклеофил, а именно вода. Цифра 1 означает, что самая медленная. То есть лимитирующая, стадия этого механизма идет с участием всего лишь одного из реагентов. На самой первой лимитирующей стадии, бром отнимает электрон у углерода. Вода в этом не участвует. Скорость реакции Sn2 определяют оба реагента, а здесь только один. Поэтому и называется Sn1. До встречи! Subtitles by the Amara.org community